1.机构学概述

1.1机构学

随着资本主义的兴起，英国在18世纪下半叶产生的第一次工业革命促进了机械化生产的发展，同时也促进了机械工程的学科的形成及其发展。机构学在原来机械力学基础上，发展成为一门研究机构的结构学。运动学和动力学系统的独立学科，形成了早期的机构学独立的体系和独特的研究内容[1]。当计算机作为信息处理和控制的手段时，机构学成为有别于传统的现代机构。利用计算机实现协调和控制，使机构学从一般力学中独立出来发展到一个新的阶段，是现代机构学形成的标志[2]。机构学是以运动几何学和力学为主要理论基础，以数学分析为主要手段， 对各类机构进行运动和动力分析与综合的学科。机构学为创造新的机器和进行机械发明与改革提供正确有效的理论和方法， 以设计出更经济合理、更先进的机械设备，来满足生产发展和人们生活的需求。机构学的发展将直接影响到机械工业各类产品的工作性能以及许多行业生产设备的机械化和自动化程度[3]。机构学是着重研究机械中机构的结构和运动等问题的学科，是机械原理的主要分支。研究各种机械中有关机构的结构、运动和受力等共性问题的一门学科。研究内容分两个方面：第一是对已有机构的研究，即机构分析（结构分析，运动分析和动力分析）；第二是按要求设计新的机构，即机构综合（结构综合，运动综合和动力综合）。传统的机构学把机构的运动看作只与其几何约束方式有关，而与受力、质量和时间等无关的学科。这样，在十九世纪中叶，机构学就从一般力学中独立出来，并日益发展。机构学研究的是各种常用机构的结构和运动，如连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、差动机构、间歇运动机构、直线运动机构、螺旋机构和方向机构等，以及这些机构的共性问题，在理论上和方法上进行机构分析和机构综合。机构分析包括结构分析和运动分析两部分。前者研究机构的组成并判定其运动可能性和确定性；后者考察机构在运动中位移、速度和加速度的变化规律，从而确定其运动特性。掌握机构分析的方法对于如何合理使用机器、验证机械设计是否完善等是必不可少的，所以机构分析也是机构综合的基础。但是综合有时不存在唯一解，因而机构分析和综合往往是不可逆的。设计新机器时，先要考虑两个问题：首先，为了完成某一工艺或生产要采取什么运动，这属于专业问题；其次是采用什么机构来实现这种运动，这是机构综合问题。所谓机构综合，就是根据需要实现的运动，选定机构的结构类型，确定机构的几何尺寸，亦即进行机构的结构综合和运动综合，然后画出能够实现所求运动的机构运动简图。对于高速或高精度的机构，为更好地符合实际情况，还应考虑构件弹性和运动副间隙等实际因素的动力分析和动力综合。机构分析和综合的方法过去大多采用图解法，现代由于机构的计算机辅助设计和优化设计的发展，解析法也得到越来越广泛的应用。

1.2机构动力学问题的研究

蜗杆传动机构作为一种典型的传动机构广泛应用于现代机械传动，其运动学和动力学特性关系到变速器本身乃至整个设备性能的发挥。虚拟样机技术在传动机构动力学仿真中的成功应用不仅可以提高仿真精度，而且可以缩短产品设计周期，对于工程实际具有重要的应用价值。通过虚拟样机技术，工程师可以通过机械系统运动仿真，在产品设计阶段发现产品设计中的潜在问题，并快速进行修改，减少了对于物理样机的依赖，这样不仅可以节省成本，缩短产品开发周期，而且可以提高产品性能，增强产品竞争力。为了更精确的的分析在传动过程中，蜗杆蜗轮的轮齿具体受力，仅仅使用多刚体动力学分析是不够的。因为在进行多刚体动力学建模时，把构件作为刚体，做运动分析时不考虑其弹性变形。实际上，机构在较大的载荷作用下或者作加、减速运动时，机构就会产生较大的弹性变形。因此要更真实地模拟机构的动态性能，必须将构件作为柔性体进行分析。在机械系统中，柔性体将会对整个系统的运动产主重要影响，由此产生了基于刚体和柔体的多体动力学。其主要目的是通过考虑柔性体的变形以及柔性体之问的高度祸合作，更好地确定各部件之间的载荷传递关系。同样整个系统的运动情况也反过来决定了每个构件的受力状况和运动状态，从而决定了构件内部的应力应变分布[4]。

1.3机构结构学问题的研究

1.3.1蜕变机构的分析

一些特殊的平面机构，当其运动到一些特殊位置(一般认为是死点位置或运动不确定位置）时，机构在该位置并非处于保持原来静止的静力平衡状态，而是构件的速度和方向不能确定，机构的运动副数与活动构件数发生改变，从而机构的自由度发生改变，机构的这种位置叫做机构的蜕变位置。当这种变自由度机构运动到蜕变位置时，若对其施加某种方式的控制和约束，可实现常规机构所不能完成的运动和功能，这种变自由度机构称为蜕变机构[5]。

1.3.2柔性机构的分析

柔性机构是一种利用机构组成元素的弹性变形来完成运动和力的传递与转换的新型机构。柔性机构中的柔性元素的变形与机构所受外力(矩)的大小和方位相关，它的运动很大程度上取决于作用力(矩)大小和方位。因此，柔性机构是一种变自由度机构，其自由度的数目不仅与组成机构的构件数和运动副的种类有关，也与机构所受外力(矩)的大小和方向有关[5]。