工程训练(工科类)

《工程训练（工科类）》以“突出技能、重在实用、理论够用”为指导思想，结合本课程的具体情况和教学实践，注重理论与实践相结合，突出能力培养，强化实践教学，为高素质应用型人才培养打下一定的理论与实践基础。 

《工程训练（工科类）》是根据高校开展工程训练而进行编写的面向理工科学生的公共基础课教材，目的是让学生学习机电工艺知识，增强物化能力，践行工匠精神，体验技术进步。本书作者结合多年工程实践教学经验，以全国工程训练综合能力大赛比赛项目为主线，经过结构优化、整合编写而成的，全书共分16章。本书主要面向理工科各专业学生开展工程训练教学和实习指导，并可作为有关专业工程技术人员、技术工人和职业院校师生的参考用书。

目录

第1章现代制造工程概述

1．1制造系统的基本概念

1．2现代制造的战略、理念和模式

1．2．1制造领域竞争战略的演变

1．2．2柔性制造

1．2．3计算机集成制造

1．2．4虚拟制造

1．2．5智能制造

1．3现代工程设计技术

1．3．1现代工程设计技术概述

1．3．2虚拟现实技术

复习思考题

第2章工程材料及热处理

2．1工程材料

2．1．1工程材料的分类

2．1．2金属材料的组织结构

2．1．3常见工程材料

2．2热处理

2．2．1热处理工艺

2．2．2热处理工件性能的检验

复习思考题

第3章铸造

3．1概述

3．2造型

3．2．1铸型的组成

3．2．2造型材料

3．2．3型砂与芯砂的制备

3．2．4模样与芯盒

3．2．5造型方法

3．2．6浇注系统

3．2．7合型

3．3合金的熔炼与浇注

3．3．1铸造合金的种类

3．3．2铸铁的熔炼

3．3．3铝合金的熔炼

3．3．4合金的浇注

3．4铸件的缺陷分析

3．5特种铸造

3．6铸造安全操作规程

3．7实训项目

复习思考题

第4章锻压

4．1概述

4．2锻造

4．2．1锻造工艺概述

4．2．2自由锻造

4．2．3模型锻造

4．2．4胎模锻

4．3冲压

4．4安全操作规程

4．5实训项目

复习思考题

第5章焊接

5.1概述

5.2焊条电弧焊

5.2.1定义

5.2.2焊接电弧

5.2.3弧焊电源

5.2.4焊条

5.3焊接接头形式和操作工艺

5.3.1焊接接头形式

5.3.2坡口形式

5.3.3焊接位置

5.3.4焊接工艺参数及选择

5.3.5焊条电弧焊基本操作技术

5.4气焊与气割

5.4.1气焊

5.4.2氧气切割

5.5其他常见焊接方式简介

5.6安全操作规程

5.6.1焊条电弧焊安全操作规程

5.6.2气焊、气割安全操作规程

5.7实训项目

复习思考题

第6章车削加工

6.1基础知识

6.1.1车削加工概述

6.1.2切削加工的基本概念

6.1.3车床

6.1.4刀具、工件的装夹

6.1.5常用量具及其使用

6.2车外圆柱面

6.2.1车削外圆、端面

6.2.2车槽与切断

6.3车削锥体

6.3.1基本知识

6.3.2车削圆锥

6.4车削三角螺纹

6.4.1三角螺纹基本知识

6.4.2三角螺纹的车削

6.5安全操作规程

6.5.1安全操作规程安全知识

6.5.2车床的润滑和维护保养

复习思考题

第7章钳工

7.1基础知识

7.2基本操作

7.2.1划线

7.2.2锯削

7.2.3锉削

7.2.4钻孔

7.2.5扩孔

7.2.6铰孔

7.2.7攻螺纹和套螺纹

7.3装配

7.4安全操作规程

7.5实训项目

复习思考题

第8章铣削和磨削加工

8.1铣削

8.1.1基本知识

8.1.2铣刀简介

8.1.3铣削用量的选择

8.2磨削

8.2.1概念

8.2.2磨削的工艺特点及应用

8.2.3磨床分类及型号

8.3安全操作规程

8.4实训项目

复习思考题

第9章数控加工技术

9．1数控机床基础知识

9．2数控车床基本程序指令及应用

9．3零件加工

9．4加工中心基本程序指令及应用

9．4．1KVC650型加工中心简介

9．4．2FANUC 0i MateMc数控说明

9．4．3KVC650型加工中心面板

9．4．4加工中心基本操作

9．4．5程序的调试

9．5数控机床安全操作规程

9．6实训项目

复习思考题

第10章特种加工技术

10．1概述

10．2电火花成型加工

10．3数控电火花线切割

10．3．1数控电火花线切割机床的组成

10．3．2数控电火花线切割加工的原理

10．3．3数控电火花线切割加工的特点及其应用

10．3．4数控电火花线切割加工程序的编程方法

10．4激光加工

10．4．1基本原理和特点

10．4．2激光加工工艺

10．5快速成型加工

10．5．1基本原理与特点

