运动学和机构设计PDF电子书下载

目录 1

第一章 基本概念 1

1.1 机构 1

1.2 运动学中的刚体——构件（简称杆） 3

1.3 刚体的位移 3

1.4 可动连接——运动副 3

1.5 相对运动——运动链 5

1.6 运动的倒置 5

1.7 运动的传递 6

第二章 平面运动学中的向量法 9

2.1 引言 9

2.2 复极向量记法 9

2.2.1 复极向量的微分 10

2.3 应用复极记法的运动分析 10

2.3.1 铰接四杆机构 10

2.3.2 铰接四杆机构的速度分析 12

2.3.3 铰接四杆机构的加速度分析 13

2.4 直角坐标向量记法 15

2.4.1 两个向量的纯量积——点积 15

2.4.2 向量积——叉积 16

2.4.3 向量的微分 16

2.5 应用直角坐标向量记法的平面机构运动分析 17

2.5.1 铰接四杆机构 17

（1）位置分析 17

（2）速度分析 18

（3）加速度分析 19

2.5.2 摇块机构 20

（1）位置分析 20

（2）速度分析 22

（3）加速度分析 22

2.6 平面机构运动的计算机辅助分析的一般方法 22

2.6.1 刚体运动 23

2.6.2 铰接二杆组 24

2.6.3 摇块组 26

2.6.4 转动导杆组 28

2.6.5 刚体运动子程序GEOM、DISP、POS、VEL、ACC和MOTION 30

2.6.6 铰接二杆组子程序CRANK2、PDYAD、VDYAD和ADYAD 34

2.6.7 输入－输出子程序RDACC和WRACC 37

2.6.8 摇块组子程序POSC、VOSC和AOSC 41

2.6.9 转动导杆组子程序PGUIDE、VGUIDE和AGUIDE 45

附录A 科氏加速度分量——一点相对于旋转参考系的加速度 48

3.2.1 绕直角坐标轴的旋转 50

3.2 刚体旋转矩阵 50

3.1 引言 50

第三章 运动学中的矩阵法 50

3.3 空间旋转矩阵 52

3.4 刚体位移矩阵 56

3.5 平面旋转矩阵的应用 58

例3-1运动刚体上任意一点的位移 58

例3-2有限旋转中心 60

3.6 螺旋矩阵 61

3.7 由矩阵直接求逆而得的数值位移矩阵 62

3.8 逆位移矩阵 63

3.7.1 减少矩阵求逆法所需点的数目 63

3.9 由数值位移矩阵元素求螺旋运动参数 65

3.10 坐标变换 67

3.10.1 向量和点的变换 67

3.10.2 逐次坐标变换 68

3.11 哈登伯格－迪纳维特表示法 68

3.12 微分旋转矩阵 71

3.13 微分位移矩阵 75

第四章 空间机构的运动分析 77

4.1 空间相对运动 77

4.2 相对位移 77

4.3 相对速度 79

4.4 相对加速度 80

4.5 用运动副相对转角作平面机构的运动分析 80

4.5.1 铰接四杆机构的位移分析 81

4．5.2 相对速度分析 83

4.5.3 相对加速度分析 85

4.6.1 RSSR机构 86

4.6 按封闭形法作空间机构的运动分析 86

4.6.2 速度分析 87

4.6.3 加速度分析 87

例4-1 按封闭形法对RSSR实现函数用的空间机构进行运动分析 92

4.6.4 RRSS机构 92

例4-2 按封闭形法对RRSS实现轨迹用的机构进行运动分析 98

4.6.5 RCCC机构 98

例4-3 RCCC机构的加速度分析 104

4.7.1 实现轨迹用的RRSS机构 105

4.7 按约束方程的数值解法对空间机构进行运动分析 105

例4-4 实现轨迹用的RRSC机构——非线性约束方程的迭代解法 110

例4-5 用约束方程的数值解法对RCCC机构进行位移分析 110

第五章 机构的可动性分析 115

5.1 引言 115

5.2 约束分析 115

5.2.1 自由度 115

5.2.2 特殊机构 121

5.3 平面机构的数综合 123

5.4.1 平面铰接四杆机构的运动分类——格拉肖夫准则 124

5.4 运动范围的分析 124

5.4.2 空间机构的位移分析 125

5.5 可动性分析 127

5.5.1 平面铰接四杆机构的可动性 127

5.5.2 RSSR机构的可动性 130

5.5.3 RRSS机构的可动性 134

5.5.4 RSRC机构的可动性 138

6.1 引言 142

第六章 刚体的导向 142

6.2 平面刚体导向机构 143

6.2.1 定长方程——双铰链曲柄 144

6.2.2 定斜率方程——平面滑块 145

6.3 给定运动刚体三个位置综合导向曲柄 146

6.4 给定运动刚体三个位置综合导向滑块 149

6.5 输入曲柄的运动参数 151

例6-1 给定运动平面的三个有限分离位置综合——铰接四杆机构 152

例6-2 根据运动刚体的有限位移综合导向滑块 152

6.6 范例：给定运动刚体三位置综合——刚体导向机构 152

例6-3 当θ12=0.0 °时滑块的综合 153

