摘 要：机械设计制造的历史源远流长，其最早的雏形诞生于石器时代，经历了从各种石质、木质、皮质的简单工具，进步到制造多个零部件组成现代机械的长远过程。本论文主要在界定机械及机械工程学的概念的基础上，对机械设计制造的定义和核心要素进行了诠释，并以机械设计制造核心要素为划分依据，对机械设计制造发展历史进行了论述；并对机械设计制造自动化的产生及发展方向进行探究，以及简要阐述机械设计制造自动化在航空航天领域的应用。
关键词：机械设计制造定义和发展历程；机械自动化产生及发展方向；航天航空领域
一、机械设计制造的定义和发展历史
（一）机械设计制造的定义
如何定义机械设计制造，首先必须了解两个概念：“机械”和“机械工程学”。所谓机械，简单的说，机械是一切具有确定的运动系统的机器和机构的总称。按照机械工程学对机械概念的定义——机械被认为是能够实现相互的、单一的、规定的运动，且假定力加到其各个部分也难以变形，并能够把施加的能量转变为最有用的形式或转变为有效的机械功的某些物体的组合。
而机械工程学，就是以有关的自然科学和机械技术科学为理论基础，结合在生产实践中积累的技术经验，研究和解决在开发设计、制造、安装、运用和修理各种机械中的理论和实际问题的一门应用学科①。
那么，什么是机械设计制造呢？根据上文我们可以做出如下定义：
机械设计制造，是指利用机械工程学理论，将若干物体组成能用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机构部件相互联系的系统的过程。机械设计制造包含了三大核心元素：机械设计制造经验及理论、机械设计制造所应用的材料、机械设计制造所应用的动力。
机械设计制造经验及理论，代表着人类对于机械设计制造领域的智力认知水平，是机械设计制造进步与发展的基石。人类最初的机械设计制造经验源于40～50万年前的原始木石工具的制作工艺；而4～5万年前出现的磨制技术，已经使当时的人们能够打磨光滑锋利多种刃部形状的石器；商周时期成熟的青铜冶铸技术，分铸法等先进工艺的广泛使用，对杠杆、尖劈、惯性、摩擦、弹性和重力等原理的利用，使得这一时期机械在结构方面由简单工具发展为复合工具和较为复杂的机械；17世纪欧洲随着自由落体定律、惯性定律及牛顿三大定律的提出，进而推动了近代机械设计的理论（也称常规机械设计理论）的诞生，其作为技术理论支撑，极大推动了18世纪工业革命中蒸汽机械设计制造的发展……这些，都体现了机械设计制造经验及理论的基石作用。
机械设计制造所应用的材料质量和性能，很大程度上影响着机械设计制造产品的可靠性和先进性。人类历史上机械设计制造应用材料可以划分为木石器时代、青铜器时代、铁器时代、金属与金属合金时代、化学聚合物及新合成材料时代。
机械设计制造所应用的动力，是一切机械力量的来源。动力对机械结构和性能具有一定得局限性，如人力和畜力只限于小体积或小重量机械的，风车或水车则需要风力或水力，而蒸汽机、轮船、火车等就需要大型动力。所以动力对机械来制造设计具有重要性作用。机械设计制造所应用的动力一般包括自然动力、热力、电力等。
（二）机械设计制造的发展历程
机械设计制造的历史源远流长，其最早的雏形诞生于石器时代，经历了从各种石质、木质、皮质的简单工具，进步到制造多个零部件组成现代机械的漫长过程。笔者以机械设计制造经验及理论、机械设计制造应用材料、机械设计制造应用动力三大核心元素为区分点，认为机械设计制造的历史可以划分为三个时代：机械制造直觉设计时代、机械制造经验设计时代、机械制造理论设计时代。
机械制造直觉设计时代，也可以叫做机械设计起源和古代机械设计时代。其时间跨度从古代社会到17世纪。机械设计制造经验及理论水平主要有古代数学，金属锻造冶铸技术，木工机械技术，与杠杆、尖劈、惯性、摩擦、弹性和重力等原理相关的简单物理知识。机械设计制造所应用的材料主要为木器、石器、青铜器和铁器。机械设计制造所应用的动力主要以人力、畜力、自然动力为主。
