機械工程前沿講座

1、機械工程前沿近年來，機械工程學科在各大領(lǐng)域內(nèi)取得了一系列突破性進展和原創(chuàng)性成果，為繁榮的經(jīng)濟建設提供了大量的理論方法和實踐經(jīng)驗，對世界產(chǎn)生了重要的影響。今天，我們針對當前機械工程前沿技術(shù)以及機械工程領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了其重要進展和成果，并對我國機械工程的發(fā)展趨勢進行了展望。 機械工程是一門與機械和動力生產(chǎn)有關(guān)的工程學科，它以有關(guān)的自然科學和技術(shù)科學為理論基礎(chǔ)，結(jié)合生產(chǎn)實踐中的技術(shù)經(jīng)驗，研究和解決在開發(fā)、設計、制造、安裝、運用和修理各種機械中的全部理論和實際問題。 機械工程學科包含以下幾個方面：機械制造及其自動化機械電子工程、機械設計及理論、車輛工程和仿生技術(shù)。機械工程的服務領(lǐng)域廣闊而多面，凡

2、是使用機械、工具，以至能源和材料生產(chǎn)的部門，無不需要機械工程的服務。概括說來，現(xiàn)代機械工程有五大服務領(lǐng)域：研制和提供能量轉(zhuǎn)換機械；研制和提供用以生產(chǎn)各種產(chǎn)品的機械；研制和提供從事各種服務的機械；研制和提供家庭和個人生活中應用的機械；研制和提供各種機械武器。 機械的發(fā)展經(jīng)歷了從制造簡單工具到制造由多個零件、部件組成的現(xiàn)代機械的漫長過程。機械工程以增加生產(chǎn)、提高勞動生產(chǎn)率、提高生產(chǎn)的經(jīng)濟性為目標來研制和發(fā)展新的機械產(chǎn)品。隨著世界的進步、國家的需求和學科的發(fā)展，機械工程科學的發(fā)展出現(xiàn)了以下顯著特點和趨勢：一方面，高技術(shù)領(lǐng)域如光電子、微納系統(tǒng)、航空航天、生物醫(yī)學、重大工程等的發(fā)展，要求機械與制造科學向

3、這些領(lǐng)域提供更多更好的新理論、新方法和新技術(shù)，因而出現(xiàn)和發(fā)展著微納制造、仿生及生物制造、微電子制造等制造科學新領(lǐng)域；另一方面，隨著機械與制造科學與信息科學、生命科學、材料科學、管理科學、納米科學技術(shù)的交叉，除了推動著機構(gòu)學、摩擦學、動力學、結(jié)構(gòu)強度學、傳動學和設計學的發(fā)展外，還產(chǎn)生和發(fā)展著仿生機械學、納米摩擦學、制造信息學、制造管理學等新的交叉科學。在未來的時代，新產(chǎn)品的研制將以降低資源消耗，發(fā)展?jié)崈舻脑偕茉?，治理、減輕以至消除環(huán)境污染作為超經(jīng)濟的目標任務。機械工程學科的定義及范圍 機械工程科學是研究機械系統(tǒng)和產(chǎn)品的性能、設計及制造的理論、方法和技術(shù)的科學，包括機械學和制造科學兩大領(lǐng)域。 機

4、械學是研究機械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)性能及其設計理論與方法的科學，包括制造過程及機械系統(tǒng)所涉及的機構(gòu)學、傳動學、動力學、強度學、摩擦學、設計學、仿生機械學、微納機械學及界面機械學等。制造科學涵蓋產(chǎn)品設計、成形制造(鑄造成形、塑性成形、連接成形、模具制造、表面工程等)、加工制造(超精密加工、高效加工、非傳統(tǒng)加工、復雜曲面加工、測量及儀器、裝備設計及制造、表面功能結(jié)構(gòu)制造、微納制造、仿生和生物制造)和制造系統(tǒng)運作管理等科學。莫茲利；英國人，發(fā)明家，現(xiàn)代車床的發(fā)明人，被稱為英國機床工業(yè)之父。1771年8月22日生于肯特郡伍利奇，1831年2月14日卒于倫敦。莫茲利于1797年制成第一臺螺紋切削車床，它帶有絲桿和

5、光桿，采用滑動刀架莫氏刀架和導軌，可車削不同螺距的螺紋。亨利福特被稱為“為世界裝上輪子的人”。 亨利福特于1903年創(chuàng)立了福特汽車 公司。1908年生產(chǎn)出世界上第一輛T型車。1913年,該公司又開發(fā)出了世界上第一條流水線,締造了一個至今仍未被打破的世界紀錄。 福特汽車標志及他的第一輛汽車它旗下?lián)碛械钠嚻放朴邪⑺诡D.馬丁(Aston Martin)、福特(Ford)、捷豹(Jaguar)、路虎(Land Rover)、林肯(Lincoln)、馬自達(Mazda)、水星(Mercury)。此外，還擁有世界最大的汽車信貸企業(yè)-福特信貸(Ford Credit)、全球最大的汽車租賃公司-赫茲(Her

