機械設計自動化發展及航天領域的應用研究

鹿龍奇

摘 要：機械設計制造的歷史源遠流長，其最早的雛形誕生于石器時代，經歷了從各種石質、木質、皮質的簡單工具，進步到制造多個零部件組成現代機械的長遠過程。本論文主要在界定機械及機械工程學的概念的基礎上，對機械設計制造的定義和核心要素進行了詮釋，并以機械設計制造核心要素為劃分依據，對機械設計制造發展歷史進行了論述；并對機械設計制造自動化的產生及發展方向進行探究，以及簡要闡述機械設計制造自動化在航空航天領域的應用。

關鍵詞：機械設計制造定義和發展歷程；機械自動化產生及發展方向；航天航空領域

一、機械設計制造的定義和發展歷史

（一）機械設計制造的定義

如何定義機械設計制造，首先必須了解兩個概念：“機械”和“機械工程學”。所謂機械，簡單的說，機械是一切具有確定的運動系統的機器和機構的總稱。按照機械工程學對機械概念的定義——機械被認為是能夠實現相互的、單一的、規定的運動，且假定力加到其各個部分也難以變形，并能夠把施加的能量轉變為最有用的形式或轉變為有效的機械功的某些物體的組合。

而機械工程學，就是以有關的自然科學和機械技術科學為理論基礎，結合在生產實踐中積累的技術經驗，研究和解決在開發設計、制造、安裝、運用和修理各種機械中的理論和實際問題的一門應用學科①。

那么，什么是機械設計制造呢？根據上文我們可以做出如下定義：

機械設計制造，是指利用機械工程學理論，將若干物體組成能用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學任務的機械和（或）機構部件相互聯系的系統的過程。機械設計制造包含了三大核心元素：機械設計制造經驗及理論、機械設計制造所應用的材料、機械設計制造所應用的動力。

機械設計制造經驗及理論，代表著人類對于機械設計制造領域的智力認知水平，是機械設計制造進步與發展的基石。人類最初的機械設計制造經驗源于40～50萬年前的原始木石工具的制作工藝；而4～5萬年前出現的磨制技術，已經使當時的人們能夠打磨光滑鋒利多種刃部形狀的石器；商周時期成熟的青銅冶鑄技術，分鑄法等先進工藝的廣泛使用，對杠桿、尖劈、慣性、摩擦、彈性和重力等原理的利用，使得這一時期機械在結構方面由簡單工具發展為復合工具和較為復雜的機械；17世紀歐洲隨著自由落體定律、慣性定律及牛頓三大定律的提出，進而推動了近代機械設計的理論（也稱常規機械設計理論）的誕生，其作為技術理論支撐，極大推動了18世紀工業革命中蒸汽機械設計制造的發展……這些，都體現了機械設計制造經驗及理論的基石作用。

機械設計制造所應用的材料質量和性能，很大程度上影響著機械設計制造產品的可靠性和先進性。人類歷史上機械設計制造應用材料可以劃分為木石器時代、青銅器時代、鐵器時代、金屬與金屬合金時代、化學聚合物及新合成材料時代。

機械設計制造所應用的動力，是一切機械力量的來源。動力對機械結構和性能具有一定得局限性，如人力和畜力只限于小體積或小重量機械的，風車或水車則需要風力或水力，而蒸汽機、輪船、火車等就需要大型動力。所以動力對機械來制造設計具有重要性作用。機械設計制造所應用的動力一般包括自然動力、熱力、電力等。

（二）機械設計制造的發展歷程

機械設計制造的歷史源遠流長，其最早的雛形誕生于石器時代，經歷了從各種石質、木質、皮質的簡單工具，進步到制造多個零部件組成現代機械的漫長過程。筆者以機械設計制造經驗及理論、機械設計制造應用材料、機械設計制造應用動力三大核心元素為區分點，認為機械設計制造的歷史可以劃分為三個時代：機械制造直覺設計時代、機械制造經驗設計時代、機械制造理論設計時代。

