面向21世紀的先進制造系統(tǒng)與技術(第一講)

目錄

1.制造業(yè)與制造技術的重大意義2.以微見著——精密化是機械制造發(fā)展的核心3.以綜見著——自動化是機械制造發(fā)展的途徑4.以網見著——信息化是機械制造發(fā)展的急需5.以智見著——智能化是機械制造發(fā)展的方向6.制造業(yè)與制造技術的創(chuàng)新7.從制造大國走向制造強國2/4/20231制造業(yè)與制造技術的重大意義2/4/20232制造業(yè)創(chuàng)造了人類1）人從猿進化而來,人猿分離,是由于人學會雙足行走和用手制造并使用工具。2）中國的元謀人（170萬年前的南方古猿）、非洲人早在160萬年前即開始用火，石料開采和加工，形成了原始制造業(yè)。飲食改善促進了腦的發(fā)展。200萬年前的猿人腦容量約為700毫升，100萬年前的直立人腦容量約為1000毫升，50萬年前增加到1200毫升，1929年發(fā)現的57萬年前的北京（直立）猿人為1050毫升，而現代人的腦容量平均為1450毫升，現代人的大腦皮層褶皺面積為1700-2200平方厘米，是黑猩猩的3倍。3）恩格斯指出：“直立和勞動創(chuàng)造了人類，而勞動是從制造工具開始的。”2/4/20233制造業(yè)不是夕陽工業(yè)(1)1.美國的教訓1)上個世紀70年代,美國不重視制造業(yè),把制造業(yè)稱為“夕陽工業(yè)”,

結果導致美國80年代的經濟衰退。2)80年代后期，美國的一些國會議員、政府要員紛紛要求政府出面，協調和支持制造產業(yè)的發(fā)展，1991年，布什政府期間，美國白宮科學技術政策辦公室發(fā)表了總數為22項的美國國家關鍵技術，其中制造技術占4項，標志著美國科技政策的轉變。3)克林頓上臺后，對制造業(yè)大力支持，他把先進制造技術列為六大國防關鍵技術之首。結果美國在機械工業(yè)、汽車工業(yè)、航空工業(yè)及信息產業(yè)等方面取得了明顯的進展，使美國的經濟連續(xù)

