天津大学机械原理与机械设计主编张策第一章机械的组成、分类与发展.

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1、 机械原理与机械设计 Theory and Design of Mechanisms and Machines 国家级十五规划教材 机械原理与机械设计 机械工业出版社出版 第一版 2004年 天津大学机械原理与机械设计教研室集体编写 主 编：张 策 副主编：陈树昌 孟彩芳 课程内容 导论 （第1篇 ） 机械原理部分 （第2篇第4篇 ） 机械设计部分 （第5篇第6篇 ） 课程设计部分 （第7篇 ） 第一篇 导 论 第一章 机械的组成、分类与发展 第二章 机械的设计与相关课程简介 整个课程的总绪论 第一章 机械的组成、分类与发展 内容提要 q 认识机器 q 机器的分类和组成 q 机械发展历程概述

2、第一节 认识机器 通过上周的实践，我们已经认识了几 种典型的机器： 内燃机 牛头刨床 汽 车 电池自动分拣机 通用工业机器人 第二节 机器的分类和组成 机器和它的分类 机器的组成 机器中的几个基本概念 返回 什么是机器呢？ 机器和它的分类 机器： 是人为实物的组合体， 具有确定的机械运动， 可以用来转换能量、 完成有用功 或处理信息， 以代替或减轻人的劳动。 根据用途的不同， 机器可分为 动力机器 加工机器 运输机器 信息机器 动力机器 其用途是转换机械能。 其他形式的能量机械能 原动机如蒸汽机、内燃机、电动机 换能机 机械能其他形式的能量 返回 如空气压缩机 加工机器 尺寸 形状 性质 状态

3、 用来改变被 加工对象的 如: 加工机床 轧钢机 纺织机 包装机等。 返回 运输机器 用来搬运物品和人。 如汽车、飞机、起重机、运输机。 返回 信息机器 其功能是处理信息。 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 ，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 加工机器 运输机器 信息机器 转换机械能 完成机械功 作功很小 现代机器的出现使机器按功能的分类变得模 糊： 机器人： 进行焊接和装配，是加工机器； 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。 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 来进

4、行分拣后的搬运。 返回 机构 在认知机器的实践中，我们已经初步 认识了几种机构： 机器中的几个基本概念 什么是机构呢？ 连杆机构、凸轮机构、 棘轮机构、螺旋机构、齿轮机构 内燃机 连杆机构 活塞的往复移动曲轴的转动 牛头刨床 圆盘的转动滑枕的往复移动 连杆机构 内燃机何牛头刨床中的连杆机构的共 同点： 构件间都形成可相对转动或相对移动 的活动连接。 都是实现运动形式的变换。 它们都属于连杆机构。 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 间的连接形式也不同，构件的形状也 不同。 因此，可给出机构的如下定 义： 机构： 人为实物的组合体， 具有确定的机械运动， 可以用来

5、传递和转换运动。 机器： 人为实物的组合体， 具有确定的机械运动， 可以用来转换能量、 完成有用功 或处理信息， 以代替或减轻人的劳动。 机器是由机构组成的。 简单的机器，可能只含有一个机构, 但一般都含有 多个机构。 机械: 机器和机构的总称。 机器 机构 机器中的单个机构不具有转换能量或完成有用功 的功能。 在各种机械中广泛使用的一些机构称为 常用机构。 如： 连杆机构、 凸轮机构、 齿轮机构、 间歇运动机构。 常用机构 我们已经多次使用了“构件”这个术语。 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。 构件零件 各种

6、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。 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。 通用零件中主要包括三大类零件： 传动零件 （齿轮、带、链等） 联接零件 （螺栓、键等） 轴系零件 （轴、轴承等） 此外: 弹簧等零件。 通用零件与专用零件 返回 机器的组成 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 的动力来源。 常用：电动机、内燃机 、液压缸和气动缸， 以各种电动机的应用最 为普遍。 处于整个传动路线的终端， 按照工艺要求完成确定的运 动，是直接完成机器功能的 部分。 执行装置随机器的用途不同 而不同，它属于

7、各种专业机 械课程研究的内容。 恩格斯 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， 并实现运动速度和运动形式的转换。 运动速度的转换运动形式的转换 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。 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, 需要减速。 （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。 鼠笼式 交流电动机的 同步转速 （r/min） 500 600 750 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

