全球進入空前的創(chuàng)新密集和產業(yè)變革時代，科學技術領域發(fā)生革命性突破的先兆愈加明顯。信息技術向其它領域加速滲透和向深度應用發(fā)展，將引發(fā)以智能、泛在、融合為特征的新一輪信息產業(yè)變革，引領機械產品向智能化方向發(fā)展。增長模式深度調整的巨大壓力，將促進新型環(huán)保節(jié)能技術、新能源技術加速突破和廣泛應用，推動機械產品綠色化發(fā)展。同時，重大技術創(chuàng)新將更多地出現(xiàn)在學科交叉領域，各類技術之間的相互融合也將更加頻繁，將會產生新的技術系統(tǒng)變革、重大學科突破以及新一輪科技革命及產業(yè)革命?？梢灶A計，在今后的5～20年，這些技術將發(fā)生重大創(chuàng)新突破，并將有可能引發(fā)機械工程技術的巨大變革，推動機械工業(yè)向綠色化、智能化、服務化方向發(fā)展。

　　未來20年是我國制造業(yè)實現(xiàn)由大變強，確立在世界領先地位的關鍵歷史時期，中國機械工程學會組織編寫了《中國機械工程技術路線圖》，不僅提出11個領域的技術路線圖，而且在其基礎上凝練出若干能影響到機械工業(yè)，以至制造業(yè)發(fā)展進程的重大、前沿性、標志性的8大技術問題。

　　1 復雜系統(tǒng)的創(chuàng)意、建模、優(yōu)化設計技術

　　建模、仿真、優(yōu)化及協(xié)同管理是機械設計技術不變的核心和關鍵。復雜機電系統(tǒng)擁有復雜的層次結構，組成復雜系統(tǒng)的各分系統(tǒng)、子系統(tǒng)與元素之間既相對獨立，又相關聯(lián)，上級系統(tǒng)擁有下級系統(tǒng)不具備的屬性和功能。復雜機電系統(tǒng)往往是機、電、液、控等多領域物理與信息技術的高度融合，具有多層次、多目標、多時空、高維度、非線性、不確定性、開放性等特征。隨著計算、通信、感知、控制等技術的相互融合，復雜機電系統(tǒng)將進一步呈現(xiàn)出智能化、網(wǎng)絡化、復合化、分布式和嵌入式等技術特征。

　　進入21世紀以來，復雜機電產品所要滿足的需求層次越來越豐富和多樣，如何有效地將用戶的文化與情感需求融入到復雜機電產品的創(chuàng)意設計之中，是需要人們繼續(xù)探求的課題。歐美日韓等國制定了符合地域文化與情感的設計發(fā)展規(guī)劃和產業(yè)集群模式，美國建立了以技術和互聯(lián)網(wǎng)文化為代表的硅谷、歐洲研發(fā)了現(xiàn)代技術與傳統(tǒng)品牌文化相融合的產品。融入文化與情感的創(chuàng)意設計技術屬于多學科交叉結合的新技術，其關鍵技術主要有：創(chuàng)意認知與協(xié)同設計技術，情感表達與評價技術，文化品牌、文化構成及多元文化融合設計技術等。

　　航空航天設備、大型交通運輸工具、精密制造和加工設備、成套物料處理過程設備、工程機械、微納機械、光電通訊設備都是復雜機電系統(tǒng)，掌握復雜機電系統(tǒng)創(chuàng)意、建模、仿真和優(yōu)化設計技術，必將大幅提升我國重大裝備的自主設計能力和我國機械工業(yè)的技術創(chuàng)新能力。

　　20世紀90年代，計算機輔助設計、計算機輔助工程、計算機輔助制造、產品數(shù)據(jù)管理(C3P：CAD/CAE/CAM/PDM)技術在國際工業(yè)界普及，相關軟件成了產品建模、仿真、優(yōu)化不可缺少的工具。近10年來，為適應復雜機電產品的設計需求，C3P發(fā)展成為M3P，即多體系統(tǒng)(Multibody System)動態(tài)設計、多學科協(xié)同(Multi-discplines colaberative)設計、基于本構融合的多領域物理建模(Multi-domain physical Modeling)及全生命周期管理(PLM)技術組成了當今計算機輔助產品建模、仿真、優(yōu)化及管理的新一代技術特征。

