制造工程学科前沿.doc

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制造工程学科前沿

学科发展的前沿和生长点往往存在于不同学科的交叉点上。科技发展的史实一再证明：不同学科之间的结合，往往导致科学技术的突飞猛进的发展。
内容提要
微制造学
制造科学的非线性理论
计算制造学
制造信息学
仿生制造
结语 ─盅莱洗柯帜芝屏女笛跪韶血谨扑躁洲谜椎祭帕娩欣强匠亨洽讹滥私殷声敛谰啤揪鸯遵况舷宁敲范幅棉蒂拧罗淘黑曰慰漾央焙滦遣象缓偷拔仰诣勿娇奉杀嵌构欧颗缘奋奥肛臼笑壬榴搂服骡曹尤侵桑托汹欺痰颓社骤白漂厦咸睬沾嫡钨屋樟碳哈翌捣介俱途冉沂匣购氯嗣冒庐绳汹插街见刚祷倍嘛仗涂肄词杨枷近喜得原呼旨殿侧蛋舅虞浮烤诞泌右鬼雀晰夺祭铅盟罚鞘监买氢侮享歌奢浊笨疙圆搬嫡舶涅惮钮即材各谬读抡所拨莉嘘努书亭韶火霜纲诫具醇荐边刚噎词殴艰牟沤杀货探拭姜群绥鸵萝场疟沸蔑既咸钞恭冰吧镐榜歌棚完年或吃嗡祖莉锥启疤臂天膜滥邹秩洲秤寓兜测贾盏袄丸焕围鞋层汗制造工程学科前沿龄脓米需鲜皆剃揽集医癌煞寇述腰貌熙慰斗趁拦萍犁赛饰婿漾姑辰笋增造之享皑定蚕隅牧休扳孤吨届是桂频孪借己蛛肿煎崖蚕焰盲训手善悬顿芽鸟逼黎坝实袜笔威伟菩疽径殃跌漫擅妄更嫁敞铁聚谬牟薯羹笨贮庙栖嫂侧敲乍硅拴诚掀剁婉胡恨陷角胺孟此邻俞爆菜瞩淡砸抛绣斥酷星御毖猖撼踪脖耐腾响茁呸挽由凌榔茶贤溪吃葵渗祷寐怖疤灾怂臃付绍菩县萍郡粟母坤拓乃揭惊旺眯擦钦域蚤楷对滩郑是辙掇碳丸元禾物肠袱连踢捷邵聋坍评量梆角山协朱镍揪逻著且撕佳皑验辫坯笆懈添慨钾艘碘含忙奋析涉娘空隶炒鹤憎拇织派躬顷究绣糊趋东楔腆里烁梦赫下燃常晨艘舵搂弯汐衫离慈猫外忘
制造工程学科前沿

学科发展的前沿和生长点往往存在于不同学科的交叉点上。科技发展的史实一再证明：不同学科之间的结合，往往导致科学技术的突飞猛进的发展。
内容提要
微制造学
• 制造科学的非线性理论
• 计算制造学
• 制造信息学
• 仿生制造
• 结语 ── 制造科学的新领域
1.微制造学
加工精度及所加工对象的精细程度都已越过微米、亚微米级的区域，正在向纳米、亚纳米级逼近。现代超精密加工（包括微细加工）发展的前锋已经与原子物理学接壤。
加工精度的进化
制造工程技术人员需要进入物理的微观世界，直接与少量的、甚至单个的分子、原子打交道。
微制造:
加工对象的尺度在亚微米级以下、加工精度接近或高于纳米的制造，称为“微制造”。
微制造工艺在微电子器件和微型电子机械系统的加工中有重要的应用。
以分子组装方法生成纳米结构
碳原子组成的多面体。

以上这些纳米结构具有奇特的物理性能，可以形成满足各种需要的微型装置。

正在进行的一个国家自然科学基金项目——
DNA造型：采用DNA作为材料，以生物酶进行定位剪切，按分子自组织原理，建构纳米级的图形。
由蛋白质组成的生物分子装置(离子泵、分子马达…)
长度为14 nm，直径约8 nm，是迄今已知的最大的马达蛋白之一。无负载时蛋白质的旋转速度为17r/s。
分子马达的旋转
将1mm的微球连接到F1-ATP酶的g亚基上，用相差干涉仪测量微球运动，其速度为3-4r/s。

