影响我国制造业发展的机械工程技术问题

　　全球进入空前的创新密集和产业变革时代，科学技术领域发生革命性突破的先兆愈加明显。信息技术向其它领域加速渗透和向深度应用发展，将引发以智能、泛在、融合为特征的新一轮信息产业变革，引领机械产品向智能化方向发展。增长模式深度调整的巨大压力，将促进新型环保节能技术、新能源技术加速突破和广泛应用，推动机械产品绿色化发展。同时，重大技术创新将更多地出现在学科交叉领域，各类技术之间的相互融合也将更加频繁，将会产生新的技术系统变革、重大学科突破以及新一轮科技革命及产业革命。可以预计，在今后的5～20年，这些技术将发生重大创新突破，并将有可能引发机械工程技术的巨大变革，推动机械工业向绿色化、智能化、服务化方向发展。

　　未来20年是我国制造业实现由大变强，确立在世界领先地位的关键历史时期，中国机械工程学会组织编写了《中国机械工程技术路线图》，不仅提出11个领域的技术路线图，而且在其基础上凝练出若干能影响到机械工业，以至制造业发展进程的重大、前沿性、标志性的8大技术问题。

　　1．复杂系统的创意、建模、优化设计技术

　　建模、仿真、优化及协同管理是机械设计技术不变的核心和关键。复杂机电系统拥有复杂的层次结构，组成复杂系统的各分系统、子系统与元素之间既相对独立，又相关联，上级系统拥有下级系统不具备的属性和功能。复杂机电系统往往是机、电、液、控等多领域物理与信息技术的高度融合，具有多层次、多目标、多时空、高维度、非线性、不确定性、开放性等特征。随着计算、通信、感知、控制等技术的相互融合，复杂机电系统将进一步呈现出智能化、网络化、复合化、分布式和嵌入式等技术特征。

　　进入21世纪以来，复杂机电产品所要满足的需求层次越来越丰富和多样，如何有效地将用户的文化与情感需求融入到复杂机电产品的创意设计之中，是需要人们继续探求的课题。欧美日韩等国制定了符合地域文化与情感的设计发展规划和产业集群模式，美国建立了以技术和互联网文化为代表的硅谷、欧洲研发了现代技术与传统品牌文化相融合的产品。融入文化与情感的创意设计技术属于多学科交叉结合的新技术，其关键技术主要有：创意认知与协同设计技术，情感表达与评价技术，文化品牌、文化构成及多元文化融合设计技术等。

　　航空航天设备、大型交通运输工具、精密制造和加工设备、成套物料处理过程设备、工程机械、微纳机械、光电通讯设备都是复杂机电系统，掌握复杂机电系统创意、建模、仿真和优化设计技术，必将大幅提升我国重大装备的自主设计能力和我国机械工业的技术创新能力。

　　20世纪90年代，计算机辅助设计、计算机辅助工程、计算机辅助制造、产品数据管理（C3P：CAD/CAE/CAM/PDM）技术在国际工业界普及，相关软件成了产品建模、仿真、优化不可缺少的工具。近10年来，为适应复杂机电产品的设计需求，C3P发展成为M3P，即多体系统（Multibody System）动态设计、多学科协同（Multi-discplines colaberative）设计、基于本构融合的多领域物理建模（Multi-domain physical Modeling）及全生命周期管理（PLM）技术组成了当今计算机辅助产品建模、仿真、优化及管理的新一代技术特征。

　　以信息物理融合为标志的复杂技术系统，实际上是计算进程与物理进程的统一体，是集计算、通信与控制于一体的新一代智能系统。欧洲学者研发的多领域统一建模语言Modelica具有领域无关的通用模型描述能力，能够实现复杂系统的不同领域子系统模型间的无缝集成。以美国为首的领域学者提出了信息-物理系统融合（Cyber-Physical System，CPS），旨在在统一框架下实现计算、通讯、测量以及物理等多领域装置的统一建模、仿真分析与优化。国际多领域物理统一建模协会在Modelica3.0基础上，最近推出多领域物理表达规范Modelica3.3，力图在此基础上支持网络化、分布式、嵌入式系统建模与仿真。我国启动了题为《支持工业嵌入式应用建模与仿真的三维功能样机设计平台》的跟踪性研究计划。