机械制造经验设计时代，也可以叫做近代机械设计时代。其时间跨度从17世纪瓦特制造出第一台蒸汽机至20世纪40年代。机械设计制造经验及理论水平主要是在古典力学的基础所建立和发展成的近代机械设计理论；1854年德国学者劳莱克斯发表著作《机械制造中的设计学》，融合（材料、弹性、流体、力学、疲劳）各种新力学理论、疲劳强度理论、实验应力分析方法等，所建立的以力学和制造为基础的新科学体系机械设计学等。机械设计制造所应用的材料主要为金属与金属合金，以及陶瓷、玻璃和简单的化学聚合物。机械设计制造所应用的动力主要以热力为主，即以能将常规燃烧反应产生的热能转换为机械功的热力机械为主，如内燃机（包括汽油机、柴油机和煤气机等）、燃气轮机和蒸汽动力装置等。
机械制造理论设计时代，也可以叫做现代机械设计。其时间跨度从20世纪40年代直到现在。机械设计制造经验及理论水平主要有摩擦学、可靠性分析、机械优化设计、有限元计算、人机学、原子能技术、航天技术、人工合成材料、分子生物学、遗传工程等高新技术、系统的“工业设计”学科体系、机械工程学等。機械设计制造所应用的材料主要为新型金属合金材料及新型化学聚合物材料，如新型纤维材料、功能性高分子材料、非晶质材料、单晶体材料、精细陶瓷和新合金材料等。机械设计制造所应用的动力主要以电力为主，即以电能作为动力的能源，如火力（煤等可燃烧物）、太阳能、大型风力、核能、氢能、水利等能源发电，以及将各类燃料如氢、甲醇、天然气、煤气等所包含的化学能直接转换成电能的化学电源，另外也会采用地热能和太阳能等热力作为动力。
二、机械设计制造自动化的产生及发展方向
（一）机械设计制造自动化的产生
所谓自动化，是指人类在从事生产管理事务及日常生活的一切过程中，能够通过采用特定的技术装置和策略以替代人工操作，实现系统在较少的人工干预甚至没有人工干预的情况下，就能达到预期目的的过程。最早的机械设计制造自动化，可以追溯到18世纪蒸汽机时代。1768年瓦特发明蒸汽机时为了其转速保持稳定，所采用的离心调速装置就是世界上最早的机械制造自动化设计。 20世纪40年代，美国数学家维纳等人在自动调节、计算机、通信技术、仿生学以及其他科学互相渗透的基础上提出了反馈控制原理，控制论的产生对自动化技术有着深远影响。从20世纪60年代开始，数字计算机得到广泛应用以及现代控制理论的诞生，使得机械设计制造自动化技术水平大大提高。1984年，美国机械工程师协会对机械设计制造自动化下了如下定义：“由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统”②。
机械设计制造及其自动化是以各种工业机械装备及机电产品从设计、制造、运行控制到生产过程的企业管理为研究对象，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感检测技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，实现机械工业的产品技术结构、产品功能与零部件构成、产品生产方式及综合管理体系，都达到系统功能目标和组织结构目标自动化、智能化、最优化的系统工程技术，是一门日渐发展完善的新兴综合技术学科。机械设计制造及其自动化，对于生产过程的安全性提高、生产产量和质量的目标预期的保证、生产原材料及能源消耗的降低、生产过程中有害污染排放物量的减少控制等都有着积极的作用。
（二）机械设计制造自动化的发展方向
