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《高等学校实验课系列教材·机械工程基础实验教程》的编写旨在提高学生的学习能力、实践能力和创新能力，全书共分5章，系统地介绍了材料力学、机械原理、机械设计、机械制造技术基础、互换性测量、机械振动与噪声测试等理论课程涉及的实验基本原理、方法、目的、内容和步骤，小节末附有思考题。本实验教程力求概念定义清楚、内容简洁明了，同时也注重学生实际动手能力和创新能力的培养。
机械设计与制造技术前沿探索 本书导言： 随着工业 4.0 时代的加速到来，机械工程领域正经历着前所未有的深刻变革。传统的设计理念与制造模式正逐步被智能化、数字化、网络化的新技术所取代。本书旨在为广大机械工程领域的研究人员、工程师以及高年级本科生和研究生提供一个全面、深入、前瞻性的视角，聚焦于当前机械设计、先进制造技术、智能系统集成以及新材料应用等核心议题的前沿动态与未来趋势。我们不再局限于对基础理论的重复阐述，而是将重点放在那些正在重塑行业格局的颠覆性技术和创新性应用案例上。 第一部分：面向未来的机械设计理论与方法 本部分深入探讨了超越经典理论限制的新一代设计范式。我们着重分析了拓扑优化（Topology Optimization）在复杂结构轻量化和性能提升中的最新进展，特别是与增材制造（Additive Manufacturing, AM）的深度耦合应用。详细介绍了如何利用高性能计算（HPC）平台，结合结构-材料-制造约束的多目标优化算法，设计出自然界启发的仿生结构和超材料结构。 1.1 数字化双生（Digital Twin）在产品全生命周期中的应用： 强调了如何构建高保真度的虚拟模型，实现从概念设计、虚拟调试、实时监控到预测性维护的全流程闭环控制。书中详细解析了数据采集、模型同步、状态评估和决策支持等关键环节的技术挑战与解决方案，特别是针对高动态和多物理场耦合系统的建模策略。 1.2 人机工程学与认知工程的集成设计： 探讨了如何将神经科学、心理学的前沿成果融入机械系统的人机交互界面设计中。这包括对操作员认知负荷的量化评估、自适应交互系统的开发，以及通过增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术提升复杂设备装配、调试和操作的效率与安全性。 1.3 基于知识驱动的智能设计系统： 分析了如何利用大规模工程案例库和机器学习技术，构建能够自主生成或修正设计方案的专家系统。重点讨论了知识图谱在工程问题求解中的构建方法，以及如何实现设计意图的自动化捕获和参数化表达。 第二部分：增材制造（AM）与先进连接技术 本部分聚焦于改变材料形态和连接方式的革命性技术。我们没有侧重于对现有3D打印机操作流程的描述，而是深入剖析了支撑这些技术突破的材料科学基础和工艺控制难题。 2.1 金属增材制造的材料科学挑战： 详述了高熵合金、梯度功能材料（Functionally Graded Materials, FGM）在选区激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）中的制备工艺控制。讨论了残余应力、孔隙率、晶粒结构各向异性等核心冶金问题，以及后处理技术（如热等静压HIP）对最终性能的决定性影响。 2.2 增材制造过程的实时监测与反馈控制： 强调了过程表征技术（In-situ Monitoring）的重要性。涵盖了高频红外热像仪、激光轮廓扫描仪以及声发射技术在实时检测熔池不稳定、裂纹形成和烧结质量方面的最新应用，并展示了如何建立闭环反馈机制以修正激光功率或扫描策略。 2.3 异构材料的连接技术： 探讨了如何实现传统上难以连接的材料对（如陶瓷与金属、复合材料与金属）的可靠连接。重点分析了扩散连接、激光复合焊以及基于纳米涂层的界面工程技术，以应对热膨胀系数失配带来的界面失效问题。 第三部分：智能制造系统与网络化控制 本部分将目光投向了制造现场的智能化升级，侧重于信息物理系统（Cyber-Physical Systems, CPS）的构建与优化。 3.1 边缘计算在柔性制造单元中的应用： 论述了如何利用边缘计算架构，实现对高频传感器数据（如振动、电流、声学信号）的低延迟本地处理，从而快速响应制造过程中的瞬时异常，支撑毫秒级的自适应控制，减少对中心云平台的依赖。 3.2 工业物联网（IIoT）中的时间敏感网络（TSN）： 详细剖析了TSN技术如何解决传统以太网在工业控制中确定性通信的难题。重点分析了TSN在实现跨设备、跨产线间的精确时间同步和数据传输方面的关键协议和标准，这是实现高精度协同制造的前提。 3.3 质量的基于模型的预测与控制（MPC for Quality）： 超越了传统的SPC（统计过程控制），本书介绍了如何建立制造过程的机理模型与数据模型相结合的混合模型，用于实时预测最终产品的关键质量特性（如尺寸精度、表面粗糙度），并提前调整工艺参数以确保质量目标达成。 第四部分：先进驱动、传感与执行技术 本部分关注驱动和感知系统的性能边界拓展，这是实现高精度动态控制的基础。 4.1 高密度能量存储与驱动技术： 探讨了集成化、高功率密度驱动系统在高速精密装备中的应用。重点分析了永磁同步电机（PMSM）的超高转速运行特性、磁悬浮轴承在真空和洁净环境下的应用优势，以及快速响应直线电机系统的热管理策略。 4.2 微纳尺度精密传感与执行： 关注MEMS/NEMS技术在工业环境中的鲁棒性提升。详细介绍了基于光纤布拉格光栅（FBG）和石墨烯传感器的超高灵敏度应力、温度、应变传感器的开发，以及在微操作机器人和柔性机构中应用的压电驱动器和形状记忆合金（SMA）执行器的非线性特性补偿方法。 4.3 机器视觉与激光测量的深度融合： 讨论了如何利用深度学习算法提升机器视觉系统在复杂背景、恶劣光照条件下的目标识别和定位精度。重点分析了多传感器（如激光雷达、结构光、双目立体视觉）数据融合技术，以获取高精度、高鲁棒性的三维几何信息。 总结与展望： 本书汇集了多个交叉学科领域的最新研究成果，旨在引导读者跳出单一学科的视角，以系统工程的理念去理解和驾驭新一代机械工程系统的复杂性。我们期望本书能成为推动读者在设计、制造、控制等多个维度上实现技术突破的有力工具。未来的机械工程将是高度集成、高度智能、深度定制化的工程科学，本书正是为迎接这一挑战而准备。
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