1.1 制造業發展史

從原始時代開始，人們就使用工具和制造工具。從石器時代到青銅器、鐵器時代這段時期，生產力水平低下，主要是人力、畜力、局部利用水力和風力以及簡單的工具；制造技術主要依靠手工技藝；生產方式采用的是手工，或半手工、半機械化的手工業作坊式生產方式。

隨著手工業的興起，在13世紀末到16世紀的200多年中，商業、交通、航海、造船和建筑業均開始得到發展。特別是從17世紀后期，相繼有：英國科學家牛頓發明的力學三大定律成為后來機械學的力學理論基礎；法國數學家笛卡兒創立了解析幾何學；德國數學家萊布尼茨確定了微積分學；18世紀中葉，美國富蘭克林發現了電，闡述了正負電荷現象，為電磁、電力研究與應用提供了前提條件。這一系列自然科學的進步促進了制造業的發展，孕育著機器生產時代的到來。簡單來說，從世界經濟發展史的角度看，世界生產方式經歷了四次重大的變革（表1.1），在每次變革過程中，都會有一些國家會奇跡般地崛起。

1.1.1 蒸汽動力時代

1776年，英國機械師瓦特發明的第一批新型蒸汽機制造成功并應用于實際生產。依靠蒸汽動力，紡織業、機器制造業取得了革命性的變化，汽車、火車、汽船等交通工具相繼得到生產，煤炭、石油和鋼鐵等行業也得到了相應的發展。蒸汽機的發明，將人類社會帶入了蒸汽動力時代，蒸汽機成了大工業時代普遍應用的發動機，引發了第一次工業大革命。第一次工業革命標志著由機器占統治地位的近代工業化大生產時期的開始。19世紀初，交通工具也相繼出現了許多創造發明，從1807年美國富爾敦制造出第一艘汽船，到1814年英國工程師史蒂芬發明蒸汽機車，到1830年世界上第一條客運鐵路投入運行。交通工具的發展促進了機械制造業的發展。工業革命也為資本主義發展和機器大生產創造了廣闊的前景。

1.1.2 電動力時代

1820年，丹麥奧斯特發現了電磁效應，法國安培提出了電流相互作用定律；1821年，英國法拉第制作出了永磁電動機模型；1831年，法拉第總結出電磁感應定律，發明了發電機；1864年，英國麥克斯韋建立了電磁場理論。上述這些發明、發現為后來的電信、電器以及電動機、發電機的創造和應用奠定了理論和電力工業基礎。此后，電話、電報、電燈相繼問世。電力機器由于能耗僅2%，且清潔、操作方便、占用空間小、性能優良、價格低廉，因此與蒸汽機相比，具有明顯的競爭優勢。1875—1894年，法國試驗應用電力，直接采用電動機驅動機床，推動了機床制造業的發展，結束了機床動力由人力、水力到蒸汽動力的時代。以電作為動力源改變了機器的結構，開拓了機電制造技術的新局面，人類從此開始進入電動力時代。

19世紀下半葉，另一重大發明就是內燃機。1860年，法國李諾瓦以瓦斯為燃料發明了內燃機；1887年，德國發明家卡爾?本茨創造了高速汽油發動機；1893年，德國狄賽爾以重油為燃料，依據壓縮燃料點火的引擎原理，研制成功了大馬力柴油機，用于運輸車輛動力；1896年，美國亨利?福特制造出輕巧、有力、安全、可靠的四輪汽車。麻省理工學院的J．沃麥克等在《改變世界的機器》一書中關于汽車制造業的這段發展史對認識信息時代制造業的諸多問題，應該能有所啟示。

1894年，英國議會的一位議員要買一輛轎車，當時英國沒有汽車制造廠，更沒有任何銷售商，因此這位議員只能到巴黎的P&L公司訂制。P&L公司是當時世界有名的處于領先地位的轎車公司，主要產品是每年制造幾百輛汽車。當時的制造方式是傳統的單件生產：由具有高度技巧的工匠精心地制造汽車，這些工匠通曉機械設計的原理，熟悉他們要用的各種材料的性能。他們之中不少人就是小業主，在P&L內獨立承包，甚至可以作為一個獨立的機械制造作坊與P&L簽訂合同，承制某些零件和總成。

當時P&L的兩位創始人與幾個最接近的伙伴負責與顧客討論，確定汽車的詳細規格，定購主要的零件并最后裝配成品。而絕大部分的工作，包括總體設計和工程設計，都是由分散在巴黎各處的各個作坊完成的。這種情況下，P&L公司從來就沒有制造過兩輛完全相同的汽車。因為即使按同樣的藍圖造出來的汽車也不相同。原因在于P&L所有的承包商都不采用標準的計量器具。因此，當各種零件運到P&L工廠總裝時，這些零件只是近似于所要求的規格。熟練的裝配工先取兩個零件，用銼將它們修整，使之配合良好。然后再挑第三個零件，使之與前面兩個零件配合良好。這樣一直干下去，直至整臺汽車裝出來，這種逐個的配合，產生了累計誤差。因此，當裝配工裝最后一個零件時，這輛汽車和按同樣藍圖制造的上一輛汽車在尺寸上的差別已經相當明顯了。

