2020年机械工程发展趋势(机械工程发展现状讲义)

《机械工程发展现状》辅导讲义

第一课时：机械工程发展现状、趋势

一．制造业对经济的贡献：

1.直接创造国民生产总值的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.对出口总额的贡献率占90%

先进制造技术是一个国家、一个民族赖以繁荣昌盛的最根本的基础二．在疫情期间的贡献

1.1月、2月，全国城镇调查失业率分别为5.3%和6.2%，环比分别上升

0.1和0.9个百分点。

2.在疫情期间迅速增加就业机会，是疫情期确保如期完成脱贫攻坚任务，

决胜全面建成小康社会的重要保障。

3.制造业企业及时复工复产为我国新冠肺炎疫情防控提供了口罩、防护

服等防疫物资。

4.是疫情防控的前提，是潜在先行者和逆行者。

三. 制造业的地位

1.国家的战略性产业

2.实现工业化的必备条件

3.衡量国家国际竞争力的重要标志

4.决定国家在经济全球化进程中国际分工地位的关键因素。

四．我国制造业的进步

1.为国民经济提供成套技术装备的能力有较大的提高

2.产品结构正向合理化方向发展。

五．我国制造业的优势

1.完整产业链

2.人口文化素质相比东南亚国家高

3.勤奋

4.高科技走在前列

六．机械工程技术的概念

机械工程的概念不仅仅涉及到单纯的机械加工与生产，也与机械的使用方法和使用成效息息相关，如何稳妥地进行机械工程的制造，并对其产生的一系列问题加以解决，是机械工程技术发展的重要路径，机械工程技术也在很大程度上为我国现代化事业做出了贡献，代替人力资源实行生产工作，从而更好地实现企业的细致化加工，促进企业生产水平的提高，确保机械工程技术的运行。

七．机械工程技术的特征

（1）高效的生产效能。机械技术工程的发展，离不开数据网络、大数据时代的时代背景，也离不开物联网信息和人工智能的技术支撑。为了在更大程度上促进企业机械功能的智能化发展，减少在制造中带来的不必要的能源损耗，提升生产效率，减少生产时间，在更大程度上打造事半功倍的技术工程效果，从而在提升效率的基础上，确保企业更快更好地进行产品的加工，保证产品的质量，做好产品的发展工作。

（2）集成化的运营。机械工程技术的发展趋势主要呈现出集成化的发展趋势，即在一定程度上融合人工智能、机械设备、硬件资源和软件系统的多方面管理，在工程内部使机械工程技术各司其职，确保人工智能的优化发展，以集成化的工程建设方式，更好地彰显出人工智能时代带给我们的优秀成果，进一步地推进我国机械工程技术的良好发展[1]。

（3）节能环保的趋势。当人们的物质生活条件不断上升，对精神的追求也不断提高，然而，在此過程中，不可避免地会带来一定的资源浪费，为了合理地控制资源的浪费，机械工程技术的智能化发展，在很大程度上减少环境污染，节省了许多不必要的资源铺张浪费行为，改善了我国环境污染等重要问题，实现了可持续的发展战略，打造绿色的生态环境[2]。

八．制造业的发展总趋势：

1.全球化

2.信息化

3.绿色化

4.知识化

5.极端化

九. 制造技术的发展总趋势:

1.数字网络化

2.高效精确化

3.智能集成化

4.制造极端化

十．机械工程智能化发展的现状

当前，随着我国科学技术的不断发展和创新，机械工程智能化发展的现状显著。

（1）开发、模仿、独立智能化。在智能化的开发过程中，为了更好地顺应时代发展的大方向和大潮流，提升我国的经济地位，开拓我国的经济发展路径，机械工程人员们以发达国家为参考，进行机械工程的修改创新和研发，为我国的机械工程智能化发展开辟道路。

在此基础上，为了更好地提升我国的机械工程技术，我国的工作人员也快马加鞭地进行机械智能化技术的研发，对国外的有关技术进行了研究及模仿，在很大程度上形成了一种“人机交互”的系统和优化，为我国的机械智能化发展取得了进一步的发展。

除此之外，独立智能化的机械工程技术也映入人们的眼帘，随着中国的制造能力和科技水平也不断发展，我国加入了自主进行控制器研发的行列，取得了不菲的成绩。

（2）协调性发展薄弱。当前，机械工程智能化被广泛应用于社会的各个领域，在社会生产和生活中的作用也是举足轻重，难以取代，但是，其中也存在着一些问题，例如其中的不协调和不全面发展，也在很大程度上对人们的生活产生影响。例如，当机械工程技术应用于公路道路中，由于不同的机械设备之间协调能力不足，会导致不能合理根据高速公路的实际施工情况进行设备的配置，这不但会为公路建设的财务支出带来影响，也会在很大程度上折损公路建设的质量，影响公路的优化和协调发展。

