机械工程科学前沿与发展 朱剑英教授 南京航空航天大学(PPT-127)

2020/12/16
20
制造业的重大意义(1)
1）在发达国家中,制造业创造了约60%的 社会财富、约 45%的国民经 济收入。
2）据统计，美国68%的社会财富来自于制 造业。
3）CIRP在1999年的报告中指出：在国家 生产力的构成中，制造技术的作用一般 占55%~65%。
4）在许多国家的科技发展计划中，先进制 2020/12/1造6 技术都被列为优先发展的科技。 23
基因）。
2)1973年美国的科恩和博耶演示了世界上第一例DNA分 子重组，打开了理解生命奥秘的大门，1973年成为人 类进入信息时代的标志。
3)1997年英国成功地用体细胞克隆技术培养出羊“多 莉”，第一次实现了生命的复制。
2020/12/16
32
现代超精密机械对精度的要求
序
超 精 密 机械
导弹 、飞机的惯性 导航
1
系统 中的气浮陀及 其马
达轴承
2
人 造 卫 星仪 表轴 承
3
激 光 陀 螺反 光镜
4
精 确 制 导仪 表零 件
5
计 算 机 硬盘 驱动 器 、光 盘 、 复 印机 的精 密 零件
6
微 电 子 芯片 刻线 机
7
2020/12/16
基 因 操 作机 械
精度要求
尺寸精度、圆度、 圆
柱度要求达到亚微 米
级 表 面 粗 糙 度 Ra
美
国
美 国 麻 省 理 工 学 院 18
美国特勒
14
机器人
15
人造卫星
16
宇宙飞船
17
飞船登月
18
载人航 天飞机
19 磁 悬 浮 列 车
20
光纤通信 设备
21
芯片
22
扫描隧道 显微镜
23
掌上电脑
24
手机
25
信息高
2020/12/16 速 公 路
1954 1957 1961 1969.7 1977 1965 1968
2020/12/16
29
20世纪的三个重大科学成就 都是“以微见著”(1)
1.量子力学
1900年，普朗克依据黑体辐射实验而提出量子假说，后与玻尔、 薛定谔等人于1925年建立量子力学。解决了波粒二重性问题：在 原子尺度下，粒子的能量与波动的频率成正比，动量与波长成反 比。
2.相对论
1)狭义相对论：1905年，爱因斯坦在迈克尔逊测量光速的基础上， 提出了狭义相对论，预示了原子能的巨大潜力：
2020/12/16 7.从制造大国走向制造强国
2
制造业与制造技术 的重大意义
2020/12/16
3
制造业不是夕阳工业(2)
2.日本的经验
1）在上个世纪70-80年代，日本非常重视制造业，
特别大抓了汽车制造和微电子制造，结果日
本的汽车和家用电器占领了全世界的市场，
特别是大举进入了美国市场。
2）日本的微电子芯片成为美国高技术产品的关
机械工程科学前沿与发展 朱剑英教授 南京航空航天大学(PPT-127)
目录
1.制造业与制造技术的重大意义
2.以微见著
——精密化是机械制造发展的核心
3.以综见著
——自动化是机械制造发展的途径
4.以网见著
——信息化是机械制造发展的急需
5.以智见著
——智能化是机械制造发展的方向
6.制造业与制造技术的创新
日本工业技术院
美 国 Apple 公 司 推 出 Newt百度文库n 系 列 美国
美国政府提出 National Information
Infrastructure - - - ( N I I ) 计 划 19
中国制造业的成就(1)
2001年,中国工程院的调查结论:
1）中国制造业占国民生产总值的1/3 2）占整个工业生产的4/5 3）为国家财政提供1/3以上的收入 4）贡献出口总额的90% 5）就业人员8043万
电子计算机（1946）、晶体管
（1948）、集成电路、微电子技术
等。
3）微电子制造技术开创了全新的信息
时代。 2020/12/16
11
制造业是产业革命的主力军（4）
第四次产业革命：1973-
1）又称为：高新技术产业革命。
2）产业革命的标志：众多高新技术产品，如微电子产
品、电脑、新一代通信产品、新一代汽车、磁悬浮
内燃机原理
电磁波通信原 理
喷气推进原理
雷达原理
青霉素原理
铀核裂变
发现半导体
集成电路设计 思想
光纤通信原理
无线移动通信 设想
多媒体设想
新一代设计芯
2020/12/16片
