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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。

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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

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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