为了满足现代社会对高等院校机械工程专业学生的人才培养需求, 在充分调研及广泛查阅资料的基础上, 我们经过认真的研讨和论证, 共同编写了本教材。机械工程导论是机械设计制造及其自动化专业的必修课之一, 能让学生在入学后充分了解本专业的相关知识和学习概况, 熟悉本专业的知识结构和基本体系, 增强专业学习的兴趣, 具备明确专业学习方向的能力。 近年来, *在新时代中国高等学校本科教育工作会议上明确提出启动一流本科课程建设 ;双万计划, 全面提升本科教育的质量。 为顺应*的号召, 本教材以新工科建设为背景, 以产出为导向, 贯彻专业工程教育认证理念, 融入思政元素, 体现轻工院校特色, 将代表性工作任务经过教学化处理, 确定知识体系、 学习内容和学习模式, 从而能提高学生工程实践能力和创新能力。

本教材为中国轻工业 ;十四五 规划教材、 郑州轻工业大学机械设计制造及其自动化国家一流专业建设教材。 本书主要内容有: 绪论、 机械系统及力学基础、 工程材料及应用、 机械制造装备及加工工艺、 现代机械设计理论与方法、 先进制造技术、 机构与机器人基础、 智能制造、 典型轻工装备、 机械自动化及控制、 现代机械工程教育及创新思维培养。 教材内容覆盖面广, 知识点全, 既包含机械工程专业通用知识, 又涉及典型轻工装备与自动化的内容, 满足轻工类院校学生专业知识的系统学习需求。 本教材的主要特点为多维度地介绍机械工程专业知识, 全面地阐述了机械工程发展前沿技术, 特色明显, 为以后系统的专业课学习奠定一定的基础, 不仅适合高等工科院校机械类专业使用, 也可作为其他专业学生学习机械工程知识的教学用书或参考读物, 还可供相关工程技术人员学习参考。

参加本教材编写工作的有: 郑州轻工业大学巩晓赟 (第1章、 第9章中的9.3_9.4、第10章), 郑州轻工业大学邬昌军 (第2章、 第6章、 第8章中的8.2), 郑州轻工业大学孟凡念 (第4章、 第5章、 第7章中的7.1、 第8章中的8.3), 郑州轻工业大学王若澜(第8 章中的8.1和8.4、 第9章中的9.1_9.2、 第11章), 郑州大学司亮 (第3章、 第7章中的7.2和7.3)。 本教材由郑州轻工业大学王良文、 湖北万佳食品机械装备有限公司方祖成任主审。

在本教材编写过程中, 编者参阅了大量的同类教材、 技术标准和文献资料等, 在此对相关编著者表示衷心的感谢! 由于编者水平所限, 书中难免存在不当及错漏之处, 敬请使用本书的广大师生和其他读者指正。编者2024 年9 月于郑州

机械工程发展史和机械制造业发展趋势，机械工程中的力学、制造装备和工艺，机构与机器人基础，现代机械设计方法，先进制造技术，智能制造，机械自动化与控制，典型轻工装备与自动化，现代机械工程教育及创新思维培养等。教材内容覆盖面广，知识点全，本教材既包含机械工程专业通用知识，又涉及典型轻工装备与自动化的内容，满足轻工类院校学生专业知识的系统学习需求。本教材的主要特点为多维度的介绍机械工程和轻工类的专业知识，全面的阐述了最新的机械工程发展前沿技术，特色明显，为以后系统的专业课学习奠定一定的基础。

巩晓赟 女，副教授，硕士研究生导师，国家自然科学基金通讯评议专家，中国振动工程学会故障诊断专业委员会理事，河南省青年骨干教师，轻工机械系主任。近年来主持参与国家自然科学基金项目5项，主持河南省国际科技合作项目、河南省留学择优资助项目、河南省科技攻关项目等7项；获中国商业联合会科技进步特等奖1项、获河南省科技进步二等奖2项；发表SCI/EI收录论文20余篇，发明专利授权5项，软件著作权12项。

