文獻綜述-機構學研究報告現(xiàn)狀及展望

-.z文獻綜述李典導師：郭盛機械與電子控制工程學院2014．9-.z機構學研究現(xiàn)狀與展望摘要：本文綜述了機構學的構造理論，常用機構，組合機構，生物機構學，機械動力學，機構精度分析與綜合的研究現(xiàn)狀，并簡述了機構學領域的開展趨勢。隨著科學技術和現(xiàn)代產業(yè)革命的開展，機構學領域的研究已從傳統(tǒng)機構開展到廣義機構，這將推動現(xiàn)代機構學的快速開展，使機構學在二十一世紀的科技開展中充滿活力。關鍵詞：機構學；研究現(xiàn)狀；趨勢；展望0前言機構學在廣義上又稱機構和機器理論(簡稱機械原理)。機構學研究的對象目前仍以多剛體機械系統(tǒng)為主，但柔性機構學的雛型已開場提出，機電等多學科相結合的廣義機構學的研究已引起人們的關注。機構是組成機器的根本單元。如凸輪機構、齒輪機構和連桿機構等。從兒童玩具到產業(yè)機器人，從海洋開發(fā)的海底作業(yè)機械到登月行走機械都要用到各種機構。機構學是以運動學和力學為主要理論根底，以數(shù)學分析手段，研究各類機構根本規(guī)律以及運動和動力分析與綜合方法的學科，是機械設計所依據(jù)的重要根底理論學科之一。它來源于機械設計及制造的實踐總結，同時機構學的研究，又為開展創(chuàng)造新的機械和改進現(xiàn)有機械的性能提供正確有效的理論和方法。隨著宇航技術、核技術、海洋開發(fā)、醫(yī)療器械、工業(yè)機器人及微技術等高新科學技術的興起和計算機的普遍應用，極大的促進了機構學的開展，創(chuàng)立了不少新理論和新方法，開拓了一些新的研究領域。圖1表示了機構學研究對象的*些層次關系。圖1機構學研究對象的層次關系1課題國內外研究現(xiàn)狀1.1機構研究史概述機械的研究和應用具有悠久的歷史，它伴隨甚至推動了人類社會和人類文明的開展。古希臘大哲學家亞里士多德(公元前384～322年)的著作?ProblemsofMachines?是現(xiàn)存最早的研究機械力學原理的文獻。阿基米德(約公元前287～212年)用古典幾何學方法提出了嚴格的杠桿原理和螺旋的運動學理論，建立了簡單機械研究體系。古埃及的Heron(約公元10～75年)建立了五個根本的機械零件：輪與輪軸、杠桿、絞盤、楔子和螺桿。古代中國的墨子(約公元前480年)在機構方面有很多驚人的成就，他制造的舟、車、飛鳶以及根據(jù)力學原理為古代車子所創(chuàng)造的“車轄〞(即今之車閘)和為“備城門〞所研制的“塹懸梁〞都表達了機構的設計原理。墨子對“力〞的定義，也與近代物理學上的“力〞的概念完全一樣。墨子說：“力，刑之所以奮也〞(?墨經?，21節(jié))。意思是說，力是物體發(fā)生運動的原因。墨子給“力〞的定義是牛頓第二定律的雛形。意大利著名繪畫大師達芬奇(1452～1519)的作品TheMadCode*和TheAtlanticCode*中，列出了用于機器制造的22種根本部件。瑞士數(shù)學家歐拉(1707～1783)提出了一個平面運動是一點的平動和繞該點的轉動的疊加理論，奠定了機構運動學分析的根底。法國的科里奧利1831年提出了相對速度和相對加速度的概念，研究了機構的運動分析原理。英國的瓦特(1736～1819年)研究了機構綜合運動學，探討連桿機構跟蹤直線軌跡問題。劍橋大學教授R．Willis出版著作?機構原理?(PrinciplesofMechanisms，1841)，形成了機構學理論體系。近代德國的機構學研究取得了許多重要的成就。Reuleau*的專著?KinematicsofMachine?闡述了機構的符號表示法和構型綜合。Burmester(1840～1927)提出了幾何方法，應用于機構的位移、速度和加速度分析。Gruebler(1851～1935年)發(fā)現(xiàn)了連桿組的自由度判據(jù)，這標志著向機構的數(shù)綜合(Numbersynthesis)邁出了重要一步。Burmester和Freudenstein用幾何方法研究了連桿機構尺寸綜合，形成了系統(tǒng)的機構設計幾何學理論。1.2機構構造理論在機構構造理論方面，主要是機構的類型綜合、桿數(shù)綜合和機構自由度的介紹。利用拆副、拆桿、甚至拆運動鏈的方法將復雜桿組化為簡單桿組，以簡化機構的運動分析和力分析；利用圖論原理，把機構轉化為矩陣符號標志，利用計算機識別方法，進展機構分類與選型；利用機構構造的鍵圖方法，確定機構自由度和冗余度。