课程名称 先进制造技术
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| 组织教学 提问 导言 小结 作业 | 检查学生出勤 中国制造业的现状？ 任务一 制造业的发展历史 制造业直接体现了一个国家的生产力水平，是区别发展中国家和发达国家的重要因素，制造业在世界发达国家（developed countries）的国民经济中占有重要份额。 根据在生产中使用的物质形态，制造业可划分为离散制造业和流程制造业。制造业包括：产品制造、设计、原料采购、仓储运输、订单处理、批发经营、零售。在主要从事产品制造的企业（单位）中，为产品销售而进行的机械与设备的组装与安装活动，按其主要活动归类包括： 一、现状 2008年，我国工业增加值129112亿元，比2007年增长9.5%。规模以上工业增加值增长12.9%，其中国有及国有控股企业增长9.1%；集体企业增长8.1%，股份制企业增长15.0%，外商及港澳台商投资企业增长9.9%；私营企业增长20.4%。分轻重工业看，轻工业增长12.3%，重工业增长13.2%。 2008年规模以上工业中，煤炭开采和洗选业增加值比2007年增长19.1%，石油和天然气开采业增长6.1%，文教体育用品制造业增长18.2%，燃气生产和供应业增长26.8%，农副食品加工业增长15.0%，通用设备制造业增长16.9%，交通运输设备制造业增长15.2%，通信设备、计算机及其它电子设备制造业增长12.0%，电气机械及器材制造业增长18.1%，化学纤维制造业增长2.2%。6大高耗能行业比2007年增长10.0%，其中，非金属矿物制品业增长16.9%，黑色金属冶炼及压延加工业增长8.2%，化学原料及化学制品制造业增长10.0%，有色金属冶炼及压延加工业增长12.3%，电力热力的生产和供应业增长8.6%，石油加工炼焦及核燃料加工业增长4.3%。高技术制造业增加值比2007年增长14.0%。 2008年，我国建筑业实现增加值17071亿元，比2007年增长7.1%。全国具有资质等级的总承包和专业承包建筑业企业实现利润1756亿元，增长12.5%，其中国有及国有控股企业509亿元，增长21.8%；上缴税金2058亿元，增长20.0%，其中国有及国有控股企业771亿元，增长24.7%。 利用外资方面，一直以来制造业均居于主导地位。2008年，制造业利用外资项目个数达到11568个，占全部利用外资项目个数的42.04%，比2007年减少39.73%；实际使用外资金额498.9亿美元，占全部实际利用外资额的54%，比2007年减少22.10%。 二、优势及劣势 优势 （1）我国劳动力成本低，在劳动密集型产业、产品领域占优势，竞争力强。而且中国的劳动力素质也比较高，比如，在广东、浙江一带的劳动力都是农村出来的高中生，这些人的素质相当不错； （2）我国潜在消费市场大，能够容纳这些产品，促进这些产品很快地形成规模经济。通常，一个国家的产品首先要在国内销售，取得了一定的经验，达到一定的产量规模以后，再走向国际市场。中国这么大的国内消费市场为产品的开发、发展创造了基本条件； （3）制造业基础比较完善。改革开放20多年来，我国制造业的发展取得了举世瞩目的成就，作为国民经济的主体和支柱性产业，制造业为今后我国国民经济的发展奠定了坚实的基础。进入二十一世纪，我国制造业的发展面临的国际和国内环境发生了深刻变化，加入世贸组织，使我国的经济改革和对外开放进入到一个更加广阔和深层次的阶段； （4）制造业生产比较集中，大部分分布在相关资源较为丰富的地区。国家十分重视制造业相关产业的发展，因此我国好多大型制造业的生产资源基础比较好，并且在经济中的市场导向作用也很有利于制造业的发展。 劣势 （1）技术开发与技术创新能力薄弱； （2）企业缺乏活力； （3）管理机制、管理思想落后，阻碍了生产力的发展； （4）市场机制不完善，竞争不完全；我们不具备市场经济所需的基本的法律； （5）重制造，轻研发；我们许多产品产量都居世界第一位，做得虽然很大，但是研发很多都是从国外引进来的。比如彩色电视机，我们的显像管都是买进的，虽然对买进的技术作了改进，不会在知识产权方面产生纠纷，但是我们没有原创技术； （6）产品缺乏世界品牌； （7）机械化程度不高，效率低下。 三、国内外的差距 1、结构不合理 我国装备制造业普通产品总量过剩，而体现竞争力的重大技术装备却不能满足要求。机械产品进出口逆差逐年加大,长期以来缺乏具有工程设计、系统成套和工程总承包能力的工程公司，致使大量附加值较高的成套装备市场不得不让给外商。 我们现在很多单体设备做得不错，但缺乏成套设备，系统设计不行。比如在宝钢，设备都是国内生产的，但整个系统却标着SMS（德国西马克）。这种整个系统的成套所摄取的附加值一般是20%以上，也就是说，我们有20%以上的这种高附加值都被国外的公司白白拿走了。这就是结构问题，单体设备做得很好，但成套能力差，这就是真实的差距。 2、生产效率低 我国制造业产品技术、生产技术和管理技术的研究、应用与工业发达国家相比有较大差距，特别是在劳动生产率、工业增加值率、能源消耗等方面的差距更大。2000年，我国制造业的劳动生产率为3.82万元/人年，约为美国的4.38% 、日本的4.07% 、德国的5.56%；我国制造业的增加值率为26.23%。自动化和生产率的提高和就业率没有关系。 技术创新薄弱已成为制约我国由世界加工基地转变为世界制造基地的关键因素。主要表现在两个方面： 第一，大部分技术依赖从国外引进。 主要机械产品的大部分技术依靠从国外引进，原创性产品和技术极少；而企业又不能处理好引进、消化、吸收和自主创新的关系，缺乏消化吸收及创新的资金和优秀人才，基本停留在仿制、实现国产化的低层次阶段，尚未形成自主开发的良性循环，有些技术经过一段时间后还要重复引进。 第二，装备制造业发展严重滞后。 装备制造业是制造业的核心，制造业技术水平的提高很大程度上取决于装备的现代化。我国装备制造业占制造业的比重明显偏低，发展严重滞后，已带来严重后果。其严重滞后有两个突出的表现： （1）国民经济和高技术产业发展所需要的装备已形成依赖进口的局面。2001年，全国进口装备制造业产品额1100亿美元左右，占全国外贸进口总额的48%左右，出口为1000亿美元左右，占全国外贸出口总额的38%左右，进出口逆差为100亿美元左右。2001年当年进口用汇折合人民币9130亿元左右，加上各种费用可达10000亿元左右，而当年全国固定资产投资中设备、工具、器具购置费只有8834亿元。虽然进口设备不完全用于固定资产投资，但进口设备仍占国家建设投资中的很大部分。据统计，光纤制造装备的100%、集成电路芯片制造装备的85%、大型成套石油化工装备的80%、轿车工业装备、数控机床、纺织机械和胶印设备的70%由进口产品占领。 （2）系统设计，成套能力薄弱。成套能力和成套水平是装备制造技术水平最直观、最集中的表现。改革开放20年来，通过引进技术、合作设计、合作生产、自主开发等多条途径，已能生产大批高水平、高质量的单机产品，但由于对工艺流程研究不够，没有掌握系统成套技术，缺乏一批具有系统设计、系统成套和工程总承包能力的供应商，大量的成套设备市场不得不拱手让给外商。常常是大部分，甚至90%的单机由国内企业制造，但大部分利润却被外商拿走。 就中国制造业的现状，你有什么想法？ | 举例导入 举例分析说明 结合实例分析 讨论法分析 结合实际举例 举例分析 提问学生总结 |
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| 组织教学 提问 导言 | 检查学生出勤 同学们，你们了解的先进制造技术有哪些？ 任务二 先进制造技术的内涵与特征 先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology，简称为AMT）是指微电子技术、自动化技术、信息技术等先进技术给传统制造技术带来的种种变化与新型系统。具体地说，就是指集机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技术等多种技术为一体所产生的技术、设备和系统的总称。主要包括：计算机辅助设计、计算机辅助制造、集成制造系统等。AMT是制造业企业取得竞争优势的必要条件之一，但并非充分条件，其优势还有赖于能充分发挥技术威力的组织管理，有赖于技术、管理和人力资源的有机协调和融合。 一、什么是先进制造技术(AMT) 先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology),人们往往用AMT来概括由于微电子技术、自动化技术、信息技术等给传统制造技术带来的种种变化与新型系统。具体地说，就是指集机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技术等多种技术为一体所产生的技术、设备和系统的总称。主要包括：计算机辅助设计、计算机辅助制造、集成制造系统等。AMT是制造业企业取得竞争优势的必要条件之一，但并非充分条件，其优势还有赖于能充分发挥技术威力的组管理，有赖于技术、管理和人力资源的有机协调和融合。 二、主体技术群 它包括两个基本部分:有关产品设计技术和工艺技术。 (1)面向制造的设计技术群 面向制造的设计技术群系指用于生产准备(制造准备)的工具群和技术群。设计技术对新产品开发生产费用、产品质量以及新产品上市时间都有很大影响。产品和制造工艺的设计可以采用一系列工具,例如计算机辅助设计(CAD)以及工艺过程建模和仿真等,生产设施、装备和工具,甚至整个制造企业都可以采用先进技术更有效地进行设计。近几年发展起来的产品和工艺的并行设计具有双重目的,一是缩短新产品上市的周期,二是可以将生产过程中产生的废物减少到最低程度,使最终产品成为可回收、可再利用的,因此对实现面向保护环境的制造而言是必不可少的。 (2)制造工艺技术群(加工和装配技术群) 制造工艺技术群是指用于物质产品(物理实体产品)生产的过程及设备。例如,模塑成形、铸造、冲压、磨削等。随着高新技术的不断渗入,传统的制造工艺和装备正在产生质的变化。制造工艺技术群是有关加工和装配的技术,也是制造技术或称生产技术的传统领域。 先进制造技术(Advanced Manufacturing Technique，缩写AMT)，AMT是中国1995年列入为提高工业质量及效益的重点开发推广项目，该技术广涉信息、机械、电子、材料、能源、管理等方面的知识。因此，该技术的发展对推动国民经济的发展有着重要的作用。就目前世界的经济发展来看，以美国、日本、西欧为代表的工业化国家在AMT上都有雄厚的实力。 AMT发展历程: 人类漫长的历史发展中，使用工具、制造工具进行产品制造是基本生产活动之一。直到18世纪中叶产业以前，制造都是手工作业和作坊式生产。 产业中诞生的能源机器（蒸汽机）、作业机器（织机）和工具机器（机床），为制造活动提供了能源和技术，并开拓了新的产品市场。 经过100多年的技术积累和市场开拓，到19世纪末制造业已初步形成。其主要生产方式是机械化加电气化的批量生产。 20世纪上半叶，以机械技术和机电自动化技术为基础的制造业的生产空前发展。以大批量生产为主的机械制造业成为制造活动的主体。 20世纪中叶（1946年）电子计算机问世。 在计算机诞生2年后，由于飞机制造（飞机蒙皮壁板、梁架）的需要，在美国发明了数字控制（NC）机床。不久计算机又开始用于辅助编制NC机床的加工程序，推出了自动编程工具APT语言（Automatically Programmed tools），此后CNC、DNC、FMC、FMS、CAX、MIS、MRP、MRPII、ERP、PDM、Web-M等数字化制造技术相继问世和应用。 