10．5．2工艺方法

10．5．3快速成型的应用

10．6安全操作规程

10．7实训项目

10．7．1电火花线切割与电火花成型加工实训项目

10．7．2激光加工实训项目

10．7．3快速成型实训项目

复习思考题

第11章CAD/CAM技术与制造业信息化

11．1概述

11．2CAXA制造工程师2015

11．2．1CAXA制造工程师2015用户界面

11．2．2CAD应用——CAXA制造工程师绘图设计

11．3制造业信息化

11．3．1制造业信息化概述

11．3．2制造业信息化的技术

复习思考题

第12章电工基础

12．1安全用电基本知识

12．1．1安全用电

12．1．2触电急救基本操作

12．2常用电工工具及仪表

12．2．1验电工具的使用

12．2．2螺钉旋具的使用

12．2．3钢丝钳和尖嘴钳的使用

12．2．4导线绝缘层的剖削

12．2．5数字万用表的使用

12．3日光灯的安装

12．4安全操作规程

12．5实训项目

复习思考题

第13章电子工艺基础

13．1概述

13．2常见的元件介绍

13．2．1无源元件

13．2．2半导体元件

13．2．3传感器

13．3自制印刷板

13．3．1制图

13．3．2制板

13．4手工装接

13．4．1表面贴装

13．4．2通孔装接

13．5调试与故障排除

复习思考题

第14章电气控制技术

14．1概述

14．2低压开关和低压断路器

14．3控制系统中的常见电器

14．3．1接触器

14．3．2继电器

14．3．3熔断器

14．3．4主令电器

14．4低压控制回路

14．4．1三相异步电动机的正、反转控制电路

14．4．2三相异步电动机降压启动电路

14．4．3行程开关和限位控制电路

14．4．4时间继电器延时控制电路

14．4．5单相电动机的控制

14．5异步电动机的检修

14．5．1定期维修

14．5．2故障分析

14．6实训项目

复习思考题

第15章机电一体化技术

15．1概述

15．1．1机电一体化的组成

15．1．2机电一体化的内容

15．1．3机电一体化的发展历史

15．1．4机电一体化的发展趋势

15．2技术应用领域

15．3中国制造2025与工业4．0

15．4车床电气控制

15．5安全操作规程

15．6实训项目

复习思考题

第16章产品加工分析及成本核算

16．1无碳小车加工分析

16．1．1机械加工工艺分析

16．1．2电路设计加工分析

16．2无碳小车成本核算

16．3无碳小车企划方案

参考文献

前言
《工程训练（工科类）》是根据*普通高等学校机械基础课程教学指导委员会的教学基本要求，为对理工科学生开展工程训练而进行编写的。本书以“突出技能、重在实用、理论够用”为指导思想，结合本课程的具体情况和教学实践，注重理论与实践相结合，突出能力培养，强化实践教学，为高素质应用型人才培养打下一定的理论与实践基础。目的是让学生学习机电工艺知识，增强物化能力，践行工匠精神，体验技术进步。
本书是作者结合多年工程实践教学经验，以全国大学生工程训练综合能力大赛无碳小车的设计制作为主线，经过结构优化、整合编写而成的。注重培养学生理论联系实际的意识，通过让学生实际制作工件来强化学生的工程训练效果，发挥学生的潜力，提高学生的创新意识。
全书共分16章，分别为现代制造工程概述、工程材料及热处理、铸造、锻压、焊接、车削加工、钳工、铣削和磨削加工、数控加工技术、特种加工技术、CAD/CAM技术与制造业信息化、电工基础、电子工艺基础、电气控制技术、机电一体化技术、产品加工分析及成本核算等。全书图文并茂、通俗易懂，内容实用新颖，可操作性强。
本书主要有以下特点：
（1） 编写目标明确，以全国大学生工程训练综合能力大赛无碳小车的设计制作为主线，让学生对产品的设计及加工生产有初步了解；
（2） 较好地处理了理论知识与实践知识、传统制造技术内容与先进制造技术内容之间比例协调和相互融合的关系，强调工程训练教学的综合性、设计性、自主性和开放性；
（3） 在编写中坚持“少而精”的原则，突出针对性、典型性和实用性；
（4） 编排采用问题导入形式，深入浅出、图文并茂、直观形象；
（5） 为确保实习中的安全，在编写中对部分技能训练有针对性地作了安全知识介绍；
（6） 主要面向理工科各专业学生，适用于普通高等院校开展工程训练实践教学和实习指导，并可作为有关专业工程技术人员、技术工人和中等职业学校的参考用书。
本书由北部湾大学韦相贵教授主编，参加编写的有张科研、黎泉、石南辉、王海霞、刘均勇、贾广攀、刘浩宇、刘科明、王帅帅、席红霞、谷良田、曾江黎、蒋庆华。由傅水根教授担任主审。
由于编者水平有限，书中难免存在错误与不妥之处，敬请有关专家与读者批评指正。
编者2018.10

