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1、先进制造技术机械工程学院王静学号 e20150033制造业制造业是现代国民经济和综合国力的重要支柱，其生产总值一般占一个国家 国内生产总值的20%-55%。在一个国家的企业生产力构成中，制造技术的作用 一般占60%左右。专家认为，世界上各个国家经济的竞争，主要是制造技术的 竞争。其竞争能力最终体现在所生产的产品的市场占有率上。随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化，这种竞争日趋激烈，因而各国政府都非常重视对先进制造技术的研究。制造技术一、当前制造科学要解决的问题当前制造科学要解决的问题主要集中在以下几方面：（1）制造系统是一个复杂的大系统，为满足制造系统敏捷性、快速响应和快 速
2、重组的能力，必须借鉴信息科学、生命科学和社会科学等多学科的研究成果，探索制造系统新的体系结构、制造模式和制造系统有效的运行机制。制造系统优 化的组织结构和良好的运行状况是制造系统建模、仿真和优化的主要目标。制造系统新的体系结构不仅对制造企业的敏捷性和对需求的响应能力及可重组能力 有重要意义，而且对制造企业底层生产设备的柔性和可动态重组能力提出了更高 的要求。（2）为支持快速敏捷制造，几何知识的共享已成为制约现代制造技术中产品。 生物制造观越来越多地被引入制造系统，以满足制造系统新的要求。开发和制造 的关键问题。例如在计算机辅助设计与制造（CAD /CAM）集成、坐标测量（CMM） 和机器人学等
3、方面，在三维现实空间（3-RealSpace）中，都存在大量的几何算法 设计和分析等问题，特别是其中的几何表示、几何计算和几何推理问题；在测量 和机器人路径规划及零件的寻位（如Localization）等方面，存在C-空间（配置空间 ConfigurationSpace）的几何计算和几何推理问题；在物体操作（夹持、抓取和装 配等）描述和机器人多指抓取规划、装配运动规划和操作规划方面则需要在旋量 空间（ScrewSpace）进行几何推理。制造过程中物理和力学现象的几何化研究形 成了制造科学中几何计算和几何推理等多方面的研究课题，其理论有待进一步突 破，当前一门新学科-计算机几何正在受到日益广泛和
4、深入的研究。（3） 在现代制造过程中，信息不仅已成为主宰制造产业的决定性因素，而且 还是最活跃的驱动因素。提高制造系统的信息处理能力已成为现代制造科学发展 的一个重点。由于制造系统信息组织和结构的多层次性，制造信息的获取、集成 与融合呈现出立体性、信息度量的多维性、以及信息组织的多层次性。在制造信 息的结构模型、制造信息的一致性约束、传播处理和海量数据的制造知识库管理 等方面，都还有待进一步突破。（4）各种人工智能工具和计算智能方法在制造中的广泛应用促进了制造智能的发展。一类基于生物进化算法的计算智能工具， 在包括调度问题在内的组合优 化求解技术领域中，受到越来越普遍的关注，有望在制造中完成组
5、合优化问题时 的求解速度和求解精度方面双双突破问题规模的制约。制造智能还表现在：智能调度、智能设计、智能加工、机器人学、智能控制、智能工艺规划、智能诊断等 多方面。这些问题是当前产品创新的关键理论问题， 也是制造由一门技艺上升为一门 科学的重要基础性问题。这些问题的重点突破，可以形成产品创新的基础研究体 系。二、现代机械工程的前沿科学不同科学之间的交叉融合将产生新的科学聚集，经济的发展和社会的进步对 科学技术产生了新的要求和期望，从而形成前沿科学。前沿科学也就是已解决的 和未解决的科学问题之间的界域。前沿科学具有明显的时域、领域和动态特性。 工程前沿科学区别于一般基础科学的重要特征是它涵盖了工
