Ingeniería Mecánica
Una breve historia de la ingeniería mecánica;
Las diversas hachas de piedra, martillos y herramientas sencillas fabricadas y utilizadas por los humanos en la Edad de Piedra fueron los precursores de la maquinaria posterior. Hace miles de años, el hombre creó morteros y molinos para descascarar y moler cereales, naranjas y molinos de viento para levantar agua, coches con ruedas, embarcaciones para navegar por los ríos, remos, remos y timones. La energía utilizada ha evolucionado desde la energía humana hasta la energía animal, la energía eólica y la energía hidráulica. Los materiales utilizados van desde piedra natural, madera, tierra y cuero hasta materiales artificiales. Los primeros materiales fabricados por el hombre fueron la cerámica. El carro alfarero para la elaboración de vasijas alfareras es una máquina completa, compuesta por tres partes: potencia, transmisión y trabajo. Blower ha jugado un papel importante en el desarrollo de la sociedad humana. Potentes sopladores llevan los hornos metalúrgicos a temperaturas lo suficientemente altas como para extraer el metal del mineral. Durante la dinastía Zhou Occidental, China tenía sopladores para fundir y moldear. Antes de los siglos XV y XVI, la ingeniería mecánica se desarrolló lentamente. Después del siglo XVII, la economía mercantil capitalista se desarrolló rápidamente en Gran Bretaña, Francia y otros países. Mucha gente se dedicó a mejorar la maquinaria de trabajo necesaria para diversas industrias y desarrolló una nueva máquina eléctrica: la máquina de vapor. A finales del siglo XVIII, la aplicación de las máquinas de vapor se expandió desde la minería hasta la textil, la harina, la metalurgia y otras industrias. El material principal para fabricar máquinas pasó gradualmente de la madera al metal. La industria de fabricación de maquinaria comenzó a tomar forma y poco a poco se convirtió en una industria importante. La ingeniería mecánica ha pasado de ser una habilidad dispersa que dependía principalmente de los talentos y habilidades individuales de los artesanos a una tecnología de ingeniería teórica, sistemática e independiente. La ingeniería mecánica es el principal factor técnico que contribuyó a la revolución industrial y la producción en masa de maquinaria capitalista en los siglos XVIII y XIX.
El desarrollo de la maquinaria eléctrica A finales del siglo XVII, con la mejora de la maquinaria y el aumento de la demanda de carbón y minerales metálicos, depender únicamente de la mano de obra y la fuerza animal ya no podía satisfacer las necesidades del aumento. Así, a principios del siglo XVIII, la aparición de la máquina de vapor atmosférica de T. Newcomen se utilizó para impulsar bombas de drenaje de minas. En 1765, J. Watt inventó una máquina de vapor con condensador independiente, que reducía el consumo de combustible. En 1781, Watt inventó la máquina de vapor para proporcionar potencia de rotación, lo que amplió el rango de aplicación de las máquinas de vapor. La invención y el desarrollo de la máquina de vapor contribuyeron al poder de la producción minera e industrial, de los ferrocarriles y de la maquinaria de manipulación. Casi se convirtió en la única fuente de poder en el siglo XIX. Sin embargo, las máquinas de vapor y sus calderas, condensadores y sistemas de agua de refrigeración son voluminosos e incómodos de usar. En los primeros tiempos de las centrales eléctricas, se utilizaban máquinas de vapor como motores primarios; a principios del siglo XX aparecieron turbinas de vapor de alta eficiencia, alta velocidad y alta potencia, así como turbinas de vapor adaptadas de gran y pequeña potencia; a diversos recursos hídricos. El motor de combustión interna inventado a finales del siglo XIX se ha mejorado año tras año y se ha convertido en un motor primario de peso ligero, tamaño pequeño, alta eficiencia, fácil de operar y que puede arrancar en cualquier momento. Los motores de combustión interna se utilizaron por primera vez para impulsar maquinaria de trabajo terrestre sin suministro de energía, luego se utilizaron en automóviles, maquinaria móvil (como tractores, excavadoras, etc.) y barcos, y comenzaron a utilizarse en locomotoras de ferrocarril a mediados del siglo XX. El motor de combustión interna y la posterior invención de la turbina de gas y el motor a reacción son también uno de los factores técnicos básicos para el desarrollo exitoso de aviones y naves espaciales.