8、运动形式的转换 机器执行部分可能 有各种运动形式： 一般的原动机 作回转运动 变速回转 往复摆动 往复移动 间歇运动 特定轨迹 转换运动形式 的各种机构 间歇运动机构 连杆机构 连杆机构 连杆机构 凸轮机构 凸轮机构 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装置 控制装置 检测伺服电机 的输出转角 检测执行装置 的运动输出 由程序给定 运动规律 前馈控制反馈控制 传感器 传感器 控制装置的作用是控制机器 各部分的运动。 测量运动构件真 实运动情况，并 将测量结果随时 反馈给控制系统 发出指 令

9、调节 伺服电 机的运 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 牛头刨床 空气压缩机 起重机 掘土机 皮带运输机 机器人 数控机床 心脏躯干，臂手 脑 眼 返回 第三节 机械的发展历程概述 机械的发展历程 机械设计及理论的发展历程 古 代 近 代 现 代 简单机械：杠杆、车轮、滑轮、斜面、螺旋等。 公元前3000年，在修建金字塔的过程中，就使用了 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 旋式输送机的始祖。 远古时代 公元一世纪 东汉 “水排” 用水力鼓风炼铁，其中应用 了齿轮和连杆机构 古代中国 晋 代 “连 磨”

10、用一头牛驱动八台磨盘， 其中应用了齿轮系。 中世纪 欧洲 用脚踏板驱动的 加工木棒的车床 中世纪 欧洲 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 材料的变革 加工手段的变革 生产模式的变革 机构与传动的变革 机械理论和设计方法的建立 近代 动力的变革 1765年，瓦特（Watt）发明了蒸汽机。 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 动的产业机械 纺织机、车床等，如雨后春笋般 出现

11、。 古代机械的动力：人力、畜力和水力。 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 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 驱动的方式。 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 19世纪，第二次工业革命 电动机和内燃机发明 为汽车、飞机的 出现提供了可能性 。 电力代替了蒸汽。 集中驱动被抛弃了， 每台机器都安装了独 立的电动机。 与此同时，戴姆勒也发明 出了他的第一辆四轮汽车。 1886年，本茨发明的汽油发动 机为动力的三轮车被授予专利。 莱 特 兄 弟 1903 19世纪中叶，发明了炼钢法，从那时一

12、直到现在 ，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; 19世纪中叶, 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。 近代 材料的变革 近代 加工手段的变革 近代 生产模式的变化 社会需求日益增长。 20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 进行大批量生产的要求。 近代 机构与传动的变革 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。 机器速度的提高是几百年来未曾停遏的发展趋势。 高速化 自动化 精密化 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。 近代机械的发展

13、趋向 要求不断完善已有的机构， 并发明出新的机构 例如： 18世纪，欧拉（Euler） 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。 20世纪 各种大传动比、结构紧凑的新型传动， 高速的步进机构， 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。 近代 机械理论和设计方法的建立 材料学 强度理论 运动学静力学动力学 牛顿经典力学 机构结构学 机构运动学 机器静力学 机器要运动、要传递 力，因此，最先发展 起来的是： 材料学 强度理论 运动学静力学动力学 牛顿经典力学 机构结构

14、学 机构运动学 机器静力学 机器动力学 随着机器运转速 度的不断提高， 机器的振动、速 度波动等问题引 起了人们的重视 ，机械动力学发 展起来。 材料学 强度理论 运动学静力学动力学 牛顿经典力学 机构结构学 机构运动学 机器静力学 机器动力学 机械零件设计 到20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。 现 代： 20世纪中叶 计算机的发明 科学技术发展史上划时代的大事。 现代机器的出现 计算机使机械设计方法面目一新 现 代： 机器人的出现 随着计算机和伺服电机的出现，机器人作为 现代机器的代表走上了历史舞台。 工业机器人 特种机器人 工业机器人：在工业生

15、产中越来越广泛地应 用。用于搬运、装配、焊接、喷漆、凿岩等工 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 种 工业机器人 特种机器人：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 用，承担着许多由人的直接操作无法完成 的工作。 水下扫雷机器人 爬壁机器人 几种 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 ，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， 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 20世纪最后30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。 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 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 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。 现代意义上的机械设计已经根本离不开计算机了。