機(jī)械技術(shù)發(fā)展史

機(jī)械技術(shù)發(fā)展史機(jī)電工程學(xué)院10級(jí)機(jī)械3班蔡藝林1007200101摘要：按時(shí)間順序敘述世界機(jī)械技術(shù)發(fā)展的歷程，進(jìn)一步了解世界機(jī)械技術(shù)的發(fā)展史與人類文明發(fā)展史是緊密相連的，每一個(gè)時(shí)期都有各自的特色，都曾使得人類社會(huì)飛躍發(fā)展，且?guī)砣祟惿鐣?huì)質(zhì)的改變，并且對(duì)未來機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行猜想。關(guān)鍵詞：機(jī)械技術(shù)發(fā)展史趨勢(shì)前言：有關(guān)機(jī)械發(fā)展史的研究，國外是十分重視的，同時(shí)也是一個(gè)重要的研究課題。經(jīng)過三次工業(yè)革命的洗禮，機(jī)械的飛速發(fā)展，使人類達(dá)到前所未有的境地。在進(jìn)入新的技術(shù)革命時(shí)代的今天，回顧一下世界機(jī)械發(fā)展的歷史，是大有裨益的。了解機(jī)械發(fā)展的過去，才能預(yù)測(cè)出機(jī)械發(fā)展的未來，創(chuàng)作出更加輝煌燦爛的科學(xué)技術(shù)的歷史。機(jī)械技術(shù)發(fā)展史世界機(jī)械發(fā)展史概要公元前3?4千年左右，人類發(fā)現(xiàn)了金屬，從此推動(dòng)了簡單機(jī)械的迅速發(fā)展。當(dāng)時(shí)埃及用巨石修建了巨大的金字塔，每塊巨石輕則三噸，最重的達(dá)十噸。在運(yùn)輸過程中，工匠們開始使用“滾子木”和滑輪、斜面及螺旋。在古羅馬，人們發(fā)明了使用齒輪的臥式水車。到了13世紀(jì)，在英國出現(xiàn)了機(jī)械鐘，工匠設(shè)計(jì)出了按一定速度轉(zhuǎn)動(dòng)的調(diào)速機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在仍保存在英國的博物館內(nèi)。動(dòng)力是發(fā)展生產(chǎn)的重要因素。17世紀(jì)末，英國開始設(shè)計(jì)動(dòng)力印刷，隨后，技師們制造出大量的工具和機(jī)械，從手動(dòng)到機(jī)械的工業(yè)革命終于來到了。蒸汽機(jī)車的發(fā)明1680年，荷蘭物理學(xué)家惠更斯設(shè)想通過氣壓使裝在汽缸里的活塞動(dòng)作。帕平接受了惠更斯的這種想法，用蒸汽取代火藥使活塞動(dòng)作，舉起重物。這種最初的蒸汽機(jī)的雛形一直延續(xù)到1765年——英國的瓦特發(fā)明了帶有冷凝器的蒸汽機(jī)，降低了燃料消耗率。當(dāng)時(shí)，這種蒸汽機(jī)作為強(qiáng)大的動(dòng)力登上了動(dòng)力工業(yè)的舞臺(tái)。許多發(fā)明家開始設(shè)想用蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛。法國的居紐第一個(gè)制造了三輪蒸汽車，速度3.5km/h，法國于1830年修筑了從圣亞田到里昂的鐵路。1835年，德國鋪設(shè)了第一條從紐倫堡到菲爾特的鐵路，荷蘭于1837年修筑了阿姆斯特丹到哈連姆之間的鐵路，蒸汽機(jī)車成了鐵路運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ?。?nèi)燃機(jī)的問世1832年，英國的賴特在前人研究的基礎(chǔ)上提出了一種原動(dòng)機(jī)的新設(shè)想，即：使氣體在汽缸內(nèi)點(diǎn)火，以此推動(dòng)活塞的動(dòng)作。他還畫出了這種原動(dòng)機(jī)的圖紙。繼賴特之后，英國的巴尼特于1838年制造出一臺(tái)十分精巧的裝有點(diǎn)火裝置的內(nèi)燃機(jī)，這種點(diǎn)火裝置可以迅速無誤地點(diǎn)火。內(nèi)燃機(jī)實(shí)際開始使用是在1859年，法國的勒努瓦用煤氣和空氣的混合氣體取代了往復(fù)式蒸汽機(jī)的蒸汽，發(fā)明了通過電火花點(diǎn)火爆發(fā)的機(jī)器。這種煤氣內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)較齊全，有汽缸、活塞、連桿、飛輪等，電火花是使用電池和感應(yīng)線圈產(chǎn)生的。1865年，法國制造了400臺(tái)、英國制造了100臺(tái)這種煤氣內(nèi)燃機(jī)，并投入了實(shí)際應(yīng)用。但是，這種發(fā)動(dòng)機(jī)效率極低。