机械工程科技发展综述报告

机械工程科技发展综述报告

摘要：近年来，我国科技人员在机械工程领域内取得了一系列突破性进展和原创性成果，为我国的经济建设提供了大量的理论方法和实践经验，在国内外产生了重要的影响。本文针对当前机械工程领域的国内外发展现状，综述了近年来我国机械工程领域的重要进展和成果，找出了国内与国际先进水平的差距，并对其发展趋势进行了展望。

关键词：机械工程，重大成果，发展趋势

1 引言

机械工程是以相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，研究和解决在机械开发、设计、制造、安装、运行和修理过程中的全部理论和实际问题的应用学科。机械工程学包括两大领域：机械学和制造学。

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。

制造学是研究制造过程及其系统的科学。它涵盖产品设计、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。

2 我国机械工程科技发展综述

近年来，科技人员在机械工程研究领域取得了一系列突出进展和原创性成果，为我国机械工程和经济建设提供了丰富的新理论、新技术和新方法，在国内外产生了重要影响，某些领域已在国际学术界占有一席之地。

2.1 机械传动学科领域

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的前沿。

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、控制和超精密加工多个学科领域。南京航空航天大学超声电机研究中心的赵淳生教授在新型超声电机运动机理、机电耦

合模型、结构参数优化、驱动与控制技术等方面提出了系统的理论和设计方法。发明和研制了30多种独具特色的新型行波、驻波超声电机以及驱动器，不少产品已用于重要工程中。

华中科技大学陈学东教授在高速超精密运动控制研究中，率先发现并阐明了气浮轴承气旋现象产生的机理，提出了气浮气膜的支撑刚度和阻尼的计算和控制方法，并且研发出驱动系统分析控制软件，现在已经用于我国大规模集成电路光刻机驱动系统中。

针对船舶推进系统中轴承使用贵重金属以及用油做润滑剂造成河海污染问题，重庆大学的王家序教授提出了一种新型复合材料水润滑动密封轴承理论，揭示了载荷、速度、时间、间隙、温度等因素对水润滑橡胶合金轴承摩擦磨损性能的影响规律，发明了具有多曲面与直线圆弧凹槽有机组合的水润滑橡胶合金轴承。这种轴承具有节省大量贵金属、减少了油润滑对河海水的污染的特点，因此在国内外船舶传动系统中得到广泛应用。

2.2 机械动力学领域

非线性动力学、复杂机电系统的故障预示和智能维护是机械动力学的前沿研究领域。

天津大学的陈予恕在多维非线性系统的分叉研究中，提出了约束分叉理论、时变产生系统的安全域侵蚀理论、非线性转子系统的稳定性量化分析方法，提出了转子系统非线性故障诊断的系列方法和技术，解决了国内十几个发电机组的振动疑难问题。

东北大学的闻邦椿教授在国际上率先提出振动利用工程的概念，提出了概率──等厚筛分理论、振动同步和控制同步理论，采用动态设计方法，设计研制了数十种工程振动机械，创建了振动利用工程学科。

西安交通大学的屈梁生教授针对大型机组转子振动难题，提出了全息谱的概念、发现了转子平衡过程在全息谱上的表现，提出了用全息谱技术识别和诊断机组故障、实现转子全息动平衡的方法和技术，在机组故障分析诊断中发挥了重要作用。

南京航空航天大学的胡海岩教授研究了三类典型的非线性振动控制系统，提出了含时滞控制系统动力学、含弹性约束的振动控制系统分叉机理和控制方法、含迟滞阻尼振动控制系统的建模和控制方法，被国内外学术界多次评价和引用，美国控制专家Schaechter评价为“耳目一新的系统方法”。

西南交通大学的翟婉明教授提出并完善了被国际学术界称为翟．孙模型的“机车车辆──轨道系统耦合动力学模型”，研制了自主知识产权的机车车辆──轨道耦合动力学仿真系统和安全性现场测试评估体系，并应用于我国铁路机车的开发设计和铁路提速改造工程中，取得了重大的经济和社会效益。

