載人三自由度三角形機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究【說(shuō)明書+CAD+SOLIDWORKS】
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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
載人三自由度三角形機(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○一五年四月
摘 要
機(jī)器人是一種能夠模仿人類動(dòng)作的機(jī)器，它可以完成許多對(duì)人類來(lái)說(shuō)危險(xiǎn)且單調(diào)的工作，機(jī)器人讓人類從繁重、單調(diào)的工作中解脫出來(lái)。它們從事固定而有規(guī)律的工作，例如工業(yè)生產(chǎn)中的焊接、噴漆等等。
本文主要以電動(dòng)推桿作為主要執(zhí)行元件來(lái)設(shè)計(jì)載人三自由度三角形機(jī)器人的整體方案。該機(jī)構(gòu)采用統(tǒng)一動(dòng)作、協(xié)調(diào)控制的原則，通過(guò)推桿的行程的打開來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人腳的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)中控系統(tǒng)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)載人三自由度三角形機(jī)器人的動(dòng)作，由于是中控系統(tǒng)控制，所以控制靈活，多樣。人可以坐在機(jī)器人上面，通過(guò)控制器來(lái)控制機(jī)器人的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)一些人類靠自己腳力無(wú)法完成的功能。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人；工作；控制；三自由度三角形機(jī)器人
ABSTRACT
A robot is a machine which can imitate human actions, it can finish a lot of human risk and monotonous work, let the human robot free out from the heavy, monotonous work. They engaged in regular work, such as industrial production welding, painting and so on.
The overall scheme of this paper to the electric push rod as the main component to design manned three degree of freedom triangular robot. The mechanism adopts the unified action, the coordinated control principle, by opening the travel of the push rod to realize the robot foot movement, to achieve a manned with three degrees of freedom robot motion control in the triangle by control system, the control system to control, so the control of flexible, multi sample. People can sit on the robot, the controller is adopted to control the robot's movement, the realization of some people rely on their own to complete the function of the leg muscles.
Key word: Robot；cylinder；pneumatic loop；Four degrees of freedom
ii
目 錄
摘 要 i
ABSTRACT ii
目 錄 iii
1 緒論 1
1.1 機(jī)器人簡(jiǎn)史 3
1.2 應(yīng)用機(jī)器人的意義 6
1.3 本課題研究的內(nèi)容 9
2 載人三自由度三角形機(jī)器人總體方案結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 12
2.1 載人三自由度三角形機(jī)器人的總體方案圖 12
2.2 載人三自由度三角形機(jī)器人的工作原理 12
3 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13
3.1電動(dòng)推桿的定義 14
3.2電動(dòng)推桿的主要結(jié)構(gòu) 15
3.3電動(dòng)推桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 16
3.4 連接軸的設(shè)計(jì) 17
4 各主要零部件強(qiáng)度的校核 18
4.1 連接軸輕度的校核 19
4.2 底板強(qiáng)度的校核 19
5 載人三自由度三角形機(jī)器人的三維建模 20
5.1 電動(dòng)推桿的三維建模 23
5.2 支板的三維建模 24
5.3 安全欄的三維建模 25
5.4 載人三自由度三角形機(jī)器人的三維建模 25
6 三維軟件設(shè)計(jì)總結(jié) 26
結(jié)論 28
致 謝 29
參考文獻(xiàn) 38
附錄 一 32
附錄 二 42
1 緒論
機(jī)械工業(yè)是國(guó)民的裝備部，是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi)品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機(jī)械裝備，機(jī)械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益有很大的和直接的影響。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國(guó)都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國(guó)經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。
