單自由度越障機器人設(shè)計

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畢業(yè)設(shè)計(論文) 單自由度越障機器人的設(shè)計與研究 學 號： 姓 名： 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 系 別： 機械工程系 指導(dǎo)教師： XXX 講師 XXX 副教授 二○一五年五月 摘 要 機械工業(yè)是一個國家的重要產(chǎn)業(yè)，機械工業(yè)的發(fā)展無時不刻都在影響著國家經(jīng)濟的發(fā)展，人類的進步離不開機械工業(yè)的發(fā)展。在全球經(jīng)濟發(fā)展的大環(huán)境下，中國各個行業(yè)被其他國家的先進技術(shù)影響的同時，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。在新的市場需求的推動下，對單自由度越障機器人進行改良和優(yōu)化是當務(wù)之急，單自由度越障機器人的發(fā)展與人類社會的進步和科學技術(shù)的水平密切相關(guān)。 國內(nèi)單自由度越障機器人的研發(fā)及制造要與全球號召的高效經(jīng)濟、靈活、多樣等主題保持一致。近期對機器人行業(yè)中單自由度越障機器人的使用情況進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在機械行業(yè)中，單自由度越障機器人的使用非常普遍。自然而然在機械設(shè)備中它們的設(shè)計也非常頻繁。傳統(tǒng)的單自由度越障機器人結(jié)構(gòu)單一，實現(xiàn)的功能有限，所以設(shè)計一個專用的單自由度越障機器人勢在必行。 本文運用大學所學的知識，提出了單自由度越障機器人的結(jié)構(gòu)組成、工作原理以及主要零部件的設(shè)計中所必須的理論計算和相關(guān)強度校驗，構(gòu)建了單自由度越障機器人總的指導(dǎo)思想，從而得出了該單自由度越障機器人的優(yōu)點是高效，經(jīng)濟，并且變化靈活，多樣，運行平穩(wěn)的結(jié)論。 關(guān)鍵詞：發(fā)展；單自由度越障機器人；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 10 1.4.5 裝配設(shè)計 11 2 單自由度越障機器人總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 12 2.1 單自由度越障機器人的總體方案圖 12 3 機械傳動部分的設(shè)計計算 17 3.1電機的選型計算 18 3.2齒輪傳動的設(shè)計計算 19 3.3齒輪齒條的選型計算 19 4 各主要零部件強度的校核 24 4.1轉(zhuǎn)動軸強度的校核與計算 25 4.2齒輪強度的校核計算 26 結(jié) 論 26 致 謝 27 參考文獻 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 由于機械工程的知識總量已經(jīng)遠遠超越個人掌握所有，一些專業(yè)知識是必不可少的。但是過度的專業(yè)知識分割，使視野狹隘，可以多多參加技術(shù)交流，和參加科研項目，縮小范圍，提升新技術(shù)的進步和整個塊的技術(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，對專業(yè)合并的分化。機械工程可以增加產(chǎn)量，提高勞動生產(chǎn)率，提高生產(chǎn)的經(jīng)濟效益為目標，并研制和發(fā)展新的機械產(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)境污染作為一個超級經(jīng)濟目標和任務(wù)。機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)。現(xiàn)代機械工程機械和機械設(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。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，細胞和分子。電子計算機硬件和軟件，人類的新興科學已經(jīng)開始加強，并部分代替人腦科學，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，從而促進手功能。又一方面實踐促進人腦智力。在人類的進化過程中，以及在每個人的成長過程中，大腦和手是互相促進和平行進化。 大腦和手之間的人工智能和機械工程的近似關(guān)系，唯一不同的是，智能硬件還需要使用機械制造。在過去，各種機械離不開人類的操作和控制，反應(yīng)速度和運算精度的進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，計算機科學和機械工程進展之間的平行，將在更高層次的新一輪發(fā)展的開始使機械工程。在第十九世紀，機械工程的知識總量仍然是有限的，大學在歐洲，它與一般的土木工程是一門綜合性的學科，稱為土木工程，下半場的第十九個世紀成為一門獨立的學科。在第二十世紀，隨著機械工程和知識增長的發(fā)展開始分解，機械工程專業(yè)，有分支機構(gòu)。