第1章现代制造工程概述

问题导入
随着人们节能环保意识的提升，无碳的理念越来越被人们所关注，更洁净、更环保、更节能、更高效的理念也深入人心。

图11无碳小车

无碳小车(见图11)是对“无碳”理念的探索与开发，对未来“无碳”的憧憬。小车构思巧妙，在完成设计的要求下充分考虑了外观和成本等问题，方便以后的扩展和进一步的开发，并能满足大部分学生对机械知识进行深入了解的愿望，对激发青少年对机械构造的热情有深远的影响。

无碳小车的设计与制造涉及机械原理、机械设计、电路设计和机械加工等相关专业知识。如何将脑海里的无碳小车构思转化为实物？机械加工是将想法转化为实物的一个必不可少的步骤。无碳小车涉及的机械加工的内容及加工种类较多，是用传统普通机床加工？还是省时省力的数控加工？又或是用激光切割、3D打印等加工方法实现？如何保证无碳小车的结构合理以及精度要求？带着这些问题，我们一起来探索现代制造工程的奥秘吧！
现代制造工程是人们运用现代科学知识和技术手段，在社会、经济和时间等因素的限制范围内，为满足社会某种需要而创造新的物质产品的过程。现代工程涉及的知识较多，限于篇幅，本书只讨论现代制造工程相关领域知识。
教学目标
（1） 了解制造系统的基本概念；
（2） 了解现代制造的战略、理念和模式；
（3） 了解现代工程设计技术。
1．1制造系统的基本概念
1． 制造的含义

所谓制造，是一种将有关资源(如物料、能量、资金、人力、信息等)按照社会的需求转变为新的有更高应用价值的资源(如有形的物质产品和无形的软件、服务等产品)的行为和过程。
随着社会的进步和制造活动的发展，制造的内涵也在不断地深化和扩展。农业社会阶段及以前时期，制造活动主要是采用简单工具(石器、铜器、铁器等)的手工制造，制造的对象主要是自然界地表层的天然资源。工业社会阶段，制造活动发展为采用复杂机器作为工具的机器制造，并且，随着科学技术的发展，新的制造模式不断出现，如机械化流水线制造、自动化制造等，制造的对象主要是埋藏在地下的石油及其他矿产资源。今天，世界已跨入信息社会阶段，现代制造模式如柔性制造、集成制造、敏捷制造、智能制造、纳米制造、生物制造等不断涌现，制造的对象已经扩大到分子、原子，甚至是蕴藏在人们头脑中的信息、知识等无形资源。有关专家指出，下一个社会阶段将是纳米科技时代和生物科技时代，以分子、原子等为对象的纳米制造和以基因技术为核心的生物制造将闪亮登场，制造的主要对象将扩大到基因资源和介观领域的各种资源。专家们预言，将用纳米科技“营造自然界尚不存在的新的物质体系”，将用基因“重塑世界”。
因此，制造的概念是一个不断发展进化的概念。现代制造以社会、经济发展需求为目标，以资源和资源转换为对象，以现代制造科学与技术为基础，以制造系统为载体，以信息化、网络化、生态化和全球化为环境和背景，展现在我们面前。
2. 制造系统的定义
要理解这个概念，必须以现实世界和社会价值的观点来加以认识。制造活动是社会基本的活动。由于社会发展的需求，出现了制造系统，这就是现实社会中的制造型企业(以下简称企业，并且对企业和制造系统将等同使用或合称企业系统)。企业是工业革命的产儿，是商品经济的产物，它应人类社会环境的需求而产生，随社会经济的发展而演变。早期人们对企业的认识是“赚钱的机器”； 后来，人们逐步认识到企业的基本功能是“资源转换”，为人类社会创造财富； 随着现代经济的发展，人们进一步认识到企业是“国民经济的细胞”； 信息时代的到来、知识经济的兴起，使人们更深刻地认识到企业是一个智能生物体，将随环境的变化而自动进化。
因此，我们从以下三个方面描述制造系统的内涵。
一是资源转换单位。这是从企业的基本功能出发对企业或制造系统的描述。企业将环境(社会、经济、科技文化等)中各种人、财、物、信息等必要的资源输入，通过系统内部转换，而后向环境输出经过加工的、为环境所需的、价值更高的资源。这种新的资源主要是指企业系统提供的产品和服务，但在今天的概念中，还应包括企业系统所承担的其他社会责任的实现。企业系统在完成这一转换过程中，不断接受环境变化的信息刺激，调整其内部转换机能，从而不断有效地实现其使命。由此可见，企业系统的转换功能是一个动态的、不断发展和进化的概念。
二是国民经济的细胞。从经济学意义上看，企业是指从事生产、流通、服务等经济活动，以产品或劳务满足社会需要，以赢利为目的，自主经营、自负盈亏、依法设立的经济组织，是现代社会经济的基本单位。
三是一个开放的系统。制造系统是环境的产物，其生存和发展必然与环境变化息息相关。系统的内外环境错综复杂，在当今时代又变幻莫测。系统环境一般分为宏观环境和微观环境，宏观环境是指对企业系统及微观环境各因素具有较大影响的因素，包括政治、法律、经济、科技、社会、文化等环境； 微观环境是指那些直接影响企业产品生产、经济条件与能力的客观因素，如行业性质、竞争者状况、消费者、供应商、中间商及其他社会公众。企业系统的开放特性表明，企业系统的发展必须要面向经济、立足社会、依靠科技与文化。
与其他系统相比，制造系统具有以下特点：
（1） 构形化的物理产品、产品的研发是制造系统的核心能力；
（2） 增值服务，向客户提供全面的问题解决方案；
（3） 人的因素和组织结构，以人为本，实现物质、信息和技术的集成；
（4） 面向过程，立足全局，为生产经营全过程负责；
（5） 进出流(物流、信息流、资金流、能量流和价值流)管理。
1．2现代制造的战略、理念和模式
今天，决定企业成败的诸多因素中，战略和理念的创新将领衔一切； 当目标和战略确定之后，则管理决定成败。因此，现代制造的精髓是制造战略和理念、管理思想与模式。
随着市场全球化、经济一体化进程的加快，竞争战略不断更迭，从初的规模战略(scale strategy，S)、成本战略(cost strategy，C)，到后来的质量战略(quality strategy，Q)、供货期战略(delivery time strategy, T)、服务战略(service strategy，S)、环保战略(environmental protection strategy，E)，直到现在的综合战略，即S、C、Q、T、E。相应的制造理念和制造模式不断创新，先后出现了柔性制造、集成制造、敏捷制造、智能制造以及其他各种先进制造理念和模式。面对今天的新形势、新格局，现代制造理念和模式对于市场竞争的成败将越来越起到决定性的作用。
1．2．1制造领域竞争战略的演变
竞争战略是服务于市场竞争需要的，而市场的变化又与社会需求、生产水平、科技进步、经济社会发展等紧密相关。表11概括了竞争战略的演变过程。

