第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展

第三章___二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展2025/2/13第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展第一節(jié)二戰(zhàn)后的機(jī)械發(fā)展

內(nèi)容科學(xué)與技術(shù)的全面進(jìn)步二戰(zhàn)后機(jī)械工業(yè)的迅速發(fā)展機(jī)械制造業(yè)生產(chǎn)模式的變化第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展1、回顧近代科技發(fā)展的第一階段▲從1668年牛頓建立經(jīng)典力學(xué)開(kāi)始到19世紀(jì)末葉，力學(xué)、電磁學(xué)、化學(xué)和熱力學(xué)為代表的近代自然科學(xué)取得了輝煌的成就?！l(fā)了兩次工業(yè)革命。▲近代自然科學(xué)基本上局限于宏觀和低速領(lǐng)域的研究。一、科學(xué)與技術(shù)的全面進(jìn)步近代科技發(fā)展可劃分為兩大階段，分別以牛頓和愛(ài)因斯坦為標(biāo)志人物。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展▲從19世紀(jì)末葉開(kāi)始，在物理學(xué)界開(kāi)始了一場(chǎng)新的革命。X射線、元素放射性、電子相繼被發(fā)現(xiàn)。以電子的發(fā)現(xiàn)為開(kāi)端，20世紀(jì)30年代形成了量子力學(xué)理論體系?！鴲?ài)因斯坦(Einstein)于1905～1915年間創(chuàng)立相對(duì)論。相對(duì)論的創(chuàng)立是劃時(shí)代的貢獻(xiàn)?！匀豢茖W(xué)以牛頓力學(xué)為標(biāo)志，現(xiàn)代自然科學(xué)以愛(ài)因斯坦的相對(duì)論為標(biāo)志。2、近代科技發(fā)展的第二階段

第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展

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二戰(zhàn)以后的半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，世界大范圍內(nèi)的和平形成了有利于經(jīng)濟(jì)和科學(xué)發(fā)展的環(huán)境。

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在20世紀(jì)40年代后期，第二次世界大戰(zhàn)的硝煙剛剛散去，科學(xué)與技術(shù)便取得了新的突破:

信息論、控制論和系統(tǒng)論的提出，

電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明。

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現(xiàn)代自然科學(xué)的發(fā)展引發(fā)了第三次工業(yè)革命。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展動(dòng)力革命第一次工業(yè)革命第二次工業(yè)革命（由計(jì)算機(jī)技術(shù)統(tǒng)領(lǐng)）第三次工業(yè)革命信息化革命第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展3、機(jī)械工業(yè)獲得發(fā)展的背景◆

需求背景新形勢(shì)下世界經(jīng)濟(jì)、科技的空前發(fā)展向機(jī)械科學(xué)和機(jī)械工業(yè)提出了大量新問(wèn)題，對(duì)其發(fā)展提出了迫切的要求?！?/p>

世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求

世界經(jīng)濟(jì)日益全球化，世界市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中，在對(duì)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量不斷的追求中，要求機(jī)械進(jìn)一步向高速化、輕量化、精密化、自動(dòng)化和大功率化方向發(fā)展。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展與機(jī)械科學(xué)相關(guān)的許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域取得了全面的進(jìn)步，這些學(xué)科與機(jī)械科學(xué)交叉、融合，為機(jī)械科學(xué)的發(fā)展提供了新的指導(dǎo)思想、理論、方法和技術(shù)手段。

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支持背景

人類科技活動(dòng)范圍擴(kuò)大，潛入海洋，飛向外太空，航天器、機(jī)器人等現(xiàn)代機(jī)械陸續(xù)出現(xiàn)。●世界科技發(fā)展的需求

第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展19001910192019301940195019601970愛(ài)因斯坦相對(duì)論05～15量子力學(xué)理論30年代發(fā)現(xiàn)電子1897電子計(jì)算機(jī)47超音速飛機(jī)人造衛(wèi)星數(shù)控機(jī)床登月69第二次工業(yè)革命第三次工業(yè)革命1980發(fā)電機(jī)組超大型化機(jī)器人商品化集成電路微電機(jī)高速鐵路第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展二戰(zhàn)以后，世界機(jī)械工業(yè)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了19世紀(jì)和20世紀(jì)上半葉。航空航天工業(yè)動(dòng)力機(jī)械設(shè)備現(xiàn)代機(jī)器——機(jī)電一體化設(shè)備微電子芯片制造微機(jī)電系統(tǒng)汽車工業(yè)高速鐵路車輛幾個(gè)重要領(lǐng)域?qū)C(jī)械工業(yè)的發(fā)展具有重要的帶動(dòng)作用對(duì)機(jī)械科學(xué)的發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用二、二戰(zhàn)后機(jī)械工業(yè)的迅速發(fā)展第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展1、航空航天工業(yè)航空▲

