贵州大学机械原理教案第一章1.doc

贵州大学教案课程名称：机械原理授课教师*所在单位机械基础教研室课程类别课堂理论教学授课时间0 0 学年1学期 周周一第2大节，2学时授课内容绪论授课对象机械学院XXXX班、选课 人教学内容提要引言： 机械是人类用以转换能量和借以减轻人类劳动、提高生产率的主要工具，也是社会生产力发展水平的重要标志。机械工业是国民经济的支柱工业之一。当今社会高度的物质文明是以近代机械工业的飞速发展为基础建立起来的，人类生活的不断改善也与机械工业的发展紧密相连。1）我国古代在机械研制方面有许多杰出的发明创造。五千年前已开始使用简单的纺织机械；晋朝时在连机椎和水碾中应用了凸轮原理；西汉时应用轮系传动原理制成了指南车和记里鼓车；东汉张衡发明的候风地动仪是世界上第一台地震仪。目前许多机械中仍在采用的青铜轴瓦和金属人字圆柱齿轮，在我国东汉年代的文物中都可以找到它们的原始形态。2）18世纪初以蒸汽机的出现为代表产生了第一次产业革命，人们开始设计制造各种各样的机械，例如纺织机、火车、汽轮船。 哈格里沃斯发明的“珍妮纺纱机” 法国陆军技术军官古诺发明了世界上第一辆蒸汽动力车教学内容提要3）19世纪到20世纪初的第二次产业革命，随着内燃机的出现，促进了汽车、飞机等运输工具的出现和发展。 1898年问世的“雷诺”牌汽车 “圣路易斯精神”号飞机1927年美国人林德伯格驾驶着它完成了人类首次不着陆飞越大西洋的壮举。4）20世纪中后期，以机电一体化技术为代表，在机器人，航空航天，海洋舰船等领域开发出了众多高新机械产品，如火箭、卫星、宇宙飞船、空间站、航空母舰、深海探测器等。 航天飞机正在利用机械臂施放 国际太空站哈勃空间望远镜5）展望刚刚到来的21世纪，智能机械、微型机构、仿生机械的蓬勃发展，将促进材料、信息、计算机技术、自动化等领域的交叉与融合，进一步丰富和发展机械原理学科知识。教学内容提要 用光刻技术做成的微米尺寸的微机械 蜘蛛形探雷机器人机械科学与技术发展或许是我们限定思维所难以展望的，但人们在机械创新的漫漫征程中所积累的机械原理知识为我们提供了认识和改造客观世界的基础。机械原理（Theory of Machines and Mechanisms）是机器和机构理论的简称。它以机器和机构为研究对象，是一门研究机构和机器的运动设计和动力设计，以及机械运动方案设计的技术基础课。授课内容： 第一节本课程研究的对象和内容1、机构与机器的概念机器的种类繁多，如内燃机、汽车、机床、缝纫机、机器人、包装机等，它们的组成、功用、性能和运动特点各不相同。机械原理是研究机器的共性理论，必须对机器进行概括和抽象。先来看内燃机的实例内燃机是将燃气燃烧时的热能转化为机械能的机器，其工作过程如下：活塞下行，进气阀打开，燃气被吸入气缸活塞上行，进气阀关闭，压缩燃气点火后燃气燃烧膨胀，推动活塞下行，经连杆带动曲轴输出转动活塞上行，排气阀打开，排出废气教学内容提要通过各部分的协同配合动作，内燃机便能把燃气燃烧时的热能转化为曲柄转动的机械能。内燃机与机械手的构造、用途和性能虽不相同，但是从它们的组成、运动确定性及功能关系看，都具有一些共同特征：（1）人为的实物（机件）的组合体。（2）组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动。（3）能完成有用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。内燃机等机器结构较复杂，如何分析和设计这类复杂的机器呢？我们可以采取“化整为零”的思想，即首先将机器分成几个部分，对其局部进行分析。下面以内燃机为例进行说明。 内燃机看似复杂，其实也是由几种基本机构组成的，内燃机的输出运动由活塞、连杆和曲轴等完成进气阀和排气阀的开启和关闭由凸轮和顶杆实现，内燃机的进气阀、排气阀和活塞之间一定规律的动作由一组齿轮来实现。教学内容提要上述三种机件的组合体在输入运动给定后都有确定的运动，我们将它们称之为机构，即机构是传递运动和动力的实物组合体。最常见的机构有连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构、螺旋机构、开式链机构等。它们的共同特征是：（1）人为的实物（机件）的组合体。（2）组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动。可以看出，机构具有机器的前两个特征。