仿生机械利用摩擦学用新制造技术创造制造系统

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 我们 已经迈进新世纪的大门。回顾刚刚过去的半个世纪 以来，我国的机械工程科学得到了很一个世纪，不胜感慨 。20世纪是一个伟大的世纪，大的发展，已经建立了较完善的学科体系，在学科前就制造业来讲，在这个世纪里，发 明并完善 了汽车、沿、技术创新和工程应用诸方面取得了突出成就。
 
机床、机器人、飞机、火箭、芯片、计算机和 电视机等在学术研究进展方面，有不少领域已跻身于国成千上万的机电产品，极大地改变 了人类 的生产和际先进行列。例如获得国家 自然科学奖的机床颤振生活方式。非线性理论、电接触可靠性理论、超塑挤压变形规律展望新世纪，新世纪将更加伟大、更加辉煌。制的研究、空间机构位移分析和圆弧齿轮强度分析造业将出现更多意想不到的奇迹。汽车将实现智能理论等。此外，在农机仿生减阻脱附机理、弹性流体化和清洁化；飞机将更快、更安全和更舒适；高速列润滑理论和计量型原子力显微镜等方面的研究也具车和磁悬浮列车将飞驰在祖国的原野；智能仪器和有国际先进水平。
 
智能机器人装备的现代化制造系统将能按照人们的在技术创新方面，新型焊接电弧控制法、意志和要求高效率、高质量制造产品；微型机器人可稀土化合物摩擦学特性、微机化现场动平衡仪、计算进入血管清理垃圾、去除囊肿；人们可用分子组装技机磁盘超精密研抛机、等角速万 向联轴器、陶瓷术组装出理想性能的微器件；掌上通讯工具可能是刀具、超精密加工表面微观形貌在位检测仪、高温密计算机、可视 电话、电视和网络的集成。栅云纹法、高温下材料力学性能测量装置和渐开线未来机械工程科学发展的总趋势将是交叉、综环形齿球形齿轮机构等研究成果获得国家发明奖。
 
合化；数字、智能化；微型、精密化；高效、清洁化；柔有的研究项 目不仅在理论和技术上取得了突出性、集成化。智能机器人及仪器设备、微型机 电系的进展，而且已转化为生产力，产生了很大的经济效统、高效柔性、智能自动化制造技术将 日趋成熟并被益和社会效益。如获得国家科技进步奖的系列飞机市场所接受；可重构制造系统 的理论与技术和适合安全可靠性研究、阿依 24 发动机振动故障研究、大中国国情的制造模式将得到完善和发展；在机构学、型汽轮机组轴承系统 的摩擦学设计、精辊精锻复合摩擦学、仿生机械和仿生制造等研究领域，我国将进工艺、精加工刀具后角的研究、光纤干涉绝对测量、入世界先进行列；在与物理学相关的计量、测试和仪锻压设备数控技术、机器人离线编程系统 HOLPS 及器等领域，虚拟仪器、基于网络的远程测试及故障诊其应用、挖掘机优化设计理论和技术、大型传动系统断技术将得到广泛应用。制造业在信息技术的提升动态测试方法和装置、场效应管逆变焊接机、大型机下将全面现代化，国家由于制造业创造 的财富而更械设备变工况非平稳动态分析和检测诊断、电缆连加 昌盛繁荣，人民的生活将更加富裕和潇洒。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、生命科学和管理科系统、快速成形制造、制造系统和制造模式、微型机因素的限制，发展速度受限；电流变技术的发展有待电系统、仿生机械和仿生制造等方面 已形成 了新的电流变材料性能的突破；并行工程、敏捷制造和一般学科研究方 向和研究群体。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
 
2  现代机械工程科学前沿初探声波 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 问不 同科学之 间的交叉融合将产生新 的科学聚题仍不明朗；基于网络的设计制造虽然重要，但其中集，经济的发展和社会 的进步对科学技术产生新 的与制造科学相关的问题 尚不清楚。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  3  “十五”优先领域的构想间的界域。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 的科学前沿机械学科“九五”期间资助实施 了 20 多个重大今天可能已成为过去，而原来认为不能解决的科学 项 目和重点项 目。这些项 目大致可分为前沿性和工问题现在 已成为可能。例如平面连杆机构和一般空程应用性基础研究两大类 。这些项 目中多数是通过间机构的分析与综合、凸轮机构动力学、考虑构件弹 优先领域的遴选，公布指南、自由申请、专家评议和性和运动副间隙的连杆机构动力学、流体传动/ 机械 平等竞争立项的，基本上代表 了机械工程科学的发传动理论、弹性流体动力润滑和薄膜润滑、一般优化展方 向，具有前瞻性、交叉性、先导性、基础性和应用设计方法、普通切削磨削加工、精密加工、特种加    性等五大特点。这些项 目已经或正在取得理论上具工、非精确零件成形理论和方法、精益生产等领域 已  有创新性和技术上具有应用性的显著成果。
 