表11竞争战略的演变

时期市场特点制 造 战 略

20世纪60年代卖方市场
规模
成本

20世纪70年代
供需平衡
规模
成本
质量

20世纪80年代
买方市场

成本
质量
时间、服务

20世纪90年代
全球市场

成本
质量
时间、服务
环境
21世纪
网上市场

成本
质量
时间、服务
环境
20世纪60年代以前，由于科技水平不高，生产力水平还满足不了社会需求的增长，存在着供不应求的矛盾。因此，当时的制造战略是拼命上规模，一方面满足社会需要，另一方面通过扩大规模降低生产成本，以获得巨额利润。
60年代以后，供需矛盾逐渐趋向缓和，随着社会经济的发展，人们生活水平的提高，消费需求由生存资料转向享受资料和发展资料，人们在大量可选商品中必然选择质优价廉的商品，于是企业纷纷采用质量战略。
70年代中期以后，市场发生了很大的变化，一方面商品供过于求，另一方面人们的需求出现了多样化、个性化的趋势，大批量的生产方式已不能满足多品种、小批量甚至单件生产的特点。加上科技水平的提高，使现代商品功能越来越多，结构越来越复杂，自动化水平也越来越高，使用和维修的问题凸显出来。为了在面对众多竞争对手情况下快速响应客户需求，使客户真正享受到商品的全部价值，于是企业界又打出了及时供货和优质服务这两张牌，出现了一种以客户为中心、将服务视作商品重要组成部分的新的制造战略。
工业经济的发展导致现代社会的辉煌发展和高度文明，这一历史功绩是不可磨灭的。但是，工业经济的发展，导致物质资源和能量资源大量消耗，环境严重污染，从而给人类社会的持续发展带来了人口、资源和环境三大新难题。于是，在20世纪90年代环保、绿色制造、可持续发展等制造战略应运而生。
当前，知识经济正向我们走来。随着以知识为基础的服务业和知识产业对经济发展的贡献不断增长，开发市场和创新的能力本身已经逐步取代生产效率，成为经济增长中的主要驱动器。随着虚拟企业的出现，规模小已成为企业效率和生产力增长的指数，那些拥有有限生产能力的经济体往往有效率。因此，未来的战略不是规模，而是创新能力。
环境需求的变化推动制造战略的发展与演变，而制造战略的实施和提升反过来促进了社会经济的发展。社会发展无止境，制造战略的发展也无止境。只要我们努力增强企业的创新意识和创造能力，就能够以变应变，创造出更好的制造战略。
1．2．2柔性制造
1． 背景