例6-4 给定滑块移动方向综合导向滑块 153

例6-5 给定第一个位置的速度以及第二个位置的位移，综合导向曲柄 155

例6-6 给定一个位置的速度和加速度，综合导向曲柄 155

6.7 给定运动刚体四个位置的综合问题——曲柄约束 156

6.7.1 牛顿－腊夫森法 156

例6-7 中心点曲线和圆点曲线 160

6.7.2 曲柄约束方程——给定四个位置的平面刚体导向问题 160

6.8 给定四个位置的综合问题——滑块约束 162

6.9 给定四个参数时（位置、速度或加速度）的综合问题 162

例6-8 既给定位移，又给定速度、加速度的刚体导向问题 162

6.10 球面运动刚体导向机构 164

6.10.1 由数值直接求逆而得的球面位移矩阵 164

6.10.2 球面运动刚体导向的设计方程 164

例6-9 球面运动刚体导向机构的综合 166

6.10.3 给定三个位置的球面运动刚体导向问题 167

6.11 空间刚体导向概述 168

6.11.1 球－球（S-S）构件 169

6.11.2 转－球（R-S）构件 170

6.11.3 转－转（R-R）构件 171

6.11.4 转－柱（R-C）构件 174

6.11.5 柱－柱（C-C）构件 175

例6-10 给定刚体的三个位置用R-R,S-S,C-S或R-C构件进行导向的综合 176

附录A 式（6.2 1）的推导 180

7.1 引言 181

7.2 问题的处理——精确点的确定 181

第七章 函数的实现 181

7.3 戚贝谢夫的精确点布置 183

7.4 输入运动比例系数与输出运动比例系数 184

7.5 给定三个位置设计实现函数用的机构 184

7.5.1 实现函数用的铰接四杆机构 184

例7-1 给定三个位置设计实现函数用的铰接四杆机构 186

7.5.2 实现函数用的曲柄滑块机构 186

例7-2 给定三个位置设计实现函数用的曲柄滑块机构 187

7.5.3 实现函数用的双滑块机构 189

7.6.1 实现函数用的平面铰接四杆机构 190

7.6 在既给定有限位移，又给定速度、加速度的条件下设计实现函数用的机构 190

例7-3 给定三个位置设计实现函数用的双滑块机构 190

例7-4 实现给定速度－加速度函数用的平面铰接四杆机构的综合 191

7.6.2 实现函数用的曲柄滑块机构 192

例7-5 实现给定速度－加速度函数用的平面曲柄滑块机构的综合 192

7.6.3 实现函数用的双滑块机构 193

例7-6 实现给定速度－加速度函数用的平面双滑块机构的综合 194

7.7 给定四个位置设计实现函数用的平面机构 194

7.7.1 实现函数用的铰接四杆机构 194

例7-7 实现函数用的交叉式铰接四杆机构 196

7.8 实现函数用的球面四杆机构 196

7.9 实现函数用的RSSR空间四杆机构 198

例7-8 给定输入与输出构件的转动平面来综合实现函数用的RSSR机构 200

例7-9 按六个精确点设计一实现函数用的RSSR机构 202

7.10 按给定速度和加速度综合实现函数用的RSSR机构 205

例7-10 按给定速度和加速度综合实现函数用的RSSR机构 206

8.2 实现轨迹用的平面铰接四杆机构 208

8.1 引言 208

第八章 轨迹的实现 208

例8-1 给定五个精确点，设计实现轨迹用的平面铰接四杆机构 211

例8-2 给定两个导向曲柄的长度，设计实现轨迹用的平面铰接四杆机构 211

8.3 实现轨迹用的球面四杆机构 213

例8-3 给定轨迹上四个精确点，设计实现轨迹用的球面铰接四杆机构 215

8.4 实现轨迹用的空间机构的位移矩阵 219

8.5 实现轨迹用的RRSS机构 219

8.6 实现轨迹用的RSSR-SS机构 221

8.7 实现轨迹用的机构的位移分析 222

例8-4 实现轨迹用的平面铰接四杆机构的位移分析 223

第九章 机构最优综合 224

9.1 引言 224

9.2 积分误差极小化 224

9.2.1 精确点与设计的关系 224

9.3 作为非线性规划处理的最优运动综合 225

9.4 目标函数 225

9.5 不等式约束 226

9.7 非线性规划问题的几何表示法 228

9.6 等式约束 228

9.8 无约束极小化 229

9.8.1 极小的数学性质 229

9.8.2 局部极小与全域极小 230

9.8.3 函数的逼近 230

9.8.4 极小点的搜索 230

9.8.5 共轭方向 232

9.8.6 极小点的不求导搜索法 232

9.9 鲍威尔的不求导直接搜索法 234

9.10 最小二乘法 235

9.11 鲍威尔的不求导的最小二乘法 236

9.11.1 偏导数的数值逼近法 237

9.12 有约束极小化——惩罚函数 238

9.12.1 内惩罚函数 238

9.12.2 外惩罚函数 239

9.12.3 等式约束 240

9.12.4 定尺度 240

