机械工程未来展望终板Word下载.docx

1、机械工程，高技术制造，“绿色”制造。1.绪论在21世纪里，人类发明和发展了汽车、机床、机器人、飞机、火箭、芯片、计算机、电视机等成千上万的机电产品，极大地改变了人类的生产方式和生活方式展望未来，21世纪将更加伟大、更加辉煌。制造业将出现更多意想不到的奇迹。生产的汽车不仅会跑，可能还会飞；制造的飞机将更快、更安全；高速列车和磁悬浮列车将飞驰 在祖国的原野；智能仪器装备和智能机器人将按照人们的要求高效率、高质量地制造产品；微型机器人将能进入血管清理“垃圾”、修补心脏；人们可用分子组装技术组装出理想性能的微器件；掌上工具可能是计算机、可视电话、电视、音响和网络的集成，等等。未来机械工程科学发展的总趋

2、势将是交叉、综合化；智能机器人及仪器设备、微型机电系统、高效柔性、智能自动化制造技术将日趋成熟，并被市场所接受；可重构制造系统的理论与技术和适合我国的制造模式将得到完善和发展；在机构学、摩擦学、仿生机械和仿生制造等领域我国将进入世界先进行列；我国科学家问鼎诺贝尔奖将不是天方夜谭。制造业在制造科学技术的武装下将全面现代化，国家由于制造业创造的财富而更加昌盛繁荣。人民的生活将更加富裕潇洒。信息科学、材料科学、生命科学、纳米科学、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。与以上领域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、

3、制造管理科学和可重构制造系统等是21世纪机械工程科学的重要前沿。半个世纪以来,我国的机械工程科学得到了很大的发展，我们已经建立了较完善的学科体系，在学科前沿、技术创新和工程应用诸方面取得了突出成就。新技术在制造业中的应用，使得被人们称作“夕阳产业”的机械制造业不断涌现新的希望，唤发新的活力。从起初“规模型”、“成本型”到“质量型”，再到现在的“快速响应型”无不展示其适应市场竞争，求生存、求发展的勃勃生机。围绕着以满足个性需求为宗旨的新产品开发与竟争，一场以大制造、全过程、多学科为特征的新的制造业革命正波澜壮阔地展开。2.概况日前，由中国机械工程学会组织编写、中国科学技术出版社出版的中国机械工程

4、技术路线图在京隆重推出。该书在历时一年多的编写过程中，倾注了包括19名两院院士在内的100多名专家的心血，横跨中国机械工程技术11个领域。它的出版有望在未来的20年中，引导我国机械制造技术实现自主创新、重点跨越、全面发展。当今世界科技创新日新月异，信息化、知识化、现代化、全球化的发展势不可当，新兴发展中国家快速崛起，世界经济和财力正处于大调整、大变革、大创新、大发展的时期，我国制造业也将迎来新的发展战略机遇期和挑战。30余年的改革和开放取得了举世瞩目的成就，国家面貌和人民生活发生了翻天覆地的变化，2010年我国国民生产总值已经达到39.8亿元人民币，居世界第二位；2010年全国进出口总额达到2

5、.9千亿美元，工业进出口总额占一般贸易出口额比重达到了93.1%，机械工业的销售量也已经居于世界前列，已成为全球经济大国和制造大国。但当前我国的发展模式仍比较粗放，技术创新薄弱，产品附加值低，在发展同时也付出了巨大的能源资源消耗和生态环境污染的代价，这说明我国还不是制造强国。到2020年我国将实现全面建设小康社会，基本建成创新型国家的目标，向建设富强、民主、文明的社会主义现代化国家迈进，可预计未来20年我国制造业在保持强劲发展势头的基础上，将进一步优化产业结构，转变发展方式，提高自主创新能力，提升全球的竞争力，基本实现由制造大国向制造强国的转变。为实现制造强国的转变，机械制造必须先行，必须从模