2.3 机器人机构学领域

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。

燕山大学的黄真教授以螺旋理论、李群、集合论等为数学工具，提出少自由度并联机结构综合的普适性方法和通用自由度计算公式、主螺旋解析识别模型、一阶和二阶运动影响系数模型以及性能与构件尺度空间模型。利用上述理论综合出数十种新机构，开发出多维力传感器、微操作机器人、地震模拟器，并为锻造操作机、伺服压机、电铲等装备的自主设计提供了重要的理论依据。

天津大学黄田教授、电子科技大学汪劲松教授提出基于线性空间理论的少自由度并联机构雅可比矩阵普适性建模方法，及包括运动/力传递特性和优质尺度域在内的多种性能评价与参数优化设计方法，攻克了运动学标定，轨迹规划、运动/力控制，动态性能检测等关键技术。利用上述理论和关键技术，开发出5轴联动大型龙门混联机床、飞行模拟器、柔性支撑装备、高速包装机器人、5自由度混联机器人作业单元等多种工程化装备，并在大型水电叶轮加工、射电望远镜重大科学工程、锂离子电池生产线中得到成功应用。

北京航空航天大学宗光华教授建立了一套以柔度矩阵为核心的全柔性并联

精微机构设计理论，开发出若干微纳操作/装配并联柔性微动平台。大连理工大学戴建生教授和北京航空航天大学丁希仑教授揭示了空间变胞机构中拓扑演变

规律，推动了空间结构学的发展。哈尔滨工业大学孙立宁教授提出基于大行程柔性铰链的宏微一体化柔性并联微动平台。华南理工大学张宪民教授以平面3自由度并联柔顺机构为平台，提出了综合考虑固有频率、最大应力、最大驱动力等在内的低耦合精密定位机构，并在电子制造装备中得到应用。

2.4 摩擦学领域

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。

清华大学温诗铸教授和雒建斌教授发现在动力润滑和边界润滑之间存在一

个过渡区，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粘着摩擦与生物运动的关系中，建立了壁虎爬行中快速粘附和脱附理论模型；将分子膜气体润滑理论与表面力作用相耦合，发现了磁头运动方程中范德华力对磁头飞行特性的影响规律，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。

西南交通大学周仲荣教授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、建立了运行工况和材料的微动图理论，提出了复合微动损伤机制，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织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将研制成功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。

2.5 仿生机械和生物制造领域

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。其中仿生机械学已经发展成为一门新的学科。

西安交通大学卢秉恒、李涤尘教授在人工骨仿生制造研究中发现了人骨组织中“Y”和“H”型结构，建立了骨组织模型，优化分析了骨组织结构，阐明了骨微组织的构建对于骨转化的作用规律；建立了骨缺损的复合结构修复方法，采用快速成形法制造了人工骨的结构框架，并在动物骨缺损修补中获得成功。清华大学颜永年教授在人工细胞培育和制备方面进行了初步探索。

吉林大学任露泉教授在脱附降阻表面结构研究方面取得了重要进展：发现了土壤动物的表面脱附减阻现象。通过一万多只动物试验和理论分析，揭示了动物表面脱附减阻的形成机理；通过一千多个不同形状和尺寸的仿生非光滑推土板试验、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；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，减租效果明显。

北京航空航天大学在生物加工成形方面，加工出了微小齿轮等零件，并揭示了生物去除加工的机理；采用微生物金属化约束成形，制备出了高介电常数雷达波吸收剂和隐身蒙皮，直接利用鲨鱼皮生物约束成形出了机械鱼减阻蒙皮；提出了脂质体基生物芯片的脂质体合成与喷射一体化微喷工艺，与中科院生物物理所合作操作脂质体，形成了脂质体微阵列在基片上的连接与固定，并实现了分子马达在脂质体表面上的驱动纳米镍棒旋转。

2.6 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。

仪器校准和量值传递是保证精度的最重要基础，天津大学叶声华教授发明了空间大尺寸测量的现场校准方法和装置。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高分辨率测微仪现场校准；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；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白车身的高精度制造误差测量。