El desarrollo de la tecnología de procesamiento;
Antes de la revolución industrial, la maquinaria era principalmente estructuras de madera hechas por carpinteros, y los metales (principalmente acero y hierro) solo se usaban para fabricar instrumentos, relojes. , cerraduras, Piezas pequeñas para bombas y estructuras de madera. El procesamiento de metales depende principalmente del trabajo meticuloso de los maquinistas para lograr la precisión requerida. Con el uso generalizado de las máquinas de vapor y el posterior desarrollo de grandes maquinarias como la minería, la metalurgia, los barcos y las locomotoras, es necesario formar y cortar cada vez más piezas metálicas, y los materiales metálicos utilizados también han evolucionado desde el cobre y el hierro hasta acero. El procesamiento mecánico (incluidas la fundición, la forja, la soldadura, el tratamiento térmico y otras tecnologías y equipos, así como la tecnología de corte y las máquinas herramienta, herramientas, herramientas de medición, etc.) se ha desarrollado rápidamente, asegurando así el suministro de diversos equipos mecánicos necesarios para la desarrollo de la producción. Al mismo tiempo, con el aumento de los lotes de producción y el desarrollo de la tecnología de mecanizado de precisión, se han promovido una gran cantidad de métodos de producción (intercambiabilidad de piezas, división profesional del trabajo y colaboración, líneas de montaje y líneas de montaje, etc.).
El desarrollo de teorías básicas de la ingeniería mecánica;
Antes del siglo XVIII, los maquinistas dependían enteramente de la experiencia personal, la intuición y la artesanía para fabricar maquinaria, y tenían poco que ver con la ciencia. No fue hasta los siglos XVIII y XIX que se formaron gradualmente las teorías básicas en torno a la ingeniería mecánica. La maquinaria eléctrica se combinó por primera vez con la ciencia, como la teoría de T. Savery, el inventor de la máquina de vapor, D. Papan y J. Black, y la base de la práctica de las máquinas de vapor por los físicos S. Cano, W.j.m. Kelvin se estableció una nueva disciplina: la termodinámica. A principios del siglo XIX, la estructura mecánica, el movimiento y otros mecanismos de la maquinaria se incluyeron por primera vez como un curso en la Escuela Politécnica Superior de Ingeniería (Politécnica de París). Desde la segunda mitad del siglo XIX se tiene en cuenta la fatiga del material en el diseño y los cálculos. Posteriormente se utilizó para el diseño y cálculo la mecánica de fracturas, análisis de tensiones experimentales, método de elementos finitos, estadística matemática, ordenadores, etc.
Campos de servicios de la ingeniería mecánica:
Los campos de servicios de la ingeniería mecánica son muy amplios. Todos los departamentos que utilizan maquinaria y herramientas, así como la producción de energía y materiales, requieren servicios de ingeniería mecánica. . La ingeniería mecánica moderna tiene cinco áreas de servicio principales:
1. Desarrollo y suministro de maquinaria de conversión de energía, incluida la conversión de energía térmica, energía química, energía atómica, energía eléctrica, energía de presión de fluidos y energía mecánica natural. energía mecánica adecuada para aplicaciones Diversas maquinarias eléctricas, así como maquinaria de conversión de energía que convierte la energía mecánica en otra energía requerida
2. maquinaria agrícola, pesquera y minera, así como diversa maquinaria industrial pesada y maquinaria industrial ligera;
3. Desarrollar y proporcionar maquinaria dedicada a diversos servicios, tales como maquinaria de manipulación de materiales, maquinaria de transporte, maquinaria médica, maquinaria de oficina, equipos de ventilación, calefacción y aire acondicionado y equipos de eliminación de polvo, purificación, reducción de ruido y otros equipos de protección ambiental;
4. Desarrollar y proporcionar maquinaria para el hogar y la vida personal, como lavadoras, refrigeradores, relojes, cámaras, equipos deportivos y equipos de entretenimiento;
5. Desarrollar y proporcionar diversas armas mecánicas.
Contenido de la asignatura de ingeniería mecánica
El contenido de la asignatura de ingeniería mecánica se puede dividir en:
1. Establecer y desarrollar fundamentos teóricos de la ingeniería que se puedan aplicar directamente a Ingeniería Mecánica. Como ingeniería mecánica, mecánica de fluidos, materiales de ingeniería, mecánica de materiales, ciencias de la combustión, transferencia de calor, termodinámica, tribología, mecanismos, principios mecánicos, piezas mecánicas, tecnología metálica y tecnología no metálica, etc.
