1、-. z. 機械原理開展現狀與趨勢【摘要】 機械原理學科在開展國名經濟發面及其在培養高級機械工程技術人才全局中占有重要地位。通過應用機構設備使科學技術得到迅速開展。在各個領域的優化設計使得生產的水平不斷提高。隨著生產對技術現代化的要求不斷提高，機械原理學科也會繼續迅速的得到開展。關鍵詞：機械原理; 機構； 科學技術的開展；優化設計機械原理簡介機械原理，研究機械中機構的構造和運動，以及機器的構造、受力、質量和運動的學科。人們一般把機構和機器合稱為機械。機構是由兩個以上的構件通過活動聯接以實現規定運動的組合體。機器是由一個或一個以上的機構組成，用來作有用的功或完成機械能與其他形式的能量之間的轉換。

2、這一學科的主要組成局部為機構學和機械動力學。不同的機器往往由有限的幾種常用機構組成，如燃機、壓縮機和沖床等的主體機構都是曲柄滑塊機構。這些機構的運動不同于一般力學上的運動，它只與其幾何約束有關，而與其受力、構件質量和時間無關。1875年 ，德國的 F.勒洛把上述共性問題從一般力學中獨立出來，編著了理論運動學一書，創立了機構學的根底。書中提出的許多概念、觀點和研究方法至今仍在沿用。1841年，英國的R.威利斯發表機構學原理。19世紀中葉以來，機械動力學也逐步形成。進入20世紀，出現了把機構學和機械動力學合在一起研究的機械原理。1934年，中國的仙洲所著機械原理一書出版。1969年，在波蘭成立了國

3、際機構和機器原理協會，簡稱IFTOMM。機構學的研究對象是機器中的各種常用機構，如連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、螺旋機構和間歇運動機構如棘輪機構、槽輪機構等以及組合機構等。它的研究容是機構構造的組成原理和運動確定性，以及機構的運動分析和綜合。機構學在研究機構的運動時僅從幾何的觀點出發，而不考慮力對運動的影響。 1.機器與機構機器是人為實物的組合體,具有確定的機械運動,它可以用來轉換能量、完成有用功或處理信息,以代替和減輕人的勞動。機構是人為實物的組合體,具有確定的機械運動,它可以用來傳遞和轉換運動。機器與機構二者的聯系是:1)機器和機構都是人為實物的組合體,都具有確定的機械運動;2)機器是由機

4、構組成的,簡單的機器可能只有一個機構,但一般會有多個機構。如空氣壓縮機只含有一個連桿機構,而燃機則含有連桿機構、凸輪機構、齒輪機構等。機器與機構二者的區別是:單個機構不具有轉換能量或完成有用功的功能,而只能傳遞與改變運動和動力;而機器可以完成有用功、能量轉換或處理信息。機械則是機器和機構的總稱。2.構件與零件構件是組成機構并具有確定運動的單元,零件是指不可再拆分的最小制造單元。一個構件可以是由一個零件組成,也可以是由假設干個不同的零件裝配組成,但這些零件間沒有相對運動,它們作為一個整體來運動。構件與零件的區別在于構件是運動的單元,零件是加工制造的單元。由于機構各構件之間的相對運動與組成構件的零

5、件形狀和數量、構件的外形及其截面的形狀和尺寸等因素無關;因此,在機械原理課程中機構的分析與綜合及機械系統運動方案設計都是以構件為最小單元進展研究的,并用簡單的線條和規定的符號來表示構件。搞清楚這些,學生們在以后學習機構運動簡圖繪制容時就不會迷惑不解了。3.運動鏈與機構特別要強調的是運動鏈的概念以及它與機構的關系。運動鏈是由假設干個構件通過運動副連接組成的構件系統。如果運動鏈中每個構件至少包含兩個運動副元素則各構件形成首末封閉的系統稱為閉式鏈;否則稱為開式鏈。在運動鏈中,假設將*一構件固定作為機架,并給定另外一個或少數幾個構件的運動規律,則運動鏈中其余構件的運動便隨之確定,這種運動鏈便成為機構。

