機械工程學科前沿課件

機械工程學科前沿

Frontiersofmechanicalengineering主講人：肖漢斌機械工程學科前沿

Frontiersofmechani1主要內(nèi)容機械工程學科前沿港口機械方面的研究前沿主要內(nèi)容機械工程學科前沿2機械工程學科架構機械工程一級學科二級學科機械設計及理論機械電子工程機械制造及其自動化自主設立學科:物流技術與裝備車輛工程機械工程學科架構機械工程一級學科二級學科機機機自主設立學科:3一、機械工程學科的定義、范圍二、國內(nèi)外機械工程學科發(fā)展現(xiàn)狀及進展三、機械工程學科發(fā)展展望一、機械工程學科的定義、范圍二、國內(nèi)外機械工程學科發(fā)展現(xiàn)4一、機械工程學科的定義及范圍機械工程學科是研究機械系統(tǒng)和產(chǎn)品的性能、設計及制造的理論、方法和技術的科學，包括機械學和制造科學兩大學術領域。機械學是研究機械結(jié)構和系統(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。一、機械工程學科的定義及范圍機械工程學科是研究機械系統(tǒng)和產(chǎn)品5一級代碼二級代碼三級代碼機械學機構學與機器人機構學與機器組成原理機構運動學與動力學機器人機械學傳動機械學機械傳動流體傳動復合傳動機械動力學振動/噪聲測試、分析與控制機械系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測、診斷與維護機械結(jié)構與系統(tǒng)動力學表1：機械工程學科的學術范圍一級代碼二級代碼三級代碼機機構學與機器人機構學與機器組成原理6表2：機械工程學科的學術范圍（續(xù)1）一級代碼二級代碼三級代碼機械學機械結(jié)構強度學機械結(jié)構損傷、疲勞與斷裂機械結(jié)構強度理論與可靠性設計機械結(jié)構安全評定機械摩擦學與表面技術機械摩擦、磨損與控制機械潤滑、密封與控制機械表面效應與表面技術工程摩擦學與摩擦學設計機械設計學設計理論與方法概念設計與優(yōu)化設計智能設計與數(shù)字化設計機械系統(tǒng)集成設計機械仿生學機械仿生原理仿生機械設計與制造人－機－環(huán)境工程學表2：機械工程學科的學術范圍（續(xù)1）一級代碼二級代碼三級代7一級代碼二級代碼三級代碼制造科學零件成形制造鑄造工藝與裝備塑性加工工藝、模具與裝備焊接結(jié)構、工藝與裝備近凈成形與快速制造零件加工制造切削、磨削加工工藝與裝備非傳統(tǒng)加工工藝與裝備超精密加工工藝與裝備高能束加工工藝與裝備制造系統(tǒng)與自動化數(shù)控技術與裝備數(shù)字化制造與智能制造可重構制造系統(tǒng)可持續(xù)設計與制造制造系統(tǒng)調(diào)度、規(guī)劃與管理表3：機械工程學科的學術范圍（續(xù)2）一級代碼二級代碼三級代碼制零件成形制造鑄造工藝與裝備塑性加工8一級代碼二級代碼三級代碼制造科學機械測試理論與技術機械計量標準、理論與方法機械測試理論、方法與技術機械傳感器技術與測試儀器機械制造過程監(jiān)測與控制微/納機械系統(tǒng)微/納機械驅(qū)動器與執(zhí)行器件微/納機械傳感與控制微/納制造過程檢測與控制微/納機械系統(tǒng)組成原理與集成表4：機械工程學科的學術范圍（續(xù)3）一級代碼二級代碼三級代碼制機械測試理論與技術機械計量標準、理9二、機械工程學科發(fā)展現(xiàn)狀及重要進展二、機械工程學科發(fā)展現(xiàn)狀10學校名稱英文名稱國家或地區(qū)美國麻省理工學院MassachusettsInstituteofTechnology美國加州大學伯克利分校UniversityofCalifornia–Berkeley美國劍橋大學UniversityofCAMBRIDGE英國美國斯坦福大學StanfordUniversity美國加州理工學院CaliforniaInstituteofTechnology美國倫敦大學學院UCL(UniversityCollegeLondon)英國帝國理工學院IMPERIALCollegeLondon英國普林斯頓大學PRINCETONUniversity美國約翰．霍普金斯大學JOHNSHOPKINSUniversity美國康乃爾大學CornellUniversity美國表5：世界前100名大學中開設機械工程專業(yè)的學校

