高等机械工程学许崇海课后参考答案

第1章机械工程力学1.简述非自由质点系的虚位移。质点系各质点之间，质点系与外部之间都由约束联系着。所谓非自由质点系的虚位移，是指在不破坏约束的情况下，质点系中各质点所具有的、几何相容的、任意的一组虚位移。为了不破坏约束条件，质点系各质点的虚位移之间必须满足一定的关系。2.简述理想约束。在很多情况下，约束力与约束所允许的虚位移相互垂直，约束力所做的虚功等于零，一些系统内部相互作用的约束力所做的虚功之和也等于零，这些约束统称为理想约束。表达式为：3.解释机械振动。机械振动是日常生活和工程中普遍存在的现象，如钟摆的摆动、汽车的颠簸、混凝土振动捣实、地震等，其特点是物体围绕其平衡位置做往复运动。掌握机械振动的基本规律，可以更好地利用有益的振动并减小振动的危害。机械系统的振动往往是非常复杂的，应先根据具体情况及要求将机械系统简化为单自由度系统、多自由度系统及连续体等物理模型，再运用力学原理及数学工具进行分析。本节只研究单自由度和多自由度系统的振动。单自由度系统的振动反映了振动的一些最基本的规律;两自由度系统的一些特点可推广到多自由度系统中。4.简述隔振。在工程中，振动是不可避免的，因为有许多回转机械中的转子不可能达到绝对平衡，往复机械的惯性力更无法平衡，这些都是振动的来源。对这些不可避免的振动只能采用各种方法进行隔振或减振。将振源与需要防振的物体之间用弹性元件和阻尼元件进行隔离，这种措施称为隔振使振动物体的振动减弱的措施称为减振。隔振分为主动隔振和被动隔振两类。5.简述两自由度系统振动问题的分析。两自由度系统振动问题的分析步骤与单自由度系统振动问题的分析步骤基本相似，但是两自由度系统的振动需要由两个方程来描述，求出两个固有角频率(也称主频率)。若系统以其中一个固有角频率做简谐振动，则称这种振动为主振动。在主振动中，两个坐标之间存在一定的关系，表示做此主振动时系统的振型，这种振型称为系统的固有振型(也称主振型)。对应于两个主频率系统有两个主振型，当然也有两个主振动。系统的主振动只在特殊的初始条件下才能实现，而在一般初始条件下，系统的振动是这两个主振动的叠加。当受到周期性的激扰作用时，系统将以激扰频率a做受迫振动，相应地有两个共振频率。第2章工程热力学1.简述热力系、边界、外界。1)热力系在热力学中，把研究对象用某种边界包围起来，边界内的特定物质称为热力学系统，简称热力系或系统。热力系可以是定量的一种物质或几种物质的组合体，也可以是空间一定区域内的物质。取一定量物质集合体为研究对象的热力系称为封闭系或闭口系，取一定体积内物质集合体为研究对象的热力系称为开口系，与外界无任何热交换的热力系称为绝热系，与外界无任何交换的热力系称为孤立系。2)边界包围热力系的控制面称为边界。边界以方便研究的原则进行划定。闭口系边界不允许工质进出，而开口系边界允许工质进出:闭口系边界和开口系边界都允许系统与外界有热交换和功交换绝热系边界只允许系统与外界有功交换;透热系边界只允许系统与外界有热交换。3)外界边界外的一切物质和空间称为外界。闭口系或开口系内的物质通常称为工质。研究热力系的物质状态变化及其与外界的热和功的作用，是热力学的研究任务。2.简述作用的含义。热力学中所讨论的作用，是指发生在系统与外界之间，会造成系统状态变化的相互作用。这种相互作用的本质是能量交换。作用有两层含义:是作用的结果导致系统内状态参数发生改变二是作用发生在边界上，对作用的考察只能在边界上进行。作用发生的条件是，系统与外界的势强度参数不相等。可以发生能量交换的基本形式有三种:做功、传热和传质。运动是物质存在的形式，能量是对物质运动的度量，因此一切物质都有能量，物质运动必然伴随着能量的迁移。3.解释过程的含义。热力系的状态随时间发生变化的过程称为热力过程，简称过程。热力系的状态发生变化的原因有二:其一，当系统本身未达到平衡状态时，系统会发生由不平衡状态趋于平衡状态的状态变化;其二，当系统本身已处于平衡状态时，系统受到外界的影响与外界发生相互作用而逐渐趋于一个新的平衡状态，这时系统状态也要发生变化。总之，系统状态要发生变化，必须破坏其原有的平衡，只有这样才能达到另一个平衡状态。从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态可以有许多过程，而每个过程中均存在一系列的非平衡状态。