机械设计是什么?如何设计机械结构
发布时间:2020-08-03 15:41

  不同的机械结构会直接影响机器人的效率。该如何找到最好的方案?这就是机械中最最最重要的内容——机械设计。

  机械设计是啥?是根据使用要求,对机械的工作原理、结构、力的传递、材料等进行构思、分析和计算,并将其转化为具体的描述,以辅助制造。

  说人话就是:我在家里想拿隔壁萝卜君家里的萝卜吃(这是使用要求),就开始动脑思考,还算了一下两家的路线(这是构思和计算),最后画图制作偷取的工具(这是转化)。

  今天我来领大家入门机械设计,本文字字都是踩过的坑,句句都是流过的泪。可将手机调至静音,含泪阅读。

  这里我们一般使用的是一款普遍到烂大街的建模软件:SolidWorks,简单容易好上手,对于刚学画图软件的同学非常友好,适合做创新设计比赛。

  还有一款叫Creo,拥有强大的曲面建模能力,需要更严谨的思维和规范的操作,适合曲面要求更高的产品。

  我们DIY常用3D打印机和雕刻机加工。若是比赛和做产品,更多用的是CNC、冲压和压铸等。

  3D打印机可以加工复杂零件,比如打个六角圆弧自带凹槽的弹仓。缺点是精度和强度不高。

  雕刻机可以雕刻平面,比如切个圆,钻个孔。但是,只有培训过的机械狗才能操作雕刻机,所以建议在X宝代加工。

  最后要了解基本的的紧固方式(比如螺钉)和传动方式(比如齿轮),再利用DIY工具,动手操作一番。

  常用的DIY工具有螺丝刀、螺栓螺母和扳手,这些工具可以满足基本的连接需求。

  如果想动手却没有加工设备,那就拆个电视冰箱过过瘾吧~不过前提是家里有矿,不怕挨打。

  以上是最简单的入门,如果入完门你觉得“机械真有趣,我还有大把头发可以掉”,那么,硬干货开始了。

  设计之前我们要:明确任务、分析需求、功能确定……设计过程要:提出方案、确定方案、选定材料、结构设计……最后还得:仿真、组装测试、优化总结。

  这才是一套合理的流程啊朋友们!那些凭感觉设计,做到一半才发现:“糟糕,他要一个电风扇,我却做了一个风力发电机”的朋友,请好好反思一下自己!

  曾经就有队伍在研发步兵机器人时,将底盘和云台分给两个人做,做完发现拼不到一起……真愁人,你说该拆谁的好 ?

  如果只是做个小木椅,那么随心做,如果想成为一名机械工程师,那请好好掌握一大波专业课,有:《理论力学》、《材料力学》、《机械原理》、《机械设计》、《工程材料》、《机械制造基础》等等。

  在掌握课程后,就能够真正地踏入一个项目了。项目开始的第一步是收集资料,这是机械工程师必备的素养。

  最广为人知的参考资料是《机械设计手册》,这套手册可以说是经典中的经典,机械行业里的《新华字典》。

  它包含了常用设计资料、机械零部件设计(连接、紧固与传动、轴系、支承等等)、流体传动与控制、机电一体化及控制技术、现代设计理论与方法等等。

  《工程思维》、《机械设计实用机构手册》、《机械设计方法论》、《机械设计实用机构与装置图册》和《机械设计禁忌1000例》

  这是非常关键的一步,甚至危及生命。因为如果需求不明确,以后当了产品经理,是会被程序猿持刀恐吓的。

  举个例子,在今年比赛中,很多参赛队惯性地认为英雄机器人必须登岛,就耗费大量的精力研发英雄登岛的机构。结果发现,英雄不登岛反而打得更好。

  根据这些需求,综合人力物力和资源,吾日三省吾身:功能能实现否,需求之间存在矛盾否,需求之间能被替代否等等。

  举个栗子:2018赛季的工程机器人,必达需求是获取底层弹丸,最低需求是可以重复获取弹药箱,希望达到的需求是可以在6s完成登岛,20s内抓取10个弹药箱。

  在分析需求时,切忌好高骛远脱离实际,比如机器人飞跃上岛……这事咱们5年内暂时别想了好吗?

