高等机构学第五章 1机构综合
Unit5 Passage1 机构
第五单元机构Passage 1 机构简介机构可用几种不同的方式进行分类，以强调其相近与差异之处。
其中一种分类法将机构分为平面、球面与空间三类。
所有这三类有许多共同之处；然而从连杆运动的特性可以看出区分这几类机构的标准。
平面机构是这样一种机构，其所有质点在空间描出的是平面曲线，并且所有这些曲线都在平行平面上，也就是说，所有点的轨迹都与一个单一公共平面相平行的平面曲线。
有了这一特点，就能够在单张图或图形上以实际的尺寸和形状来绘出平面机构的任一位置的轨迹。
任一这种机构的运动变换都称为“共面”。
平面四连杆机构、平板凸轮和从动件以及滑块曲柄机构都是平面机构的常见例子。
今天使用的绝大多数机构都是平面机构。
仅采用面接对偶的平面机构叫做“平面连杆”机构。
它们可以只包括转动副和菱形副。
尽管理论上还可以包括平面副，但平面副却不能加以任何约束，因此只相当于开式运动链。
平面运动需要所有的菱形副的轴和转动副的轴都垂直于运动平面。
球面机构是这样一种机构，当连杆机构运动时，其中的每一连杆都有某些保持静止的点，而且所有连杆的静止点都在同一位置，即每一点的轨迹都是包含在一个球面内的曲线，而且由几个任意选点确定的球面都是同心面。
因此，在一个球面上以某个选点为中心作径向投影，就能完全绘出所有的质点运动。
虎克的万向接头也许是最熟悉的一个球面机构的例子。
球面连杆完全由转动副组成。
一个球面副不会产生额外的约束，因而就相当于开式链，而所有其他的面接对偶都拥有非球形运动。
在球面连杆机构中，所有转动副的轴必须在一点上相交。
另一方面，空间机构对质点的相对运动没有任何约束。
运动的变换既不需要共面，也不必是同心面上。
空间机构可以有双曲线轨迹的质点。
凡带有如螺旋副之类的连杆都是一个空间机构，因为螺旋副内的相对运动是螺旋形的。
这样，数量上相当多的平面机构类型和球面机构类型就仅仅是空间机构类型的特殊形式或子集。
它们的出现是由于与其配对的轴的特定方向上的特殊的几何形状造成的。
《高等机构学》PPT课件
U1x
A
CS1x DS1y E B 2 A
CS1y DS1x F
U1y
A
CS1y DS1x F B 2 A
CS1x DS1y E
U1x 3.182;U1y 4.436
u U1x2 U1y2 (3.182)2 (4.436)2 5.46
arcsin U1y arcsin 4..436 125.7
高等机构学
学号： 主讲：
2、挡风玻璃刮水器
自由度的计算
•
M 3(L 1) 2J1 J2 L6 J1 7 M 3 (6 1) 2 7 1
（e） 折叠椅
L=4; J1=2; M=3(4-1)-2*4=1
折叠椅的结构简图
折叠椅的实物图
（m）可折叠的汽车收音机天线
L=4; J1=3; M=3(4-1)-2*3=3 可折叠的汽车收音机天线的结构简图 可折叠的汽车收音机天线的实
3
d3
dt
d 23
dt 2
故可得
AP
A Pt
A
n P
0 AP *3 je j(331o ) L222 je j2 AP *32 je j(331o )
AP *3[-sin(3 31o ) jcos(3 31o )]
L222[cos2 jsin2 ] AP *32[cos(3 31o ) jsin(3 31o )]
感谢下 载
W1x
A
CZ1x DZ1y E B 2 A
CZ1y DZ1x F
W1y
A
CZ1y DZ1x F B 2 A
CZ1x DZ1y E
W1x 1.468;W1y 3.362
w W1x2 W1y2 (1.468)2 (3.362)2 3.67
机构结构分析和综合
研究机构结构分析和综合的目的如下：(1)研究组成机构的要素及机构具有确定运动的条件，然后判断机构能否运动。
(2) 研究机构的组成原理，并根据结构特点对机构进行分类，以便于对其进行运动分析和力分析。
(3)研究机构运动简图的绘制方法，即研究如何用简单的图形表示机构的结构和运动状态。
(4)研究机构结构综合方法，即研究在满足预期运动及工作条件下，如何综合出机构可能的结构型式及其影响机构运动的结构参数。
一、机构的组成要素(Main Elements of Composing a Mechanism)机构是具有相对运动的构件组合体，是由构件和运动副两个要素组成的。
