机械原理第一章 绪论.docx

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机械原理第一章绪论

§1-1研究对象及内容

1.研究对象：

本课程研究的对象是机械。

所谓机械就是机构与机器的总称。

2.机构：

用来传递与变换运动和力的可动装置。

它可以变换和传递机器之间的运动形式（比如往复移动变为转动）及速度（比如高速变低速）。

比如自行车要通过链条传动把脚踏的旋转运动变为后轮的旋转运动，链条就是一种机构；指针手表通过齿轮保持时、分、秒针之间的比例关系，齿轮也是一种机构；还有折叠式家具及门铰链大多采用的是连杆机构；还有一定功率下电机的输出力矩很小，不能直接使用，也是采用齿轮机构来获得所需的力矩。

常见的机构有带传动机构、链传动机构、齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、曲柄滑块机构、蜗轮蜗杆传动机构、螺旋机构。

3.机器：

由原动部分、传动部分（机构）、执行部分和控制部分组成的、执行机械运动的装置，它可以转换和传递能量、物料和信息。

比如缝纫机可以缝合衣服，它是机器；汽车可以运送物料，它也是机器；打印机可以把电子信息变为纸上可见的信息，它还是机器；这些机器的共同点就是它们都是由多个机构组成的，且都是通过做有用功来完成机械运动的。

4.机器的分类：

机器按其用途可分为两类：

①原动机

凡将其他形式的能量转换为机械能的机器称为原动机；

②工作机

凡利用机械能来完成有用功的机器称为工作机。

5.机器的结构：

①传统的机器由如下三个部分组成：

②现代的机器由如下四个部分组成：

③现代先进的机器由如下五个部分组成：

6.

实例：

①内燃机

内燃机就是把燃油的热能（化学能）转换为机械能的机器。

它由活塞、连杆、曲轴组成的连杆机构进行动力驱动，并由一对大小齿轮机构、凸轮机构组成配气系统。

其原理如下：

当气缸内的气体受热膨胀后，气体产生的压力会使活塞作上下往复运动，连杆把活塞的往复运动变为连续旋转的运动并传递给曲轴，使其对外输出动力，同时装在曲轴上的小齿轮又将曲轴的旋转传递给相邻的大齿轮，带动大齿轮轴上的凸轮按另一种速度旋转，进一步推动配气系统的阀杆上下往复运动，使阀门按一定的时间要求启闭实现配气，从而让活塞能周而复始地进行往复运动，机器能连续地实现能量的转换。

②工件自动装卸装置

工件自动装卸装置是在生产线上自动把零件从一个工位取出来放到另一个工位进行加工的机器。

其工作原理为：

电机作为动力源高速旋转，经V带传动后这种高速旋转变为有一定特殊要求速度的转动，再通过转速比较大的蜗轮蜗杆传动后又把这种轴向的转动变为垂直方向的转动并再次减速，涡轮带动同轴的偏心圆盘（凸轮）推动摆杆往复摆动，摆杆又带动连杆机构及滚子作往复摆动，推动滑杆前后移动，使滑杆前进到的目标工位时候，前方的夹头在弹簧的拉力下夹持零件并向后移动，等后移到指定工位后动爪被挡块压下，夹头又在弹簧的拉力下张开放下零件，实现自动装卸功能。

由此可见，这种机器也是由各种机构组成的，并且通过做有用功实现了物料的运送、位置的变换。

③六自由度式机械手

工业机器人是工业上已经在用的

现代机械。

它由三部分组成：

控制系统、执行系统（操作机）和示教盒（示教板），其中操作机用来执行机械运动，示教板则用来操控运动过程，例如用我要用一个机械手倒一杯水，首先要通过示教板的X、Y坐标及手爪的动作控制让它学会在什么位置抓取杯子，抓了以后沿什么坐标路径移动，调整什么姿态倒水，教会以后形成一套运动规划，这时候机器人把它记录下来，后面就按照这个程序不停地执行，示教的时候慢但做的时候速度可以调节，这样机器人就能不厌其烦、准确无误地执行安排的动作。