這是典型的單件生產，其特點是：

（1）勞動力在設計、機械加工和裝配等方面都有很高的技藝，許多人從學徒開始，最后達到掌握單件生產的全面技藝，希望成為老板，經營自己的機械作坊，向裝配汽車公司承包。

（2）組織相當分散，一個企業主與所有各方（顧客、雇員及協作者）直接聯系。

（3）采用通用機床對金屬和木材進行鉆、磨等加工。

（4）產量極低，成本高。

至1905年，歐洲已有幾百家這類公司采用單件生產方式小量地制作汽車，這些獨立承擔大部分生產任務的小工廠沒有能力開發新技術。1908年，福特汽車公司對生產技術做了一系列重大改進，開創了汽車的大量生產方式，汽車逐步進入歐美家庭，成為改造世界的機器，從而引發了制造業的又一次空前大發展（第二次工業革命）。

福特公司觀察到，采用單件生產方式時，每個裝配工的平均工作周期，即重復同樣作業之前所經歷的時間為8小時34分，這時每個裝配工要完成同一輛汽車上的大部分裝配工作。到1908年，福特公司實現了所有的零件完全可以互換，每個裝配工只承擔一項單一的工作，在裝配大廳中來回走動，逐個對每輛汽車進行組裝。到1913年，在移動的裝配線推出之前，福特公司的一個裝配工的平均工作周期已從8小時34分縮短到2.3分。這時生產效率大為提高，因為工人對單一工作容易熟悉，工作起來速度會更快。另外，所有零件的修整時間都省掉了。福特公司又看到工人從一個裝配工位到另一個工位，要花時間來回走動。于是，1913年，福特公司推出了移動的總裝線，工人站在一個地方裝配某一零件。這樣，工作周期又從2.3分縮短到1.9分，生產效率又大幅度提高。

福特的“大量生產方式”新技術克服了單件生產方式所固有的問題。大量生產方式的關鍵不是移動的組裝線，而是零件的互換性，即所有零件全都可以互換，始終如一，而且連接非常方便。這種革新使組裝線成為可能。這種大量生產方式減少了總裝一輛汽車的工時。生產的汽車越多，每輛汽車成本降低越多。當福特的某種車型生產200萬輛時，可使顧客的實際開支降低2/3。為了吸引中等消費者這一市場目標，福特在設計汽車時，為汽車的使用和維護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。這些優勢把福特公司推到了世界汽車業的首位。這種大量生產方式推動汽車工業的進步達半個世紀以上。

上述故事表明，一種新的生產模式（大量生產方式）及其技術支持（零件的互換性，即公差與配合，是機械學科的一個基礎技術），給制造業帶來一個重大變革。但是，這場變革的深遠意義不止于此，還表現在：

1．勞動力的分工

不僅零件可以互換，工人也容易調換。臨時招募的勞工互相不認識，甚至講話也聽不懂，但培訓幾小時甚至幾分鐘，他們便可以上生產線，生產出同樣復雜的產品。同時，專業的分工也產生了，如工藝工程師、裝備工程師、清潔工、修理工、領班等。只有檢修工保留了過去裝配工的許多技藝。工藝工程師中還要分工，如負責總裝的工藝師和各零件作業的工藝師、電氣工藝師等。隨著時間的流逝，工程專業也越分越細，同專業的工程師可談的話題越來越多，相反，不同專業的工程師之間的共同語言越來越少，這些功能障礙后來又會影響整個生產。

2．組織結構

追求縱向一體化的生產組織模式，從原材料、制造到與汽車相關的所有功能都納入到福特公司（福特公司可稱得上是開了“大而全”的先河）。福特要把所有的工作都歸并到廠內自制，是由于他對每個零件的尺寸偏差和交貨期的嚴格要求。組織結構上用嚴格計劃下的嚴格管理來代替市場經濟，總部高級管理人員對公司內部的各個業務分部予以協調。這種縱向一體化的組織機構產生官僚體制特別嚴重，并且一經產生，幾乎無法克服。

3．工具的進步

為了代替技藝高超的工匠，福特用機床來完成同樣的工作，這樣減少了機床的調試時間。采用專門設計的工夾具可降低對工人的操作技藝要求。此外，按工藝的順序安排下一道工序，安排專用的機床進行加工，又進一步提高了效率。剛性生產線因此便形成了。

由于上述影響，福特汽車廠的汽車大量生產，普及家庭，反過來又促進了整個工業的發展。可以這樣說，20世紀50年代以前的生產主線是追求大量生產方式，帶動了整個工業的發展和社會的進步，而作為技術，機械學科起了關鍵作用。