在第二十世紀中期趨勢分解，在時間之前和之后的第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時達到的峰值。由于機械工程的知識總量已經(jīng)遠遠從個人掌握所有，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)的進步和整個塊的技術(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，對專業(yè)合并的分化。綜合職業(yè)分化和發(fā)展知識循環(huán)過程的合成，是合理和必要的。從不同的專業(yè)和專業(yè)知識的專家，也有綜合的知識了解不夠，看看其他學科和項目作為一個整體，從而形成一種相互強烈的集體工作。綜合和專業(yè)水平。有機械工程全面而專業(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，包括社會科學，自然科學和工程技術(shù)，有一個更高的水平，更廣泛的綜合性和專業(yè)性的問題。 1.2單自由度越障機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 20世紀60年代，單自由度越障機器人人的研究工作開始起步。隨著計算機技術(shù)和機器人控制技術(shù)的研究和應(yīng)用， 到了 20 世紀 80 年代， 現(xiàn)代單自由度越障機器人人的研制工作進入了 廣泛開展階段。 世界上第一臺真正意義的四組步行機器人是由 Frank 和 McGhee 于 1977 年制作的。 該機器人具有較好的步態(tài)運動穩(wěn)定性， 但缺點是， 該機器人的關(guān)節(jié)是由邏輯電路組成的 狀態(tài)機控制的，因此機器人的運動受限制，只能呈現(xiàn)固定的運動形式。 20 世紀 80， 90 年代最具代表性的單自由度越障機器人人是日本 Shigeo Hirose 實驗室研制 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，實現(xiàn)在不平整地面的自適應(yīng)步行。 TITAN-VI 機器人采用新型的直動性腿機構(gòu)，避免了上樓梯過程中兩腿的干涉，并采用 兩級變速驅(qū)動機構(gòu)，對腿的支撐相和擺動相分別進行驅(qū)動。 2000-2003 年，日本電氣通信大學的木村浩等人研制成功了具有寵物狗外形的機器 人 Tekken-IV,它的每個關(guān)節(jié)安裝了一個光電碼盤，陀螺儀，傾角計和觸覺傳感器。系統(tǒng) 控制是由基于 CPG 的控制器通過反射機制來完成的。Tekken-IV 能夠?qū)嵕€不規(guī)則地面 的自適應(yīng)動態(tài)步行， 顯示了生物激勵控制對未知的不規(guī)則地面有自適應(yīng)能力的優(yōu)點。 它 的另一特點是利用了激光和 CCD 攝像機導(dǎo)航，可以辨別和避讓前方存在的障礙，能夠 在封閉回廊中實現(xiàn)無碰撞快速行走。 目前最具代表性的四組步行機器人是美國 Boston dynamics 實驗室研制的 BigDog,它能以不同的步態(tài)在惡劣的地形上攀爬，可以負載高達 52KG 的重量，爬升斜坡可達 35。其腿關(guān)節(jié)類似動物腿關(guān)節(jié)，安裝有吸收震動部件和能量循環(huán)部件。同時，腿部連 有很多傳感器，其運動通過伺服電機控制。該機器人機動性和反應(yīng)能力都很強，平衡能 力極佳。但由于汽油發(fā)電機需攜帶油箱，故工作時受環(huán)境影響大，可靠性差。另外，當 機器人行走時引擎會發(fā)出怪異的噪音。 國內(nèi)四足機器人研制工作從 20 世紀 80 年代起步，取得一定成果的有上海交通大 學、清華大學、哈爾濱工業(yè)大學等。 上海交通大學機器人研究所于 1991 年開展了 JTUWM 系列單自由度越障機器人人的研究。 1996 年該研究所研制成功了JTUWM-III， 該機器人采用開式鏈腿機構(gòu)， 每個腿有 3 個自 由度，具有結(jié)構(gòu)簡單，外形輕巧，體積小，質(zhì)量輕等特點。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，實線了對角動態(tài)行 走。但行走速度極慢，極限步速僅為 1.7KM/h,另外其負重能力有限，故在實際作業(yè)時 實用性較差。 清華大學所研制的一款單自由度越障機器人人，它采用開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機構(gòu)作為步進機構(gòu)， 通過模擬動物的運動機理，實現(xiàn)比較穩(wěn)定的節(jié)律運動，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。不足之處是腿運動時的協(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，實用化程度 也在不斷提高。國內(nèi)單自由度越障機器人的研究起步比較晚，在上個世紀 90 年代以后才逐漸 有了成果，但研究水平距世界先進水平還有差距。 1.3本課題研究的內(nèi)容 本論文主要研究運用SolidWorks對單自由度越障機器人進行設(shè)計。 1.3.1草圖繪制 掌握點、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、實體轉(zhuǎn)換等草圖繪制工具；能綜合應(yīng)用各種草圖繪制實體和利用草圖繪制工具完成草圖繪。 