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机械原理与机械设计 Theory and Design of Mechanisms and Machines nts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 nts 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 ） nts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 nts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 nts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 nts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 nts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。 nts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 nts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 nts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 nts 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 nts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。 nts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 nts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 nts 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 nts内燃机 连杆机构 活塞的往复移动 曲轴的转动 nts牛头刨床 圆盘的转动 滑枕的往复移动 连杆机构 nts 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。 nts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。 nts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。 nts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 nts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 nts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 : 弹簧 等零件 。 通用零件与专用零件 返回 nts 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 nts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 nts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 nts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 nts 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 发出指令调节伺服电机的运动 nts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 nts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 nts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 nts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 nts 晋 代 “连 磨” 用一头牛驱动八台磨盘， 其中应用了齿轮系。 nts中世纪 欧洲 用脚踏板驱动的 加工木棒的车床 nts中世纪 欧洲 利用曲轴的研磨机 nts13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。 nts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 nts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。 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。 nts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 nts19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。 nts 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。 nts莱特兄弟 1903 nts19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。 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 nts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。 近代机械的发展趋向 要求不断完善已有的机构， 并发明出新的机构 nts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。 nts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 nts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： nts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 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。 nts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。 ntsnts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 nts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。 nts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 nts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。 nts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 nts 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。 nts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”。 nts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。 nts第七章 凸轮机构 凸轮机构： 是一种高副机构。广泛应用于各种机械，尤其是自动机械中。 nts第七章 凸轮机构 凸轮机构的应用和分类 从动件的运动规律 平面凸轮廓线设计 平面凸轮机构基本尺寸的确定 nts凸轮机构的组成 凸轮机构的应用 凸轮机构的分类 7.1 凸轮机构的应用和分类 nts凸轮机构的组成 凸轮机构的应用和分类 1-凸轮 2-气阀 3-内燃机壳体 如图所示为 内燃机中的配气凸轮机构 。内燃机在燃烧过程中，驱动凸轮轴及其上的凸轮转动，并通过凸轮的曲线轮廓推动气阀2按特定的规律往复移动，从而达到控制燃烧室中进、排气的功能。 nts凸轮机构的应用和分类 1-圆柱凸轮 2-摆杆 3-滚子 如图所示为 自动机床中的进刀凸轮机构 。 当圆柱凸轮绕其轴线转动时 ， 通过其沟槽与摆杆一端的滚子接触 ， 并推动摆杆绕固定轴按特定的规律作往复摆动 ， 同时通过摆杆另一端的扇形齿轮驱动刀架实现进刀或退刀运动 。 nts凸轮机构的应用和分类 凸轮 从动件 机架 高副机构 凸轮： 具有特定曲线轮廓或沟槽的构件 ， 通常在 机构运动中作主动件 。 从动件： 与凸轮接触并被直接推动的构件 。 机架： 支撑凸轮和从动件的构件。 nts凸轮机构的应用 凸轮机构的应用和分类 自动送料凸轮 1-圆柱凸轮 2-直动从动件 3-毛坯 1、实现预期的位置要求 这种 自动送料凸轮机构 ，能够完成输送毛坯到达预期位置的功能，但对毛坯在移动过程中的运动没有特殊的要求 nts凸轮机构的应用和分类 绕线机凸轮 1-凸轮 2-摆动从动件 3-线轴 2、实现预期的运动规律要求 这种凸轮在运动中能推动摆动从动件 2实现 均匀缠绕线绳的运动学要求。 nts凸轮机构的应用和分类 3、实现运动和动力特性要求 这种凸轮机构能够实现 气阀的运动学 要求，并且具有 良好的动力学特性 。 1-凸轮 2-气阀 3-内燃机壳体 nts盘形凸轮 ：结构简单，易于加工。应用最为广泛 移动凸轮 ：可视为盘形凸轮的回转轴心处于无穷远处时演化而成的 圆柱凸轮 ：空间凸轮机构 盘形凸轮 移动凸轮 圆柱凸轮 凸轮机构的分类 凸轮机构的应用和分类 1、按凸轮的形状分类 nts2、按从动件的形状分类 尖底从动件 尖端能以任意复杂的凸轮轮廓保持接触 ， 从而使从动件实现任意的运动规律 。 但尖端处极易磨损 ， 只适用于低速场合 。 凸轮机构的应用和分类 nts 滚子从动件 凸轮与从动件之间为滚动摩擦 ， 因此摩擦磨损较小 ， 可用于传递较大的动力 。 凸轮机构的应用和分类 nts 平底从动件 从动件与凸轮之间易形成油膜 ， 润滑状况好 ， 受力平稳 ， 传动效率高 ， 常用于高速场合 。 