机械工程前沿讲座及机械功的原理及机械效率

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——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(AstonMartin)、福特(Ford)、捷豹(Jaguar)、路虎(LandRover)、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(FordCredit)、全球最大的汽车租赁公司-赫兹(Hertz)以及汽车服务品牌(QualityCare）。

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·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）成组技术；2）精益生产（LeanProduction）；3）敏捷制造（agilemanufacturing）；4）并行工程（concurrentengineering）；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（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、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30~40KHz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—行波，通过定子和转子间的摩擦作用即可趋势转子转动。它没有磁极绕组和磁路，不依靠电磁相互作用来转换能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将定子的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子(旋转型电机)或动子(直线型电机)的宏观运动。它与传统的电磁电机相比，具有惯性小、响应快、控制性好、不受磁场影响且其本身也不产生磁场、运动准确等特点。特别是它具有重量轻、结构简单、噪声小、低速大扭矩以及可直接驱动负载等特性。它不需要齿轮变速机构来降低转速，避免了使用齿轮变速机构而产生的振动、冲击与噪声等问题。可以说，超声电机技术是处于当今世界上的高新技术之一。（二）超声电机的应用超声电机研究中心是中国乃至世界最具实力的研究机构之一，在理论和技术上的突出进展和成就，多次受邀在国际重要的学术会议上做大会特邀报告，在国际上产生了重要影响。超声电机虽然在我国虽然还没进入商业化，但其将来会在各个领域应用广泛，如航空航天、国防、医疗、精密微动机构、工业控制、对磁干扰敏感的设备、机器人工业、高档汽车等不连续工作领域。4.3机械动力学领域非线性动力学、复杂机电系统的故障预示分析和智能维护是机械动力学的前沿研究领域。机械动力学士一门基于Newton力学，研究机械系统宏观动态行为的学科。该科学的研究对象包括几乎所有具有机械功能的系统，其研究范围涵盖了这类系统的建模与仿真、动力学分析与设计、动力学控制、运动状态监测和故障诊断等。该学科的主要任务是采用尽可能低的代价使产品在设计、研制、运行各阶段具有最佳的动力学品质。新型飞行器、告诉车辆、机器人、大型动力机械的发展不断向机械工程师提出新的动力学与控制问题，极大地促进了复杂机械系统和多系统的动力学建模与仿真、非线性动力学分析与计算、动力学分析与设计、振动控制、状态监测和故障诊断等方面的发展。近年来，随着信息科学和非线性科学的发展，机械动力学的研究内涵更加深入，其特征是：在系统的建模夹断计入各种重要而又复杂的非线性因素、柔性因素、边际与结合部效应，应用非线性动力学分析与仿真技术研究系统的发范围动力学特性，基于对系统动力学的深刻理解和采用最新的优化方法实现系统的动力学设计，对系统实施各种主动控制乃至智能控制来获得所需的运动，在研究机电一体化的受控系统时考虑动力学和控制的相互耦合问题，采用各种最新的信息提取和分析方法诊断系统的故障等。