机械前沿讲座总结

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、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点。日益受到国内外的广泛关注。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内，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）