但与之相配合的凸轮轮廓须全部外凸 。 凸轮机构的应用和分类 nts对心直动从动件 偏置直动从动件 凸轮机构的应用和分类 从动件作往复移动，其运动轨迹为一段直线 3、按从动件的运动形式分类 直动从动件 nts从动件作往复摆动，其运动轨迹为一段圆弧。 凸轮机构的应用和分类 摆动从动件 nts凸轮机构的应用和分类 4、按凸轮与从动件维持接触的方式分类 (1)力锁合： 利用从动件自身重力、回复弹簧力或其它外力，使从动件与凸轮廓线始终保持接触 nts(2) 型锁合： 利用构成高副元素本身的几何形状，使从动件与凸轮始终接触 。 盘形槽凸轮机构 通过其沟槽两侧的廓线始终保持与从动件接触。 nts凸轮机构的应用和分类 凸轮廓线上任意两条平行切线间的距离都相等，且等于从动件矩形框架 2内侧两个平底之间的距离 H。 等宽凸轮机构 nts凸轮机构的应用和分类 等径凸轮机构 过凸轮轴心 O所作任一径向线上与凸轮相接触的两滚子中心间的距离处处相等。 等宽与等径凸轮，其从动件运动规律的选择或设计会受到一定的限制。 nts凸轮机构的应用和分类 共轭凸轮机构 主凸轮 1推动从动件完成沿逆时针方向正行程的摆动 ， 另一个凸轮 1/推动完成沿顺时针方向的反行程的摆动 。 这种凸轮机构又称为 主回凸轮机构 nts凸轮机构的应用和分类 反凸轮机构 摆杆为主动件，凸轮为从动件 nts基本概念 从动件的常用运动规律 运动规律特性分析 选择或设计运动规律时需注意的问题 组合型运动规律简介 7.2 从动件的运动规律 nts基本概念 从动件的运动规律 从动件的运动规律 在凸轮廓线的推动下，从动件的 位移、速度、加速度、跃度 （加速度对时间的导数）随时间变化的规律，常以图线表示，又称为从动件运动曲线。 一般假定凸轮轴作等速运转，故凸轮转角与时间成正比，因此 凸轮机构从动件的运动规律 通常又可以表示为 凸轮转角的函数。 nts尖底直动从动件的位移曲线 从动件的运动规律 nts从动件的运动规律 基圆 ： 凸轮上具有最小半径 ro的圆 推程与推程角 ： 当凸轮廓线上的曲线段与从动件接触时，推动从动件沿导路由起始位置运动到离凸轮轴心最远的位置。从动件的这一运动行程称为推程。此过程对应凸轮所转过的角度称为 推程角 ， 从动件沿导路移动的最大位移称为 升距 h。 nts 远休止与远休止角： 当凸轮廓线上对应的圆弧段与从动件接触时，从动件在距凸轮轴心的最远处静止不动。这一过程称为 远休止 ，此过程对应凸轮所转过的角度称为远休止角 s 。 从动件的运动规律 nts 近休止与近休止角 : 当凸轮廓线上对应的圆弧段与从动件接触时，从动件处于位移的起始位置，静止不动，这一过程称为 近休止 。此过程对应凸轮所转过的角度称为 近休止角 /s 。 从动件的运动规律 回程与回程角 : 当凸轮廓线上的曲线段与从动件接触时，引导从动件由最远位置返回到位移的起始位置。从动件的这一运动行程称 回程 ，此过程对应凸轮所转过的角度称为 回程角 /。 nts从动件的运动规律 从动件常用运动规律 一、多项式运动规律 设从动件的位移为 s，凸轮转角为 ，则多项式运动规律的一般表达式为 根据对从动件运动规律的具体要求，确定相应的边界条件代入上式，求出待定系数，即可推导出各种多项式运动规律。 下面分别推导工程中经常采用的几种 多项式运动规律方程 。 nnCCCCs 2210nts1.一次多项式 一 次多项式运动规律的一般表达式为 由于一次多项式函数的一阶导数为常数，故通常又称为 等速运动规律 。其运动方程和运动线图如下所示 10 CCs 从动件的运动规律 nts等速运动规律 运动线图 推程运动方程 0avhs从动件的运动规律 nts00开 始点vtva00结 束点va由于加速度无穷大而产生的冲击称为 刚性冲击 。当然，在实际的凸轮机构中由于构件的弹性、阻尼等多种因素，不可能产生无穷大的惯性力。 这种运动规律通常只适用于低速轻载的工况下，或是对从动件有实现等速运动要求的场合 从动件的运动规律 nts2.二次多项式 工程中通常采用的二次多项式运动规律，是指在从动件的一个运动行程中（推程或回程）， 前半段采用等加速，后半段采用等减速，其位移曲线为两段光滑相连的反向抛物线，故有时又称为 抛物线运动规律 。其运动方程和运动线图如下所示 从动件的运动规律 nts速度曲线连续，而加速度曲线在运动的起始、中间点和终点处不连续。将这种由于有限值的加速度突变而产生的冲击称为 柔性冲击 。适用于中、低速轻载。 推程运动方程 等加速等减速运动规律运动线图 2222442 hahvhhs 2/0 22224)(4)(2 hahvhs 2/从动件的运动规律 nts3.五次多项式 五次多项式运动规律的位移、速度和加速度方程的一般表达式为 325224232245342321552210201262dd5432ddCCCCtvaCCCCCtsvCCCCs从动件的运动规律 nts 将 边界条件 分别代入 ， 可解得 6个待定系数 ， 得到从动件在 推程 中五次多项式运动规律的方程为 )(120)(180)(60)(30)(60)(30)(6)(15)(103222432543hahvhs位移方程中仅含有 3、 4、 5次幂，故又称为 3-4-5次多项式 从动件的运动规律 nts该种运动规律的速度与加速度曲线均连续，因而 不产生刚性与柔性冲击 ，可适用于高速中载工况 五次多项式运动规律 从动件的运动规律 nts从动件的运动规律 二、三角函数运动规律 1、简谐运动规律 图 a所示为 描述简谐运动轨迹的示意图 。