机械工程学科的现状与发展趋势

1、,1,第 一 讲机械制造学科的地位、现状与发展趋势,学科（专业）概论,2,党十七大报告,“发展现代产业体系，大力推进信息化与工业化融合，促进工业由大变强，振兴装备制造业，淘汰落后生产能力。”,十二五规划建议： 四、发展现代产业体系，提高产业核心竞争力（12）改造提升制造业（发展先进装备制造业，促进制造业由大变强），（13）培育发展战略创新型产业（高端装备制造业），（14），（15），（16），（17）,3,目 录,一、制造的战略地位 二、制造的发展简史 三、制造的发展现状 四、制造的发展趋势（上） 五、制造的发展趋势（下） 六、制造的发展战略,4,满庭芳赞“华中数控”,2009.10.5 武汉

2、 10月3日上午，李军旗来访，谈及他所在的深圳富士康公司所生产的Super TG-I五轴数控刀具磨床采用了“华中数控高档五轴联动数控系统”。此类五轴数控系统为巴黎统筹条款对我国禁运战略核心技术，凡涉及我国，均拒售。有关情况我早已知。我校数控系统研制，始于1958年，迨至80年代后期，才在黄树槐、经周济至今陈吉红一大批人员不懈努力下，成了“气候”，“华中数控”为国内外公认。喜而赋此。 磨石成刀，冶金为锄，全凭工具扬眉。发明机器，孰与比高低。电脑神通广大，内存好，逻辑思维；巧软件，中枢操纵，人世上天梯。 堪卑！编造了反华条款，禁运巴黎；妄扼杀，神州展翅飞蹄。数控机床系统，严封锁，已化凄凄。垂青史，

3、华中名品，天下究谁归？！,5,一、制造的战略地位,6,战略地位（1）,制造是人类文明的物质支柱之一,直立和劳动创造了人类，而劳动是从制造工具开始的。 恩格斯 自然辩证法 ,人类社会发展所依赖的物质文明支柱除了材料、能源、信息外，还应包括“制造”。 没有制造，就没有人类。 没有制造的发展，就没有人类社会的发展。 制造是“永远不落的太阳”。,战略性新兴产业：新一代信息技术、节能环保、 新能源、生物医药、高端装备制造、新材料、 新能源汽车等产业。,7,贺 新 郎,读史 1964年春 人猿相揖别。只几个石头磨过，小儿时节。铜铁炉中翻火焰，为问何时猜得，不过（是）几千寒热。人世难逢开口笑，上彊场，彼此弯

4、弓月，流遍了，郊原血。 （上阕）,8,物质财富是人类社会生存和发展的基础，制造是人类创造物质财富最基本、最重要的手段,直接创造国民生产总值的1/3,制造业对国民经济的贡献,占整个工业生产的4/5,为国家财政提供1/3以上的收入,对出口总额的贡献率90%,战略地位（2）,9,制造业是全面建设小康社会第一位的支柱产业,战略地位（3）,10,装备制造业是国民经济发展的基础，担负着为国民经济各行业提供装备的重要任务,大工业必须掌握这一特有的生产资料，即机 器的本身，必须用机器生产机器，这样，大工业 才能建立起与自己相应的技术基础，才得以自立。 马克思资本论,战略地位（4）,“振兴装备制造业” 中国共产

5、党第十六、十七次全国代表大会报告,高端装备制造的高端：技术链高端， 价值链高端，产业链核心。,11,制造业是国家高技术产业的基础和载体,战略地位（5）,12,制造业是国家安全的重要保障,现代武器装备是先进制造技术的载体； 尖端制造技术和装备一直是西方国家技术封锁和限制的重点； 保证就业率稳定，缓解就业压力，保障社会稳定。 例：东芝事件(1982.121983.6) 考克斯报告 (90年代) 控制高技术机床出口(2000),战略地位（6）,13,综上所述,制造业是国家的战略性产业,高度发达的制造业，是实现工业化的必备条件,高度发达的制造业，是衡量国家国际竞争力的重要标志,高度发达的制造业，是决定

