《机械原理常用机构》课件

机械原理常用机构课程介绍与学习目标课程介绍学习目标本课程系统讲解机械原理中的常用机构，包括连杆机构、凸轮机构、•掌握机构的基本概念和分类齿轮机构、间歇运动机构等内容涵盖机构的组成、运动特性、设•理解各种常用机构的工作原理和运动特性计方法和应用实例，旨在帮助学生建立扎实的理论基础和实践能力•熟悉机构的运动分析和动力学分析方法•掌握机构设计的基本原则和方法什么是机构定义组成机构是由若干个构件通过可动连接机构的基本组成单元是构件和运动副联接起来的能够实现确定运动的副构件是机构中每一个具有独立组合体机构的主要功能是传递运运动的零件或零件组合体；运动副动和动力，或者将一种形式的运动是连接两个构件并允许它们之间产转化为另一种形式的运动生相对运动的连接形式特点机构的基本分类按功能分类按功能可分为原动机构（提供动力）、传动机构（传递运动和动力）、执行机构（完成特定工作）按运动形式分类按运动形式可分为平面机构（构件的运动都在平行平面内）、空间机构（构件的运动不在同一平面内）按结构分类连杆机构概述定义特点12连杆机构是由若干个刚性杆件连杆机构具有结构简单、运动通过铰链连接而成的机构，用灵活、可靠性高等优点，广泛于实现各种复杂的运动轨迹和应用于各种机械设备中力传递应用常见连杆机构类型曲柄连杆机构四杆机构多杆机构曲柄连杆机构是最常见四杆机构由四个杆件通多杆机构由多个杆件通的连杆机构，由曲柄、过铰链连接而成，可以过铰链连接而成，可以连杆和滑块组成，用于实现各种复杂的运动轨实现更复杂的运动轨迹实现旋转运动到直线运迹，例如平行机构、摇和力传递，例如机器人动的转换杆机构等手臂平面四杆机构定义1平面四杆机构是由四个杆件通过四个铰链连接而成的机构，所有杆件的运动都在同一平面内组成2平面四杆机构包括机架、连架杆（曲柄或摇杆）和连杆机架是固定不动的杆件，连架杆与机架相连并可以转动或摆动，连杆连接两个连架杆特点3平面四杆机构结构简单、运动灵活，广泛应用于各种机械设备中，例如缝纫机、纺织机、汽车悬挂系统等平面四杆机构的分类曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构曲柄摇杆机构的特点是有一个连架杆可以双曲柄机构的特点是两个连架杆都可以做双摇杆机构的特点是两个连架杆都只能做做整周转动（曲柄），另一个连架杆只能整周转动往复摆动做往复摆动（摇杆）平面四杆机构运动特点运动规律死点平面四杆机构的运动规律复杂多样，某些平面四杆机构在运动过程中可取决于其结构参数和尺寸比例通能出现死点，即机构无法继续运动过改变杆件的长度和铰链的位置，的位置在设计机构时需要避免死可以实现不同的运动轨迹和速度变点的出现化急回特性某些平面四杆机构具有急回特性，即在往复运动过程中，一个方向的速度快，另一个方向的速度慢，从而实现快速返回曲柄滑块机构原理工作原理当曲柄转动时，通过连杆带动滑块在导轨2中做往复直线运动，从而实现旋转运动到组成直线运动的转换1曲柄滑块机构由曲柄、连杆和滑块组成曲柄绕固定铰链转动，连杆连接曲柄和滑块，滑块在导轨中做直线运动特点曲柄滑块机构结构简单、可靠性高，广泛应用于各种机械设备中，例如发动机、压3缩机、冲床等曲柄滑块机构应用领域内燃机压缩机冲床在内燃机中，曲柄滑块机构用于将活塞的往在压缩机中，曲柄滑块机构用于驱动活塞进在冲床中，曲柄滑块机构用于驱动滑块进行复运动转换为曲轴的旋转运动，从而驱动车行往复运动，从而压缩气体上下运动，从而实现冲压、成型等工艺辆或发电机曲柄滑块机构运动分析运动学分析动力学分析曲柄滑块机构的运动学分析主要包括位移分析、速度分析和加速度曲柄滑块机构的动力学分析主要包括力分析和平衡分析通过动力分析通过运动学分析，可以确定滑块的位移、速度和加速度随曲学分析，可