相關商品
商品簡介
名人/編輯推薦
序
目次
書摘/試閱
商品簡介
構型是機械裝置及裝備創新的原始基礎。受傳統圖譜法在平面機構及並聯機構運動綜合中成功應用的啟發，建立了一套適用於複雜機構及裝備的圖譜化構型設計方法。通過將抽象設計與形象設計相結合，期望為工程師提供一種簡單實用的創新設計手段。全書共8章，第1章為緒論。第2章為圖譜法的萌芽，為機械裝置的圖譜化表達提供了基本素材和手段。第3章將Blanding法則納入到線幾何的理論框架下。第4章主要討論如何利用廣義Blanding法則實現機械裝置的創新設計問題。第5章是對第3章理論基礎的深入擴展，為圖譜法提供了強有力的理論支撐。第6章則枚舉性地給出了一些典型機械裝置（包括經典機構等）的自由度&約束線圖。第7章以當前熱門的二維轉檯及五維聯動混聯裝置為例，對並/混聯裝置的圖譜法創新設計問題進行了討論。第8章則對更為熱門的柔性機構的圖譜化創新設計問題進行了闡述。
名人/編輯推薦
作者于靖軍、裴旭、宗光華撰寫《機械裝置的圖譜化創新設計》的目的就是將有關機器設計的運動學法則與技巧和數學工具(旋量理論)融合在一起，形成一本讓科研人員和處于工程實踐第一線的工程師都能受益的系統實用教程，將一種可視化的創新設計方法應用到解決機械概念設計問題的方方面面。
在對圖譜法的闡述過程中，本書首先介紹基本概念，然后在這些基本概念的基礎上提出設計原理、法則與方法，輔以由淺人深的數學解釋和大家所熟悉的硬件實例。此舉希望將抽象的概念變得更加形象具體。另外，盡管書中包含大量經典的機械裝置實例，但并不是一本充斥著機構及機械裝置的圖冊。為便于讀者迅速掌握本書的方法，作者還可提供一組模塊化可重構的柔性教具，有意使用者，可與作者聯系。這里只有一個目的：更加形象地闡述一種簡單實用的創新設計方法——圖譜法。
在對圖譜法的闡述過程中，本書首先介紹基本概念，然后在這些基本概念的基礎上提出設計原理、法則與方法，輔以由淺人深的數學解釋和大家所熟悉的硬件實例。此舉希望將抽象的概念變得更加形象具體。另外，盡管書中包含大量經典的機械裝置實例，但并不是一本充斥著機構及機械裝置的圖冊。為便于讀者迅速掌握本書的方法，作者還可提供一組模塊化可重構的柔性教具，有意使用者，可與作者聯系。這里只有一個目的：更加形象地闡述一種簡單實用的創新設計方法——圖譜法。
序
增強自主創新特別是原始創新能力是2工世紀科學技術發展的戰略基點。機械產品設計過程中最能體現原始創新能力的階段在於概念設計階段，原始創新往往出現於此。當前，以機器人、數控機床為代表的現代機械裝置與裝備正在向高速、高加速、高精度、智能化、可重構等方向發展。現代製造業的飛速發展同時也為機械裝置的原始創新提供了空前機遇。為滿足機械裝備或產品向“重大精尖”和“微小精密”等方向發展的需求，機械裝置更是不斷地推陳出新，具有並聯、柔性、變胞等特徵的各類新型機械裝置正是在這樣的背景下應運而生。
構型是機械裝置及裝備創新的原始基礎，構型創新是自主創新的根本。作為構型創新的主要手段之一，構型方法研究已成為現代機構學的熱點和難點。而創新設計方法的豐富與完善則大大提高了機構構型的種類與品質。因此，有關機械裝置創新設計方法的研究對於提高機械產品的自主設計與創新有著十分重要的意義。
近年來，在平面、並聯、柔性等研究方向，先後湧現出了多種構型綜合方法，但多建立在復雜的數學工具或符號基礎之上，對工程師及初學者而言掌握起來比較困難。在此背景下，建立簡單實用的複雜機構創新技法及手段具有重要的學科發展和工程應用意義。
如正的前言所述，“通過全面系統地探索那些歷史悠久但有些抽象晦澀的運動學設計原理，讀者可以從中獲取一組獨特而功能強大的法則和技巧。所有技巧的核心在於約束線圖分析法則的運用。該方法可將機械連接的約束及自由度用一組空間線圖來表示，以達到可視化的目的。任何機械裝置中都可找到這類線圖。一旦學會識別機器中的這些線圖，機械設計工程師就能以全新的視角來了解機器的工作原理。這些原理集成在一起，就是精確約束設計原理。它將讓設計者對機器的性能產生更為深層的理解，從而有助於設計者更容易地設計質優價廉的新裝置”。為了規避晦澀難懂的數學理論及數學公式，該書提供了一套簡單規則。優點於此，缺點亦然。無論在線圖表達還是多樣性設計方面該書仍存在幾多不足。 H0pkins認識到了旋量理論與精確約束設計原理之間存在相關性，於是在引進Blanding線圖表達的同時，著手開展旋量係幾何圖譜化的研究，提出了自由度與約束拓撲綜合（FACT）方法，並將其用在柔性設計中。然而，Hopkins在整個研究中均未考慮FACT在剛性機構中的潛在作用。
受傳統圖譜法在平面機構及並聯機構運動綜合中成功應用的啟發，結合旋量理論特有的代數幾何雙重特性，在Blanding、Hopkins等的前期研究成果基礎上，作者近年來系統開展了圖譜化的機械裝置創新設計方法研究，建立了一套！司時適用於剛性、柔性複雜機構及裝備的構型設計方法；通過將抽象思維與形象思維相結合，以期為工程師和初學者提供一種簡單實用的創新設計手段。
五年來，無論作者本人還是指導的博士、碩士研究生都在嘗試將圖譜法用於柔性、剛性機構的構型設計與分析中，確實受益頗多。一次與裴旭的討論中產生了寫本書的想法，希望使Blanding、Hopkins等的研究在理論上更加嚴謹，在應用上進一步拓展，使這種方法給更多人有益的啟示。
作者撰寫本書的目的就是將有關機器設計的運動學法則與技巧和數學工具（旋量理論）融合在一起，形成一本讓科研人員和處於工程實踐第一線的工程師都能受益的系統實用教程，將一種可視化的創新設計方法應用到解決機械概念設計問題的方方面面。