6、国家在经济全球化进程中国际分工地位的关键因素,战略地位（7）,美国：“再工业化”战略,14,二、制造的发展简史,15,发展简史（1）,人体 （手、足）,人脑,加工 对象,人的 感官,干扰,产品,需求,原始制造工艺系统,材料 能量 信息,16,发展简史（2）,材料的发展、金属工具的出现,公元前3000年：美索不达米亚、埃及，青铜器 公元前2800年：中国甘肃马家窑文化，锡青铜 公元前1400年：中国河北叶城、北京平谷，热锻铁器 小亚细亚赫第王国，铁器 公元前1000年：中国，铁犁 公元前476年： 中国河北易县，淬火钢 公元前113年： 中国河北满城，渗碳钢 公元1898年： 美国，泰勒、怀特，

7、高速钢 公元1932年： 德国，施勒特尔，硬质合金 公元1938年： 德国，德古萨公司，陶瓷刀具 ,17,发展简史（2）,机构 机器,人脑,加工 对象,人的 感官,干扰,产品,需求,材料的发展、金属工具的出现（续）,体力,材料 能量 信息,18,发展简史（3）,动力机械的发展,公元前100年：罗马，水车；中国，水轮机雏形 公元1世纪： 亚力山大，希罗，反动式汽轮机雏形 公元25-221年：中国，杜诗，冶铸鼓风用水排 公元265-420年：中国，杜预，水轮驱动的水转连磨 公元700年： 波斯，风车 1127年：中国，水转纺车 1131年：中国，燃汽机雏形 1629年：意大利，冲动式汽轮机雏形 1

8、698年：意大利，萨弗里，首次将蒸汽用于工业动力 1705年：英国，纽科门，活塞式蒸汽机 1769年：英国，瓦特，实用蒸汽机专利 1838年：俄国，雅可比，直流电动机 1897年：美国，西屋公司，两相交流感应电动机,19,发展简史（3）,动力机械、加工设备的发展（续）,加工 设备,人脑,加工 对象,检测 装置,干扰,产品,需求,干扰,材料 能量 信息,20,发展简史（4）,加工设备的发展,公元前2000年： 埃及，树木车床 公元1395年： 法国，杆棒车床 公元前400年： 我国，公输班，磨 , , 1774年： 英国，威尔金森，炮筒镗床 1790年： 英国，边沁，刨床、铣床、钻床 1797年

9、： 英国，莫效，螺纹车床 1807年： 英国，步律内尔，圆锯机 1817年： 美国，惠特尼，卧式镗床 1820年： 英国，怀特，（圆柱、圆锥）齿轮 加工机床 1835年： 英国，惠特沃斯，滚齿机 1842年： 英国，内史密斯，蒸汽锤 1845年： 英国，菲奇，六角车床,21,发展简史（4）,信息检测与控制技术的发展,加工 设备,控制器,加工 对象,检测 装置,干扰,产品,指令,干扰,材料 能量 信息,（如1873年，美国斯潘塞，单轴多轴自动机床）,22,发展简史（5）,信息检测与控制技术发展（计算机的应用）,加工 设备,计算机,加工 对象,检测 装置,干扰,产品,指令,干扰,材料 能量 信息,

10、（如1952年，美国，帕森斯，数控机床）,23,发展简史（6）,信息检测与控制技术发展（设备状态与制造过程的监测）,加工 设备,计算机,加工 对象,监测系统,干扰,产品,指令,干扰,材料 能量 信息,（如1976年，日本，柔性制造单元, 1974年，美国，哈林顿，CIMS),24,发展历史（7）,信息（特别是计算机、网络）技术的发展,一台设备,一条生产线,一个车间,一个工厂,一个企业,跨企业、 跨地区,CIMS(Computer intergrated Manufacturing S.) CIMS(Contemporary Integrated Manuf. S.),25,制造内涵,本质未变；