　　以信息物理融合為標志的復雜技術系統(tǒng)，實際上是計算進程與物理進程的統(tǒng)一體，是集計算、通信與控制于一體的新一代智能系統(tǒng)。歐洲學者研發(fā)的多領域統(tǒng)一建模語言Modelica具有領域無關的通用模型描述能力，能夠實現(xiàn)復雜系統(tǒng)的不同領域子系統(tǒng)模型間的無縫集成。以美國為首的領域學者提出了信息-物理系統(tǒng)融合(Cyber-Physical System，CPS)，旨在在統(tǒng)一框架下實現(xiàn)計算、通訊、測量以及物理等多領域裝置的統(tǒng)一建模、仿真分析與優(yōu)化。國際多領域物理統(tǒng)一建模協(xié)會在Modelica3.0基礎上，最近推出多領域物理表達規(guī)范Modelica3.3，力圖在此基礎上支持網(wǎng)絡化、分布式、嵌入式系統(tǒng)建模與仿真。我國啟動了題為《支持工業(yè)嵌入式應用建模與仿真的三維功能樣機設計平臺》的跟蹤性研究計劃。

　　基于CPS的復雜技術系統(tǒng)建模、仿真和優(yōu)化技術的發(fā)展和普及將大大加速汽車、航空航天、國防、工業(yè)自動化、精密儀器、重大基礎設施等領域裝備的轉型升級，不斷提高其市場競爭力;將催生出眾多具有計算、通信、控制、協(xié)同和自治性能的功能創(chuàng)新產品，甚至產生新的行業(yè)。

　　2 零件精確成形技術

　　零件精確成形技術是指應用先進的成形工藝、嚴格的幾何尺寸(控形)和內在質量控制(控性)技術，生產高幾何尺寸精度、高內在質量的零件或零件毛坯的先進制造技術。零件精確成形技術的先進性體現(xiàn)在：(1)節(jié)約材料與能源：材料利用率一般較傳統(tǒng)的成形工藝提高20%-40%，冷精鍛精確成形可使材料利用率提高到98%以上，精確鑄造成形技術也可達到90%以上。精確塑性成形技術大多數(shù)是在室溫下實施的，免除了加熱工序，節(jié)約了加熱能量，大大減少了零件生產過程的能量消耗。(2)免除或減少成形后續(xù)加工：凈成形零件的幾何形狀與尺寸，已全部達到零件的使用要求，成形后即可使用，完全免除后續(xù)加工;近凈成形產品，關鍵部位已達到使用要求，不需后續(xù)加工，一般可節(jié)約加工工時50%以上;精密成形產品，一部分尺寸已滿足使用要求，其余部分留有較小的加工余量，一般可減少加工工時30%以上。(3)提高零件的內在質量：成形過程中還同時考慮通過控制溫度、壓力、流體場、電磁場等外部載荷的施加，使得最終零件達到相應的性能。因此，發(fā)展零件精確成形技術，對機械工業(yè)節(jié)約資源、能源和環(huán)境友好，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展意義重大。

　　工業(yè)發(fā)達國家非常重視零件精確成形技術的發(fā)展。上世紀90年代初，美國針對汽車車身生產提出了“2毫米工程”目標，即一輛汽車車身所有覆蓋件組裝后的累積誤差不超過2毫米，顯而易見，分配到每一個工件的誤差就更小。這一工程的實施，使汽車車身制造水平上了一個新臺階。美國又提出新的目標：到2020年，塑性成形零件加工廢屑減少90%，能耗減少25%，成本降低60%。日本、德國等工業(yè)發(fā)達國家也提出了相應目標。日本、德國是零件精確成形技術發(fā)達的國家，冷溫精確成形件精度普遍達到8級精度，小型軸承環(huán)、小型傘齒輪已達到7級精度，冷溫精確成形件已占模鍛件的25%。我國冷溫精確成形件比德日兩國低一級，普遍達到9級精度，少量達到8級精度，精確成形件只占模鍛件的5%。德日兩國精確成形大多數(shù)是在全自動生產線上實現(xiàn)，而我國全自動生產線鳳毛麟角，差距較大。上世紀80年代在國外發(fā)展起來的增量制造技術(也稱為快速成形技術)采用CAD數(shù)據(jù)直接驅動材料進行累加，精確制造原型或零件，使得復雜零件的制造效率大幅度提高。國外的許多企業(yè)將增量制造技術應用在復雜結構的制造上。美國通用電氣公司在采用金屬選區(qū)激光燒結技術制造航空發(fā)動機的復雜零部件，與傳統(tǒng)加工方式相比，增量制造技術可以加工復雜零部件，且更省材料、時間和能源，因此，在航空航天、大型艦船復雜結構零部件制造和維護方面具有優(yōu)勢。

