机械设计制造及其自动化的发展

1、 单位：天津商业大学 学院：机械工程学院 班级：机械设计制造及 其自动化08-02班学号：20080932姓名：司晓燕机械设计制造及其自动化的发展司晓燕（20080932，机械设计制造及其自动化08-02班）【摘要】：设计必须科学化，这意味着要科学地阐述客观设计过程及其本质，分析与设计有关的领域及其单位，在些基础上，科学地安排设计过程，使用科学的方法和手段进行设计。同时也要求设计人员不公有丰富的专业知识，而且要掌握先进的设计理论，设计方法及设计手段，科学地进行设计工作，这样才能及时得到符合要求的产品。 机械自动化,主要指在机械制造业中应用自动化技术,实现加工对象的连续自动生产,实现优化有效的自

2、动生产过程,加快生产投入物的加工变换和流动速度。【关键字】：机械设计；古代机械设计；近代机械设计；现代机械设计；机械学；机械自动化；信息自动化；全盘自动化；高度自动化Mechanical Design, Manufacturing and Automation Development Si Xiaoyan(20080932, mechanical design and manufacturing and Automation 08-02 classes) 【Abstract】: Design to be scientific, which means that the objective sh

3、ould be scientifically described and the nature of the design process, analysis and design-related fields and their units in some basis, scientifically arrange the design process, using scientific methods and means of design. It also requires the designer has extensive expertise in unfair, but also

4、to master the advanced design theory, design methods and design tools, scientific design work, in order to meet the requirements of the product in a timely manner. Machinery automation, mainly referring to the application of automation in the mechanical manufacturing technology to realize the object

5、 of continuous automatic production process to achieve an efficient automatic optimization of production process, speed up the processing of production inputs, transform and flow rate. 【Keywords】: mechanical design; ancient mechanical design; modern mechanical design; modern mechanical design; mecha

6、nics; machinery automation; information automation; comprehensive automation; a high degree of automation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。机械设计制造及器自动化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。主要分为机械设计方向、 机械自动化方向、机械电子工程方向、 数控技术方向、 汽车工程方向、 模具设计与制造方向。本文主要就机械设计与机械自动化

7、两个方向加以论述。机械设计方向设计一词的英语为Design,它源于拉丁语Designar,由De(记下）与Signare(符号，记号，图形等）两词组成。因此，“设计的最初含义是将符号，记号，图形之类高下来的意思。随着生产的发展和科技的进步，设计的内涵不断向深度和广度发展，设计的含义愈来愈深刻和愈来愈先进。设计是人类改造自然的基本的活动之一，设计是复杂的思维过程，设计过程蕴含着创新和发明的机会。设计的目的是将预定的目标，经过一系列的规划与分析决策产生一定的信息（文字，数据，图形）形成设计，并通过制造，使设计成为产品，造福人类。1 机械设计发展的三个阶段机械设计的发展史按时间来分，可分为三个阶段，

8、分别是：从古代社会到17世纪为机械设计起源和古代机械设计阶段，由17世纪至第二次世界大战结束为近代机械设计，第二次世界大战结束直到现在为现代设计阶段。如果按其内容来分，可分为：直觉设计阶段，经验设计阶段和理论设计阶段。两种划分是一一对应的，是从不同角度来划分机械设计的发展史。每一个阶段在设计理论，方法和制造工艺方面都有明显的特色。下面就按时间来划分，把机械设计发展史划分为三个阶段来论述。1.1 机械设计起源和古代机械设计 我国近代的考古发现证明了一些传说和记载。在浙江余姚河姆渡，河南郑裴李岗等遗址中都发现了七八千年以前制造相当精致的农具如石铲等。我国古代经书中，对于古代使用，制造机械的情况有许

9、多记载。周易“系辞下”中有“黄帝，尧，舜氏作，刳木为舟，剡木为楫，剡楫之力以济不通”，“服牛乘马，引以致远”，“断木为杵，掘地为舀”。由此可见，在4000多年以前，我国古代已经发明了车，船，农具和许多生活用具。在周易第47卦“困”的卦辞中有“困于金车”，金车指用铜装饰起来的豪华马车。清代学者章诚说“六经皆史”，在我国古代文献中随处可以见机械产品与人民生活密切的联系，在我国春秋战国时代的著作道德经中有“三十辐共一毂，像日月也”的说法，而在秦陵发掘出来的二号铜车马，车融会贯通就有30个车辐。虽然据统计，当时的车每个车轮用30个轮辐，但是对轮辐的数目已经有了一定的规则。此外，我国古代在武器，纺织机械