8年取得了2-3%的增長率，而且還同時保持低通脹率和低失業(yè)率。這就是克林頓雖發(fā)生丑聞而未被彈劾的主要原因。2/4/20234制造業(yè)不是夕陽工業(yè)(2)2.日本的經驗1）在上個世紀70-80年代，日本非常重視制造業(yè)特別大抓了汽車制造和微電子制造，結果日本的汽車和家用電器占領了全世界的市場，特別是大舉進入了美國市場。2）日本的微電子芯片成為美國高技術產品的關鍵元件。1991年海灣戰(zhàn)爭結束后，日本人說美國贏得這場戰(zhàn)爭是依靠的日本的芯片，是“日本的芯片打敗了伊拉克的鋼片”。2/4/20235制造業(yè)不是夕陽工業(yè)(3)3.東南亞經濟危機的啟示1）1998年爆發(fā)的動南亞經濟危機，從另一個側面反映了一個國家發(fā)展制造業(yè)的重要。一個國家，如果把經濟的基礎放在股票、旅游、金融、房地產、服務業(yè)上，而無自己的制造業(yè)，這個國家的經濟就容易形成泡沫經濟，一有風吹草動就會產生經濟危機。2）新加坡、臺灣都有自己的制造業(yè)，因此受經濟危機的影響小一些。2/4/20236制造業(yè)不是夕陽工業(yè)(4)4.瑞士依靠什么使人均產值居世界第一？1）瑞士是一個僅700萬人口的小國，但瑞士的制造業(yè)十分發(fā)達，瑞士的精密機械產品的出口量是我國的8倍，瑞士的手表世界第一，連小小的軍刀，也風靡全世界。2）現在瑞士的年人均國民生產總值達到4.3萬美元以上,居世界第一。2/4/20237制造業(yè)是產業(yè)革命的主力軍（1）第一次產業(yè)革命：1733-18781）又稱為：蒸汽革命。2）產業(yè)革命的標志：瓦特發(fā)明的蒸汽機。3）英國的制造業(yè)孕育和實現了瓦特的發(fā)明4）制造業(yè)和瓦特的發(fā)明推動了熱力學理論的誕生。2/4/20238制造業(yè)是產業(yè)革命的主力軍（2）第二次產業(yè)革命：1879-19451）又稱為：電氣革命。2）產業(yè)革命的標志：電燈（愛迪生）、電話（貝爾）、電機（西門子）等電氣化產品。3）制造業(yè)肇始了電的應用，而后才有麥克斯韋電動力學理論的誕生。4）麥克斯韋電動力學理論推動了20世紀初開始的無線電、微波、雷達、合成孔徑、微波成像、衛(wèi)星通信、宇宙微波探測等技術的發(fā)展。5）牛頓力學和電動力學又為量子力學的發(fā)展指引了道路，導致了量子場論的創(chuàng)立。2/4/20239制造業(yè)是產業(yè)革命的主力軍（3）第三次產業(yè)革命：1945-19721）又稱為：電子（原子）革命。2）產業(yè)革命的標志：原子彈（1945）、電子計算機（1946）、晶體管（1948）、集成電路、微電子技術等。3）微電子制造技術開創(chuàng)了全新的信息時代。2/4/202310制造業(yè)是產業(yè)革命的主力軍（4）第四次產業(yè)革命：1973-1）又稱為：高新技術產業(yè)革命。2）產業(yè)革命的標志：眾多高新技術產品，如微電子產品、電腦、新一代通信產品、新一代汽車、磁懸浮列車、新一代飛機、機器人、生物工程產品、新一代藥物、綠色食品、轉基因產品等等。3）微器件制造工藝，如拉單晶、摻雜、擴散、離子注入、外延、濺射、化學沉積（CVD）、光刻、表面貼裝、自動化組裝、進而到納米器件制造工藝將把高新技術產業(yè)革命推向頂峰。2/4/20231121世紀科學技術發(fā)展總趨勢(1)一、中心科學技術的轉移1.信息科學技術目前是發(fā)展高峰期，預計其中心科學技術的地位還可持續(xù)四十年。2.生命科學技術現在已開始注重其發(fā)展與應用，預計21世紀30年代開始逐步轉變?yōu)橹行目茖W技術。3.認知科學技術智能化趨勢現已顯露，預計21世紀70年代開始將成為科學技術發(fā)展的中心。2/4/20231221世紀科學技術發(fā)展總趨勢(2)二、世界科技中心（地區(qū)或國家）的轉移

中國（公元3世紀—公元13世紀)→

意大利（1540年—1610年）→

英國（1660年—1730年）→

法國（1770年—1830年）→

德國（1810年—1920年）→

美國（1920年—）→

可能轉向東方（日本、中國）2/4/20231321世紀改變人類的科學與技術

科學

技術

物質科學

信息技術

生命科學

生物技術

納米技術

能源技術

2/4/202314以微見著

—精密化是機械制造發(fā)展的核心—2/4/202315以微見著

—精密化是機械制造發(fā)展的核心—1.20世紀的三個重大科學成就都是“以微見著”2.信息產業(yè)的基礎是微電子芯片制造3.加工精度及其發(fā)展4.現代超精密機械對精度的要求5.細微與納米加工技術可達的水平6.微機電系統(tǒng)（MEMS）的重大意義7.各國對MEMS研究的關注2/4/20231620世紀的三個重大科學成就

都是“以微見著”(1)

