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1、机机 械械 原原 理理Theory of mechanisms and machines庄宿涛孙桓孙桓 陈作模陈作模 主编主编 机械原理机械原理 高教出版社高教出版社 教教 材材参考书参考书郑文纬郑文纬 吴克坚主编吴克坚主编 机械机械原理原理东南大学机械研究组编东南大学机械研究组编 邹惠君等主编邹惠君等主编机械原理机械原理 高教出版社高教出版社 Theory of Machines&MechanismsJosoph Edward,John Joseph UckerMechanisms and Dynamic of MachineneryHamilton H.Mahie,Fred W.Ocvir
2、k第一章第一章 绪绪 论论本章教学内容本章教学内容本课程研究的对象及内容本课程研究的对象及内容学习本课程的目的学习本课程的目的机械原理课程的学习方法机械原理课程的学习方法机械原理学科发展机械原理学科发展1-1 1-1 本课程研究的对象及内容本课程研究的对象及内容一、研究对象一、研究对象机械机械什么叫机械？什么叫机械？机械机械(mechanisms)机器和机构的总称机器和机构的总称 机器是根据某种使用要求而设计的一种执行机械运动的机器是根据某种使用要求而设计的一种执行机械运动的装置，可以用来变换或传递能量、物料与信息。装置，可以用来变换或传递能量、物料与信息。切削机床、动力机器、运切削机床、动力
3、机器、运输机械、建筑机械、轻工输机械、建筑机械、轻工机械、医用机械、家用机机械、医用机械、家用机械、机器人等。械、机器人等。动力机器动力机器加工机器加工机器运输机器运输机器信息机器信息机器 1、机器、机器(machine)动力机器动力机器电动机电动机内燃机内燃机汽轮机汽轮机气动马达气动马达液压马达液压马达水轮机水轮机加工机器加工机器数车线切运输机器运输机器信息机器信息机器切削机床、动力机器、运切削机床、动力机器、运输机械、建筑机械、轻工输机械、建筑机械、轻工机械、医用机械、家用机机械、医用机械、家用机械、机器人等械、机器人等机器是由什么组成的？机器是由什么组成的？机器具有那些特征？机器具有那些
4、特征？1-1 1-1 本课程研究的对象及内容本课程研究的对象及内容一、研究对象一、研究对象机械机械什么叫机械？什么叫机械？机械机械(mechanisms)机器和机构的总称机器和机构的总称 机器是根据某种使用要求而设计的一种执行机械运动的机器是根据某种使用要求而设计的一种执行机械运动的装置，可以用来变换或传递能量、物料与信息。装置，可以用来变换或传递能量、物料与信息。1、机器机器(machine)3）能能代代替替或或减减轻轻人人类类的的劳劳动动来来完完成成有有用用的的机机械功或实现能量、信息的变换。械功或实现能量、信息的变换。2）各个运动实体之间具有确定的相对运动；）各个运动实体之间具有确定的相
5、对运动；1）它们是人为的实体的组合；）它们是人为的实体的组合；特征：特征：机器的组成：机器的组成：原动机：原动机：用于提供动力用于提供动力发电机发电机化石燃料化石燃料水水 能能太阳能太阳能内燃机内燃机外燃机外燃机电动机电动机风风 能能水轮机水轮机风力机风力机太阳能电池太阳能电池机机 器器化石燃料化石燃料内燃机内燃机机机 器器化石燃料化石燃料外燃机外燃机机机 器器水水 能能风风 能能水轮机水轮机风力机风力机机机 器器机机 器器液压马达液压马达电动机电动机机机 器器泵泵液液 压压 缸缸气压马达气压马达电动机电动机机机 器器空气压缩机空气压缩机气气 缸缸原动机主要有电动、液动、气动三种形式原动机主要
