机械原理计算机辅助教与学：第1章 绪论

1、1.1 1.1 内容提要及基本概念内容提要及基本概念1.2 1.2 本章重点、难点本章重点、难点第一章第一章 绪绪 论论1.1 1.1 内容提要及基本概念内容提要及基本概念 机械原理又称机器理论与机构学。是机械工程各专业的一门重要的技术机械原理又称机器理论与机构学。是机械工程各专业的一门重要的技术基础课程。本课程的理论知识对于机械的设计、制造、运行、维修等方面具基础课程。本课程的理论知识对于机械的设计、制造、运行、维修等方面具有十分重要的作用。有十分重要的作用。1.1.1 内容提要内容提要 机械原理的研究对象机械原理的研究对象 机械设计概述机械设计概述 机械原理课程的地位和作用机械原理课程的地

2、位和作用 机械原理学科发展动向机械原理学科发展动向 1.机械原理的研究对象机械原理的研究对象 1）研究对象是机械）研究对象是机械.机械。机械是机构与机器的总称。机械。机械是机构与机器的总称。 机构的定义机构的定义: :把一个或几个构件的运动变换成其他构件所需的具有确定运把一个或几个构件的运动变换成其他构件所需的具有确定运 动的构件系统动的构件系统。 常用的机构包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、齿轮系、间歇运动机常用的机构包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、齿轮系、间歇运动机构、螺旋机构、万向联轴器等。机构种类有限。构、螺旋机构、万向联轴器等。机构种类有限。本章内容包括本章内容包括连杆机构连杆机构

3、 齿轮机构齿轮机构 凸轮机构凸轮机构机器的定义机器的定义：由人为物体组成的具有确定机械运动的装置，完成一定的工作由人为物体组成的具有确定机械运动的装置，完成一定的工作 过程，以代替人类的劳动。过程，以代替人类的劳动。实例：实例：缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用机器、起重机等。缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用机器、起重机等。机器与机构之间的关系机器与机构之间的关系机器是由机构组成的。例如图示单缸内燃机中就机器是由机构组成的。例如图示单缸内燃机中就包含了三种常用机构：连杆机构、齿轮机构、凸轮机构。包含了三种常用机构：连杆机构、齿轮机构、凸轮机构。 机构的作用机构的作用：一是用来将一

4、种运动形式（如旋转）变换成另外一种运动形式，一是用来将一种运动形式（如旋转）变换成另外一种运动形式，二是用来传递动力。二是用来传递动力。 机器的作用机器的作用：代替或减轻人类劳动，或将一种能量形式转换成另一种形式。：代替或减轻人类劳动，或将一种能量形式转换成另一种形式。 随着科学技术的发展，机器的内涵在不断变化。但是，机器完成运动随着科学技术的发展，机器的内涵在不断变化。但是，机器完成运动变换和动力传递或转换的本质属性不会改变。现代科技在机器中的应用，变换和动力传递或转换的本质属性不会改变。现代科技在机器中的应用，只是使机器具有信息化、智能化和柔性化。只是使机器具有信息化、智能化和柔性化。 3

5、）机器的组成）机器的组成动力机器动力机器完成能量的转换完成能量的转换 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 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机器的机器的类别类别2）机器的类别和功用）机器的类别和功用 其中实现机械运动的执行机构系统是机器的核心，机器中各个机构通其中实现机械运动的执行机构系统是机器的核心，机器中各个机构通过有序的运动和动力传递来最终实现功能变换，完成工作过程。机器中的过有序的运动和动力传递来最终实现功能变换，完成工作过程。机器中的运动单元体称为构件。因此，机构是把一个或几个构件的运动，变换成其运动单元体称为构件。因此，机构是

