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機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入門:那些看起來(lái)很牛X的機(jī)械結(jié)構(gòu),是如何設(shè)計(jì)的?
RoboMaster機(jī)械工程師 罐頭君
喜歡畫圖,更愛(ài)擰螺絲,機(jī)械使我快樂(lè)
在RoboMaster比賽上,機(jī)器人有各種各樣的機(jī)械結(jié)構(gòu),像8個(gè)輪子的工程機(jī)器人
哈爾濱工業(yè)大學(xué) 工程機(jī)器人:頭部結(jié)構(gòu)繁雜的英雄機(jī)器人
華南理工大學(xué) 英雄機(jī)器人
還有抱著5個(gè)氣瓶斜體爬階梯的工程機(jī)器人
東北大學(xué) 工程機(jī)器人
甚至同一種功能的夾取裝置,還有不同的設(shè)計(jì):
兩所學(xué)校的機(jī)器人的取彈機(jī)構(gòu)
不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響機(jī)器人的效率。該如何找到最好的方案?這就是機(jī)械中最最最重要的內(nèi)容—— 機(jī)械設(shè)計(jì) 。
什么是機(jī)械設(shè)計(jì)?
機(jī)械設(shè)計(jì)是啥?是根據(jù)使用要求,對(duì)機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)、力的傳遞、材料等進(jìn)行構(gòu)思、分析和計(jì)算,并將其轉(zhuǎn)化為具體的描述,以輔助制造。
說(shuō)人話就是:我在家里想拿隔壁蘿卜君家里的蘿卜吃(這是使用要求),就開始動(dòng)腦思考,還算了一下兩家的路線(這是構(gòu)思和計(jì)算),最后畫圖制作偷取的工具(這是轉(zhuǎn)化)。
一個(gè)機(jī)械夾子
今天我來(lái)領(lǐng)大家入門機(jī)械設(shè)計(jì),本文字字都是踩過(guò)的坑,句句都是流過(guò)的淚。
可將手機(jī)調(diào)至靜音,含淚閱讀。
入門:機(jī)械設(shè)計(jì)初體驗(yàn)
首先,機(jī)械的圖紙不是地上撿來(lái)的,是需要自己建立模型的(建模)。
這里推薦一款普遍到爛大街的建模軟件:SolidWorks,簡(jiǎn)單容易好上手,對(duì)于剛學(xué)畫圖軟件的同學(xué)非常友好,適合做創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽。
還有一款叫Creo,擁有強(qiáng)大的曲面建模能力,需要更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S和規(guī)范的操作,適合曲面要求更高的產(chǎn)品。
接著,要加工零件,畢竟不是神筆馬良,畫出來(lái)就有。
我們DIY常用3D打印機(jī)和雕刻機(jī)加工。若是比賽和做產(chǎn)品,更多用的是CNC、沖壓和壓鑄等。
3D打印機(jī)可以加工復(fù)雜零件,比如打個(gè)六角圓弧自帶凹槽的彈倉(cāng)。缺點(diǎn)是精度和強(qiáng)度不高。
3D打印零件
雕刻機(jī)可以雕刻平面,比如切個(gè)圓,鉆個(gè)孔。但是,只有培訓(xùn)過(guò)的機(jī)械狗才能操作雕刻機(jī),所以建議在X寶代加工。
雕刻機(jī)加工的零件
最后要了解基本的的緊固方式(比如螺釘)和傳動(dòng)方式(比如齒輪),再利用DIY工具,動(dòng)手操作一番。
常用的DIY工具有螺絲刀、螺栓螺母和扳手,這些工具可以滿足基本的連接需求。
通過(guò)以上工具,就可以自己加工和裝配,搭建出簡(jiǎn)單的機(jī)器人啦。
如果想動(dòng)手卻沒(méi)有加工設(shè)備,那就拆個(gè)電視冰箱過(guò)過(guò)癮吧~不過(guò)前提是家里有礦,不怕挨打。
進(jìn)階:設(shè)計(jì)要領(lǐng)
以上是最簡(jiǎn)單的入門,如果入完門你覺(jué)得“機(jī)械真有趣,我還有大把頭發(fā)可以掉”,那么,硬干貨開始了。
1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
首先,做機(jī)械要有系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意識(shí),也就是大局觀。
設(shè)計(jì)之前我們要: 明確任務(wù)、分析需求、功能確定……設(shè)計(jì)過(guò)程要: 提出方案、確定方案、選定材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……最后還得: 仿真、組裝測(cè)試、優(yōu)化總結(jié)。
這才是一套合理的流程啊朋友們!那些憑感覺(jué)設(shè)計(jì),做到一半才發(fā)現(xiàn):“糟糕,他要一個(gè)電風(fēng)扇,我卻做了一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)”的朋友,請(qǐng)好好反思一下自己!
