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1、机械原理与机械设计机械原理与机械设计TheoryandDesignofMechanismsandMachines课程内容课程内容导论导论（第（第1篇篇）机械原理部分机械原理部分（第（第2篇第篇第4篇篇）机械设计部分机械设计部分（第（第5篇第篇第6篇篇）课程设计部分课程设计部分（第（第7篇篇）第一篇 导 论第一章第一章 机械的组成、分类与发展机械的组成、分类与发展第二章第二章 机械的设计与相关课程简介机械的设计与相关课程简介整个课程的总绪论整个课程的总绪论第一章第一章机械的组成、分类与发展机械的组成、分类与发展 内容提要q 认识机器认识机器q 机器的分类和组成机器的分类和组成q 机械发展历程概述
2、机械发展历程概述 第一节第一节认识机器认识机器通过上周的实践，我们已经认识了几通过上周的实践，我们已经认识了几种典型的机器：种典型的机器：内燃机内燃机 牛头刨床牛头刨床 汽汽 车车电池自动分拣机电池自动分拣机 通用工业机器人通用工业机器人第二节第二节机器的分类和组成机器的分类和组成机器和它的分类机器和它的分类机器的组成机器的组成机器中的几个基本概念机器中的几个基本概念返回返回什么是什么是机器机器呢？呢？机器和它的分类机器和它的分类 机器：机器：是人为实物的组合体，是人为实物的组合体，具有确定的机械运动，具有确定的机械运动，可以用来转换能量、可以用来转换能量、完成有用功完成有用功或处理信息，或处
3、理信息，以代替或减轻人的劳动。以代替或减轻人的劳动。根据用途的不同，根据用途的不同，机器可分为机器可分为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动力机器其用途是转换机械能。其用途是转换机械能。其他形式的能量其他形式的能量机械能机械能原动机原动机如蒸汽机、内燃机、电动机如蒸汽机、内燃机、电动机换能机换能机机械能机械能其他形式的能量其他形式的能量返回返回如空气压缩机如空气压缩机加工机器尺寸尺寸形状形状性质性质状态状态用来改变被用来改变被加工对象的加工对象的如如:加工机床加工机床轧钢机轧钢机纺织机纺织机包装机等。包装机等。返回返回运输机器用来搬运物品和人。用来搬运物品和人。如
4、汽车、飞机、起重机、运输机。如汽车、飞机、起重机、运输机。返回返回信息机器其功能是处理信息。其功能是处理信息。例如复印机、打印机、绘图机等。例如复印机、打印机、绘图机等。信息机器虽然也作机械运动，但其目的是处理信息，信息机器虽然也作机械运动，但其目的是处理信息，而不是完成有用的机械功，因而其所需的功率甚小。而不是完成有用的机械功，因而其所需的功率甚小。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转换机械能转换机械能完成机械功完成机械功作功很小作功很小现代机器的出现使机器按功能的分类变得模现代机器的出现使机器按功能的分类变得模糊：糊：机器人：进行焊接和装配，是加工机器；进行焊
5、接和装配，是加工机器；用来搬运物品，也是运输机械；用来搬运物品，也是运输机械；而且是按照一定的信息来搬运；也是信息机械。而且是按照一定的信息来搬运；也是信息机械。电池分拣机：实现了电池的搬运，但它是根据电池的质量信息实现了电池的搬运，但它是根据电池的质量信息来进行分拣后的搬运。来进行分拣后的搬运。返回返回 机构 在在认认知知机机器器的的实实践践中中，我我们们已已经经初初步步认识了几种机构：认识了几种机构：机器中的几个基本概念机器中的几个基本概念什什么么是是机机构构呢呢？连杆机构、凸轮机构、连杆机构、凸轮机构、棘轮机构、螺旋机构、齿轮机构棘轮机构、螺旋机构、齿轮机构内燃机内燃机连杆机构活塞的往复
