机械设计基础 课件 刘峻 模块1-8 机械设计基础概述- 齿轮传动

汇报时间：汇报人：机械设计基础概述PART.01模块1机械设计基础概述机器是指零件、部件之间存在确定相对运动，用于转换或利用机械能的机械设备，具有确定相对运动、人造实物组合体、替代或减轻人类劳动完成有用功等特征。机组是由两台或两台以上机器机械地连接在一起的机械设备。机器主要由工作机部分、原动机部分、传动部分和控制部分组成，各部分分别承担完成工作任务、提供动力、传递运动和动力、控制机器运行等功能。机构是具有确定相对运动，能实现特定运动形式转换或动力传递的实物组合体。机构与机器的区别在于机构主要负责传递运动或动力，不能直接做有用机械功或进行能量转换，是机器的重要组成部分。机构课程研究对象——机械机械是能够将已有机械能或非机械能转换成便于利用的机械能，或将机械能转换成非机械能，以及利用机械能完成特定工作的装备或器具，是人造实物组合体，各组成部分间有确定相对运动和力的传递。机械根据主要功能和用途分为动力机械、能量变换机械和工作机械，动力机械提供动力，能量变换机械实现能量转换，工作机械改变工作对象物理状态等属性。机器单元1.1机器、机构及机械机器实例：1.内燃机功用：通过燃气在缸内的进气——压缩——爆燃——排气过程，将燃气燃烧时的热能转化为机械能的机器。

气缸体1活塞2进气阀3排气阀4连杆5曲轴6凸轮7顶杆8齿轮9.

车辆、船舶、飞机、火箭等的发动机基本都是内燃机，其最常见的例子即为车用汽油机与柴油机。单元1.1机器、机构及机械2.颚式破碎机功用：压碎物料大带轮4电动机1V带3小带轮2轴板7定颚板8动颚板6偏心轴5单元1.1机器、机构及机械

仅能传递或转换运动

齿轮机构

——传递运动

凸轮机构

——转换运动

(2)机构

①

人为的实物组合

②

各实物间具有确定的相对运动单元1.1机器、机构及机械

（1）构件：组成机构的基本运动单元。

（2）零件：机械中不可拆的制造单元。

单一零件——曲轴多个零件的刚性组合——连杆构件是机械中运动的单元体，零件是机械中制造的单元体。2.构件和零件单元1.1机器、机构及机械01机械设计的含义设计是为满足特定需求进行的创造性实践过程，机械设计是从预设合理目标参数出发，通过系列方法和手段创造所需优化系统或结构的过程。02机械设计的基本要求功能性要求：机器需实现预定使用功能，达到规定参数指标，满足特殊使用要求，设计者要选择合适工作原理、机构类型和传动方案。可靠性要求：机器在规定使用条件和工作期限内完成预定功能，设计者应减少零部件数量、选用标准件、合理设计结构。经济性要求：体现在设计、制造和使用全过程，包括设计制造成本低、生产效率高、能源材料消耗少、维护管理费低等。劳动和环境保护要求：操作系统简便、安全、可靠，减轻操作者劳动强度，减少机器对环境的污染和破坏。其他特殊要求：根据具体应用场景，如食品机械需保持清洁、防止污染等。03机械设计的一般过程规划设计：明确任务后进行市场调查与可行性分析，给出可行性报告和技术任务书，明确预期目标和各项要求。方案设计：核心环节，实现产品预定功能，综合考虑功能需求提出多种原理方案，对比分析选择最优设计，形成机械运动方案图和简图。技术设计：将原理方案具体化，确定参数、尺寸、材料和精度，进行总体设计与结构设计，绘制总体布置图等，得到总装配图。施工设计：完成零部件详细设计，编制技术文件，绘制零件图、部件装配图及总装配图，确保零部件制造和装配。改进设计：对样机测试，发现问题并分析，对方案、机器、零部件综合评价和改进，包含工艺设计、小批量生产等环节。单元1.2机械设计的含义、基本要求及一般过程工作可靠性：零件在规定寿命内保持预定功能而不失效，需考虑承载能力和工作环境。尺寸与质量优化：满足可靠性前提下，追求尺寸小、质量轻，通过优化形状、尺寸和壁厚等实现轻量化设计。良好的结构工艺性：考虑制造工艺可行性和经济性，选择合适材料、加工方法和装配方式，避免复杂结构。经济性考量：降低材料成本、减少加工工时和废品率，考虑维修和更换成本，实现经济性设计。机械零件设计的基本要求理论设计：基于设计理论和实验数据，分设计计算和校核计算，设计计算直接确定参数尺寸，校核计算验证设计安全性和可靠性。经验设计：基于同类零件设计使用实践归纳的经验公式和数据，或采用类比方法，适用于要求稳定和结构典型化的零件。模型实验设计：制作小模型或小尺寸样机试验考核，适用于尺寸大、结构复杂、工况特殊且难理论计算的重要零部件。计算机辅助设计：利用计算机及配套设备和设计计算程序辅助设计，提高效率、缩短周期、确保精度。机械零件设计的常用方法结构工艺性是在特定生产条件和规模下，以最小劳动量和最低成本高效制造零件并便于装配，贯穿生产全过程。设计原则包括减少加工面、标准化和统一化，如减少加工面数量和面积，采用相同螺纹、键等要素，提高生产效率和降低成本。机械零件的结构工艺性及其设计原则单元1.3机械零件设计遗传算法模拟自然界生物进化过程，对机械设备运行状态建模分析，找出影响性能关键因素，生成优化方案，提升设备运行效率。应用于机械结构优化和运动轨迹规划领域，结构优化通过迭代计算模拟分析参数变化和结构变形，运动轨迹规划通过学习和拓扑优化提升轨迹平滑性等。遗传算法模拟人类模糊决策过程，在不确定、不精确环境中，将模糊输入信息转化为精确输出指令，提升控制系统鲁棒性和可靠性。应用于自动化控制系统设计，如CNC机床、机器人等设备的自适应控制，结合深度学习技术可提升加工精度。模糊推理算法以群体智能为核心，分析多个案例群体行为特征，快速寻找全局最优解，适用于多目标优化场景。可对机械结构尺寸参数、形状特征及拓扑结构进行优化，也应用于控制系统参数整定和工艺参数优化等领域。粒子群优化算法源于物理退火过程模拟，通过模拟材料高温冷却分子运动规律，求解机械设计复杂优化问题，初始接受较差解扩大搜索范围，逐步缩小空间收敛到全局最优解。应用于零件性能优化和运动轨迹规划，零件性能优化针对材料选择等非确定性因素，运动轨迹规划适用于复杂环境下路径优化。退火模拟算法单元1.4人工智能在机械设计中的应用汇报时间：汇报人：谢谢大家

