机械原理绪论20120213

第一章绪论郭为忠博士教授上海交通大学机械与动力工程学院重大装备设计与控制工程研究所第一章绪论机器实例（CaseStudy）机械设计（MechanicalDesign）机械原理（Mechanism&MachineTheory）本课程的地位和作用机械原理学科的发展动向思考题目录本章教案机器实例港口起重机牛头刨床机器实例机器螃蟹－本院学生课程设计作品机器实例青蛙游泳－本院学生课程设计作品机器实例汽车雨刮器－本院学生课程设计作品机器实例摇摆波浪床－本院学生课程设计作品申报了国家发明专利1项，2009.01机器实例机器动物－本院学生课程设计作品机器实例罐装机－本院学生课程设计作品现代机器实例义肢：骑车义肢：搬运现代机器实例机器鸭机器人表演现代机器Back实例BigDog(BostonDynamics)2003年4月3日，在日本横滨举行的2003年机器人博览会上，日本Tmsuk机器人制造公司的一名职员在向人们演示一种能充当警卫的机器狗。这种机器狗的售价为198万日圆（约合1.68万美元）。实例现代机器斗轮挖掘机bucketwheelexcavator利用斗轮旋转和臂架回转的复合运动，使铲斗连续挖掘较硬物料的多斗挖掘机。斗轮挖掘机配以汽车或带式输送机组成的挖掘运输系统，是一种高效率的采掘设备，主要用于露天矿中煤炭、油母页岩等的剥离和采掘及大型水利、建筑等工程的土方开挖。斗轮挖掘机的主要技术参数是生产率、挖掘高度和单位切割力。简史斗轮挖掘机是在单斗挖掘机和环轮挖掘机(见多斗挖掘机）的基础上发展起来的。1916年出现了轨道式斗轮挖掘机。1919年前后，德国制造了第一台履带式斗轮挖掘机。至50年代，中、小型斗轮挖掘机获得了较快的发展。1975年，联邦德国生产了20万米3／日的斗轮挖掘机;1977年又研制成功24万米3／日的巨型斗轮挖掘机，整机约为1300吨。这是80年代初世界上最大的斗轮挖掘机。分类斗轮挖掘机按卸料装置的形式可分为悬臂式和连接桥式两类。悬臂式斗轮挖掘机通常称为普通型斗轮挖掘机（图1），多属中、小型设备，生产率在2500米3／时以下。连接桥式的称为斗轮挖掘机组(图2)，由斗轮挖掘机、连接桥和转载机3部分组成，多属大型设备，生产率在2500米3／时以上。现代机器实例空间机械手水下机器人火星探路者自治机器人多种星际探测器现代机器实例空中客车A380的最大载客量为840人，最大航程16,000km，是目前全球载客量最大的飞机。波音777-200LR客机的载客量为301人，最大飞行距离为17,500km，是目前世界上航程最远的客机。现代机器实例我国第三架ARJ21新支线ARJ21-700喷气式民用客机，2009年9月12日在上海成功首飞（70-110座）我国国产大客机C919外形亮相香港，单通道150座级，最大载客量为190座（2009年9月4日）形形色色的水下机器人6000米水下机器人现代机器实例6000米深海拖曳观察系统(SJTU)人体器官内的微型机器人医疗机器人正辅助心脏病手术现代机器实例本章教案什么是机械设计对企业发展的重要意义一般进程机械运动方案设计机电一体化技术的冲击Back机械设计设计_在正式做某项工作之前，根据一定的目的要求，预先制定方法、图样等。[现代汉语词典，1999]机械设计_是创造性地实现具有预期功能的新设备或机器，或改进现有机器和设备，使其具有新的性能。[卢玉明，机械设计基础，第6版]Back机械设计什么是机械设计1.经济竞争归根结底是设计和制造能力竞争工业化国家的财富60~80%是制造业创造的制造是将科技转化为财富的最后环节各发达国家重新重视制造业中小批量、个性化、柔性生产管理模式2.机械制造业生产管理模式的转变大批量、单一化、流水作业生产管理模式这种转变意味着什么？…设计工作至关重要机械设计对企业发展的重要意义订单驱动式3.企业竞争的焦点之一是设计成功的设计赢得了市场设计是科技成果转化为生产力的纽带设计是引进技术实现国产化的重要环节没有现代化设计就没有现代化产品4.