《機械創(chuàng)新設計》PPT課件

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1、1、機床的產(chǎn)生和發(fā)展人類在原始時期，從勞動實踐中逐步認識到，如果要鉆一個孔，就要使刀具旋轉(zhuǎn)的同時向深度推進。如果要制造一個圓柱體，就需要使工件旋轉(zhuǎn)的同時再拿著刀具沿著工件做縱向移動。在這樣一種理念的基礎上，就造出了最古老的機床。圖示為幾種中國三代的機床和18世紀的機床。 圖古代的機床 第一節(jié) 機床的發(fā)展與創(chuàng)新設計到了19世紀初發(fā)明了銑床，19世紀中期發(fā)展成基本上具有現(xiàn)代結構的萬能銑床。機床傳動系統(tǒng)的發(fā)展也是逐步進行的，由齒輪變速箱代替了皮帶塔輪傳動。如圖所示。 2、現(xiàn)代機床的發(fā)展與展望現(xiàn)代機床從功能、規(guī)模、效率、精度、切削方式等方面都有了很大的發(fā)展。組合機床人們運用組合方法發(fā)明了各種多功能組合

2、機床，從而使機床系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的資源得到充分的利用，使加工工序縮短，提高了加工效率。組合機床一般采用多軸、多刀、多工序、多面、多工位、同時加工。在組合機床上可以完成鉆孔、擴孔、鉸孔、鏜孔、攻絲、車削、銑削、磨削等工序。組合機床的示意圖如圖所示。 大型機床 體積與質(zhì)量大是大型機床的主要特征，但因此也就容易導致運動導軌接觸面的壓力增大，影響了運動的靈敏性，增大了摩擦力，從而導致較大的動力消耗。為了解決這一問題，就發(fā)明了大型機床專用的卸載裝置，以及靜壓導軌。如圖所示。 圖 大型機床的導軌 高精度機床隨著科技的發(fā)展，對機械產(chǎn)品的精度要求越來越高。例如宇宙飛行用陀螺儀中的30mm球形轉(zhuǎn)子，要求其不圓度不

3、大于0.12um；導彈控制系統(tǒng)的齒輪傳動允許誤差只有幾秒。這些高精度的零件當然需要高精度機床來加工。高精度機床除本身具有高精度以外，主要還附加了一些特殊的校正、測量與定位裝置。如圖所示的機構。 特種加工機床 隨著工件形狀的日益復雜，以及材料的特殊性能（高硬度材料及高脆性材料），引入了電加工、超聲波加工的方法，為機床開辟了新的領域。圖中超聲波加工原理是：利用火花放電時能燒毀金屬表面的電蝕現(xiàn)象進行金屬的加工。另外圖中還顯示了電解原理的磨削加工示意圖及超聲波加工的應用實例。 第二節(jié) 動力機發(fā)展與創(chuàng)新設計 凡是將自然界中的能量轉(zhuǎn)換為機械能的機械裝置稱為動力機械或設備。例如汽輪機、燃氣輪機、內(nèi)燃機、水輪

4、機、風力機等都是典型的動力機械。動力機械在社會發(fā)展中的地位是顯著的。18世紀60年代出現(xiàn)了第一代動力機械蒸汽機，引起了產(chǎn)業(yè)革命，促進了社會的大發(fā)展，人類社會開始進入工業(yè)化時代。 1、蒸汽機原始蒸汽機17世紀末，法國技師巴本制成了世界第一臺蒸汽機。其工作原理是，通過向汽缸中注水并加熱，水蒸氣將活塞推動上去，當活塞被推到汽缸頂部時再撤熱，然后使缸內(nèi)汽冷卻，大氣壓力便將活塞推下來。該蒸汽機雖然很原始，但就其具備汽缸與活塞來說是具有劃時代意義的。實用蒸汽機18世紀初，英國的紐科門為了解決礦井積水的問題研制了實用性蒸汽機，用來抽水。該蒸汽機除了具有汽缸與活塞外，并且在汽缸中設有閥門，還配有一個鍋爐。 改