二戰(zhàn)以來(lái)，軍用和民用飛機(jī)制造業(yè)發(fā)展迅速?！?/p>

美國(guó)和西歐早在1950年前后就開(kāi)始超音速飛機(jī)的研究。50年代中期戰(zhàn)斗機(jī)的最大速度達(dá)音速的2-3倍。據(jù)估計(jì)，未來(lái)遠(yuǎn)航軍用飛機(jī)的速度要達(dá)到音速的5倍。▲60年代，民用飛機(jī)向大型化方向發(fā)展。▲

中國(guó)也開(kāi)始了大飛機(jī)制造。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展航天▲

1957年，蘇聯(lián)發(fā)射人造衛(wèi)星?！撕蟮陌雮€(gè)世紀(jì)，以美國(guó)和蘇俄為主力，人類的航天事業(yè)蓬勃發(fā)展?！?/p>

1969年，美國(guó)宇航員登上了月球?！?，人類已建立了空間站，向太陽(yáng)系的全部行星和太陽(yáng)系外發(fā)射了探測(cè)器?！袊?guó)的航天事業(yè)也已起步，2007年嫦娥一號(hào)實(shí)現(xiàn)了繞月飛行。與人類的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)相比，當(dāng)前航天事業(yè)的發(fā)展還只相當(dāng)于蹣跚學(xué)步的孩童時(shí)期。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展2、動(dòng)力機(jī)械設(shè)備▲

19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等動(dòng)力機(jī)械均已成熟。以后的發(fā)展主要是提高效率，增大功率?！?/p>

從50年代起，核反應(yīng)堆作為新型能源開(kāi)始使用。

▲新型能源：風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、海洋能等。新疆達(dá)坂城附近的風(fēng)力發(fā)電第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展

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但是，世界經(jīng)濟(jì)主要應(yīng)用的能量形式還是電能。

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由汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組所發(fā)出的電能仍占世界總發(fā)電量的80%。二戰(zhàn)結(jié)束▲

為降低運(yùn)行成本、提高運(yùn)行效率，自80年代以來(lái)，汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組日益向大型化和超大型化方向發(fā)展。世界發(fā)電量的增長(zhǎng)第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展二戰(zhàn)以前，汽輪發(fā)電機(jī)組的最大裝機(jī)容量是100MW。70年代，世界上最大機(jī)組的裝機(jī)容量已達(dá)到1300MW。中國(guó)也已建成900MW的汽輪發(fā)電機(jī)組機(jī)組。

發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子細(xì)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速高，存在著復(fù)雜的振動(dòng)問(wèn)題轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展3、現(xiàn)代機(jī)器——機(jī)電一體化設(shè)備原動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置執(zhí)行裝置現(xiàn)代機(jī)器原動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置執(zhí)行裝置傳統(tǒng)機(jī)器傳感器控制裝置自動(dòng)化機(jī)器第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展自動(dòng)化的三個(gè)階段：第一階段：機(jī)械自動(dòng)化19世紀(jì)末自動(dòng)機(jī)床第二階段：利用繼電器的電氣自動(dòng)化依靠機(jī)械裝置（如凸輪）第三階段：基于電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的自動(dòng)化隨著20世紀(jì)后半葉以來(lái)控制理論、電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著計(jì)算機(jī)在工業(yè)上的應(yīng)用，自動(dòng)化的程度更高了。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)代機(jī)器的自動(dòng)化和早期的自動(dòng)化已不可同日而語(yǔ)?，F(xiàn)在譯為：機(jī)電一體化MechanicalElectronic————Mechatronics機(jī)械電子正確譯文：機(jī)械電子學(xué)第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展所謂現(xiàn)代機(jī)器，所謂機(jī)電一體化設(shè)備，就是具有基于電子技術(shù)的控制系統(tǒng)的機(jī)器。數(shù)控機(jī)床機(jī)器人現(xiàn)代機(jī)器的兩個(gè)典型第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展

機(jī)器人20世紀(jì)中葉，計(jì)算機(jī)發(fā)明。隨著計(jì)算機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，機(jī)器人作為現(xiàn)代機(jī)器的代表走上了歷史舞臺(tái)。