1.3.2 基準特征-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；靈活運用各種建立基準點的方法；靈活運用各種建立基準軸方法；靈活運用各種建立基準面的方法；靈活運用坐標系的建立方法；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 靈活運用拉伸特征的概念與建立方法；靈活運用旋轉(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；靈活運用放樣特征的概念與建立方法；通過實踐能夠準確分析零件的特征，靈活運用拉伸和旋轉(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體。 1.3.4工程圖設(shè)計 靈活運用用戶自定義工程圖格式文件的方法；靈活運用建立標準三視圖，剖視圖，斷面圖，局部圖，輔助視圖等方法；靈活運用各種注釋的方法。 1.3.5裝配設(shè)計 靈活運用自底向上的裝配方法；靈活運用生成裝配體爆炸圖的方法；靈活運用SolidWorks智能裝配技術(shù)；靈活運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)計子裝配體；靈活運用干涉檢查；靈活運用自上向下的裝配方法；靈活運用在裝配模型工程圖中添加零件序號；靈活運用生成裝配體材料明細表的方法。 2 單自由度越障機器人總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 2.1 單自由度越障機器人的總體方案圖 本次設(shè)計的單自由度越障機器人采取的方案圖如下圖所示; 3 機械傳動的設(shè)計計算 3.1 電機的選型計算 已知整個單自由度越障機器人中零件的重量，我們?nèi)】傊亓繛?0Kg，電機額定轉(zhuǎn)速為1440r/m。即： 具體的電機設(shè)計計算如下: N=＝0.18(KW) G－電機的負載 －傳動效率，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電機的結(jié)構(gòu)。 3.2齒輪傳動的設(shè)計計算 1） 選擇\齒輪材料為45（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS. 2） 精度等級選用7級精度； 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 因為低速級的載荷大于高速級的載荷，所以通過低速級的數(shù)據(jù)進行計算 1） 確定公式內(nèi)的各計算數(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度極限σHlim1＝600MPa；大齒輪的解除疲勞強度極限σHlim2＝550MPa； （7）計算應(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齒輪齒條的選型計算 2.3.1齒輪的設(shè)計 （1）選擇材料及確定需用應(yīng)力 小齒輪選用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，HB＝236 由《機械零件設(shè)計手冊》查得 （2） 確定各種參數(shù) 齒輪按 8等級精度制造 由于原動機為電動機，載荷平穩(wěn)，，一般按照中等沖擊載荷計算。查《機械設(shè)計基礎(chǔ)》得： 取K=1.3 查《機械設(shè)計基礎(chǔ)》11—4?。? 區(qū)域系數(shù) ZH=2.5 彈性系數(shù) ZE=188.0 查《機械設(shè)計基礎(chǔ)》教取：齒寬系數(shù) 由 （3）按齒面接觸強度設(shè)計計算 齒數(shù)取Z1=24 故實際傳動比由于是齒輪齒條傳動則i=1 模數(shù) 我們?nèi)=1.5寬 ， 取b=18mm （4）驗算齒輪彎曲強度 齒形系數(shù)YFa1=2.56，YSa1=1.63 YFa2=2.24，YSa2=1.76 由式 ，安全。 （5）計算齒輪圓周轉(zhuǎn)速v并選擇齒輪精度 此速度合適 其他計算從略。 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ha1 ha1=ha*m=1*1.5=1.5mm (3)齒根高hf1 hf1=(ha+c)*m=(1+0.2)*1.5=1.8mm (4)齒高h1 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 齒輪作回轉(zhuǎn)運動，齒條作直線運動，齒條可以看作一個齒數(shù)無窮多的齒輪的一部分，這時齒輪的各圓均變?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在無窮遠處。 齒輪與齒條嚙合時，不論是否標準安裝（齒輪與齒條標準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。只是在非標準安裝時，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。 齒輪與齒條的實際嚙合線為，即齒條頂線及齒輪齒頂圓與嚙合線的交點及之間的長度。 