DEC_第1章.docx
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1、- 1 - 机械装备设计工程讲稿 第 1 章 机械工程学科与机械工程专业 1.1 机械工程发展简史 人类文明的历史与 机 械工 程 学科的 发 展密 切相关 ; 机 械 工 程 学 科的形成得益于机械制造技术的诞生和进步,机械制造技术的进步 促进了制造业的兴起和发展。 制造是人类科学理念物化的过程。工具是机械的前身,人类最 早制造和使用的工具是石器。在距今 20 30 万年前的旧石器时代, 中华祖先们就能制作粗糙的石器工具。 在金属加工方面,商周时期的冶铸技术在世界文明史上独树一 帜,冷锻工艺作为我国锻造技术的杰出成就,在商代就已经使用, 如河南安阳殷墟出土的金箔就是经过冷锻并经退火处理而成的
2、。 春秋战国时期,青铜铸造、纹饰技术继续提高,并出现了金属 范和失蜡铸造、叠铸等新技术。 秦汉时期的机械已趋成熟,其工艺技术领先于当时的世界各国。 这一时期以动力(弹力、畜力、风力、水力等)利用和机械结构方 面的成就最为突出。 宋元时期中国的机械技术仍走在当时世界的前列。 古代机械工程技术的发展也推动了学术研究,明代相继出现了 不少工程技术方面的巨著。明代伟大的科学家宋应星所著的天工 开物 被 誉 为 “ 17 世 纪 的 工 艺百 科 全 书 ” , 中 国乃 至 世 界 科 技 史 上 - 2 - 都占有重要位置。 但中国古代机械及其工程技术的发展,与当时世界其他地区的 联系和往来非常少,
3、处于本土生长、时起时落的封闭状态,采用的 也是师徒制的技艺传授方式。并且中国古代人大都不能把理论和实 践结合起来,一般所谓士大夫都把实际工作看作是卑贱的事。由于 中国古代机械科学家、发明家只注重研究结果,加之受 “ 士大夫不 宵与手艺人为伍 ” 和视机械为 “ 奇技淫巧 ” 之物或雕虫小技等传统 思想的束缚,使得中国古代的许多机械创造发明只有实物而无文字 记述或理论解释,造成了后来许多发明的失传和再发明的走弯路现 象一也形成了中国古代机械工程技术虽然成就辉煌联无系统的机械 科学与 工 程理 论 体系产生 的独 特 现象 。 尽 管如 此 , 中 国 古代 机械 工 程技术的发展对近现代机械科技
4、体 系的形成还是产生了广泛而深远 的影响。 15 16 世 纪 以前 , 世 界机 械工 程发展 缓 慢 。 但在 长期的 实 践 中 , 积累了相当多的经验和技术,成为后来机械工程发展的重要基础。 17 世纪 以后 , 在 欧 洲 , 许多 高才艺 的 机械 匠 师和有 生 产理 念 的 知识人才致力于改进各产业所需的工作机械和研制新的动力机械 蒸汽 机 。 18 世 纪以前 的 机械 匠 师全凭 经 验 、 直 觉和手 艺 进行 机 械 制作,与科学几乎不发生朕系。 18 世纪 后期 , 瓦 特 改进 蒸汽 机引发 了 第一 次 工业革 命 , 产生 了 近代工代工业化生产方式,蒸汽机的应
5、用从采矿业推广到纺织、冶 金等行业,制作机械的材料由木材转为金属,逐步形成了制造企业 的雏形 工场式生产,逐步以机器生产取代手工劳作。在新兴的 - 3 - 资本主义经济的促进下,机械制造业开始形成,开创了以机器为主 导地位的制造业的新纪元。 19 世纪 中叶 , 电 磁 场理 论的 建立为 发 电机 和 电动机 的 产生 奠 定 了基础 , 从而 迎来 了电气 技 术飞 速 发展的 时 代 。 以电 力作为 动 力源, 使机械 结 构发 生 了重大 变 革 , 互换 性原理 和 公差 配 合制度 应 运而 生 。 20 世纪初 , 内燃机 的 发明 引 发了制 造 业的 又 一次革 命 , 由
6、 福特 、 斯隆创了流水线大批量生产模式。泰勒科学管理理论的产生,导致 了制造技术的过细分工和制造系统的功能分解以及制造成本的大幅 降低。 第二次世界大战以后,微电子技术、电子计算机和集成电路的 出现,以及运筹学、现代控制论、系统工程等基础理论和软科学的 产生和发展,推动机械工程制造技术产生了一次飞跃。受市场多样 化、个性化的牵引和商业竞争加剧的影响,传统的大批量生产难以 满足市场多变的需要,多品种、中小批量生产日渐成为制造业的主 流。机械工程制造技术向高质量生产和柔性生 产的方向发展,引发 了生产模式和管理技术的革命。 20 世纪 80 年代以来,信息产业的崛起和通信技术的发展加速 了全球化
