机械工程学科导论
裴仁清
上海大学机自学院
目 录
机械工程的历史发展
现代机械工程的内容和主要任务
机械制造技术
机械工程的发展方向
机械工程人才的基本素质
什么是机械工程？
机械工程是19世纪初期从民用工程中分离
出来的一门工程学科。它的目标是运用数
学、物理等基础理论和有关机械方面的专
门知识，结合生产实际经验，有判断地、
经济有效地解决在设计、研究、制造和运
行各种机械中遇到的实际问题。
机械工业是国民经济的支柱工业之一。
机械工业是社会生产力发展水平的重要标志。
机械发展的历史回顾----中国古代
五千年前已开始使用简单的纺织机械；
晋朝时在连机椎和水碾中应用了凸轮原理；
西汉时应用轮系传动原理制成了指南车和记里鼓车；
东汉张衡发明的候风地动仪是世界上第一台地震仪。
目前许多机械中仍在采用的青铜轴瓦和金属人字圆柱齿轮，在我国东汉年代的文物中都可以找到它们的原始形态。
我国古代在机械研制方面有许多杰出的发明创造。
机械发展的历史回顾----中国古代
1980年出土的秦始皇陵铜车马代表了当时铸造技术、金属加工和组装工艺的水平。东汉以后出现了记里鼓车和指南车。记里鼓车有一套减速齿轮系，通过鼓镯的音响分段报知里程。三国马钧所造的指南车除用齿轮传动外，还有自动离合装置，在技术上又胜记里鼓车一筹。自动离合装置的发明，说明传动机构齿轮系已发展到相当的程度。
明初的造船业已有很大进展。郑和下西洋的船队是当时世界上最大的船队。郑和所乘宝船长约137米，张12帆，舵杆长11米多，是古代最大的远洋船舶。
机械发展的历史回顾----中国古代
王徵于1627年编译和出版了《远西奇器图说录最》，介绍了西方机械工程的概况。来自西方的自鸣钟表和水铳等也在一定范围内得到流传。
1634～1637年 ，明朝的宋应星编著和出版了《天工开物》，记录了许多先进的工艺技术和科学创见。它反映出当时的农业和手工业的生产技术水平。记载了不少有关机械制造和产品性能的情况。内容涉及泥型铸釜、失蜡法铸造以及铸钱等铸造技术，还记述了千钧锚和软硬绣花针的制造方法、提花机和其他纺织机械以及车船等各种交通工具的性能和规格等。《天工开物》被称为中国17世纪的工艺百科全书。
机械技术的进步促进了学术研究
机械发展的历史回顾----国外
18世纪初以蒸汽机的出现为代表产生了第一次产业革命，人们开始设计制造各种各样的机械，例如纺织机、火车、汽轮船。
哈格里沃斯发明的 “珍妮纺纱机”
法国陆军技术军官古诺发明了世界上第一辆蒸汽动力车
与此同时，机械制造设备和技术也在同步发展
机械发展的历史回顾----国外
19世纪到20世纪初的第二次产业革命，随着内燃机的出现，促进了汽车、飞机等运输工具的出现和发展。
1898年问世的“雷诺”牌汽车
“圣路易斯精神”号飞机
1927年美国人林德伯格驾驶着它完成了人类首次不着陆飞越大西洋的壮举。
机械发展的历史回顾
1797年，莫兹利
首创螺纹车床。
1914年，福特流
水生产线，大量
生产汽车。
19世纪末，泰勒
“科学管理法”的出现
现代机械工程的发展
20世纪中后期，以机电一体化技术为代表，在机器人，航空航天，海洋舰船等领域开发出了众多高新机械产品，如火箭、卫星、宇宙飞船、空间站、航空母舰、深海探测器等。
国际太空站
航天飞机正在利用机械臂施放哈勃空间望远镜
现代机械工程的发展
高精度加工、超精密加工
特种加工
自动化流水线、数控机床、机器人、成组技术、柔性制造系统
现代机械工程范围广泛
18世纪前，机械工程师主要凭借经验和技艺
现代机械工程，引入了计算机信息技术
现代机械工程的发展
汽车生产线
机器人
现代机械工程的发展
数控机床
（点击此处看机床换刀动作）
柔性制造系统
未来机械工程的发展
展望未来机械工程，智能机械、微型机构、仿生机械的蓬勃发展，将促进材料、信息、计算机技术、自动化等领域的交叉与融合，进一步丰富和发展机械基础学科知识。
用光刻技术做成的微米尺寸的微机械
军事、航空航天的应用
现代机械工程
机械原理
电工电子原理
传感测试原理
微机原理
控制原理
+
现代先进技术
机械科学与技术发展或许是我们限定思维所难以展望的，但人们在机械创新的漫漫征程中所积累的机械设计基础知识为我们提供了认识和改造客观世界的基础。
现代机械工程的内容和重要任务
建立和发展应用了机械工程的基础理论及利用新技术改造