6、有电动、液动、气动三种形式从运动形式来划分有回转、往复直线和步进等多种运动形式从运动形式来划分有回转、往复直线和步进等多种运动形式常用原动机形式常用原动机形式电动原动机的形式是：电动机电动原动机的形式是：电动机从运动形式看，电动机有输出转动的回转电动机和输出往复移动的直从运动形式看，电动机有输出转动的回转电动机和输出往复移动的直线电动机线电动机从电源形式看，电动机有使用交流电源的交流电动机和使用直流电源从电源形式看，电动机有使用交流电源的交流电动机和使用直流电源的直流电动机的直流电动机从控制形式看，有输出位移、速度都不可控制的电动机，有输出位移、从控制形式看，有输出位移、速度都不可控制的电动机
7、，有输出位移、速度、力矩可以控制的控制电动机。速度、力矩可以控制的控制电动机。这是最常用的交流异步电动机这是最常用的交流异步电动机这是这是步进电机步进电机，它可以按输入的电脉，它可以按输入的电脉冲数回转相应的角度。冲数回转相应的角度。这是伺服这是伺服电动机电动机，它可以精确的控制电动机的输出位移和转速。，它可以精确的控制电动机的输出位移和转速。液压原动机的形式是：液压马达和液压油缸。液压原动机的形式是：液压马达和液压油缸。液压马达输出回转运动，液压油缸输出往复直线运动。液压马达输出回转运动，液压油缸输出往复直线运动。液压马达液压马达液压油缸液压油缸气动原动机的形式是：气动马达和气缸。气动原动机
8、的形式是：气动马达和气缸。气动马达输出回转运动，气缸输出往复直线运动。气动马达输出回转运动，气缸输出往复直线运动。叶片马达叶片马达柱塞马达柱塞马达气动马达气动马达无导杆气缸无导杆气缸有导杆气缸有导杆气缸气气 缸缸传动机构：传动机构：将运动和动力传递或变换给执行机构将运动和动力传递或变换给执行机构在传动机构中一般首先与电机联接的是减速机构，最常用的是各种类型的减速在传动机构中一般首先与电机联接的是减速机构，最常用的是各种类型的减速器、变速器等。器、变速器等。圆柱齿轮减速器圆柱齿轮减速器锥齿轮减速器锥齿轮减速器执行机构：执行机构：用于实现机器的功能，如机床的刀架、用于实现机器的功能，如机床的刀架、
9、机器人的手爪等。机器人的手爪等。该机器人的手爪协调运动夹持球体实现任该机器人的手爪协调运动夹持球体实现任意运动，这是一种智能型机器人。意运动，这是一种智能型机器人。控制系统：控制系统：用于实现机器执行机构之间的工作协用于实现机器执行机构之间的工作协调，或者各机器之间的工作协调。调，或者各机器之间的工作协调。控制模式控制模式原动机原动机传动机构传动机构执行机构执行机构控制系统控制系统原动机原动机传动机构传动机构执行机构执行机构控制系统控制系统原动机原动机传动机构传动机构执行机构执行机构 2、机构、机构(Mechanisms)机机构构是是机机器器中中用用来来传传递递运运动动和和力力或或改改变变运运
10、动动形形式式的的机机械械装装置置。具有机器的前两个特征。即具有机器的前两个特征。即2 2）各个运动实体之间具有确定的相对运动。）各个运动实体之间具有确定的相对运动。1 1）它们是人为的实体的组合；）它们是人为的实体的组合；常用机构：齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、间歇运动机构常用机构：齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、间歇运动机构凸凸轮轮机机构构连连杆杆机机构构齿齿轮轮机机构构进进排排气气阀阀启启闭闭机机构构活活塞塞曲曲柄柄机机构构气气阀阀联联动动机机构构机器机器1：单缸内燃机：单缸内燃机活塞活塞曲柄机构（连杆机构）曲柄机构（连杆机构）进气阀启闭机构（凸轮机构）进气阀启闭机构（凸轮机构）排气阀启闭机
11、构（凸轮机构）排气阀启闭机构（凸轮机构）齿轮机构齿轮机构机器与机构机器与机构机器机器2：缝纫机：缝纫机踏板机构、皮带传动、踏板机构、皮带传动、走布机构、挑线机构走布机构、挑线机构机器机器3：洗衣机：洗衣机皮带传动、滚筒皮带传动、滚筒机器机器4：自行车自行车链传动、棘轮机构、手闸机构链传动、棘轮机构、手闸机构 2、机构、机构(Mechanisms)机机构构是是机机器器中中用用来来传传递递运运动动和和力力或或改改变变运运动动形形式式的的机机械械装装置置。具有机器的前两个特征。即具有机器的前两个特征。即2 2）各个运动实体之间具有确定的相对运动。）各个运动实体之间具有确定的相对运动。1 1）它们是人