6、tz)以及汽車服務品牌(Quality Care）。流水線之前,汽車工業(yè)完全是手工作坊型的 . 每裝配一輛汽車要728個人工小時,當時汽車的年產(chǎn)量大約12輛.這一速度遠不能滿足巨大的消費市場的需求.所以使得汽車成為富人的象征. 福特的夢想是讓汽車成為大眾化的交通工具.所以,提高生產(chǎn)速度和生產(chǎn)效率是關(guān)鍵.只有降低成本,才能降低價格,使普通百姓也能買的起汽車. 少品種大批量 以批量降低成本成本降低進步擴大批量流水線的形成 1913年,福特應用創(chuàng)新理念和反向思維邏輯提出在汽車組裝中，汽車底盤在傳送帶上以一定速度從一端向另一端前行前行中，逐步裝上發(fā)動機，操控系統(tǒng)，車廂，方向盤，儀表，車燈，車窗玻璃、車

7、輪，一輛完整的車組裝成了第一條流水線使每輛T型汽車的組裝時間由原來的12小時28分鐘縮短至10秒鐘，生產(chǎn)效率提高了4488倍！流水線是怎樣提高速度的 流水線是把一個重復的過程分為若干個子過程，每個子過程可以和其他子過程并行運作福特的流水線不僅把汽車放在流水線上組裝，也花費大量精力研究提高勞動生產(chǎn)率福特把裝配汽車的零件裝在敞口箱里，放在輸送帶上，送到技工面前，工人只需站在輸送帶兩邊，節(jié)省了來往取零件的時間而且裝配底盤時，讓工人拖著底盤通過預先排列好的一堆零件，負責裝配的工人只需安裝，這樣裝配速度自然加快了。他在一年之中生產(chǎn)幾十萬輛汽車，這個新的系統(tǒng)既有效又經(jīng)濟.結(jié)果他把汽車的價格削減了一半，降至

8、每輛260美元，1913年,美國人均收入為5301美元,1914年,一個工人工作不到四個月就可以買一輛T型車。流水線的意義 它使產(chǎn)品的生產(chǎn)工序被分割成一個個的環(huán)節(jié)，工人間的分工更為細致，產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量大幅度提高,極大促進了生產(chǎn)工藝過程和產(chǎn)品的標準化。制成品被大量生產(chǎn)出來，尤其是多樣的日用品在流水線上變成了標準化商品。汽車生產(chǎn)流水線以標準化、大批量生產(chǎn)來降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率的方式適應了美國當時的國情，汽車工業(yè)迅速成為美國的一大支柱產(chǎn)業(yè)。泰勒是美國古典管理學家，科學管理的創(chuàng)始人，被管理界譽為科學管理之父。他從一名學徒工開始，先后被提拔為車間管理員，技師，小組長，工長，設計室主任和總工程師。

9、泰勒認為科學管理的根本目的是謀求最高勞動生產(chǎn)率，最高的工作效率是雇主和雇員達到共同富裕的基礎(chǔ)，要達到最高的工作效率的重要手段是用科學化的、標準化的管理方法代替經(jīng)驗管理。泰勒認為最佳的管理方法是任務管理法，泰勒在他的主要著作科學管理原理中所闡述了科學管理理論，使人們認識到了管理是一門建立在明確的法規(guī)、條文和原則之上的科學。泰勒的科學管理主要有兩大貢獻：一是管理要走向科學；二是勞資雙方的精神革命。泰勒科學管理的內(nèi)容可分為三個方面：作業(yè)管理、組織管理和管理哲學。3.機械工程前沿技術(shù) 機械工程前沿的主要技術(shù)和內(nèi)容有以下幾個方面：1）成組技術(shù)；2）精益生產(chǎn)（Lean Production）；3）敏捷制造

10、（agile manufacturing）；4）并行工程（concurrent engineering）；5）CAD/CAPP/CAM；6）虛擬制造；7）CIMS等。 成組技術(shù)是按一定的相似性準則分類編組，并以這些組為基礎(chǔ)，組織成產(chǎn)各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)多品種小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品設計、制造和管理的合理化。從而克服傳統(tǒng)小批量生產(chǎn)方式的缺點，使小批量生產(chǎn)能獲得接近大批量生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟效果。它的根本目的是提高工作效率, 減少重復勞動, 從而提高經(jīng)濟效率。 精益生產(chǎn)是通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、人員組織、運行方式和市場供求等方面的變革，使生產(chǎn)系統(tǒng)能很快適應用戶需求不斷變化，并能使生產(chǎn)過程中一切無用、多余的東西被精簡，最終達到包

11、括市場供銷在內(nèi)的生產(chǎn)的各方面最好的結(jié)果。 敏捷制造是指制造業(yè)采用現(xiàn)代通信手段，通過快速配置各種資源（包括技術(shù)、管理和人），以有效、協(xié)調(diào)的方式響應用戶的需求，實現(xiàn)制造的敏捷性。其核心是企業(yè)在不斷變化、不可預測的經(jīng)營環(huán)境中的快速重構(gòu)能力，具體表現(xiàn)為多個企業(yè)的核心制造能力構(gòu)成的動態(tài)聯(lián)盟/虛擬企業(yè)。 并行工程是指對產(chǎn)品及其相關(guān)過程(包括制造過程和支持過程) 進行并行、集成設計的一種系統(tǒng)化工作模式，并行工程要求在開發(fā)設計產(chǎn)品的同時，同步地設計產(chǎn)品生命周期的有關(guān)過程，力求產(chǎn)品開發(fā)人員在設計階段就考慮到整個生命周期的所有因素，包括設計、制造、裝配、檢驗、維護、可靠性和成本等。 CAD/CAM/CAPP技術(shù)是