曾經(jīng)就有隊(duì)伍在研發(fā)步兵機(jī)器人時(shí),將底盤和云臺(tái)分給兩個(gè)人做,做完發(fā)現(xiàn)拼不到一起……
真愁人,你說(shuō)該拆誰(shuí)的好 ?
2. 查閱資料
如果只是做個(gè)小木椅,那么隨心做,如果想成為一名機(jī)械工程師,那請(qǐng)好好掌握一大波專業(yè)課,有:《理論力學(xué)》、《材料力學(xué)》、《機(jī)械原理》、《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《工程材料》、《機(jī)械制造基礎(chǔ)》等等。
在掌握課程后,就能夠真正地踏入一個(gè)項(xiàng)目了。項(xiàng)目開始 的第一步是收集資料,這是機(jī)械工程師必備的素養(yǎng)。
個(gè)人首推的參考資料是《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》, 這套手冊(cè)可以說(shuō)是經(jīng)典中的經(jīng)典,機(jī)械行業(yè)里的《新華字典》。
機(jī)械全套”勸退”指南
它包含了常用設(shè)計(jì)資料、機(jī)械零部件設(shè)計(jì)(連接、緊固與傳動(dòng)、軸系、支承等等)、流體傳動(dòng)與控制、機(jī)電一體化及控制技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法等等。
基本常用的機(jī)械知識(shí)都能在這套手冊(cè)里找到。
身為21世紀(jì)熱愛(ài)上網(wǎng)沖浪的少年,還推薦上 “知網(wǎng)”和“萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)”。 這些平臺(tái)涵蓋了國(guó)內(nèi)外各類學(xué)術(shù)期刊、會(huì)議論文,讀完能夠提升逼格更好地做研究。
對(duì)了,還有個(gè)經(jīng)驗(yàn):搜不到信息時(shí),可以減少關(guān)鍵詞來(lái)擴(kuò)大搜索范圍,或者用相近的關(guān)鍵詞,比如“發(fā)射結(jié)構(gòu)”改成“摩擦輪擠出”。
如果想了解RoboMaster比賽機(jī)器人,還可以看看《機(jī)甲大師?精選機(jī)器人圖鑒》:
非賣品,文末活動(dòng)可獲得限量版圖鑒
圖鑒精挑細(xì)選了比賽中優(yōu)秀的機(jī)器人,解析了它們的結(jié)構(gòu)和技術(shù)。簡(jiǎn)直是入門機(jī)器人、窺覽強(qiáng)隊(duì)技術(shù)的必備書籍。
另外還推薦一些網(wǎng)站和書籍。 這兩個(gè)網(wǎng)站主打知識(shí)共享,可以上傳自己的模型圖,也能觀摩各路神仙的圖。
《工程思維》、《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用機(jī)構(gòu)手冊(cè)》、《機(jī)械設(shè)計(jì)方法論》、《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用機(jī)構(gòu)與裝置圖冊(cè)》和《機(jī)械設(shè)計(jì)禁忌1000例》
網(wǎng)站頁(yè)面