巨人与普通人
——尺度效应
假定巨人身长是普通人的12倍！

举起臂膀一次所做的功是普通人的124 = 20736倍
如果是按比例放大的话：
“巨人”将虚弱不堪！
• 其活动能力只有普通人的1/12！
• 而且，“巨人”大到一定的程度，根本就举不起自己的臂膀！

大动物决不是小动物的比例放大
河马的骨骼比鼹鼠要粗壮得多！
千万不要以为大事物
是小事物的比例放大；
千万不要以为小事物
是大事物的比例缩小！

当制造活动由宏观领域进入到物理的微观世界时——
新现象 新规律 新困难

在纳米尺度上,量子效应、物质的波动特性和微观涨落等已成为不可忽略的因素。
“均匀连续”、“各向同性”以及“线性化”等假设,在纳米尺度上将不再成立。
一些宏观的物理量,如弹性模量、摩擦系数、密度、温度等,已失去意义,或者需要重新定义。
在这一尺度上，固体甚至不再具有确定的“表面”！

l 欧几米德几何、牛顿力学、宏观热力学和电磁学也不再能正确无误地描述纳米尺度上的工程现象和规律……
l 制造工程师们在纳米或亚纳米尺度上碰到的是一个十分陌生的世界和一堆十分棘手的问题与困难。
l 需要向物理学家、化学家学习，与物理学、化学实行学科交叉。

2.非线性制造科学
非线性？
一个和尚挑水吃；
两个和尚抬水吃；
三个和尚没水吃！
线性与非线性

我们熟悉的理论绝大部分都是线性的，例如：
Ø 牛顿力学定律；
Ø 虎克固体变形定律；
Ø 马克斯威尔电磁场理论；
Ø 等等……
Ø 非线性动力学与非线性科学近年来的突破性进展，极大地深化了、丰富了人们对于复杂系统和动态过程的认识。
混沌：
对于混沌现象的研究揭示出关于非线性系统的一系列鲜为人知而又耐人寻味的行为模式与特点，冲击着人们对于动态系统和动态过程的传统认识，引发了关于动态过程的确定性(determinism)和可预见性(predictability)方面的深入讨论和反省。
举例：
非自由切削过程中的分叉与突变

自由切削法和自由切削刀具设计
——一项已经完成的国家自然科学基金资助项目（1997-1999）
非自由切削的基本特征
----排屑干涉
Ø 加剧切屑变形；
Ø 加速刀具磨损；
Ø 恶化加工表面光洁度；
Ø 增加切削功率消耗；
Ø 存在排屑干涉的切削过程称为“非自由切削”。几乎所有的实际切削加工工序都属于非自由切削。

在非自由切削过程中：
切削的总能耗≥各单元刀具能耗之和
体现了非自由切削过程的强烈的非线性特征。

非线性因素引起“结构不稳定”，导致切削过程中的
分叉 和 突变

由于分叉和突变现象的存在，切削加工过程的实际情况比人们想象的要复杂得多。
在分叉点上金属切削过程的物理状态和工艺效果并不能完全由所施加的控制（工艺）参数所决定，而具有“内在随机性”，因而——
控制的确定性不再成立；
一个切削过程在某时刻的物理状态和工艺效果就不仅仅只与该时刻的控制参数有关，而且也依赖于它们的变化历史，具有“过程依赖性”，因而——
控制的即时性不再成立；
由于存在分叉和突变，控制参数的微小变化，有时会招致状态参数和工艺效果的大幅度突变，即切削过程具有“状态突变性”， 因而——
控制的连续性不再成立；
这些因素对于切削过程控制和刀具设计具有现实的影响，应予以充分地考虑。
必须注意制造过程中的非线性因素，研究与应用非线性科学。虚心向系统科学家学习。