有较成熟的理论，这些可能已不再成为学科前沿。  迈入新世纪的第一个五年，资助 的方 向和格局工程科学前沿区别于一般基础科学前沿的重要  可能不会有大的变化。“十五”优先领域应当选择有特征，是它涵盖了工程实际中出现 的关键科学技术     优势和特色的学科前沿；选择 国民经济和机械工程问题。例如，高速铁路轮轨 的波浪形磨损是 国内外   中的重要关键科学 问题；选择有发展前景的跨学科均未解决的工程技术难题，对此 问题 的解决不但会   交叉新领域；在与 国家其他研究计划不重复资助 的产生巨大的社会和经济效益，其理论方法也一定可   条件下进行遴选。对“九五”已经立过重点项 目并可以丰富学科的内涵，推动学科 的发展。工程科学的    能取得新突破的少数前沿领域，应当选择新 的内容又一特征是具有 明确 的应用前景，其技术成果应具      和关键科学问题继续支持；最前沿、新颖的研究课题有潜在的市场竞争力。特别是我国加入 WTO 以后，往往首先出现在面上项 目中，如果通过面上项 目资我国汽车、机械装备和仪器仪表等制造业将面临更助，已经看出发展苗头或者 已经聚集 了力量和基础严峻的挑战。因此，产品的新颖性、制造质量、成本、     的前沿新领域，也可选作为优先领域立项资助；有的交货期、售后服务 以及环境适应性等 问题更应引起    要从专家建议中产生，但都应按 “十五”优先领域的足够的重视。 遴选准则和程序，通过评审组专家 的集体决断来取信息技术、材料科学、生命科学、纳米科学、管理  舍。
 
科学和制造科学将是改变 21 世纪的主流科学，由此 1999 年 5  月 国家 自然科学基金委员会 召开 的产生的高新技术及其产业将改变世界。与以上领域“世纪制造科学”研讨会 已论证 了个优先领域，215相交叉发展的制造系统和制造信息学、纳米机械和  即制造系统理论与信息化制造、材料 零件制备制造纳米制造科学、仿生机械和仿生制造学、制造管理科一体化和加工新技术基础、机械仿生与仿生制造、微学和可重构制造系统等是21世纪机械工程科学的系统及微制造技术和流程制造与绿色制造技术。机
 
重要前沿科学。 械学科 1999 年先后在测试、计量科学及仪器、超声科学前沿的研究应本着“有所为，有所不为”的  波 电动机、仿生机械和制造、零件精确轧制、并联轴方针，有优势和特色的前沿领域为之；不具备条件的   机床和摩擦学等领域召开了研讨会。1999 年 12 月，领域暂不为之；别人做过并 已有结论 的前沿研究一  来 自全国各地的 60 位专家学者汇聚羊城，研讨机械般不要再为之（除非发现结论有误 ）。机械仿生、纳   工程学科的前沿和优先领域。这些研讨会提出的重米摩擦学、并联机构和虚拟仪器等领域我们 已有一 要课题和研究方 向将为学科“十五”优先领域的遴选定优势和特色，如坚持下去，可能会有大的突破。步   工作起到重要的作用。以下所列是在专家研讨基础行机器人 由于稳定性、速度难题和经济可承受性等上提出的“十五”优先领域。
 
3.1 纳米加工、纳米测量及纳米机械学  计、虚拟制造和网络制造，这将会使制造技术和制造纳米技术是 21 世纪的重要前沿领域，纳米加工   产业发生革命性的变化。测试技术和测试仪器的虚和测量技术关系到 国家 的声誉和安全，同时也是微  拟化、控件化及其科学 问题 的解决将是测试技术及型机 电系统和超精密仪器制造技术的要求。目前应测试仪器领域的一大突破。针对材料科学的新发展着重解决纳米测量溯源、传递、定位、对准 的技术和 和制造技术发展 的新需求，研究按零件最佳使用功理论问题，以及纳米尺度加工 的新工艺和新方法。   能要求来研究理想材料零件的数字化设计制造的融面对国际市场的激烈竞争，应该注重发展新原理、新 合理论与方法和材料与零件的数字化成形制造的新方法和新技术，夺取技术上 的制高点。也要为我 国  方法。这是一个多学科交叉 的前沿科学 问题，将会在生命科学，通讯和物理、化学等领域的重大突破提 使人们长期以来设想按力学、电磁学性能高效设计供技术支持。和制造零件的愿望成为现实。
 
