先進(jìn)制造技術(shù)及應(yīng)用

1、先進(jìn)制造技術(shù)及應(yīng)用學(xué)號：23091041姓名：賈真先進(jìn)制造技術(shù)及應(yīng)用關(guān)鍵字：仿生制造 科學(xué)研究信息過程材料系統(tǒng)問題技術(shù)摘要：本文介紹了當(dāng)今制造技術(shù)面臨的問題，論述 了先進(jìn)制造的前沿科學(xué)，并展望了先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā) 展前景。關(guān)鍵詞：問題；先進(jìn)制造技術(shù)；前沿科學(xué)；應(yīng)用前景制造業(yè)是現(xiàn)代國民經(jīng)濟(jì)和綜合國力的重要支柱，其生產(chǎn)總值一般占一個(gè) 國家國內(nèi)生產(chǎn)總值的20%55%。在一個(gè)國家的企業(yè)生產(chǎn)力構(gòu)成中，制造技術(shù)的作 用一般占60%左右。專家認(rèn)為，世界上各個(gè)國家經(jīng)濟(jì)的競爭，主要是制造技術(shù)的 競爭。其競爭能力最終體現(xiàn)在所生產(chǎn)的產(chǎn)品的市場占有率上。隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的高 速發(fā)展以及顧客需求和市場環(huán)境的不斷變化，這種競爭

2、日趨激烈，因而各國政府 都非當(dāng)重前制造科學(xué)要解決的問題當(dāng)前制造科學(xué)要解決的問題主要集中在以下幾方面：制造系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，為滿足制造系統(tǒng)敏捷性、快速響應(yīng)和快速 重組的能力，必須借鑒信息科學(xué)、生命科學(xué)和社會(huì)科學(xué)等多學(xué)科的研究成果，探 索制造系統(tǒng)新的體系結(jié)構(gòu)、制造模式和制造系統(tǒng)有效的運(yùn)行機(jī)制。制造系統(tǒng)優(yōu)化 的組織結(jié)構(gòu)和良好的運(yùn)行狀況是制造系統(tǒng)建模、仿真和優(yōu)化的主要目標(biāo)。制造系 統(tǒng)新的體系結(jié)構(gòu)不僅對制造企業(yè)的敏捷性和對需求的響應(yīng)能力及可重組能力有 重要意義，而且對制造企業(yè)底層生產(chǎn)設(shè)備的柔性和可動(dòng)態(tài)重組能力提出了更高的 要求。生物制造觀越來越多地被引入制造系統(tǒng)，以滿足制造系統(tǒng)新的要求。為支持快速

3、敏捷制造，幾何知識的共享已成為制約現(xiàn)代制造技術(shù)中產(chǎn)品開 發(fā)和制造的關(guān)鍵問題。例如在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)集成、坐標(biāo)測量 (CMM)和機(jī)器人學(xué)等方面，在三維現(xiàn)實(shí)空間(3-Real Space)中，都存在大量的幾 何算法設(shè)計(jì)和分析等問題，特別是其中的幾何表示、幾何計(jì)算和幾何推理問題； 在測量和機(jī)器人路徑規(guī)劃及零件的尋位(如Localization)等方面，存在C-空間 (配置空間Configuration Space)的幾何計(jì)算和幾何推理問題；在物體操作(夾 持、抓取和裝配等)描述和機(jī)器人多指抓取規(guī)劃、裝配運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和操作規(guī)劃方面 則需要在旋量空間(Screw Space)進(jìn)行幾何推

4、理。制造過程中物理和力學(xué)現(xiàn)象的 幾何化研究形成了制造科學(xué)中幾何計(jì)算和幾何推理等多方面的研究課題，其理論 有待進(jìn)一步突破，當(dāng)前一門新學(xué)科一計(jì)算機(jī)幾何正在受到日益廣泛和深入的研 究。在現(xiàn)代制造過程中，信息不僅已成為主宰制造產(chǎn)業(yè)的決定性因素，而且還 是最活躍的驅(qū)動(dòng)因素。提高制造系統(tǒng)的信息處理能力已成為現(xiàn)代制造科學(xué)發(fā)展的 一個(gè)重點(diǎn)。由于制造系統(tǒng)信息組織和結(jié)構(gòu)的多層次性，制造信息的獲取、集成與 融合呈現(xiàn)出立體性、信息度量的多維性、以及信息組織的多層次性。在制造信息 的結(jié)構(gòu)模型、制造信息的一致性約束、傳播處理和海量數(shù)據(jù)的制造知識庫管理等 方面，都還有待進(jìn)一步突破。各種人工智能工具和計(jì)算智能方法在制造中的廣

