机械原理第一章精.ppt

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1、机械原理第一章机械原理第一章第1页，本讲稿共47页参考教材：1.中文教材：机械原理中文教材：机械原理 李瑞琴主编，国防工李瑞琴主编，国防工业出版社，业出版社，20082.英文教材：英文教材：Mechanisms and Machine Theory（机械原理）（机械原理）.Ye Zhonghe,Lan Zhaohui,M.R.Smith,2001,Higher Education Press 3.美国原版教材：机械设计（美国原版教材：机械设计（Design of Machinery）机器和机构综合分析（）机器和机构综合分析（An Introduction to the Synthesis an

2、d Analysis of Mechanisms and Machines）.（英文版，原书（英文版，原书第二版）（含光盘）第二版）（含光盘），2002第2页，本讲稿共47页参考教材：4.英国原版教材：英国原版教材：R.S.KHURMI,J.K.GUPTA.Theory of Machines.First Multicolor Revised and Updated Edition,published by Eurasia Publishing House Ltd.,2005.5.邹慧君等主编邹慧君等主编.机械原理学习与考研指导机械原理学习与考研指导.北北京京:科学出版社科学出版社,2004.

3、6.第3页，本讲稿共47页第一章第一章 绪论绪论 1.1 机械原理的研究对象和研究内容机械原理的研究对象和研究内容1.2 机械原理课程的地位和作用机械原理课程的地位和作用1.3 机械原理课程的学习目的和方法机械原理课程的学习目的和方法1.4 机械设计概述机械设计概述1.5 机械原理学科的发展动向机械原理学科的发展动向第4页，本讲稿共47页1.1 机械原理的研究对象和研究内容机械原理的研究对象和研究内容一、一、机械原理的机械原理的研究对象研究对象 机械原理是研究机构和机器的运动及动力特性，以及机械运动方案设计的一门技术基础学科。是机械设计及理论学科的重要内容之一。二、二、机械原理课程的主要内容机

4、械原理课程的主要内容第5页，本讲稿共47页 机械原理的研究对象是机械。1.1 机械原理的研究对象和研究内容机械原理的研究对象和研究内容一、机械原理的研究对象一、机械原理的研究对象 机械（Machinery）：是机构(Mechanisms)与机器(Machines)的总称。机器：是一种由人为物体组成的具有确定机械运 动的装置，它用来完成一定的工作过程，以代替人类的劳动。第6页，本讲稿共47页1.1 机械原理的研究对象和研究内容机械原理的研究对象和研究内容机器机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息。如汽车、机床、起重机、内燃机、电话机和计算机等。机器的组成大致包括：原动机部分传动

5、部分执行部分润滑、显示、照明等辅助系统控制系统传感器传感器传感器原动机部分：驱动整部机器以完成预定功能的动力源。传动部分：解决运动形式、运动及动力参数的转变。执行部分：用来完成机器预定功能的组成部分。传动部分和执行部分是机器的主体部分，是由许多运动构件组成的。机器的基本组成部分机器根据其工作类型的不同，分为三类。第7页，本讲稿共47页1.动力机器动力机器 将任何一种能量变换成机械能，或将机械能变换成其将任何一种能量变换成机械能，或将机械能变换成其他形式的能量。他形式的能量。例如：例如：内燃机内燃机、压气机、涡轮机、电动机、发电机等。、压气机、涡轮机、电动机、发电机等。2.工作机器工作机器 完成

6、有用的机械功或搬运物品完成有用的机械功或搬运物品。例如：例如：金属切削机床金属切削机床、织布机、印刷机、织布机、印刷机、包装机包装机、缝纫设备、汽、缝纫设备、汽车、飞机、车、飞机、起重机起重机、输送机等。、输送机等。3.信息机器信息机器 完成信息的传递和变换。完成信息的传递和变换。例如：复印机、打印机、绘图机、传真机、照相机等。例如：复印机、打印机、绘图机、传真机、照相机等。机器的分类机器的分类第8页，本讲稿共47页内燃机第9页，本讲稿共47页 燃气由进气管通过进气阀3被下行的活塞2吸入气缸，然后3关闭，2上行压缩燃气，点火使燃气在气缸中燃烧，膨胀产生压力，推动2下行，通过连杆5带动曲柄6转动