6、仿走向创新，从跟踪走向引领。对未来20年机械工程技术发展进行了预测和展望，明确、清晰地提出了面向2030年机械工程技术发展的五大趋势和八大技术。五大趋势包括绿色、智能、超常、融合、服务。八大技术包括复杂机电系统的创意、建模、仿真与优化设计技术，零件精确成形技术，大型结构件成形技术，高速精密加工技术，微纳器件与系统，智能制造设备，智能化集成化传动技术，数字化工程等八大技术。这些技术对未来装备制造业发展具有重大影响，既立足于中国装备技术发展的实际，又把握了国际装备技术的发展趋势。它们的突破将提升我国重大装备发展的基础、关键核心技术创新和重大的集成创新能力，提升我国制造业的国际竞争力以及在国际分工中

7、的地位，将深刻影响我国制造业未来的发展方向。装备制造业是为国民经济发展和国防建设提供技术装备的基础性、支柱性、战略性产业，也是一个国家综合国力和国防实力的集中体现。纵览当今世界强国，无一不是装备制造业的强国。强国和大国的根本区别在于以技术创新能力为核心的综合国力的组成，其具体体现之一就在于装备制造业的发展水平。3.高技术改变制造业当今日新月异的科学技术发展，展现出了更多的科学发现和技术发明前景。信息科技、生命科学和生物技术、纳米科技的突飞猛进与相互交织影响，成为新一轮科技革命的重要标志。高技术的迅猛发展，同样对制造业的发展起到了推动、提升和改造的作用。高技术对制造业的改变是全面的和连续不断的，

8、包括影响制造业未来的发展方向、重心领域、科技前沿、核心要素等，这里就几个重大方向问题做些说明。3.1高技术改变制造业尺度向下延伸尺度向下延伸促使制造业的重点前沿转移。在人类文明的几千年历史中，人们在认知周围世界的基础上，制造行为的范围大体上是在公尺上下三个数量级（即由千米到毫米）之间，这也大致相当于几千年人类作到的从必然王国走向自然王国的范围，同时也是人类“制造”活动的范围。20世纪科学技术的发展使人类对客观世界的认识和掌握进一步向下延伸，逐步进入了微米、纳米和原子分子级范畴，相应发展的高技术及其产业化的需求推动和拉动了精密、微细制造技术的发展。微电子技术的发展使制造业的领域迅速向微米、亚微米

9、领域进展，正在推向纳米级制造。高技术，首先是信息技术和生物技术对制造技术向下延伸的推动力是十分巨大和迅猛的，世界装备制造业前沿积极转向微纳制造的趋势十分明显。制造业重心尺度向下延伸，将研发前沿转向微纳制造的意义还在于“小”对“大”的深化作用。认识“小”，是认识物质自然规律、解释物理化学现象、掌握物质行为机理、创立新产品全新原理的必由之路。制造业未来的核心技术、难点、高增值潜力越来越多地寓于微小之中。由于大型设备的技术竞争往往最终归结到核心器件的竞争，体现在专用芯片、控制器件、微传感器、智能控制、新型材料等，有远见的企业在生产制造中尺度和大尺度机械产品的同时，把改进生产方式和不断提高产品水平的未

10、来越来越寄托在微纳技术上。用“微小技术”发展“重大产品”，充分体现了高技术发展对机械制造业发展重大和深远的影响。3.2高技术改变制造业产品智能化 功能仿生、拟人化智能化预示着全新一代机械产品的诞生。高技术为机电一体化注入了新的含义和活力，使最初意义上的机电一体化实现向高技术升级，机电一体化的概念在不断扩展中成为多元技术的集成，或如有的专家描绘的“机电光声热化生一体化综合集成技术”。而机电一体化产品五要素（结构、运动、检测、控制、驱动）在信息技术的催化下，实现充分的融合和集成，机械产品自此真正成为智能化产品。生物工程正在成为制造技术的重要组成部分。生物加工和为生物技术提供仪器设备成为制造业的重要

