摘要：机械的进步与人类的进步紧密相连，科技的每一次飞跃都为人类社会带来前进的动力。本文以机械进步的历史脉络为基础，探讨了机械的诞生以及其向自动化控制的转变。文章梳理了现代机械设计、制造和自动化的主要特点，并从历史发展的角度出发，对未来的机械发展趋势进行了预测和期待。

关键词：机械发展历程；机械设计制造；自动化；发展趋势

在现代社会，各个行业的繁荣与机械技术的革新紧密相连。机械技术的进步不仅催生了新的工程技术和产业生态，而且为它们的成长提供了动力。例如，蒸汽机车的发明促进了铁路运输系统的扩展。同时，其他科学领域的进步也加速了机械技术的发展。随着电子计算机技术的飞速进展，机械自动化控制技术也随之诞生并迅速演进。[1]机械技术在满足行业多样化需求的同时，融合了多领域知识的精华，并持续进行着改进与创新。

一、机械设计制造的历史进程

（一）按照时间的进程

（1）从古代社会到十七世纪

在探索国内历史遗迹的过程中，我们发现了约200万年前的原始工具，这些最早的工具主要是简单的打制石器和木棒。这些工具的制作方法相对原始，只需手工操作即可。大约5万年前，人类发明了弓箭等复合工具，这种工具的出现标志着人类从单一工具时代迈向了综合工具时代。

大约1万年前，随着氏族公社的出现，人类开始进入石制磨具时代。这一时期，人类的生活逐渐稳定，农业文明开始崭露头角。磨制石器时代的工具技术达到了非金属工具的巅峰，各种材质的工具如石、木、骨等得到了广泛应用。[2]组合工具逐渐成为主要的生产工具类型。

随着时间的推移，中国在5000年前进入了青铜时代。然而，直到4000多年前，二里头遗址才开始使用青铜生产工具。在3500年前，青铜器发展迅速，春秋战国时期达到鼎盛，并逐渐过渡到铁器时代。商朝中叶，距今3300年，牛耕出现，动物动力开始被应用于农业生产。

14世纪以后，欧洲的机械技术取得了显著进步。16世纪，文艺复兴时期，大量机械发明涌现，极大地推动了机械生产和技术的进步。其中，意大利的画家和科学家达·芬奇贡献了许多重要发明，如自动驾驶汽车、纺织机、螺旋桨、降落伞、飞机、坦克、螺纹机等。[3]此外，他还绘制了数千张关于钟表、自行车、印刷机、起重机等方面的手稿。众多发明者的出现引发了一场产业革命浪潮，学院、工厂和大学纷纷涌现，为后来的工业革命奠定了基础。

（2）从十七世纪到第二次世界大战结束

在十七世纪的欧洲，手工业、航海和制造工业如雨后春笋般涌现，这些行业纷纷遭遇技术上的瓶颈与挑战。在这样的背景下，1642年，英国率先成立了“皇家学会”，随后德国、法国、意大利等国家也相继成立了类似的科研机构。这些机构的成立，为科学研究和技术创新提供了重要的平台。同年，艾萨克·牛顿提出了三大运动规律，并在1688年建立了液体粘性拖曳的计算公式，这些成果为经典机械学的发展奠定了坚实的基础。到了1705年，伯努利利用微积分理论推导出了梁曲率的公式，为现代机械设计理论的形成提供了重要的理论支撑。这些理论的发展，为后来的工业革命中机械制造业的飞速发展提供了强有力的支撑。

在实践应用方面，纽可门公司以萨弗里的蒸汽发动机为蓝本，开发出了具有6匹最大马力的空气活塞发动机。随后，瓦特在1776年发明了真正意义上的蒸汽发电机，这一发明极大地推动了纺织、造船、采矿、冶炼等行业的发展，同时也促进了机械工业的飞速发展。[4]机械化生产不仅提高了生产效率，还推动了各行各业对机械需求的不断增长。