7、向外输出机械能。当2再次上行时，排气阀4打开，废气由排气管排出。图中，凸轮7和顶杆8是用来启、闭进气阀的；齿轮9，9，10是用来保证进气阀、排气阀和活塞之间形成一定规律的运动。以上各部分的协同配合动作，便能把燃气燃烧时的热能变为曲轴转动时的机械能。工作原理：工作原理：内燃机第10页，本讲稿共47页起重机第11页，本讲稿共47页牛头刨床第12页，本讲稿共47页包装机第13页，本讲稿共47页构件构件(Links)(Links)是指机器中具有独立是指机器中具有独立运动的单元体。运动的单元体。构件可以是单一的零件，也构件可以是单一的零件，也可以是由几个零件组成的刚性结可以是由几个零件组成的刚性结构。构

8、。零件零件是制造的单元。是制造的单元。构件与零件第14页，本讲稿共47页例如：右图的连杆例如：右图的连杆构件由连杆体构件由连杆体,大大端盖端盖,螺母螺母,螺栓螺栓等多个零件组成。等多个零件组成。构件与零件第15页，本讲稿共47页机构 是指具有确定运动的构件系统，能按预定 的方式转换和传递力和运动。1.1 机械原理的研究对象和研究内容机械原理的研究对象和研究内容 机构中的构件可分为三大类：举例说明如内燃机。固固定定构构件件（机机架架）：指机构中的固定构件，它是用来支承活动构件（运动构件）的。原原动动件件（主主动动件件）：指机构中运动规律已知的活动构件（或者说机构中按给定的已知运动规律独立运动的构

9、件）。它的运动通常是由外界输入的，故又称为输入构件输入构件。从动件从动件：指机构中随着原动件的运动而运动的其余活动构件（或者说机构中除原动件、机架以外的其余活动构件）。其中输出预期运动的从动件称为输出构件输出构件(执行构件)，其余从动件则起传递运动的作用。从动件的运动规律取决于原动件的运动规律和机构的结构。第16页，本讲稿共47页常用机构连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构、螺旋机构等第17页，本讲稿共47页常用机构第18页，本讲稿共47页常用机构第19页，本讲稿共47页常用机构第20页，本讲稿共47页“机构机构”和和“机器机器”的区别的区别 机机构构只只是是一一个个构构件件系系统统，而

10、而机机器器除除构构件系统外还有电气、液压等其他装置；件系统外还有电气、液压等其他装置；机机构构只只用用于于传传递递运运动动和和力力，机机器器除除传传递递运运动动和和力力之之外外，还还应应当当具具有有变变换换或或传传递递能量、物料、信息的功能。能量、物料、信息的功能。但但是是，就就构构件件的的运运动动和和力力的的研研究究来来说，机器和机构并无区别。说，机器和机构并无区别。第21页，本讲稿共47页（1）机构的组成和类型综合1.1 机械原理的研究对象和研究内容机械原理的研究对象和研究内容二、机械原理课程的主要内容二、机械原理课程的主要内容（2）机构设计（3）机构系统设计（4）机构动力学第22页，本讲

11、稿共47页 1.1.2 机械原理课程的主要内容（1）机构的组成和类型综合 研究机构组成原理是为了分析机构运动的可能性及确定性，也为了对组成机构的杆组进行分类，便于系统地建立机构运动分析和力分析的方法。通过机构类型综合可以探索创新机械的某些设计方法。1.1 机械原理的研究对象和研究内容机械原理的研究对象和研究内容第23页，本讲稿共47页（2）机构设计 机器虽然种类繁多，然而构成各种机器的机机器虽然种类繁多，然而构成各种机器的机构类型却是有限的，它们是齿轮机构、凸轮机构类型却是有限的，它们是齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、间歇运动机构、其他用途机构构、连杆机构、间歇运动机构、其他用途机构及广义机构等

