机械原理 课件 第1章 绪论

第1章绪论Introduction与课程相关的几点信息自我介绍课程的位置、特点及学习目标考试比例教材、教辅、作业、TA、小组长实验、上机答疑课件

机械原理又称机构与机器理论(MMT)、机构分析与综合(或机构设计)。从知识角度讲，位于设计的前端，属概念设计；从学科角度来看，以机构学为主要载体，兼顾少许机器动力学知识。

机械原理是一门将科学和工程有机结合的鲜活例程，核心在于创新设计。学习机械原理的最终目标是更好地为工程设计服务。

机械原理属于知识密集型，内容广、创新强、更新快。课程的地位及学习课程的目的课程的地位及学习课程的目的机械工业是国民经济的基础；运动方案的设计和更新直接影响机械产品或设备设计的成败、优劣以及生产效率的提高；产品设计和开发过程中最关键、最难的便是功能原理创新。基础课程技术基础课程专业课程机械原理更接近工程实际知识面更宽、适应性更广课程的地位及学习课程的目的机械原理教学的总目标：培养学生在信息技术时代条件下的综合设计能力、创新设计能力和工程实践能力。强调工程教育的科学化，着眼于培养站得高、看得远，能进行总体策划和系统设计、主持产品设计的工程大师。机械图示基础

EngineeringGraphicsRepresentation机械原理（机械系统方案设计）

MechanicalSystemConceptualDesign机械系统结构设计

EngineeringDesignofMechanicalSystem为学习机械设计和机械类有关专业课以及掌握新的科学技术打好工程技术的理论基础；为机械的合理使用和革新改造打好良好基础；为机械产品的创新设计奠定基础。学习目标选择合适的分析及设计方法解决某一具体问题；利用商用机构学软件进行机构的建模、分析及仿真（比如WorkingModel或ADAMS）；利用数学软件进行机构设计及分析（Matlab或Mathematica等简单编程）；利用编程语言进行机构分析（C、C++等）。机构运动简图的绘制（形象——抽象思维的训练）；利用网络、图书馆等媒介调研机构学的特色问题（驾驭文献的能力）；基于项目的机构分析与综合（科学思维与科研方法的训练）；基于项目的机构创新设计与实践（工程创新思维与科研方法的训练）。知识技能机械原理课程的学习方法学习知识的同时，注重能力的培养

注重实践和实验，增强动手能力重视逻辑思维能力培养的同时，加强形象思维能力的培养注意将理论力学的知识与本课程学习灵活结合将课程的分析方法和实际相结合

机械原理课程教学环节5.网上交流与答疑1.课堂讲授为主、课内实验、讨论与小测验2.课外阅读/习题作业/分组项目大作业3.动手实验4.上机实践学时安排40＋10＋4＝54283185626机械原理课程考核方式10%（小测验+课外作业）30%（实验）60%（期末考试）5%（课外作业）10%（实验）85%（期末考试）40%（小测验+课外作业）10%（实验）50%（期末考试）20%（小测验+课外作业）30%（实验）50%（期末考试）于靖军主编．机械原理，机械工业出版社，2013郭卫东主编，机械原理（第二版），科学出版社，2013吴瑞祥、王之栎、郭卫东、刘静华．机械设计基础（下），北京航空航天大学出版社，2005郭卫东主编，机械原理实验教程，科学出版社，2014郭卫东编著．ADAMS与虚拟样机设计，北京航空航天大学出版社，2008郭卫东主编，机械原理教学辅导与习题解答，科学出版社，2010NortonR.L.DesignofMachinery:AnIntroductiontoSynthesisandAnalysisofMechanismsandMachines,ThirdEdition,McGraw-HillInc.,2004.简本英文版，高等教育出版社，2007;中译本，机械工业出版社,2002教材与教辅齿轮机构设计与制作凸轮机构设计与制作机构的设计与制作连杆机构的运动测试与分析凸轮机构的运动测试与廓线测绘机构的测试与分析连杆机构设计凸轮机构设计齿轮机构设计机构的设计与验证刚性转子的动平衡机械系统速度波动的调节机械系统动力学机械系统设计ⅠⅡⅢⅣ机构的认知凸轮廓线测绘齿轮参数测量机构的认知与表达机构的表达Ⅴ连杆机构设计与制作实验与上机实验与上机a机构认知实验室b机构表达实验室c机构设计与制作实验室d机构创新设计实验室e飞轮调速实验室f齿轮参数测量实验室g凸轮机构设计实验室h虚拟样机仿真实验室abgfechd实验与上机绪论绪论机器、机构与机械机械发展史概述本课程的研究内容机构设计过程与创新设计有关机械的几个问题什么是机械？其含义包括哪些？各行各业的机器组成有没有共同的特点？能否进行总结？其共同特征或者共同之处在何处？能否进行专门研究？机器与机构机器（machine）内燃机实例考虑：（1）该机器是如何组成的？（2）它有哪些特征？单缸四冲程内燃机机器人实例考虑：（1）该机器是如何组成的？（2）它有哪些特征?机器举例：老三件、新三件组成： 由一系列人为的机件组合而成运动特性： 组成的各部分之间具有确定的运动功、能关系：能够代替人的劳动完成有用功或者实现能量的转换从以上实例及日常接触的机器可以看出，机器的共同特征：机构（mechanism）具有完全确定的相对运动

凸轮机构

曲柄滑块机构

齿轮(系)机构由上面例子可看出机构的共同特征：组成： 由一系列人造的机件组成运动特性：组成的各部分之间具有确定的相对运动机构：传递运动和动力的机件组合，如传递回转运动、往复运动，实现复杂的运动规律和复杂的运动轨迹。机器与机构之间是一种具体和抽象、个性与共性的关系。而从结构和运动的观点来看，二者并无区别。因此，人们更习惯用机械（machinery）一词作为机器与机构的总称。