1.构件(Member)所谓构件是指机器中独立的运动单元。
构件是运动的单元，零件是加工制造的单元。
下图所示齿轮轴构件是由齿轮、轴、键三个零件组成的。
2.运动副(Kinematic Pair)两构件直接接触并能相互产生相对运动而组成的活动联接称为运动副。
两构件参与接触而构成运动副的部分称为运动副元素。
两构件间的运动副所起的作用是限制构件间的相对运动，使相对运动自由度的数目减少，这种限制作用称为约束，而仍具有的相对运动叫做自由度（见下面给出的常用运动副的三维动态图）。
3.运动链(Kinematic Chain )由若干个构件通过运动副联接组成相对可动的构件系统称为运动链。
如果运动链中的各构件构成首末封闭的系统则称为闭式链(如图2-3a)，否则称为开式链(如图2-3b )。
在一般机构中，大多采用闭式链，而机器人机构中大多采用开式链。
图2-3a 图2-3b4.机构(Mechanism)如果运动链中的一个构件固定作为机架时则这种运动链称为机构。
二、运动副的分类(Classification of Kinematic Pairs )1. 根据运动副所引入的约束数分类。
把引入一个约束数的运动副称为I级副，引入两个约束数的运动副称为Ⅱ级副，依此类推。
2. 根据构成运动副的两构件的接触情况进行分类。
高等教育学第五章
如何加强高校教师专业化建设
■ 加大政府的政策体制保障力度。 ■ 完善教师培训机构。 ■ 加强教育理论研究和实践训练。 ■ 建立健全教师资格制度。 ■ 加强教师继续教育制度。
第二节 高等学校学生
■ 一、大学生的基本特征 ：生理特征 、 心理特征 、思想行为特征
■ 二、大学生的社会地位 ： ■ 青年中的佼佼者 ■ 具有合法权益的受教育者 ■ 培养中的未来建设者和接班人
高教事业的建设发展，需要大批学术骨 干和学科带头人。当前，学术骨干和学 科带头人的引进、培养、提高、使用， 在优化高校师资结构、提高高校教师队 伍整体素质中占有重要地位。
（三）高等学校教师的专业化建设
■ 教师专业化 ■ （1）教师专业既包括学科专业性，也包括教
育专业性，国家对教师任职既有规定的学历 标准，也有必要的教育知识、教育能力和职 业道德的要求；（2）国家有教师教育的专门 机构、专门教育内容和措施；（3）国家有对 教师资格和教师教育结构的认定制度和管理 制度；（4）教师专业发展是一个持续不断的 过程，教师专业化也是一个发展的概念，既 是一种状态，又是一个不断深化的过程。
法律关系
■ 高校师生间的法律关系是指法律规定的对应的权利和 义务关系。
■ 高校师生之间不能局限于“教育和被教育”甚至“长 辈和晚辈”的关系。在当今的法制社会里，学校要依 法治校，处理师生之间关系不仅要有法可依，也要有 法必依。
■ 《中华人民共和国教师法》第八条就明确规定：教师 应当履行下列义务：“（四）关心、爱护全体学生， 尊重学生人格，促进学生在品德、智力、体质等方面 全面发展；（五）制止有害于学生的行为或者其他侵 犯学生合法权益的行为，批评和抵制有害于学生健康 成长的现象。”这就是师生法律关系的内容。
《高等机构学》课件
机构组成
机构是由若干个构件通过一定的方式联接而成的，构件可以是杆、齿轮、轴承等。
机构组成的基本元素包括输入、输出和传动系统，其中传动系统是实现运动和力传 递的核心部分。
机构的运动形式包括平动、转动和复合运动，这些运动形式是由构件之间的相对运 动关系决定的。
机构分类
根据机构的结构特点，可以将机构分为简单机构和复杂机构，其中简单 机构包括连杆机构、齿轮机构等，复杂机构包括机器人、加工中心等。
旨在寻找满足特定性能要求的机构设计方案。
机构优化设计目标
02
提高机构性能、降低制造成本、优化结构参数等。
机构优化设计流程
03
建立数学模型、选择优化算法、进行优化计算、验证优化结果
。
机构优化设计方法
尺寸优化
通过调整机构中零部件的尺寸参数，以达到 优化性能的目的。
形状优化
改变机构中零部件的形状，以改善机构的运 动性能和受力情况。
随着技术的不断发展，其他新型机构的应 用领域将更加广泛，其结构形式和运动特 性也将不断优化。
THANKS
感谢观看
机构选型
机构选型需要考虑的因素包括工作原理、结构特点、材料、制造成本等。