5、進型蒸汽機紐科門的蒸汽機效率低下，盡管如此也用了60余年。后來瓦特分析了這種蒸汽機的缺點，對它進行了兩次改進。第一次是針對汽缸體冷卻頻繁轉(zhuǎn)換，耗費熱能的問題進行改造。它用冷凝器代替向缸體噴冷水，當活塞運動到頂部時，關閉蒸汽機閥門的同時打開冷凝器的閥門，使汽缸內(nèi)蒸汽壓力消失，并冷凝形成真空。經(jīng)過這樣的改進，使蒸汽機的熱效率提高了3倍，耗煤量節(jié)約了1/4。第二次改進是，增加了連桿與曲軸結構，使活塞的移動轉(zhuǎn)換為曲軸的轉(zhuǎn)動；并且還發(fā)明了世界上最早的自動控制系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)蒸汽流量，使機器運行速度保持恒定。瓦特的兩次改進于1874年完成，由于瓦特的改造使蒸汽機更廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。 2 、 內(nèi)燃機早在蒸

6、汽機問世前就有人曾設想過在汽缸內(nèi)直接燃爆，致使汽缸內(nèi)氣體膨脹推動活塞運動。但由于瓦特蒸汽機的廣泛使用影響了這種設想的進一步發(fā)展。盡管如此，內(nèi)燃機還是十分具有吸引力。因為內(nèi)燃機不像蒸汽機那樣需要鍋爐和燒煤，這樣就可以使體積與質(zhì)量都減小，還可以隨意移動。 內(nèi)燃機的能量轉(zhuǎn)換由熱能轉(zhuǎn)換成機械能是內(nèi)燃機的主要功能，但產(chǎn)生熱能的關鍵是點火裝置。能量的轉(zhuǎn)換分為四個階段，即內(nèi)燃機的四個沖程：進氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣。如圖所示。 內(nèi)燃機的運動變換連桿活塞式內(nèi)燃機的運動變換是由活塞的移動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的轉(zhuǎn)動。主要活動構件有活塞、連桿、曲軸。布置形式有正置式、偏置式、主副連桿式和天平桿式4種，見圖。然后由這4種基本形

7、式再組成單列式、單軸多列式、對向活塞式等多軸多列式的各種結構形式內(nèi)燃機。 凸輪活塞式內(nèi)燃機的運動變換是由推桿式活塞的移動直接轉(zhuǎn)變?yōu)閳A柱凸輪的轉(zhuǎn)動，即為一種反凸輪機構。它可以通過改變凸輪輪廓曲線的形狀，改變輸出軸轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)減速增矩的目的。這種內(nèi)燃機活動構件數(shù)量減少、結構簡單、成本降低，常被稱為無曲軸式活塞發(fā)動機，見圖。 第三節(jié)機器人發(fā)展與創(chuàng)新設計 1. 機器人簡介機器人是20世紀中后期發(fā)展起來的一個跨學科的高科技產(chǎn)品，它涉及到機構運動學、動力學、傳感、控制、驅(qū)動、材料、人工智能等多門學科，已形成機器人工程這一專門研究領域。機器人的“成長”過程就是計算機、傳感器、和各種機構等系統(tǒng)的創(chuàng)造、改進與綜合

8、配置的過程。 機器人的“大腦”機器人的“大腦”就是計算機，或稱電腦?，F(xiàn)在廣為使用的電腦屬于具有邏輯思維能力的計算機，也就是說目前機器人的大腦僅具有邏輯思維能力。但現(xiàn)在關于形象思維能力的計算機研制已經(jīng)有所突破，即被稱為神經(jīng)計算機。若機器人采用了具有邏輯思維和形象思維的兩種計算機，其大腦就會像人一樣產(chǎn)生靈感、直覺和感情，就會成為高級智能機器人。機器人的手臂和手機器人的手和手臂是機器人最早發(fā)展部位。它雖然沒有人手靈活，但發(fā)展趨勢其功能卻會超過人手。因其手指可以設計成任意指數(shù)；其手臂可以設計成任意長度或節(jié)數(shù)；握力和臂力也可以根據(jù)實際要求進行設計；觸覺與靈巧性也在不斷提高?，F(xiàn)在已經(jīng)研制出三指九關節(jié)靈巧手

