微型机械范文10篇

微型机械范文篇1

关键词：机械制冷机污染传质蒙特卡罗方法传输几率

1前言

近年来斯特林、脉管等机械制冷技术发展迅速，已成功应用于空间、军事、通信等各个领域[1,2]。长寿命技术是微型机械制冷机目前急需解决的一项关键技术，而在长寿命技术中，气体污染是一个重要因素。污染气体在制冷机内产生后，沿着复杂的管路进行传输分布，最后缓慢的吸附凝聚在蓄冷器从而影响制冷性能。

研究机械制冷机污染气体传质过程的意义在于可以从机理上了解污染对制冷机影响的途径、趋势，并对污染控制措施的改进和标准化提出建议。对污染传输过程的研究采用理论计算和实验验证两种方法相结合。

大量的分析结果表明，机械制冷机内的污染气体主要是水蒸气、酒精、丙酮[3]。在制冷机的装配、运行中有两种情况涉及到污染传输：一个是装配后的高温烘烤除气；另一个就是长期运行中的污染传输。一台制冷机装配后要进行烘烤除气，相关部件缓慢释放的污染气体经由微小间隙、圆管等通道被真空泵抽走。在制冷机的长期运行过程中，污染的主要来源是直线电机、蓄冷器等关键部件的放气，直线电机绕组的放气通过间隙密封缓慢的扩散到压缩腔、中间连管、膨胀腔，然后在蓄冷器被吸附冷凝，蓄冷器本身的放气也逐渐在冷端凝结，达到一定程度后制冷机性能会显著下降。机械制冷机的基本结构和污染传输路径如图1所示。

图1机械制冷机构造与污染传输过程简图

2制冷机污染传输机理的理论研究

2.1制冷机传输过程的分析

对制冷机进行烘烤除气时，很容易就可以抽到比较高的真空，此时气体处于分子流状态。制冷机正常运行时污染分子传输的主要障碍是宽度只有几丝（10-5m）的间隙密封和内径只有几毫米的中间连管，其余部分对传输的影响可以忽略。污染气体在氦气工质中的分压很小，而且水蒸气分子在间隙密封的环形通道里克努曾数（Kn）远大于10，也可以用分子流理论来进行仿真建模，计算传输特性。

2.2采用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法对污染传输过程进行理论建模

对于分子流范畴下气体的求解，有分析方法和数值方法两大类[4]。分析方法计算比较困难，而且对于环状管路很难得出精确解析解。采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法是比较合适的，它是一种基于概率统计的数值方法，通过计算机来追踪每个粒子的运动。由于DSMC物理模拟的本质，相比其他方法可以引入更真实更复杂的物理模型，特别是对间隙密封等复杂管道内气体传输特性的计算。

引入传输几率——无规律的进入导管入口的分子通过出口的几率[5]，只与管道的几何结构有关。分子流状态下传输几率与管道的分子流率有下面的关系式：

(1)

式中：——入口处的分子流率；

——入口处气体分子密度；

——分子热运动的平均速度；

­——入口孔的面积。

用DSMC方法来计算的基本步骤为构造贝努利模型、定义随机变量、通过模拟获得子样、统计计算。图2是圆管中DSMC计算的基本流程。如图所示，首先在计算机中产生一系列随机数生成有效粒子，然后跟踪每个粒子与管壁的碰撞情况，通过比较粒子到碰撞壁面的距离、直接返回入口的距离、通过出口的距离的大小来决定是否继续跟踪。通过对大量粒子的跟踪进行统计计算，得到传输几率。环形管路由于涉及到更复杂的几何结构，粒子的反射、碰撞公式、计算流程要更复杂。

2.3传输几率的计算

用DSMC方法编程计算了制冷机内一些关键管路的传输几率，表1是半径1.2mm、长100mm的中间连管传输几率的计算值；表2是内径15.98mm、外径16mm、长度16mm的间隙密封环状管路的传输几率计算值。计算值随追踪粒子的样本数增多而逐渐收敛，一般取样本数超过一万时，计算值就比较稳定了。

图2圆管中的DSMC计算流程简图

表1按不同样本数得到的中间连管传输几率样本数5000200004000060000

传输几率2.84%2.98%2.9925%2.9919%

表2按不同样本数得到的间隙密封传输几率样本数1000300050001000020000

传输几率1.7%2.2%2.3%2.37%2.33%

为了制冷机设计的优化，计算比较了不同尺寸结构管路的传输几率，下面图3是对不同长度L(mm)、不同内外径比值（r/R）环路的传输几率比较（外径设为16mm，改变内径以改变内外径的比值）。由图5可知，长度越长，间隙越小，传输几率越小，而且间隙变化对传输几率的影响比长度的影响要大一些。根据此规律可以在设计的时候对制冷机尺寸进行优化。

为了证明圆管结构DSMC计算模型的有效性，用DSMC方法计算了不同半径R和长度L的圆管传输几率，并与理论解析解和相关资料的实验值[6]进行了表3所示的比较，发现三者吻合的比较好。对于圆环管路的传输几率，用解析法很难得到，而且也未见到相关的实验数据。需要设计、搭建传输实验台进行分析研究。

图3不同结构尺寸圆环DSMC计算结果比较

表3不同方法得到的圆管传输几率比较L/RDSMC值解析解实验值

167.11%67.20%69.5%

251.56%51.36%52.3%

435.78%35.89%36.9%

3制冷机污染传输的实验研究

3.1污染传输实验的设计思想

为了进行具体实验来验证传输几率的理论计算，根据流导的推算方法将传输几率与容器真空度的变化联系起来。分子流导定义为：其分子流率与管的两截面或孔的两侧的平均分子数密度差之比，有两种方法进行计算：

方法一：

根据流导、流率的定义有：

（2）

式中：——分子流率；

——入口与出口平均分子数密度之差。

根据真空度的变化可以得出分子流率的公式：

（3）

（4）

式中：——标准大气压(Pa)；

——入口腔内气体真空度的降率(Pa/s)；

——入口腔的体积(m3)；

——标准状态下1mol气体体积(m3/mol)。

由式（2）、（3）、（4）可得：

（5）

方法二：

引入传输几率的概念，分子流导可以表述为[7]：

（6）

式中：——入口处的分子流率；

——入口与出口平均分子数密度之差；

——入口处气体分子密度(mol/m3)；

——分子热运动的平均速度(m/s)；

­——入口孔的面积(m2)；

（7）

（8）

由式（6）、（7）、（8）可得：

（9）

综合方法一和方法二，由式（5）和式（9）可以得到：

（10）

式中的值可以通过相关手册查出。从而得到传输几率与真空度、真空度降率两者比值的线性关系式。

3.2污染传输实验平台的搭建

搭建如图4所示的污染传输实验台，图中上腔、下腔、活塞、气缸等组成污染传输容器,活塞与气缸之间的间隙构成环形微通道。实验时首先将容器外部缠绕加热带，控制在800C，用两个真空泵将上、下腔抽为高真空，除去内壁吸附的水蒸气等气体。然后关掉真空泵阀门和加热带，往容器中充入小于一个大气压的纯净氮气，只用与下腔直接相连的真空泵抽气至高真空，通过真空计测量上腔真空度的变化，并用计算机进行采集记录。

由图5可知污染传输实验所测得的传输几率值为2.9%左右，与理论计算值2.37%要大，误差约为18%，这是可以接受的。因为误差的原因主要是间隙密封中活塞轴不是正好位于气缸中心的位置，如果活塞偏心，间隙就不是标准的环形了，作为极限情况，把所有间隙密封的空间都挤成一个圆管，传输几率变大为5.7%。在装配过程中不可能保证完全的同心，所以实验结果稍大是正常的。

用纯氮并对容器加热除气，是为了抑制实验过程中金属容器内壁释放水蒸气造成实验误差。在分子流状态下各气体传输几率是一样的，所以此实验结果也适用于污染气体的传输情况.

3.3污染传输实验结果分析

在实验的过程中对真空度数据进行实时采集、处理，实时计算传输几率。对于内径15.98mm、外径16mm、长16mm的环状管路，根据分子流区域的划定，在这间隙密封环形通道中，只要压强小于50帕便可视为分子流。在不同压强下测得的传输几率值与蒙特卡罗法计算的数值比较如图5所示。

图5污染传输几率实验值与理论计算的比较

4结论

对机械制冷机内污染气体的质量传输过程，分子流状态下气体分子的传输几率是一个比较重要的研究对象。通过直接模拟蒙特卡罗方法对制冷机中间细长连管和间隙密封的传输几率进行仿真运算。已有的解析值和实验数据验证了圆管的传输几率计算的正确性；设计实验验证方法，搭建实验平台进行具体测量分析，在可以接受的误差范围内验证了圆环密封传输几率计算的有效性。

对污染气体传输影响比较明显的几段管路中，中间细连管的传输几率为2.99%；对圆环形间隙密封的传输几率，DSMC计算值为2.37%，实验值为2.9%，在正常的误差范围之内。污染传输机理的研究揭示了污染影响的趋势，为污染控制技术的规范化奠定了理论基础。

参考文献

[1]边绍雄.低温制冷机.第二版，北京：机械工业出版社，1991

[2]陈国邦等.新型低温技术.上海：上海交通大学出版社，2003

[3]S.Castles,K.D.Price.SpaceCryocoolerContaminationLessonsLearnedandRecommendedControlProcedures.Cryocooler11,2001：649-657

[4]沈青.稀薄气体动力学.北京：国防工业出版社，2003

[5]达道安.真空设计手册.第三版，北京：国防工业出版社，2004

微型机械范文篇2

目前国内机械设计手册中有关弹簧设计与制造的一些指导性论述与实际应用是有一些差异的。本文将对有关“手册”中的节录与笔者根据实践和分析后的结果做一些阐述。

关键词

强压处理电抛光处理截锥形弹簧的设计

前言

应出版社的要求，笔者对近四十年以来国内（包括国外译著）机械设计手册中有关弹簧设计与制造方面的内容进行了研读，从中注意到这些著作中的一些指导性论述和我们在生产实际中的应用是有一定的差异的。现在将这些手册中的一些内容节录，并与笔者根据实践和分析后的结果阐述如下。

一、关于弹簧的强压（拉、扭）处理

《GB1805弹簧术语》对弹簧强压（拉、扭）处理作了如下定义：“将弹簧压缩（拉伸、扭转）至弹簧材料表层产生有益的与工作应力反向残余应力，以达到提高弹簧承载能力和稳定几何尺寸的一种工艺方法”。

化学工业出版社出版的《机械设计手册》第15章“弹簧的强化处理及热处理—强压（强拉、强扭）处理”一节中，以理论力学做了分析后得出结论认为：“以上结论表明：设计弹簧时，如以弹簧材料扭转屈服极限τ2为设计计算应力。压缩弹簧经强压处理后，材料截面表层可能存在近于τ2/3的负残余应力，故弹簧承载时，截面表层的实际应力比计算应力低约1/3。…故亦相当于承载能力提高了1/3。”该手册还认为：不同类型的弹簧其强压处理的方法…扭杆弹簧是将扭杆在工作载荷的方向，加以超过扭杆切变弹性极限的扭矩；压缩弹簧和拉伸弹簧分别加以超过弹簧材料切变弹性极限的压缩和拉伸载荷；扭转弹簧加以超过弹簧材料极限的扭矩，都可以提高弹簧的承载能力。

机械工业出版社出版的《机械设计手册》（1993年版）第30篇提出：“经过强压（拉）处理的弹簧，可以提高弹簧的许用应力τP，最高可以达25%……”根据《机械设计手册》提供的资料，可以统计并得到弹簧强压（拉、扭）处理前和强压处理后可以达到的许用应力[τ]值。列表如下：