在對圖譜法的闡述過程中，本書首先介紹基本概念，然後在這些基本概念的基礎上提出設計原理、法則與方法，輔以由淺入深的數學解釋和大家所熟悉的硬件實例。此舉希望將抽象的概念變得更加形象具體。另外，儘管書中包含大量經典的機械裝置實例，但並不是一本充斥著機構及機械裝置的圖冊。為便於讀者迅速掌握本書的方法，作者還可提供一組模塊化可重構的柔性教具，有意使用者，可與作者聯繫。這裡只有一個目的：更加形像地闡述一種簡單實用的創新設計方法——圖譜法。
本書的研究工作得到了國家自然科學基金（51175010，51175011，51275552，51305007）、教育部博士點基金（2011 2130004）、高等學校全國優秀博士學位論-文作者專項資金以及北京航空航天大學研究生精品課程建設項目的資助。感謝清華大學劉辛軍教授和謝富貴博k，北京航空航天大學賈明博士以及李守忠、吳鈧、東昕、李偉、李振國、曠靜、餘家柱、陸登峰等博士、碩士研究生對本書成果作出的貢獻。同時，對參與本書部分內容研究的國際學者戴建生教授、Hopkins教授、蘇海-軍教授以及孔憲文博士等致以由衷的敬意！
本書的出版得到了科學出版社的大力支持，在此表示誠摯的謝意。
由於作者的水平有限，免有疏虞之處，敬請讀者和專家批評指正。
于靖軍
2013年10月
構型是機械裝置及裝備創新的原始基礎，構型創新是自主創新的根本。作為構型創新的主要手段之一，構型方法研究已成為現代機構學的熱點和難點。而創新設計方法的豐富與完善則大大提高了機構構型的種類與品質。因此，有關機械裝置創新設計方法的研究對於提高機械產品的自主設計與創新有著十分重要的意義。
近年來，在平面、並聯、柔性等研究方向，先後湧現出了多種構型綜合方法，但多建立在復雜的數學工具或符號基礎之上，對工程師及初學者而言掌握起來比較困難。在此背景下，建立簡單實用的複雜機構創新技法及手段具有重要的學科發展和工程應用意義。
如正的前言所述，“通過全面系統地探索那些歷史悠久但有些抽象晦澀的運動學設計原理，讀者可以從中獲取一組獨特而功能強大的法則和技巧。所有技巧的核心在於約束線圖分析法則的運用。該方法可將機械連接的約束及自由度用一組空間線圖來表示，以達到可視化的目的。任何機械裝置中都可找到這類線圖。一旦學會識別機器中的這些線圖，機械設計工程師就能以全新的視角來了解機器的工作原理。這些原理集成在一起，就是精確約束設計原理。它將讓設計者對機器的性能產生更為深層的理解，從而有助於設計者更容易地設計質優價廉的新裝置”。為了規避晦澀難懂的數學理論及數學公式，該書提供了一套簡單規則。優點於此，缺點亦然。無論在線圖表達還是多樣性設計方面該書仍存在幾多不足。 H0pkins認識到了旋量理論與精確約束設計原理之間存在相關性，於是在引進Blanding線圖表達的同時，著手開展旋量係幾何圖譜化的研究，提出了自由度與約束拓撲綜合（FACT）方法，並將其用在柔性設計中。然而，Hopkins在整個研究中均未考慮FACT在剛性機構中的潛在作用。
受傳統圖譜法在平面機構及並聯機構運動綜合中成功應用的啟發，結合旋量理論特有的代數幾何雙重特性，在Blanding、Hopkins等的前期研究成果基礎上，作者近年來系統開展了圖譜化的機械裝置創新設計方法研究，建立了一套！司時適用於剛性、柔性複雜機構及裝備的構型設計方法；通過將抽象思維與形象思維相結合，以期為工程師和初學者提供一種簡單實用的創新設計手段。
五年來，無論作者本人還是指導的博士、碩士研究生都在嘗試將圖譜法用於柔性、剛性機構的構型設計與分析中，確實受益頗多。一次與裴旭的討論中產生了寫本書的想法，希望使Blanding、Hopkins等的研究在理論上更加嚴謹，在應用上進一步拓展，使這種方法給更多人有益的啟示。
作者撰寫本書的目的就是將有關機器設計的運動學法則與技巧和數學工具（旋量理論）融合在一起，形成一本讓科研人員和處於工程實踐第一線的工程師都能受益的系統實用教程，將一種可視化的創新設計方法應用到解決機械概念設計問題的方方面面。
在對圖譜法的闡述過程中，本書首先介紹基本概念，然後在這些基本概念的基礎上提出設計原理、法則與方法，輔以由淺入深的數學解釋和大家所熟悉的硬件實例。此舉希望將抽象的概念變得更加形象具體。另外，儘管書中包含大量經典的機械裝置實例，但並不是一本充斥著機構及機械裝置的圖冊。為便於讀者迅速掌握本書的方法，作者還可提供一組模塊化可重構的柔性教具，有意使用者，可與作者聯繫。這裡只有一個目的：更加形像地闡述一種簡單實用的創新設計方法——圖譜法。
本書的研究工作得到了國家自然科學基金（51175010，51175011，51275552，51305007）、教育部博士點基金（2011 2130004）、高等學校全國優秀博士學位論-文作者專項資金以及北京航空航天大學研究生精品課程建設項目的資助。感謝清華大學劉辛軍教授和謝富貴博k，北京航空航天大學賈明博士以及李守忠、吳鈧、東昕、李偉、李振國、曠靜、餘家柱、陸登峰等博士、碩士研究生對本書成果作出的貢獻。同時，對參與本書部分內容研究的國際學者戴建生教授、Hopkins教授、蘇海-軍教授以及孔憲文博士等致以由衷的敬意！
本書的出版得到了科學出版社的大力支持，在此表示誠摯的謝意。
由於作者的水平有限，免有疏虞之處，敬請讀者和專家批評指正。
于靖軍
2013年10月
目次
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 創新設計 1
1.2 基本概念 5
1.2.1 機械裝置的基本組成元素：構件與運動副 5
1.2.2 運動鏈、結構與機構 9
1.2.3 機械裝置的簡化表達 10
1.2.4 自由度與約束 11
1.2.5 結構分析與結構綜合 11
1.3 典型的機械裝置 12
1.4 幾種常用創新設計方法的比較 16
1.5 本書內容 20
參考文獻 21
第2章 圖譜法的雛形——精確約束設計原理 24
