制造工具和思维是人的2 个本质特征

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1、机械制造工程学科前沿和研究制造工具和思维是人的2 个本质特征,人类的生产及生活与制造活动密不可 分，制造和使用工具是人类进化过程中的关键一步. 制造活动和制造技术与人类 自身的形成和进步相辅相成,并在满足人类物质文明需求的过程中不断发展,它 是人类生存、生活和生产活动中一个不变的主题.现代意义上“制造”的概念形 成于18 世纪第一次工业革命之后,它是指“通过机器进行制作或生产产品,特别 是大批量地制作或生产产品”1 . 自蒸汽机发明并开始广泛应用的18 世纪70 年代到20世纪70 年代的200 年间,制造技术得到了全面的发展和广泛的应用,上 世纪80年代以来，提出了先进制造技术AMT(Adv

2、anced Manufacturing Techn2ology) 的概念并被学术界、工程界及包括政府在内的社会各界普遍接受, 制造技术进入了一个新的发展时期。一方面， 制造技术与其它专业和学科不断渗 透、交叉和融合， 形成面向系统地解决产品全寿命周期的设计、制造、管理和服 务甚至回收中的问题， 综合应用机械、电子、信息、材料和管理等学科的理论与 技术， 具有集成化、系统化和信息化等特点的交叉学科“制造工程”;另一 方面， 制造已从狭义的以研究制造过程尤其是机械加工过程中的工艺技术为主的 “机械制造”， 拓展到研究设计、工艺和管理一体化的现代集成制造技术， 即为广 义的“大制造”， 也称为“广义

3、制造”. 制造技术与信息科学和管理科学等多学 科高度融合交叉， 以解决制造系统中的复杂性问题， 同时制造也成为物理科学、生 命科学、社会科学和认知科学等基础学科的综合、集成和衍生， 因此， 制造技术正 由一种技术发展成为一门新型工程科学， 即制造科学. 本文拟从制造技术发展的 历程及制造科学的形成、特点和一些前沿问题， 讨论制造科学与工程学科进展.1. 1 先进制造技术的发展及其地位在制造过程中的产品设计、制造工艺与装备、生产方式和管理模式等技术形 成了制造技术(manufacturing technology).制造技术从古代以人的经验和手 艺(技巧)为主的手工艺，通过更新、融合(blend

4、ing)和综合(synthesis)等途 径不断发展， 第一次工业革命之后， 形成了现代意义上制造的概念， 其发展过程可 以归结为3 个阶段:机械化制造阶段本阶段以1765 年蒸汽机制造技术的 问世和应用为标志， 以纺织机械的革新为起点， 以蒸汽动力和机器应用为特征， 实 现 了从以手工工具生产到机械化大生产的转变和从工场手工业到机器大工业的转 变， 全面促进了各种机械制造、蒸汽机制造、冶金、采矿、化工等部门的发展， 带来了人类历史上的第1 次工业革命. 这次革命促进了资本主义生产力的迅速 发展， 提高了生产社会化程度， 引领了人类社会的工业文明. 电气化制造阶段 19 世纪后半叶和20 世纪

5、初， 科学技术的发展突飞猛进， 以电力技术为主 导的第2 次工业革命兴起. 发电机、电动机的发明， 为人们提供了补充和取代蒸 汽动力的新能源， 人类跨入了电气时代. 这一时期的制造技术以实现电气化和自 动化为显著特征， 由于制造自动化技术的重大进步， 制造业生产的产品范围空前 扩大， 主要有:电机和电器产品、内燃机、交通工具(汽车、机车、舰船和飞机等) 、 铁和冶金设备、石油开采和石化工业装备、电讯设备等， 制造业随着产品的多样 化被细分为众多不同的门类， 迅速发展.从20 世纪40 年代开始， 以原子能技术、空间技术、电子计算机技术和 信息技术等为代表的高新技术发展日新月异， 产生了信息产业

