機(jī)械裝置的圖譜化創(chuàng)新設(shè)計(jì)
定 價(jià)：95 元
- 作者：于靖軍,裴旭,宗光華著
- 出版時(shí)間：2014/3/1
- ISBN：9787030399120
- 出 版 社：科學(xué)出版社
- 中圖法分類(lèi)：TH122
- 頁(yè)碼：374
- 紙張：膠版紙
- 版次：1
- 開(kāi)本：16K
構(gòu)型是機(jī)械裝置及裝備創(chuàng)新的原始基礎(chǔ)。受傳統(tǒng)圖譜法在平面機(jī)構(gòu)及并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合中成功應(yīng)用的啟發(fā)，建立了一套適用于復(fù)雜機(jī)構(gòu)及裝備的圖譜化構(gòu)型設(shè)計(jì)方法。通過(guò)將抽象設(shè)計(jì)與形象設(shè)計(jì)相結(jié)合，期望為工程師提供一種簡(jiǎn)單實(shí)用的創(chuàng)新設(shè)計(jì)手段。
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增強(qiáng)自主創(chuàng)新特別是原始創(chuàng)新能力是2工世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略基點(diǎn)。機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中最能體現(xiàn)原始創(chuàng)新能力的階段在于概念設(shè)計(jì)階段，原始創(chuàng)新往往出現(xiàn)于此。當(dāng)前，以機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床為代表的現(xiàn)代機(jī)械裝置與裝備正在向高速、高加速、高精度、智能化、可重構(gòu)等方向發(fā)展。現(xiàn)代制造業(yè)的飛速發(fā)展同時(shí)也為機(jī)械裝置的原始創(chuàng)新提供了空前機(jī)遇。為滿(mǎn)足機(jī)械裝備或產(chǎn)品向“重大精尖”和“微小精密”等方向發(fā)展的需求，機(jī)械裝置更是不斷地推陳出新，具有并聯(lián)、柔性、變胞等特征的各類(lèi)新型機(jī)械裝置正是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。
構(gòu)型是機(jī)械裝置及裝備創(chuàng)新的原始基礎(chǔ)，構(gòu)型創(chuàng)新是自主創(chuàng)新的根本。作為構(gòu)型創(chuàng)新的主要手段之一，構(gòu)型方法研究已成為現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。而創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的豐富與完善則大大提高了機(jī)構(gòu)構(gòu)型的種類(lèi)與品質(zhì)。因此，有關(guān)機(jī)械裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的研究對(duì)于提高機(jī)械產(chǎn)品的自主設(shè)計(jì)與創(chuàng)新有著十分重要的意義。
近年來(lái)，在平面、并聯(lián)、柔性等研究方向，先后涌現(xiàn)出了多種構(gòu)型綜合方法，但多建立在復(fù)雜的數(shù)學(xué)工具或符號(hào)基礎(chǔ)之上，對(duì)工程師及初學(xué)者而言掌握起來(lái)比較困難。在此背景下，建立簡(jiǎn)單實(shí)用的復(fù)雜機(jī)構(gòu)創(chuàng)新技法及手段具有重要的學(xué)科發(fā)展和工程應(yīng)用意義。
如正的前言所述，“通過(guò)全面系統(tǒng)地探索那些歷史悠久但有些抽象晦澀的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原理，讀者可以從中獲取一組獨(dú)特而功能強(qiáng)大的法則和技巧。所有技巧的核心在于約束線(xiàn)圖分析法則的運(yùn)用。該方法可將機(jī)械連接的約束及自由度用一組空間線(xiàn)圖來(lái)表示，以達(dá)到可視化的目的。任何機(jī)械裝置中都可找到這類(lèi)線(xiàn)圖。一旦學(xué)會(huì)識(shí)別機(jī)器中的這些線(xiàn)圖，機(jī)械設(shè)計(jì)工程師就能以全新的視角來(lái)了解機(jī)器的工作原理。這些原理集成在一起，就是精確約束設(shè)計(jì)原理。它將讓設(shè)計(jì)者對(duì)機(jī)器的性能產(chǎn)生更為深層的理解，從而有助于設(shè)計(jì)者更容易地設(shè)計(jì)質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的新裝置”。為了規(guī)避晦澀難懂的數(shù)學(xué)理論及數(shù)學(xué)公式，該書(shū)提供了一套簡(jiǎn)單規(guī)則。優(yōu)點(diǎn)于此，缺點(diǎn)亦然。無(wú)論在線(xiàn)圖表達(dá)還是多樣性設(shè)計(jì)方面該書(shū)仍存在幾多不足。H0pkins認(rèn)識(shí)到了旋量理論與精確約束設(shè)計(jì)原理之間存在相關(guān)性，于是在引進(jìn)Blanding線(xiàn)圖表達(dá)的同時(shí)，著手開(kāi)展旋量系幾何圖譜化的研究，提出了自由度與約束拓?fù)渚C合（FACT）方法，并將其用在柔性設(shè)計(jì)中。然而，Hopkins在整個(gè)研究中均未考慮FACT在剛性機(jī)構(gòu)中的潛在作用。
