造技术-数字化设计与制造综述 v\eB L&WK
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西南大学工程技术学院，重庆 400716 Kd)m"9Cc
摘要：本文从先进制造技术出发,主要阐述数字化设计与制造的内涵、特点以及实现的关键技术，最后结合例子对它的应用做一个比较浅显的综述。 _ XZ=4s
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关键词：先进制造技术；数字化设计；数字化制造；数字化设计与制造 NjxW A&[ng
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当前，先进制造技术发展非常迅速。随着全球信息网络的建立和完善，国际竞争和协作氛围的进一步形成和发展，制造企业在世界范围内和集成进一步加速，制造全球化必将是21世纪的一个重要发展趋势，这将更加促使先进制造技术得到更快的发展。如今，先进制造技术已成为各国经济发展和满足人民日益增长需要的主要技术支撑，成为加快高新技术发展和实现国防现代化的主要技术支撑，成为企业在激烈的市场竞争中能立于不败之地并求得迅速发展的关键因素。 sdWl5 "
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1引言 "BRE0Ir:
“工业化”发展的核心是“信息化”，“信息化”的核心是“数字化”，“数字化”也是先进制造技术发展的核心。数字化设计与制造包括以设计为中心的、以控制为中心的与以管理为中心的数字设计与制造。“数字化”贯穿和渗透在制造全过程所用的方法中，并且发展得更广泛、更深刻，乃至生产方法与过程的重大变革。这就是说，“数字化”技术的发展必将导致制造技术的重大发展与变革。所以，“数”是先进制造技术发展的“核”。数字化设计与制造是当今世界制造业发展的大趋势。与传统制造技术相比，它既有继承性，又有质的区别；既有特定的含义，又是动态发展的，相对而言的。 \sd "iMEi
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2 数字化设计与制造的内涵和特点 mW-W7-JhO7
2．1 数字化设计与制造的内涵 q#`^EqtUF
目前对数字化设计与制造还没有一个很完整的、公认的定义。中国制造企业所用到的数字化技术涵盖了从CAD到CAE,从二维到三维,从产品建模到仿真优化,从单学科到多学科和交叉学科等多方面的内容，对数字化设计与制造主要包括用于企业的计算机辅助设计(CAD)、制造(CAM)、工艺设计(CAPP)、工程分析(CAE)、产品数据管理(PDM)等内容。 m #QI*R
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从制造业的角度看，就是要实现产品设计数字化、制造数字化、管理数字化、咨询服务数字化等。数字化技术的应用导致了制造信息的表述、存储、处理、传递等方法的深刻变革，使制造业逐步从传统的生产型向知识型模式转化，数字化已逐渐成为产品生命周期中不可缺少的驱动因素，从而使数字化制造技术的发展成为必然。数字化设计、加工、分析技术以及数字化制造中的资源管理技术等构成了数字化制造的支撑技术，是实现数字化设计与制造的重要途径。 JWL J<z
2．1．1 数字化设计的内涵 ];;w/$zke
数字化设计的内涵包括支持企业的产品开发全过程、支持企业的产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持企业产品开发流程的控制与优化等，归纳起来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数控技术是工具，数据管理是核心。它们之间的关系见图1 @45 H8|:k
所示。 ea0tx3'
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图1 数字化设计的内涵 j!\0Fyr
2．1．2 数字化制造的内涵 @W8}N|jek
由于通过CAM及其与CAD等集成技术与工具的研究，在产品加工方面逐渐得到解决，具体是制造状态与过程的数字化描述、非符号化制造知识的表述、制造信息的可靠获取与传递、制造信息的定量化、质量、分类与评价的确定以及生产过程的全面数字化控制等关键技术得到了解决，促使数字制造技术得以迅速发展，这些关键技术之间具体关系见图2所示。 63S1ed [
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图2 数字化制造的内涵 )y W_O :
2．2 数字化设计与制造技术的特点 e,&%Z
数字化设计与制造技术、信息技术、管理技术、工艺技术等紧密结合；与微电子、计算机、自动化技术和传统工艺及设备相结合，形成多项制造数字化单元技术，经局部或系统集成，形成了从单元技术到复合技术，从刚性到柔性，从简单到复杂等多个档次的数字化技术系统，使传统工艺产生显著、本质的变化，极大地提高了生产效率、产品的质量和企业的竞争力。 =bWq 3aP)P
2．2．1 以数字化为核心的信息技术 ;;!{m(;LS}