4.4机械摩擦学与表面技术纳米摩擦学、生物摩擦学、极端环境下的摩擦学和界面摩擦学是近年来摩擦学的主要发展趋势和前沿。目前在研究中，发现在动力润滑和边界润滑之间存在一个过渡区，进而提出了薄膜润滑的概念，发明了纳米薄膜测量技术，建立了薄膜润滑的物理和理论模型。薄膜润滑研究架起了动力润滑和边界润滑之间的桥梁，被国际上著名专家Granick、Hartl、Spikes等评价为“是对润滑研究的一个重要贡献”。摩擦学国家重点实验室近来又在纳米尺度界面微观黏着摩擦与生物运动的关系中，建立了壁虎爬行中快速黏附和脱附理论模型；将分子膜气体润滑理论与表面力作用相耦合，计算了磁头运动方程中范德华力对磁头飞行特性的影响，使磁头滑块的承载能力和俯仰转矩明显减小，改善了磁头飞行运动的稳定性；在界面减阻研究中，提出了微旋涡、微凸体、微空泡减阻新理论及新技术，大幅度降低了表面摩擦阻力，该技术已经成功用于国家重要工程中。针对工程中出现的大量微动失效问题，发现了切向微动混合区域、建立了新的运行工况和材料的微动图理论；提出了复合微动损伤机制，创造性地发展和完善了微动摩擦学理论；在生物摩擦学，特别在自然牙的摩擦学研究中，揭示了自然牙的微观组织结构及其摩擦磨损机制；结合高速铁路中的轮轨关系问题，系统开展了轮轨摩擦学研究，首次在试验中发现了轮轨波磨现象，从理论和试验上深入分析了轮轨波磨的形成机制，取得了重要突破。中国科学院兰州化学物理研究所刘维民等将自主发明的纳米固体润滑技术用于我国航空航天工程，发挥了重要作用。由于上述一系列突出的学术进展和成就，摩擦学成为我国机械工程学科在国际学术界最具影响的学科之一。4.5机械设计学领域支持复杂机电系统与大型重要装备自主研发与创新的现代设计理论、方法与技术，是近年来设计学的研究热点和学科前沿。针对在以批量生产的成本、效率来生产多样性、个性化的定制产品中如何实现干变万化的定制设计这个技术难题，提出并实现了产品配置、产品变型、产品进化和产品递归这4项大批量定制关键设计技术，从而实现了将复杂机电产品模糊定制需求转变为产品信息模型的功能定制设计；提出并实现了相似定制、派生定制、替换定制与关联定制4种广义定制的模块化技术，从而将现有变参数的变型设计拓展到变结构、变部件、变参数的变型定制设计；将4种广义定制应用于装备产品的功能、结构、形状、性能4个方面，形成了独特的、有规律可循的(4×4)16种定制设计工具，从而实现了不同产品、不同类型、不同工况千变万化的复杂定制设计。提出了工程过渡状态、模糊状态、随机状态建模与数字样机集成的仿真设计技术，独创性地提出了分数维、整数维、高维相结合的混合维设计建模方法，有效提高了基于数字样机设计的可信度和可用度。计算机辅助学与图形技术是现代的重要研究内容，目前提出了以全系统、全性能和全寿命周期优化为目标的广义优化设计理论，研究了方案智能生成和柔性优化方法、基于多Agent的分布式协同优化技术、基于区间分析的系列化设计方法等，建立了原理解特征模型和智能概念设计目录，提出了基于基因工程的概念设计策略。研究了采掘机器人和多功能组合式工程机器人实验装置在国际上首先实现了作业过程的局部自主控制，还在国内外首先研制成功集工况监测与故障查找、节能控制、远程无线遥控和局部自主智能操纵于一体的液压挖掘机器人。4.6机械仿生学领域机械工程学科与纳米科学、信息科学和生物科学的交叉是20年来学科发展的最大特点。其中伤生机械科学已经发展成为一门相对独立的交叉学科体系。