1.量子力學

1900年，普朗克依據黑體輻射實驗而提出量子假說，后與玻爾、薛定諤等人于1925年建立量子力學。解決了波粒二重性問題：在原子尺度下，粒子的能量與波動的頻率成正比，動量與波長成反比。2.相對論

1)狹義相對論：1905年，愛因斯坦在邁克爾遜測量光速的基礎上，提出了狹義相對論，預示了原子能的巨大潛力：E=mc2E–能量，m–質量，c–光速

2)廣義相對論：1915年提出廣義相對論，揭示了時間、空間、物質和運動的普遍規(guī)律。2/4/202317

20世紀的三個重大科學成就

都是“以微見著”(2)

3.DNA（脫氧核糖核酸）雙螺旋結構

1)1953年沃森和克里克發(fā)現生物大分子是由DNA組成，其結構是雙螺旋結構，遺傳密碼存在于DNA中（稱為

基因）。2)1973年美國的科恩和博耶演示了世界上第一例DNA分子重組，打開了理解生命奧秘的大門，1973年成為人類進入信息時代的標志。3)1997年英國成功地用體細胞克隆技術培養(yǎng)出羊“多莉”，第一次實現了生命的復制。2/4/202318現代超精密機械對精度的要求2/4/202319以綜見著—自動化是機械工程發(fā)展的途徑—

2/4/202320以綜見著

—綜合化是機械工程發(fā)展的途徑—

1.自動化是機械工程綜合化的核心和目標2.機電一體化工程(MechatronicEngineering）是高技術裝備的基礎3.先進制造系統(tǒng)以綜合（集成、整合）為手段4.特種加工技術與裝備是典型的綜合技術與裝備2/4/202321制造中的自動化技術1.CAD/CAM技術(包括CAT/CAE/---CAX)2.數字控制技術3.機電一體化技術(包括光、液、氣)4.傳感器與測試技術5.伺服驅動系統(tǒng)技術6.自動機技術(包括輸送、存儲、裝卸及機器人)7.加工、裝配和檢驗中的自動化技術8.制造系統(tǒng)技術9.管理信息化技術10.回收與維修中的自動化技術結論：制造自動化技術的基礎是數字技術2/4/202322機電一體化工程是

高技術裝備的基礎

1.微電子芯片制造2.光電子器件制造3.自動化設備制造4.儀器儀表、醫(yī)療、生物、環(huán)保等高技術設備5.新型機械設備2/4/202323特種加工技術與裝備

是典型的綜合技術與裝備

1.電火花加工2.電化學加工3.激光加工4.高能束加工5.其它特種加工(噴丸加工、噴射水加工、表面噴涂、電鑄、光刻等)6.增材制造（包括快速成形）2/4/202324以網見著

—信息化是機械工程發(fā)展的急需—

2/4/202325

“網”就是網絡化。

制造技術的網絡化是先進制造技術發(fā)展的必由之路。制造業(yè)在市場競爭中，面臨多方的壓力：采購成本不斷提高，產品更新速度加快，市場需求不斷變化，全球化所帶來的沖擊日益加強等等。企業(yè)要避免這一系列問題，就必須在生產組織上實行某種深刻的變革，拋棄傳統(tǒng)的“小而全”與“大而全”的“夕陽技術”，把力量集中在自己最有競爭力的核心業(yè)務上?？茖W技術特別是計算機技術、網絡技術的發(fā)展，使這種變革的需要成為可能。制造技術的網絡化會導致一種新的制造模式，即虛擬制造組織，這是由地理上異地分布的、組織上平等獨立的多個企業(yè)，在談判協商的基礎上，建立密切合作關系，形成動態(tài)的“虛擬企業(yè)”或動態(tài)的“企業(yè)聯盟”。此時，各企業(yè)致力于自己的核心業(yè)務，實現優(yōu)勢互補，實現資源優(yōu)化動態(tài)組合與共享2/4/202326網絡經濟的特點