21世纪以来，由于多种技术的存在，特别是计算机技术在机械领域的深度应用，使得机械设计制造及其自动化技术设备在功能性和结构性上都能够满足机器的各种内在外在要求。可以根据产品需要和机械设计制造自动化技术的职能性和可选性，对产品的性质和功能进行设计，确定产品的应用价值。如微电子技术与机械技术的结合使用，可以生成工业机器人、数控机床和加工中心、微型机电系统等机电一体化产品；如计算机优化设计技术、辅助设计技术及计算机控制技术，可以有利于机械设计制造过程实现自动化与最优化，以及实现计算机技术、传感技术、机械设计制造三方面的有机结合……当前各种机电产品设施越来越追求智能化、人性化方面的设计，这就为机械设计制造及其自动化技术的发展提出了必须的要求以及提供了广阔的空间。机械设计制造及其自动化发展方向主要包括：
1.机电一体化
“机电一体化”，即机械技术和微电子技术一体化，是将机电产品的设计过程、制造过程、安装与运行过程等都形成系统化、自动化控制的有机整体，以达到满足产品功能性的内在要求。从原理的角度而言，机械设计制造自动化系统涵盖了机电一体化产品的涵义，机电一体化是机械设计制造自动化本身应有的内涵，是机械自动化概念的发展和延伸。
2.智能化
“智能化”，即对机电产品赋予一定的人工智能，是以现代控制理论为基础，综合应用计算机科学、运筹学、模糊数学、生理学、心理学和动力学等理论或技术，使机电产品在行为方面，对人类智能进行模拟，进而获得一定程度的逻辑思维、判断推理、自主决策等能力，以实现更高层次的自动化控制目标，如工业机器人与数控机床。机械设计制造自动化的智能化发展核心是建立人机一体化智能系统，即智能机器在人类专家的引领下承担一定程度的人类脑力劳动，人机协作实现工作的最优化完成。
3.模块化
“模块化”，即对机电产品按照其通用性进行系列化、模块化的设计。鉴于机械自动化产品类别繁多且生产厂家各有不同，那如何才能保证在设计机械自动化产品单元接口的时候，所研制和开发的各项标准接口（包括机械接口、动力接口、电气接口以及环境接口等）能够符合产品类别，这就需要考虑到各项标准接口的通用性，进行模块化的设计。如动力单元如何实现多级减速、智能减速及电动机一体化的系列研制，如控制单元如何实现具有视觉、图像处理、识别和测距等功能一体化的系列开发等。模块化所带来的标准单元系列化生产，对于新产品研发的技术革新及生产规模扩大都有着巨大的促进作用，有利于提升机械设计企业的效益。
4.数字化
“数字化”，即机械设计制造自动化的网络化信息化。数字化网络经济是信息社会的基本特征，因此数字化成为了机械制造技术发展的中心环节。机械自动化产品的所有产品信息和技术能力，通过数字化网络信息技术，将机械设计所涉及的各种资料进行大数据搜集、大数据分析、智能化重组以及信息化技术处理，以及对于自身的产品通过网络进行信息发布及网络营销。数字化技术能够有效实现机械制造技术与计算机网络技术的有机结合，实现行业资源和技术的优势互补，共同研制新型机械产品。实现机械制造自动化的数字化发展，是21世纪新形势下机械设计制造行业发展的必然趋势。
5.绿色化
“绿色化”，即机械设计制造自动化过程中最大化避免或控制有害污染物的排放量。机械设计制造自动化产品所涉及的各个环节，包括设计、制造、运行控制、生产、销售、使用、维修、回收和再利用或再制造等环节，都应该秉承绿色环保理念、避免污染、坚持实现企业关于产品生产与环境自然的可持续性发展的绿色产品经济概念。机械设计制造及其自动化的“绿色产品化”已经成为了当今时代机械设计制造行业必然的发展趋势。
6.人格化
“人格化”，即強调和突出机械设计制造自动化产品与人的关系，从机械设计产品的最终使用对象“人”出发来研制各种机械设计产品。一方面应该最大化满足人类对所使用的机电产品在智能、情感、人性方面的内在要求；另一方面机电产品所开发出生命体特征，也应该立足于人类所熟悉的生物机理的模仿。