6、把一个或几个构件的运动，变换成其他构件所需的具有确定运动的构件系统。他构件所需的具有确定运动的构件系统。控制系统控制系统信息测量和处理系统信息测量和处理系统由计算机来完成由计算机来完成动力部分动力部分传动部分及执行机构系统传动部分及执行机构系统完成工作过程完成工作过程机器的机器的组成组成潘存云教授研制控制器控制器(控制部分控制部分)电动机电动机(原动部分原动部分)减速器减速器(传动部分传动部分)波轮波轮(工作部分工作部分)分析自动洗衣机的组成：分析自动洗衣机的组成：潘存云教授研制带带(传动部分传动部分)2.机械设计概述机械设计概述 不了解机械设计的进程和内容，就不能深不了解机械设计的进程和内容

7、，就不能深刻理解机械原理课程的作用及其重要性。刻理解机械原理课程的作用及其重要性。 1）机械设计的一般进程）机械设计的一般进程 一般而言，机械产品的研制过程包括设计、一般而言，机械产品的研制过程包括设计、制造、试验，定型等环节。其中机械设计阶段制造、试验，定型等环节。其中机械设计阶段又包括以下四个进程：又包括以下四个进程：产品规划产品规划根据市场需求确定产品设计要求。根据市场需求确定产品设计要求。方案设计方案设计产品设计的关键。主要完成机械产品设计的关键。主要完成机械运动方案的设计，本课程将为方案设计提供设运动方案的设计，本课程将为方案设计提供设计理论与方法。计理论与方法。详细设计详细设计将机

8、械运动方案设计结果将机械运动方案设计结果运运动简图具体化为机器及零部件的合理结构。它动简图具体化为机器及零部件的合理结构。它对产品的技术性能和经济指标有直接影响。该对产品的技术性能和经济指标有直接影响。该步骤涉及机械设计、材料力学等课程的内容。步骤涉及机械设计、材料力学等课程的内容。详细设计详细设计方案设计方案设计产品规划产品规划改进设计改进设计产品定型产品定型运行试验运行试验加工制造加工制造改进设计改进设计对试验或使用过程中发现的问题进行改进，使产品性能日益完善。对试验或使用过程中发现的问题进行改进，使产品性能日益完善。 2 2）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 机械运

9、动简图的类型综合。机械运动简图的类型综合。 通常称为机构选型，即根据机械所要完成的一系列执行动作选择适宜的执行通常称为机构选型，即根据机械所要完成的一系列执行动作选择适宜的执行机构类型，组合成完整的机械系统。机构类型，组合成完整的机械系统。 机械运动简图的尺度综合。机械运动简图的尺度综合。 确定机构各部分的尺寸参数，以使机械能完成预定的执行动作，必要时，还确定机构各部分的尺寸参数，以使机械能完成预定的执行动作，必要时，还可以改变机构的类型。可以改变机构的类型。 3 3）机电一体化技术在机械运动方案设计中的应用）机电一体化技术在机械运动方案设计中的应用 随着机电一体化技术的不断发展和广泛采用，一

10、方面，使机械的性能得到极随着机电一体化技术的不断发展和广泛采用，一方面，使机械的性能得到极大提高，另一方面，又大大简化了机械传动系统。因此，现代机械设计应该尽大提高，另一方面，又大大简化了机械传动系统。因此，现代机械设计应该尽可能采用机电一体化技术。可能采用机电一体化技术。3.3.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 1）课程的地位和作用）课程的地位和作用 机械原理是研究机构和机械运动简图设计的一门重要技术基础课程，其机械原理是研究机构和机械运动简图设计的一门重要技术基础课程，其任务主要是使学生掌握机构学和机械动力学的基本理论、基本知识和基本技任务主要是使学生掌握机构学和机械动

11、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系统运动方案、分析和设计基本机构的能力。能。培养学生初步拟定机械系统运动方案、分析和设计基本机构的能力。 2 2）课程的主要内容）课程的主要内容 机械原理课程主要包括以下内容：机械原理课程主要包括以下内容： 机构的组成原理和类型综合。机构的组成原理和类型综合。 典型机构的设计。典型机构的设计。 机械系统的设计。机械系统的设计。 机械动力学。机械动力学。 3）本课程的学习方法）本课程的学习方法 掌握各种典型机构的结构、分析和设计方法。掌握各种典型机构的结构、分析和设计方法。 掌握机械运动简图的画法，并习惯用简图来认识机构和机器。掌握机械运动