受傳統(tǒng)圖譜法在平面機(jī)構(gòu)及并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合中成功應(yīng)用的啟發(fā)，結(jié)合旋量理論特有的代數(shù)幾何雙重特性，在Blanding、Hopkins等的前期研究成果基礎(chǔ)上，作者近年來(lái)系統(tǒng)開(kāi)展了圖譜化的機(jī)械裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法研究，建立了一套！司時(shí)適用于剛性、柔性復(fù)雜機(jī)構(gòu)及裝備的構(gòu)型設(shè)計(jì)方法；通過(guò)將抽象思維與形象思維相結(jié)合，以期為工程師和初學(xué)者提供一種簡(jiǎn)單實(shí)用的創(chuàng)新設(shè)計(jì)手段。
五年來(lái)，無(wú)論作者本人還是指導(dǎo)的博士、碩士研究生都在嘗試將圖譜法用于柔性、剛性機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)與分析中，確實(shí)受益頗多。一次與裴旭的討論中產(chǎn)生了寫(xiě)本書(shū)的想法，希望使Blanding、Hopkins等的研究在理論上更加嚴(yán)謹(jǐn)，在應(yīng)用上進(jìn)一步拓展，使這種方法給更多人有益的啟示。
作者撰寫(xiě)本書(shū)的目的就是將有關(guān)機(jī)器設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)法則與技巧和數(shù)學(xué)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(shí)踐第一線(xiàn)的工程師都能受益的系統(tǒng)實(shí)用教程，將一種可視化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到解決機(jī)械概念設(shè)計(jì)問(wèn)題的方方面面。
在對(duì)圖譜法的闡述過(guò)程中，本書(shū)首先介紹基本概念，然后在這些基本概念的基礎(chǔ)上提出設(shè)計(jì)原理、法則與方法，輔以由淺入深的數(shù)學(xué)解釋和大家所熟悉的硬件實(shí)例。此舉希望將抽象的概念變得更加形象具體。另外，盡管書(shū)中包含大量經(jīng)典的機(jī)械裝置實(shí)例，但并不是一本充斥著機(jī)構(gòu)及機(jī)械裝置的圖冊(cè)。為便于讀者迅速掌握本書(shū)的方法，作者還可提供一組模塊化可重構(gòu)的柔性教具，有意使用者，可與作者聯(lián)系。這里只有一個(gè)目的：更加形象地闡述一種簡(jiǎn)單實(shí)用的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法——圖譜法。
本書(shū)的研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（51175010，51175011，51275552，51305007）、教育部博士點(diǎn)基金（2011 2130004）、高等學(xué)校全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論-文作者專(zhuān)項(xiàng)資金以及北京航空航天大學(xué)研究生精品課程建設(shè)項(xiàng)目的資助。感謝清華大學(xué)劉辛軍教授和謝富貴博k，北京航空航天大學(xué)賈明博士以及李守忠、吳鈧、東昕、李偉、李振國(guó)、曠靜、余家柱、陸登峰等博士、碩士研究生對(duì)本書(shū)成果作出的貢獻(xiàn)。同時(shí)，對(duì)參與本書(shū)部分內(nèi)容研究的國(guó)際學(xué)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(shū)的出版得到了科學(xué)出版社的大力支持，在此表示誠(chéng)摯的謝意。
由于作者的水平有限，免有疏虞之處，敬請(qǐng)讀者和專(zhuān)家批評(píng)指正。
于靖軍
2013年10月
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 創(chuàng)新設(shè)計(jì) 1
1.2 基本概念 5
