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机械原理 2004年2月 第一章绪论 1 1机械原理课程的研究对象与内容 机械是机器与机构的总称 机械 机器 机构 研究对象 什么是机器呢 什么是机构呢 普通车床 数控车床 数控铣床 这是一种机器 主要用来加工平面和曲面 锯床 并联机床原型机 数控压弯机 数控剪板机 美国西科斯基公司生产的 黑鹰 直升机 神舟五号 发射时的情景 发射塔 运载火箭都是庞大的机器 索杰纳火星车它是美国国家航空航天局于格林威治时间1997年7月4日17时07分发射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星表面着陆 该飞船携带了索杰纳火星车 这也是一种机器 世界最小的微型机械人World ssmallestrobot 美国山迪亚国家实验室的科学家 成功研制了相信是世界最小的微型机械人 这微型机械人体积只有四分之一立方寸 体重小於一盎司 什么是机器呢 机器是一种人为实物组合的具有确定机械运动的装置 它用来完成有用功 转换能量或处理信息 以代替或减轻人类的劳动 一部机器可能包含多种类型的机构 也可能只包含一种机构 凸轮机构 齿轮机构 连杆机构 什么是机构呢 机构可以定义为 是一个具有确定的机械运动的构件系统 或称它是用来传递运动和动力的可动装置 在 机械原理 课程中要研究以下内容 1 机构的分析 1 机构的结构分析研究机构的组成原理 即机构组成的一般规律 研究机构运动的可能性与确定性的条件 2 机构的运动分析研究在给定原动件运动的条件下 机构各点的轨迹 位移 速度 加速度等运动特性 机械原理 是一门从力学原理的角度研究机械的组成 分析与设计基本理论的课程 是一门技术基础课 2 常用机构的设计问题 主要研究 连杆机构 凸轮机构 齿轮机构 间歇运动机构等的设计理论和设计方法 3 机械系统运动方案设计 4 机械动力学问题 主要研究 如何根据机器的功能来确定运动方案 主要研究 机械系统的真实运动规律 机械的调速和机构的平衡 3 机构的力分析研究机构的各构件和运动副中力的计算 摩擦及效率问题 研究内容 机械设计的一般过程 需求分析 机械方案设计 机械方案运动分析 机械方案动力分析 机械造型设计 机械工作能力设计 确定工艺方案 确定工艺参数 机械结构设计 一台典型的现代化机器是由四个部分组成的 即原动机 传动机构 执行机构和控制系统 1 2现代化机器的组成 原动机用于提供动力 原动机主要有电动 液动 气动三种形式从运动形式来划分有回转 往复直线和步进等多种运动形式 常用原动机形式 电动原动机 电动原动机的形式是 电动机 从运动形式看 电动机有输出转动的回转电动机和输出往复移动的直线电动机 从电源形式看 电动机有使用交流电源的交流电动机和使用直流电源的直流电动机 从控制形式看 有输出位移 速度都不可控制的电动机 有输出位移 速度 力矩可以控制的控制电动机 这是最常用的交流异步电动机 这是步进电机 它可以按输入的电脉冲数回转相应的角度 这是伺服电动机 它可以精确的控制电动机的输出位移和转速 液压原动机 液压原动机的形式是 液压马达和液压油缸 液压马达输出回转运动 液压油缸输出往复直线运动 BM型摆线液压马达 液压油缸 气动原动机 气动原动机的形式是 气动马达和气缸 气动马达输出回转运动 气缸输出往复直线运动 叶片马达 柱塞马达 无导杆气缸 有导杆气缸 气缸 传动机构将运动和动力传递或变换给执行机构在传动机构中一般首先与电机联接的是减速机构 最常用的是各种类型的减速器 变速器等 圆柱齿轮减速器 锥齿轮减速器 摆线针轮减速器 重量 0 7kg额定输出扭矩45Nm最大输出扭矩80Nm 短程地对地导弹电舵机 电动机转速4200rpm输出转速13rpm 执行机构用于实现机器的功能 如机床的刀架 机器人的手爪等 