12、简图的画法，并习惯用简图来认识机构和机器。 深刻理解课程中的基本概念。深刻理解课程中的基本概念。 掌握本课程的基本研究方法，如杆组法、转换机架法、机构演化法、掌握本课程的基本研究方法，如杆组法、转换机架法、机构演化法、等效法等。等效法等。 善于将前后内容联系，融会贯通。善于将前后内容联系，融会贯通。 复习有关例题，归纳总结解题思路。复习有关例题，归纳总结解题思路。应用领域扩大应用领域扩大上天上天( (太空探险太空探险) )、入地、入地( (水平钻探水平钻探) )、下海、下海( (深海勘深海勘探、打捞作业探、打捞作业) )、甚至钻入人体内、甚至钻入人体内( (血管清理血管清理) )与其他学科的交

13、叉渗透作用增强与其他学科的交叉渗透作用增强与电子工程、计算机科学、控与电子工程、计算机科学、控制工程、材料科学、生物医学等相互渗透，诞生了若干新学科。如制工程、材料科学、生物医学等相互渗透，诞生了若干新学科。如机械电子学、仿生机械学、机器人机械学、机械机械电子学、仿生机械学、机器人机械学、机械CAD CAD 新机构不断涌现新机构不断涌现如自控机构、机器人机构、仿生机构、柔性及如自控机构、机器人机构、仿生机构、柔性及弹性机构、机电气液综合机构等弹性机构、机电气液综合机构等注重机械的动力性能注重机械的动力性能在机械分析与综合时，由只考虑运动性能在机械分析与综合时，由只考虑运动性能过渡到同时考虑其动

14、力性能过渡到同时考虑其动力性能机械原机械原理学科理学科的发展的发展4.机械原理学科的发展机械原理学科的发展多种星际探测器多种星际探测器神舟六号载人飞船神舟六号载人飞船和和平平号号空空间间站站国国际际空空间间站站空中客车空中客车A380的最大载的最大载客量为客量为840人，最大航程人，最大航程16,000 km，是目前全球，是目前全球载客量最大的飞机。载客量最大的飞机。波音波音777-200LR客机的载客机的载客量为客量为301人，最大飞行人，最大飞行距离为距离为17,500 km，是目，是目前世界上航程最远的客机。前世界上航程最远的客机。深井钻探设备深井钻探设备沙漠石油钻探作业沙漠石油钻探作业

15、定向钻井是一种新技术，可不用移动井架就能实现远距离水平钻探。定向钻井是一种新技术，可不用移动井架就能实现远距离水平钻探。海洋石油海洋石油钻探平台钻探平台海海底底探探索索救助打捞救助打捞人体器官内的微型机器人人体器官内的微型机器人医疗医疗机器机器人正人正辅助辅助心脏心脏病手病手术术形形色色的水下机器人形形色色的水下机器人60006000米水下机器人米水下机器人5. 机械原理学科的发展动向机械原理学科的发展动向1 1）机构的结构理论）机构的结构理论 由于机器人、步行机、人工假肢和新型机器的发展需要，以及机器的由于机器人、步行机、人工假肢和新型机器的发展需要，以及机器的动力源日益广泛采用液压与气动，

16、因此近年来对多自由度、多闭环的多杆动力源日益广泛采用液压与气动，因此近年来对多自由度、多闭环的多杆平面连杆机构以及开式运动链的结构理论有了较多的研究。平面连杆机构以及开式运动链的结构理论有了较多的研究。 同时，由于空间连杆机构应用日益广泛，对于空间连杆机构的公共约同时，由于空间连杆机构应用日益广泛，对于空间连杆机构的公共约束和过约束等问题也作了很多研究。在机构的结构理论研究中，近年来采束和过约束等问题也作了很多研究。在机构的结构理论研究中，近年来采用了图论、网络分析、线性几何学、螺旋坐标等各种工程数学方法。利用用了图论、网络分析、线性几何学、螺旋坐标等各种工程数学方法。利用计算机系统地研究机构

