机械工程前沿讲座.docx

机械工程前沿近年来，机械工程学科在各大领域内取得了一系列突破性进展和原创性成果，为 繁荣的经济建设提供了大量的理论方法和实践经验，对世界产生了重要的影响 今，今今今对 前机戒工程前沿技术以及机械工程领域的发展现状，综述了其重要 进展和成果，并对今国机械工程的发展趋势进行了展望机械工程是一门与机械和动力生产有关的工程学科，它以有关的自然科学和技 术科学为理论基础，结合生产实践中的技术经验，研究和解决在开发、设计、制造、 安装、运用和修理各种机械中的全部理论和实际问题机械工程学科包含以下几个方面：机械制造及其自动化机械电子工程、机械设 计及理论、车辆工程和仿生技术机械工程的服务领域广阔而多面，凡是使用机械、 工具，以至能源和材料生产的部门，无不需要机械工程的服务概括说来，现代机 械工程有五大服务领域：研制和提供能量转换机械；研制和提供用以生产各种产品 的机械；研制和提供从事各种服务的机械；研制和提供家庭和个人生活中应用的机 械；研制和提供各种机械武器机械的发展经历了从制造简单工具到制造由多个零件、部件组成的现代机械的 漫长过程机械工程以增加生产、提高劳动生产率、提高生产的经济性为目标来研 制和发展新的机械产品。

随着世界的进步、国家的需求和学科的发展，机械工程科学 的发展出现了以下显著特点和趋势：一方面，高技术领域如光电子、微纳系统、航 空航今、生物医学、重大工程等的发展，要求机械与制造科学向这些领域提供更多 更好的新理论、新方法和新技术，因而出现和发展着微纳制造、仿生及生物制造、 微电子制造等制造科学新领域；另一方面，随着机械与制造科学与信息科学、生命 科学、材料科学、管理科学、纳米科学技术的交叉，除了推动着机构学、摩擦学、 动力学、结构强度学、传动学和设计学的发展外，还产生和发展着仿生机械学、纳 米摩擦学、制造信息学、制造管理学等新的交叉科学在未来的时代，新产品的研制 将以降低资源消耗，发展洁净的再生能源，治理、减轻以至消除环境污染作为超经 济的目标任务机械工程学科的定义及范围机械工程科学是研究机械系统和产品的性能、设计及制造的理论、方法和技术的 科学，包括机械学和制造科学两大领域机械学是研究机械结构和系统性能及其设计理论与方法的科学，包括制造过程 及机械系统所涉及的机构学、传动学、动力学、强度学、摩擦学、设计学、仿生机 械学、微纳机械学及界面机械学等制造科学涵盖产品设计、成形制造（铸造成形、塑性成形、连接成形、模具制造、 表面工程等）、加工制造（超精密加工、高效加工、非传统加工、复杂曲面加工、测 量及仪器、装备设计及制造、表面功能结构制造、微纳制造、仿生和生物制造）和制 造系统运作管理等科学。

莫兹利；英国人，发明家，现代车床的发明人，被称为英国机床工业之父1771年8月22日生于肯特郡伍利奇，1831年2月14日卒于伦敦莫兹利于797年制成 第一台螺纹切削车床，它带有丝杆和光杆，采用滑动刀架一莫氏刀架和导轨，可车削不同螺 距的螺纹亨利•福特被称为“为世界装上轮子的人”•亨利福特于1903年创立了福特汽车 公司1908年生产出世界上第一辆 型车1913 年，该公司又开发出了世界上第一条流水线，缔造了一个至今仍未被打破的世界纪录•福特汽车标志及他的第一辆汽车它旗下拥有的汽车品牌有阿斯顿•马丁 n）、福特（Ford）、捷豹 r）、路虎）、林肯 In）、马自达 ）、水星 ry）此外，还拥有世界最大的汽车信贷企业-福特信贷 t）、全球最大的汽车租赁公司-赫兹 ）以及汽车服务品牌ty Care）流水线之前，汽车工业完全是手工作坊型的••每装配一辆汽车要 8个人工小时，今时汽车的年产量大约12辆.这一速度远不能满足巨 大的消费市场的需求•所以使得汽车成为富人的象征.•福特的梦想是让汽车成为大众化的交通工具•所以，提高生产速度和生产效率是关键•只有 降低成本,才能降低价格，使普通百姓也能买的起汽车.•少品种大批量以批量降低成本成本降低进步扩大批量流水线的形成• 1913年，福特应用创新理念和反向思维逻辑提出在汽车组装中，汽车底盘在传送带上以一 定速度从一端向另一端前行.前行中，逐步装上发动机，操控系统，车厢，方向盘，仪表，车 灯，车窗玻璃、车轮，一辆完整的车组装成了.第一条流水线使每辆 型汽车的组装时间由原来 的12小时28分钟缩短至 秒钟，生产效率提高了 8倍！流水线是怎样提高速度的•流水线是把一个重复的过程分为若干个子过程，每个子过程可以和其他子过程并行运 作•福特的流水线不仅把汽车放在流水线上组装，也花费大量精力研究提高劳动生产率•福特 把装配汽车的零件装在敞口箱里，放在输送带上，送到技工面前，工人只需站在输送带两边， 节省了来往取零件的时间.而且装配底盘时，让工人拖着底盘通过预先排列好的一堆零件，负 责装配的工人只需安装，这样装配速度自然加快了。

