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机械设计学习计划

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1. Goal

针对机械领域的复杂工程问题提出解决思路，设计满足特定需求的机械、电子系统或具体解决方法与流程

基础知识：

  • 工程图学：绘制和阅读机械工程草图
  • 刚体力学：刚体运动的数学建模表达，平动、转动、定轴转动
  • 机械制图CAD：CAD软件的基本操作，三维设计SolidWorks
  • 设计、材料和制造：不同材料和制造的基础知识

扩展知识

  • 电机与拖动：直流电机、伺服电机的结构与工作原理，矩、力的计算

机械的设计思维，

  • 功能，设计
  • 功能性需求：模仿人工怎么采摘，两个手指头往下一揪
  • 实际问题：相机平面误差，冗余性设计，宽度做宽一点
  • 改进：做一个机构，根据功能来，
  • 从概念到实用
  • 供应链
  • 知道已经有了哪些东西
  • 电机，问答机制
  • 电机

设计时候的漏洞

  • general的经验，可以避免
  • spec的经验，很难避免

2. 机器人

算法需求，机器人要做的事情

  1. 动力学：动的很快的时候成为一个约束
  2. 驱动装置，连杆、齿轮
  3. 最重要：画图，机械夹爪的驱动方式
  • 传感器，测距，单点的
  • 算法，
  1. 各种层面的需求

3. Crash Course

https://www.youtube.com/watch?v=A1V-QQ5wFU4

Invention of wheels

Need a engine: steam engine

Air, space, robotics, automation, biomechanics

4. 机械原理

机构：传递与变换 运动和力 的 可动装置

4.1. 机构结构分析

基本概念

  • 构件，lnik，独立的运动单元
  • 运动副，kinematic pair，两个机构接触而成的可动连接
  • 运动链，kinematic chain，通过运动副连接而构成的可相对运动系统
  • 原动件（主动件）：按给定的已知运动规律独立运动的构件
  • 欠驱、冗驱：原动件数多余机构自由度

