机械工程前沿讲座课程总结
一、飞秒激光与纳米技术
众所周知，组成物质的分子和原子，每时每刻都在快速地运动，这是微观物质重要的基本属性。飞秒激光产生后，人类能够在原子和电子的层面上观察到它们超快运动的过程并加以利用。在高强度飞秒激光的作用下，气态、液态、固态物质会在瞬息间变成等离子体。高功率飞秒激光与电子束碰撞，能够产生X射线飞秒激光、射线激光以及正负电子对。此外，利用飞秒激光能够有效地加速电子，使加速器的规模得到上千倍的压缩。高功率飞秒激光与物质相互作用，能够产生足够数量的中子，实现激光受控核聚变的快速点火。
通过对飞秒的研究，除了揭示自然科学的奥妙之外，还促进了新型“飞秒激光”技术的应用和发展。飞秒激光是一种周期可以用飞秒计算的超强超短脉冲激光。它的出现为人类提供了前所未有的全新实验手段与物理条件，有着十分广阔的应用前景。根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。
飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源，形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术。它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域，并开创了一些全新的研究领域，如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合，使人们可以研究半导体的纳米结构（量子线、量子点和纳米晶体）中的载流子动力学。在生物学方面，人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/探测技术，研究光合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。超短脉冲激光还被应用于信息的传输、处理与存贮方面。
由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病变早期诊断、医学成像和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点和不可替代的作用。飞秒激光甚至可用于基因疗法，德国科学家用它在老鼠的细胞进行试验，现已取得显著的成果。美国加州一家公司研制的飞秒激光视力矫正系统，现已完成了2万次手术，为患者带来了福音。有的科学家发现，利用超短脉冲激光能去掉牙的一小块，而不影响周围的物质。一种无痛、且可保护周围健康珐琅质的超短激光牙科术，正在人们的期望中出现。
高功率飞秒激光还可以将大气击穿，从而制造放电通道，实现人工引雷。避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难性破坏。飞秒激光用于切割易碎的聚合物，不致改变其重要的生物化学特性。在汽车制造和重型设备加工中，利用飞秒激光可以更好地加工发动机喷油嘴。
所以我们相信，随着超短脉冲激光技术的进一步发展以及具有高可靠性的商用飞秒激光器的进一步完善，飞秒激光一定会在更多领域获得更为广泛的应用。
所谓纳米技术，是指在0.1~100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子的运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。
纳米科技是学习纳米尺度下的现象以及物质的掌控，尤其是现存科技在纳米时的延伸。纳米科技的世界为原子、分子、高分子、量子点和高分子集合，并且被表面效应所掌控，如德瓦耳斯力、氢键、电荷、离子键、共价键、疏水性、亲水性和量子穿隧效应等，而惯性和湍流等巨观效应则小得可以被忽略掉。举个例子，当表面积对体积的比例剧烈地增大时，开起了如催化学等以表面为主的科学新的可能性。
纳米技术已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及
国防等。
二、RV减速器