2.1 自由度線與約束線 24
2.1.1 自由度線 25
2.1.2 約束線 25
2.1.3 自由度（或約束）線圖 27
2.2 自由度（約束）的等效線 28
2.3 冗餘線 35
2.4 自由度線圖與約束線圖之間的對偶關係——圖譜法的萌芽 39
2.5 基於圖譜法的瞬時自由度分析 46
2.5.1 自由度計算的基本公式 46
2.5.2 自由度分析的圖譜法 47
2.5.3 實例分析 49
2.6 本章小結 53
參考文獻 54
第3章 線圖分析法的數學基礎 55
3.1 自由度線與約束線的數學描述 55
3.1.1 直線與Plucker坐標 55
3.1.2 偶量與Plucker坐標 57
3.1.3 直線與偶量的物理意義 58
3.2 自由度線與約束線之間對偶關係的數學描述 60
3.2.1 兩直線的互易積 60
3.2.2 直線與偶量的互易積 61
3.2.3 兩偶量的互易積 61
3.3 自由度（約束）線圖的數學描述 62
3.3.1 線集、線簇及分類 62
3.3.2 不同幾何條件下的線集相關性判別 64
3.3.3 線空間 72
3.3.4 偶量空間 77
3.3.5 自由度（或約束）等效線的數學解釋 79
3.3.6 子空間 83
3.4 自由度線圖與其對偶約束線圖之間幾何關係的數學描述 84
3.4.1 線簇及偶量集的互易積 84
3.4.2 Blanding法則的廣義化 85
3.4.3 對偶線（子）空間的求解 86
3.5 自由度與對偶約束圖譜 89
3.5.1 自由度＆約束線空間圖譜（只含直線及偶量）的繪製 89
3.5.2 實例分析 100
3.6 本章小結 103
參考文獻 103
第4章 圖譜法創新設計初探 105
4.1 兩個簡單的構型設計實倒 106
4.2 同維子空間 111
4.3 常見運動副的自由度＆約束線圖 117
4.3.1 簡單運動副的自由度＆約束線圖 117
4.3.2 運動子鏈的自由度＆約束線圖 119
4.3.3 複雜鉸鏈的自由度＆約束線圖 122
4.4 圖譜法構造運動鏈 126
4.4.1 特定約束作用下的運動副空間 126
4.4.2 利用約束＆自由度線圖構造運動鏈 130
4.4.3 不同自由度＆約束線圖下所對應的常用運動鏈 132
4.5 運動副（或約束）空間的分解 145
4.6 一個稍複雜的設計實例 147
4.7 本章小結 149
參考文獻 150
第5章 圖譜設計的旋量解析 151
5.1 旋量及其互易性 152
5.1.1 旋量 152
5.1.2 運動旋量和力旋量 154
5.1.3 旋量的互易積 157
5.1.4 特殊幾何條件下的H易旋量對 159
5.2 旋量系及其互易性 163
5.2.1 旋量系的定義 163
5.2.2 旋量系維數（或旋量集的相關性）的一般判別方法 166
5.2.3 特殊幾何條件下旋量系（旋量集）的維數——特殊旋量系 168
5.2.4 旋量系的分類及其線圖表達 172
5.3 互易旋量系——自由度空間與約束空間 187
5.3.1 互易旋量系 187
5.3.2 旋量係與其互易旋量系之間的幾何關係 188
5.3.3 互易旋量空間線圖表達及圖譜繪製 189
5.3.4 自由度空間與約束空間 190
5.4 旋量空間中包含同維線子空間的條件 192
5.4.1 理論基礎 192
5.4.2 設計實例 194
5.5 本章小結 196
參考文獻 196
第6章 典型機械裝置的自由度&約束線圖 199
6.1 機構自由度分析中的困難與困惑 199
6.2 經典機構及其自由度＆約束線圖 208
6.3 可提供剛性約束的可拆連接 218
6.4 一些典型的單自由度機械約束裝置 221
6.5 位移子群＆子流形與自由度＆約束線圖之間的映射 223
6.6 本章小結 231
參考文獻 232
第7章 並/混聯機械裝置的創新設計 235
7.1 並/混聯機器及其應用 235
7.2 並聯機構中的旋量系及旋量空間 239
7.3 並聯機構的圖譜化構型綜合 244
7.3.1 實用型並聯機構的構型分佈特徵 244
7.3.2 一般綜合過程 246
7.3.3 並聯機構驅動副的選取 248
7.3.4 構型綜合實例 250
7.4 混聯裝置的圖譜化創新設計 275
7.4.1 五軸混聯機械裝置的結構特點 276
7.4.2 一種高靈活性五軸混聯機床的構型綜合實例 280
7.5 本章小結 285
參考文獻 285
第8章 柔性設計 288
8.1 柔性機構及其應用 288
8.2 與柔性有關的基本術語及主要性能指標 290
8.3 材料選擇 292
8.4 加工方法概述 293
8.5 基本柔性單元及其等效自由度（或約束）模型 295
8.5.1 基本柔性單元 295
8.5.2 基本柔性單元（對稱結構）的等效自由度或約束模型 295
8.6 常見柔性鉸鍊及柔性機構的分類 299
8.6.1 柔性鉸鏈的分類與枚舉 299
8.6.2 常用柔性模塊（機構）的分類 305
8.7 柔性機構自由度分析的圖譜法和解析法 308
8.7.1 柔性機構自由度分析的圖譜法 309
8.7.2 柔性機構自由度分析的解析法 310
8.8 柔性機構構型綜合的圖譜法 314
8.8.1 構型綜合的基本思路 315
8.8.2 並聯式柔性機構的構型綜合 320
8.8.3 串/混聯式柔性機構的構型綜合 328
8.9 並/混聯柔性機構構型設計的深層考慮 329
8.9.1 簡單全並聯的實現條件 329
8.9.2 柔性機構的混聯實現 335
8.9.3 柔性機構的驅動空間 341
8.9.4 大行程柔性精微機構的構型綜合 345
8.10 柔性裝置圖譜化創新設計的應用實例 348