生物体作为有机整体，其自身具有高度自适应协调控制能力，土壤动物优异的脱附减阻功能就是上述各种因素高度调控的结果，不同的生物在不同的生存环境中，不仅其脱附减阻方式的调控程度会不同，而且侧重点也会不同，这些都是仿生研究的天然蓝本，对于脱附减阻仿生而言，人们既可以独立对其某一方面或某一个因素进行单元仿生，也可以同时模拟生物脱附的多个方面或多个因素进行多元耦合(协同)仿生，进行单元仿生时，特别要注重模拟那些对生物脱附减阻起主要作用的因素。目前通过1000多个不同形状和尺寸的仿生非光滑推土板实验、仿真模拟和理论分析，掌握了非光滑表面脱附减阻的规律和技术，开辟了我国机械仿生学领域。近年来该研究团队又在仿生柔性动态减阻、仿生电渗脱附等方面取得了重要进展，在国际仿生学界产生了重要影响。他们发明了一系列地面机械脱附减阻仿生技术，并成功地应用于农业机械和国防工程。将脱附减阻仿生技术应用于犁壁、圆盘犁犁体以及深松机具工作部件等农业机械触土部件，减阻效果明显。4.7数字制造领域数字制造是机械制造学科与信息学科交叉的产物，是机械制造现代化最重要的体现。现在数字制造已成为信息化制造的代名词，已经广泛深入到机械系统和制造过程中。中国第一台全数控锥齿轮磨齿机，2007年湖南中大创远数控装备有限公司依靠自主创新，整合全球资源，制造了中国第一台全数控铣齿机、中国第一台全数控锥齿轮磨齿机、中国第一条锥齿轮数字制造化生产线等众多“第一”，在数控锥齿轮装备领域步入世界领先水平。2008年10月目前针对发动机类零件设计、制造、测量中存在的普遍难点问题，以复杂曲面零件快速开发中的共性理论和关键技术为突破口，提出了基于可视锥的几何推理新方法、复杂曲面轮廓误差的统一判别理论，基于线几何理论的直纹面类型判别与参数重构、复合形夹持理论及定性定量分析等数字制造基础理论；开发出了具有自主知识产权的复杂产品数字建模和可制造性分析软件系统；建立了集成快速测量、数字建模及面向制造设计于一体的系统平台，应用于缸盖类、进排气管道类、叶片类等复杂曲面零件快速产品开发，在汽车、国防等行业得到成功推广，取得了重大的社会效益和经济效益。由于数控机床不断采纳科学技术发展中的各种新技术，使得其功能日趋完善，数控技术在机械加工中的地位也显得越来越重要，数控机床的广泛应用是现代制造业发展的必然趋势。为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，数控未来仍然继续向开放式、基于PC的第六代方向、高速化和高精度化、智能化等方向发展。4.8机械测量学科领域大尺寸和微纳尺寸测量、极端环境条件下的测量、纳米计量、无线网络测量和智能数字化测量是近年来测量领域的主要发展方向。机械测量是近年来机械工程研究中原创性技术成果产生最多的领域。微/纳米测量：研究微纳结构的力学性能测量与纳米振动测量技术。它采用纳米压入法和微梁弯曲法两种测量方法，利用连续相位和散斑平均法相结合的纳米动态测量技术，应用于MEMS动态测量，分辨率可达到0.1nm，精度达到1nm。能够解决微结构性能评价关键问题的一项微纳结构的力学性能测量技术。微/纳米技术作为当前发展最迅速，研究广泛、投入最多的科学技术之一，被认为是当前科技发展的重要前沿。在该科技中，微/纳米的超精密测量技术是代表性的研究领域，也是微/纳米科技得以发展的前提和基础。在微/纳测量领域，基础问题包括纳米计量、纳米测量系统理论与设计、微观形貌测量等方面，主要研究问题和方向为：基于扫描电子显微镜的精密纳米计量、微纳坐标测量机（分子测量机）、基于干涉的非接触微观形貌测量、基于原子晶格作刻度的X射线干涉测量及其与光学干涉仪的组合原理、纳米测量系统设计理论和微纳尺寸测量条件的研究等。涉及的重要工程测量问题有：面向MEMS和MOEMS的微尺度测量、面向22nm～45nm极大规模集成电路制造的测量等。仪器校准和量值传递是保证精度的最重要基础。目前在先进制造测量领域已经发明空间尺寸测量的现场校准方法和装置，解决了现代制造中急需解决的现场校准及其装置问题。