《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》第一章：概述

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第1章概述§1-1本課程研究的對(duì)象§1-2機(jī)器的組成§1-3機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求§1-4機(jī)械設(shè)計(jì)的基本過(guò)程第1章概述§1-1本課程研究的對(duì)象機(jī)械是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱(chēng)什么是機(jī)器呢？?jī)?nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)牛頭刨床工業(yè)機(jī)器人可以用來(lái)轉(zhuǎn)換能量、完成有用功或處理信息，以代替或減輕人的勞動(dòng)。機(jī)器：是人為實(shí)物的組合體，是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，什么是機(jī)構(gòu)？曲柄滑塊機(jī)構(gòu)齒輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的各構(gòu)件（包括機(jī)架）的基本組合體稱(chēng)為機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)齒輪機(jī)構(gòu)間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)螺旋機(jī)構(gòu)組合機(jī)構(gòu)常用的機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)齒輪機(jī)構(gòu)間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)螺旋機(jī)構(gòu)直齒輪的嚙合電影機(jī)構(gòu)螺旋機(jī)構(gòu)凸輪組合機(jī)構(gòu)組合機(jī)構(gòu)我們已經(jīng)多次使用了“構(gòu)件”這個(gè)術(shù)語(yǔ)?；钊?、連桿、曲軸、滑枕等都是構(gòu)件。構(gòu)件構(gòu)件是運(yùn)動(dòng)的單元，而零件是制造的單元。構(gòu)件零件構(gòu)件是機(jī)器或機(jī)構(gòu)中獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)單元通用零件中主要包括三大類(lèi)零件：通用零件與專(zhuān)用零件各種機(jī)械中廣泛使用的零件稱(chēng)為通用零件。如螺栓、軸、齒輪、彈簧等。只在某一類(lèi)機(jī)械中使用的零件稱(chēng)為專(zhuān)用零件。如內(nèi)燃機(jī)中的活塞、曲軸等。此外:彈簧等零件。傳動(dòng)零件（齒輪、帶、鏈等）聯(lián)接零件（螺栓、鍵等）軸系零件（軸、軸承等）簡(jiǎn)單的機(jī)器，可能只含有一個(gè)機(jī)構(gòu),但一般都含有多個(gè)機(jī)構(gòu)。機(jī)械:

機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱(chēng)。機(jī)器是由機(jī)構(gòu)組成的?！?-2機(jī)器的組成傳統(tǒng)機(jī)器都包含如下三個(gè)部分：驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)裝置執(zhí)行裝置常稱(chēng)為原動(dòng)機(jī)，是機(jī)器的動(dòng)力來(lái)源。常用：電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、液壓缸和氣動(dòng)缸，以各種電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用最為普遍。處于整個(gè)傳動(dòng)路線的終端，按照工藝要求完成確定的運(yùn)動(dòng)，是直接完成機(jī)器功能的部分。執(zhí)行裝置隨機(jī)器的用途不同而不同，它屬于各種專(zhuān)業(yè)機(jī)械課程研究的內(nèi)容。如牛頭刨床、空氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)裝置執(zhí)行裝置將原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給執(zhí)行裝置，并實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)換。運(yùn)動(dòng)速度的轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)速度的轉(zhuǎn)換許多機(jī)器還需要執(zhí)行裝置有多種不同的速度。鼠籠式交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速（r/min）

600750100015003000帶、鏈傳動(dòng)、各種齒輪傳動(dòng)減速器例如自行車(chē)鏈傳動(dòng)例如汽車(chē)、機(jī)床的變速器傳動(dòng)裝置解決原動(dòng)機(jī)速度和執(zhí)行裝置速度不匹配的問(wèn)題。一般的普通交流電動(dòng)機(jī)速度是固定的。一般機(jī)器執(zhí)行部分速度低于原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,需要減速。（也有相反的情況，需要增速）。運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)換機(jī)器執(zhí)行部分可能有各種運(yùn)動(dòng)形式：一般的原動(dòng)機(jī)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變速回轉(zhuǎn)往復(fù)擺動(dòng)往復(fù)移動(dòng)間歇運(yùn)動(dòng)特定軌跡轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)形式的各種機(jī)構(gòu)

間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)