6、移动活塞的往复移动曲轴的转动曲轴的转动牛头刨床牛头刨床圆盘的转动圆盘的转动滑枕的往复移动滑枕的往复移动连杆机构 内燃机何牛头刨床中的连杆机构的共内燃机何牛头刨床中的连杆机构的共同点：同点：构件间都形成可相对转动或相对移动构件间都形成可相对转动或相对移动的活动连接。的活动连接。都是实现运动形式的变换。都是实现运动形式的变换。它们都属于连杆机构。它们都属于连杆机构。凸轮机构、齿轮机构和棘轮机构实现凸轮机构、齿轮机构和棘轮机构实现的运动转换与连杆机构不同，构件之的运动转换与连杆机构不同，构件之间的连接形式也不同，构件的形状也间的连接形式也不同，构件的形状也不同。不同。因此，可给出机构的如下定因此，可
7、给出机构的如下定义：义：机构：机构：人为实物的组合体，人为实物的组合体，具有确定的机械运动，具有确定的机械运动，可以用来传递和转换运动。可以用来传递和转换运动。机器机器：人为实物的组合体，人为实物的组合体，具有确定的机械运动，具有确定的机械运动，可以用来转换能量、可以用来转换能量、完成有用功完成有用功 或处理信息，或处理信息，以代替或减轻人的劳动。以代替或减轻人的劳动。机器是由机构组成的。机器是由机构组成的。简单的机器，可能只含有一个机构简单的机器，可能只含有一个机构,但一般都含有但一般都含有多个机构。多个机构。机械机械:机器和机构的总称机器和机构的总称。机器机器 机构机构机器中的单个机构不具
8、有转换能量或完成有用功机器中的单个机构不具有转换能量或完成有用功的功能。的功能。在各种机械中广泛使用的一些机构称为在各种机械中广泛使用的一些机构称为常用机构。常用机构。如：如：连杆机构、连杆机构、凸轮机构、凸轮机构、齿轮机构、齿轮机构、间歇运动机构。间歇运动机构。常用机构常用机构我们已经多次使用了我们已经多次使用了“构件构件”这个术语。这个术语。活塞、连杆、曲轴、滑枕等都是构件。活塞、连杆、曲轴、滑枕等都是构件。构件是组成机构的有确定运动的单元。构件构件是运动的单元，而零件是制造的单元构件是运动的单元，而零件是制造的单元。构件零件各种机械中广泛使用的零件称为各种机械中广泛使用的零件称为通用零件
9、通用零件。如螺栓、轴、齿轮、弹簧等。如螺栓、轴、齿轮、弹簧等。只在某一类机械中使用的零件称为只在某一类机械中使用的零件称为专用零件专用零件。如内燃机中的活塞、曲轴等。如内燃机中的活塞、曲轴等。通用零件中主要包括三大类零件：通用零件中主要包括三大类零件：传动零件传动零件（齿轮、带、链等）（齿轮、带、链等）联接零件联接零件（螺栓、键等）（螺栓、键等）轴系零件轴系零件（轴、轴承等）（轴、轴承等）此外此外:弹簧弹簧等零件。等零件。通用零件与专用零件返回返回机器的组成机器的组成传统机器传统机器都包含如下三个部分：都包含如下三个部分：驱动装置传动装置执行装置常称为原动机，是机器常称为原动机，是机器的动力来
10、源。的动力来源。常用：电动机、内燃机、常用：电动机、内燃机、液压缸和气动缸，液压缸和气动缸，以各种电动机的应用最以各种电动机的应用最为普遍。为普遍。处于整个传动路线的终端，处于整个传动路线的终端，按照工艺要求完成确定的运按照工艺要求完成确定的运动，是直接完成机器功能的动，是直接完成机器功能的部分。部分。执行装置随机器的用途不同执行装置随机器的用途不同而不同，它属于各种专业机而不同，它属于各种专业机械课程研究的内容。械课程研究的内容。恩恩格格斯斯如牛头刨床、空气压缩机如牛头刨床、空气压缩机驱动装置传动装置执行装置将原动机的运动和动力传递给执行装置，将原动机的运动和动力传递给执行装置，并实现运动速
