机械原理中机构的定义范文

导语：如何才能写好一篇机械原理中机构的定义，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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1.1在教学中应用的理论依据

虚拟仿真技术可将学习对象、学习资源、学习情境和学习工具进行有机结合，将一些看得见表面但摸不着实际的学习对象，通过某些技术和工具，使学习者能看得清其实质，还能感觉到其实际，为学习者创设良好的学习情境，有效促进了学习者的体验学习。关于体验学习，美国心理学家库伯(DavidKolb)用4个元素建立起了4阶段理论模型:具体的经验、观察与反思、形成抽象的概念和普遍的原理以及在新情境中检验概念的意义。对学习者而言，其学习过程应遵循“学习圈”(learningcycle)。学习的起点或知识的获取首先是来自人们的经验或者感性的认知，有了“经验”，学习者的下一步逻辑过程便是对已获经验进行“观察”与“反思”(reflection)，把“有限的经验”形成抽象的概念和普遍的原理。在教学过程中，特别是高等教育中的机械类课程，学习者即学生很难在有限的时间对其学习对象如一些机械装备进行感性认识，虚拟仿真技术在教学中的应用恰恰满足了学生在学习中感性体验的需求，在情景中体验概念的意义，使得知识外延扩大。

1.2在机械类课程中教学的效果

机械基础类课程通常由《机械制图》、《机械原理》和《数控机床》等课程组成。在这些课程的教学中，既需要演示大量的实物、机械运动过程、加工、制造、检验方法和过程等，又需要将工程实际中提出的理论问题用虚拟仿真手段演示。采用虚拟仿真技术的CAI课件可以为教学提供很好的资源。如《机械制图》课程中，除了强调学生的识图绘图能力之外，空间想象与空间思考能力尤为重要。作为教学重点与难点，传统的文字讲解与配图很难让学生在脑中具体地构造模型，而虚拟仿真技术的应用可以直接将三维立体图展现在课堂之上，化抽象为具体。学生可从内部、外部以及各角度观察立体模型，再与平面绘图相结合，利于学生的理解。在《机械原理》课程中，运动机构的认知与理解为教学的核心，如何将教材中静止的机构配图的运动情景理解为真实的场景成为学习《机械原理》的关键。如在机构自由度的分析和计算过程中，复合铰链很难讲解透彻，若用设计出复合铰链实际的装配，学生会一目了然看到在3个杆件的结合点有2个铰链，而避免因平面图形看上去只有1个铰链的错误感觉。采用虚拟仿真技术，将机构运动做成虚拟动画，即可达到更好的教学效果，还可节省成本，符合教学改革发展的趋势。在《数控机床》课程中，机床加工过程用纯文本加图片的教学方式不易被学生理解，最佳的学习方式就是实际操作，但很多学校办学规模有限，缺少相应的实习基地，且实际操作具有一定风险。采用虚拟仿真技术进行设计加工的模拟，既可以避免真实教学给人带来的危险，又可以减少相应投资的成本，同时可以系统、完整地为学生呈现出整个工艺过程，极大地帮助学生的理解和记忆。

2棉花制钵机的仿真动画制作

教学过程中向学生展示农业棉花制钵机，实物成本高，体积大，不适合作为课堂教具，虚拟仿真技术在教学中的应用，可以利用Pro?E软件对棉花制钵机进行实体建模，并以其机构部件的实际连接为基础，对其进行装配。在设置了机构连接方式和运动方式的前提下，利用Pro?E的“机构”模块对制钵机工作过程进行了仿真，进而分析了制钵机构工作过程中的运动特点，使得学生更加直观地了解其工作原理。

2.1制钵机主要结构的三维建模

制钵机由传动机构、填料机构、压料机构和输出机构等部分组成。

(1)传动机构:制钵机传动机构由单相异步电动机、离合器、减速器和链条等机构组成。实现了速度的调速以及运动的配合，使压料机构和送料机构的动作能够匹配。

(2)填料机构:由进料斗、间歇齿轮和钵模盘组成。

(3)压料机构:由偏心轮顶压结构和曲柄滑块结构组成。偏心轮顶压结构和曲柄滑块结构的两冲头做直线往复运动，在模孔中将土壤挤压成型和冲出钵体。

(4)输出结构:主要由链轮组成，将成形的营养钵输出。

2.2制钵机装配模型的建立

装配时，用应用程序的“标准”界面操作。点击“插入”中“元件”后的“装配”，选择保存路径中元件，根据实际情况选择连接方式。如减速箱内轴与减速箱体，齿轮与轴之间连接类型为销钉连接、制钵机机架与填料箱顶杆为刚性连接。制钵机的动态虚拟仿真除标准装配模式外，还需要采用Pro?E“应用程序”中的“机构”功能，可选择齿轮间的连接以及添加伺服电机。制钵机装配过程应按如下顺序进行。

(1)插入机架，连接方式设置为缺省，即为完全约束。

(2)电机支架、轮胎杆，以及各个顶杆与机架间连接方式为刚性连接。

(3)轮胎与轮胎杆之间连接方式为销钉连接，需设置旋转轴与连接平面。

(4)制动杆与电机轴间为圆柱连接。

(5)减速箱内轴与减速箱壳体为刚性连接，轴上齿轮与轴为销钉连接，而相互啮合的齿轮间为“机构”功能中的“齿轮连接”。

(6)料斗与机架之间采用平面连接，制钵机构通过连杆的滑动杆连接与机架相连。

2.3制钵机虚拟仿真运动模型的建立

制钵机的工作原理:电动机为动力输出源，通过胶带与减速箱相连。减速箱中装有锥齿轮，动力分水平与竖直两方向输出。水平方向通过链轮与冲压装置相连，构成曲柄滑块机构，竖直方向通过不完全齿轮机构带动料斗间歇运动。同时通过另一链轮与滚轮相连，带动输出胶带的传动。料斗中的营养土在刮板带动下进入钵体，压料机构杆向下运动压实钵体中的营养土，再转一个角度，钵体下方设有托盘，接着另一个压料机构杆轻压落入胶带后被胶带传输至储存处。根据机构装配所建的仿真装配文件，选择“应用程序”中的“机构”进入Pro?E的机构模块，仿真设置过程如下。

(1)检测装配模型，进入系统机构设计环境，然后点击“拖动模型”工具，并拖动各运动机构看是否按预期的运动方式运动。

(2)添加伺服电动机，在工具栏中选择“定义伺服电机”，根据需要在电动机类型中选择“运动轴”或者“几何”，再选择“轮廓”中的参数，通过位置、速度和加速度3个参数与时间的函数关系来定义电机。同时可根据设定“模”来实现精准的电机控制。“图形”功能可以直观地显示电动机的运动模型。

(3)电机运行，使用工具栏中的“机构分析”功能，在分析定义中的“电动机”中设置各电机的起始与终止时间，仿真过程中电机数量较多，需根据需要一一设定。

(4)创建动画。简单动画制作可使用机构树中的“回放”功能，可选择“捕获”按钮将动画输出。或根据“应用程序”中的“动画”模块进行更为生动的运动动画。通过“定时视图”与“定时透明”功能实现多角度、全方位的观察视角的变化，从而更具体细致地观察制钵机的工作过程。