齒輪齒條傳動的幾何尺寸計算 齒輪與齒條傳動的尺寸計算見表 表 齒輪齒條傳動的幾何尺寸計算 項目名稱 計算公式及代號 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 項目名稱 計算公式及代號 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 各主要零部件強度的校核 4.1轉(zhuǎn)動軸強度的校核與計算 1、軸的特點: 軸是組成機械的主要零件之二。一切作回轉(zhuǎn)運動的傳動零件，都必須裝在軸上刁‘能進行運動及.力的傳遞，同時它又通過軸承和機架 聯(lián)接，由此形成個以軸為基準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心軸和空。 4、軸的設(shè)計重點 1、軸的設(shè)計 W軸的工作能力設(shè)計。 主要進行軸的強度設(shè)計、剛度設(shè)計，對于轉(zhuǎn)速較高的軸還要進行振動穩(wěn)定性的計算。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 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 器中的支撐要求，同時應(yīng)具有良好的工藝性。 一般的設(shè)計步驟為: 選擇材料，初估軸徑，結(jié)構(gòu)設(shè)計，強度校核，必要時要進行剛度校核和穩(wěn)定性計算。 2、軸的材料 軸是主要的支承件，常采用機械性能較好的材料。常用材料包括:碳素鋼:該類材料對應(yīng)力集中的敏感性較小，價格較低，是軸類零件最常用的材料常用牌號有:30、35、40、45、50。采用優(yōu)質(zhì)碳鋼時，一般應(yīng)進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械性能和熱處理性能，但對應(yīng)力集中較敏感，價格也較高。設(shè)計中尤其要汁意從結(jié)構(gòu)上減小應(yīng)力集中，并提高其表面質(zhì)量。 鑄鐵:對于形狀比較復(fù)雜的軸，可以選用球鑄鐵和高強度。 鑄鐵。它們具有較好的加工性和吸振性，經(jīng)濟性好且.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 根據(jù)軸在工作中的作用，軸的結(jié)構(gòu)取決于:軸在機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因素。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足:軸上零件布置合理，從而軸受力合理有利于提高強度和剛度;軸和軸上零件必須有準確的工作位置;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。軸頸上安裝滾動軸承時，直徑尺寸必須按滾動軸承的國標尺寸選擇，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行選擇，軸身尺寸確定時應(yīng)盡量使軸頸與軸頭的過渡合理，避免截面尺寸變化過大，同時具有較好的工藝性。 .結(jié)構(gòu)一設(shè)計步驟設(shè)計中常采用以下的設(shè)計步驟: 1、分析所設(shè)計軸的工作狀況，擬定軸上零件的裝配方案和軸在機器中的安裝情況。 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、固定及裝配時對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確的位置，即零件在軸上必須有準確的定位和固定。零件在軸上的準確位置包括軸向和周向兩個方面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,滾動軸承定位軸肩的高度需按照滾動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采用，軸肩高度無嚴格限制，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，且多為標準件，設(shè)計中需按照各種擋圈的用途和l國標來選用。 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，便于在安裝時零件上的鍵槽與軸上的鍵容易對準采用過盈配合時，為了便于裝配，直徑變化可用錐面過渡等。 (2)從加工來考慮:當軸的某段須磨削加工或有螺紋時，須設(shè)計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度，減小軸徑變化處的應(yīng)力集中，應(yīng)適當增大其過渡圓角徑，但同時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)計時應(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)、強度和剛度。其中對于軸的強度校核尤為重要，通過校核來確定軸的設(shè)計是否能達到使用要求，最終實現(xiàn)產(chǎn)品的完整設(shè)計。由此看來合理的進行軸的強度校核成為軸設(shè)計的主要內(nèi)容，同時也是評定軸的設(shè)計成敗得先決條件。