该成果的主要创新点在于：利用多种靶标特殊几何结构和自身基准尺寸以及在测量空间内不同位置的量值传递关系作为约束条件，建立了全新的现场校准方法和装置，能够在大范围空间进行现场校准；提出了小分束角渥拉斯顿棱镜和直角棱镜作为反射镜的共光路自适应系统，测量结果稳定性好；提出了互易回归非线性现场校准方法，对测量结果进行回归，发现各自测量的非线性误差，实现高分辨率测微仪现场校准。在上述基础上，提出了基于机器人的柔性视觉现场误差测量技术，已经用于飞机和汽车车身的高精度制造误差测量。5.机械工程学科优先领域5.1纳米加工、纳米测量及纳米机械学纳米技术是21世纪的重要前沿领域，纳米加工和测量技术关系到国家的声誉和安全，同时也是微型机电系统和超精密仪器制造技术的要求。目前应着重解决纳米测量溯源、传递、定位、对准的技术和理论问题，以及纳米尺度加工的新工艺和新方法。面对国际市场的激烈竞争，应该注重发展新原理、新方法和新技术，夺取技术上的制高点。也要为我国在生命科学，通讯和物理、化学等领域的重大突破提供技术支持。5.2微型机电系统的设计与制造理论和技术微机电系统是机械技术和电子技术在微/纳米尺度上相融合的产物，它的发展极其迅速，并有可能在下个世纪对世界科技、经济发展和国防建设产生巨大的影响。它涉及到诸如静力、惯性力和表面引力等静力学效应，流体力学、摩擦力等动力学效应，微结构学和运动学、微传热学、近波长光学传输理论和低维材料学等多学科交叉的前沿科学问题。在微机电系统中微结构的制造技术基础方面要深入开展高深宽比刻蚀技术、深干法刻蚀技术和特种加工技术等创新性加工原理方面的研究；微机械和微电子设计与制造的兼容性研究是实现集成的重要研究内容，应引起足够的重视。5.3仿生机械与生物制造生命科学必将对21世纪的技术进步与社会发展产生重大影响。机械科学与生命科学的融合交叉将产生崭新的工艺与产品，形成一个富有发展潜力的新产业。制造仿生与生物制造是一个极富创新性和挑战性的前沿领域。这方面的研究内容包括：生物活体组织的工程化制造；仿生设计技术与仿生制造系统；仿生微型机械及其生物制造工艺；生物遗传制造（基于遗传基因的生长成形技术）。5.4智能机械结构及系统智能结构系统是在结构中集成传感器、控制器及执行器，赋予结构健康自诊断，环境自适应及损伤自愈合等某些智能功能与生命特征，以达到增强结构安全、减轻重量、降低能耗和提高性能等目的一种仿生结构系统，主要内容有：智能机械结构系统基础理论及关键技术的研究；典型智能机械结构系统的研究。该领域的研究内容还包括：智能机器人和智能制造系统等。5.5数字化制造（含虚拟制造、网络制造、模拟仿真和虚拟测试等）21世纪将是数字化制造的时代，通过对设计与制造过程的数字化理论与技术的研究，实现在高度交互、高度仿真的虚拟现实环境下的新一代虚拟设计、虚拟制造和网络制造，这将会使制造技术和制造产业发生革命性的变化。测试技术和测试仪器的虚拟化、控件化及其科学问题的解决将是测试技术及测试仪器领域的一大突破。针对材料科学的新发展和制造技术发展的新需求，研究按零件最佳使用功能要求来研究理想材料零件的数字化设计制造的融合理论与方法和材料与零件的数字化成形制造的新方法。这是一个多学科交叉的前沿科学问题，将会使人们长期以来设想按力学、电磁学性能高效设计和制造零件的愿望成为现实。5.6可重构制造系统为适应快速变化的市场需求和信息技术的迅速发展，制造系统及其企业应当是灵活多变可重组的。可重组制造系统的体系结构及优化设计理论、柔性制造单元及可重组制造系统的随机动态规划、可重组制造系统的工艺及装备研究等，都是在新世纪初要解决的关键科学技术问题。5.7高效、精密及低成本加工机理、工艺及装备产品的快速响应制造、绿色制造和超精密工程在21世纪对加工工艺和装备提出了新的要求，需要在加工机理、加工工艺、加工质量保证、新的加工方法、新型加工及控制设备、新型工具材料及结构等方面进行深入研究，形成可靠、优质、高效、精密、特种、创新的加工工艺及装备技术，对发展我国制造技术，提高产品制造质量，推动国民经济发展具有重要意义。