全民資訊網_打造最好的城市地方門戶

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

2019-12-20 14:31:45 來源:互聯網 閱讀:0

在RoboMaster比賽上,機器人有各種各樣的機械結構,像8個輪子的工程機器人

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

哈爾濱工業大學 工程機器人

頭部結構繁雜的英雄機器人

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

華南理工大學 英雄機器人

還有抱著5個氣瓶斜體爬階梯的工程機器人

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

東北大學 工程機器人

甚至同一種功能的夾取裝置,還有不同的設計:

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

兩所學校的機器人的取彈機構

不同的機械結構會直接影響機器人的效率。該如何找到最好的方案?這就是機械中最最最重要的內容——機械設計。

什么是機械設計?

機械設計是啥?是根據使用要求,對機械的工作原理、結構、力的傳遞、材料等進行構思、分析和計算,并將其轉化為具體的描述,以輔助制造。

說人話就是:我在家里想拿隔壁蘿卜君家里的蘿卜吃(這是使用要求),就開始動腦思考,還算了一下兩家的路線(這是構思和計算),最后畫圖制作偷取的工具(這是轉化)。

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

一個機械夾子

今天我來領大家入門機械設計,本文字字都是踩過的坑,句句都是流過的淚??蓪⑹謾C調至靜音,含淚閱讀。


入門:機械設計初體驗

首先,機械的圖紙不是地上撿來的,是需要自己建立模型的(建模)。

這里我們一般使用的是一款普遍到爛大街的建模軟件:SolidWorks,簡單容易好上手,對于剛學畫圖軟件的同學非常友好,適合做創新設計比賽。

還有一款叫Creo,擁有強大的曲面建模能力,需要更嚴謹的思維和規范的操作,適合曲面要求更高的產品。

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

接著,要加工零件,畢竟不是神筆馬良,畫出來就有。

我們DIY常用3D打印機和雕刻機加工。若是比賽和做產品,更多用的是CNC、沖壓和壓鑄等。

3D打印機可以加工復雜零件,比如打個六角圓弧自帶凹槽的彈倉。缺點是精度和強度不高。

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

3D打印零件

雕刻機可以雕刻平面,比如切個圓,鉆個孔。但是,只有培訓過的機械狗才能操作雕刻機,所以建議在X寶代加工。

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

雕刻機加工的零件

最后要了解基本的的緊固方式(比如螺釘)和傳動方式(比如齒輪),再利用DIY工具,動手操作一番。

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。

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

通過以上工具,就可以自己加工和裝配,搭建出簡單的機器人啦。

如果想動手卻沒有加工設備,那就拆個電視冰箱過過癮吧~不過前提是家里有礦,不怕挨打。


進階:設計要領

以上是最簡單的入門,如果入完門你覺得“機械真有趣,我還有大把頭發可以掉”,那么,硬干貨開始了。

1. 系統設計

首先,做機械要有系統設計的意識,也就是大局觀。

設計之前我們要:明確任務、分析需求、功能確定……設計過程要:提出方案、確定方案、選定材料、結構設計……最后還得:仿真、組裝測試、優化總結。

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

這才是一套合理的流程啊朋友們!那些憑感覺設計,做到一半才發現:“糟糕,他要一個電風扇,我卻做了一個風力發電機”的朋友,請好好反思一下自己!

曾經就有隊伍在研發步兵機器人時,將底盤和云臺分給兩個人做,做完發現拼不到一起……真愁人,你說該拆誰的好 ?

2. 查閱資料

如果只是做個小木椅,那么隨心做,如果想成為一名機械工程師,那請好好掌握一大波專業課,有:《理論力學》、《材料力學》、《機械原理》、《機械設計》、《工程材料》、《機械制造基礎》等等。

