制造活動是人類進(jìn)化、生存、生活和生產(chǎn)活動中一個永恒的主題，是人類建立文明的基礎(chǔ)。人類初的制造活動萌芽于原始工具制造，人類文明也因此產(chǎn)生。迄今為止，人類文明的發(fā)展經(jīng)歷了原始文明、農(nóng)業(yè)文明、工業(yè)文明等。制造技術(shù)（Manufacturing Technology）正是隨人類的自身生存和生活需求、制造活動實踐和社會生產(chǎn)力進(jìn)步而產(chǎn)生和發(fā)展的。
從16世紀(jì)開始，受文藝復(fù)興的影響，歐洲開始發(fā)生科學(xué)革命和啟蒙運動，為工業(yè)革命準(zhǔn)備了科學(xué)原理、知識和方法。17631870年英國發(fā)生了次工業(yè)革命，蒸汽機的發(fā)明使人類社會進(jìn)入了工業(yè)時代，現(xiàn)代意義上的制造概念和制造業(yè)也隨之誕生。在英語中制造（manufacturing）的詞根是來自拉丁文的manu和facere，分別具有手工的和做的意義。次工業(yè)革命之后，制造的概念是指通過機器進(jìn)行制作或生產(chǎn)產(chǎn)品，特別是大批量地制作或生產(chǎn)產(chǎn)品。與工業(yè)化進(jìn)程和產(chǎn)業(yè)革命緊密相聯(lián)，制造業(yè)先后已經(jīng)歷了機械化、電氣化和信息化三個階段，現(xiàn)在正處于第四個階段智能化，人們稱之為四次工業(yè)革命，即工業(yè)1��0、工業(yè)2��0、工業(yè)3��0和工業(yè)4��0。
近年來，制造技術(shù)面臨產(chǎn)品性能指標(biāo)越來越高，個性化越來越強的要求，以及不斷縮短的交付期、不斷增高的成本、更加嚴(yán)苛的環(huán)保壓力和日益復(fù)雜的制造系統(tǒng)等挑戰(zhàn)。同時，新一代信息通信技術(shù)和新一代人工智能技術(shù)也在與制造技術(shù)深度融合，給制造業(yè)帶來新的理念、模式、技術(shù)和應(yīng)用，展現(xiàn)出未來制造技術(shù)和制造業(yè)發(fā)展的新前景。為了應(yīng)對挑戰(zhàn)，先進(jìn)工業(yè)國家均推出了重要的國家制造發(fā)展戰(zhàn)略，2013年德國推出了《Industrie 4��0》（工業(yè)4��0），2015年中國發(fā)布了制造強國戰(zhàn)略《中國制造2025》，2018年美國發(fā)布了《Strategy for American Leadership in Advanced Manufacturing》（先進(jìn)制造業(yè)美國領(lǐng)導(dǎo)力戰(zhàn)略）報告，2019年11月德國又正式發(fā)布了《Industriestrategie 2030》（工業(yè)戰(zhàn)略2030），在各個國家的發(fā)展戰(zhàn)略中，不約而同地將智能制造定位為振興工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵，智能制造成為全球工業(yè)界關(guān)注的重點和學(xué)術(shù)界研究的前沿?zé)狳c。
1989年，美國愛荷華大學(xué)教授Andrew Kusiak首次明確提出了智能制造系統(tǒng)（Intelligent Manufacturing System），并將智能制造定義為通過集成知識工程、制造軟件系統(tǒng)和機器人控制來對制造技工們的技能與專家知識進(jìn)行建模，以使智能機器可自主地進(jìn)行小批量生產(chǎn)。此后，對智能制造的認(rèn)識不斷發(fā)展，基于對工業(yè)革命與現(xiàn)代制造概念形成及發(fā)展的分析，以及對制造業(yè)和制造技術(shù)發(fā)展永恒目標(biāo)的認(rèn)識，通過進(jìn)一步分析工業(yè)4��0時代的特征，我們對工業(yè)4��0時代的智能制造內(nèi)涵有了進(jìn)一步的認(rèn)識，即：智能制造是先進(jìn)制造技術(shù)與新一代信息技術(shù)、新一代人工智能等新技術(shù)深度融合形成的新型制造系統(tǒng)和制造技術(shù)，它以產(chǎn)品全生命周期價值鏈的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化集成為主線，以企業(yè)內(nèi)部縱向管控集成和企業(yè)外部網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同集成為支撐，以實際生產(chǎn)系統(tǒng)及其對應(yīng)的各層級數(shù)字孿生映射融合構(gòu)建的賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)CPPS（Cyber