在实际应用中，需要根据具体的工作要求和条件选择合适的机构类型，以 达到最佳的工作效果和经济性。
机构选型还需要考虑机构的可靠性和维护性，选择可靠性高、维护方便的 机构可以降低使用成本和维护成本。
03
机构运动学
机构运动学基本概念
使用计算机仿真技术，模 拟机构的动态行为。
通过微分几何和线性代数 的知识，分析机构中各点
的速度和加速度。
动态仿真与优化
通过优化算法，改进机构 的结构和参数，提高机构
高等机构学
研究内容包括机 构设计、机构运 动、机构动力学 等
在机械、电子、 航空航天等领域 有广泛应用
对提高产品质量、 降低生产成本、 提高生产效率具 有重要作用
高等机构学的发展历程
起源与发展
起源：19世纪末 由德国学者提出
发展：20世纪初 逐渐形成体系
机构组成与分类
机构组成： 由多个构件 通过运动副 连接而成
运动副：连 接两个构件 允许相对运 动的部分
机构分类： 根据运动副 的类型和数 量进行分类
机构类型： 如铰链机构、 滑块机构、 齿轮机构等
机构特点： 每个机构都 有其独特的 运动特性和 功能
机构运动与动力
机构运动：机 构在运动过程 中各构件之间 的相对运动关
优化目标：提高机构性能降低成本提高生产效率 优化工具：包括计算机辅助设计（CD）、有限元分析（FE）、仿真 软件等
高等机构学的应用领域
机械工程领域
机械设计：利用 高等机构学原理 进行机械结构设 计
机械制造：利用 高等机构学原理 进行机械制造工 艺优化
机械控制：利用 高等机构学原理 进行机械控制系 统设计
生物力学与仿生学：研究如何将生物力学和仿生学应用于高等机构学以提高机构的生物 相容性和仿生性能。
纳米技术与微纳制造：研究如何将纳米技术与微纳制造应用于高等机构学以提高机构的 微型化和精密化。
绿色设计与可持续发展：研究如何将绿色设计与可持续发展应用于高等机构学以提高机 构的环保性和可持续性。
高等机构学的基本原理
查 尔 斯 ·达 尔 文 ： 提 出 了 “ 进 化 论”改变了人类对生物进化的 认识
托 马 斯 ·爱 迪 生 ： 发 明 了 电 灯 、 电话等众多发明推动了科技进 步
高等机构学 05
(a) 姿态(900 450 0)
(b) 姿态 (900 450 300)
并联机构的奇异分析
对称5-RRR(RR)机构奇异分析
并联机构的奇异分析
分支运动奇异
支链的运动螺旋系:
P23 P45
图中Pij表示第i和j个副所确定的平面
并联机构的奇异分析
分支运动奇异
ˆ 的秩取决于其前 5 列。其前5列的行列式: $ limb
M d n g 1 fi v 2 4 4 1 4 2
i 1
g
约束螺旋系为： $1r 0 0 0; 1 0 0
r $2 0 0 0; 0 1 0
$3r 0 0 1; 0 0 0 $ 1 0 0; 0 0 0
奇异的分类
按机构的运动状态分类
（5） 连续几何奇异
在一定几何条件和位形下，锁住所有主动件，机构仍能连续 运动，称为连续几何奇异。
奇异的分类
按机构的运动状态分类
（6） 自由度瞬时变化奇异
奇异的分类
按机构的运动状态分类
（7） 自由度变化奇异
奇异的分类
按奇异形成的原因分类
（1） 运动学奇异
3-CUP机构为三自由度并联机构，具有一个沿Z轴的移动自 由度和另外两个转动自由度。
并联机构的奇异分析
两类奇异位置： 1.机构位姿按XYZ欧拉角转动时， （i）α=90；（ii） α=-90 此时|Jf|=0 其雅克比公式为
并联机构的奇异分析
在第一类奇异位型下，各分支的运动螺旋为：
并联机构的奇异分析
奇异的分类
奇异按线性丛分类
当机构的所有主动件被锁住下，输出件受到约束 力，当约束力发生线性相关时，这些约束力的作用线 都属于所谓的线性丛。
《高等机构学》课件
课堂参与 小组项目 个人报告 期末考试
20% 30% 30% 20%
结语
通过学习《高等机构学》课程，你将掌握机构的运作和组织原则，为未来的职业发展打下坚实的基础。
学习资源
教科书
指定教科书提供了详细的机构学知识和案例研 究，帮助学生深入学习和理解。
学术期刊
通过阅读学术期刊，学生可以了解最新的机构 学研究和实践。
在线学习平台
提供在线课程、讲座和练习资源，使学生能够 随时随地学习和复习。
虚拟学习社区
参与虚拟学习社区，与同学和教师交流经验和 观点，拓宽学习视野。
课程评估
