对上半个世纪高速机械设计在制造业中的应用主要发展的回顾
摘要：高速机械设计在制造业中的应用在过去五十年里发展很大。许多发展都是有目共睹的，而一些发展则是不为我们所见的。相对来讲，这些机械的生产量很少，但是由它们所生产的消费产品可达到几十亿。高速机械的生产可靠性是极为重要的，并且依赖于有效的设计技术，以满足末端用户的要求，使他们能够放心使用。产品损害来源于机械操作。辐射噪音是一个持续存在的问题，需要人们重视。随着数字处理的出现和动力学分析的进步，机械的数字设计有了很大改进， 机械的性能也有了很大程度的提高。随着凸轮技术以及电动机、驱动器、控制器的发展，机械动作的设计、执行、控制也有了很大的发展。机械结构也越来越注重利用，由一些特殊制造业和营造商，所提供的机械的设计和机械和结构的模组件构筑物的优点。高速的定义如下：在给定的定量的方法中，经过性能对照和可行性测试，选择目标方法。作者根据对机械的高速性进行形式分析和基于试验的调查研究，得到了范围很广的经验。这就需要工业公司进行设计，制造这些机械，需要末端用户使用这些机械产品大量生产消费品。本论文回顾了这些发展，并用插图列举了一些应用实例。
关键字：历史，高速机械，制造业， 凸轮模块，驱动器
１绪论
　　观察一些现代化制造业工厂， 并把此类工厂与大约半个世纪前的同类别的工厂相比较，我们可以明白工厂内发生了一些重要的变化。在厂房里工作的工人的数量大大减少了，我们几乎看不到从事手工操作的工人，而生产速度却很大的提高了。我们可以大概的推测，对于同类机械，其效率在近五十年内大概提高了五倍左右。在本论文中笔者不光提到金融上，贸易上，以及组织的驱动器上的改变，同时也把比较重点放在机械在技术方面的发展。经过一定的研究，从一定程度上关注机械的设计，发展和控制，何乐而不为呢？
　　在本论文呢的回顾过程中，笔者更关注于在集中生产消费者所需产品中所使用的所谓的高速制造业机械。笔者的观点是从观英国这个国家的情况而延展到对全球的推测，在机械设计方面，特别是关于理论的进步和发展。这些观点的由来，是笔者长期从事学术工作，以及后来从事机械系统顾问工作所得经验的结果。
　　首先阐述半个世纪前的工业状况，机械理论和技术，然后再按照年代顺序展开，阐述一些对我们当今生活产生重大影响的重要发展。M和MGI分别指的是机械装置和利物浦约翰摩尔大学的机械团体。 笔者曾经在利物浦约翰摩尔大学的机械团体从事过理论工作，此团体的成员，无论时健在的还是已经逝世的，在机械方面都曾经提出过宝贵的观点，并为好的机械设计的提出做过贡献。
1.1 　1953年时期的工业
　　此时期制造业，在产品的传输和集中操作方面，具有高劳动力强度手工处理的特点。加工过程的改进和这些操作过程的机械化存在着一定的优势。一些工程技术支持改进并制造一些机械，并在在一些领先的企业做了重大投资。在特点的场所总能见到设计家、绘图员，以及工艺技术人员例如装配，器械和工具制造者、电工学家等的身影。他们周围则是支持他们工作的金属工，机械工具，装配工和工具等等。
1.2 　1953年时期机械方面的理论和设计
　　当时，对于机械方面理论上的任何理论，都来自于汤米.贝文的书中所提到的理论，这些理论为设计者所津津乐道。后来汤米.贝文成为曼彻斯特科学技术学院（现为UMIST）的讲师。他的书在过后的很多年里成为标准的教科书，使得其在机械工程领域居于畅销书行列。此书分章介绍了当时所出现的一些重要的运动学，动力学，振动学等原理，以及基本的机械设计基础，和当时流行的装置以及装置的草图。
　　1953年是陆海运输中柴油发动机扩充和改革的时期。贝文的书，尽管就像以后人们所理解的那样，呈现出在机械方面合理的理论平衡展开趋势，但是应用在发动机的设计和发展方面存在着明显的偏见。例如，制造业，无论是特定的纺织材料的制造，还是装配业，还是消费品的装配包装业，在其初期都是被相对忽视的。
　　在当时， 分析方法完全是基于矢量绘图方法和矢量合成，机械设计依赖于圆规、尺子、和绘图工具，当有精度要求时则求助于滑动标准或者对数表。