10、，农具，船舶等方面也有许多发明，到秦汉时期（公元前221至公元220年）我国机械设计和制造已经达到相当高的技术水平，在当时世界上处于领选地位，在世界机械工程史上占有十分重要的位置。 在我国古代，机械发明，设计者与制造者是统一的。有许多著名的人物，他们的成果代表了当时我国的机械的设计水平。唐代的时侯我国与许多国家开展了经济，文华和科学技术的交流，与东南亚，南亚，阿拉伯，非洲东海岸贸易频繁，对中国和世界其它的一些国家有很大的影响。由于贸易的发展，要求商品增加，从而改进生产设备，使机械设计有了很大的发展，造纸，纺织，农业，矿业，陶瓷，印染，兵器等都有了新的进展，机械设计水平也提高了一大步，宋代沈括的

11、著作梦溪笔谈记载了当时的许多科学成就，反映了当时的科学水平。世界其它的国家也有不少机械的成果。但这些设计多是凭设计者的经验完成的缺乏必要的，有一定精度的理论的计算。1.2 近代机械设计 17世纪欧洲的航海，纺织，钟表等工业的兴起，提出了许多技术部题，1644年英国组成了“哲学学院”，德国成立了实验研究会和柏林学会，1666年，法国，意大利也成立了研究机构。在这些机构中工作的意大利人伽里略（15641642）发表了自由落体定律，惯性定律，抛物体运动，还进行过梁的弯曲实验；英国人牛顿提出了到家动的三大定律，1688年，他提出了计算流体黏度阻力的公式，奠定了古典力学的基础；英国人虎克建立了在一定范围

12、内弹性体的应力 - 应变成正比的虎克定律；1705年伯努力提出了梁弯曲的微分方程式，在古典力学的基础上建立和发展了近代机械设计的理论（也称常规机械设计理论），为18世纪产业革命中机械工业的迅速发展提供了有力的技术理论支持； 1764年英国人瓦特发明了蒸气机，为纺织，采矿，冶炼，船舶，食品，铁路等工业提供了强大的动力，推动了多种行业对机械的需求，使机械工业得到迅速的发展，而机械化使生产力迅速提高，进入了产业革命时代。这一时期，对机械设计提出了很多的要求，各种机械的载荷，速度，尺寸都有很大的提高，因此机械设计理论也在古典力学的基础上迅速发展。材料力学，弹性力学，流体力学，机械力学。疲劳力学，疲劳强

13、度理论，实验应力分析方法等都取得了大量的成果，建立了自己的学科体系。 在1854年德国学者劳莱克斯发表了著作机械制造中的设计学把过去溶在力学中的机械设计学独立出来，建立了以力学和制造为基础的新科学体系，由此放生了“机构学”，“机械零件设计”，成为机械设计中的基本的内容。在这一基础上，机械设计学得到了很快的发展。在疲劳强度，接触应力，断裂力学，高温蠕变，流体动力润滑，齿轮接触疲劳强度计算，弯曲疲劳强度计算，滚动轴承强度理论等方面都取得了大量的成果，新工艺，新材科的，新结构的不断涌现没什么械设计的水平也取得了很大的发展。机器的尺寸减少，速度增加，性能提高，机械设计的计算方法和数据积累也相应有了很大

14、的发展，反映了时代的特色。1.3 现代机械设计第二次世界大战以后，作为机械设计的理论基础的机械学继续以更加迅猛的速度发展，摩擦学，可靠性分析，机械优化设计，有限元计算，尤其是计算机在机械设计中迅速推广，使机械设计的速度和质量都有大幅的提高。在机械中广泛运用计算机和自动化程度的提高，使现代的具有明显的特色。因此，机械设计在理论，内容和方法方面与过去相比都有了划时代的发展。而国际市场的激烈竞争，是现代机械设计的方法和发展的催化剂。世界各国逐渐认识到产品市场竞争对各国经济发展的重要作用。在产品竞争中，德国临于印有“MADE IN USA”的美国产品充斥德国市场，计划努力恢复德国产品的信誉，使“MAD