《高等机构学》PPT课件
敬爱的同学们，欢迎大家参与今天的《高等机构学》PPT课件。在本课程中， 我们将深入探讨机构的运作和组织原则。
课程简介
通过本课程，学生将理解机构的定义、类型和重要性，以及机构对社会和组织的影响。
课程目标
1 学习机构理论
理解机构的核心理论和概 念，包括组织结构、权力 关系和组织文化。
2 分析机构中的问题
掌握分析机构中常见问题 的方法，如决策制定、冲 突解决和变革管理。
3 提升组织效能
学习提高机构效能的策略， 如领导力发展、团队建设 和绩效管理。
课程内容
组织结构
研究不同类型的组织结构，如功 能性、分工和矩阵结构，并了解 其特点和适用性。
团队合作
分析团队合作的关键要素，如协 作、沟通和有效决策，以提高组 织的协同效应。
组织绩效
探讨组织绩效的评估方法，包括 关键绩效指标的设定和绩效管理 的实施。
教学方法
1
讲座和案例分析
通过讲座和案例分析，让学生理解机构理论，并应用于实际场景中。
2
高等机构学
螺旋副 f=117.rm
球销副 f=218.rm
滚转副f=219.rm
球面副f=320.rm
圆柱副f=424.rm
点接触高副f=5 22.rm
第一章 机构结构理论
1.2 空间机构的自由度 2、运动副的分类
第一章 机构结构理论
1.2 空间机构的自由度 2、运动副的分类
• Ⅱ级组
Ⅲ级组
Ⅳ级组
第一章 机构结构理论
1.3 平面机构的分类方法（按杆组分级）（仅限于分析平面低副） 2. 杆组的分类：只讨论平面机构，高副低代
• 杆组具有运动确定性和静力确定性 • 运动确定性：某一外副的运动已知，则杆组中每一构件的
运动均确定 • 静力确定性：若外力已知，则运动副反力可以求出 • 同一机构，原动件不同，则机构的级不一样。 • 运动分析，Ⅱ级组最容易，Ⅳ级组则困难的多。
状不重合。 • 低副——运动副元素几何形状重合。 • 运动链、闭式运动链、开式运动链。 • 闭式运动链成为机构——机架。
第一章 机构结构理论
1.1 基础概念
移 动 副
转 动 副
低副(low pair)
凸轮副
齿轮副
高副(high pair)
第一章 机构结构理论
1.1 基础概念
根据构件间的相对运动分：
y
p
l
l
dp
arccos(l12 d 2 l22 )
pφ
2l1d
d ( p 2x p1x )2 ( p2 y p1y )2
x
（内副）的位置为： p3x p1x l1 cos1 p3y p1y l1 sin1
构件2的角位移
机构分析与综合论文
机构分析与综合机构学是着重研究机械中机构的结构和运动等问题的学科，是机械原理的主要分支。
研究各种机械中有关机构的结构、运动和受力等共性问题的一门学科。
研究内容分两个方面：第一是对已有机构的研究，即机构分析（结构分析，运动分析和动力分析）；第二是按要求设计新的机构，即机构综合（结构综合，运动综合和动力综合）。
一．机构分析与综合的外延内涵1.机构分析机构分析的目的在于掌握机构的组成原理、运动性能和动力性能，以便合理地使用现有机构并充分发挥其效能，或为验证和改进设计提供依据。
在经典的机构学中，一般只作结构和运动两方面的分析，只有对高速或高精度的机构才作动力分析。
结构分析分析的目的是了解各种机构的组成及其对运动的影响。
机构的结构公式(即机构自由度公式)，是判定机构运动可能性和确定性的依据。
最早的结构公式是1869年俄国人切比雪夫提出的平面运动链结构公式。
它的引入，为精确地建立各种结构公式提供了必要的条件。
此外，虚约束、局部自由度、非几何条件引起的约束等都会影响机构自由度的计算。
1916年，俄国人阿苏尔根据机构构成特征提出按族、级、类和阶进行机构分类。
他还提出，机构是由不可分拆的、自由度为零的构件和运动副组成的杆组依次接到原动件和机架上而成的。
阿苏尔杆组的概念至今仍广为应用。
运动分析其目的是计算机构的运动参数、掌握其运动性能，以鉴别它是否达到工作要求。
对机构进行运动分析时，不考虑引起机构运动的外力、机构中构件的质量、弹性和运动副中的间隙对机构运动的影响，而仅从几何上分析机构的位移、速度和加速度等运动情况。
运动分析的方法有图解法和解析法。
2.机构综合机构综合是按结构、运动和动力3个方面的要求来设计新机构的理论和方法，可分为结构综合、运动综合和动力综合3部分。