设计在生产中的地位设计是影响产品技术与经济指标的关键020406080设计占成本5%设计决定成本75%Back机械设计对企业发展的重要意义现代企业活动橄榄球/腰鼓型企业（两头小、中间大）哑铃型企业（两头大、中间小）开发设计制造市场营销机械设计对企业发展的重要意义企业产品开发的一般流程机械设计一般进程机械原理Back机械运动简图型综合运动总功能尺度综合机械运动示意图根据产品功能要求、工作性质和工作过程等基本要求进行新机械的方案设计，在方案设计阶段应该完成机械运动简图的设计。所谓机械运动简图设计，就是按机械的工作过程和动作要求设计出由若干机构组成的机构系统运动简图。一般情况下，它往往是机械最核心的部分，最富创造性。机械设计什么是机械运动方案设计Back机械原理机构是天造机器的“骨骼系统”机构是天造机器的“骨骼系统”机构是天造机器的“骨骼系统”机构是天造机器的“骨骼系统”机构是天造机器的“骨骼系统”机构是天造机器的“骨骼系统”机构是天造机器的“骨骼系统”机构是天造机器的“骨骼系统”机构是天造机器的“骨骼系统”生命的进化：无骨--软骨--硬骨(内骨骼、外骨骼)--软硬融合的发展历程骨骼系统发展水平的高低：生命等级的主要标志之一骨骼系统不断发展，智能控制同步进化“上帝”掌握了机构学的精髓几个观点：结构仿生性能仿生功能仿生什么是机械原理机械原理：机构与机器理论(Mechanism&MachineTheory,Mechanism&MachineScience)机械原理是研究机构和机器的运动及动力特性，以及机械运动方案设计的一门基础技术学科。机械原理的研究对象是机械。而机械是机构与机器的总称。机器是一种由人为物体组成的、能产生期望的机械运动的装置，用来完成一定的工作过程，以代替人类的劳动。(包括体力劳动和脑力劳动)机器有时又称为机械系统、机械产品、机电（一体化）系统或机电（一体化）产品。根据工作类型的不同，机器一般可以分为动力机器、工作机器和信息机器三类。本课程研究的机器，其本质特征是能实现一定的机械运动，并以机械运动为手段实现其功用。动力机器的功用机械能其他形式的能量内燃机、电动机、发电机、汽轮机工作机器的功用完成有用的机械功或搬运物品金属切削机床、轧钢机、织布机、包装机、汽车、机车、飞机、起重机、数控机床信息机器的功用完成信息的传递和变换照相机、复印机、打印机、传真机、绘图机海浪发电装置磁悬浮列车、压力机、盾构、油田抽油机、工业喷涂机器人、焊接机器人、空间站机械臂、深海探测机器人、电动玩具猫信息处理子系统控制子系统广义执行机构子系统传感检测子系统传动部分动力部分执行机构系统现代机器机器与其他装置的主要不同点是产生期望的机械运动，完成有用的工作过程。因此．实现机械运动的执行机构系统是机器的核心。机器的组成课程定位和教学理念：现代机械产品（机电产品与系统）机械运动系统-----三子系统、单元与系统信息处理与控制传感检测广义执行机构1信息处理与控制广义执行机构m广义执行机构n传感检测子系统…信息处理与控制……执行单元1执行单元m执行单元n信息处理子系统控制子系统广义执行机构子系统传感检测子系统现代机器机电一体化技术的冲击简化了机器的结构可编程性好，柔性大工艺动作易于协调，控制容易机构广义机构（光、机、电等）内燃机：曲柄滑块机构(属连杆机构)齿轮机构凸轮机构构件机构原动件执行构件港口起重机：四杆机构构件机构原动件执行构件虚拟轴机床：并联机器人机构构件机构原动件执行构件•机器中的运动单元体称为构件link。•机构mechanism是把一个或几个构件的运动，变换成其他构件所需的具有确定运动的构件系统。•构件可以是刚性的，也可以是挠性的或弹性的。现代机器中的机构不再是纯刚性构件的机构。•驱动可以是电动、液压、气动、电磁件或其它方式。•最常用的机构有：连杆机构linkage、凸轮机构cammechanism、齿轮机构geartrain、间歇运动机构intermittenmechanism等。