機器組成概念從近代到現代的演變

摘要：

隨著生產力的發展，機器在發展，“機器組成”的概念也在演變?，F代社會對機器的要求逐步提高，而復雜的機器來源于對傳統機器的改造，了解機器的演變是對傳統機器進行改造的必要過程。馬克思在《資本論》中描述了機器的組成，當時適逢第二次工業革命開始，但其后不過數年，控制系統就加入到機器中，馬克思的“機器組成說” 開始被突破；20世紀下半葉，在第三次科技革命中，機電一體化概念出現，電子技術、控制技術和傳感器技術等被融入到機械系統中。通過機械的發展歷史說明了機器組成概念的演變過程，并提出了更準確的現代機械系統的定義，從而給人以啟發，增加對機器本身的了解，對現代機械產品設計者具有指導意義。

關鍵詞：機器組成；機械系統；機械電子工程；演變

中圖分類號：TH-3

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.001

Evolution of Concept of Machine Composition from the 19th Century to Modern Time

ZHANG Ce1 YANG Tingli2，3 LIU Jianqin1

1.School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin，300350

2.SINOPEC Jinling Company，Nanjing，210033

3.Changzhou University，Changzhou，Jiangsu，213164

Abstract： With increasing of productivity and development of machines， the concept of “machine composition” also evolved. The requirements of modern society for machines were gradually increasing， and complex machines came from the transformation of traditional machines. Understanding the evolution of machines was a necessary process for the transformation of traditional machines. Marx first described the composition of machines in his Das Kapital， which coincided with the start of the Second Industrial Revolution. However， within only a few years， the control system joined a machine， and Marx’s “concept of machine composition” began to be broken through. In the second half of the 20th century， in the Third Scientific and Technological Revolution， the concept of mechatronics emerged， and electronic technology， control technology and sensor technology were integrated into mechanical systems. The evolution processes of the concept of machine composition were explained through the history of the development of machines herein. By analyzing the evolution of the concept of machine composition， a more accurate definition of modern mechanical systems was put forword. It may enlighten people， increase their understanding of the machine itself， which has guiding significance for modern mechanical product designers.

Key words： machine composition； mechanical system； mechatronic engineering； evolution

收稿日期：2022-07-07

基金項目：

國家自然科學基金（52242506）

0 引言

1867年，在第二次工業革命剛剛開始之際，馬克思就提出了“機器組成說”。第二次工業革命繼承了第一次工業革命的作業機械化和生產組織工廠化，又用電力和燃油逐步取代了蒸汽。兩次工業革命，機器的使用出現了兩波大發展，因此，“機器”一詞在馬克思的著述中出現的頻率很高［1］，僅在《馬克思恩格斯全集》中，直接與機器相關的條目就有116條，上千處之多［2］。150多年過去了，時代已經變遷，現代機械系統已經和馬克思時代的機器大不相同，現代機械系統融入了機電一體化的概念，即由計算機信息網絡協調與控制的，用于完成機械力、運動和能量流等動力學任務的機械及機電部件相互聯系的系統［3］。借助計算機，機器逐漸實現自動化控制，機械自動化的產生背景與工業經濟的持續發展密切相關，在科技水平進步的條件下，智能自動化、數控技術開始進入機械生產領域［4］。從目前的發展情況來看，信息技術應用已經很普遍。在一些大型機械企業的生產車間，工作基本上完全依靠高度自動化的機器［5］，沒有或基本沒有操作工人，負責監控的人員也屈指可數［6］。

文獻［7］曾經給出“現代機械系統組成”的概念，但是該文獻的主題不是專門討論這一概念的，言猶未盡，因此有必要進一步論述機器組成概念的演變。

本文舉出了馬克思當時能看到的各種傳統機器，從而明晰了馬克思的“機器組成說”提出的歷史背景；闡述了從近代機器向現代機器演變的幾個重要發展趨向，即機器的高速化、精密化、輕量化和自動化。通過分析馬克思“機器組成說”如何被突破，以及演化到現代機械系統的過程和背景，更準確地定義了現代機械系統的組成這一概念。

討論這一課題有如下幾個益處：

（1）定義具有認識功能，通過討論，了解機器由近代向現代發展過程中的主要演變，幫助讀者更加明了現代機械系統的組成；

（2）定義具有啟示功能，能給人以啟迪，知道對傳統機器進行現代化改造的方向；

（3）提出了更準確的現代機械系統的定義，現代機械的產品設計融合了跨學科的思維，其創新性、高度信息化和多目標性等特點對研究人員和設計者具有指導意義。

1 馬克思的“機器組成說”