20世纪60年代以前，刚性自动化生产系统或生产线已有长足的进步，大批量生产具有效率高、成本低、质量好、程序固定等优点，对生产水平的提高起到了很大的作用。然而，面对日益增长的用户需求多样化、个性化的市场，这种刚性系统越来越暴露出其内在缺陷，即产品转产或换型后调整困难、时间长，甚至无法调整，真可谓“刚性”十足。当时，数字计算机和数控机床等新一代可编程数字化设备已经出现，开始用于工业过程。在市场牵引和技术推动下，60年代末期出现了柔性制造(flexible manufacturing，FM)的新理念和新模式，1967年英国莫林公司率先推出著名的“莫林系统24”(Molins System24)柔性制造系统。
2． 概念
所谓柔性制造，是指用可编程、多功能的数字控制设备更换刚性自动化设备，用易编程、易修改、易扩展、易更换的软件控制代替刚性联结的工序过程，使刚性生产线实现柔性化，能够快速响应市场的需求，多快好省地完成多品种、中小批量的生产任务。
根据柔性制造理念开发的制造系统称为柔性制造系统(flexible manufacturing system, FMS)，即由若干台数控加工设备、物流储运装置和计算机控制系统组成的，并能根据制造任务和生产品种的变化而迅速进行调整的自动化制造系统。早期的柔性制造主要针对产品的生产制造过程，即围绕物料流的运储、加工、检测及辅助过程，包括生产制造过程的控制和管理。今天，随着先进制造理念和技术的发展，出现了敏捷制造、虚拟企业等新理念，要求整个企业具备良好的柔性，实现制造系统的虚拟和重组，更加敏捷地响应市场需求。
柔性制造中的柔性具有多种含义，除了加工柔性外，还包含设备柔性、工艺柔性、产品柔性、流程柔性、批量柔性、扩展柔性、工序柔性和生产柔性。
设备柔性指系统易于实现加工不同类型零件所需转换的能力。衡量指标有： 更换磨损刀具的时间； 为加工同一类而不同组的零件所需的换刀时间； 组装新夹具所需的时间； 机床实现加工不同类型零件所需的调整时间，包括刀具准备时间、零件安装定位和拆卸时间以及更换数控程序的时间。
工艺柔性指系统能够以多种方法加工某一零件组的能力，也称为“加工柔性”或“混流加工柔性”。衡量指标是系统不采用成批方式而能同时加工零件的品种数。
产品柔性指系统能经济而迅速地转向生产新产品的能力，即转产能力，也称为“反应柔性”，即指为适应新环境而采取新行动的能力。衡量指标是系统从生产一种零件转向生产另一种零件所需的时间。
流程柔性指系统处理其故障并维持其生产持续进行的能力。这种能力包含两个方面，一是零件能采用不同的工艺路线进行加工，二是能够用来完成加工某工序的机床不只配备一台。衡量指标是FMS在发生故障时的生存能力，即生产率不致显著下降或零件加工能继续进行。
批量柔性指系统在不同批量下运转有利可图的能力。如提高自动化水平后，由于机床调整费用下降，与直接劳动有关的可变成本下降，系统的批量柔性也就随之提高。衡量指标是保证系统运转有利可图的小批量。该批量越小，系统的柔性就越高。
扩展柔性指系统能根据需要通过模块进行重组和扩展的能力。衡量指标是系统能扩展的规模大小。
工序柔性指系统变换零件加工顺序的能力。
生产柔性指系统能够生产各种类零件的总和。衡量指标是现有的技术水平。
柔性制造理念和系统的应用，表明制造系统在信息资源和知识资源的开发利用方面开始进入新的阶段。
1．2．3计算机集成制造
1． 背景