自由度=3 * 活动构件数 - (2 * 低副数 + 高副数 - 虚约束数) - 局部自由度

4.2. 运动分析

速度瞬心（速度为0的点），刚体的瞬时运动可以理解为绕瞬心旋转，简化计算

image-20220409152709501

速度、角速度、角加速度

4.3. 力学分析

两种力

  • 驱动力 driving force
  • 阻抗力 resistance

摩擦力的确定，当量摩擦系数$f_v$

  • 移动副
  • 旋转副

4.4. 机械效率、机械平衡、速度波动调节

$$
\eta=\frac{P_r}{P_d}=\frac{输出功率}{输入功率}
$$

串联效率：$\eta=\eta_1\eta_2…\eta_k$

并联效率: $\eta=\frac{\sum P_{ri}}{\sum P_{di}}$，总效率取决于传递功率最大的机器的效率

机械平衡目的：将构件的不平衡惯性力加以平衡消除不良影响

转子平衡、机构平衡；静平衡、动平衡

应设法将速度限制在许可范围内

  • 启动阶段
  • 稳定运转阶段，平均角速度保持常数、角速度周期性波动
  • 停车阶段

4.5. 常见机构

4.5.1. 连杆机构

特点；原动件经过一个中间构件（coupler）才能传动从动件

优点：

  • 运动副一般为低副，面接触，压强小，磨损小，加工制造容易
  • 容易改变运动传递方向，扩大行程，远距离传动

缺点：

  • 传动路线长，容易产生累计误差
  • 惯性力很难消除，不适用于高速运动

平面四连杆

4.5.2. 凸轮机构

凸轮：cam，作为主动件做等速转动

推杆：作为从动件，被凸轮直接推动的构件

圆柱凸轮

运动规律：推杆的位移、速度和加速度随着凸轮转角的变化而变换

  • 多项式
  • 三角函数

设计方法：反转法，根据需要的运动曲线设计轮廓

4.5.3. 齿轮机构

优点：传递功率范围大，效率高，精度高，寿命长，可靠

缺点：成本较高，制造和安装精度要求较高

平行轴间传动

  • 外啮：相反转动
  • 内啮：相同方向
  • 直齿轮、斜齿轮、人资齿轮

相交轴间传动：

  • 锥齿轮
  • 直齿：应用最广
  • 曲线齿：承载能力高，用于告诉承载
曲线齿锥齿轮

5. 机械设计

5.1. 总论

机器的基本组成要素是零件，学习一般尺寸常用工作参数下的通用零件设计。

机器的组成：动力源、传动、执行、测控、辅助

设计程序：动力学设计，动力学计算，零件工作能力，装配草图设计，零件核验

零件的失效形式：断裂、形变、磨损

零件的设计准则：强度、刚度，可靠性，MTTF，MTBF

5.1.1. 零件的工作能力

载荷：应力

体积强度：静应力强度失效会断裂或变形，变应力强度失效导致疲劳断裂

表面强度：表面挤压强度、表面磨损强度

刚度：零件抵抗弹性形变的能力

冲击强度：采用能增大零件弹性形变的结构

5.1.2. 疲劳强度

疲劳极限应力图，近似为抛物线分析，简化为几条折线段

5.1.3. 磨损

金属表面的滑动摩擦

膜厚比，用于大致估计两滑动表面所处的摩擦状态

磨损：三个阶段

  1. 磨合阶段，表面轮廓形状变化
  2. 稳定磨损，磨损平稳而缓，长短代表了零件使用寿命的长短
  3. 剧烈磨损阶段，出现噪声和振动

润滑油：最重要的性能之一：黏度，流动阻力

5.2. 连接

5.2.1. 螺纹连接

参数：大径、小径、中径，线数（2,3）

螺栓连接：加工精度低，结构简单

铰制孔螺栓：精确固定相对位置，承受较大横向载荷

双头螺柱：不能采用螺栓的场合，材料较软，需要经常拆装

防松手段：

  • 摩擦防松：对顶螺母，弹簧垫圈，自锁螺母
  • 机械防松：开口销，止动垫圈

设计螺栓组：确定数目、布置方式、结构尺寸

  • 轴对称的简单几何形状
  • 数目4、6、8等偶数

5.2.2. 键连接

平键、滑键、半圆键

花键

无键

5.2.3. 铆接、焊接、胶接

铆接：用铆钉将多个元件连在一起

  • 优点：简单、抗振、耐冲击
  • 缺点：较为笨重，被连接件强度受到削弱

焊接：通过加热或者加压或者两者并用的方式，使工件达到结合

胶接：利用胶黏剂在一定条件下把预制的元件链接在一起

  • 优点：可以胶接不同性质的材料；面连接，耐疲劳性好；工艺简单
  • 缺点：抗剥离、抗弯曲性能较差；耐老化性能较差；检测手段不完善

过盈连接：利用零件间的配合过盈来达到连接目的

5.3. 传动

意义：运动形式、 参数的改变，调速

分类

  • 摩擦传动：带传动、摩擦轮传动
  • 啮合传动：共轭啮合、非共轭啮合
  • 液压与气动

5.3.1. 带传动

挠性运动，基本组成：主动带轮、从动带轮、传动带

  • 优点：结构简单，传动平稳，噪声小
  • 缺点：有弹性滑动，打滑等现象，带的寿命短，压轴力大
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5.3.2. 链传动

挠性运动，基本组成：链条、小链轮、大链轮

  • 优点：传动效率高，更准确的平均传动比，成本较低，制造安装精度要求较低
  • 缺点：不能保持恒定的传动比，有噪声

5.3.3. 齿轮传动

齿轮

  • 优点：效率高，工作可靠
  • 缺点：精度要求高，价格高

5.3.4. 蜗杆传动

蜗轮蜗杆油及其润滑要求
  • 优点：效率高，承载能力高，体积小，质量小

5.4. 轴系零部件

意义：轴、滑动轴承、滚动轴承、联轴器、离合器等内容，支持并保证传动零件持续保持正确位置

滑动轴承：用途：转速高，冲击大，在水或腐蚀性介质中工作

滚动轴承：

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