1、機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,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(rèn)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(chǔ)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(jì)的機床。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,圖 古代的機床,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,第一節(jié) 機床的發(fā)展與創(chuàng)新設(shè)計 到了19世紀(jì)初發(fā)明了銑床，19世紀(jì)中期發(fā)展成基本上具有現(xiàn)代結(jié)構(gòu)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。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,2、現(xiàn)代機床的發(fā)展與展望 現(xiàn)代機床從功能

2、、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。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,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(dǎo)致運動導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)軌。如圖所示。,圖 大型機床

3、的導(dǎo)軌,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,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，要求其不圓度不大于0.12um；導(dǎo)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(dāng)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(gòu)。,特種加工機床 隨著工件形狀的日益復(fù)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(lǐng)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

4、加工的應(yīng)用實例。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,第二節(jié) 動力機發(fā)展與創(chuàng)新設(shè)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(shè)備。例如汽輪機、燃?xì)廨啓C、內(nèi)燃機、水輪機、風(fēng)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(jì)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。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,1、蒸汽機 原始蒸汽機17世紀(jì)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(dāng)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

5、缸與活塞來說是具有劃時代意義的。 實用蒸汽機18世紀(jì)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(shè)有閥門，還配有一個鍋爐。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,改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(dāng)活塞運動到頂部時，關(guān)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(jié)

6、構(gòu)，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(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,2 、 內(nèi)燃機 早在蒸汽機問世前就有人曾設(shè)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(shè)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。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,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(guān)鍵是點火裝置。能量的

7、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。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,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(gòu)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(jié)構(gòu)形式內(nèi)燃機。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,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(gòu)。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(gòu)件數(shù)量減少、結(jié)構(gòu)簡單、成本降低，常被稱為無曲

8、軸式活塞發(fā)動機，見圖。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,第三節(jié)機器人發(fā)展與創(chuàng)新設(shè)計 1. 機器人簡介 機器人是20世紀(jì)中后期發(fā)展起來的一個跨學(xué)科的高科技產(chǎn)品，它涉及到機構(gòu)運動學(xué)、動力學(xué)、傳感、控制、驅(qū)動、材料、人工智能等多門學(xué)科，已形成機器人工程這一專門研究領(lǐng)域。機器人的“成長”過程就是計算機、傳感器、和各種機構(gòu)等系統(tǒng)的創(chuàng)造、改進與綜合配置的過程。,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(guān)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

9、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(shè)計成任意指數(shù)；其手臂可以設(shè)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(shè)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(guān)節(jié)靈巧手，它可完成復(fù)雜、精密的裝配，進行細(xì)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(yīng)各種情況，可采用幾種方式并行。機器人雖處于學(xué)步階段，但已顯示出超越人的行走能力的特征。它可以在

10、垂直平面上，天花板上行走。當(dāng)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(xué)研制了一種永磁吸附輪、履帶復(fù)合式移動機構(gòu)。 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(xué)傳感器組成，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。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,機器人的鼻子 嗅覺研究難度較大，因它不僅與探測的化學(xué)組成有關(guān)，還與環(huán)境有關(guān)，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

11、為基礎(chǔ)的大量聚合物來鑒別各種氣味，并給出數(shù)字顯示的結(jié)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(xué)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(gòu)?？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(guān)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(yīng)用軟件的編譯，相鄰基點的差補運算，各點的運動

12、學(xué)動力學(xué)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(yù)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。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,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(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕，無間隙，反應(yīng)快的特點。傳動機構(gòu)種類很多，安性能可分為：固定速比式和無極變速式；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(yīng)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)。

13、,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)特點（工業(yè)機器人的操作機可以簡化為開式連桿機構(gòu)） 操作機的結(jié)構(gòu)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(fù)雜的，并且與執(zhí)行件反饋信號有關(guān)。 極容易發(fā)生振動與不穩(wěn)定現(xiàn)象。因為連桿的受力狀態(tài)、剛度條件、和動態(tài)性能都隨位姿的變化而變化。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,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1

14、525kg，則（抓重/自重）=34。但機器人： （抓重/自重）=1/20 結(jié)構(gòu)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。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,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(guān)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個自由度。當(dāng)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

15、度，并使機器的結(jié)構(gòu)剛度與運動精度下降。（圖：具有冗余自由度的操作機構(gòu)的應(yīng)用）,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,有效負(fù)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(fù)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(fù)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。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,運動精度：機器人機械系統(tǒng)精度涉及位置精度、重

16、復(fù)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(jié)構(gòu)間隙、臂桿變形等有關(guān)；重復(fù)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(biāo)。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(jié)構(gòu)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(biāo)形式 直角坐標(biāo)型：又稱為直移型。其三個基本關(guān)節(jié)均為移動關(guān)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、矩形、或長方體。該結(jié)結(jié)構(gòu)簡單，運動直觀性強，便

17、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(biāo)型：又稱為回轉(zhuǎn)型。其三個基本關(guān)節(jié)中，兩個為移動關(guān)節(jié)，一個為轉(zhuǎn)動關(guān)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(jié)構(gòu)運動直觀性強，占據(jù)空間小，結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大。但受升降機構(gòu)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(biāo)型：又稱為俯仰型。其三個基本關(guān)節(jié)中，兩個為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，一個為移動關(guān)節(jié)。其末端軌跡是一個空心球體。該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，臂端位置誤差會隨臂的伸長而放大。約占機器

18、人總產(chǎn)量的13%左右。 關(guān)節(jié)坐標(biāo)型：其主體結(jié)構(gòu)有三個轉(zhuǎn)動自由度，即腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)。它是一種廣泛化使用的擬人化機器人。該結(jié)構(gòu)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(fù)雜。約占機器人總產(chǎn)量的25 %左右。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,工業(yè)機器人關(guān)節(jié) 平移關(guān)節(jié)：要求無間隙、高剛度、摩 擦系數(shù)小、慣量小、穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊。類型滾動直線導(dǎo)軌、直線軸承、滾珠花鍵、固定軸滾動支撐。 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)：要求無間隙、高剛度、摩 擦系數(shù)小、慣量小、穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)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） 小位移運動機構(gòu)：在機器人工作

19、中有許多頻繁小位移運動場合，為適應(yīng)這一條件，并保持較高的位置精度，小位移運動機構(gòu)必須有一定的柔性。因此許多小位移機構(gòu)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。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,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,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,3.仿人步行二足機器人 執(zhí)行部分與傳動部分如圖所示。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,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(guān)節(jié)彎曲程度由與伺服電機相連的光學(xué)周角編碼

20、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。,機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例,第四節(jié) 自行車的發(fā)明與創(chuàng)新設(shè)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；,這是歐洲文藝復(fù)興時代意大利的達芬奇勾畫的自行車圖紙。,1818年，德國的德賴斯發(fā)明木制、帶車把的兩輪自行車,靠雙腳蹬地行駛，裝上了方向盤，使其改變行駛方向。,1839年，美國人麥克依倫發(fā)明了現(xiàn)代自行車相似的雙輪車，只不過前輪大，后輪小，閃輪的軸心裝有腳蹬，騎車人不必再用腳蹬地，只需踏蹬腳蹬就可以前進了。,1861年，法國的米肖父子發(fā)明前輪大、后輪小、在前輪上裝有曲柄和能轉(zhuǎn)動的踏板的自行車，并于1867年在巴黎博覽會上展出，曾一度掀起自行車熱。,這是法國在1868年舉第一場自行車競賽使用的自行車。,1869年，英國的雷諾看了法國的自行車之后，覺得車子太笨重了，開始琢磨如何把自行車做得輕巧一