计算机集成制造(computer integrated manufacturing，CIM)是美国的约瑟夫·哈林顿博士1974年针对企业所面临的激烈市场竞争形势而提出的组织企业生产的一种哲理。CIM理念的出现不是偶然的，而是有着深刻的经济、社会和科技背景。制造业长期以来一直是工业发达国家国民经济的主要支柱，约占整个国民生产总值的40％以上。但是，近二十多年来，由于宏观环境因素，特别是经济、技术、自然和社会环境因素的影响，制造业发展出现了几个新的特点。
(1) 生产能力(包括资本、信息)在世界范围内迅速提高和扩散，已形成全球性的激烈竞争格局。
(2) 先进的生产技术正在急剧地改变着制造业的产品结构和生产过程。
(3) 传统的管理、劳动方式、组织结构和决策准则正在经历新的变化。
(4) 过去那种稳定的市场已变成动态的多变的市场，表现在： 产品生命周期缩短，产品更新加快，产品品种增加，批量减少； 产品的质量、价格、交货期成为增强企业竞争力的三个决定性因素。
制造企业为了适应这些特点，求得生存与发展，必须采取高柔性与高生产率相结合的制造战略，以实现多品种、小批量、高质量、低成本和缩短交货期的综合目标。
科技进步，特别是信息、计算机和网络技术的迅速发展及其与制造技术的密切结合，开阔了柔性自动化的道路。1952年，美国研制成台数控(numerical control, NC)机床，20世纪60年代中期正式上市。1967年，套FMS由英国首先研制、美国成功生产，70年代初逐渐形成工业应用产品。1963年，美国推出几何造型CAD(computer aided design，计算机辅助设计)系统，60年代末开始研制CAPP(computeraided process planning，计算机辅助工艺编制)。1968年，IBM公司提出生产信息和管理系统(production information control system，PICS)，其后出现了功能日益完善的制造信息系统。70年代以来，为了提高生产准备和生产过程的效率和效益，充分利用信息技术，实现单元技术间的集成，先后实现了CAD/CAM(computer aided manage，计算机辅助管理)、CAD/MIS(management information system，管理信息系统)、CAPP/MIS等局部系统的集成。80年代至90年代，CIM(computer integrated manufacturing，计算机集成制造)进入了迅速发展的阶段； 这个时期，计算机技术、网络技术、计算机环境的标准化都有了飞速发展和重大进展，技术上对CIMS(computer integrated manufacturing systems，计算机集成制造系统)的发展奠定了良好的基础。
2． 概念
CIM的哲理有两个基本要点： 企业的各个生产环节是不可分割的，需要统一考虑； 整个制造生产过程实质上是信息的采集、传递、加工和处理的过程。这两个基本观点是紧密联系的。CIM是用全局观点(即系统观点)对待企业的生产经营过程，包括市场分析、产品设计、加工制造、管理及售后服务等方面，追求全局优化。换言之，在激烈的市场竞争中，企业求生存、争发展，必须用CIM理念组织经营生产，不仅要正确处理加工制造过程的自动化，而且必须使设计过程、管理和决策过程采用先进技术，更加重要的是企业的体制、运行机制必须作相应的深刻改革。
因此，CIM的准确内涵是： CIM是一种组织、管理和运行企业的哲理。它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，借助计算机(硬、软件)，使企业产品全生命周期——市场需求分析、产品定义、研究开发、设计、制造、支持(包括质量、销售、采购、发送、服务)以及产品后报废、环境处理等各阶段活动中有关的人／组织、经营管理和技术三要素及其信息流、物流、价值流有机集成并优化运行，实现企业制造活动的计算机化、信息化、智能化、集成化，以达到产品上市快、高质、低耗、服务好、环境清洁，进而提高企业的柔性、健壮性、敏捷性，使企业赢得市场竞争。
简言之，所谓CIM，是用计算机通过信息集成、过程集成、企业集成实现现代化的生产制造，求得企业的总体效益的一种先进制造理念。
根据这一理念研发的计算机化、信息化、智能化、集成优化的制造系统，称为计算机集成制造系统(CIMS)，或现代集成制造系统。
1．2．4虚拟制造
1． 背景

