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1、浅析先进制造技术的新开展limin导语：制造业是当代国民经济和综合国力的重要支柱，其消费总值一般占一个国家国内消费总值的20%55%。在一个国家的企业消费力构成中，制造技术的作用一般占60%左右。制造业是当代国民经济和综合国力的重要支柱，其消费总值一般占一个国家国内消费总值的20%55%。在一个国家的企业消费力构成中，制造技术的作用一般占60%左右。专家以为，世界上各个国家经济的竞争，主要是制造技术的竞争。其竞争才能最终表达在所消费的产品的市场占有率上。随着经济技术的高速开展以及顾客需求和市场环境的不断变化，这种竞争日趋剧烈，因此各国政府都非常重视对先进制造技术的研究。1当前制造科学要解决的问
2、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，为知足制造系统灵敏性、快速响应和快速重组的才能，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，探究制造系统新的体系构造、制造形式和制造系统有效的运行机制。制造系统优化的组织构造和良好的运行状况是制造系统建模、仿真和优化的主要目的。制造系统新的体系构造不仅对制造企业的灵敏性和对需求的响应才能及可重组才能有重要意义，而且对制造企业底层消费设备的柔性和可动态重组才能提出了更高的要求。生物制造观越来越多地被引入制造系统，以知足制造系统新的要求。2为支持快速灵敏制造，几何知识的分享已成为制约当代制造技术中产品开发和制
3、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和机器人学等方面，在三维现实空间3-RealSpace中，都存在大量的几何算法设计和分析等问题，十分是其中的几何表示、几何计算和几何推理问题；在测量和机器人途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；在物体操纵夹持、抓取和装配等描绘和机器人多指抓取规划、装配运动规划和操纵规划方面那么需要在旋量空间ScrewSpace进展几何推理。制造经过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
4、步打破，当前一门新学科计算机几何正在受到日益广泛和深化的研究。3在当代制造经过中，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。进步制造系统的信息处理才能已成为当代制造科学开展的一个重点。由于制造系统信息组织和构造的多层次性，制造信息的获取、集成与交融呈现出立体性、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、和海量数据的制造知识库治理等方面，都还有待进一步打破。4各种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
5、造中完成组合优化问题时的求解速度和求解精度方面双双打破问题规模的制约。制造智能还表如今：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。这些问题的重点打破，可以形成产品创新的根底研究体系。2当代机械工程的前沿科学不同科学之间的穿插交融将产生新的科学聚集，经济的开展和社会的进步对科学技术产生了新的要求和期望，进而形成前沿科学。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根底科学的重要特征是它涵盖了工程实际中
6、出现的关键科学技术问题。超声电机、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、智能构造和系统、智能机器人及其动力学、纳米摩擦学、制造经过的三维数值模拟和物理模拟、超精度和微细加工关键工艺根底、大型和超大型精细仪器装备的设计和制造根底、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固然已做了不少研究，但仍有很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、治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将改变世界的相貌。因此，与以上领域相
7、穿插开展的制造系统和制造信息学、纳米机械和纳米制造科学、仿活力械和仿生制造学、制造治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。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。很多当代产品的价值增值主要表达在信息上。因此制造经过中信息的获取和应用特别重要。信息化是制造科学技术走向全球化和当代化的重要标志。人们一方面对制造技术开场探究产品设计和制造经过中的信息本质，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。随着对制造经过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加以描绘和表达，以进一步到达实现控制和优化的目的。与制
8、造有关的信息主要有产品信息、工艺信息和治理信息，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。2非符号信息的表达、制造信息的保真传递、制造信息的治理、非完好制造信息状态下的消费决策、虚拟治理制造、基于网络环境下的设计和制造、制造经过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根底交融的产物，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和控制电路、接口电路、通讯和电源于一体的完好微型机电系统。MEMS技术的目的是通过系统的微型化、集成化来探究具
