我所了解的机械工程专业

摘要：简述什么是机械工程学；机械工程学的战略地位；太阳能产业与机械工程学的联系；数控机床与制造水平的关系；我国机床制造业的现状；先进技术与加工制造水平的进步；机械表面界面科学与摩擦学的应用前景

一、机械工程学的地位

作为一门技术科学，机械工程学学科以自然科学为基础，研究人造的机械系统与制造过程的结构组成、能量传递与转换、构件与产品的几何与物理演变、系统与过程的调控、功能形成与运行可靠性等，并以此为基础构造机械与制造工程中共性和核心技术的基本原理和方法。

胡锦涛在20xx年两院院士大会上强调指出，“要高度重视技术科学的发展和工程实践能力的培养，提高把科技成果转化为工程应用的能力。“这充分表明了机械工程学科在国家经济发展布局中的重要战略地位。

在我国经济发展的现阶段，机械工程学科的战略地位更显得尤为突出。

一个国家的制造业水平直接影响到国家的经济实力、国家安全和人民的生活水平。制造工业是在国民经济中起重要作用的基础工业，制造业的发展基于强大的制造工程技术基础和制造科学基础。

我国是一个名副其实的制造大国。制造业占我国GDP比重最高。我国制造业从业人口、上交税金占全部工业的90％。中国是世界上主要的玩具生产和出口基地，占总量的60%；洗衣机占世界总量的24%；冰箱占16%；空调占30%；钢产量、家电总产量、手机产销量世界第一。

然而，我国还不是制造强国。为高技术产业提供重大成套装备仍是我们发展中瓶颈，先进关键制造工艺有很大差距。因此，由制造大国向制造强国的战略转变迫在眉睫！

二、我对机械工程学几个研究领域的了解

1.航天太阳电池阵

太阳能电池是国家发展、国际竞争提供高端装备，重点围绕新兴战略性产业：能源、信息、材料、生物、航空航天与军工交通。

在季林红教授的授课中，我第一次了解到，航天太阳电池与机械工程学，或

说是与我们精仪系的联系是如此紧密。

根据物理学研究表明，太阳能电池能量转换效率理论上极限为70%，但实际工业化生产的太阳能电池转换效率却仅有17%，其中主要原因之一是缺少先进的制造技术。例如，太阳能电池的表面间反射结构挑战微纳制造技术，包括陷光吸收、减反和增透等功能微结构设计制等方面。

在实际应用中，我们就需要考虑的更多方面的问题，例如：

太阳能电池阵的展开机构中，连接铰链处容易卡死；在太空中，帆板的正反两面的温度差很大，影响材料的性能，造成帆板的使用寿命下降；卫星星箭分离、太阳能帆板展开过程中，会产生很大的振动，而在太空中振动又很难消除，对卫星的稳定性影响很大。事实上，太阳能电池是绝大多数航天器的动力来源，而一旦产生故障便会导致发射失败或非正常工作。

这些问题，涉及力学，摩擦学，材料学，机械结构设计，热力学等各门学科的相关内容，而其中很多都与机械工程学紧密相连。这也从一个侧面反映了机械工程学对于高新技术产业是起到至关重要的作用。

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2.数控机床

数控机床水平高低和拥有数量是综合国力的主要标志，是国际技术与商品贸易的重要组成。数控机床是技术密集型产品，是国防、航空、航天等工业的核心装备，被视为战略物资和战备性工业受到高度重视。“高档数控机床与基础制造装备”已与“大型飞机”、“载人航天与探月工程”等一并成为科技重大专项与重大工程的重点内容。

19xx年的“东芝事件”再一次说明了机械工程学的战略地位。19xx年5月27日，日本警视厅逮捕了日本东芝机械公司的铸造部部长和机床事业部副部长。而其中原因是，19xx年12月-19xx年6月，日本东芝机械公司向苏联出口4台MBP-100型大型数控铣床。

本来，美海军的反潜系统可以在数百海里之外探测出前苏联潜艇在水下所发出的噪声。而20世纪80年代，苏方潜艇的噪声降为原来的十分之一，以至美方只能在20海里以内才能探出其行踪。其中奥妙就在于高品质的数控机床使得螺旋桨叶片的加工更加精细。

因此美国需要投资200~400亿美元，改进其反潜系统。

作为事件的结果，19xx年6月30日美国参议院通过一项“制裁东芝机械公司的法案”，禁止出口高档数控机床。

在《高档数控机床与基础制造装备04专项》中提到，要重点攻克数控系统、

功能部件的核心关键技术，重型、超重型装备与精细装备统筹部署，打造完整产业链，基本满足航天、船舶、汽车、发电设备制造等四个领域的重大需求

纵观我国机床制造业，可以概括为“有需求、有基础、有差距。”