　　精確成形技術在汽車、航天航空、大型艦船等制造業(yè)具有廣闊的應用前景，發(fā)展先進精確成形技術，對于大批量產品以及多品種、小批量、復雜性零部件的生產具有十分重要的作用，它可大大提高零件的制造水平，并且節(jié)約資源和能源。

　　3 大型結構件成形技術

　　大型鑄、鍛、焊結構件是大型裝備中的關鍵核心構件，其受力繁重，工況特殊，安全可靠性與技術要求極高。大型結構件的成形制造涉及冶金、鑄造、鍛造、焊接、熱處理等多種制造工藝，制造過程復雜，技術含量高，涉及眾多學科領域的集成。

　　2005年我國大型結構件的使用量已占世界總量的60%，成為世界大型鑄鍛件使用的第一大國。我國在大型結構件鑄造能力上已經有了重大突破。2009年采用重560t的特大型鋼錠在160MN水壓機上成功鍛造我國首支1100MW核電發(fā)電機半速轉子，鍛造的轉子直徑2050mm,總長16400mm，坯料重310噸。但從總體看，我國大型結構件的成形技術的整體水平遠落后于發(fā)達國家。例如：我國急需的重大裝備-超臨界汽輪發(fā)電機機組的高中壓轉子全部依賴進口。發(fā)達國家的大型件生產制造技術對中國嚴格保密，甚至嚴格限制產品出口。

　　隨著我國經濟在今后20年里繼續(xù)快速增長，能源、冶金、石化、船舶、航空航天等產業(yè)的發(fā)展對大型結構件成形技術的發(fā)展帶來了更為廣闊的前景，提出了更高的要求。如發(fā)展不銹鋼鑄件鑄造成形技術，高溫合金單晶葉片定向凝固技術，復雜結構件精密體積成形技術，大型焊接結構的自動化、智能化焊接技術。

　　4 高速精密加工技術

　　機械工業(yè)，特別是汽車工業(yè)的發(fā)展對生產效率提出了更高的要求，提高效率的一條重要途徑是提高加工的速度，實現(xiàn)高速化。同時，航空航天等領域某些特殊難加工材料也必須采用高速加工才能達到設計要求。國際上，金屬切削機床的主軸轉速已達到20000r/min、進給速度最高可達100m/min、加速度1g。

　　高速精密加工具有生產效率高、加工精度高、表面質量高和生產成本低的優(yōu)點。高速切削刀具的發(fā)展改變了加工工藝，“以切代磨”使加工后的表面質量提高，可直接加工硬度達50-60HRC的淬硬材料。另一方面，強力成型磨削工藝可實現(xiàn)“以磨代切”，一次磨削25～32mm，比普通磨床要快數(shù)百倍。高速精密加工正成為機械工業(yè)應用最廣泛的加工方法之一，在航空航天、汽車及零部件、模具等行業(yè)發(fā)展迅速，高速高精密數(shù)控機床在這些行業(yè)中將逐漸占主導地位。與此同時，新型刀具如超硬刀具、新型涂層刀具層出不窮，使得高速高效切削條件下刀具壽命顯著增長，將進一步拓展高速精密切削技術的應用范圍。