研究滿足拓撲構造要求的機構構造類型綜合，如以單開鏈為根本單元的構造類型綜合法、以回路為單元的構造類型綜合法等，利用拓撲圖及其矩陣表示，這兩種構造類型綜合法皆可由計算機自動生成。1.3常用機構的運動分析與綜合在機構運動分析方面，主要大力開展了計算機輔助分析方法的研究，并已研制了一些便于應用的程序；對于高級別的機構，可采用型轉換法或選用不同構件為機架以降低機構級別的方法進展，也可采用分解合成的分析方法；對空間機構的分析，多采用按桿組分析的方法。在連桿機構方面，提出了多準確點的四桿機構的綜合方法；解析法與優(yōu)化法相結合的機構尺度綜合法；機構尺度類型及共性能關系的圖譜法等。提示了空間連桿機構所存在的一種新的幾何關系，導出了空間7R機構方程式的完美形式(16次方程)。空間連桿機構的研究已從單環(huán)機構逐步擴展到多環(huán)機構。在凸輪機構方面，十分重視對高速凸輪機構的研究。對于凸輪機構推桿運動規(guī)律的開發(fā)，選擇和組合以及凸輪機構尺度參數(shù)的優(yōu)化設計作了較多的工作，并取得了不少研究成果。擺動從動件圓柱凸輪機構凸輪曲面設計方法的研究也有不少進展。1.4組合機構組合機構的研究近十幾年來開展十分迅速。這種組合機構的設計方法有不少研究成果，如齒輪連桿組合機構的運動與動力分析與綜合、捆結機凸輪連桿機構的運動精度分析與綜合、自動鎖線機書貼機構(凸輪平面、空間組合機構)計算機輔助設計等)。帶撓性的組合機構已應用于輕工機械、紡織機械與機械手等設備中。1.5機械動力學在凸輪機構方面，高速凸輪的彈性動力學是一個受到普遍重視的研究課題，從計入推桿系統(tǒng)和凸輪軸系的彈性、阻尼的動力學模型及其運動方程的建立和求解，以及綜合方法等均有不少成果。在機構動平衡理論方面，擺動力完全平衡一般理論的研究(完全平衡條件、總質心位置、最少配重等)已比較深入；擺動力和擺動力矩的完全平衡的一般理論研究已取得突破性的進展，為機器高速化和重載化奠定了有效的根底，但實際問題的解決還有待進一步研究和完善。在撓性轉子平衡理論與試驗方面，研究成果應用于大型燃汽輪機發(fā)電機組現(xiàn)場轉子平衡，有力地推動了大型發(fā)電機組的研制與開發(fā)?？紤]構件彈性的連桿機構動力學與綜合的研究已越來越深入；考慮運動副間隙引起的沖擊、動載荷、振動及疲勞失效等問題的研究取得進展；同時考慮構件彈性和運動副間隙，甚至彈流狀態(tài)的動力分析已有初步的成果。具有變質量構件和在運動過程中構造有變化的機構的平衡問題已引起關注并初步研究。對含有閉鏈局部的開式空間邊桿機構的動力學模型及其參數(shù)作了成功的研究。對柔體機械系統(tǒng)動力學也進展了多方面的研究。1.6生物機構學近10年來，隨著仿生機械的迅速開展，創(chuàng)立了生物機構學。生物機構學是研究人和動物體在運動和休止狀態(tài)時內力和外力所產生的效果的學科。不少學者積極開展對人的手指、手腕和手臂構造、動作原理和運動*圍的分析研究，研制出各種自由度的生物電和聲控的機械假手。由于步行機研究的迅速開展，已相繼研制出兩足、四足、六足和八足步行機，主要研究其行走機理、機械構造和控制技術等。有些國家仿蟹和昆蟲的步行機已接近可組織工業(yè)生產的水平。人工脊椎、人工骨骼與人工關節(jié)已達實用階段。1.7機構精度分析與綜合由于機械與微電子技術相結合的開展，仿生、生物醫(yī)學工程、智能機械等各個方面都對多體機構精度提出了高要求。機構精度分析是機構各個原始誤差，求解機構能到達的總精度。通過機構分析在機構設計階段主動進展機構多設計方案的比較，從中選出最正確方案來，為合理使用機構提供必要依據(jù)。機構精度綜合是機構精度分析的逆過程，通過機構綜合可以作精度設計和分配。由于計算機輔助設計的出現(xiàn)，多自由度機構系統(tǒng)的控制系統(tǒng)相結合的運動學、動力學、精度綜合得到突破性開展。目前國際上已研究考慮公差、間隙及關節(jié)伺服定位誤差時連桿機構的隨機特征，提出了滿足運動精度的構造參數(shù)最正確極限偏差的隨機模型，并用動態(tài)規(guī)劃求解此模型。近十年來，機構學者對上述模型做出改進，給出了帶有參數(shù)約束的非線性規(guī)劃的數(shù)學模型，將隨機規(guī)劃技術應用于公差的間隙的最優(yōu)分配。迄今為止，機構動態(tài)精度的分析計算與實際應用有較大的距離，還有許多工作要做。相對而言，機構靜態(tài)精度的分析計算已經較為成熟，機構精度綜合的研究還較欠缺。