传统技术
机械产品的正规生产，包括设计、生产准备、加工、计划调度、
装配调试、包装运输及质量控制等
现代机械工程
各类机械系统的运行，包括设备的选购、验收、安装、调试、
操作、监控、诊断、维修以至整个企业的经营管理
机械对自然环境的污染、自然资源的过度消耗、社会安全等
问题的预防和处理
研究开发新的机械产品满足人们当前和将来的需要
机械工程应用领域
动力机械（风、水、热、电、化学、原子能等）
交通运输（汽车、轮船、飞机及相应设施、仓储物流等）
装备技术（农、林、矿山、冶金、化工、纺织、食品、印刷等制造设备）
工作母机、仪表仪器等
通风取暖、医疗器械、家用器械、环保设备等民生机械
国防武器等
科学技术的发展不断给机械科技提出新课题
机械科技的发展成为科学技术发展的基础
机电一体化的组成和发展
机电一体化是从系统工程观点出发，应用机械、电子等有关技术，使机械、电子有机合，实现系统或产品整体最优的综合性技术&是工业信息化的重要内容。
机电一体化技术，主要包括技术原理和使用机电一体化产品， （ 或系统） 得以实现、使用和发展的技术。机电一体化发展至今已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不断发展，还将被赋予新的内容。根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。
机电一体化的发展趋势
1、光机电一体化
2、 智能化
机器人技术
机器人的由来
幻想时期:
1、在我国西周时代（公元前1066年—前771年），流传有关巧匠偃师献给周穆王一个歌舞机器人（艺伎）的故事；
2、公元前3世纪，古希腊发明家戴达罗斯用青铜为克里特岛国王迈诺斯塑造了一个守卫宝岛的青铜卫士塔罗斯；我国东汉时期（公元25—220年），张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形；
自动机械时期：
1、公元1768—1774年间，瑞士钟表匠德罗斯父子三人，设计制造出三个像真人一样大小的机器人-----写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人；
2、公元1893年，加拿大摩尔设计的行走机器人“安德罗丁”，采用蒸汽作为动力；
现实服务时期：
1、1954年，美国人乔治·德沃尔设计了第一台电子程序可编的工业机器人，并于1961年发表了该项机器人专利；
2、1962年美国万能自动化(Unimation)公司的第一台机器人Unimate在美国通用汽车公司(GM)投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。
机器人的定义
“机器人”
---1920年，捷克作家卡雷尔·凯培克(Karel Capek)在他的幻想情节剧《罗萨姆的万能机器人》()中第一次提出了“机器人”这个名词。
---1950年，美国著名科学幻想小说家阿西莫夫在他的小说《我是机器人》中，提出了有名的“机器人三守则”：
机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人将受害而袖手旁观；
机器人必须绝对服从人类，除非这种服从有害于人类；
机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者是人类命令它作出 牺牲。
国际标准化组织(ISO)的定义：
"机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务"。
机器人学
形成新的学科-----机器人学
当一种工业、技术和经济发生重大变化时，总是要求科学和教育系统发生与之相适应的调整和发展。发展知识经济对机器人的需求和机器人工业的迅速发展，为机器人学的建立奠定了基础。现在，机器人学这一新学科己从它的幼年时代转入朝气蓬勃的青年时代。
以机器人学科为中心的国际学术会议，如国际工业机器人会议(ISIP)、国际工业机器人技术会议(CIRT)、国际自控联(IFAC)、国际科学技术发展协会(IASTED)主办的主办的国际机器人学与自动化会议(ICR＆A)等，每年或隔年举行一次。
