机械工程学科前沿研究摘 要: 本论文指出了现代机械工程科学前沿的显著特征：一方面，它与信息技术、材料科学、生命科学和管理科学相交叉；另一方面，它在创造性地解决机械工程关键科学问题的过程中得到发展。机电一体化是现代科学技术发展的必然结果。简述了机电一体化技术的基本概要和发展背景，综述了国内外机电一体化技术的现状。 关键词: 机械工程 学科前沿 优先领域 机电一体化 未来机械工程科学发展的总趋势将是交叉、综合化；数字、智能化；微型、精密化；高效、清洁化；柔性、集成化。智能机器人及仪器设备、微型机电系统、高效柔性、智能自动化制造技术将日趋成熟并被市场所接受；可重构制造系统的理论与技术和适合中国国情的制造模式将得到完善和发展；在机构学、摩擦学、仿生机械和仿生制造等研究领域，我国将进入世界先进行列；在与物理学相关的计量、测试和仪器等领域，虚拟仪器、基于网络的远程测试及故障诊断技术将得到广泛应用。制造业在信息技术的提升下将全面现代化，国家由于制造业创造的财富而更加昌盛繁荣，人民的生活将更加富裕和潇洒。 半个世纪以来，我国的机械工程科学得到了很大的发展，已经建立了较完善的学科体系，在学科前沿、技术创新和工程应用诸方面取得了突出成就。 在学术研究进展方面，有不少领域已跻身于国际先进行列。例如获得国家自然科学奖的机床颤振非线性理论、电接触可靠性理论、超塑挤压变形规律的研究、7R 空间机构位移分析和圆弧齿轮强度分析理论等。此外，在农机仿生减阻脱附机理、弹性流体润滑理论和计量型原子力显微镜等方面的研究也具有国际先进水平。 在技术创新方面，新型MIG焊接电弧控制法、稀土化合物摩擦学特性、微机化现场动平衡仪、计算机磁盘超精密研抛机、等角速万向联轴器、SIC陶瓷刀具、超精密加工表面微观形貌在位检测仪、高温密栅云纹法、高温下材料力学性能测量装置和渐开线环形齿球形齿轮机构等研究成果获得国家发明奖。 有的研究项目不仅在理论和技术上取得了突出的进展，而且已转化为生产力，产生了很大的经济效益和社会效益。如获得国家科技进步奖的系列飞机安全可靠性研究、阿依24发动机振动故障研究、大型汽轮机组轴承系统的摩擦学设计、精辊精锻复合工艺、精加工刀具后角的研究、光纤干涉绝对测量、锻压设备数控技术、机器人离线编程系统及其应用、挖掘机优化设计理论和技术、大型传动系统动态测试方法和装置、场效应管逆变焊接机、大型机械设备变工况非平稳动态分析和检测诊断、电缆连续包覆技术及设备、滚刀齿型铲磨原理及应用等。由于学科交叉，特别是信息技术、生命科学和管理科学与机械工程科学的交叉结合，使原有的机械工程科学体系得到很大扩展，如在智能结构和智能机械系统、快速成形制造、制造系统和制造模式、微型机电系统、仿生机械和仿生制造等方面已形成了新的学科研究方向和研究群体。 不同科学之间的交叉融合将产生新的科学聚集，经济的发展和社会的进步对科学技术产生新的要求和期望，这种聚集和期望可称为科学前沿。科学前沿也可理解为已解决的和未解决的科学问题之间的界域。当代科学技术前沿具有明显的时域、领域和动态特性。随着科技的发展，昨天的科学前沿今天可能已成为过去，而原来认为不能解决的科学问题现在已成为可能。例如平面连杆机构和一般空间机构的分析与综合、凸轮机构动力学、考虑构件弹性和运动副间隙的连杆机构动力学、流体传动" 机械传动理论、弹性流体动力润滑和薄膜润滑、一般优化设计方法、普通切削磨削加工、精密加工、特种加工、非精确零件成形理论和方法、精益生产等领域已有较成熟的理论，这些可能已不再成为学科前沿。 工程科学前沿区别于一般基础科学前沿的重要特征，是它涵盖了工程实际中出现的关键科学技术问题。例如，高速铁路轮轨的波浪形磨损是国内外均未解决的工程技术难题，对此问题的解决不但会产生巨大的社会和经济效益，其理论方法也一定可以丰富学科的内涵，推动学科的发展。工程科学的又一特征是具有明确的应用前景，其技术成果应具有潜在的市场竞争力。特别是我国加入WTO以后，我国汽车、机械装备和仪器仪表等制造业将面临更严峻的挑战。因此，产品的新颖性、制造质量、成本、交货期、售后服务以及环境适应性等问题更应引起足够的重视。 信息技术、材料科学、生命科学、纳米科学、管理科学和制造科学将是改变21世纪的主流科学，由此产生的高新技术及其产业将改变世界。与以上领域相交叉发展的制造系统和制造信息学、纳米机械和纳米制造科学、仿生机械和仿生制造学、制造管理科学和可重构制造系统等是21世纪机械工程科学的重要前沿科学。 科学前沿的研究应本着“有所为，有所不为”的方针，有优势和特色的前沿领域为之；不具备条件的领域暂不为之；别人做过并已有结论的前沿研究一般不要再为之（除非发现结论有误）。机械仿生、纳米摩擦学、并联机构和虚拟仪器等领域我们已有一定优势和特色，如坚持下去，可能会有大的突破。步行机器人由于稳定性、速度难题和经济可承受性等因素的限制，发展速度受限；电流变技术的发展有待电流变材料性能的突破；并行工程、敏捷制造和一般数控技术等国内外已做了大量基础工作，并已取得了很多理论和技术成果，应当少做重复性工作。超声波电动机、超高速切削、绿色设计与制造等领域，国内外已经做了大量研究，目前关键的机械科学问题仍不明朗；基于网络的设计制造虽然重要，但其中与制造科学相关的问题尚不清楚。 机械学科“九五”期间资助实施了20多个重大项目和重点项目。这些项目大致可分为前沿性和工程应用性基础研究两大类。这些项目中多数是通过优先领域的遴选，公布指南、自由申请、专家评议和平等竞争立项的，基本上代表了机械工程科学的发展方向，具有前瞻性、交叉性、先导性、基础性和应用性等五大特点。这些项目已经或正在取得理论上具有创新性和技术上具有应用性的显著成果。 迈入新世纪的第一个五年，资助的方向和格局可能不会有大的变化。“十五”优先领域应当选择有优势和特色的学科前沿；选择国民经济和机械工程中的重要关键科学问题；选择有发展前景的跨学科交叉新领域；在与国家其他研究计划不重复资助的条件下进行遴选。对“九五”已经立过重点项目并可能取得新突破的少数前沿领域，应当选择新的内容和关键科学问题继续支持；最前沿、新颖的研究课题往往首先出现在面上项目中，如果通过面上项目资助，已经看出发展苗头或者已经聚集了力量和基础的前沿新领域，也可选作为优先领域立项资助；有的要从专家建议中产生，但都应按“十五”优先领域的遴选准则和程序，通过评审组专家的集体决断来取舍。 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。 