先进制造技术

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1、1.微机机电系统（MEMS），主要研究，应用领域，关键技术与国内外发展概况。（1）应用MEMS技术制造的传感器有哪些，应用领域？国内外MEMS惯性器件（陀螺仪，加速度计，磁力计）的发展概况，性能指标。MEMS加速度计 查找能够在注重性能的应用中精确可靠检测和测量加速度、倾斜、冲击和振动的MEMS加速度计和 iSensor MEMS 加速度计子系统。ADI公司的MEMS加速度计系列产品在功率、噪声、带宽和温度规格方面处于业界领先地位，提供一系列MEMS传感器和信号调理片内集成。 MEMS陀螺仪 了解能够在复杂、恶劣工作条件下可靠地检测和测量物体角速率的MEMS陀螺仪和 iSensor MEMS

2、陀螺仪。ADI的MEMS陀螺仪产品组合在芯片上集成了广泛的MEMS传感器和信号调理技术。 以度/秒为单位测量物体的转速，支持宽动态范围和带宽。模拟和数字输出 高抗振动和抗冲击能力 温度敏感度控制能力达25ppm/C MEMS惯性测量单元 Analog Devices, Inc.（简称ADI）备受好评的惯性测量单元(IMU)包括ADI iSensor 智能传感器加速度计和陀螺仪。ADI IMU是高度集成器件，可以检测多个轴上的运动，包括运动类型、速率和方向。IMU利用多个加速度计和陀螺仪惯性检测器件的组合输入，就能够借助单一器件来测量复杂应用中的多个自由度(DoF)。了解有关惯性检测的更多信息。

3、ADI公司提供广泛的接口兼容型IMU解决方案，各芯片的集成度高，并且所有复杂、关键的IMU校准和补偿均由ADI公司完成，因此系统开发时间可减少达12个月。客户无需购买测试设备，可以节省大笔投资；同时可以让设计人员确信器件将能提供精确而稳定的反馈信息。这些器件还配有简单的可编程接口，确保器件打开包装就能与系统集成，使用极为便捷。 MEMS惯性传感器 惯性感测技术可以检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度(DoF)运动，帮助实现各种市场分化的工业、医疗、通信、消费和汽车应用。作为领先的MEMS技术创新者，ADI公司提供iMEMS惯性感测器件，涵盖加速度计和陀螺仪，以及iSensor 智

4、能传感器，包括集成式惯性测量单元(IMU)。MEMS麦克风 高性能模拟与数字输出MEMS麦克风提供高品质音频采集，性能不会因时间推移或暴露于高温而降低，即便在空间受限和多麦克风应用中也能保持出色性能。ADI公司的MEMS麦克风采用业界领先的MEMS和信号处理技术，具备稳定可靠的音频性能指标，包括用于优质远场音频采集、高达65 dB的A加权信噪比(SNR)，以及可实现出色清晰度的100 Hz至15 kHz平坦宽带频率响应。ADI MEMS麦克风集成包括I2S在内的各种处理级和共模数字输出类型，正在迅速取代传统ECM（驻极体电容麦克风），进一步提升用户体验。下载ADMP504低噪声、模拟输出麦克风

5、数据手册 1 惯性MEMS器件产品惯性器件主要包括微加速度计和微型陀螺惯性器件产品几年前已上市,现在,年销售额为3.75.8亿美元,每年还在大幅激增2惯性器件对国民经济和军事装备起到越来越大的作用商用微加速度计运动部件有很轻的质量,可达1,因而,是灵敏度很高的加速度计,可以测量千分之几的重力加速度3 微加速度计商业化最重要的驱动力来自汽车工业,最成功的是美国模拟器件公司的05和50系列单片集成差动电容式加速度计,现月产量达到200万只美国摩托罗拉公司批量生产汽车用40电容式加速度计,选择双芯片设计制作技术,封装为双列直插式或单列直插式塑封,加速度测量范围为?40g美国传感器公司建立了加工生产线

6、,先后开发成功3255,3000系列压阻式加速度计,3255型主要用于汽车安全系统,敏感芯片与信号处理芯片封装在表面贴装的外壳内4德国博世!日本电装公司也有类似产品微加速度计正替代以往的机电式加速度传感器,并伴随着汽车安全气囊系统日趋普及而高速增长近几年来,器件正在加速向具有信号处理功能的微传感器芯片,以及能够完成独立功能的/片上系统0(微系统)方向发展近年来,国外一些著名厂商将技术推广应用到光电领域,研制成功微型光电子系统,进一步拓展了技术的应用领域公司日前新推出业界首款三维手持系统5,该系统由微镜像章动开关和驱动器芯片等一系列器件构成,集光!电!微机械和微封装技术于一体,其优势是能够简化交

