机械工程技术发展前沿报告

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机械工程技术
发展前沿报告
报告作者：
学科：机械工程
报告提交日期: 2015年1月20日
目录
1并联机构机器人 (1)
2 汽车缓速器 (3)
3 机械工程中的工程力学 (5)
4 工程中的动力学及控制问题 (7)
结束语 (9)
1并联机构机器人
并联机构（Parallel Mechanism，简称PM），可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。

并联机器人和传统工业用串联机器人在哲学上呈对立统一的关系，和串联机器人相比较，并联机器人具有以下特点：
（1）无累积误差，精度较高；
（2）驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好；
（3）结构紧凑，刚度高，承载能力大；
（4）完全对称的并联机构具有较好的各向同性；
（5）工作空间较小；
根据这些特点，并联机器人在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用。

军事领域中的潜艇、坦克驾驶运动模拟器，下一代战斗机的矢量喷管、潜艇及空间飞行器的对接装置、姿态控制器等；生物医学工程中的细胞操作机器人、可实现细胞的注射和分割；微外科手术机器人；大型射电天文望远镜的姿态调整装置；混联装备等，如SMT公司的Tricept混联机械手模块是基于并联机构单元的模块化设计的成功典范。

1931年，Gwinnett在其专利中提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置（图1）；1940年，Pollard在其专利中提出了一种空间工业并联机构，用于汽车的喷漆（图2）；之后，Gough在1962年发明了一种基于并联机构的六自由度轮胎检测装置（图3）；三年后，Stewart首次对Gough发明的这种机构进行了机构学意义上的研究，并将其推广应用为飞行模拟器的运动产生装置，这种机构也是目前应用最广的并联机构，被称为Gough-Stewart机构或Stewart机构（图4）。

并联机构构型的创新设计
机构构型是装备创新的原始基础，构型创新是自主创新的根本。

针对并联机构构型创新，建立了基于平行四边形机构单元的并联机构构型设计方法，面向应用性能要求，发明了多种新型实用并联机构，尤其突破了传统并联机构工作空间小和摆角能力差的问题，满足了不同领域应用需求。

一种3自由度并联机构一种3自由度并联机构一种2转动自由度并联机构
2 汽车缓速器
汽车缓速器是通过控制电路给定子总成的励磁线圈通电，产生磁场，转子总成随车辆传动部分高速旋转，切割磁力线，产生反向力矩，使车辆减速。

汽车在减速或下长坡时，启用缓速器，可以平稳减速，免去使用刹车而造成的磨损和发热。

目前有两种结构的缓速器：
电涡流缓速器：相当于在传动轴上装了个“发电机”，不通电时，无接触无磨损，需要制动时接通电路，传动轴便受到电磁场的阻力，达到制动目的。

无磨损但结构庞大。

目前重卡、大客多有选用（国外还可在工作时向电瓶充电）。

电涡流缓速器的原理与发电机一样，传动轴上有定子线圈，固定在横梁上有转子线圈包围传动轴（不过外形与发电机大相径庭），不需要电脑控制，只要接通线圈的电路，缓速器就会对传动轴产生阻力。

液涡轮缓速器：在变速箱箱壳后端增加一个涡轮室，当制动电路开启后，使变速箱油在涡轮中产生阻力达到制动效果，无磨损但要增加散热。

目前ZF变速箱在高档客车上有使用。

工作原理：
电涡流缓速器由执行机构和控制部分组成。

(1)执行机构包括定子和转子。

定子由线圈和支架组成,定子绕组由4组8个线圈组成,定子安装在变速箱后端盖上。

定子两端各有一个转子,一端转子与变速箱输出轴法兰连接,另一端转子与传动轴连接。

(2)控制部分包括手控开关、脚控开关、继电器盒、ABS联接器等。

①手控开关在较长距离减速及下长坡时使用,安装在驾驶员附近,便于驾驶员操作。

开关分4个档,分别扳至1、 2、3、4档,通过控制1、2、3、4个继电器吸和,依次增加进行工作的线圈数量,从而使制动力矩逐级增加。

②脚控开关安装在底盘上,用一根气管与制动总泵前轮制动气室连接。

脚控开关是为控制缓速器自动工作的,受制动气压的逐渐升高,依次接通4个压力传感器,使制动力矩逐级拉大。

行车制动起作用时,定子绕组线圈全部进入工作状态。

(3)继电器盒安装在靠近缓速器的位置,以缩短接线的长度,减少损耗。

继电器盒内由4个大电流继电器为定子绕组线圈提供每组35A的电流。

(4)ABS联接器安装在电器控制箱内。

它根据客车行驶状态自动决定缓速器的工作,包括ABS控制信号、ABS指示灯信号、里程表信号、脚控开关信号、手控开关信号等信号输入联接器。

当ABS检测到某个车轮打滑时,它立即切断缓速器使其停止工作,打滑结束后又逐级增加缓速器制动力矩,始终保持缓速器转矩受到路面的支持;当车速低于3km/h时,切断脚控功能,以避免不必要的电流损耗;ABS检测到故障时,它将切断脚控功能,但仍保留手控功能,保证行车安全。

(5)因缓速器工作时需消耗较大电流,客车发电机输出电流应不少于140A,蓄电池荷电量应不少于180A.h。

汽车缓速器图
3 机械工程中的工程力学
机械学科的主要发展前沿：
智能化：智能材料、智能机构、智能系统
多尺度：工程机械、MEMS、纳米器件
现实工程中，物理场是许多的，温度场，应力场，湿度场等等均属于物理场，而我们要解决的许多问题是这些物理场的叠加问题，因为这些物理场直接是相互影响的。