弹簧种类许用应力强压处理后可以达到的许用应力

压缩弹簧

Ⅰ类[τ]=（0.35～0.4）σb

Ⅱ类[τ]=（0.4～0.47）σb

Ⅲ类[τ]=（0.5～0.55）σb

[τ]=（0.44～0.532）σb

[τ]=（0.50～0.625）σb

[τ]=（0.62～0.731）σb

拉伸弹簧

Ⅰ类=[τ]（0.28～0.32）σb

Ⅱ类=[τ]（0.32～0.38）σb

Ⅲ类=[τ]（0.40～0.44）σb

[τ]=（0.35～0.425）σb

[τ]=（0.40～0.505）σb

[τ]=（0.50～0.585）σb

扭转弹簧

强扭处理前的工作极限弯曲应力σf

Ⅱ类[τ]=0.625σb

Ⅲ类[τ]=0.80σb

强压处理后可以达到的极限弯曲应力σf

[τ]=（0.78～0.83）σb

[τ]=（1.00～1.06）σb

注：（1）Ⅰ类载荷(106以上)；Ⅱ类载荷(103～105)；Ⅲ类载荷(103以下)（2）强压（拉、扭）处理后可以达到的许用应力是按强压（拉、扭）处理前的许用应力的1.25～1.33倍计算得到的。

通过强压处理能够使弹簧一下子就提高承载能力25%～33%，这对于刚刚接触机械零件设计的技术人员来说，确实是一个有非常吸引人的数据。

但是，经过笔者的实践和分析，认为：通过强压（拉、扭）处理来提高弹簧的承载能力是有条件的。因为在强压处理过程中，只有将弹簧材料表层产生有益的与工作应力反向残余应力，才能获得强压的效果，并且只有在强压（拉、扭）时，使得弹簧材料产生的残余应力即塑性变形越大，弹簧材料的弹性极限提高得就越大。但每种材料的弹性极限都是有一定的限度的，一旦超过这个极限，材料不仅会产生塑性变形，而且会“完全屈服”变形，许多弹簧在强压（拉）到材料的0.5σb就已经“完全屈服”变形。各种材料屈服极限值也有差异，屈服极限值只能通过强度验算和试验后才能确定。另外，强压（拉、扭）处理的效果与弹簧的外形结构、特性、以及强压处理的工艺方法都有密切的关系。就弹簧的外形结构而言，旋绕比大或者螺旋升角小的（压缩弹簧）就不可能通过强压处理来提高它的承载能力，旋绕比和螺旋升角究竟多少能达到目的，需要通过强压设计和试验才能确定。所以，并非仅仅是简单的将弹簧压一压、拉一拉或者扭一扭，就能够一下子提高承载能力多少多少的。

综上分析，弹簧强压处理的压应力τQy或者压力PQy首先应该满足以下公式要求：τQy=8DPQy/πd3＞τS≥0.5

同时，当τQy/σb＞0.8时，会使材料达到屈服极限，弹簧出现永久变形，反而使载荷减少。

因此强压处理的压应力τQy/σb必须在0.5～0.8范围内。从上面表格中可以看出：除非是高应力弹簧，一般的压缩、拉伸和扭转弹簧都不具备强压（拉、扭）的必备条件，但可以通过对弹簧进行“预制高”的工艺来创造条件。例如：对于压缩弹簧和扭转弹簧，可以通过对它预留强压的“预制高”和“预制角”来实现两个目的：一是使得弹簧材料截面表层可以产生残余应力的“压缩量”和“扭转量”；二是经过强压处理后弹簧的高度尺寸或角度正好符合设计的要求。对于拉伸弹簧来说第一个目的就不容易实现。

根据以上的分析和笔者以往对截锥形弹簧强压处理效果的探讨，得到对弹簧强压处理的意见是：

1、在考虑要对弹簧作强压处理时，应该先对弹簧进行强压设计，以确定该弹簧是否适合做强压处理。

2、具备强压处理条件并受高应力的压缩弹簧、扭转弹簧等，经过强压处理后力学性能会得到明显的改善。

3、有初拉力要求的拉伸弹簧，在强拉处理时初拉力会减少甚至消失，这类弹簧不能做强拉处理。而无初拉力要求的拉伸弹簧，是不容易通过强拉处理来提高承载能力的。

4、高温（超过+60℃）及腐蚀条件下工作的弹簧作强压处理，只能起稳定尺寸的作用，不能提高承载能力。

5、通过用强压处理的方法来提高截锥形弹簧的承载能力在实际上是不可取的，并以此可以推断出：对于各种变刚度的弹簧，是不适合用强压处理的方法来提高它的承载能力的。

二、关于电抛光处理

为了满足对要求精密的弹性零件的力学性能，一些文献提出：“可以对用精密合金、铜合金和不锈钢丝制造的弹簧进行电抛光或者化学抛光处理，以微量削减材料表层，来达到需要的尺寸和特性。”笔者经过实践后认为，采用电抛光是可以削减弹簧表层的尺寸的，这对一些压缩弹簧、弹簧片和波纹管可以适当的采用，但是对拉伸、扭转等无间隙的弹簧，不适合用电抛光来降低其力学性能。

因为，电抛光的电流及其电介液（含硫酸、硝酸等）在极短的时间内（抛光的时间一般2～8秒）不可能均匀地通过弹簧圈与圈之间的缝隙，这样经过电抛光处理后的拉、扭簧材料的截面直径成了不均匀、不规则的多棱边形，这对精度要求比较高的弹簧来说是不可取的。从电抛光对弹簧性能的影响考虑出发，是不宜用过多的时间去电抛光，因为在酸溶液的时间过长，对弹簧强度的影响是绝对存在的，而且是有害的。其次，电抛光的溶液使用期较低，工艺参数变化大，每批弹簧都需要经过试验后才能确定，从经济上考虑也提高了成本。目前各种牌号各种直径规格的弹簧钢丝都有供应，基本上能满足各种精密要求弹簧的力学性能。

综上所述对拉伸弹簧和扭转弹簧，想通过电抛光来削减其微量尺寸，以达到需要的特性，并不可取的。对化学抛光也存在同样的问题。

三、关于截锥形弹簧的设计

1982年以后，我国出版的各种机械工程手册中介绍了等螺旋升角截锥形弹簧的设计计算方法，其中都提到等螺旋升角截锥形弹簧所形成的螺旋线，在与弹簧中心线相垂直的支承面上的投影是对数学螺线，即：R＝R1emθm＝In（R2-R1）/2π

但是，在实际介绍这种弹簧的变形和应力计算以及其几何尺寸时，又将它和等节距截锥形弹簧混为一谈。这就给有精度要求的等螺旋升角截锥形弹簧的设计和制造带来困难。笔者因为工作需要，曾经推导过等螺旋升角截锥形弹簧的设计计算方法，也曾经查阅过国外有关等螺旋升角截锥形弹簧的设计计算方法，其中前苏联的计算公式是完全正确的、精确的。

另外，等节距截锥形弹簧的设计计算公式也存在一些问题。今后将在专门的文章里提出讨论。

在截锥形弹簧的设计计算这个问题上，对于《机械设计手册》这部中国机械零件设计指导性手册的正确性和精确性，是否有些小小的遗憾。

后语

微型机械范文篇3

美国68％的财富来源于制造业，日本约49％的国民经济总产值由制造业提供。在整个制造业中，机械制造业占有特别重要的地位。因为机械制造业是国民经济的装备部，国民经济的生产水平和经济效益在很大程度上取决于机械制造业所提供装备的技术性能、质量和可靠性。纵观世界各国，任何一个经济发达的国家，无不具有强大的机械制造业。

二、我国机械制造业信息化现状分析

国内机械工业信息化状况还比较落后，发展状况也不是相当令人满意。2002年，中国机械工业联合会对全国166家中型以上核心企业的信息化状况作了调查，调查范围包括：企业在IT方面的投入，CAD专项应用以及生产过程和管理系统的状况等。就调查结果来看，总体发展状况还是比较快，但在具体项目上仍然差距很大。大体情况如下：机械工业70％的重点骨干企业基本普及应用cAD，而国家示范企业达到了90％，主导产品CAD的出图率达98％，但是相当一部分企业停留在出图上，三维CAD、CAD／CAM、仿真设计等应用很少。被调查的166家企业中进行结构优化计算的只占l6％，进行仿真设计的只占6％。有63家已经应用MRPII／ERP软件，应用MRPⅡ／ERP较成功的企业，取得明显的效益。但从制造企业整体情况看，MRPⅡ／ERP的应用还不广泛，即便已开始应用，与现代企业管理模式还有脱节，成功率还不够高。cIMS应用在部分企业取得成效，在全国201家CIMS应用示范工程企业中，机械企业约占1／5；应用CIMS比较成功的企业，综合竞争力明显提高。但目前仍有不少企业CIMS应用未取得预期效果。

三、机械制造业信息化过程中存在的问题与西方发达国家的差距

一方面，企业信息化水平不高，涉及面不广。大部分机械企业实现二维CAD应用，基于三维模型的CAD／CAM技术的企业还不多，实现CAD／CAPP／CAM一体化应用的企业更少。计算机辅助管理更是相对落后，虽在财务、人事等管理中取得一定成效，但成功实现MRPⅡ／ERP的企业为数很少。另一方面，实施企业信息化的效益还不够明显。尽管不少企业通过实施信息化取得了可观的效益，但总体上与所投入的资金、人力、物力相比，收效仍不够大。在实施信息化过程中，企业缺乏信息化整体的需求分析和可行性研究，没有与业务流程优化组合，也没有适应企业的生产管理模式，因此企业信息化的综合效果不佳。

与发达国家相比，我国企业信息化的应用规模、范围、深度还有较大差距。机械工业信息化的差距对企业国际竞争力影响很大。与欧美发达国家相比，其开发产品的周期是3到6个月，我国是1到2年。在开发过程中，发达国家技术研发更新比例是90％，我国只有40％。产品的更新换代速度直接影响市场经济的新陈代谢速度。在机械工业领域，我国每年进口大约1400亿美元，其中80％购买生产设备和自动化装备，而出口的1800亿美元中，90％都是原材料和初级产品。加工手段和工艺水平都比较落后，高质量、低能耗生产线只占10％，装备成套能力也不强。

四、我国机械制造业面临的挑战和机遇

经过近60年的发展，我国机械制造业有了很大的发展。改革开放以来，我国充分利用国内外的资金和技术，做大规模的技术改造，使制造技术水平、产品质量和经济效益有了很大提高，为推动国民经济发展起了重要作用。

面对激烈的国际竞争环境，我国机械制造业面临着严峻的挑战。在技术、资金，资源、管理体制等方面存在许多问题，急需改进和完善。由于物料品种规格多，多数企业属于多品种小批量生产，生产断断续续，给企业管理带来很大难度。生产控制模式复杂多样，客户需求也多变。市场需求品种规格繁多，生产、采购复杂。需要一个完整的供应链管理，才能快速响应客户需求，满足市场需求。由于机械产品结构复杂，工艺路线长，成本核算需要采集大量信息。因此成本核算也难做到准确。

但另一方面，随着我国改革开放的不断深入，为我国机械制造业的振兴和发展提供了良好条件。当今世界，制造业三分天下的格局已经形成，有学者预言：21世纪，中国将是世界的制造中心。所有这些又给我们带来了难得的机遇。挑战与机遇并存，我们应面对挑战，抓住机遇，以振兴机械制造业为己任，奋发图强，使我国的机械制造业早日赶上世界先进水平。

五、机械制造业的发展趋势

先进的制造业是将物料、能源、设备、资金、技术、信息和人力等制造资源通过先进的制造技术，先进的管理技术和先进的制造过程转变成人类需求产品的行业。因此，面向21世纪的机械制造技术的发展趋势是：(1)精密化。精密加工、超精密加工技术、微型机械是现代化机械制造技术发展的方向之一。精密和超精密加工技术包括精密和超精密切削加工、磨削加工、研磨加工以及特种加工和复合加工三大领域。纳米技术己在纳米机械学，纳米电子学和纳米材料技术得到了应用。目前各国科学家正研究微型机器人。微型机器人可以潜入人体血管、脏器击疏通血管，诊治疾病。据国外预测，21世纪将是微型机械电子技术和微型机器人的时代。(2)自动化。自动化技术不但提高效率，保证产品质量，还可代替人去完成危险场合的工作。在末来的自动化技术实施过程中，将更加重视人在自动化系统中的作用。同时自动化开始面向中小型企业，满足不断发展的产品多样化和个性化需要。(3)信息化。信息、物质和能源是制造系统的三要素。产品制造过程中的信息投入，己成为决定产品成本的主要因素。制造过程的实质是对制造过程中各种信息资源的采集、输入、加工和处理过程，最终产品就是信息的物质体现。公务员之家

