高科技在厦门某机械制造工艺中的应用
中文摘要
摘要：摘要：机械制造工艺是各种机械制造方法和过程的总称。包含有激光技术、自动化控制技术、集成化、微纳化、自动化等领域。文章简述了：高科技的机械制造工艺
激光技术在机械制造工艺中的应用
自动化控制技术在机械制造工艺中的应用
机械制造工艺的未来发展趋势
微纳化发展趋势
自动化发展趋势
关键词:机械工业；机械制造工艺；发展趋势；
English Abstract
Abstract: abstract: mechanical manufacturing process is all kinds of mechanical manufacturing methods and the floorboard of the process. Contains a laser technology, automation control technology, integration, micronano change, automation, etc. The article has summarized the: High-tech manufacturing process
Laser technology in mechanical manufacturing technology of application
Automation control technology in mechanical manufacturing technology of application Mechanical manufacturing process of the trend of future development
Integrated development trend
Micro-nano such development trend
Automation development trend
Keywords: mechanical industry; Mechanical manufacturing process; Development tendency;
1.1机械制造业高技术工艺趋势
1、微型加工和纳米技术
在具有高智能技术潜力但缺乏动力和原材料资源的国家中，政府对机械制造业领域的发展战略是重点研制材料用量低、能耗低的小型高技术含量的工艺和设备。在具有这一特色的国家中，瑞士和日本又最具代表性，最著名的研究是在仪器仪表工业领域。
日本不仅在微型技术和微型装备领域获得了巨大的研究成就，而且在开发纳米尺寸的技术和装备方面同样卓有成效。考虑到这一新兴科学技术领域的重要性和优先性，日本政府制订了开发微型技术和微型装备的国家计划。
在开发纳米技术和纳米装备中，实验物理学在控制超小颗粒达到纳米尺寸的经验被广泛应用。因此，瑞士科学中心的专家们乃至日本学者都在致力于研究能够完成超精密作业的纳米机器人。美国、德国、英国和法国对机械制造业和仪表制造业这一领域的发展也给予
了高度重视。
为了更合理地利用原材料和动力资源，为技术创新提供可行性，在制造复杂高技术产品中，纳米加工技术将会蓬勃发展。
2、三维实体合成技术
近年自然科学对技术发展(包括对机械制造业的发展)的影响日显突出，这反映在生物力学、仿生学及其他现代科学和技术的诞生。在材料加工技术中，这一影响表现在利用生物实体生长的自然规律，形成了三维实体合成技术。利用这一最新科技成果使制造由传统的“分层去除型”加工(即由毛坯到制成指定形状和尺寸的零件)变成“分层生长型”加工(即直接制成符合参数要求的成品)。尽管材料处理的放电方法、电化学方法可以在三维实体合成技术中利用，但激光辐射在开发三维实体合成方法中起着特殊作用。
根据工艺特点、激光辐射的利用方式以及生长实体材料种类的不同，将此类制造工艺冠以下列名词：光学加工、快速原型成型、三维零件成型、固体自由加工、立体沉积加工、分层实体制造、直接光加工、有选择性激光烧结。
三维实体合成技术的基本原理源于快速原型制造的基本原理。快速原型制造的基本原理是将CAD模型数据进行处理，沿某一方向进行平面“分层”离散化，然后通过专有的CAM 系统将材料一层层加工，最后逐渐堆积生长成制件。快速原型制造的方法有很多，如三维印刷、喷射粒子制造等。
三维实体合成技术的开发使得零件的制造可由零件各部分的数据特征(即采用特征造型技术)直接生成制件，这大大缩短了设计制造周期，且在无需利用专业模具和装备条件下快速(几小时内)制造出复杂形状的零部件(或其模型、标准模原型)。