9、，它可完成復雜、精密的裝配，進行細微的操作。 機器人的行走機器人的行走方式有輪式、履帶式和步行式。前兩種適合較好路面，而后一種適合較差路面。為適應各種情況，可采用幾種方式并行。機器人雖處于學步階段，但已顯示出超越人的行走能力的特征。它可以在垂直平面上，天花板上行走。當然這種在壁面上行走要具備吸附功能與移動功能，目前吸附多采用真空吸附與電磁吸附。我國哈爾濱科技大學研制了一種永磁吸附輪、履帶復合式移動機構。機器人的眼睛研究機器人的眼睛有兩種方法：用攝像機輸入圖像，然后用計算機軟件進行圖像識別與分析；建立模擬生物眼系統(tǒng)，這是與神經(jīng)計算機相配合的視覺系統(tǒng)。硅視網(wǎng)膜是新型機器眼，硅視網(wǎng)膜由一系列光學傳感

10、器組成，每個傳感器覆蓋一小部分圖像區(qū)，其功能與人眼的功能十分相似。 機器人的鼻子嗅覺研究難度較大，因它不僅與探測的化學組成有關，還與環(huán)境有關，而環(huán)境是隨時變化的。但近幾年已有所突破，現(xiàn)在開發(fā)的鼻子是依靠以電子芯片為基礎的大量聚合物來鑒別各種氣味，并給出數(shù)字顯示的結果。它對每種氣味都會產(chǎn)生獨特的“鑒別圖譜”，并以此作為判別各種氣味的依據(jù)，而不必分析其化學成分。 2 、 工業(yè)機器人概述工業(yè)機器人的組成機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)又稱為操作系統(tǒng)，是工業(yè)機器人的執(zhí)行機構?？煞譃榛?、腰部、臂部、腕部、和手部（末端）。分析時可簡化為連桿與關節(jié)。末端即手部是直接參加工作部分，可以使用各種夾持器，也可以用各種工具，如焊

11、槍、噴頭等。工作不僅要求末端達到指定的位置，還要求具有正確的方向 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)由計算機組成，一般分為兩個部分：一部分是控制計算機，他在系統(tǒng)軟件的支持下，實現(xiàn)對應用軟件的編譯，相鄰基點的差補運算，各點的運動學動力學綜合，對操作及作業(yè)對象的信息采集處理，以及對整個系統(tǒng)的故障檢測診斷和預報。另一部分是伺服控制器，他接受位移、速度及驅(qū)動的指令，實現(xiàn)對臂桿的加速和閉環(huán)伺服控制。 驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動系統(tǒng)：驅(qū)動器：電機驅(qū)動（直流伺服電機、交流伺服電機、步進電機）；液壓氣動驅(qū)動。傳動系統(tǒng)：機器人對傳動系統(tǒng)要求具有結構緊湊，體積小，質(zhì)量輕，無間隙，反應快的特點。傳動機構種類很多，安性能可分為：固定速比

12、式和無極變速式；按運動方式可分為：回轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)直線，直線回轉(zhuǎn)，直線直線?，F(xiàn)代機器人除以上三大部分外，還應包括智能系統(tǒng)，它由感知和決策兩部分組成。前者主要是傳感器組，后者靠運行軟件實現(xiàn)。 工業(yè)機器人的結構特點（工業(yè)機器人的操作機可以簡化為開式連桿機構）操作機的結構剛度差。因為連桿系末端是無法加以支承的，并且隨連桿系在空間位姿的變化而變化。操作機的運動靈活。因為每個連桿都具有獨立的驅(qū)動器，各連桿之間的運動各自獨立，互不約束。 對傳動系統(tǒng)的剛度、間隙和運動精度要求高。因為連桿的控制屬于伺服控制型，連桿驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的瞬態(tài)過程的變化是非常復雜的，并且與執(zhí)行件反饋信號有關。極容易發(fā)生振動與不穩(wěn)定現(xiàn)象。因為連