有需求：截止20xx年，规模以上企业共45万余家，从业人员9063万人，资产总计约57万亿元，利润总额约3.9万亿元。为培养相关的高技术人员，数控技术培训工程被国家六部委联合列为重点工程。但我国掌握数控技术的机电复合人才仍存在巨大缺口，仅数控机床的操作工就短缺60多万人。具备数控知识的模具技工也因此“身价激增”，月薪飙升至10000元，有的年薪已开到30万元，超过了很多博士的“身价”。

有基础：超精密加工设备已能实现纳米级表面粗糙度的镜面加工。超精密球面加工机床加工的陀螺仪半球和整球零件，加工表面粗糙度达到Ra0.0025μm，使制导系统的精度大幅提高。

有差距：与国外先进水平相比，我国约落后10-15年。高性能五轴联动加工中心、大重型数控机床及超精密数控机床等国内年产量不足千台，不及德国、日本等国家同类产品产量的1/20。在国防建设所需的精密、高效加工装备上，我国仍受制于人；国家经济重点工程所需柔性成套工艺装备主要依赖进口。功能部件开发能力弱，技术含量低，性能与可靠性不能满足。主机的配套；缺少专业化生产和社会化配套体系。高档数控系统和数字伺服驱动的关键技术尚未掌握；国产高档数控机床用数控系统配套比例不足5%。

总的来看，信息、电子、控制、电气技术在机械系统的作用和比重越来越大，信息技术已经或正在把几乎所有的传统工业从机械化提升到自动化——数控一代。这使得机械工业与机械工程发生极为深刻而广泛的变化，令传统工业的面貌日新月异。

3.加工制造技术

高速磨削技术是高效精密磨削的研究热点之一。相比传统磨削速度下的指标，高速末学的磨削能耗、磨削力、磨削温度、磨具磨损、加工表面质量等均明显占优。在其刚出现时被誉为“现代磨削技术的最高峰”。特别是将超高速磨削与计算机数字控制技术、超硬磨料融于一体的高效深切磨削和快速点磨削，更是高效率、高柔性先进磨削加工工艺的代表。

加工制造的核心技术在商业竞争中具有重要地位。例如，在三维立体广告中的关键部件——透光塑料膜，它对形状的准确度要求很高，所以就需要静谧的加工制造。一段时间内，由于我国企业缺少适合的刀具，无法生产用来制造这种塑料膜的辊子，于是只好付出巨大成本向英国进口刀具，导致利润微薄，受制于人，严重削弱了企业的竞争力。

超精密加工精度的提高关键在于测量技术的进步。传统光学加工具有很高灵敏度，使用也比较方便，但不能数字化表达测量结果。而在最新的激光技术、微电子技术、计算机技术的综合利用下，干涉条纹信息的定量提取成为可能。面形误差和表面粗糙度检测技术获得了飞跃发展，波面干涉仪将检测精度提高到了纳米量级。

高新技术的发展是由一系列重大需求所带动的。例如，美国发射的KH-12对地侦察卫星，其对地观测分辨率要求达到分米量级。为了实现高分辨率的对地观测，空间光学零件的口径将达到2m或以上量级，面型制造精度要求达到10nm。这对加工技术提出了更高的要求。纳米精度、超光滑表面、复杂面型、特殊材料、极端尺度成为高性能平面、曲面零件的重要特征。

加工手段也呈现多样化的趋势。新的物理、化学、电化学等方法被不断应用到制造过程中，以实现高精度、高效率、低损伤等制造要求。例如，电子书、磁流变抛光、化学抛光、电化学机械抛光等方法不断涌现，极大地丰富了制造手段。

在各种新型加工技术中，超声振动加工是比较有代表性的一例。超声振动加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料；或在切削过程中加入超声振动，通过由工业金刚石颗粒制成的刀具对零件表面进行高频连续敲击，使零件表面的材料以微小颗粒的形式分离出来。

超声振动精密加工有其独特的优势。这项技术可广泛应用于各种材料的加工，不受材料导电特性限制，既可加工玻璃、陶瓷、宝石、石英、硅、石墨、金刚石等不导电的非金属材料，又可加工淬火钢、硬质合金、不锈钢、高温合金等硬质或耐热导电的金属材料，特别是加工超硬和脆性材料时具有高效率。由于去除材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，所以工件表面的宏观切削力小、切削温度低，残余应力小，减少表面损伤和微裂纹；具有较高的加工精度和表面质量、