3. 確認(rèn)需求
了解完任務(wù)背景和收集資料后,就可以確定需求了。
這是非常關(guān)鍵的一步,甚至危及生命。因?yàn)槿绻枨蟛幻鞔_,以后當(dāng)了產(chǎn)品經(jīng)理,是會(huì)被程序猿持刀恐嚇的。
舉個(gè)例子
賽場(chǎng)上的英雄機(jī)器人
浪費(fèi)人力物力,此為不仁,傷害隊(duì)友感情,此為不義……(誤)
想要正確認(rèn)識(shí)需求,就要分清必達(dá)需求、最低需求和希望達(dá)到的需求。
必達(dá)需求: 無(wú)論如何也要達(dá)到的,不然就撒手不干無(wú)法實(shí)現(xiàn)功能。
最低需求: 各種限制條件,如效率、使用壽命等等。
希望達(dá)到的需求: 有一定寬容余地,如好維修、方便操作和外形美觀等。
根據(jù)這些需求,綜合人力物力和資源,吾日三省吾身:功能能實(shí)現(xiàn)否,需求之間存在矛盾否,需求之間能被替代否等等。
舉個(gè)栗子
工程機(jī)器人取彈
這個(gè)過(guò)程建議列好需求分析文檔,根據(jù)實(shí)際情況來(lái)改動(dòng)項(xiàng)目。
我的需求文檔
在分析需求時(shí),切忌好高騖遠(yuǎn)脫離實(shí)際, 比如機(jī)器人飛躍上島……這事咱們5年內(nèi)暫時(shí)別想了好嗎?
只有穩(wěn)扎穩(wěn)打地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的每個(gè)功能,并做到極致的穩(wěn)定,才是最靠譜的路子。
4. 方案設(shè)計(jì)
有了需求,就要開始設(shè)計(jì)方案了。如果說(shuō)機(jī)械結(jié)構(gòu)決定機(jī)器人身體的好壞,那么方案設(shè)計(jì)就是機(jī)器人的靈魂品質(zhì)的高低。
在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中一般有以下幾個(gè)步驟:
1. 集智法: 團(tuán)隊(duì)提出多種方案,按照原動(dòng)部分、傳動(dòng)部分和執(zhí)行部分,分別思考討論。
舉個(gè)簡(jiǎn)單的栗子
2. 方案篩選和融合: 根據(jù)提出的方案,評(píng)估每個(gè)方案的可行性,綜合考慮人力、資金和可行性等問(wèn)題,融合提煉出一個(gè)最終方案。
3. 要點(diǎn)實(shí)現(xiàn)review: 確定最終方案后,回頭思考這個(gè)方案能否滿足需求。
一個(gè)合理可行方案往往能夠起到事半功倍的效果。再舉個(gè)栗子
2018賽季,深圳大學(xué)的工程機(jī)器人登島結(jié)構(gòu),擁有不同高度的輔助輪,可以適應(yīng)各種階梯,外框架可以伸縮抬升機(jī)器人,高效簡(jiǎn)潔,實(shí)在是高。
深圳大學(xué)的工程機(jī)器人
最后它也在登島取彈的單項(xiàng)賽中成功奪魁,實(shí)在優(yōu)秀。
對(duì)于機(jī)械新人,看到別人優(yōu)秀的機(jī)械方案,能不能照抄呢?
其實(shí),同類機(jī)器人的成功案例可以直接借鑒,不符合要求的就要改進(jìn)。
那些一味求新、把血淚經(jīng)驗(yàn)棄置不理的極端行為,我們墻裂譴責(zé)!
