机械原理发展现状与趋势

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。