6、和高技术制造产业， 如集成电路、计算机、电子通讯设备、生物医药等一大批新兴制造产业. 制造业 的竞争焦点，1960年代是“成本(cost) ”，1970年代是“市场(market) ”，1980 年代是“产品质量(product quality) ” ,1990年代是“市场响应时间(time to market) ” ,2000年代是“服务与价值(service and value)” 4 .为满足激 烈的全球化市场竞争对制造业的挑战，上世纪80 年代以来，先进制造技术被大力 推广和应用. 同时， 具有数字化、网络化和智能化等特征的信息技术也日广泛地 与制造技术交叉和融合， 使机械、冶金、化工

7、、纺织、服装等传统制造业的生产 方式和经营理念， 开始发生革命性的变化. 计算机技术、数字化技术网络化技术、 系统工程、计算智能、制造自动化系统等与制造技术的交融极大地促进了制造技 术的进步，减少了资源消耗和环境污染，提高了产品质量和劳动生产率，从而大幅 度地增强了制造业的竞争力. 制造业信息化技术正在改变着制造的面貌，制造技 术已进入了信息化时代， 并正在向前发展之中.先进制造技术(AMT)的概念产生于制造技术发展的第3阶段的中后期，它是 制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，并将其综合应用于产品设计、 加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高 效、低耗、

8、清洁、灵活的生产，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力的制 造技术的总称. 先进制造技术是形成制造业的优势、增强制造业的竞争力、建立 制造业大国和强国的技术基础. 制造技术将在现代设计技术、现代成形技术、现 代加工技术和制造系统与管理技术等方向上， 在数字化、信息化、网络化、虚拟 化和绿色化等方面进行创新发展， 以进一步满足制造过程中质量、生产率、经济 性以及与自然的和谐性等要求. 在制造科学与工程学科中，制造科学为支撑和产 生先进制造理论、方法和技术奠定基础， 先进制造技术又为制造工程应用和实践 提供技术方法、解决问题的手段和工具.当今世界各主要工业国家，如美国、德国、 日本等，都是制造业

9、的强国，也是在先进制造技术研究和应用方面领先的国家，它 们无一例外地在先进制造技术和现代制造业的发展方面，都制订出长远的战略发 展规划，如美国自1980 年代以来，制订了一系列旨在发展先进制造技术、重振制 造业的计划，包括：智能加工工作站IMW( Int elligen tMachining Works tat ion) 和下一代工作站P 机床控制器 NGC (Nex t Genera tion Works tat ionPMachine Con2 troller) 研究计划(1980 年代) 、连续采购与全寿命周期支援计划 CALSContinuous Acquisition andLife

10、2cycle Support) 、国家工业信息基础结 构协议NIIIP研究计划、虚拟制造研究计划、敏捷制造使能技术计划和先进制造 技术AMT(Advanced Manu2facturing Technology)计划等(1990 年代)、ManTech 规划中每年制订一次的“xxxx年xxxx年先进制造技术五年计划”、“2010年 及其以后的美国国防制造工业”等;澳大利亚政府实行了“国际制造战略研究IMSS ( International Manufacturing StrategyStudy) ”研究计划;德国政府制订和 实施了“制造2000”计划、“制造2000 + ”计划和“面向未来的生

11、产(Forschung fur die Produktion von Morgen) ”研究计划；此外，美、日、加、欧共体、澳 等多国发起的智能制造系统IMS( Intelligent Manufacturing System)计划”、 欧共体ESPRIT计划、尤利卡计划支持的多个合作研究项目、日本的“未来计划” 等，都是以政府或多国联合计划的方式，把先进制造技术作为国民经济及国防工 业的重要基础，投入巨资，优先发展.1. 2 制造工程的形成与制造科学的提出近20 年来，信息技术、系统科学迅速发展并引入到制造技术之中，制造技术已从 狭义的以“机械制造”为主体的工艺技术扩展到考虑“物质流、能量流