有关出版刊物：国际杂志就有《Robotics Research》，《Robotica》和《Robotics and Automation》等多种。
机器人的主要特点
通用性： 机器人的通用性(versatility)取决于其几何特性和机械能力。通用性指的是某种执行不同的功能和完成多样的简单任务的实际能力。
通用性也意味着，机器人具有可变的几何结构，即根据生产工作需要进行变更的几何结构;或者说，在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一工作。
现有的大多数机器人都具有不同程度的通用性，包括机械手的机动性和控制系统的灵活性。
适应性： 机器人的适应性(adaptivity)是指其对环境的自适应能力，即所设计的机器人能够自我执行未经完全指定的任务，而不管任务执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。在这方面，机器人使用下述能力:(1)运用传感器感测环境的能力;(2)分析任务空间和执行操作规划的能力;(3)自动指令模式能力。
机器人的分类
按机械手的几何结构来分
（1）柱面坐标机器人（2）球面坐标机器人（3）关节式球面机器人
按机器人的控制方式分：可分为非伺服机器人和伺服机器人
（1）非伺服机器 non-servo robots
（2）伺服控制机器人 servo- controlled robots
按机器人的用途分
（1）工业机器人或产业机器人
（2）探索机器人
（3）服务机器人
（4）军事机器人
按机器人的智能程度分
（1）一般机器人：不具有智能，只具有一般编程能力操作功能；
（2）智能机器人：具有不同程度的智能；又可分为：
传感型机器人：具有利用传感信息（视觉、听觉、触觉、接近觉、 力觉和红外、超生及激光等）进行传感信息处理，实现控制与操作的能力。
交互型机器人：机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人-机对话，实现对机器人的控制与操作；
自主型机器人：在设计制作之后，机器人无需人的干预，能够在各种环境下自动完成各项拟人任务。
按机器人的移动性分
（1）固定式机器人
（2）移动式机器人：轮式机器人、履带式机器人、步行机器人
其中步行式又分为：单足、双足、四足、六足和八足。
机器人是一种能够代替人从事多类工作的高度灵活的自动化机械系统。
机器人技术是集力学、机械学、电子学、生物学、控制论、人工 智能、系统工程等多种学科于一体的综合性很强的新技术。
机械制造技术
机械制造技术，它有两方面的含义：
其一是用机械来加工零件(或工件)的技术，更明确说是在一种机器上用切削方法来加工，这种机器通常称为机床或工作母机；
另一方面是指制造某种机械的技术，如制造汽车、涡轮机、农业机械、土木建筑机械和军工机械等。
以后，由于在制造方法上有了很大的发展，除用机械方法加工外，出现了电加工、光学加工、电子加工和化学加工等非机械加工方法，又有信息、管理等方面的融入，因此,人们把机械制造技术扩大，称之为制造技术。制造技术省去了“机械” 二字，取其泛指之意，同时又有时代感，强调了各种各样的制造技术，但机械制造技术仍是它的主体和基础部分。
先进制造技术
先进制造技术是将机械、电子、信息、材料、能源和管理等方面的技术，进行交叉、融合和集成，综合应用于产品全生命周期的制造全过程，包括市场需求、产品设计、工艺设计、加工装配、检测、销售、使用、维修和报废处理等，以实现优质、敏捷、高效、低耗、清洁生产，快速响应市场的需求。
20世纪制造理论和技术上的发展
工艺理论
（1） 加工成形机理
含：分离（去除）加工；结合（堆积、分层）加工；变形（流动）加工。
（2） 精度原理
精度是工艺的关键问题之一，围绕精度、质量和优化出现了许多理论。
A 提出了机械加工精度原则：继承性原则和创造性原则；
B 提出了定位与基准的概念和六点定位规律；
C 提出了尺寸链原理和计算方法；
D 提出了质量统计分析原理和方法。
（3） 相似性原理
相似性是成组技术的理论基础，成组工艺是成组技术的核心，零件的分类成组方法是成组技术的关键。
（4）工艺决策原理
提出了数学模型决策、逻辑推理决策、智能思维决策等方法
（5）优化技术在工艺问题上的应用
精密工程