6、但凡機構都具有確定的運動。這一點在目前的多數機械原理教材中都沒能闡述清楚機械動力學的研究對象是機器或機器的組合。研究容是確定機器在力作用下的真實運動規律及其調節、摩擦力和機械效率、慣性力的平衡等問題。按機械原理的傳統研究方式，一般不考慮構件接觸面間的間隙、構件的彈性或溫差變形以及制造和裝配等所引起的誤差。這對低速運轉的機械一般是可行的。但隨著機械向高速、高精度方向開展，還必須研究由上述因素引起的運動變化。因而從40年代開場，又提出了機構準確度問題。由于航天技術以及機械手和工業機器人的飛速開展，機構準確度問題已越來越引起人們的重視，并已成為機械原理的不可缺少的一個組成局部。1.原始機械在遠古時期

7、,人類就創造并使用了杠桿、滑輪、斜面、螺旋等原始單機械。埃及在修建金字塔的過程中就使用了滾木來搬運巨石。阿基米德用螺旋將水提升至高處,那就是今天的螺旋式輸送機的始祖。有著悠久文明史的中華民族,在機械方面有許多創造創造,在一些專用機械的設計和應用上都有自己的特色。如指南車、水排、地動儀等,均有獨到之處。指南車是我國古代的文化瑰寶之一,是古代科技成果的出色代表。指南車巧妙利用了齒輪傳動機構,不管車子向何方行駛,放于車子上的木人的手臂始終指向南方。這一創造充分表達了古人偉大的智慧,是中國人民的驕傲。原始機械僅用人力、畜力和水力來驅動,其功能是減輕人的體力勞動,是動力制約了機械的開展。2.傳統機械18

8、世紀瓦特創造了蒸汽機,揭開了工業革命的序幕。蒸汽機給人類帶來了強大的動力,各種動力驅動的機械如紡織機、車床等如雨后春筍般出現。19世紀燃機和電動機的創造是又一次技術革命。在絕大多數場合,電力代替了蒸汽,在機床和紡織機上都安裝了獨立的電機。而燃機的創造則為汽車、飛機的出現提供了可能。與原始機械相比,傳統機械具有了自己的心臟動力驅動,其功能不只是減輕人的體力勞動,而且可以替代人的體力勞動。3.現代機械在20世紀后半葉計算機的創造是科學開展史上劃時代的大事。隨著計算機的問世,機器人作為現代機械的典型代表被越來越廣泛地應用于工業生產中,承當著許多人們無法完成的工作。電子技術以及計算機技術與機械的結合使

9、得機械變得越來越自動化,越來越智能化,機器甚至可以在無人操作下正常的運行。現代機械正向著主動控制、信息化和智能化的方向開展,必將大大改善人類的生產和生活。與傳統機械相比,現代機械具有了自己的大腦控制系統,其功能不只是替代人的體力勞動,而且可以 替代人的腦力勞動。1生產的開展促進了機械原理學科的開展。而學科的開展又反過來為生產的開展提供了有利條件，促進了生產的開展。隨著科學技術的開展，為了更好地滿足生產實際的需要和機械自動化的要求,就需要不斷創新一些新型機構,因而以機構創新為主要容的機構學得到了迅速開展。例如多桿多自由度的平面連桿機構、空間機構、各種組合機構包括各種含有撓性構件的組合機構、機、電

10、、液一體化的機構都在研究之中，有些已得到應用。同時機器人、機械手等仿生機械得到較快的開展,包括高溫、高壓、有毒、有放射性等特殊條件下工作的機器人和機械手。例如宇宙飛船上用于收回衛星的機械臂；在核電站安裝設備的機器人；在深海海底作業的機器人等。此外,微技術的開展,還創造了一些微型機械。如可在人的腹腔進展外科手術的手術刀,甚至可在人的血管中爬行的微型機器人等都已經使用。為了對這些新型機械的分析及設計,機械原理學科近年來也開展了許多新的理論和方法,并引入了一些不同的數學及力學工具,特別是計算機的推廣應用,為機械原理學科的開展提供了極有利的條件。計算機輔助分析、計算機輔助設計、優化設計包括多目標優化設

11、計都得到迅速開展,并且漸趨成熟。由于機械向高速度、高精度、高負荷、高效率等方向開展，也給機械原理學科提出了一些新的課題，開辟了一些新的研究領域。例如，對于高速重載機械來說，不僅要研究其運動性能，還要研究其動力性能，有時還要考慮構件的彈性形變、質量分布、連接間隙及機械中摩擦等對機械工作的影響，考慮機械的振動沖擊和平衡問題。現代機械開展的趨勢現代機械工業日益向高速、重載、高精度、高效率、低噪聲等方向開展。對機械提出的要求也越來越苛刻。如有的需用于宇宙探測,有的要在深海作業；有的小到能沿人體血管爬行,有的又是龐然大物；有的速度數倍于聲速,有的又要作亞微米級甚至納米級的微位移,如此等等。 舉例：中國工

