機構學

機構學是著重研究機械中機構的結構和運動等問題的學科，是機械原理的主要分支。研究各種機械中有關機構的結構、運動和受力等共性問題的一門學科。

研究內容分兩個方面：第一是對已有機構的研究，即機構分析（結構分析，運動分析和動力分析）；第二是按要求設計新的機構，即機構綜合（結構綜合，運動綜合和動力綜合）。

基本介紹

• 中文名：機構學
• 外文名：kinematic of machinery
• 研究：機械中機構的結構和運動
• 類型：科技術語

簡介

機械延伸加強了人類自身四肢的功能，而計算機又大大延伸和加強了人類大腦的功能。現代機械是由機械和計算機構成的一體化系統，它由機構、驅動、控制、感測與信息處理五個子系統構成，而機構系統是現代機械的骨架與執行器。機構學是著重研究機械中機構的結構和運動等問題的學科，是機械原理的主要分支。研究各種機械中有關機構的結構、運動和受力等共性問題的一門學科。

研究內容

傳統的機構學把機構的運動看作只與其幾何約束方式有關，而與受力、質量和時間等無關的學科。這樣，在十九世紀中葉，機構學就從一般力學中獨立出來，並日益發展。機構學研究的是各種常用機構的結構和運動，如連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、差動機構、間歇運動機構、直線運動機構、螺旋機構和方向機構等，以及這些機構的共性問題，在理論上和方法上進行機構分析和機構綜合。機構分析包括結構分析和運動分析兩部分。前者研究機構的組成並判定其運動可能性和確定性；後者考察機構在運動中位移、速度和加速度的變化規律，從而確定其運動特性。

掌握機構分析的方法對於如何合理使用機器、驗證機械設計是否完善等是必不可少的，所以機構分析也是機構綜合的基礎。但是綜合有時不存在唯一解，因而機構分析和綜合往往是不可逆的。

設計新機器時，先要考慮兩個問題：首先，為了完成某一工藝或生產要採取什麼運動，這屬於專業問題；其次是採用什麼機構來實現這種運動，這是機構綜合問題。所謂機構綜合，就是根據需要實現的運動，選定機構的結構類型，確定機構的幾何尺寸，亦即進行機構的結構綜合和運動綜合，然後畫出能夠實現所求運動的機構運動簡圖。對於高速或高精度的機構，為更好地符合實際情況，還應考慮構件彈性和運動副間隙等實際因素的動力分析和動力綜合。

發展

機構分析和綜合的方法過去大多採用圖解法，現代由於機構的計算機輔助設計和最佳化設計的發展，解析法也得到越來越廣泛的套用。

18 世紀下半葉，第一次工業革命促進了機械工程學科的迅速發展，機構學在原來機械力學基礎上發展成為一門獨立的學科。18 世紀末至 19 世紀初，羅蒙諾索夫、歐拉等幾何學家和力學家的著作奠定了機構綜合理論的基礎。到了 19 世紀後半期，逐步形成了以巴默斯特爾、勒洛為代表，建立在運動幾何學基礎上的幾何學派和以切比雪夫為代表建立在函式逼近論基礎上的代數學派。到了 20 世紀 70 年代，日本提出了“機電一體化”定義出機械電子學新概念，與此同時，美國則提出是由“計算機信息網路協調與控制的”。所以“現代機械”概念的形成是機構學發展的一個新的里程碑。

2.國家自然科學基金委員會的資助分析與成效

機構學同其他基礎科學一樣，是一門具有較大深度和難度的探索性學科，需要較紮實的積累基礎。它的研究是一個艱苦的歷程，往往需要多年乃至幾代人的努力才能探索出來。其研究成果貫穿著整個機械工程。據統計，國家自然科學基金委員會在 1986 至 2011 年機構學這一學科的各個項目資助約 400項，其中涉及運用現代數學工具解決機構學問題的項目有 50多項。在國家自然科學基金委員會的支持下，中國機構學在各個研究方向、各個階段上所取得的成果大都與數學工具密不可分，而近幾年來發表的高水平學術論文，大多數都是採用數學工具解決機構學難題。

特點

(1)機構是現代機械系統的基本子系統，機構學與驅動、控制、信息等學科交叉與融合，研究方法是多領域多學科綜合，研究內容比傳統機構學有明顯的擴展。

(2)機構的拓撲結構學、運動學與動力學實現統一建模，創建三者融為一體，且考慮到驅動與控制技術的系統理論，為創新設計提供新的方法。

(3)機構創新設計理論與計算機技術的結合，為機構創新設計的實用軟體開發提供技術基礎。

(4)基於“自然機械”原理髮展和研製新機構類型，並開拓仿生機構。機構創新設計決定了產品的創新性。如果機構的設計有缺陷，則製造出的將會是有先天不足的產品或稱之為“有殘疾的機械”。對產品的創新而言，機構拓撲創新設計具有原創的特徵性質，是機械發明中最具有挑戰性和發明性的核心內容。所以，現代機構學的研究對提高我國機械產品的自主設計、創新和國際競爭能力有著十分重要的意義。