機械制造直覺設計時代，也可以叫做機械設計起源和古代機械設計時代。其時間跨度從古代社會到17世紀。機械設計制造經驗及理論水平主要有古代數學，金屬鍛造冶鑄技術，木工機械技術，與杠桿、尖劈、慣性、摩擦、彈性和重力等原理相關的簡單物理知識。機械設計制造所應用的材料主要為木器、石器、青銅器和鐵器。機械設計制造所應用的動力主要以人力、畜力、自然動力為主。

機械制造經驗設計時代，也可以叫做近代機械設計時代。其時間跨度從17世紀瓦特制造出第一臺蒸汽機至20世紀40年代。機械設計制造經驗及理論水平主要是在古典力學的基礎所建立和發展成的近代機械設計理論；1854年德國學者勞萊克斯發表著作《機械制造中的設計學》，融合（材料、彈性、流體、力學、疲勞）各種新力學理論、疲勞強度理論、實驗應力分析方法等，所建立的以力學和制造為基礎的新科學體系機械設計學等。機械設計制造所應用的材料主要為金屬與金屬合金，以及陶瓷、玻璃和簡單的化學聚合物。機械設計制造所應用的動力主要以熱力為主，即以能將常規燃燒反應產生的熱能轉換為機械功的熱力機械為主，如內燃機（包括汽油機、柴油機和煤氣機等）、燃氣輪機和蒸汽動力裝置等。

機械制造理論設計時代，也可以叫做現代機械設計。其時間跨度從20世紀40年代直到現在。機械設計制造經驗及理論水平主要有摩擦學、可靠性分析、機械優化設計、有限元計算、人機學、原子能技術、航天技術、人工合成材料、分子生物學、遺傳工程等高新技術、系統的“工業設計”學科體系、機械工程學等。機械設計制造所應用的材料主要為新型金屬合金材料及新型化學聚合物材料，如新型纖維材料、功能性高分子材料、非晶質材料、單晶體材料、精細陶瓷和新合金材料等。機械設計制造所應用的動力主要以電力為主，即以電能作為動力的能源，如火力（煤等可燃燒物）、太陽能、大型風力、核能、氫能、水利等能源發電，以及將各類燃料如氫、甲醇、天然氣、煤氣等所包含的化學能直接轉換成電能的化學電源，另外也會采用地熱能和太陽能等熱力作為動力。

二、機械設計制造自動化的產生及發展方向

（一）機械設計制造自動化的產生

所謂自動化，是指人類在從事生產管理事務及日常生活的一切過程中，能夠通過采用特定的技術裝置和策略以替代人工操作，實現系統在較少的人工干預甚至沒有人工干預的情況下，就能達到預期目的的過程。最早的機械設計制造自動化，可以追溯到18世紀蒸汽機時代。1768年瓦特發明蒸汽機時為了其轉速保持穩定，所采用的離心調速裝置就是世界上最早的機械制造自動化設計。 20世紀40年代，美國數學家維納等人在自動調節、計算機、通信技術、仿生學以及其他科學互相滲透的基礎上提出了反饋控制原理，控制論的產生對自動化技術有著深遠影響。從20世紀60年代開始，數字計算機得到廣泛應用以及現代控制理論的誕生，使得機械設計制造自動化技術水平大大提高。1984年，美國機械工程師協會對機械設計制造自動化下了如下定義：“由計算機信息網絡協調與控制的，用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學任務的機械和（或）機電部件相互聯系的系統”②。endprint

機械設計制造及其自動化是以各種工業機械裝備及機電產品從設計、制造、運行控制到生產過程的企業管理為研究對象，綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感檢測技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術，實現機械工業的產品技術結構、產品功能與零部件構成、產品生產方式及綜合管理體系，都達到系統功能目標和組織結構目標自動化、智能化、最優化的系統工程技術，是一門日漸發展完善的新興綜合技術學科。機械設計制造及其自動化，對于生產過程的安全性提高、生產產量和質量的目標預期的保證、生產原材料及能源消耗的降低、生產過程中有害污染排放物量的減少控制等都有著積極的作用。

