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机械原理学科的现状及其发展的趋势


机械原理学科的现状及其发展趋势

内容摘要

近年来,机械原理学科的发展是非常迅速的,不论是在基本原理方面,还

是在研究方法方面,都有较大的进展。在机构的类型方面也有一些新的创造,有些已突破传 统机构学的范畴,而进入所谓“广义机构学的”领域,创造了具有气、液、光、电等环节的 机构。当前尚有由三本基本机构组成的组合机构,和包括挠性构件的组合机构。对空间组合 机构的研究也已进行了不少工作。此外,对于一些具有特殊运动及动力性能 的组合机构也 有所研究。 随着机械向高速、重载方向的发展,机械动力学的研究发展很快。由于电子计算机的普 遍应用, 机构的计算机辅助分析和计算机辅助设计得到较快发展。 从机械原理学科的发展可 以看出,生产发展的需要是学科发展的动力。而学科的发展又反过来促进了生产的发展,提 高了生产的水平。可以期望,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

机械现状

机械发展趋势

一、 机械原理学科的现状
当今世界正经历着一场新的技术革命。新概念、新理论、新方法、新工艺不断出现。作 为向各行各业提供装备的机械工业,也得到了迅猛的发展。 现代机械工业日益向高速、重载、高精度、高效率、低噪声等方向发展。对机械提出的 要求也越来越苛刻。如有的需用于宇宙探测,有的要在深海作业;有的小到能沿人体血管爬 行,有的又是庞然大物; 有的速度数倍于声速,有的又要作亚微米级甚至纳米级的微位移,如此 等等。 处于机械工业发展前沿的机械原理学科,了适应这种种情况,新的研究课题与日俱增,新 的研究方法日新月异。 (1)在新机构研发方面: 为适应生产发展的需要,当前在自控机构、机器人机构、仿生机构、柔性机构和机、电、 光、声、液、气、热的综合机构等的研制上有很大进展。 (2)在连杆机构方面: 重视了对空间连杆机构、多杆多自由度空间机构、特殊串联及多环并联机构、连杆机构 的弹性动力学和连杆机构的动力平衡的研究。 (3)在齿轮机构方面: 发展了齿轮啮合原理,提出了许多性能优异的新型齿廓曲线和新型传动,加速了对高速齿 轮、精密齿轮、微形齿轮的研制。 (4)在凸轮机构方面: 十分重视对高速凸轮机构的研究。为了获得动力性能好的凸轮机构,在凸轮机构推杆运 动规律的开发、选择和组合上作了很多工作。

(5)在组合机构方面: 为了适应现代机械高速度、快节拍、优性能的需要,还发展了高速高定位精度的分度机 构,具有优良综合性能的组合机构,以及各种机构的变异和组合等等。 (6)在机械的分析与综合方面: 一方面由只考虑其运动性能过渡到同时考虑其动力性能;考虑到机械在运转时,构件的 振动和弹性变形,运动副中的间隙和构件的误差对机械运动及动力性能的影响;以及如何对 构件和机械进一步作好动力平衡的问题等等。另一方面日益广泛地应用了计算机,发展并推 广了计算机辅助设计、优化设计、考虑误差的概率设计。 提出了多种便于对机械进行分析 和综合的数学工具,编制了许多大型通用或专用的计算程序。 此外,随着现代科学技术的发展, 测试手段的日臻完善,也加强了对机械的实验研究。 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 。 总之,作为机械原理学科,其研究领域十分广阔,内涵非常丰富。在机械原理的各个领域, 每年都有大量的内容新颖的文献资料涌现。