11、度和运动形式的转换。并实现运动速度和运动形式的转换。运动速度的转换运动速度的转换运动形式的转换运动形式的转换运动速度的转换运动速度的转换传动装置解决原动机速度和执行装置速度不匹配的问题。传动装置解决原动机速度和执行装置速度不匹配的问题。一般的普通交流电动机速度是固定的。一般的普通交流电动机速度是固定的。一般机器执行部分速度低于原动机的转速一般机器执行部分速度低于原动机的转速,需要减速。需要减速。（也有相反的情况，需要增速）。（也有相反的情况，需要增速）。许多机器还需要执行装置有多种不同的速度。许多机器还需要执行装置有多种不同的速度。鼠笼式交流电动机的同步转速（r/min）500 600750
12、10001500 3000带、链传动各种齿轮传动减速器例如自行车链传动例如汽车、机床的变速器运动形式的转换运动形式的转换机器执行部分可能机器执行部分可能有各种运动形式：有各种运动形式：一般的原动机一般的原动机作回转运动作回转运动变速回转变速回转往复摆动往复摆动往复移动往复移动间歇运动间歇运动特定轨迹特定轨迹转换运动形式转换运动形式的各种机构的各种机构间歇运动机构间歇运动机构连杆机构连杆机构连杆机构连杆机构连杆机构连杆机构凸轮机构凸轮机构凸轮机构凸轮机构连杆机构连杆机构 随着20世纪后半叶以来现代科学技术的发展，特别是控制理论的发展和计算机在工业上的应用，机器的组成更复杂了。驱动装置传动装置执行
13、装置控制装置检测伺服电机检测伺服电机的输出转角的输出转角检测执行装置检测执行装置的运动输出的运动输出由程序给定由程序给定运动规律运动规律前馈控制反馈控制传传感感器器传传感感器器控制装置的作用是控制机器控制装置的作用是控制机器各部分的运动。各部分的运动。测量运动构件真实测量运动构件真实运动情况，并将测运动情况，并将测量结果随时反馈给量结果随时反馈给控制系统控制系统发出指发出指令调节令调节伺服电伺服电机的运机的运动动驱动装置传动装置执行装置控制装置驱动装置传动装置执行装置传统机器现代机器普通车床普通车床牛头刨床牛头刨床空气压缩机空气压缩机起重机起重机掘土机掘土机皮带运输机皮带运输机机器人机器人数控
14、机床数控机床心脏躯干，臂手脑眼返回返回第三节第三节机械的发展历程概述机械的发展历程概述机械的发展历程机械的发展历程机械设计及理论的发展历程机械设计及理论的发展历程古古代代近近代代现现代代简单机械：杠杆、车轮、滑轮、斜面、螺旋等。简单机械：杠杆、车轮、滑轮、斜面、螺旋等。公元前公元前3000年，在修建金字塔的过程中，就使用了年，在修建金字塔的过程中，就使用了滚木来搬运巨石。滚木来搬运巨石。阿基米德用螺旋将水提升至高处，那就是今天的螺阿基米德用螺旋将水提升至高处，那就是今天的螺旋式输送机的始祖。旋式输送机的始祖。远古时代公元一世纪 东汉“水排水排”用水力鼓风炼铁，其中应用用水力鼓风炼铁，其中应用了
15、齿轮和连杆机构了齿轮和连杆机构古代中国 晋 代 “连连磨磨”用一头牛驱动八台磨盘，用一头牛驱动八台磨盘，其中应用了齿轮系。其中应用了齿轮系。中世纪 欧洲 用脚踏板驱动的用脚踏板驱动的加工木棒的车床加工木棒的车床中世纪 欧洲 利用曲轴的研磨机利用曲轴的研磨机13世纪以后，机械钟表在欧洲发展起来。连杆机构、齿轮机构和凸轮机构等在古代机械中即已经有所应用。在达芬奇时代，现在最常用的一些机构型式即已基本知晓。近 代：18世纪中叶 20世纪中叶 动力的变革动力的变革材料的变革材料的变革加工手段的变革加工手段的变革生产模式的变革生产模式的变革机构与传动的变革机构与传动的变革机械理论和设计方法的建立机械理论