3结束语

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关键词：机构组合；机械原理；实验；机械系统

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2014）22-0175-02

随着我国由“制造大国”向“制造强国”转变的历史性跨越，高校的实践教学愈加受到广泛的重视[1，2]。而对于培养目标为“培养具有社会责任感、基础扎实、知识面宽、富有创新精神与实践能力的应用型高级专门人才”和“以工为主，以轨道交通为特色”的大学来说，逐步将演示性、验证性实验改变为综合性、设计性实验，以强化对学生的机械综合设计能力、实践动手能力及工程意识、创新意识与创新能力的培养，更是迫在眉睫。

一、问题的提出

《机械原理》课程是工科机械类各专业的一门承上启下的重要技术基础课，在学生从理论学习到实际设计的转化过程中起到重要的桥梁作用。该课程的任务是使学生掌握机构学和机器动力学的基本理论、基本知识和基本技能，学会常用机构的分析和综合方法，并具有进行机械系统设计的初步能力。由此可见，实验教学在整个机械原理课程的教学体系中，具有十分重要的地位，除了能使学生巩固和加深对理论知识的认识与理解外，更是理论结合实际、提高学生的动手能力、启迪学生的创新思维的必要手段。以往传统的机械原理实验项目多为《机构运动简图测绘》、《渐开线齿廓范成原理》和《回转件的动平衡》等验证性实验。经过近几年的努力，实验室研发了《平面连杆机构设计实验》，为开创设计性实验探索了道路。为了进一步深入开展综合性、设计性实验的设计、开发与实践，课题组研发了此项机构组合设计与搭接实验。

二、实验的目的及任务

设计性、综合性实验――《机构组合设计实验》的训练内容涉及常用机构、组合机构设计与分析、机械系统方案设计等，该实验的目的为：

1.培养学生机构运动方案的构思与设计，提高其综合利用所学知识解决实际问题的能力和动手能力；

2.通过对实际工程问题的机构设计及搭接，加深学生对机构运动特性、运动干涉等问题的理解，培养学生观察问题、发现问题的能力；通过实验的多方案设计培养发散思维和创新设计能力；

3.培养学生协作能力及团队精神。此项实验的任务可根据学生理论知识掌握程度，自选或指定以下机构之一：内燃机机构；精压机机构；牛头刨床机构；齿轮―曲柄摇杆机构；齿轮―曲柄摆块机构；双滑块机构插床机构；筛料机构；凸轮―五杆机构；间歇运动组合机构等。

实验以学生为主，构思2～3个可行方案，比较各方案优缺点；对优选方案进行详细设计，绘制机构运动简图，进行实物搭接和试运转；在老师引导下学生发现所搭接机构的不足之处，并提出改进措施。

三、实验原理、方法与步骤

1.实验装置。实验选用湖南长庆机电科教有限公司生产制造的CQJP―D机构运动创新设计方案实验台为实验装置：

①实验台机架（如图1所示）：

②实验台组件：该试验台组件涵盖了机械原理课程中讲到的各种机构的典型构件：连杆和滑块、齿轮和齿条、凸轮、槽轮和拨盘等，如图2所示。另外还提供了用于连接、固定和锁紧等辅助功能的组件：复合铰链、主/从动轴、铰链支座、压紧螺栓、层面限位套、高副锁紧弹簧、齿条护板等。

2.实验原理。机构具有确定运动的条件是其原动件的数目等于其所具有的自由度的数目。因此，如将机构的机架及与机架相连的原动件从机构中拆分开来，则由其余构件构成的构件组必然为一个自由度为零的构件组。而这个自由度为零的构件组，有时还可以拆分成更简单的自由度为零的构件组，将最后不能再拆的最简单的自由度为零的构件组称为基本杆组（或阿苏尔杆组），简称为杆组[3]。由杆组定义，组成平面机构的基本杆组应满足条件：F=3n-2P1-Ph=0 式中：n为杆组中的构件数；P1为杆组中的低副数；Ph为杆组中的高副数。由于构件数和运动副数目均应为整数，故当n、P1、Ph取不同数值时，可得各类基本杆组。当Ph=0时，杆组中的运动副全部为低副，称为低副杆组。其F=3n-2P1=0，故n=2P1/3，故n应当是2的倍数，而P1应当是3的倍数，即n=2、4、6……，P1=3、6、9……。当n=2，P1=3时，基本杆组称为Ⅱ级组。Ⅱ级组是应用最多的基本杆组，绝大多数的机构均由Ⅱ级杆组组成。n=4，P1=6时的基本杆组称为Ⅲ级杆组。由上述分析可知，机构的组成原理为：任何平面机构都是由若干个基本杆组（阿苏尔杆组）依次联接到原动件和机架上而构成。此原理即为机构组合设计与搭接实验的基本原理。

3.实验的方法与步骤。①掌握平面机构组成原理；②熟悉实验中的实验设备，各零、部件功用和安装、拆卸工具；③确定设计机构的类型，构思2至3个可行方案，比较各方案优缺点；④对优选方案进行详细设计，绘制机构运动简图；⑤将优选方案正确拆分成基本杆组；⑥正确拼接各基本杆组，将基本杆组按运动传递规律顺序联接到原动件和机架上，进行实物搭接和试运转；⑦按要求完成实验报告。

此项实验从培养学生机构运动方案的构思和动手实践能力出发，能够使学生受到三个层次的训练：①掌握实验的基本技能，验证所学的理论，加深对所学知识的理解；②课程学习与工程实际结合，初步具有进行新型机构创新设计的能力；③鼓励学生自己结合有生产背景的实际课题提出设计目标，进行原理方案设计，在锻炼动手实践能力的同时，加强学生发现问题、分析问题和解决问题能力的培养。

参考文献：

[1]王汝贵，蔡敢为.两自由度可控机构动态性能实验装置研制[J].实验室研究与探索，2012，31（12）：3-5，11.

[2]蔡书平，桂亮.机械运动学与动力学实验教学应用研究[J].高校实验室工作研究，2012，（4）：47-49.

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关键词：机械产品；概念设计；方法研究

Abstract: the conceptual design is the most important part in product design, is also the main means to improve product quality, reduce costs and improve the competitiveness of enterprises. Based on the definition and contents of conceptual design, analyzed the design concept and method, to give theoretical and technical exchanges.

Keywords: mechanical product conceptual design; research method;

中图分类号：F407 文献标识码：A文章编号：

机械设计的内涵及其特性

1.1 机械设计内涵

在确定任务之后, 通过抽象化, 拟定功能结构, 寻求适当的作用原理及其组合等, 确定出基本求解途径, 得出求解方案, 这一部分设计工作叫做概念设计。产品设计的根本目的就是要创新产品, 满足市场需求和占领更大市场。产品设计本身是创造性的劳动, 设计的本质是创新。因此, 重视创新设计是增加机械产品竞争力的根本途径。

1.2 机械设计的特性

概念设计具有如下特性:

( 1) 创新性：创新是概念设计的灵魂。只有创新才有可能得到结构新颖、性能优良、价格低廉的富有竞争力的机械产品。这里的创新可以是多层次的, 如从结构修改、结构替换的低层次创新工作到工作原理更换、功能修改和增加等高层次的创新活动都属于概念设计的范畴。在众多设计路径所产生的设计结果中, 将产生一组可行的“新”方案。

( 2) 多样性： 概念设计的多样性主要体现在其设计路径的多样化和设计结果的多样化。不同的功能定义、功能分解和工作原理等, 会产生完全不同的设计思路和设计方法, 从而在功能载体的设计上产生完全不同的解决方案。从而产生了机械式手表和石英手表这两种完全不同的设计结果。