17、的机构类型及运动自由度问题也日益普遍。计算机系统地研究机构的机构类型及运动自由度问题也日益普遍。 为了创造和设计出更好的机构，开展机构创新方法的研究已得到大家为了创造和设计出更好的机构，开展机构创新方法的研究已得到大家的重视。为了深入研究机械运动简图设计理论和方法，机构分类方法、结的重视。为了深入研究机械运动简图设计理论和方法，机构分类方法、结构类型知识库建立和机构选型的研究也日益受到重视。为了广泛应用机电构类型知识库建立和机构选型的研究也日益受到重视。为了广泛应用机电一体化技术，开展包括液压、气动、电磁、电子、光电等非机械传动元件一体化技术，开展包括液压、气动、电磁、电子、光电等非机械传动元

18、件的广义机构设计方法的研究已日益迫切。的广义机构设计方法的研究已日益迫切。2）平面与空间连杆机构）平面与空间连杆机构 为了利用计算机对平面连杆机构进行各种复杂的分析和综合运算，已开为了利用计算机对平面连杆机构进行各种复杂的分析和综合运算，已开发出成熟的商业软件。发出成熟的商业软件。 计算机的广泛应用也推动了平面连杆机构的最优化综合。用多自由度、计算机的广泛应用也推动了平面连杆机构的最优化综合。用多自由度、多闭环、多杆的平面连杆机构的连杆曲线来再现各种工作机械中工艺要求多闭环、多杆的平面连杆机构的连杆曲线来再现各种工作机械中工艺要求的轨迹已引起注意并加以研究。的轨迹已引起注意并加以研究。 另外，

19、近年来开展了具有可变长结构、可变运动学和动力学参数的机构另外，近年来开展了具有可变长结构、可变运动学和动力学参数的机构的研究。的研究。3 3）凸轮机构）凸轮机构 为了改善凸轮机构的动力性能，凸轮曲线由等加为了改善凸轮机构的动力性能，凸轮曲线由等加- -等减速运动规律、等减速运动规律、正弦加速度运动规律、余弦加速度运动规律改用改进正弦加速度运动规律、正弦加速度运动规律、余弦加速度运动规律改用改进正弦加速度运动规律、改进梯形加速度运动规律和代数多项式运动规律。改进梯形加速度运动规律和代数多项式运动规律。 寻找高速运转时具有良好动力性能的凸轮曲线是一个重要的研究内容。寻找高速运转时具有良好动力性能的

20、凸轮曲线是一个重要的研究内容。按动力学要求设计凸轮廓线除了采用动力多项式凸轮曲线外，现在较多采按动力学要求设计凸轮廓线除了采用动力多项式凸轮曲线外，现在较多采用某些符合动力特性要求的凸轮曲线用某些符合动力特性要求的凸轮曲线。这种曲线使凸轮从动件系统残留振这种曲线使凸轮从动件系统残留振动的振幅在全部工作速度范围内不超过某一极限值。动的振幅在全部工作速度范围内不超过某一极限值。 在凸轮在凸轮- -从动件系统动力学问题的研究中，凸轮从动件系统动力学问题的研究中，凸轮- -从动件系统动力学模从动件系统动力学模型的建立，动力学模型的运动微分方程式及其求解方法，系统动力响应的型的建立，动力学模型的运动微分

21、方程式及其求解方法，系统动力响应的分析，凸轮机构设计参数的选择及其最优化，凸轮廓线的动力综合等问题分析，凸轮机构设计参数的选择及其最优化，凸轮廓线的动力综合等问题研究研究都取得了重要的研究成果。都取得了重要的研究成果。 为了建立更符合实际情况的动力学模型和更精确的分析和设计方法，为了建立更符合实际情况的动力学模型和更精确的分析和设计方法，考虑质量分布、弹性变形、间隙、阻尼、外界干扰的频率、不平衡力、表考虑质量分布、弹性变形、间隙、阻尼、外界干扰的频率、不平衡力、表面润滑等多方面的动力学问题正得到重视和加以研究。面润滑等多方面的动力学问题正得到重视和加以研究。4 4）间歇运动机构）间歇运动机构