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(lái)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(yíng)和管理。機(jī)械一般是由許多各有獨(dú)特的成形、加工過(guò)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(yíng)特別復(fù)雜，企業(yè)的生產(chǎn)管理、規(guī)劃和經(jīng)營(yíng)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(gòu)、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(zhǎng)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(gòu)、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(zhǎng)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(guò)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(guò)度耗費(fèi)方面的問(wèn)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(guò)程中都要經(jīng)過(guò)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。
機(jī)器人是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。機(jī)器人的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)器人作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。
機(jī)器人是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)器人被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)器人的發(fā)展，使得機(jī)器人能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)器人雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)器人已受到許多部門的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用。
機(jī)器人技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣氣技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)器人是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多自由度，可用來(lái)搬運(yùn)物體以及可以在各個(gè)不同環(huán)境中工作。
1.1機(jī)器人簡(jiǎn)史
現(xiàn)代機(jī)器人起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化產(chǎn)品。
機(jī)器人首先是從美國(guó)開始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。
1962年，美國(guó)機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)器人。商名為Unimate(即萬(wàn)能自動(dòng))。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用氣驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)器人就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)機(jī)器人。
1962年，美國(guó)機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)器人，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)器人的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用氣驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)器人出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外機(jī)器人發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年，美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型機(jī)器人，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。
美國(guó)還十分注意提高機(jī)器人的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機(jī)器人試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指一臺(tái)設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由400小時(shí)提高到1500小時(shí)，精度可提高到±0.1毫米。
德國(guó)機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)器人，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)器人，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)器人，采用示教方法編制程序。
瑞典安莎公司采用機(jī)器人清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。