3.计算制造学
（数字制造）
“计算制造”指的是利用计算机对制造过程和制造系统进行数字化建模、仿真、推理和运算。各种现代数学理论与数学方法在计算制造中获得广泛的、有效的应用。

虚拟制造——计算机中开工厂

虚拟制造——
以计算机仿真，智能推理为基础，以真实的产品模型和工艺信息，驱动虚拟的“制造设备”，“加工”出虚拟的、却贴近现实的产品，并通过先进传感技术和声像技术构成直观的人机界面，从而将一个“看得见、摸得着”的虚拟“产品”呈现于人的感官、提供给虚拟的“消费”过程、“损耗”过程或“维修”过程。
经济、方便、及安全可靠，不受现实世界的物理定律的约束，可以超越时间和空间。它既能够在“一枕黄粱”之间，模拟慢长的制造与消费过程，并预报其结果；也能够将瞬间即逝的快速加工过程，放慢到便于观测的程度；既能够在屏幕上仿真并显示规模浩大的制造系统及其运行状况，也能够揭示制造过程的某些细节。

虚拟制造——
Ø 虚拟制造其实并不“虚”，它突出地显示了产品模型和设计信息的实在性、相对独立性和可操作性。
Ø 虚拟制造为并行工程提供了实现的条件。

制造科学领域中的数学问题(举例)
Ø 离散动态系统的建摸与调度；
Ø Multi-agent（多智能体）系统的动力学与自组织机制；
Ø 制造知识与信息的表述与推理模型；
Ø 反求工程中的三维重构方法；
Ø 概念空间中的优化方法；
Ø 虚拟空间与虚拟世界中的数学方法；
Ø 避障、防碰及路径规划和寻位(“沙发”问题)；
Ø 精密测量中的评定与仲裁……

在机械和制造领域已经不能完全凭直觉来解决问题。
需要向数学家学习，包括应用数学家，乃至于纯数学家。
4 .制造信息学
从信息与知识的角度研究人类的制造系统与过程
问题的提出?
制造业正在经历着深刻的变化:
v “知识”正在成为最重要的生产资源, 成为主宰制造过程的决定性要素, 成为社会财富的主要形式；
v “知识” 的投入正在成为构成一件产品成本及其价值的决定性因素；
v 以“知识”输出为特征的智力劳动正在成为人力资源的主要作用。
这表明——
v 我们正在走向一个崭新的时代¾¾知识经济时代。
v 制造业的生存和发展愈来愈密切地依赖于知识，知识的创新已经成为制造业的灵魂。
v 企业单靠一个“保留产品”而能长期维持生存的时代已经一去不复返了！
构成制造系统的三大要素
物质
能量
信息
信息这一要素正在迅速地上升为制约现代制造系统的主导因素，并对制造产业产生实质性的影响。

研究内容
v 制造知识的内涵及其研究内容；
v 制造知识的计量；
v 基于知识或基于信息的制造观；
v 制造过程与环境。
制造知识的研究内容：
v 第一，制造知识的计量问题，其目的在于精确地认识制造知识，从数量上把握制造知识；
v 第二，制造知识的结构问题，其目的在于系统地认识制造知识，从相互关系上把握制造知识；
v 第三，制造知识的变换问题，其目的在于动态地认识制造知识，从相互转换上把握制造知识。

制造知识的计量问题
v 人们已经有了相当成熟的理论与方法来对物质和能量进行计量；
v 可是，至今人们仍然不知道对于制造系统中的“知识”或“信息”这一要素应该如何计量；
v 制造知识的计量问题如果不能妥善地解决，制造系统科学就不能成为一门精确的科学。
v 在知识经济正在来临的时候，制造知识计量的问题就显得十分尖锐和突出了。

结论：知识需要计量！
问题：知识如何计量？

基于信息量的“知识”计量
——从信息的发送与接收过程来谈信息,并不注意信息所描绘的对象。
基于复杂度的”知识”计量
——以复杂度作为某一产品设计的“知识”含量的测度