1947年在美國(guó)誕生，60年代走向成熟，70~80年代成為產(chǎn)品，并開(kāi)始在工業(yè)中得到應(yīng)用。

機(jī)器人特種機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，如焊接、裝配、搬運(yùn)、噴漆。工業(yè)機(jī)器人世界上所有先進(jìn)的汽車制造企業(yè)都已裝備了使用機(jī)器人的自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線和裝配線。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展?jié)撍?、管道修理、高樓壁清洗、外科手術(shù)和星際探索等領(lǐng)域，不宜或無(wú)法由人直接操作的工作。特種機(jī)器人清掃水雷清洗飛機(jī)的機(jī)器人清洗飛機(jī)清洗高樓壁蛇形機(jī)器人第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展原動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置執(zhí)行裝置傳統(tǒng)機(jī)器傳感器計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)伺服電機(jī)現(xiàn)代機(jī)器——機(jī)電一體化機(jī)器對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器的改造將計(jì)算機(jī)和伺服電機(jī)引入傳統(tǒng)機(jī)器，使傳統(tǒng)機(jī)器的組成、面貌和功能發(fā)生了革命性的變化。對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器改造的典型代表——數(shù)控機(jī)床。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展1948年，美國(guó)Parsons公司提出用電子計(jì)算機(jī)控制機(jī)床加工飛機(jī)機(jī)翼輪廓的樣板曲線，得到美國(guó)空軍的支持；后與麻省理工學(xué)院合作，于1952年研制出世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床。數(shù)控機(jī)床1958年，加工中心問(wèn)世。1966年，由一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制多臺(tái)數(shù)控機(jī)床的群控系統(tǒng)問(wèn)世。機(jī)床工業(yè)從此進(jìn)入電子化、信息化時(shí)代。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展數(shù)控機(jī)床具備動(dòng)機(jī)床、精密機(jī)床和萬(wàn)能機(jī)床三者的優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展和普及十分迅速。90年代中期，世界各工業(yè)化國(guó)家機(jī)床產(chǎn)值的數(shù)控化率已超過(guò)40％～50％。機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床的共同特點(diǎn)是“可編程”，從而可根據(jù)工藝過(guò)程的改變迅速地調(diào)整自身的運(yùn)動(dòng)。這與多品種、小批量生產(chǎn)模式的興起緊密相關(guān)。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)代機(jī)器正向著主動(dòng)控制、信息化和智能化的方向發(fā)展，從這個(gè)意義上講，正如有的學(xué)者所說(shuō)，“今后的機(jī)器都將是機(jī)器人”。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展4、微電子芯片制造計(jì)算機(jī)的發(fā)明帶來(lái)了電子工業(yè)的蓬勃發(fā)展。集成電路（integratedcircuit，IC）是電子工業(yè)的基礎(chǔ)和核心，誕生于20世紀(jì)60年代初。幾十年來(lái)，從每個(gè)硅片上只有幾十個(gè)元件的小規(guī)模集成電路已發(fā)展為今天有上億個(gè)元件的大規(guī)模集成電路。芯片的集成度的增長(zhǎng)每隔18～24個(gè)月翻一番。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展集成電路的制造要求:

超凈環(huán)境超純技術(shù)超微加工從而給制造技術(shù)提出了新的課題。IC封裝設(shè)備的特點(diǎn)：

高速高加速度高精度從而給機(jī)械動(dòng)力學(xué)和動(dòng)力學(xué)控制提出了新的課題。IC封裝設(shè)備是機(jī)械精密化的突出代表之一。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展引線鍵合（WireBonding）是用熱、壓力、超聲波能量將芯片與基板用金屬細(xì)絲連接起來(lái)的焊接工藝技術(shù)，是電子封裝設(shè)備的核心。高精度引線間的間距早年是80~100μm，現(xiàn)在縮小到30~50μm。要求高的軌跡跟蹤精度和定位精度。高速

為保證高生產(chǎn)率，鍵合的速度很高，早年為8-10線/秒，現(xiàn)已提高到11-16線/秒。高加速度

需要頻繁啟動(dòng)制動(dòng)，因此加速度也很大。700μm第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展封裝設(shè)備中的柔性機(jī)械臂在極限工況下工作，這是一個(gè)典型的高速、高精度、輕量化條件下的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展5、汽車工業(yè)

▲汽車的發(fā)展已有120多年的歷史。

二戰(zhàn)以后，世界汽車工業(yè)進(jìn)入了飛速發(fā)展的時(shí)期。

▲世界汽車產(chǎn)量的攀升▲目前全世界的客貨車擁有總量超過(guò)8億輛。19501963197720051000萬(wàn)2000萬(wàn)4000萬(wàn)6653萬(wàn)7761萬(wàn)2010第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展▲汽車工業(yè)是綜合產(chǎn)業(yè)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)。橡膠工業(yè)石油工業(yè)鋼鐵工業(yè)電子設(shè)備制造業(yè)玻璃工業(yè)機(jī)械制造工業(yè)汽車工業(yè)“美國(guó)的經(jīng)濟(jì)是汽車輪子滾出來(lái)的”第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展▲

