现代制造科学的发展与创新人才的培养.ppt

第6章 现代制造科学的发展与创新人才的培养,6.1 现代制造科学的发展 6.2 制造技术创新 6.3 先进制造技术的创新人才培养 6.4 终身学习是时代发展的必然要求,6.1 现代制造科学的发展,6.1.1 现代制造科学是多学科交叉的新学科 人类正迈向信息社会，生物科学、信息科学、纳米科学、制造科学和管理科学将是21世纪的5个主流科学。以微电子、信息(计算机与通信、控制理论、人工智能等)、新材料、系统科学为代表的新一代工程科学与技术的迅猛发展及其在制造领域中的广泛渗透、应用和衍生，极大地拓展了制造活动的深度和广度，急剧地改变了现代制造业的设计方法、产品结构、生产方式、生产工艺和设备以及生产组织结构，产生了一大批新的制造技术和制造模式。现代制造业已成为发展速度快，技术创新能力强，技术密集甚至是知识密集的部门，许多产品的技术含量和附加值增大，进入了高技术产品的行列。,同时，各种高新技术的综合作用促进了制造技术在宏观(制造系统的集成)和微观(精密、超精密和纳米加工与检测)两个方向上的蓬勃发展，成为一门涵盖整个生产过程的各个环节(含市场分析、产品设计、工艺规划、加工准备、制造装配、监控检测、质量保证、生产管理、售后服务、回收再利用)，包括人、机器、能量、信息等多种资源组织、控制和管理，横跨多个学科的集成技术。推动制造技术取得持续进步的基础研究也不断汲取其他学科前沿成果的丰富营养，发展为一门崭新的交叉科学制造科学。制造科学与其他科学的渗透、交叉将是现代制造科学的发展趋势。,现代制造已不仅仅是机械制造，它的基本特点是大制造、全过程、多学科。 “大制造”应包括光机电产品的制造、工业流程制造、材料制备等，它是一种广义制造概念。从制造方法看，它不仅包括机械加工方法，还应包括高能束加工方法、硅微加工方法及电化学加工方法等。 “全过程”不仅包括从毛坯到成品的加工制造过程，还包括产品的市场信息分析，产品决策，产品的设计、加工和制造过程，产品的销售和售后服务，报废产品的处理和回收，以至产品的全寿命过程的设计、制造和管理。,“多学科”是指现代制造科学是个交叉学科，它涉及以下领域： 计算机学科、半导体学科中的微电子器件和计算机器件的设计与制造； 自动化学科的制造过程和制造系统控制理论和方法； 光学和光电子学科的器件和仪器的设计与制造，光电测试理论与方法； 机械工程学科的零件和机器的设计制造理论方法，机械构件及机电系统性能的模拟仿真；, 管理学科关于可重组企业和可重组制造系统理论、企业管理方法和工业工程理论； 材料学科中的新材料制备科学，冶金学科中的材料成形科学； 化学工程中的化工流程科学和化工产品的制造科学； 与生物科学交叉的生物制造和仿生机械学； 物理学科中的纳米科学，力学学科中的机电系统动力学问题。,6.1.2 现代制造科学主要研究的科学问题 21世纪制造科学领域至少有如下重要科学问题： (1) 计算机、微电子和光学关键零部件的制造工艺基础及新材料的制备。 (2) 现代制造过程和制造系统的基础理论。 (3) 制造过程与系统的数学描述、建模、仿真及优化，制造中的计算机几何。 (4) 设计及制造过程信息的获取、表达及传递，非全信息状态下的决策，非符号信息表达，制造信息保真及传递，海量制造信息的管理等。,(5) 网络制造、虚拟制造基础理论，网络及虚拟环境下制造系统的体系结构及全局最优决策理论。 (6) 支持产品设计和制造过程创新的理论及方法。 (7) 现代制造过程和制造系统中的人机环境界面交互、协调和统一理论。 (8) 先进制造生产模式及管理理论与方法，研究适合中国国情及文化背景的高效、快速、可重组的先进制造生产理论及其模式。,(9) 适应社会主义市场经济和制造生产模式的经营管理及虚拟企业的基础理论及运作方法。 (10) 微米/纳米系统的设计、制造理论与方法。 (11) 基于资源节约和环境保护的制造理论和方法。,6.1.3 制造科学与纳米科学技术的交叉纳米制造科学,纳米制造科学的主要研究内容及科学问题如下： (1) 纳米级精度和表面的测量仪器(如可用于加工、测量的扫描隧道显微镜、显微测量激光干涉仪等)。 (2) 纳米级表层物理、化学和机械性能的检测。 (3) 纳米级表面的加工(超精密切削、镜面磨削、原子和分子的去除/搬迁/重组的扫描隧道显微加工等)。 (4) 纳米材料的制备，纳米级微器件与微机电系统的设计、制造与控制理论与技术。,6.1.4 制造科学与管理科学的交叉制造管理科学,制造生产模式是管理科学、社会人文科学与制造科学的交叉。事实已经证明并将进一步证明，中国制造的产品如果要在国际市场具有竞争能力，中国的制造商如果要想成为国际名牌企业，除了要拥有世界一流的制造技术外，更重要的是要有世界一流的组织管理模式和管理水平。当然，其先决条件是企业内外必须建立比较完善的市场竞争机制。,制造生产模式是制造业为了提高产品的竞争能力而采取的一定的组织生产模式。福特公司大批量生产模式以提供廉价的产品为主要目的，柔性生产模式以满足顾客的多样化需求为主要目的，敏捷生产模式以向顾客及时提供所需求的产品为主要目的，绿色制造以产品在整个生命周期中有利于环境的保护为主要目的。制造模式主要研究企业高效经济运筹、生产组织和管理、企业间合作、质量保障体系、人机环境关系等。人是制造过程和制造系统中的决定性因素。因此，制造系统、制造过程和生产模式中人的思想行为、人机关系、人际关系、企业社会环境、人在制造中的积极作用就成为制造科学与社会科学、人文科学交叉的主要研究内容。,6.1.5 制造科学与信息科学的交叉制造信息科学 信息在制造过程和制造系统中占有越来越重要的位置，现代产品的信息含量在产品价值中的比重不断增大。在信息时代，产品的生产成本主要受到制造信息的制约。制造过程主要是信息在原材料(毛坯)上的增值过程。许多现代产品的价值增值主要体现在信息上。因此，制造过程中信息的获取和应用十分重要。21世纪是信息世纪，网络是获取信息的重要手段。信息化是制造科学技术走向现代化和全球化的重要标志。与制造有关的信息主要有产品信息、工艺信息和管理信息。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、传输和应用，海量制造信息的管理及其向知识和决策的转化。 (2) 非符号信息的表达，制造信息的保真传递，非完整制造信息状态下的生产决策，虚拟制造，基于网络环境下的设计与制造，制造过程和制造系统中的控制科学等问题。这些内容是制造科学与信息科学基础融合的产物，在信息科学中独具特色，构成了制造科学中的新分支制造信息学。,6.1.6 制造科学与生命科学的交叉仿生制造科学 制造过程、制造系统和生命过程、生命系统在许多方面有相似之处。制造系统和生命系统都是非线性耗散系统，都有生命周期。生物通过基因遗传将自己的基本特征复制给下一代；同样，新产品往往是在老产品基础上发展的。生命系统和现代制造系统的结构也有许多相似之处，它们都具有大脑(计算和控制系统)、四肢(执行系统)、传感和神经(信息系统)。生命系统和现代制造系统都有自组织性、自适应性、协调性和智能性。现代制造系统的这些生物特性研究是制造科学所面临的前沿课题。如生物制造中的生物去除加工，采用生物菌对材料进行加工，是近年来发展的一种生物电化学和微机械加工的交叉科学技术。制造科学与生命科学的交叉还表现在机械仿生学研究上，蛇形机器人、多足机器人、假肢、人工关节、机械手和智能机器人都是典型的机械仿生研究。,可以预见，21世纪将进入制造科学与生命科学全面交叉发展的时代。这一领域有如下主要研究内容： (1) 仿生机械相关的生物力学原理。 (2) 生物制造基础理论与技术。 (3) 组织工程材料成形的信息模型与物理模型。 (4) 面向生物工程的微操作系统原理、设计与制造基础。 (5) 仿生系统的控制理论与方法。 (6) 仿生系统的集成理论与技术。,6.2 制造技术创新,6.2.1 可持续发展是制造技术创新的动力与空间,可持续发展主要指的是社会、经济、人口、资源、环境的协调发展和人的全面发展。它主张世界上任何地区、任何国家的发展不能以损害别的地区、别的国家的发展能力为代价，主张当代人的发展不能以损害后人的发展能力为代价。可见，可持续发展包括这样一些重要原则： (1) 发展的持续性，现代的发展不损害后人的发展能力。 (2) 发展的整体性与协调性。