[我看大国重器]大国重器国之砝码

我看大国重器

在二十世纪初，有个著名物理学家说科技的大厦已经建成，以后人们只需要好好修缮一下就行，不过在物理的天空中有两朵乌云。结果，在1905年，爱因斯坦的三篇论文震撼了科技界。突破了经典物理学。同样的，虽然现在的制造业已经十分发达，也许有人会满足这一成就，但我认为，机械制造依然有很大的发展空间。而根据哪里有需要哪里就有发明的原理，在可预见的未来，在机械方面，我想从两个方面来阐述，第一个方面是制造技术的本身的发展，（由于知识有限，此方面主要从网上找的资料）。第二个方面是新型机械设备的出现。（自己理性分析或者纯粹想象可能会产生的几个装备。 机械制造技术的发展主要从几个“化”开始

一、 集成化

计算机集成制造（CIMS ）被认为是21世纪制造企业的主要生产方式。CIMS 作为一个由若干个相互联系的部分（分系统）组成，通常可划分为5部分： 1． 工程技术信息分系统

包括计算机辅助设计（CAD ），计算机辅助工程分析（CAE ），计算机辅助工艺过程设计（CAPP ），计算机辅助工装设计（CATD ）数控程序编制（NCP ）等。 2． 管理信息分系统（MIS ）

包括经营管理（BM ），生产管理（PM ），物料管理（MM ），人事管理（LM ），财务管理（FM ）等。 3． 制造自动化分系统（MAS ）

包括各种自动化设备和系统，如计算机数控（CNC ），加工中心（MC ），柔性制造单元（FMS ），工业机器人（Robot ），自动装配（AA ）等。 4． 质量信息分系统

包括计算机辅助检测（CAI ），计算机辅助测试（CAT ），计算机辅助质量控制（CAQC ），三坐标测量机（CMM ）等。

5． 计算机网络和数据库分系统（Network & DB）

它是一个支持系统，用于将上述几个分系统联系起来，以实现各分系统的集成。

二、 智能化

智能制造系统可被理解为由智能机械和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，该系统在制造过程中能进行智能活动，如分析、推理、判断、构思、决策等。

在智能系统中，“智能”主要体现在系统具有极好的“软”特性（适应性和友好性）。在设计和制造过程中，采用模块化方法，使之具有较大的柔性；对于人，智能制造强调安全性和友好性；对于环境，要求作到无污染，省能源和资源充分回收；对于社会，提倡合理协作与竞争。

三、 敏捷化

敏捷制造是以竞争力和信誉度为基础，选择合作者组成虚拟公司，分工合作，为同一目标共同努力来增强整体竞争能力，对用户需求作出快速反应，以满足用户的需要。为了达到快速应变能力，虚拟企业的建立是关键技术，其核心是虚拟制造技术，即敏捷制造是以虚拟制造技术为基础的。敏捷制造是现代集成制造系统从信息集成发展到企业集成的必由之路，它的发展水平代表了现代集成制造系统的发展水平，是现代集成制造系统的发展方向。 实现敏捷制造的技术基础包括：

1． 大范围的通讯基础结构，要求在全国范围内建立工厂信息网络和准时信息系统（Just-In-Time-Information ）。 2． 柔性化、模块化的产品设计方法。 3． 高柔性、模块化、可伸缩的制造系统。 4． 为定单而设计、制造的生产方式。 5． 基于任务的组织与管理。 6． 基于信任的雇佣关系。

四、 虚拟化

“虚拟制造”的概念于20世纪90年代初期提出。虚拟制造以系统建模和计算机仿真技术为基础，集现代制造工艺、计算机图形学、信息技术、并行工程、人工智能、多媒体技术等高新技术为一体，是一项由多学科知识形成的综合系统技术。虚拟制造利用信息技术、仿真计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防的措施，从而达到产品一次性制造成功，来达到降低成本、缩短产品开发周期，增强产品竞争力的目的。

