第二章机械工程概论

第五章机械工程概论目录第1节机械工程及学科总论第2节机械工程中的力学第3节机械设计第4节先进制造技术第5节机电一体化技术机械：是现代社会进行生产和服务的六大要素(人、资金、信息、能量、材料和机械)之一，并且还参与能量和材料的生产。机器：①由许多构件组合而成；②各运动实体之间有确定的相对运动关系；③能实现能量的转换，代替或减轻人的劳动，完成有用的机械功。如：内燃机、发电机、电梯、机器人、机床、交通工具等。机构：具有确定相对运动的各种实物的组合，符合机器的前两个特征。机械是机器和机构的总称；机器主要用来传递和变换能量；机构主要用来传递和变换运动。第1节机械工程及学科总论什么是机械工程？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，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。机械根据用途可分为：①动力机械：用来实现机械能与其他形式能量的转换。如电动机、内燃机、发电机、空压机等。②加工机械：用来改变物料的结构形状、性质及状态。如轧钢机、包装机、纺织机械及各类机床等。③运输机械：用来改变人或物料的空间位置。如汽车、飞机、轮船、输送机等。④信息机械：用来获取或处理各种情息。如复印机、传真机、摄像机等。第1节机械工程及学科总论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。第1节机械工程及学科总论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。第1节机械工程及学科总论机械发展的历史回顾----中国古代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。东汉以后出现的记里鼓车，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。明初，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。第1节机械工程及学科总论机械发展的历史回顾----中国古代1634～1637年，明朝的宋应星编著了《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。涉及泥型铸釜、失蜡法铸造以及铸钱等铸造技术，还有千钧锚和软硬绣花针的制造方法、提花机和纺织机械以及车船等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：第1节机械工程及学科总论机械发展的历史回顾----国外18世纪初，蒸汽机的出现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。第1节机械工程及学科总论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，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1927年美国人林德伯格驾驶“圣路易斯精神”号飞机首次飞越大西洋第1节机械工程及学科总论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”的出现第1节机械工程及学科总论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利用机械臂施放哈勃空间望远镜第1节机械工程及学科总论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第1节机械工程及学科总论现代机械工程的发展汽车生产线机器人第1节机械工程及学科总论现代机械工程的发展数控机床柔性制造系统第1节机械工程及学科总论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级微机械军事、航空航天的应用第1节机械工程及学科总论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现代机械工程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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现代机械工程机械工程应用领域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国防武器等机械工程学科简介机械工程一级学科下设四个二级学科：机械设计及理论、机械制造及其自动化、机械电子工程、车辆工程。机械类专业在1998年颁布的《普通高等学校本科专业目录》中有四个本科专业：机械设计制造及其自动化、材料成形及控制工程、工业设计、过程装备与控制工程。部分高校有自主设置专业的权利：车辆工程、机械电子工程、机械工程及自动化等专业。第1节机械工程及学科总论机械设计制造及其自动化（本科）专业学习内容：机械设计、机械制造、自动化三方面的内容。基础课程：英语、高等数学、线性代数、概率论与数理统计、大学物理、大学化学、计算机基础等。专业基础课：机械制图、理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、现代设计方法；互换件与技术测量、机械制造基础、金属材料与热处理；电工和电子技术、模拟电子技术、微机原理及应用、控制工程基础。