60年代，日本汽車工業(yè)出現(xiàn)奇跡。1973年發(fā)生石油危機(jī)，美國(guó)汽車工業(yè)受到很大的沖擊。而日本大量研制生產(chǎn)的是小型節(jié)油汽車，終于在1980年把美國(guó)趕下了“汽車王國(guó)”的寶座，取而代之。2006年，中國(guó)的汽車產(chǎn)量躍居世界第三位，2009年躍居世界第一位?！S著生活水平的提高，中高檔轎車和跑車得到迅速發(fā)展，這類汽車對(duì)速度、平穩(wěn)性的要求更高。隨著噴氣飛機(jī)時(shí)代的來(lái)臨，空氣動(dòng)力學(xué)的原理被應(yīng)用于汽車的造型，車體趨向更低、更長(zhǎng)，汽車速度進(jìn)一步提高。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展▲

世界汽車市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)激烈。制造商清楚地認(rèn)識(shí)到，汽車產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)中至關(guān)重要的幾個(gè)因素是：

行駛平順性操縱穩(wěn)定性燃油經(jīng)濟(jì)性▲

汽車發(fā)展帶來(lái)兩大負(fù)面影響。1.環(huán)境污染在空氣污染的來(lái)源中交通運(yùn)輸一項(xiàng)即占42%；城市噪音的70%來(lái)自交通運(yùn)輸。2.能源問(wèn)題現(xiàn)已探明的全球石油儲(chǔ)量將會(huì)在幾十年內(nèi)耗費(fèi)殆盡。因此，電動(dòng)車輛又重新受到青睞。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展在公路、水路和航空等多種運(yùn)輸方式的競(jìng)爭(zhēng)下，鐵路運(yùn)輸曾一度衰落，現(xiàn)在又以高速鐵路的形式獲得了新生。列車所受到的空氣阻力與速度的平方成正比。功率和速度的大幅度提升當(dāng)然帶來(lái)新的、十分復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。300km/h120km/h2.5倍6倍6、高速鐵路車輛第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展高速鐵路車輛的發(fā)展◆

1964年，日本建成東京到大阪的高速鐵路——新干線。速度快（230km/h）、安全正點(diǎn)、能耗低（僅及汽車的1/5）、無(wú)污染、運(yùn)量大、成本低，舉世矚目?！?/p>

80年代，法國(guó)開(kāi)通高速鐵路，車速達(dá)300km/h，試驗(yàn)列車的速度曾達(dá)到574km/h。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展◆中國(guó)后來(lái)居上

發(fā)展速度最快中國(guó)高鐵研發(fā)起步較晚，但僅用5年，就完成了世界發(fā)達(dá)國(guó)家30年才完成的高鐵研發(fā)之路。

已系統(tǒng)掌握了高速鐵路成套技術(shù)：設(shè)計(jì)施工、裝備制造、系統(tǒng)集成、運(yùn)營(yíng)管理。構(gòu)建了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和世界先進(jìn)水平的高鐵技術(shù)體系。

擁有系統(tǒng)技術(shù)最全第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)：目前為7531公里在建規(guī)模最大：2020年前，再建設(shè)16000公里第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展部分國(guó)家高速鐵路平均運(yùn)營(yíng)時(shí)速232km243km277km350km德國(guó)日本法國(guó)中國(guó)運(yùn)營(yíng)時(shí)速最高第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展

正向世界延伸美國(guó)通用電氣公司與中國(guó)南車股份有限公司簽訂合作框架協(xié)議，將共同投資，在美國(guó)本土合作制造高速列車。伸向印度支那半島的高鐵（昆明-仰光）也在籌劃之中。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展中國(guó)特色的創(chuàng)新之路1、引進(jìn)技術(shù)，指頭變?nèi)^。鐵道部將全國(guó)鐵路市場(chǎng)集中，作為談判砝碼，既避免了企業(yè)分散談判而相互抬價(jià)、惡性競(jìng)爭(zhēng)，又保證了引進(jìn)的是占據(jù)產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。2、學(xué)習(xí)再創(chuàng)新，閉門變開(kāi)門。技術(shù)引進(jìn)后，科技部與鐵道部整合了全國(guó)的科技資源，打破了部門、行業(yè)、院校、企業(yè)的體制壁壘，整合全國(guó)的設(shè)備、資金、人才為一支開(kāi)放的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，充分調(diào)動(dòng)各方積極性，既降低了創(chuàng)新的風(fēng)險(xiǎn)與成本，又加快了成果轉(zhuǎn)化效率，使基礎(chǔ)研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的時(shí)間縮短了十幾倍。

第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展7、微機(jī)電系統(tǒng)MicroElectro-MechanicalSystemMEMS▲

