【正文】 合表面處理及表面鍍層等）、潤滑及摩擦學設(shè)計（油品及添加劑、固體潤滑技術(shù)）等方ee 3 面。世界發(fā)達國家如歐美和日本等國盡管在上述領(lǐng)域已達到相當先進的水平，但仍在不斷深入的研究。其目的是為了進一步實現(xiàn)傳動裝置的高性能、低成本，一方面適應(yīng)機械系統(tǒng)性能水平不斷提高的新要求，另一方面是確保在日益激烈的市場競爭中立于不敗之地。 1997 年日本機械學會在全國范圍內(nèi)組織的以“傳動裝置現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展境界及其境界的超越”為題目的大規(guī)模系統(tǒng)調(diào)研 所形成的報告中，明確把傳動裝置的小型輕量、高性能、低成本作為研究努力的方向，并制定了相應(yīng)的目標 [1， 56]。 隨著科學技術(shù)的發(fā)展和進步，為了適應(yīng)機械系統(tǒng)性能水平不斷提高的新要求 ,保證其產(chǎn)品的競爭能力，國內(nèi)外仍在不斷的研究和發(fā)展各種新型機械傳動。目前機械傳動學科研究領(lǐng)域主要集中在 [1,56]： （ 1）新型傳動方式的研究。為實現(xiàn)傳動系統(tǒng)小型輕量化，有必要探索傳動裝置的新型式、新種類，從傳動原理和結(jié)構(gòu)上進行創(chuàng)新，創(chuàng)造體積小、重量輕、承載能力大的新型傳動。 （ 2）傳動副的新材料及表面處理研究。材料科學與技術(shù)是 21 世紀重點發(fā)展的科學與技術(shù)領(lǐng)域之一，各種新材料在機械傳動中的應(yīng)用已經(jīng)推動并繼續(xù)推動機械傳動科學技術(shù)的發(fā)展和性能的提高。梯度材料、陶瓷材料、高分子聚合材料、納米材料及智能材料等由于其獨特的性能特點，將對機械傳動的性能甚至功能都會產(chǎn)生重要影響。采用這些材料可大幅度提高傳動系統(tǒng)的承載能力和使用壽命，從而減小傳動裝置的體積和重量，降低成本。機械傳動中的材料表面工程技術(shù)對傳動零件的表面疲勞強度、摩擦磨損性能和使用壽命至關(guān)重要，因而也一直是機械傳動研究的重要領(lǐng)域之一。它是通過在傳動零件表面涂層、表面改性等，使零件表面獲 得特殊的材料成分、組織結(jié)構(gòu)以提高傳動副的服役性能。進行表面涂層或表面改進性能同樣可以提高傳動元件及系統(tǒng)的承載能力，從而減小傳動體積、重量和降低成本。已用于傳動零件的表面工程技術(shù)有：擠壓、軋制、噴丸等機械強化技術(shù)，電鍍、氣相沉積等表面涂層技術(shù)，堆焊、熱噴涂等表面缺陷修復和表面性能增強技術(shù)。 （ 3）傳動副的破壞機理及強度設(shè)計研究。傳動副元件表面顯微缺陷誘發(fā)的微點蝕及其在交變應(yīng)力下的三維裂紋擴展，新材料和熱處理對微點蝕及裂紋擴展的影響；傳動副受載條件下的嚙合分析、齒間載荷分配及應(yīng)力分析，齒面修形與齒間載荷分配和應(yīng) 力強度的關(guān)系；傳動系統(tǒng)中各元件等強度、等壽命設(shè)計等，是提高傳動系統(tǒng)承載能力和使用壽命、減小傳動系統(tǒng)質(zhì)量和體積所需研究的課題。 （ 4）傳動系統(tǒng)動力學特性及減振降噪的研究。包括傳動系統(tǒng)動力學因子的準確計ee 4 算和評價；摩擦、薄壁效應(yīng)等對振動特性的影響；載荷波動及傳動誤差對振動特性的影響；傳動副、軸、軸承和箱體耦合作用下傳動系統(tǒng)的動力學特性和振動控制；傳動系統(tǒng)噪聲傳遞建模及噪聲控制；傳動副嚙合齒面三維修形設(shè)計和動態(tài)特性及減振降噪、齒間載荷分配及承載能力的關(guān)系等。通過上述研究，可有效提高傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能和承載能力。 （ 5）傳動裝置全壽命周期設(shè)計及綠色設(shè)計的研究。對傳動系統(tǒng)中各傳動元件如齒輪、軸、軸承、箱體等進行全性能全壽命周期設(shè)計，在保證傳動系統(tǒng)性能和預(yù)定壽命周期的前提下，盡可能減小各零部件的尺寸，從而實現(xiàn)傳動裝置體積小、重量輕、成本低的要求。 （ 6）傳動裝置制造技術(shù)的研究。制造技術(shù)與傳動裝置的靜動態(tài)性能及成本密切相關(guān)。對于齒輪傳動而言，要提高傳動系統(tǒng)的靜動態(tài)性能，應(yīng)采用高精度、硬齒面的加工技術(shù)，如采用熱處理后的磨削加工，以提高傳動系統(tǒng)的承載能力，降低振動和噪聲。但一般來說，磨削加工的效率低，從而導致傳動裝置的高成本。解 決這一矛盾的方法是采用硬齒面高精度滾齒，這樣既可獲得高精度硬齒面的齒輪，也可大大提高加工效率。硬齒面高精度滾齒要解決的問題是，滾齒機的剛性和硬質(zhì)合金滾刀（或陶瓷滾刀）的制造，這兩項技術(shù)問題我國尚未解決。又如，為適應(yīng)制造誤差和受載變形對齒面嚙合性能的影響，使傳動副運行時振動低噪聲小，應(yīng)對齒面進行齒形齒向兩個方向的修形，或?qū)X面進行任意三維可控修形，這就要求采用數(shù)控滾齒修形技術(shù)。同樣，為使三維復雜共軛曲面如弧齒錐齒輪和準雙曲面齒輪等實現(xiàn)高階可控修形以提高嚙合性能，也必須采用多自由度（目前為六軸五聯(lián)動）數(shù)控加工技 術(shù)。國際上共軛齒面的數(shù)控修形和多自由度數(shù)控加工已逐漸成熟，但我國尚處于起步階段，有大量的研究工作要做?？捎行Ы档蛡鲃恿慵圃斐杀镜囊活惓尚图庸ぜ夹g(shù)是傳動零件近終成型加工技術(shù)。這類加工技術(shù)的特點是少切削或無切削，因而節(jié)省材料、減少工時、節(jié)約能源，從而降低制造成本。 國內(nèi)、外機構(gòu)學的研究現(xiàn)狀 廣義機構(gòu)學又稱機構(gòu)和機器理論（簡稱機械原理）。 18 世紀下半葉第一次工業(yè)革命促使了機械工程學科的發(fā)展，結(jié)果機構(gòu)學在原來機械力學的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的一門分支學科，在對機械的結(jié)構(gòu)學、運動學和動力學的研究過程中形成了獨立 的體系和獨特的內(nèi)容。從 19 到 20 世紀，機構(gòu)學對機械結(jié)構(gòu)的完善和性能提高，對社會經(jīng)濟的發(fā)展起了極大的推動作用。機構(gòu)學和計算機信息學、控制技術(shù)等現(xiàn)代學科的融合，使機構(gòu)學發(fā)生了廣泛而深刻的變化。近年來機構(gòu)學一度被誤認為是“夕陽”學科，這是片面的。科學是ee 5 人類認識自然界規(guī)律的總結(jié)，只有新舊、早晚之分，不可以朝陽、夕陽或高低謂之。當然，與其他傳統(tǒng)學科一樣，隨著時代的進步，機構(gòu)學的內(nèi)容、手段、方法已經(jīng)逐步更新和拓展。近 20 余年機構(gòu)學發(fā)展的軌跡印證了這一點，機構(gòu)學已經(jīng)由研究機構(gòu)的結(jié)構(gòu)學、運動學、動力學的理論和方法，發(fā)展成為 一門研究機構(gòu)功能、原理、類型、設(shè)計方法、機器運行狀態(tài)和特性、控制方法以及系統(tǒng)設(shè)計原理的技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用學科。機構(gòu)學正向?qū)W科交叉、傳統(tǒng)技術(shù)和高新技術(shù)融合、設(shè)計方法與工具的現(xiàn)代化等方面發(fā)展 [1]。 現(xiàn)代機構(gòu)發(fā)展的特征可以歸納為三化：可控化、機電一體化和智能化。