2. Investigar, diseñar y desarrollar nuevos productos mecánicos, mejorar los productos mecánicos existentes y producir una nueva generación de productos mecánicos para satisfacer las necesidades actuales y futuras;
3. tales como planificación y realización de instalaciones de producción, planificación y programación de la producción, preparación e implementación de tecnología de fabricación, diseño de tecnología y equipos de fabricación, determinación de cuotas de mano de obra y cuotas de materiales, así como procesamiento, montaje, embalaje e inspección;
4. Operación y gestión de empresas de fabricación de maquinaria, como la determinación de métodos de producción, ventas de productos y gestión de producción y operación;
5. equipos utilizados en diversas industrias Selección, pedido, aceptación, instalación, ajuste, operación, mantenimiento y modificación
6. y sus medidas de control.
Rama de la ingeniería mecánica:
Las máquinas se pueden dividir en maquinaria eléctrica, maquinaria de trituración, maquinaria de transporte y maquinaria de manipulación de materiales según sus funciones.
Según la industria de servicios, se puede dividir en maquinaria agrícola, maquinaria química, maquinaria minera y maquinaria textil.
Según el principio de funcionamiento, se puede dividir en maquinaria térmica, maquinaria turbo, maquinaria biónica y maquinaria de fluidos.
Las máquinas que funcionan según el mismo principio, tienen la misma función o sirven a la misma industria tienen los mismos problemas y características, por lo que existen varias subdisciplinas diferentes de la ingeniería mecánica. Además, toda maquinaria pasa por varias etapas con diferentes características de trabajo durante el proceso de investigación, desarrollo, diseño, fabricación y aplicación.
Estos sistemas de subdisciplinas se cruzan y se superponen entre sí, lo que hace posible que la ingeniería mecánica se divida en cientos de subdisciplinas. Por ejemplo, la maquinaria eléctrica se divide en maquinaria térmica, maquinaria de fluidos, maquinaria de turbinas, maquinaria alternativa, equipos de energía de vapor, plantas de energía nuclear, motores de combustión interna y turbinas de gas según su función, y se divide en equipos de centrales eléctricas, equipos de energía industriales, locomotoras ferroviarias, ingeniería naval, ingeniería automotriz, etc. por industria Existen relaciones complejas que se cruzan y superponen. Las turbinas de vapor marinas son máquinas eléctricas, máquinas térmicas, máquinas de fluidos y máquinas de turbinas. Pertenecen a dispositivos de energía marina, dispositivos de energía de vapor y también pueden pertenecer a dispositivos de energía nuclear. El mecanismo de resorte y martillo utilizado para accionar un reloj también es una máquina motorizada, pero no es una máquina térmica, una máquina de fluidos, una turbomáquina ni una máquina alternativa. Otras ramas tienen relaciones superpuestas y superpuestas similares. Pero tiene poco valor práctico.
Perspectivas:
La industria de maquinaria es una industria básica que proporciona equipamiento para la economía nacional y cambiará con el desarrollo de la ciencia y la tecnología.
La ingeniería mecánica tiene como objetivo aumentar la producción, mejorar la productividad laboral, mejorar la economía de producción e investigar y desarrollar nuevos productos mecánicos. En la era futura, la investigación y el desarrollo de nuevos productos requerirán como objetivos y tareas ultraeconómicos la reducción del consumo de recursos, el desarrollo de energías renovables limpias, el control, la reducción o incluso la eliminación de la contaminación ambiental.
Las máquinas pueden hacer cosas que los humanos pueden hacer directamente con las manos y los ojos, y también pueden hacer cosas que no se pueden hacer directamente con los pies y los oídos, y pueden hacerlo más rápido y mejor. La ingeniería mecánica moderna ha creado máquinas y mecanismos cada vez más sofisticados, haciendo realidad muchas de las fantasías del pasado.
