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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 單自由度越障機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 系 別： 機(jī)械工程系 指導(dǎo)教師： XXX 講師 XXX 副教授 二○一五年五月 摘 要 機(jī)械工業(yè)是一個(gè)國家的重要產(chǎn)業(yè)，機(jī)械工業(yè)的發(fā)展無時(shí)不刻都在影響著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類的進(jìn)步離不開機(jī)械工業(yè)的發(fā)展。在全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大環(huán)境下，中國各個(gè)行業(yè)被其他國家的先進(jìn)技術(shù)影響的同時(shí)，越來越多的外國企業(yè)和品牌傳播到中國已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。在新的市場需求的推動(dòng)下，對(duì)單自由度越障機(jī)器人進(jìn)行改良和優(yōu)化是當(dāng)務(wù)之急，單自由度越障機(jī)器人的發(fā)展與人類社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的水平密切相關(guān)。 國內(nèi)單自由度越障機(jī)器人的研發(fā)及制造要與全球號(hào)召的高效經(jīng)濟(jì)、靈活、多樣等主題保持一致。近期對(duì)機(jī)器人行業(yè)中單自由度越障機(jī)器人的使用情況進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在機(jī)械行業(yè)中，單自由度越障機(jī)器人的使用非常普遍。自然而然在機(jī)械設(shè)備中它們的設(shè)計(jì)也非常頻繁。傳統(tǒng)的單自由度越障機(jī)器人結(jié)構(gòu)單一，實(shí)現(xiàn)的功能有限，所以設(shè)計(jì)一個(gè)專用的單自由度越障機(jī)器人勢在必行。 本文運(yùn)用大學(xué)所學(xué)的知識(shí)，提出了單自由度越障機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成、工作原理以及主要零部件的設(shè)計(jì)中所必須的理論計(jì)算和相關(guān)強(qiáng)度校驗(yàn)，構(gòu)建了單自由度越障機(jī)器人總的指導(dǎo)思想，從而得出了該單自由度越障機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是高效，經(jīng)濟(jì)，并且變化靈活，多樣，運(yùn)行平穩(wěn)的結(jié)論。 關(guān)鍵詞：發(fā)展；單自由度越障機(jī)器人；結(jié)構(gòu)；高效 ABSTRACT The environment of global economic development, China industries affected by other countries advanced technology at the same time, foreign enterprises and brand spread to more and more Chinese has become an opportunity. Cap pressing machine in industry through a variety of ways have been working with the relevant technology, and constantly improve their own strength and core competitiveness, and narrow the gap with developed countries. In the new market demand, update the sleeve pressing machine is a pressing matter of the moment. The production of pipe pressing machine equipment manufacturing enterprises to fully tap the potential of the market, vigorously develop the sleeves of large low cost pressing special machinery and equipment, plays a positive role in the evolution of automatic assembly, the assembly of mechanical equipment. With the development of science and technology, interdisciplinary mutual infiltration, mutual exchanges between the various industry, extensive use of new structure, new materials, new technology, the sleeve pressing machine is large, efficient, Recently, the use of machinery industry, bearing and shaft sleeve shaft were investigated, found that the shaft, bearings and bushings in the machinery industry is one of the key parts. Come very naturally in the assembly of the installation is also very simple. In the installation if the use of artificial pressure with not only the labor intensity is too large and the size of each other is not easy to ensure the shaft, bearing and shaft sleeve, so the design of a special press be imperative. Graduation project this time is a tube axial compressive loading machine. This paper introduces the theoretical calculation to design sleeve pressing machine structure, working principle and main parts of the strength check and the advantages of the sleeve, pressing machine is efficient, economical, and high safety, stable operation. The overall plan is: the relative position of two axle sleeve on the plane, the motor reducer to provide power through belt drives the screw rod to rotate, and drives the head movement, a nut, a rotary motion of the linear motion of press. Block type safety clutch overload protection with teeth, pressure distribution in the corresponding position of the pipe after drilling through the drilling template. Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop；Four degrees of freedom目 錄 摘 要 i ABSTRACT ii 目 錄 iii 1緒論 1 1.1課題的來源與研究的目的和意義 1 1.2單自由度越障機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.3 本課題研究的內(nèi)容 4 1.4.1 草圖繪制 5 1.4.2 基準(zhǔn)特征，參考幾何體的創(chuàng)建 6 1.4.3 拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描和放樣特征建 7 1.4.4 工程圖的設(shè)計(jì) 10 1.4.5 裝配設(shè)計(jì) 11 2 單自由度越障機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 12 2.1 單自由度越障機(jī)器人的總體方案圖 12 3 機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)計(jì)算 17 3.1電機(jī)的選型計(jì)算 18 3.2齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 19 3.3齒輪齒條的選型計(jì)算 19 4 各主要零部件強(qiáng)度的校核 24 4.1轉(zhuǎn)動(dòng)軸強(qiáng)度的校核與計(jì)算 25 4.2齒輪強(qiáng)度的校核計(jì)算 26 結(jié) 論 26 致 謝 27 參考文獻(xiàn) 28 附錄 一 32 附錄 二 40 ii 1緒論 1.1 課題的來源與研究的目的和意義 由于機(jī)械工程的知識(shí)總量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越個(gè)人掌握所有，一些專業(yè)知識(shí)是必不可少的。但是過度的專業(yè)知識(shí)分割，使視野狹隘，可以多多參加技術(shù)交流，和參加科研項(xiàng)目，縮小范圍，提升新技術(shù)的進(jìn)步和整個(gè)塊的技術(shù)，提高外部條件變化的適應(yīng)能力。封閉的專業(yè)知識(shí)的太狹隘，考慮的問題太特殊，在工作中協(xié)調(diào)困難，不利于自我提高。因此，自上世紀(jì)第二十年代末，出現(xiàn)了一體化的趨勢。人們越來越重視基礎(chǔ)理論，拓寬領(lǐng)域，對(duì)專業(yè)合并的分化。機(jī)械工程可以增加產(chǎn)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，并研制和發(fā)展新的機(jī)械產(chǎn)品。在未來，新產(chǎn)品的開發(fā)，降低資源消耗，清潔的可再生能源，成本的控制，減少或消除環(huán)境污染作為一個(gè)超級(jí)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和任務(wù)。機(jī)器能完成人的手和腳，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任務(wù)?，F(xiàn)代機(jī)械工程機(jī)械和機(jī)械設(shè)備創(chuàng)造出更多、更精美的越來越復(fù)雜，很多幻想成為過去的現(xiàn)實(shí)。人類現(xiàn)在能成為天空的上游和宇宙，潛入海洋，數(shù)十億光年的密切觀察，細(xì)胞和分子。電子計(jì)算機(jī)硬件和軟件，人類的新興科學(xué)已經(jīng)開始加強(qiáng)，并部分代替人腦科學(xué)，這是人工智能。這一新的發(fā)展已經(jīng)顯示出巨大的作用，但在未來幾年還將繼續(xù)創(chuàng)造出不可思議的奇跡。人類智慧的增長并沒有減少手的效果，而是要求越來越精致，手工制作，更復(fù)雜的工作，從而促進(jìn)手功能。又一方面實(shí)踐促進(jìn)人腦智力。在人類的進(jìn)化過程中，以及在每個(gè)人的成長過程中，大腦和手是互相促進(jìn)和平行進(jìn)化。 大腦和手之間的人工智能和機(jī)械工程的近似關(guān)系，唯一不同的是，智能硬件還需要使用機(jī)械制造。在過去，各種機(jī)械離不開人類的操作和控制，反應(yīng)速度和運(yùn)算精度的進(jìn)化是非常緩慢的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，人工智能將消除這種限制。相互促進(jìn)，計(jì)算機(jī)科學(xué)和機(jī)械工程進(jìn)展之間的平行，將在更高層次的新一輪發(fā)展的開始使機(jī)械工程。在第十九世紀(jì)，機(jī)械工程的知識(shí)總量仍然是有限的，大學(xué)在歐洲，它與一般的土木工程是一門綜合性的學(xué)科，稱為土木工程，下半場的第十九個(gè)世紀(jì)成為一門獨(dú)立的學(xué)科。在第二十世紀(jì)，隨著機(jī)械工程和知識(shí)增長的發(fā)展開始分解，機(jī)械工程專業(yè)，有分支機(jī)構(gòu)。在第二十世紀(jì)中期趨勢分解，在時(shí)間之前和之后的第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到的峰值。由于機(jī)械工程的知識(shí)總量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)從個(gè)人掌握所有，一些專業(yè)是必不可少的。但是過度的專業(yè)知識(shí)使分割，視野狹隘，可以查看和統(tǒng)籌大局和全球工程和技術(shù)交流，縮小范圍，新技術(shù)的進(jìn)步和整個(gè)塊的技術(shù)，外部條件變化的適應(yīng)能力差。封閉的專業(yè)知識(shí)的專家太狹，考慮的問題太特殊，在工作協(xié)調(diào)困難，不利于自我提高。因此，自上世紀(jì)第二十年代末，出現(xiàn)了一體化的趨勢。人們越來越重視基礎(chǔ)理論，拓寬領(lǐng)域，對(duì)專業(yè)合并的分化。綜合職業(yè)分化和發(fā)展知識(shí)循環(huán)過程的合成，是合理和必要的。從不同的專業(yè)和專業(yè)知識(shí)的專家，也有綜合的知識(shí)了解不夠，看看其他學(xué)科和項(xiàng)目作為一個(gè)整體，從而形成一種相互強(qiáng)烈的集體工作。綜合和專業(yè)水平。有機(jī)械工程全面而專業(yè)的沖突；在綜合性工程技術(shù)也有綜合和專業(yè)問題。在人類所有的知識(shí)，包括社會(huì)科學(xué)，自然科學(xué)和工程技術(shù)，有一個(gè)更高的水平，更廣泛的綜合性和專業(yè)性的問題。 1.2單自由度越障機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 20世紀(jì)60年代，單自由度越障機(jī)器人人的研究工作開始起步。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)器人控制技術(shù)的研究和應(yīng)用， 到了 20 世紀(jì) 80 年代， 現(xiàn)代單自由度越障機(jī)器人人的研制工作進(jìn)入了 廣泛開展階段。 世界上第一臺(tái)真正意義的四組步行機(jī)器人是由 Frank 和 McGhee 于 1977 年制作的。 該機(jī)器人具有較好的步態(tài)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性， 但缺點(diǎn)是， 該機(jī)器人的關(guān)節(jié)是由邏輯電路組成的 狀態(tài)機(jī)控制的，因此機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)受限制，只能呈現(xiàn)固定的運(yùn)動(dòng)形式。 20 世紀(jì) 80， 90 年代最具代表性的單自由度越障機(jī)器人人是日本 Shigeo Hirose 實(shí)驗(yàn)室研制 的 TITAN 系列。1981~1984 年 Hirose 教授研制成功腳步裝有傳感和信號(hào)處理系統(tǒng)的 TITAN-III。它的腳底步由形狀記憶合金組成，可自動(dòng)檢測與地面接觸的狀態(tài)。姿態(tài)傳 感器和姿態(tài)控制系統(tǒng)根據(jù)傳感信息做出的控制決策，實(shí)現(xiàn)在不平整地面的自適應(yīng)步行。 TITAN-VI 機(jī)器人采用新型的直動(dòng)性腿機(jī)構(gòu)，避免了上樓梯過程中兩腿的干涉，并采用 兩級(jí)變速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)腿的支撐相和擺動(dòng)相分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 2000-2003 年，日本電氣通信大學(xué)的木村浩等人研制成功了具有寵物狗外形的機(jī)器 人 Tekken-IV,它的每個(gè)關(guān)節(jié)安裝了一個(gè)光電碼盤，陀螺儀，傾角計(jì)和觸覺傳感器。系統(tǒng) 控制是由基于 CPG 的控制器通過反射機(jī)制來完成的。