幾乎同時(shí)，歐根改進(jìn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻方法，法國的德?羅夏取得了有關(guān)四沖程循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)作方式的重要專利，即：A.通過活塞的外沖程吸人煤氣；B.通過內(nèi)沖程壓縮并點(diǎn)火；C.通過煤氣爆發(fā)而出現(xiàn)的膨脹帶動(dòng)下一個(gè)外沖程；D.帶動(dòng)下一個(gè)內(nèi)沖程，以此排除燃燒煤氣。以上發(fā)明奠定了內(nèi)燃機(jī)的雛形。然而使內(nèi)燃機(jī)實(shí)用化的，卻是德國的發(fā)動(dòng)機(jī)技師奧托。在1878年巴黎舉行的國際博覽會(huì)上，奧托展出了他發(fā)明的先進(jìn)的四沖程循環(huán)臥式氣壓煤氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，與過去的內(nèi)燃機(jī)相比，其效率極高，使參觀者十分吃驚。隨后德國生產(chǎn)了25000臺(tái)，幾年內(nèi)銷售到世界各地。接著德國的戴穆勒在1883年以汽油取代煤氣，獲得了專利，制造出了900轉(zhuǎn)每分鐘的內(nèi)燃機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)效率較高，體形小，質(zhì)量輕，可以說它就是后來汽車、飛機(jī)等使用的發(fā)動(dòng)機(jī)的原型。發(fā)電機(jī)的發(fā)明與電動(dòng)機(jī)車1832年，英國的法拉第在進(jìn)行磁鐵和線圈的相互作用實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了感應(yīng)電流，人類從此走進(jìn)了發(fā)電機(jī)的時(shí)代。巴黎公社時(shí)期，皮克希制造了第一臺(tái)發(fā)出交流電的永久磁鐵型發(fā)電機(jī)。1857年，英國的霍姆茲發(fā)明了大型旋轉(zhuǎn)磁鐵發(fā)電機(jī)。從真正意義上說，制造出第一臺(tái)實(shí)用發(fā)電機(jī)的是比利時(shí)的格拉姆。1870年格拉姆發(fā)明了一種發(fā)電機(jī)，它采用的環(huán)狀電樞芯部是軟鐵線制作的線圈，其周圍纏繞有絕緣銅線。這種發(fā)電機(jī)是用蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的，被廣泛地應(yīng)用于航標(biāo)照明燈、電鍍、工廠照明等。和發(fā)電機(jī)一樣，電動(dòng)機(jī)的原理也是由法拉第闡明的。但是，十分有趣的是實(shí)用直流電機(jī)的發(fā)明卻是來源于1873年在維也納舉行的世界博覽會(huì)上操作者的操作失誤。當(dāng)時(shí)令人吃驚的是本不該流向發(fā)電機(jī)的電流使其突然轉(zhuǎn)動(dòng)起來，使人們認(rèn)識(shí)到如果電流流向發(fā)電機(jī)，就可以使其直接變?yōu)橹绷麟妱?dòng)機(jī)。1879年，在柏林的貿(mào)易展覽會(huì)上，西門子公司開始用電動(dòng)機(jī)做動(dòng)力驅(qū)使電氣機(jī)車行駛，4年后即1883年，英國開設(shè)了第一條電氣鐵路。同年電動(dòng)汽車出現(xiàn)在巴黎的街頭。1899年比利時(shí)的電動(dòng)汽車創(chuàng)造了速度105km兒的世界記錄。電動(dòng)汽車無嗓音，輸出功率大，容易駕駛，無公害，壓倒了剛剛問世不久的汽油汽車。5.機(jī)床的發(fā)明為了切削圓棒，13世紀(jì)的歐洲工匠發(fā)明了一種木制車床，即將繩子系在要切削的木棒上，交替拉動(dòng)繩子的兩端，使木棒轉(zhuǎn)動(dòng)，再用刀具接觸木棒，就可以順利地切削圓棒。使用的繩子一端是系在“吊橋”上，另一端繞過工件后接在一個(gè)踏板上。用腳踏下面的踏板，工件就可以左右轉(zhuǎn)動(dòng)，可以手持刀具做簡單的車削加工。16世紀(jì)以后，人們開始大量地使用腳踏式通過曲軸實(shí)現(xiàn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的車床，但是刀具還是用于把持。l720年俄國的機(jī)械工匠設(shè)計(jì)了支撐臺(tái)固定刀具。1780年英國的莫茲力發(fā)明了帶有進(jìn)刀裝置的車床，見困1—3。它是把安裝刀具的刀架與一根絲杠相配合，通過絲杠的螺旋運(yùn)動(dòng)使刀架左右移動(dòng)，從而完成了刀具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。