数字化设计与制造技术是以数字化为核心的信息技术，它以信息化为基础，并伴随信息技术的发展而发展。在半个多世纪中，信息技术已成为科技发展史上最辉煌、发展最迅速的技术。信息技术将给21世纪经济和社会发展带来革命性变化，成为经济社会中最重要的资源和竞争要素，可以说信息技术改变了当代制造业的面貌。信息技术在促进当代制造业发展过程中的作用是全面和深刻的，甚至可以说信息技术将造就新的制造业秩序。 Rk%M~ D*-
近年来，人们提出了一批新的制造模式(虚拟制造、敏捷制造、智能制造、可重组制造等)，一方面开始探究产品设计和制造过程中的信息本质，另一方面对制造技术本身加以改造，以适应新的数字化制造的环境。随着对制造过程和制造系统认识的加深，人们正试图以全新的要领和方式对其加以描述和表达，并进一步达到实现控制和优化的目的。 dY<#a,eS
2．2．2 集成化 ~iZF~PQ1_
集成化是数字化设计与制造技术的一个很重要的特征，目前数字化设计与制造技术已发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的新型交叉学科。在企业内部，通过建立一套集成化的管理平台，来解决在产品数据管理、产品开发流程等方面存在的问题。提高企业内部员工对产品信息的共享，加强对产品更改的控制，优化企业产品开发流程，增强企业现有系统的集成，并改善运作效率。是企业能够在激烈的市场竞争中取胜的必然法则。 F |81i$R
2．2．3 实用性 Vor9
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数字化设计与制造技术的另一个重要的特点在于，它首先是一项主要面向工业应用、具备很强实用性的新技术。从数字化设计与制造技术的发展过程，从其应用于制造全过程的范围，特别是达到的目标与效果，无不反映这是一项应用于制造业，对制造业、对国民经济的发展可以起重大作用的实用技术。 !h>$ bm
从其历史进程来看，数字化设计与制造技术的发展往往是针对某一具体的制造业(如汽车制造、电子工业、航空等)的需求而发展起来的先进、适用的制造技术，有明确的需求导向的特征；数字化设计与制造技术不是以追求技术的高新为目的，而是注重产生最好的实践效果，以数字化为基础，以提高效益为中心，以提高企业的竞争力和促进国家经济增长和综合实力为目标。 xm5FQ) T
2．2．4 应用的广泛性 /'6[*]IZP
数字化设计与制造技术相对传统制造技术在应用范围上的一个很大不同点在于，传统制造技术通常只是指将各种原材料变成成品的加工工艺，数字化设计与制造技术虽然仍大量用于加工和装配过程，但由于其组成包括了信息技术、设计技术、自动化技术、系统管理技术，因而则将其综合运用于制造的全过程。覆盖了产品设计、生产推备、加工与装配、销售使用、维修服务甚至回收再生的整个过程。 \)ZX4rs{8
另外，数字化设计与制造技术还具有系统性、快速性等特点，它强调的是实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，并以提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力为目标。 O^weUpe\
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3 实现数字化设计与制造的关键技术 [; ?{BB
实现数字化设计与制造需要解决的问题主要有五个方面：一是产品统一数据模型表示方法；二是企业间产品的数据交换；三是数据集成；四是异构环境下应用功能的集成；五是过程集成。 Z 4ov
3．1 产品统一数据模型表示方法 Q 02??W
产品设计过程即是建立产品模型的过程，必须建立一个能够表达和处理有关产品全生命周期各个阶段所有信息的统一的产品模型。模型的表示方法采用一个统一的科学的国际标准，即STEP (Standard of Ex—change for Product data)标准。产品模型数据交换标准STEP从多种角度对产品的综合属性做出了定义。这种定义覆盖了产品的全部生命周期。STEP标准的目的是提供一种不依赖于任何平台的中性机制，能够描述产品整个生命周期中的无二义性的产品数据，从而成为产品数据在并行设计环境下共享的基础。STE P标准采用了Express语言。Express语言仅仅是一种信息描述语言．不是一种编程语言。它描述的代码不能由计算机编译．所以Ex—press语言的实现要依赖于与其它可编程语言(如C++、Java等)之间的语言联编。STEP标准有三层结构：最高层是应用层。它由IDEFO／UML生成应用活动模型AAM (Application Action Mode1)、由Ex—press—G语言生成应用参考模型ARM (Application Reference Mode1)、由Express语言生成应用懈释模型AIM (Application Interpreted Mode1)；其次是逻辑层；最底层是物理层。其中包括STEP中性文件、数据库、XML文件等。STEP在CAD／CAM集成环境下的应用如图3所示。 n "KJB
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图3 STEP的应用 14 'x-w^~k
3．2 企业间产品数据交换 9 ~'Ip7X,!