1867年9月，馬克思經過長達20年的醞釀、構思和撰寫，完成了大作《資本論》，并在德國出版。在該書的開始部分，馬克思對機器的組成寫出了如下的一段文字［8］：

“所有發達的機器都由本質上不同的部分組成：發動機、傳動機構、工具機或工作機?！?/p>

這句話可以被稱為馬克思的“機器組成說”，它流傳很廣，包括在中國。圖1是對這段文字的圖解。

馬克思開始構思《資本論》的時間應是1848年第一次工業革命時期，1867年該書出版正值第二次工業革命開始。第一次工業革命的焦點，一曰“動力”，二曰“機器”。馬克思從青年時期開始觀察，了解第一次工業革命的全貌，了解機器開始大量被使用的歷史過程。

他當時能夠見到的機器如下［9］。

（1）工作機。

①各種通用機床（刨床、車床、鏜床、銑床、鉆床、外圓磨床，從18世紀末葉開始，到19世紀中葉已齊備）；②金屬壓力加工設備：水壓機（1795年發明，下同）、蒸汽錘（1841年）、萬能式軋機（1846年）；

③多種紡織機和縫紉機（從1764年珍妮紡紗機開始持續約100年）；

④礦山機械和工程機械：顎式破碎機（1858年）、截煤機（1863年）、挖掘機（單斗（1835年），多斗（1860年））；⑤收割機（1834年）、印刷機（平臺式（1814年），輪轉式（1845年））；紙袋制造機（1862年）。

沒有列入上述名單的還有：機車、各種泵、各種交通工具。

（2）發動機。當時的發動機主要是蒸汽機；水力有一些應用，但水輪機、電動機、內燃機都還沒有被發明。

（3）傳動機構。馬克思在文中提及，“傳動機構由飛輪、轉軸、齒輪、蝸輪、桿、繩索、皮帶、聯結裝置以及各種各樣的附件組成”。由此看來，當時只有四類機械傳動：齒輪傳動、蝸輪傳動、（平）皮帶傳動和繩索傳動。顯然，傳動機構的作用只是改變發動機輸出的轉速，一般是降速。

但是，機床中的齒輪傳動作用不僅是增速、減速，更要變速。變速，即改變切削速度和進給速度，是機械加工對機床的基本要求之一，因此，將機床中的齒輪變速機構（床頭箱、進給箱）劃入工作機的組成部分是更合理的。

皮帶傳動和繩索傳動一般不會放在工作機內部，而齒輪和蝸輪傳動則有可能放在工作機內部（如牛頭刨床），也可能放在工作機外部（開式傳動或單獨的減速器）。

為改變運動形式，最常使用的是連桿機構。連桿機構屬于工作機的組成部分，置于工作機的內部，例如在牛頭刨床、顎式破碎機和縫紉機中都是這樣。

機器的三個組成部分是按照功能而不是按照外觀形態區分的。

2 機器從近代向現代演變的主要趨向

機器在古代就出現了，在第一次工業革命中機器得到了大量使用。從瓦特發明蒸汽機到現在已有200多年，機器一直在不停地發展，尤其在現代發展得更快，幾個重要的發展趨向如下。

（1）機器的高速化、重載化和大功率化。機器的高速化往往與提高生產率相聯系，機器的重載化與處理的對象有關，而高速加上重載，就構成了大功率化。高速化是最突出的發展趨向。

（2）機器的精密化。對機器要加工對象的精度要求越來越高，機器本身的精度當然也就越來越高。

（3）機器的輕量化。機器的輕量化是為了節約材料、降低驅動功率，這與世界的能源與資源的緊張有關。

（4）機器的自動化。需要機器完成的工作常常是復雜的，因此常常要分解為多個工序。例如，要完成產量很大的螺紋標準件的加工，必須在車床上依次實現棒料的自動送進、夾緊、縱向車削、切制螺紋、切斷等多個工序的往復循環。在初期，這些工作都是由操作者完成的，但生產率要求提高以后，就希望能自動完成。輕工業機器發展起來以后，如卷煙機、織襪機等更是直接地要求自動化。