9、有新原理、新功能的元件和系统。MEMS的开展将极大地促进各类产品的袖珍化、微型化，成数目级的进步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，而且还可以完成很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大小可以开动的小汽车；可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。MEMS技术的开展开拓了技术全新的领域和产业，具有很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、通讯、农业、生物医学、环境监控、军事、家庭以及几乎人们接触到的所有领域中都有着特别广阔的应用前景。微机械是机械技术与电子技术在纳米
10、尺度上相交融的产物。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、经济开展和国防建立产生宏大的影响。近10年来，微机械的开展令人瞩目。其特点如下：相当数目的微型元器件微型构造、微型传感器和微型执行器等和微系统研究成功，表达了其现实的和潜伏的应用价值；多种微型制造技术的开展，十分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
11、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和科学。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和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，因此只能凭经历和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、物理特性和生化特性等。微系统的研究正处于打破的前夜，是亟待深化研究的领域。23材料制备零件制造一体化和加工新技术根底材料是人类进步的里程碑，是制造业和高技术开展的根底。每一种重要新材
12、料的成功制备和应用，都会推进物质文明，促进国家经济实力和军事实力的增强。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；要求材料和零件的设计实现定量化、数字化；要求材料和零件的制备快速、高效并实现二者一体化、集成化。材料和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经过中的实验性环节，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，研究材料和零件
13、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、技术和方法，如快速成形技术采用材料逐渐增长的原理，打破了传统的去材法和变形法机械加工的很多限制，加工经过不需要工具或者模具，能迅速制造出任意复杂外形又具有一定功能的三维实体模型或者零件。24机械仿生制造21世纪将是生命科学的世纪，机械科学和生命科学的深度交融将产生全新概念的产品如智能仿生构造，开发出新工艺如生长成形工艺和开拓一系列的新产业，并为解决产品设计、制造经过和系统中一系列难题提供新的解决方法。这是一个极富创新和挑战的前沿领域。地球上的生物在漫长的进化中
14、所积累的优良品性为解决人类制造活动中的各种难题提供了范例和指南。从生命现象中学习组织与运行复杂系统的方法和技巧，是今后解决目前制造业所面临很多难题的一条有效出路。仿生制造指的是模拟生物器官的自组织、自愈合、自增长与自进化等功能构造和运行形式的一种制造系统与制造经过。假如讲制造经过的机械化、自动化延伸了人类的体力，智能化延伸了人类的智力，那么，仿生制造那么可以讲延伸了人类自身的组织构造和进化经过。仿生制造所涉及的科学问题是生物的自组织机制及其在制造系统中的应用问题。所谓自组织是指一个系统在其内在机制的驱动下，在组织构造和运行形式上不断自己完善、进而进步对于环境适应才能的经过。仿生制造的自组织机制
15、为自下而上的产品并行设计、制造工艺规程的自动生成、消费系统的动态重组以及产品和制造系统的自动趋优提供了理论根底和实现条件。仿生制造属于制造科学和生命科学的远缘杂交，它将对21世纪的制造业产生宏大的影响。仿生制造的研究内容目前有两个方面：241面向生命的仿生制造研究生命现象的一般规律和模型，例如人工生命、细胞自动机、生物的信息处理技巧、生物智能、生物型的组织构造和运行形式以及生物的进化和趋优机制等；242面向制造的仿生制造研究仿生制造系统的自组织机制与方法，例如：基于充分信息分享的仿生设计原理，基于多自律单元协同的分布式控制和基于进化机制的寻优策略；研究仿生制造的概念体系及其根底，例如：仿生空间
16、的形式化描绘及其信息映射关系，仿生系统及其演化经过的复杂度计量方法。机械仿生与仿生制造是机械科学与生命科学、信息科学、材料科学等学科的高度交融，其研究内容包括生长成形工艺、仿生设计和制造系统、智能仿活力械和生物成形制造等。目前所做的研究工作大多属前沿探究性的工作，具有鲜明的根底研究的特点，假如捉住机遇研究下去，将可能产生革命性的打破。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当代制造技术的开展趋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展优先开展，如美国的先进制造技术方案AMTP、日
17、本的智能制造技术IMS国际合作方案、韩国的高级当代技术国家方案G7、德国的制造2000方案和欧共体的ESPRIT和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，将来当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。当前当代制造技术的开展趋势大致有以下九个方面：1信息技术、治理技术与工艺技术严密结合，当代制造消费形式会获得不断开展。2设计技术与手段更当代化。3成型及制造技术精细化、制造经过实现低能耗。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施行无污染绿色制造。8制造业中广泛应用虚拟现实技术。9制造以人为本。0