（1-10）學校名稱英文名稱國家美國麻省理工學院Massachusett11表6：世界前100名大學中開設機械工程專業(yè)的學校(11-20）麥吉爾大學McgillUniversity加拿大密西根大學-安娜堡分校UniversityofMichigan-AnnArbor美國愛丁堡大學UniversityofEDINBURGH英國蘇黎世理工學院ETHZurich瑞士東京大學UniversityofTOKYO日本國王學院KING'SCollegeLondon英國京都大學KYOTOUniversity日本曼徹斯特大學UniversityofMANCHESTER英國美國卡內(nèi)基米隆大學CarnegieMellonUniversity(PA)美國多倫多大學UniversityofTORONTO加拿大表6：世界前100名大學中開設機械工程專業(yè)的學校(11-212表7：世界前100名大學中開設機械工程專業(yè)的學校

（21-30）香港大學UniversityofHONGKONG香港西北大學NORTHWESTERNUniversity美國布里斯托爾大學UniversityofBRISTOL英國香港科技大學HONGKONGUniversityofScienceAndTech香港不列顛哥倫比亞大學UniversityofBRITISHCOLUMBIA加拿大昆士蘭科技大學UniversityofQUEENSLAND澳大利亞莫納什大學MONASHUniversity澳大利亞清華大學TSINGHUAUniversity中國東京工業(yè)大學TOKYOInstituteofTechnology日本表7：世界前100名大學中開設機械工程專業(yè)的學校（21-313表8：國內(nèi)機械工程具有一級學科博士授予權的大學（43所）1-10：

一級學科博士點授權單位一級學科國家重點學科二級學科國家重點學科機械制造及其自動化機械電子工程機械設計及理論清華大學△浙江大學△上海交通大學△華中科技大學△吉林大學△西安交通大學△四川大學哈爾濱工業(yè)大學△山東大學△天津大學△表8：國內(nèi)機械工程具有一級學科博士授予權的大學（43所）1-14表9：國內(nèi)機械工程具有一級學科博士授予權的大學（順序按2009年綜合排名）11-20：

中南大學△東南大學北京航空航天大學△大連理工大學△同濟大學△華南理工大學△重慶大學△西北工業(yè)大學△北京理工大學△中國農(nóng)業(yè)大學表9：國內(nèi)機械工程具有一級學科博士授予權的大學（順序按20015表10：國內(nèi)機械工程具有一級學科博士授予權的大學（順序按2009年綜合排名）21-30：湖南大學△東北大學△南京航空航天大學△武漢理工大學△上海大學△北京科技大學△西安電子科技大學南京理工大學西南交通大學△中國礦業(yè)大學△表10：國內(nèi)機械工程具有一級學科博士授予權的大學（順序按2016表10：國內(nèi)機械工程具有一級學科博士授予權的大學（順序按2009年綜合排名）31-43：北京交通大學北京工業(yè)大學燕山大學△哈爾濱工程大學江蘇大學合肥工業(yè)大學△太原理工大學國防科學技術大學△長安大學長春理工大學廣東工業(yè)大學解放軍理工大學西安理工大學表10：國內(nèi)機械工程具有一級學科博士授予權的大學（順序按2017研究前沿2、傳動機械學領域1、機構學與機器人領域