5、泛應(yīng)用促進(jìn)了制造智能的 發(fā)展。一類基于生物進(jìn)化算法的計(jì)算智能工具，在包括調(diào)度問題在內(nèi)的組合優(yōu)化 求解技術(shù)領(lǐng)域中，受到越來越普遍的關(guān)注，有望在制造中完成組合優(yōu)化問題時(shí)的 求解速度和求解精度方面雙雙突破問題規(guī)模的制約。制造智能還表現(xiàn)在：智能調(diào) 度、智能設(shè)計(jì)、智能加工、機(jī)器人學(xué)、智能控制、智能工藝規(guī)劃、智能診斷等多 方面。這些問題是當(dāng)前產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵理論問題，也是制造由一門技藝上升為一 門科學(xué)的重要基礎(chǔ)性問題。這些問題的重點(diǎn)突破，可以形成產(chǎn)品創(chuàng)新的基礎(chǔ)研究 體系。 一一一一2現(xiàn)代機(jī)械工程的刖沿科學(xué)不同科學(xué)之間的交叉融合將產(chǎn)生新的科學(xué)聚集，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步 對科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了新的要求和期望，從而形

6、成前沿科學(xué)。前沿科學(xué)也就是已解決 的和未解決的科學(xué)問題之間的界域。前沿科學(xué)具有明顯的時(shí)域、領(lǐng)域和動(dòng)態(tài)特性。 工程前沿科學(xué)區(qū)別于一般基礎(chǔ)科學(xué)的重要特征是它涵蓋了工程實(shí)際中出現(xiàn)的關(guān) 鍵科學(xué)技術(shù)問題。超聲電機(jī)、超高速切削、綠色設(shè)計(jì)與制造等領(lǐng)域，國內(nèi)外已經(jīng)做了大量的 研究工作，但創(chuàng)新的關(guān)鍵是機(jī)械科學(xué)問題還不明朗。大型復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的性能優(yōu) 化設(shè)計(jì)和產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)、智能機(jī)器人及其動(dòng)力學(xué)、納米摩擦學(xué)、 制造過程的三維數(shù)值模擬和物理模擬、超精度和微細(xì)加工關(guān)鍵工藝基礎(chǔ)、大型和 超大型精密儀器裝備的設(shè)計(jì)和制造基礎(chǔ)、虛擬制造和虛擬儀器、納米測量及儀器、 并聯(lián)軸機(jī)床、微型機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域國內(nèi)外雖然已做了不

7、少研究，但仍有許多關(guān)鍵 科學(xué)技術(shù)問題有待解決。信息科學(xué)、納米科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、管理科學(xué)和制造科學(xué)將是改 變21世紀(jì)的主流科學(xué)，由此產(chǎn)生的高新技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)將改變世界的面貌。因此， 與以上領(lǐng)域相交叉發(fā)展的制造系統(tǒng)和制造信息學(xué)、納米機(jī)械和納米制造科學(xué)、仿 生機(jī)械和仿生制造學(xué)、制造管理科學(xué)和可重構(gòu)制造系統(tǒng)等會(huì)是21世紀(jì)機(jī)械工程 科學(xué)的重要前沿科學(xué)。2. 1制造科學(xué)與信息科學(xué)的交叉一制造信息科學(xué)機(jī)電產(chǎn)品是信息在原材料上的物化。許多現(xiàn)代產(chǎn)品的價(jià)值增值主要體現(xiàn)在 信息上。因此制造過程中信息的獲取和應(yīng)用十分重要。信息化是制造科學(xué)技術(shù)走 向全球化和現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。人們一方面對制造技術(shù)開始探索產(chǎn)品設(shè)計(jì)和

8、制造 過程中的信息本質(zhì)，另一方面對制造技術(shù)本身加以改造，以使得其適應(yīng)新的信息 化制造環(huán)境。隨著對制造過程和制造系統(tǒng)認(rèn)識的加深，研究者們正試圖以全新的 概念和方式對其加以描述和表達(dá)，以進(jìn)一步達(dá)到實(shí)現(xiàn)控制和優(yōu)化的目的。與制造有關(guān)的信息主要有產(chǎn)品信息、工藝信息和管理信息，這一領(lǐng)域有如下 主要研究方向和內(nèi)容：制造信息的獲取、處理、存儲(chǔ)、傳遞和應(yīng)用，大量制造信息向知識和決策轉(zhuǎn) 化。非符號信息的表達(dá)、制造信息的保真?zhèn)鬟f、制造信息的管理、非完整制造信 息狀態(tài)下的生產(chǎn)決策、虛擬管理制造、基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的設(shè)計(jì)和制造、制造過程 和制造系統(tǒng)中的控制科學(xué)問題。這些內(nèi)容是制造科學(xué)和信息科學(xué)基礎(chǔ)融合的產(chǎn)物，構(gòu)成了制造科學(xué)