图中横坐标为凸轮转角 ，纵坐标为从动件位移 s 。设当质点沿圆周转过任一角度时 ，对应凸轮的转角为 ，则质点沿圆周等速运动时向纵坐标方向的投影，即为 简谐运动规律的位移曲线。 简谐运动规律运动线图 nts推程运动方程 )c o s (2)s i n (2)c o s (12222hahvhs由于该种运动规律的加速度曲线按余弦规律变化，故又称为 余弦加速度运动规律 。 可知该运动规律的起始与终点处加速度突变为有限值，因而 会产生柔性冲击 。如果从动件的运动仅具有推程和回程阶段，则其加速度曲线也连续，不产生柔性冲击，因而可应用于高速工况场合。 从动件的运动规律 nts从动件的运动规律 2、摆线运动规律 图 a所示为 描述摆线运动轨迹的示意图 。由解析几何可知，当一个半径为 R的滚圆，沿纵坐标从起始点 A0 匀速纯滚动时，圆周上点 A的运动轨迹即为摆线，而点 A的运动轨迹向纵坐标方向的投影即构成摆线运动规律。 摆线运动规律运动线图 nts)2s i n (2)2c o s (1)2s i n (2122hahvhs推程运动方程 由于加速度曲线按正弦规律变化，故又称为 正弦加速度运动规律 。该种运动规律的 速度与加速度曲线均连续，不产生刚性与柔性冲击 ，适用于高速场合 从动件的运动规律 nts运动规律特性分析 一、衡量运动特性的主要指标 1、最大速度 最大速度值越大，则从动件系统的动量也大。若机构在工作中遇到需要紧急停车的情况，由于从动件系统动量过大，会出现操控失灵，造成机构损坏等安全事故。因此希望 从动件运动速度的最大值越小越好 。 从动件的运动规律 nts2、最大加速度 最大加速度值的大小，会直接影响从动件系统的惯性力，从动件与凸轮廓线的接触应力，从动件的强度等。因此希望 从动件在运动过程中的加速度最大值越小越好。 从动件的运动规律 3、运动规律的高阶导数 。 运动规律的高阶导数是否连续也是衡量运动规律特性的主要指标。 研究表明，为有效改善凸轮机构的动力学特性，减小系统的残余振动，应选取跃度连续的运动规律进行凸轮廓线设计 。 nts二、特性指标的无量纲化 为在 相同的条件 下对各种运动规律的 特性参数进行分析比较 ，通常需对运动规律的特性指标进行无量纲化。几种常用运动规律的无量纲化指标和适用场合如下表所示 从动件的运动规律 nts从动件的运动规律 从动件常用运动规律特性比较及适用场合 nts三、特性指标的分析与比较 高阶导数连续性较好的运动规律，如摆线、五次多项式等，其最大速度和最大加速度值一般也较大。 具有较小的最大速度和最大加速度值的运动规律，其高阶导数往往是不连续的。 在选择或设计从动件运动规律时，根据凸轮机构的实际应用场合，在综合权衡各项特性指标的基础上作具体的分析。 从动件的运动规律 nts选择和设计运动规律时需注意的问题 1.根据工作要求选择或设计运动规律 当工作场合对从动件运动规律有特殊要求，且凸轮转速不太高时，从动件运动规律的选择或设计，应在满足工作要求的基础上，考虑动力特性等其他因素。 从动件的运动规律 2.兼顾运动学和动力特性两方面要求 当工作场合对从动件的运动规律有特殊要求，且凸轮转速又较高时，应兼顾运动学和动力特性两方面要求，选择或设计从动件的运动规律。 nts3.综合考虑运动规律的各项特性指标 在满足从动件工作要求的前提下，还应在仔细权衡运动规律各项特性指标优劣的基础上，选择或设计从动件运动规律。 从动件的运动规律 在工程实际中需针对具体的设计问题，在综合考虑运动学、动力学等多方面因素的基础上来选择或设计从动件的运动规律。 nts组合型运动规律简介 从动件的运动规律 为满足工程实际的需要，综合几种不同运动规律的优点，设计出一种具有良好综合特性的运动规律。这种 通过几种不同函数组合在一起而设计出的从动件运动规律， 称为组合型运动规律。 nts1、修正正弦运动规律 该曲线在运动起始的段和终止的段，采用周期相同的正弦函数；在两段中间的段则采用一段周期较长的简谐函数。 从动件的运动规律 2、修正梯形运动规律 用几段简谐函数使加速度成为连续曲线。加速段和减速段的加速度曲线是对称的。 组合型运动规律运动线图 nts凸轮廓线设计的基本原理 反转法 用作图法设计凸轮廓线 用解析法设计凸轮廓线 7.3 平面凸轮廓线设计 nts凸轮廓线设计的基本原理 反转法 平面凸轮廓线设计 为了便于绘出凸轮轮廓曲线 , 应使工作中转动着的凸轮与不动的图纸间保持相对静止。 如果 给整个凸轮机构加上一个与凸轮转动角度 数值相等、 方向相反的 “ - ”角速度 , 则凸轮处于相对静止状态。 从动件尖底的运动轨迹就是凸轮的廓线 nts 、 尖底从动件盘形凸轮 已知：凸轮以等角速度 顺时针方向转动 ， 凸轮基圆半径 ro， 导路与凸轮回转中心间的相对位置及偏距 e,从动件的运动规律 。 用作图法设计凸轮廓线 一、直动从动件盘形凸轮廓线设计 平面凸轮廓线设计 设计步骤 、 作从动件的位移线图 、 确定从动件尖底的初始位置 、 确定导路在反转过程中的一系列位置 、 确定尖底在反转过程中的一系列位置 、 绘制凸轮廓线 nts 、 滚子从动件盘形凸轮 已知：凸轮以等角速度 顺时针方向转动 ， 凸轮基圆半径 ro， 导路与凸轮回转中心间的相对位置及偏距 e， 滚子半径为 r,从动件的运动规律 。 