第三章___二战以后机械的发展

第三章二战后机械的发展第一节二战后的机械发展第二节对机械设计的要求全面提升第一节二战后的机械发展内容科学与技术的全面进步二战后机械工业的迅速发展机械制造业生产模式的变化1、回顾近代科技发展的第一阶段▲从1668年牛顿建立经典力学开始到19世纪末叶，力学、电磁学、化学和热力学为代表的近代自然科学取得了辉煌的成就。▲引发了两次工业革命。▲近代自然科学基本上局限于宏观和低速领域的研究。一、科学与技术的全面进步近代科技发展可划分为两大阶段，分别以牛顿和爱因斯坦为标志人物。▲从19世纪末叶开始，在物理学界开始了一场新的革命。X射线、元素放射性、电子相继被发现。以电子的发现为开端，20世纪30年代形成了量子力学理论体系。▲爱因斯坦(Einstein)于1905～1915年间创立相对论。相对论的创立是划时代的贡献。▲近代自然科学以牛顿力学为标志，现代自然科学以爱因斯坦的相对论为标志。2、近代科技发展的第二阶段▲二战以后的半个多世纪以来，世界大范围内的和平形成了有利于经济和科学发展的环境。▲在20世纪40年代后期，第二次世界大战的硝烟刚刚散去，科学与技术便取得了新的突破:信息论、控制论和系统论的提出，电子计算机的发明。▲现代自然科学的发展引发了第三次工业革命。动力革命第一次工业革命第二次工业革命（由计算机技术统领）第三次工业革命信息化革命3、机械工业获得发展的背景◆需求背景新形势下世界经济、科技的空前发展向机械科学和机械工业提出了大量新问题，对其发展提出了迫切的要求。●世界经济发展的需求世界经济日益全球化，世界市场上竞争日趋激烈。在激烈的竞争中，在对生产率和产品质量不断的追求中，要求机械进一步向高速化、轻量化、精密化、自动化和大功率化方向发展。与机械科学相关的许多科学技术领域取得了全面的进步，这些学科与机械科学交叉、融合，为机械科学的发展提供了新的指导思想、理论、方法和技术手段。◆支持背景人类科技活动范围扩大，潜入海洋，飞向外太空，航天器、机器人等现代机械陆续出现。●世界科技发展的需求19001910192019301940195019601970爱因斯坦相对论05～15量子力学理论30年代发现电子1897电子计算机47超音速飞机人造卫星数控机床登月69第二次工业革命第三次工业革命1980发电机组超大型化机器人商品化集成电路微电机高速铁路二战以后，世界机械工业的发展远远超过了19世纪和20世纪上半叶。航空航天工业动力机械设备现代机器——机电一体化设备微电子芯片制造微机电系统汽车工业高速铁路车辆几个重要领域对机械工业的发展具有重要的带动作用对机械科学的发展具有重要的推动作用二、二战后机械工业的迅速发展1、航空航天工业航空▲二战以来，军用和民用飞机制造业发展迅速。▲美国和西欧早在1950年前后就开始超音速飞机的研究。50年代中期战斗机的最大速度达音速的2-3倍。据估计，未来远航军用飞机的速度要达到音速的5倍。▲60年代，民用飞机向大型化方向发展。▲中国也开始了大飞机制造。航天▲1957年，苏联发射人造卫星。▲此后的半个世纪，以美国和苏俄为主力，人类的航天事业蓬勃发展。▲1969年，美国宇航员登上了月球。▲迄今，人类已建立了空间站，向太阳系的全部行星和太阳系外发射了探测器。▲中国的航天事业也已起步，2007年嫦娥一号实现了绕月飞行。与人类的长远目标相比，当前航天事业的发展还只相当于蹒跚学步的孩童时期。2、动力机械设备▲19世纪末至20世纪初，汽轮机、内燃机等动力机械均已成熟。以后的发展主要是提高效率，增大功率。▲从50年代起，核反应堆作为新型能源开始使用。▲新型能源：风能、太阳能、地热能、海洋能等。新疆达坂城附近的风力发电▲但是，世界经济主要应用的能量形式还是电能。▲由汽轮机发电机组所发出的电能仍占世界总发电量的80%。二战结束▲为降低运行成本、提高运行效率，自80年代以来，汽轮机发电机组日益向大型化和超大型化方向发展。世界发电量的增长二战以前，汽轮发电机组的最大装机容量是100MW。