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。19世纪后半期，逐步形成了以德国人勒洛，F.和L.巴默斯特尔为代表的建立在运动几何学基础上的几何学派﹐和以俄国的切比雪夫为代表的建立在函数逼近论基础上的代数学派。电子计算机和计算数学的发展，为机构综合提供了先进的工具和方法，使解决复杂的机构综合问题成为可能。20世纪70年代，机构优化综合获得迅速发展。

结构综合包括型综合和数综合。型综合用于解决在一定数目的构件和运动副的条件下可以组成多少种型式机构的问题。数综合用于研究在满足一定的机构自由度前提下，机构将由几个构件和运动副组成的问题。结构综合的最终目的是要解决机构选型问题。但迄今为止，机构选型还没有形成一种比较普遍适用和系统化的原则和方法，尚需要

进一步深入研究。

运动综合根据给定的运动要求，确定机构的构件尺寸，画出机构运动简图，又称尺寸综合。由于结构的差别，低副机构和高副机构的运动综合方法也不同。低副机构运动综合可分为精确综合方法和近似综合方法。精确综合方法只能解决有限的问题，多数情况下要采用近似综合方法。

二．机构分析与综合的发展现状

2.1平面与空间连杆机构的结构理论研究

研究机构的结构单元及机构拓扑结构特征，如主动副存在准则、活动度类型及其判定、拓扑结构的同构判定、消极子运动链判定等。研究满足拓扑结构要求的机构结构类型综合及其自动生成。研究机构创新设计的方法学和结构类型的优选。

2.2典型机构的运动分析与综合研究

连杆机构运动分析新方法的研究，如单开链法、区间分析法、网络分析法和吴文俊消元法等。在连杆机构综合中提出了解析法与优化法相结合的机构尺度综合法、机构装配构形与尺度综合的同伦方法、机构尺度类型及其性能关系的图谱法等。给出了空间7R机构位移方程式的完美形式(16次方程)。采用数值化图谱替代传统的连杆曲线图谱实现机构综合。

凸轮机构分析与综合的研究也日益深化。摆动从动件盘形凸轮机构优化设计问题已有较好结果，摆动从动件圆柱凸轮机构凸轮曲面的设计方法也有不少进展。此外，高速分度机构的设计和各种组合机构

(凸轮—连杆、齿轮—连杆和齿轮—凸轮等)的设计方法均有不少研究成果。

2.3机构动力学问题的研究

随着机器向高速、高精度、高自动化方向发展，机构动力学研究的内容越来越广泛。凸轮机构动力学深入研究，从动件运动规律选择、动力学模型建立、动力响应求解和动力综合方法等研究均有不少成果。平面与空间连杆机构振动力的完全平衡方法和振动力与振动力矩完全平衡方法在理论上已有较好的解决。

考虑构件弹性的弹性连杆机构动力分析与综合的研究已越来越深入，考虑运动副间隙的连杆机构动力分析及运动稳定性研究取得进展，同时考虑构件弹性和运动副间隙甚至弹流状态的动力分析已有初步研究成果。包含变质量构件机构的动力学也已引起关注并有初步研究。

2.4机器人机构和步行机机构的研究

对机器人机构学的深入研究有助于设计出性能优良的机器人。如对并联机器人运动学与动力学研究、冗余度机器人的逆运动学研究、关节轨迹规划及考虑关节弹性的多机器人协调操作的研究、变几何桁架机器人机构增大工作空间和提高灵巧性研究。虚拟轴机床是应用并联机器人机构的新型数控加工装备，1994年在芝加哥国际机床博览会上，美国Giddings＆Lewis公司和英国Geodetic公司首次展出了称为V ARIAX和Hexapods的虚拟轴机床，此后欧洲各国和日本也竞相研制。我国第一台大型镗铣类虚拟轴机床原型样机V AMT1Y已由清

华大学和天津大学联合开发成功，于1997年12月通过鉴定。研究虚拟轴机床中并联空间机构的类型、运动学和动力学、工作空间分析与综合问题，将有利于提高和完善虚拟轴机床的工作性能。

对步行机机构学的深入研究有利于步行机实现在特定地面的行走需要。步行机主要有两足步行机、四足步行机、六足步行机和八足步行机。目前主要研究其行走机理、机械结构和控制技术等。管道机器人是特殊场合下的行走机构，对其类型、行走步态规划和控制技术已有较深研究。

2.5新型机构的研究

柔性机构(Compliant mechanism)、微型机构(Micro mechanism)、带式凸轮机构(Band mechanism)、动定机构及仿生机构等各种新型机构不断涌现并得到研究，突破了机构学的一些传统观念，在某些特殊领域得到应用或具备应用前景。

三．机构学的发展趋势

随着科学技术和工业生产的飞跃发展，机构学在以下几个方面引起机构学界的重视并开展了有益的探讨：

3.1机械产品概念设计促进机构及其系统的设计理论和方法的研究3.2机电一体化技术的发展促进机电系统方案设计的研究

3.3机器人技术的发展推动机器人机构深入研究

3.4机械动态设计的发展推动机构及其系统的动态分析与设计

3.5加速多种学科与机构学交叉、融会，形成多种机构学新分支

3.6对传统的典型机构深入研究，完善其设计方法，提高现有机器的