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机械工程的发展简史

2020-11-01 19:24:38

机械工程(mechanical engineering):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。机械是现代社会进行生产和服务的五大要素(人、资金、能源、材料和机械)之一,并参与能量和材料的生产。

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  机械工程的发展简史:

  石器时代人类制造和使用的各种石斧、石锤和木质、

  机械车床

  皮质的简单工具是后来出现的机械的先驱。几千年前,人类已创制了用于谷物脱壳和粉碎的臼和磨,用于提水的桔槔和辘轳,装有轮子的车,航行于江河的船及桨、橹、舵等。所用的动力由人力发展到畜力、风力和水力。所用材料由天然的石、木、土、皮革等发展到人造材料。Z早的人造材料是陶瓷。制造陶瓷器皿的陶车,已是具有动力、传动和工作3个部分的完整机械。鼓风器对人类社会发展起了重要作用。强大的鼓风器使冶金炉获得足够高的炉温,得从矿石中炼取金属。西周时期,中国就已有了冶铸用的鼓风器。15~16世纪以前,机械工程发展缓慢。17世纪以后,资本主义商品经济在英、法等国迅速发展,许多人致力于改进各产业所需要的工作机械和研制新的动力机械——蒸汽机。18世纪后期,蒸汽机的应用从采矿业推广到纺织、面粉和冶金等行业。制作机械的主要材料逐渐从木材改为金属。机械制造工业开始形成,并逐渐成为重要产业。机械工程从分散性的、主要依赖匠师个人才智和手艺的技艺发展成为有理论指导的、系统的和独立的工程技术。机械工程是促成18~19世纪的工业革命和资本主义机械大生产的主要技术因素。

  动力机械的发展 17世纪后期,随着机械的改进,煤和金属矿石需求量的增加,只依靠人力和畜力已不能适应生产提高的要求,于是在18世纪初出现了T.纽科门的大气式蒸汽机,

  机械车床

  用以驱动矿井排水泵。1765年,J.瓦特发明了有分开凝汽器的蒸汽机,降低了燃料消耗率。1781年,瓦特又创制出提供回转动力的蒸汽机,扩大了蒸汽机的应用范围。蒸汽机的发明和发展,促进矿业和工业生产、铁路和搬运机械动力化。几乎成为19世纪唯 一的动力源。但蒸汽机及其锅炉、凝汽器和冷却水系统等体积庞大、笨重,应用不便。发电站初期应用蒸汽机为原动机;20世纪初,出现了高效率、高转速、大功率的汽轮机,也出现了适应各种水力资源的大、小功率的水轮机。19世纪后期发明的内燃机经过逐年改进,成为轻而小、效率高、易于操纵并可随时启动的原动机。内燃机Z初用于驱动没有电力供应的陆上工作机械,以后又用于汽车、移动机械(如拖拉机、挖掘机械等)和轮船,20世纪中期开始用于铁路机车。内燃机和以后发明的燃气轮机和喷气发动机,还是飞机、航天器等成功发展的基础技术因素之一。

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  机械加工技术的发展:

  工业革命以前,机械大都是由木工手工制成的木结构,金属(主要是钢和铁)仅用以制造仪器、钟表、锁、泵和木结构机械上的小型零件。金属加工主要靠机匠的精工细作以达到需要的精度。随着蒸汽机的广泛使用以及随之出现的矿山、冶金、轮船和机车等大型机械的发展,需要成形加工和切削加工的金属零件越来越多,所用金属材料由铜、铁发展到以钢为主。机械加工(包括铸造、锻压、焊接、热处理等技术及其设备以及切削加工技术和机床、刀具、量具等)迅速发展,从而保证了发展生产所需要的各种机械装备供应。同时,随着生产批量的增大和精密加工技术的发展,也促进了大量生产方法(零件互换性生产、专业分工和协作、流水加工线和流水装配线等)的形成。

  机械工程基础理论的发展:

  18世纪以前,机械匠师全凭个人经验、直觉和手艺进行机械制作,与科学几乎无关。直到18~19世纪才逐渐形成围绕机械工程的基础理论。动力机械Z 先与科学相结合,如蒸汽机的发明人T.萨弗里和瓦特应用物理学家D.帕潘和J.布莱克的理论,物理学家S.卡诺、W.J.M.兰金和开尔文在蒸汽机实践的基础上建立起一门新的学科——热力学等。19世纪初,研究机械中机构结构和运动等的机构学第 一次列为高等工程学院(巴黎的工艺学院)的课程。从19世纪后半期起已开始设计计算考虑材料的疲劳。随后断裂力学、实验应力分析、有限元法、数理统计、电子计算机等相继被用在设计计算中。

  机械工程的服务领域:

  机械工程的服务领域很广,凡使用机械、工具,以至能源和材料生产的部门,无不需要机械工程的服务。现代机械工程有5大服务领域:

  1、研制和提供能量转换机械,包括将热能、化学能、原子能、电能、流体压力能和天然机械能转换为适合于应用的机械能的各种动力机械,以及将机械能转换为所需要的其他能量的能量变换机械;

  2、研制和提供用以生产各种产品的机械,包括农、林、牧、渔业机械和矿山机械以及各种重工业机械和轻工业机械等;

  3、研制和提供从事各种服务的机械,如物料搬运机械,交通运输机械,医疗机械,办公机械,通风、采暖和空调设备以及除尘、净化、消声等环境保护设备等;

  4、研制和提供家庭和个人生活用的机械,如洗衣机、电冰箱、钟表、照相机、运动器械和娱乐器械等;

  5、研制和提供各种机械武器。

  机械工程的学科内容

  机械工程的学科内容按工作性质可分为:

  1、建立和发展可实际和直接应用于机械工程的工程理论基础。如工程力学、流体力学、工程材料学、材料力学、燃烧学、传热学、热力学、摩擦学、机构学、机械原理、机械零件、金属工艺学和非金属工艺学等;

  2、研究、设计和发展新机械产品,改进现有机械产品和生产新一代机械产品,以适应当前和未来的需要;

  3、机械产品的生产,如生产设施的规划和实现、生产计划的制订和生产调度、编制和贯彻制造工艺、设计和制造工艺装备、确定劳动定额和材料定额以及加工、装配、包装和检验等;

  4、机械制造企业的经营和管理,如确定生产方式、产品销售以及生产运行管理等;

  5、机械产品的应用,如选择、订购、验收、安装、调整、操作、维修和改造各产业所使用的机械产品和成套机械设备;

  6、研究机械产品在制造和使用过程中所产生的环境污染和自然资源过度耗费问题及处理措施。

  机械工程的学科分支:

  机械按功能可分为动力机械、粉碎机械、交通运输机械和物料搬运机械等;

  按服务的产业可分为农业机械、化工机械、矿山机械和纺织机械等;

  按工作原理可分为热力机械、透平机械、仿生机械和流体机械等。

  相同的工作原理,相同的功能或服务于同一产业的机械有相同的问题和特点,因此机械工程就有几种不同的分支学科体系。另外,全部机械在研究、开发、设计、制造、运用过程中,要经过若干工作性质不同的阶段.

  这些分支学科系统互相交叉、互相重叠,使机械工程可能分化成上百个分支学科。例如按功能分的动力机械,与按工作原理分的热力机械、流体机械、透平机械、往复机械、蒸汽动力装置、核动力装置,内燃机、燃气轮机,以及按行业分的中心电站设备、工业动力装置、铁路机车、船舶轮机工程、汽车工程等有复杂的交叉和重叠关系。船用汽轮机是动力机械,也是热力机械、流体机械和透平机械,属于船舶动力装置、蒸汽动力装置,也可能属于核动力装置。而驱动时钟用的发条和重锤装置也是动力机械,但不是热力机械、流体机械、透平机械或往复机械。其他分支之间也有类似的重叠、交叉关系。但实用价值不大。

  展望:

  机械工业是为国民经济提供装备的基础工业,将随着科学技术的发展而产生变化。

  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、减轻以至消除环境污染作为超经济的目标任务。

  机械可以完成人用双手和双目,以及双足、双耳直接完成和不能直接完成的工作,而且完成得更快、更好。现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械和机械装置,使过去的许多幻想成为现实。

  人类已能上游天空和宇宙,下潜大洋深层,远窥百亿光年,近察细胞和分子。新兴的电子计算机硬、软件科学使人类开始有了加强,并部分代替人脑的科技手段,这就是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的影响,而在未来年代它还将不断地创造出人们无法想象的奇迹。

  人类智慧的增长并不减少双手的作用,相反地却要求手作更多、更精巧、更复杂的工作,从而更促进手的功能。手的实践反过来又促进人脑的智慧。在人类的整个进化过程中,以及在每个人的成长过程中,脑与手是互相促进和平行进化的。

  人工智能与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系,其区别仅在于人工智能的硬件还需要利用机械制造出来。过去,各种机械离不开人的操作和控制,其反应速度和操作精度受到进化很慢的人脑和神经系统的限制,人工智能将会消除了这个限制。计算机科学与机械工程之间的互相促进,平行前进,将使机械工程在更高的层次上开始新的一轮大发展。

  19世纪时,机械工程的知识总量还很有限,在欧洲的大学院校中它一般还与土木工程综合为一个学科,被称为民用工程,19世纪下半叶才逐渐成为一个独立学科。进入20世纪,随着机械工程技术的发展和知识总量的增长,机械工程开始分解,陆续出现了专业化的分支学科。这种分解的趋势在20世纪中期,即在第二次世界大战结束的前后期间达到了Z 高峰。