隨著微電子系統(tǒng)集成度的提高，其加工尺寸越來(lái)越小，這導(dǎo)致了微機(jī)電系統(tǒng)的出現(xiàn)。將微型和超微型機(jī)械與微電子器件結(jié)合起來(lái)，便得到MEMS系統(tǒng)。10μm～1mm微型機(jī)械10nm～10μm超微型機(jī)械或納米機(jī)械第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展▲

20世紀(jì)60~70年代，開(kāi)始研制微傳感器、微執(zhí)行器。1987年，美國(guó)加州大學(xué)制成轉(zhuǎn)子直徑為60~120微米的硅靜電電機(jī)，在世界上引起很大的震動(dòng)。其后，美國(guó)15名頂尖級(jí)科學(xué)家向政府遞交了發(fā)展微動(dòng)力系統(tǒng)的建議書，美國(guó)國(guó)會(huì)將其列為21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展學(xué)科?！?/p>

MEMS由

機(jī)械科學(xué)電子技術(shù)材料科學(xué)制造技術(shù)融合而產(chǎn)生。它的出現(xiàn)是現(xiàn)代機(jī)械工程中的一件大事。關(guān)于MEMS的研究正逐漸形成世界性熱潮。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)的調(diào)查報(bào)告生物血管和眼科手術(shù)的診斷和治療微細(xì)檢測(cè)與修補(bǔ)通信工業(yè)航空航天軍事等25個(gè)有重大應(yīng)用前景的領(lǐng)域。MEMS應(yīng)用前景▲MEMS的應(yīng)用前景第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展雖然目前距離大量的實(shí)際應(yīng)用尚較遠(yuǎn)，2000年全世界的MEMS產(chǎn)品市場(chǎng)也只有140億美元，但它是一個(gè)蓄勢(shì)待發(fā)的新興產(chǎn)業(yè)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在21世紀(jì)，MEMS將會(huì)像微電子技術(shù)一樣，給世界帶來(lái)重大影響，甚至?xí)c信息技術(shù)、生物技術(shù)、納米技術(shù)一起引發(fā)一場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命?！顒?shì)待發(fā)的新興產(chǎn)業(yè)第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展這些機(jī)械和運(yùn)載工具的高速化、大功率化、輕量化、高精度和高可靠性的要求，給予機(jī)械科學(xué)的發(fā)展以強(qiáng)大的推動(dòng)力。飛機(jī)航天器汽輪發(fā)電機(jī)組機(jī)器人IC產(chǎn)品機(jī)械科學(xué)與機(jī)械工程的高技術(shù)領(lǐng)域8、小結(jié)第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展

數(shù)控機(jī)床

1952年，為加工機(jī)翼輪廓的樣板曲線，研制出第一臺(tái)數(shù)控銑床。有限單元法

1956年，為計(jì)算機(jī)翼這一形狀復(fù)雜部件的強(qiáng)度，提出了有限單元法。振動(dòng)的主動(dòng)控制技術(shù)

1959年，美國(guó)在B-52轟炸機(jī)的機(jī)身上安裝傳感器，根據(jù)其反饋來(lái)操縱方向舵調(diào)整片，達(dá)到控制機(jī)身振動(dòng)的目的。隨后，振動(dòng)的主動(dòng)控制技術(shù)從航空領(lǐng)域向其它領(lǐng)域擴(kuò)散。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展

美國(guó)開(kāi)始執(zhí)行阿波羅計(jì)劃后出現(xiàn)一系列的設(shè)備故障。1967年1月，Apollo-1號(hào)飛船在進(jìn)行地面演練時(shí)密封艙著火；由于艙門設(shè)計(jì)缺陷，無(wú)法迅速打開(kāi)，造成三名宇航員死亡。在美國(guó)宇航局提議下，成立了機(jī)械故障預(yù)防小組。故障診斷技術(shù)發(fā)展起來(lái)。故障診斷技術(shù)Apollo-1

故障診斷技術(shù)很快就傳播到汽輪發(fā)電機(jī)組領(lǐng)域。這是因?yàn)橐慌_(tái)機(jī)組的故障會(huì)影響整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活的影響特別大。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展有限元方法模態(tài)綜合法動(dòng)力學(xué)建模的精細(xì)化分析軟件減振措施振動(dòng)的主動(dòng)控制故障診斷技術(shù)幾乎都緣起自這些領(lǐng)域，而后才向其它領(lǐng)域擴(kuò)散。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展▲