　　基于CPS的复杂技术系统建模、仿真和优化技术的发展和普及将大大加速汽车、航空航天、国防、工业自动化、精密仪器、重大基础设施等领域装备的转型升级，不断提高其市场竞争力；将催生出众多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的功能创新产品，甚至产生新的行业。

　　2 ．零件精确成形技术

　　零件精确成形技术是指应用先进的成形工艺、严格的几何尺寸（控形）和内在质量控制（控性）技术，生产高几何尺寸精度、高内在质量的零件或零件毛坯的先进制造技术。零件精确成形技术的先进性体现在：（1）节约材料与能源：材料利用率一般较传统的成形工艺提高20%－40％，冷精锻精确成形可使材料利用率提高到98％以上，精确铸造成形技术也可达到90%以上。精确塑性成形技术大多数是在室温下实施的，免除了加热工序，节约了加热能量，大大减少了零件生产过程的能量消耗。（2）免除或减少成形后续加工：净成形零件的几何形状与尺寸，已全部达到零件的使用要求，成形后即可使用，完全免除后续加工；近净成形产品，关键部位已达到使用要求，不需后续加工，一般可节约加工工时50％以上；精密成形产品，一部分尺寸已满足使用要求，其余部分留有较小的加工余量，一般可减少加工工时30％以上。（3）提高零件的内在质量：成形过程中还同时考虑通过控制温度、压力、流体场、电磁场等外部载荷的施加，使得最终零件达到相应的性能。因此，发展零件精确成形技术，对机械工业节约资源、能源和环境友好，实现可持续发展意义重大。

　　工业发达国家非常重视零件精确成形技术的发展。上世纪90年代初，美国针对汽车车身生产提出了“2毫米工程”目标，即一辆汽车车身所有覆盖件组装后的累积误差不超过2毫米，显而易见，分配到每一个工件的误差就更小。这一工程的实施，使汽车车身制造水平上了一个新台阶。美国又提出新的目标：到2020年，塑性成形零件加工废屑减少90％，能耗减少25％，成本降低60％。日本、德国等工业发达国家也提出了相应目标。日本、德国是零件精确成形技术发达的国家，冷温精确成形件精度普遍达到8级精度，小型轴承环、小型伞齿轮已达到7级精度，冷温精确成形件已占模锻件的25％。我国冷温精确成形件比德日两国低一级，普遍达到9级精度，少量达到8级精度，精确成形件只占模锻件的5％。德日两国精确成形大多数是在全自动生产线上实现，而我国全自动生产线凤毛麟角，差距较大。上世纪80年代在国外发展起来的增量制造技术（也称为快速成形技术）采用CAD数据直接驱动材料进行累加，精确制造原型或零件，使得复杂零件的制造效率大幅度提高。国外的许多企业将增量制造技术应用在复杂结构的制造上。美国通用电气公司在采用金属选区激光烧结技术制造航空发动机的复杂零部件，与传统加工方式相比，增量制造技术可以加工复杂零部件，且更省材料、时间和能源，因此，在航空航天、大型舰船复杂结构零部件制造和维护方面具有优势。

　　精确成形技术在汽车、航天航空、大型舰船等制造业具有广阔的应用前景，发展先进精确成形技术，对于大批量产品以及多品种、小批量、复杂性零部件的生产具有十分重要的作用，它可大大提高零件的制造水平，并且节约资源和能源。

　　3．大型结构件成形技术

　　大型铸、锻、焊结构件是大型装备中的关键核心构件，其受力繁重，工况特殊，安全可靠性与技术要求极高。大型结构件的成形制造涉及冶金、铸造、锻造、焊接、热处理等多种制造工艺，制造过程复杂，技术含量高，涉及众多学科领域的集成。