六、企业推动信息化发展

一方面，企业领导层要高度重视信息化，充分认识其重要性。要组建领导班子，专门抓这项工作，要给予人力、物力和财力的大力支持。企业应该结合自身的实际状况，扬长避短，量力而行，制定发展计划，逐步实现信息化。例如：长江液压气厂的领导人自身就是计算机科班出身，对信息化有足够的了解和重视，因此对信息化的推动成为这个厂发展战略的重心。厂长亲自参与到企业的IT系统设计中，同时还请来了重庆大学来给他们做规划和项目实施，信息化上马相当顺利，并且也符合他们的实际需求。

微型机械范文篇4

关键词：问题；先进制造技术；前沿科学；应用前景

论文

制造业是现代国民经济和综合国力的重要支柱，其生产总值一般占一个国家国内生产总值的20%~55%。在一个国家的企业生产力构成中，制造技术的作用一般占60%左右。专家认为，世界上各个国家经济的竞争，主要是制造技术的竞争。其竞争能力最终体现在所生产的产品的市场占有率上。随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化，这种竞争日趋激烈，因而各国政府都非常重视对先进制造技术的研究。

1当前制造科学要解决的问题

当前制造科学要解决的问题主要集中在以下几方面：

（1）制造系统是一个复杂的大系统，为满足制造系统敏捷性、快速响应和快速重组的能力，必须借鉴信息科学、生命科学和社会科学等多学科的研究成果，探索制造系统新的体系结构、制造模式和制造系统有效的运行机制。制造系统优化的组织结构和良好的运行状况是制造系统建模、仿真和优化的主要目标。制造系统新的体系结构不仅对制造企业的敏捷性和对需求的响应能力及可重组能力有重要意义，而且对制造企业底层生产设备的柔性和可动态重组能力提出了更高的要求。生物制造观越来越多地被引入制造系统，以满足制造系统新的要求。

（2）为支持快速敏捷制造，几何知识的共享已成为制约现代制造技术中产品开发和制造的关键问题。例如在计算机辅助设计与制造(CAD／CAM)集成、坐标测量(CMM)和机器人学等方面，在三维现实空间(3-RealSpace)中，都存在大量的几何算法设计和分析等问题，特别是其中的几何表示、几何计算和几何推理问题；在测量和机器人路径规划及零件的寻位(如Localization)等方面，存在C-空间

(配置空间ConfigurationSpace)的几何计算和几何推理问题；在物体操作(夹持、抓取和装配等)描述和机器人多指抓取规划、装配运动规划和操作规划方面则需要在旋量空间(ScrewSpace)进行几何推理。制造过程中物理和力学现象的几何化研究形成了制造科学中几何计算和几何推理等多方面的研究课题，其理论有待进一步突破，当前一门新学科--计算机几何正在受到日益广泛和深入的研究。

（3）在现代制造过程中，信息不仅已成为主宰制造产业的决定性因素，而且还是最活跃的驱动因素。提高制造系统的信息处理能力已成为现代制造科学发展的一个重点。由于制造系统信息组织和结构的多层次性，制造信息的获取、集成与融合呈现出立体性、信息度量的多维性、以及信息组织的多层次性。在制造信息的结构模型、制造信息的一致性约束、传播处理和海量数据的制造知识库管理等方面，都还有待进一步突破。

（4）各种人工智能工具和计算智能方法在制造中的广泛应用促进了制造智能的发展。一类基于生物进化算法的计算智能工具，在包括调度问题在内的组合优化求解技术领域中，受到越来越普遍的关注，有望在制造中完成组合优化问题时的求解速度和求解精度方面双双突破问题规模的制约。制造智能还表现在：智能调度、智能设计、智能加工、机器人学、智能控制、智能工艺规划、智能诊断等多方面。

这些问题是当前产品创新的关键理论问题，也是制造由一门技艺上升为一门科学的重要基础性问题。这些问题的重点突破，可以形成产品创新的基础研究体系。

2现代机械工程的前沿科学

不同科学之间的交叉融合将产生新的科学聚集，经济的发展和社会的进步对科学技术产生了新的要求和期望，从而形成前沿科学。前沿科学也就是已解决的和未解决的科学问题之间的界域。前沿科学具有明显的时域、领域和动态特性。工程前沿科学区别于一般基础科学的重要特征是它涵盖了工程实际中出现的关键科学技术问题。

超声电机、超高速切削、绿色设计与制造等领域，国内外已经做了大量的研究工作，但创新的关键是机械科学问题还不明朗。大型复杂机械系统的性能优化设计和产品创新设计、智能结构和系统、智能机器人及其动力学、纳米摩擦学、制造过程的三维数值模拟和物理模拟、超精度和微细加工关键工艺基础、大型和超大型精密仪器装备的设计和制造基础、虚拟制造和虚拟仪器、纳米测量及仪器、并联轴机床、微型机电系统等领域国内外虽然已做了不少研究，但仍有许多关键科学技术问题有待解决。

信息科学、纳米科学、材料科学、生命科学、管理科学和制造科学将是改变21世纪的主流科学，由此产生的高新技术及其产业将改变世界的面貌。因此，与以上领域相交叉发展的制造系统和制造信息学、纳米机械和纳米制造科学、仿生机械和仿生制造学、制造管理科学和可重构制造系统等会是21世纪机械工程科学的重要前沿科学。

2．1制造科学与信息科学的交叉--制造信息科学

机电产品是信息在原材料上的物化。许多现代产品的价值增值主要体现在信息上。因此制造过程中信息的获取和应用十分重要。信息化是制造科学技术走向全球化和现代化的重要标志。人们一方面对制造技术开始探索产品设计和制造过程中的信息本质，另一方面对制造技术本身加以改造，以使得其适应新的信息化制造环境。随着对制造过程和制造系统认识的加深，研究者们正试图以全新的概念和方式对其加以描述和表达，以进一步达到实现控制和优化的目的。

与制造有关的信息主要有产品信息、工艺信息和管理信息，这一领域有如下主要研究方向和内容：

(1)制造信息的获取、处理、存储、传递和应用，大量制造信息向知识和决策转化。

(2)非符号信息的表达、制造信息的保真传递、制造信息的管理、非完整制造信息状态下的生产决策、虚拟管理制造、基于网络环境下的设计和制造、制造过程和制造系统中的控制科学问题。

这些内容是制造科学和信息科学基础融合的产物，构成了制造科学中的新分支--制造信息学。

2．2微机械及其制造技术研究

微型电子机械系统(MEMS)，是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS的发展将极大地促进各类产品的袖珍化、微型化，成数量级的提高器件与系统的功能密度、信息密度与互联密度，大幅度地节能、节材。它不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务。例如用尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红细胞；制造出3mm大小能够开动的小汽车；可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。MEMS技术的发展开辟了技术全新的领域和产业，具有许多传统传感器无法比拟的优点，因此在制造业、航空、航天、交通、通信、农业、生物医学、环境监控、军事、家庭以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。

微机械是机械技术与电子技术在纳米尺度上相融合的产物。早在1959年就有科学家提出微型机械的设想，1962年第一个硅微型压力传感器问世。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60~120μm的硅微型静电电动机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力。微机械技术有可能像20世纪的微电子技术那样，在21世纪对世界科技、经济发展和国防建设产生巨大的影响。近10年来，微机械的发展令人瞩目。其特点如下：相当数量的微型元器件(微型结构、微型传感器和微型执行器等)和微系统研究成功，体现了其现实的和潜在的应用价值；多种微型制造技术的发展，特别是半导体微细加工等技术已成为微系统的支撑技术；微型机电系统的研究需要多学科交叉的研究队伍，微型机电系统技术是在微电子工艺的基础上发展的多学科交叉的前沿研究领域，涉及电子工程、机械工程、材料工程、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和科学。目前对微观条件下的机械系统的运动规律，微小构件的物理特性和载荷作用下的力学行为等尚缺乏充分的认识，还没有形成基于一定理论基础之上的微系统设计理论与方法，因此只能凭经验和试探的方法进行研究。微型机械系统研究中存在的关键科学问题有微系统的尺度效应、物理特性和生化特性等。微系统的研究正处于突破的前夜，是亟待深入研究的领域。

2．3材料制备／零件制造一体化和加工新技术基础

材料是人类进步的里程碑，是制造业和高技术发展的基础。每一种重要新材料的成功制备和应用，都会推进物质文明，促进国家经济实力和军事实力的增强。21世纪中，世界将由资源消耗型的工业经济向知识经济转变，要求材料和零件具有高的性能以及功能化、智能化的特性；要求材料和零件的设计实现定量化、数字化；要求材料和零件的制备快速、高效并实现二者一体化、集成化。材料和零件的数字化设计与拟实仿真优化是实现材料与零件的高效优质制备／制造及二者一体化、集成化制造的关键。一方面，通过计算机完成拟实仿真优化后可以减少材料制备与零件制造过程中的实验性环节，获得最佳的工艺方案，实现材料与零件的高效优质制备／制造；另一方面，根据不同材料性能的要求，如弹性模量、热膨胀系数、电磁性能等，研究材料和零件的设计形式。进而结合传统的去除材料式制造技术、增加材料式覆层技术等，研究多种材料组分的复合成形工艺技术。形成材料与零件的数字化制造理论、技术和方法，如快速成形技术采用材料逐渐增长的原理，突破了传统的去材法和变形法机械加工的许多限制，加工过程不需要工具或模具，能迅速制造出任意复杂形状又具有一定功能的三维实体模型或零件。

2．4机械仿生制造

21世纪将是生命科学的世纪，机械科学和生命科学的深度融合将产生全新概念的产品(如智能仿生结构)，开发出新工艺(如生长成形工艺)和开辟一系列的新产业，并为解决产品设计、制造过程和系统中一系列难题提供新的解决方法。这是一个极富创新和挑战的前沿领域。

地球上的生物在漫长的进化中所积累的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。从生命现象中学习组织与运行复杂系统的方法和技巧，是今后解决目前制造业所面临许多难题的一条有效出路。仿生制造指的是模仿生物器官的自组织、自愈合、自增长与自进化等功能结构和运行模式的一种制造系统与制造过程。如果说制造过程的机械化、自动化延伸了人类的体力，智能化延伸了人类的智力，那么，"仿生制造"则可以说延伸了人类自身的组织结构和进化过程。

仿生制造所涉及的科学问题是生物的"自组织"机制及其在制造系统中的应用问题。所谓"自组织"是指一个系统在其内在机制的驱动下，在组织结构和运行模式上不断自我完善、从而提高对于环境适应能力的过程。仿生制造的"自组织"机制为自下而上的产品并行设计、制造工艺规程的自动生成、生产系统的动态重组以及产品和制造系统的自动趋优提供了理论基础和实现条件。

仿生制造属于制造科学和生命科学的"远缘杂交"，它将对21世纪的制造业产生巨大的影响。

仿生制造的研究内容目前有两个方面：

2．4．1面向生命的仿生制造

研究生命现象的一般规律和模型，例如人工生命、细胞自动机、生物的信息处理技巧、生物智能、生物型的组织结构和运行模式以及生物的进化和趋优机制等；

2．4．2面向制造的仿生制造

研究仿生制造系统的自组织机制与方法，例如：基于充分信息共享的仿生设计原理，基于多自律单元协同的分布式控制和基于进化机制的寻优策略；研究仿生制造的概念体系及其基础，例如：仿生空间的形式化描述及其信息映射关系，仿生系统及其演化过程的复杂度计量方法。

机械仿生与仿生制造是机械科学与生命科学、信息科学、材料科学等学科的高度融合，其研究内容包括生长成形工艺、仿生设计和制造系统、智能仿生机械和生物成形制造等。目前所做的研究工作大多属前沿探索性的工作，具有鲜明的基础研究的特点，如果抓住机遇研究下去，将可能产生革命性的突破。今后应关注的研究领域有生物加工技术、仿生制造系统、基于快速原型制造技术的组织工程学，以及与生物工程相关的关键技术基础等。3现代制造技术的发展趋势