日本是機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)二種典型機(jī)器人后，大力研究機(jī)器人的研究。據(jù)報(bào)道，1976年從事機(jī)器人的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個(gè)。1979年120多個(gè)大學(xué)和國(guó)家研究部門用在機(jī)器人的研究費(fèi)用42%。1979年日本機(jī)器人的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺(tái)。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)器人產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長(zhǎng)50%。智能機(jī)器人約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)器人累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺(tái)。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長(zhǎng)。使用機(jī)器人最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬(wàn)機(jī)器人在工作。
第二代機(jī)器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機(jī)器人具有感覺機(jī)能。目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)器人。
第三代機(jī)器人（機(jī)器人）則能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。
隨著工業(yè)機(jī)器手（機(jī)器人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開展很多。
1.2 應(yīng)用機(jī)器人的意義
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人也越來(lái)越多的地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗(yàn)、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實(shí)理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國(guó)防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。
在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)器人的意義可以概括如下：
一、以提高生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化程度
應(yīng)用機(jī)器人有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。
二、以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故
在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)器人即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。
在一些簡(jiǎn)單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)器人代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)
應(yīng)用機(jī)器人代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)器人可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒(méi)有機(jī)器人，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。
綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)器人，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。
各類機(jī)器人的圖形分別如下所示：
1.3本課題研究的內(nèi)容
本論文主要研究運(yùn)用SolidWorks對(duì)載人三自由度三角形機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，了解載人三自由度三角形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特征和三維軟件的使用要領(lǐng)。
本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種載人三自由度三角形機(jī)器人。該機(jī)器人能夠載人行駛，能夠?qū)崿F(xiàn)步行，載人載物等等多種功能，其研究?jī)?nèi)容包括：
（1）功能分析與方案設(shè)計(jì)；
（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維造型；
（3）運(yùn)動(dòng)仿真；
（4）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
2 載人三自由度三角形機(jī)器人總體方案結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2.1 載人三自由度三角形機(jī)器人的總體方案圖
本次設(shè)計(jì)的載人三自由度三角形機(jī)器人采取的方案是：在機(jī)器人的兩側(cè)各布置一組腿，成對(duì)稱分布，通過(guò)電動(dòng)推桿推動(dòng)機(jī)器人的腳步來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的步態(tài)動(dòng)作。根據(jù)控制方法的不同，機(jī)器人的步態(tài)也有所不同。整機(jī)采用成本低廉且經(jīng)久耐用的碳鋼板作為材料，經(jīng)過(guò)噴漆噴塑處理后在外觀上面得到了一定的保證。其具體方案布局圖如下：
2.2 載人三自由度三角形機(jī)器人的工作原理
本次設(shè)計(jì)的載人三自由度三角形機(jī)器人的工作原理為：通過(guò)電動(dòng)推桿的行程的打開與關(guān)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人腳部的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)中控系統(tǒng)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)載人三自由度三角形機(jī)器人的動(dòng)作規(guī)律，由于是中控系統(tǒng)控制，所以控制靈活，多樣。人可以坐在機(jī)器人上面，通過(guò)控制器來(lái)控制機(jī)器人的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)一些人類靠自己腳力無(wú)法完成的功能。