第1章　绪论1　　1.1　机械与机械工程1　　　　1.1.1　机械概述1　　　　1.1.2　机械的分类2　　　　1.1.3　机械工程2　　1.2　机械工程发展史3　　　　1.2.1　古代机械3　　　　1.2.2　近代机械7　　　　1.2.3　现代机械工程12　　1.3　我国机械制造业与发展趋势17　　　　1.3.1　我国当代机械工业17　　　　1.3.2　机械工业发展趋势18第2章　机械系统及力学基础19　　2.1　概述19　　2.2　机械系统19　　　　2.2.1　零件和部件19　　　　2.2.2　机器21　　　　2.2.3　机构23　　　　2.2.4　现代机械系统的组成23　　2.3　机械中的理论力学24　　　　2.3.1　静力学24　　　　2.3.2　运动学25　　　　2.3.3　动力学29　　2.4　机械中的材料力学31　　　　2.4.1　强度问题31　　　　2.4.2　刚度问题33　　　　2.4.3　稳定性问题34　　2.5　机械中的流体力学和振动力学35　　　　2.5.1　流体力学35　　　　2.5.2　振动力学36第3章　工程材料及应用39　　3.1　概述393.2　金属材料及工程应用41　　　　3.2.1　黑色金属42　　　　3.2.2　有色金属45　　　　3.2.3　特种金属48　　3.3　非金属材料及应用49　　　　3.3.1　工程塑料49　　　　3.3.2　合成橡胶51　　3.4　复合材料及应用52　　　　3.4.1　复合材料的概念52　　　　3.4.2　复合材料的性能特点53　　　　3.4.3　复合材料的应用领域54　　3.5　智能材料及应用55　　　　3.5.1　智能材料的概念55　　　　3.5.2　智能材料的构成55　　　　3.5.3　智能材料的特征56　　　　3.5.4　智能材料的分类56　　　　3.5.5　智能材料的应用57第4章　机械制造装备及加工工艺60　　4.1　概述60　　4.2　毛坯制造方法61　　　　4.2.1　铸造61　　　　4.2.2　锻造62　　　　4.2.3　型材等毛坯65　　　　4.2.4　选择毛坯时应考虑的因素66　　4.3　材料热处理66　　　　4.3.1　钢在加热时的转变67　　　　4.3.2　退火68　　　　4.3.3　正火69　　　　4.3.4　淬火70　　　　4.3.5　回火70　　　　4.3.6　渗碳70　　4.4　零件加工制造71　　　　4.4.1　车削加工71　　　　4.4.2　铣削加工71　　　　4.4.3　刨削加工72　　　　4.4.4　磨削加工72　　　　4.4.5　电火花加工73　　　　4.4.6　线切割加工73　　　　4.4.7　电解加工74　　　　4.4.8　超声加工75　　　　4.4.9　激光加工75　　　　4.4.10　3D打印76　4.5　典型加工装备77　　　　4.5.1　机床的定义77　　　　4.5.2　?床的分类77　　　　4.5.3　机床的运动78第5章　现代机械设计理论与方法81　　5.1　概述81　　　　5.1.1　现代设计方法的发展81　　　　5.1.2　常用的现代设计方法82　　5.2　创新设计方法86　　　　5.2.1　分析综合法86　　　　5.2.2　联想法87　　　　5.2.3　还原法88　　　　5.2.4　仿真与变异法88　　　　5.2.5　思维扩展法88　　5.3　优化设计89　　　　5.3.1　优化设计的概念89　　　　5.3.2　优化设计的数学模型89　　　　5.3.3　基于代理模型的机械设计91　　5.4　有限元法93　　　　5.4.1　有限元法基本原理94　　　　5.4.2　有限元法软件96　　5.5　可靠性设计96　　　　5.5.1　可靠性学科的发展96　　　　5.5.2　可靠性的定义97　　　　5.5.3　可靠性特征量98　　　　5.5.4　机械的力学强度可靠性设计98第6章　先进制造技术100　　6.1　先进制造技术的发展概况100　　　　6.1.1　先进制造技术生产模式的变革100　　　 6.1.2　先进制造技术的特征与内涵102　　6.2　精益生产和准时制生产105　　　　6.2.1　LP的基本概念及发展背景105　　　　6.2.2　LP的体系构成106　　　　6.2.3　LP的应用案例107　　6.3　敏捷制造与虚拟制造108　　　　6.3.1　敏捷制造的基本概念及发展背景108 　　　　6.3.2　敏捷制造的体系结构109　　　　6.3.3　敏捷制造的应用案例114　　6.4　全面质量管理115　　　　6.4.1　全面质量管理的基本概念及发展背景1156.4.2　全面质量管理的体系结构116　　　　6.4.3　全面质量管理的应用案例122　6.5　绿色制造123　　　　6.5.1　绿色制造的基本概念及发展背景123 　　　　6.5.2　