5. 設(shè)計(jì)階段
設(shè)計(jì)階段就是,把腦子里不可描述的想法,轉(zhuǎn)變成模型?;驹瓌t是:明確、簡(jiǎn)單和安全。
這需要確定機(jī)器各零部件的材料、形狀、尺寸、加工和裝配,涉及到材料、工藝、精度、計(jì)算方法、實(shí)驗(yàn)等綜合性工作。
過(guò)程主要有零件設(shè)計(jì)、部件設(shè)計(jì)和整體設(shè)計(jì)三個(gè)部分。
1. 零件設(shè)計(jì)
零件設(shè)計(jì)主要有以下三個(gè)方法:理論設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)。 一般創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽過(guò)程中比較常用的是理論設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)零件時(shí),要把握好每一個(gè)零件的強(qiáng)度和剛度,避免零件損壞失效。同時(shí)要考慮工藝性,降低零件的制作成本。熟悉加工工藝可以在這一方面有很多的幫助。
在滿足上面兩個(gè)條件的情況下,盡可能減小零件質(zhì)量,避免材料浪費(fèi)和減小整體慣性,改善機(jī)器的動(dòng)力性能。
2. 部件設(shè)計(jì)
部件設(shè)計(jì)時(shí),要協(xié)調(diào)各零件的結(jié)構(gòu)及尺寸,使零件構(gòu)型合理。 下圖的錯(cuò)誤示范,就是沒(méi)考慮加工工藝,加工商看了是要打人的。
設(shè)計(jì)重要的機(jī)構(gòu)時(shí),還要做出簡(jiǎn)略的實(shí)物來(lái)驗(yàn)證可行性。曾經(jīng)我就因?yàn)殛P(guān)鍵結(jié)構(gòu)要重做,導(dǎo)致整臺(tái)機(jī)器得大改。隊(duì)友聽(tīng)了都想打人。
3. 整體設(shè)計(jì)
整體設(shè)計(jì)時(shí),要注意好每個(gè)部件的空間布局、部件之間銜接的位置,和線路布置的問(wèn)題。
比如說(shuō)英雄機(jī)器人,它有云臺(tái)模塊,底盤模塊和取彈模塊,如果制作這三個(gè)模塊時(shí),沒(méi)有考慮整體設(shè)計(jì),做完就會(huì)發(fā)現(xiàn)根本拼不起來(lái)。
英雄機(jī)器人的三個(gè)模塊
只有確保部件之間的配合、零件輕量化,和保證足夠的剛度強(qiáng)度,英雄機(jī)器人才能穩(wěn)健有力,不易跑掉輪子和散架。
4.完成整體設(shè)計(jì)后,還有一個(gè)校核的步驟。 我們需要校核主要零件,得到計(jì)算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)“這個(gè)零件還不夠完美”,再修改出一個(gè)更優(yōu)的作品。
(因?yàn)槊總€(gè)零件的尺寸、位置和配合關(guān)系已知,作用在一個(gè)零件上的載荷也就基本可以確定。)
5.身為21世紀(jì)熱愛(ài)上網(wǎng)沖浪的少年,還會(huì)通過(guò)有限元仿真分析來(lái)校核。
它沒(méi)有繁雜的計(jì)算,可以直接看出零件的受力情況和形變幅度,對(duì)于零、部件的修改提供參考。熟練的運(yùn)用仿真協(xié)助設(shè)計(jì),能節(jié)約人力成本和避免設(shè)計(jì)的誤區(qū)。
有限元仿真分析
6. 打樣測(cè)試
打樣測(cè)試就是把機(jī)器做出來(lái),測(cè)一下會(huì)不會(huì)翻車。 (其實(shí)就是整機(jī)、零部件的強(qiáng)度、剛度和運(yùn)轉(zhuǎn)精度等方面的性能。)
驗(yàn)證一般有兩種,一是驗(yàn)證某模塊能不能順利跑起來(lái), 可以用低成本的材料測(cè)試。例如用3D打印件代替受載荷較小的加工件,用價(jià)格和強(qiáng)度較低的玻纖板替代碳纖維板等。