现代工业中往往先根据生产线不同的动作要求先教会机器人，然后机器人就能自动地实

现、完成这个动作。

右图为一个六自由度机械手，它由机座、肩部、大臂、小臂、手腕及头部组成，其中肩部能绕着机座纵向旋转，大臂能绕着肩部轴向转动，小臂也可以绕着大臂轴向转动，再加上手腕能绕着小臂翻转、手腕关节的前后俯仰及头部的公转，总共六个自由度，由此完成一般机器不能实现的动作。

比如对工件打毛刺，通常用手工或者一般机器的话动作是很复杂、很难实现的，但用这种工业机器人的话，只要固定零件、在头部放个锉刀、把程序编好示教好后就可以执行了。

通过以上分析可知，机器虽然是由多个构件组成的，但就内部结构而言，它都是通过原动机（如电机）带动常用的传动机构（连杆、凸轮、链传动、同步带传动、齿轮或行星齿轮传动）来执行运动的。

因此所谓机器，主要也是由机构组成的。

机械原理研究机械，实际上主要研究的是机构。

7.研究内容：

机械原理研究的是有关机械的一些基本理论和方法。

包括：

1结构：

研究机械的组成、表达和机构的创新问题；

2运动学：

分析机械的运动（力）是如何变换的；

3动力学：

涉及效率和自锁、机械的平衡及速度波动的调节问题；

4常用机构及其设计：

研究平面连杆、凸轮、齿轮、齿轮系及工业机器人等常用机构的运动、传力特性及系统运动方案的设计。

前三点内容主要是利用数学、物理以及理论力学的知识来研究机械的一些基础问题。

然后虽然机械的范围很广（有矿山机械、医疗机械、农业机械、食品机械、化工机械…），但多数机械从原动机到执行部件之间无外乎都是一些常见的机构，真实的机械中往往是通过多种机构的组合把电机单调的高速旋转运动变成执行机构的多样化运动，所以第四点就是对各种机械中共性的、常用的机构进行研究，分析其运动、传力的特性及系统设计问题。

§1-2研究目的

任何课程都要明确学习态度及用处，在整个专业领域中处在什么样的地位中，并在工作中又有什么样的重要性，只有明确这几点，我们才能正确对待这个课程。

1.地位：

机械原理是研究机械基础理论的一门学科，是机械类各专业的一门主干技术基础课程，用理论的方法解决技术中的实际问题，在创新设计机械决定运动方案（决定采用哪些机构、性能、成本、质量的好坏及是否具有理论的创新）所需的知识结构中也占有核心地位。

2.任务：

本课程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，学会各种常用基本机构的分析和综合方法，并具有按照实际的使用要求（运动、功能要求）进行机械传动系统方案的初步能力。

3.作用：

在培养高级机械工程技术人才的全局中，本课程不仅为学生学习相关技术基础和专业课程起到承前起后的作用，而且为今后从事机械设计和研究工作起到增强适应能力和开发创新能力的作用。

4.未来发展：

我们的学习最后是要服务于社会的，其发展是由社会需要决定的，国民经济总产值的70%都是制造业、机器生产来创造的，一个国家的先进水平主要体现在机器装备上，所以机械很普遍，学机械工作好找。

另外近几年对电、计算机比较感兴趣，一提到机械可能觉得很古老、传统，实际上虽然现在的机械在往智能化、微型化方向发展，但机器的执行部分还是很重要的，虽然我们处在一个信息时代，但光有信息没有运动不可能改变自然、创造财富，所以我们在学习过程中要把机与电结合起来，今后机器是机、光、电一体化，甚至和生物结合起来，今后机械主要向两个方面发展：

（1）微机械

计算机每10年就是一代，而随着微型化的发展，它的成本降低了，但容量还增加了，可靠性提高了，由此我们得到启示，机械为什么不行呢？

比如水泵，如果用无数个微小的泵代替我们现在的一个泵，那它的可靠性将大大提高（不会一个坏了影响整个系统），且能

够大批量生产（不像一个生产周期那么长），又比如医学上的脑血管堵塞是死亡率最高的疾病，以前用药物去治疗是很困难的，需要用一个微型机器人输入到血管里进行检测，甚至像清理管道那样对血管进行疏通（如右图）。

