国内外先进制造技术的新发展现状和趋势.doc

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1、国内外先进制造技术的新开展现状与趋势1当前制造科学要解决的问题1制造系统是一个复杂的大系统，为满足制造系统敏捷性、快速响应与快速重组的能力，必须借鉴信息科学、生命科学与社会科学等多学科的研究成果，探索制造系统新的体系构造、制造模式与制造系统有效的运行机制。制造系统优化的组织构造与良好的运行状况是制造系统建模、仿真与优化的主要目标。制造系统新的体系构造不仅对制造企业的敏捷性与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与可动态重组能力提出了更高的要求。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。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

2、中产品开发与制造的关键问题。例如在计算机辅助设计与制造(CADCAM)集成、坐标测量(CMM)与机器人学等方面，在三维现实空间(3-RealSpace)中，都存在大量的几何算法设计与分析等问题，特别是其中的几何表示、几何计算与几何推理问题；在测量与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)的几何计算与几何推理问题；在物体操作(夹持、抓取与装配等)描述与机器人多指抓取规划、装配运动规划与操作规划方面那么需要在旋量空间(ScrewSpace)进展几何推理。制造过程中物理与力学现象的几何化研究形成了制造科学中几何计算与

3、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与深入的研究。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，而且还是最活泼的驱动因素。提高制造系统的信息处理能力已成为现代制造科学开展的一个重点。由于制造系统信息组织与构造的多层次性，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。在制造信息的构造模型、制造信息的一致性约束、传播处理与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各种人工智能工具与计算智能方法在制造中的广泛应用促进了制造智能的开展。一类基于生物进化算法的计算智能工具，在包括调度问题

4、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合优化问题时的求解速度与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根底性问题。这些问题的重点突破，可以形成产品创新的根底研究体系。2现代机械工程的前沿科学不同科学之间的穿插融合将产生新的科学聚集，经济的开展与社会的进步对科学技术产生了新的要求与期望，从而形成前沿科学。前沿科学也就是已解决的与未解决的科学问题之间的界域。前沿科学具有明显的时域、领域与动态特性。

5、工程前沿科学区别于一般根底科学的重要特征是它涵盖了工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与产品创新设计、智能构造与系统、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与物理模拟、超精度与微细加工关键工艺根底、大型与超大型精细仪器装备的设计与制造根底、虚拟制造与虚拟仪器、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、管理科学与制造科学将是改变21世纪的

6、主流科学，由此产生的高新技术及其产业将改变世界的面貌。因此，与以上领域相穿插开展的制造系统与制造信息学、纳米机械与纳米制造科学、仿生机械与仿生制造学、制造管理科学与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。21制造科学与信息科学的穿插-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表达在信息上。因此制造过程中信息的获取与应用十分重要。信息化是制造科学技术走向全球化与现代化的重要标志。人们一方面对制造技术开场探索产品设计与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。随着对制造过程与制造系统认识的加深，研究者们正试图以

7、全新的概念与方式对其加以描述与表达，以进一步到达实现控制与优化的目的。与制造有关的信息主要有产品信息、工艺信息与管理信息，这一领域有如下主要研究方向与内容：(1)制造信息的获取、处理、存储、传递与应用，大量制造信息向知识与决策转化。(2)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与制造、制造过程与制造系统中的控制科学问题。这些内容是制造科学与信息科学根底融合的产物，构成了制造科学中的新分支-制造信息学。22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与控制电路、接口电路

8、、通信与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、新功能的元件与系统。MEMS的开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本钱，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5m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技术的开展开辟了技术全新的领域与产业，具有许多传统传感器无法比较的优点，因此在制造业、航空、航天、交通、通信、农业、生物医学、环境监控、军事、家

9、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60120m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构造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、经济开展与国防建立产生巨大的影响。近10年来，微机械的开展令人瞩目。其特点如下：相当数量的微型元器件(微型构造、微型传感器与微型执行器等)与微系统研究成功，表达了其现实的与潜在的应用价值；

10、多种微型制造技术的开展，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穿插的研究队伍，微型机电系统技术是在微电子工艺的根底上开展的多学科穿插的前沿研究领域，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与科学。目前对微观条件下的机械系统的运动规律，微小构件的物理特性与载荷作用下的力学行为等尚缺乏充分的认识，还没有形成基于一定理论根底之上的微系统设计理论与方法，因此只能凭经历与试探的方法进展研究。微型机械系统研究中存在的关键科学问题有微系统的尺度效应、物理特性与生化特性等。微系统的研究正处于突破的前夜，是亟待深入研究的领域。23材料制备零

11、件制造一体化与加工新技术根底材料是人类进步的里程碑，是制造业与高技术开展的根底。每一种重要新材料的成功制备与应用，都会推进物质文明，促进国家经济实力与军事实力的增强。21世纪中，世界将由资源消耗型的工业经济向知识经济转变，要求材料与零件具有高的性能以及功能化、智能化的特性；要求材料与零件的设计实现定量化、数字化；要求材料与零件的制备快速、高效并实现二者一体化、集成化。材料与零件的数字化设计与拟实仿真优化是实现材料与零件的高效优质制备制造及二者一体化、集成化制造的关键。一方面，通过计算机完成拟实仿真优化后可以减少材料制备与零件制造过程中的实验性环节，获得最正确的工艺方案，实现材料与零件的高效优质

12、制备制造；另一方面，根据不同材料性能的要求，如弹性模量、热膨胀系数、电磁性能等，研究材料与零件的设计形式。进而结合传统的去除材料式制造技术、增加材料式覆层技术等，研究多种材料组分的复合成形工艺技术。形成材料与零件的数字化制造理论、技术与方法，如快速成形技术采用材料逐渐增长的原理，突破了传统的去材法与变形法机械加工的许多限制，加工过程不需要工具或模具，能迅速制造出任意复杂形状又具有一定功能的三维实体模型或零件。去，将可能产生革命性的突破。今后应关注的研究领域有生物加工技术、仿生制造系统、基于快速原型制造技术的组织工程学，以及与生物工程相关的关键技术根底等。3现代制造技术的开展趋势20世纪90年代

13、以来，世界各国都把制造技术的研究与开发作为国家的关键技术进展优先开展，如美国的先进制造技术方案AMTP、日本的智能制造技术IMS国际合作方案、韩国的高级现代技术国家方案(G-7)、德国的制造2000方案与欧共体的ESPRIT与BRITE-EURAM方案。随着电子、信息等高新技术的不断开展，市场需求个性化与多样化，未来现代制造技术开展的总趋势是向精细化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、绿色集成化、全球化的方向开展。当前现代制造技术的开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严密结合，现代制造生产模式会获得不断开展。(2)设计技术与手段更现代化。(3)成型及制造技术精细化、制造过程实现低能耗。(4)新型特种加工方法的形成。(5)开发新一代超精细、超高速制造装备。(6)加工工艺由技艺开展为工程科学。(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。第 8 页