( 3) 层次性： 概念设计的层次性体现在两方面。一方面,概念设计分别作用于功能层和载体结构层, 并完成由功能层向结构层的映射。如功能定义、功能分解作用于功能层上, 而结构修改、结构变异则作用于结构层, 由映射关系将两层连接起来。另一方面, 在功能层和结构层中也有自身的层次关系。例如功能分解就是将功能从一个层次向下一层次推进。功能的层次性也就决定了结构的层次性, 不同层次的功能对应不同层次的结构。

2.机械产品设计过程的主要步骤及基本内容

对于机械产品设计过程的不同理解, 从本质上说是由于对设计的内涵有不同的认识和对设计的理论有不同的理解。机械设计分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计等四个阶段 。机械电子系统从本质上说是电子化了的机械。它所实现的功能和工艺动作过程与机械系统基本相同, 只是在实现方式和方法上电子化。它的概念设计步骤包括：功能分析与功能结构构图设计工艺动作基本构成 执行机构及其系统的控制方案构思、设计。

机械电子系统概念设计的基本构成如图1 所示。其基本内容包括:①功能分析与功能结构设计；②执行运动的构思与整个执行运动过程设计——集成:③传感检测系统与机电执行机构系统的融合；④信息出来及控制系统与机电执行机构系统和传感检测系统的集成与融合。总之, 产品设计过程中十分重视的步骤是功能设计、定性设计。

总的来说，机械产品概念设计的内容由以下三部分组成:

4. 1功能分析与功能结构设计

功能抽象化：把市场需求和用户要求通过计算机分析, 进行功能抽象, 突出任务核心和摆脱因循守旧, 有利于找出新颖的方案；功能分解：将功能进行分解, 使其得到合适的的若干子功能, 分解过程也是创新过程；功能结构图设计：将各子功能的相互关系确定后, 进行功能结构图的构思和设计。

4. 2工艺动作的分解和构思

实现机械产品的功能是靠工艺动作来完成的, 即一系列工艺动作的目的是完成需实现的功能。工艺动作的分解往往对应于功能的分解。例如缝纫机的缝纫功能分解为刺布、挑线、钩线和送布四大功能, 它们所对应的动作为机针上下运动、挑线杆供线和收线、梭子钩线和推送缝料四大动作。又如灌装功能分解为送瓶、灌装、压盖、出瓶四大功能, 可用相应的四个动作来完成。同一功能可以由不同的工艺动作实现,因而工艺动作的构思也是相当重要的。例如在制袋充填封口机中, 如直接模拟手工制袋动作, 则机构动作非常复杂； 但如果利用相对运动原理逆反思索方法, 制袋成形器不动, 而薄膜相对运动, 就会使制袋机构大为简化。

4. 3执行机构系统方案构思与设计

实现功能的工艺动作, 在机械产品内是靠若干个执行机构来完成的。机构产品概念设计最终归结为机械运动方案设计, 也就是执行机构系统方案设计。执行机构系统方案的构思与设计是概念设计中非常重要的内容。它的设计内容框架如图1 所示。它分为三部分: 动力系统、传动及执行机构系统和控制系统。传动及执行机构系统是方案设计的核心。目前,传动系统和执行机构越来越紧密地连接在一起, 而且许多机构同时担负传动和执行的作用, 无法分割。因此在概念设计中将它们作为一个整体对待是合理的。控制机构一般采用各执行机构主动曲柄相位差来实现。

3.产品智能化概念设计研究内容和方法

为了提高机械产品概念设计的水平, 必须使概念设计实现智能化, 采用智能计算机辅助概念设计系统。智能化概念设计主要研究内容和方法阐述如下:

3.1 智能化概念设计的研究内容

( 1) 建立各种类型机械产品功能库和功能结构表示库: 概念设计的的关键是功能创新和表示、功能分解和功能结构图设计。因此根据各种类型机械产品的功能要求和结构特点建立功能库和功能结构表示库, 将会大大有利于人们利用已有专业知识和设计专家经验进行机械产品的创新设计。

( 2) 建立各种类型机械产品相关的功能载体库和载体

创新方法库: 概念设计最终应将各种功能、功能载体加以实现, 因此将产品相关的功能载体汇总成功能载体库有利于设计人员构思和分析, 使设计达到更高水平。为了追求概念设计达到更大的创造性, 对功能载体应不断创新, 总结现有功能载体所遵循的创新方法将会有利于人们创新功能载体, 达到更为完美的程度。

( 3)概念设计的推理方法: 概念设计的的推理机制是根据一个或一些判断得出另一个判断, 并最终求得结果的思维过程。具体来说, 就是利用各种知识库中的知识, 按一定的推理策略解决机械产品的概念设计。概念设计的推理机, 目前有基于类比的推理、基于实例的推理和基于原型的推理等多种形式。

( 4) 产品概念设计的评价体系和评价方法: 对不同类型的机械产品的评价体系显然是不同的, 但是在产品概念设计阶段评价体系仍具有一定的共同点。一般来讲, 对机械产品和机械电子产品分为功能、工作性能、动力性能、经济性及结构紧凑性等五个方面。建立评价体系要充分注意科学性、全面性和专家经验性。对于产品概念设计中初步确定的几个方案, 最后应用综合选优的方法来确定最佳方案。这里可以实用模糊综合评判法、系统工程评价和价值工程法等方法。

3.2 智能化概念设计研究方法

智能化概念设计的目的是使计算机具有一定程度的智能, 辅助人完成概念设计的全过程。“发明是靠99%的汗水和1%的灵感”,在概念设计中, 智能化目标就是由计算机完成99%的汗水工作, 而由人来完成1%的灵感工作。根据以上认识, 机械系统概念设计模型如图2 所示。它可以分为三部分: 右边部分代表基础知识, 它包括原理库、行为库和结构库； 左边部分为代表领域知识的本体库和样体库； 它们共同作用于中间部分概念设计功能行为结构的设计过程中。

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关键词：蚁群算法；遗传算法；元胞原理；四杆机构

中图分类号：tg316 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）3-0048-02

随着科学技术和工业水平的不断提高，目前在机械优化设计的要求也越来越高，原来传统的图解法、解析法等设计方法已不能完全满足现在的要求。虽然后来也出现了比如蚁群算法这样的优秀设计方法，但是其自身也存在停滞现象、收敛速度慢等问题，不能很有效的进行机械结构的优化设计。于是基于蚁群算法、遗传算法、元胞原理可提出两种优秀的设计方法：遗传蚁群算法、元胞蚁群算法。这两种设计方法可以有效的克服基本蚁群算法的缺点，改进设计效果，使机械设计变得更加优化。下面我们将分别根据不同的条件，然后运用遗传蚁群算法和元胞蚁群算法进行平面四杆机构再现轨迹的优化进行设计，使机械的优化设计问题得到不同程度的解决。

1 蚁群算法

1.1 蚁群算法基本原理

蚁群算法是由Marco Dorigo于1992年在他的博士论文中提出的一种用来寻找最优优路径的概率型算法。蚁群算法的基本原理和模型来源于蚂蚁在找食物时选择路线的过程。我们都知道自然界的蚂蚁即使在没有任何外界导向信息的情况下，蚂蚁也总是能找到从巢穴到食物的最短路线。Marco Dorigo等人发现，自然界蚂蚁寻找到从巢穴到食物的最短路线，是通过一种正反馈效应实现的。具体表现为：单个的蚂蚁每次会在自己行走的路线下留下一种挥发性的分泌物，我们称其为信息激素。这样就使最优路径上的激素浓度越来越大，而其它路径上的激素浓度会随着蚂蚁的不断运动而逐渐减少，最终使最优路径被找出。

