爬桿機(jī)器人設(shè)計(jì)

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1、 爬桿機(jī)器人 班級：自動化08-1 姓名：李剛 學(xué)號：22081115 目錄 1.設(shè)計(jì)題目……………………………………………１ 1.1設(shè)計(jì)目的………………………………………………１ 1.2設(shè)計(jì)題目簡介…………………………………………１ 1.3設(shè)計(jì)條件及設(shè)計(jì)要求…………………………………１ 2.

2、運(yùn)動方案設(shè)計(jì)…………………………………… ２ 2.1機(jī)械預(yù)期的功能要求…………………………………２ 2.2功能原理設(shè)計(jì)…………………………………………２ 2.3運(yùn)動規(guī)律設(shè)計(jì)…………………………………………３ 2.3.1工藝動作分解……………………………………………３ 2.3.2運(yùn)動方案選擇……………………………………………５ 2.3.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式設(shè)計(jì)………………………………………６ 2.3.4運(yùn)動和動力分析…………………………………………７ 2.3.5執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)動簡圖………………………………………８ 3.計(jì)算內(nèi)容……………………………………………８ 4.應(yīng)用前景……………

3、………………………………10 5.個人小結(jié)……………………………………………11 6.參考資料……………………………………………12 附錄………………………………………………………13 １.設(shè)計(jì)題目 １.１設(shè)計(jì)目的 機(jī)械設(shè)計(jì)是根據(jù)使用要求對機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸以及潤滑方式等進(jìn)行構(gòu)思、分析和計(jì)算，并將其轉(zhuǎn)化為制造依據(jù)的工作過程。 機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)的第一步，是決定機(jī)械產(chǎn)品性能的最主要環(huán)節(jié)，整個過程蘊(yùn)涵著創(chuàng)新和發(fā)明。 為了綜合運(yùn)用機(jī)械原理課程的理論知識，分析和解決與本課程有關(guān)的實(shí)際問題，使所學(xué)知識進(jìn)一步鞏固和加深，

4、我們參加了此次的機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)。 １.２設(shè)計(jì)題目簡介 我們此次做的課程設(shè)計(jì)名為爬桿機(jī)器人。 該機(jī)器人模仿蟲蠕動的形式向上爬行，其爬行運(yùn)用簡單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。其中電機(jī)與曲柄固接，驅(qū)動裝置運(yùn)動。曲柄與連桿鉸接，其另一端分別鉸接一自鎖套（即上下兩個自鎖套），它們是實(shí)現(xiàn)上爬的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。當(dāng)自鎖套有向下運(yùn)動的趨勢時，由力的傳遞傳到自鎖套，球、錐管與圓桿之間形成可靠的自鎖，阻止構(gòu)件向下運(yùn)動，而使其運(yùn)動的方向始終向上（運(yùn)動示意見右圖）。 １.３設(shè)計(jì)條件及設(shè)計(jì)要求 首先確定機(jī)器人運(yùn)動的機(jī)構(gòu)原理及所爬行管道的有關(guān)數(shù)據(jù)，制定多套運(yùn)動方案。再查閱相關(guān)資料，通過精確的計(jì)算和運(yùn)用相關(guān)應(yīng)用軟件（例如CAXA，S

5、olidworks，ADAMS等造型、分析軟件）進(jìn)行運(yùn)動模擬，對設(shè)計(jì)題目進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和運(yùn)動仿真，最后在多方面的考慮下確定一套方案并完成整套課程設(shè)計(jì)說明書及相關(guān)的軟件分析圖表和文件并由三維動畫模擬出該機(jī)器人的運(yùn)動。 ２.運(yùn)動方案設(shè)計(jì) 該機(jī)器人模仿的動作是沿桿向上爬行，整個機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，而且我們目前所設(shè)計(jì)機(jī)器人爬行的桿是圓桿。 ２.１機(jī)械預(yù)期的功能要求 通過電機(jī)的驅(qū)動和減速，給予曲柄一個繞定軸旋轉(zhuǎn)的主動力，在該力的驅(qū)使下帶動連桿及相應(yīng)的自鎖裝置，由兩個自鎖套的先后自鎖和曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動機(jī)器人向上爬行。 ２.２功能原理設(shè)計(jì) 通常情況下，一部的機(jī)器需要通過電機(jī)帶動一系列復(fù)雜的機(jī)構(gòu)