二、 机械原理学科的未来发展趋势
机械原理学科的发展总趋势是多学科交叉和综合。微型精密化、数字智能化、高效清洁 化、柔性集成化已成为主流发展趋势。随着世界的进步、国家的需求和学科的发展,机械原 理学科的发展出现了以下显著特点和趋势。 1、高技术领域(如光电子、微纳技术、航空航天、生物医学)以及重大工程技术的发 展,要求机械与制造科学向这些领域提供更多更好的新理论、新方法和新技术,出现了微纳 制造、生物制造和微电子制造等制造科学新领域。 2、随着机械与制造科学与信息科学、生命科学、材料科学、管理科学、纳米科学技术 的交叉,产生了仿生机械学、纳米摩擦学、制造信息学、制造管理学等新兴交叉科学。由于 中国未来将大力推进拥有自主知识产权的先进仪器及装备技术, 因此, 基于自主创新的高技 术仪器及装备设计制造的基础研究将得到更充分地重视和更快地发展。 3、由于 21 世纪中国资源和环境面临空前的严峻挑战,要求机械与制造科学比以往任

何时候更重视环境的保护、 产品的安全性和绿色度、 材料和能源的节省、 机电装备的再制造, 以及新能源制造领域的基础研究。 具体详细情况如下: 仿生机械与生物制造 生命科学必将对 21 世纪的技术进步与社会发展产生重大影响。机械科学与生命科学的 融合交叉将产生崭新的工艺与产品, 形成一个富有发展潜力的新产业。 制造仿生与生物制造 是一个极富创新性和挑战性的前沿领域。 这方面的研究内容包括: 生物活体组织的工程化制 造;仿生设计技术与仿生制造系统;仿生微型机械及其生物制造工艺;生物遗传制造(基于 遗传基因的生长成形技术) 。 智能机械结构及系统 智能结构系统是在结构中集成传感器、控制器及执行器,赋予结构健康自诊断,环境自 适应及损伤自愈合等某些智能功能与生命特征,以达到增强结构安全、减轻重量、降低能耗 和提高性能等目的一种仿生结构系统, 主要内容有: 智能机械结构系统基础理论及关键技术 的研究;典型智能机械结构系统的研究。该领域的研究内容还包括:智能机器人和智能制造 系统等。 数字化制造 21 世纪将是数字化制造的时代,通过对设计与制造过程的数字化理论与技术的研究, 实现在高度交互、高度仿真的虚拟现实环境下的新一代虚拟设计、虚拟制造和网络制造,这 将会使制造技术和制造产业发生革命性的变化。 测试技术和测试仪器的虚拟化、 控件化及其 科学问题的解决将是测试技术及测试仪器领域的一大突破。 针对材料科学的新发展和制造技 术发展的新需求, 研究按零件最佳使用功能要求来研究理想材料零件的数字化设计制造的融 合理论与方法和材料与零件的数字化成形制造的新方法。 这是一个多学科交叉的前沿科学问 题,将会使人们长期以来设想按力学、电磁学性能高效设计和制造零件的愿望成为现实。 可重构制造系统 为适应快速变化的市场需求和信息技术的迅速发展, 制造系统及其企业应当是灵活多变 可重组的。 可重组制造系统的体系结构及优化设计理论、 柔性制造单元及可重组制造系统的 随机动态规划、 可重组制造系统的工艺及装备研究等, 都是在新世纪初要解决的关键科学技 术问题。 高效、精密及低成本加工机理、工艺及装备 产品的快速响应制造、绿色制造和超精密工程在 21 世纪对加工工艺和装备提出了新的 要求,需要在加工机理、加工工艺、加工质量保证、新的加工方法、新型加工及控制设备、 新型工具材料及结构等方面进行深入研究,形成可靠、优质、高效、精密、特种、创新的加 工工艺及装备技术,对发展我国制造技术,提高产品制造质量,推动国民经济发展具有重要 意义。并联机床的关键技术基础、超高速切削和磨削的机理、新型刀具及磨具材料和结构的 基本理论、超精密加工、基于环境意识的加工制造技术等都是新世纪初要研究的重要课题 高效、精确、低成本成形及装备的理论和技术 精确成形技术和计算机的模拟仿真是现代成形技术两个最突出的发展方向。 在复杂大型 模具的仿真模拟及其设计制造、大型铸锻件的质量保证技术、复杂零件(如发动机)的制造 技术、激光加工技术基础、快速原型数字制造技术、焊接智能自动化、成形制造过程的清洁 生产研究等方面开展以知识为基础的(KBE) ,以高质量、短周期、低成本为总目标的铸造、 塑性加工和连接工艺技术和装备基础性研究,就成为此领域的重要方向。 产品的绿色设计和制造 研究内容包括:建立绿色产品、绿色制造系统的模型,把涉及环境、生态等经验性描述 和相关学术思想等内容用数学方法融入到设计制造理论体系中; 绿色产品的评价指标体系和

