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机械原理发展现状与趋势 【摘要】 机械原理学科在发展国名经济发面及其在培养高级机械工程技术人才全局中占有重要地位。通过应用机构设备使科学技术得到迅速发展。在各个领域的优化设计使得生产的水平不断提高。随着生产对技术现代化的要求不断提高，机械原理学科也会继续迅速的得到发展。关键词：机械原理; 机构； 科学技术的发展；优化设计 机械原理简介机械原理，研究机械中机构的结构和运动，以及机器的结构、受力、质量和运动的学科。人们一般把机构和机器合称为机械。机构是由两个以上的构件通过活动联接以实现规定运动的组合体。机器是由一个或一个以上的机构组成，用来作有用的功或完成机械能与其他形式的能量之间的转换。这一学科的主要组成部分为机构学和机械动力学。不同的机器往往由有限的几种常用机构组成，如内燃机、压缩机和冲床等的主体机构都是曲柄滑块机构。这些机构的运动不同于一般力学上的运动，它只与其几何约束有关，而与其受力、构件质量和时间无关。1875年 ，德国的 F.勒洛把上述共性问题从一般力学中独立出来，编著了理论运动学一书，创立了机构学的基础。书中提出的许多概念、观点和研究方法至今仍在沿用。1841年，英国的R.威利斯发表机构学原理。19世纪中叶以来，机械动力学也逐步形成。进入20世纪，出现了把机构学和机械动力学合在一起研究的机械原理。1934年，中国的刘仙洲所著机械原理一书出版。1969年，在波兰成立了国际机构和机器原理协会，简称IFTOMM。机构学的研究对象是机器中的各种常用机构，如连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、螺旋机构和间歇运动机构（如棘轮机构、槽轮机构等）以及组合机构等。它的研究内容是机构结构的组成原理和运动确定性，以及机构的运动分析和综合。机构学在研究机构的运动时仅从几何的观点出发，而不考虑力对运动的影响。 1.机器与机构机器是人为实物的组合体,具有确定的机械运动,它可以用来转换能量、完成有用功或处理信息,以代替和减轻人的劳动。机构是人为实物的组合体,具有确定的机械运动,它可以用来传递和转换运动。机器与机构二者的联系是:1)机器和机构都是人为实物的组合体,都具有确定的机械运动;2)机器是由机构组成的,简单的机器可能只有一个机构,但一般会有多个机构。如空气压缩机只含有一个连杆机构,而内燃机则含有连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等。机器与机构二者的区别是:单个机构不具有转换能量或完成有用功的功能,而只能传递与改变运动和动力;而机器可以完成有用功、能量转换或处理信息。机械则是机器和机构的总称。2.构件与零件构件是组成机构并具有确定运动的单元,零件是指不可再拆分的最小制造单元。一个构件可以是由一个零件组成,也可以是由若干个不同的零件装配组成,但这些零件间没有相对运动,它们作为一个整体来运动。构件与零件的区别在于构件是运动的单元,零件是加工制造的单元。由于机构各构件之间的相对运动与组成构件的零件形状和数量、构件的外形及其截面的形状和尺寸等因素无关;因此,在机械原理课程中机构的分析与综合及机械系统运动方案设计都是以构件为最小单元进行研究的,并用简单的线条和规定的符号来表示构件。搞清楚这些,学生们在以后学习机构运动简图绘制内容时就不会迷惑不解了。3.运动链与机构特别要强调的是运动链的概念以及它与机构的关系。运动链是由若干个构件通过运动副连接组成的构件系统。如果运动链中每个构件至少包含两个运动副元素则各构件形成首末封闭的系统称为闭式链;否则称为开式链。在运动链中,若将某一构件固定作为机架,并给定另外一个或少数几个构件的运动规律,则运动链中其余构件的运动便随之确定,这种运动链便成为机构。凡是机构都具有确定的运动。