11、组成部分，对生物体、柔性体的处置加工成为与加工金属体和刚性体同样普遍的制造方式。而生物领域的巨大发现和生物工程的应用大大加快了制造产品领域仿生技术、拟人化技术的开发应用。例如蛛丝这样的自然材料在纳米技术的配合下将成为在制造领域有影响的重要仿生产品。生长型制造的比重正在迅速提高。高技术在分子生长领域的成就将在微制造领域推动“从下而上”制造方式的开发掌握和合理应用，使传统的制造模式发生难以预测的变化。纳米技术与仿生学的结合可以使生物物理学家仿照生命过程的各个环节制造出用于各种各样目的的纳米机器人。国外有一项“先进安全车（ASVAdvanced Safety Vehicle）”计划，目的是利用电子技

12、术等高技术进一步提高汽车安全性能，实现汽车的高度智能化。这里主要包括两大部分：安全预防技术和事故避免技术。其中如防困警报系统，打算利用高技术来达到：当车辆偏离车道上标记的行驶路线时发出警报（仪表板上的摄像机监视驾驶员面部表情、眼睛睁开程度、眼皮眨动频率，在打瞌睡早期予以识别，发出警报或释放薄荷醇气味和空调冷气，进一步则自动启动制动系统）。此外还有轮胎气压过低警报系统、夜间目标检测与警报系统、汽车导行系统、车距警报系统、冲击吸能系统、行人保护系统、碰撞识别通报系统（自动呼叫救援调度中心并发出数据）等，这些都将建立在应用高技术的基础上。高技术正在使机器人技术发生重大变化，由于信息技术的全面应用，机

13、器人的遥控和全自控操作已经成为现实，机器人的使用面正在日新月异地扩大。3.3高技术改变制造业扩展跨度服务高级化发展了几百年的以产品为中心的制造业正在向服务方向扩展延伸。纯物质形态的制造业产品正在向越来越非物质形态的服务方向发展。这是历史的巨大进步，也是制造业的巨大发展和进步。从世界制造业发展规律看，服务比重的提高是制造业走向高级化的主要标志，而高技术的应用为制造业服务内容的扩展和水平的提高开拓了广阔的天地。一个有启示性的例子是美国通用电气公司的新商业模式卖“推进服务”而不是卖“喷气发动机”。亦即用一笔综合性收费，通用电气公司向航空公司出售在一定合同期限内得到保障的发动机正常运转时间，其中包括零

14、件、维修、备用发动机、融资等保障飞机飞行的一切服务。此项服务几年前就已达到累计200亿美元营业额。同样，IBM公司则从卖计算机向卖“计算能力”方向发展。从卖机器卖零件转向卖功能卖服务，与此相应的制造业结构从以产品为中心迈向以服务为中心，制造业主体增值部分由设备、工程、成套、交钥匙扩展到规划设计、管理维护、咨询服务、战略分析、概念创意等非物质型的高层次服务、知识型服务，正在使制造业结构和内涵发生彻底的带根本性的变化。制造业扩展服务内容，既表现为行业结构的改变，也体现在产品方向的扩大。以机器人为例，生产型机器人是未来制造业很重要的组成部分，而服务型机器人注定将有更为广阔的发展潜力。从技术层面分析，

15、工业机器人多数是执行重复性任务为主的“固定式”机器人（如生产线上的焊接机器人），而服务机器人则更多地是“移动式”机器人，向服务型机器人扩展，据有关专家预测，将使机器人行业发展到和全球汽车工业一样庞大，而日本预计到2025年机器人产值将达到8亿日元。但是，这一突破必须要建立在高技术发展的基础上，因为移动式机器人多数工作于非定规（Unstructured）条件下，也就是它们工作的条件往往不是事先设计中预料得到的，典型的例子是病人护理，由于病人的一次突发咳嗽，就能使通常的机器人措手不及，作出错误反应，这里需要机器人具有全身感知（whole-body sensing）能力。为此，科学家们正在运用微传感