利用该项技术还可制造各种塑料零部件、陶瓷零部件、密致板零部件、浸胶零部件、金属板零部件、金属箔零部件等。近几年在金属成型激光堆焊方面取得了重大突破，研制出了三维金属实体“生长”技术。这一技术不仅可以设计制成品的形状、尺寸特征，而且可以设计材料特征，且最终设计零部件各截面特征。因这一技术应用的普遍特性，提出了新概念——金属直接沉积。这一技术在制取复杂真空锻模、真空铸型、真空压模，乃至维修磨损设备用的真空模具方面极具前景。
根据三维实体合成原理在研制产品模型(标准模原型)中提出了“生长型”分层实体制造技术。用分层实体制造方法可直接代替木模，快速制造具有较好导热性能的塑料模具，实现小批量塑料件的生产，或结合先进的消失模铸造工艺，实现小批量金属铸件的生产，用于小批量生产注塑件，或与石膏型铸造和陶瓷型铸造结合起来，快速生产铝质、铜质、铁质甚至钢质模具。此外，还推出快速制模，其特点在于用快速原型技术与传统的模具制造技术结合并相互补充，从而大大缩短模具的设计制造周期和降低模具制造成本，并可大大提高模具的制造精度。一般来说，这种方法从模具的概念设计到制造出模具仅需传统加工方法所需时间的1/3、成本的1/4左有，而其精度却得到大幅度提高。
随着产品形状复杂性的提高及其种类的增加，在产品生产批量缩小的情况下要满足市场需求，改变产品的部分性能十分必要，三维产品合成技术的作用也将愈来愈重要。
3、激光加工技术
随着新型激光器的研制及激光辐射的各种应用，近年这一新兴科技领域的发展方兴未艾，不断走向成熟和完善。
激光技术的研究和应用也经历了几代人的艰苦努力，因激光系统本身存在一定不足，如输出功率低、耗电量大、需要配备专业的制冷系统、限制工艺设备大尺寸等。在最初的应用中人们发现，由于材料本身特性的限制，激光器表现出一个明显的缺点，就是对温度特别敏感，在室温下工作很好的器件，温度较高时激光射出会明显减少，甚至不能正常工作。
为此，人们在使用激光器时一般要给它加上半导体热电制冷器，使其恒温工作，还要加
上监控输出光强的光电探测器和光控电路使激光输出功率稳定，这使得整个激光模块的成本增加不少，体积和重量也相应增加，同时由于零部件较多，可靠性也会受到影响。还应注意到，由于半导体热电制冷器的耗电较大，一般要超过激光器本身的耗电，这使得整个模块所消耗的电能也增加很多，为其供电的电源部分的体积和重量有可能超过激光模块本身。
随着信息量的增大，特别是光纤到户目标的提出，半导体激光器将直接面对数以亿计的个人用户。人们迫切希望发展出能在较宽的温度范围内正常工作，无需热电制冷和光控电路的半导体激光器，只有这样才能简化系统和降低成本，并保证所需的性能和足够的可靠性，迈出光纤到户的关键一步。有鉴于此，研制出了可用于固体功率激光器泵浦上的可
靠的半导体激光器，不仅使得钇铝石榴石激光器和固体Nd：YAG(掺钕—钇铝石榴石)激光器的效率大大提高，而且简化了工艺设备结构。
目前，研究人员又在研制功率达几百瓦的小尺寸阵列半导体激光器。另外，光纤激光器、激元激光器、CO2激光器也得到应用。有学者认为，激光加工技术将成为21世纪最具发展前景及最有效的加工技术。目前已成熟的激光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻
技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光退火、激光热处理和表面处理技术。
目前激光技术和激光设备的应用与发展已涉及到汽车、航空、医学等多个领域。在汽车制造业中，铝应用在不断扩大，如采用铝材料制造汽车壳体不仅可节省25%的材料费用，而且会因重量减轻而节省燃料消耗，加上激光焊接能够连接汽车工业中较难焊的薄板合金材料，如铝合金、钛合金等，因而铝板的激光裁切和激光焊接技术随之用于汽车制造业。所以说，激光技术在当代汽车制造业中极具发展潜力。并将给汽车业带来巨大的经济效益。
4、特种材料加工
特种加工就是应用物理的(力、热、声、光、电)或化学的方法，对具有特殊要求(如高精度)或特殊加工对象(如难加工的材料、形状复杂或尺寸特别微小的材料、刚度极低的材料)进行加工的手段。特种加工与传统切削(或磨削)加工的区别在于应用加工的能量形式不同。传统切削(或磨削)加工依靠机械能并通过刀具实现，而特种加工或者也用
机械能，或者干脆不用机械能，而用其他形式的能，且不一定要通过刀具来实现。近年特种加工技术迅速发展并广泛应用在生产领域。
电化学加工电化学加工已经成为航空航天工业中最重要的加工手段之一，是解决用难加工的耐热合金制造复杂型面零件最有效的方法。电化学加工方法的优点是生产效率高；加工表面质量好；加工后无残余应力和变形；无冷硬层，无毛刺和飞边。也正因如此，这一方法有着广阔的应用和发展前景。
电火花加工电火花加工是到目前为止最普及的特种加工方法之一，并因其特有的潜力而获得了极大的发展。目前这一工艺技术已广泛用于加工淬火钢、不锈钢、模具钢、硬质合金等难加工材料；用于加工模具等具有复杂表面和有特殊要求的零部件，在民用和国防工业中获得愈来愈多的应用，已成为切削加工的重要补充和发展。