12、为的实体的组合；）它们是人为的实体的组合；常用机构：齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、间歇运动机构常用机构：齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、间歇运动机构机器和机构最明显的区别是：机器和机构最明显的区别是：机器能作有用功，而机构不能，机构仅能实现预期的机械运动。机器能作有用功，而机构不能，机构仅能实现预期的机械运动。两者之间有联系，机器是由几个机构组成的系统，最简单的两者之间有联系，机器是由几个机构组成的系统，最简单的机器只有一个机构。机器只有一个机构。二、研究内容二、研究内容1、机构的分析、机构的分析（1）机构的结构分析）机构的结构分析研究机构的组成原理，即机构组成的一般规律。研究机构的组成原理，即
13、机构组成的一般规律。研究机构运动的可能性与确定性的条件。研究机构运动的可能性与确定性的条件。（2）机构的运动分析）机构的运动分析研究在给定原动件运动的条件下，机构各点的轨迹、研究在给定原动件运动的条件下，机构各点的轨迹、位移、速度、加速度等运动特性。位移、速度、加速度等运动特性。（3）机构的力分析）机构的力分析研究机构的各构件和运动副中力的计算、摩擦及效率研究机构的各构件和运动副中力的计算、摩擦及效率问题。问题。2、常用机构的设计问题、常用机构的设计问题主要研究：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动主要研究：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等的设计理论和设计方法。机构等的设计理论和
14、设计方法。3、机械系统运动方案设计、机械系统运动方案设计主要研究：如何根据机器的功能来确定运动方案。主要研究：如何根据机器的功能来确定运动方案。4、机械动力学问题、机械动力学问题主要研究：机械系统的真实运动规律、机械的调速和机构的主要研究：机械系统的真实运动规律、机械的调速和机构的平衡。平衡。机械设计的一般过程：机械设计的一般过程：需求需求分析分析机械方案机械方案设设 计计机械方案机械方案运动分析运动分析机械方案机械方案动力分析动力分析机机 械械造型设计造型设计机械工作机械工作能力设计能力设计确确 定定工艺方案工艺方案确确 定定工艺参数工艺参数机械结构机械结构设设 计计1-2 1-2 学习本课
15、程的目的学习本课程的目的机械原理课程的地位机械原理课程的地位1.1.机机械械原原理理是是机机械械类类各各专专业业的一门主干技术基础课程。的一门主干技术基础课程。2.2.与与一一般般的的基基础础课课比比更更接接近近工程实际。工程实际。3.3.与与专专业业课课比比具具有有更更宽宽的的研研究面和更广的适应性。究面和更广的适应性。学习本课程的目的学习本课程的目的1.1.为学习机械类有关专业课打好理论基础。为学习机械类有关专业课打好理论基础。2.2.为机械产品的创新设计打下良好的基础为机械产品的创新设计打下良好的基础3.3.为现有机械的合理使用和革新改造打基础。为现有机械的合理使用和革新改造打基础。创新
16、创新1.自然科学领域的最高成就是自然科学领域的最高成就是发现发现2.应用技术领域的最高成就是应用技术领域的最高成就是发明发明1.基础理论知识基础理论知识2.应用技术知识应用技术知识3.实践经验实践经验发明：发明：4.强烈的创新意识强烈的创新意识5.勤奋的工作勤奋的工作两用折叠椅两用折叠椅1-3 1-3 机械原理课程的学习方法机械原理课程的学习方法学习方法：学习方法：1.在学习知识的同时，注重能力的培养。在学习知识的同时，注重能力的培养。2.在重视逻辑思维的同时，加强形象思维能力的培养。在重视逻辑思维的同时，加强形象思维能力的培养。3.注意运用理论力学的有关知识。注意运用理论力学的有关知识。4.