Tekken-IV 能夠?qū)嵕€不規(guī)則地面 的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)步行， 顯示了生物激勵(lì)控制對(duì)未知的不規(guī)則地面有自適應(yīng)能力的優(yōu)點(diǎn)。 它 的另一特點(diǎn)是利用了激光和 CCD 攝像機(jī)導(dǎo)航，可以辨別和避讓前方存在的障礙，能夠 在封閉回廊中實(shí)現(xiàn)無碰撞快速行走。 目前最具代表性的四組步行機(jī)器人是美國 Boston dynamics 實(shí)驗(yàn)室研制的 BigDog,它能以不同的步態(tài)在惡劣的地形上攀爬，可以負(fù)載高達(dá) 52KG 的重量，爬升斜坡可達(dá) 35。其腿關(guān)節(jié)類似動(dòng)物腿關(guān)節(jié)，安裝有吸收震動(dòng)部件和能量循環(huán)部件。同時(shí)，腿部連 有很多傳感器，其運(yùn)動(dòng)通過伺服電機(jī)控制。該機(jī)器人機(jī)動(dòng)性和反應(yīng)能力都很強(qiáng)，平衡能 力極佳。但由于汽油發(fā)電機(jī)需攜帶油箱，故工作時(shí)受環(huán)境影響大，可靠性差。另外，當(dāng) 機(jī)器人行走時(shí)引擎會(huì)發(fā)出怪異的噪音。 國內(nèi)四足機(jī)器人研制工作從 20 世紀(jì) 80 年代起步，取得一定成果的有上海交通大 學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。 上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所于 1991 年開展了 JTUWM 系列單自由度越障機(jī)器人人的研究。 1996 年該研究所研制成功了JTUWM-III， 該機(jī)器人采用開式鏈腿機(jī)構(gòu)， 每個(gè)腿有 3 個(gè)自 由度，具有結(jié)構(gòu)簡單，外形輕巧，體積小，質(zhì)量輕等特點(diǎn)。它采用力和位置混合控制， 腳底裝有 PVDF 測力傳感器，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合，實(shí)線了對(duì)角動(dòng)態(tài)行 走。但行走速度極慢，極限步速僅為 1.7KM/h,另外其負(fù)重能力有限，故在實(shí)際作業(yè)時(shí) 實(shí)用性較差。 清華大學(xué)所研制的一款單自由度越障機(jī)器人人，它采用開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)作為步進(jìn)機(jī)構(gòu)， 通過模擬動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的節(jié)律運(yùn)動(dòng)，可以自主應(yīng)付復(fù)雜的地形條件， 完成上下坡行走，越障等功能。不足之處是腿運(yùn)動(dòng)時(shí)的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜，而且承載能 力較小。 綜上所述，美國，日本的研究最具代表性，其技術(shù)水平已經(jīng)較為先進(jìn)，實(shí)用化程度 也在不斷提高。國內(nèi)單自由度越障機(jī)器人的研究起步比較晚，在上個(gè)世紀(jì) 90 年代以后才逐漸 有了成果，但研究水平距世界先進(jìn)水平還有差距。 1.3本課題研究的內(nèi)容 本論文主要研究運(yùn)用SolidWorks對(duì)單自由度越障機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)。 1.3.1草圖繪制 掌握點(diǎn)、直線、矩形、弧度圓等基本圖形的繪制方法；掌握樣條、文字等高級(jí)幾何圖形的繪制方法；理解集合約束的概念并在草圖繪制中熟練應(yīng)用幾何約束；熟練應(yīng)用陣列、實(shí)體轉(zhuǎn)換等草圖繪制工具；能綜合應(yīng)用各種草圖繪制實(shí)體和利用草圖繪制工具完成草圖繪。 1.3.2 基準(zhǔn)特征-參考幾何體的創(chuàng)建 清楚明白基于特征的建模方式、參數(shù)化思想等概念；靈活運(yùn)用各種建立基準(zhǔn)點(diǎn)的方法；靈活運(yùn)用各種建立基準(zhǔn)軸方法；靈活運(yùn)用各種建立基準(zhǔn)面的方法；靈活運(yùn)用坐標(biāo)系的建立方法；能根據(jù)建模需要綜合應(yīng)用各種參考幾何體。 1.3.3拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描和放樣特征建模 靈活運(yùn)用拉伸特征的概念與建立方法；靈活運(yùn)用旋轉(zhuǎn)特征的概念與建立方法；掌握掃描特征的概念與建立方法；靈活運(yùn)用放樣特征的概念與建立方法；通過實(shí)踐能夠準(zhǔn)確分析零件的特征，靈活運(yùn)用拉伸和旋轉(zhuǎn)也正建立三維模型。綜合應(yīng)用掃描、放樣、彎曲、鏡向、陣列等特征建立各種實(shí)體。 1.3.4工程圖設(shè)計(jì) 靈活運(yùn)用用戶自定義工程圖格式文件的方法；靈活運(yùn)用建立標(biāo)準(zhǔn)三視圖，剖視圖，斷面圖，局部圖，輔助視圖等方法；靈活運(yùn)用各種注釋的方法。 1.3.5裝配設(shè)計(jì) 靈活運(yùn)用自底向上的裝配方法；靈活運(yùn)用生成裝配體爆炸圖的方法；靈活運(yùn)用SolidWorks智能裝配技術(shù)；靈活運(yùn)用裝配體零部件的狀態(tài)和屬性控制，并能夠在裝配體中設(shè)計(jì)子裝配體；靈活運(yùn)用干涉檢查；靈活運(yùn)用自上向下的裝配方法；靈活運(yùn)用在裝配模型工程圖中添加零件序號(hào)；靈活運(yùn)用生成裝配體材料明細(xì)表的方法。 2 單自由度越障機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.1 單自由度越障機(jī)器人的總體方案圖 本次設(shè)計(jì)的單自由度越障機(jī)器人采取的方案圖如下圖所示; 3 機(jī)械傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 電機(jī)的選型計(jì)算 已知整個(gè)單自由度越障機(jī)器人中零件的重量，我們?nèi)】傊亓繛?0Kg，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1440r/m。即： 具體的電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算如下: N=＝0.18(KW) G－電機(jī)的負(fù)載 －傳動(dòng)效率，取0.75 所以根據(jù)N＝0.5kw，n＝1500r/min，查B1表10-4-1選用Y112M-4，再查B1表10-4-2得Y112M-4電機(jī)的結(jié)構(gòu)。 3.2齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 1） 選擇\齒輪材料為45（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS. 2） 精度等級(jí)選用7級(jí)精度； 3）小齒輪齒數(shù)z1＝30，大齒輪齒數(shù)z2＝31的； 4） 齒輪模數(shù)都為2的直齒輪 因?yàn)榈退偌?jí)的載荷大于高速級(jí)的載荷，所以通過低速級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算 1） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 （1） 試選Kt＝1.6 （2）選取區(qū)域系數(shù)ZH＝2.433 （3）選取尺寬系數(shù)φd＝1 （4）查得εα1＝0.75，εα2＝0.87，則εα＝εα1＋εα2＝1.62 （5）查得材料的彈性影響系數(shù)ZE＝189.8Mpa （6）按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim1＝600MPa；大齒輪的解除疲勞強(qiáng)度極限σHlim2＝550MPa； （7）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1＝60n1jLh＝601921（283005）＝3.3210e8 N2＝N1/5＝6.64107； （8） 查得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1＝0.95； KHN2＝0.98 ； （9） 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 ； 取失效概率為1％，安全系數(shù)S＝1，由得： [σH]1＝＝0.95600MPa＝570MPa [σH]2＝＝0.98550MPa＝539MPa [σH]＝[σH]1＋[σH]2/2＝554.5MPa； 3.3齒輪齒條的選型計(jì)算 2.3.1齒輪的設(shè)計(jì) （1）選擇材料及確定需用應(yīng)力 小齒輪選用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，HB＝236 由《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》查得 （2） 確定各種參數(shù) 齒輪按 8等級(jí)精度制造 由于原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)，載荷平穩(wěn)，，一般按照中等沖擊載荷計(jì)算。