3、機械動力學領域4.機械摩擦學與表面技術5、機械設計學領域6、機械仿生學領域7、數(shù)字制造領域

8、機械測量學科領域研究前沿2、傳動機械學領域1、機構學與機器人領域3181.機構學與機器人領域

并聯(lián)機器人機構學是近20年來國際機構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影響的研究領域之一。1.機構學與機器人領域并聯(lián)機器人機構學是近19機械學與機器人領域燕山大學黃真、上海交通大學高峰、香港科技大學李澤湘、金陵石化楊廷力等以螺旋理論、李群和李代數(shù)、集合論等為數(shù)學工具，提出少自由度并聯(lián)機結(jié)構綜合的普適性方法和通用的自由度計算公式、主螺旋解析識別模型、一階和二階運動影響系數(shù)模型以及性能與構件尺度空間模型。利用上述理論綜合出數(shù)十種新機構，開發(fā)出力傳感器、微操作機器人、地震模擬器，并為鍛造操作機、伺服壓機、電鏟等裝備的自主設計提供了重要的理論依據(jù)。機械學與機器人領域燕山大學黃真、上海交通大學20天津大學黃田、清華大學汪勁松等提出基于線性空間理論的少自由度并聯(lián)機構雅可比矩陣普適性建模方法及包括運動／力傳遞特性和優(yōu)質(zhì)尺度域在內(nèi)的多種性能評價與參數(shù)優(yōu)化設計方法，攻克了運動學標定、軌跡規(guī)劃、運動／力控制、動態(tài)性能檢測等關鍵技術。利用上述理論和關鍵技術，開發(fā)出5軸聯(lián)動大型龍門混聯(lián)機床、飛行模擬器、柔性支撐裝備、高速包裝機器人、5自由度混聯(lián)機器人作業(yè)單元等多種工程化裝備，并在大型水電葉輪加工、射電望遠鏡重大科學工程、大型鋼管相貫線火焰切割、新型網(wǎng)架節(jié)點數(shù)字化制造以及醫(yī)藥軟袋和鋰離子電池自動化生產(chǎn)線中得到成功應用。機械學與機器人領域天津大學黃田、清華大學汪勁松等提出基于線性空間理論的少自由度21北京航空航天大學宗光華等建立了一套以柔度矩陣為核心的全柔性并聯(lián)精微機構設計理論，開發(fā)出若干微納操作／裝配并聯(lián)柔性微動平臺。哈爾濱工業(yè)大學孫立寧等提出基于大行程柔性鉸鏈的宏微一體化柔性并聯(lián)微動平臺的理論和技術。華南理工大學張憲民等以平面三自由度并聯(lián)柔順精密定位機構為平臺，提出綜合考慮固有頻率、最大應力、最大驅(qū)動力等在內(nèi)的低耦合精密定位機構，并在電子制造裝備中得到應用。機械學與機器人領域北京航空航天大學宗光華等建立了一套以柔度矩陣為核心的全柔性并22機械學與機器人領域基于并聯(lián)機器人的多坐標數(shù)控機床研究已成為機器人研究領域以及機床制造領域的研究熱點。

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(尤其是其中的Stewart平臺機構)來構造機床(也有一些在并聯(lián)機構的動平臺上再串接一、兩個轉(zhuǎn)動關節(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”）來改變動平臺的位置及姿態(tài)。機械學與機器人領域基于并聯(lián)機器人的多坐標數(shù)控機23

并聯(lián)機器人

并聯(lián)機器人24自1993年起，在國家基金資助下，北京航空航天大學開始從事微操作機器人的研究，研究主要集中于各單元技術。經(jīng)過幾年的技術儲備，研究重點開始由各單元技術轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成，如微操作系統(tǒng)的數(shù)學模型、微動仿生機構綜合、基于圖像的視覺伺服理論、精細微操作系統(tǒng)的光-機-電集成設計等，并把生物工程作為微操作機器人系統(tǒng)的主要應用領域。機械學與機器人領域自1993年起，在國家基金資助下，北京航空航天大學開始從事25機械學與機器人領域機械學與機器人領域26機械學與機器人領域納米微操作機器人在10×10微米的基片上刻出的字樣機械學與機器人領域納米微操作機器人在10×10微米的27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。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域。2.傳動機械學領域