1817年英國的理查德?羅伯茲對(duì)車床進(jìn)行了改進(jìn)，在主軸箱上安裝了背輪，在往復(fù)臺(tái)上安裝了自動(dòng)停止裝置。1818年，美國的機(jī)械技師惠特尼制作了臥式銑床。這種銑床通過刀具轉(zhuǎn)動(dòng)，工作臺(tái)前后、左右轉(zhuǎn)動(dòng)來銑平工件表面。1855年，夏普公司創(chuàng)立者布朗制作了第一臺(tái)萬能銑床。1862年在倫敦舉辦的萬國博覽會(huì)上，有六十多家公司的機(jī)床制造商參展。到了18世紀(jì)，各種機(jī)床如雨后春筍般在各地陸續(xù)問世，英國的工業(yè)當(dāng)時(shí)處于世界領(lǐng)先地位，各個(gè)工廠都安裝了紡織機(jī)械，同時(shí)安裝了強(qiáng)大的動(dòng)力裝置一一蒸汽機(jī)。機(jī)床也開始改用堅(jiān)固的金屬制造，加工質(zhì)量也不斷得以提高。金屬制機(jī)床的進(jìn)步帶動(dòng)了高質(zhì)量的工作母機(jī)的不斷發(fā)展。1864年，美國為機(jī)床工業(yè)提供了世界上第一臺(tái)磨床，使砂輪磨削刀具的作業(yè)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。大批量生產(chǎn)的需要促使人們發(fā)明了轉(zhuǎn)塔車床、自動(dòng)車床。隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，工件也逐漸大型化，例如，船舶用機(jī)器、推進(jìn)器之類的大型工件推動(dòng)了大型機(jī)床的誕生。1867年，在巴黎舉辦的國際展覽會(huì)上，美國展出了大量的此類展品，如高性能的車床、龍門刨床、銑床等。然而在這次展覽會(huì)上，英國的惠特沃斯的加工機(jī)床仍占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。但是，在1873年的維也納國際博覽會(huì)上，情況發(fā)生了改變，美國壓倒了英國。在這六年期間，美國的機(jī)械工業(yè)取得了十分恢人的發(fā)展。1890年左右誕牛了可以加工大型工件的立式螳床，加速了機(jī)械工業(yè)的發(fā)展。機(jī)床的自動(dòng)化工業(yè)的發(fā)展，使零部件的加工日益多樣化。為了滿足生產(chǎn)的需要，19世紀(jì)末，誕生了萬能機(jī)床。但是，自美國首先采用大批量生產(chǎn)方式后，發(fā)現(xiàn)萬能機(jī)床不宜于作為大批量生產(chǎn)的機(jī)床。20世紀(jì)20年代以美國福特汽車公司為代表的制造系統(tǒng)采納了“互換性”、“大批量生產(chǎn)”和“科學(xué)管理”等科學(xué)思想，開創(chuàng)了“小品種大批大量”的福特生產(chǎn)模式，使汽車的價(jià)格在十多年內(nèi)降低為原價(jià)的1/8，顯示了制造系統(tǒng)的強(qiáng)大威力。進(jìn)入20世紀(jì)后，連續(xù)加工相同零部件的自動(dòng)生產(chǎn)加工機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。這種機(jī)床有很多被稱為“工位”的加工位置，零件在一個(gè)工位上加工完畢后，自動(dòng)移動(dòng)到下一道工序的位置上，進(jìn)行另外一種加工。制品在工位之間移動(dòng)，對(duì)零部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸?，均是通過凸輪和連桿自動(dòng)進(jìn)行。第二次世界大戰(zhàn)后，自動(dòng)控制理論和電子技術(shù)的研究得到迅速發(fā)展，化學(xué)工業(yè)較早地引進(jìn)了電子技術(shù)，并推進(jìn)了其自動(dòng)化。生產(chǎn)機(jī)床的工廠，也開始逐漸應(yīng)用電子技術(shù)，機(jī)床自動(dòng)化應(yīng)運(yùn)而生。英國的湯姆森?霍斯頓公司制作了電子仿形裝置，并安裝在季登格?路易斯公司的銑床上。這種仿形裝置可以完全通過無級(jí)控制進(jìn)行復(fù)雜形狀的加工。這種裝置的結(jié)構(gòu)是將來自于極其敏感的仿形頭的信號(hào)傳給線圈，用電信號(hào)控制調(diào)整直流電動(dòng)機(jī)，再控制進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。