第一章机械组成、分类与发展

1、第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 机械原理与机械设计机械原理与机械设计 Theory and Design of Mechanisms and Machines 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 国家级十五规划教材国家级十五规划教材 机械原理与机械设计机械原理与机械设计 机械工业出版社出版机械工业出版社出版 第一版第一版 20042004年年 天津大学机械原理与机械设计教研室集体编写天津大学机械原理与机械设计教研室集体编写 主主 编：张编：张 策策 副主编：陈树昌副主编：陈树昌 孟彩芳孟彩芳 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 课程内容

2、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 ） 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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

3、类和组成 q 机械发展历程概述机械发展历程概述 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 什么是

4、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，或处理信息， 以代替或减轻人的劳动。以代替或减轻人的劳动。 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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

5、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 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 运输机器 用来搬运物品和人。用来搬运物品和人。 如汽车、飞机、起重机、运输机。如汽车、飞机、起重机、运输机。 返回返回 第一章机械组成、分类与发

6、展第一章机械组成、分类与发展 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，而不是完成有用的机械功，因而其所需的功率甚 小。小。 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 现代机器的出现使机器按功能的

7、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 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 机构 在认知机器的实践中，我们已经初步在认知机器的实践中，我们已经初步 认识了几种机构：认识了几种机构： 机器中的几个基本

8、概念机器中的几个基本概念 什么是机构呢？什么是机构呢？ 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 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 内燃机内燃机 连杆机构 活塞的往复移动活塞的往复移动曲轴的转动曲轴的转动 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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

9、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。 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 因此，可给出机构的如下定因此，可给出机构的如下定 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

10、。 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。 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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

11、功能。 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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

12、第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 各种机械中广泛使用的零件称为通用零件。各种机械中广泛使用的零件称为通用零件。 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专用零件。只在某一类机械中使用的零件称为专用零件。 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: 弹簧等零件。弹簧等零件。 通用零件与专用零件 返回返

13、回 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 机器的组成机器的组成 传统机器都包含如下三个部分：传统机器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

14、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。 恩格斯恩格斯 如牛头刨床、空气压缩机如牛头刨床、空气压缩机 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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

15、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） 600 750 1000 1500 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 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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

16、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 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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

17、 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 传感器传感器 传感器传感器 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。 测量运动构件真测量运动构件真 实运动情况，并实运动情况，并 将测量结果随时将测量结果随时 反馈给控制系统反馈给控制系统 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 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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

18、重机 掘土机掘土机 皮带运输机皮带运输机 机器人机器人 数控机床数控机床 心脏躯干，臂手 脑 眼 返回返回 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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

19、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 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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 了齿轮和连杆机构了齿轮和连杆机构 古代中国 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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。 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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

20、 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 中世纪 欧洲 利用曲轴的研磨机利用曲轴的研磨机 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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。 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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和设计方法的建立 第一章

21、机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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

22、。 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 蒸汽机无法实现小型化，所以在当时的工厂里采用集中 驱动的方式。 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 3 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 19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。 第一章机械组成、分类与发展

23、第一章机械组成、分类与发展 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年，本茨发明的汽油发动 机为动力的三轮车被授予专利。机为动力的三轮车被授予专利。 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 莱莱 特特 兄兄 弟弟 1903 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 19世纪中叶，发明了炼钢法，从那时一直到现在，世纪中叶，发明了炼钢法，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，现代车床的雏形在英国问世世纪末，现代车床的雏形在英国问

24、世; 19世纪中叶世纪中叶, 通用机床的各种类型已大体齐备；通用机床的各种类型已大体齐备； 19世纪末，自动机床、大型机床出现。世纪末，自动机床、大型机床出现。 近代 材料的变革材料的变革 近代 加工手段的变革加工手段的变革 近代 生产模式的变化生产模式的变化 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 大批量生产模式的时代。标志：美国福特汽车的生产大批量生产模式的时代。标志：美国福特汽车的生产 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 进行大批量生产的要求。进行大批量生产的要求。 近代 机构与传动的变革机构与传动的变革 提高生产率的

25、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。 近代机械的发展趋向近代机械的发展趋向 要求不断完善已有的机构，要求不断完善已有的机构， 并发明出新的机构并发明出新的机构 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 例如：例如： 18世纪，欧拉（世纪，欧拉

26、（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。 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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

27、基础。 近代 机械理论和设计方法的建立机械理论和设计方法的建立 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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 机构结构学机构结构学 机构运动学机构运动学 机器静力学机器静力学 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： 第一章机械组成、分类与发展第一章机械组成、分类与发展 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 机构结构学机构结构学 机构运动学机构运动学 机器静力学机器静力学 机器动力学机器动力学 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，起了人们的重视， 机械动力学发展机械动力学发展 起来。起来。 第