查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》得： 取K=1.3 查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》11—4?。? 區(qū)域系數(shù) ZH=2.5 彈性系數(shù) ZE=188.0 查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》教?。糊X寬系數(shù) 由 （3）按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 齒數(shù)取Z1=24 故實(shí)際傳動(dòng)比由于是齒輪齒條傳動(dòng)則i=1 模數(shù) 我們?nèi)=1.5寬 ， 取b=18mm （4）驗(yàn)算齒輪彎曲強(qiáng)度 齒形系數(shù)YFa1=2.56，YSa1=1.63 YFa2=2.24，YSa2=1.76 由式 ，安全。 （5）計(jì)算齒輪圓周轉(zhuǎn)速v并選擇齒輪精度 此速度合適 其他計(jì)算從略。 所得小齒輪的基本參數(shù)如下： (1)分度圓直徑d1 d1=m*z1=1.5*24=36mm (2)齒頂高h(yuǎn)a1 ha1=ha*m=1*1.5=1.5mm (3)齒根高h(yuǎn)f1 hf1=(ha+c)*m=(1+0.2)*1.5=1.8mm (4)齒高h(yuǎn)1 h1=ha1+hf1=1.5+1.8=3.3mm (5)齒頂圓直徑da1 da1=d1+2*ha1=36+2*1.5=39mm (6)齒根圓直徑df1 df1=d1-2*hf1=36-2*1.8=32.4mm (7)基圓直徑db1 db1=d1*cos(α)=36*0.939693=33.83mm (8)齒頂圓壓力角 αa1=arcos(db1/da1)=arcos(33.8289/39)=29.84 (9)端面重合度 Σα=1/2/π*(z1*(tan(αa1)-tan(α))+z2*(tan(αa2)-tan(α))) =1/2/π*(24*(0.573659-0.36397)+60*(0.457418-0.36397))=1.69 (10)縱向重合度Σβ=0 (11)總重合度 Σγ=Σα=1.69 2.3.2齒條的設(shè)計(jì) 齒輪作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，齒條作直線運(yùn)動(dòng)，齒條可以看作一個(gè)齒數(shù)無窮多的齒輪的一部分，這時(shí)齒輪的各圓均變?yōu)橹本€，作為齒廓曲線的漸開線也變?yōu)橹本€。齒條直線的速度與齒輪分度圓直徑、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為 本次設(shè)計(jì)中V=50mm/s 式中 d——齒輪分度圓直徑，；小齒輪分度圓直徑為36mm ——齒輪轉(zhuǎn)速，。齒輪轉(zhuǎn)速為37.5r/min 其嚙合線與齒輪的基圓相切，由于齒條的基圓為無窮大，所以嚙合線與齒條基圓的切點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)處。 齒輪與齒條嚙合時(shí)，不論是否標(biāo)準(zhǔn)安裝（齒輪與齒條標(biāo)準(zhǔn)安裝即為齒輪的分度圓與齒條的分度圓相切），其嚙合角恒等于齒輪分度圓壓力角，也等于齒條的齒形角；齒輪的節(jié)圓也恒與分度圓重合。只是在非標(biāo)準(zhǔn)安裝時(shí)，齒條的節(jié)線與分度線不再重合。 齒輪與齒條正確嚙合條件是基圓齒距相等，齒條的基圓齒距是其兩相鄰齒廓同側(cè)直線的垂直距離，即。 齒輪與齒條的實(shí)際嚙合線為，即齒條頂線及齒輪齒頂圓與嚙合線的交點(diǎn)及之間的長度。 齒輪齒條傳動(dòng)的幾何尺寸計(jì)算 齒輪與齒條傳動(dòng)的尺寸計(jì)算見表 表 齒輪齒條傳動(dòng)的幾何尺寸計(jì)算 項(xiàng)目名稱 計(jì)算公式及代號(hào) 轉(zhuǎn)齒輪齒條數(shù)值 齒輪齒數(shù) 24 模數(shù) 1.5 螺旋角 基本齒廓 壓力角 齒頂高系數(shù) 1 頂隙系數(shù) 0.25 齒輪變位系數(shù) 0 尺寬 齒輪 18 齒條 20 齒條長度 450 項(xiàng)目名稱 計(jì)算公式及代號(hào) 轉(zhuǎn)齒輪齒條數(shù)值 齒輪分度圓直徑 36 齒頂高 齒輪 1.5 齒條 1.5 齒根高 齒輪 1.88 齒條 1.88 齒高 齒輪 3.38 齒條 齒輪中心到齒條中心距 18 齒距 4.71 齒條齒數(shù) 96 4 各主要零部件強(qiáng)度的校核 4.1轉(zhuǎn)動(dòng)軸強(qiáng)度的校核與計(jì)算 1、軸的特點(diǎn): 軸是組成機(jī)械的主要零件之二。一切作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)零件，都必須裝在軸上刁‘能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及.力的傳遞，同時(shí)它又通過軸承和機(jī)架 聯(lián)接，由此形成個(gè)以軸為基準(zhǔn)的組合體一軸系部件。 2、軸的種類 1、根據(jù)承受載荷的不同分為: 1)轉(zhuǎn)軸:定義既能承受彎矩又承受扭矩的軸 2)心軸:定義:只承受彎矩而不承受扭矩的軸 3)傳送軸:定義:只承受扭矩而不承受彎矩的軸z、根據(jù)軸的外形，可以將直軸分為光軸和階梯軸 3、根據(jù)軸內(nèi)部狀況，又可以將直軸分為實(shí)心軸和空。 4、軸的設(shè)計(jì)重點(diǎn) 1、軸的設(shè)計(jì) W軸的工作能力設(shè)計(jì)。 主要進(jìn)行軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、剛度設(shè)計(jì)，對(duì)于轉(zhuǎn)速較高的軸還要進(jìn)行振動(dòng)穩(wěn)定性的計(jì)算。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 根據(jù)軸的功能，軸必須保證軸上零件的安裝固定和保證軸系在機(jī) 器中的支撐要求，同時(shí)應(yīng)具有良好的工藝性。 一般的設(shè)計(jì)步驟為: 選擇材料，初估軸徑，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度校核，必要時(shí)要進(jìn)行剛度校核和穩(wěn)定性計(jì)算。 2、軸的材料 軸是主要的支承件，常采用機(jī)械性能較好的材料。常用材料包括:碳素鋼:該類材料對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較小，價(jià)格較低，是軸類零件最常用的材料常用牌號(hào)有:30、35、40、45、50。采用優(yōu)質(zhì)碳鋼時(shí)，一般應(yīng)進(jìn)行熱處理以改善其性能。.力較小或不重要的軸，也可以選用X235,Q255等普通碳鋼。合金鋼:對(duì)于要求重載、高溫、結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕等使用場合的軸，可以選用合金綱合金鋼具有史好的機(jī)械性能和熱處理性能，但對(duì)應(yīng)力集中較敏感，價(jià)格也較高。設(shè)計(jì)中尤其要汁意從結(jié)構(gòu)上減小應(yīng)力集中，并提高其表面質(zhì)量。 鑄鐵:對(duì)于形狀比較復(fù)雜的軸，可以選用球鑄鐵和高強(qiáng)度。 鑄鐵。它們具有較好的加工性和吸振性，經(jīng)濟(jì)性好且.力集中不敏感，但鑄造質(zhì)量不易保證。 3、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)軸在工作中的作用，軸的結(jié)構(gòu)取決于:軸在機(jī)器中的安裝位置和形式，軸上零件的類型和尺寸，載荷的性質(zhì)、大小、方向和分布狀況，軸的加工工藝等多個(gè)因素。