8.10.1 一種模塊化、可重構柔性教具的設計與使用 348
8.10.2 柔性重力梯度敏感機構的概念設計 353
8.11 柔性機構創新設計的幾種主要方法概述 355
8.11.1 與圖譜法相火的幾種設計方法 355
8.11.2 其他幾種構型設計方法 358
8.12 本章小結 361
參考文獻 361
附錄A 柔度矩陣的建模與坐標變換 367
A.1 柔度的坐標變換 367
A.2 空間柔度矩陣的建模 369
A.3 實例 372
參考文獻 374
前言
第1章 緒論 1
1.1 創新設計 1
1.2 基本概念 5
1.2.1 機械裝置的基本組成元素：構件與運動副 5
1.2.2 運動鏈、結構與機構 9
1.2.3 機械裝置的簡化表達 10
1.2.4 自由度與約束 11
1.2.5 結構分析與結構綜合 11
1.3 典型的機械裝置 12
1.4 幾種常用創新設計方法的比較 16
1.5 本書內容 20
參考文獻 21
第2章 圖譜法的雛形——精確約束設計原理 24
2.1 自由度線與約束線 24
2.1.1 自由度線 25
2.1.2 約束線 25
2.1.3 自由度（或約束）線圖 27
2.2 自由度（約束）的等效線 28
2.3 冗餘線 35
2.4 自由度線圖與約束線圖之間的對偶關係——圖譜法的萌芽 39
2.5 基於圖譜法的瞬時自由度分析 46
2.5.1 自由度計算的基本公式 46
2.5.2 自由度分析的圖譜法 47
2.5.3 實例分析 49
2.6 本章小結 53
參考文獻 54
第3章 線圖分析法的數學基礎 55
3.1 自由度線與約束線的數學描述 55
3.1.1 直線與Plucker坐標 55
3.1.2 偶量與Plucker坐標 57
3.1.3 直線與偶量的物理意義 58
3.2 自由度線與約束線之間對偶關係的數學描述 60
3.2.1 兩直線的互易積 60
3.2.2 直線與偶量的互易積 61
3.2.3 兩偶量的互易積 61
3.3 自由度（約束）線圖的數學描述 62
3.3.1 線集、線簇及分類 62
3.3.2 不同幾何條件下的線集相關性判別 64
3.3.3 線空間 72
3.3.4 偶量空間 77
3.3.5 自由度（或約束）等效線的數學解釋 79
3.3.6 子空間 83
3.4 自由度線圖與其對偶約束線圖之間幾何關係的數學描述 84
3.4.1 線簇及偶量集的互易積 84
3.4.2 Blanding法則的廣義化 85
3.4.3 對偶線（子）空間的求解 86
3.5 自由度與對偶約束圖譜 89
3.5.1 自由度＆約束線空間圖譜（只含直線及偶量）的繪製 89
3.5.2 實例分析 100
3.6 本章小結 103
參考文獻 103
第4章 圖譜法創新設計初探 105
4.1 兩個簡單的構型設計實倒 106
4.2 同維子空間 111
4.3 常見運動副的自由度＆約束線圖 117
4.3.1 簡單運動副的自由度＆約束線圖 117
4.3.2 運動子鏈的自由度＆約束線圖 119
4.3.3 複雜鉸鏈的自由度＆約束線圖 122
4.4 圖譜法構造運動鏈 126
4.4.1 特定約束作用下的運動副空間 126
4.4.2 利用約束＆自由度線圖構造運動鏈 130
4.4.3 不同自由度＆約束線圖下所對應的常用運動鏈 132
4.5 運動副（或約束）空間的分解 145
4.6 一個稍複雜的設計實例 147
4.7 本章小結 149
參考文獻 150
第5章 圖譜設計的旋量解析 151
5.1 旋量及其互易性 152
5.1.1 旋量 152
5.1.2 運動旋量和力旋量 154
5.1.3 旋量的互易積 157
5.1.4 特殊幾何條件下的H易旋量對 159
5.2 旋量系及其互易性 163
5.2.1 旋量系的定義 163
5.2.2 旋量系維數（或旋量集的相關性）的一般判別方法 166
5.2.3 特殊幾何條件下旋量系（旋量集）的維數——特殊旋量系 168
5.2.4 旋量系的分類及其線圖表達 172
5.3 互易旋量系——自由度空間與約束空間 187
5.3.1 互易旋量系 187
5.3.2 旋量係與其互易旋量系之間的幾何關係 188
5.3.3 互易旋量空間線圖表達及圖譜繪製 189
5.3.4 自由度空間與約束空間 190
5.4 旋量空間中包含同維線子空間的條件 192
5.4.1 理論基礎 192
5.4.2 設計實例 194
5.5 本章小結 196
參考文獻 196
第6章 典型機械裝置的自由度&約束線圖 199
6.1 機構自由度分析中的困難與困惑 199
6.2 經典機構及其自由度＆約束線圖 208
6.3 可提供剛性約束的可拆連接 218
6.4 一些典型的單自由度機械約束裝置 221
6.5 位移子群＆子流形與自由度＆約束線圖之間的映射 223
6.6 本章小結 231
參考文獻 232
第7章 並/混聯機械裝置的創新設計 235
7.1 並/混聯機器及其應用 235
7.2 並聯機構中的旋量系及旋量空間 239
7.3 並聯機構的圖譜化構型綜合 244
7.3.1 實用型並聯機構的構型分佈特徵 244
7.3.2 一般綜合過程 246
7.3.3 並聯機構驅動副的選取 248
7.3.4 構型綜合實例 250
7.4 混聯裝置的圖譜化創新設計 275
7.4.1 五軸混聯機械裝置的結構特點 276
7.4.2 一種高靈活性五軸混聯機床的構型綜合實例 280
7.5 本章小結 285
參考文獻 285
第8章 柔性設計 288
8.1 柔性機構及其應用 288
8.2 與柔性有關的基本術語及主要性能指標 290
8.3 材料選擇 292
8.4 加工方法概述 293
8.5 基本柔性單元及其等效自由度（或約束）模型 295