清华大学张书练教授以其发明的正交偏振激光器为核心技术，研发了多种精密测量仪器。发明了频差大于40 MHz双折射双频激光器：研究发现了双折射双频

激光器腔调谐的三偏振特性，以此为原理发明了测量位移的“激光器纳米测尺”。

哈尔滨工业大学谭久彬、赵维谦教授在大型超精密仪器研究方面取得了重要突破。提出了基于自身参照原理的仪器运动基准间误差分离方法，发明了一种新误差分离装置，使仪器基准间的位置精度提高一个数量级以上。提出了差动、超分辨、复色和二次共焦扫描测量方法，发明了基于上述方法的多种共焦扫描测量装置和显微镜，使水平、垂直分辨力达到了亚纳米量级。基于上述超精密核心单元技术已经成功地用在我国航天、国防工业和精密装备制造领域；为我国研制出第一台圆柱度和微小深孔测量仪标准装置，使我国具备了在该领域进行量值传递和溯源的能力。

重庆大学秦树人教授在虚拟仪器研究中，提出了“智能虚拟控件”概念和原理，建立了信号变换的统一模型，奠定了这一新型仪器模式的理论基础，并在此基础上研制成功了上千种独具特色的虚拟仪器开发系统和可直接用于组建仪器

产品的“智能虚拟控件”产品，已经广泛用于教学和科研测量分析中。

重庆工学院彭东林教授发明的“时栅位移传感器及其测试系统”，是精密测量领域少见的原始创新成果。其主要创新包括：提出了精密位移测量“时空转换”思想，把基于空间刻划的精密位移测量转化为简易精确的时间差测量问题；根据上述思想发明了全新原理的时栅位移传感器，用圆周单刻线实现了任意圆周分度精密测量。时栅角位移精密测量仪器的测量精度达0.8″，由于精度高、成本低、稳定性好，已广泛用于各种数字精密角位移测量。

大连理工大学孙宝元教授提出了新型压电石英传感器及测量技术，成功解决了机械制造中复杂力学量的测量问题。发现了石英晶体切向灵敏度分布规律、石英晶体扭转效应、多次压电感生效应，发明了系列化压电传感器与测量仪并进入国内外市场；研制成功毫秒级瞬态切削力和瞬态切削温度测控系统，解决了高能化爆材料切削加工难题，为生产安全和产品质量保障做出了重要贡献。

2.7 超精密加工领域

微电子、科学工程、国防装备和科学技术的迅速发展，对超精密加工技术提出了新的要求，超精密加工方法和装备不断涌现，加工精度不断提高，有的已经进入了亚纳米或原子级精度。

亚纳米级超精表面抛光技术是电子制造中的一项关键技术。清华大学雒建斌、路新春、潘国顺等在计算机硬盘基片表面超精化学机械抛光研究中，提出了超精表面纳米粒子的行为机制，发现了化学与机械作用均衡规律，探索出硬盘基片超精表面新型CMP技术及先进的抛光工艺，使抛光后表面波纹度和粗糙度均低于0．1 nm：在计算机磁头表面亚纳米级抛光方面，首次将纳米金刚石颗粒引入磁头表面抛光，解决了抛光液中纳米颗粒分散、改性等技术难点，开发出纳米金刚石抛光液及抛光工艺，使磁头表面粗糙度由原工艺的0.48nm降到0.2 nm以下，并去除了划痕、黑点等缺陷。上述超精抛光技术己成功地用于我国电子制造企业。

哈尔滨工业大学董申教授围绕学科前沿和国家重大需求，在超精密加工领域进行了系统高水平研究，研制成功多台国际先进水平的高精密加工装备。在微纳米切削过程的加工机理、刀具磨损破损机制、脆性材料超精密切削去除机制等方面开展了大量的研究工作，目前成功开发多台超精密切削加工专用设备，并已用于激光核聚变关键零件KDP晶体的超精密加工。提出了大气低温等离子体超精密