Physical Production System，也稱為信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)）為核心，建立起具有動態(tài)感知、實時分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行功能的智能工廠，進(jìn)行虛實融合的智能生產(chǎn)，實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、綠色、安全的制造和服務(wù)。
本書作為面向智能制造工程、機械工程和制造工程等專業(yè)本科生的智能制造概論教材，旨在以工業(yè)4��0時代對智能制造的新概念、新內(nèi)涵和新特征的認(rèn)識為基礎(chǔ)，力求全面系統(tǒng)地介紹智能制造發(fā)展歷史、理論基礎(chǔ)、支撐技術(shù)和使能技術(shù)、推進(jìn)和實施智能制造的原則和步驟等。書中介紹了智能感知、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)、云計算和邊緣計算、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實/混合現(xiàn)實、人工智能和數(shù)字孿生等新一代智能制造支撐技術(shù)；以智能工廠和智能生產(chǎn)為主題，并結(jié)合實際案例，展開討論了橫向集成、縱向集成和端到端集成三大集成技術(shù)，以及動態(tài)感知、實時分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行4項功能應(yīng)用技術(shù)；后闡述了推進(jìn)和實施智能制造的基本原則、發(fā)展階段、演進(jìn)范式、典型模式和具體步驟，探討了制造新形態(tài)和工廠新模式，展望了智能制造的未來。
本書的第1章為概述，概要介紹了制造技術(shù)的發(fā)展歷史，分析了從工業(yè)1��0到工業(yè)4��0不同發(fā)展階段之間制造技術(shù)變遷的特點，提出工業(yè)4��0時代制造業(yè)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、綠色、安全的總體目標(biāo)及其新的內(nèi)涵；介紹了不同階段智能制造的發(fā)展特點和主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家關(guān)于智能制造發(fā)展的國家戰(zhàn)略，闡述了現(xiàn)代意義上的制造一詞的定義和智能制造的基本概念，對德國、美國、日本和我國在智能制造發(fā)展方面的特點和優(yōu)勢進(jìn)行了分析比較；后介紹了本課程的教學(xué)目標(biāo)與主要教學(xué)內(nèi)容安排。
第2章為智能制造技術(shù)基礎(chǔ)，在給出智能制造內(nèi)涵定義的基礎(chǔ)上，分析了智能制造的關(guān)鍵特征；從智能設(shè)計、智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)、智能管理和智能服務(wù)五個方面，闡述了智能制造的核心構(gòu)成要素及其基本內(nèi)容；詳細(xì)介紹了當(dāng)前流行的智能制造五種參考架構(gòu)模型，即：工業(yè)4��0參考架構(gòu)模型、基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)的智能制造體系架構(gòu)、智能制造生態(tài)系統(tǒng)模型、工業(yè)價值鏈參考架構(gòu)和智能制造單元、智能制造三鏈模型，分析了各個模型的特點以及相互聯(lián)系。
第3章為新一代智能制造支撐技術(shù)，重點介紹了新一代信息技術(shù)和人工智能技術(shù)等支撐新一代智能制造發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。該章從基本概念及工作原理、核心算法或關(guān)鍵技術(shù)以及智能制造的應(yīng)用支撐等方面，重點討論了智能傳感技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和邊緣計算、人工智能、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實/混合現(xiàn)實技術(shù)和數(shù)字孿生。
