机械工程学科导论

机械工程学科导论 上海大学机自学院
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
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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。
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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。
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➢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。
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➢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。
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现代机械工程的内容和重要任务
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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
现
研究开发新的机械产品满足人们当前和将来的需要
代
机
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
械
Baidu Nhomakorabea
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
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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。
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
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现代机械工程的发展
汽车生产线
机器人
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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
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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。
➢ 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
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
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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
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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
现代机械工程范围广泛
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自动化流水线 、数控机床、 机器人、成组 技术、柔性制 造系统
特种加工
高精度加工、 超精密加工
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
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。
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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。
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。
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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。
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》(R.U.R)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；
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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
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机械技术的进步促进了学术研究
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。
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。
与此同时，机械制造设备和技术也在同步发展
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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
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。
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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
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
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▪ 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；
1797年，莫兹利 首创螺纹车床。
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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。
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。
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▪ 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。
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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"。