企业动态联盟需要进行数据交换 因此要有电子数据交换标EDI(Electronic•Data Interchange)。EDI标准规定了文件的结构和格式 。EDI经历了以下两个阶段的演变：l986年SGML(Standard Generalization Markup Language)及标识语言HTML(Hyper TEXT Markup Language)；1996年可扩展标识语言XML (Extensible Markup Language)它们三者之间的关系如图4所示。 5qQ( V)ah
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图4 SGML XML HTML三者之间的关系 -^Km}9g
当外部数据通过XML文件传人企业内部后，首先通过XML解释器对文件进行识别，然后建立数据映射，从而实现企业内外的信息交换。因此采用XML作为企业数据交换的标准是发展趋势。 u6I0<i_KZ
3．3 数据集成 k`mrRs
数字化设计与制造中的数据集成是对产品数据的统一管理和共享，它通过PDM (Product Data Manage—ment)来实现。对象管理组织OMG对PDM的基本功能和开放的接口作了详细的规定。 B9)q v>m
3．4 异构环境下应用功能的集成 36WzFq#
分布式计算环境中异构性(指不同的硬件、操作系统、数据库和网络协议)是十分明显的．异构性阻碍了各J直用系统间的互操作?在集成系统中，要实现信息和软件资源的共享，必须解决异构环境下各应用系统的互操作：为了解决异构性的问题，提出了中件M (Mid-(tie Q-are)的概念：中件是一个软件，它通过规定一系列的应用编程接口，转换客户端和服务器端之间的访问、通信来实现其屏蔽底层异构性的作用、其中基于分布对象技术的中件CORBA和DCOM是影响最大的，它们为解决异构性问题提供了途径。 h;UdwmT
3．5 过程集成 x ETVt q
过程集成的目的是为了过程优化。数字化设计和制造中的过程集成是通过工作流管理技术(Workflow Management Technology)实现的。工作流管理技术是实现企业业务过程建模BPM (Business Process Modeling)、业务过程仿真分析(Business Process Simulation)、业务过程优化(Business Process Optimization)、业务过程管理与集成(Business Process Management and Integration)，从而实现业务过程自动化的核心技术。 ^% $W S,
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4 数字化设计与制造应用举例 'Oy5G7^R
4．1 数字化设计 3KFrVhB=
信息技术与传统的设计方法相结合，形成了数字化设计。它包括了数字化设计方法（如并行设计、系统设计、功能设计等）和计算机辅助设计技术（如有限元分析法、CAD、优化设计、工程数据库等），在现代制造企业中起着越来越重要的作用。 `[ ` *@O(y
众所周知，对于目前竞争激烈的汽车行业来说，研发设计的核心是企业的镇山之宝，而研发部门往往是企业的灵魂。如何保持研发团队之间的协作，提高保持研发部门的效率，是国内汽车行业需要做足的功课。在工商管理信息阶段，随着企业生产的产品逐渐增多，产品信息的检索、控制、共享和管理变得比较困难汽车设计是一个复杂的过程，以设计部分为例：设计分为总体布置、动力设计、车身设计和底盘设计四部分。先有总体布置根据市场需求或客户要求对其他各部门提出设计参数要求，再由各设计部门根据参数进行设计。在设计定型过程中，总体布置对某一个参数进行了更改，则需要通知到各个部门。