20世纪90年代以来，世界各国都把制造技术的研究和开发作为国家的关键技术进行优先发展，如美国的先进制造技术计划AMTP、日本的智能制造技术（IMS）国际合作计划、韩国的高级现代技术国家计划(G--7)、德国的制造2000计划和欧共体的ESPRIT和BRITE-EURAM计划。

随着电子、信息等高新技术的不断发展，市场需求个性化与多样化，未来现代制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、绿色集成化、全球化的方向发展。

当前现代制造技术的发展趋势大致有以下九个方面：

(1)信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合，现代制造生产模式会获得不断发展。

(2)设计技术与手段更现代化。

(3)成型及制造技术精密化、制造过程实现低能耗。

(4)新型特种加工方法的形成。

(5)开发新一代超精密、超高速制造装备。

(6)加工工艺由技艺发展为工程科学。

(7)实施无污染绿色制造。

微型机械范文篇5

当前制造科学要解决的问题主要集中在以下几方面：

（1）制造系统是一个复杂的大系统，为满足制造系统敏捷性、快速响应和快速重组的能力，必须借鉴信息科学、生命科学和社会科学等多学科的研究成果，探索制造系统新的体系结构、制造模式和制造系统有效的运行机制。制造系统优化的组织结构和良好的运行状况是制造系统建模、仿真和优化的主要目标。制造系统新的体系结构不仅对制造企业的敏捷性和对需求的响应能力及可重组能力有重要意义，而且对制造企业底层生产设备的柔性和可动态重组能力提出了更高的要求。生物制造观越来越多地被引入制造系统，以满足制造系统新的要求。

（2）为支持快速敏捷制造，几何知识的共享已成为制约现代制造技术中产品开发和制造的关键问题。例如在计算机辅助设计与制造(CAD／CAM)集成、坐标测量(CMM)和机器人学等方面，在三维现实空间(3-RealSpace)中，都存在大量的几何算法设计和分析等问题，特别是其中的几何表示、几何计算和几何推理问题；在测量和机器人路径规划及零件的寻位(如Localization)等方面，存在C-空间

(配置空间ConfigurationSpace)的几何计算和几何推理问题；在物体操作(夹持、抓取和装配等)描述和机器人多指抓取规划、装配运动规划和操作规划方面则需要在旋量空间(ScrewSpace)进行几何推理。制造过程中物理和力学现象的几何化研究形成了制造科学中几何计算和几何推理等多方面的研究课题，其理论有待进一步突破，当前一门新学科--计算机几何正在受到日益广泛和深入的研究。

（3）在现代制造过程中，信息不仅已成为主宰制造产业的决定性因素，而且还是最活跃的驱动因素。提高制造系统的信息处理能力已成为现代制造科学发展的一个重点。由于制造系统信息组织和结构的多层次性，制造信息的获取、集成与融合呈现出立体性、信息度量的多维性、以及信息组织的多层次性。在制造信息的结构模型、制造信息的一致性约束、传播处理和海量数据的制造知识库管理等方面，都还有待进一步突破。

（4）各种人工智能工具和计算智能方法在制造中的广泛应用促进了制造智能的发展。一类基于生物进化算法的计算智能工具，在包括调度问题在内的组合优化求解技术领域中，受到越来越普遍的关注，有望在制造中完成组合优化问题时的求解速度和求解精度方面双双突破问题规模的制约。制造智能还表现在：智能调度、智能设计、智能加工、机器人学、智能控制、智能工艺规划、智能诊断等多方面。

这些问题是当前产品创新的关键理论问题，也是制造由一门技艺上升为一门科学的重要基础性问题。这些问题的重点突破，可以形成产品创新的基础研究体系。

2现代机械工程的前沿科学

不同科学之间的交叉融合将产生新的科学聚集，经济的发展和社会的进步对科学技术产生了新的要求和期望，从而形成前沿科学。前沿科学也就是已解决的和未解决的科学问题之间的界域。前沿科学具有明显的时域、领域和动态特性。工程前沿科学区别于一般基础科学的重要特征是它涵盖了工程实际中出现的关键科学技术问题。

超声电机、超高速切削、绿色设计与制造等领域，国内外已经做了大量的研究工作，但创新的关键是机械科学问题还不明朗。大型复杂机械系统的性能优化设计和产品创新设计、智能结构和系统、智能机器人及其动力学、纳米摩擦学、制造过程的三维数值模拟和物理模拟、超精度和微细加工关键工艺基础、大型和超大型精密仪器装备的设计和制造基础、虚拟制造和虚拟仪器、纳米测量及仪器、并联轴机床、微型机电系统等领域国内外虽然已做了不少研究，但仍有许多关键科学技术问题有待解决。

信息科学、纳米科学、材料科学、生命科学、管理科学和制造科学将是改变21世纪的主流科学，由此产生的高新技术及其产业将改变世界的面貌。因此，与以上领域相交叉发展的制造系统和制造信息学、纳米机械和纳米制造科学、仿生机械和仿生制造学、制造管理科学和可重构制造系统等会是21世纪机械工程科学的重要前沿科学。

2．1制造科学与信息科学的交叉--制造信息科学

机电产品是信息在原材料上的物化。许多现代产品的价值增值主要体现在信息上。因此制造过程中信息的获取和应用十分重要。信息化是制造科学技术走向全球化和现代化的重要标志。人们一方面对制造技术开始探索产品设计和制造过程中的信息本质，另一方面对制造技术本身加以改造，以使得其适应新的信息化制造环境。随着对制造过程和制造系统认识的加深，研究者们正试图以全新的概念和方式对其加以描述和表达，以进一步达到实现控制和优化的目的。

与制造有关的信息主要有产品信息、工艺信息和管理信息，这一领域有如下主要研究方向和内容：

(1)制造信息的获取、处理、存储、传递和应用，大量制造信息向知识和决策转化。

(2)非符号信息的表达、制造信息的保真传递、制造信息的管理、非完整制造信息状态下的生产决策、虚拟管理制造、基于网络环境下的设计和制造、制造过程和制造系统中的控制科学问题。

这些内容是制造科学和信息科学基础融合的产物，构成了制造科学中的新分支--制造信息学。

2．2微机械及其制造技术研究

微型电子机械系统(MEMS)，是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS的发展将极大地促进各类产品的袖珍化、微型化，成数量级的提高器件与系统的功能密度、信息密度与互联密度，大幅度地节能、节材。它不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务。例如用尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红细胞；制造出3mm大小能够开动的小汽车；可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。MEMS技术的发展开辟了技术全新的领域和产业，具有许多传统传感器无法比拟的优点，因此在制造业、航空、航天、交通、通信、农业、生物医学、环境监控、军事、家庭以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。

微机械是机械技术与电子技术在纳米尺度上相融合的产物。早在1959年就有科学家提出微型机械的设想，1962年第一个硅微型压力传感器问世。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60~120μm的硅微型静电电动机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力。微机械技术有可能像20世纪的微电子技术那样，在21世纪对世界科技、经济发展和国防建设产生巨大的影响。近10年来，微机械的发展令人瞩目。其特点如下：相当数量的微型元器件(微型结构、微型传感器和微型执行器等)和微系统研究成功，体现了其现实的和潜在的应用价值；多种微型制造技术的发展，特别是半导体微细加工等技术已成为微系统的支撑技术；微型机电系统的研究需要多学科交叉的研究队伍，微型机电系统技术是在微电子工艺的基础上发展的多学科交叉的前沿研究领域，涉及电子工程、机械工程、材料工程、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和科学。

目前对微观条件下的机械系统的运动规律，微小构件的物理特性和载荷作用下的力学行为等尚缺乏充分的认识，还没有形成基于一定理论基础之上的微系统设计理论与方法，因此只能凭经验和试探的方法进行研究。微型机械系统研究中存在的关键科学问题有微系统的尺度效应、物理特性和生化特性等。微系统的研究正处于突破的前夜，是亟待深入研究的领域。

2．3材料制备／零件制造一体化和加工新技术基础

材料是人类进步的里程碑，是制造业和高技术发展的基础。每一种重要新材料的成功制备和应用，都会推进物质文明，促进国家经济实力和军事实力的增强。21世纪中，世界将由资源消耗型的工业经济向知识经济转变，要求材料和零件具有高的性能以及功能化、智能化的特性；要求材料和零件的设计实现定量化、数字化；要求材料和零件的制备快速、高效并实现二者一体化、集成化。材料和零件的数字化设计与拟实仿真优化是实现材料与零件的高效优质制备／制造及二者一体化、集成化制造的关键。一方面，通过计算机完成拟实仿真优化后可以减少材料制备与零件制造过程中的实验性环节，获得最佳的工艺方案，实现材料与零件的高效优质制备／制造；另一方面，根据不同材料性能的要求，如弹性模量、热膨胀系数、电磁性能等，研究材料和零件的设计形式。进而结合传统的去除材料式制造技术、增加材料式覆层技术等，研究多种材料组分的复合成形工艺技术。形成材料与零件的数字化制造理论、技术和方法，如快速成形技术采用材料逐渐增长的原理，突破了传统的去材法和变形法机械加工的许多限制，加工过程不需要工具或模具，能迅速制造出任意复杂形状又具有一定功能的三维实体模型或零件。

2．4机械仿生制造

21世纪将是生命科学的世纪，机械科学和生命科学的深度融合将产生全新概念的产品(如智能仿生结构)，开发出新工艺(如生长成形工艺)和开辟一系列的新产业，并为解决产品设计、制造过程和系统中一系列难题提供新的解决方法。这是一个极富创新和挑战的前沿领域。

地球上的生物在漫长的进化中所积累的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。从生命现象中学习组织与运行复杂系统的方法和技巧，是今后解决目前制造业所面临许多难题的一条有效出路。仿生制造指的是模仿生物器官的自组织、自愈合、自增长与自进化等功能结构和运行模式的一种制造系统与制造过程。如果说制造过程的机械化、自动化延伸了人类的体力，智能化延伸了人类的智力，那么，"仿生制造"则可以说延伸了人类自身的组织结构和进化过程。

仿生制造所涉及的科学问题是生物的"自组织"机制及其在制造系统中的应用问题。所谓"自组织"是指一个系统在其内在机制的驱动下，在组织结构和运行模式上不断自我完善、从而提高对于环境适应能力的过程。仿生制造的"自组织"机制为自下而上的产品并行设计、制造工艺规程的自动生成、生产系统的动态重组以及产品和制造系统的自动趋优提供了理论基础和实现条件。

仿生制造属于制造科学和生命科学的"远缘杂交"，它将对21世纪的制造业产生巨大的影响。

仿生制造的研究内容目前有两个方面：

2．4．1面向生命的仿生制造

研究生命现象的一般规律和模型，例如人工生命、细胞自动机、生物的信息处理技巧、生物智能、生物型的组织结构和运行模式以及生物的进化和趋优机制等；

2．4．2面向制造的仿生制造

研究仿生制造系统的自组织机制与方法，例如：基于充分信息共享的仿生设计原理，基于多自律单元协同的分布式控制和基于进化机制的寻优策略；研究仿生制造的概念体系及其基础，例如：仿生空间的形式化描述及其信息映射关系，仿生系统及其演化过程的复杂度计量方法。

机械仿生与仿生制造是机械科学与生命科学、信息科学、材料科学等学科的高度融合，其研究内容包括生长成形工艺、仿生设计和制造系统、智能仿生机械和生物成形制造等。目前所做的研究工作大多属前沿探索性的工作，具有鲜明的基础研究的特点，如果抓住机遇研究下去，将可能产生革命性的突破。今后应关注的研究领域有生物加工技术、仿生制造系统、基于快速原型制造技术的组织工程学，以及与生物工程相关的关键技术基础等。3现代制造技术的发展趋势