这一点在目前的多数机械原理教材中都没能阐述清楚机械动力学的研究对象是机器或机器的组合。研究内容是确定机器在已知力作用下的真实运动规律及其调节、摩擦力和机械效率、惯性力的平衡等问题。按机械原理的传统研究方式，一般不考虑构件接触面间的间隙、构件的弹性或温差变形以及制造和装配等所引起的误差。这对低速运转的机械一般是可行的。但随着机械向高速、高精度方向发展，还必须研究由上述因素引起的运动变化。因而从40年代开始，又提出了机构精确度问题。由于航天技术以及机械手和工业机器人的飞速发展，机构精确度问题已越来越引起人们的重视，并已成为机械原理的不可缺少的一个组成部分。1.原始机械在远古时期,人类就创造并使用了杠杆、滑轮、斜面、螺旋等原始单机械。埃及在修建金字塔的过程中就使用了滚木来搬运巨石。阿基米德用螺旋将水提升至高处,那就是今天的螺旋式输送机的始祖。有着悠久文明史的中华民族,在机械方面有许多发明创造,在一些专用机械的设计和应用上都有自己的特色。如指南车、水排、地动仪等,均有独到之处。指南车是我国古代的文化瑰宝之一,是古代科技成果的杰出代表。指南车巧妙利用了齿轮传动机构,不管车子向何方行驶,放于车子上的木人的手臂始终指向南方。这一发明充分体现了古人伟大的智慧,是中国人民的骄傲。原始机械仅用人力、畜力和水力来驱动,其功能是减轻人的体力劳动,是动力制约了机械的发展。2.传统机械18世纪瓦特发明了蒸汽机,揭开了工业革命的序幕。蒸汽机给人类带来了强大的动力,各种动力驱动的机械如纺织机、车床等如雨后春笋般出现。19世纪内燃机和电动机的发明是又一次技术革命。在绝大多数场合,电力代替了蒸汽,在机床和纺织机上都安装了独立的电机。而内燃机的发明则为汽车、飞机的出现提供了可能。与原始机械相比,传统机械具有了自己的“心脏”动力驱动,其功能不只是减轻人的体力劳动,而且可以替代人的体力劳动。3.现代机械在20世纪后半叶计算机的发明是科学发展史上划时代的大事。随着计算机的问世,机器人作为现代机械的典型代表被越来越广泛地应用于工业生产中,承担着许多人们无法完成的工作。电子技术以及计算机技术与机械的结合使得机械变得越来越自动化,越来越智能化,机器甚至可以在无人操作下正常的运行。现代机械正向着主动控制、信息化和智能化的方向发展,必将大大改善人类的生产和生活。与传统机械相比,现代机械具有了自己的“大脑”控制系统,其功能不只是替代人的体力劳动,而且可以 替代人的脑力劳动。1生产的发展促进了机械原理学科的发展。而学科的发展又反过来为生产的发展提供了有利条件，促进了生产的发展。随着科学技术的发展，为了更好地满足生产实际的需要和机械自动化的要求,就需要不断创新一些新型机构,因而以机构创新为主要内容的机构学得到了迅速发展。例如多杆多自由度的平面连杆机构、空间机构、各种组合机构（包括各种含有挠性构件的组合机构）、机、电、液一体化的机构都在研究之中，有些已得到应用。同时机器人、机械手等仿生机械得到较快的发展,包括高温、高压、有毒、有放射性等特殊条件下工作的机器人和机械手。例如宇宙飞船上用于收回卫星的机械臂；在核电站安装设备的机器人；在深海海底作业的机器人等。此外,微技术的发展,还创造了一些微型机械。如可在人的腹腔内进行外科手术的手术刀,甚至可在人的血管中爬行的微型机器人等都已经使用。为了对这些新型机械的分析及设计,机械原理学科近年来也发展了许多新的理论和方法,并引入了一些不同的数学及力学工具,特别是计算机的推广应用,为机械原理学科的发展提供了极有利的条件。计算机辅助分析、计算机辅助设计、优化设计（包括多目标优化设计）都得到迅速发展,并且渐趋成熟。由于机械向高速度、高精度、高负荷、高效率等方向发展，也给机械原理学科提出了一些新的课题，开辟了一些新的研究领域。例如，对于高速重载机械来说，不仅要研究其运动性能，还要研究其动力性能，有时还要考虑构件的弹性形变、质量分布、连接间隙及机械中摩擦等对机械工作的影响，考虑机械的振动冲击和平衡问题。