汇报时间：汇报人：模块2平面连杆机构

Contents目录

01学习目标02单元2.1平面机构的运动基础03单元2.2平面机构的机构运动简图04单元2.3平面机构的自由度08模块习题07模块小结06单元2.5AI应用实训——利用豆包软件进行平面四杆机构的设计05单元2.4平面四杆机构PART.01学习目标01了解平面机构的运动基础掌握点、质点和刚体的基本概念及其在工程实际中的应用。理解刚体运动时内部各点运动的关联性及研究方法。02掌握平面机构运动简图的绘制方法和自由度计算熟悉机构运动简图的绘制原则、规范及标准图形符号。掌握平面机构自由度的计算公式及计算时的注意事项。03熟悉平面四杆机构的类型和应用了解铰链四杆机构的基本类型：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。掌握铰链四杆机构的演化形式：曲柄滑块机构、导杆机构和偏心轮机构。04掌握平面四杆机构的运动特性及设计理解急回特性、压力角与传动角、死点位置等运动特性对机构性能的影响。掌握按给定连杆位置和行程速比系数设计平面四杆机构的基本步骤和方法。知识目标0102掌握点的运动（直线运动、曲线运动）的分析方法：自然法、直角坐标法和矢量法。掌握刚体的平动（直线平动、曲线平动）和转动的运动规律及特性。能够熟练运用点和刚体的运动分析方法，准确描述平面机构中构件的运动轨迹、速度和加速度学会运用中垂线法按给定连杆位置设计铰链四杆机构。学会运用极位圆法按给定行程速比系数设计曲柄摇杆机构等。能够根据给定连杆的位置、行程速比系数等参数，运用中垂线法、极位圆法等设计方法，确定机构各构件尺寸技能目标培养严谨的工程绘图习惯，遵循国家标准和行业规范绘制机构运动简图。树立安全第一的意识，在机构设计和应用中考虑其安全性和可靠性。强化工程实践中规范操作和安全意识，确保设计图纸的准确性与可实施性能够运用所学的平面连杆机构知识分析和解决实际机械中的运动传递和转换问题。培养分析问题和解决问题的能力，按照清晰的步骤进行机构设计和运动分析。提升运用理论工具解决实际工程问题的能力，形成逻辑严谨、步骤清晰的问题解决思维思考如何通过机构参数的调整和结构的改进来优化机构的运动性能和传力性能。鼓励提出创新性的机构设计方案，以满足不同的工程需求。培养创新思维与工程优化能力，提升对机构性能改进的敏感性素质目标PART.02单元2.1平面机构的运动基础点的运动轨迹点在空间中运动所经过的路线称为点的运动轨迹。根据轨迹形状，点的运动分为直线运动和曲线运动。点的运动研究方法自然法：以点的运动轨迹为自然坐标轴来描述点的运动。直角坐标法：在直角坐标系中用坐标来描述点的运动。矢量法：用矢量来描述点的位置、速度和加速度。点的运动01在刚体的运动过程中，若其上任意一直线始终与其原始位置保持平行，这种运动称为刚体的平行移动，简称平动。平动的定义02直线平动：刚体上各点的运动轨迹为直线，如牛头刨床的刨刀运动、汽车车身的直线运动。曲线平动：刚体上各点的运动轨迹为曲线，如振动筛的筛体运动。平动的类型03当刚体进行平动时，在某一瞬时，各点的速度和加速度均相等。整个刚体的平动可以由刚体内任意一点的运动来代表，平动的运动学问题可归结为点的运动学问题。平动的特性刚体的平动在刚体的运动过程中，始终存在一条直线保持静止不动，刚体的其他所有点都围绕这条直线进行圆周运动，这种运动称为刚体的定轴转动，简称转动，静止不动的直线称为固定转轴。转动方程为描述刚体转动位置及运动规律，在刚体上取垂直于固定转轴的平面S，确定平面S与固定转轴的交点O，在平面S内作直线OM。刚体在任意瞬时的转角φ是时间t的单值连续函数，即φ=f(t)，单位为弧度(rad)。规定：从固定转轴正端向负端观察，逆时针转动时φ为正，顺时针转动时φ为负。角速度转动刚体上各点的速度刚体上任意一点M到固定转轴的距离为R，其弧坐标S与转角φ的关系为S=Rφ。点M的速度v=ds/dt=d(Rφ)/dt=Rdφ/dt=Rω，方向垂直于转动半径，指向与角速度旋转方向相同。转动刚体内各点的速度与其转动半径成正比。已知轮子转速n和直径D，轮子边缘一点的速度v=Rω=(D/2)×(πn/30)=πDn/60。平均角速度：ω_avg=Δφ/Δt。瞬时角速度：ω=lim(Δt→0)Δφ/Δt=dφ/dt=f’(t)，单位为弧度/秒(rad/s)。角速度是代数量，正负表示转动方向，与转角正负确定方法相同。工程上转速n（转/分，r/min）与角速度ω的换算关系：ω=2πn/60=πn/30。转动的定义刚体的转动PART.03单元2.2平面机构的机构运动简图机构运动简图是一种简化的图形表示方法，用于清晰地展示机构中各构件之间的相对运动关系。机构运动简图的定义必须有一个构件被相对地视为固定件（机架），作为机构运动分析的基准。在活动构件中，必须明确区分出原动件和从动件。两构件组成高副时，应准确画出两构件接触处的曲线轮廓。遵循国家标准《机械制图机构运动简图用图形符号》(GB/T4460-2013)。绘制机构运动简图的原则机构运动简图与符号识别机架、原动件与从动件：明确机构的固定件、主动产生运动的构件和随原动件运动的构件。分析相对运动性质：按运动传递顺序，逐一分析各构件之间的相对运动性质。确定运动副的类型和数目：根据相对运动性质确定低副（转动副、移动副）和高副的类型及数量。合理选择视图平面：根据机构复杂程度和运动特性选择合适的视图平面。选择合适的比例尺：长度比例尺μ_l=实际长度/图示长度。用规定符号绘制机构运动简图：按国家标准和行业规范绘制各构件和运动副。绘制步骤绘制机构运动简图标注转动中心和构件编号：各转动中心标注大写英文字母，构件标注阿拉伯数字或小写字母，原动件用箭头标明运动方向。绘制步骤绘制机构运动简图PART.04单元2.3平面机构的自由度构件在空间自由运动时具有6个自由度（沿x、y、z轴的移动和绕x、y、z轴的转动）。构件在平面内运动时自由度为3个：沿x轴和y轴的移动，以及在xy平面内的转动。自由度的定义低副：包括移动副和转动副，每个低副引入两个约束，使机构失去两个自由度。移动副：约束构件沿一个轴方向移动和在平面内转动，保留沿另一轴方向移动的自由度。转动副：约束构件沿两个轴方向移动，保留绕某点转动的自由度。高副：约束构件沿接触处公法线n-n方向移动的自由度，保留绕接触处的转动和沿接触处公切线t-t方向移动的两个自由度，每个高副引入一个约束，使机构失去一个自由度。运动副对自由度的约束平面机构的自由度概念计算公式设平面运动链包含N个构件，其中一个为机架，活动构件数n=N-1。自由度F=3n-2P_L-P_H，其中P_L为低副数目，P_H为高副数目。机构具有确定运动的条件当F≤0时，机构处于静止状态，无法产生运动。当F>0且与原动件数相等时，机构各构件间的相对运动是确定的。当F>0且大于原动件数时，机构中构件间运动不确定。当F>0且小于原动件数时，机构可能无法运动或产生破坏。结论：机构具有确定运动的条件是自由度F>0，且原动件数等于自由度F。计算平面机构的自由度虚约束虚约束是不独立限制运动，与其他约束重复的约束。处理方法：计入虚约束数量反映实际约束；或去除产生虚约束的构件和运动副后分析。常见虚约束：两构件间形成多个相同运动副；两构件上两点间距离始终不变；机构中对运动不起作用的对称部分。复合铰链两个以上构件组成两个或多个共轴线的转动副称为复合铰链。K个构件组成复合铰链时，应组成(K-1)个共轴线转动副。局部自由度局部自由度是指机构中与机构输出运动无关的自由度。计算自由度时应预先排除局部自由度，如滚子的转动。计算平面机构自由度的注意事项1.复合铰链三个构件在同一轴线处，两个转动副。推理：m个构件时，有m–1个转动副。计算平面机构自由度的注意事项计算平面机构自由度的注意事项2.局部自由度：

个别构件所具有的，不影响整个机构运动的自由度称为局部自由度。滚子的转动自由度并不影响整个机构的运动，属局部自由度。计算平面机构自由度的注意事项3.虚约束

重复出现的，对机构运动不起独立限制作用的约束称为虚约束。（1）两相同构件组成多个移动副，且导路相互平行或重合时，只有一个移动副起约束作用，其余为虚约束。◆计算中应将对称部分除去不计。（2）机构中对运动不起独立作用的对称部分，将产生虚约束。机构中引入虚约束是为了受力均衡，增大刚度等，同时也提高了对制造和装配精度的要求。计算平面机构自由度的注意事项PART.05单元2.4平面四杆机构所有低副都是转动副的平面四杆机构称为铰链四杆机构。机架：固定不动的构件；连架杆：与机架相连的构件；连杆：不与机架相连的构件。曲柄：能做整周回转运动的连架杆；摇杆：只能在一定角度内摆动的连架杆。铰链四杆机构的组成曲柄摇杆机构：两个连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆。曲柄为原动件：整周回转运动转换为摇杆的往复摆动，如雷达天线俯仰角调整机构。摇杆为原动件：往复摆动转换为曲柄的回转运动，如缝纫机踏板机构。双曲柄机构：两连架杆均为曲柄，可实现转动转换。普通双曲柄机构：两曲柄长度不等，主动曲柄匀速转动，从动曲柄变速转动，如惯性筛机构。平行双曲柄机构：两曲柄长度相等且平行，转向和角速度相同，如天平机构。反向双曲柄机构：两曲柄长度相等但不平行，转向相反，角速度不等，如车门机构。双摇杆机构：两连架杆均为摇杆，主动摇杆摆动驱动从动摇杆摆动，如鹤式起重机机构。基本类型铰链四杆机构的基本类型与应用曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构：滑块移动轨迹直线通过曲柄转动中心，如内燃机、往复式压缩机。偏置曲柄滑块机构：滑块移动轨迹直线不通过曲柄转动中心，有偏距e，如缝纫机针杆驱动机构、冲压机滑块驱动机构。导杆机构转动导杆机构：导杆能整周回转运动，杆长l1<l2，如某些回转机构。摆动导杆机构：导杆只能在一定角度范围内摆动，如插床机构、电气开关机构。偏心轮机构将曲柄的转动副半径增加到超过曲柄长度，曲柄变为几何中心与旋转中心不重合的圆盘（偏心轮），用于承受高强度冲击载荷或曲柄长度较短的场合。010203铰链四杆机构的演化形式铰链四杆机构的演化形式

