1.1 制造业发展史

从原始时代开始，人们就使用工具和制造工具。从石器时代到青铜器、铁器时代这段时期，生产力水平低下，主要是人力、畜力、局部利用水力和风力以及简单的工具；制造技术主要依靠手工技艺；生产方式采用的是手工，或半手工、半机械化的手工业作坊式生产方式。

随着手工业的兴起，在13世纪末到16世纪的200多年中，商业、交通、航海、造船和建筑业均开始得到发展。特别是从17世纪后期，相继有：英国科学家牛顿发明的力学三大定律成为后来机械学的力学理论基础；法国数学家笛卡儿创立了解析几何学；德国数学家莱布尼茨确定了微积分学；18世纪中叶，美国富兰克林发现了电，阐述了正负电荷现象，为电磁、电力研究与应用提供了前提条件。这一系列自然科学的进步促进了制造业的发展，孕育着机器生产时代的到来。简单来说，从世界经济发展史的角度看，世界生产方式经历了四次重大的变革（表1.1），在每次变革过程中，都会有一些国家会奇迹般地崛起。

1.1.1 蒸汽动力时代

1776年，英国机械师瓦特发明的第一批新型蒸汽机制造成功并应用于实际生产。依靠蒸汽动力，纺织业、机器制造业取得了革命性的变化，汽车、火车、汽船等交通工具相继得到生产，煤炭、石油和钢铁等行业也得到了相应的发展。蒸汽机的发明，将人类社会带入了蒸汽动力时代，蒸汽机成了大工业时代普遍应用的发动机，引发了第一次工业大革命。第一次工业革命标志着由机器占统治地位的近代工业化大生产时期的开始。19世纪初，交通工具也相继出现了许多创造发明，从1807年美国富尔敦制造出第一艘汽船，到1814年英国工程师史蒂芬发明蒸汽机车，到1830年世界上第一条客运铁路投入运行。交通工具的发展促进了机械制造业的发展。工业革命也为资本主义发展和机器大生产创造了广阔的前景。

1.1.2 电动力时代

1820年，丹麦奥斯特发现了电磁效应，法国安培提出了电流相互作用定律；1821年，英国法拉第制作出了永磁电动机模型；1831年，法拉第总结出电磁感应定律，发明了发电机；1864年，英国麦克斯韦建立了电磁场理论。上述这些发明、发现为后来的电信、电器以及电动机、发电机的创造和应用奠定了理论和电力工业基础。此后，电话、电报、电灯相继问世。电力机器由于能耗仅2%，且清洁、操作方便、占用空间小、性能优良、价格低廉，因此与蒸汽机相比，具有明显的竞争优势。1875—1894年，法国试验应用电力，直接采用电动机驱动机床，推动了机床制造业的发展，结束了机床动力由人力、水力到蒸汽动力的时代。以电作为动力源改变了机器的结构，开拓了机电制造技术的新局面，人类从此开始进入电动力时代。

19世纪下半叶，另一重大发明就是内燃机。1860年，法国李诺瓦以瓦斯为燃料发明了内燃机；1887年，德国发明家卡尔•本茨创造了高速汽油发动机；1893年，德国狄赛尔以重油为燃料，依据压缩燃料点火的引擎原理，研制成功了大马力柴油机，用于运输车辆动力；1896年，美国亨利•福特制造出轻巧、有力、安全、可靠的四轮汽车。麻省理工学院的J．沃麦克等在《改变世界的机器》一书中关于汽车制造业的这段发展史对认识信息时代制造业的诸多问题，应该能有所启示。

1894年，英国议会的一位议员要买一辆轿车，当时英国没有汽车制造厂，更没有任何销售商，因此这位议员只能到巴黎的P&L公司订制。P&L公司是当时世界有名的处于领先地位的轿车公司，主要产品是每年制造几百辆汽车。当时的制造方式是传统的单件生产：由具有高度技巧的工匠精心地制造汽车，这些工匠通晓机械设计的原理，熟悉他们要用的各种材料的性能。他们之中不少人就是小业主，在P&L内独立承包，甚至可以作为一个独立的机械制造作坊与P&L签订合同，承制某些零件和总成。

当时P&L的两位创始人与几个最接近的伙伴负责与顾客讨论，确定汽车的详细规格，定购主要的零件并最后装配成品。而绝大部分的工作，包括总体设计和工程设计，都是由分散在巴黎各处的各个作坊完成的。这种情况下，P&L公司从来就没有制造过两辆完全相同的汽车。因为即使按同样的蓝图造出来的汽车也不相同。原因在于P&L所有的承包商都不采用标准的计量器具。因此，当各种零件运到P&L工厂总装时，这些零件只是近似于所要求的规格。熟练的装配工先取两个零件，用锉将它们修整，使之配合良好。然后再挑第三个零件，使之与前面两个零件配合良好。这样一直干下去，直至整台汽车装出来，这种逐个的配合，产生了累计误差。因此，当装配工装最后一个零件时，这辆汽车和按同样蓝图制造的上一辆汽车在尺寸上的差别已经相当明显了。