他在一年之中生产几十万辆汽车，这个新 的系统既有效又经济.结果他把汽车的价格削减了一半，降至每辆60美元，1913年，美国人均 收入为 1美元,1914年，一个工人工作不到四个月就可以买一辆T型车流水线的意义•它使产品的生产工序被分割成一个个的环节，工人间的分工更为细致，产品的质量和产 量大幅度提高，极大促进了生产工艺过程和产品的标准化制成品被大量生产出来，尤其是多样 的日用品在流水线上变成了标准化商品汽车生产流水线以标准化、大批量生产来降低生产成 本，提高生产效率的方式适应了美国 时的国情，汽车工业迅速成为美国的一大支柱产业当当是美国古典管理学家，科学管理的创始人，被管理界誉为科学管理之父他从一名 学徒工开始，先后被提拔为车间管理员，技师，小组长，工长，设计室主任和总工程师 认为科学管理的根本目的是谋求最高劳动生产率，最高的工作效率是雇主和雇员达到共同富裕 的基础，要达到最高的工作效率的重要手段是用科学化的、标准化的管理方法代替经验管理认为最佳的管理方法是任务管理法，当当在他的主要著作《科学管理原理》中所阐述了科 学管理理论，使人当认识到了管理是一门建立在明确的法规、条文和原则之上的科学。

当当的 科学管理主要有两大贡献：一是管理要走向科学；二是劳资双方的精神革命当当科学管理的 内容可分为三个方面：作业管理、组织管理和管理哲学3•机械工程前沿技术机械工程前沿的主要技术和内容有以下几个方面：1）成组技术；2）精益生产 （ ）;3）敏捷制造（ ing）； 4）并行工程（g）； 5） CAD/CAPP/CAM； 6）虚拟制造；7） CIMS 等成组技术是按一定的相似性准则分类编组，并以这些组为基础，组织成产各个 环节，实现多品种小批量生产的产品设计、制造和管理的合理化从而克服传统小 批量生产方式的缺点，使小批量生产能获得接近大批量生产的技术经济效果它的 根本目的是提高工作效率，减少重复劳动，从而提高经济效率精益生产是通过系统结构、人员组织、运行方式和市场供求等方面的变革，使 生产系统能很快适应用户需求不断变化，并能使生产过程中一切无用、多余的东西被 精简，最终达到包括市场供销在内的生产的各方面最好的结果敏捷制造是指制造业采用现代通信手段，通过快速配置各种资源（包括技术、 管理和人），以有效、协调的方式响应用户的需求，实现制造的敏捷性其核心是企 业在不断变化、不可预测的经营环境中的快速重构能力，具体表现为多个企业的核 心制造能力构成的动态联盟/虚拟企业。