9、中的新分 支一制造信息學(xué)。2. 2微機(jī)械及其制造技術(shù)研究微型電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)，是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理 和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機(jī)電系統(tǒng)。MEMS技術(shù)的 目標(biāo)是通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)MEMS 的發(fā)展將極大地促進(jìn)各類產(chǎn)品的袖珍化、微型化，成數(shù)量級的提高器件與系統(tǒng)的 功能密度、信息密度與互聯(lián)密度，大幅度地節(jié)能、節(jié)材。它不僅可以降低機(jī)電系 統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機(jī)電系統(tǒng)無法完成的任務(wù)。例如用尖端直 徑為5p m的微型鑷子可以夾起一個(gè)紅細(xì)胞；制造出3mm大小能夠開動(dòng)的小汽車； 可以在磁場中飛行的像蝴蝶大小

10、的飛機(jī)等。MEMS技術(shù)的發(fā)展開辟了技術(shù)全新的 領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，具有許多傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此在制造業(yè)、航空、航天、 交通、通信、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事、家庭以及幾乎人們接觸到的所 有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。微機(jī)械是機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)在納米尺度上相融合的產(chǎn)物。早在1959年就 有科學(xué)家提出微型機(jī)械的設(shè)想，1962年第一個(gè)硅微型壓力傳感器問世。1987年 美國加州大學(xué)伯克利分校研制出轉(zhuǎn)子直徑為60120p m的硅微型靜電電動(dòng)機(jī)，顯 示出利用硅微加工工藝制作微小可動(dòng)結(jié)構(gòu)并與集成電路兼容制造微小系統(tǒng)的潛 力。微機(jī)械技術(shù)有可能像20世紀(jì)的微電子技術(shù)那樣，在21世紀(jì)對世界科技、經(jīng) 濟(jì)發(fā)

11、展和國防建設(shè)產(chǎn)生巨大的影響。近10年來，微機(jī)械的發(fā)展令人矚目。其特 點(diǎn)如下：相當(dāng)數(shù)量的微型元器件(微型結(jié)構(gòu)、微型傳感器和微型執(zhí)行器等)和微系 統(tǒng)研究成功，體現(xiàn)了其現(xiàn)實(shí)的和潛在的應(yīng)用價(jià)值；多種微型制造技術(shù)的發(fā)展，特 別是半導(dǎo)體微細(xì)加工等技術(shù)已成為微系統(tǒng)的支撐技術(shù)；微型機(jī)電系統(tǒng)的研究需要 多學(xué)科交叉的研究隊(duì)伍，微型機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)是在微電子工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展的多學(xué) 科交叉的前沿研究領(lǐng)域，涉及電子工程、機(jī)械工程、材料工程、物理學(xué)、化學(xué)以 及生物醫(yī)學(xué)等多種工程技術(shù)和科學(xué)。目前對微觀條件下的機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，微小構(gòu)件的物理特性和載荷作 用下的力學(xué)行為等尚缺乏充分的認(rèn)識，還沒有形成基于一定理論基礎(chǔ)之上的微系

12、統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與方法，因此只能憑經(jīng)驗(yàn)和試探的方法進(jìn)行研究。微型機(jī)械系統(tǒng)研究 中存在的關(guān)鍵科學(xué)蛭有微系統(tǒng)的尺度效應(yīng)、物理特性和生化特性等。微系統(tǒng)的 研究正處于突破的前夜，是亟待深入研究的領(lǐng)域。2. 3材料制備/零件制造一體化和加工新技術(shù)基礎(chǔ)材料是人類進(jìn)步的里程碑，是制造業(yè)和高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。每一種重要 新材料的成功制備和應(yīng)用，都會(huì)推進(jìn)物質(zhì)文明，促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和軍事實(shí)力的 增強(qiáng)。21世紀(jì)中，世界將由資源消耗型的工業(yè)經(jīng)濟(jì)向知識經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變，要求材料 和零件具有高的性能以及功能化、智能化的特性；要求材料和零件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)定 量化、數(shù)字化；要求材料和零件的制備快速、高效并實(shí)現(xiàn)二者一體化、集成化。 材料和零件的數(shù)

13、字化設(shè)計(jì)與擬實(shí)仿真優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)材料與零件的高效優(yōu)質(zhì)制備/ 制造及二者一體化、集成化制造的關(guān)鍵。一方面，通過計(jì)算機(jī)完成擬實(shí)仿真優(yōu)化 后可以減少材料制備與零件制造過程中的實(shí)驗(yàn)性環(huán)節(jié)，獲得最佳的工藝方案，實(shí) 現(xiàn)材料與零件的高效優(yōu)質(zhì)制備/制造；另一方面，根據(jù)不同材料性能的要求，如 彈性模量、熱膨脹系數(shù)、電磁性能等，研究材料和零件的設(shè)計(jì)形式。進(jìn)而結(jié)合傳 統(tǒng)的去除材料式制造技術(shù)、增加材料式覆層技術(shù)等，研究多種材料組分的復(fù)合成 形工藝技術(shù)。形成材料與零件的數(shù)字化制造理論、技術(shù)和方法，如快速成形技術(shù) 采用材料逐漸增長的原理，突破了傳統(tǒng)的去材法和變形法機(jī)械加工的許多限制， 加工過程不需要工具或模具，能迅速制造出任