在掌握課程后,就能夠真正地踏入一個項目了。項目開始的第一步是收集資料,這是機械工程師必備的素養。

最廣為人知的參考資料是《機械設計手冊》,這套手冊可以說是經典中的經典,機械行業里的《新華字典》。

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

機械全套「勸退」指南

它包含了常用設計資料、機械零部件設計(連接、緊固與傳動、軸系、支承等等)、流體傳動與控制、機電一體化及控制技術、現代設計理論與方法等等。

基本常用的機械知識都能在這套手冊里找到。

另外還有一些書籍。

  • 《工程思維》、《機械設計實用機構手冊》、《機械設計方法論》、《機械設計實用機構與裝置圖冊》和《機械設計禁忌1000例》

3. 確認需求

了解完任務背景和收集資料后,就可以確定需求了。

這是非常關鍵的一步,甚至危及生命。因為如果需求不明確,以后當了產品經理,是會被程序猿持刀恐嚇的。

舉個例子,在今年比賽中,很多參賽隊慣性地認為英雄機器人必須登島,就耗費大量的精力研發英雄登島的機構。結果發現,英雄不登島反而打得更好。

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

賽場上的英雄機器人

浪費人力物力,此為不仁,傷害隊友感情,此為不義……(誤)

想要正確認識需求,就要分清必達需求、最低需求和希望達到的需求。

  • 必達需求:無論如何也要達到的,不然就撒手不干無法實現功能。
  • 最低需求:各種限制條件,如效率、使用壽命等等。
  • 希望達到的需求:有一定寬容余地,如好維修、方便操作和外形美觀等。

根據這些需求,綜合人力物力和資源,吾日三省吾身:功能能實現否,需求之間存在矛盾否,需求之間能被替代否等等。

舉個栗子:2018賽季的工程機器人,必達需求是獲取底層彈丸,最低需求是可以重復獲取彈藥箱,希望達到的需求是可以在6s完成登島,20s內抓取10個彈藥箱。

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

工程機器人取彈

這個過程建議列好需求分析文檔,根據實際情況來改動項目。

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

我的需求文檔

在分析需求時,切忌好高騖遠脫離實際,比如機器人飛躍上島……這事咱們5年內暫時別想了好嗎?

只有穩扎穩打地實現機器人的每個功能,并做到極致的穩定,才是最靠譜的路子。

4. 方案設計

有了需求,就要開始設計方案了。如果說機械結構決定機器人身體的好壞,那么方案設計就是機器人的靈魂品質的高低。

在方案設計過程中一般有以下幾個步驟:

1)集智法:團隊提出多種方案,按照原動部分、傳動部分和執行部分,分別思考討論。舉個簡單的栗子:工程機器人抓取彈藥箱時,氣缸是原動部分,被推動的滑塊是傳動部分,爪子則是執行部分。

2)方案篩選和融合:根據提出的方案,評估每個方案的可行性,綜合考慮人力、資金和可行性等問題,融合提煉出一個最終方案。

3)要點實現review:確定最終方案后,回頭思考這個方案能否滿足需求。

一個合理可行方案往往能夠起到事半功倍的效果。再舉個栗子:2018賽季,深圳大學的工程機器人登島結構,擁有不同高度的輔助輪,可以適應各種階梯,外框架可以伸縮抬升機器人,高效簡潔,實在是高。

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

深圳大學的工程機器人

最后它也在登島取彈的單項賽中成功奪魁,實在優秀。

那么對于機械新人,看到別人優秀的機械方案,能不能照抄呢?

其實,同類機器人的成功案例可以直接借鑒,不符合要求的就要改進。那些一味求新、把血淚經驗棄置不理的極端行為,我們墻裂譴責!

5. 設計階段

設計階段就是,把腦子里不可描述的想法,轉變成模型?;驹瓌t是:明確、簡單和安全。

這需要確定機器各零部件的材料、形狀、尺寸、加工和裝配,涉及到材料、工藝、精度、計算方法、實驗等綜合性工作。

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

過程主要有零件設計、部件設計和整體設計三個部分。

1)零件設計

零件設計主要有以下三個方法:理論設計、經驗設計和模型試驗設計。一般創新設計比賽過程中比較常用的是理論設計和經驗設計。

設計零件時,要把握好每一個零件的強度和剛度,避免零件損壞失效。同時要考慮工藝性,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。

