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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,认识机器 机器的分类和组成 机械发展历程概述,第一节 认识机
2、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： 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。,原动机,如蒸汽机、内燃机、电动机,换能机,返回,加工机器,尺寸 形状 性质 状态,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
3、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
4、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,牛头刨床,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
5、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,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。,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。 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
6、: 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：,恩格斯,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。,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,运动形式的转换,机器执行部分可能 有各种运动形式：,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。,前馈控制,反馈控制,传感器,控制装置的作
7、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,发出指令调节伺服电机的运动,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 ,返回,第三节 机械的发展历程概述,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。,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,晋 代 “连 磨” 用一头牛驱动八台磨盘， 其中应用了齿轮系。,中世纪 欧洲 用
8、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。,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,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。,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
9、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,19世纪，第二次工业革命 电动机和内燃机发明,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。,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。,提高生产率的需要。 基于动
10、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。,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。,机器要运动、要传递力，因此，最先发展起来的是：,随着机器运转速
11、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。,但是，这些方法都基于图解和手工计算。,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,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,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
12、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”。,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。,