随着机械工业的不断发展，人们对机械性能的要求也越来越高。为了满足这些需求，机械设计领域也在不断发展。1854年，德国人劳莱克斯出版的《机械制造中的设计学》一书，标志着机械设计学作为一门独立学科的诞生。该书将机械设计与机械制造相结合，为机械设计提供了新的理论基础和实践指导。

在此后的岁月里，随着疲劳强度、接触应力、高温蠕变、流体动压润滑、弯曲疲劳强度等领域的深入研究，以及新工艺、新材料、新结构的不断涌现，机械设计领域取得了显著的进展。这些进步不仅推动了机械工业的发展，也为人类社会的进步做出了重要贡献。

（3）第二次世界大战结束直到现在

第二次世界大战后，机械设计领域迎来了理论基础的飞跃性发展。与此同时，原子能技术、航天技术、电子计算机技术等高科技的崛起，预示着第三次科技革命的到来。在机械设计领域，摩擦学、可靠性分析、机械优化设计、有限元计算等新兴学科的出现，极大地提升了机械设计的效率与品质。[5]计算机的广泛应用进一步推动了机械的自动化水平，赋予了机械工业全新的特点。

在这一时期，美国菲拉德尔菲机械厂的泰勒等人对机械技术进行了深入研究和改进，成功改良了塞兹的机械，而F·W·泰勒和怀特等人则发明了新型的超高速钢，极大地提高了切削效率。

随着现代工业对机械精度要求的不断提高，千分尺和游标卡尺等精密量具相继问世，以满足高精度测量的需求。同时，机械自动化水平也在不断提高，数字控制系统和CNC机械等技术的应用，为机床制造业带来了革命性的变革。

一九四八年，美国在设计直升机桨叶模型时，率先引入了数字控制系统。随后，帕森斯公司与麻省理工的伺服装置实验室合作，共同研发出全球首款CNC加工原型，标志着机床制造业数字化管理的开端。

一九六七年，美国R·L·福克斯提出了优化设计的概念，而英国莫林斯公司则基于威廉森的FMS理论，开发了一种灵活的生产体系“系统24”。尽管该系统因经费和技术原因未能达到预期目标，但它为后来的柔性制造系统奠定了基础。

日本在柔性制造领域也取得了显著成就。一九七六年，日本Fancu公司展示了一个包含处理中心和工业机器人的灵活生产装置，这是其开发FMS的关键装备。一九八二年，Fancu公司建成了全球首家全自动加工厂，展示了机械自动化和微机一体化的重大进步。

随着计算机技术的深入应用，机械的生产效率和精度得到了显著提升。这一系列的创新和发展，不仅推动了机械工业的进步，也为现代工业的发展奠定了坚实的基础。

（二）按照材料

（1）石器发展阶段

在考古学的研究中，旧石器时代被定义为以制作和使用打制石器为主要特征的文化时期，这标志着石器时代的初期阶段。据科学界普遍认同的时间划分，旧石器时代从大约250万年前开始，一直持续到约1万年前。目前，我们对旧石器时代的了解主要基于对该时代早期、中期和晚期三个主要阶段的考古发现。

在上新世晚期的非洲，一种被称为“能人”的古代人类祖先被发现，他们是最早制作石器的人类。奥杜韦文化中的薄片和石头核心制作技术，据说就是由这些“能人”所发明的。石材工艺之所以得名，是因为最早的相关考古证据是在坦桑尼亚的奥杜韦峡谷中发现的。大约在150万年前，进化更为先进的直立人开始出现，考古研究表明，他们已经掌握了使用火和制作更精细工具的技能，并且他们的活动范围逐渐从非洲扩展到亚洲，例如中国的周口店猿人，而欧洲则是在更晚的时期才开始有人类活动的证据，最早的是一把约有100万年历史的手斧。