7、换设备和交叉连接等光纤联网系统的设计和制造,大大加快全光网技术和设备的发展步伐公司为高清晰度显示设备而研制的数字光处理器件()也属于一种系统6,这款产品的核心是一种数字微镜器件()光半导体芯片由于技术不断实现的商业化,该技术的应用也越来越广泛,目前,全球已经有将近40家著名的和放映设备厂商开始采用子系统公司也在韩国电子展览会上展示了一款采用子系统的52英寸彩电(1英寸=2.54)美国也在日前推出一款集成了振动传感器和控制电路的芯片,这款新产品采用先进的半导体工艺制造,适用于家电!汽车安全气囊和游戏机等产品在游戏机中,芯片组成的器件可以取代游戏机中的操作杆或者按键,用户只需改变这种器件的位置,即

8、可随心所欲地控制整个游戏过程,获得更佳的享受微传感器最热门的趋势之一是/片上系统0构想,也就是说要制成微系统,而不仅仅是微传感器,这种研究工作大多是在许多大学里进行的,例如:位于俄亥俄州克利夫兰市的大学,在研究开发集成流体处理系统方面,包括应用于分析仪器中的新型微阀门和微量泵等方面,已取得一些研究成果7美国加州的斯坦福大学,在研究开发技术和器件方面成绩斐然8该校与位于帕萨迪纳市的加州理工学院协作,研究开发脑细胞组织探针,并已证实器件具有再生某些神经细胞组织能力另外,作为片上微仪器研究开发的重点内容之一,斯坦福大学证实,技术可以用于光刻工艺中光刻的片上仪器可能已经不是遥远的事了,斯坦福大学与位于

9、加州米尔皮塔斯市的22公司联手,一直在研究开发新微机械加工技术)深度活性离子刻蚀()这种技术将可能实现对硅作深度达200L,并接近理想状态的垂直墙!窄沟道及孔的刻蚀,而且,可以保持高精度和较大的纵横尺寸比这项技术成果将促进技术在生物医学领域的进一步应用2 在军事中的应用已在空间超微型卫星上得到应用,该卫星外形尺寸为2.547.6210.6,重量仅为25072000年1月,发射的两颗试验小卫星是证明空基防御能力增强的一个范例对小卫星试验来说幸运的是,因其飞行寿命短,所以,暴露在宇宙辐射之下并不是关键问题小卫星上基于硅的开关在太空应用中表现出优异的性能,这得益于它的超微小尺寸作为一个在海上应用的实

10、例,引信/保险和引爆(/)装置已成功地用于潜艇鱼雷对抗武器上引信/保险和引爆装置的工作包括3个独立步骤:发射鱼雷后,解除炸药保险!引爆(引信)和防止在不正确时间爆炸(保险)使用镀有金属层的硅结合巧妙的封装技术,/器件要比传统的装置小1个数量级,可安装在15.88的鱼雷上,这是其他方法做不到的陆地上的应用包括灵活且坚固的爆破装置!发射装置和其他使用惯性制导系统的武器平台轮胎压力传感器已经用在美国军队装甲运兵车的轮胎中分布式战场微型传感器网络系统是可以准确地探测与查明敌人的作战部署与军队调动的新型探测装置,这种微型机电系统在布设!耐久和易损性等方面有明显的优点在空中应用方面,压力传感器已在-14战

11、斗机弹射座的助推火箭上进行了测试7喷射式涡轮发动机使用的适于在恶劣环境下工作的材料,被用于各种监视该类发动机内部动力学特性的传感器上灵巧蒙皮(或表面)是微型机电系统做成的一种特殊的具有/防卫特性0的材料,它具有程序控制和动态可调整等特性,可以用它来制造潜艇智能表面和飞机智能机翼将技术引进飞行器设计领域,会使该领域发生显著变化,有这种阵列的蒙皮,称作灵巧蒙皮在战况信息传递方面,已开发出机载传感器和通信用的微功率源和微通信元件这些器件将形成覆盖范围广,且完全自主控制的传感器网络,这些新型微系统芯片将使战斗机和无人驾驶侦察机具有地形识别!通信和其他扩展功能同时,人们设想研制出一种微型机器人系统,通常

12、,它具有6个分系统:传感器系统!信息处理与自动导航系统!机动系统!通信系统!破坏系统驱动电源这种微型机器人智能系统具有多种方案,如,昆虫平台!蚂蚁机器人!血管潜艇等3 航空航天方面的应用航天!航空是应用极有前景的领域由于卫星本体及其发射的高成本,航天科技工作者早已提出小卫星!微小卫星!微卫星和纳米卫星等概念所以,作为导航的主要部件,发展的意义十分明显在1995年的国际会议上已有人正式提出研制全硅卫星的概念9即整个卫星由硅太阳能电池板!硅导航模块!硅通信模块等组合而成,这样,可使整个卫星的质量缩小到以计算,从而使卫星的成本大幅度降低,较密集的分布式卫星系统成为现实真正的全球卫星定位()今后将不仅

13、用于航空!航海,而且,对于汽车!行人也将成为现实可行若用于汽车,由于地面上存在的各种障碍物,可能出现暂时盲区,但只要在车上装上微型惯性测量单元(,),即可以间隙性地进行自动导航,走出盲区后再以进行校正对航空器的性能改善也值得一提,今后,在飞机的诸要害部位都可装上各种可进行控制和测量的传感器,包括力学!声学!气流等,及时提供信息和进行实时控制各种执行部件,从而使飞行更加平稳,噪声大大地被抑制和节省燃料在宇航中,已可用全集成气相色谱微系统散布在广漠的太空中,进行星际物质和生命起源的探测9将特制微机器人送到某星球上,在星球上飞行所载摄像系统能协助轨道器画出星球的地形地貌图航天领域就用微机械的目标是研