超光滑抛光加工方法，针对单晶硅片的加工试验获得了1.46mm3/min的材料去除=0.6nm的表面粗糙度，实现了重要零件的亚纳米级化学去除无损伤抛光。量和R

a

国防科技大学李圣怡教授在国内率先突破了离子束和磁流变光学抛光技术，建立了磁流体和离子束等可控柔体介质抛光的基础理论，揭示了磁流变和离子束抛光状态下纳米精度表面的形成机理和亚表面质量的变化规律，形成了一整套光学镜面全波段误差控制的工艺路线。2006年研制成功磁流变和离子束抛光设备，可稳定实现平面、球面和非球面镜面形精度方均根(Root mean square。RMS)纳米量级的加工。

北京机床研究所研制的NAM-800型纳米数控车床是新一代纳米级加工机床，控制系统分辨率为5 nm、定位精度为±0.2 μm/400mm、重复定位精度为±0.1 μm/100nm。北京航空精密机械研究所研制出Nanosys-300非球曲面超精密复合加工系统。

2.8 加工制造学科领域

加工制造学科近年来的发展趋势主要是高效、高精度、低成本、少无污染以及柔性数字智能自动化。

大连理工大学郭东明、贾振元、康仁科教授提出了硬脆材料复杂曲面天线罩精密制造技术与装备。针对天线罩电性能的特殊要求，建立了天线罩综合电性能误差与几何参数补偿量关系的理论模型。提出了一次安装、自动定心、真空夹紧、精密测量、数据处理、逐点可控、加工一体化的精密修磨技术、专用数控系统和数字化修磨装备，实现了任意点、环、带区域按要求去除量逐点可控数字化微米级精度修磨，解决了国防工程中的一项重大科技难题。

湖南大学宓海青教授在高速精密磨削加工领域，提出“四点恒线速法”，使非圆轮廓表面磨削力相差十几倍造成的磨削缺陷得以改善，表面质量明显提高：提出了切点跟踪磨削新方法，将磨削点的运动向法向和切向分别投影，把曲轴连杆颈的磨削转化为典型的外圆磨削，解决了曲拐类零件加工造成的效率低和误差大的难题；创新了工程陶瓷延性域磨削工艺，实现了难加工材料的低损伤高效深磨。工程陶瓷一次性进给切深达6mm，材料切除率大于120mm3/s·mm，磨削比大于l670，被磨削工件微裂纹深度小于10 μm和无微裂纹。

华中科技大学段正澄、邵新宇教授在曲轴磨削研究中，发现高速切入磨削端面时，冷却液无法到达磨削区，不满足“薄膜沸腾”理论的适用条件，提出了磨削表面烧伤的形成机理、理论模型、参数优化及控制策略，解决了磨削烧伤的难题，除此之外，他们还提出了基于被磨削点恒线速运动的凸轮磨削运动方程和非圆柱表面轮廓曲线跟踪插补技术，有效提高了磨削轮廓精度。

2.9 数字制造领域

数字制造是制造学科与信息学科交叉的产物，是制造技术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。

华中科技大学熊有伦、尹周平教授针对发动机类零件设计制造中的难题，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，建立了集快速测量、数字建模和设计加工于一体的系统技术平台，应用于缸盖、进排气管道、叶片类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。

武汉理工大学周祖德教授提出的数控系统开放式体系结构理论、激光加工中基于法矢的五轴联动插补及误差补偿技术、曲轴磨削控制模型及自动测量方法等，应用于华中数控系统、激光加工成套设备、数控曲轴磨床成套系统；提出了数字制造的概念内涵、体系结构和技术架构，创办了颇具特色的《数字制造科学》杂志。提出基于数字光纤光栅传感的重大机械装备实时动态监测与诊断的原理和方法，并成功应用于港口、冶金、国防等重大机械装备。

华中科技大学丁汉、朱向阳教授将距离函数和伪距离函数理论应用于力旋量和运动旋量空间的定性与定量几何推理，建立了夹具和夹持机构的封闭性、稳定性的定性与定量分析和评价指标体系。提出了最优接触点构形规划的增量算法，这是国际上迄今为止唯一的通用算法，可以应用于任意三维物体、任意接触点数的夹持规划。提出了满足定量指标约束的全部夹持构型计算方法。开发了38套工业机器人作业系统，广泛应用于焊接、装配、码垛和机械加工等行业。