15、E IN GERMANY”风靡世界，提出了“关键在于设计”（Der Engpass ist die Knostrution)的口号。日本虽然在某尖端科学研究方面走在了一些国家的后面，但是，在产品设计的方面发展很快，迅速摆脱了二次世界大战以前“东洋货不好”的印象，大量生产各国市场上需要的产品，取得了巨大的经济效益。美国，英国也逐渐认识到产品设计的重要性，美国提出了“为竞争的优势而设计”(Designing for Compentitive Advance)的口号，有人说“21世纪将是设计的世纪”。因些，机械产品设计在这一时期获得了空前的发展。机械设计目前已经不宜作为机械学的一个分支，而应该认为是

16、与机械学并立的一门技术科学了。1.3.1现代机械设计方法的特征 现代机械设计方法的特征是，它具有自己的学科体系和专门的内容。其核心技术有3个方面： （1）以产品的“功能”作为机械计的核心目标。美国麦尔斯提出了“顾客购买的不是产品的本身，而是产品所具有的功能”，明解地说明了“功能”是产品的本质和灵魂。这一原理的提出大大地解放了设计师的思想，为了实现某一功能，可以采用各种不同的原理和结构。我们可以从近年来的计时装置，文件复制设备，通讯方法等方面的飞速发展看出，设计师的聪明才智得到了空前的发挥，多方面的满足了社会的需要。 （2）“人机学”的形成和发展。机械的工作往往与人是不可分的，如汽车，飞机有些操

17、纵的信号要靠人输入。必须考虑操纵者的反映速度和能力限制，还必须考虑操纵者和乘客的传舒适性。如有一些武器设计者已经考虑使用者中，虽然磊部分是作右手方便的，但是习惯于用左手的（称为左利手或左撇子）也占有一定的百分率。虽然许多产品已经向自动化发展，许多民用产品对使用者的拔术要求日益降低（俗称 “傻瓜化”）。但是机械产品竞毕竟是为了人类设计的。考虑“人机学”是提高产品的竞争能力的重要方面。实际上“傻瓜化”就是当前处理人机问题的一个重要的途径。（3）建立系统的“工业设计”学科体系。工业设计是设计者使产品在外观，色彩，形状，尺寸比例等方面的合理设计，使产品与人，环境更协调，以得到更好的使用效果与况争力。2

18、 机械设计的未来发展趋势现代社会机械广泛应用于生产，生活各个领域，已成为衡量一个国家技术水平和现代化程度的重要标志。随着机械设计基础理论的发展及新概念，新方法，新工艺的不断出现，机械设计也得到了迅猛的发展。主要体现在以下几个方面。 （1）机械体积从米级向微米级设计 有用于宇宙的空间机械，有用于深海作业的机械，又有用于人体血管内的机械等等。显然，它们有的是庞然大物，有的是微型机械，这就要求设计不同的尺寸的零件。 （2）从单个零件到整机系统的设计 现代机械日益向高速的，重载，高精度，高效率和低噪音等方向发展，必然要嘶哑从传动系统偏重于零件，部件的静态单个的设计向多种零件的综合或以整机为对像的动态系

19、统多个零件扩展的设计， （3）设计用的工具的改变 改变图板等绘图工具，应用计算机软件技术直接在计算机上进行最优化的机械设计。 （4）设计-加工的一体化 机电一体化的应用改变了传统的机械设计与机械加工的分离使零件的设计与加工几乎同时进行。例如数控机床的应用，改变了传统的设计与加工方法，它实现了机械与电子，强电与弱电，软件与硬件，控制与信息的多种技术的有机结合，按照计算机的指令来控制机床进行机械加工。目前，应用软件较多的是CAD（Computer Aided Design,计算机辅助设计），CAM(Computer Aided Manufacture,计算机辅助制造)。 （5）对机械的人性化设计和

20、等寿命设计 在市场竞争日益激烈的市场环境下，不仅要求设计的机械产品质量好，使用期限内安全可靠度高，而且在视觉上给人以舒适的，实用的，富有时代气息和外观具有吸引力。同时采用等寿命设计使产品质优价廉，以此来提高产品的市场竞争力。 3 我国机械设计现状 我国在现代机械设计方面起步较晚，中国机械工程学会于1983年5月才召开了“第一次机械设计方法学讨论会”，但经过了多年的努力，我国在现代设计方法的研究方面已经取得了可喜的成绩，现在的中国可以自豪地称为“世界的工厂”，“MADE IN CHINA”已经是世界闻名了。但是相对于世界上先进的国家来说，我国的机械设计还是相当的落后的，具体表现为： （1）对客观