11、内涵更丰富、深刻、系统。 前端：构思、决策、规划、设计等等； 前端先天，前提。先天失误，一切皆空； 中端：加工、装配、包装等等； 中端后天，关键。后天失误，先天作废； 后端：营销、服务、咨询、维修、使用等等； 后端目的，根本。根本失误，前功尽弃。,26,制造内涵,检验、测量、检查、考核，无处不在 保证； 管理，“三分技术，七分管理”，神经中枢 灵魂。,27,三、制造的发展现状,28,制造科学已成为多学科交叉的学科 制造技艺制造技术制造科学； 制造活动的社会性、制造系统的开放性制造科学综合性； 制造科学是技术科学。 技术科学的基本特征： 1、中介性与独立性；2、基础性与应用性； 3、纵深性与广谱

12、性；4、科学性与人文性。,发展现状（1）,29,发展现状（2）,先进制造技术是工业发达国家的国家级关键技术和优先发展领域,30,许多高技术我国尚未掌握，许多重大装备我国不能自主制造，缺乏自主创新能力,是制造大国，不是制造强国，更不是创造强国,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% 石油制造装备的80% 高档数控机床的70%,发展现状（3）,原创性的技术和成果缺乏，企业的核心竞争力不足，制造科学基础研究相对薄弱,31,发展现状（4）,制造数据,制造实践 科学实验 科学计算 理论研究 各种资源,制造信息,制造知识,制造基础知识,制造科学,32,国家中长期科学和技术发展

13、规划纲要,一、序言 二、指导方针、发展目标和总体部署 三、重点领域及其优先主题 四、重大专项 五、前沿技术 六、基础研究 七、科技体制改革与国家创新体系建设 八、若干重要政策和措施 九、科技投入与科技基础条件平台 十、人才队伍建设,33,(共12个领域，62项以上主题) 5.制造业 (共8项主题) (26)基础件和通用部件 (27)数字化和智能化设计制造 (28)流程工业的绿色化、自动化及装备 (29)可循环钢铁流程工艺与装备 (30)大型海洋工程技术与装备 (31)基础原材料 (32)新一代信息功能材料及器件 (33)军工配套关键材料及工程化,三、重点领域及其优先主题,34,五、前沿技术,（

14、共8项技术，22小项以上） 4.先进制造技术 （共3小项） (12)极端制造技术 (13)智能服务机器人 (14)重大产品和重大设施寿命预测技术,35,六、基础研究,（共4大项，24小项） 3.面向国家重大战略需求的基础研究 （共10小项） (8)极端环境条件下制造的科学基础,36,国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要,16篇62章 第三篇 转型升级 提高产业核心竞争力 第九章 改造提升制造业 第十章 培养发展战略性新兴产业 第十一章 推动综合交通运输体系 第十二章 构建综合交通运输体系 第十三章 全面提高信息化水平 第十四章 推进海洋经济发展,37,四、制造的发展趋势（上）,38,竞争形势

15、,科学技术突飞猛进 知识经济初见端倪 国力竞争日趋激烈 制造业市场特征： 多变性市场 国际化市场 虚拟市场 新兴产品市场 关键：创新 过去创新与增长相联 现在创新与生存攸关,39,机械行业的巨变 1. 产品本身 “质”、“量” 2. 生产模式 快速响应、快速重组 3. 增产方式 （资源消耗）粗放型（知识创新）集约型 网络化、全球化、知识化 4. 生产要求 实用、价廉、物美价廉、物美、交货期短、 服务好、文化含量高 5. 学科基础 力学、经验多学科及其最新成就 6. 立足之本 设备、技术高素质人才,竞争形势,40,竞争形势,制造业企业特征 1. 满足客户化要求； 2. 快速响应、快速重组、低成本

16、； 3. 竞争、合作、全球化； 4. 虚拟技术应用； 5. 本土化与国际化交互； 6. 企业文化加强； * 7. “以人为本”作为核心。 雇员：创新激情，实施能力，自主决策， 不断学习。 涩泽荣一（1840-1931），论语 稻盛和夫（1932），以人为本，以心为本，以 德为本。,上,41,发展趋势,先进制造技术 制造技术+信息技术+管理科学+有关科学技术 先进制造技术发展的总趋势 走向“制造服务”一体化的和谐制造 “问渠哪得清如许？为有源头活水来！” 总趋势的基本特征 制造产品：“精”“极”“文” 制造过程：“绿”“快”“省”“效” 制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,产品、过程、方法