　　在19世纪后期，在英国关于机械空间合成绘图方法的发展关注主流尚不明确。在欧洲大陆不同国家也是不同的。一些主要的关注重点是活跃的。Meyer zur Cappellen, 和 Hain K.和Artobolevsky以及 Wankel，是20世纪30年代以后在机械和机械理论领域的重要领导者，，尽管对此的报道是在后来才出现的。他们的努力与其他中欧学院和研究组织相结合，占据和机械领域的很大空间，这种情况持续到20世纪50年代。DeGroot的关于科学研究得公布的一个书目涵盖了当时欧洲在机械领域的主要发展情况。
1.3 1953年时期的技术
　　新的材料不断出现。传统的磷铜合金轴承和巴氏金属轴承被PTFE灌输轴承所代替。弹珠和旋转轴承的精度变得更好，使用寿命也变得越长。铸铁和铁被出现在飞行器行业的轻合金所代替。氯丁橡胶和其他合成代替材料代替了橡胶和纤维，这使得在力量传输带方面产生了新的发展。
2 20世纪50年代（1953-1963）——计算的出现
　　1953到1963这十年，尽管由机械设计者和使用者在将来可以很容易的进行潜在开发的技术非常少，科技还是有了很大的发展。在1953年至1963年这段时期，我们可以看到在数字计算机，高水平程序语言，半导体和固态交换系统，对等装置，对等计算机等方面，有了跨越性的发展。但具体的对一般计算机和数字计算机在计算能力上的预言没有给出。在这十年期间，在面临相当的设计和计算问题时，对等计算比数字计算更快。
4 20世纪70年代（1973-1983）——计算和控制方面，微处理器很受欢迎。
　　在这段时间内，研究人员和M与MG的其他支持人员增多了，研究活动达到了一个新的高度。 尽管很多研究是机器人方面和肺制造业方面的。然而，他们的研究总的来说在机械领域具有很大贡献。
5 20世纪80年代（1983-1993）——工业崛起
　　20世纪80年代后期在动力半导体方面：二极管， 半导体闸流管，以及约束开关等，产生了巨大进步。这些变化是伴随着数字控制技术的发展而发展的，数字控制技术使得脉冲宽度调制（PWM）与交换问题和对拉过绒的ＤＣ伺服发动机的批判一样流传甚广。这有效地产生了由里到外的构造，使得线圈成为定子，电枢成为永磁体。磁性材料的重大改进出现了，　到１９８５年以前，现代化的日不带电刷的发电机出现了。
　　１９９０年，旋转电动补充马达间接变速装置已经确立了其在制造业体系的位置，并被越；来越多的用于包装机械和包装线路，以及用于改进老的机械装置（更换陈旧的驱动装置）。旋转电动补充马达间接变速装置还用在机器人操纵，以及精选和放置机器人，这类现象比较普遍的存在于，比较就地包装过程前或者就地包装过程中重的情况。它们还用在驱动系统，通过结合电子传动装置和旋转的补助马达间接变速装置，调节或使其他独立模块的驱动轴同步。在此方面，它们充当可选择的放置轴，传动装置，带，以及滑轮序列等角色工作。
６　９０年代（１９９３－２００３）——全球化发展
　　时间走到近十年，笔者在处理问题方面发生了方法变化。无论笔者的研究工作是否与机械制造者当然后来也包括使用者，产生共同兴趣，我还是在机械性能事宜方面提出了一些建议。所有的机械制造者都很关注机械的性能，但是使用者是机械性能不组时首先受到影响的人。一个相反的观点扩充了笔者的视野。此观点仍然然为制造者是技术专家，他们代表了机械设计中末端使用者的利益，机械的发展也影响着他们，这是个全球化的趋势。
７　结论
　　过去五十年中机械制造业的发展是显著的。机械制造业的发展过程　以来于那个时代的科技和分析技术的发展。当今在厂房里很少能看见，像五十年前那样在厂房里从事手工操作的工作人员。对于户内工程发展的投资显著地减少了，即使没有消失也很少了。设计和工程　支持不再存在于使用机械装置的工厂，现在则依赖于系统开发者，和制造妈祖用户要求的关键转动系统的公司的协助。满足高速，可靠，通用的机械装置的制造可以由上述少数公司来完成。而现在那些技术非常熟练的，则依赖于科技、分析设计和检测技术的更好发展。过去五十年里这些发展为机械制造的发展做出了长足的贡献，本论文里只提到了少数的一部分。
　　就我个人而言，总结如下：机械理论方面的发展与计算和数字技术相关，机械理论的发展是基本的也是长久的，而不是一项被荒废不用的技术，理论的发展是必需的，但又是正如众所周知一句话 “我学会忘记”一样的事物。