以往﹐经典的机构学只作前两方面的综合，但随著机械向高速高精度发展，现代机构学也常包括第3方面的综合。
18世纪末和19世纪初﹐瑞士人欧拉、俄国人罗蒙诺索夫、法国人蒙日，G.和J.V.彭赛列等几何学家和力学家的著作奠定了机构综合理论的基础。
机构的结构分析和综合
特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：
AB＝CD＝EF
4 平面机构中的虚约束常出现 下列场合： 1、两构件在多处构成移动副，
且导路重合或平行。
2、两构件在多处构成转动副， 且轴线重合
3、法线始终重合的高副
注意：
法线不重合时， 变成实际约束！
2 高副低代的方法 找出构成高副的两轮廓曲线在接触点处的曲率中心，然后 用一个构件和位于两个曲率中心的两个转动副来代替该高副。
如图2-17所示，构件1和构件2分别为绕Ａ和Ｂ转动的两个圆 盘，两圆盘的圆心分别为O1、O2，半径为R1、R2，它们在C点构成 高副，当机构运动时，替代机构如图中虚线所示。图2-18所示机构 的替代机构也如该图中虚线所示。
• 2)拆杆组。要从远离原动件处开始拆，尽量拆成 二级组，拆后剩余部分还应是一个完整的机构。
• 3)确定机构的级别。
• 例2-5计算图2-16所示机构的自由度，并确定机构 的级别。
解：该机构无虚约束和局部自由度， F=3×5－2×7=1
该机构为II级机构。
必须强调指出： 1)杆组的各个外端副不可以同时加在
④计算图示包装机送纸机构的自由度。 分析： 复合铰链: 位置D ，2个低副 局部自由度 2个 虚约束 1处, 去掉后 n= 6，PL= 7，PH= 3
F=3n － 2PL－ PH =3×6 －2×7 －3 =1
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
四、空间机构自由度简述
若n个活动构件中有P1个一级副；有P2个 二级副；有P3个三级副；有P4个四级副；有 P5个五级副，则可得空间机构的自由度公式：
联？以及怎样的结构才能保证具有确定的相对运动？
高等机构学-文档资料
平面五杆平行四边形机构自由度计算
AD分支的运动螺旋系：
$1 0 0 1; 0 0 0
$2 0 0 1; a2 b2 0 y
分支的约束螺旋系为：
x
$1r 0 0 0; 1 0 0
$2r 0 0 0; 0 1 0
$3r 0 0 1; 0 0 0
基于螺旋理论的自由度分析原理 ➢ 螺旋的基本概念 ➢ 螺旋表示运动和受力 ➢ 运动副的螺旋表示 ➢ 螺旋的相关性 ➢ 螺旋的相逆性 ➢ 基于螺旋理论的自由度计算
基本概念
直线的plücker坐标:
z
方向向量 S
位置向量 r
线矩S0= r×S
O
直线表示为(S; S0)，满足S·S0=0。
S
r
y
x
一般，对偶矢量中 S·S0≠0，(S; S0)表示一个一般的螺旋
$1 1 0 0; 0 0 0
$2 0 1 0; 0 0 0 $3 0 0 0; d3 0 f3
$4 0 1 0; d4 0 f4
$5 1 0 0; 0 e5 0
分支的约束螺旋系为：
$i5 $i 4
zi $i3 xi $i1
yi $i2
$ 1 r 000 ;001
为垂直于U副十字平面的约束力偶。
与已知螺旋系相逆的反螺旋
当螺旋系同时含有若干线矢量和偶量
1 与此螺旋系相逆的线矢量，必须与所有偶量相垂直且与所有线矢量相交
2
与此螺旋系相逆的偶量必须与螺旋系的所有线矢量垂直
基于螺旋理论的自由度分析原理 ➢ 螺旋的基本概念 ➢ 螺旋表示运动和受力 ➢ 运动副的螺旋表示 ➢ 螺旋的相关性 ➢ 螺旋的相逆性 ➢ 基于螺旋理论的自由度计算
$2 0;s2
高等机构学第五章 1机构综合
p1y
1 1
整理后：
q jx cos1 j
q
jy
sin
1
j
1 0
sin 1 j cos1 j
0
p jx p1x cos1 j p1y sin 1 j q1x
p jy
p1x
sin
1 j
p1y
cos1 j
待求数据为四个未知数 A0x , A0y , A1x , A1y
(1)给定刚体2个位置，即j=2。
只有一个方程，这时可假设三个未知数为已知， 然后，求解余下的未知数，故应有无数解
(２)给定刚体三个导引位置，即j=3。
j=3时，可求解 D12, D13 ，代入定杆长方程