8.5.1 基本柔性單元 295
8.5.2 基本柔性單元（對稱結構）的等效自由度或約束模型 295
8.6 常見柔性鉸鍊及柔性機構的分類 299
8.6.1 柔性鉸鏈的分類與枚舉 299
8.6.2 常用柔性模塊（機構）的分類 305
8.7 柔性機構自由度分析的圖譜法和解析法 308
8.7.1 柔性機構自由度分析的圖譜法 309
8.7.2 柔性機構自由度分析的解析法 310
8.8 柔性機構構型綜合的圖譜法 314
8.8.1 構型綜合的基本思路 315
8.8.2 並聯式柔性機構的構型綜合 320
8.8.3 串/混聯式柔性機構的構型綜合 328
8.9 並/混聯柔性機構構型設計的深層考慮 329
8.9.1 簡單全並聯的實現條件 329
8.9.2 柔性機構的混聯實現 335
8.9.3 柔性機構的驅動空間 341
8.9.4 大行程柔性精微機構的構型綜合 345
8.10 柔性裝置圖譜化創新設計的應用實例 348
8.10.1 一種模塊化、可重構柔性教具的設計與使用 348
8.10.2 柔性重力梯度敏感機構的概念設計 353
8.11 柔性機構創新設計的幾種主要方法概述 355
8.11.1 與圖譜法相火的幾種設計方法 355
8.11.2 其他幾種構型設計方法 358
8.12 本章小結 361
參考文獻 361
附錄A 柔度矩陣的建模與坐標變換 367
A.1 柔度的坐標變換 367
A.2 空間柔度矩陣的建模 369
A.3 實例 372
參考文獻 374
書摘/試閱
第1章 緒論
增強自主創新特別是原始創新能力是21世紀科學技術發展的戰略基點。機械產品設計過程中*能體現原始創新能力的階段要屬概念設計階段，原始創新往往出現於此。當前，以機器人、數控機床為代表的現代機械裝置與裝備正在向高速、高加速、高精度、智能化、可重構等功能特異型方向發展。現在製造業的飛速發展同時也為機械裝置的原始創新提供了空前的機遇。為滿足機械裝備或產品向“重大精尖”和“微小精密”等方向發展的需求，機械裝置更是不斷地推陳出新，具有並聯、柔性、變胞等特徵的各類新型機構正是在這樣的背景下應運而生。
創新設計(creative design)決定了機械產品的生命力。如果設計有缺陷，則製造出的將會是有先天不足的產品或“有殘疾的機械”。對產品創新而言，機械裝置的創新設計具有原創的特徵性質，是機械發明中*具有挑戰性和發明性的核心內容。而創新設計方法的豐富與完善則大大提高機構構型的種類與品質。因此，有關機械裝置創新設計的研究對提高機械產品的自主設計、創新有著十分重要的意義。
1.1 創新設計
談起“設計”，人們並不陌生。因為在各行各業甚至日常生活中，人們總是和設計打交道。哪怕是孩提時在草紙上的塗鴉也能體現出某種設計思想。一方面，我們驚嘆自然設計的偉大（圖1-1）；另一方面，我們醉意於蒙娜麗莎等人工設計的奇思妙想；而在工程領域，源於工程師的設計同樣十分重要，因為設計結果往往產生各種物化的生產力、新產品等，直接造福於人類（圖1-2）。
圖1-1 自然設計與黃金分割率
圖1-2 人工設計實例
機械工程是工程的一個重要領域，機械設計(mechanical design)在其中的作用不可或缺。它的主要任務是設計與機械相關的裝置、產品與系統等。機械是機器與機構的總稱。其中，機器(machines)是一種根據某種任務要求而設計的通過部件變換來傳遞運動、能量、物料及信息的裝置，如我們所熟悉的汽車、機器人等都屬於典型的機器。儘管機器的表現形式多種多樣、千差萬別，但就其功能實現而言，都是通過“機械運動”來實現各物理量的傳遞和變換，而這種能實現特定運動傳遞與變換的子系統就是機構(mechanisms)。常見的機構包括齒輪（系）機構、凸輪機構、連桿機構等，其組成元素是構件和運動副。圖1-3以單缸發動機為例，示意了機器與機構的差別。機構設計(mechanism design)的主要任務是確定機構的類型和自由度、決定構件及運動副的數日和種類、確定機構結構參數，以產生所期望的運動。因此，機構設計是機械設計的重要組成部分，位於設計過程的前端，屬於概念設計(conceptual design)階段。何為概念設計？概念設計是指在確定任務之後，通過抽象化，擬定功能結構，尋求適當的作用原理及其組合，確定出基本求解途徑，得出求解方案。概念設計本質上是一個創造過程，同時也是*具難度的環節。
圖1-3 機器與機構
機械裝置的概念設計過程一般包括前期階段的功能設計、原理設計及結構方案設計，以及後期階段的運動學設計及動力學設計（如有必要）兩個設計階段（一般設計流程如圖1-4所示）。前期設計階段偏重於形象思維，*具創造性，設計難度也*大，相當部分的設計工作是非數據性、非計算性的，必須依靠知識和經驗的積累和創新思維方法，創新的火花往往產生於這一階段；後期設計階段偏重於邏輯思維，著重改善機械的運動性能與動力性能。
縱觀整個人類文明史，可以看到機械概念設計經歷了以下四個階段：
(1) 直覺設計階段：人類祖先為了生存或更加有效地保護自己，學會了製作弓箭、槓桿、轆轤、風車以及水利機械等。那時人們或是從自然現像中得到啟示或是憑直覺設計機械，但並不知其所以然，從而驅使人們去分析研究這些機械的工作原理，並將其與數學結合起來，逐漸產生了力學與機構學雛形。
圖1-4 機械裝置概念設計（即機構設計）的一般流程
(2) 經驗設計階段：自17世紀數學與力學結合後，人們開始應用數學及力學公式來解決機械設計中的一些問題。 18世紀工業革命後，有關機械的創造發明如雨後春筍般不斷湧現。 19世紀成為科技發展史上一個重要時期，但這個時期的人們還不能提出更多的設計理論與方法指導機構設計。