2.10 成形制造领域

高效、精密、清洁、极端尺度成形制造、数字化、智能化和自动化成形制造仍然是其主要发展方向。

快速成型制造(Rapid prototype manufacturing，RPM)是传统制造向多学科交叉和数字化现代制造发展的最具代表性制造技术。西安交通大学卢秉恒、颜永年、黄树槐教授分别对光固化(Stereo lithography apparatus，SLA)、薄材制造(Laminated object manufacturing，LOM)、丝材熔覆(Fused deposition modeling，FDM)、粉材烧结(Selected laser sintering，SLS)等方法进行了深入研究，推动了快速成形学科的形成和发展，并在短期内形成了我国的自主技术，应用到汽车、医疗康复工程、农业节水器件等领域，推动了新技术的产业化。

针对中高档汽车外覆盖件模具大部分依赖进口的现状，湖南大学钟志华、李光耀教授在汽车覆盖件模具成形理论和技术领域，建立了相对完整的接触碰撞过程仿真理论和方法体系，解决了汽车碰撞安全性和车身冲压工艺分析计算中的共性技术问题。提出了能方便处理接触碰撞过程中大变形畸变的无网格计算格式，在国际上较早实现了三维复杂体积成形过程的无网格仿真。提出了模具冲压成型过程中斜拉延筋新工艺：基于碰撞理论，创建一套从冲压过程数字仿真建模，CAE 冲压分析，冲压工艺设计、优化及工艺试验，模具参数优化、到模具结构的设计制造，形成了基于CAD/CAE/CAM一体化的拥有自主知识产权的关键技术与装备，已应用到多家汽车和模具企业，打破了国外对大型覆盖件模具技术垄断的局面。

上海交通大学林忠钦教授在车身冲压成形过程建模与质量控制研究中，提出了基于相变对材料性能的宏微观耦合的材料本构模型；提出了基于变压边力控制技术，实现成形过程中金属流动的精确控制，建立了高强度钢汽车板精益成形技术体系。大型覆盖件平均废品率由原来5％降到0.5％，促进了国产钢板的广泛应

用。

多场耦合下温度、速度效应与协调控制是大型铝型材等温挤压精确成形过程中迫切需要解决的难题。西北工业大学杨合教授采用仿真建模和物理试验相结合的方法，揭示了大型铝型材挤压速度对挤压过程及其温度场变化、挤压速度随挤压行程降低的影响规律：提出了通过控制速度逐段减小实现大型铝型材等温快速挤压过程的技术路线，以及基于大型铝型材挤压过程三维热力耦合有限元建模仿真技术，从而解决了大型铝型材挤压中温度速度效应及协调控制等重大难题，为我国100 MN和125 MN油压双动铝挤压装备成功研制做出了重要贡献。

内高压成形是一项典型的高效、节能、节材、短流程工艺。哈尔滨工业大学苑世剑教授系统地提出了内高压成形基础理论和工艺关键技术：建立了壁厚分界圆和塑性起皱临界应力理论模型，揭示了成形的缺陷形成机制和壁厚分布规律，发明了“有益皱纹”预制坯和降低成形压力方法，提出了超高压增压器及数字控制等核心技术，成功地研制了国内首台生产用自动化三轴数控内高压成形装备，研制生产了轿车底盘前梁、副车架、排气管件、火箭接头、“神七”舱外服通风管等零件，并在工业生产中得到大批量应用。

在激光电弧复合焊接领域，大连理工大学刘黎明教授提出了一项重要的原创性的焊接技术。他发现了低功率激光诱导电弧等离子体能量增强、积聚的现象及规律，发明了控制和增强激光诱导、增强、激励电弧的关键工艺，提出了基于能源节约型低能耗激光增强电弧复合焊接技术，开发了低功耗激光增强电弧复合焊接集成装备，及配套焊接材料制备工艺及专业设备。