专业课：金属切削原理与刀具、金属切削机床、机械制造工艺学、液压与气动传动、数控技术、计算机辅助设计、机电一体化系统设计、机械优化设计等。此外，各高校结合自己的学科特色或行业背景，还开设一些其他专业课：流体力学、化工工艺、工程热力学、传热学、纺织工艺、工业机器人等等。实践环节：认知实习、制图测绘、金工实习、课程设计、毕业实习、毕业设计。掌握技能：掌握制图、设计、计算、检测与控制、自动化知识；具有机电产品和系统的研制、开发、制造、设备控制、生产组织管理及经营的基本技能。第1节机械工程及学科总论材料成形及控制工程（本科）专业学习内容：综合1998年前“金属材料及热处理”、“热加工工艺及设备”、“铸造”、“塑性成形工艺及设备”、“焊接工艺及设备”专业的内容。基础课程：英语、高等数学、线性代数、概率论与数理统计、大学物理、大学化学、计算机基础等。专业基础课：机械制图、互换件与技术测量、理论力学、材料力学、材料热力学、机械设计基础、电工和电子技术、微机原理及应用、物理化学、材料科学基础、材料相变原理等。专业课：热处理工艺学、陶瓷材料学、材料加热设备、材料热成形工艺、材料表面技术、材料热成形设备。此外，还有材料X射线测试与分析、材料电子显微分析、功能材料、材料物理性能、复合材料、超微材料、粉末冶金等。掌握技能：掌握制图、计算、实验、测试方面的知识；具备机械热加工应用、材料的热处理和化学处理的基本技能。第1节机械工程及学科总论工业设计（本科）专业工业设计专业与机械设计制造及其自动化专业的区别：前者倾向于工业产品的外形设计、功能设计、广告设计；后者侧重于产品的使用性能、强度、刚度、结构、原理方面的设计。主要内容：工业产品的设计理念、设计方法、造型材料和工艺、机械与结构、计算机辅助设计，同时兼顾广告设计、展示设计、企业形象设计和环境系统设计。基础课程：英语、高等数学、线性代数、概率论与数理统计、大学物理、大学化学、设计概述、设计简史等。专业基础课：工业设计概论、机械与结构设计、人机工程学、计算机基础、工程制图基础、绘画透视、基础素描、色彩写生、立体构成、设计素描、三维形态设计与模型制作、色彩构成等。专业课：电子产品设计、虚拟产品设计、产品包装设计、产品摄影、色彩设计、室内设计、市场调查、效果图、设计管理、设计心理、广告设计、展示设计等。就业去向：产品设计部门、广告公司、演出公司、展示中心、电视台等。第1节机械工程及学科总论过程装备与控制工程（本科）专业专业来源：主要由化工设备与机械专业经过拓展专业领域和内容演化发展而来。面向行业：面向化工、石油、能源、轻工、医药、环保、食品等，处理流动型材料（如气体、液体、粉粒体），以改变物料状态或物理与化学性质为主要目的的工业。学习内容：主要包括机械工程、化学工程、控制工程三大方面。专业基础课：物理化学、机械制图、理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、机械制造基础；电工和电子技术、微机原理及应用、仪表与测试技术、控制系统设计、计算机控制技术、等。专业课：化工计算、化工原理、工程热力学、流体力学、粉体力学、化工装置设计、控制与管理技术等。此外，还有压力容器安全技术、化工流体密封、化工机械制造、成套设备可靠性等。第1节机械工程及学科总论目录第1节机械工程及学科总论第2节机械工程中的力学第3节机械设计第4节先进制造技术第5节机电一体化技术第2节机械工程中的力学机构：一组或多组部件组合在一起，能够进行一定的相对运动的装置。结构：一组或多组部件组合在一起，承担某种载荷的装置。传统上把机械分为三类：原动机械：能把自然界的能量或其他非机械能转变为机械能的设备。如内燃机、电动机等。变换机械：把机械能转变为非机械能的设备。如发电机、空气压缩机等。工作机械：在外界给予的能量下完成生产过程，以改变工件（或工质）的物理性质、状态、形状和位置的设备。如各种机床、起重机、汽车、液压机等。以上三类机械可以相互结合，联合工作。如火力发电设备的三大主机——锅炉、汽轮机和发电机的顺序连接工作。Mechanics的含义:机械学，力学机械中的力学主要包括：理论力学材料力学流体力学振动力学计算力学第2节机械工程中的力学第2节机械工程中的力学——理论力学机械系统在工作时，从原动机到交换机，或者从交换机到工作机，存在大量的运动传递问题，简称传动问题。如汽车发动机内活塞的往复运动到车轮的旋转转动，就是一个传动系统。涉及曲柄连杆机构、齿轮变速机构、差速机构、皮带轮传动机构等。机构的运动分析以及运动传递属于理论力学中运动学的范畴。运动学研究对象是质点或刚体。且仅限于质点或刚体在运动时所需满足的数学（几何）上的运动规律，而不涉及产生这种运动的具体的物理原因。一、运动学与机械传动质点只考虑其几何位置，不考虑其几何尺寸。如地球在太阳系中就是一个点；轮船在海洋中的定位就是一个点；火车在铁道网中也是一个点。刚体可以看做是无数个点的集合体，而且刚体上各点的运动状态通常各不相同。大多数机械的部件或机构作为刚体来分析。刚体平移：刚体上所有点的速度、加速度均相同，此时刚体可看成一个点。刚体转动：刚体运动时，刚体上某一条直线保持静止，成为定轴转动。此时，刚体具有共同的角速度和角加速度，刚体上任意点均做圆周运动。刚体平面运动：刚体在某一固定平面内做任意运动。分析刚体的平面运动时，通常采用“基点法”，即把刚体分解为随着基点的平行移动和相对于基点的转动。刚体的运动分析在机械传动中得到大量应用。描述运动的参数有：位移、速度、加速度。一、运动学与机械传动第2节机