机械原理-课件

机械原理(机构与机器理论)Mechanisms and Machine Theory机械原理课程组机械原理课程组中北大学中北大学参考教材：1.中文教材：机械原理中文教材：机械原理 李瑞琴主编，国防李瑞琴主编，国防工业出版社，工业出版社，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 and Machinery）机器和机构综合分析（）机器和机构综合分析（An Introduction to the Synthesis and Analysis of Mechanisms and Machines）.（英文版，（英文版，原书第二版）（含光盘）原书第二版）（含光盘），2002参考教材：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.邹慧君邹慧君等等主编主编.机械原理学习与考研指导机械原理学习与考研指导.北京北京:科学出版社科学出版社,2004.6.第一章 绪论 1.1 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1.21.2 机械原理课程的地位和作用机械原理课程的地位和作用1.31.3 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1.1 机械原理的研究对象和研究内容1.1.1 机械原理研究对象 机械原理是研究机构和机器的运动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及动力特性，以及机械运动方案设计的一门一门技术基础学科技术基础学科。是。是机械设计及理论机械设计及理论学科的重要内容之一。学科的重要内容之一。机械原理的研究对象是机械。机械原理的研究对象是机械。机械是机构与机器的总称。机械是机构与机器的总称。p 机械机械 机械机械（Machinery）是是机器机器(Machines)与机构与机构(Mechanisms)的总称。的总称。p 机器的定义机器的定义 是一种由人为物体组成的具有确定机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。程，以代替人类的劳动。机械原理的基本概念机械原理的基本概念1.1.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。能变换成其他形式的能量。例如：内燃机、压气机、涡轮机、电动机、发电机等。例如：内燃机、压气机、涡轮机、电动机、发电机等。2.2.工作机器工作机器 完成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：金属切削机床、织布机、印刷机、包装机、缝例如：金属切削机床、织布机、印刷机、包装机、缝纫设备、汽车、飞机、起重机、输送机等。纫设备、汽车、飞机、起重机、输送机等。3.3.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内燃机 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：内燃机起重机牛头刨床包装机p 机构的定义机构的定义 机构具有确定运动的构件系统，能按机构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。预定的方式转换和传递力和运动。p 构件构件(Links)和零件和零件(Machine Elements)在机器的运动学分析中在机器的运动学分析中,我们关心的是我们关心的是 构件的运动而不是零件的运动。构件的运动而不是零件的运动。机构构件构件是运动分析的基本单元。是运动分析的基本单元。构件可以是单一的零件，也可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以是由几个零件组成的刚性结构。构。零件零件是制造的基本元素是制造的基本元素。构件与零件例如：右图的连例如：右图的连杆构件由连杆体杆构件由连杆体,大端盖大端盖,螺母螺母,螺栓等多个零件螺栓等多个零件组成。组成。构件与零件常用机构常用机构常用机构常用机构 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途径。索创新机械的某些途径。（2）机构设计 1.1.2 机械原理课程的主要内容 机器虽然种类繁多，然而构成各种机器机器虽然种类繁多，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、的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、其他凸轮机构、连杆机构、间歇运动机构、其他用途机构及广义机构等一些常用的机构。用途机构及广义机构等一些常用的机构。本课程的多数内容是这些常用机构的本课程的多数内容是这些常用机构的分析和综合。分析和综合。（3）机构系统设计 机构系统设计是机械运动方案设计的主机构系统设计是机械运动方案设计的主要内容，介绍要内容，介绍机械运动方案设计机械运动方案设计步骤、功能步骤、功能分析、机构创新、执行机构的运动规律和机分析、机构创新、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。构系统运动协调设计等的基本原则和方法。1.1.2 机械原理课程的主要内容（4）机构动力学 为了设计出动力性能良好的机械，介绍在为了设计出动力性能良好的机械，介绍在已知力作用下机械的真实运动规律，减少机器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，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。机械运动过程中惯性力系的平衡问题。1.1.2 机械原理课程的主要内容1.2.1 机械原理课程的地位 机械原理是研究机构及机械原理是研究机构及机械运动简图设计的一门重机械运动简图设计的一门重要要技术基础课技术基础课。1.2 机械原理课程的地位和作用1.2.2 机械原理课程的作用 本课程的任务主要是使学生掌握机构学和机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，培养学生初步拟定机械运动方案、分析和设计基本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。机构的能力。学习本课程获得的知识是分析现有的机器和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。设计新机器所必须的基本知识。1.3.1 机械原理课程的学习目的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。熟悉和掌握各种熟悉和掌握各种典型机构典型机构的结构和运动特点，深入理的结构和运动特点，深入理解满足实际生产需要的机构分析和设计方法解满足实际生产需要的机构分析和设计方法。熟悉和掌握熟悉和掌握机械运动简图机械运动简图的画法，要习惯于采用运动的画法，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。简图来认识机构和机器，想象机构和机器的运动情况。对于课程中的对于课程中的基本概念基本概念要深刻理解才能更好地掌握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。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深入理解和全面掌握本课程的基本研究方法基本研究方法。这些基。这些基本研究方法有：杆组法、转换机架法、机构演化法、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。分析和设计。注意在学习中进行注意在学习中进行前后联系、融会贯通前后联系、融会贯通，如利用瞬心，如利用瞬心的概念对凸轮机构、齿轮机构等进行分析。