2.11 微纳制造领域

目前微型机械系统(Micro. electro mechanical systems，MEMS)发展的主要趋势是工程性能优化、智能系统集成、批量低成本：纳米制造主要研究方向是尺度效应、材料加工方法、纳米结构及系统的制造。

在微纳系统设计方面，西北工业大学苑伟政教授提出了支持任意流程的MEMS 集成设计工具，可为机械、电子等不同工程背景设计人员提供多层次、多入口的任意流程设计，支持惯性、压力、光学、射频等器件的建模、仿真与分析。

北京大学在硅基MEMS技术研究中，提出三套标准工艺流程，突破了高深宽比硅刻蚀、微结构键合强度检测、应变电阻杂质分布、薄膜应力控制等难题，建立了高水平的硅基MEMS加工平台。上海交通大学研究了非硅多层复杂微结构加工技术等，并应用于化学传感器、生物医学分析器件中。

中科院上海微系统所发明了多层硅微机械结构一次成形技术、干法刻蚀积累电荷释放和可动结构保护技术和圆片级封装新方法，形成了基于单硅片结构的双面体微机械压阻传感器制造工艺、建立了集MEMS芯片制造和封装于一体的技术平台。

哈尔滨工业大学李勇教授针对喷墨、喷丝、喷液和喷雾构件的微加工，提出了微细冲压加工和微细电火花加工交叉结合的微细阵列型孔复合加工工艺，加工出截面形状为三角形、最小喷口尺寸60μm量级的喷丝头。目前正在开发面向汽车喷油嘴的批量微细电火花加工工艺与设备。

哈尔滨工业大学提出了微塑性成形工艺，制造出微型齿轮和钟表延时机构：采用微细电火花加工技术，提出了微喷批量加工工艺与设备技术。厦门大学提出

了具有原创性约束刻蚀剂层技术，实现了对硅、砷化镓和金属(Cu、Ni、Al、Ti)的三维刻蚀加工。湖南大学尹韶辉教授在微小非球面模具的超精密磨削及纳米研抛加工方面取得重要进展，并己获得初步应用。

大连理工大学王立鼎、刘冲教授研制了具有自主知识产权的塑料微流控芯片自动化制造装备，进行了微结构热压成形金属模具的制作、微流控芯片制作工艺以及芯片质量检测技术等方面的研究，掌握了芯片批量制作的关键技术。

2.12 设计学领域

复杂机电系统及产品、大型重要装备等的自主创新设计、虚拟仿真设计的理论、方法与技术，是近年来机械设计的重要方向。

西安交通大学谢友柏教授提出了创新设计过程的核心是知识获取过程的观点。针对现代设计对分布式资源环境依赖性问题，提出了建立在分布智力资源环境基础上的现代设计理论和方法。建设了教育部现代设计与制造网上合作研究中心，支持企业在互联网上合作设计。

浙江大学谭建荣教授针对多样性、个性化的定制产品中如何实现千变万化的设计难题，提出并实现了产品配置、变型、进化和递归4项设计技术，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，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。

圆弧剪刃滚动式剪切机是中厚板剪切重要装备，以前一直是国外装备垄断市场。太原科技大学黄庆学教授提出了新型滚切剪非对称曲柄机构设计原理，设计发明了性能优越的中厚板剪切装备，自主设计制造的产品颇具市场竞争力，打破了国外产品的垄断局面。在密封技术领域，王玉明等设计发明了双环带螺旋槽端面密封、双列双叶螺旋槽端面密封以及浮环──螺旋槽组合端面密封，使防颗粒性能、停车密封性能、密封平衡比等性能得到明显改善。