先进制造技术是一门综合性、交叉性前沿学科和技术，学科跨度大，内容广泛，涉及制造业生产与技术、经营管理、设计、制造、市场各个方面。先进制造技术就是在传统制造技术的基础上，利用计算机技术、网络技术、控制技术、传感技术与机、光、电一体化技术等方面的最新进展，不断发展完善。 三、支撑技术群 支撑技术群是指支持设计和制造工艺两方面取得进步的基础性的核心技术。基本的生产过程需要一系列的支撑技术,诸如:测试和检验、物料搬运、生产(作业)计划的控制以及包装等。它们也是用于保证和改善主体技术的协调运行所需的技术,是工具、手段和系统集成的基础技术。支撑技术群包括: (1)信息技术:接口和通信、数据库技术、集成框架、软件工程人工智能、专家系统和神经网络、决策支持系统。 (2)标准和框架：数据标准、产品定义标准、工艺标准、检验标准、接口框架。 (3)机床和工具技术。 (4)传感器和控制技术：单机加工单元和过程的控制、执行机构、传感器和传感器组合、生产作业计划。 (5)其它 四、制造技术基础设施 制造技术基础设施是指为了管理好各种适当的技术群的开发并鼓励这些技术在整个国家工业(基地)内推广应用而采取的各种方案和机制。由于技术只有应用适当地会产生效用,所以其技术基础设施的各要素和基本技术本身同样重要。这些要素包括了车间工人、工程技术人员和管理人员在各种先进生产技术和方案方面的培训和教育,这些技术和方案将提高企业的生产竞争力。可以说,制造技术的基础设施是使制造技术适应具体企业应用环境充分发挥其功能、取得最佳效益的一系列措施,是使先进的制造技术与企业组织管理和使用技术的人员协调工作的系统工程,是先进制造技术生长和壮大的土壤,因而是其不可分割的一个组成部分。先进制造技术是促进科技和经济发展的基础。 五、先进制造技术的提出及背景 1993年，美国批准了由联邦科学、工程与技术协调委员会（FCCSET）主持实施的先进制造技术计划（Advanced Manufacturing Technology－AMT）计划 先进制造技术计划（Advanced Manufacturing Technology－AMT)是美国根据本国制造业面临的挑战和机遇,为增强制造业的竞争力和促进国家经济增长,首先提出了先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology)的概念。此后,欧洲各国、日本以及亚洲新兴工业化国家如韩国等也相继作出响应。 六、先进制造技术的特点 (1)先进制造技术是制造技术的最新发展阶段,是面向21世纪的技术,制造业是社会物质文明的保证,是与人类社会一起动态发展的,因此,制造技术必然也将随着科技进步而不断更新。先进制造技术是制造技术的最新发展阶段,是由传统的制造技术发展而来,保持了过去制造技术中的有效要素;但随着高新技术的渗入和制造环境的变化,已经产生了质的变化,先进制造技术是制造技术与现代高新技术结合而产生的一个完整的技术群,是一类具有明确范畴的新的技术领域,是面向21世纪的技术。 (2)先进制造技术是面向工业应用的技术,先进制造技术应能适合于在工业企业推广并可取得很好的经济效益,先进制造技术的发展往往是针对某一具体的制造业(如汽车工业、电子工业)的需求而发展起来的适用的先进制造技术,有明显的需求导向的特征。先进制造技术不是以追求技术的高新度为目的,而是注重产生最好的实践效果,以提高企业的竞争力和促进国家经济增长和综合实力为目标。 (3)先进制造技术是面向全球竞争的目前每一国家都处于全球化市场中。一个国家的先进制造技术是支持该国制造业在全球范围市场的竞争力。因此,先进制造技术的主体应具有世界水平。但是,每个国家的国情也将影响到从现有的制造技术水平向先进制造技术的过渡战略和措施。我国正在以前所未有的速度进入全球化的国际市场,开发和应用适合国情的先进制造技术势在必行。 七、其先进制造技术发展中的关键技术 1 成组技术(GT) 成组技术(GT)揭示和利用事物间的相似性，按照一定的准则分类成组，同组事物采用同一方法进行处理，以便提高效益的技术，称为成组技术。在机械制造工程中，成组技术是计算机辅助制造的基础，将成组哲理用于设计、制造和管理等整个生产系统，改变多品种小批量生产方式，获得最大的经济效益。 成组技术的核心是成组工艺，它是将结构、材料、工艺相近似的零件组成一个零件族(组)，按零件族制定工艺进行加工，扩大批量、减少品种、便于采用高效方法、提高劳动生产率。零件的相似性是广义的，在几何形状、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性为基本相似性，以基本相似性为基础，在制造、装配等生产、经营、管理等方面所导出的相似性，称为二次相似性或派生相似性。 2 敏捷制造(AM) 敏捷制造(AM)是指企业实现敏捷生产经营的一种制造哲理和生产模式。敏捷制造包括产品制造机械系统的柔性、员工授权、制造商和供应商关系、总体品质管理及企业重构。敏捷制造是借助于计算机网络和信息集成基础结构，构造有多个企业参加的“VM”环境，以竞争合作的原则，在虚拟制造环境下动态选择合作伙伴，组成面向任务的虚拟公司，进行快速和最佳生产。 3 并行工程(CE) 并行工程(CE)是对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。在传统的串行开发过程中，设计中的问题或不足，要分别在加工、装配或售后服务中才能被发现，然后再修改设计，改进加工、装配或售后服务(包括维修服务)。而并行工程就是将设计、工艺和制造结合在一起，利用计算机互联网并行作业，大大缩短生产周期。 4 快速成型技术(RPM) 快速成型技术(RPM)是集CAD/CAM技术、激光加工技术、数控技术和新材料等技术领域的最新成果于一体的零件原型制造技术。它不同于传统的用材料去除方式制造零件的方法，而是用材料一层一层积累的方式构造零件模型。它利用所要制造零件的三维CAD模型数据直接生成产品原型，并且可以方便地修改CAD模型后重新制造产品原型。由于该技术不像传统的零件制造方法需要制作木模、塑料模和陶瓷模等，可以把零件原型的制造时间减少为几天、几小时，大大缩短了产品开发周期，减少了开发成本。随着计算机技术的决速发展和三维CAD软件应用的不断推广，越来越多的产品基于三维CAD设计开发，使得快速成型技术的广泛应用成为可能。快速成形技术已广泛应用于宇航、航空、汽车、通讯、医疗、电子、家电、玩具、军事装备、工业造型(雕刻)、建筑模型、机械行业等领域。 5 虚拟制造技术(VMT) 虚拟制造技术(VMT)以计算机支持的建模、仿真技术为前提，对设计、加工制造、装配等全过程进行统一建模，在产品设计阶段，实时并行模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测出产品的性能、产品的制造技术、产品的可制造性与可装配性，从而更有效地、更经济地灵活组织生产，使工厂和车间的设计布局更合理、有效，以达到产品开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最高化。虚拟制造技术填补了CAD/ CAM技术与生产全过程、企业管理之间的技术缺口，把产品的工艺设计、作业计划、生产调度、制造过程、库存管理、成本[1]核算、零部件采购等企业生产经营活动在产品投入之前就在计算机上加以显示和评价，使设计人员和工程技术人员在产品真实制造之前，通过计算机虚拟产品来预见可能发生的问题和后果。虚拟制造系统的关键是建模，即将现实环境下的物理系统映射为计算机环境下的虚拟系统。虚拟制造系统生产的产品是虚拟产品，但具有真实产品所具有的一切特征。 6 智能制造(IM) 智能制造(IM)是制造技术、自动化技术、系统工程与人工智能等学科互相渗透、互相交织而形成的一门综合技术。其具体表现为：智能设计、智能加工、机器人操作、智能控制、智能工艺规划、智能调度与管理、智能装配、智能测量与诊断等。它强调通过“智能设备”和“自治控制”来构造新一代的智能制造系统模式。 智能制造系统具有自律能力、自组织能力、自学习与自我优化能力、自修复能力，因而适应性极强，而且由于采用VR技术，人机界面更加友好。因此，智能制造技术的研究开发对于提高生产效率与产品品质、降低成本，提高制造业市场应变能力、国家经济实力和国民生活水准，具有重要意义。 八、制造技术的进步 制造技术是制造业所使用的一切生产技术的总称，是将原材料和其他生产要素经济合理地转化为可直接使用的具有较高附加值的成品/半成品和技术服务的技术群。近两百年来.在市场需求不断变化的驱动下，制造业的生产规模沿着“小批量→少品种、大批量→多品种、变批量”的方向发展。在科学技术高速发展的推动下，制造业的资源配置沿着“劳动密集→设备密集→信息密集→知识密集”的方向发展。与之相适应，制造技术的生产方式沿着“手工→机械化→单机自动化。刚性流水自动化→柔性自动化→智能自动化”的方向发展。从而推动了制造业的不断发展，促进了制造业的不断进步。 | 举例导入 举例分析说明 结合实例分析 讨论法分析 结合实际举例 举例分析 提问学生总结 |
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| 组织教学 提问 导言 | 检查学生出勤 中国制造业的现状？ 任务三 虚拟建模技术 虚拟仿真（Virtual Reality），仿真（simulation）技术，或称为模拟技术，就是用一个系统模仿另一个真实系统的技术。 工程力学（虚拟仿真方向），隶属于辽宁工程技术大学力学与工程科学院现有3个本科专业之一，本专业是国内首创专业，注重力学与计算机两大领域的交叉与结合，重点培养方向是工程中力学问题的数值计算与仿真。 一、原理 虚拟仿真实际上是一种可创建和体验虚拟世界（Virtual World）的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成，可以是现实世界的再现，亦可以是构想中的世界，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界,并通过头盔显示器（HMD）、数据手套等辅助传感设备，提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。VR技术是计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、微电子技术、多媒体技术、信息技术、立体显示技术、传感与测量技术、软件工程、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术及人工智能技术等多种高新技术集成之结晶。其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的支撑。 二、虚拟现实技术的含义 虚拟与现实两词具有相互矛盾的含义，把这两个词放在一起，似乎没有意义，但是科学技术的发展却赋予了它新的含义。虚拟现实的明确定义不太好说，按最早提出虚拟现实概念的学者J.Laniar的说法，虚拟现实，又称假想现实，意味着“用电子计算机合成的人工世界”。从此可以清楚地看到，这个领域与计算机有着不可分离的密切关系，信息科学是合成虚拟现实的基本前提。生成虚拟现实需要解决以下三个主要问题： ①以假乱真的存在技术。即，怎样合成对观察者的感官器官来说与实际存在相一致的输入信息，也就是如何可以产生与现实环境一样的视觉，触觉，嗅觉等。 ②相互作用。观察者怎样积极和能动地操作虚拟现实，以实现不同的视点景象和更高层次的感觉信息。实际上也就是怎么可以看得更像，听得更真等等。 ③自律性现实。感觉者如何在不意识到自己动作、行为的条件下得到栩栩如生的现实感。在这里，观察者、传感器、计算机仿真系统与显示系统构成了一个相互作用的闭环流程。 今天，虚拟现实已经发展成一门涉及计算机图形学、精密传感机构、人机接口及实时图像处理等领域的综合性学科。虚拟现实技术分虚拟实景（境）技术（如虚拟游览故宫博物馆）与虚拟虚景（境）技术（如虚拟现实环境生成、虚拟设计的波音777飞机等）两大类。虚拟现实技术的应用领域和交叉领域非常广泛，几乎到了无所不包、无孔不入的地步，在虚拟现实技术战场环境，虚拟现实作战指挥模拟，飞机、船舶、车辆虚拟现实驾驶训练，飞机、导弹、轮船与轿车的虚拟制造（含系统的虚拟设计），虚拟现实建筑物的展示与参观，虚拟现实手术培训，虚拟现实游戏，虚拟现实影视艺术等等方面的应用和产业的形成都有强烈的市场需求和技术驱动。权威人士断言，虚拟现实技术将是21世纪信息技术的代表。它的发展，不仅从根本上改变人们的工作方式和生活方式，劳和逸将真正结合起来，人们在享受环境中工作，在工作过程中得到享受；而且虚拟现实技术与美术、音乐等文化艺术的结合，将诞生人类的第九艺术。随着计算机技术的发展，在PC机上实现虚拟现实技术已成为可能。所以，目前虚拟现实技术系统的运行趋势为单机桌面和互联网两种主要方式，因此，它对计算机硬件技术和网络技术的发展和应用也有很大的刺激作用。 在喧闹都市的办公室中忙碌了一天的人们，多么希望自己能一步跨入一个热带天堂。幻想一片一望无边的海滩，挽起裤腿站在水边，任凭海浪轻抚脚面，椰林随风清唱，海鸥自由翱翔，太阳在天际徐徐落下，余晖把海面染红。这种想象能使许多人忘却疲劳，他们在心中创造了一个使自己心旷神怡的幻境。但是如果那景象三维立体、细致入微，如果你能看到自己用手拾起一片贝壳，这个幻境就会变得活灵活现，你就会认为自己实际已去过了那个海岛。现在，基于虚拟现实技术的“休息机”可以为人们提供这种跨越空间的手段。 三、虚拟仿真的特点 具有沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和构想性（imagination），使人们能沉浸其中，超越其上，出入自然，形成具有交互效能化的信息环境。 目前业界很多虚拟现实公司只能提供三维漫游等简单的视景开发支持，其拥有的几何模型干涉检查、交互操作支持等也非常简单，而为此特殊开发的专用模块不但价格昂贵，且源代码有限开放难以满足用户个性化开发应用需求。真正的虚拟仿真应提供复杂场景图形、声音、交互操作、干涉检查等多方面的支持，从而可以简化应用系统的开发，提供应用系统的功能和性能。平台系统表现为一个视景和声音开发支撑平台和多个开发支持工具（几何对象干涉检查工具包、通用虚拟手开发工具包、粒子生成与控制工具、不规则几何体构造工具、流场可视化工具包）。可以为用户提供各类VR应用系统的开发。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。 虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。 四、虚拟仿真的应用 虚拟仿真在城市规划中的应用 城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一，虚拟现实技术可以广泛的应用在城市规划的各个方面，并带来切实且可观的利益： 展现规划方案虚拟现实系统的沉浸感和互动性不但能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击，获得身临其境的体验，还可以通过其数据接口在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料，方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理，有利于设计与管理人员对各种规划设计方案进行辅助设计与方案评审。 规避设计风险 虚拟现实所建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求建立逼真的三维场景，对规划项目进行真实的“再现”。用户在三维场景中任意漫游，人机交互，这样很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现，减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾，大大提高了项目的评估质量。 加快设计速度运用虚拟现实系统，我们可以很轻松随意的进行修改，改变建筑高度，改变建筑外立面的材质、颜色，改变绿化密度，只要修改系统中的参数即可。从而大大加快了方案设计的速度和质量，提高了方案设计和修正的效率，也节省了大量的资金，提供合作平台 。 虚拟仿真在地产行业的应用 通过楼盘虚拟可体现楼盘在未来的真实景观、周边的环境及配套设施，可以验证客户所购买的单位与周边环境的协调关系、通过该户型的窗户可真切的看到未来属于自己的景观。给客户提供一种崭新的方式展示、宣传楼盘；完美体现了客户的设计方案，通过第一人称角色切换，给予购房者以真实在场，亲临其景的感受；在同一角度，对同一户型尝试不同的装潢设计；实时变换房间的装修材料，使购房者体验不同的装修风格设计。 虚拟仿真在数字校园方面的应用 通过三维仿真技术、数字技术、信息技术、网络技术要在校园生活各个方面的渗透和融合，建立了基于GIS平台的三维数字校园管理系统。实现在图形化、可视化和形象化状态下的校园信息查询定位、教学教育设施管理、学区规划管理和部件管理等。学校管理部门能够通过系统对校园的任意角落进行全方位的管理和掌控，为可持续发展提供解决方法、手段和决策支持；学生和社会大众可以通过该系统了解学校的详细情况，是学校面向社会宣传的快速通道。 虚拟仿真在旅游业的应用 随着科技的高速发展虚拟旅游逐渐走入人们的生活，凡拓公司利用虚拟现技术可以通过互联网和制作的仿真场景到达自己想去的地方。这就是虚拟旅游，凡拓公司是通过实地拍照，现场测量为基础，真实的再现旅游景点。让人们通过VR场景的漫游了解和体验旅游景点。 五、虚拟仿真在娱乐、艺术与教育方面的应用 丰富的感觉能力与3D显示环境使得VR成为理想的视频游戏工具。由于在娱乐方面对VR的真实感要求不是太高，故近些年来VR在该方面发展最为迅猛。如Chicago（芝加哥）开放了世界上第一台大型可供多人使用的VR娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争；英国开发的称为“Virtuality”的VR游戏系统，配有HMD，大大增强了真实感；1992年的一台称为“Legeal Qust”的系统由于增加了人工智能功能，使计算机具备了自学习功能，大大增强了趣味性及难度，使该系统获该年度VR产品奖。另外在家庭娱乐方面VR也显示出了很好的前景。 工程力学(虚拟仿真工程) 本专业设有虚拟仿真实验室，建立了北京昊华认识实习基地、阜矿恒大实习基地、阜矿五龙认识实习基地。 本专业是国内首创专业，注重力学与计算机两大领域的交叉与结合，重点培养方向是工程中力学问题的数值计算与仿真。培养适应祖国现代化建设需要的德智体全面发展，专业基础扎实，知识结构合理，掌握高科技知识，勇于创新，从事虚拟仿真工程设计、研究、开发的应用型技术人才。学生毕业后，主要从事计算力学、虚拟设计、系统仿真、多媒体技术、网络技术、虚拟产品开发技术等方面的理论研究与实际应用。并结合力学学科的专业知识，对虚拟仿真工程中的力学问题进行理论分析和实际计算，提出相应的理论依据，进行科学论证。 培养目标：培养适应我国社会主义现代化建设需要，德、智、体全面发展，获得工程师或科学研究基本训练，基础扎实、知识面宽、能力强、素质高，具有较强的英语语言能力、创新精神和实践能力，较全面地具备工程力学基础理论知识，掌握计算力学与虚拟设计方法，具有对工程中相关力学计算问题综合分析和研究的初步能力，并具有虚拟仿真工程设计、研究、开发能力的应用型高级专门人才。 主要课程：理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学、振动力学、流体力学、有限单元法、大型工程分析软件及应用、虚拟设计Pro/E、虚拟产品开发技术。 六、虚拟仿真在工业方面的应用 当今世界工业已经发生了巨大的变化，大规模人海战术早已不再适应工业的发展，先进科学技术的应用显现出巨大的威力，特别是虚拟现实技术的应用正对工业进行着一场前所未有的。虚拟现实已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节，对企业提高开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误，降低企业风险起到了重要的作用。虚拟现实技术的引入,将使工业设计的手段和思想发生质的飞跃,更加符合社会发展的需要,可以说在工业设计中应用虚拟现实技术是可行且必要的。 工业仿真系统不是简单的场景漫游，是真正意义上用于指导生产的仿真系统，它结合用户业务层功能和数据库数据组建一套完全的仿真系统，可组建B/S、C/S两种架构的应用，可与企业ERP、MIS系统无缝对接，支持SqlServer、Oracle、MySql等主流数据库。从而实现石油工业仿真、电力考核仿真 企业利用虚拟平台，实时管理工厂的目的。工业仿真所涵盖的范围很广，从简单的单台工作站上的机械装配模拟与多人在线协同演练系统，到利用虚拟环境管理与控制工厂生产与设备运行。下面仅仅列举一些工业仿真的教培与模拟方面的应用：
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| 组织教学 提问 导言 小结 作业 | 检查学生出勤 中国制造业的现状？ 任务四 虚拟加工技术 在当今经济全球化、贸易自由化和社会信息化的形势下，制造业的经营战略发生了很大变化，在30～60年代企业追求的是规模效益，如：美国福特汽车公司、通用汽车公司相继采用刚性流水线进行大批量生产；70年代更加重视降低生产成本，如：日本丰田公司采用准时化生产；80年代提高产品质量成为主要目标；进入90年代新产品开发及交货期成为竞争的焦点。由此产生了多种多样的制造哲理，如：精益生产、并行工程、敏捷制造和虚拟制造等，它们各有侧重，从不同角度研究如何增强企业的竞争力。而虚拟制造技术是制造技术与仿真技术相结合的产物。 虚拟现实（Virtual Reality）技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实，使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。基于虚拟现实技术的虚拟制造（Virtual Manufacturing）技术是在一个统一模型之下对设计和制造等过程进行集成，它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。其目的是在产品设计阶段，借助建模与仿真技术及时地、并行地、模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。从而更加有效地、经济地、柔性地组织生产，增强决策与控制水平，有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化。 重大作用 虚拟制造也可以对想象中的制造活动进行仿真，它不消耗现实资源和能量，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的。虚拟制造技术的应用将会对未来制造业的发展产生深远影响，它的重大作用主要表现为： ●运用软件对制造系统中的五大要素（人、组织管理、物流、信息流、能量流）进行