　　2005年我国大型结构件的使用量已占世界总量的60%，成为世界大型铸锻件使用的第一大国。我国在大型结构件铸造能力上已经有了重大突破。2009年采用重560t的特大型钢锭在160MN水压机上成功锻造我国首支1100MW核电发电机半速转子，锻造的转子直径2050mm,总长16400mm，坯料重310吨。但从总体看，我国大型结构件的成形技术的整体水平远落后于发达国家。例如：我国急需的重大装备-超临界汽轮发电机机组的高中压转子全部依赖进口。发达国家的大型件生产制造技术对中国严格保密，甚至严格限制产品出口。

　　随着我国经济在今后20年里继续快速增长，能源、冶金、石化、船舶、航空航天等产业的发展对大型结构件成形技术的发展带来了更为广阔的前景，提出了更高的要求。如发展不锈钢铸件铸造成形技术，高温合金单晶叶片定向凝固技术，复杂结构件精密体积成形技术，大型焊接结构的自动化、智能化焊接技术。

　　4．高速精密加工技术

　　机械工业，特别是汽车工业的发展对生产效率提出了更高的要求，提高效率的一条重要途径是提高加工的速度，实现高速化。同时，航空航天等领域某些特殊难加工材料也必须采用高速加工才能达到设计要求。国际上，金属切削机床的主轴转速已达到20000r/min、进给速度最高可达100m/min、加速度1g。

　　高速精密加工具有生产效率高、加工精度高、表面质量高和生产成本低的优点。高速切削刀具的发展改变了加工工艺，“以切代磨”使加工后的表面质量提高，可直接加工硬度达50-60HRC的淬硬材料。另一方面，强力成型磨削工艺可实现“以磨代切”，一次磨削25～32mm，比普通磨床要快数百倍。高速精密加工正成为机械工业应用最广泛的加工方法之一，在航空航天、汽车及零部件、模具等行业发展迅速，高速高精密数控机床在这些行业中将逐渐占主导地位。与此同时，新型刀具如超硬刀具、新型涂层刀具层出不穷，使得高速高效切削条件下刀具寿命显着增长，将进一步拓展高速精密切削技术的应用范围。

　　高速精密加工技术主要应用在宏观尺度零件加工和部分微细零件加工，提高加工速度、几何精度和降低表面粗糙度，以保证实现所构成机器部件配合的可靠性，运动副运动的的精准性，长寿命、低能耗和低运行费用。传统的精密加工将会在现代科学技术的推动下，创造新一代高速、高精度加工新技术。预计到2020年，1--10μm精密加工级高速加工，表面粗糙度可达0.02-0.4μm，用于钢铁的铣削速度达到400-500m/min。预计到2030年，0.5--1μm超精密加工级高速加工，表面粗糙度可达0.01-0.2μm，用于钢铁的铣削速度达到1500-2500m/min，并为深亚微米精度级高速加工技术（精度优于0.3μm）提供技术支持。

　　5．微纳器件与系统（MEMS）

　　微纳器件与系统是利用微纳和精密加工技术，集约电子、机械、材料、控制等新技术发展，针对物联网、生物、医疗、汽车、机械制造等产业的需求，研制能够解决传感、测量、驱动、能源等问题的器件、部件和系统。目标是以批量制造技术生产低成本、高精度、高可靠性的微纳器件，拓展终端产品功能，提高终端产品性能，降低终端产品功耗和成本。

　　微纳器件与系统的主要特征是：微型化。器件特征结构尺寸范围0.1mm-1mm。集成化。集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通讯和电源等于一体。高性能。体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短、性能稳定。批量化。有利于大批量生产，降低生产成本。

　　从上世纪80年代以来，以美国、日本、西欧为代表的发达国家特别注重发展MEMS技术。我国微纳器件和系统的发展起源于上世纪90年代，从“九五”起，经过三个五年计划的支持，已经在制造平台建设和工艺研究、以惯性器件为主的器件研究、便携式仪器研究、微流体器件和系统、以微纳卫星为代表的集成微系统等方面取得了一系列突破。目前在整体技术水平上与国外尚有明显差距，但在个别领域，已经达到国际先进甚至领先水平。