14、制微小卫星和微小飞行器4 生物医疗和生物医学方面的应用微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹例如:将微型传感器用口服或皮下注射法送入人体,就可对体内的五脏六腑进行直接有效的监测10将特制的微型机器人送入人体,可刮去导致心脏病的油脂沉积物,除去体内的胆固醇,可探测和清除人体内的癌细胞,进行视网膜开刀时,大夫可将遥控机器人放入眼球内,在细胞操作!细胞融合!精细外科!血管!肠道内自动送药等方面应用甚广的微小(可进入很小的器官和组织)和智能(能自动地进行细微精确的操作)的特点,可大大提高介入治疗的精度,直接进入相应病变地进行工作,降低手术风险同时,可进行基因分析和遗传诊断,利用微加工技术制造各种微泵

15、!微阀!微摄子!微沟槽!微器皿和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子所以,微机械在现代医疗技术中的应用潜力巨大,为人类最后征服各种绝症延长寿命带来了希望（2）导航系统中除陀螺仪，加速度计外，列举应用的其它传感器，MEMS IMU Intertial Measuiement Unit 的最新产品概况，结合实例进行分析。2导航级MEMS惯性传感器惯性传感器包括加速度计和陀螺，它们可以构成惯性测量装置(Inertial Measurement UnitIMU)，IMU又可以进一步构成惯性导航系统(Inertial NavigationSystem，INS)。类似的术语还有惯性制导系统、惯性参

16、照平台等，其意义大同小异。不同应用场合的加速度计和陀螺有不同的精度要求，以导航级应用要求的精度最高：加速度计需要蚶的分辨率，陀螺需要1(。)h或者更高的分辨率J。20世纪90年代GPS出现以后，惯导系统发展的一个趋势是INsGPs或IMUGPS复合制导。IMU、INS具有自主性，输出稳定，不受干扰，缺点是误差随时间累积。而GPS的精度高(民用GPS的精度约为10 m)，误差不累积，但是易受干扰，甚至可能在短时间内失去信号。两者结合起来，将GPS信息作为外部测量输入，在运动过程中通过不断修正IMU或INS来控制其误差随时间的积累，可以提高制导精度。IMUGPS或INSGPS的集成实际上是一个数据

17、融合问题其核心算法是Kalman滤波器。有关算法理论和软件研究是近年来的热点之一旧7。导航级的INSGPS或IMUGPS可获得小于1 m的精度H J。美国波音公司的JDAM炸弹采用INSGPS制导，已有很高的精度，其研制的小直径炸弹(SDB)采用了GPSINS制导，平均精度11 m。SDB的最远投放距离可达110 km。在一次测试中，SDB从9 144 m的高空投放，飞行88 km后命中目标，精度小于85 cm；在另外一次测试中，在启动GPS干扰的情况下，SDB利用IMU及相应抗干扰措施飞行56 km后命中目标，精度小于2 m。SDB的GPS由洛克韦尔柯林斯公司提供，IMU由杭尼韦尔公司提供。

18、SDB的高精度主要受益于采用了由SRI International研发的精度支持基站(AccuracySupport Infrastructure，ASI)技术如图3所示，SDB通过位于不同固定地理位置上的三个甚至更多个GPS接收器接收GPS信号，计算得到的位置参数传回战区指控中心进一步算出校正参数，再通过数据链传回SDB载弹机。ASI所在地理位置最远可相距2 400 km，从而能够从中立方或友方领土覆盖整个战区。近年来，各种小型精确制导武器的发展要求实现制导系统小型化。常规形式的陀螺如机械转子、激光陀螺、光纤陀螺等不能实现小型化。MEMS技术的出现使得惯导系统小型化成为可能事实上，MEMS加

19、速度计和MEMS陀螺已经取得了很大的商业成功。2005年，在各类MEMS产品的市场销售额中，MEMS陀螺占107，MEMS加速度计占75；美国AnMog Devices公司的微加速度计累计销售已超过2亿个21。美国空军研究实验室(AFRL)已对用于JDAM的MEMS IMU进行了飞行试验，结果表明：MEMS IMU可提供稳定的导航性能和精确的武器制导性能，特别是有GPS辅助时，导航性能更稳定，精度更高。英国的宝石路双模INSGPS激光制飞航导弹导炸弹已经使用了MEMS IMU。SDB已计划引入“紧密集成的制导与导航单元”(Deeply Integrated Guidance and Navig