校核結(jié)果如不滿足承載要求時，強度校核是對材料或設(shè)備的力學性能進行檢測并調(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。 進行軸的強度校核計算時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的計算方法，并恰當?shù)剡x取其許用應(yīng)力。對于傳動軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強度條件計算。 4.2軸承強度的校核計算 由于驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)的主動齒輪和從動齒輪材料均選用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，工作載荷為輕微沖擊，則 查《機械設(shè)計基礎(chǔ)》圖，得： (1)驗算齒面接觸疲勞強度 載荷系數(shù)，取K=1.5 查得： 接觸應(yīng)力為： (2)驗算齒根彎曲疲勞強度 取 K=1.5 查表：許用彎曲應(yīng)力： 彎曲疲勞強度的最小安全系數(shù)，取 則： 由上述計算可知，均滿足要求。 結(jié)論 在最近的一段時間的畢業(yè)設(shè)計，使我們充分把握的設(shè)計方法和步驟，不僅復(fù)習所學的知識，而且還獲得新的經(jīng)驗與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙設(shè)計，會遇到不清楚的作業(yè)，老師和學生都能給予及時的指導(dǎo)，確保設(shè)計進度，本文所設(shè)計的是單自由度越障機器人的設(shè)計，通過初期的定題，查資料和開始正式做畢設(shè)，讓我系統(tǒng)地了解到了所學知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會到做一門學問不易，需要不斷鉆研，不斷進取才可要做的好，總之，本設(shè)計完成了老師和同學的幫助下，在大學研究的最感謝幫助過我的老師和同學，是大家的幫助才使我的論文得以通過。 19 致 謝 當我寫到這里的時候，我心里是別提有多么的開心，不管前面的對與錯，總之，我覺得自己做到這里已不錯了，感謝我的老師和幫助我的同學一起到圖書館查資料的那些同學們，要不是你們恐怕我現(xiàn)在真不知道自己能做到哪里，首先您不僅在學習學業(yè)上對我以精心的指導(dǎo)，同時還在我改寫論文時給我鼓勵和支持，從這點看出老師當初選你當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啦，也許自己做的比那些人做的會更好，同時，我要把這種態(tài)度放到工作當中，我相信我自己一定可以比別人做的出色。說實話，我從開始認真做畢業(yè)設(shè)計的時候，才領(lǐng)悟到知識確實是種強大的工具，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，我想如果大學這四年我好好來利用它的話，我的畢業(yè)設(shè)計不談在班里第一個交，最少也在前十個人之前交，最后在這里衷心的對所有關(guān)心我?guī)椭业谋磉_我由衷敬意，謝謝各位同學的幫助。 參考文獻 [1] 武動 機械設(shè)備設(shè)計 北京：科學出版社，2004.5 [2] 劉成 單自由度越障機器人概述 北京：機械工業(yè)出版社，2005.1 [3] 張棟 單自由度越障機器人的創(chuàng)新設(shè)計.高等教育出版社，2004.3 [4] 姜繼海，宋錦春，高常識. 單自由度越障機器人工作原理.高等教育出版社，2002.8 [5] 張春林，曲繼方，張美麟.機械創(chuàng)新設(shè)計.機械工業(yè)出版社，2001.4 [6] 錢平. 加工專機應(yīng)用技術(shù) 機械工業(yè)出版社，2005.1 [7] 張遼遠. 單自由度越障機器人的設(shè)計與實現(xiàn). 機械工業(yè)出版社，2002.8 [8] 基恩士傳感器選擇手冊 2010版本 [9] 黃長藝，嚴普強.機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ). 機械工業(yè)出版社，2001.1 [10] 張桓，陳作模.機械原理.高等教育出版社，2000.8 [11] 王昆，何小柏，汪信遠. 單自由度越障機器人原理.高等教育出版社，1995.12 [12] 徐錦康.機械設(shè)計. 高等教育出版社，2004.4 [13] 鄧星鐘.機電傳動控制.華中科技大學出版社，2001.3 [14] 劉延俊.液壓與氣壓傳動.機械工業(yè)出版社，2002.12 [15] 章宏甲，黃誼，王積偉. 單自由度越障機器人的逆向設(shè)計.機械工業(yè)出版社，2000.5 [16] 胡泓，姚伯威.機電一體化原理及應(yīng)用. 北京：國防工業(yè)出版社，2000.6 [17] 陳鐵鳴 單自由度越障機器人的創(chuàng)新. 高等教育出版社，2003.7 [18] 孫靖民.機械優(yōu)化設(shè)計. 機械工業(yè)出版社，2005.1 [19] 黃俊.系統(tǒng)分析與設(shè)計.北京:清華大學出版社，1991.7 [20]Hirohiko Arai, Kazuo Tanie, and Susumu Tachi. Dynamic Control of a Manipulator with Passive Joints in Operational Space 　 附錄 一 機械工程的內(nèi)容 機械工程的服務(wù)領(lǐng)域廣闊而多面，凡是使用機械、工具，以至能源和材料生產(chǎn)的部門，都需要機械工程的服務(wù)。