1.沒有舊經濟的衰退和通貨膨脹的周期性；2.知識分子將成為新經濟時代的主體，社會結構發(fā)生變化；3.企業(yè)發(fā)展將是知識資本重于物質資本；4.人才是知識資本的核心；5.企業(yè)的利潤主要來自于科技創(chuàng)新；6.虛擬企業(yè)、敏捷制造、企業(yè)動態(tài)聯盟、供應鏈等迅速發(fā)展，企業(yè)對市場的響應越來越快；7.經營具有全球性，電子商務成為經營的主要形式；8.商品質量越來越高、價格越來越低、服務越來越好；9.顧客參與設計與制造，商品個性化；10.人們生活方式變化，消費結構變化：由吃、穿為主轉為住、用、休閑，非物質消費占總消費的50%以上。2/4/202327以智見著

—智能化是機械工程發(fā)展的方向—

2/4/202328“智”即指“智能化”?！爸悄芑睂⑹怪圃爝^程具有處理大量信息與不完整信息、錯誤信息的能力，具有強大的自診斷、自修復和自組織能力，主動協調與協同能力以及非邏輯處理能力。它將是數字化、自動化、集成化、網絡化的有機交融與高度發(fā)展。但是，它決不意味完全取代人，而是“人”與“機”的高度協調與有機一體。所以，“智”是先進制造技術發(fā)展的“前景”。

2/4/202329以智見著

—智能化是機械工程發(fā)展的方向—

為什么說智能化是機械工程發(fā)展的方向?1.恩格斯指出，共產主義社會的特征是消滅“三大差別”。城鄉(xiāng)差別、工農差別、體力勞動與腦力勞動的差別。其中，最本質、最核心、最困難的消滅體力勞動與腦力勞動的差別，

所以智能化是實現未來理想社會的必要條件。2.“知識經濟”的本質是“智力經濟”2/4/202330以智見著

—智能化是機械工程發(fā)展的方向—

為什么說智能化是機械工程發(fā)展的方向?3.本世紀中心學科發(fā)展的趨勢：從信息科學到生命科學（21世紀中葉）再轉向認知科學（21世紀70年代）。4.信息化、網絡化的實質是智能化。5.國民經濟各部門的智能化已露端倪,智能化成為各行各業(yè)發(fā)展的趨向，如：智能計算機、智能車輛、智能機器、智能儀表、智能控制、智能材料…甚至智能大廈。2/4/202331什么是智能系統(tǒng)？具有（或部分具有）人類智能或能模擬（部分模擬）人類智能的系統(tǒng)稱為智能系統(tǒng)。

智能系統(tǒng)可以分成下列幾種類型：1.人本系統(tǒng)（1）人類本身的人體系統(tǒng)，特別是人腦系統(tǒng)；（2）人類以其智能直接參與活動的系統(tǒng)，如金融系統(tǒng)、保險系統(tǒng)、體育系統(tǒng)等經濟系統(tǒng)和社會系統(tǒng)；2.人為系統(tǒng)（1）人與機器共同工作的人機系統(tǒng)；（2）模擬或部分模擬人類智能的機器系統(tǒng)，如智能計算機系統(tǒng)、智能機器人系統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、智能語言理解系統(tǒng)、智能圖象處理系統(tǒng)等。2/4/202332什么是智能制造系統(tǒng)？從工程的角度來討論這個問題具有下列特征之一（特別是特征（1）和（2））的制造系統(tǒng)，就應稱為智能制造系統(tǒng)：（1）多信息感知與融合；（2）知識表達、獲取、存儲和處理（包括識別設計、計算、優(yōu)化、推理與決策）；（3）聯想記憶與智能控制；（4）自治性，即自相似、自學習、自適應、自組織、自維護；（5）智能的演繹（分解）與歸納（集成）；（6）容錯。2/4/202333機械工業(yè)在智能化中如何發(fā)展?1.要自主開發(fā)與創(chuàng)新智能化的產品作為機械企業(yè)未來發(fā)展的新產品2.機械企業(yè)的制造和管理要向智能化方向發(fā)展3.用智能化技術充實、改造和提升企業(yè)的信息化與網絡化。4.關注和應用計算機科學和人工智能科學的最新成果。5.重視教育與培訓，關鍵中的關鍵是人才。2/4/202334制造業(yè)與制造技術的創(chuàng)新2/4/202335制造技術創(chuàng)新的指導思想