精密工程与纳米技术是衡量现在制造技术水平的重要指标之一，是现代制造技术中最活跃的因素。精密工程包括精密加工技术和超精密加工技术；纳米技术通常是指纳米级制造技术，实际上它是超精密加工技术的一部分，代表了超精密加工的最高水平，受到了世界各个工业发达国家的重视。
(1)机械精密和超精密加工技术
主要指金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密研磨和抛光等传统加工方法及其微型化。
(2)非机械精密和超精密加工技术。主要指微电子束加工及离子束加工、激光束加工等非传统加工及其微型化。可以很明显地看出,所谓非机械超精密加工技术实际上就是超精密特种加工。
(3)微细加工技术。微细加工技术是指制造微小尺寸零件的加工技术。它是在半导体集成电路制造技术的基础上形成并发展的,是大规模集成电路和计算机技术的基础,是信息时代、微电子时代、光电子时代的关键制造技术之一。
纳米技术
纳米技术是当前先进制造技术发展的热点和重点，通常指~100nm的材料、产品设计、加工、检测及控制等一系列技术。它是科技发展的一个新兴领域，它不是简单的“精度提高”和“尺寸缩小”，而是从物理的宏观领域进入到微观领域，一些宏观的几何学、力学、热力学和电磁学等都不能正常描述纳米级的工程现象与规律。纳米技术主要包括:纳米材料、纳米级精度制造技术、纳米级精度和表面质量检测、纳米级微传感器和控制技术、微型机电系统和纳米生物学等。
微型机电系统(Micro electo mechanical systems,MEMS)是指集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理、控制唁路、接口、通信和电源等于一体的微型机电器件或综合体，它是美国的惯用词，日本习惯地称为微型机械(Micromachine)，欧洲称之为微型系统(Microsystems)，现在大多称为微型机电系统，它可以认为是一个产品，如图2所示。
目前,微型机电系统的发展前沿主要有：微型机械学研究、微型结构加工技术(高深宽比多层微结构的表面加工和体加工技术)、微装配微键合微封装技术、微测试技术、典型微器件及微机械的设计制造技术等。
计算机集成制造系统CIMS和并行工程CE
制造科学和工程技术专家总结了制造系统的发展，将其分为四个阶段。
(1)刚性自动线。
现在仍然是单一品种大批量生产自动化的主要形式。
(2)柔性制造系统。
它是在数控机床和加工中心的基础上发展起来的。它由数控机床和加工中心(一般为2至8台)、物流、检测和清洗等装备构成，具有工件的自动加工、运输、存储、上下料和检测等功能，实现了高度的自动化和高柔性。
(3)集成制造系统。
它是在计算机系统、网络和数据库的支撑环境下，由以计算机辅助设计为核心的工程信息分系统、计算机辅助制造为中心的柔性制造分系统、计算机管理信息分系统和计算机质量管理分系统所组成，体现了功能集成、信息集成、过程集成、人机集成和学科集成，实现了车间、工厂的综合自动化。计算机集成制造系统很快就发展为并行工程，它是在集成的基础上并行有序地设计和开发产品全生命周期的各个过程的系统方法，它要求产品开发人员在设计一开始就能考虑产品从概念形成到报废处理的所有因素，从而能够缩短产品开发周期，提高质量，降低成本，增强企业竞争能力。
（4）智能制造系统
它是发挥人的创造能力和具有人的智能的制造系统，制造工作者认为它是当前制造系统发展的最高阶段，展现了与人类智能行为相关的特性，如理解语言、学习能力、逻辑推理和解决问题等能力，能够深入了解人脑活动机理，取代人的部分脑力劳动，强调企业的自组织能力。
智能制造技术的内容大体包括专家系统、模糊推理、人工神经网络和遗传因子等方面，其表现形式有智能制造单元和系统，如智能数控机床、智能机器人、制造过程的智能控制、智能监测与诊断系统等。
特种加工技术
特种加工由于具有工具的强度和硬度可以低于工件的强度和硬度的特点，因此适于加工高硬度材料、脆性材料等难加工材料：由于它不是靠力来进行加工，所以适于加工微细零件、薄壁零件、弹性零件：又由于工具损耗很少，因此适于舶工复杂成形表面和型腔等模具零件。
（1）电加工。主要有电火花线切割和电火花成形两种加工形式。
（2）电化学加工。主要有电解加工、电镀、电铸、刷镀及一些复合加工方法