20、ation UnitDIGNU)，其中的惯性制导部分便基于MEMS器件。DIGNU将进一步降低成本，将抗干扰效果在现有基础上再提高34倍一。DIGNU的体积约为66 cm382 cm3。在美国国防部2005年10月发布的军事关键技术计划清单(MCTL)中，导航级MEMS惯导系统位列其中的MCTL-1915项，提出的关键技术参数为：1)漂移速率1(。)h；2)使用稳定性60个月；3)耐受8 g的负荷。涉及专用测试、标定及深反应离子深刻蚀设备。及的软件包括提取关键参数所需的算法和数据，以及环境效应引入误差的补偿软件等。在美国空军2006年提出的一份研究项目指南中，其AF06-197项即为导航级ME

21、MS IMU，它列出了导航级MEMS IMU的主要特征：I)陀螺漂移0005(。)h，加速度计漂移25 mg；2)体积20 cm3；3)质量30 g；4)功耗100 roW5)成本1 200美形套；6)具有较高的可靠性。为了研制和生产导航级MEMS IMU，需要有新方法来处理MEMS陀螺、MEMS加速度计和IMU系统结构，包括封装、电子信号处理及相应软件等问题国外已有多家厂商推出导航级MEMS器件。但是另一方面，目前西方国家严格控制相关技术和产品对华出口，这一点短期内恐怕不会改变。在这种情况下，国外代工MEMS惯性传感器显然也不太现实。参考消息曾有报道，我国高速铁路项目从美国购买的几十套MEM

22、S加速度计经美国总统特批才得以进口。军事上的需求，国外的技术封锁决定了自主研发是我国导航级MEMS IMU发展的唯一道路，而其中的主要困难可能来自制造能力的制约。MEMS概念的首议者、美国著名物理学家Feynman曾经指出，MEMS技术发展的一个问题就是如何用低精度工具制造高精度产品2。对于我国导航级MEMS IMU技术和产品的研发，这更是一个十分重要和现实的问题。2.多传感器信息融合技术(Multi-sensor Data Fusion)的基本研究内容有哪些？ （多传感器信息融合的结构和控制，具体方法，拓扑结构） (1)多传感器定量（传感数据的一致性检验，基于参数估计的信息融合算法）定性信息

23、融合方法介绍（Bayes，模糊数据论，神经网络法）？粗糙集理论原理介绍，及在信息融合领域中的应用情况？多传感器信息融合是人类和其他生物系统中普遍存在的一种基本功能。人类本能地具有将身体上的各种功能器官所探测到的信息(景物、声音、气味和触觉等)与先验知识进行综合的能力，以便对他周围的环境和正在发生的事件作出估计。多传感器信息融合的基本原理就像人脑综合处理信息的过程一样，它充分地利用多个传感器资源，通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用，将各种传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则组合起来，产生对观测环境的一致性解释和描述。信息融合的目标是基于各传感器分离观测信息，通过对信息的

24、优化组合导出更多的有效信息。它的最终目的是利用多个传感器共同或联合操作的优势，来提高整个传感器系统的有效性。 （2）青举例说明应用此技术的导航系统，介绍国内外最新的研究概况，列举相关的传感器类型，重点对其应用的信息融合算法进行介绍说明。2 多传感器信息融合的几种方法2.1 卡尔曼滤波(KF)该方法用测量模型的统计特性，递推决定统计意义下最优融合数据合计。如果系统具有线性动力学模型，且系统噪声和传感器噪声可用高斯分布的白噪声模型来表示，则KF为融合数据提供惟一的统计意义下的最优估计，它的递推特性使系统数据处理不需大量的存储和计算。KF分为分散卡尔曼滤波(DKF)和扩展卡尔曼滤波(EKF)。DKF

25、可实现多传感器数据融合完全分散化，其优点是，单个传感器节点失效不会导致整个系统失效。而EKF的优点是，可有效克服数据处理不稳定性或系统模型线性程度的误差对融合过程产生的影响。2.2 人工神经网络法这种方法通过模仿人脑的结构和工作原理，设计和建立相应的机器和模型并完成一定的智能任务。神经网络根据当前系统所接收到的样本的相似性，确定分类标准。这种确定方法主要表现在网络权值分布上，同时可采用神经网络特定的学习算法来获取知识，得到不确定性推理机制。神经网络多传感器信息融合的实现，分三个重要步骤：根据智能系统要求及传感器信息融合的形式，选择其拓扑结构；各传感器的输入信息综合处理为一总体输入函数，并将此函

26、数映射定义为相关单元的映射函数，通过神经网络与环境的交互作用把环境的统计规律反映到网络本身结构；对传感器输出信息进行学习、理解，确定权值的分配，完成知识获取信息融合，进而对输入模式做出解释，将输入数据向量转换成高层逻辑概念。2.3 概率统计方法假设一组随机向量x1，x2，xn分别表示n个不同传感器得到的数据信息，根据每一个数据xi可对所完成的任务做出决策di。xi的概率分布为pai(xi)，ai为该分布函数中的未知参数，若参数已知，则xi的概率分布是确定的。用非负函数L(ai，di)表示当分布参数确定为ai时，第i个信息源采取决策di时所造成的损失函数。在实际问题中，ai是未知的，因此，当得到