这是典型的单件生产，其特点是：

（1）劳动力在设计、机械加工和装配等方面都有很高的技艺，许多人从学徒开始，最后达到掌握单件生产的全面技艺，希望成为老板，经营自己的机械作坊，向装配汽车公司承包。

（2）组织相当分散，一个企业主与所有各方（顾客、雇员及协作者）直接联系。

（3）采用通用机床对金属和木材进行钻、磨等加工。

（4）产量极低，成本高。

至1905年，欧洲已有几百家这类公司采用单件生产方式小量地制作汽车，这些独立承担大部分生产任务的小工厂没有能力开发新技术。1908年，福特汽车公司对生产技术做了一系列重大改进，开创了汽车的大量生产方式，汽车逐步进入欧美家庭，成为改造世界的机器，从而引发了制造业的又一次空前大发展（第二次工业革命）。

福特公司观察到，采用单件生产方式时，每个装配工的平均工作周期，即重复同样作业之前所经历的时间为8小时34分，这时每个装配工要完成同一辆汽车上的大部分装配工作。到1908年，福特公司实现了所有的零件完全可以互换，每个装配工只承担一项单一的工作，在装配大厅中来回走动，逐个对每辆汽车进行组装。到1913年，在移动的装配线推出之前，福特公司的一个装配工的平均工作周期已从8小时34分缩短到2.3分。这时生产效率大为提高，因为工人对单一工作容易熟悉，工作起来速度会更快。另外，所有零件的修整时间都省掉了。福特公司又看到工人从一个装配工位到另一个工位，要花时间来回走动。于是，1913年，福特公司推出了移动的总装线，工人站在一个地方装配某一零件。这样，工作周期又从2.3分缩短到1.9分，生产效率又大幅度提高。

福特的“大量生产方式”新技术克服了单件生产方式所固有的问题。大量生产方式的关键不是移动的组装线，而是零件的互换性，即所有零件全都可以互换，始终如一，而且连接非常方便。这种革新使组装线成为可能。这种大量生产方式减少了总装一辆汽车的工时。生产的汽车越多，每辆汽车成本降低越多。当福特的某种车型生产200万辆时，可使顾客的实际开支降低2/3。为了吸引中等消费者这一市场目标，福特在设计汽车时，为汽车的使用和维护提供了前所未有的方便，普通人用一般的工具便可以修理一般的故障。这些优势把福特公司推到了世界汽车业的首位。这种大量生产方式推动汽车工业的进步达半个世纪以上。

上述故事表明，一种新的生产模式（大量生产方式）及其技术支持（零件的互换性，即公差与配合，是机械学科的一个基础技术），给制造业带来一个重大变革。但是，这场变革的深远意义不止于此，还表现在：

1．劳动力的分工

不仅零件可以互换，工人也容易调换。临时招募的劳工互相不认识，甚至讲话也听不懂，但培训几小时甚至几分钟，他们便可以上生产线，生产出同样复杂的产品。同时，专业的分工也产生了，如工艺工程师、装备工程师、清洁工、修理工、领班等。只有检修工保留了过去装配工的许多技艺。工艺工程师中还要分工，如负责总装的工艺师和各零件作业的工艺师、电气工艺师等。随着时间的流逝，工程专业也越分越细，同专业的工程师可谈的话题越来越多，相反，不同专业的工程师之间的共同语言越来越少，这些功能障碍后来又会影响整个生产。

2．组织结构

追求纵向一体化的生产组织模式，从原材料、制造到与汽车相关的所有功能都纳入到福特公司（福特公司可称得上是开了“大而全”的先河）。福特要把所有的工作都归并到厂内自制，是由于他对每个零件的尺寸偏差和交货期的严格要求。组织结构上用严格计划下的严格管理来代替市场经济，总部高级管理人员对公司内部的各个业务分部予以协调。这种纵向一体化的组织机构产生官僚体制特别严重，并且一经产生，几乎无法克服。

3．工具的进步

为了代替技艺高超的工匠，福特用机床来完成同样的工作，这样减少了机床的调试时间。采用专门设计的工夹具可降低对工人的操作技艺要求。此外，按工艺的顺序安排下一道工序，安排专用的机床进行加工，又进一步提高了效率。刚性生产线因此便形成了。

由于上述影响，福特汽车厂的汽车大量生产，普及家庭，反过来又促进了整个工业的发展。可以这样说，20世纪50年代以前的生产主线是追求大量生产方式，带动了整个工业的发展和社会的进步，而作为技术，机械学科起了关键作用。