多品種、小批量生產(chǎn)模式的出現(xiàn)與發(fā)展；▲

企業(yè)活動(dòng)信息化、智能化水平的極大提升，和網(wǎng)絡(luò)化的興起。三、機(jī)械制造業(yè)生產(chǎn)模式的變化第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展迫使企業(yè)充分了解用戶的需求，追求生產(chǎn)“適銷對(duì)路”的產(chǎn)品。按照用戶的要求推出個(gè)性化的產(chǎn)品逐漸成為潮流。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平提高對(duì)產(chǎn)品多樣化、個(gè)性化的追求機(jī)械工業(yè)發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)的加劇買方市場(chǎng)的形成大批量生產(chǎn)模式

多品種、小批量生產(chǎn)模式1.多品種、小批量生產(chǎn)模式的出現(xiàn)20世紀(jì)60~70年代第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展大批量生產(chǎn)模式:自動(dòng)機(jī)床、機(jī)械手多品種、小批量生產(chǎn)模式:數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人設(shè)計(jì)的快速化、自動(dòng)化和可視化生產(chǎn)模式的變化制造裝備的變化設(shè)計(jì)工作的變化可編程、從而可迅速調(diào)整第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展2.企業(yè)活動(dòng)的信息化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化自20世紀(jì)70年代開(kāi)始，計(jì)算機(jī)被廣泛應(yīng)用到機(jī)械制造過(guò)程的各個(gè)方面。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展生產(chǎn)過(guò)程控制自動(dòng)化技術(shù)傳感檢測(cè)技術(shù)信號(hào)處理預(yù)報(bào)決策控制工程過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制故障診斷經(jīng)營(yíng)管理與決策技術(shù)物料需求計(jì)劃(MRP)制造資源計(jì)劃(MRPII)最優(yōu)生產(chǎn)技術(shù)模式(OPT)企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)動(dòng)態(tài)企業(yè)建模供應(yīng)鏈電子商務(wù)制造自動(dòng)化技術(shù)計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)分布式計(jì)算機(jī)數(shù)控(DNC)柔性制造單元(FMC)柔性制造系統(tǒng)(FMS)快速成型加工(RPM)虛擬制造(VM)機(jī)器人設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）計(jì)算機(jī)輔助工藝編程(CAPP)計(jì)算機(jī)輔助工程分析(CAE)虛擬樣機(jī)(VP)計(jì)算機(jī)應(yīng)用到機(jī)械制造過(guò)程各方面第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展生產(chǎn)過(guò)程控制自動(dòng)化技術(shù)傳感檢測(cè)技術(shù)信號(hào)處理預(yù)報(bào)決策控制工程過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制故障診斷經(jīng)營(yíng)管理與決策技術(shù)物料需求計(jì)劃(MRP)制造資源計(jì)劃(MRPII)最優(yōu)生產(chǎn)技術(shù)模式(OPT)企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)動(dòng)態(tài)企業(yè)建模供應(yīng)鏈電子商務(wù)制造自動(dòng)化技術(shù)計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)分布式計(jì)算機(jī)數(shù)控(DNC)柔性制造單元(FMC)柔性制造系統(tǒng)(FMS)快速成型加工(RPM)虛擬制造(VM)機(jī)器人設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）計(jì)算機(jī)輔助工藝編程(CAPP)計(jì)算機(jī)輔助工程分析(CAE)虛擬樣機(jī)(VP)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)ComputerIntegratedManufacturingSystems80年代在美國(guó)提出。它的基本出發(fā)點(diǎn)是：■企業(yè)的各種生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)是不可分割的，要統(tǒng)一考慮■整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是信息的采集、傳遞和加工處理的過(guò)程。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用極大地提升了制造過(guò)程的信息化、智能化水平，使勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量有了極大的提高。簡(jiǎn)稱CIMS第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展信息集成過(guò)程集成資源集成計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)現(xiàn)代管理技術(shù)先進(jìn)制造技術(shù)現(xiàn)代管理技術(shù)信息技術(shù)現(xiàn)代管理技術(shù)自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)代管理技術(shù)系統(tǒng)工程技術(shù)計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)經(jīng)營(yíng)管理技術(shù)人信息流物流第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展提高企業(yè)的市場(chǎng)應(yīng)變能力和競(jìng)爭(zhēng)能力TTimeQQualityCCostSServiceEEnvironment縮短企業(yè)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間提高產(chǎn)品質(zhì)量降低成本改善服務(wù)清潔環(huán)境第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展從計(jì)算機(jī)單機(jī)運(yùn)行到集成運(yùn)行是一個(gè)更大的飛躍，是工業(yè)自動(dòng)化的革命性成果。CIMS代表了當(dāng)今工廠綜合自動(dòng)化的最高水平，被譽(yù)為是未來(lái)的工廠。20多年來(lái)，CIM的概念已被越來(lái)越多的人所接受，成為指導(dǎo)工廠自動(dòng)化的哲理，并從發(fā)達(dá)國(guó)家傳播到發(fā)展中國(guó)家，從離散型的機(jī)械制造業(yè)擴(kuò)展到化工、冶金等連續(xù)或半連續(xù)制造業(yè)。但是，CIM是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工作，目前它的應(yīng)用尚有很大的局限性；廣泛應(yīng)用的還是零散的或集成度不這樣大的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展90年代，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)興起。利用制造網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)乃至整個(gè)社會(huì)制造資源和知識(shí)資源的共享與集成，提高了制造業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)與設(shè)計(jì)的能力。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)和美國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)(NSF)的聯(lián)合研究項(xiàng)目IPG(InformationPowerGrid)，該項(xiàng)目利用分布在北美多個(gè)研究機(jī)構(gòu)的資源共同完成了飛機(jī)設(shè)計(jì)的整體仿真問(wèn)題。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展第二節(jié)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的要求全面提升新時(shí)期機(jī)械產(chǎn)品發(fā)展的總趨向現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法要解決的兩大根本問(wèn)題內(nèi)容第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展