绿色制造的体系结构125　　　　6.5.3　绿色制造的应用案例127第7章　机构与机器人基础129　　7.1　机构与传动的基本概念129　　　　7.1.1　机构的概念129　　　　7.1.2　机构的组成131　　　　7.1.3　机械的效率132　　　　7.1.4　机械的自锁135　　7.2　典型机构及传动的结构及特点1367.2.1　平面连杆机构136　　　　7.2.2　凸轮机构140　　　　7.2.3　齿轮传动143　　　　7.2.4　其他机构150　　7.3　工业机器人的典型结构及技术指标1507.3.1　概述151　　　　7.3.2　工业机器人常用运动学构形154　　　　7.3.3　机器人的主要技术参数155　　　　7.3.4　机器人常用材料157　　　　7.3.5　机器人主要结构157　　　　7.3.6　机器人的控制系统160第8章　智能制造163　　8.1　智能制造基本内涵及发展进程163　　　　 8.1.1　智能制造的定义163　　　　8.1.2　面向智能制造的人_信息_物理系统163 　　8.2　数字化、网络化、智能化技术169 　　　　8.2.1　智能制造相关赋能技术概述169　　　　8.2.2　数字化技术170　　　　8.2.3　网络化技术171　　　　8.2.4　智能化技术171　　8.3　智能产品173　　　　8.3.1　智能产品是智能制造价值创造的核心173　　　　 8.3.2　数字化、网络化、智能化是产品升级换代的主要路径175　　　　8.3.3　数字一代产品__第一代智能产品176　　　　8.3.4　网联一代产品__第二代智能产品179　　　　8.3.5　智能一代产品__新一代智能产品181 　　8.4　智能工厂185　　　　8.4.1　离散型制造业185　　　　8.4.2　数字化、网络化走向智能化186第9章　典型轻工装备189　　9.1　轻工装备分类与特点189　 9.1.1　轻工行业分类189　　　　9.1.2　轻工机械190　　9.2　包装机械191　　　　9.2.1　概述191　　　　9.2.2　容器和材料清洗机械193　　　　9.2.3　袋装机械195　　　　9.2.4　灌装机械198　　　　9.2.5　封口机械202　　　　9.2.6　裹包机械204　　　　9.2.7　贴标机械208　　　　9.2.8　自动包装生产线的相关技术与应用210 　　9.3　典型食品机械211　　　　9.3.1　概述211　　　　9.3.2　剥壳去皮与去核设备215　　　　9.3.3　成型设备224第10章　机械自动化及控制234　　10.1　机电一体化234　　　　10.1.1　机电一体化的定义234　　　　10.1.2　机电一体化的基本组成234　　　　10.1.3　机电一体化系统的设计流程235　　　　10.1.4　典型的机电一体化产品236　　　　10.1.5　机电一体化的发展趋势238　　10.2　传感与检测技术239　　　　10.2.1　传感器的定义239　　　　10.2.2　传感器的工作原理240　　　　10.2.3　传感器的分类241　　　　10.2.4　测试系统的组成242　　　　10.2.5　传感与检测技术在典型工业中的应用243 　　　　10.2.6　传感与检测技术的发展趋势243 　　10.3　自动控制系统244　　　　10.3.1　自动控制定义244　　　　10.3.2　自动控制系统基本环节244　　　　10.3.3　自动控制系统的工作原理245　　　　10.3.4　自动控制的发展趋势246　　10.4　机械故障诊断与智能运维246　　　　10.4.1　故障的定义246　　　　10.4.2　故障的分类247　　　　10.4.3　故障诊断的内容247　　　　10.4.4　故障诊断方法248　　　　10.4.5　状态维修与故障预测249　　10.5　轻工装备的自动化与智能化技术251　　　　10.5.1　包装机械的自动化与智能化25210.5.2　典型轻工生产过程的自动化与智能化253第11章　现代机械工程教育及创新思维培养264　　11.1　现代机械工程教育264　　　　11.1.1　机械工程教育264　　　　11.1.2　机械工程教育现状264　　　　11.1.3　机械工程教育的发展趋势266　　11.2　机械工程学科与培养体系266　　　　11.2.1　机械工程学科的含义266　　　　11.2.2　机械工程学科的培养体系267　　11.3　机械创新思维培养268　　　　11.3.1　创造性思维268　　　　11.3.2　创新设计方法269　　　　11.3.3　机械创新设计方案实例270　　11.4　机械类工程人才需求270　　　　11.4.1　机械类专业的就业方向270　　　　11.4.2　机械类专业的发展领域271参考文献273