7、进程。为了适应新的形势,在机械工程领域提出了许多新 的制造理念和生产模式,如计算机集成制造、丰田生产模式(精益 生产 ) 、 智 能制 造 、 快 速 原型 制造 、 并 行 工程 、 协 同设计 和 协同 制 造 等。 进入 21 世 纪 , 机 械 工程 科 学 技 术正向 数 字 化 、 微 型化 、 综合 化 、 智能化、网络化、绿色化、精密化、仿生化、极端化等方向发展。 - 4 - 我国机 械 工程 产 业规模 持 续扩 大 , 总规模 和 出口 额 已居世 界 第 4 位, 许多重 要 产品 的 产量已 居 世界 前 列 , 装 备 的生 产制 造体系 逐 步完 善 , 在先进制造
8、技术的支持下,许多重大装备的研发制造实现了许多新 的突破。 1.2 中国的机械制造业 制造业是国民经济和国家安全物质来源的主体产业,制造技术 是支持制造业健康发展的关键。先进制造技术是使一个国家的制造 业具有竞争力和可持续发展的源泉。装备制造业是指为国民经济各 部门进行简单再生产和扩大再生产提供技术装备的各类制造业的总 称。 机械制造业是装备制造业的核心,涉及的范围广、门类多、品 种杂、技术精、面向宽。它以各种机器设备和系统供应、装备国民 经济的各个部门。国民经济各部门的生产水平和经济效益在很大程 度上取 决 于机 械 制造业 所 提供 的 装备和 系 统的 技 术水平 、 工作 性能 、 整
9、体质量和可靠性。国民经济的发展速度,在很大程度上取决于机 械制造业技术水平的高低和发展速度的快慢。 中国是世界上机械发展最早的国家之一。中国古代在机械方面 有许多发明创造,在动力的利用和机械结构的设计上都有自己的特 色 。但是 , 近 两个 世纪 , 由 于 各 种 原因 , 中 国 社 会 的发展 受 到束 缚 。 至 20 世纪 50 年代以前,中国的机械制造业十分薄弱。 从 20 世纪 50 年代以来,我国已经逐步建立了自己独立的、门 类齐全的工业体系,电工电器、机床制造、汽车、机车车辆、冶锻 机械、采矿机械、船舶、航天航空工业等技术难度较大的机械制造 - 5 - 工业得到快速发展,取得
10、了举世瞩目的成就。目前中国的机械工业 已经形 成 了拥 有 规模以 上 企业 6 万多家 , 资 产总 额 4.54 万 亿 , 从 业 人员 1230 多 万的 工业体系 。 中 国 机械制 造 业规 模 仅次于 美 国 、 德 国 和日本。 但是,与先进工业国家相比,我国机械装备制造业的竞争能力 还不够强,突出反映在:一是科技创新能力不强,尤其在核心技术 和关键环节上落后于国际先进水平,核心基础元器件和软件仍没有 摆脱受制于人的局面;二是产品结构总体上处于全球机械装备产业 链的中低端,品牌效应不强;三是企业结构规模小,与全球同行业 一流企业相比,各方面都有较大差距;四是经济增长方式粗犷,生
11、 产效率、经营理念与工业发达国家同行业存在着阶段性差距。突出 表现为人力消耗和物力消耗多。生产经营过于看重增长速度,大多 数企业仍处于注重固定资产投资阶段,着 力于增长生产能力的硬件 设施投入,在科研能力、知识产权、品牌效应和企业文化建设等无 形资产方面投资比重还比较少。总体上,中国已是机械装备制造业 大国,已基本具备发展为装备制造业强国的基础和条件,目前在向 装备制造业强国奋进。 面对激烈的国际市场竞争,我国机械制造业面临着技术落后、 资源短缺、高素质人才不足、管理水平低下和体制制约等诸多问题 的严峻挑战。当今世界,经济重心开始向亚洲转移,制造中心已在 中国兴起,制造业的产品结构、生产模式和