模拟驾驶室 全面仿真，使之达到了前所未有的高度集成，为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间，同时也推动了相关技术的不断发展和进步。 ●可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解，有利于对其进行理论升华，更好地指导实际生产，即对生产过程、制造系统整体进行优化配置，推动生产力的巨大跃升。 ●在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中，可以全面改进企业的组织管理工作，而且对正确作出决策有不可估量的影响。例如：可以对生产计划、交货期、生产产量等作出预测，及时发现问题并改进现实制造过程。 ●虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。我们都知道模拟驾驶室对驾驶员、飞行员的培养起到了良好作用，虚拟制造也会产生类似的作用。例如：可以对生产人员进行操作训练、异常工艺的应急处理等。 代表性的全新概念 虚拟制造”是近几年由美国首先提出的一种全新概念。什么是虚拟制造?它包括哪些内
虚拟制造在复杂曲面五轴联动加工中的应用 容？这些至今仍然是人们讨论的问题。很多人曾为虚拟制造进行定义，比较有代表性有： 佛罗里达大学Gloria J.Wiens的定义是： 虚拟制造是这样一个概念，即与实际一样在计算机上执行制造过程。其中虚拟模型是在实际制造之前用于对产品的功能及可制造性的潜在问题进行预测。 (VM is a concept of executing manufacturing processes in computers as well as in the real world,?where ?virtual models?allow for ?prediction of potential problems for product functionality and manufacturability before real manufacturing occurs.)该定义强调VM“与实际一样”“虚拟模型”和“预测”，即着眼于结果。 美国空军Wright实验室的定义是： “虚拟制造是仿真、建模和分析技术及工具的综合应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制。(VM is the integrated application of simulation,modeling and analysis technologies and tools to enhance manufacturing design and production decisions and control at all process levels.)该定义着眼于手段。 马里兰大学Edward Lin&etc定义是： 另一个有代表性的定义是由马里兰大学Edward Lin&etc给出的，“虚拟制造是一个用于增强各级决策与控制的一体化的、综合性的制造环境。”(VM is an integrated, synthetic manufacturing environment exercised to enhance all levels of decision and control.),则着眼于环境。 显然，上述定义强调的方面是不同的，甚至也有人认为没有必要只有一种定义。但是为了讨论和交流，普遍认为，对VM进行定义是有必要的。 总结分析 综合目前国际上有代表性的文献，对虚拟制造给出如下定义：虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。 可以看到，“虚拟制造”虽然不是实际的制造，但却实现实际制造的本质过程，是一种通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，提高人们的预测和决策水平，使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地，发展到了全方位预报的新阶段。 虚拟现实（Virtual Reality）技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实，使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。基于虚拟现实技术的虚拟制造（Virtual Manufacturing）技术是在一个统一模型之下对设计和制造等过程进行集成，它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。 其目的是在产品设计阶段，借助建模与仿真技术及时地、并行地、模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。从而更加有效地、经济地、柔性地组织生产，增强决策与控制水平，有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化。 研究内容 虚拟制造技术的研究内容是极为广泛的，除了虚拟现实技术涉及的共同性技术外，虚拟制造领域本身的主要研究内容有： ●虚拟制造的理论体系； ●设计信息和生产过程的三维可视化； ●虚拟制造系统的开放式体系结构； ●虚拟产品的装配仿真； ●虚拟环境中及虚拟制造过程中的人机协同作业等。 一般来说，虚拟制造的研究都与特定的应用环境和对象相联系，由于应用的不同要求而存在不同的侧重点，因此出现了三个流派，即以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。 应用 虚拟制造技术的广泛应用将从根本上改变现行的制造模式，对相关行业也将产生巨大影响，可以说虚拟制造技术决定着企业的未来，也决定着制造业在竞争中能否立于不败之地。 虚拟制造(VM)是国际上提出的新概念。VM与AM联系密切。VM的特征是：当市场新的机遇出现时，组织几个有关公司联作，把不同的公司，不同地点的工厂或车间重新组织协调工作。在运行之前必须分析组合是否最优，能否协调运行，以及投产后的效益和风险进行评估，这种联作公司称虚拟公司。虚拟公司在一定的环境和条件下通过虚拟制造系统运行，包括物理基础、法律保障、社会环境和信息技术。因此研究开发虚拟制造技术(VMT)和虚拟制造系统(VMS)意义重大，美国称AM为21世纪制造业发展战略。 虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）主要包括虚拟制造技术和虚拟企业两个部分。 虚拟制造技术将从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之前，首先在虚拟制造环境中生成软产品原型（Soft Prototype）代替传统的硬样品（Hard Prototype）进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本，提高系统快速响应市场变化的能力。 虚拟企业是为了快速响应某一市场需求，通过信息高速公路，将产品涉及到的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一指挥的合作经济实体。虚拟企业的特点是企业的功能上的不完整、地域上的分散性和组织结构上的非永久性，即功能的虚拟化、组织的虚拟化、地域的虚拟化。 主要特征 1.产品与制造环境是虚拟模型，在计算机上对虚拟模型进行产品设计、制造、测试，甚至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作，而不依赖于传统的原型样机的反复修改；还可将已开发的产品(部件)存放在计算机里，不但大大节省仓储费用，更能根据用户需求或市场变化快速改变设计，快速投入批量生产，从而能大幅度压缩新产品的开发时间，提高质量、降低成本。 2.可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上同时工作，相互交流，信息共享，减少大量的文档生成及其传递的时间和误差，从而使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场变化。 重大作用 虚拟制造也可以对想象中的制造活动进行仿真，它不消耗现实资源和能量，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的。虚拟制造技术的应用将会对未来制造业的发展产生深远影响，它的重大作用主要表现为： 1、运用软件对制造系统中的五大要素（人、组织管理、物流、信息流、能量流）进行全面仿真，使之达到了前所未有的高度集成，为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间，同时也推动了相关技术的不断发展和进步。 2、可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解，有利于对其进行理论升华，更好地指导实际生产，即对生产过程、制造系统整体进行优化配置，推动生产力的巨大跃升。 3、在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中，可以全面改进企业的组织管理工作，而且对正确作出决策有不可估量的影响。例如：可以对生产计划、交货期、生产产量等作出预测，及时发现问题并改进现实制造过程。 4、虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。我们都知道模拟驾驶室对驾驶员、飞行员的培养起到了良好作用，虚拟制造也会产生类似的作用。 | 举例导入 举例分析说明 结合实例分析 讨论法分析 结合实际举例 举例分析 提问学生总结 |