12、最近幾十年來迅速發(fā)展起來并得到廣泛應用的多學科綜合性的新技術(shù)，已成為產(chǎn)品開發(fā)的有力工具, 新產(chǎn)品的開發(fā)周期由過去幾年開發(fā)一個到現(xiàn)在一年開發(fā)幾十種, 給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟和社會效益。它們的應用適應了當前產(chǎn)品需提高設計質(zhì)量，快速更新?lián)Q代的需求。 虛擬制造實現(xiàn)了從產(chǎn)品的設計、加工、制造到檢驗全過程的動態(tài)模擬，并對企業(yè)的運作進行了合理的決策與最優(yōu)控制虛擬制造以產(chǎn)品的“軟”模型取代了實物樣機，通過對模型的模擬測試進行產(chǎn)品評估，能夠以較低的生產(chǎn)成本獲得較高的設計質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的發(fā)布周期，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率。 總的來說，信息技術(shù)的飛速發(fā)展、競爭激烈的買方市場的形成, 全球大市場和貿(mào)易體系的建立、知識經(jīng)濟

13、的興起以及社會對可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護問題的日益關(guān)注, 使得制造業(yè)的生產(chǎn)方式面臨著巨大的變革。而機械工程前沿技術(shù)正是面向這一趨勢發(fā)展起來的先進的生產(chǎn)模式，運用這些技術(shù)能夠使生產(chǎn)過程更加柔性化，降低生產(chǎn)成本，最重要的是可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，滿足用戶需求，從而提高市場競爭力。機械工程學科在各領(lǐng)域的發(fā)展4.機械工程學科在各領(lǐng)域的發(fā)展4.1機構(gòu)學與機器人領(lǐng)域由于并聯(lián)機構(gòu)有許多的優(yōu)勢，其剛度大、機構(gòu)穩(wěn)定，承載能力大，微動精度高，運動負荷小，反解非常容易。并聯(lián)機器人機構(gòu)學是近20年來國際機構(gòu)學的研究熱點和學科前沿，也是我國學者在國際上具有重要學術(shù)影響的研究領(lǐng)域之一。圖1為新型五自由度并聯(lián)機構(gòu)示意圖。圖1 新型五

14、自由度并聯(lián)機構(gòu)示意圖 基于并聯(lián)機器人的多坐標數(shù)控機床研究已成為機器人研究領(lǐng)域以及機床制造領(lǐng)域的研究熱點。 目前，國內(nèi)外所推出的各種并聯(lián)機床大多數(shù)都是單純利用并聯(lián)機構(gòu)(尤其是其中的Stewart平臺機構(gòu))來構(gòu)造機床(也有一些在并聯(lián)機構(gòu)的動平臺上再串接一、兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)以增加工具的姿態(tài)空間)。根據(jù)其相應的并聯(lián)機構(gòu)所具有的自由度主要有6自由度(6條腿)以及3自由度(3條腿)兩類；按照各分支鏈的驅(qū)動方式可分為兩種形式：一種形式為各分支鏈（定長桿）的一端通過滑塊（或絲杠螺母副）沿固定平臺導軌移動（簡稱“腿滑動”）來改變動平臺的位置及姿態(tài)；另一種形式為通過各分支鏈桿長的伸縮（簡稱“腿伸縮”）來改變動平臺的位

15、置及姿態(tài)。4.1.2發(fā)展與展望 并聯(lián)機器人雖然經(jīng)過了幾十年的研究，在理論上比較成熟，但是很大程度上是在大學的實驗室，真正投入到生產(chǎn)實踐中的并聯(lián)機器人甚少。近年來，先進制造技術(shù)的發(fā)展對并聯(lián)機器人的研究和發(fā)展起著積極的促進作用。隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機器人已從當初的柔性上下料裝置，正在成為高度柔性、高效率和可重組的裝配、制造和加工系統(tǒng)中的生產(chǎn)設備。要從組成敏捷生產(chǎn)系統(tǒng)的觀點出發(fā)，來研究并聯(lián)機器人的進一步發(fā)展。面向先進制造環(huán)境的機器人柔性裝配系統(tǒng)和機器人加工系統(tǒng)中，不僅有多機器人的集成，還有機器人與生產(chǎn)線、周邊設備、生產(chǎn)管理以及人的集成。要想使并聯(lián)機器人充分發(fā)揮其優(yōu)勢性，適應于市場的需求,就需