17、彼此独立、彼此相关,42,“精”是发展的关键 “极”是发展的焦点 “文”是发展的新义,发展趋势的基本特征,“绿”是发展的必然 “快”是发展的动力 “省”是发展的原则 “效”是发展的追求,“数”是发展的核心 “自”是发展的条件 “集”是发展的方法 “网”是发展的道路 “智”是发展的前景,制造产品：,制造过程：,制造方法：,43,“精”是发展的关键精确化 加工精度精密化 人造卫星的仪表轴承，其圆度、圆柱度、表面粗糙度等均达纳米级； 操作尺度细微化 基因操作机械，其移动距离为纳米级，移动精度为0.1纳米级 物理性能精确化 物理性能、力学性能、化学性能、生化性能等等 控制要求纳米化,发展趋势的基本特征

18、 制造产品：“精”“极”“文”,44,发展趋势的基本特征 制造产品：“精”“极”“文”,电子制造中 高精度：控制趋于纳米级 加工趋于亚纳米级 超微细：芯片线宽100nm 运动副间隙12nm 高加速度：封装运动12g 高可靠性：芯片千小时失效率1/109,45,“精”是发展的关键精确化,20世纪初：超精密 10微米 30年代： 1微米 50年代： 0.1微米 70-80年代： 0.01微米 目前： 0.001微米 （纳米加工）,发展趋势的基本特征 制造产品：“精”“极”“文”,46,“极”是发展的焦点极端、极限,几何形体上，极大、极小、极厚、极薄、极平、极柔、极圆、极方，奇形怪状； 在物理性能上

19、，极高硬度、极高塑性、极大弹性、极大脆性、极强磁性、极强辐射性、极强腐蚀性，奇性怪能； 在极端条件下加工，在极端条件下应用； 在制造手段上，极端如飞秒脉冲技术。 MEMS技术和产品是典型极端、极限技术和产品。,发展趋势的基本特征 制造产品：“精”“极”“文”,微型传感器，微型执行器，信息处理器与电源等一体化的微型系统,47,MEMS: 美国 Micro Eleetro Mechanial System 欧盟 Microsystem 日本 Micromachine MEMS特点:,1.加工工艺多样化， 2.研究方向多样化， 3.系统单片集成化， 4.芯片制造与封装一体化。,发展趋势的基本特征 制

20、造产品：“精”“极”“文”,48,关于微电子芯片制造 当前的芯片制造设备 当前“三超”（超净、超纯、超精加工）水平 （1）超净：尘埃颗粒直径0.1微米 颗粒数0.1个/立方英尺空气 （2）超纯：有害杂质含量达到ppb（十亿分之一） （3）超精加工：钠米级 我国的“龙芯”。 日本日立公司（2006）报导：集成电路小如尘粒： 长宽150m，厚7.5m,发展趋势的基本特征 制造产品：“精”“极”“文”,49,“文”是发展的新义人文化（文化含量高） 工业产品， “实用” ，物质层面； 艺术产品，（人文）文化含量高， “物美” ，精神层面，环境协调，爽心悦目，经得起“看”，经得起“想”“工业设计” 制造

21、过程、制造方法“文明化”生产。 “文明以止，人文也。”（周易） 胡锦涛2006年1月日讲话 温家宝2010年2月4日讲话,发展趋势的基本特征 制造产品：“精”“极”“文”,50,“绿”是发展的必然绿色化 “天人合一” 与 “无为”； “保护环境，就是保护生产力；改善环境，就是发展生产力。” 江泽民 制造各阶段都必须充分计及当前与未来德环境保护：自然环境，社会环境、生产环境、生产者的身心健康，使用环境、使用者的身心健康； 制造必然要走向“绿色”制造，这不仅是实现国民经济而且是实现人类社会可持续发展的重要条件。 纲要制造业发展思路有四，其一就是“积极发展绿色制造” 世界各国：绿色制造。.,发展趋势