3 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.1 電動(dòng)推桿的定義
電動(dòng)推桿，英文名Linear Actuator，、電動(dòng)缸及線性致動(dòng)器。電動(dòng)推桿是一種將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的電力驅(qū)動(dòng)裝置。可用于各種簡(jiǎn)單或復(fù)雜的工藝流程中做為執(zhí)行機(jī)械使用，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制或自動(dòng)控制。電動(dòng)推桿是一種電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其工作原理是由電機(jī)旋轉(zhuǎn)經(jīng)渦輪蝸桿或者齒輪改變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，通過(guò)推拉往返，來(lái)達(dá)到使某一設(shè)備裝置完成往復(fù)動(dòng)作。近年來(lái)，這種設(shè)備廣泛應(yīng)用于各種簡(jiǎn)單復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備制造當(dāng)中。?電動(dòng)推桿的主要構(gòu)成是：電機(jī)、減速齒輪（渦輪蝸桿）、絲杠。選配件：行程開關(guān)、電位器、安裝支架等。?電動(dòng)推桿形式分為普通T型齒和滾珠絲杠兩種，普通T型齒適應(yīng)于工作頻率不太高的場(chǎng)合，每小時(shí)電動(dòng)推桿工作在10次左右的，完全可以滿足。T型齒電動(dòng)推桿可實(shí)現(xiàn)完全自鎖功能，以保證應(yīng)用絕對(duì)的安全性。滾珠絲杠推桿可以達(dá)到連續(xù)不間斷工作，以滿足高頻率應(yīng)用的需求。?電動(dòng)推桿的行程開關(guān)用以控制推桿的行程，當(dāng)行程達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電機(jī)自動(dòng)斷電，電位器用來(lái)顯示推桿的運(yùn)行行程值，可以達(dá)到對(duì)推桿隨時(shí)可控可調(diào)的自動(dòng)化目的。?電動(dòng)推桿升降機(jī)系統(tǒng)負(fù)載力最高可達(dá)250KN，用以解決高承重的推拉升降裝置，并可以實(shí)現(xiàn)一拖一，一拖二，一拖四等同步功能。
3.2電動(dòng)推桿的主要結(jié)構(gòu)
電動(dòng)推桿由一個(gè)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)減速齒輪，螺桿，螺母，導(dǎo)套，頂桿，滑塊，彈簧，殼體與渦輪，微動(dòng)開關(guān)等組成。
電動(dòng)推桿是一種新的電動(dòng)執(zhí)行器，電動(dòng)推桿是主要由電機(jī)，推桿和由一個(gè)新的線性執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制裝置，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，集中控制。電動(dòng)推桿使一定范圍內(nèi)的行程往復(fù)運(yùn)動(dòng)一般電動(dòng)推桿，標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)推桿電動(dòng)推桿可根據(jù)不同推力負(fù)荷不同的應(yīng)用設(shè)計(jì)，可達(dá)6000N最大推力，空載轉(zhuǎn)速為4mm ~ 35毫米/秒，在24V、12V直流永磁電機(jī)為動(dòng)力源的電動(dòng)推桿，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)。促進(jìn)一套連桿機(jī)構(gòu)完成節(jié)流閥，閥門，閘門，擋板開關(guān)。電動(dòng)推桿作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不僅可以減少氣源裝置及氣動(dòng)執(zhí)行器所需的輔助設(shè)備的使用，還可以減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重量。氣動(dòng)執(zhí)行器在整個(gè)控制過(guò)程中需要有一些壓力，但消耗量小的放大器可以使用，但日積月累，天然氣消費(fèi)量仍然是巨大的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)推桿，你需要提供一個(gè)變化的控制，開放，開放時(shí)間達(dá)到所需的功率不能，因此，從能源的角度來(lái)看，電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行器具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)比天然氣。適用于遠(yuǎn)距離控制，廣泛應(yīng)用于電力，化工，冶金，礦山，輕工業(yè)，交通運(yùn)輸，對(duì)節(jié)流閥，造船等部門，門開閉機(jī)構(gòu)，物料搬運(yùn)，流量控制，等。它已被越來(lái)越多的部門用它來(lái)代替機(jī)械手，液壓閥，自動(dòng)減速機(jī)構(gòu)。
3.3電動(dòng)推桿的設(shè)計(jì)計(jì)算
載人三自由度三角形機(jī)器人中機(jī)器人的動(dòng)作主要是靠電動(dòng)推桿來(lái)完成的，由系統(tǒng)工況可知，載人機(jī)器人的承重量我們假定為200KG,假定機(jī)器人的移動(dòng)速度為20mm/ s,則有下列計(jì)算：
F=Mg=200x9.8=1960N.
功率P=FXV=1960x0.3=6533w=6.5kw
電機(jī)扭矩T=9550P/n=9550x6.5/1400=44N.m
則推桿扭矩 T推=TXiXη=44X1X0.98=43.12N.m.
由式F=2πηT/I可得推桿推力為200N,
其中，η是絲桿傳遞效率，I是絲桿導(dǎo)程。
3.4 連接軸的設(shè)計(jì)