五、 清洁化

清洁生产是指：将综合预防的环境战略，持续应用于生产过程和产品中，以便减少对人类和环境的风险。 清洁生产的两个基本目标是资源的综合利用和环境保护。对生产过程而言，清洁生产要求渗透到从原材料投入到产出成品的全过程，包括节约原材料和能源，替代有毒的原材料和短缺资源，二次能源和再生资源的利用，改进工艺及设备，并将一切排放物的数量与毒性削减在离开生产过程之前。对于产品而言，清洁生产覆盖构成产品整个生命周期的各个阶段，即从原材料的提取到产品的最终处理，包括产品的设计、生产、包装、运输、流通、销售及报废等，合理利用资源，并最大限度地减少对人类和环境的不利影响。 综上所述，机械制造业的发展方向是将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术进行有机的结合，通过计算机技术是企业产品在全生命周期

中有关的组织、经营、管理和技术有机集成和优化运行，在企业产品全生命周期中实现信息化、智能化、集成优化达到产品上市快、服务好、质量优成本低的目的，进而提高企业的柔性、健壮性和敏捷性，是企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。

六，绿色化

绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效益的现代化制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响（负作用）最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。其主要特点有以下几点：

1. 绿色设计。绿色设计是融产品的质量、功能、寿命和环境于一体的系统设计方法。在设计之初就应在产品生命周期的各个环节都考虑产品的环境属性(如:可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等），并将其作为一个重要的指导原则。绿色设计方法具有绿色性、集成性和并行性：它首先是在绿色(节能、环保) 设计的原则指导下，在一开始就考虑产品周期全过程的所有因素，包括产品质量、成本、进度计划、用户要求等。在设计过程中使材料选择、结构设计、工艺设计、包装运输设计、使用维护设计、拆卸回收设计、报废处置设计等多个设计阶段同时进行、相互协调，各阶段和整体设计方案、分析评价结果及时进行信息交流和反馈，从而在其设计研发过程中及时改进，使产品设计达到最优化。

2. 绿色材料。绿色材料是指在选材时尽量选择无污染或少污染，易回收的材料。为此，一是要多开发绿色材料，并建立绿色材料库; 二是设计选材时要注意经济效益与社会效益相协调。

3. 绿色工艺。绿色工艺是指在产品加工过程中尽量节约能源、减少污染。绿色工艺与洁清生产密不可分。绿色工艺主要还应从技术入手，尽量研究和采用物料和能源消耗少、废弃物少、对环境污染小的工艺方案。如现在的精确成形、干式切削、准干式切削、生产废物再利用、快速原型制造等都是绿色工艺的新技术。

4. 绿色处理。绿色处理是指上一个生命周期报废的产品通过有效的回收又进入下一个生命周期的循环中。为了便于产品的绿色处理，一是设计之初就要考虑产品的材料和结构设计，如采用面向拆卸的设计方法、模块化的设计方法；二是发展绿色再制造技术，如再制造加工、过时产品的性能升级等。

以上是制造技术的六大化。接下来要谈机械新装备的出现。也就是第二个方面。

第一件，小时候总想能飞上蓝天，虽说现在有飞机，但是毕竟不是自己控制的也并非像鸟一样的。钢铁侠才是我心中的偶像。我想，钢铁侠的那身装备确实有可能实现。钢铁侠的力量与能力来自于他穿着的先进动力装甲。此装甲由原本笨重的铁甲装慢慢进化更新成分子重整排序后的结晶铁经磁场强化后覆盖于钛金属等数层其他金属上，形成一个有韧性但又极度坚实且能提供极高防御作用的外壳。铁甲装赋予斯塔克超人力量及飞行能力，其能源来自多种来源的总和，包括太阳能，电池，以及内建以吸收贝塔粒子为燃料的发电机。铁甲装还可以吸收周遭的能源如热量与动能并转化成电力，甚至可以直接吸收电力来为电池进行充电。托尼还加装了喷射推进器足以让他拖着一整列火车前进；而小型的护目镜可在紧急时保护钢铁侠的双眼。除此之外，铁甲装还可以完全的与外界隔离，让钢铁侠可在真空或海底行动，具备内建的维生系统，并可隔绝放射线。还有，如果导弹来了的话，可以射出红外线干扰球，将导弹提前爆炸。 铁甲装的操控系统是借由头盔中神经机械学界面读取斯塔克的脑波进行运作。斯塔克自行设计的具人工智能操控系统的高科技电脑，利用内部与外部的感应器能提供战略资讯与机甲的即时状态报告。斯塔克为确保机甲不会自主暴走曾设立了防护系统，但这些系统曾一度被破坏。

