机械工程学科现状及发展趋势

机械工程学科现状及 发展趋势 报告人：李 威 中国矿业大学机电工程学院 执行院长 教授 博士生导师 报告内容 2 p机械工程 学科 的现状 p德国工业 4.0 p中国制造 2025 p合格机械工程师应具备的知识体系 3 p机械工程 学科 的现状 p德国工业 4.0 p中国制造 2025 p合格机械工程师应具备的知识体系 机械工程 学科 的现状 学科内涵 机械工程学科是研究机械系统和产品的性能、设计及制造的理 论、方法和技术的科学，包括 机械学 和 制造学 两大领域。 4 机械学是研究 机械结构 和 系统性能 及其 设计理论与方法 的科学，包括制 造过程及机械系统所涉及的机构学、传动学、动力学、强度学、摩擦学、 设计学、仿生机械学、微纳机械学及界面机械学等。 机械工程 学科 的现状 学科内涵 机械工程学科是研究机械系统和产品的性能、设计及制造的理 论、方法和技术的科学，包括 机械学 和 制造学 两大领域。 5 制造科学是研究 制造过程及其系统 的科学。涵盖产品设计、成形制造 (铸 造成形、塑性成形、连接成形、磨具制造、表面工程等 )、加工制造 (超精 密加工、高效加工、非传统加工、复杂曲面加工、测量及仪器、装备设计 及制造、表面功能结构制造、微纳制造、仿生和生物制造 )和制造系统运作 管理等。 近年来，机械工程基础研究领域取得了一系列突出进展和原创性 成果，为我国机械工程和经济建设提供了大批新理论、新技术和 新方法，在国内外产生了重要影响，某些领域已在国际学术界占 有一席之地。 机械工程 学科 的现状 基础研究现状 u 温诗铸 等提出了薄膜润滑概念，发明了纳米薄膜测量技术。 u 黄真 提出少了自由度并联机构综合的普适性方法和通用自由度计算公式 。 u 彭东林 发明了时栅位移传感器及其测试系统，是精密测量领域少见的原 创成果。 u 华林 提出了环件轧制咬入孔型、塑性锻透和刚性稳定力学模型。 6 虽然我国科技工作者已经取得了大量成果，但机械工程学科在 国际上总体还处于落后地位。 未来制造业的发展总趋势： 全球化、信息化、绿色化、知识化 和极端化 ； 制造技术的发展总趋势：基于资源节约和环境保护基础上的 数 字网络化、高效精确化、智能集成化及制造极端化 。 机械工程 学科 的现状 基础研究现状 7 许多高新技术尚未掌握，许多重大装备我国不能自主设计制造 ，缺乏自主创新能力。 l是制造大国，不是制造 强 国 l发电设备 、机床、汽 车 、 电 子制造等 产 品 产 量居世界前列，却没 有一家装 备 制造企 业 能 跻 身世界 500强 l关 键 装 备 大多依 赖进 口 光 电 子制造 设备 的 100% IC制造装 备 的 85% 高档数控机床 的 70% l基 础 研究相 对 薄弱， 创 新性缺失，原 创 性的技 术 和成果缺乏，企 业 的核心 竞 争力不足 机械工程 学科 的现状 制造工业现状 8 u 经济 快速持 续 增 长 ，但 资 源、 环 境 压 力增大 经济的快速持续增长对能源资源的需求明显加大，而我国人均 资源不足。另外，粗放型的经济增长方式造成能源资源消耗过 多，环境污染严重，主要污染物排放量已超过环境承载能力。 机械工程 学科 的现状 国情及背景 9 u 国 际贸 易快速增 长 ，但 贸 易 结 构和增 长 方式亟待 优 化 当前我国贸易仍以 数量增长 为主，走的是规模扩张之路，出 口产品主要是劳动密集、低附加值产品，付出的资源、环境 代价过大，难以为继。 因经济增长过渡依赖出口，造成人民币流动性过大，增加了 升值压力，且不断面临贸易摩擦。 机械工程 学科 的现状 国情及背景 10 把握发展趋势 未来机械工程技术发展的五大趋势： 绿色、智能、超常、融合、服务 中国机械工程学会，在路甬祥理事长的倡导下，中国机械工程学会，在路甬祥理事长的倡导下， 于于 2010年年 9月启动，组织包括月启动，组织包括 19位两院院士位两院院士 在内的在内的 100多位专家，历时一年多，编写了多位专家，历时一年多，编写了 中国机械工程技术路线图中国机械工程技术路线图 我国装备制造业的发展，要紧紧扣住这五大趋势我国装备制造业的发展，要紧紧扣住这五大趋势 。 