18世纪末到20世纪初这100多年中，人类在制造领域进行了大量探索性实验、研究，解决了机械、热力、电磁、化学能量的转换问题，促进了从切削原理、金属材料、机械设计、技术测量到机床制造等一系列制造技术的迅速发展。金属切削理论方面的著名科学家，美国的F.W.泰勒于1879年发表了《金属切削法》，并在研究切削速度对刀具寿命的影响的基础上，于1907年提出了泰勒公式。泰勒公式为提高切削效率和合理安排工人工作量以及建立科学的管理制度提供了理论依据。1798年，美国埃利•惠特尼提出了零件的标准化与互换性，并制造了单功能专用机床，采用量规生产单一零件，实现了互换性生产方式，使大量生产方式成为可能，完成了15000支枪的生产合同。19世纪末成套量块（块规）问世后，组合量块精度能达到2.54μm。这种量块首先用于军事工业，制造出了符合口径的子弹。在19世纪—20世纪之交，机床制造业发展速度极快，能够制造出满足不同工艺，不同精度要求的普通、专用、自动、半自动等各类机床。

1894年以后，电力驱动的机床得到普遍应用，机床的规格与品种不断增多，加工划分细化，工艺趋向完善。1895年，美国制成多轴自动车床；1911年，格林利公司制造出组合机床；1945年，奥地利海德公司研制成电气仿形车床；1897年，德国制成万能滚齿机；1899年，法国制成螺旋伞齿轮机；1902年，美国研制出高效曲轴磨床，1905年制成行星式内圆磨床，1915年制成无心磨床；1917年，瑞士西普公司制成螺纹磨床；1917年，美国普拉特•惠特尼公司生产出坐标镗床；1934年，瑞士西普公司生产出带光学测量系统的液压坐标镗床。各种类型机床的创造、发明和发展使制造工艺日趋精确化，为后来的机械化流水线大生产提供了技术基础，机床行业从此成为倍受重视的基础产业。

这一时期，在组织管理理论方面也出现了颇有影响的新理论。其代表是美国F.W.泰勒的科学管理理论——强化作业管理和制定完备的规章制度；美国阿尔弗雷德•斯隆的部门管理制度——科层制的金字塔式组织管理模式；法国法约尔的组织管理理论——注重企业内部的部门设计和部门之间关系的协调。

这些制造技术和组织管理理论的发展，为大量生产模式提供了技术基础，在汽车工业的带动下，机械工业、军事工业、化学工业和食品加工业等也相继进入大量生产时代，并为“二战”的军工生产准备了物质基础、技术基础和管理经验。通信和交通业的发展为企业的购销提供了强有力的工具，使市场竞争跨越地区。激烈的竞争促使企业不断采用新技术，改革企业的生产、经营和管理方式。

1.1.3 信息经济时代

信息技术的发展历史可以上溯到人类起源的时候，但是今天一般所说的信息技术的发展阶段主要还是从计算机出现以后算起。从那时候起，大致可以分为数据处理时代、个人计算机(Personal Computer，PC)时代、互联网(Internet)时代、移动互联网时代和智能互联时代(Era of Connected Intelligence)5个阶段，每个阶段分为启动、扩散、控制和集成等发展过程（图1-1）。

第一阶段开始于第二次世界大战期间，军事工业发展的需要促使电子技术的研究与开发异常活跃。美国陆军支持大学研制电子计算机，于1945年诞生了第一台电子计算机；贝尔实验室于1958年成功研制出集成电路；1971年出现了单片微处理机，之后在美国诞生了超大规模集成电路，电子计算机进入到超大规模集成电路为标志的第四代；1969年，美国莫迪康公司(Modicom)诞生了第一台可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，PLC把智能融入机器和过程自动化，广泛应用于工业、基础设施和建筑业，标志着数据处理时代的到来。

第二阶段技术上的特征是源于1981年IBM的第一台桌上型个人计算机(PC)的出现与发展，从而使信息处理技术发生了革命性变化。但是，处理的范围还局限于单机，而且所能处理的信息也很简单，主要是文字和二维图形。

第三阶段技术上的特征是网络和通信技术使得信息跨地域的迅速流通和共享得以实现（1995年10月Netscape上市，标志着互联网时代的出现），在该阶段，信息主要通过门户网站、搜索引擎和社区进行单向传播。随着各国信息高速公路的建设，迎来了信息化进程中的网络时代。这个阶段的另一特征是信息处理等能力大大提高，能处理包括图形、图像、声音等多媒体信息。

第四阶段开始于2004年，以Web 2.0为标记；2009年，智能手机的出现标志着移动互联网进入快速发展阶段。在该阶段，信息连接方式以Wi-Fi、3G、4G为主，信息传播方式主要通过社交网络平台、App、自媒体等实现双向互动。

第五阶段开始于2012年美国通用公司提出的工业互联网概念，随着2012年美国再工业化战略、2013年德国“工业4.0”制造战略、“中国制造2025”战略的推出，信息技术的发展进入智能互联时代。该阶段的连接方式主要有移动Wi-Fi和5G等，并以物联网、大数据、云计算、机器人、智能硬件和人工智能为手段，以智能设备为中心出发点实现整个网络世界之间的全方位智能互联、互动。随着智能互联时代的到来，人们能够很容易地通过各种途径得到大量各类信息，但其中有用信息的比例也随之减小了。如何有效地利用信息就成了亟待解决的问题。信息的智能化技术使得计算机真正能够成为人类智力的延伸。到那时，信息技术也就发展到它的成熟阶段。