以确定机构中各构件所受的力和力矩，以及机构的平衡柄转角的变化规律条件凸轮机构基本概念定义组成12凸轮机构是由凸轮、从动件和凸轮是具有特定形状的构件，机架组成的高副机构，用于实从动件与凸轮接触并跟随凸轮现各种复杂的运动规律运动，机架是固定不动的构件特点3凸轮机构可以实现任意复杂的运动规律，例如匀速运动、匀加速运动、简谐运动等，广泛应用于各种自动化设备中凸轮机构工作原理运动传递当凸轮转动时，其轮廓曲线与从动件接触，推动从动件做往复运动从动件的运动规律取决于凸轮的轮廓曲线形状运动规律通过设计合适的凸轮轮廓曲线，可以实现从动件的各种运动规律，例如匀速运动、匀加速运动、简谐运动等应用凸轮机构广泛应用于各种自动化设备中，例如自动机床、纺织机械、包装机械等凸轮的分类盘形凸轮圆柱凸轮移动凸轮盘形凸轮是最常见的凸圆柱凸轮的轮廓曲线位移动凸轮的轮廓曲线位轮类型，其轮廓曲线位于一个圆柱面上于一个平面内，但凸轮于一个平面内本身可以做直线运动凸轮轮廓线设计确定运动规律1选择从动件类型2计算理论轮廓线3修正实际轮廓线4凸轮轮廓线设计是凸轮机构设计的关键步骤，直接影响从动件的运动规律设计过程通常包括确定从动件的运动规律、选择合适的从动件类型、计算理论轮廓线、修正实际轮廓线等步骤凸轮机构的运动特性压力角基圆半径推程运动角压力角是指从动件受力方向与从动件运动基圆半径是指凸轮的最小半径基圆半径推程运动角是指从动件完成一个推程运动方向之间的夹角压力角过大会导致机构过小会导致凸轮的轮廓曲线过于尖锐，从所对应的凸轮转角推程运动角的大小直的传动效率降低，甚至发生自锁现象而影响机构的寿命和可靠性接影响从动件的运动速度和加速度齿轮机构基础定义1齿轮机构是由齿轮组成的机械传动装置，用于传递运动和动力组成2齿轮机构由齿轮、齿条、蜗杆等构件组成齿轮是具有齿的旋转构件，齿条是具有齿的直线构件，蜗杆是具有螺旋齿的构件特点3齿轮机构具有传动效率高、传动比精确、工作可靠等优点，广泛应用于各种机械设备中齿轮传动基本原理啮合齿轮传动是通过齿轮齿之间的啮合来实现运动和动力的传递齿轮的齿形设计保证了啮合过程的平稳性和连续性传动比齿轮传动的传动比等于主动齿轮的齿数与从动齿轮的齿数之比传动比决定了输出轴的转速和扭矩应用齿轮传动广泛应用于各种机械设备中，例如汽车、机床、钟表等齿轮的分类直齿轮斜齿轮锥齿轮直齿轮的齿线与轴线平斜齿轮的齿线与轴线倾锥齿轮的齿形位于一个行，适用于传递平行轴斜，适用于传递平行轴锥面上，适用于传递相之间的运动和动力之间的运动和动力，且交轴之间的运动和动力具有传动平稳、噪声低的特点直齿轮传动特点应用直齿轮传动结构简单、制造方便、直齿轮传动广泛应用于低速、低载成本低廉，但传动平稳性较差、噪荷的场合，例如玩具、钟表等声较大改进为了提高直齿轮传动的平稳性和降低噪声，可以采用变位齿轮、齿廓修形等措施斜齿轮传动应用2斜齿轮传动广泛应用于高速、重载的场合，例如汽车、机床等特点1斜齿轮传动具有传动平稳、噪声低、承载能力高等优点，但制造较为复杂、成本较高轴向力斜齿轮传动会产生轴向力，需要在设计时3采取措施加以平衡或承受锥齿轮传动直齿锥齿轮斜齿锥齿轮弧齿锥齿轮直齿锥齿轮的齿线与锥面母线平行，适用于斜齿锥齿轮的齿线与锥面母线倾斜，适用于弧齿锥齿轮的齿线为弧线，具有承载能力高、传递相交轴之间的运动和动力传递相交轴之间的运动和动力，且具有传动传动平稳、噪声低等优点，但制造最为复杂、平稳、噪声低的特点成本最高蜗杆传动机构组成特点应用蜗杆传动机构由蜗杆和蜗轮组成蜗杆是蜗杆传动机构具有传动比大、结构紧凑、蜗杆传动机构广泛应用于需要大传动比的具有螺旋齿的构件，蜗轮是具有圆弧齿的自锁性好等优点，但传动效率较低、磨损场合，例如起重机、减速器等齿轮较大间歇运动机构定义组成12间歇运动机构是一种能够实现