16、和设计方法的建立近代 动力的变革动力的变革1765年，瓦特（年，瓦特（Watt）发明了蒸汽机。）发明了蒸汽机。揭开了第一次工业革命的序幕。揭开了第一次工业革命的序幕。蒸汽机给人类带来了强大的动力，各种由动力驱蒸汽机给人类带来了强大的动力，各种由动力驱动的产业机械动的产业机械纺织机、车床等，如雨后春笋般纺织机、车床等，如雨后春笋般出现。出现。古代机械的动力：人力、畜力和水力。古代机械的动力：人力、畜力和水力。动力制约了机械的发展。动力制约了机械的发展。首先是动力的变革推动了机械的飞速发展和广泛首先是动力的变革推动了机械的飞速发展和广泛应用。应用。蒸汽机无法实现小型化，所以在当时的工厂里采用集中驱
17、动的方式。蒸汽机时代的纺织工厂蒸汽机时代的纺织工厂蒸汽机皮带天轴皮带生产机械 2皮带生产机械 1皮带生产机械 319世纪，第二次工业革命世纪，第二次工业革命电动机和内燃机发明电动机和内燃机发明为汽车、飞机的为汽车、飞机的出现提供了可能性。出现提供了可能性。电力代替了蒸汽。电力代替了蒸汽。集中驱动被抛弃了，集中驱动被抛弃了，每台机器都安装了独每台机器都安装了独立的电动机。立的电动机。与此同时，戴姆勒也发明与此同时，戴姆勒也发明出了他的第一辆四轮汽车。出了他的第一辆四轮汽车。1886年，本茨发明的汽油发动机年，本茨发明的汽油发动机为动力的三轮车被授予专利。为动力的三轮车被授予专利。莱莱特特兄兄弟弟
18、190319世纪中叶，发明了世纪中叶，发明了炼钢法炼钢法，从那时一直到现在，从那时一直到现在，钢铁始终是制造机械最主要的材料。钢铁始终是制造机械最主要的材料。18世纪末，现代世纪末，现代车床车床的雏形在英国问世的雏形在英国问世;19世纪中叶世纪中叶,通用机床通用机床的各种类型已大体齐备；的各种类型已大体齐备；19世纪末，世纪末，自动机床、大型机床自动机床、大型机床出现。出现。近代 材料材料的变革的变革近代 加工手段加工手段的变革的变革近代 生生产产模式的模式的变变化化社会需求日益增长。社会需求日益增长。20世纪初叶，机械制造进入了世纪初叶，机械制造进入了大大批量生产模式批量生产模式的时代。标志
19、：美国福特汽车的生产的时代。标志：美国福特汽车的生产进行大批量生产的要求。进行大批量生产的要求。近代 机构与机构与传动传动的的变变革革提高生产率的需要。提高生产率的需要。基于动力的变革，大幅度提高机器的速度成为可能。基于动力的变革，大幅度提高机器的速度成为可能。机器速度的提高是几百年来未曾停遏的发展趋势。机器速度的提高是几百年来未曾停遏的发展趋势。高速化高速化自动化自动化精密化精密化提高产品质量的需要。提高产品质量的需要。基于加工水平的提高，提高机器的精度成为可能。基于加工水平的提高，提高机器的精度成为可能。近近代代机机械械的的发发展展趋趋向向要求不断完善已有的机构，要求不断完善已有的机构，并
20、发明出新的机构并发明出新的机构例如：例如：18世纪，欧拉（世纪，欧拉（Euler）首次提出采用渐开线作为齿轮的齿廓，首次提出采用渐开线作为齿轮的齿廓，从而使高速、大功率的机械传动成为可能。从而使高速、大功率的机械传动成为可能。20世纪世纪各种大传动比、结构紧凑的新型传动，各种大传动比、结构紧凑的新型传动，高速的步进机构，高速的步进机构，精密的滚动螺旋传动，精密的滚动螺旋传动，机构的创新一直到今天也没有停止。机构的创新一直到今天也没有停止。机器的发展，呼唤着机械的理论和设计方法。机器的发展，呼唤着机械的理论和设计方法。牛顿经典力学的建立则为此准备了理论基础。牛顿经典力学的建立则为此准备了理论基础