判别铰链四杆机构的基本类型：1.若机构满足杆长之和条件，则(1)以最短杆的邻边为机架时为曲柄摇杆机构(2)以最短杆为机架时为双曲柄机构(3)以最短杆的对边为机架时为双摇杆机构杆长之和条件：最短杆加最长杆之和≤其他两杆之和2.若机构不满足杆长之和条件，则只能成为双摇杆机构极位：当曲柄为原动件做整周回转时，从动件往复摆动或移动的左右两个极限位置。极位夹角θ：两极限位置时曲柄对应位置所夹的锐角。行程速比系数K：K=v2/v1=t1/t2=φ1/φ2=(180°+θ)/(180°-θ)，θ=180°×(K-1)/(K+1)。具有急回特性的机构：曲柄摇杆机构、摆动导杆机构、偏心曲柄滑块机构。急回特性压力角α：从动件上受到的驱动力F与该力作用点的绝对速度v_c方向之间所夹的锐角。有效分力F_t=Fcosα，压力角越小，有效分力越大，传力效率越高。有害分力F_n=Fsinα，压力角越小，有害分力越小，能量损失越少。传动角γ：压力角的余角，γ=90°-α，反映机构传力性能。α增大，γ减小，传力性能变差；α减小，γ增大，传力性能变好。设计要求：一般机械最小传动角γ_min≥40°；高速大功率机械γ_min≥50°。压力角与传动角定义：当摇杆为原动件，曲柄为从动件时，连杆与曲柄共线的位置，此时驱动力通过铰链中心，无法驱动曲柄转动。危害：使机构在该位置无法继续运动。克服方法：利用从动件惯性；调整机构结构参数。应用：夹紧装置，利用死点位置防止松动。死点位置平面四杆机构的运动特性1.压力角a压力角：从动件所受的力F与受力点速度Vc所夹的锐角a。有效分力：Ft=Fcosa有害分力：Fr=Fsinaa愈小，机构传动性能愈好。2.传动角g传动角：连杆与从动件所夹的锐角g。g=900-ag越大，机构的传动性能越好。设计时一般应使gmin≥40°，对于高速大功率机械应使gmin≥50°。平面四杆机构的运动特性

机构工作时，返回行程速度大于工作行程速度的特性。急回特性平面四杆机构的运动特性急回程度用

行程速度变化系数K度量。K定义为：

平面四杆机构的运动特性死点曲柄摇杆机构的死点位置

在从动曲柄与连杆共线的连个位置之一时，出现机构的传动角g=0，压力角a=90的情况，这时连杆对从动曲柄的作用里恰好通过其回转中心，不能推动曲柄转动，机构的这种位置称为死点位置。按给定连杆的位置设计平面四杆机构已知连杆长度及三个不同位置，确定其余构件尺寸。步骤：确定固定铰链A和D的位置（分别作连杆上B点和C点各位置连线的中垂线交点）；确定机架长度AD；组成铰链四杆机构。按给定的行程速比系数K设计平面四杆机构设计具有急回特性的机构（如曲柄摇杆机构、偏置曲柄滑块机构、摆动导杆机构）。曲柄摇杆机构设计步骤：根据K计算极位夹角θ=180°×(K-1)/(K+1)；绘制摇杆两个极限位置；确定极位圆圆心O；在极位圆上选择固定铰链A位置；根据极限位置曲柄和连杆共线原理计算曲柄AB和连杆BC长度，确定机架AD长度。平面四杆机构的设计PART.06单元2.5AI应用实训——利用豆包软件进行平面四杆机构的设计按给定连杆的位置设计铰链四杆机构的步骤明确设计需求：已知连杆长度及三个位置坐标，确定固定铰链位置及各构件长度。数据准备：整理连杆位置坐标参数，明确连杆长度。向豆包软件输入设计指令：说明设计方法、已知参数和计算要求。获取设计结果并验证：记录坐标和长度，验证B点到A点、C点到D点距离是否相等。按给定的行程速比系数K设计曲柄摇杆机构的步骤明确设计需求：已知K、摇杆长度及摆角，要求急回特性和最小传动角。数据准备：整理已知参数（K、摇杆长度、摆角、最小传动角）。向豆包软件输入设计指令：说明设计方法、参数计算过程和要求。获取设计结果并验证：记录极位夹角、圆心坐标、固定铰链坐标及各构件长度，验证极位夹角、K值和最小传动角是否符合要求。0102实训步骤方法一致性连杆位置设计采用中垂线法，行程速比系数设计采用极位圆法。01验证严谨性验证需基于几何关系和运动特性，对不达标结果明确误差并要求修正。04参数准确性输入的坐标、长度、角度等参数需准确无误。02成果完整性提交完整实训报告，包括手工绘制机构运动简图、豆包软件对话截图、手工与AI设计结果对比分析表。05指令明确性指令必须包含设计方法、已知参数、目标要求三要素，避免模糊表述。03实训要求方法应用（25分）：是否严格采用指定设计方法（中垂线法和极位圆法15分；步骤符合方法逻辑10分）。结果准确性（30分）：机构参数是否满足设计要求（AB1=AB2=AB3,CD1=CD2=CD315分；θ=36°,γ_min≥40°15分）。指令与验证（20分）：指令明确性、验证严谨性（指令包含三要素10分；验证基于几何关系或运动特性原理10分）。成果完整性（15分）：实训报告内容是否完整规范（手工绘制简图5分；豆包对话截图5分；对比分析表5分）。工程规范（10分）：是否体现机构性能优化意识（对不达标结果主动修正，符合传力性能规范10分）。考核项目及评分标准实训考核PART.07模块小结本模块系统介绍了平面连杆机构的运动基础（点的运动、刚体的平动与转动）、机构运动简图绘制、自由度计算、平面四杆机构的类型、应用、演化形式、运动特性（急回特性、压力角与传动角、死点位置）及设计方法，并介绍了利用豆包软件进行平面四杆机构设计的实训内容。PART.08模块习题A.凸轮副。B.低副。C.齿轮副。(1)两构件在同一平面上的基础形式是面接触，其运动副类型是______A.除去不算。B.考虑在内。C.除去与否都行。(5)计算自由度时，对于虚约束应该______A.约束两个移动，剩余一个转动。B.约束一个移动、一个转动，剩余一个移动。C.约束三个运动。(2)若两个构件组成转动副，则其约束情况是______A.复合铰链。B.局部自由度。C.虚约束。(6)一般门与门框之间有2~3个铰链，这应为______A.约束两个移动，剩余一个转动。B.约束一个移动、一个转动，剩余一个移动。C.约束三个运动。(3)若两个构件组成移动副，则其约束情况是______A.不能运动。B.增加运动的刚性。C.对运动无所谓。(7)机构中引入虚约束，可使机构______A.面接触。B.点或线接触。C.点和面接触。(4)若两个构件组成高副，则其接触形式是______A.小于。B.大于。C.等于。(8)当机构中原动件数______机构自由度时，该机构具有确定的运动一、选择题A.曲柄。B.连杆。C.机架。(9)在曲柄摇杆机构中，能做整周回转运动的连架杆称为______01A.双曲柄。B.双摇杆。C.曲柄摇杆。(10)能把曲柄的整周回转运动转换为摇杆的往复摆动的铰链四杆机构是______机构02A.连架杆。B.连杆。C.机架。(11)在满足杆长条件的双摇杆机构中，最短杆应是______03A.曲柄。B.滑块。C.曲柄与滑块均可。(12)曲柄滑块机构有死点位置存在时，其主动件为______04A.导杆。B.摇块。C.定块。(13)在曲柄滑块机构中，如果取曲柄为机架，则形成______机构05A.导杆。B.摇块。C.定块。(14)在曲柄滑块机构中，如果取滑块为机架，则形成______机构06A.导杆。B.摇块。C.定块。(15)在曲柄滑块机构中，如果取连杆为机架，则形成______机构07A.往复变速摆动。B.往复等速摆动。C.直线变速摆动。(16)在摆动导杆机构中，如果曲柄为原动件且做等速转动，则其从动导杆做______08一、选择题(17)当平面四杆机构处于死点位置时，其传动角为______A.0°.B.90°.C.45°.(18)为了使机构能顺利通过死点位置，常采用在高速轴上安装______来增加惯性A.齿轮。B.飞轮。C.凸轮。(19)杆长不等的铰链四杆机构，若以最短杆为机架，则形成______A.双曲柄机构。B.双摇杆机构。C.双曲柄机构或双摇杆机构。(20)下列铰链四杆机构中，具有急回特性的是______A.双摇杆机构。B.曲柄摇杆机构。C.双曲柄机构。(21)当曲柄为原动件时，下述______具有急回特性A.平行双曲柄机构。B.对心曲柄滑块机构。C.摆动导杆机构。一、选择题(1)转动副限制了构件的转动自由度（）(2)在同一个机构中，计算自由度时机架只有一个（）(3)由于在计算机构的自由度时要将虚约束去掉，所以设计机构时应避免出现虚约束（）(4)在一个具有确定运动的机构中，原动件只能有一个（）(5)机构具有确定相对运动的条件是机构的自由度大于零（）(6)铰链四杆机构中能做整周回转运动的构件称为曲柄（）(7)曲柄摇杆机构中曲柄一定是原动件（）(8)在曲柄长度不等的双曲柄机构中，主动曲柄做等速转动，从动件做变速转动（）二、判断题（）(9)在铰链四杆机构中，曲柄一定是最短杆（）(10)根据铰链四杆机构各杆的长度，可判断其类型（）(11)在铰链四杆机构中，传动角越大，机构的传力性能越好（）(13)对心曲柄滑块机构没有急回特性（）(14)一个铰链四杆机构，通过机架交换，一定可以得到曲柄摇杆机构、双曲柄机构以及双摇杆机构（）(15)在铰链四杆机构中，若最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆之和，且最短杆为连架杆，则机构中只有一个曲柄（）(12)曲柄为原动件的摆动导杆机构一定具有急回特性（）(16)在曲柄摇杆机构中，当曲柄为原动件时，曲柄和连杆共线两次时所夹的锐角称为极位夹角二、判断题（）（）（）(19)曲柄摇杆机构中，当曲柄为原动件时，只要机构的极位夹角大于0°，则机构必然具有急回特性（）（）（）(18)曲柄摇杆机构运动时，无论哪一个构件为原动件，都一定有急回特性(17)在曲柄摇杆机构中，当摇杆为原动件时，曲柄和连杆共线两次时，机构出现死点位置(20)平面四杆机构有无死点位置，与哪一个构件为原动件无关(21)压力角是从动件上受到的主动力方向与受力点速度方向所夹的锐角(22)压力角越大，有效动力就越大，机构动力传递性越好，效率越高二、判断题汇报时间：汇报人：谢谢大家