高速、高效、低能耗、低污染、高智能、微型化是28傳動機械學領域直線型超聲電機2002年世界上最小的超聲電機在清華大學研制傳動機械學領域直線型超聲電機2002年世界上最小的超聲29傳動機械學領域南京航空航天大學趙淳生率領的研究團隊在新型超聲電機運動機理、機電耦合模型、結(jié)構參數(shù)優(yōu)化設計、驅(qū)動與控制技術等方面提出了系統(tǒng)的理論和設計方法，并撰寫了專著《超聲電機技術與應用》，該書榮獲2008年第二屆中華優(yōu)秀圖書獎。他們還發(fā)明和研制了30多種獨具特色的新型行波、駐波超聲電機以及驅(qū)動器，其中已經(jīng)有不少產(chǎn)品應用于重要工程中。鑒于他們在理論和技術上的突出進展和成就，他們多次受邀在國際重要的學術會議上做大會特邀報告，在國際上產(chǎn)生了重要影響。德國著名專家Wallaschek教授評價說：“超聲電機研究中心是中國乃至世界最具實力的研究機構之一?！眰鲃訖C械學領域南京航空航天大學趙淳生率領的研究30可廣泛應用于航空航天、國防、醫(yī)療、精密微動機構、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)工作領域。傳動機械學領域應用：傳動機械學領域應用：31非線性動力學、復雜機電系統(tǒng)的故障預示分析和智能維護是機械動力學的前沿研究領域。3.機械動力學領域

非線性動力學、復雜機電系統(tǒng)的故障預示分析和智能維護是機械動力32天津大學陳予恕等在高維非線性系統(tǒng)的分叉研究中，提出了約束分叉理論、時變產(chǎn)生系統(tǒng)的安全域侵蝕理論、非線性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性量化分析方法，提出了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性故障診斷的系列方法和技術，解決了國內(nèi)十幾個發(fā)電機組的振動疑難問題。東北大學聞邦椿等在國際上率先提出振動利用工程的概念，提出了概率——等厚篩分理論、振動同步和控制同步理論，并采用動態(tài)設計方法，設計研制了數(shù)十種工程振動機械，構建了振動利用工程學科。機械動力學領域天津大學陳予恕等在高維非線性系統(tǒng)的分叉研究中，提出了約束分叉33西安交通大學屈梁生等針對大型機組轉(zhuǎn)子振動難題，提出了全息譜的概念，發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子平衡過程在全息譜上的表現(xiàn)，提出了用全息譜技術識別和診斷機組故障、實現(xiàn)轉(zhuǎn)子全息動平衡的方法和技術，在機組故障分析診斷中發(fā)揮了重要作用并在國際上產(chǎn)生了重要影響。南京航空航天大學胡海巖研究了三類典型的非線性振動控制系統(tǒng)，提出了含時滯控制系統(tǒng)動力學、含彈性約束的振動控制系統(tǒng)分叉機理和控制方法、含遲滯阻尼振動控制系統(tǒng)的建模和控制方法，被國內(nèi)外學術界多次評價和引用，美國控制專家Schaechter在AppliedMechanicsReview上評價該研究成果為“耳目一新的系統(tǒng)方法”。機械動力學領域西安交通大學屈梁生等針對大型機組轉(zhuǎn)子振動難題，提出了全息譜的34西南交通大學翟婉明提出了被國際學術界稱為“翟·孫模型”的“機車車輛——軌道系統(tǒng)精合動力學模型”，研制了具有自主知識產(chǎn)權的機車車輛——軌道耦合動力學仿真系統(tǒng)和安全性現(xiàn)場測試評估體系，并將其應用于我國鐵路機車的開發(fā)設計和鐵路提速改造工程中，取得了重大的經(jīng)濟和社會效益。機械動力學領域西南交通大學翟婉明提出了被國際學術界稱為“翟·孫模型”的“機354、機械摩擦學與表面技術