机构可以形象地比作机器的“骨骼”系统，起到支承和运动产生与变换的功能。机构是人造机器的“骨骼系统”秤：古称权衡、衡器。权即砝码/秤锤，衡指秤杆。最早的秤：长沙附近左家公山战国时期楚墓中的天平，公元前四至三世纪制品桔槔：春秋时期已相当普遍，延续了几千年，是中国农村历代通用的旧式提水器具辘轳：汲水工具。公元前一千一百多年前中国周代初期已经发明。春秋时期已经流行。广泛地应用在农业灌溉上。《物原》：史佚始作辘轳机构是人造机器的“骨骼系统”翻车：刮板式连续提水机械，又名龙骨水车，我国古代最著名的农业灌溉机械之一。《后汉书》：毕岚作翻车，三国马钧加以完善。最早的链传动筒车：唐代已有，水力机械。水筒与水轮联成一体，既是接受水力的驱动构件，又是提水倒水的工作构件，其机构简明紧凑，设计构思巧妙。机构是人造机器的“骨骼系统”扇车：公元前一世纪，西汉时我国已有扬去谷物中的秕糠用的风车。欧洲约一千四百年后才有类似的风车。扇车由车架、外壳、风扇、喂料斗及调节门等构成，工作时手摇风扇，开启调节门，让谷物缓缓落下，谷壳及轻杂物被风力吹出机外水碓：西汉末年出现，利用水力舂米之机械。动力源是一个大的立式水轮，轮上装有若干板叶，转轴上装有一些彼此错开的拨板，用来拨动碓杆。每个碓用柱子架起一根木杆，杆的一端装一块圆锥形石头。下面的石臼里放上准备加工的稻谷。流水冲击水轮使它转动，轴上的拨板臼拨动碓杆的梢，使碓头一起一落地进行舂米，加工粮食。机构是人造机器的“骨骼系统”石磨：鲁班发明(春秋末期鲁国人，发明了木工用锯子、刨子、曲尺等)两块石头制成磨扇，下扇中间装有短立轴，用铁制成，上扇中间有相应空套，两扇相合以后，下扇固定，上扇绕轴转动。两扇相对留有空膛叫磨膛，膛外周制成一起一伏的磨齿。上扇有磨眼，添加谷物，被磨成粉末，从夹缝中流到磨盘上，过罗筛去麸皮等就得到面粉。水磨：用水力作为动力的磨，大约在晋代就发明了。到三国时代，多功能水磨机械已经诞生成型。从机械角度来看，是由水轮、轴和齿轮联合传动的机械。从古代绘画中的卧轮水磨、立轮水磨和立轮式水转大纺车，可见中国古代安装卧轮还是立轮的决定，已经是根据当地水利资源、水势高低、齿轮与轮轴的匹配原则，从经济、便利等角度予以解决的。《钦定授时通考》「水转连磨」《农书》「卧轮水磨」《农书》「水转大纺车」机构是人造机器的“骨骼系统”记里鼓车：配有减速齿轮系的古代车辆，一般作为帝王出行仪仗车辆，至迟在汉代已问世。每行走一里击鼓一次。从它的内部构造来说，所应用的减速齿轮系统已相当复杂，可以说是现代车辆上计程仪的先驱。指南车：相传5000多年前黄帝时代就已经发明。指南车起源很早，历代曾几度重制，但均未留下资料，直至宋代才有完整的资料。独轮车：创始者据说是三国诸葛亮，其前身即木牛流马。原始的车轮没有轮辐，在汉、唐时代称为“辁”夏代前后，出现了无辐条的辁和各种有辐条的车轮。由辁发展到轮，使车辆的行走部件发生了一次大变革，为殷代造车奠定了基础。殷商和西周时已有相当精致的两轮车。机构是人造机器的“骨骼系统”机构是人造机器的“骨骼系统”世界第一台地震仪，即候风地动仪：公元132年张衡创制，测定地震方位。地动仪由精铜铸成，仪器内部中央立一根铜质都柱（上粗下细的棍关）万象支架：西汉末（公元1世纪）巧工丁缓制作的“被中香炉”是世界上已知最早的常平支架。构造精巧，无论球体香炉如何滚动，其中心位置的半球形炉体都能始终保持水平状态。镂空球内有两个环互相垂直而可灵活转动，炉体可绕三个互相垂直的轴线转动。原理与现代陀螺仪中的万向支架相同。机构是人造机器的“骨骼系统”弩弓：大约3万年前我国就发明了弓箭，是机械方面最早的一项发明。弓和箭是使用时间最长的古老兵器最成功的柔顺机构案例春秋时期出现弩，控制射击的弩机是比较灵巧的机械装置。到汉代，弩机加工精度和表面光洁度已相当高。汉弩有一石至十石等八种规格，表明机械制造标准在汉代已初步确立。冶铁水排：我国古