年份 1831 1862 1895
1906 1925 1928 1938 1948 1952
1966 1974
技术发明 发电机
汽油内燃机 第一个公众广播
制造业的重大意义(4)
人大常委会副委员长宋健指出：
“制造业是实现现代化工业的水之源、 木之本，是实现工业化的保障和原动 力，是国家实力的脊梁，是支持共和 国大厦的基石。没有强大制造能力的 国家永远成不了经济强国。”
2020/12/16
26
知识经济与制造业
2020/12/16
28
以微见著
—精密化是机械制造发展的核 心—
2.当前工程控制论的前沿 3.制造中的自动化技术
2020/12/16
39
工程控制论的前沿
1. “非”: 1) 非线性 2) 非定常 3) 非经典 4) 非一般 5) 非对称 6) 非平衡
2020/12/16
2. “智”: 1) 智能系统 2) 智能控制 3) 智能优化
40
制造中的自动化技术
1.CAD/CAM技术(包括CAT/CAE/---CAX) 2.数字控制技术 3.机电一体化技术(包括光、液、气) 4.传感器与测试技术 5.伺服驱动系统技术 6.自动机技术(包括输送、存储、装卸及机器人) 7.加工、装配和检验中的自动化技术 8.制造系统技术 9.管理信息化技术 10.回收与维修中的自动化技术
20结20/12论/16 ：制造自动化技术的基础是数字技术41
E=mc2
E – 能量，m – 质量，c – 光速
2)广义相对论：1915年提出广义相对论，揭示了时间、空间、物质
2020和/12运/16动的普遍规律。
31
20世纪的三个重大科学成就 都是“以微见著”(2)
3.DNA（脱氧核糖核酸）双螺旋结构
1)1953年沃森和克里克发现生物大分子是由DNA组成， 其结构是双螺旋结构，遗传密码存在于DNA中（称为
电台 涡轮喷气发动机
制出雷达 制出青霉素 制出原子弹 半导体收音机 第一个单片集成
电路 光纤电缆 蜂窝移动电话
1987
90 年 代
多媒体电脑 新一代芯片实现
年份 1872 1883 1921
1935 1935 1943 1945 1954 1959
1970 1978
1991 90 年 代
孕育过程 41 年 21 年 26 年
原 子 逐 一 搬 Xe迁 ，
最 终 以 3 5nm 个
Xe原
子 排 成 IBM 三 个 字 ，
每nm 个 字 高 5
，
原子的最短距离为
1
36
以综见著
—自动化是机械工程发展的途径—
2020/12/16
37
自动化是机械工程 综合化的核心和目标
1.自动控制基础理论的发展 1）经典控制论 2）现代控制论 3）大系统控制论（智能控制论）
键元件。1991年海湾战争结束后，日本人说
美国赢得这场战争是依靠的日本的芯片，是
2020/1“2/16 日本的芯片打败了伊拉克的钢片”。
6
制造业不是夕阳工业(3)
3.东南亚经济危机的启示
1）1998年爆发的动南亚经济危机，从另一个侧
面反映了一个国家发展制造业的重要。一个
国家，如果把经济的基础放在股票、旅游、
29 年 10 年 15 年 7年 6年 7年
4年 4年
4年 18 个 月
（ 莫 乐 定 17
律）
20世纪改变世界的重要机电产品
序
产品
1
汽
车
2
飞
机
3
火
箭
4
电冰箱
5
电影机
6
电视机
7
喷 气 发 动机
8
原子弹
9
计算机
10
晶体管
11
核电站
210220/12/16 数 控 机 床
13
氢弹
发明 时 间 (年 ) 18 85 19 03 19 03 19 03 19 17
1971 1999 1986 1992 90 年 代 初
1993
美国戴沃尔获第一个 工业机器人专利 苏联 苏联加加林 美 国 阿 波 罗 11
美 国 海 斯 •富 勒 顿
日 本 时 速 400--500 公 里
美国
美 国 Intel 公 司 微 处 理 器 4004
Intel 的 奔 腾 III芯 片 , 已 达 950 万 晶 体 管 /片
8
2020/12/16
加工方法 精密电火花加工
金刚石刀具 超精切削
精密研磨、抛光
电子束刻蚀 离子束加工 紫外线光刻 L I G A 技 术 ( 光 刻 、电 铸复合采用深同步 X射线光刻)
