制造技術(shù)發(fā)展

制造技術(shù)發(fā)展

摘要：本文介紹了當(dāng)今制造技術(shù)面臨的新問題，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)鍵字：新問題；先進(jìn)制造技術(shù)；前沿科學(xué)；應(yīng)用前景

論文

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)的功能一般占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，這種競爭日趨激烈，因而各國政府都非常重視對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的探究。

1當(dāng)前制造科學(xué)要解決的新問題

當(dāng)前制造科學(xué)要解決的新問題主要集中在以下幾方面摘要：

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)靈敏性、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)科的探究成果，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(duì)制造企業(yè)的靈敏性和對(duì)需求的響應(yīng)能力及可重組能力有重要意義，而且對(duì)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。

為支持快速靈敏制造，幾何知識(shí)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)鍵新問題。例如在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造集成、坐標(biāo)測量和機(jī)器人學(xué)等方面，在三維現(xiàn)實(shí)空間中，都存在大量的幾何算法設(shè)計(jì)和分析等新問題，非凡是其中的幾何表示、幾何計(jì)算和幾何推理新問題；在測量和機(jī)器人路徑規(guī)劃及零件的尋位等方面，存在C-空間

的幾何計(jì)算和幾何推理新問題；在物體操作描述和機(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進(jìn)行幾何推理。制造過程中物理和力學(xué)現(xiàn)象的幾何化探究形成了制造科學(xué)中幾何計(jì)算和幾何推理等多方面的探究課題，其理論有待進(jìn)一步突破，當(dāng)前一門新學(xué)科--計(jì)算機(jī)幾何正在受到日益廣泛和深入的探究。

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、集成和融合呈現(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(shí)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)度新問題在內(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)化新問題時(shí)的求解速度和求解精度方面雙雙突破新問題規(guī)模的制約。制造智能還表現(xiàn)在摘要：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。

這些新問題是當(dāng)前產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵理論新問題，也是制造由一門技藝上升為一門科學(xué)的重要基礎(chǔ)性新問題。這些新問題的重點(diǎn)突破，可以形成產(chǎn)品創(chuàng)新的基礎(chǔ)探究體系。

2現(xiàn)代機(jī)械工程的前沿科學(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(duì)科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了新的要求和期望，從而形成前沿科學(xué)。前沿科學(xué)也就是已解決的和未解決的科學(xué)新問題之間的界域。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)新問題。

超聲電機(jī)、超高速切削、綠色設(shè)計(jì)和制造等領(lǐng)域，國內(nèi)外已經(jīng)做了大量的探究工作，但創(chuàng)新的關(guān)鍵是機(jī)械科學(xué)新問題還不明朗。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)外雖然已做了不少探究，但仍有許多關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)新問題有待解決。

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，和以上領(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)、仿生氣械和仿生制造學(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)和信息科學(xué)的交叉--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(duì)制造技術(shù)開始探索產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程中的信息本質(zhì)，另一方面對(duì)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(duì)制造過程和制造系統(tǒng)熟悉的加深，探究者們正試圖以全新的概念和方式對(duì)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。

和制造有關(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)域有如下主要探究方向和內(nèi)容摘要：

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(shí)和決策轉(zhuǎn)化。

非符號(hào)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)新問題。

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)中的新分支--制造信息學(xué)。

2．2微機(jī)械及其制造技術(shù)探究

微型電子機(jī)械系統(tǒng)，是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)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(jí)的提高器件和系統(tǒng)的功能密度、信息密度和互聯(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5μm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)和電子技術(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60~120μm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)并和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(duì)世界科技、經(jīng)濟(jì)發(fā)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。其特征如下摘要：相當(dāng)數(shù)量的微型元器件和微系統(tǒng)探究成功，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，非凡是半導(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)的探究需要多學(xué)科交叉的探究隊(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)科交叉的前沿探究領(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(duì)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功能下的力學(xué)行為等尚缺乏充分的熟悉，還沒有形成基于一定理論基礎(chǔ)之上的微系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和方法，因此只能憑經(jīng)驗(yàn)和試探的方法進(jìn)行探究。微型機(jī)械系統(tǒng)探究中存在的關(guān)鍵科學(xué)新問題有微系統(tǒng)的尺度效應(yīng)、物理特性和生化特性等。微系統(tǒng)的探究正處于突破的前夜，是亟待深入探究的領(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(shí)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)字化設(shè)計(jì)和擬實(shí)仿真優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)材料和零件的高效優(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和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)材料和零件的高效優(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，探究材料和零件的設(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，探究多種材料組分的復(fù)合成形工藝技術(shù)。形成材料和零件的數(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，能迅速制造出任意復(fù)雜外形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，開發(fā)出新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)組織和運(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。仿生制造指的是模擬生物器官的自組織、自愈合、自增長和自進(jìn)化等功能結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式的一種制造系統(tǒng)和制造過程。假如說制造過程的機(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)新問題是生物的"自組織"機(jī)制及其在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用新問題。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(duì)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(duì)21世紀(jì)的制造業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。

仿生制造的探究內(nèi)容目前有兩個(gè)方面摘要：

2．4．1面向生命的仿生制造

探究生命現(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

探究仿生制造系統(tǒng)的自組織機(jī)制和方法，例如摘要：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；探究仿生制造的概念體系及其基礎(chǔ)，例如摘要：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)械仿生和仿生制造是機(jī)械科學(xué)和生命科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科的高度融合，其探究內(nèi)容包括生長成形工藝、仿生設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)、智能仿生氣械和生物成形制造等。目前所做的探究工作大多屬前沿探索性的工作，具有鮮明的基礎(chǔ)探究的特征，假如抓住機(jī)遇探究下去，將可能產(chǎn)生革命性的突破。今后應(yīng)關(guān)注的探究領(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)，以及和生物工程相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)等。3現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展趨向

20世紀(jì)90年代以來，世界各國都把制造技術(shù)的探究和開發(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)國際合作計(jì)劃、韓國的高級(jí)現(xiàn)代技術(shù)國家計(jì)劃、德國的制造2000計(jì)劃和歐共體的ESPRIT和BRITE-EURAM計(jì)劃。

隨著電子、信息等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，市場需求個(gè)性化