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。4、機械摩擦學與表面技術36

清華大學溫詩鑄、雒建斌群體研究中發(fā)現(xiàn)在動力潤滑和邊界潤滑之間存在一個過渡區(qū)，進而提出了薄膜潤滑的概念，發(fā)明了納米薄膜測量技術，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，大幅度降低了表面摩擦阻力，該技術已經(jīng)成功用于國家重要工程中。機械動摩擦學與表面技術領域清華大學溫詩鑄、雒建斌群體研究中發(fā)現(xiàn)在動37西南交通大學周仲榮研究群體針對工程中出現(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)構及其摩擦磨損機制；結(jié)合高速鐵路中的輪軌關系問題，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進展和成就，摩擦學成為我國機械工程學科在國際學術界最具影響的學科之一。機械動摩擦學與表面技術領域西南交通大學周仲榮研究群體針對工程中出現(xiàn)的大量微動失效問題，38機械表面功能結(jié)構是機械工程學科的新生長點。表面功能結(jié)構按功能?？煞譃椋吼じ奖砻娼Y(jié)構、控制生命物質(zhì)活動的表面結(jié)構、超疏水自潔表面結(jié)構、脫附降阻表面結(jié)構、疏水減阻表面結(jié)構、儲油潤滑表面結(jié)構、仿生降噪表面結(jié)構、光信息傳輸表面結(jié)構、光電轉(zhuǎn)換表面結(jié)構、人工結(jié)構色表面結(jié)構、強化傳熱表面結(jié)構、催化反應表面結(jié)構等江蘇大學光子制造中心周明等利用飛秒激光加工技術在K9玻璃表面制備光柵結(jié)構，并用流變儀證實了微結(jié)構表面滑移的存在。與光滑表面相比，超疏水表面具有明顯的減阻效果，且減阻效果與流體黏度有關；采用飛秒激光的方法，在液態(tài)光敏樹脂中成功制得二維正方品格光子晶體及波導，同時制備了品質(zhì)較高的三維木堆型光子晶體。機械動摩擦學與表面技術領域機械表面功能結(jié)構是機械工程學科的新生長點。39華南理工大學湯勇等采用大刃傾角多齒狀新型刀具同時切出多條金屬長纖維，并以此纖維為原料，利用燒結(jié)工藝制成一種新型高孔隙率大孔徑的金屬纖維燒結(jié)板。與傳統(tǒng)金屬纖維燒結(jié)板相比，該燒結(jié)板內(nèi)部表面具有多茸狀粗糙形貌特征，具有高比表面積，可增強催化劑黏結(jié)力和單位反應體積內(nèi)催化劑的附著量，這種金屬纖維燒結(jié)板在甲醇水蒸氣重整制氫反應器中得到成功的應用。機械動摩擦學與表面技術領域華南理工大學湯勇等采用大刃傾角多齒狀新型刀具同時切出多條金屬405．機械設計學領域

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，是近年來設計學的研究熱點和學科前沿。5．機械設計學領域支持復雜機電系統(tǒng)與大型重要裝備自主研發(fā)與41機械設計學領域浙江大學譚建榮提出了大批量定制的設計體系和復雜裝備數(shù)字樣機共性關鍵技術。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項大批量定制關鍵設計技術，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、替換定制與關聯(lián)定制4種廣義定制的模塊化技術，從而將現(xiàn)有變參數(shù)的變型設計拓展到變結(jié)構、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、形狀、性能4個方面，形成了獨特的、有規(guī)律可循的(4×4)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，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。機械設計學領域浙江大學譚建榮提出了大批量定42機械設計學領域計算機輔助技術與圖形學是現(xiàn)代設計的重要研究內(nèi)容。潘云鶴等研制開發(fā)了計算機輔助產(chǎn)品創(chuàng)新設計技術與系統(tǒng)，并與國外著名CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口對接。在協(xié)同設計方面，馮培恩等提出了以全系統(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、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。他們研制的采掘機器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。機械設計學領域計算機輔助技術與圖形學是現(xiàn)代設計的重要研究43上海交通大學謝友柏將現(xiàn)代設計理論歸納為設計過程理論、性能需求驅(qū)動理論、知識流理論和多利益方協(xié)調(diào)理論4個方面，科學地論證了創(chuàng)新設計過程的核心實際上是一個知識獲取的過程?；I建了教育部現(xiàn)代設計與制造網(wǎng)上合作研究中心，支持企業(yè)在互聯(lián)網(wǎng)上組織合作設計。圓弧剪刃滾動式剪切機是中厚板剪切重要裝備，以前一直是國外裝備壟斷市場。黃慶學提出了新型滾切剪非對稱曲柄機構設計原理，設計發(fā)明了性能優(yōu)越的中厚板剪切裝備，自主設計制造的產(chǎn)品頗具市場競爭力，打破了國外產(chǎn)品的壟斷局面。在密封技術領域，王玉明等設計發(fā)明了雙環(huán)帶螺旋槽端面密封、雙列雙葉螺旋槽端面密封以及浮環(huán)－螺旋槽組合端面密封，使防顆粒性能、停車密封性能、密封平衡比等性能得到明顯改善。大型港口機械、礦山機械、工程機械的自主研發(fā)等.機械設計學領域上海交通大學謝友柏將現(xiàn)代設計理論歸納為設計過程理論、性能需求44全場自動化調(diào)度1、生產(chǎn)過程自動化德國漢堡哈拉港實現(xiàn)自動化裝卸船、自動化運輸、自動化堆放的聯(lián)調(diào)與控制；系統(tǒng)特點:

高、低軌道龍門吊（RMG）＋自動導向小車（AGV）國際前沿趨勢高低RMG全場自動化調(diào)度1、生產(chǎn)過程自動化國際前沿趨勢高45ECT碼頭（荷蘭）ECT碼頭（荷蘭）46上海港的自動化堆場實景上海港的自動化堆場實景47創(chuàng)新研制雙小車系統(tǒng)；可伸縮吊具，能實現(xiàn)20英尺、40英尺、45英尺等多型號集裝箱裝卸。實現(xiàn)4個20英尺集裝箱的一次聯(lián)吊；堆高能力從目前的堆4過5提高到堆8過9；無人化自動裝卸。

大跨度、高效率軌道龍門吊（RMG）自動化裝卸技術創(chuàng)新研制雙小車系統(tǒng)；大跨度、高效率軌道龍門吊486．機械仿生學領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。6．機械仿生學領域機械工程學科與納米49吉林大學任露泉領導的研究團隊在脫附降阻表面結(jié)構研究方面取得了重要進展：在國際上首先發(fā)現(xiàn)了土壤動物的表面脫附減阻現(xiàn)象。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.機械仿生學領域吉林大學任露泉領導的研究團隊在脫附降阻表面結(jié)構研究方面取得了50西安交通大學盧秉恒、李滌塵等在人工骨仿生制造研究中發(fā)現(xiàn)了入骨組織中“Y”和“H”形結(jié)構，建立了骨組織的模型，優(yōu)化分析了骨組織結(jié)構，闡明了骨微組織的構建對于骨轉(zhuǎn)化的作用規(guī)律；建立了骨缺損的復合結(jié)構修復方法，采用快速成型法制造了人工骨的結(jié)構框架，并在動物骨缺損修補中獲得成功。清華大學顏永年等在人工細胞培育和制備方面進行了初步探索。機械仿生學領域西安交通大學盧秉恒、李滌塵等在人工骨仿生制造研究中發(fā)現(xiàn)了入骨517．數(shù)字制造領域