軸是組成機(jī)械的重要零件之一，它是安裝各種傳動(dòng)零件，使之繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)軸承與機(jī)座相聯(lián)接。軸與其上的零件組成一個(gè)組合體—軸系部件，在軸的設(shè)計(jì)中不能只考慮軸本身，必須和軸系零、不見的整個(gè)結(jié)構(gòu)密切聯(lián)系起來(lái)。
由于振動(dòng)輸送所用的軸即傳遞扭矩又承受彎矩，所以我所設(shè)計(jì)的階梯軸為轉(zhuǎn)軸，由于小帶輪已經(jīng)設(shè)計(jì)好，大帶輪的尺寸也就定了，只剩下軸徑的確定，軸的初步設(shè)計(jì)是根據(jù)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，校核彎曲強(qiáng)度，由于軸的材料很多，主要根據(jù)軸的使用條件，對(duì)軸的強(qiáng)度、剛度、和其他機(jī)械性能等的要求，采用熱處理方式，同時(shí)考慮制造加工工藝并力求經(jīng)濟(jì)合理，通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算來(lái)選擇軸的材料，選用最常見的45#鋼作為軸的材料,且其需用切應(yīng)力為40MPa
軸與其上的零件組合成一個(gè)組合體，在軸的設(shè)計(jì)中不能只考慮軸本身，必須和軸系零部件的整個(gè)結(jié)構(gòu)密切聯(lián)系起來(lái)。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在初算軸徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。為滿足軸上零件的定位、緊固要求和便于軸的加工和軸上零件的裝拆，通常將軸設(shè)計(jì)成階梯軸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是合理確定階梯軸的形狀和全部結(jié)構(gòu)尺寸。軸的材料選用45號(hào)鋼，為保證其力學(xué)性能，進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理。
1、初步計(jì)算軸的直徑
按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算軸的最小直徑，寫成設(shè)計(jì)公式，軸的最小直徑mm，查表16.2，c=112, p=20.35, n=851,代入設(shè)計(jì)公式得=17.26mm?？紤]到軸上有鍵槽以及其他因素的影響，應(yīng)適當(dāng)增加軸徑以補(bǔ)償鍵槽對(duì)軸強(qiáng)度的削弱。取軸的直徑d為20mm，即最右端裝帶輪處的直徑為20mm。裝有密封元件和滾動(dòng)軸承處的直徑，應(yīng)與密封元件和軸承的內(nèi)孔徑尺寸保持一致。軸上兩個(gè)支點(diǎn)的軸承，應(yīng)盡量采用相同的型號(hào)，便于軸承座孔的加工。相臨軸段的直徑不同形成軸肩。當(dāng)軸肩用于軸上零件定位和承受軸向力時(shí)，應(yīng)具有一定的高度，軸肩處的直徑差一般取5—10mm，這里軸肩出的直徑差選擇5mm，然后協(xié)調(diào)各段軸的長(zhǎng)度，考慮到要裝軸承座和機(jī)構(gòu)的合理性，還有螺釘?shù)鹊拈L(zhǎng)度及其他各方面的因素，初步確定軸的各段長(zhǎng)度。
4 各主要零部件強(qiáng)度的校核
4.1 連接軸輕度的校核
軸的強(qiáng)度計(jì)算一般可分為三種：1）按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度或剛度計(jì)算；2）按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算；3）精確強(qiáng)度校核計(jì)算。
當(dāng)軸的支撐位置和軸所受的載荷大小、方向、作用點(diǎn)及載荷種類均已確定，支撐反力及彎矩可求得時(shí)，可按照彎曲或者彎扭合成強(qiáng)度進(jìn)行軸的強(qiáng)度計(jì)算。作用在軸上的載荷一般按集中載荷考慮，如本設(shè)計(jì)中的帶傳動(dòng)對(duì)軸的力，其作用點(diǎn)取在輪緣寬度的中點(diǎn)。計(jì)算時(shí)，通常把軸當(dāng)作置于鉸鏈支座上的雙支點(diǎn)梁，一般軸的支點(diǎn)近似取為軸承寬度中點(diǎn)。
由于本設(shè)計(jì)所用軸主要是受彎曲強(qiáng)度，很少的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，是根據(jù)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，應(yīng)校核軸的彎曲強(qiáng)度，首先分析軸的受力，左端受的是圓錐篩的重力，右端是帶輪對(duì)軸的力，中間是軸承座的兩個(gè)支撐力。
左端的作用力包括篩自身的重力、物料的重力、物料旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。所以考慮圓錐篩對(duì)軸產(chǎn)生作用力時(shí)，僅是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
軸徑是按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步設(shè)計(jì)的，所以要校核軸的彎曲強(qiáng)度，軸的強(qiáng)度校核也就是找出危險(xiǎn)截面，看危險(xiǎn)截面是否滿足軸徑條件，如果危險(xiǎn)截面滿 足，那么別的軸徑肯定滿足；根據(jù)軸的實(shí)際尺寸，承受的彎矩、扭矩圖考慮應(yīng)力集中，表面狀態(tài)，尺寸影響等因素，及軸材料的疲勞極限，計(jì)算危險(xiǎn)截面的情況是否滿足條件。我所校核的軸是根據(jù)許用彎曲應(yīng)力校核的，即由彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力不超過(guò)許用彎曲應(yīng)力，一般計(jì)算順序是先畫出軸的空間受力圖，將軸上作用力分解為水平面受力圖和垂直面受力圖，并求出水平面上和垂直面上的支承點(diǎn)反作用力。然后作出水平面上的彎矩和垂直面上的彎矩圖，作出合成彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖應(yīng)用公式繪出當(dāng)量彎矩圖，式中是根據(jù)轉(zhuǎn)矩性質(zhì)而定的應(yīng)力校正系數(shù)。對(duì)于不變的轉(zhuǎn)矩，取；對(duì)于脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，取；對(duì)于對(duì)稱循環(huán)的轉(zhuǎn)矩取。