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足:軸上零件布置合理，從而軸受力合理有利于提高強(qiáng)度和剛度;軸和軸上零件必須有準(zhǔn)確的工作位置;軸上零件裝拆調(diào)整方便;軸具有良好的加工工。 藝性;節(jié)省材料等。 1).軸的組成 軸的毛坯一般采用圓鋼、鍛造或焊接獲得，由于鑄造品質(zhì)不易保證，較少選用鑄造毛坯。軸主要由三部分組成。軸上被支承，安裝軸承的部分稱為軸頸; 支承軸上零件，安裝輪毅的部分稱為軸頭;聯(lián)結(jié)軸頭和軸頸的部分稱為軸身。軸頸上安裝滾動(dòng)軸承時(shí)，直徑尺寸必須按滾動(dòng)軸承的國標(biāo)尺寸選擇，尺寸公差和表面粗糙度須按規(guī)定選擇;軸頭的尺寸要參考輪毅的尺寸進(jìn)行選擇，軸身尺寸確定時(shí)應(yīng)盡量使軸頸與軸頭的過渡合理，避免截面尺寸變化過大，同時(shí)具有較好的工藝性。 .結(jié)構(gòu)一設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)中常采用以下的設(shè)計(jì)步驟: 1、分析所設(shè)計(jì)軸的工作狀況，擬定軸上零件的裝配方案和軸在機(jī)器中的安裝情況。 2、根據(jù)已知的軸上近似載荷，初估軸的直徑或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定軸的某徑向尺寸。 3、根據(jù)軸上零件受力情況、安裝、固定及裝配時(shí)對(duì)軸的表面要求等確定軸的徑向(直徑)尺寸。 4、根據(jù)軸上零件的位置、配合長度、支承結(jié)構(gòu)和形式確定軸的軸向尺寸。 5、考慮加工和裝配的工藝性，使軸的結(jié)構(gòu)更合理。 3)零件在軸上的安保證軸上零件可靠工作，需要在工作過程中有準(zhǔn)確的位置，即零件在軸上必須有準(zhǔn)確的定位和固定。零件在軸上的準(zhǔn)確位置包括軸向和周向兩個(gè)方面W零件在軸上的軸向定位和固定常見的軸向定位和固定的方法采用軸肩、各種擋圈、套筒、圓螺母、錐端軸頭等的多種組合結(jié)構(gòu)。 軸肩分為定位軸肩和非定位軸肩兩種。利用軸肩定位結(jié)構(gòu)簡單、可靠，但軸的直徑加大，軸肩處出現(xiàn)應(yīng)力集中;軸肩過多也不利于加工。因此，定位軸肩多在不致過多地增加軸的階梯數(shù)和軸向力較大的清況下使用，定位軸肩的高度一般取3-6mm,滾動(dòng)軸承定位軸肩的高度需按照滾動(dòng)軸承的安裝尺寸確定。非定位軸肩多是為了裝配合理方便和徑向尺寸過度時(shí)采用，軸肩高度無嚴(yán)格限制，一般取為1-2r}}套筒定位可以避免軸肩定位引起的軸徑增大和應(yīng)力集中，但受到套筒長度和與軸的配合因素的影響，不宜用在使套筒過長和高速旋轉(zhuǎn)的場合。 擋圈的種類較多，且多為標(biāo)準(zhǔn)件，設(shè)計(jì)中需按照各種擋圈的用途和l國標(biāo)來選用。 4.軸的結(jié)構(gòu)工藝性 (1)從裝配來考慮:應(yīng)合理的設(shè)計(jì)非定位軸肩，使軸上不同零件在安裝過程中盡量減少不必要的配合;為了裝配方便，軸端應(yīng)設(shè)計(jì)45。的倒角;在裝鍵的軸段，應(yīng)使鍵槽靠近軸與輪毅先接觸的直徑變化處，便于在安裝時(shí)零件上的鍵槽與軸上的鍵容易對(duì)準(zhǔn)采用過盈配合時(shí)，為了便于裝配，直徑變化可用錐面過渡等。 (2)從加工來考慮:當(dāng)軸的某段須磨削加工或有螺紋時(shí)，須設(shè)計(jì)砂輪越程槽或退刀槽根據(jù)表面安裝零件的配合需要，合理確定表面粗糙度和加工方法為改善軸的抗疲勞強(qiáng)度，減小軸徑變化處的應(yīng)力集中，應(yīng)適當(dāng)增大其過渡圓角徑，但同時(shí)要保證零件的可靠定位，過渡圓角半徑又必須小于與之相配的零件的圓角半徑或倒角尺寸。 軸的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮多方面因素和要求，其中主要問題是軸的選材、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和剛度。其中對(duì)于軸的強(qiáng)度校核尤為重要，通過校核來確定軸的設(shè)計(jì)是否能達(dá)到使用要求，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。由此看來合理的進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核成為軸設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，同時(shí)也是評(píng)定軸的設(shè)計(jì)成敗得先決條件。校核結(jié)果如不滿足承載要求時(shí)，強(qiáng)度校核是對(duì)材料或設(shè)備的力學(xué)性能進(jìn)行檢測并調(diào)節(jié)的一種方式，并且這種方式以不破壞材料或設(shè)備性能為一前提。 進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的計(jì)算方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力。對(duì)于傳動(dòng)軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算。 4.2軸承強(qiáng)度的校核計(jì)算 由于驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)的主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪材料均選用45,調(diào)質(zhì)處理。 查得： 預(yù)期齒輪壽命5年，每天工作12小時(shí)，工作載荷為輕微沖擊，則 查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》圖，得： (1)驗(yàn)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度 載荷系數(shù)，取K=1.5 查得： 接觸應(yīng)力為： (2)驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 取 K=1.5 查表：許用彎曲應(yīng)力： 彎曲疲勞強(qiáng)度的最小安全系數(shù)，取 則： 由上述計(jì)算可知，均滿足要求。 結(jié)論 在最近的一段時(shí)間的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我們充分把握的設(shè)計(jì)方法和步驟，不僅復(fù)習(xí)所學(xué)的知識(shí)，而且還獲得新的經(jīng)驗(yàn)與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，會(huì)遇到不清楚的作業(yè)，老師和學(xué)生都能給予及時(shí)的指導(dǎo)，確保設(shè)計(jì)進(jìn)度，本文所設(shè)計(jì)的是單自由度越障機(jī)器人的設(shè)計(jì)，通過初期的定題，查資料和開始正式做畢設(shè)，讓我系統(tǒng)地了解到了所學(xué)知識(shí)的重要性，從而讓我更加深刻地體會(huì)到做一門學(xué)問不易，需要不斷鉆研，不斷進(jìn)取才可要做的好，總之，本設(shè)計(jì)完成了老師和同學(xué)的幫助下，在大學(xué)研究的最感謝幫助過我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以通過。 19 致 謝 當(dāng)我寫到這里的時(shí)候，我心里是別提有多么的開心，不管前面的對(duì)與錯(cuò)，總之，我覺得自己做到這里已不錯(cuò)了，感謝我的老師和幫助我的同學(xué)一起到圖書館查資料的那些同學(xué)們，要不是你們恐怕我現(xiàn)在真不知道自己能做到哪里，首先您不僅在學(xué)習(xí)學(xué)業(yè)上對(duì)我以精心的指導(dǎo)，同時(shí)還在我改寫論文時(shí)給我鼓勵(lì)和支持，從這點(diǎn)看出老師當(dāng)初選你當(dāng)我的老師我是明智的，而且，通過這次寫論文我知道遇到什么事總要靠別人來完成，現(xiàn)在我覺得這種想法是我錯(cuò)啦，也許自己做的比那些人做的會(huì)更好，同時(shí)，我要把這種態(tài)度放到工作當(dāng)中，我相信我自己一定可以比別人做的出色。