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)?，F(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。7．數(shù)字制造領域數(shù)字制造是機械制造學科與信522002年10月24日國內(nèi)第一臺七軸五聯(lián)動的數(shù)控螺旋錐齒輪磨齒機在中南大學研制成功并通過省級鑒定。數(shù)字制造領域2002年10月24日國內(nèi)第一臺七軸五聯(lián)動的數(shù)控螺旋錐齒輪磨53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)控錐齒輪裝備領域步入世界領先水平。中國第一臺全數(shù)控錐齒輪磨齒機，2007年湖南54這種車床彌補了傳統(tǒng)車床主軸結(jié)構復雜、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。車床產(chǎn)業(yè)是裝備制造業(yè)的基礎，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。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)構復雜、換擋停車、費工耗時的缺點55數(shù)控機床數(shù)控機床56由機械科學研究院、北京機械工業(yè)學院完成的“數(shù)控機床數(shù)字制造技術的研究”專題,開發(fā)網(wǎng)絡化集成應用環(huán)境之上的數(shù)控機床虛擬產(chǎn)品(數(shù)字樣機)技術和工具。進行數(shù)控機床產(chǎn)品數(shù)字樣機的運動仿真和數(shù)字樣機的切削過程模擬及動力學分析,并開發(fā)1-2個數(shù)控機床產(chǎn)品數(shù)字樣機。由機械科學研究院、北京機械工業(yè)學院完成的“數(shù)控機床數(shù)字制造技57華中科技大學熊有倫、尹周平科研團隊針對發(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)中的共性理論和關鍵技術為突破口，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、復合形夾持理論及定性定量分析等數(shù)字制造基礎理論；開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權的復雜產(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)，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。數(shù)字制造領域華中科技大學熊有倫、尹周平科研團隊針對發(fā)動機類零件設計、制造58武漢理工大學周祖德科研團隊提出了數(shù)字制造的概念和內(nèi)涵、建模理論、基于制造網(wǎng)格的數(shù)字制造資源共享、數(shù)字制造環(huán)境下敏捷供應鏈理論模型、數(shù)字制造車間智能調(diào)度的理論和算法、數(shù)字制造設備遠程虛擬場景重構理論與模型、數(shù)字制造中信息安全理論；發(fā)明了基于布拉格光纖光柵傳感的大型機械裝備數(shù)字監(jiān)測的新原理、新方法；建立了基于制造網(wǎng)格的制造資源共享平臺、數(shù)字制造環(huán)境下虛擬數(shù)控加工系統(tǒng)以及數(shù)字制造設備遠程操作、監(jiān)控與診斷平臺、嵌入式數(shù)字控制系統(tǒng)及數(shù)字產(chǎn)品協(xié)同交互設計平臺和協(xié)同交互設計工具集等；創(chuàng)辦了頗具特色的數(shù)字制造學術刊物；發(fā)明了光纖光柵高速解調(diào)器系統(tǒng)、基于光纖光柵的旋轉(zhuǎn)體機械監(jiān)測無線光傳輸?shù)幕驹砗头椒?，解決了重大機械裝備中用傳統(tǒng)方法無法解決的監(jiān)測和診斷的難題。數(shù)字制造領域武漢理工大學周祖德科研團隊提出了數(shù)字制造的概念和內(nèi)涵、建模理59上海交通大學丁漢、朱向陽等將距離函數(shù)和偽距離函數(shù)理論應用于力旋量和運動旋量空間的定性與定量幾何推理，建立了夾具和夾持機構的封閉性、穩(wěn)定性的定性與定量分析和評價指標體系，可以統(tǒng)一處理包括摩擦約束、運動學和動力學約束在內(nèi)的各種非線性約束。應用偽距離函數(shù)的微分性質(zhì)，提出了一個最優(yōu)接觸點構形規(guī)劃的增量算法，這是國際上迄今為止唯一的通用算法，可以應用于任意三維物體、任意接觸點數(shù)的夾持規(guī)劃。以約束條件下夾持點最優(yōu)靜力分配為目標，提出了滿足定量指標約束的全部夾持構型計算方法，為操作規(guī)劃及夾具設計的多性能指標優(yōu)化提供了理論基礎。在上述研究工作的基礎上，開發(fā)了38套工業(yè)機器人作業(yè)系統(tǒng)，廣泛應用于焊接、裝配、碼垛和機械加工等行業(yè)。數(shù)字制造領域上海交通大學丁漢、朱向陽等將距離函數(shù)和608．機械測量學科領域