6、使其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這其中涉及到很多簡單且基本的機(jī)械機(jī)構(gòu)。當(dāng)然，也可以直接通過電機(jī)帶動整部機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)，這完全取決于機(jī)器所需完成的工作以及設(shè)計(jì)該機(jī)器時所面臨的種種實(shí)際情況。 針對該爬桿機(jī)器人，我們小組通過討論提出了兩套設(shè)計(jì)方案，分別是：由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動和由氣壓元件直接驅(qū)動。 首先，讓我們來看一下曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是如何工作的。 在平面連桿機(jī)構(gòu)中，能繞定軸或定點(diǎn)作整周回轉(zhuǎn)的構(gòu)件被稱為曲柄。而通過改變平面四桿機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的形狀和運(yùn)動尺寸能將其演化為不同的機(jī)構(gòu)形式，就曲柄滑塊機(jī)構(gòu)而言，它是通過增加鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中搖桿的長度至無窮大而演變過來的。改機(jī)構(gòu)實(shí)際上是由一曲柄一端鉸接在機(jī)架上，另一端鉸接一連桿，連桿的另

7、一端聯(lián)結(jié)一滑塊，在曲柄為主動件運(yùn)動時帶動連桿，連桿又帶動滑塊，使其在平面某一范圍內(nèi)做直線往復(fù)運(yùn)動（圖１）。 其次是氣動的原理。 該運(yùn)動原理與上述的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)相比，在保留兩滑塊作為自鎖裝置的前提下，省略了聯(lián)結(jié)兩滑塊的傳動裝置，轉(zhuǎn)而用兩個汽缸直接帶動兩個滑塊的上下移動。這樣的設(shè)計(jì)更直接也更簡潔，至于兩者到底哪個更合理呢？ ２.３運(yùn)動規(guī)律設(shè)計(jì) ２.３.１工藝動作分解 首先，我們基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的啟示，想到了在曲柄與連桿的兩端分別鉸接上兩個滑塊（即作為自鎖套），使兩個滑塊分別作為機(jī)架交替上升，從而實(shí)現(xiàn)爬桿動作。其中上滑塊與曲柄相連，相應(yīng)的連桿接下滑塊。當(dāng)機(jī)構(gòu)具有向下運(yùn)動的趨勢時，下自鎖

8、套因受到自鎖機(jī)構(gòu)的限制而固定不動，把其受到的向下的力轉(zhuǎn)化為向上的動力，推動機(jī)構(gòu)反而向上運(yùn)動。 于是，我們就把電機(jī)與曲柄固接作為驅(qū)動裝，連桿作為傳動，兩滑塊作為自鎖裝置。該爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)裝配圖如圖２： 那上下自鎖套又是怎樣自鎖的呢？ 我們做成了如圖３所示的形狀（主視、俯視）： 我們設(shè)計(jì)了兩個如圖３所示的構(gòu)件，兩者用鉸鏈鉸接，能使其自如地打開或收攏，再在它們套住圓桿之后用銷釘在鉸支端對邊銷住，這樣方便裝配和安裝到圓桿上，也方便我們在調(diào)試過程中不斷調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)的具體尺寸。 可這僅僅只是一個滑塊，那要怎樣才能實(shí)現(xiàn)它所要起到的自鎖作用呢？其實(shí)很簡單，想想為什么當(dāng)初要把一個原本簡簡單單的矩形滑

9、塊做成如我們上圖示的這樣的形狀：套住圓桿的兩端多出了兩個梯形狀的“耳朵”，而且這“耳朵”還是中空的。玄機(jī)就在于此，我們在這中空的空間里分別放置兩個小球，此小球的直徑小于梯形底邊而大于梯形頂邊（l梯頂l梯頂，那么小

10、球就被卡在了梯形空間中，此時由于小球的被固定而使整個自鎖套看作是一個機(jī)架鉸接曲柄一般。（見左下圖） 2）曲柄由頂端向底端逆時針轉(zhuǎn)動時，上下滑塊的受力情況恰與第一種情況相反，下自鎖套因受力自鎖而被固定，此時上自鎖套仍向上運(yùn)動，在曲柄過最底端時又出現(xiàn)了第一種情況。于是，兩滑塊周而復(fù)始交替向上爬。（見中下圖） 在氣動方面，由于沒有聯(lián)結(jié)用的傳動機(jī)構(gòu)，因而直接由氣動元件帶動兩自鎖套往上移動。我們選用兩個汽缸作為主要的氣動元件，利用作用力與反作用力的原理，由其帶動上下兩個自鎖套分別自鎖，達(dá)到機(jī)器人爬桿的最終目的。（見右上圖） ２.３.２運(yùn)動方案選擇 上面所設(shè)計(jì)的爬桿過程都是在理想的情況下，很多實(shí)際

