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1、0 绪 论,0.1机械原理研究的对象与内容 0.2机械设计概述 0.3机械原理课程的地位、任务和作用 0.4机械原理学科的发展动向,0.1机械原理研究的对象与内容,0.1.1机械原理的研究对象 0.1.2机械原理课程的内容,机械原理又称为机器理论与机构学。 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一门基础技术学科。 机械原理的研究对象是机械，机械是机构与机器的总称。,0.1.1机械原理的研究对象,机器的种类繁多，其共同特征： 1）它们都是由各种材料做成的制造单元（通常称为零件）经装配而成的各个运动单元（通常称为构件）的组合体； 2）各个运动单元之间具有确定的相对运动。当
2、在预定的力约束条件下，其中一个或一个以上单元的运动一定时，该组合体就能实现预期的机械运动； 3）在生产过程中，它们能代替或减轻人的劳动，完成有用的机械功（如机器人仿人工作）或转换机械能（如内燃机、电动机分别将热能和电能转换成机械能）。 机器是执行机械运动的装置，用来完成有用的机械功或转换机械能。,0.1.1机械原理的研究对象,将其他形式的能量转换为机械能，或者将机械能变换成其他形式的能量的机器称为动力机器或原动机。 内燃机、压气机、涡轮机、电动机、发电机等。,0.1.1机械原理的研究对象,用来完成有用功的机器称为工作机器。 金属切削机床、轧钢机、织布机、包装机、汽车、机车、飞机、起重机、输送机
3、等。,打夯机滚齿机机器加工挖掘机小汽车直升飞机 工业机器人1工业机器人2仿人机器人1仿人机器人2,0.1.1机械原理的研究对象,（1）机构的结构和运动学 分析机构的结构是为了研究机构运动的可能性和确定性，并进一步讨论机构的组成原理；机构的运动学不考虑引起机构运动的力的作用，而从几何的观点来研究机构各点的轨迹、位移、速度和加速度的求法，以及按已知条件来设计新机构的方法。 （2）机构和机器的动力学 研究在机械运动过程中作用在机构各构件上的力分析和惯性力的平衡问题；并研究确定机械效率的方法和已知力作用下机械的真实运动规律，以及作用力、运动构件的质量和这些构件的运动之间的关系，即机械的运转和调速问题。
4、,0.1.2机械原理课程的内容,根据内容的性质，研究的问题又可归纳为两类： 第一类：根据已有机构的结构和主要参数来分析该机构或所组成机器的各种特性（结构、运动学和动力学），即机构和机器的分析问题，如机构的结构分析、运动分析、力分析和在已知力作用下机器的真实运动等； 第二类：问题是根据预期的各种特性来确定新的机构和机器的型式、结构和主要参数，即机构和机器的设计问题，如各种主要机构的运动设计、机构的平衡和机器速度波动的调节等。,0.1.2机械原理课程的内容,这里研究的问题只限于就与机构和机器的运动和动力特性有关的机构型式、结构和各部主要参数之间的关系进行综合，而不研究与机械零件有关的问题，如零件的
5、形状、构造、强度、材料和工艺等。 故在机械原理学科中常用“综合”来代替上述的“设计”这一名词，以示区别。综合也就是分析的逆问题。,0.1.2机械原理课程的内容,0.2机械设计概述,0.2.1机械设计的一般过程 0.2.2机械运动方案设计的主要内容 0.2.3机电一体化技术在机械运动方案设计中的作用,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。机械设计的一般过程，可分为产品规划、方案设计、详细设计和改进设计四个阶段。现分述如下。 1产品规划阶段 中心任务是进行需求分析、市场预测、可行性分析，确定设计参数及制约条件，最后给出详细的设计任务书（或要求表），作为设计、评价和决策的依据。