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。 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）。 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。 现在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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 机电一体化技术是从系统工程观点出发，应用机械、电子等有关技术，使机械、电子有机结合，实现系统或产品整体最优的综合性技术。机电一体化技术，主要包括技术原理和使用机电一体化产品（ 或系统）得以实现、使用和发展的技术。 机电一体化技术是一个技术群（族）的总称。机电一体化系统（ 产品）由若干具有特定功能的机械和电子要素组成的有机整体，具有满足人的使用要求的最佳功能，机电一体化系统（ 产品）。主要是指机械系统（或部件）与微电子系统（或部件）相互置换和有机结合，从而赋予新的功能和性能的新一代产品，有良好的人机协作关系。一个机电一体化的系统主要是由机械装置、执行装置、动力源、传感器、计算机这5个要素构成。 机电一体化工程（ 机械电子工程）是机械工程与电子工程的综合集成，即给定机电一体化系统（或产品）“目的功能”与“规格”后，机电一体化技术人员利用机电一体化技术进行设计、制造的整个过程体系。机电一体化工程是系统工程在机电一体化系统（产品）中的具体应用。 机电一体化思想体现了“ 系统设计原理”和“综合集成技巧”。系统工程、控制论和信息论是机电一体化技术的方法论。从某种意义上讲、机电一体化思想相当于“一体化”思想。它带来了诸如光电机一体化、机电液一体化、科工贸一体化、人机一体化等技术及其产品。 欧美等发达国家对机电一体化产品技术研究较早。但在初期，由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展。但计算机技术、控制技术、通信技术的不断发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。机电一体化技术和产品得到了极大发展。到!$ 世纪%$ 年代后期机电一体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面，机电一体化系统的规模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。 机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机电一体化的主要发展方向如下。 (1）光机电一体化。一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的，因此，引进光学技术，能有效地改进机电一体化系统的传感系统性能、能源（ 动力）系统和信息处理系统性能，光机电一体化是机电产品发展的重要趋势。 （2）全系统化—智能化。今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显，智能化水平越来越高。模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。这主要受益于模糊技术、信息技术（尤其是软件及芯片技术）的发展。机器人与数控机床的智能化就是其重要应用。 （3）技术产品—网络化。20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育等都带来了巨大的变革。种网络将全球经济、生产连成一片。企业间的竞争也将全球化。机电一体化 新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠。很快就会畅销全球。由于网络的普及基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。 (4)微型机电化—微型化。泛指几何尺寸不超过的机电一体化产品，正向微米、纳米级发展。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件，当将这一成果用于实际产品时，就没有必要区分机械部分和控制器了。届时机械和电子完全可以“ 融合”，机体、执行机构、传感器、CPU等可集成在一起，体积很小，并组成一种自律元件。这种微型机械学是机电一体化的重要发展方向。 (5) 自律分配系统化—柔性化。未来的机电一体化产品，控制和执行系统有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，被设计成“ 自律分配系统”。在自律分配系统中，各个子系统是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的“自律性”，可根据不同的环境条件做出不同反应。其特点是子系统可产生本身的信息并附加所给信息，在总的前提下，具体“行动”是可以改变的。这样，既明显地增加了系统的适应能力（ 柔性），又不因某一子系统的故障而影响整个系统。 (6) 设计产品—绿色化。工业的发展给人们生活带来了巨大变化。一方面，物质丰富，生活舒适；另一方面，资源减少，生态环境受到严重污染。于是，人们呼吁保护环境资源，回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前途。 综上所述，机电一体化是许多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。微机电一体化又是机电一体化的一个重要分支和发展，是当代微机械技术（或纳米机械技术）和先进的微电子技术的高度融合，是微米（ 或纳米）水平的机电一体化。微机电一体化技术发展的瓶颈，是微机械技术（或纳米机械技术），电子和软件技术已满足要求，但机械元件至今很难做到小型化，无法适应微小空间的接口连接，控制协调和机电动作。科学家预言，微机电一体化是今后10年十大关键技术之一。
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