汇报时间：汇报人：模块3凸轮机构01030507学习目标单元3.2凸轮机构的工作原理及从动件常用的运动规律单元3.6AI应用实训——利用DeepSeek进行凸轮机构的设计与分析单元3.4凸轮机构基本尺寸的确定02单元3.1凸轮机构的应用和分类04单元3.3盘形凸轮轮廓曲线的设计方法06单元3.5凸轮机构的结构设计08模块小结09模块习题目录CONTENTPART.01学习目标理解从动件位移、速度、加速度与凸轮转角之间的关系。掌握等速运动规律、等加速等减速运动规律、简谐运动规律的特点及应用场合。掌握从动件运动规律了解凸轮机构在自动化机器中的应用场景，如内燃机配气机构、靠模车削机构等。掌握凸轮机构按凸轮形状、从动件形状、运动形式及锁合方式的分类方法。了解凸轮机构的应用和分类掌握反转法原理，理解其在凸轮轮廓设计中的应用。掌握用图解法设计对心尖顶直动从动件和对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线的步骤。熟悉盘形凸轮轮廓曲线的设计方法了解凸轮的结构形式（如凸轮轴）及与轴的连接方式（键连接、销连接）。了解从动件的结构形式，特别是滚子从动件的滚子结构及连接方式。了解凸轮机构的结构设计理解压力角的概念及其对凸轮机构传力性能的影响，掌握最大压力角的限制要求。掌握基圆半径、滚子半径的确定方法，避免出现轮廓变尖、运动失真等问题。熟悉凸轮机构基本尺寸的确定知识目标能够绘制位移线图，确定基圆及径向线，准确找出反转后从动件尖顶或滚子中心的位置，绘制出凸轮轮廓曲线。能够处理设计过程中的细节问题，如确保曲线光滑连续，正确标注相关尺寸。能够运用反转法原理，使用图解法完成对心尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓曲线、对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计能够根据从动件运动规律和工作要求，通过诺模图或计算确定基圆半径。能够根据理论轮廓最小曲率半径合理选择滚子半径，确保实际轮廓不出现变尖或相交。能够根据工作条件（速度、载荷）选择凸轮和从动件的材料，并确定合适的装配方式。具备凸轮机构基本尺寸确定的能力，能合理确定基圆半径、滚子半径等参数，避免出现轮廓变尖、运动失真等问题，同时能根据实际情况选择合适的凸轮与从动件的材料及装配方式技能目标在凸轮轮廓设计和尺寸确定过程中，培养严谨细致的工作作风，确保设计结果的准确性。对设计中出现的问题（如压力角超标、轮廓失真）能积极思考并寻求解决方案。理解凸轮机构在机械产品中的重要作用，认识到设计质量对产品性能和可靠性的影响。在学习和实践中，培养对技术负责、对工程负责的职业精神。树立精益求精的态度，追求每一个细节的完美培养严谨的工作作风和强烈的责任感，为高质量的产品和工程贡献自己的力量素质目标PART.02单元3.1凸轮机构的应用和分类在自动化机器中，凸轮机构因其独特的运动转换能力而被广泛应用，以满足某些特殊或复杂的运动要求。凸轮机构通常由三个基本构件组成：凸轮、从动件和机架。其中，凸轮作为原动件，具有控制从动件运动规律的曲线轮廓或凹槽，通常做连续等速转动或往复移动，而从动件则在凸轮轮廓的驱动下，按预定运动规律做往复移动或摆动。凸轮机构在自动化机器中的作用内燃机配气机构：盘形凸轮做等速转动，通过其径向的变化，使顶杆按预期规律做上下往复移动，从而精确控制气阀的开闭，确保内燃机的正常工作。靠模车削机构：在工件回转的同时，靠模板（凸轮）与工件一起向右移动。刀架在靠模板曲线轮廓的推动下做往复移动，从而切削出与靠模板曲线一致的工件形状。缝纫机挑线机构：凸轮做匀速转动，利用其曲线形沟槽驱动摆杆绕其固定回转轴A做往复摆动，完成缝纫过程中的挑线动作。机床进退刀机构：圆柱凸轮等速转动时，其上曲线凹槽的侧面推动扇形齿轮绕点C做往复摆动。通过扇形齿轮与固结在刀架上的齿条相互作用，控制刀架做进刀和退刀运动。绕线机中的凸轮机构：凸轮做匀速转动，并用其曲线轮廓驱动布线杆做往复摆动，使线均匀地缠绕在绕线轴上，实现绕线功能。冲床送料机构：凸轮做往复移动，并用其曲线轮廓驱动送料杆做往复移动，完成送料动作，确保冲床的持续、高效工作。典型应用实例凸轮机构的应用按凸轮的形状分类盘形凸轮：盘形凸轮是绕固定轴转动并具有变化向径的盘形构件，是凸轮的基本形式。盘形凸轮与从动件的相对运动为平面运动，属于平面凸轮机构。移动凸轮：移动凸轮外形呈平板状，可看作回转中心位于无穷远时的盘形凸轮，相对机架做直线移动。移动凸轮与从动件的相对运动也为平面运动，属于平面凸轮机构。圆柱凸轮：圆柱凸轮是具有曲线凹槽的圆柱形构件，可看作移动凸轮卷成圆柱演化而成。圆柱凸轮与从动件的相对运动为空间运动，属于空间凸轮机构。1按从动件的形状分类尖顶从动件：尖顶从动件以其尖顶与凸轮轮廓接触，结构最为简单。尖顶的几何特性使其能够与各种形式的凸轮轮廓保持接触，从而实现任意的运动规律。然而，尖顶由于接触面积小，易受磨损，因此尖顶从动件只适用于低速、轻载的凸轮机构。滚子从动件：滚子从动件通过铰接的滚子与凸轮轮廓接触，这种接触方式属于滚动摩擦，磨损较小，因此承载能力较大。然而，滚子从动件的运动规律受到一定限制，且滚子与滚轴之间存在间隙，这可能导致高速运动时的精度问题。因此，滚子从动件不适用于高速的凸轮机构，在重载、低速场合具有显著优势。平底从动件：平底从动件以平底与凸轮轮廓接触，这种结构紧凑，润滑性能和动力性能好，效率高。因此，平底从动件适用于高速的凸轮机构。然而，平底从动件要求凸轮轮廓曲线不能呈凹形，这限制了从动件的运动规律。2按从动件的运动形式分类直动从动件：直动从动件做往复直线运动。若从动件导路通过盘形凸轮回转中心，则称为对心直动从动件；若从动件导路不通过盘形凸轮回转中心，则称为偏置直动从动件。摆动从动件：摆动从动件做往复摆动。3按锁合方式分类力锁合凸轮机构：力锁合凸轮机构靠重力、弹簧力或其他外力使凸轮轮廓与从动件保持接触。力锁合方式简单可靠，但在某些特殊场合可能需要额外的力来保持接触。形锁合凸轮机构：形锁合凸轮机构依靠凸轮或从动件特殊的几何形状来维持接触。形锁合方式在特定场合下具有独特的优势，如能够承受较大的侧向力或保持较高的精度。4凸轮机构的分类不论从动件要求的运动规律多么复杂，都可以通过适当地设计凸轮轮廓来实现，而且设计比较简单。结构简单紧凑，构件少，传动累积误差很小，能够准确地实现从动件要求的运动规律。可实现从动件的转动、移动和摆动等多种运动要求，也可实现间歇运动要求。工作可靠，非常适用于自动控制中。与连杆机构相比的优势由于是高副机构，易磨损，因此只能用于传力不大的场合。