創(chuàng)新的目的是實現全面建設小康社會的奮斗目標從制造大國走向制造強國科學技術是第一生產力人才資源是第一資源公民素質是第一素質2/4/202336當前最急需的機械制造創(chuàng)新領域

1.電子制造2.生物制造3.微納制造4.裝備制造5.綠色制造6.傳統(tǒng)產品的創(chuàng)新制造7.提高生活質量的創(chuàng)新制造8.現代國防裝備的創(chuàng)新制造2/4/202337從微電子制造到微電子產品

光刻機、研磨拋光機、粘貼機、鍵合機、塑封機、表面貼裝機先進電子制造硬盤驅動器微電子磁頭制造磁頭及組件磁盤基片磁盤及組件單晶硅芯片PCB微電子產品硅片2/4/202338下一代電子制造的技術特點1.高制造精度(納米級)2.高加速度(15g)往復運動3.高定位精度(亞微米納米級定位精度)4.高可靠性(如封裝后芯片的千小時失效率小于1/109)2/4/202339

機械工程學科發(fā)展的新特點

多學科深度交叉機械工程科學微光機電系統(tǒng)納米機械學納米加工測量微操作系統(tǒng)機械仿生仿生制造電子制造、e-制造、數字制造、虛擬制造、網絡制造納米科技納米材料微型機械納米器件生命科技人類基因組基因工程生物芯片信息科技光子、量子、生物計算機；網絡技術2/4/202340機械工程學科發(fā)展的新特點

向微納米機械學及應用方向發(fā)展MEMS納米測量精度及溯源表面表層物理、表面表層化學、機械性能的測量微納米尺度加工與制造微量切削磨削微小零件制造微高能束加工尺度效應

機構學力學摩擦學強度壽命2/4/202341當前生物制造的前沿

人造器官人造骨(及骨關節(jié))已應用于臨床試驗。人造軟骨(如耳廓軟骨)也已成功?，F正開始研究人造肝、人造腎等器官。

生物芯片

1）醫(yī)用生物芯片：在電子芯片上裝有許多微型傳感器，通過對微量血液或其它細胞的檢測可檢查人體各種疾??；2）作生物計算機用的生物芯片：這種芯片上的生物大分子，如人的視網膜分子，可作二值邏輯元件。

仿生機械仿鳥飛行的撲翼機、各種仿生機器人（如機器蜜蜂、機器蜻蜓、機器昆蟲、機器蛇、機器魚等）將可能在未來的戰(zhàn)爭中使用。2/4/202342什么是微納制造？尺寸在10微米~1毫米之間的機械稱為微型機械；尺寸在10納米~10微米之間機械稱為納米機械或超微型機械；將微型和超微型機械與微型電子器件（或微型光電子器件）結合起來，便得到微機電系統(tǒng)（MicroElectro-MechanicalSystems,MEMS）,MEMS的尺寸可大到數十毫米;在微米級范圍的加工稱為細微加工，在納米級范圍的加工稱為納米加工，在數十納米至0.1微米之間的加工（表面粗糙度Ra小于0.025微米,機床定位分辨率和重復性高于0.01微米）稱為超精密加工,亦稱亞微米級加工。2/4/202343微機電系統(tǒng)（MEMS）的重大意義