大连理工大学滕弘飞教授针对航天器方案设计中解的组合爆炸及多学科设

计约束满足等复杂性问题，提出了基于人智一图形一计算的航天器布局设计方法，为航天器等一类大型、高维、动态复杂工程系统方案设计的建模、求解提供了有效方法。

河北工业大学檀润华教授在发明理论TRIZ等方面进行了系统研究，提出了多冲突的定性和定量分析方法与领域解转化技术，归纳了产品创新模糊前端中创新设想4种产生模式。

2.13 高能束加工领域

加工尺寸及环境的极端化、加工方法交叉融合、加工技术的精密、高效及数字自动化是其主要研究方向。

中科院力学所研制出生产优质冷轧板带所必须的轧辊毛化新技术—YAG激光毛化轧辊技术，在世界上首次实现YAG激光毛化技术成功用于规模生产，该技术

核心发明点是研制出特殊声光开关调制技术，使相同功率的YAG脉冲激光器毛化轧辊的频率和毛化粗糙范围提高数倍，提高了轧辊使用寿命。YAG激光毛化技术已成功用于我国各类优质冷轧板生产。

北京理工大学姜澜教授在飞秒激光加工有机材料的研究中，引入量子力学理论，揭示了离子云对激光的聚焦作用，预报了加工出平底沟的可能，得到试验验证，受到国际学术界关注。

华中科技大学发明了一种新型实用的金刚石圆锯片激光焊接系统、提出了基体及刀头的过渡材料的可焊性、烧结工艺及焊接工艺，研制了适合锯片焊接的激光焊接系统，产品远销欧美。

山东大学黄传真教授在硬脆材料的高压磨料水射流切割加工、表面铣削加工、微细磨料水射流精密加工机理及抛光技术、磨料水射流混合管流场仿真等方面开展了系统研究。建立了单磨料粒子脆性断裂和塑性剪切冲蚀动能模型，提出了工件材料脆塑转变冲蚀动能临界条件，研制成功了精密微磨料水射流加工系统，其

29nm。

抛光表面粗糙度可达R

a

3 机械工程发展趋势

3.1 机械传动学的发展趋势

(1)传动趋向于承载能力大、振动噪声小、节能高效、体积小、质量轻，高速重载条件下工作。传动设计计算采用动态设计、可靠性设计、多目标优化设计、摩擦学设计等新方法和CAD/CAPP/CAM、CAT、EMS、CIMS等最新技术。

(2)积极开拓新的传动形式。新型啮合传动，液体粘性传动，电控流变液体传动，改进现有传动元件，努力使传动具有更广泛的性能。例如；防止过载、防止冲击、大转动惯量启动、空载运行、正反向运行、迅速制动等，同时，力求简化传动产品生产，以达到降低成本，提高经济效益和市场竞争能力。

(3)传动转矩和转速的调节趋向无级化、自适应化、微机化和智能化。

(4)机械传动与电传动结合起来，组成复合传动。非圆行星齿轮与液压传动组成高性能的低速液压马达；将电传动与双自由度机械传动结合起来，组成效率既高又能无级调速的双流传动；以电磁波发生器代替机械波发生器，取代高速电机的低转动惯量步进电机。

(5)采用组合技术实现传动产品的系列化，用最经济的生产手段满足不同机械对传动的要求。

3.2 机械动力学发展趋势

机械动力学的发展趋势主要体现在以下几个方面：

(1)向多维非线性系统的全局摄动法、全局分岔和混沌动力学方向发展；

(2)注重多维强非线性系统分岔与混沌动力学的实验研究；

(3)倾向于时滞非线性系统的动力学理论及其应用；

(4)注重流体-弹性体-刚体耦合系统的动力学与控制；

(5)向边结构动力学与碰撞振动方向发展；

(6)向微型化发展──微机电系统动力学；

（文献：胡海岩，孟庆国，张伟等，动力学，振动与控制科学未来的发展趋势，J力学进展，2002，32（2））

3.3 机器人机构学发展趋势

该领域的主要发展趋势和方向如下：

(1)现代机构设计的新理论、新方法。主要研究内容包括机构拓扑结构“任务空间”基本功能的数学描述，机构拓扑结构设计的非数值类非线性问题的建模、求解与方案优选，机构运动学与动力学等参数设计的数值类非线性问题的建模、求解与方案优选。