知识的获取、信息的交流和技术的合作都是21世纪市场竞争的热点问题。虚拟制造技术(virtual manufacturing，VM)就是根据企业竞争的需求，在强调柔性和快速的前提下，于20世纪80年代提出来的，并随着计算机技术特别是信息技术的迅速发展，在90年代得到人们的极大重视，获得迅速发展。
从技术发展的方面来看，VM的出现与仿真、计算机图形学、虚拟企业、虚拟原型、可视化、多媒体技术等概念和技术的发展有关。VM依靠仿真技术来模拟制造、生产和装配过程，使设计者在计算机中“制造产品”。特别是实时性和动感方面，VM依靠计算机图形学来建立计算机内的数字化模型，这种模型可以表达三维立体的数据，还可以像真实物体一样可视、可运动。虚拟原型是个相对于物理原型的概念，是具有一定功能的基于计算机的仿真系统。它不需要构造物理原型，便能测试和评价多种设计的某些特征，达到缩短产品开发时间和降低成本的目的。可视化是一种计算机方法，它将信号转换成图形或图像，使研究者能观察它们的模拟与计算，以丰富科学发现过程。另外，媒体是信息的载体，如图形、声音、文字、图像等多媒体技术就是以计算机为核心的集图、文、声、像处理于一体的综合性处理技术。多媒体技术和可视化技术为VM的发展奠定了视听基础。
2． 概念
虚拟制造是产品实际制造过程在计算机上的模拟实现，它基于计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上实现产品的设计、生产以及企业的管理与控制等产品全生命周期活动，通过增强设计、生产、管理等过程的预测、分析、评估及决策能力，改善企业产品的T、Q、C、S、E，从而增强企业的竞争能力。
由此可见，虚拟制造是一种新的制造理念，它以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支撑，在产品设计或制造系统物理实现之前，就能使人体会或感受到未来产品的性能或者制造系统的状态，从而可以做出前瞻性的决策与优化实施方案。
与实际制造相比，虚拟制造的特点如下。
(1) 产品和制造环境是虚拟模型，在计算机上对虚拟模型进行产品设计、制造、测试，甚至设计人员和用户可以“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作，而不依赖于传统的原型样机的反复修改； 还可以将已开发的产品(部件)存放在计算机内，不但大大节省仓储费用，更能根据用户需求或市场变化快速改型设计，快速投入批量生产，从而能大幅度压缩新产品的开发时间，提高质量，降低成本。
(2) 可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上同时工作，相互交流，信息共享，减少大量的文档生成及其传递的时间和误差，从而使产品开发快捷、优质、低耗，适应市场需求变化。
按照产品在生命周期中的各类活动，可将虚拟制造分成三类。
(1) 以设计为中心的VM这类研究是将制造信息加入到产品设计和工艺设计过程中去，并在计算机中进行数字化“制造”，仿真多种制造方案，检验其可制造性或可装配性，预测产品的性能和报价、成本。其主要目的是通过“制造仿真”来优化产品设计和工艺过程，尽早发现设计中的问题。
(2) 以生产为中心的VM这类研究是将仿真能力加入到生产计划模型中，其目的是方便和快捷地评价多种生产计划，检验新工艺流程的可信度、产品的生产效率、资源的需求状况(包括购置新设备、征询盟友等)，从而优化制造环境的配置和生产的供给计划。
(3) 以控制为中心的VM这类研究是将仿真能力增加到控制模型中，提供对实际生产过程仿真的环境。其目的是在考虑车间控制的基础上，评估新的或改进的产品设计及与生产车间相关的活动，从而优化制造过程，改进制造系统。
实践表明，VM可以为企业带来六个方面的效果。
(1) 提供影响产品性能、制造成本、生产周期的相关信息，以便使决策者能够正确地处理产品的性能、制造成本、生产进度和风险之间的平衡关系，做出正确的设计和管理决策。
(2) 提高产品的设计质量，减少设计缺陷，优化产品性能。
(3) 提高工艺规划和加工过程的合理性，优化制造质量。
(4) 通过生产计划的仿真，可以优化资源配置和物流管理，敏捷制造，缩短制造周期，降低生产成本。
(5) 通过提高产品质量，降低生产成本和缩短开发周期，以及提高企业的柔性，以适应用户的特殊要求和快速响应市场的变化，形成企业的竞争优势。
(6) 通过虚拟企业的概念以及具体的实践组成的快速响应团队，能在商战中为企业把握机遇和带来优势。
1．2．5智能制造
1． 背景

1991年1月，日本发起了智能制造系统(intelligent manufacturing system，IMS)的国际合作研究开发计划。该项目旨在组合工业发达国家的先进制造技术，包括日本工厂与车间的企业技术、欧共体的精密工程技术和美国的系统技术； 探索将研究成果转化为生产技术的途径； 开发下一代的标准化技术。其目的是实现当前生产技术的标准化，开发出能使人和智能设备都不受环境和国家的限制、彼此合作的高技术生产系统。通过各发达国家间的合作研究，使制造业在接受订货、开发、设计、生产、物流直至经营管理的全过程中，做到各种自律化的装备和生产线在整体上的协调和集成，由此来响应制造活动全球化的趋势，减少过于庞大的重复投资，并通过先进灵活的制造过程来解决制造系统中人的问题。
智能制造研究计划的下一代制造系统(the next generation manage system，NGMS)项目提出了生物制造理论，通过模仿生物智能提高制造系统对环境的自适应能力。欧洲及加拿大、澳大利亚和美国等国的科研单位联合研究Holon(整子/自律/合弄)制造系统，目的是充分利用计算机、传感器和分布式自治系统等方面的技术，实现下一代制造系统的特征。Holon制造系统在合作性、自治性和智能性基础上，通过系统内Holon的动态组合提高系统的响应能力。德国夫琅禾费学会提出了分形公司理论，目的是在德国社会价值观和文化的基础上，建立一种能够凝聚德国优势的新型制造模式。分形公司通过自相似、自优化和自组织等三个核心性质，实现可重构的企业结构。
智能制造是当今制造领域的研究热点之一，备受各国政府和研究人员的广泛关注。鉴于智能制造在先进制造技术中的重要地位，我国自然科学基金会于1994年正式立项研究，由华中科技大学、南京航空航天大学、西安交通大学和清华大学联合承担，研究内容主要有： 智能制造基础理论、智能化单元技术(智能设计（ID）/智能工艺规划（IPP）/智能制造（IM），智能数控技术，智能质量保证、监测与诊断技术)、智能机器(智能机器人、智能加工中心（IMC）)等。该项目于1997年底完成，并于1999年5月通过专家组验收。
2． 概念
智能制造是将人工智能融合进制造系统的各个环节中，通过模拟专家的智能活动，取代或延伸制造环境中应由专家来完成的那部分活动。在智能制造系统中，系统具有部分人类专家的“智能”； 系统有能力自动监视自身的运动状态； 能够随时发现错误或预测错误的发生并改正或预防之； 系统具有应付外界突发事件的能力； 能够自动调整自身参数来适应外部环境，使自己始终运行在状态。总之，与常规系统不同，智能制造系统具有自适应能力、自学习能力和自组织能力。

