国家自然科学基金委员会工程与材料科学部.pdf

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1、国家自然科学基金委员会工程与材料科学部 Tel:010 62016655 Ext.2062 国家自然科学基金资助的制造科学研究 国家自然科学基金资助的制造科学研究 工程与材料科学部 雷源忠 摘要：制造业的竞争和发展依赖于先进制造技术，而基础性研究是先进制造技术的源泉。国际自然科学基金委员会自 1986 年成立以来资助的一大批项目已经在制造领域的理论、方法和技术诸方面取得了一系列创新的成果，有的已经在制造工业中发挥了重要的作用。为了促进制造科学技术的发展，国家自然科学基金委员会已经制定了鼓励科技创新、鼓励学科交叉和瞄准国家目标的资助政策。今天，制造科学如果要有新的大的发展，它必须与信息科学、管理

2、科学、材料科学和生命科学的有机交叉融合。关键词：制造科学技术 基础研究 创新 学科交叉 制造，在人类发展史上，它曾经是区别人和动物的主要特征；今天，它是一个国家走向富强的主要源泉。制造技术是提高制造业市场竞争力的主要法宝。先进制造技术（AMT）是制造技术的最新发展，它是在制造系统和制造过程中有机融合并有效应用微电子、信息、管理、材料、能源等现代科学技术，优质、高效、低耗、清洁、及时地制造出市场需求的产品的先进工程技术的总称。制造科学是现代制造技术发展的必然结果，同时它又是制造技术的强大支撑和基础。先进制造技术基础是指先进制造技术的科学理论基础，它涉及制造过程和制造系统的数学物理模型、信息控制、

3、制造生产模式与管理、现代设计与制造技术等方面的理论基础。美国近十年来十分重视制造科学技术的研究，美国政府把发展制造列为国家利益、国家目标，美国国家基金会（NSF）把先进制造（Advanced Manufacturing）列为八大优先资助领域之一。在飞机、汽车、计算机等主要制造产品上占据很大的优势。韩国、新加坡等新兴发达国家，制造是他们迅速走向富强的主要手段。一。制造科学基金资助成果简介 建国以来，中国政府十分重视制造业、制造科学和技术的发展。实施了一系列振兴制造的战略和措施，使中国从一个连针都要靠进口的国家发展为能制造各种机电产品的中等发达的工业强国。进入 20 世纪 80 年代，国家自然科学

4、基金委员会（NSFC）成立以后十分重视制造工程科学的研究。在 NSFC“九五”优先资助领域中，“先进制造技术基础”被列为委级优先资助领域，十一年来在设计制造（AMT）领域先后资助了一大批重大、重点和面上项目，在理论、方法和技术等方面取得了一系列丰硕的有重要创新意义和应用价值的成果，在推进我国制造科学、制造技术和制造业发展中起到了重要的基础和先导作用。十年资助，成果累累。篇幅所限，仅举 10 例：1.机构学研究的创新成果为多自由度工业机器人和六足机床的设计和制造奠定了基础。7R 单环空间多杆机构的运动分析在机构分析领域中被国际学术界喻为难于攻克的“珠穆朗玛峰”，但被中国邮电大学年轻的学者在国家科

5、学基金资助下采用新矢量结国家自然科学基金委员会工程与材料科学部 Tel:010 62016655 Ext.2062 和酉交矩阵法攻克，解决了全部难题，获得了自然科学奖。空间多环并联机构的运动学和动力学是并联机器人和多足机床的设计基础，基金委从成立的 1986 年就开始支持这一领域的研究，填补了我国这个领域的空白，在理论上有重要的突破并达到国际先进水平。上述理论成果的创新不仅带动了机构学术的进步，同时为多自由度工业机器人和多足机床的设计和制造奠定了有力的基础。在基金支持下研究用于磨削钻头的六足数控机床颇有新意。2.快速原型制造（RPM）是一种简捷的计算机集成制造模式，代表了制造技术的一个重要的发

6、展方向。从 1992 年起，基金委就开始立题研究，现在已资助了清华大学、华中理工大学、等 20 多个面上和重点项目，在 SLA、LOM、FDM 等方法上有重要进展，清华大学研制的多功能快速成型机、华中理工大学研制的 LOM 成型机已打进了新加坡、泰国等国际市场。最近清华大学研究的 FDM 新方法将可用于大型复杂铸模的制造，是一项很有意义的创新成果。3.大型铸锻件的质量一直是我国制造领域中的一个难题。清华大学等单位承担的重点基金项目“大型铸锻件的模拟技术和质量控制”创造性地采用了三维模拟和仿真技术，成功的进行了包括流场、温度场、应力场、微观组织和机械性能的多学科计算机仿真；并用自主创新的高温云纹