16、要對并聯(lián)機器人進行模塊化設計。并聯(lián)機器人的模塊化設計正是符合敏捷制造提出的策略，敏捷制造的基本思想是企業(yè)能迅速將其組織和裝備重組，快速響應市場變化，生產(chǎn)出滿足用戶需求的個性化產(chǎn)品。并聯(lián)機器人的模塊化設計為并聯(lián)機器人迅速走向市場奠定了良好的基礎(chǔ)。4.2傳動機械學領(lǐng)域 高速、高效、低能耗、低污染、高智能、微型化是近年來機械傳動和控制研究前沿的基本特征。4.2.1超聲電機超聲電機是基于壓電效應和超聲振動的一種新型微電機，它突破了傳統(tǒng)電磁效應電機原理，具有力矩重量比大、結(jié)構(gòu)簡單、響應快、噪聲低等優(yōu)點。其研究涉及振動學、摩擦學、材料學、電子學、控制和超精密加工等多個學科領(lǐng)域。（一）超聲電機與電磁電機的不

17、同之處 超聲電機從驅(qū)動可控制裝置產(chǎn)生的3040KHz兩個同頻的超聲電壓作用于兩相上，使陶瓷環(huán)和附在它上面的彈性圓環(huán)產(chǎn)生兩個同頻彎曲共振模態(tài)（駐波）。對著兩個同頻超聲電壓在空間上的相位和在時間上的相位進行調(diào)節(jié)，就可以再這兩個駐波迭加成單一的旋轉(zhuǎn)模態(tài)行波，通過定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦作用即可趨勢轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。它沒有磁極繞組和磁路，不依靠電磁相互作用來轉(zhuǎn)換能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應和超聲振動，將定子的微觀變形通過共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子(旋轉(zhuǎn)型電機)或動子(直線型電機)的宏觀運動。它與傳統(tǒng)的電磁電機相比，具有慣性小、響應快、控制性好、不受磁場影響且其本身也不產(chǎn)生磁場、運動準確等特點。特別是它具有重

18、量輕、結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、低速大扭矩以及可直接驅(qū)動負載等特性。它不需要齒輪變速機構(gòu)來降低轉(zhuǎn)速，避免了使用齒輪變速機構(gòu)而產(chǎn)生的振動、沖擊與噪聲等問題?？梢哉f，超聲電機技術(shù)是處于當今世界上的高新技術(shù)之一。 （二）超聲電機的應用 超聲電機研究中心是中國乃至世界最具實力的研究機構(gòu)之一，在理論和技術(shù)上的突出進展和成就，多次受邀在國際重要的學術(shù)會議上做大會特邀報告，在國際上產(chǎn)生了重要影響。超聲電機雖然在我國雖然還沒進入商業(yè)化，但其將來會在各個領(lǐng)域應用廣泛，如航空航天、國防、醫(yī)療、精密微動機構(gòu)、工業(yè)控制、對磁干擾敏感的設備、機器人工業(yè)、高檔汽車等不連續(xù)工作領(lǐng)域。4.3機械動力學領(lǐng)域 非線性動力學、復雜機電系統(tǒng)

19、的故障預示分析和智能維護是機械動力學的前沿研究領(lǐng)域。 機械動力學士一門基于Newton力學，研究機械系統(tǒng)宏觀動態(tài)行為的學科。該科學的研究對象包括幾乎所有具有機械功能的系統(tǒng)，其研究范圍涵蓋了這類系統(tǒng)的建模與仿真、動力學分析與設計、動力學控制、運動狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷等。該學科的主要任務是采用盡可能低的代價使產(chǎn)品在設計、研制、運行各階段具有最佳的動力學品質(zhì)。新型飛行器、告訴車輛、機器人、大型動力機械的發(fā)展不斷向機械工程師提出新的動力學與控制問題，極大地促進了復雜機械系統(tǒng)和多系統(tǒng)的動力學建模與仿真、非線性動力學分析與計算、動力學分析與設計、振動控制、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷等方面的發(fā)展。 近年來，隨著信息科

20、學和非線性科學的發(fā)展，機械動力學的研究內(nèi)涵更加深入，其特征是：在系統(tǒng)的建模夾斷計入各種重要而又復雜的非線性因素、柔性因素、邊際與結(jié)合部效應，應用非線性動力學分析與仿真技術(shù)研究系統(tǒng)的發(fā)范圍動力學特性，基于對系統(tǒng)動力學的深刻理解和采用最新的優(yōu)化方法實現(xiàn)系統(tǒng)的動力學設計，對系統(tǒng)實施各種主動控制乃至智能控制來獲得所需的運動，在研究機電一體化的受控系統(tǒng)時考慮動力學和控制的相互耦合問題，采用各種最新的信息提取和分析方法診斷系統(tǒng)的故障等。4.4機械摩擦學與表面技術(shù)納米摩擦學、生物摩擦學、極端環(huán)境下的摩擦學和界面摩擦學是近年來摩擦學的主要發(fā)展趨勢和前沿。目前在研究中，發(fā)現(xiàn)在動力潤滑和邊界潤滑之間存在一個過渡區(qū)