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| 组织教学 提问 导言 | 检查学生出勤 装配技术对整机系统的重要性？ 任务五 虚拟装配技术 一、虚拟装配 基于虚拟现实的产品虚拟拆装技术在新产品开发、产品的维护以及操作培训方面具有独特的作用。在交互式虚拟装配环境中，用户使用各类交互设备（数据手套/位置、鼠标/键盘、力反馈操作设备等）象在真实环境中一样对产品的零部件进行各类装配操作，在操作过程中系统提供实时的碰撞检测、装配约束处理、装配路径与序列处理等功能，从而使得用户能够对产品的可装配性进行分析、对产品零部件装配序列进行验证和规划、对装配操作人员进行培训等。在装配（或拆卸）结束以后，系统能够记录装配过程的所有信息，并生成评审报告、视频录像等供随后的分析使用。 虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确与否，以便及早的发现装配中的问题，对模型进行修改，并通过可视化显示装配过程。虚拟装配系统允许设计人员考虑可行的装配序列，自动生成装配规划，它包括数值计算、装配工艺规划、工作面布局、装配操作所模拟等。现在产品的制造正在向着自动化、数字化的反向发展，虚拟装配是产品数字化定义中的一个重要环节。 虚拟装配技术的发展是虚拟制造技术的一个关键部分，但相对于虚拟制造的其它部分而言，它又是最薄弱的环节。虚拟装配技术发展滞后，使得虚拟制造技术的应用性大大减弱，因此对虚拟装配技术的发展也就成为目前虚拟制造技术领域内研究的主要对象，这一问题的解决将使虚拟制造技术形成一个完善的理论体系，使生产真正在高效、高质量、短时间、低成本的环境下完成，同时又具备了良好的服务。虚拟装配从模型重新定位、分析方面来讲，它是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，是有效的分析产品设计合理性的一种手段;从产品装配过程来讲，它是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实的模拟产品三维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。 作为虚拟制造的关键技术之一，虚拟装配技术近年来受到了学术界和工业界的广泛关注，并对敏捷制造、虚拟制造等先进制造模式的实施具有深远影响。通过建立产品数字化装配模型，虚拟装配技术在计算机上创建近乎实际的虚拟环境，可以用虚拟产品代替传统设计中的物理样机，能够方便的对产品的装配过程进行模拟与分析，预估产品的装配性能，及早发现潜在的装配冲与缺陷，并将这些装配信息反馈给设计人员。运用该技术不但有利于并行工程的开展，而且还可以大大缩短产品开发周期，降低生产成本，提高产品在市场中的竞争力。 二、虚拟装配的分类 按照实现功能和目的的不同，目前针对虚拟装配的研究可以分为如下三类：以产品设计为中心的虚拟装配、以工艺规划为中心的虚拟装配和以虚拟原型为中心的虚拟装配． 1.以产品设计为中心的虚拟装配 虚拟装配是在产品设计过程中，为了更好地帮助进行与装配有关的设计决策，在虚拟环境下对计算机数据模型进行装配关系分析的一项计算机辅助设计技术．它结合面向装配设计(DesignForAssembly，DFA)理论和方法，基本任务就是从设计原理方案出发在各种因素制约下寻求装配结构的最优解，由此拟定装配草图．它以产品可装配性的全面改善为目的，通过模拟试装和定量分析，找出零部件结构设计中不适合装配或装配性能不好的结构特征，进行设计修改．最终保证所设计的产品从技术角度来讲装配是合理可行的，从经济角度来讲应尽可能降低产品总成本，同时还必须兼顾人因工程和环保等社会因素． 2.以工艺规划为中心的虚拟装配 针对产品的装配工艺设计问题，基于产品信息模型和装配资源模型，采用计算机仿真和虚拟现实技术进行产品的装配工艺设计，从而获得可行且较优的装配工艺方案，指导实际装配生产．根据涉及范围和层次的不同，又分为系统级装配规划和作业级装配规划．前者是装配生产的总体规划，主要包括市场需求、投资状况、生产规模、生产周期、资源分配、装配车间布置、装配生产线平衡等内容，是装配生产的纲领性文件．后者主要指装配作业与过程规划，主要包括装配顺序的规划、装配路径的规划、工艺路线的制定、操作空间的干涉验证、工艺卡片和文档的生成等内容． 工艺规划为中心的虚拟装配，以操作仿真的高逼真度为特色，主要体现在虚拟装配实施对象、操作过程以及所用的工装工具，均与生产实际情况高度吻合，因而可以生动直观地反映产品装配的真实过程，使仿真结果具有高可信度． 3.以虚拟原型为中心的虚拟装配 虚拟原型是利用计算机仿真系统在一定程度上实现产品的外形、功能和性能模拟，以产生与物理样机具有可比性的效果来检验和评价产品特性．传统的虚拟装配系统都是以理想的刚性零件为基础，虚拟装配和虚拟原型技术的结合，可以有效分析零件制造和装配过程中的受力变形对产品装配性能的影响，为产品形状精度分析、公差优化设计提供可视化手段．以虚拟原型为中心的虚拟装配主要研究内容包括考虑切削力、变形和残余应力的零件制造过程建模、有限元分析与仿真、配合公差与零件变形、以及计算结果可视化等方面． 三、虚拟装配的构成 虚拟装配由两个部分组成，即由虚拟现实软件内容（即vr）内容和虚拟现实（vr)外设设备 ,这两个个协同工作，缺一不可，这样才能制造出交互性与沉浸性于一体的虚拟装配环境。
虚拟现实软件内容： 一般由各种VR软件组成，先在三维软件中根据虚拟现实的内容制作相应的三维模型，然后再把这些三维模型导入到VR软件中，接下来就需要硬件设备来支撑这些软件程序。 虚拟现实（vr)外设设备：
虚拟现实技术的特征之一就是人机之间的交互性. 为了实现人机之间的充分交换信息，必须设计特殊输入和演示设备，以影响各种操作和指令，且提供反馈信息，实现真正生动的交互效果。不同的项目可以根据实际的应用可以有选择的使用这些工具，主要包括：VR系列虚拟现实工作站、立体投影、立体眼镜或头盔显示器、三维空间跟踪定位器、数据手套、3D立体显示器、三维空间交互球、多通道环幕系统、建模软件等。 | 举例导入 举例分析说明 结合实例分析 讨论法分析 结合实际举例 举例分析 提问学生总结 |
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| 组织教学 提问 导言 | 检查学生出勤 大家了解什么是微机械吗？这节课我们就简单介绍一下。 任务六 微机械 1 引言 微机械是80年代后期发展起来的一门新兴学科，随着大规模集成电路中微细加工技术和超精密加工技术的发展，微机械近几年来发展很快，部分已进入实用和商品化阶段．微机械体积小、耗能低，能方便地进行精细操作，其主要应用领域有医疗、生物工程、信息、航空航天、半导体工业、军事、汽车领域等，它已给国民经济、人民生活和国防、军事等带来了深远的影响，被列为21世纪关键技术之首，因此受到世界各国的高度重视，例如美国每年投资800万～1500万美元、德国每年投资7000万美元进行微机械的研究，而日本则准备在10 年内投资2亿美元于微机械领域，我国也有许多单位开展了该领域的研究工作。 2 微机械及其特征 微机械在美国被称为微电子机械系统(Micro Electro Machanical System.，简称MEMS) ；在日本被称为微机器(MicroMachnie)；在欧洲则被称为微系统(Microsystem)。 微机械具有以下几个基本特点: 体积小、精度高、重量轻。其体积可达亚微米以下，尺寸精度达纳米级，重量可至纳克。已经制出了直径细如发丝的齿轮、能开动的3mm大小的汽车和花生米大的飞机。最近有资料表明，科学家们已能在5平方毫米内放置1000台微型发动机。 性能稳定、可靠性高。由于微机械的体积小，几乎不受热膨胀、噪声、挠曲等因素影响，具有较高的抗干扰性，可在较差的环境下进行稳定的工作。 能耗低、灵敏度和工作效率高。微机械所消耗的能量远小于传统机械的十分之一，但却能以十倍以上的速度来完成同样的工作，如5mm×5mm×0.7mm的微型泵的流速是比其体积大得多的小型泵的1000倍，而且机电一体化的微机械不存在信号延迟问题，可进行高速工作。 多功能和智能化。微机械集传感器、执行器、信号处理和电子控制电路为一体，易于实现多功能化和智能化 适用于大批量生产、制造成本低。微机械采用和半导造工艺类似的方法生产，可以象超大规模集成电路芯片一样一次制成大量的完全相同的部件，制造成本大大降低，如美国的研究人员正在用该技术制造双向光纤通信所必须的微型光学调制器．通过巧妙的光刻技术制造芯片，做一块只需几美分，而过去则要化5000美元。 3 微机械加工技术 微机械加工使用最多的材料是硅材料，其来源广泛，加工技术成熟，基片成本低，硅既有良好的机械特性，又有良好的电子性能和材料性能，十分适合微机械构件的制造。例如，硅的杨氏模量(1.9×107N/cm2)就和不锈钢、镍差不多；硅的洛氏硬度(850)约两倍于镍、铁。硅单晶的抗拉强度(6.9×105N/cm2)比不锈钢至少大三倍．利用硅材料是实现微型化及集成化的必然趋势。 3.1 体微机械加工技术 体微机械加工技术是对硅的衬底进行腐蚀加工的技术，即用腐蚀的方法将硅基片有选择性地除去一部分，以形成微机械结构。腐蚀分湿法腐蚀和干法腐蚀，湿法腐蚀又有各向同性和各向异性之分。各向同性腐蚀液多用HF-HNO3系溶液，硅在所有的晶向以相等的速率进行刻蚀．硅基体刻蚀形成的型腔棱是圆角，然而在微机械电子中．除了运动部件需要圆角获得良好的疲劳强度外、一般不希望有圆角。因此，此法不适合制造复杂的立体微结构，各向异性腐蚀液，主要有KOH和水的混合物；乙(撑)二胺、邻苯二酚和水的混合液(简称EPW)；HF、HNO3和醋酸的混合液(简称HNA)。它们可以使硅在不同的晶面．以不同的速率进行刻蚀．由于硅的(100)面和(111)面的腐蚀速率相差很大，其横向尺寸非常容易控制。但腐蚀深度的控制难度大，靠通过腐蚀时间来控制深度的误差很大。因此，刻蚀自停止技术应运而生。该技术使用浓硼掺杂层或电化学刻蚀停止技术能使腐蚀自动终止在特定层，可以精确控制腐蚀深度。各向同性和各向异性湿法腐蚀的特性及腐蚀速率对晶向的依赖关系。 干法腐蚀利用等离子体取代化学腐蚀液，把基体暴露在电离的气体中，气体中的离子和基体原子间的物理和化学作用引起刻蚀，一些材料如铂、二氧化锡等用湿法刻蚀很困难、而干法却可以完成。该工艺可使微机械加工所得到的外形不受基片的晶向控制，而且不会给微结构带来大的应力，但设备比较复杂，很多参数如气体的性质和流量、基片的性质和面积、电极结构、激励的电磁参数和真空室的外形等必须控制，不同的组合会产生不同的腐蚀过程。CF4腐蚀硅的反应离子刻蚀(RIE)原理。 等离子体由低压气体(1.33～133Pa)的辉光放电获得．基片放置在射频极上，以便在基片和等离子体之间产生大的自偏电位差(几百伏)。电位差使正离子从等离子体加速到基片上，垂直于基片的离子碰撞能直接产生腐蚀。使用SF6和C2F5Cl的混合气体、能获得较好的各向异性和较快的腐蚀速率。 就湿法和干法比较而言，湿法的腐蚀速率快、各向异性好、成本低，但控制腐蚀厚度困难。干法的腐蚀速度慢、成本较高，但能精确控制腐蚀深度。对要求精密，刻蚀深度浅的最好用干法刻蚀工艺，对要求各向异性大、腐蚀深度很深的则最好采用湿法腐蚀工艺。 3.2 表面微机械加工技术 表面微机械加工技术是从集成电路平面工艺演变而成的，是在硅基上形成薄膜并按一定要求对薄膜进行加工的技术薄膜形成一般采用常压化学气相淀积(CVD) ，低压化学气相淀积(LPCVD)和等离子体增强化学气相淀积。 薄膜的加工一般采用光刻技术、通过光刻将设计好的微机械结构图形转移到硅片上，再用各种腐蚀工艺形成微结构。在微机械加工中，有时要形成各种微腔结构和微桥，通常采用牺牲层技术。表面微机械加工的关键步骤是有选择性地将抗腐蚀薄膜下面的牺牲层腐蚀掉，从而得到一个空腔结构．常用二氧化硅(SiO2)、磷硅玻璃(PSG)作为牺牲层材料。制作双固定多晶硅桥的普通表面微机械加工工艺。首先是在硅基底上淀积牺牲层材料，如淀积磷硅玻璃，其作用是为形成结构层的后续工艺提供临时支撑。牺牲层的厚度一般1～2µm，但也可以更厚些。淀积后，牺牲层材料被腐蚀成所需形状．为了向结构层提供固定点，可腐蚀出完全穿透牺牲层的窗口，以防止结构层在分离结束时移位然后淀积和 腐蚀结构材料薄膜层。多晶硅是常用的结构层材料，结构层腐蚀过后，除去牺牲层就可得到分离空腔结构。 表面微机械加工技术的主要优点是具有与常规集成电路的兼容性，器件不但可以做得很小，而且不影响器件特性；其缺点是该工艺本身属于二维平面工艺，了设计的灵活性，且由于采用牺牲层工艺，漂洗和干燥需要反复多次，易产生粘连现象，降低成品率。 