22、槽轮机构是一种常用的间歇运动机构。为了提高机器运行速度，改善槽轮机构是一种常用的间歇运动机构。为了提高机器运行速度，改善动力性能，近年来提出了改直线槽为曲线槽，使用串联槽轮机构，导杆机动力性能，近年来提出了改直线槽为曲线槽，使用串联槽轮机构，导杆机构与槽轮机构组合使用，采用链条式槽轮机构，以及使用行星链轮式槽轮构与槽轮机构组合使用，采用链条式槽轮机构，以及使用行星链轮式槽轮机构机构，等等。等等。 对于对于凸轮间歇分度机构，由于分度凸轮的加速度变化规律可以自由选凸轮间歇分度机构，由于分度凸轮的加速度变化规律可以自由选择，使冲击与振动现象大大减轻，工作平稳性和送料精度有较大提高。目择，使冲击与振动

23、现象大大减轻，工作平稳性和送料精度有较大提高。目前前在高速卷烟机组中在高速卷烟机组中使用使用的的凸轮间歇机构凸轮间歇机构分度频率分度频率已达每分钟已达每分钟8,0008,000次次（如下图）（如下图）。对于凸轮间歇分度机构的运动规律、凸轮空间曲面设计以及。对于凸轮间歇分度机构的运动规律、凸轮空间曲面设计以及制造技术均有不少研究。开展这类机构的制造技术均有不少研究。开展这类机构的ACD/CAM研究也受到重视。研究也受到重视。5 5）组合机构）组合机构 组合机构由于其结构相对简化又能实现单一基本机构无法实现的运动组合机构由于其结构相对简化又能实现单一基本机构无法实现的运动规律和运动轨迹，如近似或精

24、确地实现某些预期的轨迹，或输入规律和运动轨迹，如近似或精确地实现某些预期的轨迹，或输入- -输出运输出运动规律，常可用作实现直线、圆弧或平行导向，能实现有停歇期或步进运动规律，常可用作实现直线、圆弧或平行导向，能实现有停歇期或步进运动等特殊工作要求，因此近年来在农业机械、纺织机械、印刷机械、包装动等特殊工作要求，因此近年来在农业机械、纺织机械、印刷机械、包装机械、冶金机械中应用日益广泛。常用的有齿轮机械、冶金机械中应用日益广泛。常用的有齿轮- -连杆机构、凸轮连杆机构、凸轮- -连杆机连杆机构和齿轮构和齿轮- -齿轮机构。齿轮机构。 组合机构的组成原理、基本类型、功能等方面均还需要作深入、系统

25、组合机构的组成原理、基本类型、功能等方面均还需要作深入、系统的研究，其应用领域还需要进一步扩展。的研究，其应用领域还需要进一步扩展。 此外，机械与液压、气动、电磁等传动相组合的广义机构的设计方法此外，机械与液压、气动、电磁等传动相组合的广义机构的设计方法还需作深入研究。微处理器控制的智能组合机构还需要作进一步开发。还需作深入研究。微处理器控制的智能组合机构还需要作进一步开发。6 6）机械动力学）机械动力学 随着机械装置向高速、精密和重载方向发展，对于机械的精度和可靠性随着机械装置向高速、精密和重载方向发展，对于机械的精度和可靠性要求也日益提高，按动力性能要求进行机构的分析与综合愈来愈受到重视。

26、要求也日益提高，按动力性能要求进行机构的分析与综合愈来愈受到重视。 对于刚性构件组成的机构的动力学有了进一步深入研究。对于刚性构件组成的机构的动力学有了进一步深入研究。 机构的平衡问题日益受到重视，对平面机构惯性力完全平衡的研究比较机构的平衡问题日益受到重视，对平面机构惯性力完全平衡的研究比较充分，采用方法也较多，如主矢量法、线充分，采用方法也较多，如主矢量法、线性性无关矢量法、附加机构法等。无关矢量法、附加机构法等。 平面机构惯性力矩平衡问题也有不少研究成果。另外，对于平面连杆机平面机构惯性力矩平衡问题也有不少研究成果。另外，对于平面连杆机构和空间连杆机构惯性力和惯性力矩的综合优化平衡的研究