平面凸轮廓线设计 凸轮的理论廓线 ：根据滚子中心的运动轨迹设计出的廓线 凸轮的实际廓线： 与滚子直接接触的廓线 过程中的一系列位置 注意： 基圆是指凸轮理论廓线上由最小半径所作的圆 从动件端部的滚子与凸轮实际廓线的接触点会随凸轮的转动而不断变化。 nts 、 平底从动件盘形凸轮 与滚子从动件盘形凸轮廓线的设计方法相类似 。 平面凸轮廓线设计 将 平底与导路中心线的交点 作为假想的尖底从动件的尖端； 应用反转法，根据平底从动件的运动规律，依次 确定出假想的尖端在反转过程中所处的位置 ，并在这些位置点分别作出各平底的图形； 作平底的 内包络线 ，即为所要设计的凸轮廓线 nts平面凸轮廓线设计 二、摆动从动件盘形凸轮廓线设计 已知：凸轮以等角速度 逆时针方向转动 ，凸轮轴与摆杆回转中心的距离为 ， 凸轮基圆半径 ro， 摆杆长度 l， 摆杆的运动规律已知 ， 推程时凸轮与摆杆的转向相反 。 a设计步骤 、 作从动件的位移线图 、 确定摆杆的初始位置 、 确定摆杆轴心在反转过程中的一系列位置 、 确定摆杆尖底的一系列位置 、 绘制凸轮廓线 nts用解析法设计凸轮廓线 平面凸轮廓线设计 作图法的特点 概念清晰，简便易行； 误差大、效率低。 解析法的特点 计算精度高、速度快，适合凸轮在数控机床上加工。 解析法设计的关键问题 将凸轮廓线表示为数学方程，这一过程称为建立数学模型。 nts 平面凸轮廓线设计 一、直动滚子从动件盘形凸轮 已知：凸轮以等角速度 逆时针方向转动，凸轮基园半径 ro、滚子半径 rr，导路和凸轮轴心间的相对位置及偏距 e，从动件的运动规律 。 ()ss1. 理论廓线方程 s i nc os)(c oss i n)(00essyessx220 er = 0s( , )B x ynts2.实际廓线方程 s inco sryyrxx2222)/dd()/dd(/ddc o s)/dd()/dd(/dds i nyxyyxx平面凸轮廓线设计 co ss i n)dd(ddddt an yxyxs i n)(c os)/dd(/ddc os)(s i n)/dd(/dd00ssesyssesx( , )B x y nts3.刀具的中心轨迹方程 应用数控铣床或凸轮磨床可加工凸轮的实际廓线。在加工凸轮前需计算刀具的中心轨迹方程。 2222)/dd()/dd(/dd)/dd()/dd(/ddyxxrrxyyxyrrxxccccrrc rrc 平面凸轮廓线设计 nts 平面凸轮廓线设计 二、平底直动从动件盘形凸轮机构 s i nddc o s)(c o sdds i n)(00ssryssrx dd svOP 建立直角坐标系，使轴与从动件导路重合，推程开始时平底与凸轮基圆在点相切 由速度瞬心法可知，图中 P点为凸轮与平底从动件的相对速度瞬心 ( , )B x ynts 平面凸轮廓线设计 三、摆动滚子从动件盘形凸轮机构 建立坐标系，使摆杆回转轴心 A0与凸轮回转轴心 O的连线与 y轴重合 已知：凸轮以等角速度 逆时针方向转动，推程时摆杆顺时针方向转动，凸轮回转中心 O与摆杆回转轴心 A0的距离为 ,摆杆的长度为l,滚子半径 r，摆杆的运动规律 。 () 凸轮的 理论廓线 B点的坐标 )c os (c os)s i n(s i n00laylaxants 7. 平面凸轮机构基本尺寸的确定 凸轮机构的压力角 凸轮基园半径的确定 滚子半径的选择 平底直动从动件平底尺寸的确定 从动件偏置方向的确定 nts凸轮机构的压力角 平面凸轮机构基本尺寸的确定 压力角： 从动件与凸轮在接触点处的受力方向与其在该点绝对速度方向之间所夹的锐角 seresseOPBDPD2200d s / dt a n 说明： 凸轮逆时针方向转动，当从动件导路中心偏在凸轮轴心右侧时，推程取减号，回程取加号；偏在左侧时，推程取加号，回程取减号。 若凸轮顺针方向转动，则加减号的取法与上述相反。 一、压力角 nts几种常见的盘形凸轮机构的压力角 平面凸轮机构基本尺寸的确定 在图 b和 d中，由于从动件的平底在运动中的任一位置都与凸轮廓线相切，因此这类 凸轮机构的压力角在凸轮机构整个运动周期中为常值 。 nts二、压力角对凸轮机构受力的影响 平面凸轮机构基本尺寸的确定 其他条件相同时，压力角越大，推动从动件所需的作用力越大； 当压力角非常大时，理论上作用力为无穷大时才能推动从动件，此时凸轮机构将发生自锁。我们将此时凸轮机构的压力角称为临界压力角 nts三、许用压力角 平面凸轮机构基本尺寸的确定 许用压力角： 为改善凸轮机构的受力情况、提高机械效率，规定了允许采用的最大压力角 。 推程 （工作行程）推荐的许用压力角为： 直动从动件 摆动从动件 回程 （空回行程） m a x 00 8070 00 4535 00 4030 nts凸轮基圆半径的确定 平面凸轮机构基本尺寸的确定 一、基圆半径对压力角的影响 seresseOPBDPD2200d s / dt a n 增大基圆半径，可使凸轮机构的压力角减小； 增大基圆半径会使凸轮机构的整体尺寸增大 在压力角不超过许用值的原则下，应尽可能采用较小的基圆半径。 