（1） 现代机械发展的趋势 现代机械工业日益向高速、重载、高精度、高效率、低噪声等方向发展。对机械提出的要求也越来越苛刻。如有的需用于宇宙探测,有的要在深海作业；有的小到能沿人体血管爬行,有的又是庞然大物；有的速度数倍于声速,有的又要作亚微米级甚至纳米级的微位移,如此等等。 举例：中国工程机械市场突破2000亿元大关；各龙头企业已经不满足将产品出口到海外，纷纷把触角伸向了海外投资。中国本土工程机械企业初显大企业气质；并购事件此起彼伏；国产挖掘机市场占有率达到23%；各大企业布局，抢滩土石方机械制造资源；汽车起重机行业事端不断；竞争水平提升促发新兴信用销售模式在过去的2年，中国工程机械行业经历着沉落起伏，行业整合如待发之箭。 如果说10年前提起工程机械行业，可能还不被太多业外人所知，如今，徐工、中联重科、柳工、三一重工、厦工、山推和龙工等企业已经家喻户晓。30年前，工程机械产业像一个小学生，在中国机械领域学习着老大哥们的办企经验，而今中国工程机械行业成为机械工业领域自主创新的样板企业，在牢牢把握国内工程机械市场的同时，也与外资工程机械巨头一同分享国际工程机械市场。从小到大，从稚嫩到成熟是每个成功行业的必由过程，盘子越大，现有规则就越不符合发展的需要，求变就越迫切。就像人们说的一样，中国工程机械行业也要经历大浪淘沙的过程，只有这样行业才能更快的成长，正所谓吹尽黄沙始见金。(1) 在新机构研发方面：为适应生产发展的需要，当前在自控机构、机器人机构、仿生机构、柔性机 构和机、电、光、声、液、气、热的综合机构等的研制上有很大进展。(2) 在连杆机构方面： 重视了对空间连杆机构、多杆多自由度空间机构、特殊串联及多环并联机 构、连杆机构的弹性动力学和连杆机构的动力平衡的研究。(3) 在齿轮机构方面：发展了齿轮啮合原理，提出了许多性能优异的新型齿廓曲线和新型传动，加速了对高速齿轮、精密齿轮、微形齿轮的研制。(4) 在凸轮机构方面：十分重视对高速凸轮机构的研究。为了获得动力性能好的凸轮机构，在凸轮机构推杆运动规律的开发、选择和组合上作了很多工作。(5) 在组合机构方面：为了适应现代机械高速度、快节拍、优性能的需要，还发展了高速高定位精度的分度机构,具有优良综合性能的组合机构,以及各种机构的变异和组合等等。(6) 在机械的分析与综合方面： 一方面由只考虑其运动性能过渡到同时考虑其动力性能；考虑到机械在运转时,构件的振动和弹性变形,运动副中的间隙和构件的误差对机械运动及动力性能的影 响；以及如何对构件和机械进一步作好动力平衡的问题等等。另一方面日益广泛地应用了计算机,发展并推广了计算机辅助设计、优化设计、考虑误差的概率设计。 提出了多种便于对机械进行分析和综合的数学工具,编制了许多大型通用或专用的计算程序。此外,随着现代科学技术的发展,测试手段的日臻完善,也加强了对机 械的实验研究。总之，作为机械原理学科，其研究领域十分广阔，内涵非常丰富。在机械原理的各个领域，每年都有大量的内容新颖的文献资料涌现。但是，作为一门技术基础课程，根据教学要求，我们将只研究有关机械的一些最基本的原理及最常用的机构分析和综合方法。这些内容也都是进一步研究机械原理课题所必须的知识基础。机械与制造科学的未来发展趋势 机械与制造工程科学发展的总趋势是多学科交叉和综合。微型精密化、数字智能化、高效清洁化、柔性集成化已成为主流发展趋势。随着世界的进步、国家的需求和学科的发展，机械与制造科学的发展出现了以下显著特点和趋势。 1、高技术领域（如光电子、微纳技术、航空航天、生物医学）以及重大工程技术的发展，要求机械与制造科学向这些领域提供更多更好的新理论、新方法和新技术，出现了微纳制造、生物制造和微电子制造等制造科学新领域。 2、随着机械与制造科学与信息科学、生命科学、材料科学、管理科学、纳米科学技术的交叉，产生了仿生机械学、纳米摩擦学、制造信息学、制造管理学等新兴交叉科学。由于中国未来将大力推进拥有自主知识产权的先进仪器及装备技术，因此，基于自主创新的高技术仪器及装备设计制造的基础研究将得到更充分地重视和更快地发展。 