像下圖,一個(gè)復(fù)雜的扇葉模型,在測(cè)試時(shí)可以直接簡(jiǎn)化成一塊玻纖板和幾塊鋁板。
被簡(jiǎn)化的測(cè)試的機(jī)構(gòu)
二是驗(yàn)證機(jī)器整體性能和壽命, 這時(shí)就要完全遵照方案來(lái)制作機(jī)器,然后反復(fù)測(cè)試,看它能頂多久。
在比賽中,我們經(jīng)??吹綑C(jī)器人“翻車”,上島翻、下坡翻,被隊(duì)友撞了一下也翻……其實(shí)只要有充足的測(cè)試,這些黑歷史都可以避免。
機(jī)器人下島時(shí)“翻車”
打樣過(guò)程有一些血淚史,請(qǐng)大家牢記在心:
1. 打樣前一定要反復(fù)檢查圖紙, 避免重要尺寸的漏標(biāo)和錯(cuò)標(biāo)。
記得曾經(jīng)有人把電路板的mm標(biāo)成cm,最后收到一個(gè)比頭大的快遞,以及燒了一個(gè)月的生活費(fèi)。
2. 列好BOM表,明確零件加工的成本和數(shù)量,避免漏件。 別裝到最后發(fā)現(xiàn)少了某顆螺釘和螺母。
3. 加工過(guò)程中要跟加工商保持溝通, 保證零件的加工的準(zhǔn)確性、精度和交期。
曾遇過(guò)一個(gè)加工商,最喜歡無(wú)視圖紙的公差。所以每次拿到零件都要手動(dòng)磨半天才能用,令人憤怒。
交期也很讓人頭冷,如果是5號(hào)交貨,就要從1號(hào)開始催,一日三餐,一天三遍。(雖然催完5號(hào)也不一定能交,但是士氣一定不能輸
)
4. 零件回樣之后及時(shí)驗(yàn)貨, 有問(wèn)題就返廠。組裝時(shí)注意裝配順序,記錄設(shè)計(jì)不合理的地方,下次避免。
5. 盡可能模擬機(jī)器的使用工況來(lái)測(cè)試。 水下機(jī)器人就讓它下水,空中機(jī)器人就讓它上天,不要跟它客氣。測(cè)完記得記錄問(wèn)題,為下次迭代做準(zhǔn)備。
7. 總結(jié)優(yōu)化
總結(jié)優(yōu)化階段主要任務(wù)是完善和擴(kuò)大方案。 而且,機(jī)器都由人來(lái)組裝和操作,所以也得考慮人機(jī)交互的關(guān)系,來(lái)提高機(jī)器的效率和降低組裝和維修難度。
好的機(jī)器作品往往不是一蹴而就的,總是經(jīng)過(guò)幾個(gè)版本的迭代,不斷優(yōu)化才能趨向穩(wěn)定。
很多優(yōu)秀隊(duì)伍的機(jī)器人通常在比賽前2個(gè)月就完成了,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試和迭代,才能將機(jī)器性能推向極致,在賽場(chǎng)稱霸風(fēng)云。
希望未來(lái)的機(jī)械工程師們,好好學(xué)習(xí),動(dòng)手實(shí)踐,爭(zhēng)取早日設(shè)計(jì)出牛X的機(jī)械結(jié)構(gòu),把我摁在地上摩擦摩擦。
以上就是100唯爾(100vr.com)小編為您介紹的關(guān)于什么是機(jī)械設(shè)計(jì)的知識(shí)技巧了,學(xué)習(xí)以上的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入門:那些看起來(lái)很牛X的機(jī)械結(jié)構(gòu),是如何設(shè)計(jì)的?知識(shí),對(duì)于什么是機(jī)械設(shè)計(jì)的幫助都是非常大的,這也是新手學(xué)習(xí)機(jī)械制造所需要注意的地方。如果使用100唯爾還有什么問(wèn)題可以點(diǎn)擊右側(cè)人工服務(wù),我們會(huì)有專業(yè)的人士來(lái)為您解答。
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