12、、信息流” 的制造系统工程技术. 在制造系统中,制造过程是一个以资源转换为核心,包含 约束控制、工作机制及环境影响等多个因素的多输入多输出系统,其中,物质流体 现了经过资源转换从而生产出有形产品的制造过程的本质,能量流是产品物质形 式P形态转化(制造)的动力，信息流是体现为产品的整个设计、制造、管理、营 销和服务过程中对物质流和能量流的控制. 制造过程的系统性、综合性和集成性, 要求人们不仅仅是停留在对制造工艺和工具方法的研究和改进上，而是需要进一 步研究制造过程中生产组织与管理模式、先进工艺技术和方法、现代制造装备技 术等问题，以及采用系统工程的理论和方法，从整体性、综合性、最优性的角度来

13、研究制造系统的分析、决策、建模、规划、设计、运行和管理的方法，以取得 制造过程的最佳效益. 制造技术与系统论、方法论、信息论、控制论等相结合， 在计算机辅助设计制造、计算机集成制造系统、设计制造自动化、现代生产模式 和企业管理、产品质量管理与控制等方面取得了一系列重大的进展，制造从技术 发展到了工程系统层次， “制造工程”的概念形成并被普遍接受. 随着社会需求和制造本身的发展，制造学科的研究与应用呈现出新的发展趋势. 第1 ， 制造学科研究的问题复杂性大大增加，表现为制造系统是一个涉及产品全 寿命周期管理PLM( Product Life2cycle Management )的复杂大系统，其组

14、织结 构与管理方式、制造过程与系统的建模、制造系统调度和优化、质量控制等都成 为制造学科研究的问题，制造不仅要研究工程技术方面的问题，还要研究组织科 学(organizational science)方面的问题.另外,制造学科研究问题的复杂性 还表现在制造已进入到微观世界， 微机电系统制造和微纳米制造已成为制造技术 的重要内容，它们更是深入地涉及量子力学、介观物理、混沌物理等现代科学的 理论与原理， 以及微电子技术、计算机技术、扫描隧道显微技术等现代技术方法， 在微纳米尺度上研究物质的原子、分子行为和作用规律等，已经是制造中不可回 避的复杂问题. 因此，原来以工艺技术为主体的制造技术学科已经不

15、能满足制造 系统的复杂性研究要求，必须突破现有技术范畴的局限，寻求在基础理论、基本原 理和基本方法上新的解决途径，这是制造从技术走向科学的客观需求.第2， 制造与生命科学、材料科学、信息科学、管理科学、纳米科学等其它 学科的交叉，正在产生出新的交叉性的制造学科分支，如纳米制造、制造管理学、 制造信息学、生制造学等，这些新的交叉学科分支，不是简单地将某一学科的科学 知识应用于制造科学之中，而是具有极强的交叉性、渗透性和原理创新性，它们给 制造学科的发展带来新的方向和动力.第3 ， 现代计算机科学与工程技术、信息技术等的飞速发展，促进了制造理 念、生产方式和制造技术的变革. 例如， 快速原型制造技

16、术将材料性能与成型、 结构和功能设计、过程控制，以及CADPCAM等技术综合在一起，实现了一种新的快 速制造的方式;虚拟制造技术采用计算机仿真与虚拟现实技术，对制造过程进行 模拟， 包括虚拟加工、虚拟装配、虚拟调度和虚拟测试等， 对产品设计、 加工制造、性能分析、生产管理和调度、销售及售后服务等作出综合评价， 预测 产品性能、成本和可制造性，从而增强对制造过程各个层次的决策与控制能力， 虚拟制造已成为跨学科和专业，融合CADPCAM、计算机图形学、虚拟现实技术、信 息网络技术、计算机集成制造、人工智能等多种先进技术为一体的现代制造的重 要支撑技术.第4 ， 在制造活动实践中，人们以技术方法直接变革客观世界，同时，由于制 造产品对象、制造过程各个环节以及制造系统资源组织、控制和管理等的复杂性， 以及复杂制造系统表现不确定性和未知性， 人们也开始探索和研究制造中的基础 性、本质性的问题,制造研究已经从以制造工艺和制造装备技术的研究应用为主 拓展到制造系统和制造过程的建模、动力学、计算问题、信息、知识和智能表达、 系统全