12、程機械市場突破2000億元大關；各龍頭企業已經不滿足將產品出口到海外，紛紛把觸角伸向了海外投資。中國外鄉工程機械企業初顯大企業氣質；并購事件此起彼伏；國產挖掘機市場占有率到達23%；各大企業布局，搶灘土石方機械制造資源；汽車起重機行業事端不斷；競爭水平提升促發新興信用銷售模式在過去的2年，中國工程機械行業經歷著沉落起伏，行業整合如待發之箭。 如果說10年前提起工程機械行業，可能還不被太多業外人所知，如今，徐工、中聯重科、柳工、三一重工、廈工、山推和龍工等企業已經家喻戶曉。30年前，工程機械產業像一個小學生，在中國機械領域學習著老大哥們的辦企經歷，而今中國工程機械行業成為機械工業領域自主創新的樣

13、板企業，在牢牢把握國工程機械市場的同時，也與外資工程機械巨頭一同分享國際工程機械市場。從小到大，從稚嫩到成熟是每個成功行業的必由過程，盤子越大，現有規則就越不符合開展的需要，求變就越迫切。就像人們說的一樣，中國工程機械行業也要經歷大浪淘沙的過程，只有這樣行業才能更快的成長，正所謂吹盡黃沙始見金。(1)在新機構研發方面：為適應生產開展的需要，當前在自控機構、機器人機構、仿生機構、柔性機構和機、電、光、聲、液、氣、熱的綜合機構等的研制上有很大進展。(2)在連桿機構方面： 重視了對空間連桿機構、多桿多自由度空間機構、特殊串聯及多環并聯機構、連桿機構的彈性動力學和連桿機構的動力平衡的研究。(3)在齒輪

14、機構方面：開展了齒輪嚙合原理，提出了許多性能優異的新型齒廓曲線和新型傳動，加速了對高速齒輪、精細齒輪、微形齒輪的研制。(4)在凸輪機構方面：十分重視對高速凸輪機構的研究。為了獲得動力性能好的凸輪機構，在凸輪機構推桿運動規律的開發、選擇和組合上作了很多工作。(5)在組合機構方面：為了適應現代機械高速度、快節拍、優性能的需要，還開展了高速高定位精度的分度機構,具有優良綜合性能的組合機構,以及各種機構的變異和組合等等。(6)在機械的分析與綜合方面： 一方面由只考慮其運動性能過渡到同時考慮其動力性能；考慮到機械在運轉時,構件的振動和彈性變形,運動副中的間隙和構件的誤差對機械運動及動力性能的影 響；以及

15、如何對構件和機械進一步作好動力平衡的問題等等。另一方面日益廣泛地應用了計算機,開展并推廣了計算機輔助設計、優化設計、考慮誤差的概率設計。 提出了多種便于對機械進展分析和綜合的數學工具,編制了許多大型通用或專用的計算程序。此外,隨著現代科學技術的開展,測試手段的日臻完善,也加強了對機 械的實驗研究。總之，作為機械原理學科，其研究領域十分廣闊，涵非常豐富。在機械原理的各個領域，每年都有大量的容新穎的文獻資料涌現。但是，作為一門技術根底課程，根據教學要求，我們將只研究有關機械的一些最根本的原理及最常用的機構分析和綜合方法。這些容也都是進一步研究機械原理課題所必須的知識根底。機械與制造科學的未來開展趨

16、勢 機械與制造工程科學開展的總趨勢是多學科穿插和綜合。微型精細化、數字智能化、高效清潔化、柔性集成化已成為主流開展趨勢。隨著世界的進步、國家的需求和學科的開展，機械與制造科學的開展出現了以下顯著特點和趨勢。 1、高技術領域如光電子、微納技術、航空航天、生物醫學以及重大工程技術的開展，要求機械與制造科學向這些領域提供更多更好的新理論、新方法和新技術，出現了微納制造、生物制造和微電子制造等制造科學新領域。 2、隨著機械與制造科學與信息科學、生命科學、材料科學、管理科學、納米科學技術的穿插，產生了仿生機械學、納米摩擦學、制造信息學、制造管理學等新興穿插科學。由于中國未來將大力推進擁有自主知識產權的先