隨著20世紀(jì)后半葉以來(lái)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是控制理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)在工業(yè)上的應(yīng)用，機(jī)器的組成更復(fù)雜了。驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)裝置執(zhí)行裝置控制裝置檢測(cè)伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角檢測(cè)執(zhí)行裝置的運(yùn)動(dòng)輸出由程序給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律前饋控制反饋控制傳感器傳感器控制裝置的作用是控制機(jī)器各部分的運(yùn)動(dòng)。測(cè)量運(yùn)動(dòng)構(gòu)件真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況，并將測(cè)量結(jié)果隨時(shí)反饋給控制系統(tǒng)發(fā)出指令調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)裝置執(zhí)行裝置控制裝置驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)裝置執(zhí)行裝置傳統(tǒng)機(jī)器現(xiàn)代機(jī)器普通車(chē)床牛頭刨床空氣壓縮機(jī)起重機(jī)掘土機(jī)皮帶運(yùn)輸機(jī)……機(jī)器人數(shù)控機(jī)床……心臟軀干，臂手腦眼§1-3機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求

功能性要求可靠性要求經(jīng)濟(jì)性要求社會(huì)性要求1．功能性要求例：牛頭刨床機(jī)械的功能可表達(dá)為一個(gè)或幾個(gè)功能指標(biāo)。主要功能指標(biāo)：被加工工件的尺寸范圍；滑枕應(yīng)具有若干種不同的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度，以滿足不同切削工藝的要求；工作臺(tái)沿橫向應(yīng)能實(shí)現(xiàn)若干種不同的進(jìn)給量；應(yīng)能供給并傳遞足夠的功率，以克服切削力；應(yīng)能保證一定的加工精度。

機(jī)械產(chǎn)品必須完成規(guī)定的功能。機(jī)械功能指標(biāo)的確定：由用戶(hù)提出，由設(shè)計(jì)者與用戶(hù)協(xié)商確定機(jī)械的功能指標(biāo)是機(jī)械設(shè)計(jì)最基本的出發(fā)點(diǎn)。2．可靠性要求磨損曲軸折斷潘存云教授研制齒輪損壞機(jī)械要傳遞力和力矩機(jī)械零件的內(nèi)部和表面產(chǎn)生應(yīng)力和變形有可能導(dǎo)致零件的失效

機(jī)械應(yīng)能以一定的概率保證在規(guī)定的使用壽命期限內(nèi)，零件不發(fā)生各種型式的失效。

為此要進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和壽命的計(jì)算，這些計(jì)算在整個(gè)設(shè)計(jì)工作量中占了很大的比例。3．經(jīng)濟(jì)性要求制造成本使用成本簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)選用適當(dāng)?shù)牟牧洗_定合理的加工精度標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化降低機(jī)械的能量損失考慮到維修的方便性和經(jīng)濟(jì)性成本

設(shè)計(jì)階段的工作如何，就基本上決定了一個(gè)產(chǎn)品成本的高低。

4．社會(huì)性要求所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不應(yīng)對(duì)人、環(huán)境和社會(huì)造成消極影響。操作者的安全性和舒適性機(jī)械的造型和色彩美觀、大方、宜人符合國(guó)家在環(huán)境保護(hù)方面的法規(guī)數(shù)控加工中心機(jī)械是否滿足社會(huì)性要求，完全取決于設(shè)計(jì)。對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的四項(xiàng)基本要求功能性要求經(jīng)濟(jì)性要求可靠性要求社會(huì)性要求機(jī)械設(shè)計(jì)的完整過(guò)程投產(chǎn)以后計(jì)劃階段方案設(shè)計(jì)階段試制試驗(yàn)階段技術(shù)設(shè)計(jì)階段§1-4

機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程

提出設(shè)計(jì)任務(wù)（市場(chǎng)需求，用戶(hù)委托，主管部門(mén)下達(dá)）可行性研究（重大問(wèn)題應(yīng)召開(kāi)論證會(huì)）編制設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)投產(chǎn)以后計(jì)劃階段方案設(shè)計(jì)階段試制試驗(yàn)階段技術(shù)設(shè)計(jì)階段計(jì)劃階段

提出機(jī)械的工作原理（通過(guò)調(diào)查研究和必要的分析，還可能需要進(jìn)行原理性試驗(yàn)）提出幾種機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案（進(jìn)行必要的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)，一般是初步的、粗略的）確定出最佳總體方案（經(jīng)過(guò)分析、對(duì)比和評(píng)價(jià)，作出決策）投產(chǎn)以后計(jì)劃階段方案設(shè)計(jì)階段試制試驗(yàn)階段技術(shù)設(shè)計(jì)階段方案設(shè)計(jì)階段

運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與設(shè)計(jì)工作能力分析與設(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)分析與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)裝配圖和零件圖的繪制投產(chǎn)以后計(jì)劃階段方案設(shè)計(jì)階段試制試驗(yàn)階段技術(shù)設(shè)計(jì)階段技術(shù)設(shè)計(jì)階段