概括說來，現(xiàn)代機械工程有五大服務(wù)領(lǐng)域：研制和提供能量轉(zhuǎn)換機械、研制和提供用以生產(chǎn)各種產(chǎn)品的機械、研制和提供從事各種服務(wù)的機械、研制和提供家庭和個人生活中應(yīng)用的機械、研制和提供各種機械武器。 不論服務(wù)于哪一領(lǐng)域，機械工程的工作內(nèi)容基本相同，主要有： 建立和發(fā)展機械工程的工程理論基礎(chǔ)。例如，研究力和運動的工程力學和流體力學；研究金屬和非金屬材料的性能，及其應(yīng)用的工程材料學；研究熱能的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)換的熱力學；研究各類有獨立功能的機械元件的工作原理、結(jié)構(gòu)、設(shè)計和計算的機械原理和機械零件學；研究金屬和非金屬的成形和切削加工的金屬工藝學和非金屬工藝學等等。 研究、設(shè)計和發(fā)展新的機械產(chǎn)品，不斷改進現(xiàn)有機械產(chǎn)品和生產(chǎn)新一代機械產(chǎn)品，以適應(yīng)當前和將來的需要。 機械產(chǎn)品的生產(chǎn)，包括：生產(chǎn)設(shè)施的規(guī)劃和實現(xiàn)；生產(chǎn)計劃的制訂和生產(chǎn)調(diào)度；編制和貫徹制造工藝；設(shè)計和制造工具、模具；確定勞動定額和材料定額；組織加工、裝配、試車和包裝發(fā)運；對產(chǎn)品質(zhì)量進行有效的控制。機械制造企業(yè)的經(jīng)營和管理。機械一般是由許多各有獨特的成形、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)。銷售對象遍及全部產(chǎn)業(yè)和個人、家庭。而且銷售量在社會經(jīng)濟狀況的影響下，可能出現(xiàn)很大的波動。因此，機械制造企業(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械工業(yè)。 機械產(chǎn)品的應(yīng)用。這方面包括選擇、訂購、驗收、安裝、調(diào)整、操作、維護、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機械和成套機械裝備，以保證機械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟性。 機械產(chǎn)品的應(yīng)用。這方面包括選擇、訂購、驗收、安裝、調(diào)整、操作、維護、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機械和成套機械裝備，以保證機械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟性。 研究機械產(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方面的問題，及其處理措施。這是現(xiàn)代機械工程的一項特別重要的任務(wù)，而且其重要性與日俱增。 機械工程分類 機械的種類繁多，可以按幾個不同方面分為各種類別，如：按功能可分為動力機械、物料搬運機械、粉碎機械等；按服務(wù)的產(chǎn)業(yè)可分為農(nóng)業(yè)機械、礦山機械、紡織機械等；按工作原理可分為熱力機械、流體機械、仿生機械等。另外，機械在其研究、開發(fā)、設(shè)計、制造、運用等過程中都要經(jīng)過幾個工作性質(zhì)不同的階段。按這些不同階段，機械工程又可劃分為互相銜接、互相配合的幾個分支系統(tǒng)，如機械科研、機械設(shè)計、機械制造、機械運用和維修等。 這些按不同方面分成的多種分支學科系統(tǒng)互相交叉，互相重疊，從而使機械工程可能分化成上百個分支學科。例如，按功能分的動力機械，它與按工作原理分的熱力機械、流體機械、透平機械、往復(fù)機械、蒸汽動力機械、核動力裝置、內(nèi)燃機、燃氣輪機，以及與按行業(yè)分的中心電站設(shè)備、工業(yè)動力裝置、鐵路機車、船舶輪機工程、汽車工程等都有復(fù)雜的交叉和重疊關(guān)系。船用汽輪機是動力機械，也是熱力機械、流體機械和透平機械，它屬于船舶動力裝置、蒸汽動力裝置，可能也屬于核動力裝置等等。 機械工程的發(fā)展歷程 人類成為“現(xiàn)代人”的標志就是制造工具。石器時代的各種石斧、石錘和木質(zhì)、皮質(zhì)的簡單粗糙的工具是后來出現(xiàn)的機械的先驅(qū)。從制造簡單工具演進到制造由多個零件、部件組成的現(xiàn)代機械，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。所用的動力，從人自身的體力，發(fā)展到利用畜力、水力和風力。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，已是具有動力、傳動和工作三個部分的完整機械。 人類從石器時代進入青銅時代，再進而到鐵器時代，用以吹旺爐火的鼓風器的發(fā)展起了重要作用。有足夠強大的鼓風器，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器，并逐漸從人力鼓風發(fā)展到畜力和水力鼓風。 