间歇运动机构的种类繁多，常间断运动的机构，即输出构件见的有棘轮机构、马尔他十字在一段时间内运动，在另一段机构、槽轮机构等时间内静止应用3间歇运动机构广泛应用于各种自动化设备中，例如自动送料机、自动分度盘等棘轮机构原理组成棘轮机构由棘轮、棘爪和弹簧组成棘轮是具有单向齿的齿轮，棘爪与棘轮啮合，弹簧用于保证棘爪与棘轮的可靠接触工作原理当驱动构件运动时，棘爪推动棘轮转动一个齿距；当驱动构件反向运动时，棘爪滑过棘轮的齿背，棘轮保持静止从而实现单向间歇运动应用棘轮机构广泛应用于手动工具、卷扬机、防倒转装置等马尔他十字机构组成工作原理应用马尔他十字机构由主动拨盘和从动马尔他十当拨盘转动时，拨销进入马尔他十字轮的槽马尔他十字机构广泛应用于需要精确分度的字轮组成拨盘上装有拨销，马尔他十字轮中，推动马尔他十字轮转动一个角度；当拨场合，例如自动分度盘、电影放映机等上开有槽销离开槽时，马尔他十字轮保持静止从而实现间歇分度运动回转机构定义1组成2特点3应用4回转机构是指能够实现回转运动的机构回转机构的种类繁多，常见的有齿轮传动回转机构、蜗杆传动回转机构、凸轮机构回转机构等回转机构广泛应用于各种机械设备中，例如机床、机器人、自动化生产线等平面机构运动分析位移分析速度分析加速度分析位移分析是确定机构中各构件在某一时刻速度分析是确定机构中各构件在某一时刻加速度分析是确定机构中各构件在某一时的位置和位移常用的方法有图解法、解的速度和角速度常用的方法有瞬心法、刻的加速度和角加速度常用的方法有加析法和数值法速度影像法和解析法速度影像法和解析法机构自由度计算定义计算公式12机构自由度是指机构能够独立平面机构自由度的计算公式为运动的数目自由度是衡量机F=3n-2PL-PH，其中F为自由构运动灵活性的重要指标度，n为构件数，PL为低副数，为高副数PH应用3自由度计算可以用于判断机构的运动可能性和确定机构的运动规律设计机构时需要合理选择自由度，以满足运动要求瞬心中心概念定义瞬心是指两个构件在某一瞬时具有相同速度的重合点瞬心是分析机构速度的重要工具性质瞬心具有以下性质两个构件的相对运动可以看作绕瞬心的转动；瞬心是两个构件上速度相等的点应用瞬心法可以用于分析机构的速度和角速度，以及确定机构的运动规律瞬心法是一种简单而有效的方法机构运动简图分析绘制简图分析运动简化模型机构运动简图是用简单的线条和符号来表示通过分析运动简图，可以确定机构的自由度、机构运动简图可以简化复杂机构的分析，突机构的组成和运动关系的图形绘制简图是运动规律和运动特性分析运动是设计机构出机构的主要运动关系，从而提高分析效率分析机构运动的第一步的基础机构速度分析方法图解法1解析法2瞬心法3速度影像法4机构速度分析是确定机构中各构件在某一时刻的速度和角速度常用的方法有图解法、解析法、瞬心法和速度影像法选择合适的方法取决于机构的复杂程度和精度要求机构加速度分析目的方法应用机构加速度分析是确定机构中各构件在某常用的加速度分析方法有加速度影像法和加速度分析可以用于计算机构中的惯性力、一时刻的加速度和角加速度加速度分析解析法加速度影像法是一种图解方法，确定机构的动力性能和优化机构的设计参是进行机构动力学分析的基础适用于简单机构；解析法是一种数学方法，数适用于复杂机构机构动力学基础牛顿定律达朗贝尔原理12牛顿定律是动力学的基础，用达朗贝尔原理将动力学问题转于描述物体受力与运动之间的化为静力学问题，从而简化动关系牛顿定律包括牛顿第一力学分析达朗贝尔原理指出，定律、牛顿第二定律和牛顿第惯性力与外力之和为零三定律虚功原理3虚功原理用于分析机构的平衡条件虚功原理指出，系统在虚位移过程中，所有力的虚功之和为零机构传动效率定义机构传动效率是指输出功率与输入功率之比传动效率是衡量机构性能的重要指标影响因素影响传动效率的