1.2 先进制造技术的内涵及体系结构
1.2.1 先进制造技术的内涵和特点
先进制造技术不是一个静态封闭的技术系统，它是不断吸收其他先进技术，并加以融合发展的交叉科学，在不同的历史时期它所包含的技术不尽相同。多数学者认为：先进制造技术是指在制造过程和制造系统中，融合电子、信息和管理技术，以及新工艺、新材料等现代科学技术，并将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁和灵活生产，提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。
先进制造技术从传统的制造工艺发展起来，并集成其他新技术，实现了优质、高效、低耗、清洁及灵活的生产。先进制造技术的技术基础是各类其他学科的先进技术，包括电子、光学、材料、信息、自动化和管理技术等；由于信息技术的融合，使得先进制造技术的适用范围不仅局限于制造这一个简单环节，还拓展到了以制造为核心的产品的整个生命周期，包括设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务及回收等；而其最终目标是追求制造过程的高效、清洁、低耗和灵活生产，并保证产品质量的优异。
在经济全球化的浪潮中，先进制造技术以其加工柔性和高效可以应对多型号、少批量的产品加工需求，增强了适应动态多变的产品市场能力，具备了制造上的竞争能力；而且由于吸收了先进管理技术的最新发展成果，先进制造技术实现了制造过程组织和管理体制的简化以及合理化，从而产生了一系列先进的制造模式。这种先进的制造模式和先进制造工艺，以及先进管理技术共同组成了先进制造技术的核心，使得传统制造技术脱胎换骨，以先进制造技术的面目出现在世人面前，并展现出巨大的技术优势和实用价值，成为各国争先发展的核心技术。随着全球化与一体化格局的出现，网络化带来的信息流的加速传播，新的先进制造技术也必将在全球范围内扩展传播、深化发展，呈现出全球化的模式。
与传统制造技术相比，先进制造技术具有以下特点。
1.系统集成性
先进制造技术是一个交叉性很强的技术系统，属于各种不同专业和学科间渗透、交叉、融合的产物，各学科之间的界限逐渐模糊甚至消失，其发展呈现出系统化、集成化的趋势。与传统制造技术之间泾渭分明的学科、专业界限相比较，先进制造技术体现出其博大精深、有容乃大的系统科学性，而且已发展成为集机械、电子、信息、计算机、自动化、材料和管理技术为一体的新型交叉学科，拓展了制造系统的领域和范围。与传统制造技术只产生物料流和能量流的变化相比，先进制造技术中信息流的作用贯穿始终：在产品的生产过程中，从一开始信息流便介入，有效合理地控制能量流，管理物料流。信息的采集、汇总、储存、传递、反馈及执行等一系列信息流在以制造为核心的设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程中发挥着强大的指挥作用，优化了制造的全过程，并产生了诸如并行工程、敏捷制造、精益生产、智能制造等先进生产模式。这些模式的技术核心都是信息技术，执行中都是通过信息流的不断作用而实现的，如并行工程就是依靠信息平行地传递到每个参与研发的设计者手里，同时进行协作开发，最后集成汇总进行设计的一种系统方法。这种方法大大提高了沟通的程度和设计的效率，产品开发人员与其他人员一起共同工作，信息共享程度高，从产品设计开始，就考虑产品整个生命周期中所有的重要环节，使先进制造技术真正成为制造的系统工程。
2.动态综合性
先进制造技术从诞生起就不是一个静态封闭的技术系统，而是动态变化、与时俱进的发展体系，有其动态综合性。在不同的历史时期和不同的发展环境下，先进制造技术所包含的内容不尽相同。针对特定的应用对象和目标，先进制造技术需要不断地吸收各种高新技术，在吸收中逐渐融合、不断发展，并保持其先进性。先进制造技术追求制造过程的高效、清洁、低耗、灵活生产，并保证产品质量的优异，它脱胎于传统制造技术，与代表着时代发展的新技术结合，既保留了传统制造技术中的有效因素，又吸收了各种高新技术的综合成果。
3.广泛实用性