3.2 微型机 电系统的设计与制造理论和技术3.6 可重构制造系统微机 电系统是机械技术和 电子技术在微/  纳米 为适应快速变化的市场需求和信息技术的迅速尺度上相融合的产物，它的发展极其迅速，并有可能发展，制造系统及其企业应当是灵活多变可重组的。
 
在下个世纪对世界科技、经济发展和 国防建设产生可重组制造系统 的体系结构及优化设计理论、柔性巨大的影响。它涉及到诸如静力、惯性力和表面引制造单元及可重组制造系统 的随机动态规划、可重力等静力学效应，流体力学、摩擦力等动力学效应，组制造系统的工艺及装备研究等，都是在新世纪初微结构学和运动学、微传热学、近波长光学传输理论要解决的关键科学技术问题。
 
和低维材料学等多学科交叉的前沿科学问题。在微3.7 高效、精密及低成本加工机理、工艺及装备机 电系统中微结构的制造技术基础方面要深入开展产品的快速 响应制造、绿色制造和超精密工程高深宽比刻蚀技术、深干法刻蚀技术和特种加工技在 21 世纪对加工工艺和装备提出了新的要求，需要术等创新性加工原理方面 的研究；微机械和微电子在加工机理、加工工艺、加工质量保证、新 的加工方设计与制造的兼容性研究是实现集成的重要研究内法、新型加工及控制设备、新型工具材料及结构等方容，应引起足够的重视。 面进行深入研究，形成可靠、优质、高效、精密、特种、3.3 仿生机械与生物制造创新的加工工艺及装备技术，对发展我国制造技术，生命科学必将对21世纪的技术进步与社会发提高产品制造质量，推动 国民经济发展具有重要意展产生重大影响。机械科学与生命科学的融合交叉义。并联机床的关键技术基础、超高速切削和磨削将产生崭新的工艺与产 品，形成一个富有发展潜力的机理、新型刀具及磨具材料和结构的基本理论、超的新产业。制造仿生与生物制造是一个极富创新性精密加工、基于环境意识 的加工制造技术等都是新和挑战性的前沿领域。这方面 的研究 内容包括：生世纪初要研究的重要课题。
 
物活体组织的工程化制造；仿生设计技术与仿生制高效、精确、低成本成形及装备的理论和技术造系统；仿生微型机械及其生物制造工艺；生物遗传精确成形技术和计算机的模拟仿真是现代成形制造（基于遗传基因的生长成形技术）。技术两个最突出的发展方向。在复杂大型模具的仿智能机械结构及系真模拟及其设计制造、大型铸锻件的质量保证技术、智能结构系统是在结构中集成传感器、控制器复杂零件的制造技术、激光加工技术基及执行器，赋予结构健康自诊断，环境自适应及损伤础、快速原型数字制造技术、焊接智能自动化、成形自愈合等某些智能功能与生命特征，以达到增强结制造过程的清洁生产研究等方面开展以知识为基础构安全、减轻重量、降低能耗和提高性能等目的一种的，以高质量、短周期、低成本为总 目标 的铸KBE仿生结构系统，主要内容有：智能机械结构系统基础造、塑性加工和连接工艺技术和装备基础性研究，就理论及关键技术的研究；典型智能机械结构系统的成为此领域的重要方向。研究。该领域的研究 内容还包括：智能机器人
 
产品的绿色设计和制造能制造系统等。研究内容包括：建立绿色产品、绿色制造系统的数字化制造（含虚拟制造、网络制造、模拟仿真模型，把涉及环境、生态等经验性描述和相关学术思和虚拟测试等）想等内容用数学方法融入到设计制造理论体系中；21 世纪将是数字化制造 的时代，通过对设计与绿色产品的评价指标体系和方法；机械设备和国防制造过程的数字化理论与技术 的研究，实现在高度装备再制造中的关键技术，如再制造装备系统失效交互、高度仿真的虚拟现实环境下的新一代虚拟设行为的物理模型、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 品综合性能在线设计理论和方法、新材料与新工艺的实用性、材料与检测和计算机模拟等。随着机械装备机 电一体化程介质的相容性、新介质 的质量控制及状态监测等一度的不断提高，电磁污染问题也是亟待研究的问题。系列关键技术进行深入的研究，为在“十五”期间研
 
3.10 产品创新设计和全性能、全生命周期优化设制出具有 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。
 
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。
 
3.11 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。
 
3.12 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。
 
3.13 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