7、法、热物理模拟法和声显微镜等探讨了大型铸锻件裂纹的萌生、扩展、断裂和修复规律;这些成果正在应用到生产实际中，产生了很大的经济和社会效益。4.微米纳米加工技术泛指微小机电系统的加工制造技术。这类微小设备和仪器在军事、医疗及其他民用领域均有广泛用途，因而是现代制造的一个重要发展方向。微米纳米加工技术涉及机械、电子、物理和化学诸多领域。从 1986 年国家自然科学基金委员会成立起，就开始资助这一领域技术的研究工作。十年来先后资助面上项目 100 余个，重点项目两个，重大项目一个，共投入资金逾 1000 万元，成功地研制出微型泵、微型马达、和微型半导体器件并在微型芯片、隧道扫描、纳米测试仪器等方面取得

8、良好进展，为国家有关部门开发研究微米纳米技术奠定了基础。现在此技术已转移为国防科工委的“九五”科技攻关项目，共投资 5000 余万元。5.国家科学基金资助的“八五”重点项目“精密成形技术基础研究”和“超精密加工系统理论与技术基础”研究瞄准我国国防军工和工业工程中的关键科学技术问题，在超塑成形理论和技术、超精密加工系统理论和技术等方面已经取得重要进展。吉林工业大学的超塑成形理论已获得国家自然科学奖；哈尔滨工业大学研制的大型空气静压轴承不仅实现了高回转精度（0.02um），而且具有很高的的刚度（2000N/um）并已用于大型精密仪器中；国家科委和国防科工委现已将精密成形与加工技术列为“九五”重点科

9、技计划，全部投资 1.5 亿元研究开发，该计划现已启动。6.智能制造是 21 世纪的制造技术，其内容应包括智能机器、智能制造单元和智能制造系统及其加工过程中智能控制理论和技术，第一步应实现加工过程和加工单元的智能控制。在重点项目的资助下，由华中理工大学、西安交通大学等 4 个单位和新加坡南洋理工大学成功合作，在电子线路板的故障诊断、机器人高精度装配、模具的设计和制造、加工过程的智能控制和智能机器等方面做出了高水平的成果，受到了中新两国政国家自然科学基金委员会工程与材料科学部 Tel:010 62016655 Ext.2062 府的高度评价。7.现代设计理论与方法是制造的前提和关键，没有高水平产

10、品设计，制造产品将失去意义。浙江大学结合液压挖掘机的设计，提出了复杂机械系统模块化优化设计方法，首创了柔性建模方法和智能寻优策略，他们研制的设计软件包在拥有全国挖掘机 80产值的上海建筑机械厂等十几家厂家应用，年经济效益达 4000 多万元。为我国挖掘机设计现代化和国民经济的发展做出了巨大的贡献。8.计算机数控（CNC）技术是 AMT 中的重要组成部分，我国在这方面与国际上一直有很大差距。科学基金重大项目“机械制造中若干关键技术基础”在复杂曲面直接插补理论和技术上有重要的创新，开发的有自己版权的先进数控华中 I 型数控系统，已被国家计委列为“九五”重点推广的项目。9.重大项目“长江三峡水轮机组

11、关键技术基础”瞄准三峡水轮机组中水轮机总体设计、转轮制造、系统动态稳定性、巨型推力轴承、巨型电机中 5 大关键科学技术问题，采用产学研三结合的方式，组织了包括清华大学、郑州机械研究所、哈尔滨、东方两大电机厂在内的 16 个单位近 200 人的研究队伍，已经在大型机组动态特性、流场分析、弹性金属塑料瓦轴承性能及转轮制造等方面取得了重要的进展，这些成果将不仅可对外国承包的前 12 台水轮机组的合作生产起重要作用，而且可对后 22 台机组建设的国产化作科学技术储备。96 年 9 月项目中期检查时，得到了国务院三峡办领导和三峡建设开发总公司的充分肯定。二.制造科学技术中的学科交叉 有的学者认为：物质、

12、能量、信息是构成制造系统的三大要素，在现代制造系统中，信息成为主宰制造系统的决定性因素。这种观点有一定的片面性，它忽略了人和组织管理在制造系统中的作用。实际上，现代制造系统是一个由人、技术和组织构成的集成科学体系。人和组织应当是现代制造系统的两大要素，而且是系统中的决定性要素。由此可以认为：人、组织管理、物质、能量、信息是构成制造系统的五大要素。制造科学是研究制造系统和制造过程的科学，它应当是社会人文科学、管理科学、信息科学、材料科学、能源科学等与机械科学的交叉。其中不仅有自然科学之间的交叉，而且还有自然科学与社会科学之间的交叉，这种交叉融合具有较大的难度。但如果制造科学要走向发展和成熟，就要

