哈工大机械原理课件

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。
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。
１、根据运动副所引入的约束数分类
见表2-1
表2-1 常用运动副及其简图
名 称 球 面 高 副 柱 面 高 副 球 面 低 副 球 销 副 图 形 简图符号 副级 自由度 名 称 圆 柱 套 筒 副 转 动 副 图 形 简图符号 副级 自由度
（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。 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
主要研究：如何根据机器的功能来确定运动方案。 4、机械动力学问题
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。
1. 复合铰链
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。
例 ：
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
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。 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。
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。
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
y
y
x
x
z
z
(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?
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。
带虚约束的杆机构
４）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?
30米/分
500
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
发明：
◆基础理论知识
◆应用技术知识 ◆实践经验
◆强烈的创新意识 ◆勤奋的工作
两用折叠椅
外环
双曲面滚柱加载器
内环
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
机械原理
第二章 机构的结构分析与综合
研究内容： 机械设计的一般过程：
需求 分析 确 定 确 定
机械方案
设 计
机械方案 运动分析
工艺方案
工艺参数
机
械
机械结构 设 计
机械工作 能力设计
机械方案
造型设计
动力分析
§1-2 现代化机器的组成
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
机 器
5来自百度文库mm
直流伺服电机（100W） 重量<0.7 kg 额定输出扭矩 45 Nm 最大输出扭矩 80 Nm 电动机转速 4200 rpm 输出转速 13 rpm
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
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。
执行机构
控制系统
原动机用于提供动力
内燃机 化石燃料 水 能 风 能 太阳能 化石燃料 外燃机 水轮机 风力机 太阳能电池 内燃机 机 器 发电机
电动机
机 器
化石燃料
水 能 风 能
外燃机
水轮机 风力机
机 器 机 器
机 器
液压马达 电动机 泵 液 压 缸 气压马达 机 器
电动机
空气压缩机
气 缸
机 器
常用原动机形式
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
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。
１、研究组成机构的要素及机构具有确定运动的条件
２、研究机构的组成原理
３、研究机构运动简图的绘制 ４、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： １、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。
常见的虚约束有以下几种情况: １）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
２）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。
带虚约束的曲轴
３）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。
例如 ：
２、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。
运动副是机械原理中最重要的概念之一
对运动副的理解要把握以下三点 ：
（１）运动副是一种联接；
（２）运动副由两个构件组成； （３）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
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。
世界最小的微型机械人 World's smallest robot
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。
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
气 缸
有导杆气缸
无导杆气缸
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。
锥齿轮减速器 圆柱齿轮减速器
摆线针轮减速器
短程地对地导弹电舵机
50mm 38mm
50mm
主旋翼
尾 旋 翼
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。
计算下列机构的自由度
n=2, PL=3, PH=0 F=3n－2PL－PH
n=3, PL=5, PH=0 F=3n－2PL－PH =3*3-2*5=-1
=3*2-2*3=0
n=3, PL=4, PH=0 F=3n－2PL－PH
n=4, PL=5, PH=0 F=3n－2PL－PH
=3*3-2*4=1
=3*4-2*5=2
讨论
n=2, PL=3, PH=0 F=3n－2PL－PH
n=3, PL=5, PH=0 F=3n－2PL－PH =3*3-2*5=-1
=3*2-2*3=0
1)若机构自由度Ｆ≤０，则机构不能动
n=3, PL=4, PH=0
F=3n－2PL－PH =3*3-2*4=1
n=4, PL=5, PH=0
连杆机构
凸轮机构
齿轮机构
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。
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。
“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。
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
第一章 绪论
哈尔滨工业大学
§1-1 机械原理课程的研究对象与内容
研究对象：
机 器
机
械 机 构
机械是机器与机构的总称。
什么是机器呢？ 什么是机构呢？
普通车床
数控车床
主轴
数控铣床， 这是一种 机器，主 要用来加 工平面和 曲面。
安装 铣刀
工作台
锯床
并联机床原型机
数控剪板机
数控压弯机
I
5
IV
2
II
4
V
1
III
3
移 动 副
V
1
IV
2
螺 旋 副
V
1
２、根据组成运动副的两个运动副元素的接触情况分类 运动副元素以点或线接触的运动副称为高副 。
球面高副
柱面高副
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
３、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
F=3n－2PL－PH =3*4-2*5=2
2)若Ｆ>０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Ｆ>0，而原动件数<F，则构件间的运动是不确定的；
4）若Ｆ>０，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
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 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。
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
机械的结构分析 机械的运动分析 机械的动力分析
二、设计新的机械
设计机构
机构的选型 机构的运动设计 机构的动力设计
机械系统总体运动方案设计
本章主要研究机构的结构分析与综合
其目的是：
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
原动机 传动机构 控制系统 原动机 传动机构 控制系统 原动机 传动机构 执行机构 执行机构 执行机构
§1-3 设计与创新
一、设计
设计本身就是一种创造性劳动
设计是基础理论，应用技术和实践经验综合应用的过程
超声波 发生器