[科普中国]-机构学

简介

机械延伸加强了人类自身四肢的功能，而计算机又大大延伸和加强了人类大脑的功能。现代机械是由机械和计算机构成的一体化系统，它由机构、驱动、控制、传感与信息处理五个子系统构成，而机构系统是现代机械的骨架与执行器。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。

发展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。

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，机构学在原来机械力学基础上发展成为一门独立的学科。18 世纪末至 19 世纪初，罗蒙诺索夫、欧拉等几何学家和力学家的著作奠定了机构综合理论的基础。到了 19 世纪后半期，逐步形成了以巴默斯特尔、勒洛为代表，建立在运动几何学基础上的几何学派和以切比雪夫为代表建立在函数逼近论基础上的代数学派。到了 20 世纪 70 年代，日本提出了“机电一体化”定义出机械电子学新概念，与此同时，美国则提出是由“计算机信息网络协调与控制的”。所以“现代机械”概念的形成是机构学发展的一个新的里程碑。

2.国家自然科学基金委员会的资助分析与成效

机构学同其他基础科学一样，是一门具有较大深度和难度的探索性学科，需要较扎实的积累基础。它的研究是一个艰苦的历程，往往需要多年乃至几代人的努力才能探索出来。其研究成果贯穿着整个机械工程。据统计，国家自然科学基金委员会在 1986 至 2011 年机构学这一学科的各个项目资助约 400项，其中涉及运用现代数学工具解决机构学问题的项目有 50多项。在国家自然科学基金委员会的支持下，中国机构学在各个研究方向、各个阶段上所取得的成果大都与数学工具密不可分，而近几年来发表的高水平学术论文，大多数都是采用数学工具解决机构学难题1。

特点(1)机构是现代机械系统的基本子系统，机构学与驱动、控制、信息等学科交叉与融合，研究方法是多领域多学科综合，研究内容比传统机构学有明显的扩展。

(2)机构的拓扑结构学、运动学与动力学实现统一建模，创建三者融为一体，且考虑到驱动与控制技术的系统理论，为创新设计提供新的方法。

(3)机构创新设计理论与计算机技术的结合，为机构创新设计的实用软件开发提供技术基础。

(4)基于“自然机械”原理发展和研制新机构类型，并开拓仿生机构。机构创新设计决定了产品的创新性。如果机构的设计有缺陷，则制造出的将会是有先天不足的产品或称之为“有残疾的机械”。对产品的创新而言，机构拓扑创新设计具有原创的特征性质，是机械发明中最具有挑战性和发明性的核心内容。所以，现代机构学的研究对提高我国机械产品的自主设计、创新和国际竞争能力有着十分重要的意义。