27、xi时，并不能直接从损失函数中定出最优决策。先由xi做出ai的一个估计，记为ai(xi)，再由损失函数L ai(xi),di决定出损失最小的决策。其中利用xi估计ai的估计量ai(xi) 有很多种方法。2.4 D-S推理假设F为所有可能证据所构成的有限集，Ai为集合F中的某个元素(证据)。引入信任函数B(f)0，1，它表示每个证据的信任程度：，。引入基础概率分配函数m(f)0，1，满足和，与之相对应的信任函数： 其中 (2.4.1)当利用N个传感器检测环境M个特征时，每一个特征为F中的个元素。第i个传感器在第k-1时刻所获得的包括k-1时刻前关于第j个特征的所有证据，用基础概率分配函数表示，其

28、中i=1，2，m。第i个传感器在第k时刻所获得的关于第j个特征的新证据用基础概率分配函数表示。利用证据组合算法，可获得在k时刻关于第j个特征的第i个传感器和第i+1个传感器的联合证据。如此递推下去，可获得所有N个传感器在k时刻对j特征的信任函数，信任度最大的即为信息融合过程最终判定的环境特征。D-S证据推理优点：算法确定后，无论是静态还是时变的动态证据组合，其具体的证据组合算法都有一共同的算法结构。其缺点：当对象或环境的识别特征数增加时，证据组合的计算量会以指数速度增长。2.5 Bayes估计这是融合静态环境中多传感器低层数据的一种常用方法，其信息描述为概率分布，适用于具有可加高斯噪声的不确定

29、性信息。假定完成任务所需的有关环境的特征物用向量f表示，通过传感器获得的数据信息用向量d来表示，d和f都可看作是随机向量。信息融合的任务就是由数据d推导和估计环境f。假设p(f，d)为随机向量f和d的联合概率分布密度函数，则 (2.5.1)p(f|d)表示在已知d的条件下，f关于d的条件概率密度函数；p(d|f)表示在已知f 的条件下，d关于f的条件概率密度函数；p(d)和p(f)分别表示d和f的边缘分布密度函数。已知d时，要推断f，只须掌握p(f|d)即可，即 (2.5.2)上式为概率论中的Bayes公式。信息融合通过数据信息d做出对环境f的推断，即求解p(f|d)。由Bayes公式知，只须

30、知道p(f|d)和p(f)即可。因为p(d)可看作是使p(f|d)p(f)成为概率密度函数的归一化常数，p(d|f)是在已知客观环境变量f的情况下，传感器得到的d关于f的条件密度。当环境情况和传感器性能已知时，p(f|d)由决定环境和传感器原理的物理规律完全确定。p(f)可通过先验知识的获取和积累，逐步逼近得到。4详细阐述模糊控制和人工神经网络控制原理，举例说明其在导航系统中的应用。我们通常可以用“模糊计算”笼统地代表诸如模糊推理（FIS，Fuzzy Inference System）、模糊逻辑（Fuzzy Logic）、模糊系统等模糊应用领域中所用到的计算方法及理论。在这些系统中，广泛地应用

31、了模糊集理论，并揉和了人工智能的其他手段，因此模糊计算也常常与人工智能相联系。由于模糊计算方法可以表现事物本身性质的内在不确定性，因此它可以模拟人脑认识客观世界的非精确、非线性的信息处理能力。亦此亦彼的模糊逻辑 模糊计算在应用上可是一点都不含糊，其应用范围非常广泛，它在家电产品中的应用已被人们所接受，例如，模糊洗衣机、模糊冰箱、模糊相机等。另外，在专家系统、智能控制等许多系统中，模糊计算也都大显身手。究其原因，就在于它的工作方式与人类的认知过程是极为相似的。在这里，笔者结合自己的研究实践，以一个建筑结构选型的专家系统为例，说明模糊推理系统是如何模仿领域专家的思维进行工作的，其中所用到的步骤、计

32、算过程在其他模糊系统中也具有典型的代表性。 模糊计算方法以模糊集理论为基础，它有诸如模糊信息检索、模糊识别、模糊聚类等许多广泛的应用，而且由于其采用的方法也是人类大脑所采用的认知方法，因而在社会学方面也大有用武之地。人脑也正是采用模糊的手段，极大地压缩了信息的输入量、处理量、存储量，才得以满意地处理所面临的各种问题。 但是从上文的介绍中，我们可以看到神经计算具有学习能力，同时也具有联想、记忆的功能，但是它的知识表达不是显性的，而是隐含在众多的神经联接强度中。而模糊计算正相反，它的学习能力较差，知识与经验的获取很多要靠人来完成，但它的知识表达明确，贴近自然。事实上，真正实用的系统常常把二者合而为

33、一、互用所长、互补所短。无论是用模糊逻辑增强的ANN，还是用ANN增强的模糊逻辑系统，都可以使系统既具有开放的自学习、自适应能力，又具有令人满意的规则推理过程及结论。最近还有一种研究趋势，将几个BP神经网络组合在一起来实现模糊规则及推理过程。 可以预见，在未来，模糊计算还会有更大的发展，其应用也会越来越多，最终它将在高级智能系统中发挥不可或缺的作用。5.任选一个自己喜欢的AMT研究方向进行说明，阐述理由。 制造业在为人类提供巨大财富的同时, 也在不断地产生污染物, 对环境造成严重的负面影响。船舶在制造过程中也同样存在材料的选用和利用不当而造成资源的浪费, 以及对空气、土壤和水体等环境的污染问题