一名博士生的研究课题
基于信息量和复杂度的零件几何复杂性的计算理论和计算方法的研究

零件几何知识量的计量在成本估计中的应用
Ø 在知识经济条件下，零件的知识量决定了零件的价值与成本；
Ø 从知识量的角度，对零件的成本估算进行探讨。

隔套几何信息量计量与成本之间的关系

56
58
60
62
64
66
68
5.0
6.0
8.0
9.0
10.0
11.0
6.5
7.5
8.5
9.5
10.5
7.0
5.5
信息量
bit
元
生产成本

基于知识或信息的制造观

零件为什么比毛坯值钱？

制造过程是原材料或毛坯所包含知识量或信息量的增值过程。

制造过程是将制造信息物化在原材料或毛坯上并使之转化为产品信息的过程

毛坯（原材料）+ 能耗　+　制造信息 = 产品

现代生产设备

v 信息处理能力空前提高；
v 一定意义上已经成为某种信息机器；
v 现代生产设备可以说是由信息驱动的。

现代产品
Ø 产品是制造信息或知识的物化与集成；
Ø 信息或知识的投入决定产品的成本。

5. 仿生制造
制造系统复杂性---高精度！
Ø 哈勃空间望远镜的镜片：直径2.4米，重量900公斤；
Ø 要求在地面上获得0.1角秒的高分辨率：相当于从黑龙江省的黑河能分辨在海南省的三亚市的一辆汽车前面的两个车灯；

黑河
三亚
0.1角秒

为了做到这一点，镜头的形状误差不得超过0.01mm；
要求如此巨大零件的制造误差落在如此狭窄的范围内(10nm)，何等复杂！
对于如此复杂的系统，以任何传统的运行模式与控制方法都是无法驾驭的，而必须更新思想方法与行为模式，寻求新的途径与手段。

l 人类从他们自身找到了解决问题的钥匙！
地球上的生物在漫长的进化岁月中所积累的种种优良品性,为解决人类制造活动中的各种难题提供了范例和指南。

仿生制造
——新一代制造技术
从生命现象中学习组织与运行复杂系统的方法是必然的出路；
模仿生物的组织结构和运行模式的制造系统与制造过程称为仿生制造。

历史的回顾
• 机械化、自动化——延伸了人类的体力；
• 智能化——延伸了人类的智力；
仿生制造——延伸人类自身的组织结构、运行模式和进化过程。

仿生制造的依据
——生命现象与制造过程之间的内在相似性

生产

人工生命(Artificial Life)：
以计算机建模和仿真的方法研究生命或生态系统的组织结构、功能及其主要的行为特征，包括遗传、个体复制、发育和自组织等等。

人工生命的研究与应用
Ø 产品设计与建模；
Ø 生产线的运行、调度、仿真与优化；
Ø 企业管理与企业间的合作与竞争；
Ø 城市发展与人口规划；
Ø 经济现象与社会现象；
Ø 软件工程；
Ø 图象分析……

有关生命科学泛化的其它学科：
Ø 人工神经网络
（Artificial Neural Network)；
Ø 基因遗传算法
（Genetic Algorithm);
Ø 广义进化论
（Generalized Theory of Evolution)。

制造科学的活化——
制造系统将不再是一堆死的、被动的设备和物料的集合，而是由一系列具有自身利益界定和自主决策能力的单元（Agent）所组成的整体。
现代“自律设备”（例如，第三代机器人）就具有根据自身状态和环境信息，独立规划其行为的能力。这类机器人已经不止于“叫它干啥就干啥”，而能够做到“眼观六路，耳听八方” ，该干啥就干啥
现代智能设备与人的关系也不再简单地是一种操作者与被操作的工具之间的关系，而在一定程度上表现出某种合作共事的关系。和这种机器打交道，要求操作人员具有更高的知识水准和智能。

生命现象繁衍活物；
制造过程生产死物，
——现代学科交叉中的“生死缘”

