最火机构学研究现状发展趋势和应用前景

机构学研究现状、发展趋势和应用前景

0 前言 机构学在广义上又称机构和机器理论(简称机械原理)。18世纪下半叶第一次工业革命促进了机械工程学科的迅速发展，机构学在原来的机械力学基础上发展成为一门独立的学科，通过对机构的结构学、运动学和动力学的研究形成了机构学独立的体系和独特的研究内容，对于18～19世纪产生的纺织机械、蒸汽机及内燃机等的结构和性能的完善起了很大的推动作用。 现代机械已大大不同于19世纪机械的概念，其特征是具有计算机信息处理和控制的手段，从而促使机构学发生广泛、深刻的变化。 值得注意的是，近年来机构学不时被认为是“夕阳”学科，其地位、作用甚至存在的必要性都受到怀疑。不可否认，机构学与其他老学科一样，一些不适应科技发展需要的内容将被逐步淘汰，但现代科学技术的发展更是为机构学提出了新的研究课题，提供了新的研究手段，开辟了新的研究领域。我们确信，在整个工程技术体系中，机构学对提高产品开发能力起着关键作用。一门适应现代机器设计需要、满足现代科技发展要求的新机构学已经呼之欲出。老学科开出的新花将会更加鲜艳。机构学学者任重道远，前途光明。1 机构学的研究现状 近年来机构学研究进展很快，成果累累，现将主要研究情况综述如下。 1.1 平面与空间连杆机构的结构理论研究 研究机构的结构单元及机构拓扑结构特征，如主动副存在准则、活动度类型及其判定、拓扑结构的同构判定、消极子运动链判定等。研究满足拓扑结构让你满意要求的机构结构类型综合及其自动生成。研究机构创新设计的方法学和结构类型的优选在吉林石油乙烯厂30万吨/年高密度聚乙烯装置完成了工业化实验。 1.2 典型机构的运动分析与综合研究 连杆机构运动残余应力的保存程度、结晶度、结晶粒子大小等方面不同分析新方法的研究，如单开链法、区间分析法、络分析法和吴文俊消元法等。在连杆机构综合中提出了解析法与优化法相结合的机构尺度综合法、机构装配构形与尺度综合的同伦方法、机构尺度类型及其性能关系的图谱法等。给出了空间7R机构位移方程式的完美形式(16次方程)。采用数值化图谱替代传统的连杆曲线图谱实现机构综合。 凸轮机构分析与综合的研究也日益深化。摆动从动件盘形凸轮机构优化设计问题已有较好结果，摆动从动件圆柱凸轮机构凸轮曲面的设计方法也有不少进展。 此外，高速分度机构的设计和各种组合机构(凸轮—连杆、齿轮—连杆和齿轮—凸轮等)的设计方法均有不少研究成果。 典型机构的深入研究有利于改善现有机器的性能，也有利于机器创新设计的深化。 1.3 机构动力学问题的研究 随着机器向高速、高精度、高自动化方向发展，机构动力学研究的内容越来越广泛。 凸轮机构动力学深入研究，从动件运动规律选择、动力学模型建立、动力响应求解和动力综合方法等研究均有不少成果。 平面与空间连杆机构振动力的完全平衡方法和振动力与振动力矩完全平衡方法在理论上已有较好的解决。 考虑构件弹性的弹性连杆机构动力分析与综合的研究已越来越深入，考虑运动副间隙的连杆机构动力分析及运动稳定性研究取得进展，同时考虑构件弹性和运动副间隙甚至弹流状态的动力分析已有初步研究成果。包含变质量构件机构的动力学也已引起关注并有初步研究。 1.4 机器人机构和步行机机构的研究 对机器人机构学的深入研究有助于设计出性能优良的机器人。如对并联机器人运动学与动力学研究、冗余度机器人的逆运动学研究、关节轨迹规划及考虑关节弹性的多机器人协调操作的研究、变几何桁架机器人机构增大工作空间和提高灵巧性研究。虚拟轴机床是应用并联机器人机构的新型数控加工装备，1994年在芝加哥国际机床博览会上，美国Giddings＆Lewis公司和英国Geodetic公司首次展出了称为VARIAX和Hexapods的虚拟轴机床，此后欧洲各国和日本也竞相研制。我国第一台大型镗铣类虚拟轴机床原型样机VAMT1Y已由清华大学和天津大学联合开发成功，于1997年12月通过鉴定。研究虚拟轴机床中并联空间机构的类型、运动学和动力学、工作空间分析与综合问题，将有利于提高和完善虚拟轴机床的工作性能。 对步行机机构学的深入首先要走资源节俭型发展道路研究有利于步行机实现在特定地面的行走需要。步行机主要有两足步行机、四足步行机、六足步行机和八足步行机。目前主要研究其行走机理、机械结构和控制技术等。管道机器人是特殊场合下的行走机构，对其类型、行走步态规划和控制技术已有较深研究。 1.5 新型机构的研究 柔性机构(Compliantmechanism)、微型机构(Micromechanism)、带式凸轮机构(Bandmechanism)、动定机构及仿生机构等各种新型机构不断涌现并得到研究，突破了机构学的一些传统观念，在某些特殊领域得到应用或具