11、因素都沒有考慮進(jìn)去：如摩擦力的大?。垂鼙谂c小球接觸面的摩擦系數(shù)），在曲柄過上下兩滑塊極限位置時，自鎖套內(nèi)由于小球在內(nèi)部運(yùn)動的關(guān)系，自鎖套所要進(jìn)行的向下運(yùn)動的位移，以及上下自鎖套、曲柄和連桿的質(zhì)量，還有電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)動速度，汽缸的推程大小、自重，所需氣包的容量及連接方式等等。 現(xiàn)在我們結(jié)合兩者的利弊，著重分析一下各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 就采用汽缸驅(qū)動而言，它形式簡單、結(jié)構(gòu)簡便，從機(jī)械設(shè)計(jì)角度而言講究盡量采用基本機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)要簡單、可靠。而汽缸則融會了上述的優(yōu)點(diǎn)，它由驅(qū)動機(jī)構(gòu)直接帶動兩個自鎖滑塊，避免了兩者間的連接機(jī)構(gòu)，精簡了構(gòu)件之間的連接。此外，該機(jī)構(gòu)具有環(huán)保等特點(diǎn)，它利用空氣作為動力源，無污

12、染、運(yùn)動時無噪音，而且運(yùn)行速度快，可以在短時間內(nèi)使機(jī)器人爬到桿的頂端，它還能夠隨身攜帶氣包作為動力源，可以做到無線操作。 就采用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)而言，它屬于平面連桿機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運(yùn)動副為低副，能承受較大載荷；但平衡困難，不易用于高速。我們設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)是由電機(jī)經(jīng)減速直接驅(qū)動的，和利用氣動原理相比它多了一套傳動和連接機(jī)構(gòu)，但該機(jī)構(gòu)運(yùn)用的原理簡單，設(shè)計(jì)合理，而且它不僅能在自桿上爬行，更能在彎曲的管道外爬行，具體的示意圖見下。 綜上所述，我們小組經(jīng)討論決定：選取“曲柄滑塊機(jī)構(gòu)”作為該爬桿機(jī)器人的最終運(yùn)動方案。 ２.３.３執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式設(shè)計(jì) 針對上述的種種實(shí)際情況，我們小組在設(shè)計(jì)此爬桿機(jī)

13、器人的時候就全面考慮了各方面的因素，從而確定各構(gòu)件的尺寸與制造構(gòu)件的材料。祥見下表 機(jī)構(gòu)名稱 構(gòu)件尺寸 所選材料 選用理由 曲柄滑塊 曲柄 60mm（軸距） 2mm鋁板 價格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時效強(qiáng)化性 連桿 150（軸距） 2mm鋁板 價格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時效強(qiáng)化性 錐管（4個） 2mm鋁板 價格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時效強(qiáng)化性 自鎖機(jī)構(gòu) 圓球（4個） Φ50mm 成品橡膠球 取材方便、具有高韌性、材質(zhì)輕盈 上述構(gòu)件全部采用鈑金造型，然后由焊接連接，使其加工制造簡單，易保證較高配合精度。 可是這樣一個爬桿機(jī)構(gòu)是一個封閉的機(jī)構(gòu)

14、，那怎樣才能把機(jī)器人安裝到所要爬的管壁上呢？由此，我們設(shè)計(jì)的自鎖套就多了一個連接裝置，我們在兩個形狀對稱的錐管對接處裝上鉸鏈，就像在ADAMS里給兩構(gòu)件用一個鉸鏈連接，然后在屏幕上顯示的那種鉸鏈裝置一樣，這樣自鎖套就能開合，自如地包攏住爬桿，然后在自鎖零件的對面接口處插上一個聯(lián)結(jié)銷，完整的一個自鎖套就套在了圓桿上。聯(lián)結(jié)銷的形狀見圖4。 對于此類機(jī)構(gòu)，一定的摩擦力也是保證自鎖發(fā)生作用的關(guān)鍵。因此對各構(gòu)件的材料也是有相當(dāng)?shù)囊?。?jīng)過篩選，我們決定曲柄、連桿與錐管用鋁板來制造，小球的材料則用橡膠。橡膠的表面比較粗糙，且彈性性能較好，那么小球在自鎖套作用時能卡得比較牢靠，不會發(fā)生自轉(zhuǎn)等打滑現(xiàn)象，使整