20世纪90年代以来，世界各国都把制造技术的研究和开发作为国家的关键技术进行优先发展，如美国的先进制造技术计划AMTP、日本的智能制造技术（IMS）国际合作计划、韩国的高级现代技术国家计划(G--7)、德国的制造2000计划和欧共体的ESPRIT和BRITE-EURAM计划。

随着电子、信息等高新技术的不断发展，市场需求个性化与多样化，未来现代制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、绿色集成化、全球化的方向发展。

当前现代制造技术的发展趋势大致有以下九个方面：

(1)信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合，现代制造生产模式会获得不断发展。

(2)设计技术与手段更现代化。

(3)成型及制造技术精密化、制造过程实现低能耗。

(4)新型特种加工方法的形成。

(5)开发新一代超精密、超高速制造装备。

(6)加工工艺由技艺发展为工程科学。

(7)实施无污染绿色制造。

(8)制造业中广泛应用虚拟现实技术。

(9)制造以人为本。

微型机械范文篇6

关键词：问题；先进制造技术；前沿科学；应用前景

制造业是现代国民经济和综合国力的重要支柱，其生产总值一般占一个国家国内生产总值的20%~55%。在一个国家的企业生产力构成中，制造技术的作用一般占60%左右。专家认为，世界上各个国家经济的竞争，主要是制造技术的竞争。其竞争能力最终体现在所生产的产品的市场占有率上。随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化，这种竞争日趋激烈，因而各国政府都非常重视对先进制造技术的研究。

一、当前制造科学要解决的问题

当前制造科学要解决的问题主要集中在以下几方面：

（1）制造系统是一个复杂的大系统，为满足制造系统敏捷性、快速响应和快速重组的能力，必须借鉴信息科学、生命科学和社会科学等多学科的研究成果，探索制造系统新的体系结构、制造模式和制造系统有效的运行机制。制造系统优化的组织结构和良好的运行状况是制造系统建模、仿真和优化的主要目标。制造系统新的体系结构不仅对制造企业的敏捷性和对需求的响应能力及可重组能力有重要意义，而且对制造企业底层生产设备的柔性和可动态重组能力提出了更高的要求。生物制造观越来越多地被引入制造系统，以满足制造系统新的要求。

（2）为支持快速敏捷制造，几何知识的共享已成为制约现代制造技术中产品开发和制造的关键问题。例如在计算机辅助设计与制造(CAD／CAM)集成、坐标测量(CMM)和机器人学等方面，在三维现实空间(3-RealSpace)中，都存在大量的几何算法设计和分析等问题，特别是其中的几何表示、几何计算和几何推理问题；在测量和机器人路径规划及零件的寻位(如Localization)等方面，存在C-空间(配置空间ConfigurationSpace)的几何计算和几何推理问题；在物体操作(夹持、抓取和装配等)描述和机器人多指抓取规划、装配运动规划和操作规划方面则需要在旋量空间(ScrewSpace)进行几何推理。制造过程中物理和力学现象的几何化研究形成了制造科学中几何计算和几何推理等多方面的研究课题，其理论有待进一步突破，当前一门新学科--计算机几何正在受到日益广泛和深入的研究。

（3）在现代制造过程中，信息不仅已成为主宰制造产业的决定性因素，而且还是最活跃的驱动因素。提高制造系统的信息处理能力已成为现代制造科学发展的一个重点。由于制造系统信息组织和结构的多层次性，制造信息的获取、集成与融合呈现出立体性、信息度量的多维性、以及信息组织的多层次性。在制造信息的结构模型、制造信息的一致性约束、传播处理和海量数据的制造知识库管理等方面，都还有待进一步突破。

（4）各种人工智能工具和计算智能方法在制造中的广泛应用促进了制造智能的发展。一类基于生物进化算法的计算智能工具，在包括调度问题在内的组合优化求解技术领域中，受到越来越普遍的关注，有望在制造中完成组合优化问题时的求解速度和求解精度方面双双突破问题规模的制约。制造智能还表现在：智能调度、智能设计、智能加工、机器人学、智能控制、智能工艺规划、智能诊断等多方面。

这些问题是当前产品创新的关键理论问题，也是制造由一门技艺上升为一门科学的重要基础性问题。这些问题的重点突破，可以形成产品创新的基础研究体系。

二、现代机械工程的前沿科学

不同科学之间的交叉融合将产生新的科学聚集，经济的发展和社会的进步对科学技术产生了新的要求和期望，从而形成前沿科学。前沿科学也就是已解决的和未解决的科学问题之间的界域。前沿科学具有明显的时域、领域和动态特性。工程前沿科学区别于一般基础科学的重要特征是它涵盖了工程实际中出现的关键科学技术问题。

超声电机、超高速切削、绿色设计与制造等领域，国内外已经做了大量的研究工作，但创新的关键是机械科学问题还不明朗。大型复杂机械系统的性能优化设计和产品创新设计、智能结构和系统、智能机器人及其动力学、纳米摩擦学、制造过程的三维数值模拟和物理模拟、超精度和微细加工关键工艺基础、大型和超大型精密仪器装备的设计和制造基础、虚拟制造和虚拟仪器、纳米测量及仪器、并联轴机床、微型机电系统等领域国内外虽然已做了不少研究，但仍有许多关键科学技术问题有待解决。

信息科学、纳米科学、材料科学、生命科学、管理科学和制造科学将是改变21世纪的主流科学，由此产生的高新技术及其产业将改变世界的面貌。因此，与以上领域相交叉发展的制造系统和制造信息学、纳米机械和纳米制造科学、仿生机械和仿生制造学、制造管理科学和可重构制造系统等会是21世纪机械工程科学的重要前沿科学。

2．1制造科学与信息科学的交叉--制造信息科学

机电产品是信息在原材料上的物化。许多现代产品的价值增值主要体现在信息上。因此制造过程中信息的获取和应用十分重要。信息化是制造科学技术走向全球化和现代化的重要标志。人们一方面对制造技术开始探索产品设计和制造过程中的信息本质，另一方面对制造技术本身加以改造，以使得其适应新的信息化制造环境。随着对制造过程和制造系统认识的加深，研究者们正试图以全新的概念和方式对其加以描述和表达，以进一步达到实现控制和优化的目的。

与制造有关的信息主要有产品信息、工艺信息和管理信息，这一领域有如下主要研究方向和内容：

(1)制造信息的获取、处理、存储、传递和应用，大量制造信息向知识和决策转化。

(2)非符号信息的表达、制造信息的保真传递、制造信息的管理、非完整制造信息状态下的生产决策、虚拟管理制造、基于网络环境下的设计和制造、制造过程和制造系统中的控制科学问题。

这些内容是制造科学和信息科学基础融合的产物，构成了制造科学中的新分支--制造信息学。

2．2微机械及其制造技术研究

微型电子机械系统(MEMS)，是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS的发展将极大地促进各类产品的袖珍化、微型化，成数量级的提高器件与系统的功能密度、信息密度与互联密度，大幅度地节能、节材。它不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务。例如用尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红细胞；制造出3mm大小能够开动的小汽车；可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。MEMS技术的发展开辟了技术全新的领域和产业，具有许多传统传感器无法比拟的优点，因此在制造业、航空、航天、交通、通信、农业、生物医学、环境监控、军事、家庭以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。

微机械是机械技术与电子技术在纳米尺度上相融合的产物。早在1959年就有科学家提出微型机械的设想，1962年第一个硅微型压力传感器问世。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60~120μm的硅微型静电电动机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力。微机械技术有可能像20世纪的微电子技术那样，在21世纪对世界科技、经济发展和国防建设产生巨大的影响。近10年来，微机械的发展令人瞩目。其特点如下：相当数量的微型元器件(微型结构、微型传感器和微型执行器等)和微系统研究成功，体现了其现实的和潜在的应用价值；多种微型制造技术的发展，特别是半导体微细加工等技术已成为微系统的支撑技术；微型机电系统的研究需要多学科交叉的研究队伍，微型机电系统技术是在微电子工艺的基础上发展的多学科交叉的前沿研究领域，涉及电子工程、机械工程、材料工程、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和科学。

目前对微观条件下的机械系统的运动规律，微小构件的物理特性和载荷作用下的力学行为等尚缺乏充分的认识，还没有形成基于一定理论基础之上的微系统设计理论与方法，因此只能凭经验和试探的方法进行研究。微型机械系统研究中存在的关键科学问题有微系统的尺度效应、物理特性和生化特性等。微系统的研究正处于突破的前夜，是亟待深入研究的领域。

2．3材料制备／零件制造一体化和加工新技术基础

材料是人类进步的里程碑，是制造业和高技术发展的基础。每一种重要新材料的成功制备和应用，都会推进物质文明，促进国家经济实力和军事实力的增强。21世纪中，世界将由资源消耗型的工业经济向知识经济转变，要求材料和零件具有高的性能以及功能化、智能化的特性；要求材料和零件的设计实现定量化、数字化；要求材料和零件的制备快速、高效并实现二者一体化、集成化。材料和零件的数字化设计与拟实仿真优化是实现材料与零件的高效优质制备／制造及二者一体化、集成化制造的关键。一方面，通过计算机完成拟实仿真优化后可以减少材料制备与零件制造过程中的实验性环节，获得最佳的工艺方案，实现材料与零件的高效优质制备／制造；另一方面，根据不同材料性能的要求，如弹性模量、热膨胀系数、电磁性能等，研究材料和零件的设计形式。进而结合传统的去除材料式制造技术、增加材料式覆层技术等，研究多种材料组分的复合成形工艺技术。形成材料与零件的数字化制造理论、技术和方法，如快速成形技术采用材料逐渐增长的原理，突破了传统的去材法和变形法机械加工的许多限制，加工过程不需要工具或模具，能迅速制造出任意复杂形状又具有一定功能的三维实体模型或零件。

2．4机械仿生制造

21世纪将是生命科学的世纪，机械科学和生命科学的深度融合将产生全新概念的产品(如智能仿生结构)，开发出新工艺(如生长成形工艺)和开辟一系列的新产业，并为解决产品设计、制造过程和系统中一系列难题提供新的解决方法。这是一个极富创新和挑战的前沿领域。

地球上的生物在漫长的进化中所积累的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。从生命现象中学习组织与运行复杂系统的方法和技巧，是今后解决目前制造业所面临许多难题的一条有效出路。仿生制造指的是模仿生物器官的自组织、自愈合、自增长与自进化等功能结构和运行模式的一种制造系统与制造过程。如果说制造过程的机械化、自动化延伸了人类的体力，智能化延伸了人类的智力，那么，"仿生制造"则可以说延伸了人类自身的组织结构和进化过程。

仿生制造所涉及的科学问题是生物的"自组织"机制及其在制造系统中的应用问题。所谓"自组织"是指一个系统在其内在机制的驱动下，在组织结构和运行模式上不断自我完善、从而提高对于环境适应能力的过程。仿生制造的"自组织"机制为自下而上的产品并行设计、制造工艺规程的自动生成、生产系统的动态重组以及产品和制造系统的自动趋优提供了理论基础和实现条件。

仿生制造属于制造科学和生命科学的"远缘杂交"，它将对21世纪的制造业产生巨大的影响。

仿生制造的研究内容目前有两个方面：

2．4．1面向生命的仿生制造

研究生命现象的一般规律和模型，例如人工生命、细胞自动机、生物的信息处理技巧、生物智能、生物型的组织结构和运行模式以及生物的进化和趋优机制等；

2．4．2面向制造的仿生制造

研究仿生制造系统的自组织机制与方法，例如：基于充分信息共享的仿生设计原理，基于多自律单元协同的分布式控制和基于进化机制的寻优策略；研究仿生制造的概念体系及其基础，例如：仿生空间的形式化描述及其信息映射关系，仿生系统及其演化过程的复杂度计量方法。

机械仿生与仿生制造是机械科学与生命科学、信息科学、材料科学等学科的高度融合，其研究内容包括生长成形工艺、仿生设计和制造系统、智能仿生机械和生物成形制造等。目前所做的研究工作大多属前沿探索性的工作，具有鲜明的基础研究的特点，如果抓住机遇研究下去，将可能产生革命性的突破。今后应关注的研究领域有生物加工技术、仿生制造系统、基于快速原型制造技术的组织工程学，以及与生物工程相关的关键技术基础等。公务员之家