34、。船舶绿色制造技术, 是综合考虑环境因素和资源利用效率的现代制造模式。要求最大限度地减少对环境的负面影响, 要求原材料和能源的利用效率达到最高。 2 船舶绿色制造技术的定义、要求和前景 2. 1 船舶绿色制造技术的定义在给船舶绿色制造技术定义之前, 先对绿色船舶(产品) 定义, 以区别两者之间的关系。绿色船舶(产品) , 是指在其全寿命周期中(包括设计、制造、营运、报废拆解) , 通过采用先进技术, 能经济地满足用户功能和使用性能的要求, 并节省资源和能源, 减少或消除环境污染, 且对劳动者(生产者和使用者) 具有良好保护的产品。 船舶绿色制造技术, 是力求船舶制造过程对环境影响最小, 对资源

35、利用率最高的生产技术。在船舶设计和制造过程中, 废弃物和有害排放物最少, 以减少对空气、水和土地的污染; 并节约资源, 从而提制造活动的经济效益和社会效益。 船舶是一种特殊产品, 其营运寿命终止时, 一般不回原船厂拆解, 因此, 船厂在制造绿色船舶时, 重点应放在设计和生产两个环节上, 以保证船舶的绿色度。 2. 2 船舶绿色制造技术对设计和制造提出的要求 开展绿色造船, 设计是先导, 设计人员的环境意识决定了船舶产品的绿色度。因此, 设计人员必须具备良好的环境意识。设计中应广泛采用绿色材料、标准化和模块化零部件或单元, 充分考虑加工制造过程中的材料利用率, 同时还必须考虑船舶产品在营运寿命终

36、止后, 报废、拆解不对环境造成负面影响,以及部分材料、零部件和设备能够再生利用; 尽量简化工艺, 优化配置, 提高整个制造系统的运行效率,使原材料和能源的消耗最少; 减少不可再生资源和短缺资源的使用量, 尽量采用各种替代物资和技术。 2. 3 船舶绿色制造技术的前景 发达国家的造船业对绿色制造技术较为重视,这与其高环保标准和保护施工人员的要求有关。他们对此技术的应用与开发力度较大。相比之下, 发展中国家对该技术的应用多处于一种不自觉的状态。丰富、廉价的劳动力和成本相对较低的原材料, 影响了对该项技术开发与应用的积极性。当前, 船舶绿色制造技术还不会对造船竞争力构成很大影响, 但是,工业发达国家

37、的多个行业, 已经开始重视绿色制造技术, 并在造船业的前瞻性项目和新一代造船技术研究中, 给予了充分的考虑。由于环境和资源的约束, 绿色制造将会变得越来越重要, 而造船的焊接、切割、涂装等大量作业, 已严重不符合环境保护的要求。因此, 这项制造技术的应用前景将是非常美好的。 3 船舶的绿色设计 传统的船舶设计仅从结构和功能、外观造型、加工制造、生产管理等角度考虑, 设计概念是以市场需求为基础, 技术方案也是重点考虑设计与制造两个领域的问题, 设计过程中缺乏环境保护的意识。 船舶的绿色设计是从产品需求、设计、制造、营运到回收再生整个寿命周期一起考虑的, 把产品、环境与人类一起, 并行考虑寿命周期

38、内每一阶段的相互影响。 3. 1 材料的选择 3. 1. 1 选择要点 材料的绿色特性对船舶的绿色性能具有重要的影响, 在材料选择时应注意下述几点。 (1) 选用便于回收、生产过程简便、易于加工的材料, 产生的废料不污染环境; (2) 选用无毒无害材料, 避免生产过程对人体健康造成危害和对环境造成污染; (3) 选用可再生的材料; (4) 选用较少种类的材料, 简化设计。尽可能少用复合材料; (5) 选用工艺性能优良的材料, 以降低零件加工的难度与废品率, 节约加工过程的能源消耗。 3. 1. 2 选择重点 在船舶全寿命周期中, 对环境和人类影响最大的, 一是制造过程中的焊接、涂装作业, 二是

39、船舶拆解后废弃的舱室绝缘材料, 因此材料的选择尤其重要。 (1) 焊接材料。焊丝(焊条) 的添加助焊药剂, 在电弧高温燃烧下, 随焊接烟尘一起向空气中扩散, 对操作人员和环境构成危害。因此, 设计人员在生产设计上, 应首先选用高效焊接工艺和低毒、低烟焊丝(焊条)。 (2) 舱室绝缘材料。由于具有防火、隔音、保温等优良性能和可加工性, 矿棉、玻璃棉被用于船舶舱室的内装。在船舶营运寿命结束后的拆解过程中, 这些保温材料由于没有再生利用价值而被大量抛弃。由于矿棉、玻璃棉的不可降解性, 这些废弃的材料直接导致周围的水质和土质的恶化。因此, 选用保温材料, 不仅要考虑其技术性能, 还应考虑环保性能。研制