中后，可以获得二个方程。求解时，可从四个 未知数中选定二个为已知。
如1，2，3，4位置时，求解 D12, D13, D14
对应方程求出的圆点曲线和圆心曲线，
再求解，1，2，3，5位置时
的 D12, D13, D15 ，将其对应的圆点曲线
和圆心曲线求解出来。对应圆点曲线的交点 为圆点，二圆心曲线的交点为圆心，无交点 时则说明无解。
3.
例1，综合一铰链四杆机构，使之依次通过三个
1.刚体导引机构 (1)刚体导引：指机构中的某一构件，一般为连
杆，能顺利通过若干给定位置，称为刚体导 引。 (rigid body guidance)。
(2) 被导引物体位置的给定方法：在被导引刚
体上任取一点 p，过p点作任意标线 pq 。一般
以 pq 以及 pq 与x轴夹角θ表示导引刚体的一
系列位置。
p1 (4,7.4641),p2(8,7.4641）,p3(10,4)
1机构的结构综合-40页PPT资料
1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合
同构：若两图的节点集合和边集合的元素分别 有一一对应关系，且对应边与对应节点相关联，则 成该两图同构。（换言之，由一幅图演化后可以得 到另一幅图，可以认为是同一个机构的不同表现形 式。）
1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合
联接矩阵：表示图中边-节点或边边或节点-节点之间联接关系的矩阵。
把热扎钢料在运输过程中冷却，因此要求增
大行程。
E
C4
5
3 B2
D
F
6
1
G
扩大从动件的行程
1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合
（2）改变构件的形状——用滑动副代替转动副
用一个滑动副置代一个二副件和两个转动副后， 得到摆动从动件凸轮机构，被置代的二副件以虚线
表示并标上S，被置代的转动副用 标出。
三副件相邻 三副件被二副件隔开
1.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合
八杆运动链应有3个环，其可能的构型有16种
1.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合
十杆运动链应有四个环，其可能的构型有230种。
运动链如此众多的型式是按什么规律组合出来 的，这一问题可用图论的方法加以研究。
1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合
N6 L2
N6 L2
N6 L2
1.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合
单自由度机构，开式运动链。
构件数N
运动副数P
环数L
单环机构，闭式运动链， 其余为复环闭式运动链。 四杆机构。
1.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合
四杆运动链只有1个环，故 其可能的构型只有1种。
六杆运动链应有2个环，故其可能的构型有两 种，瓦特(Watt)型和斯蒂芬森(Stephenson)型
高等机构学
读书报告阅读书目：高等机构学姓名：学号：指导老师：二〇一一年十一月高等机构学读书报告1.学科及图书概况1.1学科概述机构学是随着蒸气机的使用而形成和逐步发展起来的一门学科，已有一百多年的发展历史。
在当前世界性新技术革命的形势下，这一学科焕发了青春活力，发展极为迅速。
主要体现在以下一些方面：(1)由于新技术领域（如机器人、仿生机械）的发展，促使机构学迅速发展，并使机构学与其它学科融合而形成了一些新的分支。
(2)由于机械、仪器不断向高速、高精度，小型化发展，对其动力性能提出了愈来愈高的要求，因而研究机构的动力性能时，需要考虑机构中构件的变形、制造误差，运动间隙等的影响，促使机构的弹性动力学、振动、噪声和平街理论，机构的动力分析和综合等方面有了很大的发展。
(3)由于工业生产不断向机械化和自动化方向发展以及人们在日常生活中机械的应用也日渐广泛，要求提供适当的机构，以实现某些复杂，精巧的运动，因而推动机构综合方法的发展。