16、方面的高技术成就来实现全表面感知，如美国科学家研究的”Senskin”，就是在数据处理技术、新材料技术和微传感技术的基础上，集成产生的所谓“敏感皮肤”，覆盖机器人全身的敏感皮肤将使各种服务型智能机器人真正成为可能。高技术应用带来的服务高级化将为制造业开拓巨大的新领域。现代物流系统的普遍采用、射频识别技术的推广应用、高速网络与装备系统的结合、通信技术与工程项目的结合，都将使装备制造业迈向更广阔的天地。3.4高技术改变制造业材料基础多样化材料领域的新技术将给制造业带来翻天覆地的巨变。由于高技术的应用，人们生活和生产中一些多年的梦想将有可能得到实现：从玻璃不脏、皮鞋不擦到超强度、超韧性、“刀枪不入”

17、、“永不磨损”，相应地可以实现机器转速更高、重量更轻、体积更小；今天在赛车、火箭、高尔夫球杆上应用的新材料将逐渐在更多的产品上得到应用。传统机械设计采用的数据、公式、常数、系数也不得不经历根本性的改变。新型陶瓷材料正在成为越来越重要的工业制造材料。现代航空发动机用热障陶瓷涂层（TBC）容许发动机进气温度达到1700，使5倍音速的超音速飞机成为可能。“生物钢”（ B i o- S t e e l）是根据蜘蛛丝蛋白仿制的生物材料，这种人造基因蜘蛛丝的硬度是钢的45倍，既坚硬又柔韧，因而首先在军事上具有广泛的用途。在未来也将使工业设计制造产生重大的改变。 基于有机电子学的新型有机材料将彻底改变电子线

18、路和显示技术，将出现可到处悬挂的、轻便的、可卷叠的OLED显示屏，取代笨重的阴极射线管，使多种机械产品的控制显示和输出方式发生巨大的改观。纳米材料的应用对制造业的革命性影响估计得再大也不会过分。由于物质粒径在10纳米以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1纳米时，表面原子数比例达到90%以上，晶界数量的大幅度增加使材料的强度、韧性和超塑性大大提高，同时对光、电和机械应力的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒，这些都使得纳米材料在宏观上显示出许多奇妙的特性。例如晶粒尺寸在50纳米以下的纳米陶瓷，具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷不具备的优点，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件

19、等诸多方面都有广泛的应用。纳米材料改变制造业的另一个不可忽视的方面是高质量碳纳米材料成为新型储氢材料的前景。在传统机械制造设计和工艺领域，新材料的应用同样意味着巨大的创新。例如最基本的机械传动和摩擦磨损，由于纳米材料、智能材料、梯度材料、新型陶瓷材料、新型高分子聚合物、表面涂层及自修复材料等的应用，对机械传动和摩擦副的性能、功能，以及设计方法、标准、数据等，都产生了巨大的影响。如果在大型高速旋转机械和传动系统中采用电流变、磁流变等智能材料来控制系统的刚性，可实现减振降噪和降低高峰应力。而采用新型表面工程的纳米涂层技术和仿生以及智能表面自诊断、自修复技术，将可能实现各类摩擦副表面性能的主动控制和

20、寿命的大幅度延长。如果把眼光放得更长远一点，把立足点转移到“自下而上”的自组装，对于制造业的影响更是翻天覆地的。自装配技术源于分子间有选择的自发性组合，在胚胎学、形体起源学和超分子化学等领域都已有广泛的应用。高技术的前沿之一，正是在微机电系统MEMS技术中多种材料如蛋白质、乳胶、金属分子的自组装技术的研发和应用。在这里，自组装所依赖的驱动力有毛细作用、范德瓦尔斯力、亲水（疏水）作用以及重力等，目前已能实现毫米量级的小组件在液固界面和液液界面的自组装。3.5高技术改变制造业应用新能源改变动力配置能源领域的高技术是影响机械设计制造的重大因素之一，新能源与新装备密不可分。高技术提高太阳能转换效率。光

21、伏转换效率的提高使太阳能取热系统、太阳能发电装置、太阳能汽车越来越走向实用化。除了太阳能在空间技术领域的应用优势外，太阳能飞机的设想也在积极推进中。未来氢能的应用将革新所有现在应用的机械产品。采用氢能源将对许多机械设备的设计制造产生巨大影响，而氢能的安全生产、运输、存储、转化和使用，也将需要大量全新的装备仪器和元器件，包括燃料电池、氢燃料发动机、涡轮机等。使用燃料电池对于未来机械装备的改变将是巨大的。从仪表供电、汽车动力到热电联产装置，都将由此产生难以预见的变化。美国近期出台了美国向氢经济过渡的2023年远景展望报告，认为氢能是美国未来能源的发展方向，要走以氢能为能源基础的经济发展道路。光子技

