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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内进行试验，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、原子和分子内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，如范德瓦耳斯力、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
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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
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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，钢球和物料随筒体内壁上升，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，其转速变化的范围也不大，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范围有关，但对球磨机速度可调范围不大,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
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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、城市道路以及各种服务设施(餐饮、旅馆、加油站、景点、停车场)的信息资料；其次是GPS定位系统，利用这个系统精确定位车辆所在的位置，与道路资料库中的数据相比较，确定以后的行驶方向；道路状况信息系统，由交通管理中心提供实时的前方道路状况信息，如堵车、事故等，必要时及时改变行驶路线；车辆防碰系统，包括探测雷达、信息处理系统、驾驶控制系统，控制与其他车辆的距离，在探测到障碍物时及时减速或刹车，并把信息传给指挥中心和其他车辆；紧急报警系统，如果出了事故，自动报告指挥中心进行救援；无线通信系统，用于汽车与指挥中心的联络；自动驾驶系统，用于控制汽车的点火、改变速度和转向等。
通常对车辆的操作实质上可视为对一个多输入、多输出、输入输出关系复杂多变、不确定多干扰源的复杂非线性系统的控制过程。驾驶员既要接受环境如道路、拥挤、方向、行人等的信息，还要感受汽车如车速、侧向偏移、横摆角速度等的信息，然后经过判断、分析和决策，并与自己的驾驶经验相比较，确定出应该做的操纵动作，最后由身体、手、脚等来完成操纵车辆的动作。因此在整个驾驶过程中，驾驶员的人为因素占了很大的比重。一旦出现驾驶员长时间驾车、疲劳驾车、判断失误的情况，很容易造成交通事故。
智能汽车是一种正在研制的新型高科技汽车，这种汽车不需要人去驾驶，人只舒服地坐在车上享受这高科技的成果就行了。因为这种汽车上装有相当于汽车的“眼睛”、“大脑”和“脚”的电视摄像机、电子计算机和自动操纵系统之类的装置，这些装置都装有非常复杂的电脑程序，所以这种汽车能和人一样会“思考”、“判断”、“行走”，可以自动启动、加速、刹车，可以自动绕过地面障碍物。在复杂多变的情况下，它的“大脑”能随机应变，自动选择最佳方案，指挥汽车正常、顺利地行驶。
个人心得
机械专业是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的应用学科。几千年前，石器时代的各种石斧、石锤、木质和皮质等简单粗糙的工具是后来出现的机械的先驱。经过漫长的发展，机械已与人类社会的进步形成了密不可分的关系。
机械工程学科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，包括机械学和制造学两大领域。目前学科研究方向包括机械设计理论与方法、机构学、摩擦学、润滑与密封理论、机械强度与可靠性理论、机械振动与机械动力学、机械产品的性能分析与测试技术、专业机械的工作原理与构造、切削原理与加工工艺、精密制造技术与精密机械、计算机辅助设计/制造一体化、集成制造系统、智能制造技术、微纳制造技术、机电系统控制及自动化、流体传动与控制、现代机电控制技术、机器人技术、机电系统设计与仿真、机电产品与装备故障诊断、车辆总体技术、车辆动力传动系统分析与设计、车身设计与制造、车辆轻量化技术、节能与新能源车辆技术、车辆动力特性与控制技术、微器件原理与设计、微纳制造工艺、微纳制造装备、微纳测量与表征、微流体力学、微纳器件性能与可靠性等。
近些年来机械工程基础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大批新理论、新技术和新方法，在国内外产生了重要影响，有的领域已在国际学术界占有一席之地。但同时相比于国外，机械工程学科在国际上总体还处于落后地位，我们国家是制造大国而不是制造强国，许多重大装备我国不能自主设计制造，缺乏自主创新能力。同时还引发资源不足，资源浪费以及污染环境的情况。未来制造业发展总趋势是全球化、信息化、绿色化、知识化和极端化。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、高效精确化、智能集成化及制造极端化。
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。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-
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