12、一些常用的机构。及广义机构等一些常用的机构。本课程的多数内容是介绍这些常用机构的本课程的多数内容是介绍这些常用机构的设计理论和设计方法。设计理论和设计方法。1.1 机械原理的研究对象和研究内容机械原理的研究对象和研究内容第24页，本讲稿共47页（3）机构系统设计 机构系统设计是机械运动方案设计的主要内容，机构系统设计是机械运动方案设计的主要内容，本本课程将课程将介绍介绍机械运动方案设计机械运动方案设计步骤、功能分析、机步骤、功能分析、机构创新、执行机构的运动规律和机构系统运动协调构创新、执行机构的运动规律和机构系统运动协调设计等的基本原则和方法。设计等的基本原则和方法。1.1 机械原理的研究对

13、象和研究内容机械原理的研究对象和研究内容第25页，本讲稿共47页（4）机构动力学 为了设计出动力性能良好的机械，本课程将介绍在已知力作用下机械的真实运动规律，减少机器速度波动的调节问题，机械振动和隔振方法，机械运动过程中惯性力系的平衡问题。1.1 机械原理的研究对象和研究内容机械原理的研究对象和研究内容第26页，本讲稿共47页1.2 机械原理课程的地位和作用机械原理课程的地位和作用一、一、机械原理课程的机械原理课程的地位地位二、二、机械原理课程的作用机械原理课程的作用一、一、机械原理课程的机械原理课程的地位地位二、二、机械原理课程的作用机械原理课程的作用第27页，本讲稿共47页 机械原理是研究

14、机构及机械运动简图设计的一门重要技术基础课。1.2 机械原理课程的地位和作用机械原理课程的地位和作用一、机械原理课程的地位一、机械原理课程的地位第28页，本讲稿共47页 本课程的任务主要是使学生掌握机构学和机械动力本课程的任务主要是使学生掌握机构学和机械动力学的基本理论、基本知识和基本技能，培养学生初步拟学的基本理论、基本知识和基本技能，培养学生初步拟定机械运动方案、分析和设计基本机构的能力。定机械运动方案、分析和设计基本机构的能力。学习本课程获得的知识是分析现有的机器和设计新机学习本课程获得的知识是分析现有的机器和设计新机器所必须的基本知识。器所必须的基本知识。1.2 机械原理课程的地位和作

15、用机械原理课程的地位和作用二、机械原理课程的作用二、机械原理课程的作用第29页，本讲稿共47页1.3 机械原理课程的学习目的和方法机械原理课程的学习目的和方法一、一、机械原理课程的机械原理课程的学习目的学习目的二、二、机械原理课程的学习方法机械原理课程的学习方法第30页，本讲稿共47页1.认识机械、了解机械；认识机械、了解机械；2.掌握方法、分析机械；掌握方法、分析机械；3.开阔思路、设计和创造新机械。开阔思路、设计和创造新机械。1.3 机械原理课程的学习目的和方法机械原理课程的学习目的和方法一、机械原理课程的一、机械原理课程的学习目的学习目的第31页，本讲稿共47页 熟悉和掌握各种典型机构的

16、结构和运动特点，深入理解满足实际生产需要的机构分析和设计方法。熟悉和掌握机械运动简图的画法，要习惯于采用运动简图来认识机构和机器，想象机构和机器的运动情况。对于课程中的基本概念要深刻理解才能更好地掌握课程内容，起到事半功倍的效果。深入理解和全面掌握本课程的基本研究方法。这些基本研究方法有：杆组法、转换机架法、机构演化法、等效法等。这些方法使我们能容易地对各种机构进行分析和设计。注意在学习中进行前后联系、融会贯通，如利用瞬心的概念对凸轮机构、齿轮机构等进行分析。求解习题前应先重点复习有关例题，归纳总结解题思路，从中得到启示，以达到举一反三的效果。二、机械原理课程的学习方法二、机械原理课程的学习方