22、术将改变制造业的未来。光加工、光化学加工、光电加工正在变得如此重要，而制造技术变得如此离不开光科学。专家们认为：如果说电子技术引起发生于20世纪的第一次信息革命，那么光子技术必将在21世纪初叶掀起第二次信息革命。作为光子产业第一阶段的光电子产业，包括了基于光子技术的光信息产业和基于光力技术的光能量产业。光子产业的第二阶段将产生新的全光产业。光子时代并不遥远，而且已经在可以不计工本的领域开始研究和应用，例如美国研究以激光为动力推进航天飞行器，已经取得卓有成效的结果，而各国在光子计算机方面的研究开发也已取得重大进展。大功率激光发生器将首先在军事上取得突破，并逐步扩展到民用工业上。我国2003年9月

23、召开的以“激光制造与未来技术产业的发展”为主题的第210次香山科学会议，中心议题是“激光制造寻求大发展”。专家们认为，激光制造时代正在来临，激光制造以激光光子作为能量的载体，在焊接、切割、打孔、刻槽、标记等十几种应用上迅速取代传统加工方法。1998年美国国家研究理事会发布的哈里森计划指出“除了成功应用在信息领域外，激光技术对经济最重要的贡献是在制造业和加工业。”从激光加工市场比较来看，2002年的国际产值为30亿美元，而国内仅为10亿元人民币，开发潜力十分巨大。3.6高技术改变制造业层出不穷的高新技术催生多姿多彩的机械产品制造业走向高技术新时期世界科学技术和产业发展一个新的特点和规律是学科间的

24、交叉融合和产业技术间的结合互动。制造业和高技术相辅相成，新工艺和新装备集成创新，成为必然的潮流。制造业走向高技术，体现在：制造业应用高技术成就、制造业为发展高技术提供条件、制造业与高技术结为一体融合创新。3.6.1制造业走向高技术在机械制造中广泛应用高技术要不要在机械制造业广泛应用高技术，早已不存在争议，问题是在重点选择和实施方针上。当前有几个问题值得注意。3.6.1.1 制造企业信息化。制造企业信息化包括市场开发、产品设计、制造过程、生产管理、工具装备、商务营销等各环节。这是制造业得益于信息技术最明显和最普遍有效的领域。从目前的情况来看，中国企业信息化的道路还很长。一项调查表明：2003年中

25、国大型企业信息化的现状按建设阶段分析，基本上仍然处于起步阶段，达到成熟程度的仅占3.7%，这同时反过来说明，中国企业能够受益于信息化的潜力还很大。制造企业信息化当前的问题主要不是在技术上，甚至也不在资金上，而是在管理理念和实施方针上。为摆设、为争名、为立项而推行的“信息化”和盲目引进、照抄照搬、脱离实际的“信息化”同样很难成功。成功的企业信息化必须作到“务实应用”，统一的模式是不存在的。像海尔集团实行的是以定单信息流为中心的信息化，采用SAP公司的ERP系统和BBP系统（原材料网上采购系统），建立现代物流系统，并将电子商务平台扩展到整个供应链管理。而上海通用汽车结合急需采用的是报表整体解决方案

26、，建立独立于各业务系统、面向整个公司和部门的报表中心，满足各部门不断增长的报表需求，并提供相应的决策数据支持。从制造企业信息化的实践中可以得出的经验是，制造业应用高技术并不能简单从事，必须坚持按需务实、积极推进；同时要注意的是应用高技术不只是一个技术问题，往往管理、机制、组织方面的问题比技术更关键。3.6.1.2在精密制造的基础上发展微纳制造。微纳制造是机械精密制造技术合理的延伸，也是机械制造应用高技术必经之路。早在10年前，诺贝尔物理奖获得者罗雷尔有一段精辟论述：“150年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同