1.2 蚁群算法基本模型及其实现

根据Dorigo等人提出的关于蚁群算法的基本观点，我们可以将蚁群算法的基本实现过程和原理描述以下几个步骤：

①搜索结果不满足预期效果时，蚂蚁继续寻找另一条路线；②搜索过程中非最优路径上的信息激素浓度减少，最优路径上的信息激素增加；③信息激素浓度等根据搜索结果进行实时更新；④搜索到最终结果。但是通过实践发现这种基本蚁群算法原理在求解结果的过程中会出现搜索速度慢等缺点。因此如若将蚁群算法与遗传算法、元胞模型等原理相结合，就出现了遗传蚁群算法、元胞蚁群算法，这些复合的算法就可以有效的克服简单蚁群算法的缺点。

2 遗传蚁群算法

2.1 遗传蚁群算法原理

在上述蚂蚁的转移概率的定义式中，信息启发式因子？鄣和期望值启发式因子？茁，以及信息量残留系数？籽都可以进行用数学方法进行计算分析，因此，如果将？鄣、？茁和？籽这三个因素看成代表蚂蚁搜索求解过程中典型的3段代码，并将？鄣、？茁、？籽编码为实数。然后通过遗传算法中的遗传算子进行变异处理，这样就可以在原有的算法结果的基础上进行优化。这样就把基本的蚁群算法与遗传算法中的遗传变异效应相结合起来。这样遗传蚁群算法原理就产生了。

2.2 遗传蚁群算法模型及其实现（以平面四杆机构优化设计为例）

4 结 语

蚁群算法是模拟自然界蚂蚁的觅食行为的一种模型方法，虽然在机构的优化设计中有一定的优势，但是其自身也存在一些问题，故将蚁群算法和遗传算法、元胞模型进行综合运用，克服了原有基本蚁群算法的缺点。为机构的优化设计提供了更为简便、优秀的设计方法，并且可以根据实际情况的已知条件选择恰当的设计方法。这样我们在实际的设计中可以根据自身的情况选择遗传蚁群算法或者元胞蚁群算法，这为我们的设计提供了较大的选择空间。

参考文献：

[1] 刘国光.基于改进蚁群算法的四杆机构优化设计[J].农业机械学报，2006，37（1）：149-151.

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关键词：机构学；现代数学；旋量理论；微分流形

一、微分流形与旋量理论概述

1.微分流形

微分流形，也称光滑流形，或称C∞-微分（可微）流形，是指一个被赋予了光滑结构、带有微分结构的描述自然现象的一种拓扑流形。其类型可分为可维映射，映射的微分和子流形（一般的，如果不特指，微分流形指的就是C∞类的微分流形）。

假设r是自然数，如果满足以下的条件：

（1）M豪斯多夫空间。

（2）m维坐标邻域覆盖M；【存在M的m维坐标邻域族{Uα，φα}α∈A，使得M=Uα∈AUα】。

（3）任意的α，β∈A，都满足Uα∩Uβ≠ϕ，定义坐标变换φβοφα-1:φα（Uα∩Uβ）[]φβ（Uα∩Uβ）为Cr映射（光滑映射）；则 被称为是m维Cr可微流形（光滑流形）。

常见的微分流形主要包括流形、流形上的积分、切问题、外微分形式圆与欧几里得空间等概念，欧几里得空间、李群（具有代数群结构的微分流形并且是无线可微的）等就是一种特殊的微分流形。

而要研究流形，陈省身教授指出，要研究整个流形，流形论的基础便成为必要。其研究的主要目的是经过坐标卡变换而保持不变的性质，这也是与一般数学不相同的地方。随着数学的发展和成熟，他提出，传统的实数或附属空间只是局部的情形（虽然在许多情形下它会是最重要的情形），将来数学研究的对象必然是流形。

2.旋量理论

旋量理论又叫狄拉克旋量，最早由狄拉克提出狄拉克方程引入。旋量又称为“螺旋”，是同时表示矢量的方向和位置的一组对偶矢量。它与微分几何、李群李代数纯代数有差别。旋量既可以表示运动学中角速度和线速度，又可以表示刚体力学中的力和力矩，还可以由对应的角动量来表示。具有物理意义明确、几何概念清楚、代数运算方便、理论难度也不是很高等优点。

我国研究与应用旋量理论最早的学者是黄真教授，他在专著中系统地介绍了旋量理论及它在机构学中的应用，极大程度上促进了旋量理论在机构学领域的发展。

3.旋量理论与微分流形之间的联系

根据上面我们已经明确微分流形和旋量理论的概念，知道了微分流形和旋量理论在研究对象上是相辅相成、互相映射的。

最早出现用李群李代数来系统描述刚体运动是在1978年，当时指出刚体运动的位移空间满足李群的代数结构，但是由于刚体运动具有有限运动的特性，因此随后指出位移群是在刚移层面（连续或有限运动范畴）上进行操作的，很难描述刚体运动与力之间的关系。然而值得庆幸的是，旋量（物理量）理论从速度层面（瞬间或微小运动范畴）上描述刚体运动，并与力建立了有机联系，提出了运动与力之间的议题，解决了之前仅仅从位移层面研究刚体运动碰到的难题。所以，从物理上讲，微分流形和旋量理论都是从不同层面上与数学中某种位移群的李代群联系在一起，两者之间是相互映射、互相弥补的。

二、现代数学在机构学中的典型应用

1.结构分析与综合

机构学是研究机械中机构的结构与运动等问题的学科，是机械原理的主要分支，是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。

结构分析是很重要的，而创新是当今社会炙热话题，所以要设计出合理、新颖的机构，不仅要有丰富的实践经验，更要明确其组成原理，而结构分析的目的就是了解各种机构的组成及其对运动的影响。

结构综合是机构综合的组成部分之一，包括数综合和型综合。数综合用于研究满足一定的机构自由度前提下，机构将由几个构件和运动组成的问题。型综合用于解决在一定数目的构件和运动副的条件下可以组成多少种型式机构的问题。结构综合的最终目的是要解决机构选型问题。但迄今为止，机构选型还没有形成一种比较普遍适用和系统化的原则和方法，尚需要进一步深入研究。

2.性能分析与评价

我们知道，机构分析的目的在于掌握机构的组成原理、运动和动力性能，以便准确地使用现有机构并充分发挥其效能，抑或为验证和改进设计提供依据。

历经30年的发展，较传统机构学而言，现代机构学具有以下特点：机械产品的概念、方案和创新设计中得到广泛应用；机构输出柔化性和可控性方面得到提高，机构和机器设计理论和方法上更加智能化、系统化和适用化，更加注重考虑动态分析和设计，微机构的应用上开辟了新途径，仿生机械学的开发和应用，机电一体化技术的发展设计，新型机构的创造等应用。

总之，相比于传统的机构学，现代机构学的发展是必然的。

虽然现代数学在某些方面有广阔的前景，但是在一些方面仍有些许不足。所以，创新和完善它们的机构设计和综合方法很有必要。但是，我们也不能忽略对典型的传统机构进行深入研究，因为它不仅仅有利于推动现代机构学的发展，而且现代机构学本身就是在传统机构学的基础上发展起来。

三、现代数学对中国机构学研究的作用

1.中国机构学研究的里程碑

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。

四、结语

随着科学技术的飞速发展，历经30年的发展后，机构学已经由传统的结构学、运动学和动力学的理论，发展成现代一门研究广义机构的功能、类型、工作原理的基础技术学科。伴随着传统机构学的发展与成熟，现代机构学在很多特殊领域都发挥着重要的作用，如仿生机械的应用和发展、深海海底作业的机器人、宇宙飞船上用于收回卫星的机械臂、腹腔内进行外科手术的手术刀等。而机构学本身就是一门应用性很强的学科，我们必须认清这种发展趋势和机构学发展的重要作用，致力于现代数学对机构学的应用和发展，相信伴随着应用而产生的机构学将更加辉煌。

参考文献:

[1]邹慧君，郭为忠，田永利.加强现代机构学的研究，推动机械产品创新设计的发展[J].机械设计与研究，2001（1）:10-12.