6、程实际中出现的关 键科学技术问题。超声电机、超高速切削、绿色设计与制造等领域，国内外已经做了大量的研 究工作，但创新的关键是机械科学问题还不明朗。 大型复杂机械系统的性能优化 设计和产品创新设计、智能结构和系统、智能机器人及其动力学、纳米摩擦学、 制造过程的三维数值模拟和物理模拟、超精度和微细加工关键工艺基础、大型和 超大型精密仪器装备的设计和制造基础、虚拟制造和虚拟仪器、纳米测量及仪器、 并联轴机床、微型机电系统等领域国内外虽然已做了不少研究，但仍有许多关键 科学技术问题有待解决。信息科学、纳米科学、材料科学、生命科学、管理科学和制造科学将是改变21世纪的主流科学，由此产生的高新技术及其产业
7、将改变世界的面貌。因此， 与以上领域相交叉发展的制造系统和制造信息学、纳米机械和纳米制造科学、仿 生机械和仿生制造学、制造管理科学和可重构制造系统等会是21世纪机械工程科学的重要前沿科学。2.1制造科学与信息科学的交叉-制造信息科学机电产品是信息在原材料上的物化。许多现代产品的价值增值主要体现在信 息上。因此制造过程中信息的获取和应用十分重要。信息化是制造科学技术走向 全球化和现代化的重要标志。人们一方面对制造技术开始探索产品设计和制造过 程中的信息本质，另一方面对制造技术本身加以改造，以使得其适应新的信息化 制造环境。随着对制造过程和制造系统认识的加深，研究者们正试图以全新的概 念和方式对其
8、加以描述和表达，以进一步达到实现控制和优化的目的。与制造有关的信息主要有产品信息、工艺信息和管理信息，这一领域有如下 主要研究方向和内容：(1) 制造信息的获取、处理、存储、传递和应用，大量制造信息向知识和决策转 化。非符号信息的表达、制造信息的保真传递、制造信息的管理、非完整制造信 息状态下的生产决策、虚拟管理制造、基于网络环境下的设计和制造、 制造过程 和制造系统中的控制科学问题。这些内容是制造科学和信息科学基础融合的产物，构成了制造科学中的新分 支-制造信息学。2.2微机械及其制造技术研究微型电子机械系统(MEMS)，是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理 和控制电路、接口电路、通信和
9、电源于一体的完整微型机电系统。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。 MEMS的发展将极大地促进各类产品的袖珍化、微型化，成数量级的提高器件 与系统的功能密度、信息密度与互联密度，大幅度地节能、节材。它不仅可以降 低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务。例如用尖端直径为5 pm的微型镊子可以夹起一个红细胞；制造出 3mm大小能够开 动的小汽车；可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。MEMS技术的发展开辟了技术全新的领域和产业，具有许多传统传感器无法比拟的优点， 因此在制造 业、航空、航天、交通、通信、农业、生物医学、环境监控
10、、军事、家庭以及几 乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。微机械是机械技术与电子技术在纳米尺度上相融合的产物。早在1959年就有科学家提出微型机械的设想，1962年第一个硅微型压力传感器问世。1987年 美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为 60120 pm的硅微型静电电动机， 显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的 潜力。微机械技术有可能像20世纪的微电子技术那样，在21世纪对世界科技、 经济发展和国防建设产生巨大的影响。近 10年来，微机械的发展令人瞩目。其 特点如下：相当数量的微型元器件（微型结构、微型传感器和微型执行器等）和微 系统研究成功，
11、体现了其现实的和潜在的应用价值；多种微型制造技术的发展， 特别是半导体微细加工等技术已成为微系统的支撑技术；微型机电系统的研究需 要多学科交叉的研究队伍，微型机电系统技术是在微电子工艺的基础上发展的多 学科交叉的前沿研究领域，涉及电子工程、机械工程、材料工程、物理学、化学 以及生物医学等多种工程技术和科学。三、现代制造技术的发展趋势20世纪90年代以来，世界各国都把制造技术的研究和开发作为国家的关键 技术进行优先发展，如美国的先进制造技术计划AMTP、日本的智能制造技术（IMS）国际合作计划、韩国的高级现代技术国家计划（G-7）、德国的制造2000 计划和欧共体的 ESPRIT和BRITE-E