RV传动是新兴起的一种传动，它是在传统针摆行星传动的基础上发展出来的，不仅克服了一般针摆传动的缺点，而且因为具有体积小、重量轻、传动比围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点。日益受到国外的广泛关注。RV减速器是由摆线针轮和行星支架组成以其体积小，抗冲击力强，扭矩大，定位精度高，振动小，减速比大等诸多优点被广泛应用于工业机器人，机床，医疗检测设备，卫星接收系统等领域。它较机器人中常用的谐波传动具有高得多的疲劳强度、刚度和寿命，而且回差精度稳定，不像谐波传动那样随着使用时间增长运动精度就会显著降低，故世界上许多国家高精度机器人传动多采用RV减速器，因此，该种RV减速器在先进机器人传动中有逐渐取代谐波减速器的发展趋势。
RV减速机由一个行星齿轮减速机的前级和一个摆线针轮减速机的后级组成，RV减速器具有结构紧凑，传动比大，以及在一定条件下具有自锁功能的传动机械，是最常用的减速机之一而且振动小，噪音低，能耗低。
RV减速机的传动装置是由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行星减速机构两部分组成，为一封闭差动轮系。主动的太阳轮与输入轴相连，如果渐开线中心轮顺时针方向旋转，它将带动三个呈120°布置的行星轮在绕中心轮轴心公转的同时还有逆时针方向自转，三个曲柄轴与行星轮相固连而同速转动，两片相位差180°的摆线轮铰接在三个曲柄轴上，并与固定的针轮相啮合，在其轴线绕针轮轴线公转的同时，还将反方向自转，即顺时针转动。输出机构(即行星架)6由装在其上的三对曲柄轴支撑轴承来推动，把摆线轮上的自转矢量以1:1的速比传递出来。
RV减速器具有非常明显的优点。扭转刚度大，输出机构即为两端支承的行星架，用行星架左端的刚性大圆盘输出，大圆盘与工作机构用螺栓联结，其扭转刚度远大于一般摆线针轮行星减速器的输出机构。在额定转矩下，弹性回差小。传递同样转矩与功率时的体积小(或者说单位体积的承载能力大)，RV减速器由于第一级用了三个行星轮，特别是第二级，摆线针轮为硬齿面多齿啮合，这本身就决定了它可以用小的体积传递大的转矩，又加上在结构设计中，让传动机构置于行星架的支承主轴承，使轴向尺寸大大缩小，所有上述因素使传动总体积大为减小。
三、机器人轨迹规划与控制导论
机器人轨迹规划就是讨论计算轨迹方法的研究,轨迹描述了我们希望操作臂在多维空间中的运动路线。机器人系统在运动过程中必须遵循一个原则,就是运动过程中尽量平滑、平稳,也就是要避免位置、速度和加速度的突变,如果运动不平稚会产生机械部件的磨损加剧,并导致机器人系统的振动和冲击。事实上,突变的运动需要无穷大的动力实现,而电动机因受物理的限制不能提供上述动力。因此,我们就必须规划机器人的运动轨迹,可以用简单的技术规划机器人的运动,使其运动平滑、平稳,减少冲击和振动,能够保证整个机器人系统长期、高效、稳定的运行。但是,不能保证不产生运动的突变和抖动,以及机器人刚体的振动。所以,对机器人的轨迹规划进行深入的研究就非常重要,而且随着对机器人要求的不断提高,如何保证机器人能够高速、平稳的到达指定位置,提高整个机器人系统的稳定性和可靠性,轨迹规划就显得越来越重要。而拾取操作的轨迹规划又是轨迹规划的基础和根本,是研究有路径约束和障碍约束的轨迹规划的前提。
在工业生产过程中，操作机器人经常会遇到一些难题，如机器人启动或停止时的手部发生抖动，或者机器人末端执行器不能运动到目标位置等现象，这些不良现象发生时，严重的情况下会对机器人的机构产生严重的磨损和破坏，极大影响机器人寿命。这就要求机器人系
统在实际的工作中，运动能尽量保持平滑、平稳，避免速度、加速度的突变，使其具有高的工作精度和运动平稳度，防止机器人系统发生振动和冲击。为了解决上述这些难题，保证机器人能够平稳地、快速地、准确地到达指定的位置，可以在操作机器人前对其进行轨迹规划，并且配合利用机器人仿真技术模拟轨迹规划的全过程，这样也就可以避免冲击、振动等不良现象的发生。
机器人的轨迹规划就是讨论计算轨迹规划方法的研究，轨迹描述了操作臂所希望的在空间中的运动轨迹。为了保证机器人能够平稳，并且能快速、准确地到达指定的位置，就需要对其进行轨迹规划，可见对机器人的轨迹规划进行研究是非常必要的，而且随着对机器人工作效率要求的不断提高，机器人在工业生产中广泛使用，轨迹规划显得尤为重要。
四、制造业的智能化与信息化
CIM（Computer Integrated Manufacturing）--是一种组织、管理与运行企业生产的哲理。它包含两个要点：