在经历不同过程时，系统与外界的功、热交换不相同。在热力学中，要研究热力系与外界的功、热交换，就必须研究过程，而经典热力学不能描写非平衡状态，因此只能定义一些理想的过程，如准静态过程和可逆过程，以便描述过程始末的系统状态。4.简述热力学第二定律的两种表述。热力学第二定律是反映自发过程具有方向性与不可逆性规律的定律，其实质是指出了能量的品质属性。热力学第二定律有多种表述方法，常见的有以下两种。克劳修斯表述:不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。开尔文表述:不可能从单一热源吸取热量使之完全变为功而不引起其他变化。5.简述热辐射的性质。太阳的能量是依靠辐射方式传输的，故只有深入理解热辐射的最大做功能力，才能进行有关有效或经济地利用太阳能的讨论。为了介绍相关概念及澄清经常使用的专门名词的含义，有必要从热力学的角度来讨论传热的问题。从热力学的观点分析传热，涉及两个概念的变化:第一，通常传热研究注意具有不同温度的两个或更多表面之间的净能量交换，而经典热力学的分析却是某于热力平衡概念的，即各表面彼此之间处于平衡状态，这种平衡包含这些表面之间的辐射平衡;第二，通常传热把热辐射作为电磁波来解释，而经典热力学则把热辐射作为不连续微粒(光子)来解释，这使得我们能定义热辐射的热力学性质，并能将热辐射系统的热力学性质归结为吉布斯基本关系式，即U=U(S)。热力学的光子模型中所谓的光子气体，就是通过聚集光子的空间场与充满理想气体的空间场假说的类比而得名的，当然光子气体与理想气体是近似的。第3章现代机械设计理论1.简述机器人机构。机器人机构通常有以下几种分类方式。按照结构可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和多关节型等机器人机构:按照自由度的数目可分为3、4、5、6自由度及余度等机器人机构按照用途可分为工业机器人、医用机器人、极限环境作业机器人、服务机器人、娱乐机器人、军事机器人等机器人机构:按照驱动方式可分为液动、气动和电动等机器人机构:按照运动链形式可分为串联、并联和混联等机器人机构。本节主要针对串联和并联机器人机构进行分析。2.简述静力学分析。机器人机构的静力学主要研究当机构静止或低速运动时输出构件所受的外力、外力矩与机构各驱动杆所受驱动力之间的关系。同运动学分析一样，静力学求解也包括正解和逆解两方面。已知机构各主动关节的驱动力(或力矩)，求解末端执行器所承受的外载荷(包括力和力矩)，称为静力学正解;已知末端执行器所承受的外载荷，求解各主动关节的驱动力(或力矩)，称为静力学逆解。下面分别就串联和并联机器人机构两方面来阐述机器人机构的静力学分析。3.简述机器人设计的原则。整体性原则；控制系统设计优先于机械结构设计原则。4.简述机器人的总体方案设计。(1)机器人的应用和可行性分析。分析现有同类机器人产品的性能和特点，进行可行性调查论证技术上是否先进、是否可行:核算经济上的成本和效益，评估市场开发的前景。对于企业来说，在设计机器人之前，应该明确设计的机器人适用于什么样的场合，应用在什么领域，可实现什么样的功能。对于高校或研究所等科研单位来说，在设计机器人之前，需要明确设计机器人的目的，是用来展示成果和进行科学实验的，还是用来进行理论验证的等。(2)明确机器人的设计要求。确定工艺过程、动作要求和有关参数，并对机器人工作环境进行分析，确定其工作空间和自由度等。(3)明确机器人的功能要求、性能指标和技术要求。通过查阅国内外文献和进行市场调研分析，了解国内外同类机器人的发展水平和研制的技术难点，结合机器人工作条件和功能要求，明确提出设计的机器人要具有的功能、性能指标和技术参数。(4)方案论证比较。根据上述分析，初步提出若干总体方案，通过对工艺生产、技术和价值进行分析选择最佳方案。例如，选择传动方案、机器人运动载体的移动方式、传感器的种类和数目、控制策略等。5.简述仿生设计法。仿生设计学也可称为设计仿生学(DesignBionics)，它是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门新兴边缘学科。