▲近兩個(gè)世紀(jì)以來(lái)，機(jī)械的發(fā)展表現(xiàn)出高速化、大功率化、自動(dòng)化、精密化和輕量化的趨向；

▲這種趨向在近60年來(lái)變得更為突出和集中。一、新時(shí)期機(jī)械產(chǎn)品發(fā)展的總趨向第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展1機(jī)械繼續(xù)在高速化、大功率化的道路上前進(jìn)▲汽輪發(fā)電機(jī)組的超大型化▲汽車、鐵路車輛、飛機(jī)速度的提高▲切削速度的提高：采用硬質(zhì)合金作為刀具材料時(shí)，切削速度為每分鐘一百多米至幾百米。1950年，陶瓷刀具在生產(chǎn)中得到實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)在最高切削速度已達(dá)到每分鐘一千米。機(jī)床的速度當(dāng)然也相應(yīng)地大幅度提高。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展世界最大的挖掘機(jī)德國(guó)克虜伯公司95m高215m長(zhǎng)重45500T挖掘輪直徑超過(guò)21m價(jià)值1億美元。世界最大起重機(jī)的起重能力達(dá)到3200T?！こ虣C(jī)械第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展▲鍛壓機(jī)械的高速化與大型化世界上最大的模壓鍛機(jī)為俄羅斯的75000T鍛機(jī)；為適應(yīng)大飛機(jī)制造的需要，中國(guó)已經(jīng)啟動(dòng)80000T模壓鍛機(jī)的制造。高速壓力機(jī)2000次/分▲加工機(jī)床的大型化中國(guó)三峽水電站的發(fā)電機(jī)外直徑為22m，高度為6m。這種超大型零件的加工問(wèn)題被稱為“極限制造”。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展▲輕工業(yè)機(jī)械的高速化世界高水平的膠印機(jī)的印刷生產(chǎn)率已普遍達(dá)到800頁(yè)/分。60年代，從日本開(kāi)始了工業(yè)縫紉機(jī)的高速化進(jìn)程。1995年，日本的超高速包縫機(jī)的速度已達(dá)到7500~9000針/分。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展1高速化、大功率化2對(duì)機(jī)械的精密化要求提高到一個(gè)更高的水平航空航天事業(yè)的發(fā)展機(jī)電一體化產(chǎn)品出現(xiàn)對(duì)機(jī)械精度的要求大為提高▲

典型例證：集成電路制造芯片、磁盤、磁頭、激光頭、噴墨頭等均離不開(kāi)超精密加工技術(shù)。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展▲

導(dǎo)彈系統(tǒng)中陀螺儀其精度直接影響導(dǎo)彈的命中率。1kg的陀螺轉(zhuǎn)子，其質(zhì)心只要偏離0.0005μm，就會(huì)導(dǎo)致100m的射程誤差?！?/p>

人造衛(wèi)星中姿態(tài)軸承加工精度要達(dá)到納米級(jí)，否則對(duì)衛(wèi)星的觀測(cè)性能會(huì)有很大影響?！锕こ讨械幕虿僮鳈C(jī)械其移動(dòng)距離在納米級(jí)，移動(dòng)精度已達(dá)到0.1nm，即原子尺度。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展20世紀(jì)60年代，超精密加工技術(shù)發(fā)展起來(lái)。精密加工的加工精度在1~0.1μm