与圆柱面和平面相比，凸轮轮廓的加工要复杂得多。存在的不足0102凸轮机构的特点PART.03单元3.2凸轮机构的工作原理及从动件常用的运动规律行程h：从动件从离凸轮轴心最近的位置移动到最远的位置所经过的距离。推程运动角δ₀：凸轮以等角速度ω转动，从动件被凸轮轮廓从离凸轮轴心最近的位置推至最远位置的过程中，凸轮所转过的角度。远休止角δₛ：凸轮继续转动，从动件的尖顶与凸轮的圆弧段接触，并停留在离凸轮轴心最远位置时，凸轮所转过的角度。回程运动角δ'₀：凸轮继续转动，从动件在重力或弹簧力作用下，由离凸轮轴心最远位置回到最近位置的过程中，凸轮所转过的角度。近休止角δ'ₛ：凸轮继续转动，从动件的尖顶与凸轮的圆弧段接触，并停留在离凸轮轴心最近位置时，凸轮所转过的角度。凸轮转过一周时，从动件会经历推程、远休止、回程和近休止四个阶段，形成一个典型的升—停—回—停的双停歇循环。从动件的运动也可以是仅有一次停歇或没有停歇的循环，具体取决于凸轮机构的设计和应用需求。凸轮机构的基本参数凸轮机构的工作循环凸轮机构的工作原理运动规律的概念从动件的运动规律是描述从动件位移s、速度v和加速度a与凸轮转角之间关系的重要特性。这种关系可以通过线图或运动方程来表示，是设计凸轮轮廓的依据。等速运动规律定义：从动件在推程或回程中的运动速度为定值。运动方程：推程时，s=(h/δ₀)δ，v=(hω)/δ₀，a=0；回程时，s=h-(h/δ'₀)δ'，v=-(hω)/δ'₀，a=0。特点：在推程或回程开始和终止的瞬时，速度会发生突变，导致加速度和惯性力在理论上趋于无穷大（实际中因材料弹性变形而有限），产生刚性冲击。应用场合：仅适用于低速、轻载的场合。等加速等减速运动规律定义：从动件在推程的前半段进行等加速运动，后半段进行等减速运动，且加速度和减速度的绝对值相等，前半段和后半段位移的大小也相等。运动方程（推程前半段等加速）：s=(2h/δ₀²)δ²，v=(4hω/δ₀²)δ，a=(4hω²)/δ₀²。特点：位移曲线为二次抛物线，加速度在特定点（行程中点）存在有限的突变，产生柔性冲击。应用场合：适用于中速、中载的场合。简谐运动规律（余弦加速度运动规律）定义：质点在圆周上做匀速运动时，其在直径上的投影所形成的运动。运动方程：s=(h/2)(1-cos(πδ/δ₀))，v=(hωπ/(2δ₀))sin(πδ/δ₀)，a=(hω²π²/(2δ₀²))cos(πδ/δ₀)。特点：加速度曲线为余弦曲线，在行程的始、末两点，加速度存在有限突变，也存在柔性冲击。当从动件进行无停歇的连续往复运动时，加速度曲线变为连续的余弦曲线，完全消除了柔性冲击。应用场合：无停歇连续运动时可用于高速传动。其他运动规律简介随着生产技术的进步，工程中采用的从动件的运动规律越来越多，如摆线运动规律、复杂多项式运动规律及改进型运动规律等。选择运动规律时，应首先满足机构的工作要求，同时考虑使凸轮机构具有良好的工作性能，如对于质量较大的从动件，应选择vₘₐₓ较小的运动规律；对于高速凸轮机构，应考虑使aₘₐₓ不要太大，并使凸轮轮廓曲线便于加工和制造。从动件的运动规律PART.04单元3.3盘形凸轮轮廓曲线的设计方法设想给整个凸轮机构加上一个与凸轮转动方向相反的公共角速度-ω，此时凸轮将保持静止不动。由于从动件的尖顶始终与凸轮的轮廓保持接触，因此在这种复合运动中，从动件尖顶的运动轨迹实际上就是凸轮轮廓曲线。根据相对运动原理，凸轮和从动件之间的相对运动状态未发生改变。从动件一方面会随着其导路以角速度-ω绕轴O进行转动，另一方面会在导路中按照预定的运动规律进行往复移动。反转法的核心在于通过设想凸轮静止不动，而从动件进行复合运动的方式，简化凸轮轮廓曲线的设计过程。反转法原理反转法对心尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计绘制位移线图：选取位移比例尺μₛ和凸轮转角比例尺μ_δ，绘制出位移线图s-δ(φ)。将凸轮转角δ₀及反转后的转角δ'₀等分成若干等份，从各点作垂线与位移曲线交于点，确定从动件在不同凸轮转角下的位移量。确定基圆及径向线：选取长度比例尺μ_l（通常取μ_l=μₛ），以点O为圆心，r_b为半径作出基圆。从从动件最低（起始）位置B₀起，沿-ω方向（即与凸轮回转方向相反）量取角度δ₀、δₛ、δ'₀、δ'ₛ等，并将δ₀和δ'₀按位移线图中的等份数分成相应的等份，引出一系列径向线O₁、O₂、...、On。确定反转后从动件尖顶位置：从各径向线与基圆的交点B'₁、B'₂、...、B'n向外量取各个位移量B'₁B₁=11'、B'₂B₂=22'、...、B'nBn=nn'，得到点B₁、B₂、...、Bn。绘制凸轮轮廓曲线：将B₀、B₁、B₂、...、Bn各点连接成光滑曲线。B₀、B₁间和B₄、B₀间均为以O为圆心的圆弧，以保持凸轮轮廓的连续性和平滑性。对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计理论轮廓曲线的绘制：以滚子中心为参照，绘制出尖顶从动件所对应的凸轮轮廓曲线，这条曲线是滚子中心的运动轨迹，称为凸轮的理论轮廓曲线。实际轮廓曲线的绘制：在理论轮廓曲线上的每一个点上，以滚子半径r_T为半径，分别绘制一系列圆。作出这些圆的包络线β，即为使用滚子从动件时凸轮的实际轮廓曲线。注意事项：滚子从动件凸轮的基圆半径r_b应当是在理论轮廓曲线上进行度量的。图解法010203绘图规范同一轮廓曲线的有关长度尺寸，如从动件的位移、基圆半径、偏距、滚子半径等，必须用同一长度比例尺画出。等分点越多，所得的凸轮轮廓曲线越准确，实际作图时等分点的数量可根据对凸轮工作准确性的要求确定。反转方向与曲线光滑性应用反转法绘制凸轮轮廓曲线时，一定要沿-ω方向在基圆圆周上按位移线图的顺序截取等分点，否则将不符合给定的运动规律。连接各等分点的曲线必须是光滑连续的。设计要求从动件在所有位置都能准确地实现给定的运动规律。机构传力性能要好，不能自锁。凸轮结构尺寸要紧凑。图解法设计注意事项2、设计原理：反转法原理加角速度-w(与凸轮角速度大小相等、方向相反)从动件与导路绕角速度-w以凸轮转动凸轮静止不动从动件尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线从动件相对导路移动1、设计方法：（1）图解法（2）解析法图解法设计注意事项图解法设计注意事项基圆半径r02.选与位移线图一致的比例作凸轮的基圆；3.将基圆分成与位移线图中相对应的等份；4.以-ω方向分别自基圆圆周向外量取从动件位移线图中相应的位移量；5.光滑连接各点即为所求的凸轮轮廓。