21、，進而提出了薄膜潤滑的概念，發(fā)明了納米薄膜測量技術(shù)，建立了薄膜潤滑的物理和理論模型。薄膜潤滑研究架起了動力潤滑和邊界潤滑之間的橋梁，被國際上著名專家Granick、Hartl、Spikes等評價為“是對潤滑研究的一個重要貢獻”。摩擦學國家重點實驗室近來又在納米尺度界面微觀黏著摩擦與生物運動的關(guān)系中，建立了壁虎爬行中快速黏附和脫附理論模型；將分子膜氣體潤滑理論與表面力作用相耦合，計算了磁頭運動方程中范德華力對磁頭飛行特性的影響，使磁頭滑塊的承載能力和俯仰轉(zhuǎn)矩明顯減小，改善了磁頭飛行運動的穩(wěn)定性；在界面減阻研究中，提出了微旋渦、微凸體、微空泡減阻新理論及新技術(shù)，大幅度降低了表面摩擦阻力，該技術(shù)已經(jīng)

22、成功用于國家重要工程中。針對工程中出現(xiàn)的大量微動失效問題，發(fā)現(xiàn)了切向微動混合區(qū)域、建立了新的運行工況和材料的微動圖理論；提出了復合微動損傷機制，創(chuàng)造性地發(fā)展和完善了微動摩擦學理論；在生物摩擦學，特別在自然牙的摩擦學研究中，揭示了自然牙的微觀組織結(jié)構(gòu)及其摩擦磨損機制；結(jié)合高速鐵路中的輪軌關(guān)系問題，系統(tǒng)開展了輪軌摩擦學研究，首次在試驗中發(fā)現(xiàn)了輪軌波磨現(xiàn)象，從理論和試驗上深入分析了輪軌波磨的形成機制，取得了重要突破。中國科學院蘭州化學物理研究所劉維民等將自主發(fā)明的納米固體潤滑技術(shù)用于我國航空航天工程，發(fā)揮了重要作用。由于上述一系列突出的學術(shù)進展和成就，摩擦學成為我國機械工程學科在國際學術(shù)界最具影響的

23、學科之一。4.5機械設計學領(lǐng)域 支持復雜機電系統(tǒng)與大型重要裝備自主研發(fā)與創(chuàng)新的現(xiàn)代設計理論、方法與技術(shù)，是近年來設計學的研究熱點和學科前沿。 針對在以批量生產(chǎn)的成本、效率來生產(chǎn)多樣性、個性化的定制產(chǎn)品中如何實現(xiàn)干變?nèi)f化的定制設計這個技術(shù)難題，提出并實現(xiàn)了產(chǎn)品配置、產(chǎn)品變型、產(chǎn)品進化和產(chǎn)品遞歸這4項大批量定制關(guān)鍵設計技術(shù)，從而實現(xiàn)了將復雜機電產(chǎn)品模糊定制需求轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品信息模型的功能定制設計；提出并實現(xiàn)了相似定制、派生定制、替換定制與關(guān)聯(lián)定制4種廣義定制的模塊化技術(shù)，從而將現(xiàn)有變參數(shù)的變型設計拓展到變結(jié)構(gòu)、變部件、變參數(shù)的變型定制設計；將4種廣義定制應用于裝備產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、形狀、性能4個方面，

24、形成了獨特的、有規(guī)律可循的(44)16種定制設計工具，從而實現(xiàn)了不同產(chǎn)品、不同類型、不同工況千變?nèi)f化的復雜定制設計。提出了工程過渡狀態(tài)、模糊狀態(tài)、隨機狀態(tài)建模與數(shù)字樣機集成的仿真設計技術(shù)，獨創(chuàng)性地提出了分數(shù)維、整數(shù)維、高維相結(jié)合的混合維設計建模方法，有效提高了基于數(shù)字樣機設計的可信度和可用度。 計算機輔助學與圖形技術(shù)是現(xiàn)代的重要研究內(nèi)容，目前提出了以全系統(tǒng)、全性能和全壽命周期優(yōu)化為目標的廣義優(yōu)化設計理論，研究了方案智能生成和柔性優(yōu)化方法、基于多Agent的分布式協(xié)同優(yōu)化技術(shù)、基于區(qū)間分析的系列化設計方法等，建立了原理解特征模型和智能概念設計目錄，提出了基于基因工程的概念設計策略。研究了采掘機器

25、人和多功能組合式工程機器人實驗裝置在國際上首先實現(xiàn)了作業(yè)過程的局部自主控制，還在國內(nèi)外首先研制成功集工況監(jiān)測與故障查找、節(jié)能控制、遠程無線遙控和局部自主智能操縱于一體的液壓挖掘機器人。4.6機械仿生學領(lǐng)域 機械工程學科與納米科學、信息科學和生物科學的交叉是20年來學科發(fā)展的最大特點。其中傷生機械科學已經(jīng)發(fā)展成為一門相對獨立的交叉學科體系。 生物體作為有機整體，其自身具有高度自適應協(xié)調(diào)控制能力，土壤動物優(yōu)異的脫附減阻功能就是上述各種因素高度調(diào)控的結(jié)果，不同的生物在不同的生存環(huán)境中，不僅其脫附減阻方式的調(diào)控程度會不同，而且側(cè)重點也會不同，這些都是仿生研究的天然藍本，對于脫附減阻仿生而言，人們既可以