11 学科基本体系及各领域之间的关系 12 13 p机械工程 学科 的现状 p德国工业 4.0 p中国制造 2025 p合格机械工程师应具备的知识体系 汉诺威工业博览会 德国工业 4.0战略计划 实施建议 工业 4.0（ Industrie4.0） 起源 旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新，提高德国工业的竞 争力，在新一轮工业革命中占领先机。 “物联网和制造业服务化宣告着 第四次工业革命 的到来 ” 14 工业 4.0（ Industrie4.0） 社会背景 15 工业 4.0（ Industrie4.0） 从蒸汽革命到工业 4.0 16 工业 4.0（ Industrie4.0） 从蒸汽革命到工业 4.0 工业 1.0 工业 2.0 工业 3.0 17 18 工业 4.0（ Industrie4.0） 从蒸汽革命到工业 4.0 19 工业 4.0（ Industrie4.0） 工业 3.0与工业 4.0 20 工业 4.0（ Industrie4.0） 大规模生产与大规模定制 “工业 4.0”概念包含了 由 集中式 控制向 分散式增强型 控制的基本模式转 变 ，目标是建立一个 高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产 模式 。在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活 动领域和合作形式。 两大主题： “智慧工厂 ”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网 络化分布式生产设施的实现； “智能生产 ”，主要涉及整个企业的生产 物流管理、人机互动以及 3D技术在工业生产过程中的应用等。 三个设想： “产品 ”，集成有动态数字存储器、感知和通信能力，承 载在其整个供应链和生命周期中所需的各种必需信息； “设施 ”，由整 个生产价值链所集成，可实现自组织； “管理 ”，能够根据当前的状况 灵活决定生产过程。 工业 4.0（ Industrie4.0） 两大主题，三个设想 21 工业 4.0（ Industrie4.0） 两个重要内涵 22 德国学术界和产业界认为， “ 工业 4.0” 概念即是以 智能制造 为主导的 第四 次工业革命 ，或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用 信息通讯技术 和 网络空间虚拟系统 信息物理系统 （ Cyber-Physical System)相结合的手 段， 将制造业向 智能化 转型 。 面向 智慧工厂 的室内精确定位 工业 4.0（ Industrie4.0） 智慧工厂 的车间 基于无线、 RFID、传感器和服务的架构 从智慧工厂到智能生产 23 24 工业 4.0（ Industrie4.0） 工业 4.0带来的改变 以 “智能制造 ”为主导的新工业革命 25 p机械工程 学科 的现状 p德国工业 4.0 p中国制造 2025 p合格机械工程师应具备的知识体系 26 中国制造 2025 p全球制造业格局面临重大调整 。 我国制造业转型升级、创新发展迎来重大机遇，必须放 眼全球，加紧战略部署，着眼建设制造强国，固本培元，化挑战为机遇，抢占制造业新一轮竞 争制高点。（ 德国 “工业 4.0”计划、美国 “再工业化 ”战略 ） p我国经济发展环境发生重大变化 。 经济发展进入新常态，制造业发展面临新挑战；形成 经济增长新动力，塑造国际竞争新优势， 重点在制造业，难点在制造业，出路也在制造业 。 p建设制造强国任务艰巨而紧迫 。 我国仍处于工业化进程中，与先进国家相比还有较大差 距。