通過(guò)試制和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，加以改進(jìn)，修改某一部分設(shè)計(jì)結(jié)果。投產(chǎn)以后計(jì)劃階段方案設(shè)計(jì)階段試制試驗(yàn)階段技術(shù)設(shè)計(jì)階段投產(chǎn)以后計(jì)劃階段方案設(shè)計(jì)階段試制試驗(yàn)階段技術(shù)設(shè)計(jì)階段試制試驗(yàn)階段

收集用戶(hù)反饋意見(jiàn)，研究使用中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行改進(jìn)。收集市場(chǎng)變化的情況，為可能提出新的設(shè)計(jì)計(jì)劃準(zhǔn)備資料。投產(chǎn)以后計(jì)劃階段方案設(shè)計(jì)階段試制試驗(yàn)階段技術(shù)設(shè)計(jì)階段投產(chǎn)以后計(jì)劃階段方案設(shè)計(jì)階段試制試驗(yàn)階段技術(shù)設(shè)計(jì)階段投產(chǎn)以后學(xué)習(xí)方法以及對(duì)大家的期望注重對(duì)內(nèi)容的理解多數(shù)公式不必死記硬背多觀察、多思考，理論聯(lián)系實(shí)際勤動(dòng)手，學(xué)會(huì)查手冊(cè)及時(shí)復(fù)習(xí)，按時(shí)、獨(dú)立完成作業(yè)機(jī)械的發(fā)展歷程機(jī)械設(shè)計(jì)及理論的發(fā)展歷程古代近代現(xiàn)代§1-6

機(jī)械的發(fā)展歷程概述阿基米德用螺旋將水提升至高處，那就是今天的螺旋式輸送機(jī)的始祖。遠(yuǎn)古時(shí)代簡(jiǎn)單機(jī)械：杠桿、車(chē)輪、滑輪、斜面、螺旋等。公元前3000年，在修建金字塔的過(guò)程中，就使用了滾木來(lái)搬運(yùn)巨石。用水力鼓風(fēng)煉鐵，其中應(yīng)用了齒輪和連桿機(jī)構(gòu)古代中國(guó)水排·東漢用一頭牛驅(qū)動(dòng)八臺(tái)磨盤(pán)，其中應(yīng)用了齒輪系。連磨·晉代用腳踏板驅(qū)動(dòng)的加工木棒的車(chē)床中世紀(jì)歐洲利用曲軸的研磨機(jī)中世紀(jì)歐洲13世紀(jì)以后，機(jī)械鐘表在歐洲發(fā)展起來(lái)。

連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等在古代機(jī)械中即已經(jīng)有所應(yīng)用。在達(dá)?芬奇時(shí)代，現(xiàn)在最常用的一些機(jī)構(gòu)型式即已基本知曉。近代：18世紀(jì)中葉－20世紀(jì)中葉動(dòng)力的變革材料的變革加工手段的變革生產(chǎn)模式的變革機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)的變革機(jī)械理論和設(shè)計(jì)方法的建立近代—

動(dòng)力的變革蒸汽機(jī)給人類(lèi)帶來(lái)了強(qiáng)大的動(dòng)力，各種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)業(yè)機(jī)械—紡織機(jī)、車(chē)床等，如雨后春筍般出現(xiàn)。首先是動(dòng)力的變革推動(dòng)了機(jī)械的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。1765年，瓦特（Watt）改良了蒸汽機(jī)。揭開(kāi)了第一次工業(yè)革命的序幕。古代機(jī)械的動(dòng)力：人力、畜力和水力。動(dòng)力制約了機(jī)械的發(fā)展。

蒸汽機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)小型化，所以在當(dāng)時(shí)的工廠里采用集中驅(qū)動(dòng)的方式。蒸汽機(jī)時(shí)代的紡織工廠蒸汽機(jī)皮帶天軸皮帶生產(chǎn)機(jī)械2皮帶生產(chǎn)機(jī)械1皮帶生產(chǎn)機(jī)械3……19世紀(jì)，第二次工業(yè)革命電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)發(fā)明為汽車(chē)、飛機(jī)的出現(xiàn)提供了可能性。電力代替了蒸汽。集中驅(qū)動(dòng)被拋棄了，每臺(tái)機(jī)器都安裝了獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)。

與此同時(shí)，戴姆勒也發(fā)明出了他的第一輛四輪汽車(chē)。1886年，本茨發(fā)明的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的三輪車(chē)被授予專(zhuān)利。萊特兄弟190319世紀(jì)中葉，發(fā)明了煉鋼法，從那時(shí)一直到現(xiàn)在，鋼鐵始終是制造機(jī)械最主要的材料。18世紀(jì)末，現(xiàn)代車(chē)床的雛形在英國(guó)問(wèn)世;19世紀(jì)中葉,通用機(jī)床的各種類(lèi)型已大體齊備；19世紀(jì)末，自動(dòng)機(jī)床、大型機(jī)床出現(xiàn)。近代—