[2]温诗铸，丁建宁.微型机械设计基础研究[J].机械工程学报，2000（7）:39-42.

[3]高峰.机构学研究现状与发展趋势的思考[J].机械工程报，2005，41（8）：3-17.

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【关键词】 机械工程 研发应用 发展策略

随着时代的发展与能源的耗费，21世纪人类社会面临资源枯竭、气候变暖、环境恶化、人口增加四个问题，面临着严峻挑战。我国要向“制造强国”的战略转变，要实现此战略转移，关键在于制造技术的不断发展，为了采取应对未来机械工程的发展，需要正确认识、预测工程面临这些挑战，并且加强制造科技创新能力，提升我国机械工程的不断发展[1]。

1 机械工程学科的定义与进展综述

1.1 机械工程学科定义

机械工程学科包括机械学和制造科学两大领域，主要是研究机械系统的性能、设计及制造的理论和技术的科学。其中机械学是研究机械结构和系统性能的学科，包括制造过程中的机构学、设计学、动力学、传动学、摩擦学、仿生机械学以及微纳机械学等；制造科学是研究制造过程及其系统的科学，制造科学包括产品设计、成形制造、加工制造、测量及仪器、表面功能结构制造、微纳制造以及制造系统运作管理等科学。

1.2 我国机械工程研究进展综述

机械工程研究推动世界制造技术发展的主要动力，我国的机械工程技术虽然起步较晚，但是在航空、家电、微电子、石化、工程机械等行业，机械工程自主创新以及取得了长足的发展，为我国机械工程发展提供了大批新理论、新技术和新方法，为促进我国经济发展提供了技术支持，下面将介绍我国机械工程重点领域的发展情况[2，3]。

1.2.1 机械动力学与传动学科发展

非线性动力学、复杂机电系统智能维护是当前机械动力学的前沿领域。闻邦椿率先提出振动利用工程的概念，采用动态设计方法，创建了振动利用工程学科。近年来，机械传动和控制的研究主要是高效、低能耗以及微型化。在相关的研究中，超声电机是较为典型的传动机械，它突破了传统电磁效应电机原理，具有结构简单、噪声低等优点。王家序等针对船舶推进系统的污染问题，提出了新型复合材料水动密封轴承，节省了大量贵金属、减少了对河海水的污染，得到了广泛应用。

1.2.2 仿生机械和生物制造领域发展

机械工程学科与纳米科学、生物科学的交叉近年来的研究热点，其中仿生机械学已经成为一门新学科。任露泉通过研究动物表面脱附减阻，采用仿真模拟和理论分析，开辟了我国机械仿生学领域，近年来根据该理论研制的机械已经应用于农业机械和国防工程。

1.2.3 机械测量学科领域发展

近年来机械工程研究中，机械测量产生原创性成果最多的领域，关于极端环境条件、智能数字化以及尺寸的测量是测量领域的主要发展方向。叶声华等利用多种靶标特殊几何结构，制备了能够用于空间大尺寸测量的装置，测量结果稳定性好，现已用机和汽车工业。张书练等正交偏振激光器为核心，研发了精密测量仪器。秦树人等提出了“智能虚拟控件”概念，并在此基础上研制获得可直接用于组建仪器产品的虚拟产品，该技术已经广泛用于教学测量分析中。

1.2.4 加工制造与设计学科领域

加工制造学科的发展重点在于高效、高精度以及柔性数字智能自动化制造技术的研究。康仁科等针对天线罩电性能的特殊要求，构建相关的理论模型，实现了测量加工一体化的精密修磨技术。谭建荣提出并实现了产品配置等4项设计技术，从而实现了机电产品的功能定制设计。黄庆学等自主设计制造中厚板剪切装备，打破了国外产品的垄断局面。韩旭提出高精度数字化模型的建模方法，提出了应用于汽车零部件的结构优化设计技术。

1.2.5 微纳制造与纳米加工领域

目前微型机械系统发展的主要趋势是工程性能优化、智能系统集成、批量低成本；而纳米加工主要研究是材料加工方法、尺度效应、纳米结构及系统的制造。在微纳系统设计制造方面，苑伟政等提出了MEMS集成设计工具，支持惯性、压力、光学、射频等器件的建模、仿真与分析，能够为机械、电子等不同工程背景设计人员提供多层次、多入口的任意流程设计。

纳米加工领域主要研究是纳米纳米梁、桥、探针、纳机电谐振器结构。董申等采用原子力显微镜机械耕犁加工方法，加工出多种复杂纳结构。周明等在飞秒激光生物分子纳米加工。中科院物理所成功研制出具有对称式机械结构的双探针扫描隧道显微镜探头，提高了STM系统的信噪比，并应用于实际。

2 机械工程科学发展总趋势

我国的在机械工程科学虽然已经取得较大的进展，但是总体上还处于落后状态。未来机械工程学科将主要受到制造业的创新发展和学科的演变进步的推动与制约，因此我国机械工程新技术的发展，需要适应全球化、信息化、绿色化、知识化和极端化的总趋势发展，为制造业提供先进的制造技术。由于我国资源和环境将在未来面临空前的严峻挑战，因此机械工程新技术的发展需要重视环境的保护、材料和能源的节省以及新能源制造领域的研究[4]。

3 机械学发展展望

（1）机械工程学科中机构学是代表性学科之一，因为机构学研究注重机构学基础理论以及注重与制造的学科交叉，从而使机械工程理论与关键技术能够同时取得突破，制备开发出性能优良的设备，在机器人机构、工程机械、以及仿生机构等工程机构学大有用武之地。

（2）我国的机械设计理论与技术落后，导致中高端技术装备中自主产权的产品少，因此应该重点推动复杂系统总体设计、复杂机电系统的概念设计、设计支撑系统、基于网络的系统性能仿真虚拟设计等领域的理论、方法和技术的发展，提升机械设计的发展。

4 结语

目前我国的机械工程科学还处于相对落后的阶段，具有较大的发展空间，为了促进我国机械工程新技术的发展，需要制定学科的长远发展规划，加强原创性理论研究以及新技术方法的支持力度，力争在2020年前后，使我国的机械与制造学科总体上进入国际先进行列，促使我国制造业产生更多的高技术产品和世界名牌企业。

参考文献：

[1]中国科学技术协会.2008―2009机械工程（机械制造）学科发展报告[M].北京：中国科技出版社，2009.