6、 产品开发是从需求识别开始的，不但要开发显需求的产品，而且要开发隐需求的产品。,0.2.1机械设计的一般过程,2方案设计阶段 市场需求的满足或适应，是以产品的功能来体现的。产品功能与产品设计是因果关系。体现同一功能的产品，可以是多种多样的。方案设计阶段要完成产品功能分析、功能原理求解和评价决策以得到最佳功能原理方案，并由此最后完成机械运动方案的设计。产品方案的好坏，决定着产品性能和成本，关系到产品的水平和竞争能力，因此，它是产品设计的关键。由此可见，机械原理课程内容将为方案设计提供设计理论和方法。,0.2.1机械设计的一般过程,3详细设计阶段 这一阶段是将机械运动简图具体化为机器及零部件的合理
7、结构，也就是要完成产品的总体设计、部件和零件的设计，完成全部生产图纸并编制设计说明书等有关技术文件。在此阶段中，零部件的结构形状、装配关系、材料选择、尺寸大小、加工要求、表面处理、总体布置等设计合理与否，对产品的技术性能和经济指标都有着直接的影响。 4改进设计阶段 这一阶段的主要任务是根据产品在试验、使用、鉴定中所暴露的问题，进一步作相应的技术完善工作，使产品的效能、可靠性和经济性得到提高，更具生命力。,0.2.1机械设计的一般过程,在机械设计过程中根据产品功能要求、工作性质和工作过程等基本要求进行新机械的方案设计，愈来愈受到产品设计人员的重视。 在方案设计阶段应该完成机械运动简图的设计。所谓
8、机械运动简图设计，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统运动简图。一般情况下，它往往是机械最核心的部分。,0.2.2机械运动方案设计的主要内容,机械运动方案（机械运动简图）的设计主要包括下列两部分。 1机械运动简图的型综合 它是按工作过程和工艺动作要求来确定若干个执行动作；根据执行动作要求选择各个执行机构的机构型式（或创造一些新机构）；将这些机构组合成一个机构系统。这就是机械运动简图的型综合。 2机械运动简图的尺度综合 它是按初步确定的机构系统的机构型式，根据各执行构件的运动规律要求和动作相互配合要求进行各机构的运动尺度的设计计算和各机构间的协调设计。这就是机械运动简图的
9、尺度设计。,0.2.2机械运动方案设计的主要内容,在机械运动方案设计过程中这两部分设计往往需要反复进行，使机构系统的类型和运动尺度都能较好地满足设计要求。由此看出，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、性能和经济效益的关键性一步。为了搞好机械运动方案设计，应该努力掌握机构及其系统设计的理论和方法，努力学好机械原理的基本内容。,0.2.2机械运动方案设计的主要内容,采用纯机械的各种机构来完成机器的传动、控制和执行动作虽然是能够做到的，但在工艺动作过程比较繁复的场合，会导致机械结构复杂，可调整性差，难以达到优良的机器功能。由于机电一体化技术日益发展并广泛应用，机
10、器中的传动、控制和执行机构的数目有减少的趋势，机构的结构有简化的可能。同时，可使机器的档次和水平有较大的提高。机电一体化技术虽然发展很快，但在现代机械中不会取消传统机构的应用，为了产生确定的运动和传递机械能，仍然离不开传统机构。由于机电一体化技术的广泛应用，应该努力掌握电磁、液气、声光等多种工作原理的机构设计原理。,0.2.3机电一体化技术在机械运动方案设计中的作用,因此，人们已普遍提出进行广义机构设计的研究。总之，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、操作控制方便、结构简单
11、紧凑、生产效率高、自动化程度高的先进水平。,0.2.3机电一体化技术在机械运动方案设计中的作用,机械的种类是十分繁多的，因此在高等工业学校中，相应地设置了各种专业的课程来详细地研究各种不同用途的专门机械。但是当研究任一具体的机械时，不仅需要研究它所具有的特殊问题，而且还要研究所有机械的共同问题。机械原理便是为此目的而开设的技术基础课程。它是以高等数学、普通物理、机械制图及理论力学等课程为基础，同时又为以后学习机械设计和有关专业课程以及掌握新的科学技术成就打好工程技术的理论基础，并能使学生受到一些必要的，严格的基本技能和创造思维的训练。,0.3机械原理课程的地位、任务和作用,因此，高等工业学校机