并联机床的关键技术基础、超高速切削和磨削的机理、新型刀具及磨具材料和结构的基本理论、超精密加工、基于环境意识的加工制造技术等都是新世纪初要研究的重要课题。5.8高效、精确、低成本成形及装备的理论和技术精确成形技术和计算机的模拟仿真是现代成形技术两个最突出的发展方向。在复杂大型模具的仿真模拟及其设计制造、大型铸锻件的质量保证技术、复杂零件（如发动机）的制造技术、激光加工技术基础、快速原型数字制造技术、焊接智能自动化、成形制造过程的清洁生产研究等方面开展以知识为基础的（KBE），以高质量、短周期、低成本为总目标的铸造、塑性加工和连接工艺技术和装备基础性研究，就成为此领域的重要方向。5.9产品的绿色设计和制造研究内容包括：建立绿色产品、绿色制造系统的模型，把涉及环境、生态等经验性描述和相关学术思想等内容用数学方法融入到设计制造理论体系中；绿色产品的评价指标体系和方法；机械设备和国防装备再制造中的关键技术，如再制造装备系统失效行为的物理模型、再制造毛坯纳米复合及原位自愈合生长成型技术、再制造部件和产品综合性能在线检测和计算机模拟等。随着机械装备机电一体化程度的不断提高，电磁污染问题也是亟待研究的问题。5.10产品创新设计和全性能、全生命周期优化设计加强产品创新设计研究，既是机械学科发展的需要，也是提高我国综合竞争力的需要。产品开发理论和方法学、产品开发中的知识处理和信息技术、网络环境下的异地设计技术和虚拟设计等是该领域内急需研究的几个方向。5.11摩擦学前沿摩擦学贯穿于产品的设计、制造、使用及维修等整个过程，是机械工程学科的基础和前沿领域之一。目前，微摩擦学及微动摩擦学、特殊工况下的摩擦学问题、纳米及分子尺度上的摩擦学研究、新材料及先进表面处理的减摩抗磨研究、生物摩擦学、摩擦学性能的主动与智能控制、摩擦学设计及绿色问题等是摩擦学研究的热点。在研究界面摩擦行为、损伤、失效机理的基础上，要与工程实际相结合，解决工业中的关键摩擦学问题。5.12机械系统动力学建模与控制21世纪初，机械动力学将受到高速载运工具、智能机械和微机电系统的发展需求牵引和信息科学与技术的推动，沿着动力学建模、仿真、分析与控制一体化的主线发展。在其发展中，特别应受到关注的研究内容有：对包括机、液、电、磁多场耦合，带有智能控制的复杂系统的动力学描述，嵌入人工智能的系统映射动力学分析及控制，以及新型主动、半主动、被动动力学控制技术的实现，特别是应用于具体对象，使其在动力学性能方面有较大幅度的提高。5.13新型传动系统理论与技术随着社会对环保、安全和可持续发展的关注，新型传动系统也应向着环境友好的生态化目标发展。“十五”期间，应以无级连续变速传动、纯水及内燃机泵等新型传动系统为研究对象，对新型传动系统的设计理论和方法、新材料与新工艺的实用性、材料与介质的相容性、新介质的质量控制及状态监测等一系列关键技术进行深入的研究，为在“十五”期间研制出具有自主知识产权的高可靠性、廉价、环境友好的新一代传动系统打下坚实的理论基础。6.我国机械工程科学发展总趋势在机械工程科学方面，我们虽然已经取得了瞩目的创新及进展，但必须清醒地认识到，我国机械工程科学总体上还处于落后状态。主要体现在：我国机械工程的理论、方法和技术对中国制造业的自主创新和发展的贡献不显著；我国学者提出的机械领域的新概念、新理论不多；有重要国际影响的机械工程理论、方法和技术不多；国际机械领域学术界有较大影响的中国学者很少。总体上我国机械工程学术领域在国际上的地位滞后于中国制造业在国际制造界的地位。未来机械工程学科的发展将主要受到两方面的制约和推动，一个是制造业的创新发展，另一个是学科的演变进步。鉴于未来制造业发展的总趋势是全球化、信息化、绿色化、知识化和极端化(以下简称“五化”)。机械工程科学的基本任务，就是为制造业的“五化”提供所需求的机械系统新理论、新方法和先进制造技术。