1952年，在美國麻省理工學(xué)院(MIT)的幫助下，PARSONS公司制造了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，這是機(jī)械和電子技術(shù)第一次緊密結(jié)合，從此開始了數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)的工業(yè)化。1958年日本牧野銑床制作所制造出第一臺(tái)數(shù)控銑床，同年美國的卡尼?特萊克公司研制成功了加工中心，這是一種配有自動(dòng)交換刀具裝置的數(shù)控機(jī)床。1965年，美國的季登格?路易斯公司研制成功了獨(dú)特的數(shù)控銑床，此外，巴格馬斯塔公司也制作了數(shù)控鉆床。世界各機(jī)床生產(chǎn)廠家都積極地地進(jìn)行了數(shù)控機(jī)床的開發(fā)和研制，給數(shù)控機(jī)床的制造帶來了一場(chǎng)機(jī)械工業(yè)的革命。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造(CAD/CAM)技術(shù)的發(fā)展CAD/CAM技術(shù)是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展而不斷進(jìn)步的，這門技術(shù)從形成、發(fā)展、提高到目前的高度集成，歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)，形成了比較完整的科學(xué)技術(shù)體系，并在當(dāng)今的高新技術(shù)領(lǐng)域占有很重要的位置。自從1946年出現(xiàn)第一臺(tái)計(jì)算機(jī)開始，人們就不斷地試圖將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入到傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域。為了適應(yīng)數(shù)控銑床加工各種復(fù)雜形狀零件的需要，麻省理工學(xué)院開始研制數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)，并于20世紀(jì)50年代末研制成功了批處理語言系統(tǒng)的數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)APT(AutomaticallyProgrammingTo01)。該系統(tǒng)用專用語言描述加工零件的幾何形狀及進(jìn)刀和走刀方法，還有大量的輔助語句用于描述加工過程的各種工藝參數(shù)，如進(jìn)給量、加工余量等。這種用語言描述零件幾何形狀及加工過程的程序稱為“零件源程序”。這種源程序經(jīng)過批處理運(yùn)行后可以輸出刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)，再經(jīng)過后置處理，生成可執(zhí)行的控制代碼。這種系統(tǒng)是最初的計(jì)算機(jī)輔助編程系統(tǒng)，它避免了手工處理大量復(fù)雜計(jì)算的工作，開辟了計(jì)算機(jī)在機(jī)械制造領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上，有人提出能不能不通過APT系統(tǒng)對(duì)走刀軌跡進(jìn)行描述而直接描述零件本身，由此就產(chǎn)生廠CAD的概念。20世紀(jì)60年代初，麻省理工學(xué)院的研究生I.E.Sutherland發(fā)表了《人機(jī)對(duì)話圖形通信系統(tǒng)》的論文，首次提出了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、交互技術(shù)及圖形符號(hào)的存儲(chǔ)采用分層的思想，為CAD技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。隨后美國的IBM公司開發(fā)了以大型機(jī)為基礎(chǔ)的CAD/CAM系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有繪圖、數(shù)控編程和強(qiáng)度分析的功能。通用汽車公司研制了DAC-1系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)各個(gè)階段的汽車設(shè)計(jì)，此外還有洛克希德飛機(jī)公司的CAD/CAM系統(tǒng)等。