（3）协调发展的路径。如何能够在机械工程技术的建设中加以智能化的协调性投入，如何有效进行管理模式的改变，以智能化的手段为发展方式，在一定程度上改变资源分配的方式，实现合理的资源利用和资源开发，从而保证机械工程的有效发展，促进合理的工程建设，以此保证建设和生产质量，是亟待人们去探寻和发现的，也是机械工程技术的大势所趋、人心所向[3]。

（4）合理监控的必然要求。随着科技水平的提升，如何对于机械工程技术进行合理监控，也是极为重要的一环。合理的监控可以获得相关制造人员的认同，为我国的机械工程智能化的不断进步起到进一步的推动和促进作用，在很大程度上可以减少故障问题等，通过维修人员的检查和排查，可以很大程度上减少故障，促进机械工程技术的发展，为我国的现代化带来更大的保障。

十一.《中国制造2025》明确十大重点领域

1.新一代信息技术产业

2.生物医药及高性能医疗器械

3.新材料

4.农机装备

5.电力装备

6.节能与新能源汽车

7.先进轨道交通

8.海洋工程装备及高技术船舶

9.航空航天装备

10.高档数控机床和机器人

十二.机械行业面临巨变

1.产品本身

2.生产模式

3.增产方式

4.生产要求

5.学科基础

6.立足之本

十三.发展趋势的基本特征

制造产品：“精”是发展的关键

“极”是发展的焦点

“文”是发展的新义

制造过程：“绿”是发展的必然

“快”是发展的动力

“省”是发展的原则

“效”是发展的追求

制造方法：“数”是发展的核心

“自”是发展的条件

“集”是发展的方法

“网”是发展的道路

“智”是发展的前景

第二课时:人工智能技术

一．人工智能定义：

从能力方面定义：

人工智能是指相对于人的自然能力而言的，用人工的方法在机器（计算

机）上实现的智能。

从学科角度定义：

人工智能是一门研究如何构造智能机器或智能系统，使它能模拟、延伸

和扩展人类智能的学科。

二．人工智能的研究目标：

远期目标：

揭示人类智能的根本机理，用智能机器去模拟、延伸和扩展人类智能。

近期目标：

研究如何使现有的计算机更聪明，即使它能够运用知识去处理问题，能

够模拟人类的智能行为。

三．人工智能的发展过程：

1.孕育期（1956年以前）

2.形成期（1956年—1970年）

3.知识应用期（1971年—80年代末）

4.综合集成期（80年代末—今）四．人工智能系统的三个基本问题：

1.知识表示

2.知识获取

3.知识利用

五．人工智能的基本内容

1.认知建模

2.机器感知

3.机器思维

4.机器学习

5.机器行为

6.智能系统和智能计算机

六．人工智能系统与传统程序系统相比：

1.重视知识

2.重视推理

3.采用启发式搜索

4.采用数据驱动方式

5.用人工智能语言建造系统

七．机器学习的主要研究算法

1.决策树

2.随机森林

3.人工神经网络

4.贝叶斯学习

八．专家系统的组成部分

1.人机交互界面

2.知识库

3.推理机

4.解释器

5.综合数据库

6.知识获取

九．机器人研究的主要技术包括：

1.研究感知器；

2.研制用精密机械做得的肢体与计算机的结合的方式；

3.机器人从三维空间搜集信息的处理方式；

4.识别外界环境的能力；

5.研究机器人判断机理的工程化方法和相应的软件。

十.CRISP-DM模型

常见的数据挖掘模型为CRISP-DM ，即为“跨行业数据挖掘标准流程”。该模型将一个数据挖掘工程工程分为6个不同的，但顺序并非完全不变的阶段。其中包括了商业理解，数据理解，数据准备，建模，评估，部署。

十一.人工智能在机械制造方面的应用主要表现在三方面：

1.机械设计智能化

2.机械加工智能化

3.故障诊断智能化

第三课时：智能制造

一．工业革命的三个阶段的基本特点：

1.第一次工业革命：蒸汽机与大机械相结合，人动物不动，工人来回穿

梭，生产效率大幅提升，生产推动消费。

2.第二次工业革命：内燃机与电气相结合，物动人不动，生产线将产品

随时送到工作台，工人站定岗位，每人完成单一任务，以“一对多”规

模生产，市场主导生产，以买方市场为主。

3.第三次工业革命：自动化与网络化相结合，人动物也动，灵活生产

“一对一”产品，促进买方市场与卖方市场有机结合。

二．中国制造2025三个十年目标:

1.第一个十年：力争用十年时间，买入制造强国的行列。

2.第二个十年：到2035年，我国制造业整体达到世界制造去强国阵营的中等水平。

3.第三个十年：新中国成立一百年时，制造业大国的地位更加稳固，综合实例进入世界制造强国前列。

三．中国2025核心关键：

1.创新驱动，智能转型

2.网络化，数字化，智能化

四．智能制造是制造技术发展的必然趋势：

1.是知识经济时代的必然选择

2.是市场的必然选择

3.是先进生产力的重要体现

五.智能制造的支持技术

1.数字制造技术：CNC/CAD、CAM、CAE、CIMS；

2.传感与控制技术：新型光机电传感系统、嵌入式控制系统等；

3.人工智能技术：知识表示、机器学习、自动推理、智能计算；

4.互联网、物联网及射频识别技术（RFID，电子标签）

5.数学：数理逻辑、数学机械化、随机过程与统计分析、运筹与决策分

析、计算几何、非线性系统动力学等

六．智能制造的关键技术：

1.智能产品

2.智能服务

3.智能装备

4.智能产线

5.智能车间

6.智能工厂

7.智能研发

8.智能管理

9.智能物流与供应链10.智能决策

七．互联工厂实现的三大条件：

1.模块化

2.自动化

3.智能化

八．智能制造要求的是流程和数据的深度集成。

基于业务流程和数据的横向集成与纵向集成，实现产品、流程和业务模式的创新。

九．企业智能制造能力的三大成长阶段：

1.自动化执行

2.数字化集成

3.智能化处理

第四课时：机器人发展一. 机器人发展

第一代:程序控制机器人

第二代:自适应机器人

第三代:智能机器人

二. 我国机器人发展

1.2000年前后国内企业崭露头角

2.2010-2017年得到跨越式发展

2018-2019国产化率得到持续提升

三. 工业机器人制造大国

中国

日本

韩国

美国

德国

四. 机器人销售情况

1.2015-2017年中国工业机器人不断增长

2.2018年迎来28年首次销量下滑

3.2018-2019年行业进入调整期

4.到2024年，中国工业机器人销量将突破31万台

五. 两大机器人种类

1.工业机器人

2.服务型机器人

六. 闻名世界的日本机器人企业

1.松下电器

2.安川电机

3.FANUC (发那科)

七. 日本对我国的启示

1.良好的市场环境

2.政府的政策支持

3.良好的研发环境

八. 工业机器人发展前景

1.机器人与信息技术深入融合

2.协调生产促使人机关系发生改变

3.工业机器人智能化体系结构标准

4.工业机器人新型控制器技术

5.工业机器人智能化作业技术

6.成线成套装备技术

7.系统可靠性技术

第五课时：3d打印技术及纳米、碳纤维材料的发展对机械

工程的促进：

一．3D打印的定义：

3D打印（3DP）即快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

二．3d打印的过程：

1.3d打印机在设计文件指令的引导下，先喷出固体粉末或熔融的液态材料，使其固化为一个特殊的平面薄层。

2.第一层固化后，3d打印机打印头返回，在第一层外部形成另一薄层。

3.第二层固化后，打印头再次返回，并在第二层外部形成另一薄层。

4.如此往复，最终薄层累积成为三维物体。

三．3d打印的优势：

1.成本较低

2.无需组装

3.设计空间无限

4.便携制造

5.减少废弃

6.材料无限组合

四．3d打印的意义：

1.制造工艺的深刻变革

2.制造工艺的重大飞跃

3.制造模式的“一次革命”

五．纳米材料的定义：

是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。

六．纳米科技的发展：

1.第一阶段（1900年前）主要是在实验室探索：用各种手段制备各种

材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括薄膜），研究评估表征的方法。

2.第二阶段（1994年前）根据奇特物理、化学和力学性能，设计纳米

复合材料：纳米微粒与纳米微粒复合（0-0复合）；纳米微粒与常规

块体复合（0-3复合）；复合纳米薄膜（0-2复合）。

3.第三阶段（94年至现在）纳米组装研究：以纳米颗粒以及纳米丝、

管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的

体系的研究。

七．碳纤维材料的定义：

碳纤维是一种纤维状的碳材料。呈黑色，坚硬，是一种强度比钢大，密度比铝小，比不锈钢还耐腐蚀，比耐热钢还耐高温，又能导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。