信息技术发展的这些阶段并不是截然分开的，而是相互重叠的。信息技术发展的最初那些阶段不仅没有结束，而且依然在发展过程中。在第一阶段中出现的那些技术不仅曾经是第二、三阶段技术发展的基础，而且现在也是，将来还是。例如，要想使计算机具有处理多媒体信息的能力，首先要不断提高单台计算机的处理能力，后期信息的智能应用更是离不开前几个阶段发展起来的基础技术。

随着信息技术的高速发展，计算机在信息采集、存取、处理与通信等方面的功能应用于制造领域，极大地推动了制造技术的发展。美国麻省理工学院在空军资助下，于1952年发明了世界上第一台数控(Numerical Controlled，NC)机床。该项发明震惊了当时的科技界、学术界和舆论界，被视为是机械发展史上崭新的一页，是第三次工业革命，意味着制造业开始进入信息时代。在其后的近40年时间里，以计算机技术、通信技术等为代表的信息技术广泛应用于制造业的各个领域，对制造业的渗透、支持与服务引发并加速了制造业全新的变革进程，这一因信息技术引领的工业革命也称为新技术革命。这些新技术的代表有计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)、计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)、管理信息系统(Management Information System，MIS)、柔性制造(Flexible Manufacturing，FM)、计算机集成制造(Computer Integrated Manufacturing，CIM)、精良生产(Lean Production，LP)、并行工程(Concurrent Engineering，CE)、敏捷制造(Agile Manufacturing，AM)、智能制造(Intelligent Manufacturing，IM)等。

在新技术革命浪潮的冲击下，传统资本密集型、设备密集型、技术密集型生产与管理模式受到挑战，信息密集型和知识密集型生产与管理模式将取而代之。制造技术发生了质的飞跃，生产力的含义已转化为信息、自动化设备和人的智力劳动。以下是标志制造业进入信息时代、有代表性的新技术。

1．数控机床

1952年，美国麻省理工学院研制成功世界上第一台三坐标数控铣床。1962年，高效率数控加工中心研制成功。1964年，采用半导体晶体管分立元件的第二代数控系统研制成功，使数控系统的体积大大减小、价格降低、可靠性提高，从而使工业界能够真正应用上数控机床和加工中心。1967年，采用集成电路的小型计算机数控(Computer Numerical Control，CNC)系统研制成功，为多坐标联动曲面加工的前、后置处理提供了技术基础。1974年，使用微处理器数控系统装备的机床在工业界得到普遍应用，如日本有些企业数控机床占有率高达70%，利用数控机床大大提高了生产率，并取得了良好的经济效益。实践证明，数控技术给生产带来的变革和产生的效益是一般的技术改造无法比拟的。

2．计算机辅助制造技术

（1）数控编程技术。1955年，麻省理工学院研制的自动编程工具(Automatically Programmed Tools，APT)解决了手工进行数控编程的难题，终于使数控机床走出实验室，投入实际生产、应用。

（2）成组技术。50年代后期，成组技术(Group Technology，GT)形成专门学科。成组技术用于加工工艺，即将零件按某些工艺共性和结构共性归类分组，以便采用共同的工艺装备。成组技术还可以在工序相同的前提下，集中大批量加工，采用大批量生产的工艺和设备，从而取得很好的效益。计算机辅助制造中，为便于计算机存储数据和进行信息处理，需要建立零件分类编码系统。应用零件分类编码系统，通过成组工艺可以快速完成零件的工艺过程设计，也可以用于计算机辅助产品设计，提高设计效率和设计质量。

（3）计算机辅助工艺过程设计。计算机辅助工艺过程设计(Computer Aided Process Planning，CAPP)是借助计算机程序生成零件加工工艺过程文件，从而取代工艺师手工编制的烦琐、重复劳动，大幅度地提高工艺过程设计的效率、工艺规程的质量以及加快生产准备的进度。1976年，美国计算机辅助制造国际组织推出了CAPP系统，到80年代，其研究成果对提高机械制造的经济效益和实现工业生产自动化起了重要作用，受到世界各工业国家的广泛重视。

3．计算机辅助设计技术

（1）计算机辅助绘图。工程设计人员应用CAD技术可以从繁重的绘制工程图的工作中解放出来，将主要精力用于方案构思、创造发明、检查修改设计方案，以便能快速得到满意的设计结果。特别是按零件成组分类原则建立的参数图形库，可以直接调用参数图形，代入参数值即可得到设计结果。

（2）实体造型。对于构形复杂、有创造性的以及外形有特殊要求的产品设计，传统做法费时、费事、成本过高。运用计算机实体造型技术可以清晰地显示出三维形体，再利用透视法彩色投影和高亮度显示，就能得到图像逼真的实体模型。实体模型一般是采用积木式的几何造型法，由基本几何形体按并集、割集和交集逻辑运算组合而成，或是用边界文件数据结构对物体进行描述，得到物体最终的面、边及顶点结构。实体造型能对设计质量进行快速工程分析，对运动装置进行动态仿真的结构性能分析，对零件的参数设计可以在二维和三维图形间自动转换，通过模型系统可以生成零件数控刀具轨迹，检验程序和数控加工程序。