3.3 LIGA技术 LIGA 是德文Lithographie, Galvanoforming, Abfovmung的缩写，是深层同步辐射X射线光刻、微电铸、微塑铸三种工艺的有机结合。它突破了传统平面工艺的，是制造三维微器件的先进技术，结合牺牲层工艺，可以制造大高宽比的可活动微结构．与其他微加工技术相比，LIGA技术可以加工多种金属材料，也可以加工陶瓷、玻璃、塑料等非金属材料，加工深度可达数百微米，加工宽度可小至1µm，LIGA的制造过程主要分四步：第一步，在绝缘基片(陶瓷或带二氧化硅薄膜的硅片、上溅射金属层(铬、银)作为电铸工艺的基础；第二步，在基片上溅射另一层钛作为牺牲层；第三步，采用标准LIGA工艺，X射线同步辐射制模，电镀金属(Ni)成型；第四步，在氢氟酸(HF)溶液中进行选择性刻蚀，分离出金属结构。 LIGA技术在制作很厚的微机械结构方面有着独特的优点，是一般常规的微电子工艺无法替代的，它极大地扩大了微结构的加工能力，使得原来难以实现的微机械结构能够制造出来。但缺点是它所要求的同步辐射源比较昂贵、稀少，致使应用受到，难以普及。后来出现了所谓的准LIGA技术，它是用紫外光源来代替同步辐射源，虽然不具备和LIGA技术相当的厚度或宽深比，但是，它涉及的是常规的设备和加工技术，这些技术更容易实现。 3.4 封接技术 封接技术在微机械加工中也占有重要位置，封接的目的是将分开制作的微机械部件在不使用粘结剂的情况下连接在一起，封在壳中使其满足使用要求封接技术影响到整个微系统的功能和尺寸，可以说是微机械系统的关键技术。常用的封接技术有反映封接、淀积密封膜和键合技术。反应封接是将多晶硅结构与硅基通过氧化封接在一起；淀积密封膜是用化学气相淀积法在构件和衬底之间淀积密封材料；键合技术分为硅-硅直接键合和静电键合：硅-硅键合是将两个经过磨抛的平坦硅面在高温下依靠原子的力量直接键合在一起形成一个整体，静电键合主要用于硅和玻璃之间的键合，在400℃温度下，将硅和玻璃之间加上电压产生静电引力而使两者结合成一体。为了提高微系统的集成度，一些新的方法如自动焊接、倒装焊接也得到了广泛的应用。 3.5 激光快速成型技术 激光快速成型技术是利用光硬化性树脂的光合成树脂进行加工的技术。初始这种材料是液态的，经过激光照射即成为固体，这种技术完全用计算机控制，即使形状很复杂，也不受影响，无须掩膜，直接成型。随着激光束分辨率的提高，达到数个微米的精度也就有了可能。用这种技术可大大缩短生产研制周期，成本较低。 3.6 分子装配技术 80年代初发明的扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，简称STM)以及后来在STM基础上派生出的原子力显微镜(Atomic Force Microscope，简称AFM)，使观察分子、原子的结构从宏观进入了微观世界。STM和AFM具有0.01nm的分辨率，是目前世界上精度最高的表面形貌观测仪，利用其探针的尖端可以俘获和操纵分子、原子，并可以按照需要拼成一定的结构，进行分子、原子装配制作微机械。这是一种纳米级微加工技术，是一种从物质的微观角度来构造微结构，制作微机械的方法．美国的IBM公司用STM操纵35个氙原子，在镍板上拼出了“IBM”三个字母；中国科学院化学研究所用原子摆成我国的地图；日本用原子拼成了“Peace”一词，有理由相信，STM将会在微细加工方面有更大的突破。 3.7 集成制造技术 最近，微机械出现了一个新的发展趋势，即用标准的IC工艺把各种微器件、微结构与驭动、控制和信号处理电路集成在一块芯片上，制成完整的机电一体的微机械系统。目前实现标准的IC工艺与MEMS集成的方法有三种：第一种是先进行IC工艺，再进行MEMS微机械加工的单片集成工艺；第二种先进行MEMS微机械加工再进行标准IC工艺的单片集成工艺；第三种是电路和MEMS分别制作在不同的衬底上然后再键合在一起的混合集成工艺，整个系统的尺寸可小至几百微米。 3.8 其他加工技术 微机械加工除了以上介绍的基本技术外，还广泛使用传统大规模集成电路工艺技术中的氧化、扩散、外延、注入、光刻等工艺，也使用许多其他的非半导体行业应用的技术，例如激光束、离子束和电子束加工、放电加工、微细雕刻、精密切削、超声波加工等。这些技术具有自身的特点，在微机械中，仍然有若一定的潜力，是基本技术的补充。利用这些技术可以获得一些微构件，在一些情况下也是很有效的。 4 微机械制造技术的发展趋势 近十几年来，微机械电子系统得以迅猛发展，一些令人注目的微系统引起人们的广泛关注，各种微型元件被开发出来并显示出现实和潜在的价值，微机械制造技术被认为是微机械发展关键技术之一从目前来看，总的发展趋势是： 加工方法从最初单一加工技术向组合加工技术发展。如近来出现的新的微结构制造技术——DEEMO就是干法腐蚀、电镀和铸模的组合。光刻技术也从平面发展到了三维。 从开始简单的平面硅微加工向着三维体、具有自由曲面的复杂结构发展。 加工的材料，从单纯的硅向着各种不同类型的材料发展，如玻璃、陶瓷、树脂、金属及一些有机物，大大扩展了微机械的应用范围，满足了更多的要求。 加工规模从单件向批量生产发展，LIGA工艺的出现是微机械进行批量生产的范例，因而引起人们的高度关注。 加工方式从最初的手工操作向自动化、智能化发展。例如，日本微机械研究中心(MMC)正在研制一种微机械制造设备，它可以完成从设计参数的输入、加工到部件制造及组装封装。 寻找成本、时间、批量生产的协调并得到最优的制造工艺。 加紧微机理的研究，建立微观世界的数学模型、力学模型和分析方法，奠定微机械的基础理论，这对微机械的设计、制造加工工艺的制定有很大的实际应用意义。 | 举例导入 举例分析说明 结合实例分析 讨论法分析 结合实际举例 举例分析 提问学生总结 |
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| 组织教学 提问 导言 | 检查学生出勤 微机械加工在国民经济中所占的地位和作用？ 任务七 微机械加工技术 一、概念 微型机械加工或称微型机电系统或微型系统是只可以批量制作的、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、甚至外围接口、通讯电路和电源等于一体的微型器件或系统。其主要特点有：体积小（特征尺寸范围为：1μm-10mm）、重量轻、耗能低、性能稳定；有利于大批量生产，降低生产成本；惯性小、谐振频率高、响应时间短；集约高技术成果，附加值高。微型机械的目的不仅仅在于缩小尺寸和体积，其目标更在于通过微型化、集成化、来搜索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域，形成批量化产业。 微型机械加工技术是指制作为机械装置的微细加工技术。微细加工的出现和发展早是与大规模集成电路密切相关的，集成电路要求在微小面积的半导体上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂而完善的电路。电路微细图案中的最小线条宽度是提高集成电路集成度的关键技术标志，微细加工对微电子工业而言就是一种加工尺度从微米到纳米量级的制造微小尺寸元器件或薄模图形的先进制造技术。目前微型加工技术主要有基于从半导体集成电路微细加工工艺中发展起来的硅平面加工和体加工工艺，上世纪八十年代中期以后在LIGA加工（微型铸模电镀工艺）、准LIGA加工，超微细加工、微细电火花加工（EDM）、等离子束加工、电子束加工、快速原型制造（RPM）以及键合技术等微细加工工艺方面取得相当大的进展。 微型机械系统可以完成大型机电系统所不能完成的任务。微型机械与电子技术紧密结合，将使种类繁多的微型器件问世，这些微器件采用大批量集成制造，价格低廉，将广泛地应用于人类生活众多领域。可以预料，在本世纪内，微型机械将逐步从实验室走向适用化，对工农业、信息、环境、生物医疗、空间、国防等领域的发展将产生重大影响。微细机械加工技术是微型机械技术领域的一个非常重要而又非常活跃的技术领域，其发展不仅可带动许多相关学科的发展，更是与国家科技发展、经济和国防建设息息相关。微型机械加工技术的发展有着巨大的产业化应用前景。 二、国外发展现状 1959年，RichardPFeynman（1965年诺贝尔物理奖获得者）就提出了微型机械的设想。1962年第一个硅微型压力传感器问世，气候开发出尺寸为50~500μm的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及联接件等微机械。1965年，斯坦福大学研制出硅脑电极探针，后来又在扫描隧道显微镜、微型传感器方面取得成功。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60~12μm的利用硅微型静电机，显示出利用硅微加工工艺制造小可动结构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力。 微型机械在国外已受到部门、企业界、高等学校与研究机构的高度重视。美国MIT、Berkeley、Stanford\\\\AT&T和的15名科学家在上世纪八十年代末提出"小机器、大机遇：关于新兴领域--微动力学的报告"的国家建议书，声称"由于微动力学（微系统）在美国的紧迫性，应在这样一个新的重要技术领域与其他国家的竞争中走在前面"，建议财政预支费用为五年5000万美元，得到美国领导机构重视，连续大力投资，并把航空航天、信息和MEMS作为科技发展的三大重点。 美国宇航局投资1亿美元着手研制"发现号微型卫星"，美国国家科学基金会把MEMS作为一个新崛起的研究领域制定了资助微型电子机械系统的研究的计划，从1998年开始，资助MIT，加州大学等8所大学和贝尔实验室从事这一领域的研究与开发，年资助额从100万、200万加到1993年的500万美元。1994年发布的《美国国防部技术计划》报告，把MEMS列为关键技术项目。美国国防部高级研究计划局积极领导和支持MEMS的研究和军事应用，现已建成一条MEMS标准工艺线以促进新型元件/装置的研究与开发。美国工业主要致力于传感器、位移传感器、应变仪和加速度表等传感器有关领域的研究。很多机构参加了微型机械系统的研究，如康奈尔大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、密执安大学、威斯康星大学、老伦兹得莫尔国家研究等。加州大学伯克利传感器和执行器中心（BSAC）得到国防部和十几家公司资助1500万元后，建立了1115m2研究开发MEMS的超净实验室。 日本通产省1991年开始启动一项为期10年、耗资250亿日元的微型大型研究计划，研制两台样机，一台用于医疗、进入人体进行诊断和微型手术，另一台用于工业，对飞机发动机和原子能设备的微小裂纹实施维修。该计划有筑波大学、东京工业大学、东北大学、早稻田大学和富士通研究所等几十家单位参加。 欧洲工业发达国家也相继对微型系统的研究开发进行了重点投资，德国自1988年开始微加工十年计划项目，其科技部于1990~1993年拨款4万马克支持"微系统计划"研究，并把微系统列为本世纪初科技发展的重点，德国首创的LIGA工艺，为MEMS的发展提供了新的技术手段，并已成为三维结构制作的优选工艺。法国1993年启动的7000万法郎的"微系统与技术"项目。欧共体组成"多功能微系统研究网络NEXUS"，联合协调46个研究所的研究。瑞士在其传统的钟表制造行业和小型精密机械工业的基础上也投入了MEMS的开发工作，1992年投资为1000万美元。