26、獨立對其某一方面或某一個因素進行單元仿生，也可以同時模擬生物脫附的多個方面或多個因素進行多元耦合(協(xié)同)仿生，進行單元仿生時，特別要注重模擬那些對生物脫附減阻起主要作用的因素。 目前通過1000多個不同形狀和尺寸的仿生非光滑推土板實驗、仿真模擬和理論分析，掌握了非光滑表面脫附減阻的規(guī)律和技術(shù)，開辟了我國機械仿生學領(lǐng)域。近年來該研究團隊又在仿生柔性動態(tài)減阻、仿生電滲脫附等方面取得了重要進展，在國際仿生學界產(chǎn)生了重要影響。他們發(fā)明了一系列地面機械脫附減阻仿生技術(shù)，并成功地應用于農(nóng)業(yè)機械和國防工程。將脫附減阻仿生技術(shù)應用于犁壁、圓盤犁犁體以及深松機具工作部件等農(nóng)業(yè)機械觸土部件，減阻效果明顯。4.7數(shù)

27、字制造領(lǐng)域 數(shù)字制造是機械制造學科與信息學科交叉的產(chǎn)物，是機械制造現(xiàn)代化最重要的體現(xiàn)。現(xiàn)在數(shù)字制造已成為信息化制造的代名詞，已經(jīng)廣泛深入到機械系統(tǒng)和制造過程中。 中國第一臺全數(shù)控錐齒輪磨齒機，2007年湖南中大創(chuàng)遠數(shù)控裝備有限公司依靠自主創(chuàng)新，整合全球資源，制造了中國第一臺全數(shù)控銑齒機、中國第一臺全數(shù)控錐齒輪磨齒機、中國第一條錐齒輪數(shù)字制造化生產(chǎn)線等眾多“第一”，在數(shù)控錐齒輪裝備領(lǐng)域步入世界領(lǐng)先水平。 2008年10月9日我國第一臺低頻大扭矩無級變速數(shù)控車床近日在山東萊蕪研制成功。這種車床彌補了傳統(tǒng)車床主軸結(jié)構(gòu)復雜、換擋停車、費工耗時的缺點，真正實現(xiàn)了車床主軸的全自動控制，填補了一項國內(nèi)外空白

28、。車床產(chǎn)業(yè)是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)，但目前，中國車床大部分依賴進口。我國第一臺主軸全自動控制數(shù)控車床的研制成功，將提升我國裝備制造業(yè)的自主創(chuàng)新能力。 目前針對發(fā)動機類零件設計、制造、測量中存在的普遍難點問題，以復雜曲面零件快速開發(fā)中的共性理論和關(guān)鍵技術(shù)為突破口，提出了基于可視錐的幾何推理新方法、復雜曲面輪廓誤差的統(tǒng)一判別理論，基于線幾何理論的直紋面類型判別與參數(shù)重構(gòu)、復合形夾持理論及定性定量分析等數(shù)字制造基礎(chǔ)理論；開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的復雜產(chǎn)品數(shù)字建模和可制造性分析軟件系統(tǒng)；建立了集成快速測量、數(shù)字建模及面向制造設計于一體的系統(tǒng)平臺，應用于缸蓋類、進排氣管道類、葉片類等復雜曲面零件快速產(chǎn)品開發(fā)，

29、在汽車、國防等行業(yè)得到成功推廣，取得了重大的社會效益和經(jīng)濟效益。 由于數(shù)控機床不斷采納科學技術(shù)發(fā)展中的各種新技術(shù)，使得其功能日趨完善，數(shù)控技術(shù)在機械加工中的地位也顯得越來越重要，數(shù)控機床的廣泛應用是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。為了滿足市場和科學技術(shù)發(fā)展的需要，為了達到現(xiàn)代制造技術(shù)對數(shù)控技術(shù)提出的更高的要求，數(shù)控未來仍然繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向、高速化和高精度化、智能化等方向發(fā)展。 4.8機械測量學科領(lǐng)域 大尺寸和微納尺寸測量、極端環(huán)境條件下的測量、納米計量、無線網(wǎng)絡測量和智能數(shù)字化測量是近年來測量領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。機械測量是近年來機械工程研究中原創(chuàng)性技術(shù)成果產(chǎn)生最多的領(lǐng)域。 微/納米

30、測量：研究微納結(jié)構(gòu)的力學性能測量與納米振動測量技術(shù)。它采用納米壓入法和微梁彎曲法兩種測量方法，利用連續(xù)相位和散斑平均法相結(jié)合的納米動態(tài)測量技術(shù)，應用于MEMS動態(tài)測量，分辨率可達到0.1nm，精度達到1nm。能夠解決微結(jié)構(gòu)性能評價關(guān)鍵問題的一項微納結(jié)構(gòu)的力學性能測量技術(shù)。 微/納米技術(shù)作為當前發(fā)展最迅速，研究廣泛、投入最多的科學技術(shù)之一，被認為是當前科技發(fā)展的重要前沿。在該科技中，微/ 納米的超精密測量技術(shù)是代表性的研究領(lǐng)域，也是微/ 納米科技得以發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。在微/ 納測量領(lǐng)域，基礎(chǔ)問題包括納米計量、納米測量系統(tǒng)理論與設計、微觀形貌測量等方面，主要研究問題和方向為：基于掃描電子顯微鏡的精