设计步骤：1.画出从动件位移线图；1.对心尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计实际轮廓曲线

理论轮廓曲线

以相同比例在轮廓线上画出滚子2对心滚子直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计

图解法设计注意事项PART.05单元3.4凸轮机构基本尺寸的确定010203压力角的定义凸轮机构的压力角α为从动件在高副接触点A所受的法向压力Fₙ与从动件在该点的线速度v之间所夹的锐角。压力角是评估机构传力性能的重要参数。压力角对传力性能的影响及许用值在推程中，当压力角α超过一定数值时，摩擦阻力将增大到足以阻止从动件继续运动，从而产生自锁现象。必须对最大压力角αₘₐₓ进行严格限制，确保其小于许用压力角[α]，即αₘₐₓ<[α]。许用压力角[α]的数值通常根据从动件的类型和运动需求来确定：对于直动从动件的推程，一般建议[α]=30°~40°；对于摆动从动件的推程，建议[α]=40°~50°。在回程中，由于从动件没有负载，通常取[α]=70°~80°。最大压力角的测量与计算直接测量法：在作出的凸轮轮廓曲线图上进行测量。诺模图法：根据从动件的运动规律、推程运动角δ₀以及h/r_b比值，利用诺模图进行查找。压力角的确定基圆半径r_b的选取对凸轮机构的紧凑性有着直接影响。基圆半径越小，所设计的凸轮机构整体上就越紧凑。在其他设计条件保持不变的情况下，基圆半径r_b与压力角α之间呈现出一种反比关系，即基圆半径r_b越小，压力角α越大。当基圆半径r_b减小到一定程度时，压力角α可能会超过其许用值，导致机构效率下降甚至自锁。基圆半径与压力角的关系不能单纯为了追求凸轮机构的紧凑性而盲目减小基圆半径。必须在确保凸轮轮廓的最大压力角不超过其许用值的前提下，审慎地考虑基圆半径的选取，以保证凸轮机构工作效率和稳定性，同时实现紧凑性设计。基圆半径确定的原则基圆半径的确定凸轮的理论轮廓（外凸部分）某处的曲率半径ρₘᵢₙ、对应的实际轮廓的曲率半径ρ和滚子半径r之间存在关系：ρ=ρₘᵢₙ-r。当r=ρₘᵢₙ时，ρ=0，实际轮廓变尖，这种凸轮轮廓极易磨损，不能在实际中应用。当r>ρₘᵢₙ时，ρ<0，实际轮廓相交，其相交部分将在加工时被切掉而使运动失真。滚子半径与理论轮廓曲率半径的关系欲保证各处都不发生实际轮廓变尖和相交，滚子半径r必须小于理论轮廓（外凸部分）的最小曲率半径ρₘᵢₙ，即r<ρₘᵢₙ。凸轮的理论轮廓内凹部分对滚子半径的选择没有限制。滚子的尺寸受其强度、结构的限制，因此滚子半径不能太小，通常取滚子半径r=(0.1~0.5)r_b，其中r_b为凸轮的基圆半径。滚子半径的选择原则滚子半径的确定PART.06单元3.5凸轮机构的结构设计凸轮的结构凸轮轴：当凸轮的尺寸较小，且与轴的尺寸相近时，为了简化制造和装配过程，通常将凸轮与轴设计为一体，称为凸轮轴。分体式凸轮：当凸轮的尺寸较大，且与轴的尺寸相差显著时，为了保持两者的加工精度和装配灵活性，凸轮与轴应分开制造，通过键连接或销连接等方式实现可靠传动。凸轮的材料选择低速、轻载的盘形凸轮：可选用HT200、HT250、HT300、QT500-7、QT600-3等材料。中速、中载的凸轮：常选用45钢，经表面淬火；也可选用20Cr、20CrMn等材料，经渗碳淬火，使其硬度达到56~62HRC。高速、重载的凸轮：常选用40Cr，经表面高频淬火，使其硬度达到56~60HRC；也可选用38CrMoAl，经渗氮处理，使其硬度达到60~67HRC。凸轮的装配确保凸轮与轴之间具有精确的相对位置关系，通常在凸轮上明确刻制起始位置0°或其他显著的标志作为基准点。当凸轮的位置需要沿轴的圆周方向进行调整时，可采用螺钉初步定位、锥销固定或开槽锥形套筒与双螺母相结合的方式来锁紧凸轮位置。凸轮的结构与装配滚子从动件的滚子结构01圆柱体滚子：结构简单、制造成本较低，适用于多数常规应用场景。滚动轴承作为滚子：能够提供更好的滚动效果和承载能力，特别适用于对精度和寿命要求较高的场合。滚子与从动件的连接方式02螺栓连接：连接牢固、可靠性高，适用于承受较大载荷的情况。小轴连接：结构更为紧凑、灵活，便于安装和调整。无论采用哪种连接方式，都应确保滚子相对从动件能够自由转动，以保证凸轮机构的正常运行和传动效率。从动件的结构PART.07单元3.6AI应用实训——利用DeepSeek进行凸轮机构的设计与分析生成运动规律数据使用DeepSeek生成位移s、速度v、加速度a随凸轮转角δ变化的数据表，向DeepSeek输入：“根据上述参数，生成推程运动角δ₀=120°的位移、速度、加速度数据表(分10个等分点)。”明确设计需求输入凸轮机构初始参数，向DeepSeek输入：“设计一偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构，要求为从动件的运动规律为等加速等减速运动规律、行程h=15mm、基圆半径r_b=30mm、偏距e=5mm。”轮廓设计基于反转法原理，利用DeepSeek输出凸轮理论轮廓与滚子实际轮廓的坐标点。向DeepSeek输入：“根据步骤2的数据，采用反转法绘制凸轮理论轮廓线，滚子半径r_T=8mm，输出轮廓坐标点(每15°一个点)。”压力角与失真校验验证最大压力角αₘₐₓ是否满足小于40°，并检查理论轮廓最小曲率半径ρₘᵢₙ是否大于滚子半径r_T（避免失真）。向DeepSeek输入：“校验步骤3设计的凸轮：(1)计算推程的最大压力角；(2)检查凸轮轮廓是否发生失真。”参数优化建议根据校验结果，获取AI参数优化建议（如调整r_b或r_T）。向DeepSeek输入：“若压力角超标，请推荐新的基圆半径r_b。”实训步骤步骤2的数据表（Excel截图）。步骤3的凸轮理论轮廓与滚子实际轮廓的坐标点及轮廓示意图（手绘或CAD截图）。步骤4和步骤5的校验结果与优化方案（文字说明）。02参数需明确单位。从动件的运动规律需指定类型（等速运动规律、等加速等减速运动规律、简谐运动规律）。01输入规范输出提交实训要求校验分析（30分）：压力角与失真校验结果，校验方法正确（15分），结论合理（15分）。设计参数完整性（10分）：初始参数是否齐全、合理，缺1项扣5分。运动规律数据（10分）：位移、速度、加速度数据表，数据正确（5分），格式清晰（5分）。优化方案（10分）：参数优化建议的可行性，参数优化建议有效（5分），说明清晰（5分）。文档规范性（10分）：报告排版、截图清晰度，整体美观（5分），标注完整（5分）。轮廓设计（30分）：凸轮理论轮廓与滚子实际轮廓的坐标点与轮廓示意图，坐标点正确（15分），轮廓示意图规范（15分）。考核项目与评分标准实训考核PART.08模块小结01020304本模块系统地介绍了凸轮机构的应用、分类、工作原理、设计方法及其在机械设计中的应用。单元3.1学习了凸轮机构的应用和分类，明确了其在自动化机器中的重要地位及独特的运动转换能力。单元3.2深入探讨了凸轮机构的工作原理及从动件的运动规律，理解了位移、速度、加速度与凸轮转角之间的关系。单元3.3学习了盘形凸轮轮廓曲线的设计方法，包括反转法原理和图解法。050607单元3.4重点学习了凸轮机构的重要参数，包括压力角、基圆半径和滚子半径的确定及优化。单元3.5简要介绍了凸轮的结构与装配以及从动件的结构。单元3.6介绍了利用DeepSeek进行凸轮机构的设计与分析的步骤。模块主要内容回顾PART.09模块习题题目2凸轮机构中，凸轮与从动件组成______。A.转动副B.移动副C.高副。题目1凸轮机构的特点是______。A.结构简单、紧凑B.传递动力大C.不易磨损。题目3盘形凸轮中，凸轮与机架组成______。A.转动副B.移动副C.高副。题目4移动凸轮中，凸轮与从动件组成______。A.转动副B.移动副C.高副。题目7可用于高速，但不能用于凸轮轮廓曲线呈内凹形的凸轮机构是______从动件凸轮机构。A.尖顶B.滚子C.平底。题目6耐磨损又可承受较大载荷的凸轮机构是______从动件凸轮机构。A.尖顶B.滚子C.平底。题目5只适用于低速、轻载场合的凸轮机构是______从动件凸轮机构。A.尖顶B.滚子C.平底。题目8从动件的预期运动规律由______决定。A.从动件的形状B.凸轮的转速C.凸轮的轮廓曲线形状。一、选择题凸轮机构中，从动件与机架可以组成______。A.转动副或移动副B.转动副或高副C.移动副或高副。题目9在靠模机械加工中，应用的是______。A.盘形凸轮B.圆柱凸轮C.移动凸轮。题目10从动件做等速运动规律的位移曲线形状是______。A.抛物线B.斜直线C.双曲线。题目11从动件做等速运动规律的凸轮机构，一般适用于______、轻载的场合。A.低速B.中速C.高速。题目12当要求凸轮机构传力性能好、效率高，且转速较高时，应选用______。A.尖顶从动件B.滚子从动件C.平底从动件。题目13一、选择题凸轮机构中，从动件与凸轮的接触是高副。（）题目1凸轮机构中，尖顶从动件可用于受力较大的高速机构中。（）05凸轮机构可以实现任意拟订的运动规律。（）题目2凸轮机构结构简单、紧凑，工作可靠，可用于受力任意大小的场合。（）题目6滚子从动件具有滚动摩擦、阻力小的运动特性，因此在机械中应用广泛。（）题目3凸轮机构中，等速运动规律是指从动件上升时的速度与下降时的速度必定相等。（）题目7凸轮机构是低副机构，具有效率低、承载大的特点。（）题目4凸轮机构中，从动件做等速运动规律的原因是凸轮做等速转动。（）题目806070804030201题目5二、判断题凸轮机构中，从动件的受力方向与它的运动方向之间所夹的锐角，称为凸轮机构的压力角。（）题目10凸轮机构中，等加速等减速运动规律是指从动件上升时做等加速运动，而下降时做等加速运动。（）题目9凸轮机构运动出现自锁现象是因为压力角太大。（）题目11二、判断题