先进制造技术解决的是工业应用中的瓶颈问题，是一门面向工业应用、具有很强实用性和广泛性的新技术，其产生和发展具有明确的需求导向，这一点与基础科学研究不同。基础科学中不能用于实际生产的，先进制造技术都无法收入囊中，只有能够解决实际问题的某一技术或者某一理念才能被请进来，揉进去，加以改造利用并得以再生。从先进制造技术的发展来看，无一不是针对某一具体的制造业（如汽车制造、电子工业）的需求而发展起来的先进、适用的制造技术，有其明确的需求导向特征；而且先进制造技术不是以纯粹的追求高新技术为目的，而是注重产生最好的实践效果和应用价值。先进制造技术的广泛性和实用性使其具有强大的生命力和可延展性，是先进制造技术先进性的最主要体现。
1.2.2 先进制造技术的体系结构
先进制造技术是对制造技术不断优化及推陈出新而形成的高新技术群，其体系结构也是与时俱进，不断更新的。在不同的国家、不同的发展阶段，先进制造技术有其不同的内容及组成。下面介绍几个不同的先进制造技术体系划分。
1.AMST的先进制造技术体系
美国机械科学研究院（AMST）提出的先进制造技术由多层次技术群构成，其体系结构如图1-1所示。它强调了先进制造技术是以基础制造技术为核心，吸收新型制造单元技术，发展到先进制造集成技术的过程，也表明了在新型产业及市场需求的带动之下，在各种高新技术（如能源技术、材料技术、微电子技术和计算机技术以及系统工程和管理科学）的推动下，先进制造技术的发展历程。
图1-1 AMST的多层次先进制造技术体系结构
第一个层次是优质、高效、低耗、清洁的基础制造技术，这也是先进制造技术体系的基础和核心。在这一核心层次中，铸造、锻压、焊接、热处理、表面保护及机械加工等基础工艺至今仍是生产中大量采用、经济适用的技术，这些基础工艺经过优化而形成的优质、高效、低耗、清洁的基础制造技术是先进制造技术的核心及重要组成部分。这些传统的机械加工基础技术，经过发展也具有了近净成形、清洁低耗等特质，主要有精密下料、精密塑性成型、精密铸造、精密加工、精密测量、毛坯强韧化、精密热处理、优质高效连接技术、功能性防护涂层及各种与设计有关的基础技术、各种现代管理技术等。
第二个层次是新型的制造单元技术。这是在市场需求及新兴产业的带动下，制造技术与电子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程及现代管理等高新技术结合而形成的崭新的制造技术，如制造业自动化单元技术、极限加工技术、质量与可靠性技术、系统管理技术、CAD/CAM、清洁生产技术、新材料成形加工技术、激光与高密度能源加工技术、工艺模拟及工艺设计优化技术等。
第三个层次是系统集成技术，包括采用新的应用信息技术和系统管理技术以及新材料技术等其他集成技术，这是随着微电子及计算机应用技术的发展而逐步集成吸收到先进制造技术体系中的。它是通过网络与数据库等计算机技术对前两个层次的技术集成而形成的，如FMS、CIMS、IMS及虚拟技术等。
以上三个层次都是先进制造技术体系的有机组成部分，而且整个体系也会随着其他新兴技术的发展不断扩大而发生变化。
2.FCCSET的先进制造技术体系结构
1994年初，美国联邦科学、工程和技术协调委员会（FCCSET）下属的工业和技术委员会先进制造技术工作组提出了有关制造技术的分类目录，这是对先进制造技术内涵的首次较系统的说明。如图1-2所示，与AMST的描述不同，这种体系不是从技术学科内涵的角度来描绘先进制造技术，而是着重从整个体系的宏观结构组成角度描绘先进制造技术的组成，以及各个部分在制造技术发展过程中的作用。根据这一定义，先进制造技术主要包括以下三个技术群：
1）主体技术群。包括面向制造的设计技术群和制造工艺技术群。
2）支撑技术群。包括信息技术、标准和框架技术、机床和工具技术、传感器和控制技术。
图1-2 FCCSET的先进制造技术体系结构
3）管理技术群。它是指整个先进制造体系中所需要的生产管理技术等，包括品质管理、用户/供应商交互作用、培训和教育、监督和基准评测以及技术获取或作用等。
这三部分作为组成先进制造体系的宏观架构，相互联系，相互促进，是一个完整的体系，每一部分均不可缺少。在实际应用中，它们互相作用，共同支撑，形成了先进的制造技术体系。
3.我国学者提出的先进制造技术体系结构
我国学者在此基础上进行了改进和充实，根据自己的理解和业内的共识，将其简化，分为三大主体技术群和一个支撑技术群，如图1-3所示。
图1-3 我国学者提出的先进制造技术体系结构