该机器人的手爪协调运动夹持球体实现任意运动 这是一种智能型机器人 全方位准椭球齿轮柔性关节 控制系统用于实现机器执行机构之间的工作协调 或者各机器之间的工作协调 控制模式 1 3设计与创新 一 设计 设计是基础理论 应用技术和实践经验综合应用的过程 设计本身就是一种创造性劳动 二 创新 自然科学领域的最高成就是发现 应用技术领域的最高成就是发明 基础理论知识 应用技术知识 实践经验 发明 强烈的创新意识 勤奋的工作 两用折叠椅 双曲面滚柱加载器 同向传动齿轮 叶片差速泵 本章结束 飞船与火箭对接 EJ2000的尾喷口 第二章机构的结构分析与综合 机械原理 哈尔滨工业大学 2004年2月 2 1研究机构结构的目的 机械原理课程对机械的研究主要有以下几个方面 一 对已有机械进行分析 二 设计新的机械 本章主要研究机构的结构分析与综合 其目的是 研究组成机构的要素及机构具有确定运动的条件 研究机构的组成原理 研究机构运动简图的绘制 研究机构结构的综合方法 2 2机构的组成及其运动简图的绘制 一 机构的组成要素 机构的组成要素是 构件 作为一个整体参与机构运动的刚性单元体称为构件 一个构件 可以是不能拆开的单一整体 也可能是由若干个不同零件组装起来的刚性体 例如 运动副 由两个构件直接接触而产生一定相对运动的联接称为运动副 两构件上参与接触构成运动副的部分称为运动副元素 对运动副的理解要把握以下三点 运动副是一种联接 运动副由两个构件组成 组成运动副的两个构件之间有相对运动 例如 请看教学模型演示 运动副是机械原理中最重要的概念之一 以上是机构的两大组成要素 可以说 机构是由运动副逐一联接各个构件组成的 二 运动副的分类 组成机构的运动副的类型决定机构的运动形式 运动副有多种类型 对运动副进行正确的分类 在机构设计和综合中是非常重要的 根据运动副所引入的约束数分类 见表2 1 根据组成运动副的两个运动副元素的接触情况分类 球面高副 柱面高副 运动副元素以点或线接触的运动副称为高副 运动副元素以面接触的运动副称为低副 球面低副 移动副 转动副 根据组成运动副的两个构件的相对运动形式分类 空间运动副 球销副 螺旋副 圆柱套筒副 平面运动副 移动副 转动副 三 运动链与机构 开式运动链 闭式运动链 机构 四 机构运动简图的绘制 为了便于研究机构的运动 可以撇开构件 运动副的外形和具体构造 而只用简单的线条和符号代表构件和运动副 并按比例定出各运动副位置 表示机构的组成和传动情况 这样绘制出能够准确表达机构运动特性的简明图形就称为机构运动简图 只是为了表明机构的运动状态或各构件的相互关系 也可以不按比例来绘制运动简图 通常把这样的简图称为机构示意图 常用机构构件 运动副代表符号 绘制机构运动简图的步骤 1 在绘制机构运动简图时 首先确定机构的原动件和执行件 两者之间为传动部份 由此确定出组成机构的所有构件 然后确定构件间运动副的类型 2 为将机构运动简图表示清楚 恰当地选择投影面 一般选择与多数构件的运动平面相平行的面为投影面 必要时也可以就机械的不同部分选择两个或两个以上的投影面 然后展开到同一平面上 总之 绘制机构运动简图要以正确 简单 清晰为原则 3 选择适当的比例尺 根据机构的运动尺寸定出各运动副之间的相对位置 然后用规定的符号画出各类运动副 并将同一构件上的运动副符号用简单线条连接起来 这样便可绘制出机构的运动简图 绘制牛头刨床机构的运动简图 绘制十字滑块联轴节的运动简图 2 3机构自由度的计算 一 平面机构自由度的计算公式 1 自由度与约束 构件独立运动的数目称为自由度 对构件运动的限制作用称为约束 2 机构自由度 机构独立运动的数目称为机构的自由度 什么是独立运动 什么是机构的独立运动 对于具有n个活动构件的平面机构 若各构件之间共构成了PL个低副和PH个高副 则它们共引入 2PL PH 个约束 机构的自由度F显然应为 F 3n 2PL PH 3n 2PL