这种孤立的手工设计和手工信息管理模式在效率和准确率方面的劣势越来越明显，难以满足企业现代化发展的需要。企业迫切需要建立一套集成化的管理平台，来解决在产品数据管理、产品开发流程等方面存在的问题，提高企业内部员工对产品信息的共享，加强对产品更改的控制，优化企业产品开发流程，增强企业现有系统的集成，并改善运作效率。中国一汽集团公司于2001年4月开始利用Windchill系统， 分阶段对产品数据进行管理。Windchill系统通过CAD集成功能，能够兼容二维工程图、三维模型等各种形式的文件，实现异构接机平台的数据共享，保证了实时性，为一汽集团的设计或非设计的相关人员提供了统一的查询手段。手工管理需要一到二周完成的工作，现在只需要数分钟便可以解决。自2002年起，一汽集团技术中心已经使用Windchill系统成功开发了十余个车型的设计，并逐渐淘汰了手工明细表的管理模式，加强了技术中心与下属分厂及供应商的沟通，实现了产品结构的计算机配置，比原来的手工配置提高了上百倍的效率。 eKpxskbhZ
福田公司汽车研发系统的计算机应用从1997年开始起步，在不同的应用领域分别引进了二维CAD软件及UG、Pro／E、CATIA三维CAD软件，进行整车与零部件的设计、静态与动态干涉检查，虽然这些软件的应用取得了一些成绩，但是，由于未形成一个系统化的应用方法和环境支持，在数字样车方面仍有相当大的差距，未形成并行设计的开发环境，产品模型建立表现出片面性和单一性，造成了产品模型中信息的不完备，使建模系统只能顾及产品开发过程中某一方面的问题，而不能满足设计的全过程对产品模型的需求。福田公司根据自身产品研发的特点，采用UGS公司的Teamcenter Enterprise产品作为公司汽车产业的PLM系统，并于2003年8月开始实施。目前福田汽车PLM项目第一阶段已经完成，正在推广阶段中。通过该系统的应用，福田建立了严格的数据管理机制，确保了数据的一致性，并实现了数据源的惟一，提高了产品的开发速度与质量。基于PLM数据管理平台给大型汽车制造企业带来的甜头，各企业都在努力规划建立健全自己的数据平台，并集成各事业部、供应商、合作伙伴协同产品开发环境。 t>GLZzO
4．2 数字化制造 Q0uO49sg
信息技术与传统的制造技术互相结合，形成了数字化制造技术，带动了设计、生产与经营管理的自动化和数字化。特别是信息技术融入制造业的产品，使之功能、结构、质量和性能等发生了质的变化，并且创造出新产品和新产业。 9hLmrYNM1
数字化制造技术已成为提高企业和产品竞争力的重要方法。世界各国在研究、开发与应用先进制造技术时均十分重视发展数字化制造技术，发达的国家已达到相当先进的水平。例如：美国波音公司应用数字样机技术成功开发出波音777飞机，使开发周期由过去的8~9年缩短到4年半，成本降低了25%，用户的满意度也大幅度提高。数字化制造使产品设计制造由部分定量、部分经验、定性化逐步转向全面数字定量化，形成了系列的基础理论和关键技术问题，例如，产品信息的数字化表示、制造过程的建模与仿真、数字样机技术、智能数控技术等。数字化制造技术是庞大的研究领域，数字化制造的内容可由宏观数字化制造和微观数字化制造的两个方面来描述。宏观数字化制造是指宏观决策、资源优化、市场运作、资金运营等对制造过程具有重大影响的活动；微观数字化制造是指产品由设计、工艺装配、过程控制到最终产品的全过程。总之，制造正在由部分量化和部分经验化、定性化逐步转化为由宏观到微观的全面数字定量化。数字化制造不仅要处理大量的常规工程数据、图形信息和制造过程的物料流、加工流、信息流，以及与制造相关的其他大量的数据和信息，而且还需收集处理涉及经营、决策、市场、资金、制造知识、管理维护等大量的全局性、全球性的制造数据和信息。 p