第4章為智能工廠和智能生產(chǎn)，闡述了從數(shù)字化工廠到智能工廠的發(fā)展過程，總結(jié)了智能工廠的基本特征；從工廠自動化的標(biāo)準(zhǔn)化層級結(jié)構(gòu)出發(fā)，介紹了智能工廠的架構(gòu)、賽博物理系統(tǒng)CPS（Cyber Physical System，也稱為信息物理系統(tǒng)）的構(gòu)成；特別是從應(yīng)用使能技術(shù)（包括技術(shù)集成和應(yīng)用功能實現(xiàn)）的角度，討論了在智能工廠中的橫向、縱向和端到端的三大集成的技術(shù)實現(xiàn)，以及在智能生產(chǎn)系統(tǒng)中動態(tài)感知、實時分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行四項功能應(yīng)用技術(shù)，介紹了多個智能工廠、智能生產(chǎn)具體場景和智能制造過程實現(xiàn)的實例。
第5章為智能制造演進(jìn)范式與發(fā)展路徑，詳細(xì)闡述了推進(jìn)和實施智能制造的三要三不要基本原則及其具體內(nèi)容，介紹了企業(yè)智能化發(fā)展的計算機化、連接、可視、透明、預(yù)測、自適應(yīng)六個階段，智能制造從數(shù)字化制造到網(wǎng)絡(luò)化制造、再到新一代智能制造的三個演進(jìn)范式，提出了企業(yè)實施智能制造的五個具體步驟，介紹了未來制造的新形態(tài)和未來工廠模式，后展望了智能制造的未來。
作為一本教材，本書在各章前面設(shè)有導(dǎo)讀，以方便讀者了解各章的內(nèi)容主線及其相互關(guān)系，在各章后安排了思考題和習(xí)題或思考與討論題，便于教學(xué)過程中應(yīng)用。另外，讀者也可根據(jù)書后列出的參考文獻(xiàn)進(jìn)行拓展閱讀和深入學(xué)習(xí)。
本書編者在北京航空航天大學(xué)從事智能制造、控制工程和先進(jìn)數(shù)控技術(shù)方面的教學(xué)和研究工作多年，自2015年到2019年底，應(yīng)邀在多個國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)會議和專題論壇上，做有關(guān)智能制造方面的主旨或?qū)ｎ}報告。在教學(xué)、科研和學(xué)術(shù)交流中的思考和積累為本書的寫作奠定了重要的基礎(chǔ)。2017年編者與丁德宇為主編，符剛、郭源生和劉明雷作為副主編，共計有43位專家參與編寫的《智能制造之路專家智慧 實踐路線》（機械工業(yè)出版社出版）一書出版后，編者即開始考慮撰寫一本面向本科教學(xué)的智能制造概論方面的教學(xué)參考書，適逢機械工業(yè)出版社組織有關(guān)智能制造的系列教材，于是便有了此書寫作和出版的計劃安排。
本書在撰寫過程中，得到了編者所在單位及同事的指導(dǎo)、支持和幫助。于靖軍教授對本書出版立項給予了大力支持，并一直關(guān)心本書編著、出版的進(jìn)展情況；編者指導(dǎo)的在讀博士研究生王柳權(quán)、朱三穎、臧辰鑫等參與了部分文獻(xiàn)收集、分析等工作，書中還直接引用了編者指導(dǎo)的已畢業(yè)博士研究生劉煥、皮世威、佟鑫和碩士研究生肖遙等人的相關(guān)論文以及課題研究中的一些成果；2019年編者負(fù)責(zé)組織開設(shè)了北航機械工程及自動化學(xué)院智能制造工程本科專業(yè)的新課程智能制造工程基礎(chǔ)，在教學(xué)過程中與鄭聯(lián)語、魏巍、肖文磊、杜福洲等任課教師的交流及研討，也使編者獲益匪淺；責(zé)任編輯舒恬為本書的高質(zhì)量出版付出了大量努力和辛勤工作。在此，向給予編者支持幫助的領(lǐng)導(dǎo)、同事、學(xué)生和友人等致以深深的謝意！
在本書的撰寫過程中，編者參閱了大量論文、專著以及其他形式的參考資料，在書后的參考文獻(xiàn)中列出，以便于讀者拓展閱讀。在此，特向所有參考文獻(xiàn)的原作者表示衷心的感謝！ 同時，由于參考文獻(xiàn)較多，在書中的參考或引用之處未能一一對應(yīng)標(biāo)注，敬請原作者和讀者諒解！
雖然在撰寫過程中編者已盡努力以求至善，但受編者業(yè)務(wù)水平和時間的限制，書中不可避免地還存在不足甚至可能是錯誤之處，敬請讀者批評指正！
書稿完成之日，正值又一個教師節(jié)即將到來之際，編者有幸受邀作為從教30周年以上的教師代表參加表彰大會并領(lǐng)獎，臨會有感而發(fā)，賦小詩一首：
三尺講臺天地寬，
燭炬成灰苦亦甘。
卅年滄桑寸心在，
唯念桃李報春還。
抄錄此詩于此，以為逾30年從教生涯之寫照，并與讀者共勉。對于中國制造，路漫漫則修遠(yuǎn)，任重更待砥礪前行，愿我們弘揚唯實致真、探奧拓新精神，為制造強國的建設(shè)做出貢獻(xiàn)。