5、生物技术
目前生物技术已成为机械制造领域中不可缺少的重要技术。生物加工是一种利用细菌对有机体进行侵蚀加工的技术，在生物加工技术中，生物去除成形加工和生物约束成形加工是目前最前沿的研究课题。生物去除成形加工是近年来发展的一种生物电化学和机械微细加工的交叉技术。
生物去除成形加工主要研究氧化亚铁硫杆菌(T.ferrooxidans)对铁、铜等金属进行微细生物加工。目前，在日本岗山大学特种加工实验室中，科研人员正在研究一种非同寻常
的加工金属材料的方法，该方法的实质在于利用一种特殊细菌细微地分解材料局部。在自然界存在着一种微生物，它们可使无机物(如铁、硫)氧化从而获得其生存的能量来源，
这种细菌的特性是具有消化和腐蚀金属的能力。这种细菌有氧化亚铁硫杆菌和氧化硫杆菌其腐蚀特征是造成金属构件的局部腐蚀。这种细菌具有很小的尺寸，其直径在0.5微微米，长为1微微米，因此它可加工体积很小的需要去除的材料，微型加工和纳米加工正是利用了这一优势。这种生物加工的优点还在于加工后无缺陷层和热力影响区。
生物约束成形加工目前已实现了固囊酵母菌和蜡状芽孢杆菌外表面的磁性金属化，构造出了微米级空心球体和杆形体，并探索了磁性金属化菌体的操作方法。已建立了完善的菌体磁性金属化工艺基础，并确立了向功能材料领域应用的
发展目标。该项目的主要研究成果是：
(1)首次突破了微生物体金属化工艺，建立了一整套菌体化学镀工艺流程，得到了形态规则的构形单体——金属化菌
体；
(2)优选出了菌体磁性金属化镀液，制备出了磁性金属化菌体，并实现了磁场操作；
(3)提出了有效的菌体分散方法，得到了镀层均匀、相互分开、形态一致的金属化菌体。
与此同时，在实验研究中还发现了影响材料去除过程功效的不同因素，使得加工过程的控制更有针对性。可以预见，这一生物加工技术在研制微型产品和纳米产品领域有着不可限量的应用潜力。
1.2激光技术在机械制造工艺中的应用
自从20世纪60年代激光问世以来，激光技术作为一门高新技术，几乎在各行各业都获得了重要的应用。激光加工技术是指各种以高能密度激光束为手段，通过激光束与材料之间的物理和化学等作用，实现改变物质形态或性质的先进材料加工技术。激光加工涉及激光物理、材料、电子、机械和工程传热等多门学科，综合了激光、制造、控制和计算机应用等多项技术，已成为多学科交叉和多技术综合的一种典型的先进制造技术。激光加工具有非接触、无污染、热影响区域小、加工精度高以及可选区加工等特点，而且在特定的加工情况下是其他制造方法不可替代的。因此，激光技术在许多行业中都得到了重要的应用。
农业机械由于其自身应用的特点和工作对象的复杂性，尤其是农机制造行业的设计加工手段比较落后，使其创新少，新产品开发周期长，成本高，制造质量比较粗糙，产品寿命相对较短。为了大力提高农机的制造技术，并与其他机械制造业平行发展，必须加大激光等先进制造技术在农业制造中的应用力度，提高农机制造企业的现代生产技术水平。
1 激光快速成型在农机制造中的应用
快速成型技术就是直接根据CAD模型快速生产样件或零件的技术总称。它集成了CAD 技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。它能根据CAD模型(电子模型)自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，解决了从设计到制造的快速对接问题。因此，该技术可以对产品设计进行快速评价及修改，有效地缩短了产品的研发周期，降低了开发成本，满足了当今竞争口益激烈的市场对新产品快速开发和快速制造的要求，提高了产品的市场竞争力和企业的综合竞争能力。
激光选区烧结是快速成型制造中的重要工艺方法之一。该技术采用逐层材料添加的原理，对三维实体模型进行切片分区处理，生成激光烧结的扫描路径；然后，通过x-Y激光扫捕仪使激光束沿扫描路径扫描，逐层烧结同化同体粉末材料(如塑料粉、尼龙粉、蜡、陶
瓷或)、金属与粘结剂的混合粉或金属粉等，经过烧结与层层叠加后，最终形成所需的三维工件。这种制造方法具有成型速度快、精度高、表面质量好、后置处理简单和省时等特点，是一个具有生命力的技术，为制造技术的发展创造了一种新方法。
农业机械生产过程具有特殊性。零件多具有较复杂的形状，如耕地机械、整地机械和收获机械等。此外，复杂曲面较多，如犁体曲面、旋耕机旋刀、水泵叶轮和送料螺旋等，而且根据具体的生产情况不同，其形状还需相应调整。因此，利用传统的机械加工方法研制这种农业机械零件，不仅研制开发时间长，加工工艺复杂，而且很难达到理想的效果。运用先进的激光快速成型集成技术，不仅大大缩短新产品的开发周期，降低开发成本，而且制造质量也优于传统制造方法。
2 激光表面强化与热处理的应用