（1）企业的各个生产环节是不可分割的，需要统一考虑。（体现系统的观点）
（2）整个制造过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程。（体现信息的观点）CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）--计算机集成制造系统
--CIMS是CIM生产哲理的实施。
--因此，通俗解释为：用计算机通过信息集成实现现代化的生产制造，求得企业的总体效益。
CIMS-2的定义:“将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应用于企业产品全生命周期（从市场需求分析到最终报废处理）的各个阶段。通过信息集成、过程优化及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行达到人（组织、管理）、经营和技术三要素的集成。以加强企业新产品开发的T、Q、C、S、E（环境），从而提高企业的市场应变能力和竞争能力。”
计算机辅助设计（Computer Aided Design）的英文缩写为CAD。其含义是指利用计算机进行高质量、高效率的产品和工程设计。
CAD的Design对象可分为三大类：
产品（Production）：机械、电子、电气、轻工产品等。
工程（AEC：Architecture、Engineering、Construction）：建筑物、工厂的厂房、石油化工设施等。
艺术：电影特技、动漫、广告等。
CAD/CAM技术是当代最杰出的工程技术成就之一：
从根本上改变了传统上依靠手工绘图，凭借图纸组织整个生产过程的技术管理模式。
衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。
ERP的理论基础：
企业的所有信息资源包括3大块：物流、资金流和信息流
ERP建立在信息技术基础上
ERP利用现代企业的先进管理思想，全面地集成了企业的所有信息资源信息
ERP为企业提供决策、计划、控制与经营业绩评估提供了全方位和系统化的管理平台。
智能制造是制造技术与数字技术、智能技术及新一代信息技术的融合，是面向产品全生命周期的具有信息感知、优化决策、执行控制功能的制造系统，旨在高效、优质、柔性、清洁、安全、敏捷地制造产品和服务用户。
包括制造装备的智能化，设计过程的智能化，加工工艺的优化，管理的信息化，服务的远程化。具有信息感知、优化决策、执行控制的特征。
五、中国制造2025与智能制造
中国制造2025
基本方针：创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本。
第一步：力争用十年时间，迈入制造强国行列。
第二步：到2035年，我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平。
第三步：新中国成立一百年时，制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列。
十大领域：新一代信息技术产业，高档数控机床和机器人，.航空航天装备，.海洋工程装备及高技术船舶，.先进轨道交通装备，节能与新能源汽车，电力装备，农机装备，新材料，生物医药及高性能医疗器械。
《中国制造2025》“1+X”规划体系
“1”——《中国制造2025》
“X”——11个配套的实施指南、行动指南或发展规划指南，包括：5个工程实施指南——制造业创新中心、工业强基、绿色制造、智能制造和高端装备创新。
4个发展规划指南——制造业人才、信息产业、新材料产业、医药工业。
2个行动指南——发展服务型制造、促进装备制造业质量品牌提升等。
智能制造是制造技术与数字技术、智能技术及新一代信息技术的融合，是面向产品全生命周期的具有信息感知、优化决策、执行控制功能的制造系统，旨在高效、优质、柔性、清洁、安全、敏捷地制造产品和服务用户。
包括制造装备的智能化，设计过程的智能化，加工工艺的优化，管理的信息化，服务的远程化。具有信息感知、优化决策、执行控制的特征。
推进和实施智能制造的关键是要遵循“三要三不要”。
不要在落后的工艺基础上搞自动化——需要补先进工艺和自动化的课；
