《机构分析与综合》是研究和探讨机构设计理论与设计方法的专门科学，具有较高的理论性和创新性。该课程是在机械原理的基础上发展起来的，是机械原理课程内容的扩展与深化，其研究内容是围绕机构的组成与结构、机构的运动分析与综合以及机械系统动力学等内容。未来培养更高级的机械工程领域中的研究人员，在学习机械原理课程的基础上，硕士研究生还要学习高等机构学，掌握空间机构的结构理论、分析与设计方法，以及更深入学习机构动力学的内容，以适应高速发展的机械科学技术的需求。学习本门课程，旨在培养学生进行机构创新设计和分析研究的能力。

     课程共2学分，分32学时，属于非学位课，面向全日制学术型和专业型硕士开放。

《机构分析与综合》教学大纲

Analysis and Synthesis of Mechanisms

一 课程简介

课程编码：SS073019                         

开课学期：第二学期

学   时：32

学   分：2.0

开课单位：机械工程学院                                   

大纲撰写人：李映君

推荐教材：高等机构学（机械工程研究生规划教材），张春林，机械工业出版社，2016.10

参考书目：1. 高等机构学 第2版，韩建友 杨通 于靖军，机械工业出版社，2017.12

 

二 教学目的与要求

课程的教学目的与任务

本课程的目的和任务是在学生预先学完机械原理的基础上，结合本课程的学习，能够综合运用所学的基础理论和技术知识，进一步扩展学习高等机构学，掌握空间机构的结构理论、分析与设计方法，以及更深入学习机构动力学的内容，以适应高速发展的机械科学技术的需求。本课程的主要任务是培养学生一下几方面的能力：

1、运用数学基础进行机构的运动、动力等分析的能力；

2、运用机构学的理论进行创新机构的综合；

3、了解机构学发展的现状和发展趋势，并进行专项课题方向的应用。

三  教学安排

各章节授课内容、教学方法及学时分配建议

 

（一）理论教学                                       建议学时：32

第一章  绪论                                         建议学时：2

[教学目的与要求] 搞清为什么学？学什么？如何学？

[教学重点与难点] 明确本课程的教学内容和任务。

[授  课  方  法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。

[授  课  内  容]

第一节  机构学的发展现状与动向

• 机构学的发展现状
• 机构学的发展动向

第二节  高等机构学的研究内容

• 本课程的内容与性质
• 本课程的目标与任务

 

第二章  高等机构学的数学基础                                建议学时：4   

[教学目的与要求] 总结机构分析与综合用到的数学基础。

[教学重点与难点] 坐标变换和方程组的数值解法。

[授  课  方  法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。

[授  课  内  容]

第一节  概述

第二节  矢量及其运算

• 矢量点积
• 矢量叉积
• 矢量微分
• 矢量的复数表达

第三节  常用坐标变换

• 齐次坐标
• 坐标变换

第四节  常用矩阵运算

• 刚体位移矩阵
• 旋转矩阵及其微分

第五节  非线性方程组的数值解法

• Newton-Raphson法的基本原理
• 吴方法简介

第六节  常微分方程组的数值解法

• 微分方程
• Runge-Kutta-Merson法

 

第三章  机构的结构理论                                   建议学时：4

[教学目的与要求] 掌握空间机构的自由度的计算方法，能够进行平面机构的结构分析以及机构的综合。

[教学重点与难点] 空间机构自由度的计算以及空间机构的型综合。

[授  课  方  法] 教师课堂讲授结合学生课堂分组研讨。

[授  课  内  容]

第一节  机构的组成理论

• 运动副
• 运动链
• 机构

第二节  机构的自由度

• 空间闭链机构的自由度
• 空间开链机构的自由度
• 单环闭链机构的自由度
• 计算机构自由度应注意的事项
• 多环闭链机构的自由度

•   平面机构的结构分析

• 杆组
• 机构的结构分析

•   平面运动链的结构综合

• 结构综合的基本理论
• 图论的基本知识
• 图与运动链的变换
• 构图示例
• 平面机构的演化

•   空间运动链的型综合

• 概述
• 等价运动链
• 不等价排列数的计算

 

第四章  机构的运动分析                         建议学时：2 

[教学目的与要求] 掌握平面机构和空间机构的运动分析方法。

[教学重点与难点] 空间机构的运动分析。

[授  课  方  法] 以学生课堂分组研讨为主，教师进行总结和点评。

[授  课  内  容]

第一节  概述

第二节  平面机构的运动分析

第三节  空间机构的运动分析

• 位移方程建立
• 运动分析实例

 

第五章  低副机构的运动综合                           建议学时：4

[教学目的与要求] 掌握平面刚体导引机构和空间刚体导引机构的综合方法。

[教学重点与难点] 刚体导引机构的综合方法。

[授  课  方  法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。

[授  课  内  容]

第一节  概述

• 机构综合
• 机构综合方法

第二节  平面刚体导引机构的运动综合

• 刚体导引机构
• 刚体导引机构的综合方法
• 刚体导引机构综合实例

第三节  空间刚体导引机构的运动综合

• S-S导引杆
• R-S导引杆
• R-R导引杆
• C-S导引杆
• C-R导引杆
• 空间刚体导引机构综合实例

第四节  轨迹发生机构的运动综合

• 平面轨迹发生机构的综合
• 空间轨迹发生机构的综合

第五节  函数发生机构的运动综合

• 平面函数发生机构的综合
• 空间函数发生机构的综合

 