激光表面强化与热处理技术是近20年来发展起来的一种新型材料表面处理技术。激光表面强化技术的原理是利用激光穿透能力极强的特点，当把金属表面加热到仅低于熔点的临界转变温度时，其表面迅速奥氏体化，然后急速自冷淬火，金属表面迅速被强化。激光表面强化与热处理可以分为3类：一是激光照射时金属不熔化，只是组织发生变化，这类工艺主要为激光相变硬化(激光淬火)；二是激光照射时金属熔化，冷却后组织发生变化或加入其他元素改善表面性质，包括激光熔凝、激光合金化、激光非晶化和微晶化等；三是激光照射时金属表面发生汽化，从而发生组织变化，这类工艺主要为激光冲击硬化。上述各种激光热处理工艺共同的理论基础是激光与物质的相互作用规律及其金属学行为。
激光热处理是传统热处理技术的发展和补充，它可以解决其它表面处理方法无法解决或不好解决的材料强化问题。经过激光处理后，铸层表层强度可达HRC60以上，中碳、高碳钢以及合金钢的表层硬度可达HRC70以上，从而提高其抗磨损、抗疲劳、耐腐蚀和防氧化等性能，延长其使用寿命。
激光热处理在汽车行业应用极为广泛，在许多车关键件上(如缸体．缸套、曲轴、凸轮轴、排气阀、阀座或活塞环等)几乎都可以采HJ激光热处理。同样，农用机车也应该广泛使用。在农业生产中，机器的工作条件是多种多样的，有些机器(犁、中耕机、播种机和收割机)直接在磨料介质中工作，使许多零件磨损很快。另一方面，为了获得足够的强度，机器的材料用量较大，不仅浪费材料，而且显得笨重。对于此类零件，激光硬化处理后的硬度比常规淬火硬度高5％一20％，激光合金化可以根据要求选择加入新材料，形成以基材为基础的新合金层，以获得满意的性能。此外，由于处理后性能的提高，可以选用低性能的基材，从而减少了基材的质量。
3 激光在农机零件修复中的应用
激光熔覆(又称激光包覆或激光熔敷)是一种新的表面改性技术，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束，使之与基材表面薄层一起熔凝，在基材表面形成与冶金结合的填料熔覆层。由于激光熔覆可将高熔点的材料熔覆在低熔点的基材表面，而且材料的成分亦不受通常的冶合金热力学条件的限制。因此，所采用熔覆材料的范围相当广泛，包括镍基、钴基、铁基合金、碳化物复合合金材料以及陶瓷材料等。其中，合金材料和碳化物复合材料的激光熔覆较为成熟，并已获得实际应用。由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的快速加热过程，使激光熔覆对基材的热影响较小，引起的变形也较小。控制激光的输入能量还可以将基材的稀释作用限制在极低的程度(小于10％)，从而保持了原熔覆材料的优异性能。
因此，激光熔覆技术可以提高材料表面的耐磨与耐蚀等性能，主要用于零件磨损后的修复及增强新造零件的性能。对于重要零件(如农机中的汽缸套和活塞等)，由于工作量大，高温、高压、侵蚀以及不同程度的摩擦，其磨损量是很大的，零件需要定期报废和更换。对于耕地机械、整地机械和收割机械(如犁、中耕机、播种机和收割机)，作业时局部磨损
很快，零件报废是因为局部的损坏。为了提高零件的使用寿命，修复工作有着极大的意义。激光加工具有选区作用的独特优点，而且激光熔覆可以方便地修复磨损部位，使零件不因为局部损坏而报废，提高了零件的可靠性和使用寿命，在投入费用最小的情况下重新达到更佳的性能要求"J。此外，用激光对模具进行修复，可以大大提高模具的寿命，又不受形状和尺寸的限制，在农机制造中也应大力推广和采用。
4 激光技术在农机制造中应用的几点思考
1)激光加工技术在多行业中已经大力推广，在农业机械制造中的应用也势在必行。但对加工类型的选择及激光器的使用，要从基础做起，只有在充分掌握这种先进加工方法的情况下，才能更好地改进传统工艺，发挥新技术的优势。激光加工技术集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，技术涉及范围广。因此，农机企业在上激光制造项目时，一定要分析企业自身条件和需求，向其它机械企业咨询，看准方向，找到结合点，循序渐进，切忌所谓"一步到位"。因为激光加工技术发展非常快，任何企业不可能一步到位。
2)激光加工技术在农机制造中的应用在我国尚不普遍，主要是该行业对激光技术的应用还存在不同程度的神秘感和偏见。另外，对激光技术的宣传也不够，缺乏实践。因此，农机企业应尽快引进吸收工业生产中成熟的科研成果，利用好工业中已建立的多功能激光加工中心，使其为更多的农机企业服务。