由于我国未来将大力推进拥有自主知识产权的先进仪器及装备技术，因此，基于自主创新的高技术仪器及装备的设计制造的基础研究将得到更充分地重视和更快地发展；此外，由于21世纪我国资源和环境面临空前的严峻挑战，要求机械与制造科学比以往任何时候更重视环境的保护、产品的安全性和绿色度、材料和能源的节省、机电装备的再制造以及新能源制造领域的研究。我国制造技术的发展总趋势是基于资源节约和环境保护基础上的数字网络化、智能集成化、高效精确化及极端制造化技术。采用德尔菲调查方法及研究分析，未来我国将要重点发展的制造科技主要有以下8个领域：(1)空天及深海装备制造科技；(2)先进电子及通信制造科技；(3)微纳米制造科技；(4)新能源装备制造技术；(5)绿色制造科技；(6)仿生制造科技；(7)光子制造科技；(8)数字装备制造科技；我国机械工程科学虽然已经取得了长足的进展，但与国际先进水平仍然存在很大差距。我们必须保持清醒的头脑，高瞻远瞩，尽快制定学科的长远发展规划，采取正确的学科发展战略和策略。加强对基础研究中原创性理论方法的支持力度，加强对原创性技术发明的支持力度。在继续保持和发扬摩擦学、机器人机构学等在国际学术界占有一席之地的同时，力争在2020年前后机械与制造学科总体上进入国际先进行列。在机械工程领域学术界，涌现多个在国际上有重大影响的科技成果和著名科学家；在机械与制造相关的国际学术界占有更多席位；有一批国际一流并在国际上有重要影响的国家实验室和工程研究中心；有一大批自主创新的重大科技成果转化为生产力，促使我国制造业产生更多的高技术产品和世界名牌企业。机械功的原理及机械效率（一）教材分析：有关“机械功的原理及机械效率”这一知识点，《物理课程标准》并没有明确的要求，新教材（山东科技出版社出版）把它编入教材大概是出于这样的考虑：其一，在《物理课程标准（解读）》（由物理课程标准研制组编写，湖北教育出版社出版）中这样阐述“生活中有很多增大机械效率的例子，要求学生将机械效率的学习与生活、生产结合起来，关注生活和生产中常见机械效率的大小及意义”，要讨论机械效率必须得了解功的原理。其二是在进入新课程改革之前，机械功的原理（简称功的原理）在义务教育初中学段教材中已明确给出，而在现行的课改实验区教材中已不再明确提出功的原理，其用意是降低初中物理难度，初中物理学习仍然以定性的认识为主，要求学生认识各种简单的机械知道使用有些机械可以省力但费距离，使用有些机械费力但可以省距离，并能说出生活中哪些机械省力，哪些机械费力。高中要再进一步研究机械，就要完成从感性到理性的飞跃，能够认识到使用任何机械都不省功——功的原理，并能用功的原理解决一些实际问题。因此，不能认为这一部分知识是初中知识的重复而进行淡化处理或干脆不讲，而应在尊重学生已有知识经验的基础上，进一步加深和拓展对机械做功原理的认识和理解，从而更深刻地体会人类发明和研究利用各种机械的意义。（二）教学目标知识与技能目标（1）知道机械功的原理，懂得使用任何机械可以省力但不省功。（2）了解机械效率的含义，关注效率的实际应用。过程与方法目标（1）经历实验探究机械功原理的过程，尝试由几种特殊机械做功特点总结出一般规律，体会物理学研究的科学方法（2）能认识研究机械做功效率的重要意义，并能通过合作交流等学习方式设计出研究“影响机械效率”的探究方案情感态度与价值观目标（1）如实记录实验数据，具有尊重客观规律、实事求是的精神。（2）通过交流一些常见机械的使用，体会人与机械的密切关系。（3）关注机械方向的科技成就和发展趋势，具有可持续发展的意识和社会责任感。(三)教学重点和难点通过实验探究得出机械功的原理并且能够理解机械功原理的两层含义是本次课的重点。难点是有关机械效率的讨论和实验探究设计。[1]