,6.2.2 知识化是制造技术创新的资源 随着产品结构越来越复杂，功能越来越趋向集成化和复合化，新产品开发所需要的知识越来越多，尤其是面对市场国际化的激烈竞争，产品设计活动越来越要求以最快的时间将所需要的新知识融入产品之中。产品设计是否成功，取决于所需要的知识，尤其是高新知识的含量。,技术的产品和工艺(TPP)创新是实现了技术上新的产品和工艺，以及技术上有重大改进的产品和工艺。所谓TPP创新的实现是指它被引入市场(产品创新)或应用于生产工艺(工艺创新)。TPP创新包括科学、技术、组织、金融和商业等一系列的活动，而且是这一系列活动措施的综合。因此，也可以说，TPP创新依赖于科学知识、工程技术知识、管理知识和经济知识的积累与综合。而科学知识和工程技术是对制造技术创新的首要支持。,实现不同领域的TPP创新，是以领域主导知识(或使能知识)为主，而综合应用众多的领域辅助知识来完成的。对制造技术创新而言，领域主导知识是有关制造本身的机理、规律、技术、技能、装置及系统等方面的知识，有量化的知识，更有众多非量化知识，如经验等。领域主导知识也是一种动态知识，随着科学技术的进步，领域主导知识也在不断更新。以对加工过程建模为例，传统的方法已不适应对加工过程的非线性、复杂性的描述，而基于人工智能(AI)的建模方法，或基于AI与解析法、数值法综合而成的建模方法则得到了发展，对加工过程有了进一步认识，充实完善了领域主导知识。有了扎实的领域主导知识背景，才有可能激发出创新灵感，创新才会有的放矢，才会有实用推广价值。,领域辅助知识面很广，如计算机、信息论、生态学、管理科学它是为领域主导知识服务的，用以促进领域主导知识的现代化，共同成为创新的资源。领域主导知识要做到四“知道”，即知道是什么，知道为什么，知道怎么做和知道谁有知识。而对领域辅助知识只要求做到三“知道”，即不必知道为什么。 技术创新带有较强的个人行为特征，只有把握领域主导知识，掌握所需的领域辅助知识，领域内创新成果才可能有深度，有应用前景；反之，创新往往立不住足，这类的事例并不罕见。,6.2.3 数字化是制造技术创新的手段 人类技术文明史进入了信息时代，计算机软硬件的飞速发展给信息的普及、应用提供了技术手段。面对21世纪的制造技术创新，数字化是主要手段。数字化的核心是离散化，如何将自然界的连续物理现象、模糊的不确定现象，以及人的经验与技能等离散化，进而实现数字化，是技术创新成败、优劣的关键问题。继计算几何、计算力学问世之后，计算切削工学、计算制造、数字化制造、新型材料零件数字化设计与制造等陆续被提出，明显地看出数字化是技术创新的重要手段。,为了充分发挥计算机辅助技术在技术创新中的作用，需要对领域主导知识进一步实现数字化处理。例如：制造过程的物理量(力、热、声、振动、速度、误差等)的数字化模型，它们是伴随制造过程的几何量而产生的，如何将两者的数字化量及相互关系融合到计算机系统中，尚有大量工作要做；利用社会学、心理学、人体结构与行为科学等，更好地发挥人在企业中的作用，利用计算机仿真与人机界面技术模拟企业环境，研究人的最佳工作状态，重视人们的满足感与舒适感，这些都有大量数字化问题。,计算机网络为数字化信息的传递、为实现“光速贸易”提供了技术手段。重要的是数字化全部信息，不仅要数字化技术信息，也要数字化评估信息，以便在信息冗余的当今能选择到有用的信息，还要数字化滤掉干扰信息和伪假信息，保证数字化信息畅通无误。计算机网络也为实现全球化制造、基于网络的制造提供了物理保证，这不仅有利于参与市场竞争，促进设备资源的共享，更有利于快速获得制造技术信息，激发创新灵感，是实现数字化制造的重要保证。,为了改善数字化在技术创新中的作用，要求计算机工具尽可能早地进入工程过程中，以允许更广泛地探讨和多方案地信息化选择；要求人机界面向自然化接口过渡，以加快信息的流畅交换；要求计算机在实现自复位工程辅助作用时，由被动变成主动，即计算机能主动向操作人员建议有关方案并传送相关信息。,6.2.4 可视化是制造技术创新的虚拟检验 虚拟现实(VR)技术近几年来获得了飞速发展，其虚拟环境可以表示任意三维环境，不论它是现实的或抽象的。VR可以重构人和信息技术之间的界面，可以实现过程的可视性和思路的创意表述。