Los seres humanos ya pueden nadar contra la corriente en el cielo y el universo, sumergirse en las profundidades del océano, mirar a decenas de miles de millones de años luz desde una distancia y observar células y moléculas de cerca. La ciencia emergente del software y el hardware de las computadoras fortalece a los humanos y reemplaza parcialmente los medios tecnológicos del cerebro humano, es decir, la inteligencia artificial. Este nuevo desarrollo ya ha demostrado una gran influencia y seguirá creando milagros que la gente no puede imaginar en el futuro.
El crecimiento de la inteligencia humana no ha reducido la función de la mano. Por el contrario, requiere que la mano realice un trabajo más preciso y complejo, promoviendo así aún más la función de la mano. La práctica de las manos a su vez promueve la sabiduría del cerebro humano. A lo largo de todo el proceso de evolución humana, a medida que cada persona crece, el cerebro y las manos se potencian mutuamente y evolucionan en paralelo.
La relación entre la inteligencia artificial y la ingeniería mecánica es similar a la relación entre el cerebro y la mano, la única diferencia es que el hardware de la inteligencia artificial requiere fabricación mecánica. En el pasado, varias máquinas eran inseparables del funcionamiento y control humanos. Su velocidad de respuesta y precisión operativa estaban limitadas por el cerebro y el sistema nervioso humanos en lenta evolución. La inteligencia artificial eliminará esta limitación. La promoción mutua y el progreso paralelo de la informática y la ingeniería mecánica permitirán a la ingeniería mecánica iniciar una nueva ronda de desarrollo a un nivel superior.
En el siglo XIX, el conocimiento total de la ingeniería mecánica era todavía muy limitado. En las universidades y colegios europeos, generalmente se integraba con la ingeniería civil como materia, denominada ingeniería civil. En el siglo XIX, Yecai se convirtió gradualmente en una disciplina independiente. En el siglo XX, con el desarrollo de la tecnología de la ingeniería mecánica y el aumento del conocimiento general, la ingeniería mecánica comenzó a descomponerse y aparecieron ramas especializadas una tras otra. Esta tendencia a la descomposición alcanzó su punto máximo a mediados del siglo XX, hacia el final de la Segunda Guerra Mundial.
Dado que el conocimiento total de la ingeniería mecánica se ha expandido mucho más allá del alcance del control personal, es imposible observar y coordinar la situación general de un proyecto un poco más grande, y el alcance de los intercambios técnicos también se ha reducido. obstaculizar la implementación de nuevas tecnologías. El progreso general de la producción y la tecnología tiene poca adaptabilidad a los cambios en las condiciones externas. Sin embargo, el conocimiento de los expertos en especialidades cerradas es demasiado limitado y su consideración de los problemas es demasiado profesional. Es difícil cooperar y coordinarse en el trabajo colaborativo y no favorece el autoaprendizaje y la mejora continuos. Entonces, a partir de mediados y finales del siglo XX, surgió una tendencia integral. La gente presta más atención a la teoría básica, amplía los campos profesionales y fusiona carreras demasiado diferenciadas.
El ciclo repetido de integración-diferenciación profesional-reintegración es un proceso razonable y necesario para el desarrollo del conocimiento. Los expertos de diferentes disciplinas tienen un conocimiento profesional excelente y un conocimiento integral suficiente para reconocer y comprender los problemas de otras disciplinas y la apariencia general del proyecto, formando así un colectivo fuerte que trabaja en conjunto.
La integralidad y la profesionalidad son multinivel. Existe una contradicción entre la amplitud y la profesionalidad en la ingeniería mecánica; la tecnología de ingeniería integral también tiene problemas de amplitud y profesionalidad. En todo el conocimiento humano, incluidas las ciencias sociales, las ciencias naturales y la tecnología de la ingeniería, también existen cuestiones integrales y profesionales de nivel superior, más macro.