nts二、基圆半径的确定方法 平面凸轮机构基本尺寸的确定 、直动滚子从动件 220 )ds / d( estger 为保证凸轮机构在整个运动周期中均能满足 ，应选取计算结果中的最大值作为凸轮的基圆半径。 m a x nts、平底直动从动件 平面凸轮机构基本尺寸的确定 基圆半径 的确定应使从动件运动不失真，即应保证凸轮廓线全部外凸，或各点处的曲率半径 00rnts平面凸轮机构基本尺寸的确定 滚子半径的选择 一、滚子半径对实际廓线的影响 、凸轮理论廓线外凸的情况 nts可画出正常的实际廓线 实际廓线变尖 实际廓线干涉，导致运动失真。 rrr平面凸轮机构基本尺寸的确定 nts、凸轮理论廓线内凹的情况 平面凸轮机构基本尺寸的确定 无论滚子半径如何选取，总可以平滑地做出凸轮的实际廓线。 nts平面凸轮机构基本尺寸的确定 一、滚子半径的确定方法 、考虑凸轮实际廓线出现变尖或失真现象 、考虑结构、强度与运动规律等因素 0 m i nm i n( 0 . 8 )1 5arr mm0( 0 . 1 0 . 1 5 )rrnts平面凸轮机构基本尺寸的确定 平底直动从动件平底尺寸的确定 mm)75(),m a x (2 m a x bblnts平面凸轮机构基本尺寸的确定 从动件偏置方向的确定 为了减小凸轮机构推程的压力角 ，应使从动件导路的偏置方向与推程时的相对速度瞬心位于凸轮轴心的同一侧。 凸轮逆时针回转，从动件右偏置 凸轮顺时针回转，从动件左偏置 nts第三章机构的组成与结构分析 3.1机构的组成 3.2机构的运动简图 3.3机构的自由度和具有确定运动条件 3.4平面闭链机构组成原理及结构分析 nts 3.1机构的组成 一、构件 二、运动副 三、运动链（区分运动链和机构） 四、机构 机构是传递运动和力或者导引构件上的点按给定轨迹运动的机械装置。机构的组成要素为 构件 和 运动副 nts一、构件 从制造加工角度：机械由零件组成 零件 制造单元体 从运动和功能实现角度： 构件 独立运动的单元体 注意：构件可以是单一零件，也可以是几个零件的组合联接 机构的组成 nts二、运动副 (一 )运动副元素 (二 )运动副的自由度与约束度 (三 )运动副类型 运动副：指两构件直接接触并能产生相对运动的联接。 运动副元素：指两个构件直接接触而构成运动副的部分。 机构的组成 nts(一 ) 运动副元素 运动副元素不外乎为点、线、面 。 机构的组成 nts(二 )运动副的自由度与约束度 1. 构件的自由度： 指一个构件相对另一个构件可能出现的独立运动。一个自由构件在空间具有 6个自由度。 2. 约束： 指通过运动副联接的两构件之间的某些相对独立运动所受到的限制。 运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目。 运动副引入的约束数：最多为 5个。 机构的组成 nts 对于两个空间构件 对于两个平面构件 6 fs3 fs机构的组成 nts1. 按运动副相对运动形式分 （三）运动副类型 转动副 移动副 螺旋副 球面副 2. 按运动副引入的约束数分： X级运动副：指引入 X个约束的运动副。 级副、 级副、 级、 级副、 级副 级副 级副 级副 机构的组成 nts3. 按运动副接触形式分 低副 : 两构件通过面接触而构成的运动副统称为低副 ; 高副 : 凡两构件系通过点或线接触而构成的运 动副统称为高副 ; 4. 按运动副的运动空间分 : 平面运动副 :指构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动的运动副 ; 空间运动副 :指构成运动副的两构件之间的相对运动为空间运动。 机构的组成 1 2 nts运动副元素间的锁合 几何锁合 力锁合 机构的组成 nts三、运动链 运动链 :指两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统。 闭链 : 运动链的各构件构成首尾封闭的系统。 开链 : 运动链的各构件未构成首尾封闭的系统。 机构的组成 nts运动链（续） 平面运动链 :各构件间的相对运动为平面运动的运动链。 空间运动链 :各构件间的相对运动为空间运动的运动链 。 空间运动链 机构的组成 nts四、机构 机构 :在运动链中将一构件加以固定作为机架或参考构件 , 并给定另外一个或少数几个构件的运动规律，则运动链便成为机构。 机架： 机构中固定不动构件。 平面机构 : 机构中各构件间的相对运动为平面运动。 空间机构 : 机构中各构件间的相对运动为空间运动。 原动件 : 机构中按给定的运动规律独立运动的构件。 从动件 :机构其余活动构件。 机构的组成 nts机构中构件类型 机构的组成 构件名称 构件的作用和要求 机架（参考构件） 机构中视为不动的构件 ， 用于支承和作为研究其他构件运动的参考坐标 输入（主动）件 机构中运动规律为给定或已知的一个或几个构件 从动件 其运动规律取决于机构型式 、 机构运动尺寸或参数以及主动件运动规律的构件；除主动件以外的所有可动构件均可视为从动件 输出件 机构中具有期望运动规律或运动要求的从动件 传动件 在主动件和从动件间传递运动和动力的所有构件 导引件 在机构中具有给定位置或轨迹要求的所有构件 原动件 由外界输入驱动力或驱动力矩的构件 nts 3.2 机构的运动简图 机构运动简图 机构的示意图： 指为了表明机构结构状况 , 不要求严格地按比例而绘制的简图。 