仿生设计不仅是一种设计方法和工具的突破，而且是一种概念上的创新,是一种设计思想。目前，仿生设计主要采用结构仿生和功能仿生两种方法。(1)结构仿生。现代机器人的结构仿生比较常见有海洋动物仿生、蛇类仿生、变形虫仿生和人体仿生等。(2)功能仿生。机器人仿生研究的目的之一是实现功能仿生，使人造的机械能实现或部分实现高级生物具有的功能，如思维、感知、运动和操作等。功能仿生包括大脑功能仿生、感知仿生和运动仿生等。第4章先进制造技术1.简述高速切削加工技术的发展历程。20世纪中后期，随着社会生产力的提高和科学技术的发展，特别是在材料、信息等领域取得长足进步，人们对常规的金属加工效率提出了更高的要求，需要在保证加工质量的同时尽快地完成金属切削加工过程，提高生产效率，缩短产品的开发周期，进而提升企业的产能，增加企业收入。在这样的背景之下，高速切削加工技术概念提出20多年后，从20世纪50年代后期开始，高速切削加工技术的理论研究开始在世界范围内展开。第一阶段是高速切削加工技术理论研究和探索阶段(1931一1971年)。由于当时还没有高速切削加工机床，不能进行高速切削加工实验，因此采用了弹射实验的方法。研究表明，很多材料可以通过高速切削来实现加工，从而大大地提高生产效率，但是要解决高速切削过程中严重的刀具磨损和机床振动问题。第二阶段是高速切削加工技术应用基础研究探索阶段(1972一1978年)。该阶段主要探索了高速切削加工技术用于实际生产的可行性。最后发现，在生产中应用305~915m/min的速度切削加工铸铁和钢，以及应用610~3660m/min的速度切削加工铝合金是可行的，并且可以有效地提高表面加工质量，但是要加强刀具和具有快速装卸工件与更换刀具的高速切削加工机床的研究开发。第三阶段是高速切削加工技术应用研究阶段(1979一1989年)。该阶段开始研究由磁悬浮轴承支持的高速电主轴系统，全面、深入、系统地研究了高速铣削铁属和非铁属材料的基础理论、高速切削刀具技术、高速切削加工机床技术、高速切削加工工艺和效率，以及高速切削加工技术的实际应用，获得了许多有重要价值的成果。第四阶段是高速切削加工技术发展和应用阶段(1990年至)。1993年直线电机的出现拉开了高速进给的序幕，快速换刀和装卸工件的结构日益完善，自动新型电主轴高速切削加工中心也不断被投放到国际市场中。高性能刀具材料和能使刀具与主轴可靠连接的刀柄等的出现与使用，标志着高速加工切削技术已从理论研究阶段进入工业应用阶段。在工业发达国家，高速切削加工技术已经成为切削加工的主流技术，日益广泛地应用于航空航天、汽车和模具等领域，并取得巨大的经济效益。2.简述高速主轴的性能要求。(1)结构紧凑、质量小、惯性小、可避免振动和噪声，具有良好的启停性能。(2)具有足够的刚性和回转精度。(3)具有良好的热稳定性。(4)功率大。(5)具有先进的润滑和冷却系统。(6)具有可靠的主轴监控系统。3.简述磨粒磨损。磨粒磨损是指在材料去除过程中，工件材料中的硬质点在由前刀面和后刀面流出的过程中和刀具表面发生接触、划擦而引起刀具磨损的一种机理。在高速切削中，刀-屑接触面、刀-工接触面相对摩擦速度较高，导致单位时间内划过刀具表面的硬质点数量较多，加剧了刀具的磨粒磨损。同时，较高的摩擦速度也使刀-屑接触面、刀-工接触面温度升高，从而软化刀具基体相和黏结相，使刀具磨粒磨损加剧。对于前刀面，由于高速变形过程中第一变形区热软化作用增强，刀-屑接触面压力降低，因此前刀面的磨粒磨损降低，同时由于后刀面磨损加剧，前刀面的磨粒磨损区域因后刀面磨损而消失，因此观察到的前刀面的磨粒磨损并不明显。4.简述薄壁零件高速切削的注意事项。(1)薄壁零件的整体尺寸较大，结构比较复杂且壁薄，在加工过程中极易产生加工变形，零件的变形控制及矫正是加工过程中的重要内容。(2)薄壁零件的截面积较小，而外廓尺寸相对截面尺寸较大，在加工过程中，随着零件刚性的降低，容易发生切削振动，严重影响零件的加工质量。(3)薄壁零件的制造主要采用数值量传递或图形直接传递，应用数控加工的方法来完成。目前，CAD/CAM/CNC技术是加工航空领域薄壁零件的主要技术。(4)薄壁零件不仅要具有较高的加工尺寸精度，而且要具有高的协调精度。