這一階段，在制造領(lǐng)域也出現(xiàn)了許多技術(shù)上的進(jìn)步：1962年在數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上研制成功了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了物料搬運(yùn)的自動(dòng)化；1966年出現(xiàn)了用大型通用計(jì)算機(jī)直接控制多臺(tái)數(shù)控機(jī)床的DNC(DirectNumericalContr01)系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代中期到70年代中期是CAD/CAM技術(shù)走向成熟的階段，隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，以小型機(jī)、超小型機(jī)為主的CAD/CAM軟件進(jìn)入市場(chǎng)。與此同時(shí)適應(yīng)設(shè)計(jì)和制造的需要，三維幾何處理軟件也發(fā)展起來了，在60年代末和70年代初出現(xiàn)了柔性制造系統(tǒng)FMS。而網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使CAD日趨完善，從飛機(jī)公司、汽車公司到電子、建筑、服裝設(shè)計(jì)等行業(yè)都采用了CAD技術(shù)。20世紀(jì)80年代是CAD/CAM技術(shù)迅速發(fā)展的時(shí)期。超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使計(jì)算機(jī)硬件成本大幅度降低；計(jì)算機(jī)的外設(shè)迅猛發(fā)展并成為系列產(chǎn)品，為推動(dòng)CAD/CAM技術(shù)向高水平發(fā)展提供了硬件保證。同時(shí)，軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、有限元分析技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)也飛速發(fā)展，促進(jìn)了CAD/CAM技術(shù)的推廣和應(yīng)用。與此同時(shí)，還出現(xiàn)了與計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)相關(guān)的其他技術(shù)，如計(jì)算機(jī)輔助零件分類和編碼技術(shù)，計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)(CAPP)，計(jì)算機(jī)輔助工裝設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量控制等。在上述單項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，從20世紀(jì)80年代起人們開始致力于計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的研究，它是一種高效益、高柔性的智能化制造系統(tǒng)。美國的許多大公司，如波音飛機(jī)公司、洛克希德飛機(jī)公司、麥道飛機(jī)公司、通用汽車公司、福特汽車公司、美國石油公司、貝爾電話公司等都大量采用了CAD/CAM技術(shù)開發(fā)他們的新產(chǎn)品。許多大學(xué)開設(shè)了CAD/CAM專業(yè)或課程，如哈佛大學(xué)、MIT、賓州大學(xué)、密執(zhí)安大學(xué)、羅徹斯特大學(xué)、斯坦福大學(xué)、加州理工學(xué)院等，他們?cè)贑AD/CAM領(lǐng)域都做了卓有成效的研究工作。從20世紀(jì)90年代起，CAD/CAM技術(shù)已不再停留在過去單一模式、單一功能、單一領(lǐng)域的水平，而向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化的方向發(fā)展，形成了建立決策自動(dòng)化基礎(chǔ)上的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（瓢MS）。決策自動(dòng)化本質(zhì)上是對(duì)知識(shí)的處理和使用的自動(dòng)化。在該階段設(shè)計(jì)過程中，大量的一般性決策及信息處理可以由計(jì)算機(jī)完成，設(shè)計(jì)者可以采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)?！安ㄒ?77”飛機(jī)就是世界上第一架無圖紙、無樣機(jī)升空的飛機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)資源的