12、经营理念迅速变革,这 又给我国机械工业带来了难得的发展机遇。 1.3 机械工程学科简介 - 6 - 机械工程学科涵盖了机械制造及其自动化、机械电子工程、机 械设计及理论、车辆工程 4 个二级学科,对应的本科专业主要有: 机械设计制造及其自动化、材料成形及控制工程、过程装备与控制 工程、机械工程及自动化等。类似名称的专业如:机械制造工艺与 设备、机械设计及制造、机械电子工程等。 机械工程研究的对象大多是动态的工作机械,其工况随机变化 而难以预测,实际选用的材料因不均匀、可能存在各种缺陷而影响 受力,不可避免的加工误差会影响装配精度和运动特性等,这些机 械 工程的各种问题往往难以用理论精确解决。因
13、此,早期的机械设 计制造 只 能运 用 简单的 理 论概 念 , 结合实 践 经验 进 行 , 为 保 证安 全 , 都偏于保守。结果,制成的机械笨重而庞大,成本高,生产率低, 能量消耗很大。 现代机械工程学科的主要任务是把各种知识、信息融入设计、 制造和控制中,应用各种技术(包括设计、制造及加工技术,维修 理论及 技 术 , 电 子技术 , 信 息 处 理技术 , 计 算 机 技术 , 网 络 技 术 等) 和工程知识,使设计制造的机械系统和产品能够满足使用要求,并 且具有市场竞争力。 机械工程学科的主要研究领域包括机械的基础理论、各类机械 产品及系统的设计理论与方法、制造原理与技术、检测控
14、制理论与 技术、自动化技术、性能分析与实验、过程控制与管理等。随着本 学科及其相关学科的飞速发展和相互交叉、渗透、融合,极大地充 实和丰富了本学科基础,拓宽和发展了本学科的研究领域。 1.4 机械工程人才培养 - 7 - 1.4.1 中国机械工程专业历史沿革 中国机械工程类专 业 历史 悠 久 。 早 在 1895 年 , 北洋 大 学 (现 天 津大 学 ) 就 建立 了我国 第 一个 机 械系并 开 办 了 “ 机械工 程 学 门 ” 。 当 时的办 学 思想 是 注重专 业 教 育 , 如培养 方 案中 写 道 : “ 一 人 之精 力 聪 明,只 有 此数 , 全学不 如 专学 , 方
15、能精 进 而免 泛 鹜 。 ” 20 世纪 初期 , 在 “ 教 育救 国 ” 、 “ 实 业 救 国 ” 思 想的影 响下 , 中 国的机械工程教育着重培养专门的工程应用型人才,机械工程学科 分设若干专业面较窄的专业,如交通大学当时设有 “ 机厂工务 ” 和 “ 铁路机务 ” 等专业。在课程结构上,技术基础课程和专业课程的 比重较大。 20 世纪 20 年代和 30 年 代 , 机械工 程 专业 进 行了门 类 和课 程 设 置的调整,拓宽了专业面,加强了理化基础和实践环节。如交通大 学的普 通 物理 课 程的讲 授 和实 验 分别设 课 , 连 续两 学年 开课 ; 实 验 、 实习和设计
16、类环节的学时数占教学计划总学时的 40%。 20 世纪 50 年代初期,高等教育部根据 “ 以培养工业建设人才 和师资为重点,发展专门学院,整顿和加强综合大学 ” 的方针在全 国进行高校调整。调整后的工科院校主要分为两种类型:一类是多 科性高等工科学校,如清华大学、天津大学等。另一类是具有行业 性质的高等工科专门院校,如北京航空学院、北京钢铁学院等。院 校调整的同时,根据前苏联高等工科学校的专业目录,借鉴前苏联 的经验,设立了一系列口径很窄的专业,如矿山机械专业、起重运 输专业 、 冶金 机 械专业 、 金 属 切 削机床 专 业 、 铸 造专业 、 焊 接 专 业、 锻压专 业 等 。这 一
17、时期 , 国 家 实 行计划 招 生 、 计 划培养 、 计 划 分 配, - 8 - 对高等教育的统一领导,包括统一培养目标、统一学制等,将我国 高等教育纳入高度计划经济的轨道。机械类专业同全国工科专业一 样,执行的是高等教育部组织制定和颁发的全国统一教学计划,教 科书等基本以前苏联的教材为蓝本。这种模式一直延续到 20 世纪 60 年代中期。 20 世纪 70 年代,中国的高等教育受各种干扰的影响,机械类 专业设 置 基本 延 续前期 的 模式 , 教学过 程 轻理 论 、 弱基础 , 强 调 “ 开 门办 学 ” , 课 程 设 置强调 “ 以典 型 任务带 教 学 ” 。 20 世纪