PH 什么是机构的自由度 机构的自由度 机构的独立运动数目 平面机构独立运动的数目为 所有活动构件的自由度的和减去所有运动副引入约束数目的和 这是机构自由度的计算公式 二 机构自由度的意义及机构具有确定运动的条件 所谓机构的自由度 实质上就是机构具有确定位置时所必须给定的独立运动参数的数目 机构的自由度数也就是机构应当具有的原动件数目 计算下列机构的自由度 n 2 PL 3 PH 0F 3n 2PL PH 3 2 2 3 0 n 3 PL 5 PH 0F 3n 2PL PH 3 3 2 5 1 n 3 PL 4 PH 0F 3n 2PL PH 3 3 2 4 1 n 4 PL 5 PH 0F 3n 2PL PH 3 4 2 5 2 讨论 n 2 PL 3 PH 0F 3n 2PL PH 3 2 2 3 0 n 3 PL 5 PH 0F 3n 2PL PH 3 3 2 5 1 1 若机构自由度 则机构不能动 n 3 PL 4 PH 0F 3n 2PL PH 3 3 2 4 1 n 4 PL 5 PH 0F 3n 2PL PH 3 4 2 5 2 2 若 且与原动件数相等 则机构各构件间的相对运动是确定的 因此 机构具有确定运动的条件是 机构的原动件数等于机构的自由度数 3 若 0 而原动件数 F 则构件间的运动是不确定的 4 若 而原动件数 F 则构件间不能运动或产生破坏 三 计算机构自由度时应注意的事项 1 复合铰链 例 由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链 由m个构件构成的复合铰链应当包含 m 1 个转动副 2 局部自由度 不影响机构整体运动的自由度 称为局部自由度 在计算机构自由度时 局部自由度应当舍弃不计 3 虚约束 应在计算结果中加上虚约束数 或先将产生虚约束的构件和运动副去掉 然后再进行计算 在机构中 有些约束所起的限制作用可能是重复的 这种不起独立限制作用的约束称为虚约束 常见的虚约束有以下几种情况 当两构件组成多个移动副 且其导路互相平行或重合时 则只有一个移动副起约束作用 其余都是虚约束 带虚约束的凸轮机构 带虚约束的曲轴 当两构件构成多个转动副 且轴线互相重合时 则只有一个转动副起作用 其余转动副都是虚约束 如果机构中两活动构件上某两点的距离始终保持不变 此时若用具有两个转动副的附加构件来连接这两个点 则将会引入一个虚约束 带虚约束的杆机构 机构中对运动起重复限制作用的对称部分也往往会引入虚约束 带虚约束的行星轮系 虚约束的本质是什么 从运动的角度看 虚约束就是 重复的约束 或者是 多余的约束 机构中为什么要使用虚约束 a 使受力状态更合理 b 使机构平衡 c 考虑机构在特殊位置的运动 使用虚约束时要注意什么问题 保证满足虚约束存在的几何条件 在机械设计中使用虚约束时 机械制造的精度要提高 2 4平面机构的组成原理和结构分析 一 平面机构的组成原理 机构都是由机架 原动件和从动件组构成的 机架 原动件 从动件组 从动件组 当把该机构的机架和原动件拆去后 则余下的从动件组为 这个从动件组的自由度为零 即 这个从动件组还可以分解成若干个更简单的 自由度等于零的从动件组 这样的从动件组已经不能进一步分解成更简单 自由度为零的从动件组 通常把这样的从动件组称为 基本杆组 基本杆组的概念非常重要 它是机构分析的重要的理论基础 机构的组成原理 任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上所组成的 如果基本杆组的运动副全为低副 则基本杆组自由度的计算公式为 由于活动构件数n和低副数PL都必须是整数 所以n应是 的倍数 PL应是 的倍数 这也就是说 在一个基本杆组中 其构件数和低副数有以下关系 n 2 PL 3 n 4 PL 6 n 6 PL 9 二 基本杆组的类型 最简单的平面基本杆组是由两个构件三个低副组成的杆组 