在滿足上面兩個條件的情況下,盡可能減小零件質量,避免材料浪費和減小整體慣性,改善機器的動力性能。

2)部件設計

部件設計時,要協調各零件的結構及尺寸,使零件構型合理。下圖的錯誤示范,就是沒考慮加工工藝,加工商看了是要打人的。

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

設計重要的機構時,還要做出簡略的實物來驗證可行性。曾經我就因為關鍵結構要重做,導致整臺機器得大改。隊友聽了都想打人。

3)整體設計

整體設計時,要注意好每個部件的空間布局、部件之間銜接的位置,和線路布置的問題。

比如說英雄機器人,它有云臺模塊,底盤模塊和取彈模塊,如果制作這三個模塊時,沒有考慮整體設計,做完就會發現根本拼不起來。

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

英雄機器人的三個模塊

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度,英雄機器人才能穩健有力,不易跑掉輪子和散架。

完成整體設計后,還有一個校核的步驟。我們需要校核主要零件,得到計算結果,發現“這個零件還不夠完美”,再修改出一個更優的作品。因為每個零件的尺寸、位置和配合關系已知,作用在一個零件上的載荷也就基本可以確定。

身為21世紀熱愛上網沖浪的少年,還會通過有限元仿真分析來校核。

它沒有繁雜的計算,可以直接看出零件的受力情況和形變幅度,對于零、部件的修改提供參考。熟練的運用仿真協助設計,能節約人力成本和避免設計的誤區。

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

有限元仿真分析

6. 打樣測試

打樣測試就是把機器做出來,測一下會不會翻車。(其實就是整機、零部件的強度、剛度和運轉精度等方面的性能。)

驗證一般有兩種,一是驗證某模塊能不能順利跑起來,可以用低成本的材料測試。例如用3D打印件代替受載荷較小的加工件,用價格和強度較低的玻纖板替代碳纖維板等。

像下圖,一個復雜的扇葉模型,在測試時可以直接簡化成一塊玻纖板和幾塊鋁板。

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

被簡化的測試的機構

二是驗證機器整體性能和壽命,這時就要完全遵照方案來制作機器,然后反復測試,看它能頂多久。

在比賽中,我們經??吹綑C器人“翻車”,上島翻、下坡翻,被隊友撞了一下也翻……其實只要有充足的測試,這些黑歷史都可以避免。

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

機器人下島時“翻車”

打樣過程有一些血淚史,請大家牢記在心:

1)打樣前一定要反復檢查圖紙,避免重要尺寸的漏標和錯標。記得曾經有人把電路板的mm標成cm,最后收到一個比頭大的快遞,以及燒了一個月的生活費。

2)列好BOM表,明確零件加工的成本和數量,避免漏件。別裝到最后發現少了某顆螺釘和螺母。

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

3)加工過程中要跟加工商保持溝通,保證零件的加工的準確性、精度和交期。

曾遇過一個加工商,最喜歡無視圖紙的公差。所以每次拿到零件都要手動磨半天才能用,令人憤怒。

交期也很讓人頭冷,如果是5號交貨,就要從1號開始催,一日三餐,一天三遍。(雖然催完5號也不一定能交,但是士氣一定不能輸)

4)零件回樣之后及時驗貨,有問題就返廠。組裝時注意裝配順序,記錄設計不合理的地方,下次避免。

5)盡可能模擬機器的使用工況來測試。水下機器人就讓它下水,空中機器人就讓它上天,不要跟它客氣。測完記得記錄問題,為下次迭代做準備。

7. 總結優化

總結優化階段主要任務是完善和擴大方案。而且,機器都由人來組裝和操作,所以也得考慮人機交互的關系,來提高機器的效率和降低組裝和維修難度。

好的機器作品往往不是一蹴而就的,總是經過幾個版本的迭代,不斷優化才能趨向穩定。

很多優秀隊伍的機器人通常在比賽前2個月就完成了,經過長時間的測試和迭代,才能將機器性能推向極致,在賽場稱霸風云。

機械入門|那些看起來很牛X的機械結構,是如何設計的?

希望未來的機械工程師們,好好學習,動手實踐,爭取早日設計出牛X的機械結構,把我摁在地上摩擦摩擦。


推薦閱讀:葉紫網

让别人下载软件赚钱