12、械原理课程教学基本要求（机械类专业适用）明确指出：机械原理是机械类专业中研究机械共性问题的一门主干技术基础课。 它的任务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，并初步具有拟定机械运动方案、分析和设计机构的能力。 它在培养高级工程技术人才的全局中，具有增强学生对机械技术工作的适应能力和开发创造能力的作用。,0.3机械原理课程的地位、任务和作用,机械原理又称为机器理论与机构学。它是机械学学科的重要组成部分，是机械工业和现代科学技术发展的重要基础。目前，机械学科和电子学、信息科学、计算机科学、生物科学以及管理科学等相互渗透，相互结合，已经成为一门崭新的学科，充满着生机与活力。它
13、的研究领域已扩展到航空航天、深海作业、生物工程、微观世界、机械电子等等。它的研究课题层出不穷，研究方法日新月异。 现将机械原理学科的发展动向概述如下。,1. 现代机构类型综合和机构设计的新理论新方法研究 现代机构概念的产生是现代机构学的基础。现代机构包括了广义机构、可控机构、柔顺机构、仿生机构、微纳米机构等。它们的特点是“广义化”，一是驱动元件与传统机构的集成化，成为“有源”机构，可以推进机构的可控性；二是机构的组成构件的广义化，构件可以是柔性、弹性、挠性，使机构组成多样化。 各种各样的现代机构已经开始在实际机器中得到应用，但对它们的类型综合、运动学和动力学研究刚刚起步，还有待深人。可以预期，
14、现代机构的深人研究和广泛应用，将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。,2. 机构创新设计理论和方法的研究 机构是机器的基础，要进行机器的创新设计，除了需要进行功能创新和组合创新外，最关键的是进行机构创新。机构创新设计的方法有不少，有的是从机构运动链结构的改变来进行创新、拓展。常用的有：闭链机构、开链机构以及变链机构。变胞机构实际上就是变链机构，这种机构在工作过程中改变拓扑结构。 机构创新设计方法还有：应用机构学原理的创新，利用连杆或连架杆运动特点的创新，采用相对运动原理的创新，利用多种驱动原理的创新，还有机构类型变换的创新等。总之，创造出各种新颖的机构，都需要深入地研究机构创
15、新设计理论和方法。,3. 机构系统概念设计理论、方法及计算机辅助实现的研究 机械产品的概念设计和机械系统运动方案设计是机械产品创新设计的核心。机械产品的概念设计和方案设计又是不同于一般产品的概念设计和方案设计，它是以机构学为核心的，与机构学密不可分。,目前的机械产品主要分成两类：机械系统和机电一体化系统。因此，要解决机械系统概念设计和机电一体化系统概念设计（它们的设计理论和方法有共同的基础）就要进行机器工作机理和工艺动作过程的研究；要进行机械产品特定的功能求解模型的研究；要进行机械运动方案设计过程模型的研究；要开发执行机构知识库和机构创新知识库；要进行机械运动方案组成原理和系统评价方法的研究；
16、要开发机械系统运动方案计算机辅助设计软件系统；要结合典型机电产品创新设计需要，进行理论和应用研究等。,4. 微机构和微动机构的理论和应用研究 纳米技术的深人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开发是纳米技术中的一个核心内容，也是现代机构学的重要前沿。微机构的表面效应和尺寸效应，多尺度效应和跨尺度运动都是微机构设计中的理论基础。同时应该积极开展微机构的工作机理动态分析与设计原理、可靠性分析与设计的研究。微机电系统（MEMS ）是由微机构与微电子、微光学器件、微驱动、微传感和控制系统等高度集成的。微机构是微机电系统中的核心，因此它的集成设计理论和方法应深入研究。 柔顺机构可以用作大型机构，但在微机构和微动机构中有更大的应用前景。值得深入研究。,5. 仿生机构的研究和应用 仿生学是研究自然对人类的启示，是人类进行创造发明的源泉。现代机构学也离不开生物，特别是动物对我们所作的启示。动物的各种形态、特征、动作和能量变换等都值得人类去仿效、研究。 人们研究飞禽的飞行原理可以创造出各种飞行机构。研究走兽的步态和足部骨骼可以创造出形形色色的四足步行机构。研究陆地行走禽鸟