三、现代制造技术的发展趋势

20世纪90年代以来，世界各国都把制造技术的研究和开发作为国家的关键技术进行优先发展，如美国的先进制造技术计划AMTP、日本的智能制造技术（IMS）国际合作计划、韩国的高级现代技术国家计划(G--7)、德国的制造2000计划和欧共体的ESPRIT和BRITE-EURAM计划。

随着电子、信息等高新技术的不断发展，市场需求个性化与多样化，未来现代制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、绿色集成化、全球化的方向发展。

当前现代制造技术的发展趋势大致有以下九个方面：

(1)信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合，现代制造生产模式会获得不断发展。

(2)设计技术与手段更现代化。

(3)成型及制造技术精密化、制造过程实现低能耗。

(4)新型特种加工方法的形成。

(5)开发新一代超精密、超高速制造装备。

(6)加工工艺由技艺发展为工程科学。

(7)实施无污染绿色制造。

微型机械范文篇7

关键词：问题；先进制造技术；前沿科学；应用前景

论文

制造业是现代国民经济和综合国力的重要支柱，其生产总值一般占一个国家国内生产总值的20%~55%。在一个国家的企业生产力构成中，制造技术的作用一般占60%左右。专家认为，世界上各个国家经济的竞争，主要是制造技术的竞争。其竞争能力最终体现在所生产的产品的市场占有率上。随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化，这种竞争日趋激烈，因而各国政府都非常重视对先进制造技术的研究。

1当前制造科学要解决的问题

当前制造科学要解决的问题主要集中在以下几方面：

（1）制造系统是一个复杂的大系统，为满足制造系统敏捷性、快速响应和快速重组的能力，必须借鉴信息科学、生命科学和社会科学等多学科的研究成果，探索制造系统新的体系结构、制造模式和制造系统有效的运行机制。制造系统优化的组织结构和良好的运行状况是制造系统建模、仿真和优化的主要目标。制造系统新的体系结构不仅对制造企业的敏捷性和对需求的响应能力及可重组能力有重要意义，而且对制造企业底层生产设备的柔性和可动态重组能力提出了更高的要求。生物制造观越来越多地被引入制造系统，以满足制造系统新的要求。

（2）为支持快速敏捷制造，几何知识的共享已成为制约现代制造技术中产品开发和制造的关键问题。例如在计算机辅助设计与制造(CAD／CAM)集成、坐标测量(CMM)和机器人学等方面，在三维现实空间(3-RealSpace)中，都存在大量的几何算法设计和分析等问题，特别是其中的几何表示、几何计算和几何推理问题；在测量和机器人路径规划及零件的寻位(如Localization)等方面，存在C-空间

(配置空间ConfigurationSpace)的几何计算和几何推理问题；在物体操作(夹持、抓取和装配等)描述和机器人多指抓取规划、装配运动规划和操作规划方面则需要在旋量空间(ScrewSpace)进行几何推理。制造过程中物理和力学现象的几何化研究形成了制造科学中几何计算和几何推理等多方面的研究课题，其理论有待进一步突破，当前一门新学科--计算机几何正在受到日益广泛和深入的研究。

（3）在现代制造过程中，信息不仅已成为主宰制造产业的决定性因素，而且还是最活跃的驱动因素。提高制造系统的信息处理能力已成为现代制造科学发展的一个重点。由于制造系统信息组织和结构的多层次性，制造信息的获取、集成与融合呈现出立体性、信息度量的多维性、以及信息组织的多层次性。在制造信息的结构模型、制造信息的一致性约束、传播处理和海量数据的制造知识库管理等方面，都还有待进一步突破。

（4）各种人工智能工具和计算智能方法在制造中的广泛应用促进了制造智能的发展。一类基于生物进化算法的计算智能工具，在包括调度问题在内的组合优化求解技术领域中，受到越来越普遍的关注，有望在制造中完成组合优化问题时的求解速度和求解精度方面双双突破问题规模的制约。制造智能还表现在：智能调度、智能设计、智能加工、机器人学、智能控制、智能工艺规划、智能诊断等多方面。

这些问题是当前产品创新的关键理论问题，也是制造由一门技艺上升为一门科学的重要基础性问题。这些问题的重点突破，可以形成产品创新的基础研究体系。

2现代机械工程的前沿科学

不同科学之间的交叉融合将产生新的科学聚集，经济的发展和社会的进步对科学技术产生了新的要求和期望，从而形成前沿科学。前沿科学也就是已解决的和未解决的科学问题之间的界域。前沿科学具有明显的时域、领域和动态特性。工程前沿科学区别于一般基础科学的重要特征是它涵盖了工程实际中出现的关键科学技术问题。

超声电机、超高速切削、绿色设计与制造等领域，国内外已经做了大量的研究工作，但创新的关键是机械科学问题还不明朗。大型复杂机械系统的性能优化设计和产品创新设计、智能结构和系统、智能机器人及其动力学、纳米摩擦学、制造过程的三维数值模拟和物理模拟、超精度和微细加工关键工艺基础、大型和超大型精密仪器装备的设计和制造基础、虚拟制造和虚拟仪器、纳米测量及仪器、并联轴机床、微型机电系统等领域国内外虽然已做了不少研究，但仍有许多关键科学技术问题有待解决。

信息科学、纳米科学、材料科学、生命科学、管理科学和制造科学将是改变21世纪的主流科学，由此产生的高新技术及其产业将改变世界的面貌。因此，与以上领域相交叉发展的制造系统和制造信息学、纳米机械和纳米制造科学、仿生机械和仿生制造学、制造管理科学和可重构制造系统等会是21世纪机械工程科学的重要前沿科学。

2．1制造科学与信息科学的交叉--制造信息科学

机电产品是信息在原材料上的物化。许多现代产品的价值增值主要体现在信息上。因此制造过程中信息的获取和应用十分重要。信息化是制造科学技术走向全球化和现代化的重要标志。人们一方面对制造技术开始探索产品设计和制造过程中的信息本质，另一方面对制造技术本身加以改造，以使得其适应新的信息化制造环境。随着对制造过程和制造系统认识的加深，研究者们正试图以全新的概念和方式对其加以描述和表达，以进一步达到实现控制和优化的目的。

与制造有关的信息主要有产品信息、工艺信息和管理信息，这一领域有如下主要研究方向和内容：

(1)制造信息的获取、处理、存储、传递和应用，大量制造信息向知识和决策转化。

(2)非符号信息的表达、制造信息的保真传递、制造信息的管理、非完整制造信息状态下的生产决策、虚拟管理制造、基于网络环境下的设计和制造、制造过程和制造系统中的控制科学问题。

这些内容是制造科学和信息科学基础融合的产物，构成了制造科学中的新分支--制造信息学。

2．2微机械及其制造技术研究

微型电子机械系统(MEMS)，是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS的发展将极大地促进各类产品的袖珍化、微型化，成数量级的提高器件与系统的功能密度、信息密度与互联密度，大幅度地节能、节材。它不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务。例如用尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红细胞；制造出3mm大小能够开动的小汽车；可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。MEMS技术的发展开辟了技术全新的领域和产业，具有许多传统传感器无法比拟的优点，因此在制造业、航空、航天、交通、通信、农业、生物医学、环境监控、军事、家庭以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。

微机械是机械技术与电子技术在纳米尺度上相融合的产物。早在1959年就有科学家提出微型机械的设想，1962年第一个硅微型压力传感器问世。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60~120μm的硅微型静电电动机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力。微机械技术有可能像20世纪的微电子技术那样，在21世纪对世界科技、经济发展和国防建设产生巨大的影响。近10年来，微机械的发展令人瞩目。其特点如下：相当数量的微型元器件(微型结构、微型传感器和微型执行器等)和微系统研究成功，体现了其现实的和潜在的应用价值；多种微型制造技术的发展，特别是半导体微细加工等技术已成为微系统的支撑技术；微型机电系统的研究需要多学科交叉的研究队伍，微型机电系统技术是在微电子工艺的基础上发展的多学科交叉的前沿研究领域，涉及电子工程、机械工程、材料工程、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和科学。

目前对微观条件下的机械系统的运动规律，微小构件的物理特性和载荷作用下的力学行为等尚缺乏充分的认识，还没有形成基于一定理论基础之上的微系统设计理论与方法，因此只能凭经验和试探的方法进行研究。微型机械系统研究中存在的关键科学问题有微系统的尺度效应、物理特性和生化特性等。微系统的研究正处于突破的前夜，是亟待深入研究的领域。

2．3材料制备／零件制造一体化和加工新技术基础

材料是人类进步的里程碑，是制造业和高技术发展的基础。每一种重要新材料的成功制备和应用，都会推进物质文明，促进国家经济实力和军事实力的增强。21世纪中，世界将由资源消耗型的工业经济向知识经济转变，要求材料和零件具有高的性能以及功能化、智能化的特性；要求材料和零件的设计实现定量化、数字化；要求材料和零件的制备快速、高效并实现二者一体化、集成化。材料和零件的数字化设计与拟实仿真优化是实现材料与零件的高效优质制备／制造及二者一体化、集成化制造的关键。一方面，通过计算机完成拟实仿真优化后可以减少材料制备与零件制造过程中的实验性环节，获得最佳的工艺方案，实现材料与零件的高效优质制备／制造；另一方面，根据不同材料性能的要求，如弹性模量、热膨胀系数、电磁性能等，研究材料和零件的设计形式。进而结合传统的去除材料式制造技术、增加材料式覆层技术等，研究多种材料组分的复合成形工艺技术。形成材料与零件的数字化制造理论、技术和方法，如快速成形技术采用材料逐渐增长的原理，突破了传统的去材法和变形法机械加工的许多限制，加工过程不需要工具或模具，能迅速制造出任意复杂形状又具有一定功能的三维实体模型或零件。

2．4机械仿生制造

21世纪将是生命科学的世纪，机械科学和生命科学的深度融合将产生全新概念的产品(如智能仿生结构)，开发出新工艺(如生长成形工艺)和开辟一系列的新产业，并为解决产品设计、制造过程和系统中一系列难题提供新的解决方法。这是一个极富创新和挑战的前沿领域。

地球上的生物在漫长的进化中所积累的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。从生命现象中学习组织与运行复杂系统的方法和技巧，是今后解决目前制造业所面临许多难题的一条有效出路。仿生制造指的是模仿生物器官的自组织、自愈合、自增长与自进化等功能结构和运行模式的一种制造系统与制造过程。如果说制造过程的机械化、自动化延伸了人类的体力，智能化延伸了人类的智力，那么，"仿生制造"则可以说延伸了人类自身的组织结构和进化过程。

仿生制造所涉及的科学问题是生物的"自组织"机制及其在制造系统中的应用问题。所谓"自组织"是指一个系统在其内在机制的驱动下，在组织结构和运行模式上不断自我完善、从而提高对于环境适应能力的过程。仿生制造的"自组织"机制为自下而上的产品并行设计、制造工艺规程的自动生成、生产系统的动态重组以及产品和制造系统的自动趋优提供了理论基础和实现条件。

仿生制造属于制造科学和生命科学的"远缘杂交"，它将对21世纪的制造业产生巨大的影响。

仿生制造的研究内容目前有两个方面：

2．4．1面向生命的仿生制造

研究生命现象的一般规律和模型，例如人工生命、细胞自动机、生物的信息处理技巧、生物智能、生物型的组织结构和运行模式以及生物的进化和趋优机制等；

2．4．2面向制造的仿生制造

研究仿生制造系统的自组织机制与方法，例如：基于充分信息共享的仿生设计原理，基于多自律单元协同的分布式控制和基于进化机制的寻优策略；研究仿生制造的概念体系及其基础，例如：仿生空间的形式化描述及其信息映射关系，仿生系统及其演化过程的复杂度计量方法。