由激光快速质子移变作用产生的三维微观结构的激光驱动运动
摘要：利用激光诱导在气体相中直接书写的沉积物，能够产生由氧化铝和铝组成的三维微观结构。三甲胺铝氧化物和氧气用作为产生此微观结构的先驱物质。合适的激光放射可以产生热膨胀力，我们可以利用热膨胀力驱动微观结构的零件运动。其运用包括显微机械传动装置，例如微镊子和微发动机。激光直接录写是一步完成的过程，此过程允许此类装置的快速的质子移变作用。
首先在微电子领域发展起来的石板印刷术和蚀刻技术也可以用在矽上来制造传感器，转动装置，以及其他微型机械装置。然而，这些技术需要在微观结构零件产生以前在早就制备好了的光性遮光板上进行。而制备过程本身也是由许多复杂的步骤，以及需要花很多时间的步骤组成的。例如：由于结构的纵向变化的体现不是直接的，因此微观结构的结构重组经常需要对遮光板进行重新设计。从而使得，此技术在大批量的生产那些不需要进一步开发设计的装置时，比较经济可行。而其他依赖于遮光板生产的技术，例如x轴深度时刻技术，ＬＩＧＡ（石板印刷术，电铸成形术，变形术）也受到遮光板技术的缺点的影响。
因此，近年来，一步形成三维（３Ｄ）微观结构的技术引起了人们很大的关注。此项技术的要领是设计一个由计算机辅助技术辅助产生的结构，并把数据直接传递到机器上，而此机器可以自动产生密实结构。这就是所谓的快速质子移变作用，它能使机构产生快速的演化，特别是当激光直接录写技术用来当作是加工工具的时候。目前依赖于激光驱动的光聚合作用或者力聚合作用的技术，已经广泛用于商业产品的快速质子移变作用上了。但是它们仅仅提供了微米级别的产品的解决方法。而在其他方面的的可能应用是对氯中的矽进行快速层叠激光蚀刻。
人们已经发现激光辅助的化学蒸汽态沉积物（ＬＣＶＤ）适合用来解决微米级的快速质子移变作用。使用此方法，以一等于物质线性增长速度的速度把基质从固定的激光焦点分离，能够产生薄竿和细小纤维，并能使激光的焦点处在竿的尖端位置上。激光辅助的化学蒸汽态沉积物（LCVD）的可行性在碳竿和矽竿的制备上首次得到了证明。激光辅助的化学蒸汽态沉积物（LCVD）也可以用来生产较长的碳竿、矽竿，以及纤维状的结构，此外更复杂的结构像微螺旋结构，可以通过以一弯曲路径移动基质，同时使用测角计的方法得到，而不是单纯的让基质作直线形运动。近年来，我们使用两向交叉激光束来产生由氧化铝小竿组成的复杂的微观结构。我们所采用的技术使得在自由空间自由的进行直接录入成为可能，举例如下所示。
当只使用一个激光束的时候激光辅助的化学蒸汽态沉积物（LCVD）只能产生平行的竿或者与激光束近似平行的竿，为了得到任意方向下的竿，我们必须改进技术。对于弱吸附性物质，如铝，激光的吸收长度非常大，而能在启发性区域产生均一的温度分布，这就使得在气相中在激光点附近的区域产生非直接的物质沉积物。如果使用额外的集中的激光束，此激光束与第一个激光束相垂直，调节额外的激光束，使两个激光束的焦点相重合，如果激光的能量低到可以阻止其中任一激光束的相当的增长，那么沉积物区域则由激光点的交叉点来很好的确定。
在此交叉点，被吸收了的能量足够可以使温度升高，从而使得在气相中能够产生沉积物。如果样本在任何方向都能够进行运动，那么其运动速度必须相当于矾土的增长速率，这样具有复杂形状的结构则可以直接读取到自由空间内。以前，用此方法产生的复杂结构是静止不动的，因为每个零件都直接或者间接固定在基质上。在这里，我们使用基于激光辅助的化学蒸汽态沉积物（LCVD）的技术去构造复杂的可移动的机构，如简单的线性的“微型发动机”，是由选择性激光束加热结构的零件而产生热膨胀，热膨胀力驱动其移动。这类装置可以具有微型机械的传动装置的功能。
下面所描述的三维结构是在合适的基质中构造的。在可弯曲的支持物内加入一微小奥的反应室，实验中有效的激光能量范围为0.2~20mW之间。把铝的前驱物质TMAA慢慢压入反应小室内，小室内的尾压保持在大约1.6mbar左右。在制造氧化铝竿的时候，氧气用作为补充气体，其部分压力为0.2~0.6mbar。结构的增长受许多参数的影响，例如：氧气分压，这已经在别处描述过了。
对结构零件的局部激光加热可以产生能够引起零件微小弯曲的热膨胀力。由于铝的线性膨胀系数要比氧化铝的线性膨胀系数大得多，那些设计准备膨胀的竿以及能对结构其他零件产生作用力的竿，与铝相覆盖结合。由于铝的热传导率要比氧化铝的大得多，涂层使得温度能够较为均一的分布，阻止了局部加热过高的发生。而局部加热过高通常会对结构造成损害。
杠杆状的结构可以用来增加零件的位移。我们可以在主橼的根部构建一系列微小的镊子（图三所示）。由于使用了合适的杠杆，我们能够使激光加热竿（大约1微米长）发生近20倍的膨胀。目前微小镊子结构可以施加的力受杠杆灵活性的限制，杠杆阻挡了较低的竿。可以施加的力F可以用下面的公式来计算：