Mecatrónica:
El término general para tecnología mecatrónica y productos mecatrónicos se forma después de la introducción de componentes y tecnologías microelectrónicas en productos mecatrónicos. La tecnología mecatrónica, también conocida como tecnología mecatrónica, es una tecnología de sistemas que integra ingeniería mecánica, tecnología microelectrónica, tecnología de procesamiento de información y otras tecnologías. Los productos mecatrónicos son máquinas independientes multifuncionales o conjuntos completos de dispositivos con sistemas de software y hardware diseñados y producidos utilizando tecnología mecatrónica. Generalmente están compuestos por cuerpos mecánicos, dispositivos microelectrónicos, sensores y actuadores. La tecnología mecatrónica incluye ingeniería mecánica (como maquinaria, mecanizado y tecnología de precisión, etc.), tecnología eléctrica y electrónica (como electromagnetismo, tecnología informática y circuitos electrónicos, etc.) y tecnología * * (como tecnología de sistemas, tecnología de control y Los productos de tecnología de sensores, etc.) de mecatrónica incluyen principalmente la producción de productos básicos (como robots, líneas de producción y fábricas automatizadas, etc.), la circulación de productos básicos (como maquinaria y sistemas de embalaje CNC, maquinaria de transporte controlada por microcomputadoras y maquinaria y equipos de ingeniería CNC). , etc.), ventas de almacenes de productos básicos (como almacenes automáticos, ventas automáticas de pesaje y sistemas de manejo de efectivo, etc.), servicios sociales (como maquinaria de oficina automatizada e instalaciones de protección médica y ambiental, etc.) y el hogar, investigación científica, agricultura, silvicultura, ganadería y pesca, aeroespacial, defensa nacional. La mecatrónica ha cambiado enormemente la estructura técnica, la estructura del producto, la función y composición, los métodos de producción y el sistema de gestión de la industria de la maquinaria.
La comunidad empresarial japonesa propuso por primera vez el concepto de "tecnología mecatrónica" alrededor de 1970. En ese momento lo llamaron "mecatrónica", que es la combinación de tecnología mecánica aplicada y tecnología electrónica. Con el rápido desarrollo y la aplicación generalizada de la tecnología informática, la tecnología mecatrónica ha logrado un desarrollo sin precedentes y generalmente se ha descompuesto en tecnologías de sistemas interrelacionados, integrando tecnología informática y de la información, tecnología de control automático, tecnología de detección de sensores, tecnología de servoaccionamiento y tecnología mecánica. uno, y se está desarrollando en la dirección de la integración óptica, mecánica y eléctrica, y su alcance de aplicación se está expandiendo día a día.
La tecnología mecatrónica incluye específicamente los siguientes contenidos:
1. Tecnología mecánica: La tecnología mecánica es la base de la mecatrónica. El enfoque de la tecnología mecánica es cómo adaptarse a la tecnología mecatrónica, utilizar otras tecnologías nuevas y avanzadas para actualizar conceptos, realizar cambios en la estructura, los materiales y el rendimiento, y cumplir con los requisitos de reducción de peso, reducción de volumen, mejora de la precisión, aumento de la rigidez, y mejorar el rendimiento. En el proceso de fabricación de sistemas mecatrónicos, las teorías y tecnologías mecánicas clásicas se basan en la tecnología asistida por computadora, el intercambio de información, el acceso, el cálculo, el juicio y la toma de decisiones, la tecnología de inteligencia artificial, la tecnología de sistemas expertos y la tecnología de redes neuronales pertenecen a la información informática. tecnología de procesamiento.
2. Tecnología de sistemas: La tecnología de sistemas utiliza el concepto de conjunto para organizar y aplicar varias tecnologías relacionadas, y descompone el conjunto en varias unidades funcionales interrelacionadas. La tecnología de interfaz es un aspecto importante de la tecnología de sistemas y es la garantía para realizar la conexión orgánica de varias partes del sistema.
3. Tecnología de control automático: abarcando una amplia gama de áreas. Bajo la guía de la teoría del control, se llevan a cabo el diseño del sistema, la simulación del sistema posterior al diseño y la depuración en el sitio. La tecnología de control incluye control de posicionamiento de alta precisión, control de velocidad, control adaptativo, autodiagnóstico y corrección, compensación, copia y recuperación.