　　未来20年，微纳器件和系统将取得突破性的进展，朝着微纳结合、集成化、仪器化、智能化的方向迅速发展。NEMS器件占微纳传感器件的份额将提高到50%以上；黑硅材料成为光伏器件的主流，转换效率达到50%以上；将有望用MEMS技术解决复明、复聪等问题。

　　6．智能制造装备

　　20世纪50年代诞生的数控技术、以及随后出现的机器人技术和CAD技术，开创了数字制造的先河，加速了制造技术与信息技术的融合，从此，信息技术成为制造技术发展的重要驱动力之一。智能制造是研究制造活动中的信息感知与分析、知识表示与学习、智能决策与执行的一门综合交叉技术，是实现知识属性和功能的必然手段。智能制造技术推动了机械制造、航空航天、电子制造、化工冶金等行业的智能化进程，孕育和促进以制造资源软件中间件、制造资源模型库、材料及工艺数据库、制造知识库、智能物流管理与配送等为主要产品、为制造企业提供咨询、分析、设计、维护和生产服务的现代制造服务业。智能制造技术主要包括制造智能技术、智能制造装备技术、智能制造系统技术、智能制造服务技术。

　　智能制造装备是注入了数字化技术和智能化技术的制造设备，是实现智能制造的核心载体，其主要特征是：对制造过程状况（工况或环境）实时感知、处理和分析能力；实时辨识和预测制造过程状况变化的能力；根据制造过程状况变化的自适应规划、控制和动态补偿能力；对自身故障自诊断、自修复能力；对自身性能劣化的主动分析和维护能力；具有参与网络集成和网络协同的能力。智能制造装备是制造技术、计算机技术、控制技术、传感技术、信息技术、网络技术以及智能化技术的有机结合体，是实现高效、高品质、安全可靠的成形加工和生产的新一代制造装备。

　　未来智能制造的产品主要是：智能机床/智能加工中心；智能机器人；智能成形设备；特种智能制造装备。

　　7 ．智能化集成化传动技术

　　智能化集成化传动技术是指将传统的动力传动技术与数字技术、信息技术、总线技术、网络技术相融合，实现液压/气动/密封、齿轮、轴承等传动件在线实时控制、在线监测、自我诊断、自我修复及多种元件与功能的集成。智能化集成化传动将提高产品性能、简化系统、提高系统柔性，提升传动效率、产品安全性、可靠性，是机械传动技术和传动件发展的重要方向。

　　关键基础件是现代装备发展的基础，特别是高效、节能、长寿命、高安全性、高可靠性、高精度、高功率密度、适应复杂环境苛刻要求的传动件是未来需要大力发展的产品。现代重大装备装机功率越来越大，工作环境越来越严酷，结构越来越复杂，对传动系统的平稳性、准确性、位置、速度、柔性等技术要求越来越高，智能化、集成化的传动技术和传动元件能适应这些发展的要求，是装备制造业的关键核心技术，对提升我国关键基础件自主创新能力，突破重大装备自主化发展瓶颈起着重要作用。

　　智能化集成化传动的特点：（1）具有在线监测、自诊断、自维护功能；（2）可实现远程在线实时控制；（3）是多种元器件（包括传感器、传动件、控制元件、执行元件、软件或数据库）的集成和多种功能的集成；（4）即插即用。是指快速简易安装传动组件即可投入使用，而不需安装驱动程序或重新配置系统。

　　近几年，智能化集成化新型传动件或组件相继问世，是传动技术发展的前沿。具有模块设计、数字电气接口、高层次通讯功能、自由组合、智能接合、方便集成功能的元件和系统是未来工业智能化的基础，新型模块化智能化电-液、电-气复合机电系统将广泛应用。

　　智能化集成化一体化液压传动。液压元件与、内嵌式传感器和微处理器一体化提高了系统的集成度和紧凑性；采用更高层次总线通讯技术和无线传输技术，提高了分布式智能电液控制系统的性能；在智能控制器中采用传感器进行状态监控、检测摩擦磨损和泄漏状态，用于系统故障诊断、预测、排除与维护，提高了系统的品质和可靠性。