18世紀末到20世紀初這100多年中，人類在制造領域進行了大量探索性實驗、研究，解決了機械、熱力、電磁、化學能量的轉換問題，促進了從切削原理、金屬材料、機械設計、技術測量到機床制造等一系列制造技術的迅速發展。金屬切削理論方面的著名科學家，美國的F.W.泰勒于1879年發表了《金屬切削法》，并在研究切削速度對刀具壽命的影響的基礎上，于1907年提出了泰勒公式。泰勒公式為提高切削效率和合理安排工人工作量以及建立科學的管理制度提供了理論依據。1798年，美國埃利?惠特尼提出了零件的標準化與互換性，并制造了單功能專用機床，采用量規生產單一零件，實現了互換性生產方式，使大量生產方式成為可能，完成了15000支槍的生產合同。19世紀末成套量塊（塊規）問世后，組合量塊精度能達到2.54μm。這種量塊首先用于軍事工業，制造出了符合口徑的子彈。在19世紀—20世紀之交，機床制造業發展速度極快，能夠制造出滿足不同工藝，不同精度要求的普通、專用、自動、半自動等各類機床。

1894年以后，電力驅動的機床得到普遍應用，機床的規格與品種不斷增多，加工劃分細化，工藝趨向完善。1895年，美國制成多軸自動車床；1911年，格林利公司制造出組合機床；1945年，奧地利海德公司研制成電氣仿形車床；1897年，德國制成萬能滾齒機；1899年，法國制成螺旋傘齒輪機；1902年，美國研制出高效曲軸磨床，1905年制成行星式內圓磨床，1915年制成無心磨床；1917年，瑞士西普公司制成螺紋磨床；1917年，美國普拉特?惠特尼公司生產出坐標鏜床；1934年，瑞士西普公司生產出帶光學測量系統的液壓坐標鏜床。各種類型機床的創造、發明和發展使制造工藝日趨精確化，為后來的機械化流水線大生產提供了技術基礎，機床行業從此成為倍受重視的基礎產業。

這一時期，在組織管理理論方面也出現了頗有影響的新理論。其代表是美國F.W.泰勒的科學管理理論——強化作業管理和制定完備的規章制度；美國阿爾弗雷德?斯隆的部門管理制度——科層制的金字塔式組織管理模式；法國法約爾的組織管理理論——注重企業內部的部門設計和部門之間關系的協調。

這些制造技術和組織管理理論的發展，為大量生產模式提供了技術基礎，在汽車工業的帶動下，機械工業、軍事工業、化學工業和食品加工業等也相繼進入大量生產時代，并為“二戰”的軍工生產準備了物質基礎、技術基礎和管理經驗。通信和交通業的發展為企業的購銷提供了強有力的工具，使市場競爭跨越地區。激烈的競爭促使企業不斷采用新技術，改革企業的生產、經營和管理方式。

1.1.3 信息經濟時代

信息技術的發展歷史可以上溯到人類起源的時候，但是今天一般所說的信息技術的發展階段主要還是從計算機出現以后算起。從那時候起，大致可以分為數據處理時代、個人計算機(Personal Computer，PC)時代、互聯網(Internet)時代、移動互聯網時代和智能互聯時代(Era of Connected Intelligence)5個階段，每個階段分為啟動、擴散、控制和集成等發展過程（圖1-1）。

第一階段開始于第二次世界大戰期間，軍事工業發展的需要促使電子技術的研究與開發異常活躍。美國陸軍支持大學研制電子計算機，于1945年誕生了第一臺電子計算機；貝爾實驗室于1958年成功研制出集成電路；1971年出現了單片微處理機，之后在美國誕生了超大規模集成電路，電子計算機進入到超大規模集成電路為標志的第四代；1969年，美國莫迪康公司(Modicom)誕生了第一臺可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，PLC把智能融入機器和過程自動化，廣泛應用于工業、基礎設施和建筑業，標志著數據處理時代的到來。

第二階段技術上的特征是源于1981年IBM的第一臺桌上型個人計算機(PC)的出現與發展，從而使信息處理技術發生了革命性變化。但是，處理的范圍還局限于單機，而且所能處理的信息也很簡單，主要是文字和二維圖形。

第三階段技術上的特征是網絡和通信技術使得信息跨地域的迅速流通和共享得以實現（1995年10月Netscape上市，標志著互聯網時代的出現），在該階段，信息主要通過門戶網站、搜索引擎和社區進行單向傳播。隨著各國信息高速公路的建設，迎來了信息化進程中的網絡時代。這個階段的另一特征是信息處理等能力大大提高，能處理包括圖形、圖像、聲音等多媒體信息。

第四階段開始于2004年，以Web 2.0為標記；2009年，智能手機的出現標志著移動互聯網進入快速發展階段。在該階段，信息連接方式以Wi-Fi、3G、4G為主，信息傳播方式主要通過社交網絡平臺、App、自媒體等實現雙向互動。

第五階段開始于2012年美國通用公司提出的工業互聯網概念，隨著2012年美國再工業化戰略、2013年德國“工業4.0”制造戰略、“中國制造2025”戰略的推出，信息技術的發展進入智能互聯時代。該階段的連接方式主要有移動Wi-Fi和5G等，并以物聯網、大數據、云計算、機器人、智能硬件和人工智能為手段，以智能設備為中心出發點實現整個網絡世界之間的全方位智能互聯、互動。隨著智能互聯時代的到來，人們能夠很容易地通過各種途徑得到大量各類信息，但其中有用信息的比例也隨之減小了。如何有效地利用信息就成了亟待解決的問題。信息的智能化技術使得計算機真正能夠成為人類智力的延伸。到那時，信息技術也就發展到它的成熟階段。