（二）機械設計制造自動化的發展方向

21世紀以來，由于多種技術的存在，特別是計算機技術在機械領域的深度應用，使得機械設計制造及其自動化技術設備在功能性和結構性上都能夠滿足機器的各種內在外在要求。可以根據產品需要和機械設計制造自動化技術的職能性和可選性，對產品的性質和功能進行設計，確定產品的應用價值。如微電子技術與機械技術的結合使用，可以生成工業機器人、數控機床和加工中心、微型機電系統等機電一體化產品；如計算機優化設計技術、輔助設計技術及計算機控制技術，可以有利于機械設計制造過程實現自動化與最優化，以及實現計算機技術、傳感技術、機械設計制造三方面的有機結合……當前各種機電產品設施越來越追求智能化、人性化方面的設計，這就為機械設計制造及其自動化技術的發展提出了必須的要求以及提供了廣闊的空間。機械設計制造及其自動化發展方向主要包括：

1.機電一體化

“機電一體化”，即機械技術和微電子技術一體化，是將機電產品的設計過程、制造過程、安裝與運行過程等都形成系統化、自動化控制的有機整體，以達到滿足產品功能性的內在要求。從原理的角度而言，機械設計制造自動化系統涵蓋了機電一體化產品的涵義，機電一體化是機械設計制造自動化本身應有的內涵，是機械自動化概念的發展和延伸。

2.智能化

“智能化”，即對機電產品賦予一定的人工智能，是以現代控制理論為基礎，綜合應用計算機科學、運籌學、模糊數學、生理學、心理學和動力學等理論或技術，使機電產品在行為方面，對人類智能進行模擬，進而獲得一定程度的邏輯思維、判斷推理、自主決策等能力，以實現更高層次的自動化控制目標，如工業機器人與數控機床。機械設計制造自動化的智能化發展核心是建立人機一體化智能系統，即智能機器在人類專家的引領下承擔一定程度的人類腦力勞動，人機協作實現工作的最優化完成。

3.模塊化

“模塊化”，即對機電產品按照其通用性進行系列化、模塊化的設計。鑒于機械自動化產品類別繁多且生產廠家各有不同，那如何才能保證在設計機械自動化產品單元接口的時候，所研制和開發的各項標準接口（包括機械接口、動力接口、電氣接口以及環境接口等）能夠符合產品類別，這就需要考慮到各項標準接口的通用性，進行模塊化的設計。如動力單元如何實現多級減速、智能減速及電動機一體化的系列研制，如控制單元如何實現具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能一體化的系列開發等。模塊化所帶來的標準單元系列化生產，對于新產品研發的技術革新及生產規模擴大都有著巨大的促進作用，有利于提升機械設計企業的效益。

4.數字化

“數字化”，即機械設計制造自動化的網絡化信息化。數字化網絡經濟是信息社會的基本特征，因此數字化成為了機械制造技術發展的中心環節。機械自動化產品的所有產品信息和技術能力，通過數字化網絡信息技術，將機械設計所涉及的各種資料進行大數據搜集、大數據分析、智能化重組以及信息化技術處理，以及對于自身的產品通過網絡進行信息發布及網絡營銷。數字化技術能夠有效實現機械制造技術與計算機網絡技術的有機結合，實現行業資源和技術的優勢互補，共同研制新型機械產品。實現機械制造自動化的數字化發展，是21世紀新形勢下機械設計制造行業發展的必然趨勢。

5.綠色化

“綠色化”，即機械設計制造自動化過程中最大化避免或控制有害污染物的排放量。機械設計制造自動化產品所涉及的各個環節，包括設計、制造、運行控制、生產、銷售、使用、維修、回收和再利用或再制造等環節，都應該秉承綠色環保理念、避免污染、堅持實現企業關于產品生產與環境自然的可持續性發展的綠色產品經濟概念。機械設計制造及其自動化的“綠色產品化”已經成為了當今時代機械設計制造行業必然的發展趨勢。

6.人格化

“人格化”，即強調和突出機械設計制造自動化產品與人的關系，從機械設計產品的最終使用對象“人”出發來研制各種機械設計產品。一方面應該最大化滿足人類對所使用的機電產品在智能、情感、人性方面的內在要求；另一方面機電產品所開發出生命體特征，也應該立足于人類所熟悉的生物機理的模仿。