机构运动简图： 指根据机构的运动尺寸 , 按一定的比例尺定出各运动副的位置 , 并用国标规定的简单线条和符号代表构件和运动副，绘制出表示机构运动关系的简明图形。 机构示意图 为什么要画机构运动简图？ 机构的运动：与原动件运动规律、运动副类型、机构运动尺寸有关 ,而与机构的 结构尺寸和形状以及运动副的具体构造无关，因此可以不计或略去那些与机构运动无关的 因素。 机构的运动简图 nts （一）绘制机构运动简图的步骤和方法 （二）机构运动简图中常用的规定符号 （三）机构运动简图的识别 机构的运动简图 nts（一）绘制机构运动简图的步骤与方法 : 1.恰当地选择投影面： 一般选择与机械的多数构件的运动平面相平行的平面作为投影面。 2.分析机构的组成及运动情况 ，确定机构中的机架、原动部分、传动部分和执行部分，以确定构件和运动副的数目。 3.循着运动传递的路线， 逐一分析每两个构件间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目 ;还应确定与机构运动特性相关的 运动要素：运动副间的相对位置；如转动副中心的位置和移动副导路的方位；高副的廓线形状，包括其曲率中心和曲率半径等。 4. 选择适当的比例尺 , 用规定的简单线条和各种运动副符号 , 将机构运动简图画出来。 机构的运动简图 nts机构运动简图中的常用符号 机构的运动简图 nts常用传动系统简图 机构的运动简图 nts机构的运动简图 nts 例题一：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图 分析：该机构有6个构件和 7个转动副。 1 2 3 4 5 6 画机构运动简图的方法 机构的运动简图 nts例题二： 绘制图示偏心轮传动机构的运动简图 机构的运动简图 nts机构的运动简图 nts机构的运动简图 nts机构的运动简图 nts例题三、图示为一冲床。绕固定中心 A转动的菱形盘 1为原动件，与滑块 2在 B点铰接，滑块 2推动拨叉 3绕固定轴C转动，拨叉 3与圆盘 4为同一构件，当圆盘 4转动时，通过连杆 5使冲头 6实现冲压运动。试绘制其机构运动简图。 画机构运动简图的方法 分析： 绘制简图： 机构的运动简图 A B C D E 1 2 3 4 5 6 nts（三）机构运动简图的识别 由于移动副绘制和表达方法的不同而出现的简图差异 由于转动副元素尺寸变化而出现的简图差异 实际绘制的运动简图会因为运动副绘制或表达方式的不同而会使同一机构所绘制的机构运动简图不同；或不同机构的运动简图相同。 机构的运动简图 nts 3.3 机构的自由度与确定运动条件 一、机构的自由度 二、平面机构自由度 三、空间机构自由度 四、机构具有确定运动条件 nts一、机构的自由度 构件的自由度 确定平面或空间运动构件位置所需的独立位置参数的数目称为构件的自由度 平面和空间运动构件分别有 3个和 6个自由度 机构的自由度 机构的自由度是机构中各构件相对机架所具有的独立运动的数目或组成该机构的运动链的位形相对于机架或参考构件所需的独立位置参数的数目，用 F表示 机构的自由度与确定运动条件 nts假设平面机构有 n个 活动 构件： 3n个自由度 有 P5 个低副和 P4 个高副： 平面自由构件： 3个自由度 平面低副：引入 2个约束 平面高副：引入 1个约束 平面机构的自由度计算公式： F= 3n-(2 p5+ p4) 引入 (2 P5 +P4)约束 分析： 二、机构自由度的计算 平面机构自由度的计算公式 运动副的作用是约束构件自由度的，所以机构的自由度为活动构件在 自由状态 下自由度总和减去由于 运动副 引入而限制的自由度 机构的自由度与确定运动条件 nts自由度计算实例分析 F=3n-2 P5 P4 =3 4 - 2 5-0=2 F=3n-2 p5 p4 =3 3 - 2 4-0=1 四杆机构 五杆机构 机构的自由度与确定运动条件 nts 复合铰链 实例分析 1：计算图示直线机构 (实现无导轨直线运动 )自由度 解： F=3n-2 p5 p4 =3 7 - 2 6-0=9 解： F=3n-2 p5 p4 =3 7 - 2 10-0=1 计算机构自由度应注意的事项 两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成复合铰链。 m个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为 (m-1)个注意 ：复合铰链只存在于转动副中。 。 机构的自由度与确定运动条件 nts实例分析 2：计算图示凸轮机构自由度 解： F=3n-2 p5 p4 =3 3 - 2 3-1=2 F=3n-2 p5 p4 - f =3 3 - 2 3-1-1=1 方法二：假想构件 2和 3焊成一体 F=3n-2 p5 p4=3 2 - 2 2-1=1 局部自由度 计算机构自由度应注意的事项（续） 机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运动 , 把这种局部运动的自由度称为局部自由度。数目用 f表示 . 注意：计算机构自由度时 , 应将局部自由度除去不计 。 方法一： 机构的自由度与确定运动条件 nts 指机构在某些 特定几何条件或结构条件 下，有些运动副带入的约束对机构运动实际上起不到独立的约束作用 , 这些对机构运动实际上不起约束作用的约束称为虚约束，用 P表示。 