17、理论联系实际，能够做到举一反三。理论联系实际，能够做到举一反三。教学环节：教学环节：理论教学理论教学 课程设计课程设计1-4 1-4 机械原理学科的发展机械原理学科的发展随随着着宇宇航航技技术术、核核技技术术、海海洋洋开开发发等等高高新新技技术术的的发发展展和和计计算算机机技技术术的的普普遍遍应应用用，极极大大的的促促进进了了机机械械行行业业的的迅迅猛猛发发展展。这这也也带带动动了了机机械械原原理理学学科科的的发发展展。因因此此，近近些些年年来来机机械械原原理理学学科科也也创创立立了了不不少少新新的的理理论论和和研研究究方方法法，开开拓拓了了一一些些新新的的研研究究领领域域，出现了很多新的研究
18、分支，主要表现在：出现了很多新的研究分支，主要表现在：1.在在20世世纪纪末末发发展展起起来来的的计计算算机机辅辅助助机机构构分分析析与与设设计计将将更更为为完完善善。将将机机构构学学知知识识结结合合人人工工智智能能理理论论，构构建建机机构构分分析析与与设设计计的专家系统，将得到进一步发展。的专家系统，将得到进一步发展。基基于于Web的的远远程程网网络络机机构构设设计计系系统统已已出出现现，利利用用世世界界各各地地的的专专家家知知识识和和经经验验，开开展展多多专专家家协协同同的的异异地地设设计计，在在本本世世纪纪将将推推动机构学理论的高速发展。动机构学理论的高速发展。2.对对机机构构学学的的基
19、基础础理理论论研研究究将将有有新新的的进进展展和和突突破破。以以智智能能机机械械和和微微机机械械为为代代表表的的新新型型机机械械系系统统，将将需需要要构构建建新新的的机机构构学学理论。理论。例例如如，微微型型机机械械并并不不是是将将传传统统机机械械直直接接微微型型化化，而而是是涉涉及及多多学学科科的的综综合合技技术术的的应应用用。目目前前已已研研制制出出210 m100 m的的滑滑块块，直直径径为为60 m的的静静电电电电机机，由由原原子子直直接接排排列列而而成成的的纳纳米米齿齿轮轮，供供情情报报收收集集的的蚊蚊子子机机器器人人等等等等。而而微微型型人人造造卫卫星星、可可在在人人的的血血管管中
20、中爬爬行行的的机机器器人人以以及及进进行行眼眼科科手手术术的的微微型型机机械械手手等等也也都都已已经经或或即即将将见见诸诸应应用用。它它们们的的出出现现，推推动动了了处处于于机机械械原原理理学学科前沿的科前沿的微型机构学分支微型机构学分支的产生。的产生。3.机机构构学学研研究究已已渗渗透透到到生生物物学学研研究究领领域域，仿仿生生机机构构将将得得到到进进一步完善和发展。一步完善和发展。通通过过对对人人的的手手指指、手手腕腕和和手手臂臂的的研研究究，已已研研制制出出各各种种多多自自由由度度的的机机械械假假手手，造造福福人人类类。另另外外，通通过过研研制制蛇蛇形形机机构构来来探探测测管管道道故故障
21、障；研研究究鱼鱼游游机机构构来来解解决决深深水水探探测测问问题题；研研制制各各种种类类型型的的两两足足、四四足足、六六足足步步行行机机，完完成成各各种种地地形形甚甚至至是是其其他他星星球球表表面面的的探探测测任任务务。这这些些研研究究有有利利于于创创造造出出新新颖颖的的、具具有有特特殊殊功功能能的的新新机机构构来。来。以以上上分分析析仅仅是是本本门门学学科科新新近近发发展展的的一一部部分分。机机械械原原理理研研究究内内容容的的丰丰富富和和发发展展将将对对机机械械工工程程领领域域的的高高新新技技术术发发展展，起起着着决决定定性的作用。性的作用。小小结结基本要求：基本要求：明明确确本本课课程程研研
22、究究的的对对象象和和内内容容，以以及及在在培培养养高高级级技技术术人人才才全全局局中中的的地地位位、任任务务和和作作用用。对对机机械械原原理理学学科科的的发发展展趋趋势势有有所了解。所了解。重重 点：点：介绍本课程研究的对象和内容。介绍本课程研究的对象和内容。1.中国机械发展史中国机械发展史2.世界机械发展史世界机械发展史3.机器人发展史机器人发展史4.微型机器人发展史微型机器人发展史5.机械原理发展史机械原理发展史6.机械设计发展史机械设计发展史7.CAD与与CAM发展史发展史8.智能结构发展史智能结构发展史9.智能机械发展史智能机械发展史10.数控机床发展史数控机床发展史11.机床发展史机
23、床发展史12.精密仪器发展史精密仪器发展史13.航天器发展史航天器发展史14.航空器发展史航空器发展史15.微机械发展史微机械发展史16.纳米科学发展史纳米科学发展史17.摩擦学发展史摩擦学发展史综合训练环节综合训练环节(1)撰写机械小论文撰写机械小论文小论文题目：小论文题目：注意事项：1.1.本次训练是对文献的调研和总结，引用处要标注参本次训练是对文献的调研和总结，引用处要标注参考文献，应查阅大量文章和资料，不允许只拷贝考文献，应查阅大量文章和资料，不允许只拷贝1 1、2 2篇文献。篇文献。2.2.要达到对机械学科发展整个概况的了解；另一方面，要达到对机械学科发展整个概况的了解；另一方面，锻炼调研和总结说明的能力。锻炼调研和总结说明的能力。3.3.反对抄袭，一经发现，以零分记。反对抄袭，一经发现，以零分记。本周开始，第5周上交。