1．3现代工程设计技术
1．3．1现代工程设计技术概述
1． 新产品开发

所谓新产品，指的是采用新技术原理、新技术构思研究生产的全新型产品，或在结构、材质、工艺等任一方面比老产品有重大改进，显著提高了产品性能或扩大了使用功能的改进型产品。
当今，一个全新型产品的问世，不仅给企业带来新的市场、新的丰厚回报，甚至会形成一个新的产业。改进型新产品也有重大意义，可以带动企业组织结构、产品结构和产业结构的优化，以创新求生存、争发展，从根本上改变经济增长方式。
新产品开发是一个技术创新和价值实现的过程，大致可分为市场分析、产品设计、产品制造和市场营销四个阶段。新产品开发有两个重要特点： 一是新产品开发过程源于市场，归于市场，要接受市场的终检验； 另一个是新产品开发过程涉及企业内部众多部门，受企业内外各种条件的制约。
影响新产品开发功败垂成的核心因素主要有产品进入市场的时间、产品质量和成本，它们被称为新产品开发中的“魔术三角”。随着社会经济技术的发展，还对服务和环境保护提出了新的要求。
2． 现代工程设计技术的内涵与特点
所谓设计，是将来自市场的顾客需求，经过设计人员的创造性思维、规划和决策过程，终形成可以应用于制造的各种信息。设计是一种工程活动，是一种创造性的智力活动，也是一个综合、决策、迭代、寻优的过程。根据设计任务的要求可将设计划分为三种类型： 开发性设计(即完全创新设计)、适应性设计(即局部变更设计)、变型设计。
在传统的工程设计中，依据工作性质和内容将设计过程划分为方案设计、技术设计和工艺设计。随着计算机、信息技术的发展，工程设计的范畴已从传统设计的内容扩展到产品规划、制造、检测、实验、营销、运行、维护、报废、回收等全过程、全方位的设计，工程设计的结果对产品的功能、性能、质量、价格甚至交货期都有着极其重要的影响。
所谓现代设计技术，是指以满足市场产品的质量、性能、时间、成本／价格综合效益为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法和技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。由此可见，现代设计技术是多学科交叉融合的产物，是传统设计技术的继承、延伸和发展。
3． 现代工程设计技术的体系
现代设计技术内容广泛，分支学科繁多，好比一棵大树，由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次构成。
（1） 基础技术主要指传统的设计理论与方法，特别是运动学、动力学与材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等方面，它不仅为现代设计技术提供了坚实的理论基础，也是现代设计技术发展的源泉。
（2） 主体技术现代设计技术与计算机技术的发展息息相关、相辅相成。没有计算机科学与计算机辅助技术(如计算机辅助设计、智能CAD、优化设计、有限元分析、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库)，便没有现代设计技术； 另一方面，没有其他现代设计技术的多种理论与方法，计算机的应用也会大大受到限制，因为运用优化设计、可靠性设计、模糊设计等理论构造的数学模型来编制计算机应用程序，可以更广泛、更深入地模拟人的推理和思维，从而提高计算机的“智力”。因而，计算机辅助设计技术正以它对数值计算和对信息与知识的独特处理能力，成为现代设计技术群体的主干。
（3） 支撑技术无论是设计对象的描述，还是设计信息的处理、加工、推理与映射及验证，都离不开设计方法学、产品的可信性设计技术及设计试验技术所提供的多种理论、方法及手段的支撑。其中，现代设计方法学涉及的内容很广，如并行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配置、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象的设计、工业造型设计等。可信性设计技术可看作广义可靠性设计内容的扩展，主要指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、疲劳设计、耐腐蚀设计、减摩和耐磨损设计、健壮设计、耐环境设计、维修性设计、人机工程设计等。设计试验技术不仅指通常的产品性能试验，还应包括可靠性试验、环保性能试验与控制，以及运用计算机技术的数字仿真试验和虚拟试验等。因此，设计方法学、可信性设计技术及试验设计技术所包含的种种内容，可视为现代设计技术群体的支撑技术。
（4） 应用技术是针对实用目的解决各类具体产品设计领域的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械的现代设计内容，是现代设计技术派生的丰富多彩的具体技术群。
综上所述，现代设计具有以下一些特点：
(1) 设计理论与方法不断延伸，思维不断变化；
(2) 多种设计技术、理论与方法的交叉与综合；
(3) 设计手段的精确化、计算机化、自动化与虚拟化；