(2)实现特殊功能的机构设计理论以及应用关键技术。主要研究内容包括超面向重大应用背景的高加速度机构的设计原理与试验技术，超高速运转机构动态设计与平衡理论，超高精度机构的设计、标定、检测与试验原理，超大载荷对象的多维微位移、微振动控制的机构设计理论及其在重大装备制造中的应用技术。

(3)微操作和微尺度机械的机构学。主要研究内容包括微机构的表面效应和尺寸效应，多尺度效应和跨尺度运动的机构设计理论，微机构的动态分析与设计原理，微机构的可靠性分析与设计，微机构与微电子、微光学器件、微驱动、微传感和控制系统等高度集成多尺度、多维微操作机构的集成设计理论与方法。

(4)机构与机器人动力学。主要研究内容包括多种形式(冗余度、冗余驱动、欠驱动、协调操作等)的柔性机器人动力学，柔顺及柔性机构动力学分析与综合，刚性及柔性并联机器人动力学分析与综合，含间隙机构及机器人动力学分析与综合。

(5)新型移动与操作机器人。主要研究内容包括移动与操作机器人的新构型及其设计理论，并联机器人的新构型及其设计理论，步行、多臂协调、冗余机器人的构型与性能设计，模块化移动与操作机器人的优化与重构方法，在复杂与特殊环境中移动与操作机器人的感知、定位与协调技术，多移动机器人的编队运动与作业协调方法，移动与操作机器人的遥操作与虚拟现实人机交互感知技术，移动与操作机器人重点应用技术。

(6)仿人与仿生机器人。主要研究内容包括机器人的新型仿生驱动、关节、感知与作业单元，新型仿人与仿生机器人结构系统及其优化设计理论，机器人的生物感官与群体行为仿生理论与技术，生物──机械──电子一体化系统的基础理论，仿人与仿生机器人的环境与人机交互感知技术。

(7)微纳机器人。主要研究内容包括三维微尺度机器人的新型驱动、检测单元与系统构型，微尺度机器人的微观力学建模、性能评价与分析理论，微尺度机器人的优化设计、制造与控制方法，微纳机器人规模群体交互与作业模型及其协调控制理论，微操作机器人的精度分析、标定与检测理论；微操作机器人的新构型及其系统建模与控制；生物分子机器人的分子电动机特性和信息交换机理，生物分子机器人的运动建模理论、仿真方法与控制技术；染色体微操作、微切割和微克隆机器人。

（文献：高峰，机构学研究现状与发展趋势的思考，机械工程学报，2005，

41（8））

3.4 摩擦学发展趋势

(1)摩擦学研究与开发的范围越来越超出一般机械领域，并与新兴学科和高新技术实现大跨度的交叉与综合，形成新的学科与技术的生长点，除了生物摩擦学之外，环境设计中的摩擦学也已成为国际摩擦学会议的重要主题；

(2)摩擦学基本问题的研究将从宏观向微观两个方向延伸，Holmberg提出了包括从原子到宇宙尺度的所有的最基本的摩擦学现象在内的构想，即从分子摩擦学到宇宙摩擦学的构想；

(3)摩擦学主要研究方法将从面向现象与摩擦学元件的定性描述的简化法向面向摩擦学系统的系统分析法发展；

(4)摩擦学研究与开发的机制将打破学科间的壁垒，强化学科间的沟通与合作，发展集成技术，这是近年来出现的又一发展趋势。

（Homberg K， Reliability aspects of tribology 2001(12)；张嗣伟，我国摩擦学界面临的挑战与机遇，润滑与密封，2003，2）

3.5 仿生机械和生物制造发展趋势

基于蓬勃发展的快速成型技术和生物生长因子培养和控制技术，在未来几十年内，基于快速成型的仿生制造将会得到广泛的应用。它具有现实的可操作性；产品具有生物活性；产品具有全天然生物材料特性：产品中可添加缓释的各种药品或保健品，进一步增强产品的功能；理论上可以成形任意复杂零件；具有高度柔性，即无需任何工夹具，可快速成形出具有一定精度和强度、满足一定功能的原型；高度集成化：无环境污染；生产周期较短等优点。因此，基于快速成型技术的仿生制造将具有很好的发展前景。