27、也日益受到重视。构和空间连杆机构惯性力和惯性力矩的综合优化平衡的研究也日益受到重视。 机构高速运转时的振动动力学问题、变质量构件的机构动力分析、高速机构高速运转时的振动动力学问题、变质量构件的机构动力分析、高速运动时的弹性变形的运动弹性动力综合等研究，在机械设计中也日益受到重运动时的弹性变形的运动弹性动力综合等研究，在机械设计中也日益受到重视。视。高速自动切条机高速自动切条机高高速速粉粉碎碎机机磁悬浮列车的动力学特性是悬浮控制与走行控制的关键因素磁悬浮列车的动力学特性是悬浮控制与走行控制的关键因素磁悬浮列车的磁悬浮列车的运行速度高达运行速度高达550 550 km/hkm/h7 7）机构的最优

28、化设计）机构的最优化设计 机构的最优化设计是机构综合中普遍适用的方法和主要发展方向。机机构的最优化设计是机构综合中普遍适用的方法和主要发展方向。机构优化设计大致包括：根据设计要求确定设计准则和设计变量；给出数学构优化设计大致包括：根据设计要求确定设计准则和设计变量；给出数学模型，确定设计约束，建立目标函数；探索最优化途径，优选设计变量；模型，确定设计约束，建立目标函数；探索最优化途径，优选设计变量；最优化方案确定。最优化方案确定。 机构最优化设计应用十分广泛。对于平面连杆机构和凸轮机构的运动机构最优化设计应用十分广泛。对于平面连杆机构和凸轮机构的运动综合和动力综合，组合机构中再现函数与轨迹的设

29、计以及如何使齿轮减速综合和动力综合，组合机构中再现函数与轨迹的设计以及如何使齿轮减速器体积最小等，均采用了最优化设计方法，并得到了显著效果。器体积最小等，均采用了最优化设计方法，并得到了显著效果。 另外，对于机构的优化平衡、机构运动弹性动力综合以及空间连杆机另外，对于机构的优化平衡、机构运动弹性动力综合以及空间连杆机构的最优化问题也有不少研究。构的最优化问题也有不少研究。8 8）仿生机构学）仿生机构学 仿生机构学的研究一直受到很大重视。不少国仿生机构学的研究一直受到很大重视。不少国家积极开展对人的手指、手腕和手臂的结构、动作家积极开展对人的手指、手腕和手臂的结构、动作原理和运动范围的分析研究，

30、已研制出各种多自由原理和运动范围的分析研究，已研制出各种多自由度的生物电控或声控的机械假手，造福于人类。度的生物电控或声控的机械假手，造福于人类。同同时，时，各种各种仿生仿生步行机构步行机构也不断被研究出来也不断被研究出来。 另外，通过研制蛇形机构来探测管道另外，通过研制蛇形机构来探测管道故障；通过鱼游机构研制来解决深水探测故障；通过鱼游机构研制来解决深水探测问题。问题。 随着人们对各种仿生机构的深入研究，随着人们对各种仿生机构的深入研究，将会有利于创造出各种新颖的、具有特殊将会有利于创造出各种新颖的、具有特殊功能的新机构来。功能的新机构来。中中国国首首台台拟拟人人形形机机器器人人翩翩翩翩起起舞舞的的机机器器人人仿真美女仿真美女机器人机器人各式各样的仿生机械各式各样的仿生机械9 9）微型机械）微型机械 随着现代科学技术的发展，随着现代科学技术的发展，2020世纪世纪8080年代中后期兴起了对微型机械年代中后期兴起了对微型机械（或称为微型机电系统）的研制，以适应生物、环境控制、医学、航空航（或称为微型机电系统）的研制，以适应生物、环境控制、医学、航空航天、数字通信、传感技术、灵巧武器等领域在微小型化方面提出的日益增天、数字通信、传感技术、灵巧武器等领域在微小型化方面提出的日益增长的要求。长的要