機器發展的這幾種趨向從近代機器的誕生就開始出現了。機器的高速化、重載化、精密化和輕量化一般不會對機器的組成帶來很大的變化，然而，機器的自動化會在較大程度上直接影響機器的組成。

正是為了適應大批量加工螺紋緊固件的需要，1873年，美國發明家斯潘塞（1833—1922）發明了全自動轉塔車床，它包含了凸輪控制系統，即用安裝在所謂“分配軸”上的多個凸輪來控制橫向刀架和縱向刀架等部件的運動（圖2）。斯潘塞稱這個分配軸為這臺機床的“大腦”。

3 馬克思的“機器組成說”被突破

吳雅老師曾寫道［10］：“這一觀點至19世紀后期斯潘塞研制成功第一臺自動車床為止，都是正確的”。這里的“觀點”指馬克思的“機器組成說”。1873年斯潘塞發明的自動車床中包含了控制系統，雖然還只是機械式的控制系統，但這已經開始突破馬克思的“機器組成說”。

在20世紀下半葉機電一體化的概念出現之前，有過一段依靠單純的機械手段實現機器自動控制的階段（凸輪是機械式自動化的核心構件）。這一“機械自動化階段”持續的時間不短，約有大半個世紀。在這一階段，新出現的自動化機器用傳統概念已經解釋不清楚了。1965年發表的關于鉆孔機械自動控制的文章［11］也提到了機械式自動化，利用鉆頭與巖石之間的位置關系，讓鉆頭在充當操作元件的同時也起到傳感作用，將末端的位移信息傳遞給其他機構，以適應被鉆孔巖石的力學特性，從而實現對鉆進速度和進給力的自動控制?？v觀整個鉆孔機器，除了發動機、傳動機構和工作機外，還有機械式的反饋機構（雙差動齒輪），這臺機器的組成也已不能用傳統概念來解釋。此外，像卷煙機、包裝機械中也有這類機械式自動化裝置。但這段時期討論機器組成變化的文章并不多，在這一機械式自動化階段，實現自動化的機器也還不是十分普遍。

20世紀上半葉，液壓控制在某些機器（如機床）中得到廣泛應用，它替代了某些使用凸輪的機械式控制系統。

但是，今天，我們如果不將馬克思的這一論點絕對化，而只將馬克思的“機器組成說”看作是馬克思給出的“傳統機器組成說”，那么這個定義是永遠不過時的。更何況，短期內這類傳統機器也還不可能完全被淘汰。

4 現代機械系統組成說

新的、現代機械系統的組成概念是在第三次科技革命中開始形成的。

4.1 現代機械系統的發展概況

一個世紀以來，在電子技術和控制技術等方面出現了一個持續的、巨大的鏈條——技術進步的鏈條。這個鏈條有五個分支，它們是：

（1）電子管（20世紀初葉）—傳統電子技術（20世紀20年代至1950年）—晶體管（1947年）—集成電路（1958年）—以大規模集成電路為基礎的微處理器（1971年）—現代電子技術形成；

（2）電子計算機（1946年）—電子計算機經數代演變（1946年至現在）；

（3）經典控制理論（20世紀40年代末至20世紀50年代）—維納的控制論（1948年）—現代控制理論（20世紀60年代）—控制技術；

（4）以傅里葉變換為基礎的經典信號分析（19世紀至20世紀70年代以前）—以小波變換為基礎的現代信號分析（20世紀70年代至20世紀80年代）；

（5）傳感器技術起步（19世紀末葉）—傳感器技術大發展（二戰以后）。

以上這些都是眾所周知的，筆者只是將這個巨大的鏈條簡單勾畫一下，而不必再多加解釋。

后來，這個鏈條的幾個分支就開始陸續地滲入到機械工程中來：

現代電子技術電子計算機技術控制理論與技術傳感器技術信號分析技術機械工程

這種“滲入”最早可追溯到二戰期間，在部分軍用產品中首先實現了機械產品和電子技術的結合。戰后，這類技術實現了所謂“軍轉民”，這是機電一體化技術的萌芽階段，雷達、數控機床和機器人都是這一階段的產物。

1969年，日本安川公司的工程師森哲郎（Tetsuro Mori）創造了一個新的英文單詞“Mechatronics”。初期的中文譯名叫“機電一體化”，這個名稱很好理解，但不是很準確。新單詞中的“tronics”來自英文單詞 “electronics”，含義是“電子學”，所以后來被改譯為“機械電子學”。在高校的專業目錄中，相應的工程專業被稱為“機械電子工程”。