（3）有限元分析。对于复杂结构件的设计计算，利用CAD的有限元分析法能很好地处理工程实际问题。有限元法是把复杂结构件转化为由简单形状的离散单元组成的集合。采用有限元分析法时，用单元刚度矩阵表示单元节点力与相应节点位移之间关系的一组联立方程式，再组合成整个结构零件的总体刚度矩阵，该矩阵表示结构零件中所有节点力与位移间的关系。根据已知的作用力、材料性能、约束条件等数据，运用求解大型线性代数方程的数值计算方法，解总刚度方程，解决结构件的结构分析问题。

4．计算机辅助设计与辅助制造的集成

CAD、CAM具有各自的功能软件系统，采用不同的方法描述数据，其内部数据管理系统也不尽相同。传统的CAD系统采用的是几何模型，而CAM需要的是面向制造的工艺和几何特征数据，如公差、表面粗糙度、材料特性和热处理等信息，以进行计算机辅助工艺过程设计，产生工序图与工艺文件、零件数控加工程序和刀具轨迹仿真检验程序等，即需要将CAD有关数据转换成各种加工与管理信息。目前应用最多的是美国国家标准局颁布的初始图形交换规范(Initial Graphics Exchange Specification，IGES)，许多商品化的CAD/CAM系统都含有IGES接口。其特点是所有系统的数据传输都采用标准的数据格式，这样就简化了数据转换接口程序的编写。在前、后置处理程序的编写上也非常类似，但缺点是运行效率不高，不便于集成。

为了有效地进行产品数据交换，欧美、日本积极开展数据交换标准的研究。早在1983年，国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)就开始制定产品模型数据交换标准(Standard for Exchange of Product model data，STEP)，目标是建立贯穿产品整个生命周期各阶段的统一的产品定义模型，包括零件设计、制造过程中所有信息与信息之间的关系，以进行统一的产品数据管理，无须将产品信息转换成数据文件，使各系统之间可以直接进行信息交换。STEP标准研究工作于1986年年初步完成，它是一个理想的标准，目前仍在开发完善之中。

5．计算机辅助生产管理技术

制造自动化技术的广泛应用要求企业能够迅速处理企业内外的大量信息，能够对随机信息进行处理和控制，以便及时做出正确决策，适应市场竞争和企业生存与发展的需要。1966年，IBM公司建成了生产管理和控制信息系统。该动态管理模式主张把企业产品中的各种物料分为独立需求和相关需求两类，按时间段确定不同时期的物料需求，解决库存物料订货问题，进而提出了物料需求计划(Material Requirements Planning，MRP)。物料的订货计划由主生产计划的产品中各个物料的从属关系和数量运算确定。MRP编排好加工和采购计划，保证在加工需要时物料配套齐全，能按期装配或交货，又不过量压库。20世纪70年代，美国生产与库存管理协会(American Production and Inventory Control Society，APICS)组织了各种研讨会和学习班，宣传MRP，组织会员深入企业宣讲MRP思想与方法，对MRP的推广应用起了重要作用。

1977年，美国著名生产管理专家奥列弗•怀特提出了制造资源计划倡议，通过信息集成，对企业有限的各种制造资源（如人力、物力、资金、时间等）进行周密计划和合理利用，以提高企业的竞争能力，并命名为制造资源规划(Manufacturing Resource Planning， MRP-Ⅱ)。MRP-Ⅱ是以生产计划与控制为主线的一种计算机辅助企业管理模式，是MRP的新发展。20世纪90年代初，美国加特纳公司提出了企业资源规划(Enterprise Resource Planning，ERP)，建立起现代企业经营管理模式。

6．工厂自动化技术

1946年，美国福特公司首先提出采用“自动化”一词描述生产过程的自动操作，并于1947年建立了生产自动化研究部门。1952年，丁迪博尔德出版了《自动化》一书，认为自动化是分析、组织和控制生产过程的手段。1954年，钱学森在美国出版了《工程控制论》一书，论述了在工程设计和实验中，能够直接用于受控工程系统的理论、概念和方法。其思想很快为世界科技界所接受，使科技人员用系统的方法去观察技术问题，指导千差万别的工程实践。此后，自动控制作为一种提高生产率的重要手段开始被推广应用，在机械制造中出现了机械自动化，在石油、化工、冶金行业中出现了过程自动化；此外，随着信息技术的推广应用，使自动控制与信息处理相结合，进而出现了业务管理自动化。20世纪60年代初出现了计算机控制的化工厂，1975年出现了集散型控制系统，使过程自动化达到很高的水平。