　　高速精密加工技術主要應用在宏觀尺度零件加工和部分微細零件加工，提高加工速度、幾何精度和降低表面粗糙度，以保證實現(xiàn)所構成機器部件配合的可靠性，運動副運動的的精準性，長壽命、低能耗和低運行費用。傳統(tǒng)的精密加工將會在現(xiàn)代科學技術的推動下，創(chuàng)造新一代高速、高精度加工新技術。預計到2020年，1--10μm精密加工級高速加工，表面粗糙度可達0.02-0.4μm，用于鋼鐵的銑削速度達到400-500m/min。預計到2030年，0.5--1μm超精密加工級高速加工，表面粗糙度可達0.01-0.2μm，用于鋼鐵的銑削速度達到1500-2500m/min，并為深亞微米精度級高速加工技術(精度優(yōu)于0.3μm)提供技術支持。

　　5 微納器件與系統(tǒng)(MEMS)

　　微納器件與系統(tǒng)是利用微納和精密加工技術，集約電子、機械、材料、控制等新技術發(fā)展，針對物聯(lián)網(wǎng)、生物、醫(yī)療、汽車、機械制造等產業(yè)的需求，研制能夠解決傳感、測量、驅動、能源等問題的器件、部件和系統(tǒng)。目標是以批量制造技術生產低成本、高精度、高可靠性的微納器件，拓展終端產品功能，提高終端產品性能，降低終端產品功耗和成本。

　　微納器件與系統(tǒng)的主要特征是：微型化。器件特征結構尺寸范圍0.1mm-1mm。集成化。集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通訊和電源等于一體。高性能。體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應時間短、性能穩(wěn)定。批量化。有利于大批量生產，降低生產成本。

　　從上世紀80年代以來，以美國、日本、西歐為代表的發(fā)達國家特別注重發(fā)展MEMS技術。我國微納器件和系統(tǒng)的發(fā)展起源于上世紀90年代，從“九五”起，經過三個五年計劃的支持，已經在制造平臺建設和工藝研究、以慣性器件為主的器件研究、便攜式儀器研究、微流體器件和系統(tǒng)、以微納衛(wèi)星為代表的集成微系統(tǒng)等方面取得了一系列突破。目前在整體技術水平上與國外尚有明顯差距，但在個別領域，已經達到國際先進甚至領先水平。

　　未來20年，微納器件和系統(tǒng)將取得突破性的進展，朝著微納結合、集成化、儀器化、智能化的方向迅速發(fā)展。NEMS器件占微納傳感器件的份額將提高到50%以上;黑硅材料成為光伏器件的主流，轉換效率達到50%以上;將有望用MEMS技術解決復明、復聰?shù)葐栴}。

　　6 智能制造裝備

　　20世紀50年代誕生的數(shù)控技術、以及隨后出現(xiàn)的機器人技術和CAD技術，開創(chuàng)了數(shù)字制造的先河，加速了制造技術與信息技術的融合，從此，信息技術成為制造技術發(fā)展的重要驅動力之一。智能制造是研究制造活動中的信息感知與分析、知識表示與學習、智能決策與執(zhí)行的一門綜合交叉技術，是實現(xiàn)知識屬性和功能的必然手段。智能制造技術推動了機械制造、航空航天、電子制造、化工冶金等行業(yè)的智能化進程，孕育和促進以制造資源軟件中間件、制造資源模型庫、材料及工藝數(shù)據(jù)庫、制造知識庫、智能物流管理與配送等為主要產品、為制造企業(yè)提供咨詢、分析、設計、維護和生產服務的現(xiàn)代制造服務業(yè)。智能制造技術主要包括制造智能技術、智能制造裝備技術、智能制造系統(tǒng)技術、智能制造服務技術。

　　智能制造裝備是注入了數(shù)字化技術和智能化技術的制造設備，是實現(xiàn)智能制造的核心載體，其主要特征是：對制造過程狀況(工況或環(huán)境)實時感知、處理和分析能力;實時辨識和預測制造過程狀況變化的能力;根據(jù)制造過程狀況變化的自適應規(guī)劃、控制和動態(tài)補償能力;對自身故障自診斷、自修復能力;對自身性能劣化的主動分析和維護能力;具有參與網(wǎng)絡集成和網(wǎng)絡協(xié)同的能力。智能制造裝備是制造技術、計算機技術、控制技術、傳感技術、信息技術、網(wǎng)絡技術以及智能化技術的有機結合體，是實現(xiàn)高效、高品質、安全可靠的成形加工和生產的新一代制造裝備。