13、桿的受力狀態(tài)、剛度條件、和動態(tài)性能都隨位姿的變化而變化。 機器人性能良好的體現(xiàn)（抓重/自重）盡量大。人類：手臂質(zhì)量為49kg，抓重為1525kg，則（抓重/自重）=34。但機器人： （抓重/自重）=1/20 結構靜態(tài)剛度盡可能好。有利于提高末端的定位精度，對編程軌跡的跟蹤精度，降低對控制系統(tǒng)的要求與造價等。 盡量提高系統(tǒng)的固有頻率和改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。其目的在于避開機器人的工作頻率，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。 工業(yè)機器人的基本參數(shù)及其特性 工作空間:指機器人臂桿特定部位在一定條件下所能達到空間位置的集合。 自由度：f=fi （式中fi為每個關節(jié)的自由度，末端自由度不計）一般工業(yè)用機器人具有4至6個自由

14、度。當自由度增加到超過末端定位需要時，便出現(xiàn)了冗余自由度。冗余自由度的存在增加了工作的靈活性，但也增加了編成的難度，并使機器的結構剛度與運動精度下降。（圖：具有冗余自由度的操作機構的應用） 有效負載：指操作機在工作時臂端可能搬運物體的重量或所能承受的力及轉(zhuǎn)矩。機器人的有效負載除受到驅(qū)動功率的限制外，還受到材料、環(huán)境、運動參數(shù)（如速度、加速度及其方向）的限制。如圖示的加拿大手臂，用于航天飛機上的機器人，額定搬運質(zhì)量為14500kg，在運動速度較低情況下能達到29500kg。然而，這種負荷能力只有在太空中失重條件下才有可能達到。在地球上，該手臂本身重量達410kg，連自重引起的臂桿變形都無法承受。

15、 運動精度：機器人機械系統(tǒng)精度涉及位置精度、重復位置精度和系統(tǒng)分辨率。位置精度是指操作機臂端定位誤差的大小，它與系統(tǒng)分辨率、機械系統(tǒng)的結構間隙、臂桿變形等有關；重復位置精度是指手臂端點實際到達位置分布曲線的寬度；系統(tǒng)分辨率主要取決于反饋傳感器的分辨率，它代表了所能識別的可控制運動變化的最小單位。 速度：速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標。最大加速度受到驅(qū)動功率和系統(tǒng)剛度的限制。 動態(tài)特性：結構動態(tài)參數(shù)常用質(zhì)量、慣性矩、剛度、阻尼系數(shù)、固有頻率和振動模態(tài)來表征。 工業(yè)機器人的坐標形式直角坐標型：又稱為直移型。其三個基本關節(jié)均為移動關節(jié)，即實現(xiàn)升降、伸縮和平移動作。其末端軌跡可以是直線、矩

16、形、或長方體。該結結構簡單，運動直觀性強，便于提高精度。但占據(jù)空間大，工作范圍小。約占機器人總產(chǎn)量的14%左右。圓柱坐標型：又稱為回轉(zhuǎn)型。其三個基本關節(jié)中，兩個為移動關節(jié)，一個為轉(zhuǎn)動關節(jié)。其末端軌跡可以是圓弧、扇形平面、圓柱面或空心圓柱面。該結構運動直觀性強，占據(jù)空間小，結構緊湊，工作范圍大。但受升降機構的限制，一般不能提升地面上較低位置的工件。約占機器人總產(chǎn)量的47%左右。 球坐標型：又稱為俯仰型。其三個基本關節(jié)中，兩個為轉(zhuǎn)動關節(jié)，一個為移動關節(jié)。其末端軌跡是一個空心球體。該結構與圓柱型相比，在占據(jù)同樣空間下工作范圍擴大了，由于具有俯仰自由度，可以完成從地面提取工件。但運動直觀性差，結構復雜