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关键词：电子机械制动传感器；支持向量机回归算法；预测模型

为充分提升电子机械制动传感器系统的稳定性，该领域的学者研究出基于支持向量机回归算法的故障判断方法。因此，探究基于支持向量机回归算法的电子机械制动传感器系统故障分析有着重要意义。

1电子机械制动传感器系统

电子机械制动传感器系统主要包括电子机械制动传感器控制算法，电子机械制动传感器，电子机械制动传感器执行器以及底层控制器。电子机械制动传感器的执行机构主要由执行电机、运动转换机构以及减速机构三部分构成。目标制动力进入电子机械制动传感器的底层控制器中的控制电路转化为信号，传入驱动电路，进而导入电流传感器当中。电压信号从电子机械制动传感器底层控制器中传入电机中，依次进入减速机构运动转换装置、压力传感器以及制动钳这一系列环节构成了电子机械制动传感器的执行器。部分信号会由电子机械制动传感器、执行器传递到电子机械制动传感器底层控制器中，这一系列流程构成了电子机械制动传感器系统。电子机械制动传感器控制系统运用了三闭环控制算法。三闭环结构从内至外依次为电流环、转速环以及压力环。其中的主要控制环为压力环，借助转速环对电机的响应速度进行相应的增强，电流环的作用主要是消减压力变化阶段以及启动阶段带来的电流扰动[1]。上述分析表明，借助闭环控制结构，传感器系統能够为电子机械制动传感器的控制器提供重要信息。这进一步表明，电子机械制动传感器的性能直接决定电子机械制动传感器系统能否正常运转。

2支持向量机回归算法原理

在应用于问题分类处理阶段，支持向量机原理是借助找寻分类面的最优状态。对相关样本进行正确分类操作。而将上述操作步骤推广开来，借助数据样本来进行实函数估计为支持向量机回归原理。借助支持向量进行问题分类的具体表述为，在一组训练样本中，，借助非线性映射，将传统空间映射到高维度特征空间，在此处空间中构造超平面，进而将原本的非线性问题分类转化为线性问题分类。使用支持向量机回归算法不能对上述问题直接进行求解，由于很难找到非线性映射的具体模式，因此常用核函数进行替代。借助核函数算法，能够将原本的高维度特征空间的运算转化为低维度特征空间的运算。核函数的定义为任意满足mercer条件的函数，进而可将原本复杂的运算问题转变为优化对偶问题。对于支持向量机回归算法可以采用时间滚动方式进行学习。在增量学习的过程中，样本呈递增态势，随着时间的变动，样本的数量也会持续增加，但新增的样本不一定会对支持向量回归产生直接影响。若新增样本出现传统样本集中不具备的信息，那么支持向量就会出现一定程度的变动；若是新增样本出现了传统样本集中的信息，那么支持向量就不会产生相应的变动。

3基于支持向量机回归算法的电子机械制动传感器系统故障分析

基于支持向量机回归算法对电子机械制动传感器系统进行故障分析，主要是针对电子机械制动传感器系统中的压力、转速以及电流三个电子机械制动器传感器进行故障分析。首先需要建立基于支持向量机的预测模型，然后将电子机械制动传感器实测的残差值与基于支持向量机预测模型的估计值比对，进而得出相应的故障分析结果，并对故障分析结果进行相应分类。下文将依照压力、信号转速以及电流在空间和时间的冗余关系中建立两个独特的基于向量机回归算法的预测模型。此种预设方式比依照压力、信号转速以及电流三者各建立一个基于支持向量机回归算法的预测模型有着更高的效率。在具体的实验进程中，首先收集两组对照电子机械制动传感器的样本值。两组样本分别为由转速信号和电流构成的样本，以及由压力信号和电流构成的样本[2]。以当前时刻k为基准，记录过往时刻的连续数据。将过往样本各连续时刻的压力值与电流值作为输入性样本，以某一特定时刻的压力值和电流值为输出样本，建立相应的支持向量机回归算法的模型。待基于支持向量机回归算法的预测模型设置完成后，借助过去某一特定时刻的样本值。对当前传感器的传输值进行预测。两组电子机械制动传感器对照组基于支持向量机回归算法的预测模型一和二会出现两个不同的输出值。将两个来自于不同预测模型的估计值与现场的电流值进行比对，然后两两做差形成序列残差。其中残差值一包括了电流和转速信号在空间与时间方面的冗余信息，残差值二包括了电流与压力信号，在空间与时间方面的冗余信息；残差值三包括了压力信号、电流以及转速信号在空间与时间方面的冗余信息。基于上述分析我们可以假设在时刻k电子机械制动传感器出现故障，则时刻k的电流值将与电子机械制动传感器系统正常的输出电流值存在一定的偏差。由于时刻k前后的任意时刻的电流测量值都是准确的，则基于支持向量机回归算法预测模型计算出的电流输出值更为接近电子机械制动传感器系统的正确电流输出值，这就会导致残差值一与残差之二出现显著变化，残差值三基本不会出现变动。当电子机械制动传感系统的转速传感器在时刻k出现故障时，时刻k的电流测量值将偏离电子机械制动传感器系统的正确电流输出值；当电子机械制动传感器系统的压力传感器在时刻k出现故障时，残差值一基本不会出现变动；残差值二与残差值三会出现显著变化。基于上述分析，采用支持向量机回归算法对电子机械制动传感器系统故障的分析过程为，收集样本、数据处理、建立支持向量机预测模型形成残差值，进而判断系统故障原因。

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关键词： 中职 《机械基础》 课程改革

机械专业是培养机械行业生产、管理、服务第一线需要的技术应用型人才，随着市场经济体制的建立，科技进步和产业结构的调整，机械行业对高级应用型人才的综合能力要求也越来越高，对复合型人才的要求越来越高。而反观传统的机械专业的培养模式、课程体系、教学方式，就会发现课程设置单一、知识面和专业面窄、课程难以形成完整的体系、教学内容陈旧、教学方法和教学手段落后等不足之处。为了改变这种状况，适应当今社会对机械工程专业人才的需求，培养出基础扎实、知识面宽、创造能力强、素质高的机械工程人才，调整教学内容，改革课程体系势在必行。

课程改革是最基本的教学建设。《机械基础》是一门重要的专业基础课程，为了突出中职的教学特点，提高教学质量，本文就该课程在教学内容、教学方法、教学手段和实践环节等方面的问题，提出一些改革意见。

一、整合课程内容，建立和完善课程体系

中职的教学内容及课程体系应强调理论知识的应用，必须按照一线生产实际需要授课，其课程体系必须突出能力与素质的培养，其教学内容应摆脱学科系统性、完整性的束缚。据此，教学内容调整的思路是强调基本知识、基本原理，注重实际应用，引入反映机械设计理论和方法的新概念、新理论、新方法，介绍各种新型机构和新的机械设计方法，力求在压缩课内学时的前提下，拓宽知识面，增加信息量，提高教学效果。