  由于机械工程的知识总量已扩大到远非个人所能全部掌握,不能统观和统筹稍大规模的工程的全貌和全局,并且缩小技术交流的范围,阻碍新技术的出现和技术整体的进步,对外界条件变化的适应能力很差。封闭性专业的专家们掌握的知识过狭,考虑问题过专,在协同工作时配合协调困难,也不利于继续自学提高。因此自20世纪中、后期开始,又出现了综合的趋势。人们更多地注意了基础理论,拓宽专业领域,合并分化过细的专业。

  综合-专业分化-再综合的反复循环,是知识发展的合理的和必经的过程。不同专业的专家们各具有精湛的专业知识,又具有足够的综合知识来认识、理解其他学科的问题和工程整体的面貌,才能形成互相协同工作的有力集体。

  综合与专业是多层次的。在机械工程内部有综合与专业的矛盾;在全面的工程技术中也同样有综合和专业问题。在人类的全部知识中,包括社会科学、自然科学和工程技术,也有处于更高一层、更宏观的综合与专业问题。

  机电一体化:

  机电一体化技术和机电一体化产品的统称,是在机电产品中引入微电子元器件和技术之后形成的。机电一体化技术又称机械微电子技术,是机械工程、微电子技术、信息处理技术等多种技术融合成的一种系统技术。机电一体化产品是运用机电一体化技术设计、生产的一种带有软、硬件系统的多功能的单机或成套装置,通常由机械本体、微电子装置、传感器和执行机构等组成。机电一体化技术涉及的学科有机械工程(如机构学、机械加工和精密技术等)、电工与电子技术(如电磁学、计算机技术和电子电路等)、共性技术(如系统技术、控制技术和传感器技术等)。机电一体化产品主要有商品生产用(如机器人、自动生产线和工厂等)、商品流通用(如数控包装机械及系统、微机控制交通运输机具和数控工程机械设备等)、商品贮存销售用(如自动仓库、自动称量和销售及现金处理系统等)、社会服务性(如自动化办公机械和医疗及环保等自动化设施等)和家庭、科研、农林牧渔、航空航天及国防等用的机电一体化产品。机电一体化使机械工业的技术结构、产品结构、功能和构成、生产方式和管理体系等发生巨大变化。

  日本企业界在1970年左右Z早提出“机电一体化技术”这一概念,当时他们取名为“Mechatronics”,即结合应用机械技术和电子技术于一体。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用,机电一体化技术获得前所未有的发展,总体分解成相互关联的若干成为一门综合计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等交叉的系统技术,正向光机电一体化技术(Opto-mechatronics)(Opto-mechatronics)(Opto-mechatronics)方向发展,应用范围愈来愈广。

  机电一体化技术具体包括以下内容:

  1、机械技术:机械技术是机电一体化的基础,机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应,利用其它高、新技术来更新概念,实现结构上、材料上、性能上的变更,满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。在机电一体化系统制造过程中,经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术,同时其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。

  2、系统技术:系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术,从出发,将总体分解成相互关联的若干功能单元,接口技术是系统技术中一个重要方面,它是实现系统各部分有机连接的保证。

  3、自动控制技术:其范围很广,在控制理论指导下,进行系统设计,设计后的系统仿真,现场调试,控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。

  4、传感检测技术:传感检测技术是系统的感受器官,是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强,系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、地获取信息并能经受严酷环境的考验,它是机电一体化系统达到高水平的保证。

  5、伺服传动技术:包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置,伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。

  机电一体化系统组成:

  1、机械本体:机械本体包括机架、机械连接、机械传动等,它是机电一体化的基础,起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。与纯粹的机械产品相比,机电一体化系统的技术性能得到提高、功能得到增强,这就要求机械本体在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面能够与之相适应,具有高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观的特点。

  2、检测传感部分:检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路,其作用就是检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化,并将信息传递给电子控制单元,电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制。

  3、电子控制单元:电子控制单元又称和节奏发出相应的指令,控制整个系统有目的地进行。

  4、执行器:执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。执行器是运动部件,通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。

  5、动力源:动力源是机电一体化产品能量供应部分,其作用是按照系统控制要求向机械系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压能,以电能为主。

  机械工程与人类生存环境:

  工程技术的发展在提高人类物质文明和生活水平的同时,也对自然环境起破坏作用。20世纪中期以来,Z突出的问题是资源,尤其是能源的大量消耗和对环境的污染。未来,机械新产品的研制将以降低资源耗费,发展纯净的再生能源,治理、减轻以至消除环境污染作为重要任务。

  机械工程专业化和综合化:

  19世纪下半叶,机械工程成为一门独立学科。分解趋势在20世纪中期(第二次世界大战结束前后)达到Z 高峰。由于机械工程的知识总量已扩大到远非一个人所能全部掌握,不能统观和统筹稍大规模工程的全貌和全局,并且缩小技术交流的范围,阻碍新技术的出现和技术整体的进步,对外界条件变化(如新技术、新材料和新产品的出现、材料与半成品的供应及价格变化等)的适应能力很差。因此,从20世纪中、后期开始,机械工程又出现了综合的趋势。人们更多地关注基础理论,拓宽专业领域,合并分化过细的专业。

 

 


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