机械原理发展史

敢想敢做敢拼 · 发表于 2023-12-30 15:47:26

机械原理发展史

机械原理发展史
（一）机械原理简介
机械原理（machines and mechanisms，theory of），研究机械中机构的结构和运动，以及机器的结构、受力、质量和运动的学科。人们一般把机构和机器合称为机械。机构是由两个以上的构件通过活动联接以实现规定运动的组合体。机器是由一个或一个以上的机构组成，用来作有用的功或完成机械能与其他形式的能量之间的转换。这一学科的主要组成部分为机构学和机械动力学。
不同的机器往往由有限的几种常用机构组
成，如内燃机、压缩机和冲床等的主体机构都是曲柄滑块机构。这些机构的运动不同于一般力学上的运动，它只与其几何约束有关，而与其受力、构件质量和时间无关。1875年，德国的 F.勒洛把上述共性问题从一般力学中独立出来，编著了《理论运动学》一书，创立了机构学的基础。书中提出的许多概念、观点和研究方法至今仍在沿用。1841年，英国的R.威利斯发表《机构学原理》。19世纪中叶以来，机械动力学也逐步形成。进入20世纪，出现了把机构学和机械动力学合在一起

研究的机械原理。1934年，中国的刘仙洲所著《机械原理》一书出版。1969年，在波兰成立了国际机构和机器原理协会，简称IFTOMM。
机构学的研究对象是机器中的各种常用机构，如连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、螺旋机构和间歇运动机构（如棘轮机构、槽轮机构等）以及组合机构等。它的研究内容是机构结构的组成原理和运动确定性，以及机构的运动分析和综合。机构学在研究机构的运动时仅从几何的观点出发，而不考虑力对运动的影响。  1.机器与机构
机器是人为实物的组合体,具有确定的机械运动,它可以用来转换能量、完成有用功或处理信息,以代替和减轻人的劳动。机构是人为实物的组合体,具有确定的机械运动,它可以用来传递和转换运动。机器与机构二者的联系是:1)机器和机构都是人为实物的组合体,都具有确定的机械运动;2)机器是由机构组成的,简单的机器可能只有一个机构,但一般会有多个机构。如空气压缩机只含有一个连杆机构,而内燃机则含有连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等。机器与机构二者的区别是:单个机构不具有转换能量或完成有用功的功能,而只能传递与改变运动和动力;而机器可以完成有用功、能量转换或处理信息。机械则是机器和机构的总称。 2.构件与零件
构件是组成机构并具有确定运动的单元,零件是指不可再拆分的最小制造单元。一个构件可以是由一个零件组成,也可以是由若干个不同的零件装配组成,但这些零件间没有相对运动,它们
作为一个整体来运动。构件与零件的区别在于构件是运动的单元,零件是加工制造的单元。由于机构各构件之间的相对运动与组成构件的零件形状和数量、构件的外形及其截面的形状和尺寸等因素无关;因此,在机械原理课程中机构的分析与综合及机械系统运动方案设计都是以构件为最小单元进行研究的,并用简单的线条和规定的符号来表示构件。搞清楚这些,学生们在以后学习机构运动简图绘制内容时就不会迷惑不解了。 3.运动链与机构