计算机技术在制造业的广泛应用，使操作技术日益简化，生产现场职工人数日渐减少，出现了夜班无人化生产。体力劳动逐渐让位于脑力劳动，但对于制造系统的故障诊断与维修技术，往往缺乏驾驭它的高级劳动力，因此，培养智力型高科技人才，提高系统设备的可靠性一时成为企业的难题。20世纪70年代初，日本由于遇到能源危机和公害处理等问题，迫使日本政府于1973年规划无人化工厂。1973年，美国约瑟夫•哈灵顿(Joseph Harrington)针对这一形势提出了利用计算机集成制造来组织企业生产的哲理。1981年，美国国家标准局提出了计算机集成制造发展战略，并于1983年建成了自动化制造研究实验基地(Automated Manufacturing Research Facility，AMRF)。经过近10年的发展，计算机集成制造概念已发展成为一个工厂内部实现信息集成和功能集成的工程化系统，从系统工程和资源共享的观点出发，把企业生产经营的各种单项技术功能和管理功能集成起来，提高企业的整体效益。

上述新技术反映出信息技术开始进入制造业，为制造业服务、支持，并进行渗透，渗透到制造业的方方面面：在产品设计过程，采用计算机辅助绘图、辅助设计、三维造型、特征造型。利用计算机辅助工程分析软件，可以对零件、部件以及产品的受力、受热、受振等各种情况进行工程分析计算，以优化设计。在工艺设计中采用计算机技术辅助编制工艺规划、选择刀具、选择或设计卡具。利用软件技术产生刀具轨迹的数控代码，经过前、后置处理，解决诸如刀具磨损补偿，以致避免干涉碰撞等仿真，便获得可以在数控机床或加工中心上对零件进行加工的程序。产品设计中的各种零部件可以按成组技术存放在数据库中，针对不同材料及刀具等的切削加工参数也可存放在数据库中，便于下一个不同产品的变形设计使用，进一步提高设计效率。在生产管理方面，也引入了许多先进的管理思想及相应的信息系统的软件。如何保证均衡生产，不窝工又不至于制品过多而积压流动资金。各种优化生产技术应运而生：MRP、MRP-Ⅱ、考虑按设备瓶颈组织和优化生产的最佳生产技术（Optimized Production Technology，OPT）、考虑最优库存的适时生产（Just in Time，JIT）、ERP等。各种专用的信息系统用于产品报价，跟踪重要零部件的生产状况，是辅助企业高层领导决策的工具。此外，在加工现场，除数控机床、加工中心外，在线的三坐标测量机、柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell，FMC)和柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，FMS)，各种自动化物流系统（如立体仓库、自动导引车(Automated Guided Vehicle，AGV)等）、控制生产线的可编程控制器(PLC)等，也开始被广泛采用。

信息技术广泛应用于制造业，使制造业呈现了加速发展的蓬勃生机，这一期间，中小批量的生产方式开始居于主导地位。但是，要进入完全满足顾客多样化要求而且性能价格比优良的单件生产，还有许多障碍，特别是信息技术广泛进入制造业带来的障碍，即各种“自动化孤岛”以及旧的生产模式。刚性生产线大大提高了生产效率，使产品成本下降。这是以损失产品的多样性使工人成为生产线的奴隶为代价的，效率是当时市场竞争的主要表现。市场对产品多样化的要求，对刚性生产线不断提出挑战。

从上面的分析，可以得到如下启示。

（1）生产模式的变革，特别是重大的生产模式的变革，必须以相应的科技进步作为支持，生产管理模式和相应的科技进步是推动社会进步的相辅相成的两个方面。

（2）从“单件生产”方式到“大量生产”方式，机械技术的进展主要是技术支持，对社会的推动是巨大的，影响至今。

（3）在渐进的近三四十年，信息技术对制造业起的作用越来越大，产品又由“大量生产”方式向“中小批量生产”方式转变。

1.1.4 智能互联时代

新一轮科技革命，特别是移动互联网、大数据、人工智能、物联网、云计算等新一代信息技术的普及，带动了几乎所有领域发生了以绿色、智能、服务化、网络化为特征的群体性技术革命，新一代信息技术与制造业深度融合，孕育了智能制造的新理念。

2012年以来，随着美国工业互联网、德国“工业4.0”“中国制造2025”等各国家智能制造战略的提出，工业社会开始进入以大数据感知、传输、分析与应用为基础的智能互联时代（信息技术发展的第五阶段，如图1-1所示）。在智能互联时代，人们工作与生活中的设备与设备、人与设备之间基于物联网和移动互联网实现互联、基于大数据分析预测与人工智能实现智能化，标志着以智能互联为特征的第四次工业革命的到来（如图1-2所示）。

智能互联是以物联网技术为基础，以平台型智能硬件为载体，按照约定的通信协议和数据交互标准，结合云计算、大数据与人工智能应用，在智能终端、人、云端服务之间进行信息采集、处理、分析、应用的智能化网络，具有高速移动、大数据分析和挖掘、智能感应与应用的综合能力，能够向传统行业渗透融合，提升传统行业的服务能力，连接百行百业，进行线上线下跨界全营销。智能互联时代在结构、业务、商业模式、基本理念上都发生了重大变化，而它产生的能力远非传统互联网所能想象。