因素包括摩擦、润滑、材料、加工精度等降低摩擦、改善润滑、选择合适的材料和提高加工精度可以提高传动效率优化优化机构设计、选择合适的传动方式和改善润滑条件可以提高传动效率，从而降低能量损耗和提高机械设备的性能机构设计基本原则结构简单工作可靠传动效率高机构设计应力求结构简机构设计应保证工作可机构设计应提高传动效单，以降低制造成本、靠，以提高机械设备的率，以降低能量损耗和提高可靠性和便于维护性能和寿命提高机械设备的性能机构运动的约束条件运动约束1力约束2结构约束3工艺约束4机构运动的约束条件是指机构在运动过程中必须满足的各种限制条件约束条件包括运动约束、力约束、结构约束和工艺约束在设计机构时需要充分考虑各种约束条件，以保证机构的正常工作机构设计中的静定分析定义意义方法静定分析是指确定机构中各构件所受的力静定分析可以用于判断机构的结构合理性常用的静定分析方法有节点法、截面法和和力矩是否能够通过静力平衡方程求解和确定机构的受力情况设计机构时应尽力矩平衡法选择合适的方法取决于机构如果能够求解，则该机构为静定机构；否量选择静定机构，以简化分析和提高可靠的结构和受力情况则，为静不定机构性机构优化设计目标方法12机构优化设计是指通过改变机常用的优化方法有解析法、数构的结构参数和尺寸参数，使值法和智能优化算法智能优机构的性能达到最佳优化目化算法包括遗传算法、粒子群标可以是传动效率、运动精度、算法、模拟退火算法等承载能力、成本等应用3机构优化设计可以提高机械设备的性能和寿命，降低制造成本和能量损耗机构失效模式分析定义机构失效模式分析是指识别机构可能发生的各种失效模式，并分析其原因和影响失效模式包括断裂、磨损、腐蚀、疲劳等方法常用的失效模式分析方法有故障树分析、失效模式影响分析、鱼骨图等选择合适的方法取决于机构的复杂程度和失效风险预防通过失效模式分析，可以采取相应的预防措施，以降低机构的失效风险和提高可靠性预防措施包括选择合适的材料、改善润滑、提高加工精度等机构疲劳强度计算应力分析疲劳寿命安全系数进行应力分析，确定机根据应力分析结果和材确定机构的安全系数，构中各构件所受的应力料的疲劳特性，计算机以保证机构在工作过程大小和分布构的疲劳寿命中不会发生疲劳失效机构润滑与磨损润滑1磨损2材料3工艺4机构润滑是指在摩擦表面之间添加润滑剂，以降低摩擦系数、减少磨损和延长机构寿命磨损是指摩擦表面之间发生的材料损失选择合适的润滑剂、改善润滑方式、选择耐磨材料和提高加工精度可以减少磨损和延长机构寿命现代机构设计方法计算机辅助设计有限元分析虚拟样机技术利用CAD软件进行机构的建模、分析和优利用有限元分析软件进行机构的应力分析、利用虚拟样机技术进行机构的运动仿真和化，可以提高设计效率和精度变形分析和振动分析，可以提高机构的可动力学仿真，可以验证机构的设计性能和靠性和安全性优化机构的控制策略在机构设计中的应用CAD建模装配12利用软件进行机构的三维利用软件进行机构的虚拟CAD CAD建模，可以直观地显示机构的装配，可以检查机构的干涉和结构和组成协调性出图3利用软件生成机构的工程图纸，可以用于指导机构的制造和装配CAD机构仿真技术运动仿真动力学仿真控制仿真利用仿真软件进行机构的运动仿真，可以利用仿真软件进行机构的动力学仿真，可利用仿真软件进行机构的控制仿真，可以验证机构的运动规律和运动特性以分析机构的受力情况和动力性能验证机构的控制策略和控制效果机构创新设计案例机器人医疗器械汽车设计新型机器人机构，设计新型医疗器械机构，设计新型汽车机构，以以实现更灵活的运动和以实现更精确的操作和提高汽车的性能和安全更强大的功能更舒适的体验性工业机器人机构关节型1直角坐标型2圆柱坐标型3型4SCARA工业机器人机构是用于实现工业机器人各种功能的机械装置常见的工业机器人机构有关节