70年代，世界上最大机组的装机容量已达到1300MW。中国也已建成900MW的汽轮发电机组机组。发电机组转子细长，转速高，存在着复杂的振动问题转子动力学3、现代机器——机电一体化设备原动机传动装置执行装置现代机器原动机传动装置执行装置传统机器传感器控制装置自动化机器自动化的三个阶段：第一阶段：机械自动化19世纪末自动机床第二阶段：利用继电器的电气自动化依靠机械装置（如凸轮）第三阶段：基于电子技术和计算机技术的自动化随着20世纪后半叶以来控制理论、电子技术和传感器技术的发展，特别是随着计算机在工业上的应用，自动化的程度更高了。现代机器的自动化和早期的自动化已不可同日而语。现在译为：机电一体化MechanicalElectronic————Mechatronics机械电子正确译文：机械电子学所谓现代机器，所谓机电一体化设备，就是具有基于电子技术的控制系统的机器。数控机床机器人现代机器的两个典型机器人20世纪中叶，计算机发明。随着计算机和伺服电动机的出现，机器人作为现代机器的代表走上了历史舞台。1947年在美国诞生，60年代走向成熟，70~80年代成为产品，并开始在工业中得到应用。机器人特种机器人工业机器人越来越广泛地应用于工业生产中，如焊接、装配、搬运、喷漆。工业机器人世界上所有先进的汽车制造企业都已装备了使用机器人的自动化焊接生产线和装配线。潜水、管道修理、高楼壁清洗、外科手术和星际探索等领域，不宜或无法由人直接操作的工作。特种机器人清扫水雷清洗飞机的机器人清洗飞机清洗高楼壁蛇形机器人原动机传动装置执行装置传统机器传感器计算机控制系统伺服电机现代机器——机电一体化机器对传统机器的改造将计算机和伺服电机引入传统机器，使传统机器的组成、面貌和功能发生了革命性的变化。对传统机器改造的典型代表——数控机床。1948年，美国Parsons公司提出用电子计算机控制机床加工飞机机翼轮廓的样板曲线，得到美国空军的支持；后与麻省理工学院合作，于1952年研制出世界上第一台三坐标数控铣床。数控机床1958年，加工中心问世。1966年，由一台计算机控制多台数控机床的群控系统问世。机床工业从此进入电子化、信息化时代。数控机床具备动机床、精密机床和万能机床三者的优点，因此发展和普及十分迅速。90年代中期，世界各工业化国家机床产值的数控化率已超过40％～50％。机器人和数控机床的共同特点是“可编程”，从而可根据工艺过程的改变迅速地调整自身的运动。这与多品种、小批量生产模式的兴起紧密相关。现代机器正向着主动控制、信息化和智能化的方向发展，从这个意义上讲，正如有的学者所说，“今后的机器都将是机器人”。4、微电子芯片制造计算机的发明带来了电子工业的蓬勃发展。集成电路（integratedcircuit，IC）是电子工业的基础和核心，诞生于20世纪60年代初。几十年来，从每个硅片上只有几十个元件的小规模集成电路已发展为今天有上亿个元件的大规模集成电路。芯片的集成度的增长每隔18～24个月翻一番。集成电路的制造要求:超净环境超纯技术超微加工从而给制造技术提出了新的课题。IC封装设备的特点：高速高加速度高精度从而给机械动力学和动力学控制提出了新的课题。IC封装设备是机械精密化的突出代表之一。引线键合（WireBonding）是用热、压力、超声波能量将芯片与基板用金属细丝连接起来的焊接工艺技术，是电子封装设备的核心。高精度引线间的间距早年是80~100μm，现在缩小到30~50μm。要求高的轨迹跟踪精度和定位精度。高速为保证高生产率，键合的速度很高，早年为8-10线/秒，现已提高到11-16线/秒。高加速度需要频繁启动制动，因此加速度也很大。700μm封装设备中的柔性机械臂在极限工况下工作，这是一个典型的高速、高精度、轻量化条件下的动力学问题。5、汽车工业▲汽车的发展已有120多年的历史。二战以后，世界汽车工业进入了飞速发展的时期。▲世界汽车产量的攀升▲目前全世界的客货车拥有总量超过8亿辆。