7.微型化

“微型化”，即強調機械設計制造自動化產品設計向微觀領域發展的趨勢，也被稱為微電子機械系統或微機械設計系統。“微型化”機電自動化產品主要指幾何尺寸不超過1cm?的機械設計產品，主要應用于軍事、生物醫療、信息領域。微機械設計產品所運用的超精密技術，包括光刻技術和蝕刻技術，已經使得微型化機械產品體積能夠向微米、納米級發展。

三、機械設計制造及其自動化在航空航天領域的應用

在航天航空領域，機械設計制造自動化技術，如工業機器人、無人機、航天自動化對接裝配技術等，也有著相當廣泛的應用。

（一）工業機器人在航空航天領域的應用

工業機器人是機電一體化、智能化的機械設計制造自動化產品，通過預先編排的人工智能程序或人類發出的控制指令，依靠自身動力或控制能力自動行動完成一定操作，以實現目標功能的機器。工業機器人主要由機械系統、控制系統和驅動系統三部分組成，外觀一般為多關節機械手或多自由度的機器裝置。endprint

將工業機器人應用于航空航天領域，有著不可估量的意義和價值。航空航天裝配是一個泛密集勞動力的工作，其裝備由于精密度要求很高，需要能夠進行高精度操作的大量勞動力，人工操作往往生產周期長。而用工業機器人代替人工操作，一方面可以提高航空航天設備的裝配效率，進而縮短生產周期和節約生產成本；另一方面工業機器人自動化智能化程序可以盡量減少人工操作的誤差，提高產品的精密度和質量，保證航空航天裝備的安全可靠性。工業機器人已經越來越成為航天裝配車間的核心技術儲備，極大地推動了航空航天事業的發展。

（二）無人機技術在航空航天領域的應用

“無人機”，主要是利用無線電遙控技術，能夠通過遙控設備和自備的程序控制裝置，有間歇地對其進行操縱或使其完全地自主操作的不載人飛行器，英文縮寫為“UAV”。無人機系統主要由機身、電源、數據鏈系統、飛行管理控制系統、發射及回收系統等組成。飛行管理控制系統是決定著無人機的飛行狀況，包括機上和地面兩部分，是最為核心的系統。機上部分主要作用于無人機起飛/著落控制、飛行姿態/軌跡/導航控制、自主飛行及飛行安全控制等；地面部分主要作用于無人機飛行定位、監控、位置顯示、指令系統等。另外無人機與地面部分在信息反饋和遙控輸出指令方面主要依賴于數據鏈系統，而發射及回收系統則起到了最大化保證無人機起飛/著落順利的作用。

無人機技術在航空航天領域的應用，給人類的工作生活帶來了極大的影響。在軍事方面主要在偵察、通信、監視、遠距離攻擊等方面作為信息化智能化武器；在民用方面主要應用于公共安全、農林植被和氣象環境保護、緊急搜尋救護、影視航天拍攝等多個領域。

（三）自動化對接裝配技術在航空航天領域的應用

自動化裝配，主要是利用機電一體化技術，實現機械設計制造自動化產品代替人工勞動進行自動化裝配的一種對接裝配技術。航天自動化對接裝配技術，主要以機器人為裝配機械，和自動化裝配中心一起組成航空航天領域柔性裝配系統。航天自動化對接裝配技術已經廣泛應用于飛機總裝自動化對接平臺（數字化柔性工裝系統）、飛機激光跟蹤儀測量設備裝配（數字化測量定位系統）等航空航天領域尖端技術方面，有利于推動飛機裝配與數字化、信息技術相結合，將傳統模擬量傳遞模式轉變為數字量傳遞模式，實現飛機裝配數字化、柔性化、模塊化、自動化和信息化，從而成為飛機數字化裝配技術領域的中間力量。

注釋：

①引用自百度百科“機械工程”概念.

②引用自《基于機械設計制造及其自動化的研究》，作者劉東宇，[J].《魅力中國》.2014.

參考文獻：

[1]劉超.我國機械設計制造及其自動化發展方向研究[J].河南科技，2013

[2]黎田，胡曉雪，姚為，陳紹勇.機器人在航天裝備自動化裝配中的應用研究[J].航空制造技術.2014

[3]馮華山，秦現生，王潤孝.航空航天制造領域工業機器人發展趨勢[J].航空制造技術.2013endprint