计算机构自由度应注意的事项（续 ） 虚约束 注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。 不计引起虚约束的附加构件和运动副数。 F=3n-2 p5 p4 去除虚约束的方法： 机构的自由度与确定运动条件 ntsF=3n-2 pl ph =3 4 - 2 6-0=0 虚约束常出现的情况： 1. 机构中两构件未联接前的联接点轨迹重合 , 则该联接引入 1个虚约束 ; 计算机构自由度应注意的事项（续） 正确计算： 不计引起虚约束的附加构件和运动副数。 F=3n-2 p5 p4=3 3 - 2 4-0=1 用于连接构件 2和 3的转动副 C即属此种情况。因为 C2和 C3在未连接前的轨迹都沿 Y轴。此时转动副 C将引入一个虚约束。计算时去掉构件 3和转动副 C以及 3和机家移动副 机构的自由度与确定运动条件 ntsF=3n-2 p5 p4 =3 3 - 2 4-0=1 F=3n-2 p5 p4 =3 4 - 2 6-0=0 分析： E3和 E5点的轨迹重合，引入一个虚约束 计算机构自由度应注意的事项（续） 正确计算： n=3 P5=4 P4=0 F=3n-(2P5+P4)=3*3-2*4=1 机构的自由度与确定运动条件 nts两构件在几处接触而构成移动副且导路互相平行或重合。 两个构件组成在几处构成转动副且各转动副的轴线是重合的。 只有一个运动副起约束作用 ,其它各处均为虚约束 ; 2. 两构件在几处接触而构成运动副 计算机构自由度应注意的事项（续） n=3 P5=4 P4=0 F=3n-(2P5+P4)=3*3-2*4=1 图示机构的两个移动副即属此种情况。计算其自由度时，只按一个移动副计算 机构的自由度与确定运动条件 nts3. 若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的公法线重合 ,则只能算一个平面高副。若公法线方向不重合，将提供各 2个约束。 有一处为虚约束 此两种情况没有虚约束 a)图相当于转动副， b） 图相当于移动副 计算机构自由度应注意的事项（续） n=2 P5=2 P4=1 F=3n-(2P5+P4)=3*2-2*2-1=1 机构的自由度与确定运动条件 nts5. 某些不影响机构运动的对称部分或重复部分所带入的约束为虚约束。 3和 1绕同一个轴转动，计算机构自由度时，只考虑对称或重复部分中的一处，去掉 2和2构件 4. 机构运动过程中 , 某两构件上的两点之间的距离始终保持不变 , 将此两点以构件相联 , 则将带入 1个虚约束。 计算机构自由度应注意的事项（续） n=3 P5=4 P4=0 F=3n-(2P5+P4)=3*3-2*4=1 连接构件 2和 4上的 E点和 F点的构件 5及转动副 E和 F即属此种情况，引入一个虚约束。 n=3 P5=3 P4=2 F=3n-(2P5+P4)=3*3-2*3-2=1 机构的自由度与确定运动条件 nts小结 计算机构自由度应注意的事项（续） 存在于转动副处 正确处理方法：复合铰链处有 m个构件则有 (m-1)个转动副 复合铰链 局部自由度 常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦变成滚动摩擦所增加的滚子处。 正确处理方法：计算自由度时将局部自由度减去。 虚约束 存在于特定的几何条件或结构条件下。 正确处理方法：将引起虚约束的构件和运动副除去不计。 机构的自由度与确定运动条件 nts典型例题一：计算图示某包装机送纸机构的自由度，并判断该机构是否有确定运动。 解法 1： 计算机构自由度典型例题分析 机构的自由度与确定运动条件 nts机构的自由度与确定运动条件 nts机构的自由度与确定运动条件 nts机构的自由度与确定运动条件 nts机构的自由度与确定运动条件 nts机构的自由度与确定运动条件 nts典型例题一：计算图示某包装机送纸机构的自由度，并判断该机构是否有确定运动。 解法 2： 复合铰链： D包含 2个转动副(杆 4和 7) 局部自由度： F=2 虚约束：杆 8及转动副 F、 I引入 1个虚约束。 计算自由度前直接去除虚约束和局部自由度： n=6 p5=7 p4=3 F=3n-2p5-p4=1 计算机构自由度典型例题分析 机构的自由度与确定运动条件 nts典型例题二：计 算 图 示 机 构 的 自 由 度， 如 有 复 合 铰 链、 局 部 自 由 度 和 虚 约 束，需 明 确 指 出。 画 箭 头 的 构 件 为 原 动 件。 复合铰链 局部自由度 1个虚约束 复合铰链 计算机构自由度典型例题分析 机构的自由度与确定运动条件 nts典型例题三 计算机构自由度典型例题分析 计算图示机构自由度。 分析：该机构具有 5个活动构件，有 7个转动副，即低副，没有高副。于是机构自由度为 1 2 3 4 5 6 机构的自由度与确定运动条件 F=3n-2 p5 p4=3 5 - 2 7-0=1 nts四、机构具有确定运动的条件 机构中独立运动参数的构件为原动件。 问题：取运动链中某个构件为机架，即
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