21、。近代 机械理机械理论论和和设计设计方法的建立方法的建立材料学材料学强度理论强度理论运动学运动学静力学静力学动力学动力学牛顿经典力学牛顿经典力学机机构构结结构构学学机机构构运运动动学学机机器器静静力力学学机器要运动、要传递机器要运动、要传递力，因此，最先发展力，因此，最先发展起来的是：起来的是：材料学材料学强度理论强度理论运动学运动学静力学静力学动力学动力学牛顿经典力学牛顿经典力学机机构构结结构构学学机机构构运运动动学学机机器器静静力力学学机机器器动动力力学学随着机器运转速随着机器运转速度的不断提高，度的不断提高，机器的振动、速机器的振动、速度波动等问题引度波动等问题引起了人们的重视，起了人们
22、的重视，机械动力学发展机械动力学发展起来。起来。材料学材料学强度理论强度理论运动学运动学静力学静力学动力学动力学牛顿经典力学牛顿经典力学机机构构结结构构学学机机构构运运动动学学机机器器静静力力学学机机器器动动力力学学机机械械零零件件设设计计到到20世纪上半叶，机械设计的方法已基本形成。世纪上半叶，机械设计的方法已基本形成。但是，这些方法都基于图解和手工计算。但是，这些方法都基于图解和手工计算。现 代：20世纪中叶 计算机的发明计算机的发明科学技术发展史上划时代的大事。科学技术发展史上划时代的大事。现代机器的出现现代机器的出现计算机使机械设计方法面目一新计算机使机械设计方法面目一新现 代：机器人
23、的出现机器人的出现随着随着计算机计算机和和伺服电机伺服电机的出现，的出现，机器人机器人作为作为现代机器的代表走上了历史舞台。现代机器的代表走上了历史舞台。工业机器人工业机器人特种机器人特种机器人工业机器人工业机器人：在工业生产中越来越广泛地应：在工业生产中越来越广泛地应用。用于搬运、装配、焊接、喷漆、凿岩等工用。用于搬运、装配、焊接、喷漆、凿岩等工作。作。清洗飞机的机器人隧道凿岩的机器人第一汽车制造厂的汽车装配生产线几几 种种工业机器人工业机器人特种机器人特种机器人：在潜水、管道修理、外科手：在潜水、管道修理、外科手术、生物工程、军事、星际探索等领域应术、生物工程、军事、星际探索等领域应用，承
24、担着许多由人的直接操作无法完成用，承担着许多由人的直接操作无法完成的工作。的工作。水下扫雷机器人爬壁机器人几种几种特种机器人特种机器人 军用昆虫机器人爬缆索机器人数控车床 数控加工中心计算机控制系统和伺服电机被引入到传统机器中来，计算机控制系统和伺服电机被引入到传统机器中来，使其组成、面貌和功能发生了革命性的变化。使其组成、面貌和功能发生了革命性的变化。现代机器向主动控制、信息化和智能化方向发展，现代机器向主动控制、信息化和智能化方向发展，从这个意义上讲，正如有的学者所说：从这个意义上讲，正如有的学者所说：“今后的机器都将是机器人”。现 代：机械理论和设计方法面目一新机械理论和设计方法面目一新
25、 20世纪最后世纪最后30年，计算机应用的普及极大地推动了年，计算机应用的普及极大地推动了机械分析与设计方法的革新。机械分析与设计方法的革新。计算机计算代替了手工计算法和图解方法。计算机计算代替了手工计算法和图解方法。计算机辅助设计、优化设计、有限元法、动态设计计算机辅助设计、优化设计、有限元法、动态设计等现代设计方法迅速发展。等现代设计方法迅速发展。计算机不仅是大大地提高了计算速度，而且已成为计算机不仅是大大地提高了计算速度，而且已成为机械分析与设计的前所未有的强大手段。机械分析与设计的前所未有的强大手段。整个机械设计的理论和方法焕然一新。整个机械设计的理论和方法焕然一新。现代意义上的机械设
26、计已经根本离不开计算机了。现代意义上的机械设计已经根本离不开计算机了。人有了知识，就会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说古人说“书中自有黄金屋。书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进鼓舞我们前进。