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数字化制造是新技术革命驱动的新经济革命的核心，也是将来制造科学与工程的核心。随着制造业信息化的进程的加快，制造业的智力投入和服务的意识日益增强。面临激烈的市场竞争，除了千方百计降低成本、提高效率和质量外，提高企业的资源使用效率和对市场的快速响应能力也是制造业追求的重要目标。 T{{AZV"pB
数字化制造技术包括设计数字化的虚拟产品开发及虚拟装配、生产数字化的制造执行系统（ManufacturingExecutioSystem，MES）以及管理数字化的企业资源计划（EnterpriseResourcePlanning，ERP）等内容。 $_7d! S"
4．2．1虚拟产品开发及虚拟装配 $4*E\G8
虚拟制造(VirtualManufacturing,VM)的概念是20世纪90年代中期在计算机集成制造(CIMS)和并行工程(CE)基础上形成的新技术。VM定义为通过计算机应用虚拟模型，而不是通过真实的加工过程来预估产品的功能、性能及可加工性等方面可能存在的问题。因此VM的基本目的是建立计算机模拟产品的综合性开发环境，通过其环境使设计者在真正加工之前就能模拟地制造出产品，以达到产品在生产全过程中的及时控制与决策的目的。VM的意义在于将工业产品制造由依赖于经验的保守方法跃入到全过程预测的崭新方法，填补了CAD/CAM技术与生产过程和企业管理之间的技术鸿沟，为企业提供了由产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视及空间交互的环境，因而实现了制造驱动设计。开展虚拟制造技术的研究对提高产品设计水平、缩短设计周期、降低产品开发成本具有重要意义。 &Yk s,2:P
虚拟制造是广义概念，虚拟产品开发是其重要组成部分，但是在习惯性和狭义上，也可将虚拟制造理解为应用虚拟现实技术在计算机上完成产品的成型、加工和装配过程。 ` {D i*
4．2．2 MES和ERP K^&
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MES应用ERP生产管理系统可方便地完成用户订货、材料采购和编制生产计划等工作。 2td|8 vDA
（1） MES u:H 3.5)%
生产计划的制定要受到现有的生产能力、生产设备和材料、生产工人及用户订货等方面的制约。在制定生产计划时，要按照用户要求的供货日期分别编制出长期、中期和均衡生产计划。 y#Za |nt
计划管理人员在编制短期生产计划时，对哪一项生产合同占用多大的生产能力要按照生产部门当前的实际情况做出安排。短期的机床或刀具断线，将会引起相关部门的快速反应。而这种快速的反应也会形成成本费用，并且导致某些工作延误，此延误必须尽可能地在企业内部消化掉，避免引起用户的不满。 i 2} =/
出于上述考虑，人们发现在ERP和实际生产能力、生产管理、生产准备和生产领导者之间有着较大的漏洞，例如，生产计划与技术方面的关系等方面的不协调。 f+aS2k(e>
解决上述尴尬局面的方法是引进MES。MES是美国管理界20世纪90年代提出的新概念。很久以来就有BDE生产数据统计汇总系统、生产能力测算系统、人员—工时汇总系统和质量管理系统等。这些系统在整体中承担着部分工作和在各个局部中发挥着作用。例如：人员—工时汇总系统在生产工时的经济性中发挥着作用；BDE在汇总执行合同的生产工时方面具有独特功能；质量管理系统负责在产品的生产过程中进行产品质量的抽样检验和产品质量统计，保证生产出来的产品符合规定的质量要求。上述各种不同的系统在实际使用中可通过网络接口进行连接，但是在联网后的总体效果往往很差。此联网不能对生产全过程的了解很便捷，也不能做到对生产质量、生产计划和生产能力的在线评判。