1）制造工程设计技术群。它包括所有与产品和工艺设计有关的技术，如CAX技术、DFX技术、可靠性设计、动态设计、疲劳设计、智能优化设计、反求工程、系统建模与仿真、系统集成、并行设计及快速原型制造等。
2）制造系统管理技术群。它包括与企业管理有关的各种技术，强调信息集成，企业生产模式的创新，人、技术和管理的集成等，如成组技术、全面质量管理、制造资源计划、准时生产、计算机集成制造、并行工程、精益生产及敏捷制造等。
3）物料处理和设备技术群。该技术群是研究与物料处理过程及与物流直接相关的各项技术，如材料生产工艺及设备、加工工艺及设备、少无切削加工、精密工程技术、超高速加工技术、特种加工技术、加工设备及其监控及质量控制技术等。
4）相关支撑技术群。相关支撑技术是制造工程科学的理论基础，是三大主体技术群赖以生存并不断取得进步的相关技术，包括计算机技术、微电子技术、信息技术、自动化技术、系统工程、管理科学及材料科学等。
1.2.3 先进制造技术的主要内容
先进制造技术主要包括以下几个方面。
1.现代设计技术
现代设计技术是先进制造技术的重要支撑，它的发展和应用是先进制造技术体系先进性的前提保证。与传统设计技术相比，现代设计技术并不是进行产品某一独立环节的设计，而是整体考虑并涉及与产品全生命周期有关的各个环节，综合采用先进的设计理念、运用现代科学知识体系、借助计算机化的设计手段，从制造的源头保证了产品的各项性能指标，进而体现了产品整体设计上的先进性，同时也为后续先进制造技术的运用创造条件。现代设计技术包括了有关的各项工程设计技术，如计算机辅助设计、有限元分析、计算机辅助工程、计算机辅助工艺设计、面向X的设计、反求工程、模块化设计、优化设计、智能设计、创新设计、动态设计、可靠性设计、健壮设计及精度设计等。本书着重于介绍与先进制造有关的制造工艺技术、生产模式、自动化技术和管理技术，对于现代设计技术部分不做阐述。
2.先进制造工艺技术
先进制造工艺技术是通过采用各种先进制造方法将坯料加工制造成产品的工艺及其过程，产品加工最终满足先进制造技术所提出的优质、高效、低耗、清洁的要求。先进制造工艺是先进制造技术的核心和基础，是产品加工制造中先进性的集中体现，如果没有与之相适应的工艺技术，先进制造技术将难以发挥优势。美国国防关键技术计划指出：“制造工艺是将先进技术转化为可靠、经济、精良武器装备的关键”。
先进制造工艺技术包括精密和超精密加工技术、微细加工技术、高速加工技术、生物制造技术、快速成型技术、激光加工技术及高能束加工技术等内容。
3.先进制造模式及现代生产管理技术
先进制造模式是制造业生产组织管理的新模式，包括虚拟制造（CIM）、并行工程（CE）、敏捷制造（AM）、精益生产（LP）、智能制造（IM）及绿色制造（GM）等。采用先进制造技术进行大规模生产和应用的过程，包括前期市场开发、产品调研设计、生产制造加工、质量控制检测和产品营销售后等阶段，先进制造模式及现代生产管理技术应用而生并得以快速发展。现代生产管理技术是企业运行中采取的各种计划、组织、控制及协调的方法和技术的总称，包括产品数据管理（PDM）、生产信息管理（PMM）、物流管理（LM）及工作流程管理（WPM）等。围绕先进制造技术进行开发的现代管理应用系统已从最初的物料需求计划（MRP）发展到今天广为采用的制造资源计划（MRPⅡ）、企业资源计划（ERP）、客户关系管理（CRM）、供应链管理（SCM）、企业经营过程重组（BRP）及伙伴关系管理（PRM）等，从而大幅度提高企业的绩效，实现整个制造系统资源优化。
4.先进制造自动化技术
随着计算机技术的提高，自动化技术得以快速发展，同时也为先进制造技术的发展注入了活力，提供了大批量生产的解决途径。在大批量生产中，先进制造技术不仅要采用先进制造模式，应用现代生产管理技术，为提高生产效率、降低劳动成本、快速变换生产对象和形成流水化连续生产，还要吸收自动化技术，从而诞生了面向大批量制造的先进制造自动化技术。制造自动化包括物料的存储、运输、加工、装配和检验等各个生产环节的自动化，制造自动化能显著降低操作者的劳动强度、提高生产效率、减少生产成本、保证生产连续进行，而且还是确保产品质量稳定可靠的必要手段。制造自动化技术包括了计算机集成制造技术、数控技术、工业机器人技术、自动化加工装备技术、物流自动化技术、网络化制造技术、传感技术、自动检测技术、信号处理和识别技术以及制造过程监测与控制技术等方面的内容。