1.信息領域：高密度磁盤存儲，芯片加工設備；2.航空航天領域：微型飛機（直升機）、微型衛(wèi)星（重0.1—10Kg）、納米衛(wèi)星（重0.1Kg以下）；3.軍用武器領域：精確制導、精確打擊系統(tǒng)，微型慣性平臺（重僅70Kg）（微傳感器、微儀表、微光學設備）；4.生命科學領域：小生理器官處理，基因操作系統(tǒng)、蛋白質追蹤系統(tǒng)微型心臟起搏器、微型助聽器等；5.醫(yī)療領域：非侵入性治療，顯微手術、小器官檢測等；6.微型機器人：單位模光導纖維引線操作。管道內操作、腦科手術、收集情報與竊聽、清除腦血栓阻塞、發(fā)現并殺死癌細胞等的微型或超微型機器人。7.文化領域：音、像、電子書刊、電視會議、遠程教學、電子游戲等的制作及操作的微型機械設備。2/4/202344微納制造的前沿微型傳感器各種微型位移、速度、加速度、力、壓力、溫度等物理量的傳感器。微型器件各種微型齒輪、凸輪、軸承等微型零件和微型泵、微型閥、微型陀螺等微型部件。微機電系統(tǒng)

特別在信息、生物、能源、國防、航空航天等高科技領域和醫(yī)療、環(huán)保、家電等生活領域有廣闊的應用前景。發(fā)展微機電系統(tǒng)有可能引發(fā)一場新的技術革命。2/4/202345美國對微納制造技術的關注

美國總統(tǒng)布什于2003年12月3日簽署了《21世紀納米技術研究和開發(fā)法》，這是美國自太空競賽以來最優(yōu)先資助的科技項目。美國總統(tǒng)布什批準在未來4年內撥款37億美元用于納米技術研發(fā)，其中95%用于科學研發(fā)—大約60%用于院校研究，35%用于政府實驗室。美南卡羅來納大學的納米技術專家戴維·貝魯布說：“納米技術如果美國不占據首位，日本或中國將取而代之。納米技術需要培養(yǎng)，沒有政府扶持，就不可能起飛。它的應用要等到10年、15年乃至25年之后，沒有公司愿意在一項不能立刻提高利潤率的技術上投資?！?/4/202346首先要振興裝備制造業(yè)1.裝備制造業(yè)是制造業(yè)的基礎和核心,提高裝備制造能力是提升整體制造能力的前提,裝備制造能力構成了制造強國最核心的能力;2.我國的裝備制造業(yè)是我國制造業(yè)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié),尤其是大型成套裝備制造能力薄弱;3.我國機械電子制造業(yè)在整個制造業(yè)中所占的比重偏低(發(fā)達國家占40%以上,我國占34%),制造業(yè)的結構調整,應以先進裝備制造和機電一體化產品制造為突破口,加速推進機械電子制造業(yè)的發(fā)展。2/4/202347從制造大國

走向制造強國2/4/202348綠色制造是可持續(xù)發(fā)展的前提

目前機械制造業(yè)存在的主要問題是：1)廢舊或閑置設備回收和再利用率較低，如何改造和利用好這些舊設備是擺在我們面前的大課題；2)能源和原材料的浪費現象十分嚴重，比美國和日本等先進國家高出數十倍之多；3)環(huán)境保護意識在機械制造廠家頭腦中還比較淡薄，尤其是一些中小企業(yè)對環(huán)境的污染還比較嚴重；綠色制造定義：綠色制造是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現代制造模式，其目標是使得產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產品生命周期中，對環(huán)境的影響（負作用）最小，資源效率最高，并使企業(yè)經濟效益和社會效益協調優(yōu)化。

2/4/202349從制造大國走向制造強國(1)1.將振興裝備制造業(yè)置于重要的戰(zhàn)略地位從本質上說,提高裝備制造能力是提升整體制造能力的前提,裝備制造能力構成了制造強國最核心的能力。2.以先進裝備和機電一體化產品制造