22、的基本特征 制造过程：“绿”“快”“省”“效”,51,“快”是发展的动力快速化 对市场的快速响应 对生产的快速重组 生产模式：高度柔性与高度敏捷性 推动着制造技术的进步与制造方法的发展,发展趋势的基本特征 制造过程：“绿”“快”“省”“效”,52,“省”是发展的原则节省化,毛泽东：“什么事情都应当执行勤俭的原则。这就是节约的原则。”,市场经济必然的要求 制造过程必须节省、节约、节俭 制造过程环节的优化配置 制造资源的优化配置,发展趋势的基本特征 制造过程：“绿”“快”“省”“效”,53,“效”是发展的追求 高效 、高生产率化,个性化大生产、大规模定制 快速响应市场需求的应有推论与含义 生产效率

23、提高生产力发展社会进步 高效、低耗、无污染 能源节约，环境友好！（节能减排）,发展趋势的基本特征 制造过程：“绿”“快”“省”“效”,54,发展趋势的基本特征 制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,“数”是发展的核心数字化 “信息化”的核心是“数字化” 数字制造是制造技术与信息技术（包含传感技术、计算机技术、网络技术）等交叉、发展与应用的结果 数字化设计、数字化控制、数字化管理以及贯穿始终的“虚拟”技术 数字化技术必将导致制造技术乃至整个生产方式、生活方式、思维方式、管理方式的重大发展与变革,55,“自”是发展的条件自动化 自动化是强化、延伸甚至取代人劳动（体力、脑力）的技术或手段 自动控

24、制、自动调节、自动补偿、自动辨识等发展到自学习、自组织、自维护、自修复等更高水平的自动化,发展趋势的基本特征 制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,56,1870-1980： 加工过程效率 20倍 管理效率 1.8-2.2倍 设计效率 1.2倍 CAX技术脑力劳动自动化。 制造业中NC的重大基础作用。,发展趋势的基本特征 制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,57,“集”是发展的方法集成化 技术集成、管理集成、技术与管理集成 本质：知识和信息集成，集成也包含了“交叉” 现代制造科学技术的发展离不开“集成”和“交叉” 中国特色的“集”集聚化 相关产业在同一地高度重聚 王宏甲：贫穷致富与执

25、政（2006）,发展趋势的基本特征 制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,58,机电一体化 传感技术 信号处理技术 控制技术 随动技术 精密机械技术 总体集成技术,发展趋势的基本特征 制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,59,“网”是发展的道路网络化 现代新型制造模式实施的基础设施，现代制造企业生产活动必不可少运行环境 网络化既是制造企业信息化、集成化的基础，又是企业信息化、集成化的进一步发展 网络化将导致制造业走向全球化、整体化、有序化,发展趋势的基本特征 制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,60,“智”是发展的前景智能化,制造智能制造系统/单元/装备适应环境变化的能力，处理

26、海量信息、不完整信息、不确定信息、错误信息的能力，自诊断、自修复能力，自组织、自重构能力，主动协调和协同能力，非逻辑处理能力等 智能化各行各业发展的趋向，如：智能车辆、智能机器、智能仪表、智能控制、智能材料，智能大厦、智能交通、 人机一体化智能系统,发展趋势的基本特征 制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,61, “知识经济”的本质是“智力经济” 本世纪核心学科发展的趋势：从信息科学 到生命科学（21世纪中叶）转向认知科学（21 世纪70年代） 智能化各行各业发展的趋向，如：智 能计算机、智能车辆、智能机器、智能仪表、 智能控制、智能材料，甚至智能大厦,发展趋势的基本特征 制造方法：“数”

