机械设计的发展史及其发展方向

学年论文题目：学院：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化年级：2012级姓名：李帅指导教师：完成日期：机械设计的发展史及其发展方向摘要：如果说书籍是人类精神文明进步的阶梯，那么机械无疑是人类物质文化前进的动力。而机械设计是机械进步与发展的基础。早在新石器时期，我们的先人就设计制造出了精致的农具等物品。随着科技的发展和社会的进步，设计手段和方法不断更新，设计新技术不断涌闲，这就需要我们掌握最先进的设计技术，把握最前沿的发展方向。一、机械设计的发展史按时间来分，可分为三个阶段，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。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.机械设计起源和古代机械设计从内容上来说它是直觉设计阶段。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。商周时期青铜冶铸技术达到了高潮。青铜器的出现标志着一种新的机械技术和制造工艺的诞生。到商中期已广泛使用分铸法等先进工艺，体现出机械工程的不断进步。并且这一时期机械在结构方面由简单工具发展为复合工具和较为复杂的机械。在原理方面从杠杆、尖劈等原理的利用发展为对惯性、摩擦、弹性和重力等原理的利用。在制造工艺方面经历了由石器制造工艺向铜器和其他机械工艺的转变。这充分说明在这一时期中国传统机械技术已经形成并有了一定的发展。到秦汉时期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，《天工开物》就是当时机械技术的见证。其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。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。2近代机械设计从内容上说它是经验设计阶段。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（1564~1642）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的发展，反映了时代的特色。3现代机械设计从内容上说它是理论设计阶段。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“MADEINUSA”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“MADEINGERMANY”风靡世界，提出了“关键在于设计”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”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，而应该认为是与机械学并立的一门技术科学了。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，虽然大部分是作右手方便的，但是习惯于用左手的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技术要求日益降低（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。二、机械设计的发展方向1．智能化智能化是21世纪机械设计发展的一个重要发展方向。“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法、模拟人类只能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得更高的控制目标。诚然，使机械设计的产品具有低级智能或人的部分智能，是完全可能和必要的。2．模块化由于机械设计产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机械设计产品单元是一项十分复杂但又非常重要的事。例如研制多级减速、智能减速、电动机智能减速、电动机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元以及各种能完成典型操作的机械装置。这样，可利用标准单元迅速开发出新的产品，同时也可扩大生产规模。显然，从电气产品的标准化、系例化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机械设计单元的企业还是对生产机械设计产品的企业，模块化将给机械设计企业带美好的前程。3．网络化20世纪90年代，计算机技术的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育以及人们日常生活带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、生产连成一体，企业间的竞争也趋于全球化。机械设计的新产品一旦研制出来，只要其功能独道，质量可靠，很快会畅销全球。由于网络化的普及，基于网络的各种远程控制和监测技术方兴未艾、而远程控制的终端设备本身就是机械设计产品。现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势。利用家庭网络将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统，使人们在家里充分享受各种高技术带来的便利和快乐。因此，机械设计产品无疑朝着网络化方向发展。4．微型化微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机械设计向微观领域发展的趋势。国外将其称为微电子机械系统，或微机械设计系统，泛指几何尺寸不超过1cm的机械设计产品，并向微米、纳米级发展。微机械自动化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息、等方面具有不可比拟的优势。微机械设计发展的瓶颈在于微机械技术，微机械设计产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。5．绿色化工业的发达给人们生活带来了巨大的变化。一方面，物质丰富，生活舒适：另一方面，资源减少，生态环境受到严重污染，于是，人们呼吁保护环境资源，回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势，绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害及少，资源利用率最高。设计绿色的机械设计产品，具有远大的发展前途。机械设计产品的绿色化主要是指使用时不污染环境，报废后能回收利用。6．人格化未来的机械设计更加注重产品与人的关系，机械设计的人格化有两层含义。一层是机械设计产品的最终使用对象是人，如何赋予机械设计的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化，另一层是模仿生物机理、研制各种机械设计产品，实事上，许多机械设计产品都是受动物的启发研制出来的。结论在当今机械设计与设计方法非常重要。如果没有很好地结构设计，再多的材料也无济于事。我们需要很好地学习了机械结构的知识，同时掌握机械结构的设计方法才能设计出更加完美的作品，或者产品。在这学期，我通过查阅资料，了解到了一些机械设计的方法，我认为这种方法并不等于传统意义上的模仿。它只是提供了一种学习成功的机械结构或是机械设计的一个手段。我们完全可以学习别人结构优秀的部分加之自己的创新改造，实现我们预定的功能。这个过程同样是要花费一定心血的。在以后的学习上，我会更加关注如何实现产品的快速加工。也就是提供了原材料经过生产线出来就是一个可以使用的产品。我的想法来源于战争时期可以很快的制造出产品来提供需求。同时我也对机械工艺有一定的关注，因为产品的设计到产品的制造需要机械工艺的保证，只有熟悉了工艺，才能更好地进行机械设计。才能更好地运用机械设计理论与方法，才能在机械设计的路上走的更远。机械产品的竞争实质上就是设计的竞争。深入地研究现代机械设计理论方法对机械设计水平的影响，对提高我国机械产品的创新能力和竞争力，为推动我国从制造大国走向制造强国是非常有益的。只有很好地学习机械设计理论与方法的相关内容，才能为祖国机械行业发展贡献自己的一份力量。参考文献：【1】吴宗泽《机械设计》2003-9-1；【2】李芬《机械设计技术的发展趋势》2011-7；