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汇报时间：汇报人：模块4间歇运动机构目录/CONTENTS学习目标01单元4.1棘轮机构02单元4.3其他间歇运动机构04单元4.4AI在间歇运动机构中的应用及挑战与展望05单元4.2槽轮机构03模块小结06PART.01学习目标-掌握棘轮机构的类型与工作原理。Part.01-掌握槽轮机构的类型、工作原理与主要参数。Part.03-了解不完全齿轮机构与凸轮式间歇运动机构。Part.05-了解棘轮机构的设计。Part.02-了解槽轮机构的设计。Part.04知识目标-掌握棘轮机构和槽轮机构的设计方法,能完成简单间歇运动机构的设计。01-能够根据工作要求调节棘轮转角、分析槽轮机构运动时间与静止时间的关系以及评估不同间歇运动机构在特定工况下的适用性。02技能目标-能够理解间歇运动机构的工作原理、类型及特点,能够分析其在不同机械设备中的应用场景,并具备运用所学知识解决实际工程问题的能力。01-能够运用所学理论解决实际工程问题,如设计或改进棘轮机构、槽轮机构等间歇运动机构,以提高机械设备的效率和性能。02素质目标PART.02单元4.1棘轮机构0201-摩擦式棘轮机构：摩擦式棘轮机构如图4-1所示。该机构的特点在于棘轮上无棘齿,依靠棘爪与棘轮之间的摩擦力进行传动。这种传动方式使棘轮转角可以进行无级调节,且传动过程平稳、无噪声。然而,依靠摩擦力传动,其接触表面容易发生滑动,导致传动精度不高。摩擦式棘轮机构具有过载保护的功能,在低速、轻载的场合中具有广泛的应用。-齿啮式棘轮机构：齿啮式棘轮机构的结构相对简单,制造方便,且转角准确、运动可靠。该机构通过棘爪与棘齿的啮合进行传动。然而,棘轮转角在齿啮式棘轮机构中只能进行有级调节。此外,棘爪在齿背上滑行时容易引起噪声、冲击和磨损,因此它不宜用于高速场合。齿啮式棘轮机构根据啮合方式的不同,又可分为内啮合齿啮式棘轮机构和外啮合齿啮式棘轮机构两种。内啮合齿啮式棘轮机构如图4-2所示,而外啮合齿啮式棘轮机构如图4-3所示。这两种齿啮式棘轮机构在结构上略有差异,但均保持了齿啮式棘轮机构的基本特点和特定场合的适用性。棘轮机构的类型01-棘轮机构主要由摇杆、棘爪、棘轮、制动爪、机架以及弹簧等关键部件组成,如图4-4所示,其中弹簧的作用在于确保制动爪与棘轮之间始终保持接触状态。02-当摇杆进行逆时针摆动时,会驱动棘爪插入棘轮的齿槽中,进而推动棘轮转过一定的角度。在此过程中,制动爪则在棘轮的齿背上滑动,不参与转动。而当摇杆进行顺时针摆动时,会驱动棘爪在棘轮的齿背上滑动,而制动爪则起到阻止棘轮顺时针转动的作用,使棘轮保持静止。因此,当摇杆进行连续地往复摆动时,棘轮将呈现出单向间歇转动的特性。03-棘轮转角的大小通常根据具体的工作要求来确定。其调节方法主要包括改变棘爪行程内的齿数和改变摇杆摆角大小两种。棘轮机构的工作原理1.双动式棘轮机构:摇杆往复摆动时，棘轮都能向同一方向转动钩头双动式棘轮机构直头双动式棘轮机构棘轮机构的其他类型：棘轮机构的工作原理2.双向式棘轮机构(可变向棘轮机构)回转棘爪双向式棘轮机构矩形齿双向式棘轮机构棘轮机构的工作原理1.用遮板调节棘轮转角：改变遮板位置→改变棘轮的转角棘轮转角的调节棘轮机构的工作原理棘轮机构的工作原理2.改变曲柄或摇杆长度→调节摇杆摆动角度的大小→控制棘轮的转角PART.03单元4.2槽轮机构-槽轮机构以其结构简单、工作可靠及机械效率高的特点而著称。槽轮机构能够较平稳、间歇地进行转位,适用于需要周期性停止和转动的场合。然而,圆柱销在突然进入或脱离径向槽时会产生柔性冲击,这一特性限制了槽轮机构在高速场合的应用。此外,槽轮的转角在设计上是固定的,不可调节,因此槽轮机构只能用于定转角的间歇运动。-槽轮机构根据拨盘与槽轮的相对位置关系,可分为内啮合槽轮机构(图4-7)和外啮合槽轮机构(图4-8)两种类型。在内啮合槽轮机构中,拨盘与槽轮的转向相同;而在外啮合槽轮机构中,拨盘与槽轮的转向相反。-槽轮机构的结构参数包括拨盘上的圆柱销数、槽轮上的径向槽数以及径向槽的几何尺寸等,这些参数均可根据具体的运动要求进行设计。圆柱销和径向槽的分布可以是不均匀的,即同一拨盘上的若干个圆柱销离回转中心的距离可以不同,同一槽轮上各径向槽的尺寸也可以不同。槽轮机构的类型-槽轮机构的工作原理：图4-8所示的外啮合槽轮机构主要由拨盘、槽轮及机架三部分组成。拨盘作为动力输入部件,以等角速度ω₁进行连续回转运动。槽轮通过槽轮机构的作用实现间歇转动。机架则用于支承和固定拨盘和槽轮,确保机构的稳定运行。槽轮机构的间歇运动过程可以细分为静止阶段、驱动阶段和再次静止阶段。-槽轮机构的主要参数：槽轮机构的主要参数是槽轮径向槽数z和圆柱销数K。为了避免刚性冲击,应使槽轮在开始和终止运动时的瞬时角速度为零。如图4-8所示,圆柱销在开始进入和脱离径向槽的瞬时,径向槽的中心线应与圆柱销中心A运动的轨迹圆相切,即O₂A⊥O₁A。设z为均匀分布的径向槽数,则槽轮转过φ₂时,主动杆的对应转角φ₁为φ₁=π-φ₂=π-2π/z。在一个运动循环内,槽轮的运动时间t₂与拨盘的运动时间t₁之比,称为运动特性系数,用τ表示。当拨盘等速转动时,运动特性系数也可用转角比来表示。对于只有一个圆柱销的槽轮机构,t₂与t₁分别对应φ₁和2π,即τ=t₂/t₁=φ₁/2π=(π-2π/z)/2π=(z-2)/2z。要保证槽轮运动,必须保证0<τ<1。当τ=0时,槽轮静止不动;当τ=1时,槽轮与主动杆一起做连续转动,不能实现间歇运动。如果主动杆上均匀分布的圆柱销数为K,则一个循环中,槽轮的运动时间为只有一个圆柱销时的K倍,即τ=K(z-2)/2z。因为τ>0,所以由上式得z≥3;当径向槽数z=3时,圆柱销数K=1~5;当z=4~5时,圆柱销数K=1~3;当径向槽数Z≥6时,圆柱销数K=1~2。取不同径向槽数z和圆柱销数K,可得各种不同运动规律的槽轮机构。