18、80 年代,中国高等教育迎来了新的生机,尊重知识、 尊重人才蔚然成风,重理论、重基础的高等工程教育得到强化,各 种教育教学改革处在不断的探索和尝试中,一些学校新增了诸如液 压技术、流体传动与控制、机械电子工程等适应国家经济快速恢复 所需的新专业。 20 世纪 90 年代,国家教委(教育部)启动了 “ 高等教育面向 2l 世 纪 教学 内容 和课程 体 系改 革 计划 ” , 华中 科技 大学等 学 校完 成 的 面向 21 世 纪 “ 机 械类专 业 人才 培 养方案 及 教学 内 容改革 的 研究 与 实 践 ” 等国家级教改项目,在人才培养模式、课程体系、教学内容、 实践教学等方面做了大量
19、卓有成效的工作,对全国机械类专业的教 学改革起到了积极的推动作用。 国家教委高等教育 司 于 1998 年 7 月 颁 布 了 “ 普 通高等 学 校本科 专业目 录 和专 业 介绍 ” , 将 原来 的 “ 机 械 制造 工艺 与设 备 ” 、 “ 机械 设 计及制 造 ” 、 “ 机 械电子 工 程 ” 、 “ 流体传 动 及控 制 ” 等 14 个专 业合 并 为 “ 机械设计制造及其自动化 ” 专业(机械工程及自动化为引导型 - 9 - 专业)专业。为适应机械类专业调整的需求,教育部高等学校机械 设计制 造 及其 自 动化专 业 教学 指 导分委 员 会于 1999 年 提 出 了 机
20、 械 设计制造及自动化专业参考性教学方案和机械设计制造及自动 化 专 业 参考 性 教 学 计 划 。此 后 , 全 国 高 校本 着 “ 厚 基 础 、宽 知 识 、 强能力、高素质 ” 的基本原则,结合自身的情况,对机械类人才培 养方案和实施计划进行全面、深入的研讨与改革。 2002 年在教育部高等学校机械设计制造及其自动化专业教学 指导分委员会工作会议上,各校对人才培养方案的教学改革及培养 计划的实施情况进行了交流;随后几年的工作会议进一步对专业人 才培养计划进行了研讨,达成了出版 “ 案例集 ” 的共识,并于 2005 年出版全国高校机械设计制造及其自动化专业人才培养计划案例 集 。
21、经过近 10 年 的探索 与 改革 , 目 前实施 的 机械 类 专业培 养方 案具 有以下特点: (l) 加强基础 、 拓宽专业 、 增 强适应 。 形 成 了 宽厚的 基 础课 程 教 学平台、拓宽了专业口径、增加了专业课程的柔性,增强了学生毕 业后的专业适应能力。 (2) 强化素质教育,注重能力的培养。将综合能力的培养和创 新教育融入培养计划,开展了丰富多彩的课外科技创新活动。 (3) 注重工 程 实践教 学 。 改 革 了实验 教 学内 容 , 增设 了 设计 性 、 创新性和综合性实验,增加了培养学生设计能力的课程设计。 (4)提倡培养模式的多样化。各层次、各类型的学校能够结合校 情
22、和服务面向,制定多样化的人才培养方案,以满足社会对人才多 - 10 - 方面的需求。 教 高 20071 号文件 启 动 的 “ 高 等学校 本 科教 学 质量与 教 学改革 工程 ” , 将 专 业 结 构调整 与 专业 认 证作为 近 期高 等 教育发 展 与改 革 的 首要任务,推动着机械类专业教育教学改革进一步深化。 1.4.2 国外大学机械类专业培养方案的特点 通过调研美国的麻省理工学院、密歇根大学、普渡大学、伍斯特理 工大学,日本的东京大学、广岛大学,德国的亚琛工业大学,英国 的帝国理工学院等国外著名高校机械专业的近期培养方案,发现其 共同的特点是:注重学生综合能力培养,注重学生个
23、性化发展,注 重课程设置的整体性和集成性。这些特点可作为下一步各校专业教 育改革的借鉴。 1注重学生综合能力培养 国外机械专业的培养模式普遍比较注重学生知识的全面性和综合能 力的培养,将学生的主要学习地点从教室转到图书馆、实验室、企 业,在各教学环节中强调在实践中学习、在实践中提高。主要体现 在: ( 1) 从时 间 上 为 学生综 合 能力 培 养提供 保 障 。 课 堂教学 的 时数 较少,而课外各环节的学时数较多。如美国和德国大学课堂讲授学 时一般仅占教学计划总学时的 50%左右,英国大学课内外学时比一 般为 1: 3。 ( 2) 国 家、 学 校 和 企业 共 同 构 成 注 重工 程
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