是材料在對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力；
是材料在靜應(yīng)力狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力；
是材料在脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力；
在錐篩的設(shè)計(jì)過(guò)程中，軸的材料為45#鋼，其基本參數(shù)為，，，；應(yīng)滿足 下列條件：
或
W為軸的抗彎截面系數(shù)；
軸的受力，軸左端是錐篩對(duì)軸的力也就是錐篩的重力，右端是帶輪對(duì)軸的壓力。
具體受力情況如下圖：
由材料力學(xué)的相關(guān)知識(shí)可得：
解得：
由
得：
可得軸的彎矩圖則如下：
軸所受的轉(zhuǎn)矩如下：
轉(zhuǎn)矩圖如下：
=；
所以，=
所以當(dāng)量彎矩圖為：
可知軸承的危險(xiǎn)截面在左邊軸承支撐處，根據(jù)軸的校核條件可以算出：
；
即：
所以：根據(jù)校核，截面強(qiáng)度足夠，其它截面也是足夠安全的。
4.2 底板強(qiáng)度的校核
載人三自由度三角形機(jī)器人中所采用的底板為鐵板，根據(jù)底板承載力計(jì)算公式：
M=Pac/L(M：彎矩，P集中力，a集中力距支座距離，c集中力距另一支座距離，L跨度，L=a+c) （僅用于矩形截面)
f=M/W≤材料的許用應(yīng)力（彈性抗拉強(qiáng)度/安全系數(shù)）。
M=Pac/L=11960xL，本次設(shè)計(jì)初定L為1000mm
則M=13456N.M
，計(jì)算W得出
折算后位12Mpa；
查的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235A的抗拉強(qiáng)度為375~500Mpa，由于12Mpa遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于375Mpa，所以初定底板滿足要求。
5 載人三自由度三角形機(jī)器人的三維建模
5.1 電動(dòng)推桿的三維建模
5.2 支板的三維建模
5.3 安全欄的三維建模
5.4 載人三自由度三角形機(jī)器人的三維建模
6 三維軟件設(shè)計(jì)總結(jié)
通過(guò)本次設(shè)計(jì)，再次提出了利用三維軟件的水平，并吸收了大量的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出以下幾點(diǎn)。關(guān)于圖紙的繪制方面，當(dāng)零件的尺寸已經(jīng)給出，不考慮圖紙尺寸不合適的，基于三維零件圖，裝配時(shí)必須考慮的大小是合適的，因?yàn)锳utoCAD繪圖效果不好，也會(huì)引起的尺寸誤差，和甚至出現(xiàn)欠定義大小，因此，必須通過(guò)在這個(gè)時(shí)候?qū)α慵M(jìn)行測(cè)量，進(jìn)行修改，直到符合要求。該工具是方便的輸入數(shù)據(jù)映射，通過(guò)選擇部分的類型，標(biāo)準(zhǔn)件，可以生成，但有時(shí)需要在工具集使用部分可能找不到，所以在這個(gè)時(shí)候隨機(jī)應(yīng)變，其他部分而不是通過(guò)修改或滿足要求增加組件的使用。三維地圖應(yīng)該是靈活的，解決問(wèn)題的方法總比問(wèn)題多，當(dāng)一個(gè)方法不能正常映射，試試另一種方法，它不僅可以完成零件的生產(chǎn)，而且還可以開發(fā)映射一個(gè)更好的主意，并打破了新思想的規(guī)則。
學(xué)習(xí)使用一些可以節(jié)省時(shí)間的命令，如鏡像，陣列，能省則省”。在裝配過(guò)沉重，曾給了我一個(gè)很大的障礙，是要花很多時(shí)間去找出為什么。在一個(gè)活躍的子組件，雖然活動(dòng)范圍會(huì)產(chǎn)生干擾，可以設(shè)置該復(fù)合物的活動(dòng)范圍，如先進(jìn)的范圍內(nèi)，和角度范圍，即使在這個(gè)范圍內(nèi)不影響母配體，不能設(shè)置。因?yàn)橐坏┰O(shè)定的范圍內(nèi)，在父組件將被視為完全定義的組件模型，它將沖突分總成，將無(wú)法完成裝配?？吹貓D是最重要的任務(wù)是理解零件圖，圖表工具，沒(méi)有工具是沒(méi)有法律的零件圖，所以不要急著寫，想通過(guò)零件的結(jié)構(gòu)，并認(rèn)為通過(guò)線圖，這是重中之重，映射。部分建模，一般應(yīng)的特點(diǎn)進(jìn)行深入分析，找出零件是由幾個(gè)特點(diǎn)，擺脫所有的形狀特點(diǎn)，它們之間的連接相對(duì)位置、表面，然后按主次特征造型的關(guān)系，按一定的順序。一個(gè)復(fù)雜的部分，有許多簡(jiǎn)單的功能，通過(guò)切除或重疊相交。所以部分建模，序列特征是很重要的，雖然不同的建模過(guò)程可以構(gòu)造出相同的實(shí)體部分，但其建模過(guò)程和實(shí)體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有直接的影響，實(shí)體模型可以修改應(yīng)用程序，可理解性和實(shí)體模型。特別是在二維圖紙，我們只能看到元器件的布局，并用虛線給說(shuō)的內(nèi)部特征，除了部分的相貫線，這條線各特征在路口出現(xiàn)。在選秀過(guò)程中零件，必須選擇第一個(gè)草圖平面，這是非常重要的，決定了后續(xù)的模型飛機(jī)的命令，使用簡(jiǎn)單的說(shuō)，一個(gè)圓柱形圍成一個(gè)圈，然后繪制，也可以作為一個(gè)長(zhǎng)方體旋轉(zhuǎn)，雖然他們的結(jié)果都是一樣的，但草圖平面和命令的使用。如果我們想要一個(gè)軸，那么我們應(yīng)該選擇第二個(gè)方法以及。
由于該零件的設(shè)計(jì)不規(guī)則零件，用于為拉伸和旋轉(zhuǎn)命令，許多零部件都是對(duì)稱的，所以為了節(jié)省時(shí)間，提高效率，通常用于指揮鏡特性。
一個(gè)完整的工程圖紙應(yīng)該包含以下4個(gè)方面。
一組視圖：一組視圖（包括視圖，剖面，斷面，局部視圖）是正確的，完整的，對(duì)各部分的結(jié)構(gòu)和形狀表達(dá)清楚。
尺寸：尺寸的確定和零件的形狀各部分的位置
技術(shù)要求：表明部分的一些要求必須在制造和檢驗(yàn)完成，如表面粗糙度，尺寸公差，形位公差，材料和熱處理的方法和指標(biāo)。
標(biāo)題欄：注明產(chǎn)品名稱，材料，數(shù)量，拉伸比和拉伸，等。