例如，槽口、结合孔、缘条内套合面及接头等部分之间的位置精度要求高，加工这些具有装配要求的表面，必须满足协调精度要求，以满足零件装机使用要求。5.简述增材制造技术在文化创意产业中的应用。增材制造技术在文化创意产业中应用广泛，如个性化产品定制、文物复制与修复、影视动漫产业中的道具制作和影视形象创作等。另外，在工业设计、手工艺品制作、建筑设计等中都会用到增材制造技术。第5章机械自动化系统1.简述稳定性。任何系统在扰动作用下都会偏离原来的平衡状态。稳定性是指当扰动作用消失以后，系统恢复原平衡状态的能力。稳定性是系统的固有特性，它与扰动的形式无关，只取决于系统本身的结构及参数。不稳定的系统是无法进行工作的。连续系统稳定的充分必要条件是闭环系统的特征根位于，平面的左半平面内，而离散系统稳定的充分必要条件是闭环系统的特征根位于平面上以原点为圆心的单位圆内。2.简述电位计。电位计是将机械能转化为电能的机电换能装置。电位计的输入为机械位移(线性移动或旋转)，当在电位器的固定端子上施加输入电压时，对应的输出电压(可变端子和地之间》与输入位移呈一定线性或非线性的关系。3.简述伺服系统的工作原理和特点。在回路中，调定节流阀的开口量后，液压缸就以某一调定速度运动。当负载、油温等参数发生变化时，这种回路将无法保证原有的运动速度，因此其速度精度较低且不能满足精确地连续无级调速要求。可以将节流阀的开口量定义为输入量，将液压缸的运动速度定义为输出量或被调节量。在上述回路中，当负载、油温等参数的变化引起输出量变化时，这个变化并不影响或改变输入量，这种输出量不影响输入量的控制系统被称为开环控制系统。开环控制系统不能修正由外界干扰(如负载、油温等变化)而引起的输出量或被调节量的变化，因此控制精度较低。4.简述伺服系统的特点。(1)它是反馈系统:把输出量的部分或全部按一定方式回送到输入端，并和输入信号进行比较，这就是反馈作用。在上例中，反馈电压和给定电压是异号的，即反馈信号不断地抵消输入信这就是负反馈。自动控制系统中大多数反馈是负反馈。(2)它靠偏差工作:要使执行元件输出一定的力和速度，电液服阀必须有一定的开口量，因此输入和输出之间必须有偏差信号。执行元件运动的结果又试图消除这个偏差。但在伺服系统工作的任何时刻都不能完全消除这一偏差，伺服系统正是依靠这一偏差进行工作的。(3)它是放大系统:执行元件输出的力和功率远远大于输入的力和功率。其输出的能量是液压能源供给的。(4)它是跟踪系统:液压缸的输出量自动跟踪输入信号的变化。5.简述加压控制伺服系统。控制精度比响应速度要求高同样应选用控制精度较高的喷嘴挡板式或开关电磁式比例压力阀。值得注意的是，加压控制的精度不仅取决于比例压力阀的精度，还受气缸的摩擦阻力特性的影响。标准气缸的摩擦阻力要随着工作压力、运动速度等因素变化而变化，难以实现平稳加压控制。所以在此应用场合下，应该选用低速、恒摩擦阻力的气缸。该系统主要由比例压力阀、气缸、夹具、磨石和减压阀等组成，其中减压阀的作用是向气缸有杆腔加恒压，以平衡活寨杆和来具机构的自重。在工作过程中，首先关闭比例压力阀，调整减压阀的压力值，使气缸下腔作用在活塞杆上的力和活塞杆及夹具机构的自重相平衡。然后根据磨削所需要的力控制比例压力阀，使气缸产生所需的力并施加在工件上。第6章智能制造及应用1.简述智能制造系统的主要特征。(1)自我感知，是指智能制造系统通过传感器获取所需信息，并对自身状态与环境变化进行感知，自动识别与数据通信是实现自我感知的重要基础。(2)自适应和优化，是指智能制造系统根据感知到的信息对自身运行模式进行调节，使系统处于最优或较优的状态，实现对复杂任务不同工况的智能适应。(3)自我诊断和维护，是指智能制造系统在运行过程中，能够对自身故障和失效问题做出自我诊断，并能通过优化调整保证系统可以正常运行。(4)自主规划和决策，是指智能制造系统在无人于预的条件下，基于感知到的信息，进行自主的规划计算，给出合理的决策指令，并控制执行机构完成相应的动作，实现复杂的智能行为。自主规划和决策能力以人工智能技术为基础，结合了系统科学、管理科学和信息科学等其他先进技术，是智能制造系统的核心功能。通过对有限资源的优化配置及对工艺过程的智能决策，智能制造系统可以满足实际生产中的不同需求。2.画出智能制造装备的组成图。3.简述感知层的含义。物联网的感知层主