3)近些年来，大功率激光器和辅助设备的制造技术日益提高，其基础理论及生产技术13益成熟，与其他加工设备相比，大功率激光器的价格也不是很高。因此，激光加工技术在农业机械制造中的应用具备了一定的外部条件。另外，随着农业工业化的快速发展，农业制造企业的实力明显增强，对产品质量的要求越来越高，为激光加工技术在农业机械制造中的应用提供了内部动力和条件。因此，目前激光加工技术在农业机械制造中的应用具备了条件。可以预言，激光加工技术的引入必将大幅度提升农业机械的制造水平。
1.3自动化控制技术在机械制造工艺
中的应用
当前，我国机械制造自动化技术正不断向着高度集成化、智能化，以及虚拟化[3]方向发展，且自动化技术的应用与计算机辅助设计、集成制造、辅助管理等理念紧密联系，为机械制造业将来的发展提供了完备的技术支持和保障。
1.1 集成化
在机械制造中采用计算机集成技术，是21世纪机械制造企业的主要生产方式。信息自动化集成系统作为一个由若干个相互关联的细分系统组成的整体，通常情况下可将其划分为工程设计信息分系统、自动化制造分系统，自动化管理信息分系统，以及质量信息分系统组成。
1.2 智能化
智能化机械制造系统可以理解为由智能化机械和机械工程专家共同组成的人机一体化机械制造智能系统，该智能系统在机械生产制造过程中能进行相应的智能化人机交互活动，如逻辑分析推理、命题判断、工艺构思等。在智能化系统中“机械智能”主要体现在该系统具有良好的工作界面，在生产制造过程中能够进行充分的人机交流互动。在机械设计和生产过程中，采用模块化方法，使之具有较大的可协调性和适应性能；对于生产人员，智能化制造强调安全和高效；对于企业或社会，提倡充分协作与合理竞争；对于环境，要求作到无污染，节约能源和资源，以及对废品的充分回收利用。
1.3 虚拟化
虚拟化制造技术主要包含控制理论、计算机技术、多媒体技术、信息管理、人工智能、以及现代制造工艺等新技术，并以计算机仿真模拟分析技术为基础，形成的一项由多学科综合化的系统技术。机械制造中应用的虚拟制造技术，其利用计算机仿真技术和信息技术对现实中的机械制造活动的全过程状态进行全面的仿真模拟分析，以提前获知实际制造过程中可能出现的问题，在实际生产前以采取相应的技术预防措施，从而达到新产品的生产制造一次性成功。虚拟化制造的应用，可有效降低生产成本、缩短产品开发周期，大幅增强了企业在行业领域中的竞争力。
1.4 结论
总体来说，只有将自动化技术、现代信息技术、系统工程技术、数据库管理技术和传统的制造技术进行有机融合，才是机械制造业在今后的发展方向，即在机械制造中实现全面的自动化；另一方面，机械制造中应用的自动化技术，其系统必须是充分开放和可控的[4]，应能够随时根据生产状况的变化实时获取信息并进行必要的分析处理以及调整控制，确保机械生产的整条流水线持续正常运转。
1.4机械制造工艺的未来发展趋势
机械制造技术是研究产品设计、制造、使用及维护、保养乃至回收再利用的整个过程的系统学科，是以提高质量、效益、竞争力为目标，包含物质流、信息流和能量流的完整的系统工程。随着社会的发展，人们对产品的要求也发生了很大的变化，要求品种多样、更新、快捷、质量高档、使用方便、价格合理、外观美观、自动化程度高、售后服务好。要满足人们越来越高的要求，就必须采用先进的机械制造技术。
一、我国先进机械制造技术的发展趋势
1 全球一体化
特别是加入世界贸易组织后，国际和国内市场上的竞争越来越激烈，例如在机械制造业中，国内外已有不少企业，甚至是知名度很高的企业，在这种无情的竞争中纷纷落败，有的倒闭，有的被兼并。不少企业暂时还在国内市场上占有份额的企业，不得不扩展新的市场；另一方面，网络通信技术的快速发展推动了企业向着既竞争又合作的方向发展，这种发展进一步激化了国际间市场的竞争。这两个原因的相互作用，已成为全球一体化制造企业发展的动力。
2 信息化
信息通讯技术的迅速发展和普及，给企业的生产和经营活动带来了革命性的变革。产品设计、物料选择、零件制造、市场开拓与产品销售都可以异地或跨越国界进行。
3 模拟化
制造过程中的模拟技术是指面向产品生产过程的模拟和检验。检验产品的可加工性、
加工方法和工艺的合理性，以优化产品的制造工艺、保证产品质量、生产周期和最低成本为目标，进行生产过程计划、组织管理、车间调度、供应链及物流设计和产品工艺的合理性，保证产品制造的成功和生产周期，发现设计、生产中不可避免的缺陷和错误。
4 自动化
自动化是一个动态概念，目前它的研究主要表现在制造系统中的集成技术和适应现代化生产模式的制造环境等方面。制造自动化技术的发展趋势是制造全球化、制造敏捷化、制造网络化、制造虚拟化、制造智能化和制造绿色化。
5 绿色化
绿色制造则通过绿色生产过程、绿色设计、绿色材料、绿色设备、绿色工艺、绿色包装、绿色管理等生产出绿色产品，产品使用完以后再通过绿色处理后加以回收利用。采用绿色制造能最大限度地减少制造对环境的负面影响。同时使原材料和能源的利用效率达到最高。
二、结语