7.微型化
“微型化”，即强调机械设计制造自动化产品设计向微观领域发展的趋势，也被称为微电子机械系统或微机械设计系统。“微型化”机电自动化产品主要指几何尺寸不超过1cm³的机械设计产品，主要应用于军事、生物医疗、信息领域。微机械设计产品所运用的超精密技术，包括光刻技术和蚀刻技术，已经使得微型化机械产品体积能够向微米、纳米级发展。
三、机械设计制造及其自动化在航空航天领域的应用
在航天航空领域，机械设计制造自动化技术，如工业机器人、无人机、航天自动化对接装配技术等，也有着相当广泛的应用。
（一）工业机器人在航空航天领域的应用
工业机器人是机电一体化、智能化的机械设计制造自动化产品，通过预先编排的人工智能程序或人类发出的控制指令，依靠自身动力或控制能力自动行动完成一定操作，以实现目标功能的机器。工业机器人主要由机械系统、控制系统和驱动系统三部分组成，外观一般为多关节机械手或多自由度的机器装置。
将工业机器人应用于航空航天领域，有着不可估量的意义和价值。航空航天装配是一个泛密集劳动力的工作，其装备由于精密度要求很高，需要能够进行高精度操作的大量劳动力，人工操作往往生产周期长。而用工业机器人代替人工操作，一方面可以提高航空航天设备的装配效率，进而缩短生产周期和节约生产成本；另一方面工业机器人自动化智能化程序可以尽量减少人工操作的误差，提高产品的精密度和质量，保证航空航天装备的安全可靠性。工业机器人已经越来越成为航天装配车间的核心技术储备，极大地推动了航空航天事业的发展。
（二）无人机技术在航空航天领域的应用
“无人机”，主要是利用无线电遥控技术，能够通过遥控设备和自备的程序控制装置，有间歇地对其进行操纵或使其完全地自主操作的不载人飞行器，英文缩写为“UAV”。无人机系统主要由机身、电源、数据链系统、飞行管理控制系统、发射及回收系统等组成。飞行管理控制系统是决定着无人机的飞行状况，包括机上和地面两部分，是最为核心的系统。机上部分主要作用于无人机起飞/着落控制、飞行姿态/轨迹/导航控制、自主飞行及飞行安全控制等；地面部分主要作用于无人机飞行定位、监控、位置显示、指令系统等。另外无人机与地面部分在信息反馈和遥控输出指令方面主要依赖于数据链系统，而发射及回收系统则起到了最大化保证无人机起飞/着落顺利的作用。
无人机技术在航空航天领域的应用，给人类的工作生活带来了极大的影响。在军事方面主要在侦察、通信、监视、远距离攻击等方面作为信息化智能化武器；在民用方面主要应用于公共安全、农林植被和气象环境保护、紧急搜寻救护、影视航天拍摄等多个领域。
（三）自动化对接装配技术在航空航天领域的应用
自动化装配，主要是利用机电一体化技术，实现机械设计制造自动化产品代替人工劳动进行自动化装配的一种对接装配技术。航天自动化对接装配技术，主要以机器人为装配机械，和自动化装配中心一起组成航空航天领域柔性装配系统。航天自动化对接装配技术已经广泛应用于飞机总装自动化对接平台（数字化柔性工装系统）、飞机激光跟踪仪测量设备装配（数字化测量定位系统）等航空航天领域尖端技术方面，有利于推动飞机装配与数字化、信息技术相结合，将传统模拟量传递模式转变为数字量传递模式，实现飞机装配数字化、柔性化、模块化、自动化和信息化，从而成为飞机数字化装配技术领域的中间力量。
注释：
①引用自百度百科“机械工程”概念.
②引用自《基于机械设计制造及其自动化的研究》，作者刘东宇，[J].《魅力中国》.2014.
参考文献：
[1]刘超.我国机械设计制造及其自动化发展方向研究[J].河南科技，2013
[2]黎田，胡晓雪，姚为，陈绍勇.机器人在航天裝备自动化装配中的应用研究[J].航空制造技术.2014
[3]冯华山，秦现生，王润孝.航空航天制造领域工业机器人发展趋势[J].航空制造技术.2013