高精度、高加速度、重載、輕質(zhì)、微型等要求，除促進機構(gòu)學新分支的誕生外，還要求設(shè)計階段將原本屬于不同學科的機械和控制綜合考慮，注重動態(tài)分析和動態(tài)設(shè)計，借助控制使系統(tǒng)得到更佳的性能；現(xiàn)代數(shù)學、力學與計算機技術(shù)成為機構(gòu)設(shè)計與分析的基礎(chǔ)與工具。隨著有限元、邊界元等非 線性的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化方法的應(yīng)用，計算機輔助設(shè)計與分析軟件功能的強化，以及專家系統(tǒng)的完善，機構(gòu)設(shè)計與分析方法發(fā)生了根本性的變化；機構(gòu)與微電子學、傳感技術(shù)、材料科學和計算機技術(shù)等相互交叉、滲透、融合，使機構(gòu)學的系統(tǒng)概念向廣義拓展，形成微機械學、仿生機械學、光機電集成的廣義機構(gòu)以及智能機構(gòu)等新一代機構(gòu)；注重建立完整的系統(tǒng)設(shè)計方法和評價體系 [1]。 機構(gòu)學是機械設(shè)計所依據(jù)的最重要的基礎(chǔ)理論學科之一。機構(gòu)設(shè)計是機械設(shè)計的基礎(chǔ)，發(fā)明、創(chuàng)新、改革和應(yīng)用機構(gòu)是機構(gòu)設(shè)計的主要任務(wù)，當然這是一個不斷進行綜合、分析與決策的過程。 機構(gòu)學研究的基本問題劃分為分析與綜合兩大類。機構(gòu)分析著重機構(gòu)結(jié)構(gòu)學、運動學與動力學特性研究，揭示機構(gòu)結(jié)構(gòu)組成、運動學與動力學規(guī)律及其相互聯(lián)系，以便了解已有機械系統(tǒng)的性能并予以改進，還可以為機構(gòu)綜合提供理論依據(jù)；機構(gòu)綜合主要研究構(gòu)思、創(chuàng)新、發(fā)明新機構(gòu)的理論與方法 [13]。 機構(gòu)學研究范圍由三部分內(nèi)容組成：機構(gòu)結(jié)構(gòu)學、機構(gòu)運動學和機構(gòu)動力學。機構(gòu)結(jié)構(gòu)學研究的對象主要是考慮拓撲約束的多體機械系統(tǒng)，主要內(nèi)容是：揭示機構(gòu)的組成規(guī)律、機構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)特征以及它們與機構(gòu)運動學、動力學特性之間的內(nèi)在聯(lián)系；為建立機構(gòu)結(jié)構(gòu)學、運 動學及動力學的系統(tǒng)理論提供基本依據(jù)；機構(gòu)結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)選，即構(gòu)思、發(fā)明新機構(gòu)，這是機構(gòu)結(jié)構(gòu)學中最有意義而且在當前又最薄弱的一環(huán)。機構(gòu)運動學研究的對象主要是考慮拓撲約束和尺度約束的多體機械系統(tǒng)，主要內(nèi)容是：已知機構(gòu)的輸入，各構(gòu)件的尺度與裝配構(gòu)型，確定從動構(gòu)件的運動規(guī)律，如位移、速度、加速度、奇異位形、運動誤差等，或已知構(gòu)件的輸入和各個構(gòu)件的尺度，確定裝配構(gòu)型并優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，從而獲得從動構(gòu)件的運動規(guī)律，即機構(gòu)的運動分析；對機構(gòu)提出運動學、動力學ee 6 等方面的設(shè)計要求，確定進而優(yōu)化相關(guān)的構(gòu)件尺寸，即機構(gòu)的運動尺寸綜合；研究 機構(gòu)尺度類型與性能之間的關(guān)系。