机械工程科学前沿与发展-朱剑英教授-南京航空航天大学

2020/7/101面向21世纪的先进制造系统与技术朱剑英教授南京航空航天大学2020/7/102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7.从制造大国走向制造强国2020/7/103制造业与制造技术的重大意义2020/7/104制造业创造了人类1）人从猿进化而来,人猿分离,是由于人学会双足行走和用手制造并使用工具。2）中国的元谋人（170万年前的南方古猿）、非洲人早在160万年前即开始用火，石料开采和加工，形成了原始制造业。饮食改善促进了脑的发展。200万年前的猿人脑容量约为700毫升，100万年前的直立人脑容量约为1000毫升，50万年前增加到1200毫升，1929年发现的57万年前的北京（直立）猿人为1050毫升，而现代人的脑容量平均为1450毫升，现代人的大脑皮层褶皱面积为1700-2200平方厘米，是黑猩猩的3倍。3）恩格斯指出：“直立和劳动创造了人类，而劳动是从制造工具开始的。”2020/7/105制造业不是夕阳工业(1)1.美国的教训1)上个世纪70年代,美国不重视制造业,把制造业称为“夕阳工业”,结果导致美国80年代的经济衰退。2)80年代后期，美国的一些国会议员、政府要员纷纷要求政府出面，协调和支持制造产业的发展，1991年，布什政府期间，美国白宫科学技术政策办公室发表了总数为22项的美国国家关键技术，其中制造技术占4项，标志着美国科技政策的转变。3)克林顿上台后，对制造业大力支持，他把先进制造技术列为六大国防关键技术之首。结果美国在机械工业、汽车工业、航空工业及信息产业等方面取得了明显的进展，使美国的经济连续8年取得了2-3%的增长率，而且还同时保持低通胀率和低失业率。这就是克林顿虽发生丑闻而未被弹劾的主要原因。2020/7/106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“日本的芯片打败了伊拉克的钢片”。2020/7/107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、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，因此受经济危机的影响小一些。2020/7/108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。2020/7/109制造业是产业革命的主力军（1）第一次产业革命：1733-18781）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的诞生。2020/7/1010制造业是产业革命的主力军（2）第二次产业革命：1879-19451）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、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，导致了量子场论的创立。2020/7/1011制造业是产业革命的主力军（3）第三次产业革命：1945-19721）又称为：电子（原子）革命。2）产业革命的标志：原子弹（1945）、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。2020/7/1012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高新技术产业革命推向顶峰。2020/7/1017从科学发现到技术发明科学发现年份技术发明年份孕育过程电磁感应原理1831发电机187241年内燃机原理1862汽油内燃机188321年电磁波通信原理1895第一个公众广播电台192126年喷气推进原理1906涡轮喷气发动机193529年雷达原理1925制出雷达193510年青霉素原理1928制出青霉素194315年铀核裂变1938制出原子弹19457年发现半导体1948半导体收音机19546年集成电路设计思想1952第一个单片集成电路19597年光纤通信原理1966光纤电缆19704年无线移动通信设想1974蜂窝移动电话19784年多媒体设想1987多媒体电脑19914年新一代设计芯片90年代新一代芯片实现90年代18个月（莫乐定律）2020/7/101820世纪改变世界的重要机电产品序产品发明时间(年)发明者及备注1汽车18851903德国本茨美国福特汽车公司建立2飞机1903美国莱特兄弟3火箭1903俄国齐奥尔科夫斯基4电冰箱1917美国弗里基德亚公司5电影机1919(黑白)1936(彩色)德国福格特德国6电视机1927(黑白)1940(彩色)美国贝尔电话研究所美国7喷气发动机1937英国惠特尔8原子弹1945.7.161945.8.61945.8.9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9计算机1946美国莫切利与埃克特发明ENIAC电子管计算机10晶体管1948美国肖克利11核电站1951美国12数控机床1951美国麻省理工学院13氢弹1952美国特勒2020/7/101914机器人1954美国戴沃尔获第一个工业机器人专利15人造卫星1957苏联16宇宙飞船1961苏联加加林17飞船登月1969.7美国阿波罗1118载人航天飞机1977美国海斯富勒顿19磁悬浮列车1965日本时速400--500公里20光纤通信设备1968美国21芯片19711999美国Intel公司微处理器4004Intel的奔腾III芯片,已达950万晶体管/片22扫描隧道显微镜1986日本工业技术院23掌上电脑1992美国Apple公司推出Newton系列24手机90年代初美国25信息高速公路1993美国政府提出NationalInformationInfrastructure---(NII)计划2020/7/1020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1/32）占整个工业生产的4/53）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8043万2020/7/1023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，先进制造技术都被列为优先发展的科技。2020/7/1026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。”2020/7/1028知识经济与制造业2020/7/1029以微见著—精密化是机械制造发展的核心—2020/7/103120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：E=mc2E–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、物质和运动的普遍规律。2020/7/103220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。2020/7/1033现代超精密机械对精度的要求序超精密机械精度要求1导弹、飞机的惯性导航系统中的气浮陀及其马达轴承尺寸精度、圆度、圆柱度要求达到亚微米级2人造卫星仪表轴承表面粗糙度Ra达到1纳米，圆度、圆柱度达纳米级3激光陀螺反光镜表面粗糙度Ra达纳米，平面度达0.05微米4精确制导仪表零件精度达纳米级，若其陀螺转子轴线偏离0.5nm,就会引起100米左右射程误差5计算机硬盘驱动器、光盘、复印机的精密零件精度达100纳米6微电子芯片刻线机刻线宽度在50纳米以下7基因操作机械移动距离在纳米级，移动精度在0.1纳米(原子尺度)2020/7/1035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2020/7/1036细微与纳米加工技术可达的水平序加工方法可达水平1精密电火花加工约1微米2金刚石刀具超精切削mRa)002.0~02.0(的镜面,可切削1nm的切屑3精密研磨、抛光mRa)002.0~01.0(的镜面,用于量块、光学平晶、集成电路硅基片加工4电子束刻蚀0.1微米线宽5离子束加工达纳米级6紫外线光刻0.35微米7LIGA技术(光刻、电铸复合采用深同步X射线光刻)达0.1微米8扫描隧道显微（STM）加工及原子力显微（AFM）加工达0.1纳米1990年美国IBM公司用STM技术将Ni（110）表面吸附的Xe原子逐一搬迁，最终以35个Xe原子排成IBM三个字，每个字高5nm，Xe原子的最短距离为1nm2020/7/1037以综见著—自动化是机械工程发展的途径—2020/7/1039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）2.当前工程控制论的前沿3.制造中的自动化技术2020/7/1040工程控制论的前沿1.“非”:2.“智”:1)非线性1)智能系统2)非定常2)智能控制3)非经典3)智能优化4)非一般5)非对称6)非平衡2020/7/1041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结论：制造自动化技术的基础是数字技术2020/7/1043信息产