特别要强调的是运动链的概念以及它与机构的关系。运动链是由若干个构件通过运动副连接组成的构件系统。如果运动链中每个构件至少包含两个运动副元素则各构件形成首末封闭的系统称为闭式链;否则称为开式链。在运动链中,若将某一构件固定作为机架,并给定另外一个或少数几个构件的运动规律,则运动链中其余构件的运动便随之确定,这种运动链便成为机构。凡是机构都具有确定的运动。这一点在目前的多数机械原理教材中都没能阐述清楚机械动力学的研究对象是机器或机器的组合。研究内容是确定机器在已知力作用下的真实运动规律及其调节、摩擦力和机械效率、惯性力的平衡等问题。按机械原理的传统研究方式，一般不考虑构件接触面间的间隙、构件的弹性或温差变形以及制造和装配等所引起的误差。这对低速运转的机械一般是可行的。但随着机械向高速、高精度方向发展，还必须研究由上述因素引起的运动变化。因而从40年代开始，又提出了机构精确度问题。由于航天技术以及机械手和工业机器人的飞速发展，机构精确度问题已越来越引起人们的重视，并已成为机械原理的不可缺少的一个组成部分。
（二）机械各个阶段
1.原始机械
在远古时期,人类就创造并使用了杠杆、滑轮、斜面、螺旋等原始单机械。埃及在修建金字塔的过程中就使用了滚木来搬运巨石。阿基米德用螺旋将水提升至高处,那就是今天的螺旋式输送机的始祖。有着悠久文明史的中华民族,在机械方面有许多发明创造,在一些专用机械的设计和应用上都有自己的特色。如指南车、水排、地动仪等,均有独到之处。指南车是我国古代的文化瑰宝之一,是古代科技成果的杰出代表。指南车巧妙利用了齿轮传动机构,不管车子向何方行驶,放于车子上的木人的手臂始终指向南方。这一发明充分体现了古人伟大的智慧,是中国人民的骄傲。原始机械仅用人力、畜力和水力来驱动,其功能是减轻人的体力劳动,是动力制约了机械的发展。 2.传统机械
18世纪瓦特发明了蒸汽机,揭开了工业革命的序幕。蒸汽机给人类带来了强大的动力,各种动力驱动的机械如纺织机、车床等如雨后春笋般出现。19世纪内燃机和电动机的发明是又一次技术革命。在绝大多数场合,电力代替了蒸汽,在机床和纺织机上都安装了独立的电机。而内燃机的发明则为汽车、飞机的出现提供了可能。与原始机械相比,传统机械具有了自己的“心脏”——动力驱动,其功能不只是减轻人的体力劳动,而且可以替代人的体力劳动。
3.现代机械
在20世纪后半叶计算机的发明是科学发展史上划时代的大事。随着计算机的问世,机器人作为现代机械的典型代表被越来越广泛地应用于工业生产中,承担着许多人们无法完成的工作。电子技术以及计算机技术与机械的结合使得机械变得越来越自动化,越来越智能化,机器甚至可以在无人操作下正常的运行。现代机械正向着主动控制、信息化和智能化的方向发展,必将大大改善人类的生产和生活。与传统机械相比,现代机械具有了自己的“大脑”——控制系统,其功能不只是替代人的体力劳动,而且可以替代人的脑力劳动。［1］
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,还创造了一些微型机械。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。
（三）未来的展望
近年来机械原理学科的发展是非常迅猛的。不论在基本原理方面，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主要动力。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。［2］