15、個機(jī)構(gòu)下滑而影響上爬的效果。在自鎖套需解鎖時，由于橡膠具有很高的韌性，它能立刻恢復(fù)原來的形狀，不會因無法恢復(fù)形變而使下一步上爬動作失效。 ２.３.4運(yùn)動和動力分析 在我們設(shè)定了曲柄與連桿的長度后，每一步機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的上升位移便也能自然而然地計(jì)算出來了。 當(dāng)曲柄逆時針由最底端轉(zhuǎn)至最頂端時，下滑塊上升2倍曲柄的長度位移，即120mm。同樣，曲柄逆時針由最頂端轉(zhuǎn)動到底端時，上滑塊也走過120mm（自鎖套在自鎖時的下滑距離不計(jì)）。 下面我們就該機(jī)構(gòu)運(yùn)動一周的情況列表作一下分析（此時曲柄處于頂端）： 曲柄旋轉(zhuǎn)角（逆時針） 上自鎖套運(yùn)動情況 下自鎖套運(yùn)動情況 0-90 向上運(yùn)動120mm

16、 自鎖（固定） 90-180 自鎖（固定） 向上運(yùn)動120mm 180-270 向上運(yùn)動120mm 自鎖（固定） 當(dāng)然，這樣的機(jī)構(gòu)絕非完美無缺的。首先，我們設(shè)計(jì)的自鎖套的形狀還無法適應(yīng)此機(jī)構(gòu)爬各種桿。若所要爬的桿直徑大小稍有變化，隨著它的變動自鎖套也必須相應(yīng)地改變它外伸包攏桿部分的形狀大小。但是，我們設(shè)計(jì)的自鎖套可以根據(jù)不同需要換取不同大小、材質(zhì)的小球。 上文中我們還提到了軟件的運(yùn)用，特別是ADAMS運(yùn)動分析軟件。我們使用該軟件對爬桿機(jī)器人進(jìn)行造型，并在連接處添加了一定的轉(zhuǎn)動副和移動副，并固定了機(jī)架，在這個基礎(chǔ)上，我們使用軟件中的各種插件對我們的爬桿機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動模擬和運(yùn)動分

17、析。 下面就是我們所截取各構(gòu)件的速度位移圖。 圖5——曲柄位移速度圖 圖6——連桿位移速度圖 圖7——錐管（上）位移速度圖 上自鎖套自鎖，下滑塊向上爬行。 下自鎖套自鎖，上滑塊向上爬行。 ２.３.5執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)動簡圖 自由度F的計(jì)算： n=3　Pl=4　Ph=0 F=3n-(2Pl+Ph)=33-(24-0)=1 3.計(jì)算內(nèi)容 解析法設(shè)計(jì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)： 實(shí)現(xiàn)兩連架桿對應(yīng)位置的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)： acos（φ0+φ）+bcosδ=d+ccos（Ψ0+Ψ） asin（φ0+φ）+bcosδ=d+csin（Ψ0+Ψ） 將上式移項(xiàng)后平方相加，消去

18、δ得： -b2+d2+c2+a2+2cdcos（Ψ0+Ψ）-2adcos（φ0+φ）=2accos[（φ0+φ）-（Ψ0+Ψ）] 令R1=（a2-b2+c2+d2）/2ac R2=d/c R3=d/c 則： R1+R2 cos（Ψ0+Ψ）-R3 cos（φ0+φ）=cos[（φ0+φ）-（Ψ0+Ψ）] 將給定的五個對應(yīng)位置代入： R1+R2 cosΨ0-R3 cosφ0=cos[φ0-Ψ0] R1+R2 cos（Ψ0+Ψ1）-R3 cos（φ0+φ1）=cos[（φ0+φ1）-（Ψ0+Ψ1）] R1+R2 cos（Ψ0+Ψ2）-R3 cos（φ0+φ2）=cos[（φ0+φ

19、2）-（Ψ0+Ψ2）] R1+R2 cos（Ψ0+Ψ3）-R3 cos（φ0+φ3）=cos[（φ0+φ3）-（Ψ0+Ψ3）] R1+R2 cos（Ψ0+Ψ4）-R3 cos（φ0+φ4）=cos[（φ0+φ4）-（Ψ0+Ψ4）] 求出R1、R2、R3、Ψ0、φ0 若已知Ψ0、φ0，則只需三對對應(yīng)位置。 一般，先取d=1，然后根據(jù)R1、R2、R3、求出在d=1情況下各構(gòu)件相對d的長度a、b、c，至于各構(gòu)件的實(shí)際長度，可根據(jù)機(jī)構(gòu)的使用條件按比例放大后得到所需值。 若將圖1中搖桿的長度增至無窮大，則B點(diǎn)的曲線導(dǎo)軌將變成直線導(dǎo)軌，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)就演化成我們這爬桿機(jī)器人所運(yùn)用的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（