40、一种高效、环保的绝缘材料也将成为完善绿色造船技术的一项重要工作。 (3) 涂装材料的选择。船舶涂装工艺分为钢板预处理(在钢材预处理车间完成) 和二次除锈涂装(在涂装房内进行)。先进造船国家一般较少进行二次除锈涂装, 这不仅减少了资源浪费, 而且生产效率大大提高。我国在引入区域造船方法的同时, 也在尝试减少二次除锈涂装, 采用跟踪补涂技术。跟踪补涂一般在露天平台完成, 这对涂料提出了更高要求。传统溶剂型涂料因其对人体的危害和对空气的污染已无法满足绿色造船的要求, 取而代之的应是一些无污染、省资源、省能源的绿色涂料。如水性涂料、粉末涂料和辐射固化涂料等。另外, 船舶外板水线以下涂料, 应具有只驱赶

41、而并不杀灭海洋生物的性能, 是既能防止海洋生物附着, 但又不污染海洋的绿色环保涂料。 3. 2 标准化、模块化设计 随着科学技术的进步, 世界各国对海洋保护意识的日益提高, 对船舶结构、性能提出更高的要求。由此, 船舶更新换代的周期越来越短。为了避免由此造成的不良后果, 船舶在设计时, 有必要采用标准化、模块化的设计。 (1) 船体结构通过标准化、模块化设计, 可以简化。采用功能多样化与复合化的零件以及简单的连接方法, 使整体装置的零件数减少; 合理地设计产品中零件、支撑、载荷的布置, 确定适当的整体尺寸, 提高材料利用率; 设计结构符合工艺性与加工性, 以减少加工过程中的材料损耗与能源消耗;

42、 设计的结构便于回收, 实现资源的重复利用; 设计的结构便于维修, 延长产品使用寿命。 (2) 船舶设备通过标准化、模块化设计可以有效地避免舾装件逐件装船, 从而降低舱室内的污染和噪声危害, 提高工作效率和工作质量, 还可使劳动量 和资金的消耗大大减少。而且船舶设备的标准化、模块化设计, 也较好地满足了设备更新拆装的互换要求。 (3) 标准化设计可以提高零部件的通用性, 提高零部件的重复性。标准化设计亦可以促进专业化生产。 3. 3 并行设计 根据并行工程的思想, 由设计者、制造者和环保工程师参与船舶的初步设计、详细设计和生产设计整个过程, 通过相互协调, 综合考虑4 船舶的绿色制造 4. 1

43、 绿色加工工艺 4. 1. 1 净成形制造 成形制造技术包括铸造、塑性加工等技术。成形制造技术正从接近零件形状向直接制成工件形状即精密成形或净成形方向发展。成形的零件有些可以直接或稍加处理即可用于组成产品, 这可以大大减少原材料和能源的消耗。 4. 1. 2 干式加工 加工过程中不采用任何冷却液。干式加工简化了工艺、减少了成本, 而且消除了冷却液所带来的一系列问题, 如废液处理和排放等。目前, 干式加工在国外已经得到局部应用, 如美国、日本、德国等国采用干车削、干磨削、干镗削等都取得一定的成果。我国还刚开始研究, 主要应用领域是机械加工行业。作为一种新型的加工工艺, 有望在船舶制造中发挥其应有

44、的作用。 4. 1. 3 工艺模拟技术 工艺模拟技术主要用于水火弯板等热加工过程。过去通常必须做大量的实验才能初步控制和保证加工工件的质量。采用工艺模拟技术将数值模拟、物理模拟和专家系统相结合确定最佳工艺参数、优化工艺方案, 预测加工过程中可能产生的缺陷并采取防止措施, 从而有效地控制和保证加工工件的质量。 4. 1. 4 网络技术、虚拟现实技术与敏捷制造 虚拟现实技术主要包括虚拟制造技术和虚拟公司两部分。虚拟制造技术就是在真正产品生产之前在虚拟制造环境下生成软产品模型来代替传统的真实样品进行实验, 对其性能和可制造性进行预测和评估, 从而减少损耗, 降低成本。虚拟制造技术和网络技术相结合就可

45、根据市场需求, 将产品所涉及到的不同公司临时组建成一个由计算机网络联系的虚拟公司。各造船企业和设计院所可通过因特网建立制造资源信息网络来实施敏捷制造。 以上这些技术之所以都被归于绿色制造工艺,是因为这些工艺和技术或减少了原材料和能源的耗用量, 或可缩短开发周期、减少成本, 而且有些工艺改进对环境起到保护作用。 4. 2 绿色焊接工艺 绿色焊接在船厂的应用前景非常广阔。主要体现在使用节能焊机, 采用高效、无弧光、无粉尘污染的焊接材料和方法等方面。 4. 2. 1 节能逆变焊机 节能和节约原材料的逆变电源焊接设备的应用, 已得到了船厂的重视。在美国, 逆变焊机的产量占弧焊机总产量的比例已超过30%