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下一页（四）教学过程1.问题的提出师：通过初中阶段的物理学习我们就已经认识到有的机械使用起来可以省力，有的机械使用起来可以省位移，同学们可以列举一些身边的实例吗？生：带滑轮的吊车、杆秤、开瓶器、盘山公路等。学生回顾初中所学内容并结合生活经验列举许多实例。此环节用意在于引导学生进入研究机械的情境。师：那么，有既省力、又省位移的机械吗？即使用机械能省功吗？下面我们就通过实验来探究这个问题。教师紧接着提出研究课题，并板书课题：机械功的原理及机械效率。2.明确任务，制定计划探究机械做功的原理师：（1）你们准备探究哪种机械做功的原理？（2）实验探究过程中需要测量的物理量有哪些？你们准备用什么仪器测量？（3）需要记录哪些数据，你们准备如何处理数据？（4）你们的探究是在什么条件下进行的，要考虑哪些因素的影响？（5）实验探究过程中应注意什么问题。下面用2分钟时间进行小组讨论，讨论过后制订切实可行的实验方案。新课程理念要求课堂教学要体现选择性，这一思想同样要渗透到实验探究教学过程中，物理实验探究绝不能是教师事先安排好的实验验证，这样久而久之，学生就对未知的事物丧失了新奇感也就泯灭了求知欲。因此，在现有的实验条件下，教师应尽量创造机会让学生自主选择器材和方法，或彭励他们自主构建课程资源。新课程重视学生自主探究能力的培养，但绝不能是漫无目的探究，在其探究思路和方法还未形成时教师应做好引导，通过环环相扣的问题引导学生制定出切实可行的实验方案，指导学生的探究朝预期的方向发展。生：（选择不同的机械开始实验探究）实验小组1的实验方案：如图2所示：（1）用测力计将一件已知质量的重物竖直匀速提高1m，记下人所做的功有多大。（2）通过一对滑轮组将同一重物竖直匀速提高1m，记下人所用的力和绳子自由端的位移，算出这种情况下人所做的功。实验小组2的实验方案：如图3所示：（1）用测力计测出物块的重力，用刻度尺测出斜面高度h。（2）用测力计拉着同一物块从斜面底端匀速上升到斜面顶端，记录测力计的读数，并测量斜面的长度。上一页

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下一页3.汇报交流，分析讨论师：通过实验探究，你们是否已找到了问题的答案，下面开始分组汇报交流。实验小组1：我们通过多次测量和计算得出的结论是，使用滑轮可以省力，但并不省功，相反，使用了滑轮要比不使用滑轮直接提升物体要费功。即总功W总总大于有用功W有。实验小组2：虽然我们和1组采用了不同的机械，但实验结果却是一样的。即沿斜面拉动物块所做的总功总大于有用功，我们的结论也是使用机械并不省功。师：虽然大家采用的机械不同，但得到的结论都相同，说明这一结论具有共性，它适用于任何机械。我们在物理学中把这一规律称为“机械功的原理”，大家想一想，这一原理的内容该怎样叙述呢？生：使用任何机械都不省功。师：很好！他使用自己的语言描述了功的原理。那么，这里的不省功应该怎样理解呢？生：是费功的意思。从实验数据分析可以看出W总总大于有用功W有：师：噢，有道理。请同学们再想一想为什么我们使用机械总要费功呢？费在哪里？生甲（思而后答）：比如采用滑轮这种机械做功，我们在把物体提升的同时把滑轮也提了起来，对滑轮做的这一部分功是额外的，是我们不愿但又无法避免的。生乙（补充）:还有绳子自身有重力，绳子与滑轮间有摩擦也使得我们不得不做了一些额外功。生丙（受到了启发）：在使用斜面时，同样也不可避免地要克服物块与斜面间的摩擦力做额外功。师：同学们的分析很到位，那么，能否设法减少额外功呢？生：能，尽可能地减轻滑轮自重，同时尽可能减小绳与滑轮间及物块与斜面间的摩擦。师：很好，由此我们进行科学的推想，对理想机械则有总功等于有用功。大家再回答老师刚才提出的问题，“不省功”的确切含义应该是什么呢？生：应该为两层含义：对于实际机械：W总>W有；对于理想机械：W总＝W有师：至此同学们对机械做功的原理认识已经很全面了。动力对机械所做的功（又称输入功），也就是总功；机械克服阻力所做的功，既包括克服有用阻力所做的有用功（又称输出功，如克服被提物体所受的重力做的功），也