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，归纳总结求解习题前应先重点复习有关例题，归纳总结解题思解题思路路，从中得到启示，以达到举一反三的效果，从中得到启示，以达到举一反三的效果。1.3.2 机械原理课程的学习方法1.4.1 机械设计的一般进程1.4.2 机械运动方案设计的主要内容1.4.3 机电一体化技术在机械运动方案 设计中的作用1.4 1.4 机械设计概述机械设计概述 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：1.4.1 机械设计的一般进程(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 1）机械运动简图的型综合）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 2）机械运动简图的尺度综合）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 1.4.2 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、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性一步。性能和经济效益的关键性一步。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等基本要求进行新机械的方案设计，在方案设计阶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，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图。一般情况下，它往往是机械最核心统运动简图。一般情况下，它往往是机械最核心的部分。的部分。机械运动方案设计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 （1 1）机电一体化）机电一体化(Mechatronics)(Mechatronics)的概念的概念（2 2）机电一体化产品本质上仍然是机械产品）机电一体化产品本质上仍然是机械产品（3 3）机电一体化产品的核心是广义执行机构）机电一体化产品的核心是广义执行机构（4 4）机电一体化产品与纯机械产品的比较）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，使新时，均应考虑电子技术与机械技术的结合，使新设计的机器达到性能优良、适应性强、操作控制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、自动化程度高方便、结构简单紧凑生产效率高、自动化程度高的先进水平。的先进水平。机电一体化技术在机械运动方案设计中的作用机电一体化技术在机械运动方案设计中的作用 1.5 机械原理学科的发展动向1.5.1 1.5.1 机构的结构理论机构的结构理论1.5.2 1.5.2 平面与空间连杆机构平面与空间连杆机构1.5.3 1.5.3 凸轮机构凸轮机构1.5.4 1.5.4 间歇运动机构间歇运动机构1.5.5 1.5.5 组合机构组合机构1.5.6 1.5.6 机械动力学机械动力学1.5.7 1.5.7 机构的最优化设计机构的最优化设计1.5.8 1.5.8 仿生机构学仿生机构学1.5.9 1.5.9 微型机械微型机械1.5.10 1.5.10 机构系统设计机构系统设计机构学发展趋势机构学发展趋势(1)(1)现代机构的类型综合和设计方法将会不断展开，现代机构的类型综合和设计方法将会不断展开，逐步深入逐步深入(2)(2)机电一体化系统概念设计理论和方法及计算机实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现将会得到深入研究(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(4)(4)仿生机械的开发和应用仿生机械的开发和应用(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(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(7)(7)发展展望发展展望(1)(1)现代机构的类型综合和设计方法将会不断展开，现代机构的类型综合和设计方法将会不断展开，现代机构的类型综合和设计方法将会不断展开，现代机构的类型综合和设计方法将会不断展开，逐步深入逐步深入逐步深入逐步深入 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。(2)(2)机电一体化系统概念设计理论和方法及计算机实机电一体化系统概念设计理论和方法及计算机实机电一体化系统概念设计理论和方法及计算机实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现将会得到深入研究现将会得到深入研究现将会得到深入研究 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计达到一个新的高度，特别是机电一体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案的产生、创新方案的规范化表达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、创新方案的自动化实现等概念设计及计算机识别、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深入的研究；机械系统的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一定程度上的深入研概念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理论和方法及其究，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。辅助软件还有待进一步的研究和开发。(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 纳米技术的深入研究和广泛应用将会引纳米技术的深入研究和广泛应用将会引发一场新的科技革命，微机械技术的研究和发一场新的科技革命，微机械技术的研究和开发是它的其中一个核心的内容。现代机构开发是它的其中一个核心的内容。现代机构学为设计微机构开辟了有效的途径。微型机学为设计微机构开辟了有效的途径。微型机械的开发离不开各种各样微型机构及微动机械的开发离不开各种各样微型机构及微动机构的应用及其设计理论和方法的深入研究。构的应用及其设计理论和方法的深入研究。微机构的工作机理和受力分析已与传统的机微机构的工作机理和受力分析已与传统的机构有了根本的区别，值得我们进一步探索。构有了根本的区别，值得我们进一步探索。(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、去特性、动作、能量变换等都是值得人类去仿效、去研究的。仿生机构类型的深入研究，将会创造出形研究的。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、形色色的仿生机械，使现代机构学的应用更加广泛、更加有效。更加有效。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。(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发中相关的机器人和步行机的研究和开发中相关的机构类型、工作空间、动力特性、动刚度以机构类型、工作空间、动力特性、动刚度以及控制技术和可控机构的匹配都是需要应用及控制技术和可控机构的匹配都是需要应用现代机构学的理论和方法去解决的现代机构学的理论和方法去解决的。(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、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。