1.2.1 機(jī)械裝置的基本組成元素：構(gòu)件與運(yùn)動(dòng)副 5
1.2.2 運(yùn)動(dòng)鏈、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu) 9
1.2.3 機(jī)械裝置的簡(jiǎn)化表達(dá) 10
1.2.4 自由度與約束 11
1.2.5 結(jié)構(gòu)分析與結(jié)構(gòu)綜合 11
1.3 典型的機(jī)械裝置 12
1.4 幾種常用創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的比較 16
1.5 本書(shū)內(nèi)容 20
參考文獻(xiàn) 21
第2章 圖譜法的雛形——精確約束設(shè)計(jì)原理 24
2.1 自由度線(xiàn)與約束線(xiàn) 24
2.1.1 自由度線(xiàn) 25
2.1.2 約束線(xiàn) 25
2.1.3 自由度（或約束）線(xiàn)圖 27
2.2 自由度（約束）的等效線(xiàn) 28
2.3 冗余線(xiàn) 35
2.4 自由度線(xiàn)圖與約束線(xiàn)圖之間的對(duì)偶關(guān)系——圖譜法的萌芽 39
2.5 基于圖譜法的瞬時(shí)自由度分析 46
2.5.1 自由度計(jì)算的基本公式 46
2.5.2 自由度分析的圖譜法 47
2.5.3 實(shí)例分析 49
2.6 本章小結(jié) 53
參考文獻(xiàn) 54
第3章 線(xiàn)圖分析法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 55
3.1 自由度線(xiàn)與約束線(xiàn)的數(shù)學(xué)描述 55
3.1.1 直線(xiàn)與Plucker坐標(biāo) 55
3.1.2 偶量與Plucker坐標(biāo) 57
3.1.3 直線(xiàn)與偶量的物理意義 58
3.2 自由度線(xiàn)與約束線(xiàn)之間對(duì)偶關(guān)系的數(shù)學(xué)描述 60
3.2.1 兩直線(xiàn)的互易積 60
3.2.2 直線(xiàn)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(xiàn)圖的數(shù)學(xué)描述 62
3.3.1 線(xiàn)集、線(xiàn)簇及分類(lèi) 62
3.3.2 不同幾何條件下的線(xiàn)集相關(guān)性判別 64
3.3.3 線(xiàn)空間 72
3.3.4 偶量空間 77
3.3.5 自由度（或約束）等效線(xiàn)的數(shù)學(xué)解釋 79
3.3.6 子空間 83
3.4 自由度線(xiàn)圖與其對(duì)偶約束線(xiàn)圖之間幾何關(guān)系的數(shù)學(xué)描述 84
3.4.1 線(xiàn)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(duì)偶線(xiàn)（子）空間的求解 86
3.5 自由度與對(duì)偶約束圖譜 89
3.5.1 自由度＆約束線(xiàn)空間圖譜（只含直線(xiàn)及偶量）的繪制 89
3.5.2 實(shí)例分析 100
3.6 本章小結(jié) 103
參考文獻(xiàn) 103
第4章 圖譜法創(chuàng)新設(shè)計(jì)初探 105
4.1 兩個(gè)簡(jiǎn)單的構(gòu)型設(shè)計(jì)實(shí)倒 106
4.2 同維子空間 111
4.3 常見(jiàn)運(yùn)動(dòng)副的自由度＆約束線(xiàn)圖 117
4.3.1 簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)副的自由度＆約束線(xiàn)圖 117
4.3.2 運(yùn)動(dòng)子鏈的自由度＆約束線(xiàn)圖 119
4.3.3 復(fù)雜鉸鏈的自由度＆約束線(xiàn)圖 122
4.4 圖譜法構(gòu)造運(yùn)動(dòng)鏈 126
4.4.1 特定約束作用下的運(yùn)動(dòng)副空間 126
4.4.2 利用約束＆自由度線(xiàn)圖構(gòu)造運(yùn)動(dòng)鏈 130
4.4.3 不同自由度＆約束線(xiàn)圖下所對(duì)應(yīng)的常用運(yùn)動(dòng)鏈 132
4.5 運(yùn)動(dòng)副（或約束）空間的分解 145
4.6 一個(gè)稍復(fù)雜的設(shè)計(jì)實(shí)例 147
4.7 本章小結(jié) 149
參考文獻(xiàn) 150
第5章 圖譜設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)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(duì) 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(shù)（或旋量集的相關(guān)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(shù)——特殊旋量系 168