說實(shí)話，我從開始認(rèn)真做畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，才領(lǐng)悟到知識(shí)確實(shí)是種強(qiáng)大的工具，我現(xiàn)在想來前面失去的，我想在通過在工作中補(bǔ)回來，想到這里自己說了句“呵呵”，但是話說回來，這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)我花了挺大的功夫，雖然是苦，但心里挺開心的，我想如果大學(xué)這四年我好好來利用它的話，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)不談在班里第一個(gè)交，最少也在前十個(gè)人之前交，最后在這里衷心的對(duì)所有關(guān)心我?guī)椭业谋磉_(dá)我由衷敬意，謝謝各位同學(xué)的幫助。 參考文獻(xiàn) [1] 武動(dòng) 機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì) 北京：科學(xué)出版社，2004.5 [2] 劉成 單自由度越障機(jī)器人概述 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.1 [3] 張棟 單自由度越障機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計(jì).高等教育出版社，2004.3 [4] 姜繼海，宋錦春，高常識(shí). 單自由度越障機(jī)器人工作原理.高等教育出版社，2002.8 [5] 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Dynamic Control of a Manipulator with Passive Joints in Operational Space 　 附錄 一 機(jī)械工程的內(nèi)容 機(jī)械工程的服務(wù)領(lǐng)域廣闊而多面，凡是使用機(jī)械、工具，以至能源和材料生產(chǎn)的部門，都需要機(jī)械工程的服務(wù)。概括說來，現(xiàn)代機(jī)械工程有五大服務(wù)領(lǐng)域：研制和提供能量轉(zhuǎn)換機(jī)械、研制和提供用以生產(chǎn)各種產(chǎn)品的機(jī)械、研制和提供從事各種服務(wù)的機(jī)械、研制和提供家庭和個(gè)人生活中應(yīng)用的機(jī)械、研制和提供各種機(jī)械武器。 不論服務(wù)于哪一領(lǐng)域，機(jī)械工程的工作內(nèi)容基本相同，主要有： 建立和發(fā)展機(jī)械工程的工程理論基礎(chǔ)。例如，研究力和運(yùn)動(dòng)的工程力學(xué)和流體力學(xué)；研究金屬和非金屬材料的性能，及其應(yīng)用的工程材料學(xué)；研究熱能的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)換的熱力學(xué)；研究各類有獨(dú)立功能的機(jī)械元件的工作原理、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和計(jì)算的機(jī)械原理和機(jī)械零件學(xué)；研究金屬和非金屬的成形和切削加工的金屬工藝學(xué)和非金屬工藝學(xué)等等。 研究、設(shè)計(jì)和發(fā)展新的機(jī)械產(chǎn)品，不斷改進(jìn)現(xiàn)有機(jī)械產(chǎn)品和生產(chǎn)新一代機(jī)械產(chǎn)品，以適應(yīng)當(dāng)前和將來的需要。 機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)，包括：生產(chǎn)設(shè)施的規(guī)劃和實(shí)現(xiàn)；生產(chǎn)計(jì)劃的制訂和生產(chǎn)調(diào)度；編制和貫徹制造工藝；設(shè)計(jì)和制造工具、模具；確定勞動(dòng)定額和材料定額；組織加工、裝配、試車和包裝發(fā)運(yùn)；對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行有效的控制。機(jī)械制造企業(yè)的經(jīng)營和管理。機(jī)械一般是由許多各有獨(dú)特的成形、加工過程的精密零件組裝而成的復(fù)雜的制品。生產(chǎn)批量有單件和小批，也有中批、大批，直至大量生產(chǎn)。銷售對(duì)象遍及全部產(chǎn)業(yè)和個(gè)人、家庭。而且銷售量在社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況的影響下，可能出現(xiàn)很大的波動(dòng)。因此，機(jī)械制造企業(yè)的管理和經(jīng)營特別復(fù)雜，企業(yè)的生產(chǎn)管理、規(guī)劃和經(jīng)營等的研究也多是肇始于機(jī)械工業(yè)。 機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用。這方面包括選擇、訂購、驗(yàn)收、安裝、調(diào)整、操作、維護(hù)、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機(jī)械和成套機(jī)械裝備，以保證機(jī)械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。 機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用。這方面包括選擇、訂購、驗(yàn)收、安裝、調(diào)整、操作、維護(hù)、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機(jī)械和成套機(jī)械裝備，以保證機(jī)械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。 研究機(jī)械產(chǎn)品在制造過程中，尤其是在使用中所產(chǎn)生的環(huán)境污染，和自然資源過度耗費(fèi)方面的問題，及其處理措施。這是現(xiàn)代機(jī)械工程的一項(xiàng)特別重要的任務(wù)，而且其重要性與日俱增。 機(jī)械工程分類 機(jī)械的種類繁多，可以按幾個(gè)不同方面分為各種類別，如：按功能可分為動(dòng)力機(jī)械、物料搬運(yùn)機(jī)械、粉碎機(jī)械等；按服務(wù)的產(chǎn)業(yè)可分為農(nóng)業(yè)機(jī)械、礦山機(jī)械、紡織機(jī)械等；按工作原理可分為熱力機(jī)械、流體機(jī)械、仿生機(jī)械等。另外，機(jī)械在其研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)用等過程中都要經(jīng)過幾個(gè)工作性質(zhì)不同的階段。按這些不同階段，機(jī)械工程又可劃分為互相銜接、互相配合的幾個(gè)分支系統(tǒng)，如機(jī)械科研、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、機(jī)械運(yùn)用和維修等。 這些按不同方面分成的多種分支學(xué)科系統(tǒng)互相交叉，互相重疊，從而使機(jī)械工程可能分化成上百個(gè)分支學(xué)科。例如，按功能分的動(dòng)力機(jī)械，它與按工作原理分的熱力機(jī)械、流體機(jī)械、透平機(jī)械、往復(fù)機(jī)械、蒸汽動(dòng)力機(jī)械、核動(dòng)力裝置、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)，以及與按行業(yè)分的中心電站設(shè)備、工業(yè)動(dòng)力裝置、鐵路機(jī)車、船舶輪機(jī)工程、汽車工程等都有復(fù)雜的交叉和重疊關(guān)系。船用汽輪機(jī)是動(dòng)力機(jī)械，也是熱力機(jī)械、流體機(jī)械和透平機(jī)械，它屬于船舶動(dòng)力裝置、蒸汽動(dòng)力裝置，可能也屬于核動(dòng)力裝置等等。 機(jī)械工程的發(fā)展歷程 人類成為“現(xiàn)代人”的標(biāo)志就是制造工具。石器時(shí)代的各種石斧、石錘和木質(zhì)、皮質(zhì)的簡單粗糙的工具是后來出現(xiàn)的機(jī)械的先驅(qū)。從制造簡單工具演進(jìn)到制造由多個(gè)零件、部件組成的現(xiàn)代機(jī)械，經(jīng)歷了漫長的過程。 幾千年前，人類已創(chuàng)制了用于谷物脫殼和粉碎的臼和磨，用來提水的桔槔和轆轤，裝有輪子的車，航行于江河的船及槳、櫓、舵等。所用的動(dòng)力，從人自身的體力，發(fā)展到利用畜力、水力和風(fēng)力。所用材料從天然的石、木、土、皮革，發(fā)展到人造材料。最早的人造材料是陶瓷，制造陶瓷器皿的陶車，已是具有動(dòng)力、傳動(dòng)和工作三個(gè)部分的完整機(jī)械。 