4. Tecnología de detección y detección: la tecnología de detección y detección es el órgano sensorial del sistema y un vínculo clave para realizar el control y ajuste automáticos. Cuanto más fuerte sea su función, mayor será el grado de automatización del sistema. La ingeniería moderna requiere que los sensores obtengan información de forma rápida y precisa y que resistan la prueba de entornos hostiles. Esto es una garantía para que el sistema mecatrónico alcance un alto nivel.
5. Tecnología de servotransmisión: incluye varios tipos de dispositivos de transmisión como eléctricos, neumáticos e hidráulicos. Los servosistemas son dispositivos y componentes que convierten señales eléctricas en acciones mecánicas. Tienen un impacto decisivo en el rendimiento dinámico, la calidad del control y las funciones del sistema.
Composición del sistema mecatrónico:
1. Cuerpo mecánico: El cuerpo mecánico incluye bastidor, conexión mecánica, transmisión mecánica, etc. Es la base de la mecatrónica y desempeña la función de soportar otras unidades funcionales del sistema y transmitir movimiento y potencia. En comparación con los productos puramente mecánicos, el rendimiento técnico y las funciones de los sistemas mecatrónicos han mejorado, lo que requiere que el cuerpo mecánico se adapte a ellos en términos de estructura mecánica, materiales, tecnología de procesamiento y dimensiones geométricas, y que sea eficiente, multifuncional y confiable. , ahorro de energía, tiene las características de tamaño pequeño, peso ligero y apariencia hermosa.
2. Parte de detección y detección: La parte de detección y detección incluye varios sensores y sus circuitos de detección de señales. Su función es detectar cambios de parámetros relacionados con el entorno externo durante el proceso de trabajo del sistema de integración electromecánica. y transmitir la información pasada a la unidad de control electrónico, la unidad de control electrónico emite el control correspondiente al actuador basándose en la información detectada.
3. Unidad de control electrónico: La unidad de control electrónico, también llamada ritmo, emite las instrucciones correspondientes para controlar todo el sistema para que proceda con determinación.
4. Actuador: La función del actuador es impulsar el movimiento de las piezas mecánicas según las instrucciones de la unidad de control electrónico. Un actuador es una pieza móvil, generalmente impulsada por electricidad, neumática e hidráulica.
5. Fuente de alimentación: La fuente de alimentación es la parte de suministro de energía de los productos mecatrónicos. Su función es proporcionar energía y potencia al sistema mecánico de acuerdo con los requisitos de control del sistema, para que el sistema pueda funcionar normalmente. Las formas de proporcionar energía incluyen energía eléctrica, energía neumática y energía hidráulica, entre las cuales la energía eléctrica es la energía principal.
Ingeniería mecánica y entorno de vida humano;
Si bien el desarrollo de la tecnología de ingeniería mejora la civilización material humana y los niveles de vida, también destruye el entorno natural. Desde mediados del siglo XX, los problemas más destacados han sido el consumo masivo de recursos, especialmente energéticos, y la contaminación ambiental. En el futuro, la investigación y el desarrollo de nuevos productos mecánicos incluirán como tareas importantes la reducción del consumo de recursos, el desarrollo de energías renovables puras y el control, reducción o incluso eliminación de la contaminación ambiental.
Especialización e integración de la ingeniería mecánica;
En la segunda mitad del siglo XIX, la ingeniería mecánica se convierte en una disciplina independiente. La tendencia a la descomposición alcanzó su punto máximo a mediados del siglo XX (hacia el final de la Segunda Guerra Mundial). A medida que el conocimiento total de la ingeniería mecánica se ha expandido mucho más allá del alcance de una sola persona, es imposible observar y coordinar el panorama general y la situación general de un proyecto de escala ligeramente mayor, y el alcance de los intercambios técnicos se ha reducido, lo que dificulta el surgimiento de nuevos tecnologías y la integración general de la tecnología. Progreso y escasa adaptabilidad a los cambios en las condiciones externas (como la aparición de nuevas tecnologías, nuevos materiales, nuevos productos, suministro de materiales y productos semiacabados, cambios en los precios). Por lo tanto, desde mediados hasta finales del siglo XX, ha habido una tendencia a la integración en la ingeniería mecánica. La gente presta más atención a la teoría básica, amplía los campos profesionales y fusiona carreras demasiado diferenciadas.