新石器时代在考古学中被视为石器时代的最后阶段。在这个时期，磨制石器成为最主要的生产工具，这一时代大约始于1万8000年至2000年之间。在新石器时代，人类开始了农业和畜牧业的革命，这标志着人类不再完全依赖于自然，而是可以通过农业生产来维持生活。随着农业和畜牧业的发展，人类的生活方式也从游牧转变为定居农耕。在这一背景下，人类开始更多地关注自身的发展，进而诞生了属于自己的文明。

（2）青铜器发展阶段

在青铜文明时期，人们广泛使用青铜制作各种工具。青铜是由红铜与锡或铅混合而成的合金，因为在高温下呈现出青灰色，所以得名“铜”。其熔点介于700℃至900℃之间。当铜中加入10%的锡时，其硬度会显著增加，达到红铜的4.7倍。

在青铜时期的早期，青铜的使用相对较少，石制工具仍然占据主导地位。然而，随着时间的推移，青铜在生产工具中的比例逐渐增加。这一变革显著提高了农业和手工业的生产效率，丰富了人们的生活。

青铜时期大约始于公元前4000年，延续至公元1世纪。在这个时期，全球各地都进入了青铜时代。伊朗南部、土耳其和美索不达米亚地区是最早使用青铜的地方，约在公元前4000至3000年之间。接着，在公元前4000至3000年间，欧洲也广泛采用了青铜器。印度和埃及则在公元前3000至2000年间开始使用青铜器，而美洲直到公元11世纪才出现青铜冶炼制造中心。

在全球范围内，青铜器时期出现了许多大规模的青铜冶铸中心，这些中心成为古代文化的发源地。在古埃及、爱琴海、美索不达米亚、中国等地，青铜文明非常发达。

（3）铁器时代的发展

根据考古资料，铁器时期是指人们开始使用铁制作工具和武器的时代。与早期的石器时代和青铜器时代不同，铁器时代的出现主要是由于农耕技术的发展、宗教信仰的兴起以及文化形态的变化。在铁器时期，人类社会经历了快速的发展。

铁器时代通常被分为两个阶段：初期和后期。在初期，铁器的使用逐渐普及，而在后期，各个国家开始记录自己的文化，并采用各自王朝的名称作为纪元。

在三代法律中的第三个阶段，即最重要的阶段，每个地区都经历了漫长的岁月。例如，位于同一片土地上的罗马和日耳曼王国在不同的年代里进入了一个新的金属时代。

尽管每个地区都有自己的时代划分，并且很难用精确的年代来表达，但铁器时代与石器时代和青铜时代之间的差异非常清晰。由于铁的坚硬性和铁矿石的丰富性，铁器的价格比青铜要低得多，使用范围也更广泛。

（三）按照动力

（1）自然动力阶段

自从人类成功驯化动物以来，动物动力的交通工具就随之诞生。最早的水车记载出现在灵帝指派毕岚制造“翻车”之前，那时已经有了轮轴和槽板等装置。到了唐朝时期，水轮技术得到了显著提升，车轴的使用也更加先进，引入了水力驱动的转鼓，结合池塘和连管系统，能够实现水的自动升降输送，大幅节省了人力。元朝和明朝期间，车轴技术进一步进化，一个水轮不再仅限于一组齿轮，而是配备多组齿轮，还出现了依靠水力、牛力、驴力等驱动的多种类型的转翻车。

在19世纪，丹麦人开始利用风力来发电。随着科技的发展，风力发电机的最高输出功率已经达到了15千瓦。相比之下，中国的风电技术起步较晚，但在2001年与西安交通大学、复旦大学等高校联合进行技术攻关，并在2002年研发出全球首台新一代立轴式风电机组，从而填补了中国在风电领域的空白。此后，该技术经过多次改进和测试。到2002年年底，该技术已为军队提供了超过60台立轴式发电机，对国家的国防建设做出了重要贡献。