“Mechatronic engineering”這個術語很快便風靡世界，它的出現標志著人們在認識上從不完全自覺走向了完全自覺。例如，日本政府1971年頒布政令，要求企業界“應特別注意促進為機械配備電子計算機和其他電子設備，從而實現控制的自動化”。

這一階段，數控機床得到廣泛使用，加工中心出現，機器人實現商品化。數控機床和機器人是典型的現代機械系統。

機器人出現以后，出現了“傳統機械的機器人化”的趨勢［12］。最典型的是工程機械的機器人化，包括隧道鑿巖機器人、挖掘機器人、噴漿機器人和碼垛機器人的開發。這是一個非常重要的發展趨勢，它逐步擴大了現代機械系統的空間，壓縮了傳統機器的空間，代表了傳統機器改造的一個重要方向。

4.2 現代機械系統的組成

現代機械系統的實踐走在其理論的前面：一些現代機械系統出現很長時間以后，人們才歸納出“現代機械系統組成”的概念。

文獻［7］首次定義了現代機械系統的組成，并用結構框圖解釋了傳統機器與現代機械系統的區別，但是該文獻的主題并不是討論這個問題。在這里，我們對該定義進行進一步更細致的討論，并給出稍許修改了的系統組成的框圖，如圖3所示。

現代機械系統中的六個組成部分是按照功能不同而區分的，完全不代表機械的外觀形態。對機器人來說，其機械傳動系統常常是諧波減速器。由于伺服電機都是可調速的，因此將“發動機”改成了“驅動系統”。

工作機包括了機構系統和執行器。對機器人來說，機構系統就是（串聯的或并聯的）連桿機構，而執行器就是輸出端的焊槍、夾持器等。對簡擺式顎式破碎機（圖4a）來說，機構系統就是一個六桿機構，執行器就是安裝在大搖桿上的顎板。執行器總是和機構系統的某一個構件剛性連接，但不一定都是連接在末端構件上（如圖4b中的顎板安裝在四桿機構的連桿上）。執行器的設計是一個專業機械的問題，不是機構學工作者的任務。

改繪成圖3的目的之一是：試圖既能說明現代機械系統，也能覆蓋傳統機器，便于清楚地看出傳統機器的一個現代化改造的方向。

圖3中，虛線上方的內容以及括號中的文字就是傳統機器圖（圖1）中的文字。虛線下面的部分就是由機械電子工程所帶來的傳感、控制和信息處理系統。傳統機器要改造為現代機械系統的途徑之一，就是要增加控制系統，即增加虛線下面的部分。

當然，從傳統機器發展為現代機器，要從本文的第2節中所述的高速化、重載化、輕量化、精密化、自動化等幾個方面去提高，自動化只是其中最重要的一個方面。

5 結語

自1867年馬克思針對當時的機器提出“機器組成說”已過去了150多年，時代已經變遷，現代機械系統已經和馬克思時代的機器大不相同，本文闡述了馬克思“機器組成說”如何被突破，從現代機械系統的發展演變，探討和準確定義了現代機械系統的組成，得到如下結論：

（1）通過分析機器組成概念的演變，定義其功能，能給人以啟迪，只有深入了解機器的演變過程，才能增加對機器本身的理解。盡管現代機械系統與馬克思時代的機器大有不同，但每個機器最根本的部分仍然脫離不開發動機、傳動機構和工作機，現代機械系統是機械電子工程在傳統機械領域的具體應用，是對傳統機器進行的現代化改造。

（2）提出了更準確的現代機械系統的定義，在現代機械系統工作下的機器表明了現代機械系統的組成，現代機械的產品設計融合了跨學科的思維，其創新性、高度信息化和多目標性等特點對研究人員和設計者具有指導意義。

馬克思的“機器組成說”提出6年后就出現了機械式自動控制系統，開始突破這一組成說?，F代機械系統的概念已經提出10余年了，什么時候會開始被突破呢？可能也不會太長。俗話說，世事變化快??！業內已經開始有人想到這一點了?，F在還難以預測，看看微型機械和變胞機構這些新事物發展下去會帶來些什么吧！

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（編輯 袁興玲）

作者簡介：

張 策， 男， 1941年生， 教授、博士研究生導師。主要研究方向為機械動力學、機械工程史。 E-mail：cezhang41@163. com。