(3) 傳統設計階段：進入20世紀的前半個世紀，圖紙和圖譜設計大大提高了設計效率和質量，同時設計基礎理論和各種專業設計機理的研究也逐漸加強。通過建立百科全書式的機構圖冊、圖譜，為設計者提供了大量的信息。至今這種設計方法仍然廣泛採用，但其靜態性、經驗性及手工式的特點與經驗設計階段沒有本質的區別。
(4) 現代設計階段：隨著系統論、信息論和計算機技術的發展，20世紀60年代機械設計進入了現代設計階段。其特點體現在：突出設計的程式化、自動化與創造性，注重設計方法的系統性與先進設計工具的使用。
需要指出的是，機構創新與新裝置發明是機械設計領域中永恆的研究主題。在人類改造環境、解放自我的不斷需求中，源源不斷地設計出各種新穎、合理、實用的機械，同時也有效地促進了機械科學向前發展。 18世紀瓦特時代對於直線機構等的強烈需求開啟了對平面連桿、凸輪、齒輪等“傳統”機械設計及應用的研究，到19世紀勒洛(Reuleaux)時代逐漸架構起了機構符號表達與構型綜合的理論框架，20世紀則掀起了空間機構及機器人的研究熱潮。
鑑於機構構型創新具有原創的特質，同時也是機械發明中*具有挑戰性和發明性的核心內容，因此有關構型設計的研究對提高機械產品的自主設計、創新有著十分重要的意義。而有關機構創新設計方法的豐富與完善則會大大提高機構構型的種類與品質，因此一直以來都是學者和工程師關注與研究的熱點。
具有普適意義的機械創新設計方法主要包括以下幾種：基於直覺和經驗的設計方法；組合創新法（模塊化設計）；變異創新法；原始創新法等。
組合創新法是指將若干基本機構按照一定的原則和規律組合成一個複雜機械系統，往往可以實現某些複雜運動功能。從目前的研究來看，這是一類可應用各類機械裝置構型設計的普適方法，有著極為廣泛的應用。
變異創新法是指以某種機構為原始機構，通過對原始機構的構件和運動副進行某種性質的改變或變換，演變發展出新機構的設計方法。常用的變異創新法有機構倒置與擴展、等效運動置換、改變局部結構等。
原始創新法是指通過引入先進的數學工具、力學及生物學原理等設計理念，有效實現機械裝置的原始創新。
機構創新是實現機械裝置創新設計的基本條件，而具有普適意義的機構創新方法研究無疑是機構創新走向工程化的基本保障。未來機械產品亟須蘊含更高的技術附加值以及更強的市場競爭力。因此，研究機構的創新設計方法不僅具有重要的理論學術價值，而且具有較大的經濟效益和社會效益。然而，較之只針對某種特異機構的創新設計方法，建立普適性的機構創新設計原理及理論體系更為困難。
傳統機構的創新設計方法集中體現在構型研究上。勒洛是*早進行機構構型研究的學者，其*大貢獻莫過於提出了機構的符導表達。俄國阿蘇爾(Assur)提出的平面機構構型“桿組法”則是早期構型理論研究方面*重要的發現。但人類對複雜平面機構的構型綜合取得重大突破是在20世紀60年代以後。其中的代表人物是美國哥倫比亞大學的弗洛丹斯坦(Freudenstein)教授，他提出了結構與功能分離的原則並採用圖論來研究平面機構的拓撲綜合。縱觀20世紀60年代以來平面機構學的研究進展，衍生了很多行之有效的平面機構綜合方法，具有代表性的方法有：圖論法、阿蘇爾桿組法、對偶數法等。運用這些方法，系統地綜合出了許多新型的平面機構，相繼解決了複雜的十桿以上平面機構的拓撲綜合及同構問題。運用這些平面機構的綜合方法，已經建立起平面機構拓撲結構綜合較為完善的方法體系。一個重要標誌是創立了完整的平面機構拓撲結構圖譜，為平面機構概念設計的選型提供了強有力的保障。隨著桿數的增多，拓撲結構中的同構問題越發複雜，對數學工具及方法的依賴性也越大，但可以為與其他學科交叉建立理論基礎。
同樣，從20世紀60年代開始，有關機構組合系統的自動化設計理論初露端倪。隨著產業機械及其他各類機械產品的功能需求日益增強，基於元機構的模塊化設計顯現出越來越多的優勢，相關的設計技法也成為學界的研究熱點。利用計算機輔助概念設計進行機構計算綜合(computational synthesis)成為當時機構學頗具代表性的研究方向。這種創新方法也是機構學界近40年來的研究熱點，並取得了一定的研究成果。計算綜合中比較典型的方法有：圖論法、矩陣法、旋量理論、再生運動鏈法等。這種基於已知機構模塊進行組合的設計方法，其共同特點在於：具有存儲大量知識的成熟的機構運動方案知識庫，且為開放式的。設計人員無須掌握太多的相關學科的背景知識就可利用計算機進行設計。計算機可根據機構的運動行為或功能需求，枚舉機構的所有類型，識別滿足結構要求的圖形，繪製機構簡閣，甚至還可進行動態仿真。研究人員利用這種技法實現了對多種實用機構的創新設計，如長間歇機構、夾持機構、機車懸挂機構、窗檻鎖緊機構等。然而，這種創新設計方法目前仍處於發展階段，與實用化還有一定的距離。
1.2 基本概念
1.2.1 機械裝置的基本組成元素：構件與運動副
構件(link)：機械裝置中能夠進行獨立運動的單元體。構件可以是常見的剛體，如桿、齒輪、凸輪等；也可以是撓性體（如帶、繩、鏈）或彈性體（如彈簧），甚至還可以是流體（如油、氣體等）。圖1-5列舉出了一些常用的構件及其結構示意簡圖。機器人中的構件多為剛性連桿。但在某些特定應用中，構件的彈性或柔性不可忽視，或者本身即為彈性構件或柔性構件。
運動副（kinematic pair，簡稱關節或鉸鏈）：是指兩構件既保持接觸又有相對運動的可動連接。
下面給出運動副的幾種不同分類形式：
圖1-5 常用構件功能及結構示意簡圖
(1) 低副/高副：兩構件為面接觸/兩構件為點、線接觸。
(2) 根據運動副引入的約束數目不同，可分為V級副、Ⅳ級副、Ⅲ級副、Ⅱ級副、Ⅰ級副等；還有一種特殊的約束——剛性約束，可完全約束兩個剛體之間的相對運動。從機械連接角度來看，是種固定連接，如焊接、鉚接、螺紋連接等。