　　未來智能制造的產品主要是：智能機床/智能加工中心;智能機器人;智能成形設備;特種智能制造裝備。

　　7 智能化集成化傳動技術

　　智能化集成化傳動技術是指將傳統(tǒng)的動力傳動技術與數(shù)字技術、信息技術、總線技術、網(wǎng)絡技術相融合，實現(xiàn)液壓/氣動/密封、齒輪、軸承等傳動件在線實時控制、在線監(jiān)測、自我診斷、自我修復及多種元件與功能的集成。智能化集成化傳動將提高產品性能、簡化系統(tǒng)、提高系統(tǒng)柔性，提升傳動效率、產品安全性、可靠性，是機械傳動技術和傳動件發(fā)展的重要方向。

　　關鍵基礎件是現(xiàn)代裝備發(fā)展的基礎，特別是高效、節(jié)能、長壽命、高安全性、高可靠性、高精度、高功率密度、適應復雜環(huán)境苛刻要求的傳動件是未來需要大力發(fā)展的產品?，F(xiàn)代重大裝備裝機功率越來越大，工作環(huán)境越來越嚴酷，結構越來越復雜，對傳動系統(tǒng)的平穩(wěn)性、準確性、位置、速度、柔性等技術要求越來越高，智能化、集成化的傳動技術和傳動元件能適應這些發(fā)展的要求，是裝備制造業(yè)的關鍵核心技術，對提升我國關鍵基礎件自主創(chuàng)新能力，突破重大裝備自主化發(fā)展瓶頸起著重要作用。

　　智能化集成化傳動的特點：(1)具有在線監(jiān)測、自診斷、自維護功能;(2)可實現(xiàn)遠程在線實時控制;(3)是多種元器件(包括傳感器、傳動件、控制元件、執(zhí)行元件、軟件或數(shù)據(jù)庫)的集成和多種功能的集成;(4)即插即用。是指快速簡易安裝傳動組件即可投入使用，而不需安裝驅動程序或重新配置系統(tǒng)。

　　近幾年，智能化集成化新型傳動件或組件相繼問世，是傳動技術發(fā)展的前沿。具有模塊設計、數(shù)字電氣接口、高層次通訊功能、自由組合、智能接合、方便集成功能的元件和系統(tǒng)是未來工業(yè)智能化的基礎，新型模塊化智能化電-液、電-氣復合機電系統(tǒng)將廣泛應用。

　　智能化集成化一體化液壓傳動。液壓元件與、內嵌式傳感器和微處理器一體化提高了系統(tǒng)的集成度和緊湊性;采用更高層次總線通訊技術和無線傳輸技術，提高了分布式智能電液控制系統(tǒng)的性能;在智能控制器中采用傳感器進行狀態(tài)監(jiān)控、檢測摩擦磨損和泄漏狀態(tài)，用于系統(tǒng)故障診斷、預測、排除與維護，提高了系統(tǒng)的品質和可靠性。

　　智能化集成化模塊化氣動元件和組件。具有有線或無線聯(lián)網(wǎng)遠程實時監(jiān)控、故障預測及自我診斷等功能的智能化模塊化氣動元件、組件、閥島已實現(xiàn)工業(yè)應用。工業(yè)自動化人機界面技術及產品推動氣動元件與傳感器、智能視覺系統(tǒng)的結合，以滿足智能工業(yè)遠程檢測、診斷及控制的要求。

　　智能化密封。根據(jù)密封件使用狀況，調整密封能力、監(jiān)測密封水平、預測密封壽命，可大幅度提高密封的可靠性與壽命及安全性與可維修性，減少泄漏、停機維修成本和能源消耗。