17、法第32页，本讲稿共47页一、一、机械设计的一般过程机械设计的一般过程二、二、机械运动方案设计的主要内容机械运动方案设计的主要内容三、三、机电一体化技术在机械运动方案机电一体化技术在机械运动方案 设计中的作用设计中的作用1.4 机械设计概述机械设计概述第33页，本讲稿共47页机械设计过程并没有一个通用的固定顺序，而必须按具体情况确定。机械设计的一般进程。可分为四个阶段：一、机械设计的一般过程一、机械设计的一般过程(1)(1)产品规划阶段产品规划阶段(2)(2)方案设计阶段方案设计阶段(3)(3)详细设计阶段详细设计阶段(4)(4)改进设计阶段改进设计阶段1.4 机械设计概述机械设计概述第34页

18、，本讲稿共47页（1）机械运动简图的型综合l若干个执行动作l机构型式l机构系统（2）机械运动简图的尺度综合l按机构型式l运动规律要求、动作配合l协调设计 二、机械运动方案设计的主要内容 机械运动方案设计是机械产品设计中十分重要的内机械运动方案设计是机械产品设计中十分重要的内容，是决定机械产品质量、水平、性能和经济效益的关键容，是决定机械产品质量、水平、性能和经济效益的关键性一步。性一步。1.4 机械设计概述机械设计概述第35页，本讲稿共47页 根据产品根据产品功能要求、工作性质功能要求、工作性质和和工作过程工作过程等基本等基本要求进行新机械的方案设计，在方案设计阶段应该完成要求进行新机械的方案

19、设计，在方案设计阶段应该完成机械运动简图机械运动简图的设计。的设计。所谓所谓机械运动简图设计机械运动简图设计，就是按机械的工作过程，就是按机械的工作过程和动作要求设计出由若干机构组成的机构系统运动简和动作要求设计出由若干机构组成的机构系统运动简图。一般情况下，它往往是机械最核心的部分。图。一般情况下，它往往是机械最核心的部分。机械运动方案设计1.4 机械设计概述机械设计概述第36页，本讲稿共47页机械运动方案设计的一般流程确定机器的组成确定机器的组成机器构成的构思机器构成的构思机器总体布局机器总体布局引入人引入人-机机系统分析系统分析设计程序内容与设计步骤设计程序内容与设计步骤执行机构选择和机

20、执行机构选择和机械运动方案的设计械运动方案的设计技术文件编制技术文件编制最佳机械运动方案最佳机械运动方案的尺度综合的尺度综合机械部件设计机械部件设计机械构形构思和设计机械构形构思和设计机械总装图设计机械总装图设计机械零件设计机械零件设计 机机 械械 总总 体体 方方 案案设计阶段设计阶段工艺动作分析执行动作确定工艺动作分析执行动作确定功能分析和工作原理确定功能分析和工作原理确定提出产品设计要求提出产品设计要求明确设计任务明确设计任务市场需求分析市场需求分析标准通用件明细表标准通用件明细表设计计算说明书设计计算说明书任务要求明细表任务要求明细表可行性研究报告可行性研究报告阶段设计目标阶段设计目标

21、设计任务书设计任务书机械运动方案机械运动方案机机 械械 方方 案案产产品品规规划划概概念念设设计计构构形形设设计计 使使 用用 说说 明明 书书 施施 工工 图图 第37页，本讲稿共47页（1）机电一体化(Mechatronics)的概念（2）机电一体化产品本质上仍然是机械产品（3）机电一体化产品的核心是广义执行机构（4）机电一体化产品与纯机械产品的比较 在确定机械工作原理、工艺路线方案时，选择传动、控制和执行机在确定机械工作原理、工艺路线方案时，选择传动、控制和执行机构、进行机械运动简图设计时，均应考虑电子技术与机械技术的结合，构、进行机械运动简图设计时，均应考虑电子技术与机械技术的结合，使

22、新设计的机器达到性能优良、适应性强、操作控制方便、结构简单使新设计的机器达到性能优良、适应性强、操作控制方便、结构简单紧凑、生产效率高、自动化程度高的先进水平。紧凑、生产效率高、自动化程度高的先进水平。三、机电一体化技术在机械运动方案设计中的三、机电一体化技术在机械运动方案设计中的作用作用 1.4 机械设计概述机械设计概述第38页，本讲稿共47页一、机构的结构理论二、平面与空间连杆机构三、凸轮机构四、间歇运动机构五、组合机构六、机械动力学七、机构的最优化设计八、仿生机构学九、微型机械十、机构系统设计1.5 机械原理学科的发展动向机械原理学科的发展动向第39页，本讲稿共47页机构学发展趋势机构学