智能互联颠覆了传统互联网，重构了人与人、人与物之间的关系，包括人与服务、服务与服务、人与媒体、虚拟与现实、人与互联网等生态之间的高度重构，是从产品层面和营销层面对传统企业全面的数字化的重构。智能硬件涉及云计算、大数据、传感器、通信等多个领域，是智能互联时代的终端入口，可以根据实际的场景与用户进行智能、场景化的互动，让智能硬件成为用户工作、生活、出行等场景的一部分，并且高频、刚需地使用它。

利用工业互联网进行数据传输，将物、服务、人、设备等联网，开发智能应用等都可以为人们带来价值。联网系统越来越多，传感器从物理世界采集的数据通过网络可向所有领域提供有用的信息。基于双方约定的通信关系或工业数据传输标准，移动的物、人、机器可以相互交流。有研究预测，2020年将有250亿个“物体”联网，推动力有两点：一是利用智能网络和相关信息建立最优的价值流；二是创造新的商业模型。通过组件、系统和解决方案的逻辑升级可以创造全新的互操作概念并彻底简化设计与操作流程。互联网的广泛应用带来了大量的新产品，也改变了很多产品的使用方式，这些改变甚至跨越了领域的界限。

智能互联不是创造和形成一个新的行业，它一定是渗透到传统行业中，提升传统行业的服务和营销能力，改变传统行业的推广和传播能力，令传统行业的能力更加强大。

在智能互联时代，新一代信息技术与制造业深度融合，已经开始孕育一种全新的制造业的新理念——智能制造，从而形成新的生产方式、产业形态、商业模式和经济增长点：①推动3D打印、移动互联网、大数据、人工智能、云计算、生物工程、新能源、新材料等领域取得新突破；②基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革；③网络众包、协同设计、大规模个性化定制、精准供应链管理、全生命周期管理、电子商务等正在重塑产业价值链体系；④可穿戴的智能产品、智能家电、智能汽车等智能终端产品不断拓展制造业新领域。

往前追溯，智能制造的研究起始于20世纪80年代人工智能在制造领域中的应用，随着20世纪90年代智能制造技术、智能制造系统的提出[1]，Wright和Bourne[2]给出了智能制造的概念，随着“工业4.0”战略计划的提出，智能制造的研究成熟于21世纪以来新一代新兴信息技术条件下的“智能制造(Smart Manufacturing)”[3，17，18]。

1．20世纪80年代：概念的提出

1988年，美国赖特(Paul Kenneth Wright)和伯恩(David Alan Bourne)出版了智能制造研究领域的首本专著《制造智能》(Manufacturing Intelligence)[2]，就智能制造的内涵与前景进行了系统描述，将智能制造定义为“通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉和机器人控制对制造技工们的技能与专家知识进行建模，以使智能机器能够在没有人工干预的情况下进行小批量生产”。在此基础上，英国技术大学Williams对上述定义作了更为广泛的补充，认为“集成范围还应包括贯穿制造组织内部的智能决策支持系统”。《麦格劳-希尔科技词典》将智能制造界定为：采用自适应环境和工艺要求的生产技术，最大限度地减少监督和操作，制造物品的活动。

2．20世纪90年代：概念的发展

20世纪90年代，智能制造概念提出不久，智能制造的研究获得欧、美、日等工业化发达国家的普遍重视，并围绕智能制造技术(Intelligent Manufacturing Technology，IMT)与智能制造系统(Intelligent Manufacturing System，IMS)开展了国际合作研究。1991年，日、美、欧共同发起实施的“智能制造国际合作研究计划”提出：“智能制造系统是一种在整个制造过程中贯穿智能活动，并将这种智能活动与智能机器有机融合，将整个制造过程从订货、产品设计、生产到市场销售等各环节以柔性方式集成起来能发挥最大生产力的先进生产系统”。

3．21世纪以来：概念的深化

21世纪以来，随着移动互联网、人工智能、物联网、大数据、云计算等新一代信息技术的快速发展及应用，智能制造被赋予了新的内涵，即新一代信息技术条件下的智能制造(Smart Manufacturing)。2010年9月，美国在华盛顿举办的“21世纪智能制造的研讨会”指出，智能制造是对先进智能系统的强化应用，使得新产品的迅速制造、产品需求的动态响应以及对工业生产和供应链网络的实时优化成为可能。2011年6月，启动包括工业和机器人在内的“先进制造伙伴计划”。2012年2月，出台“先进制造业国家战略计划”，提出建设智能制造技术平台，以加快智能制造的技术创新。2012年11月，美国通用公司提出“工业互联网(Industrial Internet)”[4]，将智能设备、人和数据连接起来，以智能的方式分析这些交换的数据，帮助人们和设备做出更智慧的决策。其中，大数据被认为是物理与信息融合中的关键技术。AT&T、思科、通用电器、IBM和英特尔随后在美国波士顿成立工业互联网联盟，以期打破技术壁垒，促进物理世界和数字世界的融合。2013年3月，建立全美制造业创新网络，其中智能制造的框架和方法、数字化工厂、3D打印等均被列入优先发展的重点领域。