27、“自”“集”“网”“智”,62,五、制造的发展趋势（下）,63,制造发展趋势中的两个特点,效益化制造的参与者工作效率不断提高，人尽其用，物尽其利，即制造的生产水平与生产力不断提高； 人性化制造者的劳动不断减轻，用户的需要不断满足，一切参与者的潜力开发不断改善，即对一切参与者的人文关怀不断提高。,64,“效益化”与“人性化”的对立统一,此即科技双刃剑的作用。 统一：相互促进； 矛盾：彼此抵触，特别是“效益化”的反“人性化”；最终也是反“效益化”： 其一：导致与自然环境不和谐（环境污染，生态失衡，资源浪费，等等）， 其二：导致与人际关系不和谐（恶化劳动现场，强化劳动强度，加剧社会矛盾，等等）。 结

28、果：社会、制造均不可持续发展。,65,服务本质上一直贯穿制造及其发展：,“效益化”： 直接服务于产品生产过程及其各有关环节，主要同提高制造的生产力与生产水平有关。 “人性化”： 直接服务于与产品有关的参加者的身心需要，核心同强化人文关怀有关。 两者均从属于以人为本的服务，但“人性化”为主。,66,路甬祥认为：,数百年来，以产品为中心的制造业正在向服务增值延伸，制造业的结构也从以产品为中心迈向以提供产品和增值服务为中心，这是制造业的历史性发展和进步，是制造业走向高级化的重要标志。,67,服务：,“服务于”，“我为他服务”； “被服务”，“他为我服务”。 后端的产品售后技术服务 前、中、后端的战略

29、分析，概念创意，规划设计，管理决策，管理维护，软件支持，咨询服务， 包括“效益化”服务与“人性化”服务。,68,制造发展优势和谐制造：,以人为本，制造走向 “效益化”与“人性化”一体化 和 “制造服务” 一体化的 和谐制造。,69,和谐制造的重要特色与发展趋势,它是以制造技术、信息技术、管理科学以及有关高科技成就相结合而形成的先进制造技术； 它是与社会相和谐的人文制造技术； 它是与环境相友好的绿色制造技术； 它是立足于学科交叉的而能不断开拓新领域的可持续发展制造技术。,70,六、制造的发展战略,71,我国今后15年科技指导方针,自主创新， 重点跨越， 支撑发展， 引领未来。,72,指导思想,立

30、足应用，加强基础,重点突破，全面关注,扎根实际，务求超越,实干巧干，出奇制胜,73,发展战略,1综合运用现代物理学、力学、数学、化学以及生命、纳米、材料、信息、管理等科学技术，研究现代制造科学技术的新概念、新原理、新方法，促进制造学科与上述学科的交叉和融合，并在交叉和融合中使制造科学不断发展和完善，促进制造科学理论体系的不断完善，提高我国制造业的源头创新力与竞争力。,74,发展战略,2针对国家未来高技术发展、国家安全和全面建设小康社会的需求，研究国家未来的重大建设工程和国防安全所需共性制造科学问题和关键制造技术，为国民经济可持续发展和国防建设提供理论和技术储备，以支持建立起拥有低技术依存度与核

31、心技术的我国完整的先进制造体系。,75,发展战略,3通过一系列基础研究项目的实施与基地的建立，力争建立具有我国特色的制造学科的理论与技术创新体系，支持、稳定和培养、引进一批具有创新意识、思维活跃、立足国内、既具有国际开阔视野又具有深厚民族情怀的从事先进制造基础研究的高层次人才和研究梯队。,76,优先发展的方向1.机电产品创新和系统优化设计理论与方法,全生命周期的产品数字化建模和仿真评估理论与设计规范 基于数字化产品模型的智能化产品设计方法 产品快速创新开发的设计、规划和管理技术,77,优先发展的方向2.网络环境下制造协同策略理论和关键技术,制造系统的信息模型和约束描述 网络环境下制造系统、制造装备的协同策略 分布式制造系统建模与仿真技术 支持并行化及网络化协同制造的理论和技术,78,精捷成形制造原理和技术 高柔性的高能束精密成形制造原理和技术 创形创质并行成型制造原理和技术,优先发展的方向.新型成形制造原理和技术,79,优先发展的方向4.数字制造理论和数字制造装备技术,产