20、如圖3）。 對于曲柄滑塊的解析式來說，相較于它的“前身”——鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的要簡單許多： 滑塊的行程B1B2為曲柄半徑r2的兩倍，兩端點(diǎn)B1和B2稱為滑塊的極限位置，它是以O(shè)2為中心而分別以長度r3-r2和r3+r2為半徑作圓弧求得的。 我們這個爬桿機(jī)器人，由于它還運(yùn)用了自鎖原理，故當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)到與桿成一直線時，運(yùn)動的滑塊就將相應(yīng)地?fù)Q一次，若電機(jī)為逆時針轉(zhuǎn)動（即曲柄為逆時針，見圖4）： a）當(dāng)A→B時，下滑塊向上滑動位移是2r2，即等于曲柄長度的2倍，為120mm，（S1=2r2=260=120mm） b）當(dāng)B→A時，上滑塊向上滑動的位移也是2r2，即S2=2r2=260=120mm。

21、這樣：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過一周時上下兩滑塊相互配合地走過S=S1+S2=120+120=240mm。 ４.應(yīng)用前景 該機(jī)器人運(yùn)用了簡單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，原動力采用電機(jī)作為驅(qū)動，兩者在選材上都很方便，而且我們在設(shè)計(jì)時選用了材質(zhì)較為輕盈的鋁材作為結(jié)構(gòu)材料，減輕了該機(jī)器人的重量，使其更大效率的發(fā)揮電機(jī)的功率，提高了機(jī)器人的爬行速度。 此外，該爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)方便了操作人員安裝到圓桿上和調(diào)試，對于在調(diào)試過程中遇到的問題也可以根據(jù)當(dāng)時的情況做出及時、相應(yīng)的修改。而且，我們設(shè)計(jì)的機(jī)器人不僅能在直桿外爬行，更能適應(yīng)不同彎曲度的圓桿對我們機(jī)器人的挑戰(zhàn)，正是由于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的合理應(yīng)用，我們的機(jī)器人才可以在提高機(jī)械運(yùn)動

22、效率的前提下克服不同彎曲度的圓桿，使其像爬直桿一樣爬行過彎曲的管道。 ５.個人小結(jié) 通過這學(xué)期的學(xué)習(xí)我認(rèn)識到： 機(jī)器人教學(xué)綜合性較強(qiáng)，它將有關(guān)機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)與各學(xué)科有機(jī)地融合在一起。我們通過動手實(shí)踐獲取知識，針對項(xiàng)目課題進(jìn)行研究、策劃、設(shè)計(jì)、組裝和測試。以小組為單位，使用積木、傳感器、馬達(dá)及齒輪等組件設(shè)計(jì)自己的機(jī)器人，并為機(jī)器人編寫程序，讓它完成自己想讓它做的事情，將課堂上的理論知識有效地運(yùn)用到實(shí)踐中。學(xué)生進(jìn)一步學(xué)會用理論聯(lián)系實(shí)際，不斷地去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從單純的理論學(xué)習(xí)升華到了具體的實(shí)踐操作，從而培養(yǎng)了我們的綜合實(shí)踐能力。 機(jī)器人教學(xué)不僅提高了我們的動手能力，還培養(yǎng)了我

23、們的創(chuàng)新能力。在教學(xué)中，老師可提出一些新的課題，組織學(xué)生一起探討、研究，活動的主題顯得新穎、有趣。尤為重要的是其問題解決方案是開放性的，學(xué)生可以分組學(xué)習(xí)、研究，得到不同的解決方案，用不同的方法達(dá)到同一個目標(biāo)。因而智能機(jī)器人活動能激發(fā)學(xué)生充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力，有利于培養(yǎng)我們的開放性思維。我們通過主動探索、動手實(shí)踐，親身體驗(yàn)抽象的理論如何變成了觸手可及的答案，享受成功的興奮。 通過學(xué)習(xí)，我深感到自己肩上責(zé)任重大，科技教育對于祖國未來發(fā)展的重要性促使我國不得不加快科技教育的步伐，而且科技教育也是實(shí)施素質(zhì)教育使我們得到全面發(fā)展的最好教學(xué)手段。以后我們會結(jié)合自身的條件，更加努力學(xué)習(xí)，掌握過硬的專業(yè)技術(shù)，盡最大努力為國家添磚加瓦！ ６.參考資料 ［1］羅洪量主編，《機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》（第二版），北京：高等教育出版社，1986年。 ［2］JJ.杰克（美）主編，《機(jī)械與機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理》（第一版），北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985年。 ［3］王玉新主編，《機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法學(xué)》（第一版），天津：天津大學(xué)出版社，1996年。 ［4］孫恒、陳作模主編，《機(jī)械原理》（第六版），北京：高等教育出版社，2001。