19501963197720051000万2000万4000万6653万7761万2010▲汽车工业是综合产业，是国民经济的一个支柱产业。橡胶工业石油工业钢铁工业电子设备制造业玻璃工业机械制造工业汽车工业“美国的经济是汽车轮子滚出来的”▲60年代，日本汽车工业出现奇迹。1973年发生石油危机，美国汽车工业受到很大的冲击。而日本大量研制生产的是小型节油汽车，终于在1980年把美国赶下了“汽车王国”的宝座，取而代之。2006年，中国的汽车产量跃居世界第三位，2009年跃居世界第一位。▲随着生活水平的提高，中高档轿车和跑车得到迅速发展，这类汽车对速度、平稳性的要求更高。随着喷气飞机时代的来临，空气动力学的原理被应用于汽车的造型，车体趋向更低、更长，汽车速度进一步提高。▲世界汽车市场上竞争激烈。制造商清楚地认识到，汽车产品竞争中至关重要的几个因素是：行驶平顺性操纵稳定性燃油经济性▲汽车发展带来两大负面影响。1.环境污染在空气污染的来源中交通运输一项即占42%；城市噪音的70%来自交通运输。2.能源问题现已探明的全球石油储量将会在几十年内耗费殆尽。因此，电动车辆又重新受到青睐。在公路、水路和航空等多种运输方式的竞争下，铁路运输曾一度衰落，现在又以高速铁路的形式获得了新生。列车所受到的空气阻力与速度的平方成正比。功率和速度的大幅度提升当然带来新的、十分复杂的动力学问题。300km/h120km/h2.5倍6倍6、高速铁路车辆高速铁路车辆的发展◆1964年，日本建成东京到大阪的高速铁路——新干线。速度快（230km/h）、安全正点、能耗低（仅及汽车的1/5）、无污染、运量大、成本低，举世瞩目。◆80年代，法国开通高速铁路，车速达300km/h，试验列车的速度曾达到574km/h。◆中国后来居上发展速度最快中国高铁研发起步较晚，但仅用5年，就完成了世界发达国家30年才完成的高铁研发之路。已系统掌握了高速铁路成套技术：设计施工、装备制造、系统集成、运营管理。构建了具有自主知识产权和世界先进水平的高铁技术体系。拥有系统技术最全运营里程最长：目前为7531公里在建规模最大：2020年前，再建设16000公里部分国家高速铁路平均运营时速232km243km277km350km德国日本法国中国运营时速最高正向世界延伸美国通用电气公司与中国南车股份有限公司签订合作框架协议，将共同投资，在美国本土合作制造高速列车。伸向印度支那半岛的高铁（昆明-仰光）也在筹划之中。中国特色的创新之路1、引进技术，指头变拳头。铁道部将全国铁路市场集中，作为谈判砝码，既避免了企业分散谈判而相互抬价、恶性竞争，又保证了引进的是占据产业制高点的关键技术。2、学习再创新，闭门变开门。技术引进后，科技部与铁道部整合了全国的科技资源，打破了部门、行业、院校、企业的体制壁垒，整合全国的设备、资金、人才为一支开放的研发团队，充分调动各方积极性，既降低了创新的风险与成本，又加快了成果转化效率，使基础研发到产业化生产的时间缩短了十几倍。7、微机电系统MicroElectro-MechanicalSystemMEMS▲随着微电子系统集成度的提高，其加工尺寸越来越小，这导致了微机电系统的出现。将微型和超微型机械与微电子器件结合起来，便得到MEMS系统。10μm～1mm微型机械10nm～10μm超微型机械或纳米机械▲20世纪60~70年代，开始研制微传感器、微执行器。1987年，美国加州大学制成转子直径为60~120微米的硅静电电机，在世界上引起很大的震动。其后，美国15名顶尖级科学家向政府递交了发展微动力系统的建议书，美国国会将其列为21世纪重点发展学科。▲MEMS由机械科学电子技术材料科学制造技术融合而产生。它的出现是现代机械工程中的一件大事。关于MEMS的研究正逐渐形成世界性热潮。美国国家科学基金委员会的调查报告生物血管和眼科手术的诊断和治疗微细检测与修补通信工业航空航天军事等25个有重大应用前景的领域。MEMS应用前景▲MEMS的应用前景虽然目前距离