(3) 根據低副所具有的運動性質，可細分為轉動副、移動副、螺旋副、球銷副、圓柱副、球副、平面副等。
19世紀末期，勒洛發現並描述了6種可能的低副（表1.1，不含虎克鉸）。這些運動副能夠在保持表面接觸的同時相對運動，他把這些當作機械關節中*基本的理想運動副。在機械工程中，通常又稱運動副為關節或者鉸鏈。其中轉動副與移動副是機械裝置中*常用的兩種運動副類型。
表1-1 常見運動副的類型及其代表符號
增強自主創新特別是原始創新能力是21世紀科學技術發展的戰略基點。機械產品設計過程中*能體現原始創新能力的階段要屬概念設計階段，原始創新往往出現於此。當前，以機器人、數控機床為代表的現代機械裝置與裝備正在向高速、高加速、高精度、智能化、可重構等功能特異型方向發展。現在製造業的飛速發展同時也為機械裝置的原始創新提供了空前的機遇。為滿足機械裝備或產品向“重大精尖”和“微小精密”等方向發展的需求，機械裝置更是不斷地推陳出新，具有並聯、柔性、變胞等特徵的各類新型機構正是在這樣的背景下應運而生。
創新設計(creative design)決定了機械產品的生命力。如果設計有缺陷，則製造出的將會是有先天不足的產品或“有殘疾的機械”。對產品創新而言，機械裝置的創新設計具有原創的特徵性質，是機械發明中*具有挑戰性和發明性的核心內容。而創新設計方法的豐富與完善則大大提高機構構型的種類與品質。因此，有關機械裝置創新設計的研究對提高機械產品的自主設計、創新有著十分重要的意義。
1.1 創新設計
談起“設計”，人們並不陌生。因為在各行各業甚至日常生活中，人們總是和設計打交道。哪怕是孩提時在草紙上的塗鴉也能體現出某種設計思想。一方面，我們驚嘆自然設計的偉大（圖1-1）；另一方面，我們醉意於蒙娜麗莎等人工設計的奇思妙想；而在工程領域，源於工程師的設計同樣十分重要，因為設計結果往往產生各種物化的生產力、新產品等，直接造福於人類（圖1-2）。
圖1-1 自然設計與黃金分割率
圖1-2 人工設計實例
機械工程是工程的一個重要領域，機械設計(mechanical design)在其中的作用不可或缺。它的主要任務是設計與機械相關的裝置、產品與系統等。機械是機器與機構的總稱。其中，機器(machines)是一種根據某種任務要求而設計的通過部件變換來傳遞運動、能量、物料及信息的裝置，如我們所熟悉的汽車、機器人等都屬於典型的機器。儘管機器的表現形式多種多樣、千差萬別，但就其功能實現而言，都是通過“機械運動”來實現各物理量的傳遞和變換，而這種能實現特定運動傳遞與變換的子系統就是機構(mechanisms)。常見的機構包括齒輪（系）機構、凸輪機構、連桿機構等，其組成元素是構件和運動副。圖1-3以單缸發動機為例，示意了機器與機構的差別。機構設計(mechanism design)的主要任務是確定機構的類型和自由度、決定構件及運動副的數日和種類、確定機構結構參數，以產生所期望的運動。因此，機構設計是機械設計的重要組成部分，位於設計過程的前端，屬於概念設計(conceptual design)階段。何為概念設計？概念設計是指在確定任務之後，通過抽象化，擬定功能結構，尋求適當的作用原理及其組合，確定出基本求解途徑，得出求解方案。概念設計本質上是一個創造過程，同時也是*具難度的環節。
圖1-3 機器與機構
機械裝置的概念設計過程一般包括前期階段的功能設計、原理設計及結構方案設計，以及後期階段的運動學設計及動力學設計（如有必要）兩個設計階段（一般設計流程如圖1-4所示）。前期設計階段偏重於形象思維，*具創造性，設計難度也*大，相當部分的設計工作是非數據性、非計算性的，必須依靠知識和經驗的積累和創新思維方法，創新的火花往往產生於這一階段；後期設計階段偏重於邏輯思維，著重改善機械的運動性能與動力性能。
縱觀整個人類文明史，可以看到機械概念設計經歷了以下四個階段：
(1) 直覺設計階段：人類祖先為了生存或更加有效地保護自己，學會了製作弓箭、槓桿、轆轤、風車以及水利機械等。那時人們或是從自然現像中得到啟示或是憑直覺設計機械，但並不知其所以然，從而驅使人們去分析研究這些機械的工作原理，並將其與數學結合起來，逐漸產生了力學與機構學雛形。
圖1-4 機械裝置概念設計（即機構設計）的一般流程
(2) 經驗設計階段：自17世紀數學與力學結合後，人們開始應用數學及力學公式來解決機械設計中的一些問題。 18世紀工業革命後，有關機械的創造發明如雨後春筍般不斷湧現。 19世紀成為科技發展史上一個重要時期，但這個時期的人們還不能提出更多的設計理論與方法指導機構設計。
(3) 傳統設計階段：進入20世紀的前半個世紀，圖紙和圖譜設計大大提高了設計效率和質量，同時設計基礎理論和各種專業設計機理的研究也逐漸加強。通過建立百科全書式的機構圖冊、圖譜，為設計者提供了大量的信息。至今這種設計方法仍然廣泛採用，但其靜態性、經驗性及手工式的特點與經驗設計階段沒有本質的區別。
(4) 現代設計階段：隨著系統論、信息論和計算機技術的發展，20世紀60年代機械設計進入了現代設計階段。其特點體現在：突出設計的程式化、自動化與創造性，注重設計方法的系統性與先進設計工具的使用。
需要指出的是，機構創新與新裝置發明是機械設計領域中永恆的研究主題。在人類改造環境、解放自我的不斷需求中，源源不斷地設計出各種新穎、合理、實用的機械，同時也有效地促進了機械科學向前發展。 18世紀瓦特時代對於直線機構等的強烈需求開啟了對平面連桿、凸輪、齒輪等“傳統”機械設計及應用的研究，到19世紀勒洛(Reuleaux)時代逐漸架構起了機構符號表達與構型綜合的理論框架，20世紀則掀起了空間機構及機器人的研究熱潮。
鑑於機構構型創新具有原創的特質，同時也是機械發明中*具有挑戰性和發明性的核心內容，因此有關構型設計的研究對提高機械產品的自主設計、創新有著十分重要的意義。而有關機構創新設計方法的豐富與完善則會大大提高機構構型的種類與品質，因此一直以來都是學者和工程師關注與研究的熱點。