中国是世界上机械发展最早的国家之一。中国的机械工程技术不但历史悠久，而且成就十分辉煌，不仅对中国的物质文化和社会经济的发展起到了重要的促进作用，而且对世界技术文明的进步做出了重大贡献。中国机械发展史可分为六个时期：①形成和积累时期，从远古到西周时期。②迅速发展和成熟时期，从春秋时期到东汉末年。⑧全面发展和鼎盛时期，从三国时期到元代中期。④缓慢发展时期，从元代后期到清代中期。⑤转变时期，从清代中后期到解放前的发展时期。⑥复兴时期，解放后的发展时期。每个时期又可分为不同的发展阶段。（一）传统机械的形成和积累时期这一时期是中国机械发展的第一个时期，石器的使用标志着这一时期的开始。这是一个十分漫长的时期，经历了三个发展阶段。第一个阶段相当于旧石器时代。这一阶段的工具主要用石料和木料制作，同时也有一些骨制工具。在工艺方面以石器打制工艺为主，主要是经过敲击和初步修整使石块成石器。这一阶段后期出现了磨制的石器，使工具的形状趋于合理。当时的石器工具的种类有砍砸器、刮削器、石锤、尖状器、石球、石矛和石镞等，这时出现的其他材料的工具有木捧和磨制的骨针等。弓箭的出现表明这时的机械技术已有了一定的水平。第二个阶段相当于新石器时代。这一阶段在石器制造方面以磨制工艺为主，同时对石器的制造有了一套完整的工艺过程。对石器的选择、切割、磨制和钻孔等都有了一定的要求。这一阶段出现了大量的生产工具、如锛、斧、铲、凿、磨盘、磨棒、杵臼、钻、网坠、纺轮、犁、刀、锄、耘田器等。工具的种类不但有所增加，而且出现了不少专用工具。这时还出现了原始纺织机、制陶转轮等较复杂的机械，反映了这一阶段机械的发展水平有了显著的提高。第三个阶段大约从新石器时代末期到西周时期。从动力方面看，这一阶段已经开始使用畜力和风力作为原动力。古车和风帆的出现标志着新的动力出现。商代已经开始用牛来耕地。这一阶段已广泛使用犁来耕地。农业机械的种类更多，还出现了桔槔、辘轳等复合机械工具。在旧石器时代就已出现铜器，但没有大量使用。商代青铜工具和器械开始得到较广泛的应用，到西周时期，青铜冶铸技术达到了高潮。青铜器的出现标志着一种新的机械技术和制造工艺的诞生。青铜冶铸工艺在这一阶段经历了由低级到高级逐渐成熟的过程。从使用单面范和双面范制作小件器物，发展到用多块范、芯组成的复合范制作大型器件。商中期已广泛使用分铸法等先进工艺。这一阶段后期，陶范熔铸技术得到了进一步的发展。总的来看，这一时期在动力方面由只利用人力发展为人力、畜力等并用。在材料方面由以石质材料为主发展为以木、铜质材料为主。在结构方面由简单工具发展为复合工具和较为复杂的机械。在原理方面从杠杆、尖劈等原理的利用发展为对惯性、摩擦、弹性和重力等原理的利用。在制造工艺方面经历了由石器制造工艺向铜器和其他机械工艺的转变。这些情况说明在这一时期中国传统机械技术已经形成并有了一定的发展。  (二) 传统机械的迅速发展和成熟时期从春秋时期开始，我国传统机械的发展进入了一个新的时期。这一时期铁器开始得到使用，使古代机械在材料方面取得了重大突破。钢铁技术的产生和发展为制造高效生产工具提供了条件。随着钢铁技术的产生、铸造、锻造和柔化处理等机械热加工技术在这一时期得到了迅速发展。从春秋时期开始，就已用生铁来铸造多种机械，特别是农业机械。这一时期锻造工艺有了新的发展，许多工具都是用锻造方法制成的。战国早期就已出现铸铁柔化处理技术，到东汉末期，大多数铸造的机械工具都经过了柔化处理。在动力方面，这一时期除使用前面的动力外，开始利用水力为机械的原动力，出现了一些水力机械。在结构原理方面也有新的突破。在不少机械上出现了齿轮机构、凸轮机构和曲柄连杆机构等复杂的传动机构。水排、水碓、指南车以及浑天仪、地动仪等机械的出现反映了这一时期的机械在结构原理方面已经达到了相当高的水平。这一时期的农业机械发展很快，出现了三脚楼这样的重要播种机械。还发明了高效粮食加工机械—风扇车。磨、碓等谷物加工机械都已出现，并有了很大的发展。东汉时期还出现了用了齿轮传动的连磨和用水力推动的槽碓和水碓。西汉时期已有犁壁出现，到东汉时期犁的结构已经基本定型。在纺织机械方面出现了手摇纺车、布机和提花机等重要机械。这一时期的造船技术已比较发达，橹、舵、帆等部件逐渐完善了起来，并且能够制造大型的楼船和战船。在这一时期，生产过程中的机械系统有了很大的变化。许多机械已用自然力代替人力作为原动力。对机械的操作开始由直接操作向间接操作转变。动力和运动的传输开始由机械本身来完成。对机械的控制开始由人的直接控制向间接控制发展。水排、水碓和马排等机械具备了机器的基本组成要素，都已具有原动机、传动机