我国正处于经济发展的关键时期，制造技术是我们的薄弱环节。只有跟上发展先进制造技术的世界潮流，将其放在战略优先地位，并以足够的力度予以实施，才能尽快缩小与发达国家的差距，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。
1.5微纳化发展趋势
微纳技术包含微米/纳米材料与结构、微米/纳米电子器件与加工测量技术，以及微/纳机电系统。微电子机械系统（MEMS）指可批量制作、集微型结构、微型传感器、微型执行器及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等成为一体的微型器件或系统；而纳电子机械系统（NEMS）是上世纪90年代末提出的新概念，是继MEMS后在系统特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的一类超小型机电一体化系统，一般指特征尺寸在亚纳米到数百纳米，以纳米级结构所产生的新效应（量子效应、界面效应和纳米尺度效应）为工作特征的器件和系统。图1给出了传统机械、MEMS和NEMS的特征尺度，以及相应的理论问题。我国钱学森院士指出：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的热点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。”据第三世界科学院在2005年发表的报告显示[1]，美国、日本和欧盟这三大经济实体计划在2005-2008年度对纳米科技的投入分别达37亿、30亿和17亿美元以上，研究项目覆盖能源、药物、微电子工业、材料、环保等众多领域。据美国国家科学基金会预测，未来15年~20年，全球纳米技术市场规模将达到每年1万亿美元左右。欧洲联盟委员会在一项研究报告中说，未来10年纳米技术的开发将成为仅次于芯片制造的世界第二产业。到2010年纳米技术市场的价值刊物达400亿英镑。在充满生机的21世纪，信息技术、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展，必然对材料和器件提出新的需求，器件小型化、智能化、高集成、高密度和
信息超快传输成为未来发展的方向。新材料和新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最具有影响力的战略研究领域，其中微纳技术将起着关键的作用
我国对微纳技术一开始就很重视，2001年由科技部、国家计委、教育部、中国科学院
和国家自然科学基金会联合成立了了全国纳米科技指导协调委员会，统筹规划全国的纳米
研究方向。在2006年国务院制订的《2006-2020年国家中长期科学和技术发展规划》中将
纳米科学列入这段时期内基础科学研究的四个主要方向之一。自1986年国家自然科学基金
开始资助第一个MEMS项目以来，至今已资助微传感器、纳传感器、微光学、微光开关、微
加速度计、微陀螺、微气体与生化传感器、微能源等有关项目共852项，学科主要分布在
化学、生命、工程和信息，总经费18562万元。在“十五”期间，我国纳米科学技术的研
发取得了长足的进步，与纳米科技有关的论文数以年均30%左右的速度增长，在纳米材料
和器件制备和性能研究中也取得了诸多突破性进展，例如：中科院物理所解思深院士等发
明了一种将纳米催化剂担载在多孔二氧化硅衬底的微孔中以控制多层碳管直径和取向的模
板生长方法。清华大学范守善院士等在国际上首次成功制备出直径为3-40纳米、长度达微
米级的发蓝光的氮化镓一维纳米棒。中科院金属所在世界上首次发现纳米金属“奇异”的
超塑延展性—纳米铜在室温下冷轧可延50多倍。中科院物理所报道了可在室温下工作的单
电子原型器件。中科院半导体所先后研制出了量子阱红外探测器（13-15微米）和半导体
量子点激光器（0.7-2.0微米）。2000-2006年世界各国纳米技术发明专利申请数量我国已
经在美、日之后排名第三。
2002年美国国家科学基金会和美国商务部共同提出的长达468页的《会聚技术报告》
（Roco and Bainbrige，2002）认为，科学的发展进入一个分水岭，如果科学要继续向前，
就必须从泾渭分明的专业化分工走向统一。新的科技复兴必须能预见技术可能性和聚焦到
人整体的科学技术发展观。展望未来，微纳技术在本身获得快速发展的同时，有望与生物
技术、信息技术、认知科学协同和融合形成NBIC会聚技术。未来20年，科学和技术的大
统一将在以下四个关键方面产生结果：①各项技术的融合是以纳米尺度上的材料统一为基
础和以这个尺度上技术集成为基础；②在科学与技术分离的学科交汇处发生了革命性进展，
这些进展可以变为关键NBIC（其简化的英文联式为Nano-Bio-Info-Cogno）会聚技术的转