八．碳纤维的分类：

1.黏胶基碳纤维

2.沥青基碳纤维

3.聚丙烯腈基碳纤维

九．碳纤维的特性：

1.抗拉强度

2.弹性模量

3.疲劳强度

4.重量

十．碳纤维复合材料钻孔加工特性：

1.碳纤维复合材料层间强度低

2.碳纤维复合材料属于各向异性材料

3.碳纤维复合材料硬度较大

4.碳纤维复合材料导热性差

5.碳纤维复合材料有缩孔现象

十一．新型材料的应用实例

1.微型纳米轴承

2.纳米技术马达

3.纳米磁性液体用于旋转轴的动态密封

4.碳纤维卷芯织布机

5.碳纤维滚轮印刷机

6.碳纤维零配件机器人

第六课时 MES以及产品六性

一．EMS定义：

简单地讲，MES是面向车间的生产过程管理与实时信息系统。它主要解决车间生产任务的执行问题。

MES可以为企业提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、工作中心/设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、项目看板管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块，为企业打造一个扎实、可靠、全面、可行的制造协同管理平台。

二．MESA在MES定义中强调了以下三点：

1.MES是对整个车间制造过程的优化，而不是单一的解决某个生产瓶颈。

2.MES必须提供实时收集生产过程中数据的功能，并作出相应的分析和处理。

3.MES需要与计划层和控制层进行信息交互，通过企业的连续信息流来实现企业信息全集成。

三．工厂系统层次：

1.计划层ERP：强调企业的计划性，充分利用企业内的各种资源降低库存，提高企业效益。

2.执行层MES：强调计划的执行，面向车间生产。通过MES把MRP/ERP与制造现场控制有机地集成起来。

3.控制层PLC：强调设备的控制，各种计量及检测仪器、机械手等的控制。

四．MES应用对象：

1.一线作业员工

2.生产管理人员

3.高阶主管

四．MES目标-共享，追溯，改善：

1.事前计划

2.事中控制

3.事后分析

五．MES实现的性能要求：

1.自动化

2.实时性

3.综合性

4.实名性

5.稳定性

6.美观性

六.MES实施要点：

1.上层的决心与推动

2.确切的需求分析

3.建立合理的工作流程

4.制定合理的目标

5.创造良好的实施和应用环境

6．完善的教育培训

7.贯彻执行力

8.实施项目变更管理

9.建立MES的实施维护团队

七.新产品研发的六性

1.可靠性

2.安全性

3.维修性

4.测试性

5.保障性

6.环境适应性

第七课时数字孪生

一、数字孪生

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。

二、数字孪生主要有三部分组成：

1.物理空间的实体产品

2.虚拟空间的虚拟产品

3.虚实之间的连接数据与信息

三、实现数字孪生的核心技术

实现数字孪生的核心技术是数字化，数字化在这里面有几个方面的含义：

1.数字化是手段或工具而不是知识，因此这个角度既不是应用角度，也

不是业务角度。

2.数字化是一个平台，允许在工具、系统、流程中在组织内部或外部捕

获知识。数字化可以捕获下列几个方面：现实（准确的模型）、客户使用（正确的边界条件）、可以进行系统级仿真。

3.数字化为工厂和生产工程人员提供输入。

四、数字孪生主要包括三个孪生模型：

产品孪生模型（Product Digital Twin）

生产孪生模型（Production Digital Twin）

性能孪生模型（Performance Digital Twin）

五、数字孪生技术意义：

1.更便捷，更适合创新

数字孪生通过设计工具、仿真工具、物联网、虚拟现实等各种数字化的手段，更能激发人们去探索新的途径来优化设计、制造和服务。

2.更全面的测量

借助物联网和大数据技术，通过采集有限的物理传感器指标的直接数据，并借助大样本库，通过机器学习推测出一些原本无法直接测量的指标。

3.更全面的分析和预测能力

数字孪生可以结合物联网的数据采集、大数据的处理和人工智能的建模分析，实现对当前状态的评估、对过去发生问题的诊断，以及对未来趋势的预测，并给予分析的结果，模拟各种可能性，提供更全面的决策支持。

4.经验的数字化

通过数字化的手段，将原先无法保存的专家经验进行数字化，并提供了保存、复制、修改和转移的能力。