机械是人类用以转换能量和借以减轻体力劳动、提高生产率的主要工具。机械工业是国民经济的支柱工业之一。

机械工业是社会生产力发展水平的重要标志。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。机械发展的历史回顾

杠杆

滑轮第一阶段（古世纪—18世纪中）：为机构的启蒙与发展时期

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。我国古代在机械研制方面有许多杰出的发明创造。第二阶段（18世纪下—20世纪中）：机构学成为一门独立的学科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。瓦特发明的“双缸蒸汽机”传统机构实例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。第三阶段（20世纪下——至今）：控制与信息技术催生现代机械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、深海探测器等机器人国际太空站航天飞机正在利用机械臂施放哈勃空间望远镜展望刚刚到来的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基础学科知识。用光刻技术做成的微米尺寸的微机械仿生机械与仿生机器人随着科学技术的发展，机械概念得到了进一步的扩展：机件不再是刚体，加入柔性构件，参与实现预期的机械运动。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。机器内部包含了大量的控制系统和信息处理传递系统。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。传统机械由如下三个部分组成：现代机械一般由如下四个部分组成：心脏、躯干、手大脑（眼睛）现代机构的几个例子纵观机械发展史，许多机器的创新都源于机构的创新。指南车(差速齿轮机构)弓弩(柔顺机构)木牛流马(飞轮助力机构)Watt蒸汽机(铰链四杆近似直线机构)单缸四冲程内燃机发动机的演化

V-2型内燃机

星形内燃机

汪克尔发动机空间开链结构(大工作空间)

Stewart平台(大负载)Delta机器人(高速)微纳操作手(高精度)机器人操作手的演化机构学发展趋势1、更快2、更省

3、更精

4、智能5、…..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设计及理论为我们提供了认识和改造客观世界的基础。19世纪：德国布尔梅斯特运动几何学派20世纪前：苏联

20世纪后：美国计算运动学机构学史上的三个学派中国机构学研究主要受俄苏学派和美国学派的共同影响，同时又彼此相互融合，逐渐形成了当前机构学研究的基本特色：重视基础理论研究。切比雪夫(1821-1894)勒洛(1829-1905)弗洛西斯坦(1926-2006)力学与机构学

瑞士数学家Euler提出了平面运动可看成是一点的平动和绕该点的转动的叠加理论，奠定了平面机构运动学分析的基础。1875年德国的Reuleaux在其专著《KinematicsofMachinery》中阐述了机构的符号表示法和构型综合。1888年德国的Burmester在其专著《KinematicsofMachinery》提出了将几何方法用于机构的位移、速度和加速度分析，开创了机构分析的运动几何学。20世纪后半叶，控制与信息技术促进了机构学的快速发展，特别是与计算机技术相结合，大大提高了机构分析与综合过程中的计算效率。1950

60年代，美国哥伦比亚大学Freudenstein教授引入图论描述机构拓扑结构；基于解析方法进行机构运动学和动力学分析与综合，从而开辟了用计算机进行机构运动学综合的道路。线几何、四元数、旋量理论、位移群、微分流形等现代数学工具也相继被引入到机构的分析与综合中。数学与机构学中国机构学的研究历史刘仙洲(1890-1975)中国第一部“机械原理”教材机械原理张启先(1925-2002)中国第一部空间机构学研究的专著高等机械原理黄真(1936-)中国第一部并联机构学方面的专著并联机构学机械原理课程的研究内容1机构的组成分析2常用机构的分析与设计3机构组合系统的分析与设计4机械的若干动力学问题1.运动与约束——相对运动不变原理

运动副（kinematicpair）

机构的分析与综合——机构设计

设计从本质上讲则是科学与艺术的统一体，后者对创造性、直觉、想象力、判断及经验的要求不可或缺。

机构设计过程中，分析与综合交相辉映、相辅相成。无论机构分析还是机构综合，基于数学和力学的建模方法及理论是辅助解决问题最为有效的科学手段之一。

机械原理课程的核心——机构设计机械原理课程的核心——机构设计2.机构的运动学设计典型机构（连杆机构、凸轮机构、齿轮(系)机构等）及机构系统的类型、特点、功能及运动学分析设计方法机构相同机器不同缝纫机脚踏板搅拌机3.机械的动力学设计机械的平衡机械速度波动调节机械系统的动力分析A）机械运转过程中若干动力学问题B）改善机械动力性能的设计方法机构分析综合过程中的辅助工具及软件近50年诞生出了大量机构建模、分析与设计的专用算法以及计算机辅助工具软件。IBM于1964年发布的KAMADAMS由Michigan大学开发DADS由Iowa大学协同CADSI公司开发UG/Scenario、Pro/MECHANISM、SolidWorks、CATIA/KIN、MSC/WorkingModel等运动学综合软件很少：KINSYN（MIT）、LINCAGES（Michigan）、SYNTHETICA（加州大学尔湾分校）“科学主导工程”机构设计与工程实践“工程选择科学”

InteractingGearsSynchronizePropulsiveLegMovementsinaJumpingInsect.Science,2013高速拾取机械手的开发串联机器人运动学分析方法(DH、POE)少自由度并联机器人构型综合理论(2000-)机构创新设计的意义机械产品设计过程中最能体现原始创新能力的阶段在于机构设计阶段。机构创新设计决定了产品的创新性。

一般包括前期阶段的功能设计、原理设计及结构方案设计，以及后期阶段的运动学设计及动力学设计（如有必要）两个设计阶段。前期设