不要在落后的管理基础上搞信息化——需要补建立在现代管理基础上的信息化的课；
不要在不具备网络化数字化基础时搞智能化——需要补课、普及、充实、提高。
我们在工业2.0的自动化、工业3.0的信息化过程中，还有一系列基础性问题没有解决好，必须围绕制造业，强基固本，创新转型，才能实现制造强国，迈向工业4.0。
智能制造标准规要先行；智能制造支撑基础要强化；赛博物理CPS理解要全面。
未来智能工厂中，智能化生产设备和智能化产品将成为CPS的物理基础，通过工业互联网
和物联网协同交互，实现人机物互联和信息共享，构建数字孪生体(digital twin)，实现赛
博物理生产系统(CPPS)，支持和实现智能制造新模式。
工业4.0两大主题：智能工厂（智能服务）和智能生产（智能物流）
三项集成：通过价值网络实现的横向集成（横向集成），贯穿整个价值链的端到端工程数字化集成（端到端集成），垂直集成和网络化制造（纵向集成）。
工业4.0项目主要受益于两大主题
一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；关注重点为智能机床、工业互联网板块中的机床、机床、川机床、中际装备、东土科技、东华测试、智云股份。
二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等，重点关注物联网和晶科技、机器人概念三丰智能、机器人和3D打印
大族激光、金运激光等。
六、球磨机节能关键技术的研究
在粉磨工艺中最主要的设备就是球磨机，各类球磨机大致相同，属于低速重载设备，且要求具有一定的恒转矩，以满足球磨机装载量的要求。球磨机筒体的转速太低或太高，都会降低钢球对物料的研磨效率。球磨机转速较低时，钢球和物料随筒体壁上升，当钢球和物料的倾角等于或大于自然倾角，钢球沿斜面滑下不能形成足够的落差，钢球对物料的磨碎作用很小,这种情况效率很低；如果筒体的转速很高时，由于离心力的作用，以致物料和钢球不再脱离筒壁，而随其一同旋转，这时钢球没有撞击作用，物料只受到轻微的研磨，效率也很低。因此球磨机料筒的转速要求恒定。要考虑球磨机变频调速节能，其转速变化的围也不大，且可能使球磨的时间增长,节能的效果不明显。电动机作为球磨机电力传动方式的生产机械，其功率是按最大负荷或长期额定负荷选择的，而绝大部分工作时间设备不能满载运行，特别是用于塑料粉末生产的球磨机采用滑差调速电机拖动，其电机始终工作在满电压、满速度状态，负载满载率却经常很小。
影响球磨机粉磨效率的主要因素
1、研磨体级配与装载量不合理：未根据不同物料特性合理选择研磨体规格与装载量，导致磨机出力系数（出力/装载量）低，一般为0.4～0.8。
2、物料破碎过程中未根据其所需破碎能量进行分级破碎，实现破碎能量利用最大化。
3、不同特性物料混磨：物料中杂物未筛分（如煤中夹杂石块等）及大块物料未预破碎。
4、工况调整不合理：通风出力、干燥出力与粉磨出力三者不匹配，无效能耗增加。
5、研磨体耐磨性差：运行一段时间后失圆率增加，粉磨出力降低。
电机控制是一个非线性控制问题，变频器在基频以下调节电动机的转速可节能，节能的幅度与调速的围有关，但对球磨机速度可调围不大,节能效益不明显。从球磨机节能运行的角度出发，在满足相同负载功率前提下，按能耗最小寻优目标的功率因数，确定最佳调整电压，以减少电机输入有功功率的控制系统，采用降压提效，以旁路双斜坡软启动的控制方法改善球磨机的启动性能，从而以轻载降压来提高球磨机的运行效率。通过实验数据表明，该节能策略与控制方法是可行的，对球磨机节能运行起到作用。
七、复杂系统人机交互数字界面的设计研究
随着计算机技术和控制技术的快速发展，复杂化的信息操控系统也进入了信息化时代。在很多复杂信息系统中已经逐步取代传统的显控界面，被广泛应用到战机船舶驾驶操纵、核电厂控制、战场指挥、汽车驾控等各种复杂的人机交互系统和环境之中。复杂信息系统的计算机数字界面信息来源渠道多，信息量大，信息结构关系错综复杂，是人机信息交互的重要载体和媒介。从某种意义上来说，复杂信息系统人机交互数字界面就是系统的大脑，系统的各方面信息都汇集于此，复杂信息系统人机交互数字界面已成为操作者获取信息、知识推理、判断决策的重要手段和操作依据。复杂信息系统人机交互界面在军事、信息安全、地理交通等诸多重要领域发挥着不可替代和非常重要的作用。在军事领域，随着新军事革命时代的到来，现代战争作战效能的发挥建立在能量流（动力系统）、信息流（信息系统）和物质流（武器装备）的有机结合之上。信息化条件下，战场情况变化急剧，战机稍纵即逝，军事人员要及时关注战场态势并作出决策，单靠“人脑”显然难以完成，必须借助于以计算机技术为主的数字界面信息系统。