23、发展趋势(1)现代机构的类型综合和设计方法将会不断现代机构的类型综合和设计方法将会不断展开，逐步深入展开，逐步深入(2)机电一体化系统概念设计理论和方法及计机电一体化系统概念设计理论和方法及计算机实现将会得到深入研究算机实现将会得到深入研究(3)微型机构和微动机构的开发和应用微型机构和微动机构的开发和应用(4)仿生机械的开发和应用仿生机械的开发和应用(5)机器人和步行机的研究和开发机器人和步行机的研究和开发(6)机械系统的动力特性及动态稳定性的提高机械系统的动力特性及动态稳定性的提高(7)发展展望发展展望第40页，本讲稿共47页(1)(1)现代机构的类型综合和设计方法将会不断展开，逐步现代机构

24、的类型综合和设计方法将会不断展开，逐步现代机构的类型综合和设计方法将会不断展开，逐步现代机构的类型综合和设计方法将会不断展开，逐步深入深入深入深入 将机构扩大为驱动元件与机构的集合体将会将机构扩大为驱动元件与机构的集合体将会大大有利于机构的创新和机构运动控制的研究和大大有利于机构的创新和机构运动控制的研究和应用。对驱动元件进行可编程控制即可实现复杂应用。对驱动元件进行可编程控制即可实现复杂多变的输出运动，使原来多变的输出运动，使原来“刚性化刚性化”的输出发展的输出发展成成“柔性化柔性化”输出，从而使机构有了质的变化，输出，从而使机构有了质的变化，有利于设计现代机械。现代机构已经在实际中得有利于

25、设计现代机械。现代机构已经在实际中得到应用，但对它的类型综合、运动学、动力学的到应用，但对它的类型综合、运动学、动力学的研究才刚刚起步，有待深入。可以预期：现代机研究才刚刚起步，有待深入。可以预期：现代机构学的深入研究和广泛应用，将会大大推动现代构学的深入研究和广泛应用，将会大大推动现代机器的创造和发明，促进机械工业的快速发展。机器的创造和发明，促进机械工业的快速发展。第41页，本讲稿共47页(2)(2)机电一体化系统概念设计理论和方法及计算机实现将会机电一体化系统概念设计理论和方法及计算机实现将会机电一体化系统概念设计理论和方法及计算机实现将会机电一体化系统概念设计理论和方法及计算机实现将会

26、得到深入研究得到深入研究得到深入研究得到深入研究 可控机构等现代机构是机电一体化系统的核心组成部可控机构等现代机构是机电一体化系统的核心组成部分，现代机构的研究将有助于机电一体化系统的概念设分，现代机构的研究将有助于机电一体化系统的概念设计达到一个新的高度，特别是机电一体化系统的创新方计达到一个新的高度，特别是机电一体化系统的创新方案的产生、创新方案的规范化表达及计算机识别、创新案的产生、创新方案的规范化表达及计算机识别、创新方案的自动化实现等概念设计理论和方法将会有系统而方案的自动化实现等概念设计理论和方法将会有系统而深入的研究；机械系统的概念设计理论和方法虽然得到深入的研究；机械系统的概念

27、设计理论和方法虽然得到一定程度上的深入研究，但对机械系统自动化的设计的一定程度上的深入研究，但对机械系统自动化的设计的理论和方法及其辅助软件还有待进一步的研究和开发。理论和方法及其辅助软件还有待进一步的研究和开发。第42页，本讲稿共47页(3)(3)微型机构和微动机构的开发和应用微型机构和微动机构的开发和应用微型机构和微动机构的开发和应用微型机构和微动机构的开发和应用 纳米技米技术的深入研究和广泛的深入研究和广泛应用将会引用将会引发一一场新的科技革命，微机械技新的科技革命，微机械技术的研究和的研究和开开发是它的其中一个核心内容。是它的其中一个核心内容。现代机构学代机构学为设计微机构开辟了有效的