2013年4月，德国正式推出“工业4.0”（Industry 4.0）战略[3]，意图在新一轮工业革命中抢占先机，奠定德国工业在国际上的领先地位。“工业4.0”通过利用信息物理系统（Cyber-Physical System，CPS）实现由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，建立高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式，推动现有制造业向智能化方向转型。虽没明确提出智能制造概念，但包含了智能制造的内涵，即将企业的机器、存储系统和生产设施融入CPS。在制造系统中，这些虚拟网络（实体物理系统）包括智能机器、存储系统和生产设施，能够相互独立地自动交换信息、触发动作和控制。

为了利用新兴信息技术整合全球化的制造资源和智慧资源，实现预测型的智能制造与服务系统，2015年3月和7月，中国政府分别制定了“中国制造2025”战略和“互联网＋”行动计划，明确提出了“加快推动新一代信息技术与制造技术融合发展，把智能制造作为两化深度融合的主攻方向，着力发展智能装备和智能产品，推进生产过程的智能化，培育新型生产方式，全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平”，力争实现由制造大国向制造强国的转变；其核心旨在通过制造业的技术创新、商业模式创新、生产组织方式创新，以及制度体系创新，以工业化与信息化深度融合为主线，驱动中国制造在生产模式上向智能制造演变，在商业模式上向服务型制造演变，在资源与能源消耗上向绿色制造、环境优化转变，从而加快制造与服务的协同发展。其中，制造＋互联网是关键，智能制造是主要内容。

人工智能利用机器（主要是计算机和软件）实现人的感知（如机器视觉、力觉、触觉、听觉等）和判断（如专家系统、人工神经网络、模糊推理、智能代理、自然语言理解、机器学习等），随着大数据智能、群体智能、跨媒体智能、混合智能等新一代人工智能技术的快速发展，人工智能将深刻改变人类社会生活、改变世界。2016年10月，美国国家科技委连续发布了两个重要战略文件Preparing for the Future of Artificial Intelligence（为人工智能的未来做好准备）和The National Artificial Intelligence Research and Development Strategic Plan（美国国家人工智能研究与发展策略规划），将人工智能上升到国家战略层面，为美国人工智能的发展制订了宏伟计划和发展蓝图。2016年12月，美国白宫再次发布Artificial Intelligence，Automation，and the Economy（人工智能、自动化与经济）报告，该报告认为：应对人工智能驱动的自动化经济是后续政府将要面临的重大政策挑战，下一届政府应制定政策，推动人工智能发展并释放企业和工人的创造潜力，确保美国在人工智能的创造和使用中的领导地位。为抢抓人工智能发展的重大战略机遇，构筑我国人工智能发展的先发优势，加快建设创新型国家和世界科技强国，2017年7月，国务院印发了“新一代人工智能发展规划”通知。

综上所述，智能制造是指在制造工业的各个阶段，将移动互联网、物联网、大数据、人工智能（特别是新一代智能技术）、云计算等新一代信息技术与先进自动化技术、传感技术、控制技术、数字制造技术和管理技术相结合，以一种高度柔性与高度集成的方式，支持工厂和企业内部、企业之间和产品全生命周期（产品研发设计、生产加工、运营管理、维护服务到报废处理的全过程）的实时管理和优化。简而言之，智能制造是新一代信息技术在制造全生命周期的应用中所涉及的理论、方法、技术和应用。

在智能制造模式下，产品和制造技术更加复杂，出现了全球化、智能化、服务化、协同化发展趋势[5]。生产组织方式（生产模式）转变为运用全球资源的智能制造模式[6]，在企业内部拥有丰富的设备实时运行状态、运营环境状态、业务运营状态、人员状态、社交网络数据以及客户反馈数据等大数据信息，通过对这些数据的分析和挖掘可以了解问题产生的过程、造成的影响和解决的方式，这些信息被抽象化建模后转化成知识，再利用知识去认识、解决和避免问题，实现预测性生产与决策[7]，如订单和成本预测等。这样，知识成为企业运作的基础，数据作为产生知识的主要途径，成为企业的核心资产；产品模式向智能产品与服务系统演变[8]，以智能产品为承载，融合全流程的服务管理和全生命周期的数据管理，为客户提供硬件、网络和软件服务的整体或个性化解决方案，如租赁服务；商业模式向服务型制造演变[9，10]，可以由制造企业之间分工合作完成制造过程，相互之间提供制造服务，如外包等，也可以将制造环节的生产性服务独立出来，建立以生产性服务为经营核心的企业，在产品生命周期内为制造企业和最终消费者提供服务，如运营、维护服务等；在产品和服务的全球化开发、生产、运营和维护过程中多主体紧密协作，价值链从企业为客户提供产品向提供个性化服务和能力转变[11]，在提供服务的过程中以自组织方式有效整合企业内部、合作伙伴、用户、领域专家、云平台服务商、竞争企业等各类服务资源和智慧要素，协同为客户创造价值。