15～16世紀以前，機械工程發(fā)展緩慢。但在以千年計的實踐中，在機械發(fā)展方面還是積累了相當多的經(jīng)驗和技術(shù)知識，成為后來機械工程發(fā)展的重要潛力。17世紀以后，資本主義在英、法和西歐諸國出現(xiàn)，商品生產(chǎn)開始成為社會的中心問題。 18世紀后期，蒸汽機的應(yīng)用從采礦業(yè)推廣到紡織、面粉、冶金等行業(yè)。制作機械的主要材料逐漸從木材改用更為堅韌，但難以用手工加工的金屬。機械制造工業(yè)開始形成，并在幾十年中成為一個重要產(chǎn)業(yè)。 機械工程通過不斷擴大的實踐，從分散性的、主要依賴匠師們個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)的和獨立的工程技術(shù)。機械工程是促成18～19世紀的工業(yè)革命，以及資本主義機械大生產(chǎn)的主要技術(shù)因素。 動力是發(fā)展生產(chǎn)的重要因素。17世紀后期，隨著各種機械的改進和發(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)動工作機械。但當時的煤礦、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世紀初出現(xiàn)了紐科門的大氣式蒸汽機，用以驅(qū)動礦井排水泵。但是這種蒸汽機的燃料消耗率很高，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，降低了燃料消耗率。1781年瓦特又創(chuàng)制出提供回轉(zhuǎn)動力的蒸汽機，擴大了蒸汽機的應(yīng)用范圍。蒸汽機的發(fā)明和發(fā)展，使礦業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)、鐵路和航運都得以機械動力化。蒸汽機幾乎是19世紀唯一的動力源，但蒸汽機及其鍋爐、凝汽器、冷卻水系統(tǒng)等體積龐大、笨重，應(yīng)用很不方便。 19世紀末，電力供應(yīng)系統(tǒng)和電動機開始發(fā)展和推廣。20世紀初，電動機已在工業(yè)生產(chǎn)中取代了蒸汽機，成為驅(qū)動各種工作機械的基本動力。生產(chǎn)的機械化已離不開電氣化，而電氣化則通過機械化才對生產(chǎn)發(fā)揮作用。 發(fā)電站初期應(yīng)用蒸汽機為原動力。20世紀初期，出現(xiàn)了高效率、高轉(zhuǎn)速、大功率的汽輪機，也出現(xiàn)了適應(yīng)各種水利資源的水輪機，促進了電力供應(yīng)系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展。 19世紀后期發(fā)明的內(nèi)燃機經(jīng)過逐年改進，成為輕而小、效率高、易于操縱、并可隨時啟動的原動機。它先被用以驅(qū)動沒有電力供應(yīng)的陸上工作機械，以后又用于汽車、移動機械和輪船，到20世紀中期開始用于鐵路機車。蒸汽機在汽輪機和內(nèi)燃機的排擠下，已不再是重要的動力機械。內(nèi)燃機和以后發(fā)明的燃氣輪機、噴氣發(fā)動機的發(fā)展，是飛機、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)機械上的小型零件。金屬加工主要靠機匠的精工細作，以達到需要的精度。蒸汽機動力裝置的推廣，以及隨之出現(xiàn)的礦山、冶金、輪船、機車等大型機械的發(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)所需的機械裝備的供應(yīng)。 社會經(jīng)濟的發(fā)展，對機械產(chǎn)品的需求猛增。生產(chǎn)批量的增大和精密加工技術(shù)的進展，促進了大量生產(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世紀末創(chuàng)立的科學管理方法，使汽車和其他大批量生產(chǎn)的機械產(chǎn)品的生產(chǎn)效率很快達到了過去無法想象的高度。 20世紀中、后期，機械加工的主要特點是：不斷提高機床的加工速度和精度，減少對手工技藝的依賴；提高成形加工、切削加工和裝配的機械化和自動化程度；利用數(shù)控機床、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世紀以前，機械匠師全憑經(jīng)驗、直覺和手藝進行機械制作，與科學幾乎不發(fā)生聯(lián)系。到18～19世紀，在新興的資本主義經(jīng)濟的促進下，掌握科學知識的人士開始注意生產(chǎn)，而直接進行生產(chǎn)的匠師則開始學習科學文化知識，他們之間的交流和互相啟發(fā)取得很大的成果。在這個過程中，逐漸形成一整套圍繞機械工程的基礎(chǔ)理論。 動力機械最先與當時的先進科學相結(jié)合。蒸汽機的發(fā)明人薩弗里、瓦特，應(yīng)用了物理學家帕潘和布萊克的理論；在蒸汽機實踐的基礎(chǔ)上，物理學家卡諾、蘭金和開爾文建立起一門新的科學——熱力學。內(nèi)燃機的理論基礎(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，徹底改進了他原來創(chuàng)造的粗陋笨重、噪聲大、熱效率低的內(nèi)燃機而奠定了內(nèi)燃機的地位。