　　机械（machinery）是机器（machine）和机构（mechanism）的总称。各种机构都是用来传递与变换运动和力的可动装置。至于机器则都是根据某种使用要求而设计的执行机械运动装置，可用来传递和变换能量，物料和信息，机械是人类生活和生产的基本要素之一，是人类物质文明最重要的组成部分。机械的发明是人类区别于其他动物的一项主要标志。人类自从用机械代替简单的工具，使手和足的“延长”在更大程度上得到发展。而经过三次工业革命的洗礼，机械的飞速发展，更是使人类达到了前所未有的境地，可以说，世界机械的发展史，就是人类超越自我，探索未知领域的发展史。
　　1 世界机械发展的三个阶段
　　世界机械的发展与人类的文明发展史紧密相连，根据人类文明的发展，世界机械的发展史可分为三个阶段：从公元前7000年城市文明的出现到公元十七世纪末为机械的起源和古机械发展阶段，从十八世纪到二十世纪初为近代机械发展阶段，由二十世纪初到现在，为现代机械发展阶段。每一个阶段的机械都有各自的特点，都曾使得人类的社会飞跃发展，且带来了人类社会质的改变。下面按时间来分，从三个阶段来叙述世界机械的发展史。
　　1.1机械起源和古代机械发展阶段
　　据世界考古家发现，公元前7000年，在巴勒斯坦地区犹太人建立杰里科城，城市文明首次出现在地球上，最找的机械———车轮或许是此时诞生的。车轮是人类重要的发明之一，正是由于车轮的诞生，才是车成为人类重要的交通工具。而最早的车轮是用来制陶的。当人类进入青铜器时代，机械得到了很大的发展，也开始变得更加实用，当今世界七大奇迹之一，埃及的金字塔，便是从进入青铜器时代的埃及巴达里人发明的搬运重物的工具慢慢建立起来的。公元前3500年，古巴比伦的苏美尔诞生了带轮的车，是在橇板下面装上轮子而成。公元前3000年，美索不达米亚人和埃及人开始普及青铜器，青铜农具及用来修造金字塔的青铜工具（比如：凿子）在此时已广泛使用。
　　公元前2800年，中国中原地区出现原始耕地工具——耒耜（木制）。
　　公元前2800年，青铜器制作技术传入我国周边，西域的游牧民族（现中国甘肃东乡马家窑文化遗址）出现锡青铜铸成的铜刀。公元前2500年，欧亚之间地区就曾使用两轮和四轮的木质马车．埃及古代墓葬中曾发现公元前1500年前后的两轮战车。
　　公元前2500年，伊拉克和埃及用失蜡法铸造青铜金属饰物。  公元前2400年，埃及出现腕尺、青铜手术刀，滑轮等机械设备。
　　1.2近代机械的发展阶段
　　为了实现大批量生产，从十九世纪开始，人们就开始探索，首先的用于大批量生产的是在军事领域，人们采取了互换式的生产方法，其后，各种新式互换式的机床也应运而生，在制造机床上的同时，为了保证机床的精确度，千分尺等一大批测量器具和螺纹被设计制造出来。
　　在对管理模式的研究下，机械的制造开始走向自动化，例如，辛辛那提公司制造的液压式平面磨床，就是具有自动循环系统；而在米尔沃尔基的工厂，钻床实现了自动化，部件的安装或移动，钻头的转动及进给，工作台的移动等动作都是自动进行的。
　　1.3现代机械的发展阶段
　　随着电子科技的发展，机械的自动化程度越来越高，1952年，美国帕森斯公司制成第一台数字控制机床，1962年，美国本迪克斯公司首次在数控铣床上实现最佳控制（ACO）。 1967年，美国的福克斯首次提出机构最优化概念，英国莫林斯公司根据威廉森提出的柔性制造系统的基本概念研制出“系统24”。1976年，日本发那科公司首次展出有四台加工中心和一台工业机器人组成的柔性制造单元。
　　而这一时期，最重要的发明无疑是电脑，电脑的出现并运用到生产中，是机械的生产效率，精确度提高到了一个前所未有的高度。
　　2世界机械发展的未来趋势
　　人类自从用机械代替简单的工具，使手和足的“延长”在更大程度上得到发展。但是人还以头脑为其独有的特征，为了使头脑的功能得以延伸，因而产生了控制理论，计算机科学，人工智能科学和信息科学。
　　现在的机械，已经远远不是马克思时代定义的“原动机+传动机+工作机”，而是已经会“自行思考”。随着各种技术的发展，未来的机械将会更加智能化。机械的发展，将是计算机控制下的机械，计算机不仅仅是用来计算的机械，而且它起着头脑的作用，不论是什么机械，都将发展成为一个机器人。
　　3 对世界机械发展背后世界的思考
　　在机械飞速发展之下，自然环境受到了严重的破坏，空气污染，水质污染，固体废弃物污染，海洋污染，聚氯乙烯污染，内燃机引起的铅污染等等，严重危害着人类自身以及其他生物的生存，而各种重要的资源如煤炭，石油，天然气也在殆尽之中。
　　告诉的机械发展背后是一个如此“肮脏”的世界，机械未来的发展也引起许多人为此担忧，1987年世界环境与发展委员会《在我们的共同未来》报告中第一次阐述了可持续发展(Sustainable Development)的概念，为未来的发展开辟了希望。

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