31、密納米計量、微納坐標測量機（分子測量機）、基于干涉的非接觸微觀形貌測量、基于原子晶格作刻度的X 射線干涉測量及其與光學干涉儀的組合原理、納米測量系統(tǒng)設計理論和微納尺寸測量條件的研究等。涉及的重要工程測量問題有：面向MEMS 和MOEMS的微尺度測量、面向22nm45nm極大規(guī)模集成電路制造的測量等。 儀器校準和量值傳遞是保證精度的最重要基礎(chǔ)。目前在先進制造測量領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)明空間尺寸測量的現(xiàn)場校準方法和裝置，解決了現(xiàn)代制造中急需解決的現(xiàn)場校準及其裝置問題。該成果的主要創(chuàng)新點在于：利用多種靶標特殊幾何結(jié)構(gòu)和自身基準尺寸以及在測量空間內(nèi)不同位置的量值傳遞關(guān)系作為約束條件，建立了全新的現(xiàn)場校準方法和裝置

32、，能夠在大范圍空間進行現(xiàn)場校準；提出了小分束角渥拉斯頓棱鏡和直角棱鏡作為反射鏡的共光路自適應系統(tǒng)，測量結(jié)果穩(wěn)定性好；提出了互易回歸非線性現(xiàn)場校準方法，對測量結(jié)果進行回歸，發(fā)現(xiàn)各自測量的非線性誤差，實現(xiàn)高分辨率測微儀現(xiàn)場校準。在上述基礎(chǔ)上，提出了基于機器人的柔性視覺現(xiàn)場誤差測量技術(shù)，已經(jīng)用于飛機和汽車車身的高精度制造誤差測量。5.機械工程學科優(yōu)先領(lǐng)域5.1納米加工、納米測量及納米機械學 納米技術(shù)是21 世紀的重要前沿領(lǐng)域，納米加工和測量技術(shù)關(guān)系到國家的聲譽和安全，同時也是微型機電系統(tǒng)和超精密儀器制造技術(shù)的要求。目前應著重解決納米測量溯源、傳遞、定位、對準的技術(shù)和理論問題，以及納米尺度加工的新工藝

33、和新方法。面對國際市場的激烈競爭，應該注重發(fā)展新原理、新方法和新技術(shù)，奪取技術(shù)上的制高點。也要為我國在生命科學，通訊和物理、化學等領(lǐng)域的重大突破提供技術(shù)支持。5.2微型機電系統(tǒng)的設計與制造理論和技術(shù)微機電系統(tǒng)是機械技術(shù)和電子技術(shù)在微/ 納米尺度上相融合的產(chǎn)物，它的發(fā)展極其迅速，并有可能在下個世紀對世界科技、經(jīng)濟發(fā)展和國防建設產(chǎn)生巨大的影響。它涉及到諸如靜力、慣性力和表面引力等靜力學效應，流體力學、摩擦力等動力學效應，微結(jié)構(gòu)學和運動學、微傳熱學、近波長光學傳輸理論和低維材料學等多學科交叉的前沿科學問題。在微機電系統(tǒng)中微結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)基礎(chǔ)方面要深入開展高深寬比刻蝕技術(shù)、深干法刻蝕技術(shù)和特種加工技術(shù)

34、等創(chuàng)新性加工原理方面的研究；微機械和微電子設計與制造的兼容性研究是實現(xiàn)集成的重要研究內(nèi)容，應引起足夠的重視。5.3仿生機械與生物制造 生命科學必將對21 世紀的技術(shù)進步與社會發(fā)展產(chǎn)生重大影響。機械科學與生命科學的融合交叉將產(chǎn)生嶄新的工藝與產(chǎn)品，形成一個富有發(fā)展?jié)摿Φ男庐a(chǎn)業(yè)。制造仿生與生物制造是一個極富創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的前沿領(lǐng)域。這方面的研究內(nèi)容包括：生物活體組織的工程化制造；仿生設計技術(shù)與仿生制造系統(tǒng)；仿生微型機械及其生物制造工藝；生物遺傳制造（基于遺傳基因的生長成形技術(shù)）。5.4智能機械結(jié)構(gòu)及系統(tǒng) 智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是在結(jié)構(gòu)中集成傳感器、控制器及執(zhí)行器，賦予結(jié)構(gòu)健康自診斷，環(huán)境自適應及損傷自愈合等某

35、些智能功能與生命特征，以達到增強結(jié)構(gòu)安全、減輕重量、降低能耗和提高性能等目的一種仿生結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，主要內(nèi)容有：智能機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)的研究；典型智能機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究。該領(lǐng)域的研究內(nèi)容還包括：智能機器人和智能制造系統(tǒng)等。5.5數(shù)字化制造（含虛擬制造、網(wǎng)絡制造、模擬仿真和虛擬測試等） 21 世紀將是數(shù)字化制造的時代，通過對設計與制造過程的數(shù)字化理論與技術(shù)的研究，實現(xiàn)在高度交互、高度仿真的虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的新一代虛擬設計、虛擬制造和網(wǎng)絡制造，這將會使制造技術(shù)和制造產(chǎn)業(yè)發(fā)生革命性的變化。測試技術(shù)和測試儀器的虛擬化、控件化及其科學問題的解決將是測試技術(shù)及測試儀器領(lǐng)域的一大突破。針對材料科學的新發(fā)