  只有稳扎稳打地实现机器人的每个功能,并做到极致的稳定,才是最靠谱的路子。

  有了需求,就要开始设计方案了。如果说机械结构决定机器人身体的好坏,那么方案设计就是机器人的灵魂品质的高低。

  1)集智法:团队提出多种方案,按照原动部分、传动部分和执行部分,分别思考讨论。举个简单的栗子:工程机器人抓取弹药箱时,气缸是原动部分,被推动的滑块是传动部分,爪子则是执行部分。

  2)方案筛选和融合:根据提出的方案,评估每个方案的可行性,综合考虑人力、资金和可行性等问题,融合提炼出一个最终方案。

  3)要点实现review:确定最终方案后,回头思考这个方案能否满足需求。

  一个合理可行方案往往能够起到事半功倍的效果。再举个栗子:2018赛季,深圳大学的工程机器人登岛结构,拥有不同高度的辅助轮,可以适应各种阶梯,外框架可以伸缩抬升机器人,高效简洁,实在是高。

  其实,同类机器人的成功案例可以直接借鉴,不符合要求的就要改进。那些一味求新、把血泪经验弃置不理的极端行为,我们墙裂谴责!

  设计阶段就是,把脑子里不可描述的想法,转变成模型。基本原则是:明确、简单和安全。

  这需要确定机器各零部件的材料、形状、尺寸、加工和装配,涉及到材料、工艺、精度、计算方法、实验等综合性工作。

  零件设计主要有以下三个方法:理论设计、经验设计和模型试验设计。一般创新设计比赛过程中比较常用的是理论设计和经验设计。

  设计零件时,要把握好每一个零件的强度和刚度,避免零件损坏失效。同时要考虑工艺性,降低零件的制作成本。熟悉加工工艺可以在这一方面有很多的帮助。

  在满足上面两个条件的情况下,尽可能减小零件质量,避免材料浪费和减小整体惯性,改善机器的动力性能。

  部件设计时,要协调各零件的结构及尺寸,使零件构型合理。下图的错误示范,就是没考虑加工工艺,加工商看了是要打人的。

  设计重要的机构时,还要做出简略的实物来验证可行性。曾经我就因为关键结构要重做,导致整台机器得大改。队友听了都想打人。

  整体设计时,要注意好每个部件的空间布局、部件之间衔接的位置,和线路布置的问题。

  比如说英雄机器人,它有云台模块,底盘模块和取弹模块,如果制作这三个模块时,没有考虑整体设计,做完就会发现根本拼不起来。

  只有确保部件之间的配合、零件轻量化,和保证足够的刚度强度,英雄机器人才能稳健有力,不易跑掉轮子和散架。

  完成整体设计后,还有一个校核的步骤。我们需要校核主要零件,得到计算结果,发现“这个零件还不够完美”,再修改出一个更优的作品。因为每个零件的尺寸、位置和配合关系已知,作用在一个零件上的载荷也就基本可以确定。

  它没有繁杂的计算,可以直接看出零件的受力情况和形变幅度,对于零、部件的修改提供参考。熟练的运用仿真协助设计,能节约人力成本和避免设计的误区。

  测试打样测试就是把机器做出来,测一下会不会翻车。(其实就是整机、零部件的强度、刚度和运转精度等方面的性能。)

  验证一般有两种,一是验证某模块能不能顺利跑起来,可以用低成本的材料测试。例如用3D打印件代替受载荷较小的加工件,用价格和强度较低的玻纤板替代碳

  板等。像下图,一个复杂的扇叶模型,在测试时可以直接简化成一块玻纤板和几块铝板。

  二是验证机器整体性能和寿命,这时就要完全遵照方案来制作机器,然后反复测试,看它能顶多久。

  在比赛中,我们经常看到机器人“翻车”,上岛翻、下坡翻,被队友撞了一下也翻……其实只要有充足的测试,这些黑历史都可以避免。

  的mm标成cm,最后收到一个比头大的快递,以及烧了一个月的生活费。2)列好BOM表,明确零件加工的成本和数量,避免漏件。别装到最后发现少了某颗螺钉和螺母。

  曾遇过一个加工商,最喜欢无视图纸的公差。所以每次拿到零件都要手动磨半天才能用,令人愤怒。

  交期也很让人头冷,如果是5号交货,就要从1号开始催,一日三餐,一天三遍。(虽然催完5号也不一定能交,但是士气一定不能输)

  4)零件回样之后及时验货,有问题就返厂。组装时注意装配顺序,记录设计不合理的地方,下次避免。

  5)尽可能模拟机器的使用工况来测试。水下机器人就让它下水,空中机器人就让它上天,不要跟它客气。测完记得记录问题,为下次迭代做准备。

  总结优化阶段主要任务是完善和扩大方案。而且,机器都由人来组装和操作,所以也得考虑人机交互的关系,来提高机器的效率和降低组装和维修难度。

  好的机器作品往往不是一蹴而就的,总是经过几个版本的迭代,不断优化才能趋向稳定。

  很多优秀队伍的机器人通常在比赛前2个月就完成了,经过长时间的测试和迭代,才能将机器性能推向极致,在赛场称霸风云。

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