信息技術發展的這些階段并不是截然分開的，而是相互重疊的。信息技術發展的最初那些階段不僅沒有結束，而且依然在發展過程中。在第一階段中出現的那些技術不僅曾經是第二、三階段技術發展的基礎，而且現在也是，將來還是。例如，要想使計算機具有處理多媒體信息的能力，首先要不斷提高單臺計算機的處理能力，后期信息的智能應用更是離不開前幾個階段發展起來的基礎技術。

隨著信息技術的高速發展，計算機在信息采集、存取、處理與通信等方面的功能應用于制造領域，極大地推動了制造技術的發展。美國麻省理工學院在空軍資助下，于1952年發明了世界上第一臺數控(Numerical Controlled，NC)機床。該項發明震驚了當時的科技界、學術界和輿論界，被視為是機械發展史上嶄新的一頁，是第三次工業革命，意味著制造業開始進入信息時代。在其后的近40年時間里，以計算機技術、通信技術等為代表的信息技術廣泛應用于制造業的各個領域，對制造業的滲透、支持與服務引發并加速了制造業全新的變革進程，這一因信息技術引領的工業革命也稱為新技術革命。這些新技術的代表有計算機輔助設計(Computer Aided Design，CAD)、計算機輔助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)、管理信息系統(Management Information System，MIS)、柔性制造(Flexible Manufacturing，FM)、計算機集成制造(Computer Integrated Manufacturing，CIM)、精良生產(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。

在新技術革命浪潮的沖擊下，傳統資本密集型、設備密集型、技術密集型生產與管理模式受到挑戰，信息密集型和知識密集型生產與管理模式將取而代之。制造技術發生了質的飛躍，生產力的含義已轉化為信息、自動化設備和人的智力勞動。以下是標志制造業進入信息時代、有代表性的新技術。

1．數控機床

1952年，美國麻省理工學院研制成功世界上第一臺三坐標數控銑床。1962年，高效率數控加工中心研制成功。1964年，采用半導體晶體管分立元件的第二代數控系統研制成功，使數控系統的體積大大減小、價格降低、可靠性提高，從而使工業界能夠真正應用上數控機床和加工中心。1967年，采用集成電路的小型計算機數控(Computer Numerical Control，CNC)系統研制成功，為多坐標聯動曲面加工的前、后置處理提供了技術基礎。1974年，使用微處理器數控系統裝備的機床在工業界得到普遍應用，如日本有些企業數控機床占有率高達70%，利用數控機床大大提高了生產率，并取得了良好的經濟效益。實踐證明，數控技術給生產帶來的變革和產生的效益是一般的技術改造無法比擬的。

2．計算機輔助制造技術

（1）數控編程技術。1955年，麻省理工學院研制的自動編程工具(Automatically Programmed Tools，APT)解決了手工進行數控編程的難題，終于使數控機床走出實驗室，投入實際生產、應用。

（2）成組技術。50年代后期，成組技術(Group Technology，GT)形成專門學科。成組技術用于加工工藝，即將零件按某些工藝共性和結構共性歸類分組，以便采用共同的工藝裝備。成組技術還可以在工序相同的前提下，集中大批量加工，采用大批量生產的工藝和設備，從而取得很好的效益。計算機輔助制造中，為便于計算機存儲數據和進行信息處理，需要建立零件分類編碼系統。應用零件分類編碼系統，通過成組工藝可以快速完成零件的工藝過程設計，也可以用于計算機輔助產品設計，提高設計效率和設計質量。

（3）計算機輔助工藝過程設計。計算機輔助工藝過程設計(Computer Aided Process Planning，CAPP)是借助計算機程序生成零件加工工藝過程文件，從而取代工藝師手工編制的煩瑣、重復勞動，大幅度地提高工藝過程設計的效率、工藝規程的質量以及加快生產準備的進度。1976年，美國計算機輔助制造國際組織推出了CAPP系統，到80年代，其研究成果對提高機械制造的經濟效益和實現工業生產自動化起了重要作用，受到世界各工業國家的廣泛重視。

3．計算機輔助設計技術

（1）計算機輔助繪圖。工程設計人員應用CAD技術可以從繁重的繪制工程圖的工作中解放出來，將主要精力用于方案構思、創造發明、檢查修改設計方案，以便能快速得到滿意的設計結果。特別是按零件成組分類原則建立的參數圖形庫，可以直接調用參數圖形，代入參數值即可得到設計結果。

（2）實體造型。對于構形復雜、有創造性的以及外形有特殊要求的產品設計，傳統做法費時、費事、成本過高。運用計算機實體造型技術可以清晰地顯示出三維形體，再利用透視法彩色投影和高亮度顯示，就能得到圖像逼真的實體模型。實體模型一般是采用積木式的幾何造型法，由基本幾何形體按并集、割集和交集邏輯運算組合而成，或是用邊界文件數據結構對物體進行描述，得到物體最終的面、邊及頂點結構。實體造型能對設計質量進行快速工程分析，對運動裝置進行動態仿真的結構性能分析，對零件的參數設計可以在二維和三維圖形間自動轉換，通過模型系統可以生成零件數控刀具軌跡，檢驗程序和數控加工程序。

