制造工程学科前沿

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——D N A造型：采用D N A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-ATP酶的γ亚基上，用相差干涉仪测量微球运动，其速度为将1μm的微球连接到F13-4r/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”！●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……●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。

●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：➢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……➢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(d e t e r m i n i s m)和可预见性(p r e d i c t a b i l i t y)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➢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；➢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——➢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。

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；➢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……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:❖“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；❖“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。

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。

❖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❖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。

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；❖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❖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，制造系统科学就不能成为一门精确的科学。

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

信息含量 制造过程 信息泵 毛坯 成品现代产品➢ 产品是制造信息或知识的物化与集成； ➢ 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！➢ 哈勃空间望远镜的镜片：直径2.4米，重量900公斤；➢ 要求在地面上获得角秒的高分辨率：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；为了做到这一点，镜头的形状误差不得超过0.01m m ；要求如此巨大零件的制造误差落在如此狭窄的范围内(10n m )，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。

黑河三亚角秒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(A r t i f i c i a l L i f e)：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➢产品设计与建模；➢生产线的运行、调度、仿真与优化；➢企业管理与企业间的合作与竞争；➢城市发展与人口规划；➢经济现象与社会现象；➢软件工程；➢图象分析……有关生命科学泛化的其它学科：➢人工神经网络（Artificial Neural Network)；➢基因遗传算法（Genetic Algorithm);➢广义进化论（Generalized Theory of Evolution)。