3、由于21世纪中国资源和环境面临空前的严峻挑战，要求机械与制造科学比以往任何时候更重视环境的保护、产品的安全性和绿色度、材料和能源的节省、机电装备的再制造，以及新能源制造领域的基础研究。 具体详细情况如下：（2） 仿生机械与生物制造 生命科学必将对21世纪的技术进步与社会发展产生重大影响。机械科学与生命科学的融合交叉将产生崭新的工艺与产品，形成一个富有发展潜力的新产业。制造仿生与生物制造是一个极富创新性和挑战性的前沿领域。这方面的研究内容包括：生物活体组织的工程化制造；仿生设计技术与仿生制造系统；仿生微型机械及其生物制造工艺；生物遗传制造（基于遗传基因的生长成形技术）。（3） 智能机械结构及系统 智能结构系统是在结构中集成传感器、控制器及执行器，赋予结构健康自诊断，环境自适应及损伤自愈合等某些智能功能与生命特征，以达到增强结构安全、减轻重量、降低能耗和提高性能等目的一种仿生结构系统，主要内容有：智能机械结构系统基础理论及关键技术的研究；典型智能机械结构系统的研究。该领域的研究内容还包括：智能机器人和智能制造系统等。（4） 数字化制造 21世纪将是数字化制造的时代，通过对设计与制造过程的数字化理论与技术的研究，实现在高度交互、高度仿真的虚拟现实环境下的新一代虚拟设计、虚拟制造和网络制造，这将会使制造技术和制造产业发生革命性的变化。测试技术和测试仪器的虚拟化、控件化及其科学问题的解决将是测试技术及测试仪器领域的一大突破。针对材料科学的新发展和制造技术发展的新需求，研究按零件最佳使用功能要求来研究理想材料零件的数字化设计制造的融合理论与方法和材料与零件的数字化成形制造的新方法。这是一个多学科交叉的前沿科学问题，将会使人们长期以来设想按力学、电磁学性能高效设计和制造零件的愿望成为现实。（5） 可重构制造系统 为适应快速变化的市场需求和信息技术的迅速发展，制造系统及其企业应当是灵活多变可重组的。可重组制造系统的体系结构及优化设计理论、柔性制造单元及可重组制造系统的随机动态规划、可重组制造系统的工艺及装备研究等，都是在新世纪初要解决的关键科学技术问题。（6） 高效、精密及低成本加工机理、工艺及装备 产品的快速响应制造、绿色制造和超精密工程在21世纪对加工工艺和装备提出了新的要求，需要在加工机理、加工工艺、加工质量保证、新的加工方法、新型加工及控制设备、新型工具材料及结构等方面进行深入研究，形成可靠、优质、高效、精密、特种、创新的加工工艺及装备技术，对发展我国制造技术，提高产品制造质量，推动国民经济发展具有重要意义。并联机床的关键技术基础、超高速切削和磨削的机理、新型刀具及磨具材料和结构的基本理论、超精密加工、基于环境意识的加工制造技术等都是新世纪初要研究的重要课题（7） 高效、精确、低成本成形及装备的理论和技术 精确成形技术和计算机的模拟仿真是现代成形技术两个最突出的发展方向。在复杂大型模具的仿真模拟及其设计制造、大型铸锻件的质量保证技术、复杂零件（如发动机）的制造技术、激光加工技术基础、快速原型数字制造技术、焊接智能自动化、成形制造过程的清洁生产研究等方面开展以知识为基础的（KBE），以高质量、短周期、低成本为总目标的铸造、塑性加工和连接工艺技术和装备基础性研究，就成为此领域的重要方向。（8） 产品的绿色设计和制造 研究内容包括：建立绿色产品、绿色制造系统的模型，把涉及环境、生态等经验性描述和相关学术思想等内容用数学方法融入到设计制造理论体系中；绿色产品的评价指标体系和方法；机械设备和国防装备再制造中的关键技术，如再制造装备系统失效行为的物理模型、再制造毛坯纳米复合及原位自愈合生长成型技术、再制造部件和产品综合性能在线检测和计算机模拟等。随着机械装备机电一体化程度的不断提高，电磁污染问题也是亟待研究的问题。（9） 产品创新设计和全性能、全生命周期优化设计 加强产品创新设计研究，既是机械学科发展的需要，也是提高