铁甲装的武器系统也随着时间不断的演进，但钢铁侠的制式攻击武器一直都是其经由手套掌心发射出的冲击光束。内建在各代装甲中的武器包括了由胸口发射的单束光炮；随着运行吸收周围动能的脉冲光，运行距离越远就越强大；电磁冲波发射器；以及能量护盾。其他的功能包括了发射极冻光线，制造与操控磁场，音波炮，用来制造诱饵的全息影像制造器。

如果以后有了这种装备，并且廉价的话，人人都可以自由飞上蓝天，而且战争也会由于彼此的威慑而减少爆发的可能性。

第二件，能输出稳频的优质电能的风电设备的出现。

第三项也源于我看过的一部电影，叫地心历险记，说的是一个地球内部的液体失去流

动性，导致地球磁场消失，然后各种射线对人造成伤害。后来科学家打通了通向地心的通道，然后用核弹造成冲击使地球磁场重新恢复。我当时对这个打隧道的东西十分惊讶，现在我知道有一件装备和这个很相似，那就是盾构机。 盾构机，全名叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。

盾构机根据工作原理一般分为手掘式盾构，挤压式盾构，半机械式盾构（局部气压、全局气压），机械式盾构（开胸式切削盾构，气压式盾构，泥水加压盾构，土压平衡盾构，混合型盾构，异型盾构）。

泥水式盾构机是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液) 来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。土压平衡式盾构机是把土料(必要时添加泡沫等对土壤进行改良) 作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量(旋转速度) 进行调节。

根据盾构机不同的分类，盾构开挖方法可分为：敞开式、机械切削式、网格式和挤压式等。为了减少盾构施工对地层的扰动，可先借助千斤顶驱动盾构使其切口贯入土层，然后在切口内进行土体开挖与运输。

在这个里面我觉得机械切削式最有前景，因为现在材料的强度和耐受性越来越好。高速切削技术现在只在机床中实现。我想要是把这个和盾构机结合起来必然会大大提高切削 的效率。

第四项是高效汽轮机

汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械。又称蒸汽透平。主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要 。

汽轮机是能将蒸汽热能转化为机械功的外燃回转式机械，来自锅炉的蒸汽进入汽轮机后，依次经过一 系列环形配置的喷嘴和动叶，将蒸汽的热能转化为汽轮机转子旋转的机械能。蒸汽在汽轮机中，以不同方式进行能量转换，便构成了不同工作原理的汽轮机。

根据热力学原理，新蒸汽参数越高，热力循环的热效率也越高。所以我觉得首先需要提高新蒸汽参数，而实际上随着单机功率的提高，30年代初新蒸汽压力已提高到3～4兆帕，温度为400～450℃。随着高温材料的不断改进，蒸汽温度逐步提高到535℃，压力也提高到6～12.5兆帕，个别的已达16兆帕，热效率达30%以上。50年代初，已有采用新蒸汽温度为600℃的汽轮机。以后又有新蒸汽温度为650℃的汽轮机。汽轮机确实在这个方向在发展，但还有很大提升空间，毕竟卡诺循环的效率会有60%左右。

还有就是提高单机的功率也是非常重要的。但这取决于材料专业，不作阐述

西安交大制造与人类文明