“复杂系统数字界面人机交互与设计”是对复杂系统数字界面的可用性和信息使用绩效进行研究，是基于对数字界面进行元素解构并分析数字界面信息编码的设计原则和方法，提炼出符合操作人员认知规律的设计原则和方法。研究以眼动追踪、脑电测试、认知负
荷态势感知、界面信息架构与编码、三维交互和多点触控等六大技术为手段，以视觉感知、注意捕获、信息流、生态融合、认知摩擦等五大科学理论为支撑。在界面设计的迭代过程中，实现对复杂系统数字界面的设计、评估和开发。
研究针对战机航电系统显示界面设计和评价方法展开，有如下重要作用和意义：一是增强飞行员的情境认知能力，帮助飞行员执行作战任务，提高战机作战能力；二是通过合理的显示界面，帮助飞行员正确理解和操作界面，帮助飞行员做出正确决策；三是通过对显示界面信息进行合理筛选，确保与功能任务相关的必要信息传递，减轻飞行员操作负担，降低认知负荷；四是通过显示屏幕将数据集成，保证飞行员正确地理解界面信息，保障飞行任务完成；五是建立战机航电系统人机交互界面可用性度量指标体系和方法体系，通过眼动追踪和脑生理指标评估，进一步优化了航电界面生理测试评估体系。
复杂信息系统的研究主要可分为两个方面，普通民用复杂信息系统研究领域和特殊军用复杂信息系统研究领域。普通民用复杂信息系统主要有汽车、船舶、民用飞机、核电控制等操控系统；特殊军用复杂信息系统主要有航天飞行器、舰艇、战斗机以及现代化战场指挥等监控指挥系统。以美国为首的西方国家，在复杂信息系统研究领域处于绝对的领先地位，无论是对民用还是军用复杂信息系统，研究者们都进行了大量深入的研究，取得了许多阶段性研究成果。美国将21世纪的基础研究容分为4项，其中有一项就是人机界面。美国国防部的关键技术计划不仅把人机交互界面列为软件技术发展的重要容之一，而且专门增加了与软件技术并列的人机系统界面这项容。日本也提出了FPIEND21计划（Future Personalized Information Environment Development），其目标就是要开发21世纪的计算机信息系统界面。
根据国外先进战机显示界面发展情况来看，该领域未来的研究主要集中在如下几个方面：
人性化研究。在现代战机显示界面系统的设计中，应最大化地考虑人的认知因素，改善航电界面的认知情况，提高飞行员情境认知能力，开展人性化界面设计是当前我国航电界面发展的关键趋势。
科学性研究。通过科学的评估测试方法，利用当前的新科技拓展相关实验研究工作，进行科学的界面设计，提高界面能效和优化界面绩效，从而确保显示界面传递给飞行员的信息符合人的认知，使人—机—环境达到最优。
简约化研究。通过信息架构的深度分析研究，简化和优化航电界面，结合信息的分层，有效降低飞行员的认知负荷，帮助其适应高度紧的战场环境。
标准化研究。采用标准化的航电显示界面，以缩短航电系统的设计研发周期，缩短飞行员培训时间，快速形成战斗力。
八、轻盈化、数字化、智能化汽车
智能车辆是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。目前对智能车辆的研究主要致力于提高汽车的安全性、舒适性，以及提供优良的人车交互界面。近年来，智能车辆己经成为世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力，很多发达国家都将其纳入到各自重点发展的智能交通系统当中。
所谓“智能车辆”，就是在普通车辆的基础上增加了先进的传感器（雷达、摄像）、控制器、执行器等装置，通过车载传感系统和信息终端实现与人、车、路等的智能信息交换，使车辆具备智能的环境感知能力，能够自动分析车辆行驶的安全及危险状态，并使车辆按照人的意愿到达目的地，最终实现替代人来操作的目的。
智能汽车与一般所说的自动驾驶有所不同，它指的是利用多种传感器和智能公路技术实现的汽车自动驾驶。智能汽车首先有一套导航信息资料库，存有全国高速公路、普通公路、