例9-1 实现函数用的平面铰接四杆机构的最优综合 241

9.13 机构最优化设计的实例研究 241

例9-2 实现轨迹兼作刚体导向用的平面铰接四杆机构的最优综合 243

例9-3 汽车玻璃窗导向机构 246

例9-4 实现轨迹用的RRSS机构（最小二乘法解） 249

例9-5 实现轨迹用的RRSS机构（直接搜索解） 251

例9-6 具有不等式约束和等式约束的实现函数用的平面四连杆机构的最优综合 254

附录A 共轭方向搜索法的收敛证明 256

附录B 鲍威尔搜索法中共轭方向的产生 258

10.2 瞬时螺旋运动参数 259

10.1 引言 259

第十章 运动微分几何学 259

10.3 螺旋（运动）轴所形成的面 262

10.3.1 瞬时滑转比——刚体运动的一个重要几何特性 263

10.3.2 螺旋轴面的几何特性 263

10.3.3 瞬时螺旋（运动）计算 264

例10-1 空间双滑块机构中连杆的瞬时螺旋运动参数 266

10.4 用几何参数表示的微分位移矩阵 269

10.4.1 Phi矩阵 269

10.4.3 典型的坐标系统 272

10.4.2 平面Phi矩阵 272

10.5 平面轨迹的曲率 273

10.5.1 速度瞬心pO 273

10.5.2 瞬心速度？ 273

10.5.3 加速度瞬心 275

10.5.4 拐点圆——零法向加速度 275

10.5.5 切向加速度为零的圆 277

10.5.6 平稳曲率的三次方程 278

10.5.7 平面机构的几何分析 279

例10-2 滚动圆柱体 280

例10-3 双滑块机构 282

例10-4 铰接四杆机构 284

例10-5 根据连杆运动的瞬时不变量来进行高阶运动的综合 288

10.6 空间连杆曲线中的高阶轨迹曲率 291

10.6.1 参数方程 291

10.6.2 空间曲线的几何特性 292

10.6.3 轨迹的曲率 293

例10-6 轨迹的曲率分析——RRSS机构 293

11.2 平面铰接四杆机构的动力学问题 300

第十一章 机构动力学 300

11.1 引言 300

例11-1 平面铰接四杆机构的动力分析 303

例11-2 摇块机构 305

11.3 铰接四杆机构的动力平衡 308

例11-3 铰接四杆机构的动力平衡 312

11.4 动力学的反算问题 314

11.4.1 简化质量或简化转动惯量 314

11.4.3 功能法 316

11.4.2 简化力或简化力矩 316

11.4.4 运动的非线性微分方程 317

11.4.5 预估－校正方程 317

例11-4 动力学的反算问题 318

11.5 空间机构动力学 320

11.5.1 坐标变换 320

11.5.2 向量变换 321

例11-5 坐标变换 322

11.6 运动的动力学方程 323

11.5.3 矩阵变换 323

11.6.1 欧拉方程 325

11.6.2 矩阵形式的运动方程 326

例11-6 旋转系统的动力学 327

第十二章 计算机程序 332

12.1 引言 332

12.2 LINKPAC——一种适用于平面运动学和机构学的子程序组合 332

例12-1 偏置曲柄滑块机构的加速度分析 333

例12-2 平面铰接四杆机构的加速度和动力分析 336

12.3 DESIGN——用牛顿－腊夫森法解非线性代数联立方程组的一种子程序组合 342

例12-3 DESIGN程序的应用 343

例12-4 已知刚体导向机构中运动刚体的四个位置，试确定各中心点和圆点 346

例12-5 用YCOMP中的子程序SPAPAC对RRSC机构进行位移分析 348

例12-6 给定运动刚体三个位置的空间导向问题 351

12.4 PCON——用鲍威尔直接搜索法（共轭方向法和SUMT程序）解有约束极小化问题的一种子程序组合 359

例12-7 具有附加不等式约束的罗森勃洛克检验函数 361

例12－8 兼能实现轨迹和作平面刚体导向的机构（例9-2 的最优综合 363

例12-9 解具有约束的三个非线性代数联立方程 369

12.5 LSTCON——用鲍威尔最小二乘法解有约束极小化问题的一种程序 369

12.6 NONLIN——用随机初始估计值解非线性代数联立方程的一种程序 372

例12-10 用随机估计值解非线性代数方程组 372

12.7 SIMEQ——用BASTC语言写成的解线性与非线性联立方程用的一种程序 374

12.8 PRCR2——用预估－校正法解二阶非线性微分方程用的一种程序 376

例12-11 动力学反算问题用的DERIV2函数（参见例11-4） 376

附录 379

附录1 LINKPAC 379

附录2 SPAPAC 419

附录3 DESIGN 445

附录4 NONLIN 460

附录5 PCON 469

附录6 LSTCON 506

附录7 SIMEQ 538

附录8 PRCR2 549

习题 554

参考文献 569

索引 574