21、设计过程研究，了解不够。尚未很好地掌握设计中的客观规律。 （2）当前设计的优劣主要取缺于设计者的经验。 （3）设计生产效率低。 （4）设计进度与质量不能很好控制。 （5）设计手段与方法有等改进。 面对这一形势。唯一的回答就是：设计必须科学化，这意味着要科学地阐述客观设计过程及其本质，分析与设计有关的领域及其单位，在些基础上，科学地安排设计过程，使用科学的方法和手段进行设计。同时也要求设计人员不公有丰富的专业知识，而且要掌握先进的设计理论，设计方法及设计手段，科学地进行设计工作，这样才能及时得到符合要求的产品。发展我国的机械设计科学研究，必须集中探讨机械设计各主要环节的正确工作方法和解决问题的途

22、径，收集开发新产品的成功经验和范例，积累大量的设计资料，了解世界有关行业的发展动向，致力于提高我国机械工业的水平，生产具有国际竞争力的机械产品。相信我国学者们要总结过去设计经验并吸收外国先进的学术思想和科学技术的基础上，定能研究出一套适合我国的国情。高效优质，经济地进行设计的规律和方法来为加速现代化建设做出应有的贡献。机械自动化方向自动化技术是本世纪以来发展极迅速和影响极大的科学技术之一。现代自动化技术是一种完全新型的生产力,是直接创造社会财富的主要手段之一,对人类的生产活动和物质文明起着极大的推动作用。因此,自动化技术受到世界各国的广泛重视和越来越多的应用。 机械自动化,主要指在机械制造业中

23、应用自动化技术,实现加工对象的连续自动生产,实现优化有效的自动生产过程,加快生产投入物的加工变换和流动速度。机械自动化技术的应用与发展,是机械制造业技术改造、技术进步的主要手段和技术发展的主要方向。机械自动化的技术水准,不仅影响整个机械制造业的发展,而且对国民经济各部门的技术进步有很大的直接影响。因此,发展我国的机械制造业自动化技术,符合我国社会主义的基本原则,符合我国现代生产的发展规律。1. 未来现代机械自动化技术 国内外的工业发展史告诉我们,实现机械自动化是一个由低级到高级、由简单到复杂、由不完善到完善的发展过程。当机器的操作采用自动控制器后,生产方式才从机械化逐步过渡到机械控制(传统)自

24、动化、数字控制自动化、计算机控制自动化。只有建立了自动化工厂后,生产过程才能全盘自动化,才能使生产率全面提高,达到自动化的高级理想阶段。上个世纪7080年代国际上出现了开始采用计算机集成制造系统CIMS,柔性自动化生产模式也有这种情况。初期以信息集成为重点,以较高的自动化程度为特征,但在实现过程中遇到了困难。鉴于实现计算机集成制造系统的全盘自动化所需的巨额投入,所承担的巨大风险,加之技术上的难度与可靠性等问题,世界工业发达国家已开始“碰壁转产”,转而注重信息集成的效果,追求低成本自动化LCA的企业组织结构和运行方式。目前,世界各国的机械自动化水准除少数工业发达国家的某些生产部门外,大多数还处于

25、操作阶段的自动化。我国也不例外,需要循序渐进,不断努力,创造条件,向自动化的高级理想阶段迈进。实现我国机械自动化技术是一个长期的过程,不可能一蹴而就。普遍发展应用计算机集成制造系统的“全盘自动化”或“高度自动化”,我国并不具备必要的基础技术、经验和投资能力。因此,要不要普遍发展全盘自动化或高度自动化CIMS技术,一定要慎重行事。而且全盘自动化或高度自动化的CIMS技术也并非我国机械制造业的当务之急,只能列为机械制造自动化技术的主要发展方向。当前我国机械制造业决不是追求全盘自动化或高度自动化的时候,不是大搞自动化,形成自动化热的时候。我国作为一个发展中国家,考虑一切生产技术问题时的前提必须是适用

26、。我国消化吸收国外柔性制造系统(Pseudo-FMS),是要在确保必要的生产柔性的前提下,优化人机界面,不过分追求自动化,尽可能建立较为完善的信息系统,充分发展计算机管理的效益。系统中先进的自动化装备和普通设备并存,系统的某些环节允许人工干预。这是一个典型的结合国情、实施适用先进方针的自动化技术解决方案。跟踪国外先进技术发展,结合实际地研制、推广和发展适合我国国情的CIMS技术是必要的。我国目前应在消化吸收、融汇贯通国际上有用的自动化技术理论的基础上,努力做到从我国机械制造业的实际情况出发,发展创新,形成有国情特征的发展自动化技术理论和学说,进行围绕计算机技术的柔性自动化技术开发研究,以适用为