现代机械可以微型到纳米级（

米），已经到了分子原子的尺度，而任何物质都是由分子原子组成的，原子可以创造出新的物质及生命，所以21世纪微机械首先将在生物、医学上产生重大影响，未来趋势将是机、电、生命的结合。

（2）智能化

生物已经经过几千万年的演化已经非常发达，但用机械去模拟才刚开始，比如右图是目前世界最先进的仿人机器人，它不但有一定的语言对话交流的能力，而且能自动、智能地行走、跑步、上下楼梯、爬坡及完成各种舞蹈动作，那么这些机器人的执行机构都涉及到机械原理。

以上内容都是将来现在机械原理所研究的部分，所以机械的发展未来的潜力很大，我们现在只是为今后的研究打基础。

§1-3学习方法

1.掌握本课程的特点

要提高学习效果，首先要抓住每门课的要点。

作为技术基础课，本课程要用到先修课程中的数学、物理、工程制图、工程材料与机械制造基础、特别是理论力学的知识来分析工程中的问题，但这些知识并不是简单重复和堆砌，而是要学生运用所学的知识解决实际工程问题。

所以本课程的学习不同于理论课程的学习，也不同于专业课，而具有一定的理论系统性及逻辑性和较强的工程实践性（有些东西往往由经验得来，而非理论推导，系统分散，彼此之间联系不大）的特点。

在学习本课程时应注意:

掌握基本的概念、原理及机构的分析与综合（只是尺寸设计，不考虑材料、强度）的方法。

2.注重理论联系实际

本课程是着重研究一般机械的共性问题，即机构的结构分析和综合的基本理论及方法。

这些理论和方法是紧密为工程服务的。

在学习过程中要注意这些理论和方法：

1）在理论上建立和推演的严密性和逻辑性（学好之前的理论课）；

2）如何在工程实际中的应用；

3）随时留意日常生活和生产中遇到的各种机械，以丰富自己的感性认识，并用它们认识分析这些机械，以加深理解（比如讲汽车原理，我在这里讲你老想汽车是个什么东西，怎么能学会？

）。

3.初步建立工程观点

本课程要用到很多与工程有关的名词、符号、公式、标准及参数和一些简化方法，如倒置、反转、转化、当量、等效、代换等等，这些方法能非常简洁地解决工程问题。

另外在机构分析与综合中，除解析法（建立坐标系、方程进行求解）外更注重图解法、实验法以及试凑法等一些工程中实用的方法，因为对于复杂问题完全用建立数学物理模型解决往往很困难，很多非线性问题很难进行下去。

因此我们要建立工程观点：

在达到同样一个目的的情况下，只要能把问题解决了，什么方法最有效、最简洁、最实用，就采用什么方法。

这样在学习本课程时应注意:

1）对名词应正确理解其含义（碰到问题能用它来正确判断、分析，而不是死记硬背），对公式应着重于应用（不要求背，只要理解），而对方法则着重掌握其基本原理和具体作法（达到“会”就行）。

2）实际工程问题都涉及多方面的因素，其求解可采用多种方法，答案也不唯一（衡量工程问题往往不全在于正确性，一般都正确，它更注重合理性，就是你考虑的问题是不是更多、更全面、更合理）。

这就要求设计者具有分析、判断、决策的能力，要养成综合分析、全面考虑问题的习惯和科学严谨、一丝不苟的工作作风。

4.认真对待教学的每一个环节

本课程全部教学工作的完成，需要自学、听课、习题课、实验课、课后作业、答疑和考试，以及课程设计等教学环节。

我们过去安排课程都是在老师计划要求下去做的，学生学一门、考一门、忘一门，没有达到真正的理解，另外学习的内容限于书本，没有结合实物扩展起来。

而现在信息穿播速度明显加快，这种学习方法是不行的，学生应该在老师的指导下，利用身边的一切资源，根据自身个性及社会需求，有机结合对自身定位，进行自主学习）。