称之为 级杆组 RRP杆组 RPR杆组 PRP杆组 RPP杆组 除 级杆组外 还有 级等较高级的基本杆组 这是 级杆组 由 个构件 个低副组成 具有一个 副构件 而每个内副所连接的分支是双副构件 这是 级杆组 由 个构件 个低副组成 有 个内副 机构自由度计算举例 例1图示牛头刨床设计方案草图 设计思路为 动力由曲柄1输入 通过滑块2使摆动导杆3作往复摆动 并带动滑枕4作往复移动 已达到刨削加工目的 试问图示的构件组合是否能达到此目的 如果不能 该如何修改 解 首先计算设计方案草图的自由度 改进措施 1 增加一个低副和一个活动构件 2 用一个高副代替低副 即表示如果按此方案设计机构 机构是不能运动的 必须修改 以达到设计目的 改进方案 改进方案 改进方案 改进方案 例2如图所示 已知 DE FG HI 且相互平行 DF EG 且相互平行 DH EI 且相互平行 计算此机构的自由度 若存在局部自由度 复合铰链 虚约束请标出 例3计算图所示机构的自由度 若存在局部自由度 复合铰链 虚约束请标出 局部自由度 虚约束 例4如图所示 已知HG IJ 且相互平行 GL JK 且相互平行 计算此机构的自由度 若存在局部自由度 复合铰链 虚约束请标出 局部自由度 复合铰链 虚约束 本章结束 机械原理 哈尔滨工业大学 2003年12月 第四章凸轮机构及其设计 典型的凸轮机构的工作原理 从动件 凸轮 滚子 机架 一 凸轮机构的应用 盘形凸轮机构在印刷机中的应用 等经凸轮机构在机械加工中的应用 4 1凸轮机构的应用及分类 利用分度凸轮机构实现转位 圆柱凸轮机构在机械加工中的应用 二 凸轮机构的分类 凸轮机构分类 1 按两活动构件之间相对运动特性分类 2 按从动件运动副元素形状分类 3 按凸轮高副的锁合方式分类 平面凸轮机构 空间凸轮机构 盘形凸轮 移动凸轮 尖顶从动件 滚子从动件 平底从动件 力锁合 形锁合 1 按两活动构件之间的相对运动特性分类 1 平面凸轮机构 1 盘形凸轮 2 移动凸轮 2 空间凸轮机构 2 按从动件运动副元素形状分类 1 直动尖顶从动件 对心直动尖顶从动件 偏置直动尖顶从动件 2 直动滚子从动件 3 直动平底从动件 根据运动形式的不同 以上三种从动件还可分为直动从动件 摆动从动件 平面复杂运动从动件 摆动滚子从动件 摆动尖顶从动件 摆动平底从动件 平面复杂运动从动件 3 按凸轮高副的锁合方式分类 1 力锁合 2 形锁合 凸轮机构的优缺点 只要设计出适当的凸轮轮廓 即可使从动件实现预期的运动规律 结构简单 紧凑 工作可靠 凸轮为高副接触 点或线 压强较大 容易磨损 凸轮轮廓加工比较困难 费用较高 优点 缺点 4 2从动件运动规律及其选择 一 凸轮机构的运动循环及基本名词术语 凸轮基圆基 圆半径 偏距圆 偏距 从动件行程 从动件推程 从动件回程 推程运动角 回程运动角 从动件远 近 休程 远 近 休止角 从动件位移 二 从动件运动规律 等速运动规律 等加速等减速运动规律 余弦加速度 简谐 运动规律 正弦加速度 摆线 运动规律 3 4 5多项式运动规律 三 从动件运动规律的选择 在选择从动件的运动规律时 除要考虑刚性冲击与柔性冲击外 还应该考虑各种运动规律的速度幅值 加速度幅值及其影响加以分析和比较 对于重载凸轮机构 应选择值较小的运动规律 对于高速凸轮机构 宜选择值较小的运动规律 若干种从动件运动规律特性比较 4 3按预定运动规律设计盘形凸轮廓线 一 凸轮设计的基本问题 1 已知运动规律 设计凸轮 已知条件 运动规律 几何尺寸 基圆半径r0 偏距圆半径e 2 已知从动件行程h 设计凸轮 已知条件 选定运动规律 几何尺寸 基圆半径r0 偏距圆半径e 从动件行程h 二 凸轮设计的步骤 1 确定基圆 偏距圆 3 设计理论廓线 2 确定从动件运动规律 4 设计实际廓线 三 凸轮理论廓线设计的基本原理 反转法 反转法 四 凸轮实际廓线