（3）有限元分析。對于復雜結構件的設計計算，利用CAD的有限元分析法能很好地處理工程實際問題。有限元法是把復雜結構件轉化為由簡單形狀的離散單元組成的集合。采用有限元分析法時，用單元剛度矩陣表示單元節點力與相應節點位移之間關系的一組聯立方程式，再組合成整個結構零件的總體剛度矩陣，該矩陣表示結構零件中所有節點力與位移間的關系。根據已知的作用力、材料性能、約束條件等數據，運用求解大型線性代數方程的數值計算方法，解總剛度方程，解決結構件的結構分析問題。

4．計算機輔助設計與輔助制造的集成

CAD、CAM具有各自的功能軟件系統，采用不同的方法描述數據，其內部數據管理系統也不盡相同。傳統的CAD系統采用的是幾何模型，而CAM需要的是面向制造的工藝和幾何特征數據，如公差、表面粗糙度、材料特性和熱處理等信息，以進行計算機輔助工藝過程設計，產生工序圖與工藝文件、零件數控加工程序和刀具軌跡仿真檢驗程序等，即需要將CAD有關數據轉換成各種加工與管理信息。目前應用最多的是美國國家標準局頒布的初始圖形交換規范(Initial Graphics Exchange Specification，IGES)，許多商品化的CAD/CAM系統都含有IGES接口。其特點是所有系統的數據傳輸都采用標準的數據格式，這樣就簡化了數據轉換接口程序的編寫。在前、后置處理程序的編寫上也非常類似，但缺點是運行效率不高，不便于集成。

為了有效地進行產品數據交換，歐美、日本積極開展數據交換標準的研究。早在1983年，國際標準化組織(International Organization for Standardization，ISO)就開始制定產品模型數據交換標準(Standard for Exchange of Product model data，STEP)，目標是建立貫穿產品整個生命周期各階段的統一的產品定義模型，包括零件設計、制造過程中所有信息與信息之間的關系，以進行統一的產品數據管理，無須將產品信息轉換成數據文件，使各系統之間可以直接進行信息交換。STEP標準研究工作于1986年年初步完成，它是一個理想的標準，目前仍在開發完善之中。

5．計算機輔助生產管理技術

制造自動化技術的廣泛應用要求企業能夠迅速處理企業內外的大量信息，能夠對隨機信息進行處理和控制，以便及時做出正確決策，適應市場競爭和企業生存與發展的需要。1966年，IBM公司建成了生產管理和控制信息系統。該動態管理模式主張把企業產品中的各種物料分為獨立需求和相關需求兩類，按時間段確定不同時期的物料需求，解決庫存物料訂貨問題，進而提出了物料需求計劃(Material Requirements Planning，MRP)。物料的訂貨計劃由主生產計劃的產品中各個物料的從屬關系和數量運算確定。MRP編排好加工和采購計劃，保證在加工需要時物料配套齊全，能按期裝配或交貨，又不過量壓庫。20世紀70年代，美國生產與庫存管理協會(American Production and Inventory Control Society，APICS)組織了各種研討會和學習班，宣傳MRP，組織會員深入企業宣講MRP思想與方法，對MRP的推廣應用起了重要作用。

1977年，美國著名生產管理專家奧列弗?懷特提出了制造資源計劃倡議，通過信息集成，對企業有限的各種制造資源（如人力、物力、資金、時間等）進行周密計劃和合理利用，以提高企業的競爭能力，并命名為制造資源規劃(Manufacturing Resource Planning， MRP-Ⅱ)。MRP-Ⅱ是以生產計劃與控制為主線的一種計算機輔助企業管理模式，是MRP的新發展。20世紀90年代初，美國加特納公司提出了企業資源規劃(Enterprise Resource Planning，ERP)，建立起現代企業經營管理模式。

6．工廠自動化技術

1946年，美國福特公司首先提出采用“自動化”一詞描述生產過程的自動操作，并于1947年建立了生產自動化研究部門。1952年，丁迪博爾德出版了《自動化》一書，認為自動化是分析、組織和控制生產過程的手段。1954年，錢學森在美國出版了《工程控制論》一書，論述了在工程設計和實驗中，能夠直接用于受控工程系統的理論、概念和方法。其思想很快為世界科技界所接受，使科技人員用系統的方法去觀察技術問題，指導千差萬別的工程實踐。此后，自動控制作為一種提高生產率的重要手段開始被推廣應用，在機械制造中出現了機械自動化，在石油、化工、冶金行業中出現了過程自動化；此外，隨著信息技術的推廣應用，使自動控制與信息處理相結合，進而出現了業務管理自動化。20世紀60年代初出現了計算機控制的化工廠，1975年出現了集散型控制系統，使過程自動化達到很高的水平。