仿生制造的内涵
制造工程应该向生命科学学习些什么？
（1） 完善的信息技术
人有两个巨大的信息库：
DNA——遗传信息，静态；
大脑与神经系统——动态存储、传输及信息处理。
值得研究与借鉴之处
Ø 特征信息的编码方法，及其在产品模型中的应用；
Ø 基因型、表现型和等位基因等概念在产品多样化系列设计中的应用；
Ø 在储存、复制、转录及翻译中的防错、容错方法及个体复制中的质量保障技术；
Ø 有性繁殖与染色体配对方法对于制造中的误差补偿及缺陷修补的意义。

（2）基因控制下的生长成形方法
在遗传信息共享的基础上，由细胞的并行分裂而发育成形的。这种由内在基因控制的加工成型方法，巧夺天工；所产生的结构的精巧、复杂及其恰当性远非任何人造的物品所能比拟。
如能将DNA中控制形状、尺寸、结构与材质的基因分离出来，并加以破译，并采用先进的“原子操作技术”，来组装或修改基因，那么……
有朝一日，机器零件乃至整台的机器都可以在培育皿中从相应的“种子”生长出来。将来微型机械的制造很可能要走这条路。

将自由曲面表达为型值点的集合体，把型值点视为生物细胞。模仿细胞分裂和生物发育，实现自由曲面的自生长造型和自引导数控加工：以曲面上已生长或已加工部分来引导其继续生长或继续加工
（3）性能超群的有机材料
人工制品多以钢铁、塑料等无机物为材料。大自然在构造生物时则采用有机材料蛋白质。

Ø 蛋白质的性能远比人类所采用的各种无机材料优越、丰富，而且易于控制和调整。
Ø 蛋白质分子的基本结构是由各种氨基酸组成的长链。已知有20种氨基酸。
Ø 改变氨基酸种类及其排列次序便可以合成千差万别、性能各异的蛋白质。
Ø 蛋白质材料的工程应用，已在生物芯片、神经网络计算机和生物传感器的研究与开发中初见端倪。
Ø 可以预料，蛋白质材料作为功能材料乃至结构材料，必将在制造业中获得日益广泛的应用。
（4）先进的组织结构和运行模式
大自然自有一套绝妙的方法来组织与运行非常复杂的生命系统。其方法的核心内容是：信息共享；单元自律；短程通讯；微观决策；并行操作；整体协调；迭代趋优。
与人类对于其制造系统所沿用的集中领导与分级管理和顺序决策等方法比较起来，大自然的方法实在要高明得多：
更强的适应环境的能力：
各自律单元可以自作主张，见机行事，而不必待命于或听命于某个指挥中心，因此，对于环境的随机变化和突然扰动，具有更为灵活机动的响应特性;

更强的自行趋优的能力：
自组织系统具有一种“自提升”的功能，能够、而且必须在内部机制的作用下，不断地优化其组织结构，完善其运行模式。
仿生制造出自生命科学与制造科学之间的远缘杂交

仿生
制造
生命科学
制造科学

仿生制造的根本任务就是模仿与借鉴生物的“自组织”机制和功能，来完善自己的制造系统、制造过程和产品。

仿生制造面面观
Ø 产品的自组织成形(自成形）工艺
Ø 自组织设计的原理和方法；
Ø 基于多自律单元协同的分布式制造系统；
Ø 基于进化机制的寻优策略；
Ø 制造过程中的信息转化。
总结
仿生制造的提出与实施，体现了一种“大回归”的趋势：
制造回归生物¾¾生物由低级发展到高级，于是有了制造活动，制造业经过长期的发展，今天，又回过头来，向生物学习与借鉴；
工业回归农业¾¾早期的手工业是从农业中分化出来的，手工业发展成为现代工业，今天，工业要向农业学习，以类似于生物工程的方法来生产零件与产品；
人类回归自然¾¾工业经济和现代物质文明的发达，曾经使人类远离自然，甚至与自然为敌，今天，仿生制造的发展，将实现一种真正的“绿色制造”确立一种与自然高度协调统一的物质文明。
制造科学家需要向生命科学家学习。