　　智能化集成化模块化气动元件和组件。具有有线或无线联网远程实时监控、故障预测及自我诊断等功能的智能化模块化气动元件、组件、阀岛已实现工业应用。工业自动化人机界面技术及产品推动气动元件与传感器、智能视觉系统的结合，以满足智能工业远程检测、诊断及控制的要求。

　　智能化密封。根据密封件使用状况，调整密封能力、监测密封水平、预测密封寿命，可大幅度提高密封的可靠性与寿命及安全性与可维修性，减少泄漏、停机维修成本和能源消耗。

　　智能化齿轮传动。汽车用电子控制自动变速器是齿轮传动向智能化发展一个典型例子，它通过各种传感器，对发动机转速、节气门开度、车速、轮毂轴承运动、发动机水温、自动变速器液压油温等参数进行测量，并输入电子控制器中，控制换挡执行机构的动作，从而实现自动换挡。大型火电机组用齿轮调速装置则是齿轮传动与液力传动及其控制系统集成的典型产品，具有无级调速、节能、安全保护等功能。

　　智能化集成化轴承组件。具有智能监控与早期预警技术，融合主机或功能一体化、设备性能的多样性要求的轴承技术已成为轴承产品的发展趋势。如集成防抱死制动系统的三代轿车轮毂轴承单元、具有状态实时监测与早期预警功能的高速铁路轴承单元。

　　8．数字化工厂

　　数字化工厂是利用数字化技术，特别是泛在网络（包括互联网、物联网和无线网）技术，实时获取工厂内外相关数据和信息，集成相关人员知识，智慧地进行产品设计、生产、管理、销售、服务的现代化工厂模式。目标是使供应链、工厂和加工单元的效率最高、对环境的不良影响最小、员工和用户的满意度最高。

　　数字化工厂的主要特征是：透明性。工厂对内外环境、员工工作状况及创新能力具有很强的感知能力。集成化。工厂的各种数据、信息、过程和信息系统高度集成，企业间密切协同。智慧型。集成全体员工的智慧，通过人机优势互补，实现系统整体最优。

　　数字化工厂将提供透明的工厂环境，使工厂管理高效和精准；提供大范围高效实时的信息集成系统，使企业资源得到最优配置组合，实现浪费最小，效率最高；提供公平、公正、客观、完整的员工评价机制和系统，充分调动全体员工的积极性和创造性；提供内嵌专业知识的整体解决方案，实现设计、制造和管理的最优化，降低产品全生命周期成本，使用户在产品全生命周期中都很满意，最大程度节约资源，实现环境友好。

　　数字化工厂适合在制造高度复杂产品（如大型商业飞机）、超大型尺寸产品（如大型舰船）、超微小产品（如大规模集成电路）的行业，以及对人有害的作业环境（如汽车油漆生产线）下优先发展。

　　数字化工厂在国际上发展非常迅速。发达国家采用数字化技术支持全球协同设计和制造；各种集成专业知识的企业数字化系统快速发展；面向服务的信息系统集成技术帮助企业集成各种信息系统；基于物联网技术的智慧地球概念拓展到智慧企业，实现低碳制造；基于Web2.0的大众协同建设技术带来全新的发展模式；应用服务提供（ASP）、计算网格和云计算为数字化工厂提供了高效、便捷的实现平台。

　　机械工程技术路线图的实施需要得到政府的理解和政策环境的支持，企业积极主动的参与和有关部门的紧密合作，良好的人才育成和技术创新环境，一系列有力举措和实际行动，只有具备了创新、人才、体系、机制、开放等关键要素，路线图的实施才能成为广泛、深入、创造性的实践，路线图的目标才可能实现。期望《中国机械工程技术路线图》经得起实践检验，期望中国机械工程技术取得创新突破，期望中国机械工业由大变强，期望中国尽快成为制造强国乃至创造强国！

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