制造业大而不强，自主创新能力弱， 关键核心技术与高端装备对外依存度高，以企业为主 体的制造业创新体系不完善；产品档次不高，缺乏世界知名品牌；资源能源利用效率低，环境 污染问题较为突出；产业结构不合理，高端装备制造业和生产性服务业发展滞后；信息化水平 不高，与工业化融合深度不够；产业国际化程度不高，企业全球化经营能力不足。 推进制造强国建设，必须着力解决以上问题。 发展形势和环境 27 中国制造 2025 5月 19日，经李克强总理签批，国务院印发 中国制造 2025 ，部署全面推 进实施 制造强国 战略。这是我国实施制造强国战略 第一个十年的行动纲领 。 实现 中国制造向中国创造的转变，中国速度向中国质量的转变，中国产品向中国品牌 的转变 ，完成中国制造由大变强的战略任务。 28 中国制造 2025 “ 到 2020年，制造业重点领域智能化水平显著提升，试点示范项目运营成本降低 30%，产 品生产周期缩短 30%，不良品率降低 30%。到 2025年，制造业重点领域 全面实现智能化 ， 试点示范项目运营成本降低 50%，产品生产周期缩短 50%，不良品率降低 50%。 ” “ 到 2020年，上述领域实现自主研制及应用。到 2025年，自主知识产权高端装备市场占有 率大幅提升，核心技术对外依存度明显下降，基础配套能力显著增强，重要领域装备达 到国际领先水平。 ” 五项重大工程、十大重点领域 29 中国制造 2025 中国工程院围绕 中国制造 2025 确定的十大重点领 域未来十年的发展趋势、发展重点和目标等进行了研 究，提出了十大重点领域 创新的方向和路径 ，并将其 汇编成册，称为 重点领域技术路线 图 (2015年版 ) 。涵盖新一代信息技术产业、节能与 新能源汽车等 10大重点领域、 23个重点方向 ，是贯彻 落实 中国制造 2025 的一项重要举措。 重点领域技术路线图 30 中国制造 2025 制造业创新的内涵包括 3个层次： 产品创 新、制造技术创新、产业模式创新 。 “在这 三个层次中，数字化网络化智能化是制造 业创新的重要途径。 ”智能制造 制造业 数字化网络化智能化，应被放在 “中国制造 2025”的核心位置。 智能制造是 “中国制造 2025”的主攻方向 。 中国工程院院长周济， 2015智能制造国际会议 主攻方向：智能制造 31 中国制造 2025 “机器人革命 ”有望成为 “第三次工业革命 ”的一个切入点 和重要增长点，将影响全球制造业格局 ，而且我国将成 为全球最大的机器人市场。 3D打印、人工智能迅猛发 展，制造机器人的软硬件技术日趋成熟，成本不断降低 ，性能不断提升， 军用无人机、自动驾驶汽车、家政服 务机器人 已经成为现实。国际上有舆论认为， 机器人是 “制造业皇冠顶端的明珠 ”， 其研发、制造、应用是衡量 一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志 。 习近平总书记在中国科学院第十七次院士大会、中国工 程院第十二次院士大会上的讲话 机器人： “ 制造业皇冠顶端的明珠 ” 32 中国制造 2025 2015年世界机器人大会： “协同、融合、共赢，引领智能社会 ” 以机器人科技为代表的智能 产业蓬勃兴起，成为现时代 科技创新的一个重要标志。 2015年 11月 23日 33 中国制造 2025 机器人是智能社会的一个重要切入点 ，正在改变人类的生产方式和生活方式。 “发展机 器人已成为世界共识 ”，美国再工业化和工业互联网战略、德国工业 4.0战略、日本机器 人新战略、欧洲火花计划、韩国机器人强国战略、新工业法国、中国制造 2025战略，全 部将发展重点瞄向 机器人 。 机器人将对全球科技创新和产业格局带来重大的影响 。 全国政协副主席、中国科协主席韩启德 中国是工业机器人最大消费国： 亚洲目前已成为 工业机器人 使用量最大的地区，占世界 范围内机器人使用的 50%，接下来是美洲，其次是欧洲。 中国是应用机器人最高的国家 ， 2014年 23万个机器人当中 56%的机器人是中国在使用，其次是日本、美国、韩国。 国际机器人联盟