《机械工程前沿讲座》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械工程前沿讲座（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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 天，我们针对当前机械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，并对我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
2、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、 航空航天、生物医学、重大工程等的发
3、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
4、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
5、于 1797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T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 (Aston Martin)、福特(Ford)、捷豹(Jaguar)、路虎(Land Rover)、林肯(Lincoln)、马自达(Mazda)、水星(Mercury)。此外，还拥有世界最大的汽车 信贷企业-福特信贷(Ford
6、Credit)、全球最大的汽车租赁公司-赫兹(Hertz)以及汽车服务品牌(Quality 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 728个人工小时，当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 913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，
7、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T型汽车的组装时间由原来的12小时28分钟缩短至10秒钟，生产效率提高了 4488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
8、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260美元，1913年，美国人均收入为5301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当时的国情，汽车工业迅速成为美国的一大支柱产业。泰勒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
9、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。泰勒认 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。泰 勒认为最佳的管理方法是 任务管理法，泰勒在他的主要著作 科学管理原理中所阐述了科学 管理理论，使人们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。泰勒的科 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。泰勒科学管理的内 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
10、)成组技术；2)精益生产(Lean Production); 3) 敏捷制造(agile manufacturing)； 4) 并行工程(concurrent engineering) ； 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
11、 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
12、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 应了当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
13、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.机械工程学科在各领域的发展4.1机构学与机器人领域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
14、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新型五自由度并联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Stewart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（
15、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，工业机器人已从当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
16、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传动机械学领域高速、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、