36、展和制造技術(shù)發(fā)展的新需求，研究按零件最佳使用功能要求來研究理想材料零件的數(shù)字化設計制造的融合理論與方法和材料與零件的數(shù)字化成形制造的新方法。這是一個多學科交叉的前沿科學問題，將會使人們長期以來設想按力學、電磁學性能高效設計和制造零件的愿望成為現(xiàn)實。5.6可重構(gòu)制造系統(tǒng) 為適應快速變化的市場需求和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，制造系統(tǒng)及其企業(yè)應當是靈活多變可重組的?？芍亟M制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及優(yōu)化設計理論、柔性制造單元及可重組制造系統(tǒng)的隨機動態(tài)規(guī)劃、可重組制造系統(tǒng)的工藝及裝備研究等，都是在新世紀初要解決的關(guān)鍵科學技術(shù)問題。5.7高效、精密及低成本加工機理、工藝及裝備 產(chǎn)品的快速響應制造、綠色制造和超精密工程

37、在21 世紀對加工工藝和裝備提出了新的要求，需要在加工機理、加工工藝、加工質(zhì)量保證、新的加工方法、新型加工及控制設備、新型工具材料及結(jié)構(gòu)等方面進行深入研究，形成可靠、優(yōu)質(zhì)、高效、精密、特種、創(chuàng)新的加工工藝及裝備技術(shù)，對發(fā)展我國制造技術(shù)，提高產(chǎn)品制造質(zhì)量，推動國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。并聯(lián)機床的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)、超高速切削和磨削的機理、新型刀具及磨具材料和結(jié)構(gòu)的基本理論、超精密加工、基于環(huán)境意識的加工制造技術(shù)等都是新世紀初要研究的重要課題。5.8高效、精確、低成本成形及裝備的理論和技術(shù) 精確成形技術(shù)和計算機的模擬仿真是現(xiàn)代成形技術(shù)兩個最突出的發(fā)展方向。在復雜大型模具的仿真模擬及其設計制造、大型鑄鍛件

38、的質(zhì)量保證技術(shù)、復雜零件（如發(fā)動機）的制造技術(shù)、激光加工技術(shù)基礎(chǔ)、快速原型數(shù)字制造技術(shù)、焊接智能自動化、成形制造過程的清潔生產(chǎn)研究等方面開展以知識為基礎(chǔ)的（KBE），以高質(zhì)量、短周期、低成本為總目標的鑄造、塑性加工和連接工藝技術(shù)和裝備基礎(chǔ)性研究，就成為此領(lǐng)域的重要方向。5.9產(chǎn)品的綠色設計和制造 研究內(nèi)容包括：建立綠色產(chǎn)品、綠色制造系統(tǒng)的模型，把涉及環(huán)境、生態(tài)等經(jīng)驗性描述和相關(guān)學術(shù)思想等內(nèi)容用數(shù)學方法融入到設計制造理論體系中；綠色產(chǎn)品的評價指標體系和方法；機械設備和國防裝備再制造中的關(guān)鍵技術(shù)，如再制造裝備系統(tǒng)失效行為的物理模型、再制造毛坯納米復合及原位自愈合生長成型技術(shù)、再制造部件和產(chǎn)品綜合性

39、能在線檢測和計算機模擬等。隨著機械裝備機電一體化程度的不斷提高，電磁污染問題也是亟待研究的問題。5.10產(chǎn)品創(chuàng)新設計和全性能、全生命周期優(yōu)化設計 加強產(chǎn)品創(chuàng)新設計研究，既是機械學科發(fā)展的需要，也是提高我國綜合競爭力的需要。產(chǎn)品開發(fā)理論和方法學、產(chǎn)品開發(fā)中的知識處理和信息技術(shù)、網(wǎng)絡環(huán)境下的異地設計技術(shù)和虛擬設計等是該領(lǐng)域內(nèi)急需研究的幾個方向。5.11摩擦學前沿 摩擦學貫穿于產(chǎn)品的設計、制造、使用及維修等整個過程，是機械工程學科的基礎(chǔ)和前沿領(lǐng)域之一。目前，微摩擦學及微動摩擦學、特殊工況下的摩擦學問題、納米及分子尺度上的摩擦學研究、新材料及先進表面處理的減摩抗磨研究、生物摩擦學、摩擦學性能的主動與智能控制、摩擦學設計及綠色問題等是摩擦學研究的熱點。在研究界面摩擦行為、損傷、失效機理的基礎(chǔ)上，要與工程實際相結(jié)合，解決工業(yè)中的關(guān)鍵摩擦學問題。5.12機械系統(tǒng)動力學建模與控制 21 世紀初，機械動力學將受到高速載運工具、智能機械和微機電系統(tǒng)的發(fā)展需求牽引和信息科學與技術(shù)的推動，沿著動力學建模、仿真、分析與控制一體化的主線發(fā)展。在其發(fā)展中，特別應受到關(guān)注的研究內(nèi)容有：對包括機、液、電、磁多場耦合，帶有智能控制的復雜系統(tǒng)的動力學描述，嵌入人工智能的系統(tǒng)映射動力學分析及控制，以