機構(gòu)動力學研究的對象主要是拓撲約束、尺度約束和慣性約束的多體機械系統(tǒng)，具體包括變質(zhì)量機構(gòu)動力學、振動機構(gòu)動力學、剛性與撓性轉(zhuǎn)子動力學、彈性構(gòu)件動力學、柔性機構(gòu)動力學等，主要內(nèi)容是：給定機構(gòu)的運動和約束，求解輸入力和運動副反力等，即機構(gòu)動力學分析；給定機構(gòu)輸入力和約束，求解機構(gòu)實際運動規(guī)律問題，即機構(gòu)的動力學響應(yīng)；合理分布構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量，減少動載荷、改善工作條件等，即機構(gòu)動平衡 [3]。 20世紀 60 年代誕生的機器人學是由機械電子學、計算機科學、信息科學等多學科綜合而成的前 沿學科。它研究如何使機器具有部分人體動作功能、感知和思維能力。近年來機械學一項引人注目的進展就是產(chǎn)生了一門特定的機械學科 — 機器人機械學，它是分析、設(shè)計機器人機械系統(tǒng)的科學，機器人機械系統(tǒng)與傳統(tǒng)機械有類同也有明顯的區(qū)別，它成為現(xiàn)代機械學中最活躍、最引人注目的分支之一。機器人機械學的主要研究領(lǐng)域有：機器人運動學、動力學；機器人新機型、新機構(gòu)、新結(jié)構(gòu)；微型機器人；機器人 CAD、仿真以及機器人圖形學 [3]。 （ 1）國外研究進展?，F(xiàn)代機構(gòu)學研究的進展相當快?？傮w上看，研究對象從原動機和工作機擴大到整個多自由度、多環(huán)機 械系統(tǒng)。研究范圍涵蓋了對象的全工作歷程（穩(wěn)態(tài)、動態(tài)歷程）。研究內(nèi)容涉及到高速、重載、高精度下的運動學和動力學特性，包括控制性能，以及影響實際系統(tǒng)運行狀態(tài)的諸多因素，甚至間隙沖擊、摩擦、潤滑以及構(gòu)件柔彈性等。研究的層次則貫通機構(gòu)結(jié)構(gòu)類型綜合和優(yōu)選、尺度型優(yōu)選、尺度綜合方案優(yōu)選、慣性參數(shù)優(yōu)選以及新型構(gòu)件和新型運動副等 [13,]。 機構(gòu)學設(shè)計理論仍在不斷完善與發(fā)展。 1964 年在機構(gòu)結(jié)構(gòu)學方面首次將數(shù)學中的圖論引入機構(gòu)學，解決了機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成長期借助于機構(gòu)運動簡圖和文字的描述，而與數(shù)學無緣的問題。以點表示構(gòu)件、以邊 表示運動副的拓撲圖與機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖之間具有對應(yīng)關(guān)系。拓撲關(guān)系可以用矩陣（如關(guān)聯(lián)矩陣、鄰接矩陣、割級矩陣、通路矩陣等）表示，而且既便于運算又便于計算機生成。故圖論為機構(gòu)結(jié)構(gòu)學研究提供了有力的數(shù)學工具。機器人的手與手臂豐富了機構(gòu)結(jié)構(gòu)學，如按動作形態(tài)機器人手臂可以分為直角坐標、圓柱坐標、極坐標、多關(guān)節(jié)型等。隨著機器人功能的需要又出現(xiàn)了平面 SCARA、空間連桿型球面 SCARA、λ機構(gòu)手臂和 RCC、 VRCC 手腕、多指多關(guān)節(jié)手等。與傳統(tǒng)機構(gòu)的一個明顯區(qū)別是機器人手與手臂有意識地采用串聯(lián)、并聯(lián)機構(gòu)或混合機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。相 應(yīng)于機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)的數(shù)學描述及其結(jié)構(gòu)單元的劃分，分別采用回路約束法、桿 副約束法或ee 7 單開鏈約束法來建立易于自動生成的運動學、動力學方程。