机械仿生与仿生制造是机械科学与生命科学、信息科学、材料科学等学科的高度融合，其研究内容包括生长成形工艺、仿生设计和制造系统、智能仿生机械和生物成形制造等。目前所做的研究工作大多属前沿探索性的工作，具有鲜明的基础研究的特点，如果抓住机遇研究下去，将可能产生革命性的突破。今后应关注的研究领域有生物加工技术、仿生制造系统、基于快速原型制造技术的组织工程学，以及与生物工程相关的关键技术基础等。3现代制造技术的发展趋势

20世纪90年代以来，世界各国都把制造技术的研究和开发作为国家的关键技术进行优先发展，如美国的先进制造技术计划AMTP、日本的智能制造技术（IMS）国际合作计划、韩国的高级现代技术国家计划(G--7)、德国的制造2000计划和欧共体的ESPRIT和BRITE-EURAM计划。

随着电子、信息等高新技术的不断发展，市场需求个性化与多样化，未来现代制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、绿色集成化、全球化的方向发展。

当前现代制造技术的发展趋势大致有以下九个方面：

(1)信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合，现代制造生产模式会获得不断发展。

(2)设计技术与手段更现代化。

(3)成型及制造技术精密化、制造过程实现低能耗。

(4)新型特种加工方法的形成。

(5)开发新一代超精密、超高速制造装备。

(6)加工工艺由技艺发展为工程科学。

(7)实施无污染绿色制造。

微型机械范文篇8

关键词：现代机械制造；机电一体化技术；机械制造自动化

机械制造行业作为我国经济的重要支柱型产业之一，提升其技术发展水平，能够带动国家工业化持续发展。同时，现代机械制造技术水平的高低，是衡量工业生产水平的主要指标，过去机械制造行业主要以机械替代人力操作，以实现保证产品质量、控制生产成本投入、赢得更多经济效益的目标。现代机械制造行业则完全不同，主张以先进的信息技术为基础，灵活运用现代化的管理模式与生产方式，积极引进合理科学的现代化制造技术[1]。近年来，我国机电一体化技术的应用日趋广泛，并且在其技术水平不断提升的情况下，提高现代机械制造中机电一体化技术的应用水平，能使现代机械制造模式向智能化、网络化不断转变。由此可见，为了提升现代机械制造生产作业的质量效益，围绕“现代机械制造中机电一体化技术的作用及发展趋势”进行分析研究具有重要的价值。

1现代机械制造中机电一体化技术的作用

1.1监控现代机械制造工程作业过程

在现代机械制造期间合理运用机电一体化技术，能够充分发挥机电一体化技术在工程制造期间的监控功能作用，即在现代机械工程制造期间发生相关问题，应用机电一体化技术，不仅可以满足及时预警的要求，还能够精准判定故障的发生位置，以达到最大限度地减少成本损失的目标。与此同时，将现代机械制造与机电一体化技术相结合，能实时监控管理工程制造流程，在很大程度上提高工程制造的工作效率，有效控制现代机械工程制造中保护成本的投入，并减轻相关工作人员的工作负荷[2]。总之，机电一体化技术具有显著的实时监控作用，可以有效提高机械制造的工作效率及质量，因此值得借鉴及应用。

1.2减少工程制造能源的浪费

近年来，受到工业流水线的影响，现代机械工程制造行业易产生不同程度的能源浪费问题。过去在常规加工行业运转期间，若加工制造成本投入过大，则会导致企业难以获取合理的利润，进而会对制造企业长远发展造成严重影响。以液压挖掘机作业为例，相关调查研究数据表明其能源利用率仅为22%，显然这会严重阻碍我国能源事业的长远进步及发展。由此说明，节能能源是我国经济发展期间的重要任务之一。值得注意的是，将机械制造与机电一体化技术相结合，可以在很大程度上提高能源的利用率，并有助于规避能源污染问题。因此，在现代化机械制造行业，需重视机电一体化技术的应用，以此使能源资源浪费问题得到有效预防控制。

1.3实现工程制造自动化作业

现代机械制造中机电一体化技术应用的成本投入相对较少，除人工服务方面的投入外，剩余仅为材料购买、设备使用耗损方面的投入。近年来，随着机电一体化技术逐渐融入制造行业，部分机械设备逐步实现自动化操作，能够在很大程度上减少人工服务的成本投入，减轻人员的工作压力，进一步提升总体制造工作效率和质量[3]。例如：在水泥混凝土搅拌作业期间，加工精准要求较高，合理运用机电一体化技术，并利用电子机械称量仪器，可满足自动化电子称量的要求，这样不但能够保证路面平整度符合工程建设的要求，而且能提高总体作业效率，减轻相关工作人员的人工劳动量和压力。由此可见，需合理利用机电一体化技术，使工程制造自动化作业目标有效实现。

2现代机械制造中机电一体化技术的具体应用

2.1计算机数字控制技术的应用

数控技术历经50余年的发展，结合不同的分类标准，可将数控技术划分为若干个发展阶段，以体系结构划分为例，数控技术可划分为三个发展阶段：软数控系统阶段、计算机硬件阶段及硬数控系统阶段。以伺服及控制方式划分为例，数控技术可划分为两个发展阶段：伺服电机驱动闭环系统阶段、电机驱动的开环系统阶段。以电子器件划分为例，数控技术可划分为五个发展阶段：微处理器数控阶段、小型计算机数控阶段、中小规模IC数控阶段、晶体管数控阶段及电子管数控阶段[4]。为了实现现代机械制造行业的自动化发展目标，可以以数控技术为基础，合理使用机电一体化技术。此外，计算机数控系统的构成，需要相关软件的充分支持。对于传统数据系统，一般利用硬件数控系统使相关功能得到有效实现。近年来，随着微型处理器、微型计算机的功能逐步成熟，加上计算机技术、半导体技术的不断发展，使得数控装置在计算机数字控制装置中的应用前景越来越广泛，在使完整的计算机数控系统得到有效构成的基础上，可使数控功能通过软件实现，进一步使现代机械制造的机电一体技术价值有效发挥出来。

2.2计算机集成制造系统的应用

计算机集成制造系统，指的是以计算机网络及其计算机单元CAM、DNC、CAD为基础，进行设计、制造、管理的技术系统。将计算机集成系统应用到现代机械制造工作领域中，能够有效提高现代机械制造生产的效率，并且有助于控制总体成本投入。与此同时，计算机集成制造系统由多个子系统共同组成，包括加工生产子系统、经营管理子系统、决策子系统等。并且，计算机集成制造系统贯穿产品生产全过程，即产品报废、销售、生产、开发、设计等全过程[5]。由此可见，现代集成制造系统以过去常规计算机集成系统为基础，在功能拓展的条件下，结合现代化机械制造技术发展需求再进行功能细化，可以使自身注重突出现代化特征，包括绿色化、数字化、智能化、集成化等。此外，计算机集成制造系统，集合了管理、技术，着重强调人在产品生产中的作用[6]。在计算机集成制造系统应用范围不断拓展的情况下，可以使诸多属性不同、质量更优的机械产品被制造出来。因此，需重视计算机集成制造系统在现代机械制造生产工作领域的应用。

2.3柔性制造技术的应用

柔性制造技术属于先进的生产技术方法之一，其核心技术便是数控技术，此项技术以工艺设计为指导，主张灵活运用柔性制作技术方法进行机械制造作业，比如在产品价值与制造、产品装配、检测等方面，应用价值颇高，能够将加工主体对象转化为质量优良的成品。与此同时，柔性制造技术不仅囊括微电子技术、智能化技术等先进技术，还融合了传统制造技术方法，具有作业效率高、先进性鲜明、自动化突出等特点[7]。并且柔性制造技术主要以硬件柔性化为基础，对不同的加工主体对象均能满足自动化变化、智能变化的要求，进一步完成柔性制造加工的目标。此外，柔性制造系统普遍由计算机进行控制，一般选用数控机床，能够为现代机械制造生产作业提供适宜的加工工艺。在利用计算机的基础上，可对设备进行连续监控及控制，进一步对设备运行的具体情况进行详细记录。应用柔性制造技术可以提高企业制造生产的灵活程度和针对性，从而使企业制造生产的综合效益水平得到有效提升，因此柔性制造技术值得借鉴及应用。

2.4敏捷性制造技术的应用

敏捷性指的是企业处于不可预测、持续变化的经营环境中形成的生存发展、技术革新、善于应变的能力，主要能够集中体现相关企业的综合实力。对于敏捷性制造技术而言，指企业运用现代化技术方法，合理快速配置各种资源，并突出产品制造敏捷性、时效性特点，进一步满足客户需求的制造技术。由此可知，敏捷性制造需各种先进技术方法的充分支持，而敏捷虚拟企业有必要在快速变化的外界市场环境作出快速反应，保证能够充分适应现代机械制造的市场竞争形势。值得注意的是，随着国民经济的快速发展，用户需求日渐严格，使现代机械制造行业生产的产品类型日趋丰富多样[8]。与此同时，在高新技术产品方面，难以由某个企业单独承担所有的技术开发、生产制造任务，需联合行业内多个企业或者一个企业内的多个部门，结合生产任务的繁重程度，合理配置技术、人员、资源，利用临时组建的虚拟企业链条完成相应的生产任务。在上述生产方式的应用下，可以在很大程度上分散企业的生产风险，减少生产成本投入，进一步提升企业的作业效率，满足用户的生产需求。总之，虚拟企业链条是现代社会集成的集中体现，在机械制造行业中的应用价值显著，可以实现资源优化配置的目标，并使机械制造生产工作的质量效益得到有效提升，因此值得借鉴及应用。

3现代机械制造中机电一体化技术的发展趋势

3.1朝微型化方向发展

现代机械制造中机电一体化技术的应用及发展期间，开始涌现出全新的微型机电一体化技术的研究，这属于新兴技术的研究范畴，且属于纳米电子技术与机械技术的共同结晶产物。与此同时，运用微型机电一体化技术生产出来的产品，体积普遍小于1cm3，这也是此项技术突出的应用优势，适用于多个生产制造领域。并且，由微型机电一体化技术生产的产品耗能低，可实现高效运转的目标，能够能为人们的日常生活提供更多便利。因此，微型机电技术值得借鉴和应用。近年来，西方一些发达国家开始着手研究微型化的机电一体化技术，并取得了一定程度的技术创新和进步成果。比如，以纳米技术为基础的电子技术与机械技术，能够在微型化的机电一体化系统发挥出显著的作用。此外，合理运用微型化机电一体化技术，可以逐步缩小生产的产品体积，适用于医疗、军事等重要领域，可以在很大程度上降低能源消耗，有利于我国社会经济的长远发展。因此，需使机电一体化技术逐步朝微型化方向发展。

3.2朝智能化方向发展

近年来，随着我国科学技术的快速发展，全球范围内较多的产品能够实现智能化的操作要求。同时，现代机械制造中的机电一体化技术更强调理论层面知识的支持，并且机电一体化技术侧重突出智能化的特点优势[9]。因此，机电一体化技术正向人类智能模拟化方向发展转变，且从侧面说明机电一体化技术具有良好的技术发展前景。当下，社会大众日常生活与智能自动化技术密切相关，比如自动取款机、智能手机等。由此可见，智能化是机电一体化技术发展的必经之路。为了实现机电一体化技术的智能化发展目标，则需合理借助基础理论知识，加强理论研究，并通过实践工作的积极开展，使机电一体化技术的智能化水平得到全面提高，从而在现代机械制造中发挥出更为显著的优势。

3.3朝人性化方向发展

科学技术的不断发展，为人们带来了许多的便利，与此同时，科技产品尤其是新兴科技产品的价格居高不下，这显然与人性化服务目标相违背。为了实现人性化的现代机械制造企业生产服务目标，在机电一体化技术发展过程中，也需朝向人性化方向不断发展，通过技术应用，营造出人机合一、人机一体化的氛围，并生产出优质的产品，满足广大用户的切身需求，并使技术、产品协同实现人性化发展的目标。

4结束语

通过文章的分析研究，认识到在机械制造行业发展期间，需使机械制造模式向智能化、数字化、自动化等方向转变，并将机电一体化技术合理科学地应用到机械制造行业中，包括合理科学地使用计算机数字控制技术、计算机集成制造技术、敏捷制造技术、柔性制造技术等，以此实现有效控制产品质量的目标，并确保生产设备处于正常、可靠的运行状态，在真正意义上合理优化配置各种资源，进一步提高现代机械制造总体生产工作效率，并有效控制现代机械制造企业的总体成本投入，增强现代机械制造企业的随机应变能力，提升客户对产品服务的满意程度，最终为现代机械制造企业经济效益及社会效益的全面提升奠定坚实的基础。

参考文献：

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[2]吕石磊,曹其新,李想,等.机电一体化机器人关节及其驱控系统硬件设计[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2021,33(1):111-117.