單擊[新建]圖標(biāo)以顯示新的文件系統(tǒng)，SolidWorks文件”對(duì)話框中，單擊“選項(xiàng)”對(duì)話框中的組件，你可以進(jìn)入裝配工作模式，進(jìn)行以后的設(shè)計(jì)工作。
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XXXX學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
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)的是載人三自由度三角形機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研究，通過(guò)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(wèn)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(guò)我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以通過(guò)。
致 謝
寫到這里，論文總算完結(jié)了，至此在論文完成之際，向我的導(dǎo)師表示由衷的感謝！真心的感謝我的導(dǎo)師這幾年來(lái)對(duì)我的諄諄教導(dǎo)，感謝我敬愛的老師，您不僅在學(xué)習(xí)學(xué)業(yè)上給我以精心的指導(dǎo)，同時(shí)還在思想給我以無(wú)微不至的關(guān)懷支持和理解，給予我人生的啟迪，使我在順利地完成大學(xué)階段的學(xué)業(yè)同時(shí)，也學(xué)到了很多有用的做人的道理，明確了人生目標(biāo)。知道自己想要什么了，不再是從前那個(gè)愛貪玩的我了。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度，銳意創(chuàng)新的學(xué)術(shù)作風(fēng)，認(rèn)真加負(fù)責(zé)，公而忘私的敬業(yè)精神，豁達(dá)開朗的寬廣胸懷，平易近人。經(jīng)過(guò)近半年努力的設(shè)計(jì)與計(jì)算，查找了各類的載人三自由度三角形機(jī)器人的設(shè)計(jì)資料，論文終于可以完成了，我的心里無(wú)比的激動(dòng)和開心。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因?yàn)槲易约阂呀?jīng)盡力的做了，它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學(xué)四年來(lái)對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用和體現(xiàn)。四年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識(shí)，而且鍛煉了我的個(gè)人能力，更重要的是從周圍的老師和同學(xué)們身上潛移默化的學(xué)到了許多有用的知識(shí)，在此對(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)老師。
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[16]Hirohiko Arai, Kazuo Tanie, and Susumu Tachi. 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(shuō)來(lái)，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(lái)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(yíng)和管理。機(jī)械一般是由許多各有獨(dú)特的成形、加工過(guò)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(yíng)特別復(fù)雜，企業(yè)的生產(chǎn)管理、規(guī)劃和經(jīng)營(yíng)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(gòu)、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(zhǎng)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(gòu)、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(zhǎng)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(guò)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(guò)度耗費(fèi)方面的問(wèn)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(guò)程中都要經(jīng)過(guò)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(jiǎn)單粗糙的工具是后來(lái)出現(xiàn)的機(jī)械的先驅(qū)。從制造簡(jiǎn)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(zhǎng)的過(guò)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(lái)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(guó)，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(lái)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(guó)出現(xiàn)，商品生產(chǎn)開始成為社會(huì)的中心問(wèn)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(guò)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(guó)，紡織、磨粉等產(chǎn)業(yè)越來(lái)越多地將工場(chǎng)設(shè)在河邊，利用水輪來(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(méi)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(lái)越多，越來(lái)越大，要求的精度