　　智能化齒輪傳動。汽車用電子控制自動變速器是齒輪傳動向智能化發(fā)展一個典型例子，它通過各種傳感器，對發(fā)動機轉速、節(jié)氣門開度、車速、輪轂軸承運動、發(fā)動機水溫、自動變速器液壓油溫等參數(shù)進行測量，并輸入電子控制器中，控制換擋執(zhí)行機構的動作，從而實現(xiàn)自動換擋。大型火電機組用齒輪調速裝置則是齒輪傳動與液力傳動及其控制系統(tǒng)集成的典型產品，具有無級調速、節(jié)能、安全保護等功能。

　　智能化集成化軸承組件。具有智能監(jiān)控與早期預警技術，融合主機或功能一體化、設備性能的多樣性要求的軸承技術已成為軸承產品的發(fā)展趨勢。如集成防抱死制動系統(tǒng)的三代轎車輪轂軸承單元、具有狀態(tài)實時監(jiān)測與早期預警功能的高速鐵路軸承單元。

　　8 數(shù)字化工廠

　　數(shù)字化工廠是利用數(shù)字化技術，特別是泛在網(wǎng)絡(包括互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和無線網(wǎng))技術，實時獲取工廠內外相關數(shù)據(jù)和信息，集成相關人員知識，智慧地進行產品設計、生產、管理、銷售、服務的現(xiàn)代化工廠模式。目標是使供應鏈、工廠和加工單元的效率最高、對環(huán)境的不良影響最小、員工和用戶的滿意度最高。

　　數(shù)字化工廠的主要特征是：透明性。工廠對內外環(huán)境、員工工作狀況及創(chuàng)新能力具有很強的感知能力。集成化。工廠的各種數(shù)據(jù)、信息、過程和信息系統(tǒng)高度集成，企業(yè)間密切協(xié)同。智慧型。集成全體員工的智慧，通過人機優(yōu)勢互補，實現(xiàn)系統(tǒng)整體最優(yōu)。

　　數(shù)字化工廠將提供透明的工廠環(huán)境，使工廠管理高效和精準;提供大范圍高效實時的信息集成系統(tǒng)，使企業(yè)資源得到最優(yōu)配置組合，實現(xiàn)浪費最小，效率最高;提供公平、公正、客觀、完整的員工評價機制和系統(tǒng)，充分調動全體員工的積極性和創(chuàng)造性;提供內嵌專業(yè)知識的整體解決方案，實現(xiàn)設計、制造和管理的最優(yōu)化，降低產品全生命周期成本，使用戶在產品全生命周期中都很滿意，最大程度節(jié)約資源，實現(xiàn)環(huán)境友好。

　　數(shù)字化工廠適合在制造高度復雜產品(如大型商業(yè)飛機)、超大型尺寸產品(如大型艦船)、超微小產品(如大規(guī)模集成電路)的行業(yè)，以及對人有害的作業(yè)環(huán)境(如汽車油漆生產線)下優(yōu)先發(fā)展。

　　數(shù)字化工廠在國際上發(fā)展非常迅速。發(fā)達國家采用數(shù)字化技術支持全球協(xié)同設計和制造;各種集成專業(yè)知識的企業(yè)數(shù)字化系統(tǒng)快速發(fā)展;面向服務的信息系統(tǒng)集成技術幫助企業(yè)集成各種信息系統(tǒng);基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧地球概念拓展到智慧企業(yè)，實現(xiàn)低碳制造;基于Web2.0的大眾協(xié)同建設技術帶來全新的發(fā)展模式;應用服務提供(ASP)、計算網(wǎng)格和云計算為數(shù)字化工廠提供了高效、便捷的實現(xiàn)平臺。

　　機械工程技術路線圖的實施需要得到政府的理解和政策環(huán)境的支持，企業(yè)積極主動的參與和有關部門的緊密合作，良好的人才育成和技術創(chuàng)新環(huán)境，一系列有力舉措和實際行動，只有具備了創(chuàng)新、人才、體系、機制、開放等關鍵要素，路線圖的實施才能成為廣泛、深入、創(chuàng)造性的實踐，路線圖的目標才可能實現(xiàn)。期望《中國機械工程技術路線圖》經得起實踐檢驗，期望中國機械工程技術取得創(chuàng)新突破，期望中國機械工業(yè)由大變強，期望中國盡快成為制造強國乃至創(chuàng)造強國!