(4)由于电子计算机和一些新的数学工具的应用，使机构学的分析与设计方法大为改观。
当前机构的分析与综合方法其考虑问题的深度、复杂性，全面性和方法的有效性，在六十年代以前是难以想象的。
(5)由于机构学在生产和科学技术上的重要性，许多国家都很重视这一学科的发展，已经形成了较强的科研力量和一些研究中心。
迄今，已建立起世界性的机构学学术机构并创办了学术刊物。
在改革开放之后，我国机构学的研究恢复和发展较快。
当前每年有一次全国性的机构学学术会议，交流这一领域的研究成果。
此外，近年来我国不少从事机构学研究的同志在国内外发表了不少引人注目的研究成果。
在这样的形势下，机构学每年都有大量的论文、报告、专著发表。
从事机械设计，机械制造工作的工程技术人员以及从事教学和科研共作的广大科技工作者，为了能创造性地进行工作，都应该善于利用这些科研成果，使之转化为生产力，或者启迪自己的思维，在生产、教学和科研工作中进一步发展和创新。
05 机构的型综合(机械原理课程)
第五章 机构的型综合1.机构型综合的连杆组合法及其分类2.机构型综合的基本分类法教学重点与难点：1．根据运动链代号画出其结构图或根据运动链结构图写出其代号；2．由运动链变换机构。
教学方法：课堂教学为主，习题课为辅，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念。
教学要求：1．掌握的主要概念：二元连杆、三元连杆、多元连杆；2．能够根据运动链代号画出其结构图或根据运动链结构图写出其代号；3．能由运动链变换机构。
主要内容与基本要求1、机构结构分类法—研究由多少个构件、运动副能构成多少个给定自由度的不同机构，从中选择出最佳满足工艺要求的机构。
2、讨论机构的类型即探讨运动链F、N、p间的关系。
3、运动链的环—由构件和运动副构成的独立封闭系统。
L=p-N+1（各符号的意义）4、用数组表示多元连杆与二元连杆间的连接方式的规则……5、机构型综合的原则：（1）最简原则——应首先考虑最简单的运动链。
（2）不存在无功能结构原则——机构中不出现不起实际作用的结构部分；（3）最易综合原则——选择二元连杆为机架，易得到高级别机构；（4）最低成本原则——运动副的加工成本按转动副、移动副、高副递增；（5）最符合工艺要求原则重点难点分析一．本章的重点分析由机构结构分类法从中选择出最佳满足工艺要求的机构。
能根据运动链代号画出其结构图或根据运动链结构图写出其代号；能由运动链变换机构。
二. 本章的难点分析本章要求能够利用运动链变换机构，同时利用机构型综合的原则1）最简原则——应首先考虑最简单的运动链。
2）不存在无功能结构原则——机构中不出现不起实际作用的结构部分； 3）最易综合原则——选择二元连杆为机架，易得到高级别机构；4）最低成本原则——运动副的加工成本按转动副、移动副、高副递增；5）最符合工艺要求原则从中选取最佳机构。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
§5-1 综合概述
1.机构综合
区别 synthesis,design
(1)型综合
寻求满足某种运动要求的机构类型，既研究用 多少构件，用哪类运动副去联接这些构件，才 能得到满足某种运动要求的机构类型。
因此，机构的型综合是一种机构选型设计
(2)数综合
研究一定数量的构件和一定数量的运动副 可以组成多少种一定自由度的运动链。机构的 数综合是一种机构枚举学。
q j p j R1j q1 p1
q’1 q1 1j
1 p1
qj j
pj
o
x
q jx p jx cos1 j
q
jy
p
jx
sin
1 j
1 0
sin 1 j cos1 j
0
0q1x p1x
0q1y
q1y
1
1
上述公式简记为
Qj D1j Q1
称 D1j 为刚体由位置1到位置j 的位移矩阵。
为编制计算机程序的方便，也常记为下式。
Qj q jx , q jy ,1 T , Q1 q1x , q1y ,1 T
( Ajx A0x )2 ( Ajy A0y )2 ( A1x A0x )2 ( A1y A0 y )2 r12
当n＞k时，方程数大于未知数，这时已不能运 用精确点综合法求解。
由于各插值点的结构误差均不为零，可采 用优化方法，使各插值点处的误差平方和为最 小来寻求最优解。
m
2