4.表面与摩擦

表面是所有固体和液体都具有的基本属性之一。机械产品中的表面和界面大都发挥着传递运动和能量的作用。表面和界面的行为对机械系统的效率、精度、可靠性和寿命等具有重要影响，有些场合甚至决定了产品的基本功能。

与机械表面界面学科密切相关的一个学科领域是摩擦学。摩擦学是研究相互运动表面之间的相互作用以及相关问题与实践的科学与技术。摩擦学的基本内涵可以概括为与有关摩擦、磨损与润滑三个方面的学问。另外还涉及到摩擦学设计, 摩擦学系统分析、监控, 摩擦与振动, 表面工程等。

机械表面界面科学与摩擦学在解决能源、资源、环境和人类健康这些重大课题方面能够发挥巨大的作用。据估计，全世界三分之一的总能源被各种形式的摩擦所消耗。20xx年发布的中国工程院咨询项目报告指出，20xx年我国消耗在摩擦、磨损、润滑方面的资金约9500亿元，而通过正确运用摩擦学知识可节省资金达

3270亿元，占国内生产总值的1.55%。除经济效益外，机械表面界面科学研究对于缓解资源枯竭和环境破坏问题也能发挥重要作用。比如通过改进表面增强技术和摩擦学设计，可以延长机械的使用寿命，减少零件更换次数；通过研发高效水基润滑剂、空气润滑和固体润滑技术可以逐步取代矿物油润滑剂，减轻对环境的污染。

在生物医疗及仿生工程中，表面界面科学与摩擦学也占有一席之地。例如人工关节植入人体后的磨损问题；人工心脏瓣膜在生态环境下的耐冲击磨损性能；天然牙过度磨耗的防治；具有生物舒适性的低摩擦系数隐形眼镜的研制。另外，通过对蚯蚓、蝼蛄等具有良好的土壤抗黏着特性的研究，发现了其体表呈现的多种特征的非光滑结构，并由此制备出了具有良好防黏性能的仿生表面，在农业机械、煤炭机械的一些部件觉的减阻表面上得到成功应用。

随着现代交通工具的高速化，高能摩擦制动成为关键技术之一。高能制动的重要特征在于表面层、次表层的形成于破坏。特别是随着高铁产业的兴起，轮轨摩擦学研究也越来越受到重视。作为接触疲劳的一种特殊类型，高速带来的钢轨斜裂纹，直接威胁着列车的行驶安全。如何打磨轮轨、优化轮轨型面、优化材料硬度匹配，以打破高速黏着对高速列车安全的限制，成为一项涉及机械表面界面学与摩擦学的关键科学问题。

实际上，机械表面界面科学与摩擦学的发展水平直接关系到机械工程其他领域的进步，对于机械工程学科的发展具有巨大的支撑和推动作用。例如，机械可靠性设计和寿命预测理论离不开对表面和界面损伤规律的认识；在切削加工、磨削加工，工具和被加工件接触界面的特性决定了加工的表面质量和精度。

小结：机械工程学对人类社会的进步将不断作出巨大贡献。在今天，机械工程学已经发展成为一门涉及机械、电子、电气、控制技术和计算机技术等多学科的综合性学科。机械工程学与其他技术的结合形成了诸多新兴的学科和技术这些新技术将不断给人类社会带来了巨大的影响，也必定促使机械工程学本身的应用领域和研究内容不断地产生变革。机械工程学涵盖极其广泛，学科交叉性很强，包括制造过程及机械系统所涉及的机构学、传动学、动力学、强度学、摩擦学、设计学、仿生机械学、微纳机械学及界面机械学等。所以要想顺应时代对科技发展的需要，有所突破，必须在某一领域深入的同时，不断完善自身知识结构。

第二篇：机械工程学科导论

机械学科概论论文

  本课程概要的介绍了机械学科的前沿技术与发展趋势。本人感觉此课程是一门很有内涵的课程，是对机械在现实作用中的总结。能让我们了解到机械工程学科的很多方面。本课程共八讲，第一讲介绍的是机械工程学科的现状与发展趋势，第二讲介绍的是数字化设计技术导论，第三讲介绍的是舒克偶那个技术，第四讲是现代先进制造技术，第五讲是机器人及其应用，第六讲是现代制造系统及其应用，第七讲是精密测量与精微机械，第八讲是学生能力结构与机械工程教育知识体系。