人類從石器時(shí)代進(jìn)入青銅時(shí)代，再進(jìn)而到鐵器時(shí)代，用以吹旺爐火的鼓風(fēng)器的發(fā)展起了重要作用。有足夠強(qiáng)大的鼓風(fēng)器，才能使冶金爐獲得足夠高的爐溫，才能從礦石中煉得金屬。在中國，公元前1000～前900年就已有了冶鑄用的鼓風(fēng)器，并逐漸從人力鼓風(fēng)發(fā)展到畜力和水力鼓風(fēng)。 15～16世紀(jì)以前，機(jī)械工程發(fā)展緩慢。但在以千年計(jì)的實(shí)踐中，在機(jī)械發(fā)展方面還是積累了相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)，成為后來機(jī)械工程發(fā)展的重要潛力。17世紀(jì)以后，資本主義在英、法和西歐諸國出現(xiàn)，商品生產(chǎn)開始成為社會(huì)的中心問題。 18世紀(jì)后期，蒸汽機(jī)的應(yīng)用從采礦業(yè)推廣到紡織、面粉、冶金等行業(yè)。制作機(jī)械的主要材料逐漸從木材改用更為堅(jiān)韌，但難以用手工加工的金屬。機(jī)械制造工業(yè)開始形成，并在幾十年中成為一個(gè)重要產(chǎn)業(yè)。 機(jī)械工程通過不斷擴(kuò)大的實(shí)踐，從分散性的、主要依賴匠師們個(gè)人才智和手藝的一種技藝，逐漸發(fā)展成為一門有理論指導(dǎo)的、系統(tǒng)的和獨(dú)立的工程技術(shù)。機(jī)械工程是促成18～19世紀(jì)的工業(yè)革命，以及資本主義機(jī)械大生產(chǎn)的主要技術(shù)因素。 動(dòng)力是發(fā)展生產(chǎn)的重要因素。17世紀(jì)后期，隨著各種機(jī)械的改進(jìn)和發(fā)展，隨著煤和金屬礦石的需要量的逐年增加，人們感到依靠人力和畜力不能將生產(chǎn)提高到一個(gè)新的階段。 在英國，紡織、磨粉等產(chǎn)業(yè)越來越多地將工場設(shè)在河邊，利用水輪來驅(qū)動(dòng)工作機(jī)械。但當(dāng)時(shí)的煤礦、錫礦、銅礦等礦井中的地下水，仍只能用大量畜力來提升和排除。在這樣的生產(chǎn)需要下，18世紀(jì)初出現(xiàn)了紐科門的大氣式蒸汽機(jī)，用以驅(qū)動(dòng)礦井排水泵。但是這種蒸汽機(jī)的燃料消耗率很高，基本上只應(yīng)用于煤礦。 1765年，瓦特發(fā)明了有分開的冷凝器的蒸汽機(jī)，降低了燃料消耗率。1781年瓦特又創(chuàng)制出提供回轉(zhuǎn)動(dòng)力的蒸汽機(jī)，擴(kuò)大了蒸汽機(jī)的應(yīng)用范圍。蒸汽機(jī)的發(fā)明和發(fā)展，使礦業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)、鐵路和航運(yùn)都得以機(jī)械動(dòng)力化。蒸汽機(jī)幾乎是19世紀(jì)唯一的動(dòng)力源，但蒸汽機(jī)及其鍋爐、凝汽器、冷卻水系統(tǒng)等體積龐大、笨重，應(yīng)用很不方便。 19世紀(jì)末，電力供應(yīng)系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)開始發(fā)展和推廣。20世紀(jì)初，電動(dòng)機(jī)已在工業(yè)生產(chǎn)中取代了蒸汽機(jī)，成為驅(qū)動(dòng)各種工作機(jī)械的基本動(dòng)力。生產(chǎn)的機(jī)械化已離不開電氣化，而電氣化則通過機(jī)械化才對(duì)生產(chǎn)發(fā)揮作用。 發(fā)電站初期應(yīng)用蒸汽機(jī)為原動(dòng)力。20世紀(jì)初期，出現(xiàn)了高效率、高轉(zhuǎn)速、大功率的汽輪機(jī)，也出現(xiàn)了適應(yīng)各種水利資源的水輪機(jī)，促進(jìn)了電力供應(yīng)系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展。 19世紀(jì)后期發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)經(jīng)過逐年改進(jìn)，成為輕而小、效率高、易于操縱、并可隨時(shí)啟動(dòng)的原動(dòng)機(jī)。它先被用以驅(qū)動(dòng)沒有電力供應(yīng)的陸上工作機(jī)械，以后又用于汽車、移動(dòng)機(jī)械和輪船，到20世紀(jì)中期開始用于鐵路機(jī)車。蒸汽機(jī)在汽輪機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的排擠下，已不再是重要的動(dòng)力機(jī)械。內(nèi)燃機(jī)和以后發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，是飛機(jī)、航天器等成功發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)因素之一。 工業(yè)革命以前，機(jī)械大都是木結(jié)構(gòu)的，由木工用手工制成。金屬(主要是銅、鐵)僅用以制造儀器、鎖、鐘表、泵和木結(jié)構(gòu)機(jī)械上的小型零件。金屬加工主要靠機(jī)匠的精工細(xì)作，以達(dá)到需要的精度。蒸汽機(jī)動(dòng)力裝置的推廣，以及隨之出現(xiàn)的礦山、冶金、輪船、機(jī)車等大型機(jī)械的發(fā)展，需要成形加工和切削加工的金屬零件越來越多，越來越大，要求的精度也越來越高。應(yīng)用的金屬材料從銅、鐵發(fā)展到以鋼為主。 機(jī)械加工包括鍛造、鍛壓、鈑金工、焊接、熱處理等技術(shù)及其裝備，以及切削加工技術(shù)和機(jī)床、刀具、量具等，得到迅速發(fā)展，保證了各產(chǎn)業(yè)發(fā)展生產(chǎn)所需的機(jī)械裝備的供應(yīng)。 社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的需求猛增。生產(chǎn)批量的增大和精密加工技術(shù)的進(jìn)展，促進(jìn)了大量生產(chǎn)方法的形成，如零件互換性生產(chǎn)、專業(yè)分工和協(xié)作、流水加工線和流水裝配線等。 簡單的互換性零件和專業(yè)分工協(xié)作生產(chǎn)，在古代就已出現(xiàn)。在機(jī)械工程中，互換性最早體現(xiàn)在莫茨利于1797年利用其創(chuàng)制的螺紋車床所生產(chǎn)的螺栓和螺帽。同時(shí)期，美國工程師惠特尼用互換性生產(chǎn)方法生產(chǎn)火槍，顯示了互換性的可行性和優(yōu)越性。這種生產(chǎn)方法在美國逐漸推廣，形成了所謂“美國生產(chǎn)方法”。 20世紀(jì)初期，福特在汽車制造上又創(chuàng)造了流水裝配線。大量生產(chǎn)技術(shù)加上泰勒在19世紀(jì)末創(chuàng)立的科學(xué)管理方法，使汽車和其他大批量生產(chǎn)的機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)效率很快達(dá)到了過去無法想象的高度。 20世紀(jì)中、后期，機(jī)械加工的主要特點(diǎn)是：不斷提高機(jī)床的加工速度和精度，減少對(duì)手工技藝的依賴；提高成形加工、切削加工和裝配的機(jī)械化和自動(dòng)化程度；利用數(shù)控機(jī)床、加工中心、成組技術(shù)等，發(fā)展柔性加工系統(tǒng)，使中小批量、多品種生產(chǎn)的生產(chǎn)效率提高到近于大量生產(chǎn)的水平；研究和改進(jìn)難加工的新型金屬和非金屬材料的成形和切削加工技術(shù)。 18世紀(jì)以前，機(jī)械匠師全憑經(jīng)驗(yàn)、直覺和手藝進(jìn)行機(jī)械制作，與科學(xué)幾乎不發(fā)生聯(lián)系。到18～19世紀(jì)，在新興的資本主義經(jīng)濟(jì)的促進(jìn)下，掌握科學(xué)知識(shí)的人士開始注意生產(chǎn)，而直接進(jìn)行生產(chǎn)的匠師則開始學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識(shí)，他們之間的交流和互相啟發(fā)取得很大的成果。在這個(gè)過程中，逐漸形成一整套圍繞機(jī)械工程的基礎(chǔ)理論。 動(dòng)力機(jī)械最先與當(dāng)時(shí)的先進(jìn)科學(xué)相結(jié)合。蒸汽機(jī)的發(fā)明人薩弗里、瓦特，應(yīng)用了物理學(xué)家帕潘和布萊克的理論；在蒸汽機(jī)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，物理學(xué)家卡諾、蘭金和開爾文建立起一門新的科學(xué)——熱力學(xué)。