46、 , 日本已超过50%。据统计, 2000 年国产逆变焊机仅占当年生产的弧焊机总产量的8. 4%。由于国产的逆变焊机, 主要还存在着可靠性低、质量不稳定和返修率较高等问题, 给推广带来了困难。 4. 2. 2 高效焊接 高效焊接熔敷效率高、速度快、操作方便且易于自动化作业, 具有生产效率高、焊接质量好、节约能源和材料等特点。常用的高效焊接方法主要有气体保护焊, 包括熔化极活性气体保护焊(MA G 焊) 和熔化极惰性气体保护焊(M IG 焊) ; 埋弧焊; 电渣焊;气电自动焊; 电子束焊和激光焊等。高效焊接在造船企业已成为船体建造中提高焊接生产效率和质量、节约资源和降低对环境负面影响的重要技术之

47、一。 4. 2. 3 搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊是一种固相焊接方法, 可用于对金属板材全熔深焊接, 而不会达到金属的熔点。它不仅可以焊接铝合金等低熔点金属材料, 还能焊接厚度在25mm 以下的钢板。搅拌摩擦焊无飞溅、烟尘, 不需添加焊丝和保护气体, 无气孔、裂纹等焊接缺陷, 形成的焊缝强度高、变形小, 是一项性能优良的环保焊接新方法。 4. 2. 4 激光焊接 应用激光进行焊接已逐渐被造船工业所接受。激光焊接过程是一种既快速, 又几乎无任何变形的低热量输入焊接过程。目前已能对15mm 厚的不锈钢和低碳钢进行激光焊接。国外船级社已制订出一套激光焊接焊缝的验收规范, 为这种焊接方法在工业中的广泛应用提

48、供了依据。 最近, 在船体结构设计中出现了夹层平面分段结构, 这种结构与常规的带有加强筋的结构形式具有同等的强度, 但重量却大大减轻。激光焊接的优越性, 在这种夹层平面分段结构的生产中, 得到了充分发挥。激光焊接焊缝拉伸强度高, 生产成本低, 施工方便, 可以作为提高船舶的建造质量、缩短造船周期的有效手段。 4. 2. 5 室内造船 受技术和资金等因素的限制, 目前分段建造, 尤其是曲面分段建造仍然以手工电弧焊为主, 而且大多数在露天平台上施工, 施工过程中的弧光、烟尘是影响环境的主要因素。新建的上海船厂崇明基地、规划中的江南造船(集团) 公司长兴岛基地, 这些地区对环境的生态要求非常高, 这

49、就要求我们改变传统的露天作业方式的观念, 建立扩大室内分段建造比例的理念, 最大限度地减少露天焊接作业量, 使焊接尽可能控制在室内, 并通过空气循环处理系统净化焊接烟尘, 把对环境的不良影响在室内消除掉。 4. 3 绿色涂装工艺 4. 3. 1 应用现代造船理念, 实现涂装环保作业 实现船舶绿色涂装, 应根据现代造船理念, 从全局出发, 以系统工程的思想加以实施。应按照船体分道、区域舾装、区域涂装的原则, 深化涂装生产设计,注重钢材预处理质量、缩短分段制造周期、提高预舾装率和分段完整性、加强涂装生产的动态管理, 通过环保型的涂装工艺、涂装设施的应用, 以及跟踪补涂等措施, 实现环保型涂装作业的

50、目标。 4. 3. 2 合理选择涂料, 优化施工工艺 采用高性能专用涂料, 减少热加工区域的涂膜损伤, 以提高保护效果和生产效率; 采用长效型车间底漆, 减少分段制造期间的锈蚀; 采用厚膜型涂料, 减少涂装次数; 采用低表面处理涂料, 选择合理的除锈等级; 采用万能型底漆, 减少涂料品种, 简化工序,提高工时效率。 4. 3. 3 推进标准化和计算机辅助管理 以壳舾涂一体化为目标, 完善涂装设计、施工、质量管理、物料管理等标准, 严格按涂装作业计划和标准要求施工作业。同时广泛应用计算机辅助涂装生产管理, 特别是计算机辅助涂装工程动态管理, 提高工时利用率, 降低物料消耗。 4. 3. 4 推广

51、移动式涂装系统和环保型分段涂装房 移动式涂装系统, 以模块化设计为指导思想, 以轻钢彩板结构为主体, 辅以各类专用系列接扣件、钢架件以及多种专用紧固件。涂装系统装置, 可根据工程需要的容积在指定地点按要求快速搭建。工程一旦完工, 又可方便地拆卸并运至下一个工程所在地再行搭建, 继续涂装施工。 移动式涂装系统, 设有各种标准的设备接口模块, 主要有进气管道模块、除尘设备接口模块、除漆雾接口模块、喷砂设备接口模块、吸砂设备接口模块、温湿度控制设备接口模块、传感系统接口模块、动力设备接口模块等。 环保型分段涂装房内的空气温度和湿度可自动控制, 为船体分段涂装提供适宜的环境条件, 实现分段涂装全天候作业。同时, 采用粉尘和漆雾分离技术, 有效控制有机溶剂排放, 实现环保型的分段涂装。