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1、绪 论, 0.1 机械原理课程的研究对象0.1.1 机器0.1.2 机构 0.2 机械原理课程的研究内容 0.3 机械原理课程在教学中的地位、任务和作用 0.4 机械原理学科的发展趋势简介 本章小结, 0.1 机械原理课程的研究对象本课程名为“机械原理”，其研究的对象就是机械，而机械又是机器与机构的总称，所以“机械原理”是一门以机器与机构为研究对象的学科。在我们的日常生活和工作中，见到或接触过许多机器：从家庭用的缝纫机、洗衣机到工业部门使用的各种机床；从汽车、火车、轮船、飞机到宇宙飞船；从推土机、挖掘机、压路机、起重机到机器人等。机器的种类繁多，构造、用途和性能也各不相同。一部机器究竟是怎样组
2、成的？它有哪些特征？为了说明这些问题，先看看下面几个具体实例。,图0.1所示为一单缸内燃机，它是由汽缸体1、活塞2、连杆3、曲轴4、进气阀顶杆5、凸轮6、齿轮6、齿轮4、齿轮7、凸轮7 和排气阀顶杆8等组成。燃气推动活塞作往复移动，经连杆转变为曲轴的连续转动。凸轮和顶杆是用来启闭进气阀和排气阀的。当燃气推动活塞运动时，各构件协调地动作，进、排气阀有规律地启闭，加上汽化、点火等装置的配合，就把热能转换为曲轴回转的机械能。,(a) 模 (b) 简图 图0.1 单缸内燃机,图0.2所示为一自动送料冲压机，它是由冲压机和送料传动装置两大部分组成。其工作原理为：机座4是整个装置的支撑，电动机通过带传动和
3、齿轮传动(图中未标出)减速后，把运动和动力传递给冲压机的曲轴1，曲轴带动连杆2，由连杆2传给冲头3(即滑块)，使冲头作上下往复运动。送料传动装置的曲柄1 与冲压机的曲轴1固连在同一轴上，由曲柄1 经连杆5、齿条5、齿轮6、单向离合器7、锥齿轮8与9、圆柱齿轮9 与10，以及与两圆柱齿轮分别固连的滚筒的转动，将带状料或棒状料送入冲压模具中进行冲压。送料长度的调节是靠调整曲柄1 的长度来实现的。送料与冲压过程靠机械来实现，从而代替人完成有用的机械功。,(a) 外形图 (b) 简图 图0.2 自动送料冲压机,图0.3所示为一电动机，它是由一个转子(电枢)1和一个定子2所组成。当定子中有电流输入时，转
4、子便能作回转运动，使电能转换为机械能。,(a) 外型图 (b) 简图 图0.3 电动机,从以上三个实例以及日常生活中所接触过的其他机器可以看出，虽然各种机器的构造、用途和性能各不相同，但是从它们的组成、运动确定性以及功、能关系来看，都具有以下几个共同的特征：(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) 该组合体的各个运动单元之间具有确定的相对运动。(3) 该组合体能代替或减轻人们的劳动，完成有用的机械功或转换机械能。 凡同时具备上述3个特征的实物组合体就称为机器。,凡将其他形式的能量转换为机械能的机器称为原动机，如内燃机、蒸汽
5、机、水轮机、电动机、液动机(又称液压马达)、气动机(又称气动马达)等。工程中大多是工作机和原动机互相配合应用，有时再加上独立的传动装置(如齿轮减速器等)，则称为机组。随着近代科学技术的飞速发展，如计算机技术、信息处理技术、检测传感技术、伺服驱动技术、自动控制技术、纳米技术及精密机械技术等，使传统机械在产品结构和生产系统结构等方面发生了质的变化。特别是电子计算机的出现和不断完善，在减轻人类的脑力劳动方面有显著的成效。这类机器除具有使其内部各机构正常动作的先进控制系统外，还包含有信息采集、处理和传递系统等。,如图0.4所示的焊接机器人就是典型的现代机器，它由铰接臂机械手1、计算机控制器2、液压装置