但径向槽数z=3时,由于槽轮的角速度变化很大,圆柱销脱离或进入径向槽的瞬时,槽轮的角速度也很大,会引起较大的振动和冲击,所以很少应用;而径向槽数z≥9的槽轮也比较少见,因为径向槽数z≥9时,径向槽数虽增加,但对运动特性系数τ并无多大影响,故径向槽数z常取4~8。槽轮机构的工作原理与主要参数-径向槽数z和圆柱销数K的选取：当销轮回转一周时,槽轮的运动时间t₂与销轮的运动时间t₁之比,称为该槽轮机构的运动特性系数,用τ表示,即τ=t₂/t₁。由于销轮通常为等速转动,所以上述时间的比值可用销轮转角的比值表示。时间t₂与t₁所对应的转角分别为2φ₁₀与2π,则有τ=t₂/t₁=2φ₁₀/2π。为了避免槽轮在启动和停歇时产生刚性冲击,圆柱销进入和脱离径向槽时,径向槽的中心线应切于圆柱销中心A的运动圆周。因此,槽轮每转过2π/z角度,主动销轮的转角为2φ₁₀=π-2φ₂₀=π-2π/z。将上述关系代入τ=t₂/t₁,可得槽轮机构的运动特性系数τ为τ=t₂/t₁=2φ₁₀/2π=(π-2π/z)/2π=(z-2)/2z=1/2-1/z。由上式可知,因为运动特性系数τ应大于零,所以外槽轮径向槽的数目应大于或等于3。此外,从该式还可看出,τ总是小于0.5的,这说明,在这种槽轮机构中,槽轮的运动时间总小于其静止时间。若τ≥0.5,即让槽轮的运动时间大于其停歇时间,可在销轮上安装多个圆柱销,设均匀分布的圆柱销数为K,且各圆柱销中心离销轮中心O₁等距,则运动特性系数τ为τ=K(z-2)/2z。因为τ<1,所以有K<2z/(z-2)。设计时可根据工作要求的不同,选择不同的径向槽数z和圆柱销数K,以获得具有不同动停规律的槽轮机构。-基本参数的设计：当根据槽轮的转角要求选定径向槽数z,根据载荷和结构尺寸选定中心距a和圆柱销的半径r后,其余几何参数和运动参数可查相关资料。槽轮机构的设计PART.04单元4.3其他间歇运动机构-不完全齿轮机构的特点与类型：不完全齿轮机构以其结构简单、制造方便而著称。该机构能够灵活地调整从动轮的运动时间和静止时间的比例,这一比例不受机构结构的限制。然而,值得注意的是,在从动轮运动开始和结束时,即从动轮进入啮合和脱离啮合的瞬间,速度会发生突变,导致较大的冲击。因此,为了避免过大的冲击对机构造成损害,不完全齿轮机构通常只适用于低速、轻载的场合。例如,在半自动机械中,不完全齿轮机构常被用作工作台间歇转动的转位机构。不完全齿轮机构是由渐开线齿轮机构演变而来的。其主要分为内啮合不完全齿轮机构与外啮合不完全齿轮机构两种类型,如图4-10所示。这两种类型的不完全齿轮机构在结构上有所不同,但都能实现间歇运动的功能。渐开线齿轮机构的具体内容将在模块8中重点讨论。-不完全齿轮机构的工作原理：在外啮合不完全齿轮机构中[图4-10(b)],当主动轮转动一周时,从动轮仅转动六分之一周。这意味着从动轮每转动一周会停歇六次。为了保证从动轮在停歇时能够停留在预定位置,主动轮上的锁止弧面s₁与从动轮上的锁止弧面s₂会互相配合锁住。当主动轮的有齿部分与从动轮的轮齿啮合时,主动轮会推动从动轮转动。而当主动轮的有齿部分与从动轮的轮齿脱离啮合时,从动轮会停歇不动。因此,当主动轮连续转动时,从动轮会以间歇的方式进行运动。这种工作原理使不完全齿轮机构在需要间歇运动的场合中具有广泛的应用价值。不完全齿轮机构-凸轮式间歇运动机构的组成与工作原理：凸轮式间歇运动机构一般由主动凸轮、从动转盘和机架三部分组成。其中,主动凸轮是驱动部件,其形状和结构决定了从动转盘的运动规律;从动转盘是被驱动部件,用于实现间歇运动;机架起支承和固定作用,确保整个机构的稳定运行。圆柱凸轮式间歇运动机构如图4-11所示。其主动凸轮的圆柱面上设计有一条两端开口不闭合的曲线沟槽,而从动转盘的端面上设计有均匀分布的圆柱销。当主动凸轮转动时,其曲线沟槽会拨动从动转盘上的圆柱销,从而驱动从动转盘进行间歇运动。这种工作方式使凸轮式间歇运动机构能够实现精确的分度和步进进给,满足高速机械对精度和效率的要求。-凸轮式间歇运动机构的特点：凸轮式间歇运动机构结构简单、运转可靠且转位精确。该机构无须专门的定位装置,从而简化了整体结构,提高了运行效率。然而,该机构也存在一些缺点,如精度要求较高、加工过程相对复杂以及安装调试难度较大。因此,在选择和使用凸轮式间歇运动机构时,需要充分考虑其适用性和加工能力。凸轮式间歇运动机构PART.05单元4.4AI在间歇运动机构中的应用及挑战与展望-AI赋能间歇运动机构性能预测：传统间歇运动机构的性能预测(如磨损寿命预测、运动精度预测等)主要依赖经验公式和有限元仿真,存在两大局限:一是经验公式基于理想化假设,难以覆盖复杂工况(如变载荷、高温环境等);二是仿真计算需消耗大量算力,且对边界条件设定的依赖性强。AI技术通过学习海量历史数据与工况参数的关联规律,能够构建高精度预测模型,实现性能的快速评估与失效预警。在磨损寿命预测方面,棘轮机构和槽轮机构的磨损主要源于间歇运动中的瞬时冲击与滑动摩擦,而其寿命受材料特性、运动参数(如转速、停歇比等)、润滑条件等多因素影响。基于机器学习的预测模型可整合三类数据:一是设计参数(如棘轮齿数、槽轮径向槽数、接触表面粗糙度等);二是运行数据(如输入转速、载荷波动、累计运行时间等);三是监测数据(如振动信号、温度变化、摩擦系数等)。通过深度学习算法(如卷积神经网络、长短期记忆网络等),模型能捕捉参数间的非线性关系。例如,将某汽车生产线中1000组槽轮机构的运行数据(包括槽轮材质、主动拨盘转速、每日启停次数)与实际寿命进行关联训练后,模型可在新机构设计阶段输入参数,即可预测其在特定工况下的磨损寿命,误差率较传统经验公式降低40%以上。此外,强化学习算法可进一步优化预测模型的动态适应性,当工况发生突变(如载荷增加20%等)时,模型能实时调整预测结果,为设备维护提供精准依据。运动精度预测是间歇运动机构的另一核心需求,尤其是在精密分度机构中,累计误差可能导致产品报废。传统精度分析需逐一计算构件制造误差、装配间隙的传递规律,过程烦琐且易遗漏关键因素。AI技术通过两种路径突破这一局限:一是基于计算机视觉的实时监测,在机构运行中通过高速相机采集运动轨迹图像,结合目标检测算法识别构件位置偏差,经