13、看这些科学之间的交叉融合的程度。自然科学基金在资助学科交叉中发挥了重要作用。创新是基础研究的灵魂。而创新往往产生在学科的交叉中。机械学科中的优秀成果项目几乎都与学科交叉有关。例如：快速原型制造是机械、材料、光学、计算机、信息等科学技术之间的交叉；微型机电系统是机械、材料、半导体、计算机、控制的交叉；生物制造是制造科学与生物学的交叉。生物脱附和机械仿生是一个很有代表性的学科交叉研究领域。挖掘机、推土机、拖拉机等地面机械在工作时由于粘土严重地影响了作业的效率而成为一大难题。中国从事地面机械研究的专家经过长期的摸索，在科学基金的资助下，深入研究了生物表面的脱粘特性及其规律，例如他们首次发现并研究了蜣

14、螂等动物的非光滑表面减阻脱粘的特性，设计制造国家自然科学基金委员会工程与材料科学部 Tel:010 62016655 Ext.2062 了新的仿生拖拉机犁铧表面，仅这一项就使拖拉机的耕作效率提高了 14、能耗减少了 12。在制造科学的学科交叉研究中应特别重视与管理科学、社会人文科学和信息科学的交叉。1。关于制造科学与管理科学和社会人文学的交叉。制造生产模式是管理科学、社会人文科学与制造科学技术的交叉。事实已经和将要证明：中国的制造产品如果要具有国际市场的竞争能力，中国的制造业如果要成为国际名牌企业，除了要拥有世界一流的制造技术外，更重要的是要有世界一流的组织管理水平和能力。当然其先决条件是企业

15、内外必须建立了完善的市场竞争机制。制造生产模式是制造业为了提高产品的竞争能力而采取的一定的组织生产的模式。它具有鲜明的时代性。质量、成本、及时、服务是制约产品竞争力的四大要素。福特大批量生产模式是以提供廉价的产品为主要目的；柔性生产模式是为满足顾客的多样化需求为主要目的；敏捷生产模式是为了向顾客及时提供所需求的产品为主要目的的。它主要研究企业高效经济运筹学、生产组织和管理、企业间合作、质量保障体系、人机和人际关系等。人是制造过程和制造系统中的决定性因素。因此，研究制造系统、制造过程和生产模式中人的思想行为、人机关系、人际关系、企业社会环境、如何发挥人在制造中的积极作用等就成为制造科学中社会人文

16、学的主要研究内容。我国过去和现行部分的科学研究、教育体制不利于学科的交叉。在美国，制造一般设在工业工程系，制造科学和工业管理经过长期的交叉融合，已经自成一体。中国在 80 年代以前没有管理专业，管理也没有被看作科学。此后，虽然新设立了管理、人文学院或专业，但多数与制造专业仍然分家，不在一起。这就造成了教育体制上管理、人文和制造的两张皮状态，不利于学科的交叉。美国科学基金会（NSF）制造学科处设有 6 个项目处，含有管理内容的就有运筹研究（Operation Research）、创新管理（Innovation Management)和生产系统（Production Systems）。中国国家自然

17、科学基金会有关制造的研究除了机械学科外，还有材料学科的材料制备、信息科学部的自动化领域和管理科学部的生产管理领域。机械学科以前资助的项目大都属于制造工程技术科学领域，很少有人文管理方面的项目。近几年来，机械学科开始资助制造模式方面的项目。1997 年，除了资助面上项目以外，还设立了“快速可重组制造系统”、“敏捷制造”和“拟实制造”三个重点项目，旨在推动制造技术与制造管理的学科交叉。鉴于上述情况，在中国，市场经济正处在发展过程中，制造企业正面临两个转变。制造技术和制造管理的高效发挥和交叉融合将与企业市场竞争机制的深化改革和完善（社会人文学）并驾齐驱。2。关于制造科学与信息科学的交叉。信息在制造过

18、程和制造系统中占有越来越重要的位置。现代产品的信息含量在产品的价值中的比重不断地增大。在信息时代，产品的生产成本主要受到制造信息的制约。国家自然科学基金委员会工程与材料科学部 Tel:010 62016655 Ext.2062 学科交叉不是一个学科的知识在另一学科的简单应用，而是在交叉后促进各个学科的发展并产生新的学科。例如；就如同一般的数学、力学在制造中的应用不属学科交叉一样，计算机、自动化、控制论在制造中的应用也不能算信息科学与制造科学的交叉。与制造有关的信息主要有产品信息、工艺信息和管理信息。制造信息研究的主要内容有：设计和制造过程信息的获取、表达、传递和决策；非全信息状态下的决策、非符号信息表达、制造信息保真和传递、海量信息的管理。这些内容在信息科学中独具特色，构成了制造科学中的新分支-制造信息学。