計算機技術在制造業的廣泛應用，使操作技術日益簡化，生產現場職工人數日漸減少，出現了夜班無人化生產。體力勞動逐漸讓位于腦力勞動，但對于制造系統的故障診斷與維修技術，往往缺乏駕馭它的高級勞動力，因此，培養智力型高科技人才，提高系統設備的可靠性一時成為企業的難題。20世紀70年代初，日本由于遇到能源危機和公害處理等問題，迫使日本政府于1973年規劃無人化工廠。1973年，美國約瑟夫?哈靈頓(Joseph Harrington)針對這一形勢提出了利用計算機集成制造來組織企業生產的哲理。1981年，美國國家標準局提出了計算機集成制造發展戰略，并于1983年建成了自動化制造研究實驗基地(Automated Manufacturing Research Facility，AMRF)。經過近10年的發展，計算機集成制造概念已發展成為一個工廠內部實現信息集成和功能集成的工程化系統，從系統工程和資源共享的觀點出發，把企業生產經營的各種單項技術功能和管理功能集成起來，提高企業的整體效益。

上述新技術反映出信息技術開始進入制造業，為制造業服務、支持，并進行滲透，滲透到制造業的方方面面：在產品設計過程，采用計算機輔助繪圖、輔助設計、三維造型、特征造型。利用計算機輔助工程分析軟件，可以對零件、部件以及產品的受力、受熱、受振等各種情況進行工程分析計算，以優化設計。在工藝設計中采用計算機技術輔助編制工藝規劃、選擇刀具、選擇或設計卡具。利用軟件技術產生刀具軌跡的數控代碼，經過前、后置處理，解決諸如刀具磨損補償，以致避免干涉碰撞等仿真，便獲得可以在數控機床或加工中心上對零件進行加工的程序。產品設計中的各種零部件可以按成組技術存放在數據庫中，針對不同材料及刀具等的切削加工參數也可存放在數據庫中，便于下一個不同產品的變形設計使用，進一步提高設計效率。在生產管理方面，也引入了許多先進的管理思想及相應的信息系統的軟件。如何保證均衡生產，不窩工又不至于制品過多而積壓流動資金。各種優化生產技術應運而生：MRP、MRP-Ⅱ、考慮按設備瓶頸組織和優化生產的最佳生產技術（Optimized Production Technology，OPT）、考慮最優庫存的適時生產（Just in Time，JIT）、ERP等。各種專用的信息系統用于產品報價，跟蹤重要零部件的生產狀況，是輔助企業高層領導決策的工具。此外，在加工現場，除數控機床、加工中心外，在線的三坐標測量機、柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell，FMC)和柔性制造系統(Flexible Manufacturing System，FMS)，各種自動化物流系統（如立體倉庫、自動導引車(Automated Guided Vehicle，AGV)等）、控制生產線的可編程控制器(PLC)等，也開始被廣泛采用。

信息技術廣泛應用于制造業，使制造業呈現了加速發展的蓬勃生機，這一期間，中小批量的生產方式開始居于主導地位。但是，要進入完全滿足顧客多樣化要求而且性能價格比優良的單件生產，還有許多障礙，特別是信息技術廣泛進入制造業帶來的障礙，即各種“自動化孤島”以及舊的生產模式。剛性生產線大大提高了生產效率，使產品成本下降。這是以損失產品的多樣性使工人成為生產線的奴隸為代價的，效率是當時市場競爭的主要表現。市場對產品多樣化的要求，對剛性生產線不斷提出挑戰。

從上面的分析，可以得到如下啟示。

（1）生產模式的變革，特別是重大的生產模式的變革，必須以相應的科技進步作為支持，生產管理模式和相應的科技進步是推動社會進步的相輔相成的兩個方面。

（2）從“單件生產”方式到“大量生產”方式，機械技術的進展主要是技術支持，對社會的推動是巨大的，影響至今。

（3）在漸進的近三四十年，信息技術對制造業起的作用越來越大，產品又由“大量生產”方式向“中小批量生產”方式轉變。

1.1.4 智能互聯時代

新一輪科技革命，特別是移動互聯網、大數據、人工智能、物聯網、云計算等新一代信息技術的普及，帶動了幾乎所有領域發生了以綠色、智能、服務化、網絡化為特征的群體性技術革命，新一代信息技術與制造業深度融合，孕育了智能制造的新理念。

2012年以來，隨著美國工業互聯網、德國“工業4.0”“中國制造2025”等各國家智能制造戰略的提出，工業社會開始進入以大數據感知、傳輸、分析與應用為基礎的智能互聯時代（信息技術發展的第五階段，如圖1-1所示）。在智能互聯時代，人們工作與生活中的設備與設備、人與設備之間基于物聯網和移動互聯網實現互聯、基于大數據分析預測與人工智能實現智能化，標志著以智能互聯為特征的第四次工業革命的到來（如圖1-2所示）。

智能互聯是以物聯網技術為基礎，以平臺型智能硬件為載體，按照約定的通信協議和數據交互標準，結合云計算、大數據與人工智能應用，在智能終端、人、云端服務之間進行信息采集、處理、分析、應用的智能化網絡，具有高速移動、大數據分析和挖掘、智能感應與應用的綜合能力，能夠向傳統行業滲透融合，提升傳統行業的服務能力，連接百行百業，進行線上線下跨界全營銷。智能互聯時代在結構、業務、商業模式、基本理念上都發生了重大變化，而它產生的能力遠非傳統互聯網所能想象。