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)性技術成果產(chǎn)生最多的領域。8．機械測量學科領域大尺寸和微納尺寸測61儀器校準和量值傳遞是保證精度的最重要基礎，天津大學葉聲華等在先進制造測量領域發(fā)明的空間尺寸測量的現(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系作為約束條件，建立了全新的現(xiàn)場校準方法和裝置，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。在上述基礎上，提出了基于機器人的柔性視覺現(xiàn)場誤差測量技術，已經(jīng)用于飛機和汽車車身的高精度制造誤差測量。機械測量學科領域儀器校準和量值傳遞是保證精度的最重要基礎，天津大學葉聲華等在62清華大學張書練等以其發(fā)明的正交偏振激光器為核心技術，研發(fā)了多種精密測量儀器。在激光器內(nèi)置入雙折射光學元件，使一個激光縱模分裂成兩個偏振正交，間隔可調(diào)的頻率，頻差可從40MHz到kMz，發(fā)明了頻差大于40MHz雙折射雙頻激光器；研究發(fā)現(xiàn)了雙折射雙頻激光器腔調(diào)諧的三偏振特性，以此為原理發(fā)明了測量位移的“激光器納米測尺”。機械測量學科領域清華大學張書練等以其發(fā)明的正交偏振激光器為核心技術，研發(fā)了多63哈爾濱工業(yè)大學譚久彬、趙維謙等在大型超精密儀器研究方面取得了重要突破。提出了超精密主軸回轉(zhuǎn)潤滑面和直線導向復合節(jié)流與勻壓等方法，發(fā)明了高性能系列直線及回轉(zhuǎn)運動基準裝置。提出基于自身參照原理的儀器運動基準間誤差分離等方法，發(fā)明了一種新誤差分離裝置，使儀器基準間的位置精度提高一個數(shù)量級以上。提出了差動、超分辨、復色和二次共焦掃描測量方法，發(fā)明了基于上述方法的多種共焦掃描測量裝置和顯微鏡，使水平、垂宜分辨力達到了亞納米量級。基于上述超精密核心單元的技術已經(jīng)成功地用在我國航天、國防工業(yè)和精密裝備制造領域，為我國研制出第一臺圓柱度和微小深孔測量儀標準裝置，使我國具備了在該領域進行量值傳遞和溯源的能力。機械測量學科領域哈爾濱工業(yè)大學譚久彬、趙維謙等在大型超精密儀器研究方面取得了64重慶大學秦樹人等在虛擬儀器研究中，提出了“智能虛擬控件”概念和原理，建立了信號變換的統(tǒng)一模型，奠定了這一新型儀器模式的理論基礎，并在此基礎上研制成功了上千種獨具特色的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)(VMIDS)和可直接用于組建儀器產(chǎn)品的“智能虛擬控件”產(chǎn)品，已經(jīng)廣泛用于教學和科研測量分析中，產(chǎn)生了重大的社會和經(jīng)濟效益。重慶工學院彭東林發(fā)明的“時柵位移傳感器及其測試系統(tǒng)”，是近幾年來精密測量領域少見的原始創(chuàng)新成果，是對傳統(tǒng)柵式位移傳感器的重大突破。其主要創(chuàng)新包括：提出了精密位移測量“時空轉(zhuǎn)換”思想，把基于空間刻畫的精密位移測量轉(zhuǎn)化為簡易精確的時間差測量問題；根據(jù)上述思想發(fā)明了全新原理的時柵位移傳感器，用圓周單刻線實現(xiàn)了任意圓周分度精密測量。時柵角位移精密測量儀器的測量精度達0.8角秒，由于精度高、成本低、穩(wěn)定性好，已廣泛用于各種數(shù)字精密角位移測量。機械測量學科領域重慶大學秦樹人等在虛擬儀器研究中，提出了“智能虛擬控件”概念65大連理工大學孫寶元研究組提出了新型壓電石英傳感器及測量技術，成功解決了機械制造中復雜力學量的測量問題。發(fā)現(xiàn)了石英晶體切向靈敏度分布規(guī)律、石英晶體扭轉(zhuǎn)效應、多次壓電感生效應，發(fā)明了系列化壓電傳感器與測量儀并進入國內(nèi)外市場；研制成功毫秒級瞬態(tài)切削力和瞬態(tài)切削溫度測控系統(tǒng)，解決了高能化爆材料切削加工難題，為生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量保障作出了重要貢獻。機械測量學科領域大連理工大學孫寶元研究組提出了新型壓電石英傳感器及測量技術，66三、機械工程學科發(fā)展展望機械工程學科發(fā)展總趨勢機械學發(fā)展展望三、機械工程學科發(fā)展展望機械工程學科發(fā)展總趨勢機械學發(fā)展展望67機械工程學科發(fā)展總趨勢未來機械工程學科的發(fā)展將主要受到兩個“輪子”的制約和推動，一個是制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，另一個是學科的演變進步。鑒于未來制造業(yè)發(fā)展的總趨勢是全球化、信息化、綠色化、知識化和極端化(“五化”)。機械工程學科的基本任務，就是為制造業(yè)的“五化”提供所需求的機械系統(tǒng)新理論、新方法和先進制造