5.2.4 旋量系的分類(lèi)及其線(xiàn)圖表達(dá) 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 旋量系與其互易旋量系之間的幾何關(guān)系 188
5.3.3 互易旋量空間線(xiàn)圖表達(dá)及圖譜繪制 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(xiàn)子空間的條件 192
5.4.1 理論基礎(chǔ) 192
5.4.2 設(shè)計(jì)實(shí)例 194
5.5 本章小結(jié) 196
參考文獻(xiàn) 196
第6章 典型機(jī)械裝置的自由度&約束線(xiàn)圖 199
6.1 機(jī)構(gòu)自由度分析中的困難與困惑 199
6.2 經(jīng)典機(jī)構(gòu)及其自由度＆約束線(xiàn)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(jī)械約束裝置 221
6.5 位移子群＆子流形與自由度＆約束線(xiàn)圖之間的映射 223
6.6 本章小結(jié) 231
參考文獻(xiàn) 232
第7章 并/混聯(lián)機(jī)械裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì) 235
7.1 并/混聯(lián)機(jī)器及其應(yīng)用 235
7.2 并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的旋量系及旋量空間 239
7.3 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的圖譜化構(gòu)型綜合 244
7.3.1 實(shí)用型并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型分布特征 244
7.3.2 一般綜合過(guò)程 246
7.3.3 并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)副的選取 248
7.3.4 構(gòu)型綜合實(shí)例 250
7.4 混聯(lián)裝置的圖譜化創(chuàng)新設(shè)計(jì) 275
7.4.1 五軸混聯(lián)機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 276
7.4.2 一種高靈活性五軸混聯(lián)機(jī)床的構(gòu)型綜合實(shí)例 280
7.5 本章小結(jié) 285
參考文獻(xiàn) 285
第8章 柔性設(shè)計(jì) 288
8.1 柔性機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用 288
8.2 與柔性有關(guān)的基本術(shù)語(yǔ)及主要性能指標(biāo) 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(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)）的等效自由度或約束模型 295
8.6 常見(jiàn)柔性鉸鏈及柔性機(jī)構(gòu)的分類(lèi) 299
8.6.1 柔性鉸鏈的分類(lèi)與枚舉 299
8.6.2 常用柔性模塊（機(jī)構(gòu)）的分類(lèi) 305
8.7 柔性機(jī)構(gòu)自由度分析的圖譜法和解析法 308
8.7.1 柔性機(jī)構(gòu)自由度分析的圖譜法 309
8.7.2 柔性機(jī)構(gòu)自由度分析的解析法 310
8.8 柔性機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合的圖譜法 314
8.8.1 構(gòu)型綜合的基本思路 315
8.8.2 并聯(lián)式柔性機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合 320
8.8.3 串/混聯(lián)式柔性機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合 328
8.9 并/混聯(lián)柔性機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)的深層考慮 329
8.9.1 簡(jiǎn)單全并聯(lián)的實(shí)現(xiàn)條件 329
8.9.2 柔性機(jī)構(gòu)的混聯(lián)實(shí)現(xiàn) 335
8.9.3 柔性機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)空間 341
8.9.4 大行程柔性精微機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合 345
8.10 柔性裝置圖譜化創(chuàng)新設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)例 348