27、前提,急需什么就解决什么的企业应用项目,取得实践经验再推广应用。国外(如欧洲中等发达国家)目前发展的也是局部集成,如CAD/CAPP/CAM的集成,CAD与MIS的集成,MIS与MHS的集成等。实行效益驱动的政策,投资上有能力支持,待将来条件成熟时实现适合我国国情及企业特点的适度集成。2. 实际生产应用的机械自动化技术 先进制造技术的全部真谛在于应用。发展机械自动化技术,应以企业的生产和技术发展的实际需要及具体条件为导向。只有对合适的产品采用与之相适应的自动化方式进行生产,才能收到良好的技术经济效益和社会经济效益。我国发展机械自动化技术,应结合实际,注重实用,即对国民经济产生实际效益。那种盲目

28、搞自动化、搞自动线的做法,全年生产任务只需12个月就完成的低负荷率生产也要搞的倾向应当纠正,对国民经济不产生显著促进、效率低下的要缓搞。我们要的是效益,而不单纯是速度。国产造型生产线因产品质量差、可靠性低、实用性差,开工率一般仅在50%60%。而能在生产中长期服役的主力生产线很少,像第一汽车制造厂的01线、第二汽车制造厂的BMD线等具有全年开工业绩的线更是凤毛麟角。这种现象不属偶然或局部,而是带有普遍性3. 投资少、见效快的机械自动化技术发展 低成本自动化技术,潜力大,前景广,投资省,见效快,提高自动化程度,可以收到事半功倍的经济效果,适合我国现阶段的发展需要和国情。90年代美国麻省理工学院提

29、出的精节生产LP(Lean Production)模式,就是以最小的投入,取得最大的产出的具体表现。借鉴国外发展机械制造业低成本自动化技术的经验是有益的。我国机械制造业各企业有大量的通用设备,在发展现代机械自动化技术时,若以原有的设备为主,合理调整机床布局,添加少量的数控设备,引入CAD/CAM技术,充分发挥计算机自动化管理的优势和人的创造性,共同构成一个以人为中心、以信息自动化为先导、树立自主的单元化生产系统,为我国机械制造业自动化技术发展应用提供了一条投资少、见效快、效益高、符合我国国情的机械自动化技术发展应用新途径。4配套发展的机械自动化技术现代自动化技术在机械制造中的应用就是在控制理论

30、的指导下,对生产的物流和人的作用进行综合的研究,涉及到机械技术、微电子技术、自动控制理论和计算机技术等。发展机械自动化技术,必须主要地关注电子学、电子计算机技术、零件检测和机床装料自动化,广泛采用程序数控机床,以及研制高效的和可靠的自动化生产线、计算机应用于生产的信息系统和自动化控制系统等。发展应用机械自动化技术,要扎扎实实地抓好自动化技术应用项目的基础工作和从实际出发的推广应用工作,既要发展主机,也要配套发展自动化元件及控制系统。可编程控制器、微处理机、各种传感器、新型刀具、控制系统及系统软件、电子计算机等将是今后机械自动化的主要技术基础。发展应用各种机械自动化新技术,将不断引入其他许多学科

31、的新概念、新理论、新技术,将使机械制造业中原有的一些传统制造技术、产品和观念等不断更新和发展,这就要求有大量训练有素的工程技术人员、工人和管理人员。随着机械制造业由机械化向自动化发展,可以预料,机械制造业将越来越密切地依赖知识,依靠科学。这种新的制造模式对工人、技术人员和管理人员在技艺、经验上的要求将逐渐降低,知识上的要求将迅速提高,工人和技术人员的界限将逐渐消失,工人必须具有较高层次的知识结构。某柴油机厂引进的一条造型自动线,全线由计算机系统中央控制。由于技术及管理上的原因,高度自动化的造型生产线废品率上升23个百分点,可见,抓紧人才培养是当务之急的大事,机械制造业的广大工程技术人员、工人、管理人员都需要学习和掌握各种自动化技术的新原理、新方法及其应用。只有有了充裕的人才资源,才能大面积推广应用自动化技术,提高我国机械制造业的自动化水准。综上所述,我国机械制造业发展应用自动化技术,不但要起点高,瞄准世界先进水准,包括国际领域内已展露锋芒的某些新技术,而且必须包括各种灵活的低成本、见效快的自动化技术,坚持