英国也制订了纳米科学计划。在机械、光学、电子学等领域列出8个项目进行研究与开发。为了加强欧洲开发MEMS的力量，一些欧洲公司已组成MEMS开发集团。 目前已有大量的微型机械或微型系统被研究出来，例如：尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红血球，尺寸为7mm×7mm×2mm的微型泵流量可达250μl/min能开动的汽车，在磁场中飞行的机器蝴蝶，以及集微型速度计、微型陀螺和信号处理系统为一体的微型惯性组合（MIMU）。德国创造了LIGA工艺，制成了悬臂梁、执行机构以及微型泵、微型喷嘴、湿度、流量传感器以及多种光学器件。美国加州理工学院在飞机翼面粘上相当数量的1mm的微梁，控制其弯曲角度以影响飞机的空气动力学特性。美国大批量生产的硅加速度计把微型传感器（机械部分）和集成电路（电信号源、放大器、信号处理和正检正电路等）一起集成在硅片上3mm×3mm的范围内。日本研制的数厘米见方的微型车床可加工精度达1.5μm的微细轴。 三、国内现状 我国在科技部、国家自然基金委，教育部和总装备部的资助下，一直在跟踪国外的微型机械研究，积极开展MEMS的研究。现有的微电子设备和同步加速器为微系统提供了基本条件，微细驱动器和微型机器人的开发早已列入国家863高技术计划及攀登计划B中。已有近40个研究小组，取得了以下一些研究成果。广东工业大学与日本筑波大学合作，开展了生物和医用微型机器人的研究，已研制出一维、二维联动压电陶瓷驱动器，其位移范围为10μm×10μm；位移分辨率为0.01μm，精度为0.1μm，正在研制6自由度微型机器人；长春光学精密机器研究所研制出直径为Φ3mm的压电电机、电磁电机、微测试仪器和微操作系统。上海冶金研究所研制出了微电机、多晶硅梁结构、微泵与阀。上海交通大学研制出Φ2mm的电磁电机，南开大学开展了微型机器人控制技术的研究等。 我国有很多机构对多种微型机械加工的方法开展了相应的研究，已奠定了一定的加工基础，能进行硅平面加工和体硅加工、LIGA加工、微细电火花加工及立体光刻造型法加工等。 四、技术发展趋势 微型机械加工技术的发展刚刚经历了十几年，在加工技术不断发展的同时发展了一批微小器件和系统，显示了巨大生命力。作为大批量生产的微型机械产品，将以其价格低廉和优良性能赢得市场，在生物工程、化学、微分析、光学、国防、航天、工业控制、医疗、通讯及信息处理、农业和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景。当前，作为大批量生产的微型机械产品如微型压力传感器、微细加速度计和喷墨打印头已经占领了巨大市场。目前市场上以流体调节与控制的微机电系统为主，其次为压力传感器和惯性传感器。1995年全球微型机械的销售额为15亿美元，有人预计到2002年，相关产品值将达到400亿美元。显然微型机械及其加工技术有着巨大的市场和经济效益。 微型机械是一门交叉科学，和它相关的每一技术的发展都会促使微型机械的发展。随着微电子学、材料学、信息学等的不断发展，微型机械具备了更好的发展基础。由于其巨大的应用前景和经济效益以及、企业的重视，微型机械发展必将有更大的飞跃。新原理、新功能、新结构体系的微传感器、微执行器和系统将不断出现，并可嵌入大的机械设备，提高自动化和智能水平。 微型机械加工技术作为微型机械的最关键技术，也必将有一个大的发展。硅加工、LIGA加工和准LIGA加工正向着更复杂、更高深度适合各种要求的材料特性和表面特性的微结构以及制作不同材料特别是功能材料微结构、更易于与电路集成的方向发展，多种加工技术结合也是其重要方向。微型机械在设计方面正向着进行结构和工艺设计的同时实现器件和系统的特性分析和评价的设计系统的实现方向发展，引入虚拟现实技术。 我国在微型加工技术发展的优先发展领域是生物学、环境监控、航空航天、工业与国防等领域，建设好几个有世界先进水平的微型机械研究开发基地，同时亦重视微观尺度上的新物理现象和新效应的研究，加速我国微型机械的研究与开发，迎接二十一世纪技术与产业的挑战。 五、关键技术 微型机械是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，面临许多课题，涉及许多关键技术。 当一个系统的特征尺寸达到微米级和纳米级时，将会产生许多新的科学问题。例如随着尺寸的减少，表面积与体积之比增加，表面力学、表面物理效应将起主导作用，传统的设计和分析方法将不再适用。为摩擦学、微热力这等问题在微系统中将至关重要。微系统尺度效应研究将有助于微系统的创新。 微型机械不是传统机械直接微型化，它远超出了传统机械的概念和范畴。微型机械在尺度效应、结构、材料、制造方法和工作原理等方面，都与传统机械截然不同。微系统的尺度效应、物理特性研究、设计、制造和测试研究是微系统领域的重要研究内容。 在微系统的研究工作方面，一些国内外研究机构已在微小型化尺寸效应，微细加工工艺、微型机械材料和微型结构件、微型传感器、微型执行器、微型机构测量技术、微量流体控制和微系统集成控制以及应用等方面取得不同程度的阶段性成果。微型机械加工技术是微型机械发展的关键基础技术，其中包括微型机械设计微细加工技术、微型机械组装和封装技术、为系统的表征和测量技术及微系统集成技术。 六、前沿关键技术 1、微系统设计技术 主要是微结构设计数据库、有限元和边界分析、CAD/CAM仿真和拟实技术、微系统建模等，微小型化的尺寸效应和微小型理论基础研究也是设计研究不可缺少的课题，如：力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应和微构件材料性能等。 2、微细加工技术 主要指高深度比多层微结构的硅表面加工和体加工技术，利用X射线光刻、电铸的LIGA和利用紫外线的准LIGA加工技术；微结构特种精密加工技术包括微火花加工、能束加工、立体光刻成形加工；特殊材料特别是功能材料微结构的加工技术；多种加工方法的结合；微系统的集成技术；微细加工新工艺探索等。 3、微型机械组装和封装技术 主要指沾接材料的粘接、硅玻璃静电封接、硅硅键合技术和自对准组装技术，具有三维可动部件的封装技术、真空封装技术等新封装技术的探索。 4、微系统的表征和测试技术 主要有结构材料特性测试技术，微小力学、电学等物理量的测量技术，微型器件和微型系统性能的表征和测试技术，微型系统动态特性测试技术，微型器件和微型系统可靠性的测量与评价技术。 | 举例导入 举例分析说明 结合实例分析 讨论法分析 结合实际举例 举例分析 提问学生总结 |
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| 组织教学 提问 导言 | 检查学生出勤 微机械加工在国民经济中所占的地位和作用？ 任务八 微细加工工艺方法 微细加工技术是精密加工技术的一个分支，面向微细加工的电加工技术,激光微孔加工、水射流微细切割技术等等在发展国民经济，振兴我国国防事业等发面都有非常重要的意义，这一领域的发展对未来的国民经济、科学技术等将产生巨大影响，先进国家纷纷将之列为未来关键技术之一并扩大投资和加强基础研究与开发。所以我们有理由有必要加快这一领域的发展和开发进程。 微细加工技术的概念和特点： 微细加工技术是指加工微小尺寸零件的生产加工技术。从广义的角度来讲，微细加工包括各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的方法，如切削技术，磨料加工技术，电火花加工，电解加工，化学加工，超声波加工，微波加工，等离子体加工，外延生产，激光加工，电子束加工，粒子束加工，光刻加工，电铸加工等。从狭义的角度来讲，微细加工主要是指半导体集成电路制造技术，因为微细加工和超微细加工是在半导体集成电路制造技术的基础上发展的，特门市大规模集成电路和计算机技术的技术基础，是信息时代微电子时代，光电子时代的关键技术之一。 微小尺寸和一般尺寸加工是不同的，其不同点主要表现在以下几个方面： 1． 精度的表示方法 在微小尺寸加工时，由于加工尺寸很小，精度就必须用尺寸的绝对值来表示，即用取出的一块材料的大小来表示，从而引入加工单位尺寸的概念。 2． 微观机理 以切削加工为例，从工件的角度来讲，一般加工和微细加工的最大区别是切屑的大小。一般为金属材料是由微细的晶粒组成，晶粒直径为数微米到数百微米。一般加工时,吃刀量较大，可以忽略晶粒的大小，而作为一个连续体来看待，因此可见一般加工和微细加工的机理是不同的。 3．加工特征 微细加工和超微细加工以分离或结合原子、分子为加工对象，以电子束、技工束、粒子束为加工基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等手段进行各种处理。 微细加工和超精密加工在国外的发展情况： 在超精密加工技术领域起步最早和技术领先的国家是美国，其次是日本和欧洲的一些国家。美国超精密加工技术的发展得到了和军方的财政支持，近年，美国执行了"微米和纳米级技术"国家关键技术计划，国防部陆、海、空三军组成了特别委员会，统一协调研究工作。美国至少有30多个厂家和研究单位研制和生产各种超精密加工机床，国家劳伦斯.利佛摩尔实验室、联合碳化物公司、摩尔公司、杜邦公司等在国际上均久负盛名。美国最早研制了能加工硬脆材料的6轴数控超精密研磨抛光机；联合碳化物公司开发了直径为800mm的非球面光学零件的超精密加工机床；劳伦斯.利佛摩尔实验室还开发了能加工陶瓷、硬质合金、玻璃和塑料等难加工材料的超精密切削机床，在半导体工业、航空工业和医疗器械工业中投入使用；珀金-埃尔默等公司用超精密加工技术加工各种军用红外零部件。 日本对超精密技术的发展也十分重视，70年代初，日本成立了超精密加工技术委员会，制定了技术发展规划，成为此项技术发展速度最快的国家。日本现有20多家超精密加工机床研制公司，重点开发民用产品所需的加工设备并力图使设备系列化，成批生产了多品种商品化的超精密加工机床。在超精密切削技术发展比较成熟后，日本已将黑色金属、陶瓷和半导体功能材料的超精密加工技术作为重要的研究开发项目。日本的研究创新意识强，不是单纯地模仿国外的做法，而是积极地利用外国技术并结合本国特点和生存环境，走出了一条自己的发展道路。 欧洲等国也将超精密加工技术的发展放在重要位置，60年代起英国开始研究超精密加工技术，克兰菲尔德大学精密工程研究所相继研制出能加工大型非球面反射镜的数控金刚石立式车床、加工大型非对称结构光学零件的数控超精密磨床、研制了脆性材料的超精密磨削工艺。现已成立了国家纳米技术战略委员会，正在执行国家纳米技术研究计划。德国和瑞士也有比较强的超精密加工能力。1992年后，欧洲实施了一系列的联合研究与发展计划，加强和推动超精密加工技术的发展。超精密车削、磨削和研磨是已经发展成熟并大量应用的加工技术。日本开发了外圆和平面等多种类型的研磨机，美国也研制成功了加工陀螺零件的球形研磨机。另外，国外还大力发展了超精密抛光技术，以获得高的表面质量。美、日、英等国投入了大量资金和人力开发了离子束抛光工艺，以加工高精度的光学器件。美国还研制了边抛光边测量的离子束抛光机，抛光非球面镜的精度达λ/50。纳米级制造技术是超精密加工技术的顶峰，其研究需要有雄厚的技术基础和丰厚的物质条件，美国、日本和英国正在进行一些研究项目，包括聚焦电子束曝光、准分子激光蚀刻和扫描隧道显微镜纳米加工技术等。聚焦电子束曝光可通过计算机控制绘制出任意形状的图形，而且不损伤材料。准分子激光束通过与被加工材料表面起直接反应进行蚀刻，没有对加工部位的照射损伤和放电破坏，可达到纳米级的蚀刻精度。