28、途径。微型机械微机构开辟了有效的途径。微型机械的开的开发离不开各种各离不开各种各样微型机构及微微型机构及微动机构机构的的应用及其用及其设计理理论和方法的深入研究。微和方法的深入研究。微机构的工作机理和受力分析已与机构的工作机理和受力分析已与传统的机构的机构有了根本的区有了根本的区别，值得我得我们进一步探索。一步探索。第43页，本讲稿共47页(4)(4)仿生机械的开发和应用仿生机械的开发和应用仿生机械的开发和应用仿生机械的开发和应用 仿生学是自然对人类的启示。生物的各种形态、仿生学是自然对人类的启示。生物的各种形态、特性、动作、能量变换等都是值得人类去仿效、去研特性、动作、能量变换等都是值得人类

29、去仿效、去研究的。仿生机构类型的深入研究，将会创造出形形色究的。仿生机构类型的深入研究，将会创造出形形色色的仿生机械，使现代机构学的应用更加广泛、更加色的仿生机械，使现代机构学的应用更加广泛、更加有效。有效。u 根据骆驼足底构造和行走机理研制的根据骆驼足底构造和行走机理研制的 沙漠行走机构；沙漠行走机构；u 蛇行机构探测煤气管道的故障；蛇行机构探测煤气管道的故障；u 鱼游机构解决深水中的探测问题。鱼游机构解决深水中的探测问题。第44页，本讲稿共47页(5)(5)机器人和步行机的研究和开发机器人和步行机的研究和开发机器人和步行机的研究和开发机器人和步行机的研究和开发 机器人和步行机的研究和开机器

30、人和步行机的研究和开发中相关的中相关的机构机构类型、工作空型、工作空间、动力特性、力特性、动刚度以度以及控制技及控制技术和可控机构的匹配都是需要和可控机构的匹配都是需要应用用现代机构学的理代机构学的理论和方法去解决的和方法去解决的。第45页，本讲稿共47页(6)(6)机械系统的动力特性及动态稳定性的提高机械系统的动力特性及动态稳定性的提高机械系统的动力特性及动态稳定性的提高机械系统的动力特性及动态稳定性的提高 现代机械向高速、高精度、高可控性方现代机械向高速、高精度、高可控性方向发展，机械系统的动力学建模及其解法的向发展，机械系统的动力学建模及其解法的研究、动力分析与综合的研究可以大大提高研究

31、、动力分析与综合的研究可以大大提高现代机械的设计水平和工作性能。现代机械的设计水平和工作性能。第46页，本讲稿共47页（7 7）发展展望发展展望发展展望发展展望 现代机构学的形成及发展也得到了全世界机构学学者的共识。最近现代机构学的形成及发展也得到了全世界机构学学者的共识。最近IFToMM公布的第三版名词术语中出现机电一体化（公布的第三版名词术语中出现机电一体化（Mechatronic）、）、微机电系统（微机电系统（MEMS）、仿生机构等等的名词都充分体现出现代）、仿生机构等等的名词都充分体现出现代机构学的发展势头。同时机构学的发展势头。同时IFToMM的名称由的名称由Internationa

32、l Federation For Theory of Mechanism and Machine改为改为International Federation For Promotion of Mechanism and Machine Science。这种改动，体现。这种改动，体现了机构学由原来的了机构学由原来的“理论理论”和和“方法方法”发展为发展为“科学科学”，是机构学，是机构学的一种的一种“深化深化”。提升了机构学的学术地位。也就大大激发了我国。提升了机构学的学术地位。也就大大激发了我国机构学学者的责任感和积极性。我们深信现代机构学在本世纪内一机构学学者的责任感和积极性。我们深信现代机构学在本世纪内一定会得到迅速发展并逐步形成一个新的理论体系。定会得到迅速发展并逐步形成一个新的理论体系。第47页，本讲稿共47页