  首先介绍现代制造业的特点

1.现代制造业面临全球性的市场、资源、技术和人员的竞争。

2.开放的国际市场使得消费者更具有选择性，个性化、多样化的消费需求使 得市场快速多变，不可捉摸，无法预测。

3.客户化、小批量、多品种、快速交货的生产要求不 断增加。各种新技术的涌现和应用更加剧了市场的快速变化。

4.市场的动态多变性迫使制造企业改变策略，时间因素被提高到首要地位。

制造行业的竞争将是柔性和响应速度的竞争，以适应全球市场的动态变化。

传统的价格与质量仍然是重要的的竞争因素，但已不再是决定因素。下面是从网上查找的传统经济时代与网络经济时代有关机械产品的一些对比

  由此现代制造的业生产必须满足T、Q、C、S 、E的要求(下面的要求其实也就表现了机械工程学科的现状与发展趋势)：

T（Time）：时间、产品开发的生命周期、交贷期

Q（Quality ）:质量

C（Cost ）：成本

S（serve ）：服务

E（Evironment）：环境

  下面分别详细介绍：

T:产品生命周期缩短电子产品平均市场寿命（TL）已经从1978年的8年左右缩短到1994年的2.3年。由于产品功能的增强和结构的日益复杂，新产品的平均开发周期（TD）却从1978年的1.5年增加到1994年的4.2年。如何较好地解决这一对日益尖锐的矛盾已经成为企业生死攸关的问题

交货期成为主要的竞争因素，当今企业间竞争的主要推动力是时间。企业生产战略主要是在最短的时间内开发和生产出市场需要的新产品，交货期成了企业最关心的事情。能否更快、更好、以更低的成本制造出新的产品投放市场，将是制造企业生存和发展的关键。时间已经成为决定竞争胜负的最关键因素，市场占有率的很大比例属于产品首先上市的企业。可见多变的市场需求促使交贷期成为竞争诸因素中的首要因素。为此，必须：

（1）提高产品规划和决策的速度与水平

（2）开创敏捷化（可重构、可重用、可扩充）的产品设计方法

（3）建立敏捷化的产品制造系统

（4）建立以Team Work为基础的产品开发工作模式

Q：是产品的生命线，它包括功能和性能。产品的必要功能是产品的心脏，不必要功能能吸引顾客眼球，而过剩功能则应该去除。因为过剩功能增加了成本，而且不会带来更多销售额。

C（Cost ）：成本，降低产品的成本，是一个永恒的课题。产品的寿命周期成本（包括制造成本和使用成本），在产品设计过程中就已大体确定（产品成本的80%左右在设计阶段就已基本确定）。产品全生命周期的成本在概念设计阶段即有70％被决定，到基本设计、详细设计结束时分别有85％和95％的成本业已被决定，而生产以后的阶段只决定5％左右的成本。

S（serve ）：服务，产品制造的宗旨：最大限度地满足用户的要求。服务包括：需求服务，用户参与开发，售后服务，产品回收。

E（Evironment）：环境。环境问题的实质是可持续发展问题，可持续发展定义：满足当代人的需要，又不对子孙后代满足其需求的能力构成危害的发展。可持续发展的核心：保护环境和合理利用资源

现代制造业发展的重要特征:全球化,数字化,网络化,集成化,并行化,虚拟化.

产品设计是从需求出发寻求设计解(产品)的过程，包括：产品概念设计、详细设计、工艺设计等。产品设计的核心问题是：创新设计、设计自动化和可持续发展的产品设计问题。产品创新是为达到企业经营目标，创造具有市场竞争优势商品的过程。设计自动化技术则是基于产品设计基本理论而发展的产品设计过程自动化系统技术。可持续发展的产品设计是指在产品及其全生命周期设计中，充分考虑资源和环境的影响的设计。研究产品设计过程系统行为的基本规律被称之为产品设计基本理论，它是研究设计人员在设计过程中的思维、行为规律。

研究设计理论的目的是为发展新一代计算机辅助设计技术奠定理论基础。这种新的计算机辅助设计技术可帮助企业高效率与高质量地寻求产品设计解，而现今的CAD技术只能解决产品的二维、三维的描述，而不是真正意义上的辅助产品设计。   产品设计是产品开发过程中最重要的环节之一，占据着极为重要的地位。降低产品的成本，是一个永恒的课题。产品的寿命周期成本（包括制造成本和使用成本），在产品设计过程中就已大体确定（产品成本的80%左右在设计阶段就已基本确定）。产品全生命周期的成本在概念设计阶段即有70％被决定，到基本设计、详细设计结束时分别有85％和95％的成本业已被决定，而生产以后的阶段只决定5％左右的成本。

现代设计理论和方法:智能设计、优化设计、仿生设计的理论和方法;并行设计、网络化协同设计、异地设计的理论和方法；组合化/系列化/模块化设计的理论和方法；大型、复杂机电系统设计理论与方法；基于虚拟现实的数字化设计理论与技术。