智能互聯顛覆了傳統互聯網，重構了人與人、人與物之間的關系，包括人與服務、服務與服務、人與媒體、虛擬與現實、人與互聯網等生態之間的高度重構，是從產品層面和營銷層面對傳統企業全面的數字化的重構。智能硬件涉及云計算、大數據、傳感器、通信等多個領域，是智能互聯時代的終端入口，可以根據實際的場景與用戶進行智能、場景化的互動，讓智能硬件成為用戶工作、生活、出行等場景的一部分，并且高頻、剛需地使用它。

利用工業互聯網進行數據傳輸，將物、服務、人、設備等聯網，開發智能應用等都可以為人們帶來價值。聯網系統越來越多，傳感器從物理世界采集的數據通過網絡可向所有領域提供有用的信息。基于雙方約定的通信關系或工業數據傳輸標準，移動的物、人、機器可以相互交流。有研究預測，2020年將有250億個“物體”聯網，推動力有兩點：一是利用智能網絡和相關信息建立最優的價值流；二是創造新的商業模型。通過組件、系統和解決方案的邏輯升級可以創造全新的互操作概念并徹底簡化設計與操作流程。互聯網的廣泛應用帶來了大量的新產品，也改變了很多產品的使用方式，這些改變甚至跨越了領域的界限。

智能互聯不是創造和形成一個新的行業，它一定是滲透到傳統行業中，提升傳統行業的服務和營銷能力，改變傳統行業的推廣和傳播能力，令傳統行業的能力更加強大。

在智能互聯時代，新一代信息技術與制造業深度融合，已經開始孕育一種全新的制造業的新理念——智能制造，從而形成新的生產方式、產業形態、商業模式和經濟增長點：①推動3D打印、移動互聯網、大數據、人工智能、云計算、生物工程、新能源、新材料等領域取得新突破；②基于信息物理系統的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領制造方式變革；③網絡眾包、協同設計、大規模個性化定制、精準供應鏈管理、全生命周期管理、電子商務等正在重塑產業價值鏈體系；④可穿戴的智能產品、智能家電、智能汽車等智能終端產品不斷拓展制造業新領域。

往前追溯，智能制造的研究起始于20世紀80年代人工智能在制造領域中的應用，隨著20世紀90年代智能制造技術、智能制造系統的提出[1]，Wright和Bourne[2]給出了智能制造的概念，隨著“工業4.0”戰略計劃的提出，智能制造的研究成熟于21世紀以來新一代新興信息技術條件下的“智能制造(Smart Manufacturing)”[3，17，18]。

1．20世紀80年代：概念的提出

1988年，美國賴特(Paul Kenneth Wright)和伯恩(David Alan Bourne)出版了智能制造研究領域的首本專著《制造智能》(Manufacturing Intelligence)[2]，就智能制造的內涵與前景進行了系統描述，將智能制造定義為“通過集成知識工程、制造軟件系統、機器人視覺和機器人控制對制造技工們的技能與專家知識進行建模，以使智能機器能夠在沒有人工干預的情況下進行小批量生產”。在此基礎上，英國技術大學Williams對上述定義作了更為廣泛的補充，認為“集成范圍還應包括貫穿制造組織內部的智能決策支持系統”。《麥格勞-希爾科技詞典》將智能制造界定為：采用自適應環境和工藝要求的生產技術，最大限度地減少監督和操作，制造物品的活動。

2．20世紀90年代：概念的發展

20世紀90年代，智能制造概念提出不久，智能制造的研究獲得歐、美、日等工業化發達國家的普遍重視，并圍繞智能制造技術(Intelligent Manufacturing Technology，IMT)與智能制造系統(Intelligent Manufacturing System，IMS)開展了國際合作研究。1991年，日、美、歐共同發起實施的“智能制造國際合作研究計劃”提出：“智能制造系統是一種在整個制造過程中貫穿智能活動，并將這種智能活動與智能機器有機融合，將整個制造過程從訂貨、產品設計、生產到市場銷售等各環節以柔性方式集成起來能發揮最大生產力的先進生產系統”。

3．21世紀以來：概念的深化

21世紀以來，隨著移動互聯網、人工智能、物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術的快速發展及應用，智能制造被賦予了新的內涵，即新一代信息技術條件下的智能制造(Smart Manufacturing)。2010年9月，美國在華盛頓舉辦的“21世紀智能制造的研討會”指出，智能制造是對先進智能系統的強化應用，使得新產品的迅速制造、產品需求的動態響應以及對工業生產和供應鏈網絡的實時優化成為可能。2011年6月，啟動包括工業和機器人在內的“先進制造伙伴計劃”。2012年2月，出臺“先進制造業國家戰略計劃”，提出建設智能制造技術平臺，以加快智能制造的技術創新。2012年11月，美國通用公司提出“工業互聯網(Industrial Internet)”[4]，將智能設備、人和數據連接起來，以智能的方式分析這些交換的數據，幫助人們和設備做出更智慧的決策。其中，大數據被認為是物理與信息融合中的關鍵技術。AT&T、思科、通用電器、IBM和英特爾隨后在美國波士頓成立工業互聯網聯盟，以期打破技術壁壘，促進物理世界和數字世界的融合。2013年3月，建立全美制造業創新網絡，其中智能制造的框架和方法、數字化工廠、3D打印等均被列入優先發展的重點領域。