6、3和电力装置4组成。机械手1是传递运动和执行任务的装置，是机器的主体部分，电力装置和液压装置提供动力，由计算机协调控制机械手的运动，用于完成各种焊接工作。因此，现代机器可以定义为：机器是执行机械运动的装置，用来转换或传递能量、物料与信息。,图0.4 工业机器人,如图0.5所示，从功能的角度来看，机器一般主要由四部分组成：(1) 动力系统是机械系统的动力源。常用的原动机有电动机、内燃机、液压马达、气动马达、液压缸、汽缸及电磁驱动等。(2) 执行系统处于整个传动路线的终端，完成机械预期的动作。其结构形式完全取决于机械本身的用途。(3) 传动系统介于原动机和执行系统之间，把原动机的运动和动力传递给执
7、行系统。(4) 操纵和控制系统是为了使动力系统、传动系统、执行系统彼此协调工作，并准确、可靠地完成整机功能的装置。,图0.5 机器的组成, 0.1.2 机构,机器的概念已如上所述，那么什么是机构？为了说明这个问题，需要进一步分析上述几个实例。在图0.1所示的单缸内燃机中，活塞、连杆、曲轴和汽缸体组合起来，可将活塞的往复移动变成曲轴的连续转动；凸轮、顶杆和汽缸体的另一组合，可将凸轮的连续转动变成顶杆按某种预期运动规律的往复移动；而三个齿轮与汽缸体组合在一起后，又可将转动变快或变慢，甚至改变转向。这些具有各自运动特点且均含有一个机架(这里是汽缸体)的组合体才是基本的。将能实现预期的机械运动的各构件
8、(包括机架)的基本组合体称为机构。,在工程实际中，人们常根据实现各种运动形式的构件及主要零件外形特点定义机构的名称。例如，图0.1中的齿轮4 和7，图0.2中的锥齿轮8和9，其构件形状的特点是具有轮齿，其主要运动特点是把高速转动变为低速转动或反之，人们称其为齿轮机构；图0.1中的凸轮6和顶杆5，其主要构件是具有特定轮廓曲线的凸轮，利用其轮廓曲线使顶杆按指定规律作周期性的往复移动，被称其为凸轮机构；图0.1中的活塞2、连杆3和曲轴4，图0.2中的杆件1、2、3、1 和5，其构件的基本形状是杆状或块状，其运动特点是能实现转动、摆动、移动等运动形式的相互转换，被称其为连杆机构。, 0.2 机械原理课
9、程的研究内容机械原理又称机构学与机器理论，它的主要研究内容可分为以下5个方面：(1) 机构的组成原理与结构分析。为建立机构性能分析方法及机械系统运动方案创新设计奠定理论基础。(2) 机构运动分析和力分析。机构的运动分析是在已知原动件运动规律，不考虑引起机构运动的外力影响时，仅从几何的观点来研究机构各点的轨迹、位移、速度和加速度等运动参数；机构力分析是在外力已知条件下，研究确定机构运动副的反力及机构上需加的平衡力或平衡力矩，机构的运动分析和力分析为机构设计和机械系统的方案设计打下必要的运动学和动力学基础。,(3) 常用机构及其设计。机器种类繁多，然而构成各种机器的机构类型却是有限的，常用的机构主
10、要有连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等。本课程介绍满足预期运动规律和工作要求的各种常用机构的运动设计理论与方法。(4) 机械系统运动方案设计。在本课程中介绍机构的选型、组合方式、运动循环图拟定等方面的基本知识和机械系统运动方案设计的基本过程及机械系统运动方案的评价准则。这部分内容的重点是机械执行系统的原理方案设计。,(5) 机械系统动力学设计。为了设计出动力性能良好的机械，在本课程中分析和研究机械在外力作用下的真实运动规律和速度波动问题，以及如何合理地设计调速装置来降低速度波动的不良影响；分析和研究机械运转时惯性力和惯性力矩的平衡问题；分析和研究影响机械效率的主要因素和机械效率的计算
11、方法，以及在设计机械时如何合理地选择机构的尺寸参数以提高机械效率。, 0.3 机械原理课程在教学中的地位、任务和作用 机械原理是机械类各专业的一门主干技术基础课程。它在培养学生的机械设计能力和创新能力所需的知识、能力和素质结构中，占有十分重要的地位。它的任务是使学生掌握机构学和机器动力学的基本理论、基本知识和基本技能，学会常用机构的分析和综合方法，并具有进行机械系统设计的初步能力。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。机械原理课程在培养