机器是由各种机构组成的，它可以完成能量的转换或做有用的机械功；而机构则仅仅起着运动传递和运动形式转换的作用。在开发设计新型机器时，我们采用“积零为整”的设计思想，根据机器要完成的工艺动作和工作性能，选择已有机构或创新设计新机构，构造新型机器。内燃机就是由曲柄滑块机构(由活塞、连杆、曲轴和机架组成)、凸轮机构(由凸轮、顶杆和机架组成)和齿轮机构等组成。以下是一些常用的典型机构: 连杆机构 凸轮机构 齿轮机构 间歇运动机构 螺旋机构 开式链机构所谓机构就是用来传递与变换运动和力的可动装置。如带传动、链传动、连杆机构、凸轮机构及齿轮机构等等。所谓机器是根据某种使用要求而设计的一种执行机械运动的装置,可用来变换或传递能量、物料和信息。如电动机、内燃机是用来变换能量的机器；汽车、起重机是用运送物料的机器；计算机、打印机及复印机等是处理信息的机器。结论：机器,就其组成部分而言,乃是一种可用来变换或传递能量、物料和信息的机构的组合体。机器和机构统称为机械。现代机械系统一般由四部分组成：（1）原动部分 机械动力的来源。 （2）执行部分 处于整个传动路线的终端，完成机 械预期的动作。教学内容提要（3）传动部分 介于原动机和执行部分之间，把原动机的运动和动力传递给执行部分。（4）控制部分 控制机械的其它基本部分，使操作者能随时实现或终止各种预定的功能。随着科学技术的发展，机械概念得到了进一步的扩展：1某些情况下，机件不再是刚体，气体、液体等也可参与实现预期的机械运动。我们将利用液、气、声、光、电、磁等工作原理的机构统称为广义机构。由于利用了一些新的工作介质和工作原理，较传统机构更能方便地实现运动和动力的转换，并能实现某些传统机构难以完成的复杂运动。利用液体、气体作为工作介质，实现能量传递和运动转换的机构，分别称为液压机构和气动机构，它们广泛应用于矿山、冶金、建筑、交通运输和轻工等行业。利用光电、电磁物理效应，实现能量传递或运动转换或实现动作的一类机构，应用也十分广泛。例如，采用继电器机构实现电路的闭合与断开；电话机采用磁开关机构，提起受话器时，接通线路进行通话，当受话器放到原位时断路。 液压工作台送进机构 气动增力机构2机器内部包含了大量的控制系统和信息处理、传递系统。 数控冲床利用计算机进行信息处理和控制 高级CNC控制器，用以控制冲床各部分的运动3机器不仅能代替人的体力劳动，还可代替人的脑力劳动。除了工业生产中广泛使用的工业机器人，还有应用在航空航天、水下作业、清洁、医疗以及家庭服务等领域的 服务型机器人。例如Sony公司新近推出的SDR-3X娱乐机器人。教学内容提要 SDR-3X娱乐机器人每分钟可以步行15米，可按照音乐的节拍翩翩起舞,可以进行较高速度的“自律”运动。另外,还配备了声音识别和图像识别功能。SDR-3X可以表演“边做体操边快速行走”、“按照音乐节拍的舞蹈”、“按照命令把指定的球踢进球门”等复杂动作。2有关机械的基本理论问题本课程研究的内容是有关机械的基本理论问题,主要包括以下五个方面：1)机构结构分析的基本知识；2)机构的运动分析,即机构运动分析的基本原理及方法；3)机器动力学,即机器在运动过程中各构件的受力与作功的情况和机器在外力作用下的运动及其速度波动的调节、以及机械的平衡等动力学问题；4)机器中常用机构的分析与设计；5)机械传动系统运动方案的设计。上述内容又可概括为两大方面：1)研究各种机构和机器所具有的一般共性问题。如机构的组成理论、机构运动学及机器动力学等。2)研究各种机器中常用的一些机构的运动和动力性能,以及它们的设计、选型、组合及变异等基本原理及方法问题。第二节 本课程的性质、任务和作用机械原理是研究机械工业基础理论的一门学科。也是高等工业学校本科机械类专业教学计划中所设置的一门主干技术基础课程。本课程主要研究各种机械的一般共性问题,即研究机构的组成原理、机构运动学及机器动力学等；研究各种机器中常用机构的运动及动力性能分析与设计方法和机械传动系统方案设计的问题。机械原理是以高等数学、物理学及理论力学等基础课程为基础的，研究各种机械所具有的共性问题；它又为以后学习机械设计和有关机械工程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。因此，机械原理是机械类各专业的一门非常重要的技术基础课，它是从基础理论课到专业课之间的桥梁，是机械类专业学生能力培养和素质教育的最基本的课程。在教学中起着承上启下的作用，占有非常重要的地位。