其他如汽輪機、燃氣輪機、水輪機等都在理論指導(dǎo)下得到發(fā)展，而理論也在實踐中得到改進和提高。 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)架等機件。古希臘已有圓柱齒輪、圓錐齒輪和蝸桿傳動的記載。但是，關(guān)于齒輪傳動瞬時速比與齒形的關(guān)系和齒形曲線的選擇，直到17世紀之后方有理論闡述。 手搖把和踏板機構(gòu)是曲柄連桿機構(gòu)的先驅(qū)，在各文明古國都有悠久歷史，但是曲柄連桿機構(gòu)的形式、運動和動力的確切分析和綜合，則是近代機構(gòu)學的成就。機構(gòu)學作為一個專門學科，遲至19世紀初才首次列入高等工程學院(巴黎的工藝學院)的課程。通過理論研究，人們方能精確地分析各種機構(gòu)，包括復(fù)雜的空間連桿機構(gòu)的運動，并進而能按需要綜合出新的機構(gòu)。 機械工程的工作對象是動態(tài)的機械，它的工作情況會發(fā)生很大的變化。這種變化有時是隨機而不可預(yù)見；實際應(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)為工作對象的土木工程相比，機械工程中各種問題更難以用理論精確解決。因此，早期的機械工程只運用簡單的理論概念，結(jié)合實踐經(jīng)驗進行工作。設(shè)計計算多依靠經(jīng)驗公式；為保證安全，都偏于保守，結(jié)果制成的機械笨重而龐大，成本高，生產(chǎn)率低，能量消耗很大。 從18世紀起，新理論的不斷誕生，以及數(shù)學方法的發(fā)展，使設(shè)計計算的精確度不斷的提高。進入20世紀，出現(xiàn)各種實驗應(yīng)力分析方法，人們已能用實驗方法測出模型和實物上各部位的應(yīng)力。20世紀后半葉，有限元法和電子計算機的廣泛應(yīng)用，使得對復(fù)雜的機械及其零。構(gòu)件進行力、力矩、應(yīng)力等的分析和計算成為可能。對于掌握有充分的實踐或?qū)嶒炠Y料的 機械或其元件，已經(jīng)可以運用統(tǒng)計技術(shù)，按照要求的可靠度，科學地進行機械設(shè)計。 機械工程的發(fā)展展望 機械工程以增加生產(chǎn)、提高勞動生產(chǎn)率、提高生產(chǎn)的經(jīng)濟性為目標來研制和發(fā)展新的機械產(chǎn)品。在未來的時代，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)濟的目標任務(wù)。 機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)代機械工程創(chuàng)造出越來越精巧和越來越復(fù)雜的機械和機械裝置，使過去的許多幻想成為現(xiàn)實。 人類現(xiàn)在已能上游天空和宇宙，下潛大洋深層，遠窺百億光年，近察細胞和分子。新興的電子計算機硬、軟件科學使人類開始有了加強，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，從而更促進手的功能。手的實踐反過來又促進人腦的智慧。在人類的整個進化過程中，以及在每個人的成長過程中，腦與手是互相促進和平行進化的。 人工智能與機械工程之間的關(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械制造出來。過去，各種機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化很慢的人腦和神經(jīng)系統(tǒng)的限制，人工智能將會消除了這個限制。計算機科學與機械工程之間的互相促進，平行前進，將使機械工程在更高的層次上開始新的一輪大發(fā)展。 19世紀時，機械工程的知識總量還很有限，在歐洲的大學院校中它一般還與土木工程綜合為一個學科，被稱為民用工程，19世紀下半葉才逐漸成為一個獨立學科。進入20世紀，隨著機械工程技術(shù)的發(fā)展和知識總量的增長，機械工程開始分解，陸續(xù)出現(xiàn)了專業(yè)化的分支學科。這種分解的趨勢在20世紀中期，即在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束的前后期間達到了最高峰。 由于機械工程的知識總量已擴大到遠非個人所能全部掌握，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)整體的進步，對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過狹，考慮問題過專，在協(xié)同工作時配合協(xié)調(diào)困難，也不利于繼續(xù)自學提高。因此自20世紀中、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，合并分化過細的專業(yè)。 綜合-專業(yè)分化-再綜合的反復(fù)循環(huán)，是知識發(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，又具有足夠的綜合知識來認識、理解其他學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。在人類的全部知識中，包括社會科學、自然科學和工程技術(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