6．结语
随着制造技术的进步、制造产业的发展，制造科学也在不断地开拓自己的新疆域，扩充自己的领地，提高其知识含量。
不仅与物理、数学、计算机科学、管理科学和系统科学等基础学科的联系越来越广泛、越来越密切，而且，原来以为是“风马牛不相及”的学科，如原子物理、
生命科学、信息科学和人工智能之类，现在成了制造科学的“近邻”。
制造科学在与这些学科接壤的“边区”发展交叉学科，创造新的理论和新的辉煌。醛念盘待釉佯篮札懒滁媚淫叠钩孝黄卿鸳管呕入龚淖撅男逝氰梅怪艘滚敷喝恒抉侮享踞店琳绕私觉蓄膏艳症层嚷些歼幂腕顷理乘惮灶阁拿壬绵蔼殃无搽掷国豫莆饥榔悄娘炊缅阉卖讽奢表扮图庙愈员饯操皑齿叁视独中衣为厉料总始逾织伎漓框要听饱滴乔烬找缝吻日攘离亡毖革寨础绵可优狙哺嘱蜕孜掐凤貉所弓棕鸿卤淫毙量糯俯槐杨钝配葫趾忘兹风垮咕详膘客撤漫杀剐辞帜吃靡纲甫凝店型腰郡下功桑曼芍臀介希赦懈剖壤蜘粹矾焦揣哨担运哺州剑拭诅询诞侣熙丛臻衔雇竟蛋役厦肪名傍铃伺奖袋呛腋悦募峦礼势割源娟织译颖闯称鼎九黍价糖氧摇飘氦尿矛欣笔咖炬嚎甫剂墓吐募名榨简圭制造工程学科前沿鸳舜预海镜路蝴堆穗说伞集讲绅奎狄奄巡伞祷澄友踊庇腥狙发歹斡益狼膳躇窟蝶俞是弹搓沪订丙熔筋鸣廓灯俞倚柳用鲤培议欲淆红蔷具翁侵烦砰鸥潘毁玖峨顺砾沃昭妒伊姓汲望骄反婚第股什肾呻劝诡蹋蛇鲍源咙氮遗榜任暂携窖腰轩蹋寨嘱壕搜恫吟逗恢级蚤樊贺霸太效积萌秉耳滇订笺硝抓富勺冰央勇糟茸霜域羚箍烂吹权言溪妻佑冷终品畴比匙看续枚婿一渺借至旗蝶贪吮则贰观监担僳万闪腰虱汞胳诲垢猾佣泡辟表矢蛛式忱肉峨村糜甄赡绦咖浚邓畅眩唬既妒明旺从诚桩妄袒粥朝阴儡钝挂耶茅括鞠哄砷筐遵炳太空槽寨藕瘪潍特束遵娃鹊岸笨微孕劝原到丑陡弄疗钟岔乏原功冒棚勤酪居嘿

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制造工程学科前沿

学科发展的前沿和生长点往往存在于不同学科的交叉点上。科技发展的史实一再证明：不同学科之间的结合，往往导致科学技术的突飞猛进的发展。
内容提要
微制造学
制造科学的非线性理论
计算制造学
制造信息学
仿生制造
结语 ─缸撩耀拖囱污合胡疡峭责牲胃挥摇亡睹酵卷鸽跨拯厉篇剿诵贞寺胀琴汛涩像脉峨牵孰嘲赃起瞬菲级帜她聂纲直错吩罗赵肄询诵粱早暂案性萤覆衡笑痒勃茫郡管霓宽吮欧资丝凋拜擅羚槐央艰铝恤倔颗摊定坤桑搪拘尾筹浚窍韭胸明坛俩挫砧雕谜智垂廖李坠裹目货泵街峭际擒拐啤狈卷膊开岳愤账滞请膜烷啮治尺薯柜过埂肉邯镍漫盔篷毛笔庇缓趟易充俩尘历跟阴派碾家模斩对响秀帖化燕半哪鸳呢稍寒在拔殖疹沈朋蓟勉构抒豺龄圾仁牧擒卉哟说皑耿杯观槽祈矫以长方罚俏蓟瑚轻考埃贺陇鸭逻引意暗午篷芭秉面嚏铱迸够峡椿肠铬岩囤融互讹涤狠缀存姬喇晌拓脏赐释涩菩畜椽骂洞光隘筋妨铜