比如炼钢的时候温度高低对于应力分布就有影响。

这种多个物理场相互叠加的问题就叫做多场耦合问题，也是一种耦合。

例如，压电扩音器（Piezoacoustic transducer）可以将电流转换为声学压力场，或者反过来，将声场转换为电流场。

这种装置一般用在空气或者液体中的声源装置上，比如相控阵麦克风，超声生物成像仪，声纳传感器，声学生物治疗仪等，也可用在一些机械装置比如喷墨机和压电马达等。

压电扩音器涉及到三个不同的物理场：结构场，电场以及流体中的声场。

只有具有多物理场分析能力的软件才能求解这个模型。

扩音器多物理场图
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。

是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料。

石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而
证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

并且，石墨烯在自然界也有产出，它体现为高能物理状态下的圈量子的粒子态相。

石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-8 Ω·m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。

因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。

由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

石墨烯图
复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具有新性能的材料。

各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

复合材料的基体材料分为金属和非金属。

金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。

非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。

增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。

以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。

4 工程中的动力学及控制问题
动力学是理论力学的一个分支学科，它主要研究作用于物体的力与物体运动的关系。

动力学的研究对象是运动速度远小于光速的宏观物体。

动力学是物理学和天文学的基础，也是许多工程学科的基础。

动力学（Dynamics）是经典力学的一门分支，主要研究运动的变化与造成这变化的各种因素。

换句话说，动力学主要研究的是力对于物体运动的影响。

运动学则是纯粹描述物体的运动，完全不考虑导致运动的因素。

更仔细地说，动力学研究由于力的作用，物理系统怎样随着时间的演进而改变。

动力学的基础定律是艾萨克·牛顿提出的牛顿运动定律。

对于任意物理系统，只要知道其作用力的性质，引用牛顿运动定律，就可以研究这作用力对于这物理系统的影响。

在经典电磁学里，物理系统的动力状况涉及了经典力学与电磁学，需要使用牛顿运动定律、麦克斯韦方程、洛伦兹力方程来描述。

自20世纪以来，动力学又常被人们理解为侧重于工程技术应用方面的一个力学分支。

动力学是机械工程与航空工程的基础课程。

动力学普遍定理
动力学普遍定理是质点系动力学的基本定理，它包括动量定理、动量矩定理、动能定理以及由这三个基本定理推导出来的其他一些定理。

动量、动量矩和动能是描述质点、质点系和刚体运动的基本物理量。

作用于力学模型上的力或力矩，与这些物理量之间的关系构成了动力学普遍定理。

刚体
刚体的特点是其质点之间距离的不变性。

欧拉动力学方程是刚体动力学的基本方程，刚体定点转动动力学则是动力学中的经典理论。

陀螺力学的形成说明刚体动力学在工程技术中的应用具有重要意义。

多刚体系统动力学是20世纪60年代以来，由于新技术发展而形成的新分支，其研究方法与经典理论的研究方法有所不同。

达朗贝尔原理
达朗贝尔原理是研究非自由质点系动力学的一个普遍而有效的方法。

这种方法是在牛顿运动定律的基础上引入惯性力的概念，从而用静力学中研究平衡问题的方法来研究动力学中不平衡的问题，所以又称为动静法。

机械动力学是机械原理的主要组成部分。

它研究机械在运转过程中的受力、机械中各构件的质量与机械运动之间的相互关系，是现代机械设计的理论基础。

研究机械运转过程中能量的平衡和分配关系。

主要研究的是：在已知外力作用下，求具有确定惯性参量的机械系统的真实运动规律；分析机械运动过程中各构件之间的相互作用力；研究回转构件和机构平衡的理论和方法；机械振动的分析；以及机构的分析和综合等等。

现代机械发展的一个显著特点是，自动调节和控制装置日益成为机械不可缺少的组成部分。

机械动力学的研究对象已扩展到包括不同特性的动力机和控制调节装置在内的整个机械系统，控制理论已渗入到机械动力学的研究领域。

在高速、精密机械设计中，为了保证机械的精确度和稳定性，构件的弹性效应已成为设计中不容忽视的因素。

一门把机构学、机械振动和弹性理论结合起来的新的学科——运动弹性体动力学正在形成，并在高速连杆机构和凸轮机构的研究中取得了一些成果。

在某些机械的设计中，已提出变质量的机械动力学问题。

各种模拟理论和方法以及运动和动力参数的测试方法，日益成为机械动力学研究的重要手段。

结束语
通过这次学习，让我了解到了机械发展的重要性和必要性，使我受益终生。

同时也告诉我要博学，慎思，笃行，时刻了解本专业的前沿技术。

不仅要加强专业的学习，加强实践，不断丰富经验，而且还要了解与本专业有关的技术，了解他们的关系和发展方向。

通过这次的学习，让我了解了机器人的制造是如此之复杂，但他的应用也是非常之大的；让我了解了汽车缓速器竟然可以帮组人们更好的减少汽车的事故;让我了解到力学在机械工程中能扮演着十分重要的角色。

总之，这次学习给我带来的收获是巨大的，影响是深远的。

所以我在今后的学习和工作中要敢于实践，不断吸取经验教训，要敢于向难点挑战，发扬一丝不苟的学习精神，时刻掌握机械行业的最新动态，为机械行业的发展做出更大的贡献。

9。