制造领域的学科前沿

F1-ATP酶
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分子马达的旋转
将 1m 的 微 球 连 接 到F1-ATP酶的亚基 上，用相差干涉仪 测量微球运动，其 速度为3-4r/s。
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尺度效应！
——微观世界绝对不 是人们所习惯的宏观 世界的比例缩小！
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巨人与普通人
——尺度效应
假定巨人身长是 普通人的12倍！
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巨人身长是普通人的12倍
图2
DNA 镊子
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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。
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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。它能够产生大于 100pN的力，无负载 时蛋白质的旋转速度 为17r/s。
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在这一尺度上， 固体甚至不再 具 有 确 定 的 “表面”！
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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……
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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。
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需要向物理学家、化学 家学习，与物理学、化 学实行学科交叉。
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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）
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非自由切削的基本特征 ----排屑干涉
加剧切屑变形； 加速刀具磨损； 恶化加工表面光洁
度；
增加切削功率消耗；
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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。
3=1728倍； 臂膀重量是普通人的12
举起臂膀时其重心升高的距离是
普通人的12倍； 举起臂膀一次所做的功是普通人 的124 =20736倍；
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举起臂膀一次所做的功是普 通人的124 = 20736倍
巨人肌肉的牵引力是普通人的
122=144倍； 肌肉的牵引距离是普通人的12 倍； 做功的能力是普通人的123 = 1728倍。
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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。
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不能采取“分解”和简 单地“叠加”的方法来 研究与处理一个切削过 程，而必须从整体上研 究各部分刀刃之间的相 互作用。
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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
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虚拟制造——
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；既能够在方寸屏幕上仿真并显示 规模浩大的制造系统及其运行状况， 也能够纤毫毕露地揭示制造过程的某 些细节。
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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
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在纳米尺度上,量子效 应、物质的波动特性和 微观涨落等已成不为可 忽略的因素。
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“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。
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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。
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新的增长与新的效益
新的知识
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制造知识可以理解为某种“信息”
“不知不识” 有知有识
──获得新的信息； ──行为的有序度上升； ──行为结果的熵含量减小； ──行为的对称破缺增加。
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构成制造系统的三大要素 物质 能量 信息
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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。
原子操作， 分裂原子核 分子组装
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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。
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微制造学
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。
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以分子组装方法生成钠米结构
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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。
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在分叉点上一个金属切削过程 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；
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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——
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虚拟制造——
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。 虚拟制造为并行工程提供了 实现的条件。
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设计 N 图纸 ？ 合格 Y 加工
修改设计
改进加工
N 零件 ？ 合格 Y 装配 改进装配
N 整机 ？ 合格 Y 销售与 售后服务 N 用户 ？ 满意 Y 继续生产 改进 售后服务
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计算制造学
（数字制造）
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“计算制造”指的是利用 计算机对制造过程和制造 系统进行数字化建摸、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。
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虚拟制造——计算机中开工厂
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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。
制造领域的学科前沿
华中科技大学 师汉民
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Biblioteka Baidu
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。
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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 ── 制造科学的新疆 域
“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； 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。
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这表明——

我们正在走向一个崭新的时代 知识经济时代。 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。
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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！
控制的即时性不再成立；
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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；
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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。
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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。
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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。
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结论：知识需要计量！
问题：知识如何计量？
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基于信息量的“知识”计 量 Shannon, 1948年,
信息量——不确定度的减少的度量
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。
开传 发统 与的 生产 产品 过串 程行
设计 加工 仿真 N
修改设计
修改加工工艺
满意 ？ Y 装配 仿真
改进装配工艺
满意 ？ Y 使用仿真 维修仿真
N
并 行 设 计 过 程
修改维修服务
满意 ？ Y
N
交付生产
并行工程
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制造科学领域中的数学问题
(举例)
离散动态系统的建摸与调度；
Multi-agent（多智能体）系统
Cu+组成 的环状物， 外径2.8钠 米, 内径1.1钠 米。
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以分子组装方法生成钠米结构
碳原子组成的多 面体。
以上这些钠米结 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。
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DNA导线
100 nm
150 nm
纳米共鸣器（自然频率可达几十 亿兆赫兹）
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DNA纳米镊子
由三条DNA单链自组装 而成，其中两条链作为 镊子的两条臂，长7纳 米。另一条链跨在这两 条链上，起到一种骨架 和铰链的作用。DNA也 作为动力来打开和关闭 镊子。
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。
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制造知识的计量问题
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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； 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 ； 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
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E. N. Lorenz 的发现
x 10 x 10 y , y 28 x y xz, z 3 z / 8 xy。
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差之毫厘，失之千里
——对于初始条件的极端敏锐的 依赖性
时间
时间
时间
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混沌运动的特点：
内在随机性：初值中极 其微小的、根本无法控 制的因素，被放大到起 主导作用的地步，从而 使得系统的行为表现出 随机性。
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非线性 制造科学
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非线性？
一个和尚挑水吃； 两个和尚抬水吃； 三个和尚没水吃！
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线性与非线性
6 5 4 3 2 1 0
Á ¸ º É ã ö Í Ð
Ò ¸ º É » ö Í Ð
Á ¸ º É ½ ö Í Ð
È ¸ º É ý ö Í Ð
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我们熟悉的理论绝大部分 都是线性的，例如：
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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。
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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
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问题的提出?
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制造业正在经历着深刻的变化:

“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；
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研究内容
制造知识的内涵及其研究内容； 制造知识的计量； 基于知识或基于信息的制造观；
制造过程与环境。
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制造知识的研究内容：
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；
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；
的动力学与自组织机制； 制造知识与信息的表述与推理 模型； 反求工程中的三维重构方法；
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制造科学领域中的数学问题
(续)
“旅行商”问题(NP问题与组合爆炸)；
概念空间中的优化方法；
虚拟空间与虚拟世界中的数学方法；
避障、防碰及路径规划和寻位(“沙发”
问题)； 精密测量中的评定与仲裁……
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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！
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大动物决不是小动物的 比例放大
鼹鼠
河马
河马的骨骼比鼹鼠要粗壮得多！
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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！
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微制造学
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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。
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加工精度的进化
加工与测量
加工精度
1mm 0,01mm 1m 1nm
核物理
极 限 0.1nm(Å) 加 工 精 度
DNA
牛顿力学定律；
虎克固体变形定律；
马克斯威尔电磁场理论； 等等……
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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。
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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。
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一个动态系统的归属
——传统的理解
稳定平衡点
稳定极限环
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新发现的一种归属
罗 伦 芝 吸 引 子 —— 蝴 蝶
限奇 漫异 游吸 永引 不子 回 头 。无
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——
这方面的发展对于制造 科学的影响是非常明显 的，各种非线性模型或 非线性理论被提出，并 得到充分的研究。
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举例： 非自由切削过程中的分叉与突变