8.10.1 一種模塊化、可重構(gòu)柔性教具的設(shè)計(jì)與使用 348
8.10.2 柔性重力梯度敏感機(jī)構(gòu)的概念設(shè)計(jì) 353
8.11 柔性機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的幾種主要方法概述 355
8.11.1 與圖譜法相火的幾種設(shè)計(jì)方法 355
8.11.2 其他幾種構(gòu)型設(shè)計(jì)方法 358
8.12 本章小結(jié) 361
參考文獻(xiàn) 361
附錄A 柔度矩陣的建模與坐標(biāo)變換 367
A.1 柔度的坐標(biāo)變換 367
A.2 空間柔度矩陣的建模 369
A.3 實(shí)例 372
參考文獻(xiàn) 374
前面提到，無(wú)論是構(gòu)件還是運(yùn)動(dòng)副，其實(shí)際結(jié)構(gòu)和形狀多種多樣，采用圖形表達(dá)十分復(fù)雜。采用簡(jiǎn)圖或結(jié)構(gòu)示意圖表達(dá)（圖l-5和表1-1）在運(yùn)動(dòng)學(xué)層面上可實(shí)現(xiàn)相同的功效。同樣，實(shí)際的機(jī)械裝置也是如此，為此引入了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖（kinmatic diagam）或機(jī)構(gòu)示意圖（schematic diagram）的表達(dá)形式。前者與后者的區(qū)別在于前者不僅要用簡(jiǎn)圖來(lái)表示構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副，還要按照一定比例表示各構(gòu)件及運(yùn)動(dòng)副與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的尺寸及相對(duì)位置，而后者只是為了表明機(jī)構(gòu)的組成和結(jié)構(gòu)特征，而不嚴(yán)格按照比例繪制簡(jiǎn)圖。在構(gòu)型設(shè)計(jì)階段，機(jī)構(gòu)示意圖已經(jīng)足夠。
無(wú)論是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖還是機(jī)構(gòu)示意圖，都屬于形象的圖形表達(dá)范疇。除此之外，機(jī)構(gòu)表達(dá)尤其是連桿機(jī)構(gòu)表達(dá)有時(shí)還采用抽象的符號(hào)表示形式，以代替機(jī)構(gòu)示意圖表達(dá)。比較簡(jiǎn)單的方法是直接采用運(yùn)動(dòng)鏈中所含運(yùn)動(dòng)副符號(hào)表征，并作為命名機(jī)構(gòu)的一種方式。例如，平行四邊形機(jī)構(gòu)可以表示成RRRR（或P）。
符號(hào)表示還有其他方式，比較典型的如結(jié)構(gòu)表達(dá)或圖表達(dá)。尤其后者基于圖論，具有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)支撐。目前，無(wú)論平面機(jī)構(gòu)還是空間機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)還是其他類(lèi)型機(jī)構(gòu)，應(yīng)用圖表達(dá)形式都非常普遍。圖l-9給出了平行四邊形機(jī)構(gòu)及其符號(hào)表達(dá)。
約束（constraint）：當(dāng)兩構(gòu)件通過(guò)運(yùn)動(dòng)副連接后，各自的運(yùn)動(dòng)都會(huì)受到一度的限制，這種限制就稱(chēng)為約束。
自由度：確定機(jī)械裝置的位形姿（pose）所需要的獨(dú)立變量或廣義坐標(biāo)數(shù)，也是獨(dú)立輸入的個(gè)數(shù)。例如：
�。�1）平面內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)具有2個(gè)自由度；空間內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)具有3個(gè)自由度。
�。�2）平面內(nèi)的剛體具有3個(gè)自由度；空間內(nèi)的剛體具有6個(gè)自由度。
空間中的一個(gè)剛體最多具有6自由度：分別沿笛卡兒坐標(biāo)系（Cartesian｛ramc，即直角坐標(biāo)系）三個(gè)坐標(biāo)軸的3個(gè)移動(dòng)和繞3個(gè)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。這是一種最基本的定量描述機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的方式。因此，任何剛體的運(yùn)動(dòng)都可以用這6個(gè)基本運(yùn)動(dòng)的組合來(lái)描述（圖1—10）。
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