第1章　绪　论1. 1　机械与机械工程1. 1. 1　机械概述;机械 一词由 ;机 与 ;械 两个汉字组成。 ;机 之本义指机械装置中构成转动副的转动构件; ;械 在中国古代原指某一整体器械或器具。 这两字连在一起, 组成 ;机械 一词, 构成一般性的机械概念, 《韩非子》 卷十五 《难二》 中有类似的论述: ;审于地形、 舟车、 机械之利, 用力少, 致功大, 则入多。 (图1_1) 由此可知中国最迟在战国时期已形成了与现代机械工程学之 ;机械 含义较相近的概念。;机械 英文为Machine, 源于希腊语之Mechine 及拉丁文Machina。 1841 年英国机械学家威利斯 (R.Willis) 在 《机构学原理》 给出的定义是: ;任何机械 (Machine) 都是由用各种不同方式连接起来的一组构件组成, 使其一个构件运动, 其余构件将发生一定的运动, 这些构件与最初运动之构件的相对运动关系取决于它们之间连接的性质。机械 (Machine) 就是一切具有确定的运动系统的机器和机构的总称, 能够将能量、力从一个地方传递到另一个地方的装置。 机械是一种人为的实物构件的组合, 且各部分之间具有确定的相对运动, 同时能代替人类的劳动以完成有用的机械功或转换机械能。 从结构和运动的观点来看, 机构和机器并无区别, 泛称为机械。 机械能改变物体的形状结构,创造出新的物件。

机械是现代社会进行生产和服务的五大要素 (人、 资金、 能量、 材料和机械) 之一。机械工程的服务领域广阔而多面, 凡是使用机械、 工具, 以及能源和材料的生产部门, 都需要机械工程的服务。 与日常生活息息相关的各种装置, 如电灯、 电话、 电视机、 冰箱、电梯等都包含有机器的成分, 或者包含在广义的机械之中; 在生产制造中, 各种机床、 自动化装备、 盾构机、 飞机、 轮船、 高铁、 飞船等, 都属于机械装备。 概括起来, 现代机械工程包含五大服务领域: ①研制和提供能量转换机械; ②研制和提供用以生产各种产品的机械; ③研制和提供从事各种服务的机械; ④研制和提供家庭和个人生活中应用的机械;⑤研制和提供各种机械武器。