材料的變革近代—

加工手段的變革近代—

生產(chǎn)模式的變化社會(huì)需求日益增長(zhǎng)。20世紀(jì)初葉，機(jī)械制造進(jìn)入了大批量生產(chǎn)模式的時(shí)代。進(jìn)行大批量生產(chǎn)的要求。近代—

機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)的變革

提高生產(chǎn)率的需要?；趧?dòng)力的變革，大幅度提高機(jī)器的速度成為可能。機(jī)器速度的提高是幾百年來(lái)未曾停遏的發(fā)展趨勢(shì)。高速化自動(dòng)化精密化提高產(chǎn)品質(zhì)量的需要。基于加工水平的提高，提高機(jī)器的精度成為可能。近代機(jī)械的發(fā)展趨向要求不斷完善已有的機(jī)構(gòu)，并發(fā)明出新的機(jī)構(gòu)例如：18世紀(jì)，歐拉（Euler）首次提出采用漸開(kāi)線作為齒輪的齒廓，從而使高速、大功率的機(jī)械傳動(dòng)成為可能。20世紀(jì)各種大傳動(dòng)比、結(jié)構(gòu)緊湊的新型傳動(dòng)，高速的步進(jìn)機(jī)構(gòu)，精密的滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)，

………

機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新一直到今天也沒(méi)有停止。機(jī)器的發(fā)展，呼喚著機(jī)械的理論和設(shè)計(jì)方法。牛頓經(jīng)典力學(xué)的建立則為此準(zhǔn)備了理論基礎(chǔ)。近代—

機(jī)械理論和設(shè)計(jì)方法的建立材料學(xué)強(qiáng)度理論運(yùn)動(dòng)學(xué)靜力學(xué)動(dòng)力學(xué)牛頓經(jīng)典力學(xué)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器靜力學(xué)機(jī)器要運(yùn)動(dòng)、要傳遞力，因此，最先發(fā)展起來(lái)的是：材料學(xué)強(qiáng)度理論運(yùn)動(dòng)學(xué)靜力學(xué)動(dòng)力學(xué)牛頓經(jīng)典力學(xué)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器靜力學(xué)隨著機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)速度的不斷提高，機(jī)器的振動(dòng)、速度波動(dòng)等問(wèn)題引起了人們的重視，機(jī)械動(dòng)力學(xué)發(fā)展起來(lái)。機(jī)器動(dòng)力學(xué)材料學(xué)強(qiáng)度理論運(yùn)動(dòng)學(xué)靜力學(xué)動(dòng)力學(xué)牛頓經(jīng)典力學(xué)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器靜力學(xué)機(jī)器動(dòng)力學(xué)機(jī)械零件設(shè)計(jì)到20世紀(jì)上半葉，機(jī)械設(shè)計(jì)的方法已基本形成。工程圖學(xué)但是，這些方法都基于圖解和手工計(jì)算。現(xiàn)代：20世紀(jì)中葉－

計(jì)算機(jī)的發(fā)明

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科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上劃時(shí)代的大事?，F(xiàn)代機(jī)器的出現(xiàn)計(jì)算機(jī)使機(jī)械設(shè)計(jì)方法面目一新現(xiàn)代：機(jī)器人的出現(xiàn)

隨著計(jì)算機(jī)和伺服電機(jī)的出現(xiàn)，機(jī)器人作為現(xiàn)代機(jī)器的代表走上了歷史舞臺(tái)。工業(yè)機(jī)器人特種機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人：在工業(yè)生產(chǎn)中越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。用于搬運(yùn)、裝配、焊接、噴漆、鑿巖等工作。清洗飛機(jī)的機(jī)器人隧道鑿巖的機(jī)器人第一汽車(chē)制造廠的汽車(chē)裝配生產(chǎn)線幾種工業(yè)機(jī)器人特種機(jī)器人：在潛水、管道修理、外科手術(shù)、生物工程、軍事、星際探索等領(lǐng)域應(yīng)用，承擔(dān)著許多由人的直接操作無(wú)法完成的工作。水下掃雷機(jī)器人爬壁機(jī)器人幾種特種機(jī)器人

軍用昆蟲(chóng)機(jī)器人爬纜索機(jī)器人數(shù)控車(chē)床

數(shù)控加工中心計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和伺服電機(jī)被引入到傳統(tǒng)機(jī)器中來(lái)，使其組成、面貌和功能發(fā)生了革命性的變化?，F(xiàn)代機(jī)器向主動(dòng)控制、信息化和智能化