14、意復(fù)雜形狀又具有一定功能的三維 實(shí)體模型或零件。2. 4機(jī)械仿生制造21世紀(jì)將是生命科學(xué)的世紀(jì)，機(jī)械科學(xué)和生命科學(xué)的深度融合將產(chǎn)生全新 概念的產(chǎn)品(如智能仿生結(jié)構(gòu))，開發(fā)出新工藝(如生長成形工藝)和開辟一系列的 新產(chǎn)業(yè)，并為解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程和系統(tǒng)中一系列難題提供新的解決方法。 這是一個(gè)極富創(chuàng)新和挑戰(zhàn)的前沿領(lǐng)域。地球上的生物在漫長的進(jìn)化中所積累的優(yōu)良品性為解決人類制造活動(dòng)中的 各種難題提供了范例和指南。從生命現(xiàn)象中學(xué)習(xí)組織與運(yùn)行復(fù)雜系統(tǒng)的方法和技 巧，是今后解決目前制造業(yè)所面臨許多難題的一條有效出路。仿生制造指的是模 仿生物器官的自組織、自愈合、自增長與自進(jìn)化等功能結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式的一種制

15、造系統(tǒng)與制造過程。如果說制造過程的機(jī)械化、自動(dòng)化延伸了人類的體力，智能 化延伸了人類的智力，那么，仿生制造則可以說延伸了人類自身的組織結(jié)構(gòu)和 進(jìn)化過程。仿生制造所涉及的科學(xué)問題是生物的自組織機(jī)制及其在制造系統(tǒng)中的應(yīng) 用問題。所謂自組織是指一個(gè)系統(tǒng)在其內(nèi)在機(jī)制的驅(qū)動(dòng)下，在組織結(jié)構(gòu)和運(yùn)行 模式上不斷自我完善、從而提高對于環(huán)境適應(yīng)能力的過程。仿生制造的自組織 機(jī)制為自下而上的產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)、制造工藝規(guī)程的自動(dòng)生成、生產(chǎn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重 組以及產(chǎn)品和制造系統(tǒng)的自動(dòng)趨優(yōu)提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)條件。仿生制造屬于制造科學(xué)和生命科學(xué)的遠(yuǎn)緣雜交，它將對21世紀(jì)的制造業(yè)產(chǎn) 生巨大的影響。仿生制造的研究內(nèi)容目前有兩個(gè)方面：

16、2. 4. 1面向生命的仿生制造研究生命現(xiàn)象的一般規(guī)律和模型，例如人工生命、細(xì)胞自動(dòng)機(jī)、生物的信 息處理技巧、生物智能、生物型的組織結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式以及生物的進(jìn)化和趨優(yōu)機(jī) 制等；2.4.2 面向制造的仿生制造研究仿生制造系統(tǒng)的自組織機(jī)制與方法，例如：基于充分信息共享的仿 生設(shè)計(jì)原理，基于多自律單元協(xié)同的分布式控制和基于進(jìn)化機(jī)制的尋優(yōu)策略；研 查仿生制造的概念體系及其基礎(chǔ)，例如：仿生空間的形式化描述及其信息映射關(guān) 系，仿生系統(tǒng)及其演化過程的復(fù)雜度計(jì)量方法。機(jī)械仿生與仿生制造是機(jī)械科學(xué)與生命科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科 的高度融合，其研究內(nèi)容包括生長成形工藝、仿生設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)、智能仿生機(jī) 械和生物成形制造等。目前所做的研究工作大多屬前沿探索性的工作，具有鮮明 的基礎(chǔ)研究的特點(diǎn)，如果抓住機(jī)遇研究下去，將可能產(chǎn)生革命性的突破。今后應(yīng) 關(guān)注的研究領(lǐng)域有生物加工技術(shù)、仿生制造系統(tǒng)、基于快速原型制造技術(shù)的組織 工程學(xué)，以及與生物工程相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)等。3現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展趨勢20世紀(jì)90年代以來，世界各國都把制造技術(shù)的研究和開發(fā)作為國家的關(guān) 鍵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)先發(fā)展，如美國的先進(jìn)制造技術(shù)計(jì)劃AMTP、日本的智能制造技術(shù) (IMS)國際合作計(jì)劃、韓國的高級現(xiàn)代技術(shù)國家計(jì)劃(G-7)、德國的制造2000 計(jì)劃和歐共體的ESPRI