第六章  高副机构基础                   建议学时：2 

 

[教学目的与要求] 掌握瞬心线机构及其应用以及共轭曲线方程及其应用。

[教学重点与难点] 掌握瞬心线机构及其应用。

[授  课  方  法] 以学生分组研讨为主，教师进行总结和点评。

[授  课  内  容]

第一节  概述

第二节  瞬心线及其性质

• 瞬心线的形成
• 瞬心线机构及其性质
• 瞬心线封闭的条件
• 瞬心线方程

第三节  瞬心机构及其应用

• 再现连杆机构的瞬心线机构
• 瞬心线机构的设计
• 瞬心线机构的应用

第四节  共轭曲线及其方程

• 共轭曲线及其性质
• 共轭曲线的方程

第五节  共轭曲线机构及其应用

• 齿轮类高副机构的设计
• 凸轮类高副机构的设计

 

第七章  机器人机构简介                                     建议学时： 2

[教学目的与要求]  掌握机器人机构的运动学和静力学，熟悉动力学分析方法。

[教学重点与难点]  掌握机器人机构的运动学分析。

[授  课  方  法] 以学生分组研讨为主，教师进行总结点评。

[授  课  内  容]

第一节  概述

• 机器人机构的分类
• 机器人机构的应用
• 机器人机构学的主要研究内容

第二节  机器人机构运动学

• 位姿分析
• 速度和加速度分析

第三节  机器人机构静力学

• 串联机器人机构
• 并联机器人机构

第四节  机器人机构动力学简介

 

第八章  仿生机构概述                                    建议学时：2

 [教学目的与要求] 了解带传动的类型、特点和应用场合，掌握带传动的工作原理、受力情况，弹性滑动及打滑等，掌握V带传动的设计方法步骤，以及 V带传动的张紧方法和装置。

[教学重点与难点] 掌握V带传动的设计方法，掌握带传动的受力分析和应力分析。

[授  课  方  法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。

[授  课  内  容]

第一节  概述

• 仿生学的研究内容
• 仿生机构

第二节  仿生机构的生物运动学基础

• 步行运动机理与分析
• 昆虫翅翼动作的运动机理与分析
• 爬行动作的运动机理与分析
• 鱼类动作的运动机理与分析

第三节  仿生机构

• 步行仿生机构
• 飞行仿生机构
• 爬行仿生机构
• 抓取仿生机构

第九章  平面机构的平衡                                      建议学时：2

[教学目的与要求] 掌握平面机构的平衡原理，以及平面机构的惯性力和惯性力矩的平衡。

[教学重点与难点] 平面机构的平衡原理和方法。

[授  课  方  法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。

[授  课  内  容]

第一节  概述

第二节  平面机构的平衡原理

• 平面机构平衡的基本条件
• 机构平衡方法

第三节  平面机构惯性力的平衡

• 机构惯性力的向量平衡条件
• 铰链四杆机构的惯性力平衡
• 含有移动副的四杆机构的平衡
• 惯性力完全平衡的条件及最少配重数
• 机构惯性力的部分平衡

第四节  平面机构惯性力矩的平衡

• 机构惯性力矩的表达式
• 铰链四杆机构的惯性力矩
• 惯性力已平衡的四杆机构的惯性力矩
• 惯性力矩的平衡条件
• 用平衡机构平衡惯性力矩

 

第十章  机构弹性动力学                                     建议学时：4

[教学目的与要求] 掌握含有弹性元件的机构动力学分析方法，能够对凸轮机构、连杆机构等常见机构进行动力学分析。

[教学重点与难点] 掌握含有弹性构件的机构动力学分析方法。

[授  课  方  法] 以课堂讲授为主，结合学生分组研讨。

[授  课  内  容]

第一节  概述

第二节  含有弹性构件的机构动力学分析方法

• 建立机构的动力学模型
• 建立运动方程的常用方法

第三节  凸轮机构弹性动力学

• 建立动力学模型
• 建立运动方程
• 运动方程的求解

第四节  连杆机构弹性动力学

• 构件的弹性运动
• 单元坐标和系统坐标
• 单元力和系统力
• 单元位移函数
• 单元运动方程式
• 系统运动方程式

第五节  简单机械系统的弹性动力学

• 建立轧钢机的动力学模型
• 建立系统的运动微分方程

 

第十一章  机械系统动力学                                   建议学时：2

[教学目的与要求] 掌握单自由度机械系统动力学分析方法，了解多自由度系统动力学分析方法。

[教学重点与难点] 熟练进行单自由度机械系统动力学分析。

[授  课  方  法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。

[授  课  内  容]

第一节  单自由度机械系统动力学

• 等效力学模型
• 运动方程的求解

第二节  多自由度机械系统动力学

• 运动方程式

 

四 考核方案

闭卷考试。期末闭卷考试成绩占70%，平时成绩占30% 。平时成绩包括作业成绩、课堂研讨成绩等。