27、样，未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准、并首先学习和使用它的国家。我们应当记住，微米技术曾同样被认为对用牛耕地的农民无关紧要。的确，微米与牛和耕犁毫无关系，但它却改变了耕作方式，带来了拖拉机。”今天，微米级制造已经广泛进入现代装备和仪器的生产领域，明智的企业已经占得先机。就拿喷墨打印机的墨头生产来说，通过在精密制造技术基础上灵活运用高技术、掌握微米制造技术生产墨头的少数几个跨国公司牢牢占有着技术和市场优势，获取最大份额的利益（一个喷墨头和一台打印机大体上售价相当，而市场容量前者是后者的12倍！）。除此之外，在应用高技术问题上，似乎也存在着类似马太效应的规律，在一个产品上成功应用高技术

28、的企业，最容易在其它产品上同样取得高技术应用的成功，例如做成了喷墨头，掌握了微纳级精密制造技术、照相平板印刷技术、光敏材料蚀刻技术、精密电路瞬时加热技术，很快就能在制作DNA芯片上得到嫁接应用，而制作其它的MEMS器件也将变得得心应手。事实证明，最早意识到高技术的市场潜力并开发应用高技术的企业，大多成为竞争中的优胜者。此外，当今的发展前沿已从微米制造转向亚微米和纳米制造，高技术对制造企业的筛选淘汰作用正在变得越来越无情。不进则退，及时向微小技术（Small Tech）挺进，成为多数制造企业必然的选择。关于喷墨头的故事，必将在越来越多的微米、亚微米以及纳米级的元器件制造中得到再现。像大多数最新技

29、术的光通信元器件、纳米级的集成电路芯片、正在崭露头角的生物工程和基因芯片，对制造业和企业的挑战和机遇都远远超出以往任何一次的力度。对于我国一大批制造企业来说，特别现实的一个选择是加快掌握超精密加工技术和微传感器的开发应用。轿车上加速度微传感器开发应用的历史已经提供了很好的例证，而像精度要求达到10纳米的聚焦离子束铣削Focused Ion-Beam milling（FIB）这样的新技术必将在不远的未来成为机械制造企业不再陌生的精密加工手段。3.6.1.3跟踪IT技术进展 提升制造产品技术含量。制造业能够从IT技术获取的益处远远没有开发穷尽。跟踪IT技术的进展，及时吸纳IT技术成就，消化应用于制

30、造业的产品，在可预见的时期内，始终将是一个取之不绝的源泉。注视和观察IT产业的动态，并思考对制造业的影响和可以被制造业吸取的技术成果，这是一条有效的捷径。例如最近IT业界评出了未来23年的十大IT技术。在评选过程中获得提名的总共53项重大IT技术中，可以发现有一批技术将对制造业、制造技术产生十分巨大的影响：90/65/45纳米半导体工艺技术。对制造业的影响将十分深远，其挑战十分严峻。RFID （Radio Frequency Identification ）,射频身份识别，是条形码识别的换代技术。在美国，沃尔玛公司已要求其主要供货商在2005年之前采用RFID，美国国防部也要求供货商采用RFI

31、D技术；剃须刀生产大厂Gilette近期就订购了5亿件RFID标签，而诺基亚也正准备将这种标签芯片植入其产品中。M2M机器到机器（machine-to-machine）通信技术，重点在无线通信，包括机器对机器、机器对移动电话、移动电话对机器三种方式。将用于用户远程监控、远距离收集信息、设置参数和发送指令、货物跟踪等。在制造企业的生产环节、运输环节、大型产品的运行监控和成套装置的检测、报警等，都是十分理想的用途。可以这样设想：昨天，计算机技术用于数控系统，历史性地改变了整个机床工业的面貌和地位；今天，无线通信技术用于各类机器装备，将又一次革命性地提升机械产品的操作方式和在用户生产流程中的作用和地位。生物识别技术、燃料电池技术、远紫外线光刻技术、网格计算技术等，都将改变未来制造产品的面貌。3.6.1.4 吸纳上游