眾多文獻論及運動分析方程的降維問題，在如何利用同一性條件減少方程變量數(shù)目、簡化求解方面取得進展。單開鏈約束法可以使聯(lián)立方程的維數(shù)最少，即等于機構(gòu)的耦合度 k，此方法可以推廣至空間多回路機構(gòu)分析。完成運動方程的求解，便可知曉運動過程，進而實現(xiàn)運動特性的圖形顯示等。處理機構(gòu)全部裝配構(gòu)形包括機器人機構(gòu)裝配構(gòu)形，一般有消元法、區(qū)間分析法和連續(xù)法。借助運動特性（如奇異位形）和符號系統(tǒng)減少復 雜機構(gòu)裝配構(gòu)形計算量的方法頗受關(guān)注。機構(gòu)運動尺度綜合涉及的仍是基本運動分析的尺度優(yōu)化、精確點運動尺度綜合、近似運動尺度綜合等研究內(nèi)容。有人進而探討處理運動尺度綜合問題的統(tǒng)一理論，在方法上則注重解析法與優(yōu)化法結(jié)合。動力學方面，擺動力完全平衡的一般理論已經(jīng)相當深入，如線性獨立向量法、擺動力完全平衡的直接法和有限位置法（數(shù)值法）。已經(jīng)證明，對于完成位置分析的機構(gòu)，擺動力的平衡條件可以轉(zhuǎn)化為一組線性方程的求解問題，擺動力與擺動力矩完全平衡的一般理論在近幾年也有突破，但是實際應(yīng)用效果有待驗證。優(yōu)化平衡可能更接近實用， 而機電技術(shù)的結(jié)合也許是解決該問題的有效途徑。近年來有關(guān)間隙機構(gòu)動力學的實驗有重要進展，內(nèi)容涉及到用混沌現(xiàn)象解釋間隙運動副脫離接觸時的動力學行為等。廣義速率的概念是取適當構(gòu)件或構(gòu)件上適當點的速度視為主動輸入速度（即廣義速率），并用于建立動力學響應(yīng)方程，結(jié)果動力學方程的耦合性可以明顯降低。選取樹狀機械系統(tǒng)廣義速率的一般方法也已經(jīng)給出 [1,13,5256]。 新型機構(gòu)的研究。由于概念范圍的交叉，功能的拓展，材料和加工工藝的變化，目前機構(gòu)正向微型化、集成化、智能化、高精度型發(fā)展，在傳統(tǒng)以及某些新領(lǐng)域得到應(yīng)用。在并 聯(lián)機構(gòu)方面， 1965 年英國工程師 Stewart 發(fā)明了 6 自由度并聯(lián)機構(gòu)平臺， 1978 年著名教授 Hunt 提出 Stewart 機構(gòu)可以做并聯(lián)機器人，其理論基礎(chǔ)涉及空間多自由度多環(huán)機構(gòu)學的范疇。 20 世紀 90 年代后并聯(lián)機構(gòu)成為機構(gòu)學的熱點之一，在理論方面重點研究各類并聯(lián)機構(gòu)如欠秩機構(gòu)、串并聯(lián)機構(gòu)、蛇形機構(gòu)等的設(shè)計理論，運動學、動力學及性能評價指標體系等。主要用在飛行模擬器、虛擬軸機床、微動機構(gòu)、傳感器框架、誤差補償器、步行機器人等。在柔性機構(gòu)方面，柔性機構(gòu)發(fā)端于 20 世紀 70 年代， 1986年普渡大學的 Her對柔性機構(gòu)的概 念體系做出了開創(chuàng)性的貢獻，近 10 年來有“偽剛體” 模型、“運動放大法”、“分布柔性”等概念的問世。柔性機構(gòu)的研究重點為：全柔性機構(gòu)理論體系及研究方法；柔性機構(gòu)的物理實現(xiàn)方法（集成設(shè)計與成形加工）；簡捷和足夠精確的柔性構(gòu)件大變形運動模型；柔性機構(gòu)標準結(jié)構(gòu)的優(yōu)化算法。在廣義機構(gòu)方面，光機電一體化技術(shù)的發(fā)展促進了液壓、電氣、氣動、磁性和光電等元件與機構(gòu)的融合，ee 8 廣義機構(gòu)的概念已經(jīng)被廣泛采用，廣義機