MES将各个不同的应用系统有机地联系起来，各个应用程序之间的数据通信不是按需分配，而且必须是真正意义上的横向联合。采用MES是在生产过程中最佳选择。此系统同时还是信息中心，为企业应用这些生产数据提供了强有力的基础保证。最重要的相互连接是与ERP系统、生产或加工设备的连接。ERP生产管理系统传递到MES的是有关生产合同、需求量和产品零部件明细等信息。而MES将这些信息通过终端设备、打印机或机床、加工中心的通信接口传递到各个生产加工单元。这些数据在必要时会通过MES内的设备管理控制与时间调度程序加以编译，再传送到所需设备。MES则在生产过程中获取机床工作状况的数据、加工件数量、废品数量、产品质量、加工工时、人员和机床使用时间，以及材料消耗等数据。MES所采集到的数据经过压缩后变成ERP可接受的数据，然后再反馈给ERP。反馈给ERP的数据通常是与生产合同有关的时间、数量和原材料消耗等信息。应用这些数据，可分析在生产过程中机床的薄弱环节，分析生产加工顺序存在的问题或用于制定更加详细的生产计划。 Nw$[a$^n
被称为子系统的数据信息反馈模块有着比纯信息反馈系统更加强大的功能。在ERP中的大多数集成了信息反馈模块，其允许将与时间有关的产品数量信息、合同时间信息反馈给主系统。而在MES中的数据信息反馈子系统则有独立的数据处理器，可对在生产过程中涉及到的技术和时间的数据进行处理。 OK2/k_jXN'
MES有数据管理、资源管理、作业计划与调度、工况数据采集、产品跟踪、业绩分析、文件控制、维护管理、过程管理和质量管理等的主要功能。MES可对在企业中的流程和数据进行实时的控制，通过其企业可及时了解自身的所有的信息，并且及时给予回馈和决策，解决企业随时可能遇到的问题，因而可大大提高企业对生产过程的控制。由这个角度来看，实施MES是非常必要的。 KYmWfM3^
（2）ERP C` ~4q<W'
ERP是由企业战略的角度出发来处理企业生产经营活动中的计划、生产、销售和库存等信息，以及优化企业运行模式的人机系统。其面向全球市场，协调企业各管理部门，以及与供应商和客户的业务，实现生产、采购、销售流程的统一化和标准化。作为生产计划控制层的ERP系统，其目前考虑对车间生产进度控制的综合效果，对车间作业管理和控制功能并不强，上层的ERP系统缺乏精确的、基本的生产数据来支持。制造设备控制系统也缺乏足够的生产控制要求，难以实现对工作地生产设备的有效管理与控制，严重阻碍了资源应用能力和制造企业的信息化进程。MES是管理和优化由任务投放到完成加工整个生产活动的硬件和软件的集合。其在面向信息管理的企业资源计划与制造单元的设备控制系统之间构筑桥梁，连接企业上层管理与工作地之间急需解决的信息断层。MES对制造单元的生产管理进行协调应用当前精确的信息，报告和指导制造单元出现的活动，为企业及时准确地提供生产过程的状态信息，解决生产信息集成的问题，快速响应变化条件，提高资源的使用效率，提高制造单元的自主管理能力和企业的应变能力。 ] V769B9
设计数字化、生产数字化、装备数字化、管理数字化和企业数字化是数字化制造技术所包括的内容。设计数字化、生产数字化和装备数字化是制造业信息化的基础和重要内容，这些数字化的研究方向应是制造业的自动化、柔性化、网络化、智能化的集成与综合。 A"<)(M+kG
5 结语 dYew 7
以上是对数字化设计与制造的一个综述，随着科学技术的发展和市场经济的不断深入，数字化设计与制造技术在未来势必有新的内容和内涵，势必在现代企业中到广泛的运用；当前，我国的先进制造业与发达同家相比还有很大的差距，但是只要坚持走高技术化和市场化的道路，积极参与制造业全球化进程，相信在不久的将来，我国的制造业乃至整个国民经济都将会有一个长足的进步。 i M eRQYW
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