型、直角坐标型、圆柱坐标型和型不SCARA同类型的机器人机构适用于不同的应用场景精密机械机构特点应用设计精密机械机构具有精度高、稳定性好、寿精密机械机构广泛应用于半导体制造设备、精密机械机构的设计需要考虑材料、加工命长等特点，适用于高精度加工、测量和光学仪器、精密机床等精度、润滑、振动等因素，以保证其精度测试等场合和稳定性航空航天机构轻量化高可靠性12航空航天机构需要满足轻量化航空航天机构需要满足高可靠的要求，以提高飞行性能和降性的要求，以保证飞行安全低能量消耗耐高温3航空航天机构需要满足耐高温的要求，以适应飞行过程中产生的高温环境医疗设备机构高精度医疗设备机构需要满足高精度的要求，以保证治疗效果和安全性可靠性医疗设备机构需要满足高可靠性的要求，以避免医疗事故的发生卫生医疗设备机构需要满足卫生的要求，以防止细菌感染和交叉感染汽车传动机构变速器差速器离合器变速器用于改变汽车的差速器用于分配驱动轮离合器用于连接或断开传动比，以适应不同的的扭矩，以保证汽车在发动机与变速器之间的行驶工况转弯时能够平稳行驶动力传递，以实现汽车的起步、换挡和停车机构设计中的计算机辅助工具CAD12CAE3CAM4MATLAB在机构设计中，常用的计算机辅助工具包括软件、软件、软件和软件软件用于进行机构的建模和出图，CAD CAECAM MATLABCAD CAE软件用于进行机构的分析和仿真，软件用于生成机构的加工程序，软件用于进行机构的控制设计和优化CAM MATLAB机构性能评价指标传动精度传动效率可靠性传动精度是指机构的输出运动与输入运动传动效率是指机构的输出功率与输入功率可靠性是指机构在规定的时间内完成规定之间的偏差程度传动精度是衡量机构性之比传动效率是衡量机构性能的重要指功能的概率可靠性是衡量机构性能的重能的重要指标标要指标机构故障诊断检测分析12利用各种检测手段，例如振动根据检测结果，分析机构的故检测、声发射检测、红外热像障原因和故障部位检测等，对机构进行状态监测诊断3根据分析结果，诊断机构的故障类型和故障程度机构可靠性分析定义方法提高机构可靠性分析是指评估机构在规定的时常用的可靠性分析方法有故障树分析、失通过可靠性分析，可以采取相应的措施，间内完成规定功能的概率可靠性分析可效模式影响分析、马尔可夫模型等选择以提高机构的可靠性措施包括选择可靠以用于预测机构的寿命和制定维护策略合适的方法取决于机构的复杂程度和失效性高的零部件、改善设计、提高加工精度风险等新型机构发展趋势微型化智能化柔性化微型机构具有体积小、智能机构具有自主学习、柔性机构具有可变形、重量轻、功耗低等优点，自主适应、自主控制等可适应等特点，适用于适用于微型机器人、微功能，可以提高机械设复杂环境和特殊任务型传感器等备的自动化程度和智能化水平前沿机构研究方向MEMS1软体机器人2可重构机构3仿生机构4前沿机构的研究方向包括（微机电系统）、软体机器人、可重构机构和仿生机构这些新型机构具有广阔的应用前景，将推动机械MEMS工程领域的发展课程总结知识回顾能力提升本课程系统介绍了机械原理中常用的各种机构，包括连杆机构、凸通过本课程的学习，您掌握了机构的基本概念、分类、运动分析、轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等内容涵盖机构的组成、运动动力学特性以及设计原则，并能够运用计算机辅助工具进行机构的特性、设计方法和应用实例创新设计学习心得与建议理论联系实际多做练习积极思考123在学习过程中，要注重理论联系实际，多做练习是巩固知识、提高技能的有在学习过程中，要积极思考，勇于提将所学知识应用于实际问题中，以加效方法要认真完成课后习题，并尝问，敢于创新，以培养独立思考和解深理解和掌握试解决一些实际工程问题决问题的能力。