17、進儀器及裝備技術，因此，基于自主創新的高技術儀器及裝備設計制造的根底研究將得到更充分地重視和更快地開展。 3、由于21世紀中國資源和環境面臨空前的嚴峻挑戰，要求機械與制造科學比以往任何時候更重視環境的保護、產品的平安性和綠色度、材料和能源的節省、機電裝備的再制造，以及新能源制造領域的根底研究。 具體詳細情況如下：仿生機械與生物制造 生命科學必將對21世紀的技術進步與社會開展產生重大影響。機械科學與生命科學的融合穿插將產生嶄新的工藝與產品，形成一個富有開展潛力的新產業。制造仿生與生物制造是一個極富創新性和挑戰性的前沿領域。這方面的研究容包括：生物活體組織的工程化制造；仿生設計技術與仿生制造系統；

18、仿生微型機械及其生物制造工藝；生物遺傳制造基于遺傳基因的生長成形技術。智能機械構造及系統 智能構造系統是在構造中集成傳感器、控制器及執行器，賦予構造安康自診斷，環境自適應及損傷自愈合等*些智能功能與生命特征，以到達增強構造平安、減輕重量、降低能耗和提高性能等目的一種仿生構造系統，主要容有：智能機械構造系統根底理論及關鍵技術的研究；典型智能機械構造系統的研究。該領域的研究容還包括：智能機器人和智能制造系統等。數字化制造 21世紀將是數字化制造的時代，通過對設計與制造過程的數字化理論與技術的研究，實現在高度交互、高度仿真的虛擬現實環境下的新一代虛擬設計、虛擬制造和網絡制造，這將會使制造技術和制造產

19、業發生革命性的變化。測試技術和測試儀器的虛擬化、控件化及其科學問題的解決將是測試技術及測試儀器領域的一大突破。針對材料科學的新開展和制造技術開展的新需求，研究按零件最正確使用功能要求來研究理想材料零件的數字化設計制造的融合理論與方法和材料與零件的數字化成形制造的新方法。這是一個多學科穿插的前沿科學問題，將會使人們長期以來設想按力學、電磁學性能高效設計和制造零件的愿望成為現實。可重構制造系統 為適應快速變化的市場需求和信息技術的迅速開展，制造系統及其企業應當是靈活多變可重組的。可重組制造系統的體系構造及優化設計理論、柔性制造單元及可重組制造系統的隨機動態規劃、可重組制造系統的工藝及裝備研究等，都

20、是在新世紀初要解決的關鍵科學技術問題。高效、精細及低本錢加工機理、工藝及裝備 產品的快速響應制造、綠色制造和超精細工程在21世紀對加工工藝和裝備提出了新的要求，需要在加工機理、加工工藝、加工質量保證、新的加工方法、新型加工及控制設備、新型工具材料及構造等方面進展深入研究，形成可靠、優質、高效、精細、特種、創新的加工工藝及裝備技術，對開展我國制造技術，提高產品制造質量，推動國民經濟開展具有重要意義。并聯機床的關鍵技術根底、超高速切削和磨削的機理、新型刀具及磨具材料和構造的根本理論、超精細加工、基于環境意識的加工制造技術等都是新世紀初要研究的重要課題高效、準確、低本錢成形及裝備的理論和技術 準確成

21、形技術和計算機的模擬仿真是現代成形技術兩個最突出的開展方向。在復雜大型模具的仿真模擬及其設計制造、大型鑄鍛件的質量保證技術、復雜零件如發動機的制造技術、激光加工技術根底、快速原型數字制造技術、焊接智能自動化、成形制造過程的清潔生產研究等方面開展以知識為根底的KBE，以高質量、短周期、低本錢為總目標的鑄造、塑性加工和連接工藝技術和裝備根底性研究，就成為此領域的重要方向。產品的綠色設計和制造 研究容包括：建立綠色產品、綠色制造系統的模型，把涉及環境、生態等經歷性描述和相關學術思想等容用數學方法融入到設計制造理論體系中；綠色產品的評價指標體系和方法；機械設備和國防裝備再制造中的關鍵技術，如再制造裝備系統失效行為的物理模型、再制造毛坯納米復合及原位自愈合生長成型技術、再制造部件和產品綜合性能在線檢測和計算機模擬等。隨著機械裝備機電一體化程度的不斷提高，電磁污染問題也是亟待研究的問題。產品創新設計和全性能、全生命周期優化設計 加強產品創新