扫描隧道显微 （ STM） 加 工 及 原 子 力 显 微 （ AFM） 加 工
可达水平
约 1微米
Ra ( 0 . 02 ~ 0 . 002 ) m
1919(黑 白 ) 1936(彩 色 ) 1927(黑 白 ) 1940(彩 色 )
19 37
19 45.7. 16
19 45.8. 6 19 45.8. 9
19 46
19 48 19 51 19 51 19 52
发 明 者 及备 注
德国本茨
美国福特汽车公司建立
美 国 莱 特兄 弟
俄 国 齐 奥尔 科夫 斯 基
美 国 弗 里基 德亚 公 司
德 国 福 格特
德
国
美 国 贝 尔电 话研 究 所
美
国
英 国 惠 特尔
美 国 新 墨西 哥州 阿 拉 莫 哥 多 沙漠 爆炸 了 当 量 为 1.9 万 吨 TNT 的
原子弹 日本广岛 日本长崎
美 国 莫 切利 与埃 克 特 发 明 ENIAC 电 子 管 计算机
美 国 肖 克利
列车、新一代飞机、机器人、生物工程产品、新一
代药物、绿色食品、转基因产品等等。
3）微器件制造工艺，如拉单晶、掺杂、扩散、离子注
入、外延、溅射、化学沉积（CVD）、光刻、表面
贴装、自动化组装、进而到纳米器件制造工艺将把
2020/1高2/16新技术产业革命推向顶峰。
12
从科学发现到技术发明
科学发现
电磁感应原理
金融、房地产、服务业上，而无自己的制造
业，这个国家的经济就容易形成泡沫经济，
一有风吹草动就会产生经济危机。
2）新加坡、台湾都有自己的制造业，因此受经
2020/12济/16 危机的影响小一些。
7
制造业不是夕阳工业(4)
4.瑞士依靠什么使人均产值
居世界第一？
1）瑞士是一个仅700万人口的小国，但瑞士的制
(原 子 尺 度 )
33
加工精度及其发展
1—车、铣
2—磨
3—CNC机床
4—研磨、工具磨
5—光学磨、金刚石车、磨
6—金刚石超精车、磨、 电解
加工
7—衍射光栅刻线机
8—电子束、离子束、X射线
9—分子束生长、离子注
10 — 扫描隧道技术
2020/12/16
35
细微与纳米加工技术可达的水平
序 1 2
3 4 5 6 7
的 镜 面 ,可 切 削
1nm
的切屑
Ra ( 0 . 01 ~ 0 . 002 ) m
的 镜 面 ,用 于 量 块 、 光学平晶、集成电 路硅基片加工
0.1 微 米 线 宽
达纳米级
0.35 微 米
达 0.1 微 米
达 0.1 纳 米 1990 年
美国
I B M 公 司 Ni用
STM
技术将
（Xe 1 1 0 ） 表 面 吸 附 的
造业十分发达，瑞士的精密机械产品的出口
量是我国的8倍，瑞士的手表世界第一，连小
小的军刀，也风靡全世界。
2）现在瑞士的年人均国民生产总值达到4.3万美
元以上,居世界第一。
2020/12/16
8
制造业是产业革命的主力军（1）
第一次产业革命：1733-1878 1）又称为：蒸汽革命。 2）产业革命的标志：瓦特发明的蒸汽机。 3）英国的制造业孕育和实现了瓦特的发明 4）制造业和瓦特的发明推动了热力学理论
微波、雷达、合成孔径、微波成像、卫星通信、宇宙
微波探测等技术的发展。
5）牛顿力学和电动力学又为量子力学的发展指引了道路，
2020/1导2/1致6 了量子场论的创立。
10
制造业是产业革命的主力军（3）
第三次产业革命：1945-1972
1）又称为：电子（原子）革命。
2）产业革命的标志：原子弹（1945）、
的诞生。
2020/12/16
9
制造业是产业革命的主力军（2）
第二次产业革命：1879-1945
1）又称为：电气革命。
2）产业革命的标志：电灯（爱迪生）、电话（贝尔）、
电机（西门子）等电气化产品。
3）制造业肇始了电的应用，而后才有麦克 斯韦电动力学
理论的诞生。
4）麦克斯韦电动力学理论推动了20世纪初开始的无线电、
达到 1
纳米，圆度、圆柱 度
达纳米级 表 面 粗 糙 度 Ra
达纳
米 ， 平 面 度 达 0.05
微米
精度达纳米级，若 其
陀螺 转 子轴 线偏 离
0 . 5 nm , 就 会 引 起 1 0 0
米 左 右 射程 误差
精 度 达 100 纳 米
刻 线 宽 度 在 50 纳 米
以下
移动距离在纳米级 ，
移 动 精 度 在 0.1 纳 米