扫描隧道显微镜技术是利用扫描隧道显微镜探针的尖端俘获单个原子或单个分子，并向被加工表面传输，或者从被加工表面剥离单个或成团的原子和分子，从而形成所需的纳米级结构。美国和日本都已掌握了此项技术，在金属晶体或非金属晶体表面制造出了单个原子宽的线条和图形。该技术的显著优点是可适应多种加工环境，在高真空中、空气中、金属有机物气体中或溶液中都能在硅、砷化镓等电子材料、石英、陶瓷、金属和非金属材料上加工出纳米级的线条和图形，为航空微电子元器件和微机电系统的发展提供了技术支持。最早开发的复合超精密加工技术是超精密振动金刚石刀具切削工艺，美国宇航动力集团采用该工艺加工了激光陀螺玻璃腔体，日本加工了平面和圆度达0.1μm的柱形零件。近年来，复合超精密加工技术更有了长足发展，日本理化研究所开发的在线电解修整复合磨削技术，能高效磨削球面、非球面和平面透镜等高硬度和高脆性电子和光学材料的功能零件，以及塑性金属零件，尺寸和形状精度达亚微米，表面粗糙度达纳米级。如：采用该技术加工镀膜SiC材料的球面、非球面和平面透镜等光学零件，直径100mm、曲率半径2000mm的球面透镜磨削后的形状精度为0.2μm，表面粗糙度值为Ra0.0076μm；200mm×200 mm的平面透镜磨削后，在Φ150mm范围内测量的平面度为0.6μm，表面粗糙度值为Ra0.006μm。等离子化学气化加工和流体抛光技术也是目前国外开发的比较实用的加工技术，主要针对电子和光电等功能材料零件的超精密加工，可加工出任意形状的零件。目前，采用等离子化学气化加工技术已制成了纳米级精度和表面无缺陷的非球面透镜，加工效率接近于机械加工的水平。采用流体抛光技术可获得深度均匀的矩形窄缝、有抛物线形相交截面的半圆柱体。超精密加工技术在发达国家已有近40年的发展历史，其生命力不仅在于包括航空技术在内的高科技发展对它的需求，而且在于它综合利用了高科技进步的成果，更重要的是在利用这些成果的基础上有所创新，将其以新颖的构思巧妙地加以重组不断获得新的设备和工艺技术，模块式超精密加工机床的诞生和复合超精密加工技术的出现就是很好的例证。 微细加工技术在国内的成熟工艺及其产品： 中药精细加工（气流粉碎技术） 气流粉碎是高速碰撞与密闭粉碎，物料间彼此碰撞的概率大，粉尘也无泄漏。粉碎是中药材加工和中药制剂生产工艺中的重要环节。中药自古就有"水飞"、"挫"、"捣"等精细加工方法，其主要应用对象是矿物药、贵重药和具有特殊性质的中药，但处理量极少。我国现有中药加工传统工艺采用锤击式、球磨式、万能磨粉式、流能式截切式、滚筒式多种粉碎机械，由于粉碎方式不同，对于粉未的粒度、出粉率、以及有效成分的保存等方面都有一定局限，且采用非密闭制粉，造成粉尘泄漏大，收粉率不高，对于具有特殊性质的物料如热敏性、低融点、成分易破坏药材的处理，以及提高收粉率方面仍未得到根本的解决。气流粉碎机的发展为中药的精细加工提供了可靠的保证。最新一代的CF系列流化床式气流粉碎机是在消化吸收国内外同类设备的技术的基础上产生的，集世界上先进的多喷管技术、流化床技术、卧式分级技术于一身，实现了流场多元化、料层液态化与分级卧式化的优化体系，体现了气动技术应用于超细粉碎和分级工艺中的最新成果(7)。为该技术应用于中药的精细加工提供了技术保证。 激光微细加工系统 激光微细加工系统可对塑料、玻璃、陶瓷及金属薄膜等多种材料进行加工，精度可以做到微 米级。其产品广泛应用于半导体及微电子加工、生物医疗器械生产、计算机制造业、MEMS、MST、电 子通讯等各个领域。系统组成包括有：激光器、光路系统、调节平台、控制器，能满足您不同的加工要求。同时为您提供从紫外到红外(Excimer、Solid state、CO2)广泛光谱范围内的激光材料处理技术。 飞秒激光超微细加工 (femtosecond laser micro machining) 飞秒激光用于超微细加工是飞秒激光用于超快现象研究和超强现象研究之外的又一个飞秒 激光技术的重要的应用研究领域。与飞秒超快和飞秒超强研究有所不同的是飞秒激光超微细加 工与先进的制造技术紧密相关，对某些关键工业生产技术的发展可以起到更直接的推动作用。飞秒激光超微细加工是当今世界激光、光电子行业中的一个极为引人注目的前沿研究方向。用激光超短脉冲进行材料处理（或加工）不仅可以改进现有激光材料微加工的不足之处，而且还可以完成传统激光加工无法做到的事情。飞秒激光能够具备极高的三维光子密度，对种材料实现逐层、微量加工；飞秒激光加工的热影响区域(Heat affected zone)极小，并且不存在长脉冲激光或连续激光加工中的等离子体屏蔽效应，这就使得其能量利用效率和加工精度都非常之高。当用飞秒激光加工透明介质材料时，加工过程不受材料本身的线性吸收系数的影响，同时，对材料表面或内部的缺陷不敏感。此外，从光和物质相互作用的角度来看，飞秒激光加工涉及的主要是多光子电离的过程，在机理上不同于传统激光加工。因此，飞秒激光进行微加工有固定的加工阈值，加工和不加工有着明显的区分，因此加工过程重复性好。可以预计飞秒激光超微细加工技术在微电子、生物芯片和新型材料等科学技术领域中都将有广泛应用。飞秒激光超微细加工中的“加工”二字具有广义性。它可以是对物质在原子、分子水平上的操纵(manipulation)，或者是对物质在微小区域内某些重要属性的改变与处理(processing)，而并非只是通常人们所理解的“机械加工”。飞秒激光超微细加工不仅具有通常基础应用研究的特征，而且涉及到激光物理、原子分子物理、激光束光学、材料科学、热动力学、等离子体物理、流体气体力学等广泛知识，属于跨学科的研究。飞秒激光超微细加工往往是在极小的空间、极短的时间和极端的物理条件下对物质进行加工的。可以说，超微”与“超快”的组合是飞秒激光超微细加工的独特之处。一定强度的飞秒激光可以用于对任何材料的精细加工，从金刚石到生物透析膜，从烈性炸药到MEMs器件等都有实验结果报道 “龙芯2号” “龙芯2号”是国家“863”计划和中国科学院知识创新工程共同支持的重大项目，其目 标是在2004年中期，用0.18微米的工艺，实现主频500MHz、SPEC CPU 2000测试分值超过300的 位通用CPU芯片。SPEC分值的指标意味着这款芯片的实际性能与1GHz的奔腾4差不多，是龙芯1号实测性能的10-15倍。为了达到这个目标，龙芯2号采用了先进的四发射超标量体系结构(即每个时钟周期可以同时执行4条指令)、5个强大的功能部件、乱序执行机制、动态存储访问机制及更大的片上高速缓存。在具体实现方面，龙芯2号逐步采用全定制的设计技术，并通过多次流片，不断验证新的功能，不断提高时钟频率和实际性能。 基因芯片技术 基因芯片技术是近年来快速发展的高技术领域前沿热门课题。国内急需且市场前景看好的生物芯片制作和生物芯片检测关键仪器有——激光共聚焦生物芯片扫描仪和CCD生物芯片检测仪 CCD生物芯片扫描仪利用CCD摄像原理的图象检测系统，具有结构简单、体积小、检测速 度快、成本低。主要关键技术及创新点为：提高CCD接收灵敏度和降低噪声技术；提高CCD动态响应技术；多波长激发光源、聚焦、准直和滤波技术；氙灯光源控制技术；照明均匀性控制技术；图象平滑滤波、自适应背景确定、样品斑点识别、数据提取、存贮和显示技术。 激光共聚焦生物芯片扫描仪采用激光作激发光源，采用PMT检测荧光信号，因而具有较高的灵敏度，可以完成较大面积的扫描，并且具有很高的分辨率。主要关键技术及创新点为：不同波长多个激发激光器系统应用设计和光束缩小、定向技术；激光窄带滤光片设计、镀膜制备技术，高灵敏度荧光分子探测技术，高精度快速扫描技术，整机控制和智能界面操作技术；数据判读、处理和显示软件技术。 i线深度刻蚀曝光光刻机 i线深度刻蚀曝光光刻机在微电子、微光学、微机械系统、红外器件、准LIGA及声表面波等器件的研制和生产中都有应用前景。该机在深度光刻中具有突出特色，采用1000W大功率汞灯照明电源系统，采用球气浮自动调平调焦技术及高倍率双视显微镜与CCD图像对准技术。控制系统采用压电陶瓷自动闭环精确设定曝光间隙，自动分离对准间隙，具备接触和绝对不接触曝光方式和定时、定剂量两种曝光剂量设定功能。采用特殊蝇眼透镜平滑衍射效应提高光刻分辨率等先进技术。光刻分辨率达0.8μm-1μm，线条侧壁陡度达85°，对深层光刻线条高宽比，孤立线条可达60：1，等间距线条优于20：1。具有分辨力高、套刻准、线条陡直、线条高宽比大、曝光速度快等特点。 微细加工前景： 如果进入微观世界，能够捕获一个或多个单原子，然后让它们重新排列组合，那么就会导致物质本身发生某些变化，而这些变化将会对未来许多领域，及人类生活产生巨大影响。例如，我们把组成水分子的氢和氧分开，二者都是可以燃烧的。小的分子，只有足球体积的几亿分之一，用机械方法，几乎是不可能捉住它，分子又是由原子组成的，操纵一个原子，就更难了，而光可以做到这一点。一束极细的激光，产生光子流，其动量转移给物体，形成光压，再通过适当的光场分布，可以把那种极小的原子俘获在一定的位置，并可方便把移动它。实际上这就实现了对原子的操作。 控制原子或分子的手段叫光镊，对分子原子进行切割雕刻使用的是光刀。一种材料通过改变它的分子结构及原子排列取向，进而形成新布局，那么，它的性能就会发生很大变化，这样未来我们所制造出来的电子器件，与现在相比，其功能相同，而体积则要小多少万倍。 在以后的几十年，随着原子尺度加工技术不断完善和提高，就会出现多种单原子器件和新型分子材料，如果把它们用制造机器人，最小型的就可以爬进人的血管，进行各种各样的治疗手术。同样，用来制造卫星，卫星的体积，也会大大减少，到那时人类可能一次发射成千上万颗用于各方面的卫星，而到目前为止，人类在以往几十年间，一共才把几千颗卫星送上天。通过科学分析和计算，改变了原子分子结构的新型材料，具有更高的强度，更轻的重量，更好的绝热和耐高温性能，在空间领域，用来做太空船的外壳，引擎或其它方面，太空船会变得更轻、更快，能够承受更为恶劣的环境，它会带着人类走的更远，会征服更多的星球。在日常生活中，我们所看到的，用激光刻录的光盘，已经可以储存较多的信息了，但这只是一种新的输入方式，而光盘本身做为一种材料，容量还是有限的，如增加它的原子分子密度和改变它们取向，那么未来就可以把现在成千上万强光盘的信息，放进象手表大小的空间里。一座大型图书馆全部书籍可容进一张光盘内，你拥有了这张光盘，就拥有了一座图书馆。 在生物领域，各种各样的原子和分子，以它特有的方式组合在一起，由此产生了世界万物，如果利用光镊光刀，把生命体的某些原子取出，然后，按照科学规律，重新组合，会出现什么样的结果，科学乐观的预测，这样就有可能创造出具有生命力的新物质，而它的存在形成，与我们常见的动物、植物和生物会有所不同。同样，利用光刀光镊，修复DNA和某些有缺陷的遗传基因，从而可以克服困扰人类的多种顽症。 21世纪，人类进入微观世界。在原子分子尺度上，对物质进行操作和加工，无疑会展现 出一种相当美好的前景，并引起各方面的广泛重视。 小结 微细加工作为精密和超精密加工的一个分支，在国防和众多领域都显示了它本身的重要性，最为我们国家，在这一领域的发展还存在着严重的不足，要像是我们国家的科技实力，国防实力，以及经济实力持续稳定健康的发展，都必须积极的发展和创新在这一科技领域的技术，不断的改善完善技术工艺，是我们国家在这一科技领域走到世界的前沿。 作为一个新兴行业，微细加工和精密超精密加工的发展前景是无可限量的，只要我们高度重视它的发展，我们将开创一个科学领域的新局面，攀上科技的高峰。 | 举例导入 举例分析说明 结合实例分析 讨论法分析 结合实际举例 举例分析 提问学生总结 |