《机械基础》是以机构运动简图为研究模型的，建立机械运动简图应该是机械设计的基础，因此应把机构的结构分析、机构运动简图的定义、性质和常用运动副的代号、机构运动简图的建立作为重点讲授内容。对机构设计部分的内容，要通过多媒体技术动画演示，让学生直观地了解机械传动和零件间的传动关系，从而减少繁杂的语言讲述，多作计算公式的推导过程、零件结构和一些设计参数的选取原则的介绍，并加强对机械运行的介绍，比如多种传动方式的组合、原理、特点，以及工程实际中的应用、维护，等等。应增加一些本专业的最新动态的介绍，多向学生介绍一些机械的新发展、新思路，以开阔学生的眼界。要克服传统教学重设计计算轻结构设计，以及与工程实际技术问题紧密结合的部分的缺陷。如滚动轴承这一章，轴承装置设计这部分内容在传统教学中往往不作为重点，而这部分内容是生产一线技术人员直接接触最为广泛的实际问题。因此，可以把这章内容进行重新整合，把轴承装置设计这部分内容作为重点，要求学生重点解决轴承的安装、配合、紧固、调节、、密封等实践性很强的技术问题，在学习这些基本知识的基础上，再举一些工程实例，如CA614OA车床主轴支撑的例子。通过这个实例，学生能重点掌握轴承的组合结构，轴承的调整，以及轴承的精度对机床主轴传动的影响。通过这样的整合，学生既能学会轴承的基本知识，又能掌握轴承的应用技术，同时能明确轴承在工程实际中的重要地位。

二、改革教学方法，提高教学效率

面对未来社会对人才培养的要求，如何在传授知识的同时，着重加强学生创新能力和综合素质的培养，已成为教学改革中一个重要的问题。针对《机械基础》课程的特点，我们采用“精讲多练、加强自学、分析讨论”三环节相结合，以启发式教育为主的教学方法。

精讲基本概念、基本理论、基本方法，力求使知识容易理解、掌握和记忆。如对机构的结构分析进行精讲时，平面连杆机构的设计、凸轮机构设计、平面齿轮机构的设计都只精讲一种基本结构形式的设计方法，其他结构形式的设计要求学生自学。对机械设计的概念，学生只听不练自然不能掌握。因此，在各章节都应安排相应的练习，还要安排一些阶段性的综合练习，提高练习的综合程度，注重方法的运用和掌握，注意对各种理论、方法的综合应用进行总结，使学生学牢学活知识，具有应用知识的能力。

分析讨论课是开发学生智能、锻炼学生胆量、培养学生科学思维能力的一个重要的教学方法。因此，在教学中应安排一些课堂讨论，课堂讨论的内容可以是概念题讨论、综合题讨论、自选题讨论。在整个教学过程中，启发式教学是激发学生积极思维的首要方法，它可以使学生加深对基本知识的理解，并在求解过程中进一步思考，进而进一步提出科学的设想。教师在讲课过程中一定要善于设疑、质疑，要特别注意在新旧知识的衔接转换处提出新问题，提出的问题最好能引起几种回答，以此激发学生积极思考，使学生在恰当的情境中作出正确的回答和判断。

三、利用现代教学手段，激发学生学习兴趣

中职学生年龄普遍较小，缺乏社会实践知识，所以对专业课的学习觉得索然寡味。要克服以上弊端，达到教学的最佳目的，关键在于融教与学为一体，最大限度地提高学生的学习积极性。在《机械基础》中适当运用直观教学的手段，改革程式化的教学方法，采用实物激励法、模型演示法、巧用挂图法、实践教学法可以增强学生的感性认识，提高学生的工程知识和业务技能，提高教学效率，改善教学效果。

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关键词： 机械类课程教学 机械手抓取机构 ADAMS软件 仿真分析

在机械类课程教学中，往往由于在课堂上没有机械设备的实物，导致教学缺乏直观性。由于目前的一线教学条件及场所的限制，各学校也很难在课堂上配备机械设备的实物。鉴于此，我们可以借助现代化多媒体教学手段，充分利用机械设计、仿真等软件，从而改变现状。以机械手抓取机构的教学为例，在教学过程中灵活运用机械动力学仿真软件ADAMS来讲解其运动及受力特征，效果很好。

机械手（图1）是模仿人手工作的机械，它可将工件或工具按预定程序自动地送到所需要的位置。推广使用机械手，可以提高劳动生产率，保证产品质量。改善工人劳动条件是实现生产自动化的有效途径之一。抓取机构是机械手的主要部件之一，它直接用来抓取工件或操纵工具［1，2］。

由于工件或工具的形状、大小、重量等不同，抓取的方式也不同，抓取机构可分为手爪式、真空吸盘式和电磁吸盘式三种类型。本文以手爪式抓取机构作为研究对象，其结构如图2所示。研究的整体过程可分为力学计算，UG建模、装配、定义连杆，导入ADAMS，加约束添加驱动，运动仿真及后置处理，优化模型，等等［3］。

1.抓取机构力学分析

整个机构（图3（a））是沿中心平面对称的，所以在力学分析过程中取左连杆和左手指为对象（图3（b））。对左连杆对象而言为二力杆件［4］，如图3（c）所示，沿杆线力平衡，则有公式：

2.仿真分析

2.1 虚拟样机技术及ADAMS软件

虚拟样机技术（Virtual Prototype Technology）是当前设计制造领域的一门新技术，涉及系统动力学、计算方法与软件工程学等学科。它利用软件建立机械设计系统的三维实体模型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件是美国MDI公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，它使用交互式图形软件环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷，以及计算有限元的输入载荷，等等［5,6］。本文的研究载体即为ADAMS软件。

2.2 模型建立

ADAMS软件在动力学分析及后置处理有着非常强大的功能，但其造型能力相对较差。对本文机构可采用专业三维设计软件完成，考虑和ADAMS做联合仿真时，优先选择UG软件。主要是这两款软件都支持Parosolid标准，且在UG的运动仿真模块任何一步骤均可以直接导出ADAMS的.cmd文件，可做到无缝对接。在做两者联合建模仿真时最好均采用英文界面，这样可大大减少错误［7］。

在UG中的抓取机构的造型如图4所示，导入ADAMS软件中的模型如图5所示。采用在UG中造型后，添加连杆（UG中把运动单元称为连杆）后导入ADAMS中，再在ADAMS中添加约束完成后续的仿真分析。

2.3 仿真分析

对其施加约束，进行动力学分析。首先在大地和机架之间添加固定副，使大地和机架形成一体。然后再分别添加各连杆之间的运动副：在导杆与机架之间添加移动副，导杆分别与左、右连杆之间添加旋转副，左连杆与左手指添加旋转副，右连杆与右手指之间添加旋转副。同时在左右连杆之间添加一个弹簧，实际物理样机是不存在这个弹簧，在此虚拟样机中的目的是测量抓取力量。最后在导杆与机架之间添加的移动副上添加驱动力驱动。暂定驱动力取700N。

在ADAMS的Build菜单建立模型中的两个角度α+β、α随时间的变化曲线，如图6所示。为后续的验证工作做准备。

（b）角度α随时间的变化曲线

图6 角度α+β、α随时间的变化曲线

在ADAMS的后置处理模块中生成弹簧力随时间的变化曲线，如图7所示，通过曲线查找得弹簧力为1663N。

利用ADAMS的Fuction Buider功能建立式（4）的表达式，并生成公式中f力曲线，如图8所示。通过曲线查找得弹簧力为1650 N。

通过对比发现，公式计算的输出力值1650N与虚拟样机仿真实验的输出力1663N基本重合，这其中误差还包含了样机的本身重力等影响。由此可见，仿真实验数据的可靠性很高，完全可用仿真分析来代替繁杂的计算过程，节省大量的设计计算时间。