21世纪中的VR技术将对实用性技术的创新提供虚拟原型和技术的虚拟检验。比如，要求由一种特殊合成材料制成实用的零件，选用激光选择性烧结(SIS)工艺，它可以取代冶炼、传统意义上的切削加工等工艺过程。试想把该零件的SIS成形置于虚拟现实环境中，通过材料成分配比分析，激光烧结过程中不同扫描路径下的温度场、应力场显示，被烧结成形的零件在这种工艺参数组合下，虚拟出原型。,6.3 先进制造技术的创新人才培养,6.3.1 先进制造技术对创新人才的要求 1更加重视大环境因素的作用 现代的先进制造技术对人才的培养提出了新的要求，因为现代的人才常常面对的是“大环境下的工程”，也称之为“宏大工程(Macro Engineering)”。它是包括设计、制造、管理、市场等方面的一个复杂环境下的集成系统，要求人才在具备较宽基础知识的前提下，并具有较强的工程设计能力、制造能力、管理能力、市场开发能力、知识集成与系统分析能力等；并且，这些技术集成系统同时也要与社会、经济、文化、政治等环境因素有密切联系。这就要求工程人员在重视工程本身的同时，更要关注人口增长、环境恶化、资源短缺等社会化问题，开发与应用能源与生产过程清洁、废物再生、农业生态化等能促使社会协调、健康的可持续发展理论与技术，养成新的价值观念、行为方式和工业规范。,2更加突出知识整合能力的培养与训练 根据现代认知心理学的知识分类体系，广义知识可分为陈述性知识(回答“是什么”的知识)、程序性知识(关于“怎么做”的知识)、策略性知识(关于“控制自己认知和思维过程”的知识)。学习者一旦形成了包括策略性知识在内的完整知识分类体系，就具备了整合知识的基本能力。 现代的先进制造技术与系统集成度越来越高，对工程技术人员的知识整合能力提出了更高要求，这主要体现在思维方式、实践能力、创新能力、学习能力和群体协作能力等方面。,3更加关注技术与管理科学的统一 管理科学从古典学派到现代学派发展的特点之一是向管理科学渗透和交叉的学科越来越多，如统计学、社会学、系统科学、控制论科学及信息科学等。这是因为管理过程中需要运用诸多学科的理论和方法进行共同研究才能解决好。 当今世界复杂高新技术工程系统的开发呈现出长周期、全局性战略谋划，以及综合运用各相关领域科学技术新成果的典型特征。系统发展研究表明，系统、权衡、优化与科学管理已经成为越来越突出的问题。从国家现代化建设、高新技术工程系统开发与建设的整体目标出发，思考、探索解决国家现代化建设的技术和管理问题，已经成为目前世界科技发展的核心问题之一。,4树立学科交叉与融合的培养新模式 现代的先进制造技术的综合性来源于制造活动的社会性和制造系统的开放性。人类的制造活动涉及国计民生，关系到千家万户，人类的制造系统每时每刻都在与外界交换物质、能量和信息。因此，制造科学不可能在孤立封闭的状态下发展，必然要走一条吸纳百家之长的开放道路。与此相对应，在培养创新人才的方式上，也应该采取学科交叉与融合的培养模式。,6.3.2 AMT创新人才的综合模式 根据现代的AMT对人才的需求，可建立如图6-1所示的人才需求模型。该模型可以简单地概括为一个主体(创新型人才)、三大支撑(素质、能力与知识)、十项指标。以机械工程学科为例，三大支撑的具体内容可见图6-2、图6-3、图6-4。,图6-1 AMT对创新型人才的需求模型,图6-2 AMT创新型人才的素质结构,图6-3 AMT创新型人才的知识结构,图6-4 AMT创新型人才的能力结构,6.4 终身学习是时代发展的必然要求,当前时代的特点是学科的相互交叉和高度综合。如一名AMT工程师仅仅掌握机械(包括机械设计、机械制造、成形工艺等)方面的知识是远远不够的。电子、光学、流体、计算机、控制、材料学、生物学、生命科学、原子物理、化学、管理科学、金融、商务、人文科学、社会科学、心理学和美学等，都是与AMT相关的学科。要把这么多的知识(即使只是某一领域的知识)通过学校教育传授给学生，是不可能的。而且由于新的知识不断涌现，很多知识都是学生在走出校门后新形成的，因此每一个人的知识都在老化。要不落伍、要跟上时代，就要不断学习、终身学习。对于其他领域的从业人员，同样如此。,当今时代是知识经济时代，产品的价值主要取决于知识的含量。产品要不断创新，要在质量、成本