1、机机 械械 原原 理理（电子版）（电子版） 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2004年年2月月第一章第一章 绪论绪论 & 1-1 机械原理课程的研究对象与内容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。机械是机器与机构的总称。机机械械机机 器器机机 构构研究对象：研究对象：什么是机器呢？什么是机器呢？ 什么是机构呢？什么是机构呢？普通车床普通车床数控车床数控车床数控铣床，数控铣床，这是一种这是一种机器机器，主，主要用来加要用来加工平面和工平面和曲面。曲面。主轴主轴安装安装铣刀铣刀工作台工作台锯床锯床数控压弯机数控压弯机数控剪板机数控剪板机美国西科斯基公司生产的美国西科斯基公司生产的“黑鹰黑
2、鹰”直升机直升机主旋翼主旋翼尾尾旋旋翼翼“神舟五号神舟五号”发射时的情景。发射时的情景。发射塔发射塔、运载火箭运载火箭都是庞大的都是庞大的机器机器。索杰纳火星车索杰纳火星车它是美国国家航空航它是美国国家航空航天局于格林威治时间天局于格林威治时间1997年年7月月4日日17时时07分发射的火星探路者分发射的火星探路者号宇宙飞船成功地在号宇宙飞船成功地在火星表面着陆，该飞火星表面着陆，该飞船携带了索杰纳火星船携带了索杰纳火星车，这也是一种机器。车，这也是一种机器。世世 界界 最最 小小 的的 微微 型型 机机 械械 人人Worlds smallest robot美国山迪亚国家实美国山迪亚国家实验室
3、的科学家，成验室的科学家，成功研制了相信是世功研制了相信是世界最小的微型机械界最小的微型机械人，这微型机械人人，这微型机械人体积只有四分之一体积只有四分之一立方寸，体重小於立方寸，体重小於一盎司。一盎司。 什么是机器呢？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，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。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。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。凸轮机构凸轮机构齿轮机构齿轮机构连杆
4、机构连杆机构什么是机构呢？什么是机构呢？机构机构可以定义为：是一个具有确定的机械运动的构件可以定义为：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。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：在机械原理课程中要研究以下内容：1、机构的分析、机构的分析（1）机构的结构分析）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。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）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、研究在给定原动件
5、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。位移、速度、加速度等运动特性。“机械原理机械原理”是一门从力学原理的角度研究机械的组成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。、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、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。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、机械系统运动方案设计4、机械动力学问题、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
6、：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。机构的平衡。（3）机构的力分析）机构的力分析研究机构的各构件和运动副中力的计算、摩擦及效率研究机构的各构件和运动副中力的计算、摩擦及效率问题。问题。研究内容：研究内容：机械设计的一般过程：机械设计的一般过程：需求需求分析分析机械方案机械方案设设 计计机械方案机械方案运动分析运动分析机械方案机械方案动力分析动力分析机机 械械造型设计造型设计机械工作机械工作能力设计能力设计确确 定定工艺方案工艺方案确确 定定工艺参数工艺参数机械结构机械结构设设 计计 一台典型
7、的现代化机器是由四个部分组成的，即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原动机、传动机构、执行机构和控制系统。机机器器原原 动动 机机传动机构传动机构执行机构执行机构控制系统控制系统& 1-2 现代化机器的组成现代化机器的组成原动机原动机用于提供动力用于提供动力发电机发电机化石燃料化石燃料水水 能能太阳能太阳能内燃机内燃机外燃机外燃机电动机电动机风风 能能水轮机水轮机风力机风力机太阳能电池太阳能电池机机 器器化石燃料化石燃料内燃机内燃机机机 器器化石燃料化石燃料外燃机外燃机机机 器器水水 能能风风 能能水轮机水轮机风力机风力机机机 器器机机 器器液压马达
8、液压马达电动机电动机机机 器器泵泵液液 压压 缸缸气压马达气压马达电动机电动机机机 器器空气压缩机空气压缩机气气 缸缸原动机主要有电动、液动、气动三种形式原动机主要有电动、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常用原动机形式电动原动机电动原动机:电动原动机的形式是：电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从电源形
9、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、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。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最常用的交流异步电动机这是这是步进电机步进电机，它可以按输入的电脉，它可以按输入的电脉冲数回转相应的角度。冲数回转相应的角度。这是伺服这是伺服电动机电动机，它可以精确的控制电动机的输出位移和转速。，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:液压原动机的形式是：液压马达和液压油缸。液压原
10、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。液压马达输出回转运动，液压油缸输出往复直线运动。BM型摆线液压马达型摆线液压马达液压油缸液压油缸气动原动机气动原动机:气动原动机的形式是：气动马达和气缸。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。气动马达输出回转运动，气缸输出往复直线运动。叶片马达叶片马达柱塞马达柱塞马达无导杆气缸无导杆气缸有导杆气缸有导杆气缸气气 缸缸传动机构传动机构将运动和动力传递或变换给执行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在传动机构中一
11、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。减速器、变速器等。圆柱齿轮减速器圆柱齿轮减速器锥齿轮减速器锥齿轮减速器摆线针轮减速器摆线针轮减速器38mm50mm50mm50mm直流伺服电机（直流伺服电机（100W）重量重量0.7 0.7 kgkg额定输出扭矩额定输出扭矩 45 45 NmNm最大输出扭矩最大输出扭矩 80 80 NmNm短程地对地导弹电舵机短程地对地导弹电舵机电动机转速电动机转速 4200 rpm输出转速输出转速 13 rpm执行机构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。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
12、调运动夹持球体实现任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。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控制系统用于实现机器执行机构之间的工作协调，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。或者各机器之间的工作协调。控制模式控制模式原动机原动机传动机构传动机构执行机构执行机构控制系统控制系统原动机原动机传动机构传动机构执行机构执行机构控制系统控制系统原动机原动机传动机构传动机构执行机构执行机构& 1-3 设计与创新设计与创新一、设计一、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设计本身就是一种创造性劳动500分/米30超声波发生器二、创新二、创新自然科学领域的最高成就是自然科学领域的最高成就是发现发现应用技术领域的最高成就是应用技术领域的最高成就是发明发明基础理论知识基础理论知识应用技术知识应用技术知识实践经验实践经验发明：发明：强烈的创新意识强烈的创新意识勤奋的工作勤奋的工作两用折叠椅两用折叠椅双曲面滚柱加载器双曲面滚柱加载器外环外环内环内环同向传动齿轮同向传动齿轮叶片差速泵叶片差速泵本章结束本章结束飞船与火箭对接飞船与火箭对接EJ2000的尾喷口的尾喷口