（2）热力发动机阶段

热机是一种将燃料或地热能产生的热量转化为机械能的装置，它是目前人类使用的最广泛的机械设备。常见的热机包括燃气轮机、内燃机和蒸汽发电厂等。

在17世纪，瓦特发明了蒸汽机，并对其进行了多次改进，最终将其应用于工业生产，这标志着人类进入了蒸汽时代。1794年，英国的斯特里首次提出了燃油与空气混合燃烧的概念。1833年，赖特根据燃油燃烧产生能量的原理，发明了一种通过燃烧压力驱动活塞的机械。19世纪，人们对热能转化为机械能的原理有了更深入的理解，为内燃机的诞生奠定了基础。

19世纪60年代，出现了一种活塞发动机，它经过不断发展和完善，逐渐成为一种成熟的机械。活塞发动机具有高热效率、大功率、宽广的转速范围、方便匹配和良好的机动性等优点，因此得到了广泛的应用。大部分汽车和工程机械都采用内燃机作为动力源。在全球范围内，内燃机在电力设备中占据主导地位，对人们的日常生活起着重要作用。

（3）电力阶段

电力使用电能作为动力源。在20世纪70年代，人们发现了电能并开始利用它，这引发了一场新的工业化热潮，改变了我们的生活方式。20世纪兴起的大型电网是一个由发电、输电、配电和用电等多个环节组成的系统，它是世界上最伟大的研究成果之一。如今，我们生活在一个网络时代，拥有了电子计算机、电视、手机等电子设备。目前，发电的方式包括燃煤发电、水力发电、风力发电、太阳能发电和核电等。在未来，电能将成为最广泛使用的能源形式。

二、机械设计制造及其自动化的发展趋势

（一）绿色化

随着机械技术的进步，人们的生活质量得到了显著提升。然而，随着人类活动的不断增加，我们的生存环境也在逐渐恶化。为了节约能源、保护环境并提高机械的能源效率，我们需要减少在生产、使用和废弃过程中对环境的破坏。这样，我们才能合理利用资源，有效地保护环境，实现可持续发展的目标。

（二）网络化

在20世纪的90年代，互联网的诞生和快速扩展彻底转变了人类的生产和生活模式。随着计算机网络技术的不断进步，全球经济、生产活动以及基于网络的监控和遥控技术都实现了显著的发展。例如，SLM Solutions公司的金属打印设备能够通过网络实现远程和实时的控制。我们预见，在未来，互联网将进一步渗透到社会的各个层面。

（三）模块化

由于不同国家的制造能力存在差异，制定一套统一的制造标准是具有挑战性的。因此，实现机械的模块化设计是一项复杂的任务，涉及机械接口、电气接口、电源接口和环境接口的开发，这是一项既复杂又至关重要的工作。然而，一旦建立了标准化的模块，就能够加速新产品的研发流程，扩大生产规模，并简化设备的维护和服务过程。

（四）虚拟化

虚拟技术通过模拟和检查产品的开发与生产过程，能够评估产品的可制造性和工艺的合理性，进而优化生产流程，确保产品品质。此外，该技术还可以用于生产规划、管理组织和物流规划的模拟。基于虚拟现实技术的进步，其应用价值得到了显著增强，使得人们能够详细预览尚未完成的机械或工厂的细节。

结论

制造技术是反映一个国家科技实力的关键标志，也是各国竞争的焦点。由于我国制造业起步较晚，尽管近年来在某些领域已迎头赶上欧美等发达国家，但在基础制造工艺上仍显不足。我们需意识到机械制造技术在国家经济中的重要性，树立人才培养的观念，推动我国从制造业大国向制造业强国转变，并积极开发高科技产品。

参考文献

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[2]张子彪.智能制造背景下机械设计制造及其自动化技术发展趋势分析[J].大众标准化，2023，（11）：140-142.

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[4]陈威.机械设计制造及其自动化的优势及发展趋势探讨[J].机电产品开发与创新，2023，36（02）：162-164.

[5]陈永虎，高刚毅，鄢发东.智能制造背景下纺织机械设计制造及自动化技术的发展趋势浅析[J].化纤与纺织技术，2023，52（02）：128-130.

作者简介：滕方荧，女（1997.03-）汉族，山东宁津，本科，主要研究方向：机械工程