2現(xiàn)代機構學的展望機構學的新開展，使人們對它有了新的認識，現(xiàn)代機構學與傳統(tǒng)機構學在以下幾點有明顯的區(qū)別：〔1〕對機構的內涵有顯著的開展。傳統(tǒng)的剛性構件機構的輸出主要取決于機構的類型和尺度，等速驅動使機構輸出缺乏柔性化。現(xiàn)代機構將驅動元件與機構融合在一起，通過控制驅動元件使輸入可變，機構的輸出取決于可變的輸入、機構類型和尺度，使輸出具有可控性、柔性?！?〕在機器的構成方面，融入了用于信息處理和控制的計算機。將機械構造和電子計算機技術、傳感技術集成和融合在一體的新一代現(xiàn)代機器，與傳統(tǒng)的機器構成，已有明顯的不同?！?〕在機構和機器設計理論和方法上更加現(xiàn)代化、日趨智能化以及更具系統(tǒng)性，為機械產品的創(chuàng)新設計提供堅實的根底?！?〕現(xiàn)代機構學更注重考慮多種因素的動態(tài)分析和動態(tài)設計，力求提高機器的動態(tài)性能和動態(tài)穩(wěn)定性，使機械產品到達更高水平?，F(xiàn)代機構學的研究和開展，應該在機械產品〔包括機電一體化產品〕的創(chuàng)新設計和高新技術廣泛應用方面發(fā)揮重大作用?，F(xiàn)代機構學具有廣闊的應用前景，具體來說，在以下幾個方面將會產生作用：〔1〕機械產品的概念設計、創(chuàng)新設計和方案設計中廣泛應用任何新機器其中最關鍵也最有創(chuàng)造性的局部是機構系統(tǒng)設計。機構系統(tǒng)設計理論和方法、機構創(chuàng)新設計方法是機械產品概念設計和方案設計的核心?，F(xiàn)代機構學的深入研究將可使概念設計和方案設計到達一個新的高度?！?〕可控機構及其集成系統(tǒng)的設計未來的自動化機械應該是柔性的、可控的?？煽貦C構及其集成設計可以使各種生產線通過控制軟件的變化來適應新的生產需要，因此可以使產品制造快速響應市場需要，增強企業(yè)的市場競爭力?！?〕機器人和步行機研究和開發(fā)機器人和步行機的研究開發(fā)中相關的機構類型、工作空間、動力特性、動剛度以及控制技術和可控機構的匹配都是需要應用現(xiàn)代機構學的理論和方法去解決?！?〕微型機械的開發(fā)和應用現(xiàn)代機構學為設計微機構開辟了有效的途徑。微型機械的開發(fā)離不開各種各樣微型及微動機構的應用及其設計理論和方法的深入研究?！?〕仿生機械的開發(fā)和應用仿生學可以說是自然對人類的啟示。生物的各種形態(tài)、特性、動作、能量變換等都是值得人類去仿效、去研究的。仿生機構類型的深入研究，將會創(chuàng)造出形形色色的仿生機械，使現(xiàn)代機構學的應用更加廣泛，更加有效。〔6〕機械系統(tǒng)的動力特性和動態(tài)穩(wěn)定性的提高現(xiàn)代機械向高速、高精度、高可控性方向開展，機械系統(tǒng)的動力學建模及其解法的研究、動力分析與綜合的研究可以大大提高現(xiàn)代機械的設計水平和工作性能?！?〕建立包容傳統(tǒng)機構和廣義機構的計算機輔助分析和設計的軟件系統(tǒng)在現(xiàn)代機構學不斷完善的根底上，建立可擴展的計算機輔助機構分析與設計的軟件系統(tǒng)，這種軟件系統(tǒng)將會大大有利于現(xiàn)代機構學的推廣應用。3結語經過幾十年的努力，機構學已經由單純研究傳統(tǒng)機構的構造學、運動學、動力學的理論和方法，開展成為一門研究廣義機構的功能、工作原理、類型、設計方法，研究機器的運動狀態(tài)和特性、控制方式及系統(tǒng)設計方法的根底技術學科。機構學是一門應用性很強的學科，必將有力地促進機電產品的創(chuàng)新設計和開發(fā)，并在高科技開展進程中發(fā)揮重要作用。參考文獻［1］王國彪,*辛軍.初論現(xiàn)代數(shù)學在機構學研究中的作用和影響.機械工程學報,2013,249(3).［2］鄒慧君,李瑞琴,郭為忠,*青.機構學10年來主要研究成果和開展展望.機械工程學報,2013,1239(12).［3］頂峰.機構學研究現(xiàn)狀與開展趨勢的思考.機械工程學報,2005,841(8).［4］陸鳳儀,*格寧.機構學研究現(xiàn)狀與展望.**重型機械學院學報,2002,623(2).［5］鄒慧君,郭為忠,田永利.加強現(xiàn)代機構學的研究,推動機械產品創(chuàng)新設計的開展.機械設計與研究,