型工具，包括科学仪器、分析方法和新材料系统；③NBIC会聚技术领域结合的系统方法、
数学和计算使人们第一次了解自然界和认知科学的复杂而层次分明的系统。为了在主要方
向获得最大协同，这个复杂系统方法可以应用于具体问题的研究，也可以应用于研究事业
的总体组织，体现了全面的认识集成的机会；④在这个技术取得成就的特别历史时刻，提升人类能力成为可能。NBIC会聚技术能通过可持续地加强人类精神、体能和社会能力而给我们提供成功应对社会、政治和经济冲突的方法。
“NBIC会聚技术”的概念是指纳米科技、生物技术、信息技术、认知科学—当前迅速发展的四个科技领域的协同和融合。四大技术的融合将缔造全新的研究思路和经济模式，将大大提高社会的创新能力和社会生产力水平，从而增强国家的竞争力。在人口、资源开发和潜在的社会冲突不断增加的今天，技术优势是经济繁荣和国家安全的基础。会聚技术的影响将是深远和全方位的，其迅速发展有望提高整个国家的生产力水平，具体表现为：①促进工作效率和学习；②提升个人的感知和认知能力；③促使医疗保健变革；④提高个人和群体效率；⑤促成高效通信技术，包括大脑之间的交互作用；⑥完美的人机界面，包括用于工业和个人的神经形态工程学；⑦增强人类的防卫能力；⑧运用NBIC工具达到可持
续发展；⑨改善老年人常见的体质和认知能力下降状况。
“NBIC会聚技术”代表着世界科学研究与开发的最新前沿领域，会聚技术将实现21世纪科学技术新的复兴，其发展将显著改善人类的生命质量，提升和扩展人的技能（图9）。NBIC会聚技术将给我们带来新的科技发展观，一种大统一、大科学、以人为本的整体发展观念。这种发展观将以学科的融合为基础，通过技术会聚，以人类和社会可持续发展为目的，实现人类自身和社会的进步。NBIC会聚技术给我们描绘了这样一个前景：人类将在纳米物质层重新认识和改造世界以及人类自身，人类将可以以原子或分子为起点来诊断和修复自身与世界。人类将拥有大量低成本的各种传感器网络和实时信息系统，机器人和软件将实现个性化，智能材料和智能系统将普遍用于工厂、家庭和个人，国家将拥有先进的数据网络和安全的情报系统。社会群体可有效地改善合作效能，社会可大幅度地减少资源与能源的消耗，减少对生态环境的破坏和污染。美国在《提升人类能力的会聚技术》报告中指出，NBIC有关领域的重大突破将在今后10~20年内实现。“NBIC会聚技术”为未来的发展提供了巨大的机遇，不断创造出新的产业、新的市场、新的文化、新的进步，它第一次使人类能够将自然界、人类社会和科学研究理解为几个紧密相连、复杂而又层次分明的系统。在技术不断进步的同时，通过技术整合进而提高人类能力成为可能，长此以往，人类有望进入一个创新与繁荣的时代。
1.6自动化发展趋势
随着国家经济建设的快速发展, 我国制造业高速发展,拉动了制造业中应用自动化技术的需求,我国的机械自动化与仪器仪表产业的发展日新月异,然而与国际先进水平和产业规模相比差距还是很大。机械自动化,主要指在机械制造业中应用自动化技术,实现加工对象的连续自动生产,实现优化有效的自动生产过程,加快生产投入物的加工变换和流动速度机械自动化技术的应用与发展,是机械制造业技术改造、技术进步的主要手段和技术发
展的主要方向机械自动化的技术水准,不仅影响整个机械制造业的发展,而且对国民经济各部门的技术进步有很大的直接影响。如何发展我国的机械自动化技术,应实事求是,一切从我国的具体国情出发,做好各项基础工作,走中国的机械自动化技术发展之路。
1 结合生产实际, 注重实用发展机械自动化技术。
先进制造技术的全部真谛在于应用。发展机械自动化技术, 应以企业的生产和发展的实际需要及具体条件为导向。只有对合适的产品采用与之相适应的自动化方式进行生产, 才能收到良好的技术经济效益和社会经济效益。我国发展机械自动化技术,应结合实际,注重实用,即对国民经济产生实际效益。
2 发展投资少、见效快的低成本自动化技术。
发展低成本自动化技术,潜力大,前景广,投资省,见效快,提高自动化程度,可以收到事半功倍的经济效果,适合我国现阶段的发展需要和国情。20世纪90年代美国麻省理工学院提出的精节生产LP( Lean P roduction)模式,就是以最小的投入,取得最大的产出的具体表现。借鉴国外发展机械制造业低成本自动化技术的经验是有益的。我国机械制造业各企业有大量的通用设备,在发展现代机械自动化技术时,应以原有的设备为主,合理调整机床布局, 添加少量的数控设备,引入CAD /CAM技术,充分发挥计算机自动化管理的优势和人的创造性, 共同构成一个以人为中心,以信息自动化为先导树立自主的单元化生产系统,为我国机械制造业自动化技术发展应用提供了一条投资少、见效快、效益高、符合我国国情的机械自动化技术发展应用新途径。通用机的局部自动化改装有重要意义。近期内我国对成本低、维修方便的通用机的需要量还是不会急剧下降的,因为有广大的乡镇企业市场, 有小工厂、试验室、大型企业的工具车间等。