具有普適意義的機械創新設計方法主要包括以下幾種：基於直覺和經驗的設計方法；組合創新法（模塊化設計）；變異創新法；原始創新法等。
組合創新法是指將若干基本機構按照一定的原則和規律組合成一個複雜機械系統，往往可以實現某些複雜運動功能。從目前的研究來看，這是一類可應用各類機械裝置構型設計的普適方法，有著極為廣泛的應用。
變異創新法是指以某種機構為原始機構，通過對原始機構的構件和運動副進行某種性質的改變或變換，演變發展出新機構的設計方法。常用的變異創新法有機構倒置與擴展、等效運動置換、改變局部結構等。
原始創新法是指通過引入先進的數學工具、力學及生物學原理等設計理念，有效實現機械裝置的原始創新。
機構創新是實現機械裝置創新設計的基本條件，而具有普適意義的機構創新方法研究無疑是機構創新走向工程化的基本保障。未來機械產品亟須蘊含更高的技術附加值以及更強的市場競爭力。因此，研究機構的創新設計方法不僅具有重要的理論學術價值，而且具有較大的經濟效益和社會效益。然而，較之只針對某種特異機構的創新設計方法，建立普適性的機構創新設計原理及理論體系更為困難。
傳統機構的創新設計方法集中體現在構型研究上。勒洛是*早進行機構構型研究的學者，其*大貢獻莫過於提出了機構的符導表達。俄國阿蘇爾(Assur)提出的平面機構構型“桿組法”則是早期構型理論研究方面*重要的發現。但人類對複雜平面機構的構型綜合取得重大突破是在20世紀60年代以後。其中的代表人物是美國哥倫比亞大學的弗洛丹斯坦(Freudenstein)教授，他提出了結構與功能分離的原則並採用圖論來研究平面機構的拓撲綜合。縱觀20世紀60年代以來平面機構學的研究進展，衍生了很多行之有效的平面機構綜合方法，具有代表性的方法有：圖論法、阿蘇爾桿組法、對偶數法等。運用這些方法，系統地綜合出了許多新型的平面機構，相繼解決了複雜的十桿以上平面機構的拓撲綜合及同構問題。運用這些平面機構的綜合方法，已經建立起平面機構拓撲結構綜合較為完善的方法體系。一個重要標誌是創立了完整的平面機構拓撲結構圖譜，為平面機構概念設計的選型提供了強有力的保障。隨著桿數的增多，拓撲結構中的同構問題越發複雜，對數學工具及方法的依賴性也越大，但可以為與其他學科交叉建立理論基礎。
同樣，從20世紀60年代開始，有關機構組合系統的自動化設計理論初露端倪。隨著產業機械及其他各類機械產品的功能需求日益增強，基於元機構的模塊化設計顯現出越來越多的優勢，相關的設計技法也成為學界的研究熱點。利用計算機輔助概念設計進行機構計算綜合(computational synthesis)成為當時機構學頗具代表性的研究方向。這種創新方法也是機構學界近40年來的研究熱點，並取得了一定的研究成果。計算綜合中比較典型的方法有：圖論法、矩陣法、旋量理論、再生運動鏈法等。這種基於已知機構模塊進行組合的設計方法，其共同特點在於：具有存儲大量知識的成熟的機構運動方案知識庫，且為開放式的。設計人員無須掌握太多的相關學科的背景知識就可利用計算機進行設計。計算機可根據機構的運動行為或功能需求，枚舉機構的所有類型，識別滿足結構要求的圖形，繪製機構簡閣，甚至還可進行動態仿真。研究人員利用這種技法實現了對多種實用機構的創新設計，如長間歇機構、夾持機構、機車懸挂機構、窗檻鎖緊機構等。然而，這種創新設計方法目前仍處於發展階段，與實用化還有一定的距離。
1.2 基本概念
1.2.1 機械裝置的基本組成元素：構件與運動副
構件(link)：機械裝置中能夠進行獨立運動的單元體。構件可以是常見的剛體，如桿、齒輪、凸輪等；也可以是撓性體（如帶、繩、鏈）或彈性體（如彈簧），甚至還可以是流體（如油、氣體等）。圖1-5列舉出了一些常用的構件及其結構示意簡圖。機器人中的構件多為剛性連桿。但在某些特定應用中，構件的彈性或柔性不可忽視，或者本身即為彈性構件或柔性構件。
運動副（kinematic pair，簡稱關節或鉸鏈）：是指兩構件既保持接觸又有相對運動的可動連接。
下面給出運動副的幾種不同分類形式：
圖1-5 常用構件功能及結構示意簡圖
(1) 低副/高副：兩構件為面接觸/兩構件為點、線接觸。
(2) 根據運動副引入的約束數目不同，可分為V級副、Ⅳ級副、Ⅲ級副、Ⅱ級副、Ⅰ級副等；還有一種特殊的約束——剛性約束，可完全約束兩個剛體之間的相對運動。從機械連接角度來看，是種固定連接，如焊接、鉚接、螺紋連接等。
(3) 根據低副所具有的運動性質，可細分為轉動副、移動副、螺旋副、球銷副、圓柱副、球副、平面副等。
19世紀末期，勒洛發現並描述了6種可能的低副（表1.1，不含虎克鉸）。這些運動副能夠在保持表面接觸的同時相對運動，他把這些當作機械關節中*基本的理想運動副。在機械工程中，通常又稱運動副為關節或者鉸鏈。其中轉動副與移動副是機械裝置中*常用的兩種運動副類型。
表1-1 常見運動副的類型及其代表符號
您曾經瀏覽過的商品
購物須知
大陸出版品因裝訂品質及貨運條件與台灣出版品落差甚大，除封面破損、內頁脫落等較嚴重的狀態，其餘商品將正常出貨。
特別提醒：部分書籍附贈之內容(如音頻mp3或影片dvd等)已無實體光碟提供，需以QR CODE 連結至當地網站註冊“並通過驗證程序”，方可下載使用。
無現貨庫存之簡體書，將向海外調貨：
海外有庫存之書籍，等候約45個工作天;
海外無庫存之書籍，平均作業時間約60個工作天，然不保證確定可調到貨，尚請見諒。
為了保護您的權益，「三民網路書店」提供會員七日商品鑑賞期(收到商品為起始日)。
若要辦理退貨，請在商品鑑賞期內寄回，且商品必須是全新狀態與完整包裝(商品、附件、發票、隨貨贈品等)否則恕不接受退貨。