[3]李杨.机电一体化设计理念与自动控制技术应用分析[J].造纸装备及材料,2020,49(5):38-40.

[4]叶佩青,张勇,张辉.数控技术发展状况及策略综述[J].机械工程学报,2015,51(21):113-120.

[5]姚锡凡,景轩,张剑铭,等.走向新工业革命的智能制造[J].计算机集成制造系统,2020,26(9):2299-2320.

[6]张映锋,张党,任杉.智能制造及其关键技术研究现状与趋势综述[J].机械科学与技术,2019,38(3):329-338.

[7]阚艳,舒送,钟靖,等.航空零件柔性加工单元应用研究[J].制造技术与机床,2020(7):113-116+121.

[8]李春雨.机电一体化技术的应用与发展[J].工程技术研究,2016,1(7):64-65.

微型机械范文篇9

1机械设计制造及自动化的特点

机械设计制造及自动化的发展，与传统的机械设计制造有着十分显著的差异性，即实现了自动化与智能化。这一方面的发展，不但极大地减小了相关工作人员的工作压力，同时也在很大程度上实现了对机械设计制造的精准性与效率水平的全面提升，机械设备的生产效率和性能水平有了大幅度的提高。机械设备制造与自动化是基于现代化科学技术发展所新产生出的一种时代产物，是通过将多种现代化高新技术的有机结合所产生出的一种具有更加典型性系统化、智能化及高度精细化的技术手段。基于对此项技术手段的充分运用，能够促使传统机械设计制造所面临着的产能不足、效率低下问题得以迎刃而解，并由此使得机械设计制造能够更加有效地满足于现代工业发展对生产力提升所提出的新要求。

2机械自动化系统在实际生产中的应用

伴随着科学技术手段的快速化发展以及有关工业技术的持续促进，机械设计制造与自动化取得了较大的发展成就，被广泛应用在工业生产领域中，本文举例说明。2.1锅炉汽包水位控制。2.1.1单冲量控制系统。做汽包水位控制方式即针对给水途径采取有效控制。单冲量即为汽包水位，在此方面的控制系统主要是在蒸汽负荷明显增大之时，因假水位的存在控制器应避免扩大给水量，而应关小控制阀开度，降低给水量。在假水位消失后，蒸汽量扩大，送水量便会下降，水位剧烈波动，较易出现事故危险。因而针对停留时间短、负荷波动大的状况，系统较难有效适应，水位难以得到有效保障。但是在小型锅炉中，因水分在汽包内停留时间较长，蒸汽负荷发生改变之时，假水位情况并不突出，安装一定的联锁报警系统，便可有效确保操作过程的安全性。如果所控制的对象汽包液位出现了下降情况，检测变送器采用的是的压差式，此时检测的压力也会变小，从而影响到检测信号，使其变小。给定量与检测量会存在偏差，并且检测量会小于给定量，通过对二者进行比较从而将其传输到调节器。调节气阀由于压力降低，开度打开从而使水量增加，水量增加则导致锅炉内部汽包液位上升，回到原有的平衡位置，从而实现自动控制。如果汽包液位上升，检测变送器的类型依然是压差式的，此时检测到的会增大并且检测信号造成影响，使信号增大。给定量与检测量之间会存在差异，并且是前者要大于后者，通过对二者进行比较后将其传输到调节器。膜头输入压力会减小，水量此时就会相应的减少，从而使锅炉内部汽液位降低，回到原有的平衡位置从而达成自动控制目标。此种调节方式的优点体现在，系统结构比较简单，汽包容量较大，水位受扰动反应较慢，适用于虚假水位不严重的场合。此动作对于锅炉流量平衡而言是不正确的，在过程开始的时候就扩大了蒸气流量与给水流动波动幅度，使进出流量不平衡增大。2.1.2冷却器控制方案。以氨冷却器控制冷却剂流量控制方案为例，其原理即为借助于对传热面积的改变，来实现对传热速度的控制。采取这一种控制方案能够实现对冷量的充分应用，且有助于保持良好的稳定性，同时对于压缩机入口压力也不会造成不当影响。然而这一种控制方案在灵活性上相对较差，蒸发空间无法得到有效保障，较易导致气氨带液并致使压缩机受损。对此，可选用对物料出口温度及液位实施串级控制的方案，应用这一种方案，能够实现对液位上限值的有限限制，确保蒸发空间充足。

3机械设计制造及自动化发展方向

3.1机电一体化。机电一体化发展方向是目前机械设计制造及其自动化发展的一个主流趋势，可被视作是对技术系统的升级。目前，在部分工业生产领域内机电一体化技术已经得到了十分广泛性的应用，且效果十分显著。机电一体化是基于原本的机械设计制造与自动化技术基础上，利用机电一体化理论，来促使各种类型的机械与电子设备可被组合起来，并产生出一项通过电子控制的机械系统，可实现自动化与智能化的运行。甚至可以说机电一体化便是对机械设计制造及其自动化技术的进一步发展，因而，机电一体化发展必将是未来机械设计制造及其自动化技术发展的主要目标方向。3.2微型化。机械设计制造与自动化系统也越来越朝向微型化的趋势所发展。以微电子机械系统为代表，其尺寸通常在1cm3以下，甚至还不断向着微米、纳米等更加微型化的级别所发展。微型机械自动化产品具有能耗低、体积小、运动灵活等众多优势特性，目前多被用于信息、军事、医疗等领域当中。微型机械自动化发展所面临的主要问题即为技术不够成熟，产品加工需用到精细加工技术，主要包括了蚀刻与光刻两种技术手段。3.3智能化。智能化是机械设计制造与自动化技术所具备的一项关键性特征，同时也是机械设计制造自动化与智能化和传统机械设计制造的根本差异所在。目前，在机械设计制造及其自动化技术领域内，智能化的特征表现的越来越明显，但仍未能够满足于设计标准要求，距离对人力资源的解放还有很长的一段路要走。然而，能够基本确定的一点是，智能化即为机械设计制造与自动化发展的一项主流趋势，在未来必将会实现机械设计制造的完全智能化，将人力资源彻底解放出来，自动实现对机械的设计、制造与生产。

4结束语

总而言之，机械设计制造及自动化发展是提高工业生产能力与效率的重要措施方法，随着当前相关科学技术手段的快速化发展以及有关工业技术的持续促进影响，机械设计制造与自动化取得了较大的发展成就，被广泛的应用在了工业生产领域中，与此同时也呈现出了机电一体化、微型化、智能化、网络化、虚拟化、绿色化等发展趋势。

参考文献

[1]刘超.我国机械设计制造及其自动化发展方向研究[J].河南科技,2013(06):105.

微型机械范文篇10

关键词：机电一体化技术；机械工程；趋势展望

1机电一体化技术在机械工程中的应用

1.1机电一体化技术在改造机床上的应用。在机械工程中，数控机床是极为重要的机械设备，同时也是应用极为广泛的机械设备，该设备本身对产品的加工精度要求较高，若机床中的模具出现偏差，则会对产品质量造成较大影响。而机电一体化技术在机械工程中的应用，有效提升了现代机床的加工精度，并对机床的加工速度进行了提升，使机床更加智能化。机电一体化技术对机床的内部结构进行了改造，对工作台与床上刀具运行轨迹的偏差值进行了有效的降低，提升了产品的质量，并且在机床实际的使用中，可利用计算机技术对相关的数据信息进行自动化处理，且因计算机内配置多块DPS芯片，增加的机床的抗干扰性，使得机械工程达到生产力得到提升，有效促进了企业经济效益的提升[1]。1.2机电一体化技术在包装机械方面的应用。在机械工程之中，包装机械是一类较为常见的机械，其在包装生产中的应用极为广泛。包装机械设备自身在结构方面较为繁琐，在其中的控制连杆及凸轮构造更是极为复杂，若这些复杂的部位一旦出现故障，则很难进行维修。而机电一体化技术在机械工程中包装机械领域的应用，有效解决了包装机械难以维修的问题。机电一体化技术的实际应用，将包装机械设备系统进行了模块化，并使包装机械从产品的实际生产到设备的维护的全过程，实现智能化操作，不仅仅优化了包装机械的操作，还提升了生产效率，有效降低了维修成本[2]。

2机电一体化技术在机械工程领域应用的趋势展望

2.1机电一体化技术呈微型化发展趋势。对目前的机电一体化技术进行分析，可发现机电一体化技术正向微型化逐渐发展，该发展趋势是指在几何尺寸为纳米的水平上进行相应的生产工作。这种机电一体化技术呈微型化发展趋势下所形成的微型机电一体化技术，是在纳米程度上的电子技术与机械技术相融合所形成的新型技术，该技术具有体积小、能耗低、运动灵活等方面的特点，具有极高的应用价值。微型机电一体化技术的实现将会进一步提升机械生产的质量及效率，可推动机械工程的整体发展。2.2机电一体化技术呈智能化发展趋势。随着我国科学技术的迅猛发展，其与机电一体化技术的有效融合，必然会推动机电一体化技术向智能化方向发展。在控制理论基础方面来看，机电一体化技术所体现的都是传统的机械控制化技术，需要对其进行进一步的提升。而在智能化发展趋势下形成的智能机电一体化技术与传统的机电一体化技术相比，其将计算机科学、生理学、人工智能等多方面技术进行了综合[3]。虽然智能机电一体化技术还在探索之中，但其具有众多的优点，必将在将来应用于机械工程领域，推动机械工程向智能化发展，可有效减少企业在人工方面的需求，有效降低成本、提升效率及经济利益。2.3机电一体化技术呈高性能化发展趋势。机电一体化的发展必然会以其使用性能为主，这就使得其必然呈现高性能化发展趋势，以此来提升技术本身的可靠性、高效性、高精度性、高速度性，利用这些特性可对新型CNC系统中多个中央处理器结构及利用总线进行连接的方式进行满足。在这一新型的系统之中，具有极其精简的指令集计算机，可同时进行多个操作系统的工作，进行多个工作任务的同时处理。利用这种高性能机电一体化技术进行产品的生产工作，不仅仅节约了时间、提升了效率，还能够提升所生产产品的性能，该技术的实际应用将会进一步提升机械工程的生产效率，为企业创造更高的效益。2.4机电一体化技术呈绿色化发展趋势在我国工业领域长期的发展之中，对生态环境造成了极其严重的破坏，随着机电一体化技术的不断发展及进步，在利用机电一体化技术进行实际的产品生产时，将会更加注重技术的绿色化及其所生产产品的绿色化，以此来促进生态环境的良好发展。绿色机电一体化技术的应用，会进一步推动相关领域向绿色环保方向发展，从而促进企业的可持续发展[4]。

3结论

总而言之，当前机械工程领域的发展，是跟随机电一体化技术的发展而发展的，机电一体化技术的发展不仅仅对机械工程领域的发展起到了重要的推动作用，还对社会整体及人们的生活等方面的发展起到了促进作用，并对经济、农业、科技、生态等领域产生巨大影响。因此，应对机电一体化技术在微型化、智能化、高性能化、绿色化等方面的发展进行深入的研究，推动相应技术的成熟发展，以此来推动机械工程的整体提升。

参考文献：

[1]赵传生.机电一体化技术在机械工程上的应用及其趋势展望[J].山东工业技术，2018(8)：79+31.

[2]黄骏.机电一体化技术在机械工程上的应用及其趋势展望[J].科技展望，2016，26(19)：84.

[3]邱富永.浅谈机电一体化技术在工程机械中的应用[J].科技致富向导，2014(36)：109.