，而超精密加工的精度在0.1μm以下。超精密加工追求極高的、甚至是極限的加工精度和表面光潔度，現(xiàn)在已達(dá)到納米級(jí)，被稱為納米加工。精密加工的傳統(tǒng)模式是切削加工和磨削加工。而超精密加工又帶來(lái)了利用電能、磁能、聲能、光能、化學(xué)能、核能對(duì)材料進(jìn)行加工和處理的非傳統(tǒng)模式的發(fā)展。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展超精密加工需要設(shè)備的支持，這就出現(xiàn)了超精密的車床和磨床。美國(guó)于1984年研制成功大型超精密金剛石車床，用于加工大型金屬反射鏡。該機(jī)床的主軸回轉(zhuǎn)精度高于0.05μm，被公認(rèn)為世界上技術(shù)水平最高的金剛石超精密機(jī)床。該機(jī)床在散熱、防震、誤差補(bǔ)償?shù)确矫娑加幸恍┨厥饧夹g(shù)。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展高速化、大功率化精密化3對(duì)機(jī)械的可靠性要求提高到一個(gè)更高的水平▲二戰(zhàn)期間，美國(guó)由于飛行故障而損失的飛機(jī)比被擊落的飛機(jī)多1.5倍?！沁m應(yīng)航天計(jì)劃的需要，對(duì)機(jī)械可靠性的研究興起在20世紀(jì)60年代的美國(guó)。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展▲

1月，美國(guó)挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)失事。事故原因：助推器兩個(gè)部件之間的接頭破損，噴出的燃?xì)鉄┝酥破鞯耐鈿ぃ^而引燃外掛燃料箱?！?/p>

1986年震驚世界的兩大事故第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展

▲4月，蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站，空前嚴(yán)重的核事故。多次違反操作規(guī)程，導(dǎo)致反應(yīng)堆能量增加，引起爆炸，沖破保護(hù)殼，廠房起火，造成放射性物質(zhì)泄漏，污染了歐洲大部分地區(qū)。

官方公布：7000多人死于核污染；土地、水源被嚴(yán)重污染；成千上萬(wàn)人被迫離開(kāi)家園。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展▲重大事故使可靠性問(wèn)題變得更為突出?！煽啃栽O(shè)計(jì)成為一種重要的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。今天，可靠性設(shè)計(jì)已應(yīng)用于從宇宙飛船到家用電器的廣闊領(lǐng)域，成為機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展1高速化、大功率化2精密化3可靠性4對(duì)機(jī)械和運(yùn)載工具輕量化的要求更為迫切在兩次工業(yè)革命時(shí)期，人們極度興奮地感受到動(dòng)力的變革給人類的生活帶來(lái)的巨大變化，人類的欲望極大地膨脹起來(lái)。大地和海洋似乎都是無(wú)窮大的空間，材料、能源取之不盡、用之不竭；廢水、廢氣的排放也無(wú)需節(jié)制。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展近數(shù)十年來(lái)，地球資源的有限性和保護(hù)地球環(huán)境的必要性終于被人們逐漸認(rèn)識(shí)到了。節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保逐漸成為主流呼聲。對(duì)減輕機(jī)械重量的要求更為迫切。世界的政治、經(jīng)濟(jì)斗爭(zhēng)也影響到輕量化問(wèn)題，這主要反映到汽車工業(yè)中。由于舒適性的需要，汽車的自重曾經(jīng)大幅度增加。這導(dǎo)致燃油消耗和排放量的增加，加劇了對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)能源的需求。1974年爆發(fā)石油危機(jī)后，日本以其小型轎車的優(yōu)勢(shì)將美國(guó)擠下了汽車王國(guó)的寶座，輕量化立即成為世界汽車工業(yè)的中心課題之一。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展因此，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，轎車的輕量化得到政府的引導(dǎo)和支持；如美國(guó)和日本都將轎車的輕量化作為汽車新技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向。汽車整車質(zhì)量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。同時(shí)，車輛行駛時(shí)的顛簸會(huì)因底盤重量減輕而減小，車身會(huì)更加穩(wěn)定；輕量化材料對(duì)沖撞能量的吸收，又可以有效提高碰撞安全性[17]。航天器的重量必須盡量減輕是非常容易理解的——它受制于發(fā)射技術(shù)和成本的雙重因素。第三章二戰(zhàn)以后機(jī)械的發(fā)展幾乎所有機(jī)械的發(fā)展過(guò)程中都不同程度地有著輕量化的要求。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法——有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)法的發(fā)展提供了對(duì)機(jī)械和運(yùn)載工具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的理論和方法。材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展向制造業(yè)提供了高強(qiáng)度鋼和鋁合金、鎂合金、鈦合金、復(fù)合材料等輕質(zhì)材料。構(gòu)件的重量減輕難免伴隨著剛度的下降，從而需要在分析中計(jì)入構(gòu)件彈性的影響，這向機(jī)械動(dòng)力學(xué)提出了許多新