內(nèi)燃機(jī)的理論基礎(chǔ)是法國的羅沙在1862年創(chuàng)立的；1876年奧托應(yīng)用羅沙的理論，徹底改進(jìn)了他原來創(chuàng)造的粗陋笨重、噪聲大、熱效率低的內(nèi)燃機(jī)而奠定了內(nèi)燃機(jī)的地位。其他如汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、水輪機(jī)等都在理論指導(dǎo)下得到發(fā)展，而理論也在實(shí)踐中得到改進(jìn)和提高。 早在公元前，中國已在指南車上應(yīng)用復(fù)雜的齒輪系統(tǒng)，在被中香爐中應(yīng)用了能永保水平位置的十字轉(zhuǎn)架等機(jī)件。古希臘已有圓柱齒輪、圓錐齒輪和蝸桿傳動(dòng)的記載。但是，關(guān)于齒輪傳動(dòng)瞬時(shí)速比與齒形的關(guān)系和齒形曲線的選擇，直到17世紀(jì)之后方有理論闡述。 手搖把和踏板機(jī)構(gòu)是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的先驅(qū)，在各文明古國都有悠久歷史，但是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的形式、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的確切分析和綜合，則是近代機(jī)構(gòu)學(xué)的成就。機(jī)構(gòu)學(xué)作為一個(gè)專門學(xué)科，遲至19世紀(jì)初才首次列入高等工程學(xué)院(巴黎的工藝學(xué)院)的課程。通過理論研究，人們方能精確地分析各種機(jī)構(gòu)，包括復(fù)雜的空間連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)而能按需要綜合出新的機(jī)構(gòu)。 機(jī)械工程的工作對(duì)象是動(dòng)態(tài)的機(jī)械，它的工作情況會(huì)發(fā)生很大的變化。這種變化有時(shí)是隨機(jī)而不可預(yù)見；實(shí)際應(yīng)用的材料也不完全均勻，可能存有各種缺陷；加工精度有一定的偏差，等等。 與以靜態(tài)結(jié)構(gòu)為工作對(duì)象的土木工程相比，機(jī)械工程中各種問題更難以用理論精確解決。因此，早期的機(jī)械工程只運(yùn)用簡單的理論概念，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工作。設(shè)計(jì)計(jì)算多依靠經(jīng)驗(yàn)公式；為保證安全，都偏于保守，結(jié)果制成的機(jī)械笨重而龐大，成本高，生產(chǎn)率低，能量消耗很大。 從18世紀(jì)起，新理論的不斷誕生，以及數(shù)學(xué)方法的發(fā)展，使設(shè)計(jì)計(jì)算的精確度不斷的提高。進(jìn)入20世紀(jì)，出現(xiàn)各種實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法，人們已能用實(shí)驗(yàn)方法測出模型和實(shí)物上各部位的應(yīng)力。20世紀(jì)后半葉，有限元法和電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，使得對(duì)復(fù)雜的機(jī)械及其零。構(gòu)件進(jìn)行力、力矩、應(yīng)力等的分析和計(jì)算成為可能。對(duì)于掌握有充分的實(shí)踐或?qū)嶒?yàn)資料的 機(jī)械或其元件，已經(jīng)可以運(yùn)用統(tǒng)計(jì)技術(shù)，按照要求的可靠度，科學(xué)地進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)。 機(jī)械工程的發(fā)展展望 機(jī)械工程以增加生產(chǎn)、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)來研制和發(fā)展新的機(jī)械產(chǎn)品。在未來的時(shí)代，新產(chǎn)品的研制將以降低資源消耗，發(fā)展?jié)崈舻脑偕茉?，治理、減輕以至消除環(huán)境污染作為超經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)任務(wù)。 機(jī)械可以完成人用雙手和雙目，以及雙足、雙耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。現(xiàn)代機(jī)械工程創(chuàng)造出越來越精巧和越來越復(fù)雜的機(jī)械和機(jī)械裝置，使過去的許多幻想成為現(xiàn)實(shí)。 人類現(xiàn)在已能上游天空和宇宙，下潛大洋深層，遠(yuǎn)窺百億光年，近察細(xì)胞和分子。新興的電子計(jì)算機(jī)硬、軟件科學(xué)使人類開始有了加強(qiáng)，并部分代替人腦的科技手段，這就是人工智能。這一新的發(fā)展已經(jīng)顯示出巨大的影響，而在未來年代它還將不斷地創(chuàng)造出人們無法想象的奇跡。 人類智慧的增長并不減少雙手的作用，相反地卻要求手作更多、更精巧、更復(fù)雜的工作，從而更促進(jìn)手的功能。手的實(shí)踐反過來又促進(jìn)人腦的智慧。在人類的整個(gè)進(jìn)化過程中，以及在每個(gè)人的成長過程中，腦與手是互相促進(jìn)和平行進(jìn)化的。 人工智能與機(jī)械工程之間的關(guān)系近似于腦與手之間的關(guān)系，其區(qū)別僅在于人工智能的硬件還需要利用機(jī)械制造出來。過去，各種機(jī)械離不開人的操作和控制，其反應(yīng)速度和操作精度受到進(jìn)化很慢的人腦和神經(jīng)系統(tǒng)的限制，人工智能將會(huì)消除了這個(gè)限制。計(jì)算機(jī)科學(xué)與機(jī)械工程之間的互相促進(jìn)，平行前進(jìn)，將使機(jī)械工程在更高的層次上開始新的一輪大發(fā)展。 19世紀(jì)時(shí)，機(jī)械工程的知識(shí)總量還很有限，在歐洲的大學(xué)院校中它一般還與土木工程綜合為一個(gè)學(xué)科，被稱為民用工程，19世紀(jì)下半葉才逐漸成為一個(gè)獨(dú)立學(xué)科。進(jìn)入20世紀(jì)，隨著機(jī)械工程技術(shù)的發(fā)展和知識(shí)總量的增長，機(jī)械工程開始分解，陸續(xù)出現(xiàn)了專業(yè)化的分支學(xué)科。這種分解的趨勢在20世紀(jì)中期，即在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束的前后期間達(dá)到了最高峰。 由于機(jī)械工程的知識(shí)總量已擴(kuò)大到遠(yuǎn)非個(gè)人所能全部掌握，一定的專業(yè)化是必不可少的。但是過度的專業(yè)化造成知識(shí)過分分割，視野狹窄，不能統(tǒng)觀和統(tǒng)籌稍大規(guī)模的工程的全貌和全局，并且縮小技術(shù)交流的范圍，阻礙新技術(shù)的出現(xiàn)和技術(shù)整體的進(jìn)步，對(duì)外界條件變化的適應(yīng)能力很差。封閉性專業(yè)的專家們掌握的知識(shí)過狹，考慮問題過專，在協(xié)同工作時(shí)配合協(xié)調(diào)困難，也不利于繼續(xù)自學(xué)提高。因此自20世紀(jì)中、后期開始，又出現(xiàn)了綜合的趨勢。人們更多地注意了基礎(chǔ)理論，拓寬專業(yè)領(lǐng)域，合并分化過細(xì)的專業(yè)。 綜合-專業(yè)分化-再綜合的反復(fù)循環(huán)，是知識(shí)發(fā)展的合理的和必經(jīng)的過程。不同專業(yè)的專家們各具有精湛的專業(yè)知識(shí)，又具有足夠的綜合知識(shí)來認(rèn)識(shí)、理解其他學(xué)科的問題和工程整體的面貌，才能形成互相協(xié)同工作的有力集體。 綜合與專業(yè)是多層次的。在機(jī)械工程內(nèi)部有綜合與專業(yè)的矛盾；在全面的工程技術(shù)中也同樣有綜合和專業(yè)問題。在人類的全部知識(shí)中，包括社會(huì)科學(xué)、自然科學(xué)和工程技術(shù)，也有處于更高一層、更宏觀的綜合與專業(yè)問題。 附錄 二 The content of mechanical engineering Mechanical engineering services and multi-faceted, who use machinery, tools, and energy and material production department of mechanical engineering, need the service. The summary mentions, modern mach