17、，臂端位置誤差會隨臂的伸長而放大。約占機器人總產(chǎn)量的13%左右。 關節(jié)坐標型：其主體結構有三個轉(zhuǎn)動自由度，即腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)。它是一種廣泛化使用的擬人化機器人。該結構占據(jù)空間小，而工作范圍最大。其末端軌跡為球體。它還可以繞過障礙物提取和運送工件。但運動直觀性差，驅(qū)動控制較復雜。約占機器人總產(chǎn)量的25 %左右。 工業(yè)機器人關節(jié)平移關節(jié)：要求無間隙、高剛度、摩 擦系數(shù)小、慣量小、穩(wěn)定、結構緊湊。類型滾動直線導軌、直線軸承、滾珠花鍵、固定軸滾動支撐。 轉(zhuǎn)動關節(jié)：要求無間隙、高剛度、摩 擦系數(shù)小、慣量小、穩(wěn)定、結構緊湊。類型滾動軸承（要求滾道合理，質(zhì)量輕，強度好，彈性模量高，精度高） 小位移運動

18、機構：在機器人工作中有許多頻繁小位移運動場合，為適應這一條件，并保持較高的位置精度，小位移運動機構必須有一定的柔性。因此許多小位移機構都是采用彈性變形的原理實現(xiàn)的。常用的有平板彈簧；以及金屬橡膠疊片式兩類。 工業(yè)機器人傳動元件普通齒輪傳動諧波齒輪傳動 擺線針輪行星傳動 絲杠螺母傳動 鏈傳動齒型帶傳動鋼帶傳動 鋼絲繩傳動柔性軸 3.仿人步行二足機器人執(zhí)行部分與傳動部分如圖所示。 傳感裝置腳與地面是否接觸的感覺是由力傳感器獲得；各關節(jié)彎曲程度由與伺服電機相連的光學周角編碼器獲得；前后、左右兩個方向各裝有一個陀螺，用于檢測機器人身體傾倒的角速度，控制器平衡。原動機與計算機控制系統(tǒng)原動機主要有伺服電機

19、與放大器等組成。計算機控制系統(tǒng)由計算機系統(tǒng)，帶有軸角編碼器的伺服電機，傳感裝置，頻率電壓轉(zhuǎn)換器，控制放大器，反饋電路等組成。 第四節(jié) 自行車的發(fā)明與創(chuàng)新設計 1.自行車的演變史18161818年：用兩腿交替蹬地來推動車子前進（法），如圖； 2.新型自行車的開發(fā)自行車經(jīng)過逐漸的改進與創(chuàng)新，才發(fā)展到今天的現(xiàn)代新型自行車。發(fā)展過程中出現(xiàn)的結構形式如圖所示。 現(xiàn)代新型的自行車有以下幾類：助力車：電動車。宜人型新型車：躺式三輪車（省力），搖桿式自行車（利用蹬車時在90120時省力）； 傳動系統(tǒng)的變異：齒輪傳動自行車，變速車。塑料自行車：碳纖維材料。 高速自行車：采用躺式結構，已發(fā)揮最大動力，減少風阻面積；雙級鏈傳動升速；以高強度碳纖維復合材料注塑整體車座和大梁，鋁鑄鏈套和中軸套，以減輕車重；采用宇航粘合劑取代傳統(tǒng)緊固件，增加強度，減少振動；運用空氣動力學原理對車外罩形狀進行優(yōu)化設計，以減小阻力。多功能自行車：根據(jù)需要增加輔助功能，如車燈、氣筒、飲水器、載人載物裝置、無線電通話設備、手電筒支架、上坡用的電動助力裝置、多人自行車設有單向離合器等。 小型自行車：便于攜帶，可拆卸，可折疊。