并行工程是指对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、集成 设计的一种系统化工作模式，并行工程要求在开发设计产品的同时，同步地设计产 品生命周期的有关过程，力求产品开发人员在设计阶段就考虑到整个生命周期的所 有因素，包括设计、制造、装配、检验、维护、可靠性和成本等CAD/CAM/CAPP技术是最近几十年来迅速发展起来并得到广泛应用的多学科 综合性的新技术，已成为产品开发的有力工具，新产品的开发周期由过去几年开发 一个到现在一年开发几十种，给企业带来了巨大的经济和社会效益它们的应用适 应了们前产品需提高设计质量，快速更新换代的需求虚拟制造实现了从产品的设计、加工、制造到检验全过程的动态模拟，并对企 业的运作进行了合理的决策与最优控制.虚拟制造以产品的“软”模型取代了实物样 机，通过对模型的模拟测试进行产品评估，能够以较低的生产成本获得较高的设计 质量，缩短了产品的发布周期，提高了企业生产效率总的来说，信息技术的飞速发展、竞争激烈的买方市场的形成，全球大市场和 贸易体系的建立、知识经济的兴起以及社会对可持续发展和环境保护问题的日益关 注，使得制造业的生产方式面临着巨大的变革而机械工程前沿技术正是面向这一 趋势发展起来的先进的生产模式，运用这些技术能够使生产过程更加柔性化，降低 生产成本，最重要的是可以提高产品质量，满足用户需求，从而提高市场竞争力。

机械工程学科在各领域的发展4•机械工程学科 的发展4.1机构学与机器人由于并联机构有许多的优势，其刚度大、机构稳定，承载能力大，微动精度高, 运动负荷小，反解非常容易并联机器人机构学是近20年来国际机构学的研究热点 和学科前沿，也是我国学者在国际上具有重要学术影响的研究领域之一图1为新 型五自由度并联机构示意图图1 新新新机构示意图基于并联机器人的多坐标数控机床研究已成为机器人研究领域以及机床制造领 域的研究热点目前，国内外所推出的各种并联机床大多数都是单纯利用并联机构（尤其是其中 的 art平台机构）来构造机床（也有一些在并联机构的动平台上再串接一、两个转 动关节以增加工具的姿态空间）根据其相应的并联机构所具有的自由度主要有6自 由度（6条腿）以及3自由度（3条腿）两类；按照各分支链的驱动方式可分为两种形式: 一种形式为各分支链（定长杆）的一端通过滑块（或丝杠螺母副）沿固定平台导轨 移动（简称“腿滑动”）来改变动平台的位置及姿态；另一种形式为通过各分支链杆 长的伸缩（简称“腿伸缩”）来改变动平台的位置及姿态4.1.2发展与展望并联机器人虽然经过了几十年的研究，在理论上比较成熟，但是很大程度上是 在大学的实验室，真正投入到生产实践中的并联机器人甚少。

近年来，先进制造技术 的发展对并联机器人的研究和发展起着积极的促进作用随着先进制造技术的发展, 工业机器人已从我初的柔性上下料装置，正在成为高度柔性、高效率和可重组的装 配、制造和加工系统中的生产设备要从组成敏捷生产系统的观点出发，来研究并 联机器人的进一步发展面向先进制造环境的机器人柔性装配系统和机器人加工系 统中，不仅有多机器人的集成，还有机器人与生产线、周边设备、生产管理以及人 的集成要想使并联机器人充分发挥其优势性，适应于市场的需求，就需要对并联机 器人进行模块化设计并联机器人的模块化设计正是符合敏捷制造提出的策略，敏 捷制造的基本思想是企业能迅速将其组织和装备重组，快速响应市场变化，生产出 满足用户需求的个性化产品并联机器人的模块化设计为并联机器人迅速走向市场 奠定了良好的基础4.2传动机械学高速、高效、低能耗、低污染、高智能、微型化是近年来机械传动和控制研究 前沿的基本特征4.2.1超声电机超声电机是基于压电效应和超声振动的一种新型微电机，它突破了传统电磁效 应电机原理，具有力矩重量比大、结构简单、响应快、噪声低等优点其研究涉及振 动学、摩擦学、材料学、电子学、控制和超精密加工等多个学科领域。

一） 超声电机与电磁电机的不同之处超声电机从驱动可控制装置产生的 两个同频的超声电压作用于两相上,使陶瓷环和附在它上面的弹性圆环产生两个同频弯曲共振模态（驻波）对着两 个同频超声电压在空间上的相位和在时间上的相位进行调节，就可以再这两个驻波 迭加成单一的旋转模态一行波，通过定子和转子间的摩擦作用即可趋。