方法;机械设备和国防装备再制造中的关键技术,如再制造装备系统失效行为的物理模型、 再制造毛坯纳米复合及原位自愈合生长成型技术、 再制造部件和产品综合性能在线检测和计 算机模拟等。 随着机械装备机电一体化程度的不断提高, 电磁污染问题也是亟待研究的问题。 产品创新设计和全性能、全生命周期优化设计 加强产品创新设计研究,既是机械学科发展的需要,也是提高我国综合竞争力的需要。 产品开发理论和方法学、 产品开发中的知识处理和信息技术、 网络环境下的异地设计技术和 虚拟设计等是该领域内急需研究的几个方向。 摩擦学前沿 摩擦学贯穿于产品的设计、制造、使用及维修等整个过程,是机械工程学科的基础和前 沿领域之一。目前,微摩擦学及微动摩擦学、特殊工况下的摩擦学问题、纳米及分子尺度上 的摩擦学研究、新材料及先进表面处理的减摩抗磨研究、生物摩擦学、摩擦学性能的主动与 智能控制、摩擦学设计及绿色问题等是摩擦学研究的热点。在研究界面摩擦行为、损伤、失 效机理的基础上,要与工程实际相结合,解决工业中的关键摩擦学问题。 机械系统动力学建模与控制 21 世纪初,机械动力学将受到高速载运工具、智能机械和微机电系统的发展需求牵引 和信息科学与技术的推动,沿着动力学建模、仿真、分析与控制一体化的主线发展。在其发 展中,特别应受到关注的研究内容有:对包括机、液、电、磁多场耦合,带有智能控制的复 杂系统的动力学描述, 嵌入人工智能的系统映射动力学分析及控制, 以及新型主动、 半主动、 被动动力学控制技术的实现, 特别是应用于具体对象, 使其在动力学性能方面有较大幅度的 提高。

三、结束语
机械行业是国家经济和综合国力的基础,被称为“立国之本” 。经过近几十年的发展, 我国的机械工业已经取得了长足的进步。但和先进国家相比还存在很大差距。主要表现在: 技术投入相对不足,原有技术基础和研究开发能力薄弱,制造业产品落后,技术水平低,信 息含量少,更新换代慢,以及市场营销、经营管理、人才素质相对落后,缺乏国际竞争能力 等方面。面对这样形势,我们必须注重科技人才的培养,大力发展对高新技术的研究,加强 政策与法规建设,建立与发展我国自主的 NC、CAD/CAM、FMS、CIMS、IMS 等制造自 动化单元技术,提高制造业现代化管理水平,发展适应我国国情的生产模式。努力缩小我国 与先进国家之间的差距,使我国的制造业站在世界先进行列。

参考文献:
[1]国家自然科学基金委员会“机械工程科学技术前沿”编委会.机械工程科学技术前 沿.北京:机械工业出版社,1996 [2]国家自然科学基金委员会.先进制造技术基础.北京:施普林格和高等教育出版社, 1998 [3]国家自然科学基金委员会 “21 世纪制造科学研讨会” 学术秘书组. 世纪制造科学. 21 北 京,1999 [4]邹慧君.机构学研究现状、发展趋势和应用前景.机械工程学报,1999,35(5):1~

4 [5]周志雄,孙宗禹等译.2020 年制造业挑战和展望.美国制造业挑战展望委员会.美 国国家学术出版社,1998


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