E f (x j ) g(x j)
j 1
y
m为设计点数
R(x)=f(x)-g(x)
y=f(x) y=g(x)
x0 x xj
(3)尺度综合 按已选定的机构类型和给定的运动条件或动
力条件，寻求各构件的几何尺寸，以便确定机构 运动简图的参数。
尺度综合分为三大类型 1)
要求连杆平面能准确地通过若干给定的位置 时的机构尺寸 2)函数发生机构的综合
要求机构的输入量与输出量满足特定的函数
3)轨迹发生机构的综合 要求连杆上某点的运动轨迹满足特定曲线
Xn+1
x
例：设计一连杆机构，使之产生 y x 0.8
的函数关系。1≤x≤3，n= 3, 求精确点位置
解：把n = 3, x0 =1, xn1 =3，代入方程
xj
1 2
(x0
xn1 )
1 2
( x n 1
x
0
)
cos
(2 j 2n
1)
x1
1 2
(1
3)
1.刚体导引机构 (1)刚体导引：指机构中的某一构件，一般为连
杆，能顺利通过若干给定位置，称为刚体导 引。 (rigid body guidance)。
(2) 被导引物体位置的给定方法：在被导引刚
体上任取一点 p，过p点作任意标线 pq 。一般
以 pq 以及 pq 与x轴夹角θ表示导引刚体的一
系列位置。
p1y
1 1
整理后：
q jx cos1 j
q
jy
sin
1
j
1 0
sin 1 j cos1 j
0
p jx p1x cos1 j p1y sin 1 j q1x
p jy
p1x
sin
1 j
p1y
cos1 j
件推导出所需关系式。
3.精确综合及近似综合
(1)随机误差 由于制造误差、运动副的间隙误差、构件
的弹性变形等因素造成的机构运动误差，称随 机误差。随机误差是永远存在的。
这种运动误差只能依靠精密加工和良好的
(2)结构误差： 预期的运动要求与所设计的简图实际达到的运 动要求之间的误差，称结构误差。 (3)精确综合： 凡是没有结构误差的综合，称精确综合。 (4)近似综合： 凡存在结构误差的综合，称近似综合。
y q2
q1
1 p1
2 q3
p2
3
p3
x
y q2
q1
1 p1
2 q3 p2
刚体的连续位置表示
3 p3
x
y A1
q1
1
q2
E1 p1
E2 2
A2
p2
qj
Aj Ej
j
A0 Pj
找出刚体上的共圆点 圆点及圆点曲线：
A1 A2 Aj 圆心点A0
x
(3)刚体导引机构的综合
y
1)刚体位移矩阵的应用
刚体位移矩阵也可简记为
d11 d12 d13
D1 j d21
d 22
d
23
d31 d32 d33
2)
y
q1
1
E1 p1
A1 A0
Aj
Ej
qj j
Pj
x
y
B1
A1 Aj
Bj
x
Aj A0 T Aj A0 A1 A0 T A1 A0
要求时的机构尺寸。
2.机构综合方法
(1)几何法 利用几何学的原理，采用作图步骤求解机构尺寸
(2)解析法 运用几何原理建立机构的结构参数和运动
参数的数学关系式，并用数学方法求解机构的 尺寸。
通常有以下两种建模方法。 1)封闭形法：根据机构位置向量封闭这一特点
导出所需位移方程。 2)约束方程法：根据各构件所受的几何约束条
1 2
( x n 1
x0
)
cos
(2 j 2n
1)
j=1,2,……n
y R(x)=f(x)-g(x)
y=f(x) y=g(x)
x0 x
xj
Xn+1
x
设精确点数（方程数）为n ；结构参数即方程 未知数数目为k，当 n = k时，方程有解，结 构误差为零。 当 n ＜ k 时，方程数小于未知数目，可人为 地预置k – n 个结构参数，然后求解余下的结 构参数。
y R(x)=f(x)-g(x)
y=f(x) y=g(x)
x0 x xj
Xn+1
x
图中，y f (x) 为预期函数
y g(x) 为实现函数,也称之为逼近函数
二者交点为精确实现运动要求的位置，称为精 确点。
精确点的选择:按照 chebychev 多项式
xjபைடு நூலகம்
1 2
(x0
xn1 )
1 2
(3
1)
cos
(2 1 23
1)
2 cos 1.134
6
x2
2 cos 3
6
2.00
x3
2 cos 5
6
2.86
y x0.8, y1 1.106, y2 1.741, y4 2.322
§5-2 平面刚体导引机构的综合