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最簡單 最係統的實用機械設計理論與簡史


從18世紀60年代“工業1.0”蒸汽機時代,到現在“工業 4.0”所謂的“虛擬網絡 -實體物理係統”(Cyber-Physical System,CPS),世界主要工業大國已見證瞭150多年的工業曆程。

“工業4.0”又稱智能製造。

相比之下,中國工業一直起起伏伏,真正的起步或者說有大的發展時期,是從1978年的改革開放起到現在。


世界機械設計發展史


按時間大緻分3階段,分彆是:

機械設計起源和古代機械設計階段、近代機械設計階段、現代機械設計階段

01、機械設計起源和古代機械設計階段

從古代社會到17世紀為機械設計起源和古代機械設計階段。

該階段從學術上嚴格來說,還談不上什麼機械設計與機械設計理論。

此階段的所有類似機械設計都是基於人們在生活中,對自然規律的總結與體會,並不成係統且比較粗糙。

02、近代機械設計階段

由17世紀至第2次世界大戰結束,為近代機械設計階段。

這個階段因金屬冶練與加工技術的成熟、係統性機械設計理論基本成型、電氣自動化的齣現,使大批量生産具備瞭條件;

所以,纔有瞭極具破壞性的第2次世界大戰。

03、現代機械設計階段

從第2次世界大戰結束直到現在,為現代機械設計階段。

這個階段人們開始研究機械設計方法、在大批量生産的基礎上繼續提高産品質量。

也就是在這個階段,齣現瞭數控加工技術,設計軟件、力學分析軟件,人機工程學、等等。

實用機械設計理論 ──── 詳細概述


在現代實際生産中,需要學習一些什麼機械設計理論纔算比較實用且係統呢?下麵將會作齣解答。

在“工業3.0”時代,作為一颱現代化設備當然少不瞭機、電、氣、液、光學的共同作用。

到“工業4.0”,還要增加PC與“大數據”及“互聯網思維”。

下麵將對各部分進行逐一大緻分解描述:


機械部分


機械部分是機械設計理論的基本核心,也是最難最基礎的部分。不管是“工業1.0”,還是“工業2.0”、“工業3.0”,甚至是“工業4.0”,核心都是要有機械的參與纔行。

機械部分理論可分為幾下 3 塊:

01、基本機械設計理論

也就是大傢在學校接受的基本教育,譬如:結構力學、材料力學、流體力學、加工工藝、材料成型、機構、機械傳動、等等。

力學是這裏麵的重點,力是自然界有形物體驅動或被驅動的能量源。

加工工藝與材料成型是做好機械設計的必備前提。

機構與機械傳動比較復雜一點,但不搞定這兩樣設備是運轉不好的。

02、機械優化設計理論

機械優化設計主要有用到:彈性力學、摩擦學、振動學、有限元分析、熱力學、人機工程學、等等。

用得比較多是彈性力學、摩擦學、振動學,每颱設備都可能遇到。

有限元分析、熱力學並不是所有設備在研發、設計、使用過程中,都需要。

人機工程學也就是人機交互;人種不同,東西方文化不同理解也會有所不同。

03、機械設計方法

機械設計方法是形而上的一種機械設計理論。

機械設計方法有如功夫片中的內功,雖有點神秘,但還是可傳授的,也可在短期內達到一定高水平;但前提是,必需有牢固基本功。

機械設計方法很多,譬如:幾何法、力學法、簡化法、計算法、經驗法、電氣法、仿生法、軟件法、産品導嚮法、行規法、人機交互法、心理設計法、綜閤設計法、等等。

這裏主要說一下心理設計法:人是一種高智慧生物,在做機械設計這種高腦力勞動時,內分泌及個人信仰在一定程度上會左右您産品的文化傾嚮。


電、氣、液、光學部分


社會上常說的電氣工程師,大傢可能以為他們一般的工作任務就是負責電 (工)、氣 (壓)、液 (壓)部分。在很多情況下,這不全對;至少在以研發、設計、生産為主的機械行業大部分不是這樣的。

在實際生産中,很多電氣工程師主要隻負責電 (工) 部分的編程與接綫,及後期調試。

氣 (壓)、液 (壓) 在做方案及技術設計的時候已基本確定。因此,在實際工作中要用好機械設計理論,最好還是把電 (工) 部分也包括進去。

電 (工)、氣 (壓)、液 (壓) 部分是“工業2.0”的核心。

“工業3.0”的核心是:各種傳感器、光學傳感器等。

01、電 (工) 部分

包括在機械設計理論中的電 (工) 部分,主要包括:繼電器電路、PLC 電路、IC 芯片電路。

“IC 芯片電路”可獨立齣來,其由成本、穩定性、批量問題決定;加之,主要開發“IC 芯片電路”的匯騙語言、C 語言使用學習有一定難度。

02、氣 (壓) 部分

氣 (壓) 部分主要指的是氣動元件、氣壓迴路等。這部分不是很難,必須掌握。

03、液 (壓) 部分

液 (壓) 部分主要指的是液壓元件、液壓迴路等。

相比氣 (壓),液 (壓) 知識要難一些;原因在於:氣 (壓) 的壓力變化範圍很小,而液 (壓) 的壓力變化範圍非常廣。

04、光學部分

由於電氣工程師經常調試,所以,他們非常瞭解光學部分的性能。

同樣,光學部分在做方案及技術設計的時候也已基本確定。

光學部分的知識在“工業3.0”時代纔齣現,且以後還會是“工業 4.0”的核心之一。因為光學部分主要指的是:各種傳感器、光學傳感器。


PC 與 “大數據” 及 “互聯網思維”


産生“工業4.0”的前提是“Web2.0”,沒有“Web2.0”就隻能算是“工業3.0”。而“Web2.0”的核心就是 PC 或類似 PC 的智能設備,譬如:智能手機、智能平闆。

在這方麵的機械設計理論核心是機械手、機械人、3D 打印、高自動化智能設備。

注意:並不是所有國傢都可以或可能升級到“工業4.0”。當然,也不是所有國傢都有必要升級到“工業4.0”。

“工業4.0”的前提是:需要這個國傢在互聯網方麵具有強大、係統的前沿高技術支持。確切點說,至少得有一個強大的衛星通信網;不可能什麼都靠有綫網絡,這樣成本會非常高。再加上各種傳感器及“Web2.0”就可基本成形。

由於此種原因,纔齣現瞭對“大數據”及“互聯網思維”的需求。纔産生瞭所謂的“虛擬網絡 -實體物理係統”(Cyber-Physical System,CPS) 概念。