2本课程的任务本课程的任务是使学生通过本课程的学习,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,并初步具有按照机械的使用要求拟定机械的运动方案、进行分析和设计机构的能力。教学内容提要时间分配及备注3本课程的作用本课程在培养高级工程技术人才的全局中,不仅能为学生学习相关技术基础课程和专业课程打下基础,在教学计划中起到桥梁的教学作用,而且能起到增强学生对机械技术工作的适应能力和开发创造能力的教学作用。第三节 机械原理学科发展现状简介当今世界正经历着一场新的技术革命。新概念、新理论、新方法、新工艺不断出现。作为向各行各业提供装备的机械工业,也得到了迅猛的发展。1. 现代机械发展的方向及要求现代机械工业日益向高速、重载、高精度、高效率、低噪声等方向发展。对机械提出的要求也越来越苛刻。如有的需用于宇宙探测,有的要在深海作业；有的小到能沿人体血管爬行,有的又是庞然大物；有的速度数倍于声速,有的又要作亚微米级甚至纳米级的微位移,如此等等。2. 机械原理学科的发展的现状处于机械工业发展前沿的机械原理学科,了适应这种种情况,新的研究课题与日俱增,新的研究方法日新月异。(1)在新机构研发方面：为适应生产发展的需要,当前在自控机构、机器人机构、仿生机构、柔性机构和机、电、光、声、液、气、热的综合机构等的研制上有很大进展。(2)在连杆机构方面：重视了对空间连杆机构、多杆多自由度空间机构、特殊串联及多环并联机构、连杆机构的弹性动力学和连杆机构的动力平衡的研究。(3)在齿轮机构方面：发展了齿轮啮合原理,提出了许多性能优异的新型齿廓曲线和新型传动,加速了对高速齿轮、精密齿轮、微形齿轮的研制。(4)在凸轮机构方面：十分重视对高速凸轮机构的研究。为了获得动力性能好的凸轮机构,在凸轮机构推杆运动规律的开发、选择和组合上作了很多工作。(5)在组合机构方面：为了适应现代机械高速度、快节拍、优性能的需要,还发展了高速高定位精度的分度机构,具有优良综合性能的组合机构,以及各种机构的变异和组合等等。(6)在机械的分析与综合方面：一方面由只考虑其运动性能过渡到同时考虑其动力性能；考虑到机械在运转时,构件的振动和弹性变形,运动副中的间隙和构件的误差对机械运动及动力性能的影响；以及如何对构件和机械进一步作好动力平衡的问题等等。另一方面日益广泛地应用了计算机,发展并推广了计算机辅助设计、优化设计、考虑误差的概率设计。 提出了多种便于对机械进行分析和综合的数学工具,编制了许多大型通用或专用的计算程序。此外,随着现代科学技术的发展,测试手段的日臻完善,也加强了对机械的实验研究。15分钟教学内容提要时间分配及备注机械原理研究内容在不断地完善和发展。现在各种新概念、新理论、新方法、新工艺的不断涌现，使机械原理学科的研究蓬勃发展，也为其应用开拓了更广阔的前景。机械原理课程的研究内容在不断丰富之中，出现了很多新的学科分支。1.在20世纪末发展起来的计算机辅助机构分析与设计将更为完善。将机构学知识结合人工智能理论，构建机构分析与设计的专家系统，将得到进一步发展。可以预计，基于Web的远程网络机构设计系统将出现，利用世界各地的专家知识和经验，开展多专家协同的异地设计，在本世纪将推动机构学理论的高速发展。2.对机构学的基础理论研究将有新的进展和突破。以智能机械和微机械为代表的新型机械系统，将需要构建新的机构学理论。例如，微型机械并不是将传统机械直接微型化，而是涉及多学科的综合技术的应用。目前已研制出210m100m的滑块，直径为60m的静电电机，由原子直接排列而成的纳米齿轮，供情报收集的蚊子机器人等。而微型人造卫星、可在人的血管中爬行的机器人以及进行眼科手术的微型机械手等也都已经或即将见诸应用。它们的出现，推动了处于机械原理学科前沿的微型机构学分支的产生。3.机构学研究已渗透到生物学研究领域，仿生机构将得到进一步完善和发展。通过对人的手指、手腕和手臂的研究，已研制出各种多自由度的机械假手，造福人类。另外，通过研制蛇形机构来探测管道故障；研究鱼游机构来解决深水探测问题；研制各种类型的两足、四足、六足步行机，完成各种地形甚至是其他星球表面的探测任务。这些研究有利于创造出新颖的、具有特殊功能的新机构来。15分钟教学内容提要时间分配及备注以上分析仅是本门学科新近发展的一部分。机械原理研究内容的丰富和发展将对机械工程领域的高新技术发展，起着决定性的作用。本次课总结：总之,作为机械原理学科,其研究领域十分广阔,内涵非常丰富。在机械原理的各个领域