3.优化

通过更改模型中机构的几何位置、尺寸等来细化模型。但从该虚拟样机的三维模型中，可清晰地看到机构左右成对称，若要对其细化，最好是更改沿其对称轴线上的几何关系。鉴于此，选择更改导杆与左右连杆的旋转副作用点位置，来细化模型。观察在不同位置时机构输出力的变化及跟随的两个角度α+β、α的变化。

在虚拟样机中设置导杆与左右连杆的旋转副作用点的竖直方向Y坐标为变量DV_1，以此来模型细化处理。分别得到五种不同坐标下的角度变化曲线如图9所示，弹簧力变化曲线如图10所示。

通过图10可以发现，随着坐标值增大输出力增大，由此可得出在其他条件不变的情况下，将导杆与左右连杆的旋转副作用点向上提高即可增大输出力，具体增大量可参照图10。

4.结语

机械手在工业生产中的运用非常广泛，所涉及的专业也相当多。本文仅对其中的一小部分抓取机构作虚拟样机分析，通过分析其理论力学上输入力与输出力的关系，在ADAMS中对其进行分析，发现虚拟样机实验中的力关系与理论力关系基本吻合，这样就对后续的研究分析提供了可靠性。在后续的研究开发过程中可对样机添加材料特性、惯性矩等，进一步与物理样机靠近。虚拟样机技术的应用大大缩短了抓取机构的设计研发周期，降低了产品生产成本，为抓取机构的设计提供了一个高效的开发途径［8］。

参考文献：

［1］孙恒，陈作模.机械原理［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［2］焦振学.先进制造技术［M］.北京：北京理工大学出版社，2001.

［3］葛晓忠，詹葵华，钟克.基于UG的平面连杆机构的运动分析与应用［J］.东华大学学报，2008，（6）：332－334.

［4］哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［5］王国强，张进平，马若丁.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践［M］.西安：西北工业大学出版社，2002.

［6］郑建荣.ADAMS虚拟样机技术入门及提高［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［7］范勤，何丽君.基于ADAMS的卧卷夹钳虚拟样机建模及动力学仿真［J］.起重运输机械，2008，（5）：55－58.

［8］谢方伟，李柄文.虚拟样机技术在减速器设计中的运用［J］.煤矿机械，2008，（1）：166－168.

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关键字：机械基础

一、《机械基础》是中等职业技术学校机械类的一门专业基础课，为学习专业技术课和培养专业岗位能力服务。

该课程包讲授的内容主要包括机械传动、常用机构、轴系零件和液压传动四部分内容。除液压部分外，其他三部分内容都与我们的日常生活联系紧密，所以学习对这三部分所讲授的内容可以说常见，这为学好该课程打下了一个良好的基础。但常见的东西不代表懂得或理解这些东西，相反，他们在学习这些内容时大部分同学感觉相当吃力，究其原因，可以分为以下几个方面:

(1)内容趣味性差。本课程所学内容，大部分是日常生活中所常见，有些内容比如v带传动、螺旋传动等，这些内容对学生来说仿佛很“简单”，学起来也没什么新颖的地方，所以学生学习过程中很容易走神，这就造成了“简单”的内容也学不好这种现象。

(2)学生的知识水平偏低。大部分同学是初中毕业生，他们在初中时又是班内的差生，更何况部分同学初中没有毕业，而本课程所需要的知识，往往达到高中毕业生水平，这一情况的存在决定了学生要学好这门课有一定的难度。

(3)本课程所需要的知识面广。本课程的学习所涉及的课程包括:数学、物理、机械识图、公差配合、理论力学等，虽然用到的知识都不深，但很多学生没有学好或没有学过，这就增大了学生学好本课程的难度。

(4)所学内容多，学时相对偏少，教具不齐全。本课程所涉及的内容十分的广泛，如果把所有的内容的配备齐全，可以说是不可能的，也完全没有必要。然而，很多知识点，如果没有模型，如果只靠老师的口述和同学们的想象，学生学起来，又有很大的难度。

产生兴趣是学好本课程的关键。只有在兴趣的驱动下，才能充分发挥学生的自觉性、主动性。为培养学生的兴趣，可结合日常生活中的具体实例来讲解相关知识。如从学生熟悉的缝纫机、汽车前窗刮雨器、公交车门的启闭、拖拉机自动卸料等入手来讲授平面四杆机构；从电影放映机的卷片机构引入槽轮机构这一间歇运动机构；结合自行车、汽车的变速系统来介绍链传动、齿轮传动等有关内容。这些实用性很强的实例对学生有很大的吸引力，使学生既想学、又能学；既激发了其学习兴趣，又调动了其积极性和主动性

巴尔扎克说：“打开一切科学殿堂的钥匙毫无疑问是问号。”有效的提问不仅能激发学生的学习兴趣，同时还能启发思维，激励学生积极思考。课堂教学是师生情感交流的场所，教师要充分给予学生参与的权利和机会，充分体现教师的主导地位和学生的主体地位。

教育家叶圣陶先生说：“所谓教师之主导作用，盖在善于引导启迪，俾使学生自奋其力，自致其知，非谓教师滔滔讲说，学生默默取受。”实践证明，教师滔滔讲说，呕心沥血，方法不当，事倍功半。尤其机械基础这门枯燥、繁杂且不系统的课程，若照本宣科，不进行教学信息的双向交流，学生必学之无味，学之困难。

要想弥补学生知识水平偏低这个特点可以说根本不可能，但如果采取必要的手段，仍然可以让学生学本课程。这门课的最大优点就是与日常生活、生产紧密联系，

二、采用多种手段，加强直观教学

在教学中大量应用实物、教具、录像及多媒体技术等多种手段，增强直观性教学，从而便于有关原理、理论知识的讲解。教学效果明显，学生真正弄懂了许多问题，学到了有用的知识。

1、采用模型教学

在《机械基础》教学中，接触最多的是机构。每当引进一个新的机构时，我们应该以机构的模型导入，让学生首先通过有动感、有颜色和形象逼真的模型来激发他们学习的兴趣。因为心理学研究表明，人对事物感知的印象是先入为主的，有了感性认识，就降低学生对机构的认识难度。而且还可以利用他们的好奇心理，结合教学内容可进行直观教学。

2、采用多媒体教学

（1）、课件计算机辅助教学课件与呆板的黑板相比，更能充分创造出一个图文并茂、有声有色、生动逼真的教学环境，课件不但是教师教学的表达工具，还能激发学生学习的兴趣，真正地改变传统教育的单调模式，使学生快乐的学习。

《机械基础》教学会涉及到很多概念和具体的图形。概念太多，而黑板的大小又受到限制，所以在设计板书时难免会碰到一些不便之处。对于一些包含关系较多的内容，若采用下拉式菜单的形式，会因内容拉得太长、太远，使学生学了“后头”，忘了“前头”，造成不连贯的概念。而如果采用课件教学就显然不同了，我们可以把有关的教学内容进行分层显示，诱导学生深入浅出，从而达到提纲挈领、融会贯通、系统地掌握有关知识的效果。就拿联轴器的类型来说吧，我们可以把固定式联轴器、可移式联轴器、安全联轴器和万向联轴器放在第一层。如果想介绍可移式联轴器的分类，我们可以直接点击可移式联轴器进入第二层，在第二层我们可以清晰地看到它的分类，采用这种方式，学生要了解哪项就点击哪项，可以让学生方便的掌握联轴器的分类，而且还有助于教师的讲解和课后总结。