12、URAM 计划。随着电子、信息等高新技术的不断发展，市场需求个性化与多样化，未来现 代制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、绿色 集成化、全球化的方向发展。当前现代制造技术的发展趋势大致有以下九个方面：(1) 信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合，现代制造生产模式会获得不断发展。(2) 设计技术与手段更现代化。(3) 成型及制造技术精密化、制造过程实现低能耗。(4) 新型特种加工方法的形成。(5) 开发新一代超精密、超高速制造装备。(6) 加工工艺由技艺发展为工程科学。(7) 实施无污染绿色制造。(8) 制造业中广泛应用虚拟现实技术。(9) 制造以人为本。3.1先进制
13、造技术先进制造技术(Advaneed Manufactuing Technology), 人们往往用AMT来概括由于微电子技术、自动化技术、信息技术等给传统制造技术带来的种种变化与 新型系统。具体地说，就是指集机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技 术等多种技术为一体所产生的技术、设备和系统的总称。主要包括：计算机辅助 设计、计算机辅助制造、集成制造系统等。AMT是制造业企业取得竞争优势的必要条件之一，但并非充分条件，其优势还有赖于能充分发挥技术威力的组织管 理，有赖于技术、管理和人力资源的有机协调和融合先进制造技术主要包括以下三个技术群：3.2主体技术群这是制造技术的核心，它包括两个基本
14、部分：有关产品设计技术和工艺技术。（1）面向制造的设计技术群面向制造的设计技术群系指用于生产准备（制造准备）的工具群和技术群。设 计技术对新产品开发生产费用、产品质量以及新产品上市时间都有很大影响。 产 品和制造工艺的设计可以采用一系列工具，例如计算机辅助设计（CAD）以及工艺 过程建模和仿真等，生产设施、装备和工具，甚至整个制造企业都可以采用先进技 术更有效地进行设计。近几年发展起来的产品和工艺的并行设计具有双重目的，一是缩短新产品上市的周期，二是可以将生产过程中产生的废物减少到最低程度 ， 使最终产品成为可回收、可再利用的，因此对实现面向保护环境的制造而言是必 不可少的。制造工艺技术群（加
15、工和装配技术群）制造工艺技术群是指用于物质产品（物理实体产品）生产的过程及设备。例如, 模塑成形、铸造、冲压、磨削等。随着高新技术的不断渗入，传统的制造工艺和装备正在产生质的变化。制造工艺技术群是有关加工和装配的技术，也是制造技术或称生产技术的传统领域。3.3支撑技术群支撑技术群是指支持设计和制造工艺两方面取得进步的基础性的核心技术。基本的生产过程需要 一系列的支撑技术，诸如:测试和检验、物料搬运、生产（作 业）计划的控制以及包装等。它们也是用于保证和改善主体技术的协调运行所需 的技术,是工具、手段和系统集成的基础技术。支撑技术群包括：信息技术：接口和通信、数据库技术、集成框架、软件工程人工智
16、能、专家系 统和神经网络、决策支持系统。(2) 标准和框架：数据标准、产品定义标准、工艺标准、检验标准、接口框架。(3) 机床和工具技术。(4) 传感器和控制技术：单机加工单元和过程的控制、执行机构、传感器和传感 器组合、生产作业计划。(5) 其它3.4制造技术基础设施制造技术基础设施是指为了管理好各种适当的技术群的开发并鼓励这些技 术在整个国家工业(基地)内推广应用而采取的各种方案和机制。由于技术只有应 用适当地会产生效用，所以其技术基础设施的各要素和基本技术本身同样重要。 这些要素包括了车间工人、工程技术人员和。3.5美国ATM计划1993年，美国政府批准了由联邦科学、工程与技术管理人员在各种先进生 产技术和方案方面的培训