（3）高能束流加工。这是20世纪的重大科技成果，主要是指电子束、离子束和激光束三束加工又称高能束流加工，现己成为微细加工方法的主流。
（4）超声波加工。主要有超声波成形加工、旋转加工、振动切削、探测(如探伤、测距等)和焊接等加工，已经发展为一种不可缺少的特种加工方法，其中的超声波旋转加工已成功的运用在硬脆材料的孔加工上。
特种加工的发展一方面在能源上己从机械能向声能、光能、电能、磁能、热能、分子运动能、化学能及电化学能等方向发展,甚至向量子能加工方向迈进,寻求新的能源:另一方面特种加工和精密加工又是密切结合的,形成了精密特种加工,许多特种加工方法同时又是精密加工方法,相辅相成,相互促进,特别是在纳米加工中,正是采用了许多特种加工手段才得以解决。
快速成形制造
它是一种堆积(分层)加工方法，属于结合加工的一种，目前多归在特种加工范畴内。传统的加工方法多采用从毛坯去除(分离)多余材料而形成零件。堆积(分层)加工是将一个三维实体分解成若干个一定层厚的三维实体，将这些一定层厚的三维实体加工出来，按一定顺序和位置堆积起来，就可得到所需要的零件原型，这些原型通常是用塑料、纸、蜡等材料制成，再由东件原型得到所要求材料的零件。由于这些一定层厚的三维实体厚度很小，因此可应用二维成形加工，比较方便。
根据零件原型的材料、二维成形加工方法和堆积方法等的不同，堆积(分层)加工有多种多样：
(1)平面分层。这种分层比较简单易行，也最常用，现在的快速成形制造大多采用这种方式。
(2)曲面分层。这种分层比较复杂，但形状精度较高，有时可减少因层厚产生的"台阶效应"。
(3)卷绕分层。
表面工程
零件表面进行的镀层、涂敷、注入和氧化等表面处理，可统称为表面工程。
它是近年来发展起来的新学科。表面工程学是由材料学、冶金学、机械学、物理学、化学和电子学等多个学科交叉、融合发展起来的，以研究“表面”为主线,主要有表面层失效分析理论、表面摩擦与磨损理论、表面腐蚀与防护理论、表面结合与复合理论，以及表面处理技术等方面。
表面处理技术基本上属于结合加工，其主要的加工方法有：
原子分子沉积(如镀、气相沉积等)、颗粒沉积(如热喷涂等)、涂敷覆盖(如喷塑、刷镀等)、表面改性处理（如离子溅射注入、激光表面处理等）涂敷覆盖（如喷塑、刷镀等）、表面改性处理（如离子溅射注入、激光表面处理等）和表面接合（如包金属箱、化学粘接等）。如激光表面处理就可以进行固态相变、重熔、涂敷和镀膜，是一种非常有前途的表面加工方法。
对制造技术的看法
一：产品生命周期和价值比例
传统制造业
现代制造业
二：由此引起的变革
新的管理与
生产组织
网络环境
新技术的应用
新的就业方向
新工艺新材料
现代设计
快速制造
虚拟现实
单元化生产系统
网络制造
知识供应
机械工程的发展方向
高效率、高功率、高性能、高精度、高度自动化、低成本、安全可靠、经久耐用
新材料及材料技术的应用
机械技术与微电子技术和信息技术的结合即机电一体化
微机械技术MEMS
降低材料消耗与能源消耗，环保的可持续发展的技术
机械工程的基础理论，实现方法和新技术应用方面的进一步发展
也就是说
(1) 从以技术为中心向以人为中心转变，使技术的发展更加符合人类社会发展的需要；从强调专业化分工向模糊分工和一专多能转变，使全体劳动者的聪明才智和创造性得到充分的发挥。
(2) 从金字塔的多层次生产管理结构向扁平的网络结构转变，精减机构,减少层次和中间环节，加速信息的传递；从按照功能划分部门的固定组织形式向动态的、自主管理的组织形式转变。
(3) 从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变，缩短工作周期，提高工作效率；强调产品和过程的集成，体现快速响应市场的竞争策略。
(4) 保证在整个产品生命周期内让顾客感到全面满意，质量包括产品和服务,推行ISO9000 系列标准； 提倡和实施清洁制造和绿色制造, 推进ISO14000 系列标准，保护环境。
上述四个共同特点可以总结成一句话:
走可持续发展之路，追寻人和社会与技术的和谐发展
机械工程人才的素质
一 工程型人才的特征
二 工程型人才的知识和能力
知识结构
思维特点
工作环境
人文素质
扎实的理论基础及广泛专业知识
逻辑思维和形象思维结合
大生产与市场
工程文化
理论知识
实践能力
交流能力和组织能力
理论结合实际的应用能力