3 结合中国国情,发展现代机械自动化技术。
实现机械自动化是一个由低级到高级、由简单到复杂、由不完善到完善的发展过程。当机械的操作采用自动控制器后, 生产方式才从机械化逐步过渡到机械控制(传统)自动化、数字控制自动化、计算机控制自动化。只有建立了自动化工厂后,生产过程才能全盘自动化, 才能使生产率全面提高, 达到自动化的高级理想阶段。中国实现机械自动化技术应是一个长期的过程,不可能一蹴而就。当前,中国机械制造业同世界先进水准也存在阶段性差距。在我国这种国情下,普遍发展应用计算机集成制造系统的全盘自动化或高度自动化,并不具备必要的基础技术、经验和投资能力。因此,要不要普遍发展全盘自动化或高度自动化CIMS技术,一定要慎重行事。而且全盘自动化或高度自动化的CIMS技术也并非我国机械制造业的当务之急,只能列为机械制造自动化技术的主要发展方向。应该发展工艺成熟的大批量生产的自动化技术。我国现阶段,在产品数量较大的同类产品连续流水作业的切削加工生产中,自动化设备仍然是半自动机床、自动机床、组合机床及其组成的自动线、回转体零件加工自动线等。而在大批量的铸造、锻造、冲压、焊接、热处理和装配等生产中,采用刚性自动化(自动单机和自动线)则是合理可行的,能取得较好的经济效益;对于品种稍多的成批生产,应采用由快速重新调整的设备组成成组工段或流水线、可更换主轴箱组合机床自动线、短自动线和复合制造单元, 实现成组自动化;而单件小批量生产,应从推广成组技术入手,适当发展采用数控机应酬或加工中心,有针对性地建立,可取得较好的经济效果。我国作为一个发展中国家,考虑一切生产技术问题时的前提必须是适用。我国消化吸收国外柔性制造系统(Pseudo-FMS),是要确保必要的生产柔性的前提下,优化人机界面,不过分追求自动化,尽可能建立较为完善的信息系统,充分发展计算机管理的效益。系统中先进的自动化装备和普通设备并存,系统的某些环节允许人工干预。这是一个典型的结合国情、实施适用先进方针的自动化技术解决方案。我国目前以消化呼吸、融会贯通国际上有用的自动化技术理论的基础上,要努力做到从我国机械制造业的实际情况出发,发展创新,形成有国情特征的发展自动化技术理论和学说,进行围绕计算机技术的柔性自动化技术的开发研究,以
适用为前提,急需什么就解决什么,取得实践经验再推广应用。
4 抓好基础,注重配套发展机械自动化技术。
发展应用机械自动化技术,要扎扎实实地抓好自动化技术应用项目的基础工作和从实际出发的推广应用工作,既要发展主机,也要配套发展自动化元件及控制系统可编程控制器、微处理机、各种传感器、新型刀具、控制系统及系统软件、电子计算机等将是今后动化的主要技术基础。研究生产大量性能优良、自动化水准高的机电产品是发展应用机械自动化技术的关键。自动化生产时,在系统的结构、质量(重量)、体积、刚性和耐性等方面对现代机械自动化技术有着重要的影响,机械技术应利用其它高新技术来更新,实现与适应现代机械自动化技术的发展;自动化生产时,机械制造系统的自动控制、自动检测、伺服系统的操作等都少不了要应用微电子技术和自动控制理论;自动化生产时,信息的交换与处理、存取、运算、判断和决策等都少不了要应用计算机与信息处理技术。
总之, 我国机械制造业发展应用自动化技术,不但要起点高,瞄准世界先进水准,而且必须包括各种灵活的低成本、见效快的自动化技术,坚持提高与普及相结合的方针,我国的机械自动化技术应用才能健康地走上高速度、高质量和高效益之路。
结束语
在这次的毕业设计中本人充分运用在这三年里面所学的机电一体化知识与实习的机电水汽化理论设计了机电水汽化系统的基础分析与检修的毕业设计论文，包括水汽化系统的纯水系统，酸碱系统，机电系统，特气系统等一体化的结合。由于本人能力有限，论文在研究中肯定还存在诸多不足，论证说明还不够深入，在很多方面有待于进一步提高，论文关于机电一体化的研究还不够深入，我将会在今后的工作和学习中继续提高和完善。
参考文献
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[4]王英.机械自动化技术应用与发展前景[J].科技传播，2010，12(下)：40等
致谢
本论文在各位老师的悉心指导和严格要求下已完成。在学习和生活期间，也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向各位老师表示深深的感谢和崇高的敬意。不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。同时我在网上也搜集了不少资料，才使我的毕业论文工作顺利完成。