也越來(lái)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(jiǎn)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(guó)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(guó)逐漸推廣，形成了所謂“美國(guó)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(guò)去無(wú)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(guò)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(guó)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(lái)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(guó)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(guó)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(guò)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(wèn)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(jiǎn)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(cè)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(lái)研制和發(fā)展新的機(jī)械產(chǎn)品。在未來(lái)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(lái)越精巧和越來(lái)越復(fù)雜的機(jī)械和機(jī)械裝置，使過(guò)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(lái)年代它還將不斷地創(chuàng)造出人們無(wú)法想象的奇跡。
人類智慧的增長(zhǎng)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(guò)來(lái)又促進(jìn)人腦的智慧。在人類的整個(gè)進(jìn)化過(guò)程中，以及在每個(gè)人的成長(zhǎng)過(guò)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(lái)。過(guò)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(zhǎng)，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(shì)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(guò)度的專業(yè)化造成知識(shí)過(guò)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(guò)狹，考慮問(wèn)題過(guò)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(shì)。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(guò)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(guò)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(lái)認(rèn)識(shí)、理解其他學(xué)科的問(wèn)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(wèn)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(wèn)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 machinery engineering has five services: development and provide energy conversion, and provide for mechanical manufacturing all kinds of products and machinery, provide various services in the machinery, the development and provide family and personal life, the development and the application of the machines provide various mechanical weapons.
Regardless of what a field service to the working content of mechanical engineering.The establishment and development of mechanical engineering construction and theoretical basis. For example, research force and motion and fluid mechanics, engineering mechanics, Metallic and non-metallic materials to study the performance, and its application in engineering materials, The heat conduction, research and conversion of thermodynamics, All kinds of mechanical components are independent of the function of the working principle, structure, design and calculation of mechanical principle and mechanical parts; Study of metallic and nonmetallic machining and forming technology of metal and
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