12、高级机械工程技术人才的全局中，为学生从事机械方面的设计、制造、研究和开发奠定重要的基础，并具有增强学生适应机械技术工作能力的作用。, 0.4 机械原理学科的发展趋势简介机械原理学科是机械学学科及现代科学技术发展的重要基础。当前，机械学学科和电子、信息、计算机、生物、管理等学科相互渗透，相互结合，正焕发出新的生机与活力。它的研究领域已由一般机械工程扩展到航空航天、深海作业、生物工程、微观世界、机械电子等领域。它的研究课题层出不穷，研究成果不断涌现，研究方法日新月异。现仅将机械原理学科的发展趋势予以简要介绍。,1. 机构的结构理论,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
13、旋坐标等各种工程数学方法。为了创造和设计出更好的机构，开展机械运动简图设计理论和方法、机构类型知识库建立、机构创新方法的研究日益受到重视。开展包括液压、气动、电磁、电子、光电等非机械传动元件的广义机构设计方法的研究已日益迫切。,2. 常用机构和组合机构的设计与研究,平面连杆机构由于计算机的广泛应用，其机构的分析和综合的运算及最优化综合已研究得比较透彻，并已开发出较为成熟的商业软件。对于用多自由度、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的轨迹已引起注意并已有一定的研究成果。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连杆机构的研究。空间连杆机构的分析与综合
14、常采用矢量、张量、矩阵、对偶数、四元数、旋量计算等数学工具进行研究。对于单自由度闭环的空间四杆机构和空间五杆机构已研究得比较成熟，对于单自由度闭环的空间六杆与七杆机构的研究已取得了不少成果。对于空间连杆机构的最优化设计问题也开始进行研究。,3. 机器人机构与仿生机构,多年来，机器人机构与仿生机构的研究受到很大的重视，世界许多国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，已研制出各种多自由度的生物电控或声控的机械假手和各种类型的步行机器人，造福于人类。人们为了通过松软地面和跨越较大障碍还努力研究六足步行机、四足步行机等的行走机理和步行机构学。通过研究骆驼足底构造和行走机
15、理提高步行机沙漠行走的效率；通过研制蛇行机构来探测煤气管道的故障；通过鱼游机构研制来解决深水中的探测问题。机器人机构与仿生机构仍是当前研究的热点，所以在机构学中形成了专题研究。,4. 微型机械与机电一体化,微型机械已远远超出了传统机械的概念和范畴，微型机械在尺度、构造、材料、制造方法和工作原理等方面都与传统机械截然不同。微型机械具有体积小、质量小、能耗低、集成度高和智能化程度高等特点，它与微电子学、现代光学、气动力学、液体力学、热力学、声学、磁学、自动控制、仿生学、材料科学以及表面物理与化学等领域紧密结合。因此，以电子学为基础的各种新技术向传统的机械渗透，形成了一种机械和电子技术密切结合的复合
16、技术机电一体化。目前可将机构及其原动机、传感器、控制器和电源等整个系统集成于几毫米、甚至几百微米之间的微型机械电子系统亦已出现。,5. 机械系统设计,机械系统设计是根据新机器的功能要求和工作过程要求，应用机构学知识和系统设计原理及方法来进行的。目前已有不少学者研究机械系统设计的推理方法，机械系统设计的评价体系和评价方法，以及智能化机械系统设计方法。,6. 机械系统动力学,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要求也日益提高，按动力性能要求进行机构的分析与综合越来越受到重视。机械系统动力学有关研究面比较广泛，如转子动力学、振动与噪声、机器与机构动力学、非线性振动与冲击等专题。对于运动弹性动力综合的研究、对非线性和自激振动系统的研究、对大型复杂机械设备的故障诊断和在线监测、振动与噪声主动控制等问题亦引起人们的关注和有待深入研究。,