2013年4月，德國正式推出“工業4.0”（Industry 4.0）戰略[3]，意圖在新一輪工業革命中搶占先機，奠定德國工業在國際上的領先地位。“工業4.0”通過利用信息物理系統（Cyber-Physical System，CPS）實現由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變，建立高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式，推動現有制造業向智能化方向轉型。雖沒明確提出智能制造概念，但包含了智能制造的內涵，即將企業的機器、存儲系統和生產設施融入CPS。在制造系統中，這些虛擬網絡（實體物理系統）包括智能機器、存儲系統和生產設施，能夠相互獨立地自動交換信息、觸發動作和控制。

為了利用新興信息技術整合全球化的制造資源和智慧資源，實現預測型的智能制造與服務系統，2015年3月和7月，中國政府分別制定了“中國制造2025”戰略和“互聯網＋”行動計劃，明確提出了“加快推動新一代信息技術與制造技術融合發展，把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向，著力發展智能裝備和智能產品，推進生產過程的智能化，培育新型生產方式，全面提升企業研發、生產、管理和服務的智能化水平”，力爭實現由制造大國向制造強國的轉變；其核心旨在通過制造業的技術創新、商業模式創新、生產組織方式創新，以及制度體系創新，以工業化與信息化深度融合為主線，驅動中國制造在生產模式上向智能制造演變，在商業模式上向服務型制造演變，在資源與能源消耗上向綠色制造、環境優化轉變，從而加快制造與服務的協同發展。其中，制造＋互聯網是關鍵，智能制造是主要內容。

人工智能利用機器（主要是計算機和軟件）實現人的感知（如機器視覺、力覺、觸覺、聽覺等）和判斷（如專家系統、人工神經網絡、模糊推理、智能代理、自然語言理解、機器學習等），隨著大數據智能、群體智能、跨媒體智能、混合智能等新一代人工智能技術的快速發展，人工智能將深刻改變人類社會生活、改變世界。2016年10月，美國國家科技委連續發布了兩個重要戰略文件Preparing for the Future of Artificial Intelligence（為人工智能的未來做好準備）和The National Artificial Intelligence Research and Development Strategic Plan（美國國家人工智能研究與發展策略規劃），將人工智能上升到國家戰略層面，為美國人工智能的發展制訂了宏偉計劃和發展藍圖。2016年12月，美國白宮再次發布Artificial Intelligence，Automation，and the Economy（人工智能、自動化與經濟）報告，該報告認為：應對人工智能驅動的自動化經濟是后續政府將要面臨的重大政策挑戰，下一屆政府應制定政策，推動人工智能發展并釋放企業和工人的創造潛力，確保美國在人工智能的創造和使用中的領導地位。為搶抓人工智能發展的重大戰略機遇，構筑我國人工智能發展的先發優勢，加快建設創新型國家和世界科技強國，2017年7月，國務院印發了“新一代人工智能發展規劃”通知。

綜上所述，智能制造是指在制造工業的各個階段，將移動互聯網、物聯網、大數據、人工智能（特別是新一代智能技術）、云計算等新一代信息技術與先進自動化技術、傳感技術、控制技術、數字制造技術和管理技術相結合，以一種高度柔性與高度集成的方式，支持工廠和企業內部、企業之間和產品全生命周期（產品研發設計、生產加工、運營管理、維護服務到報廢處理的全過程）的實時管理和優化。簡而言之，智能制造是新一代信息技術在制造全生命周期的應用中所涉及的理論、方法、技術和應用。

在智能制造模式下，產品和制造技術更加復雜，出現了全球化、智能化、服務化、協同化發展趨勢[5]。生產組織方式（生產模式）轉變為運用全球資源的智能制造模式[6]，在企業內部擁有豐富的設備實時運行狀態、運營環境狀態、業務運營狀態、人員狀態、社交網絡數據以及客戶反饋數據等大數據信息，通過對這些數據的分析和挖掘可以了解問題產生的過程、造成的影響和解決的方式，這些信息被抽象化建模后轉化成知識，再利用知識去認識、解決和避免問題，實現預測性生產與決策[7]，如訂單和成本預測等。這樣，知識成為企業運作的基礎，數據作為產生知識的主要途徑，成為企業的核心資產；產品模式向智能產品與服務系統演變[8]，以智能產品為承載，融合全流程的服務管理和全生命周期的數據管理，為客戶提供硬件、網絡和軟件服務的整體或個性化解決方案，如租賃服務；商業模式向服務型制造演變[9，10]，可以由制造企業之間分工合作完成制造過程，相互之間提供制造服務，如外包等，也可以將制造環節的生產性服務獨立出來，建立以生產性服務為經營核心的企業，在產品生命周期內為制造企業和最終消費者提供服務，如運營、維護服務等；在產品和服務的全球化開發、生產、運營和維護過程中多主體緊密協作，價值鏈從企業為客戶提供產品向提供個性化服務和能力轉變[11]，在提供服務的過程中以自組織方式有效整合企業內部、合作伙伴、用戶、領域專家、云平臺服務商、競爭企業等各類服務資源和智慧要素，協同為客戶創造價值。