其中，r是杠杆的半径，E是铝的杨模数（ ）L是杠杆的长度，当 ，假定最大弯曲 ，作用力F的数量级数为 ，即是镊子重量的1000倍还要多。
率和矾土的不同膨胀系数可以用来切段竿与基质的连接。当两相平行的垂直的铝涂层的竿在顶端相互连接的时候，它们是相轮流被激光加热的，热应变使得竿底部与基质相脱离。因此，可移动的结构零件可以通过在其形状已被3D激光录写确定后，把它们与基质相分离得到。
使用上面的理论，我们确定了一简单的线性微型发动机。其最大位移量为100微米（图4所示）。发动机的驱动单元由三个可膨胀的竿组成，这三个竿可以选择性的操作。当以一确定的序列对三竿进行加热时，水平竿产生密闭运动（如图5所示）。竿A竿C的膨胀使得整个结构产生向左或向右的轻微弯曲，因此点P向左或向右移动。当关断激光束时，结构的形状又恢复到原来的样子。竿B用来做垂直涌动，加热竿B导致点P上提。所有移动位移都可以通过杠杆结构增加，在杠杆末端可达到系统最大位移，大约为20微米。
当偏离集中的机关束（直径约为50微米）从右到左对竿A、B、C依次进行扫描的时候，能够自由移动的水平竿R向右移动了大约5微米的距离，并最后仍落在支架上。每个循环都由下面积各步骤组成：①加热竿A，使杠杆向左移；②加热竿A、B，使杠杆上升，水平竿R脱离支架，H依靠在杠杆的分叉点F上；③仅加热竿B，时竿R回到中间水平位置；④加热竿B、C使杠杆进一步向右移动；⑤仅加热竿C，使杠杆跌落，R又回到支架H上，但是与初始状态相比较结合点右移了；⑥停止对竿C的加热，恢复杠杆的水平初始位置。发动机准备进入新的一轮循环。重复循环，致使更大的位移发生。
微型发动机的工作原理，与由肌浆球蛋白和肌动元当白相作用而引起的肌肉收缩相似。发动机可使用的最大的力仅限于此简单模型。此结合里大约为10nN,与横木的重量处于同一数量级，如果结合增加（例如：表面粗糙的情况），结合力的值会变得更大。可达到微牛顿数量级，就像对微小镊子进行计算得到的结果那样。
上述例子阐述了由激光快速质子移位作用构成的微型机械装置的复杂应用。一步激光录入方法方法与依赖于遮光板的工艺相比，具有结构演化快，演化简单的特点。如果集中的恶激光束用作为能源，能量可以很容易的传递到运动中的结构上，这就使得没有与电池或其他能源相连接的机械装置产生了。

哥们厉害，应该在狠些

厉害有什么用，真恶心人啊．

够狠，魔高一尺道高一丈呀

什么学校，什么名字公布出来，大家鄙视

李东方，辽宁的一个学校。听说陕西人，签到中铁一局的单位。