高等机械工程学课件【ch03】现代机械设计理论

高等机械工程学现代机械设计理论第三章普通高等教育机械类系列教材3.1现代机构学的形成、基本内容和应用现代机构学的形成、基本内容和应用3.1机构学的产生和发展第一阶段17世纪的欧洲文艺复兴和18世纪初期的工业革命，促使机械工业空前发展。德国的勒洛(Reuleaux)于1875年出版了《机械运动学》,奠定了机构学的基础。在同一时期，俄国的切比雪夫(Chebychev)应用代数法解决了机构的近似设计问题。机构学逐渐形成一门独立的技术基础学科，为指导机械产品的设计提供了理论与方法，促进了机械工业的发展。1现代机构学的形成、基本内容和应用3.1机构学的产生和发展第二阶段第二次世界大战结束后，工业生产的恢复和电子计算机的研制成功，发展和完善了机构学中的分析方法和综合方法，在机构结构理论、空间机构的分析与综合、弹性机构动力学等许多领域的研究都有飞跃式的发展。平面连杆机构的设计方法、凸轮机构的设计与分析方法、齿轮机构的啮合理论、机械动力学响应等传统机构学内容研究基本成熟。1现代机构学的形成、基本内容和应用3.1机构学的产生和发展第三阶段20世纪中后期以后，随着计算机技术、自动控制技术和传感技术的发展，机构学飞速发展。空间闭链机构、空间开链机构的理论研究基本成熟，考虑到动力学因素的机构综合取得了长足的进步。传统机构学与仿生学、生物力学、电磁学及控制理论相结合，形成相互交叉渗透的边缘学科，机构学的内涵不断扩大。进入21世纪以来，高等机构学也在不断发生变化，仿生机构、广义机构、高副机构、机构创新的基本理论不断充实机构学。1现代机构学的形成、基本内容和应用3.1空间连杆机构在连杆机构中，如果各构件不都相对于某一参考平面做平面运动，则称该机构为空间连杆机构。在空间连杆机构中，运动副除包括转动副R和移动副P以外，还包括圆柱副C、球面副S、螺旋副H和虎克铰U等，空间连杆机构常以机构中所含各运动副的代表符号来命名，如RSSR机构、RSUR机构、RCCR机构等。现代机构学的形成、基本内容和应用3.1空间连杆机构若按运动链的数量来区分，则空间连杆机构可分为单链式空间连杆机构和多链式空间连杆机构。更常见的方式是按运动链是否封闭来区分，可分为开链型空间连杆机构和闭链型空间连杆机构两种。前者主要用在机械手和机器人中；后者又有单环和多环之分，单环机构主要用在轻工机械、农业机械、航空运输机械、汽车和各种仪表中，而多环机构为并联机构的主要构型，在运动模拟、精密操纵、多轴加工等众多领域的应用越来越广。现代机构学的形成、基本内容和应用3.1空间连杆机构坐标变换和方向余弦设有两个共原点的右手直角坐标系x:yz;和x;y,zy,i系称为旧系，j系称为新系，如图3-1所示。x轴、y轴和z;轴关于x;y₁z;的方向角分别是αi、β、y,a₂、β2、y₂和α₃、β3、r₃。用2i₃和j、j₂、j₃分别表示两组坐标系的坐标矢量，于是有现代机构学的形成、基本内容和应用3.1RCCC机构运动分析如图所示为RCCC机构。该机构的已知结构参数有So、h、h₂、h₃、ho、aoI、ai₂、C₂3、Q3o,设杆1为原动件，G为输入转角，要求分析运动参数o、B、B、S₃、S₂、S。RCCC机构的各杆均固结着相应的坐标系，其中z;轴分别沿相关运动副的轴线，而x;轴则依次与相邻两个z轴的最短距离线相重合。例如，x₁轴为z1轴和z₂轴的公垂线等。现代机构学的形成、基本内容和应用3.1机器人机构机器人机构运动学分析的内容是求解机构主动构件和输出构件之间的运动关系，主要包括位姿分析、速度分析和加速度分析。其中，机器人机构的主动构件和输出构件之间的运动关系求解包含两方面的内容：一是已知主动构件的运动规律，求解输出构件的运动规律，称为机器人机构的运动学正解；二是已知输出构件的运动规律，求解主动构件的运动规律，称为机器人机构的运动学逆解。串联机器人机构位姿分析并联机器人机构位姿分析串联机器人机构速度和加速度分析并联机器人机构速度和加速度分析现代机构学的形成、基本内容和应用3.1静力学机器人机构的静力学主要研究当机构静止或低速运动时输出构件所受的外力、外力矩与机构各驱动杆所受驱动力之间的关系。同运动学分析一样，静力学求解也包括正解和逆解两方面。已知机构各主动关节的驱动力(或力矩),求解末端执行器所承受的外载荷(包括力和力矩),称为静力学正解；已知末端执行器所承受的外载荷，求解各主动关节的驱动力(或力矩),称为静力学逆解。1.串联机器人机构静力学分析2.并联机器人机构静力学分析3.2现代机器人设计研究现状及发展前景现代机器人设计研究现状及发展前景3.2机器人设计基本原则、步骤机器人设计是一个比较完整的机电一体化整机设计过程。在设计过程中，要坚持两个原则：①整体性原则；②控制系统设计优先于机械结构设计原则。机器人是集机械、电子、控制等于一体的机电系统。机器人系统内任何一个部件或零件的设计有缺陷，都会影响机器人的整体功能和性能。为此，必须首先设计机器人的整体功能和参数，然后设计各个部件和零件。现代机器人设计研究现状及发展前景3.2机器人设计基本原则、步骤通常来说，机器人的设计步骤一般可分为总体方案设计，子系统详细设计，机器人制造、安装和调试，以及编写机器人设计文档等。现代机器人设计研究现状及发展前景3.2机器人设计基本原则、步骤总体方案设计(1)机器人的应用和可行性分析。(2)明确机器人的设计要求。(3)明确机器人的功能要求、性能指标和技术要求。(4)方案论证比较。现代机器人设计研究现状及发展前景3.2机器人设计基本原则、步骤子系统详细设计机器人总体方案确定后，要进行机器人的详细设计，也就是要进行各个子系统、部件及零件的设计。机器人子系统包括机械系统、控制系统等。1)机器人机械系统设计机器人机械系统设计包括末端执行器、臂部、腕部、机座和行走机构等的设计。机器人机械系统设计不但要实现一定的机械功能，还要实现一定的人的智能。2)机器人控制系统设计首先，根据总体的功能要求选择合适的机器人控制方案；然后，根据控制方案选择和设计机器人控制硬件和软件。现代机器人设计研究现状及发展前景3.2机器人设计基本原则、步骤机器人制造、安装和调试首先，筛选标准元器件，对自制的零部件进行检查，对外购的设备器件进行验收；然后，在对各子系统进行调试后进行总体安装，整机联调。对于传动系统，特别是谐波传动系统，在安装到机器人上之前一定要调试，检查传动精度及噪声是否满足要求。对于机器人，通常先空载调试，然后带负载调试。现代机器人设计研究现状及发展前景3.2机器人设计基本原则、步骤编写机器人设计文档编写机器人设计文档并不是机器人设计的最后一项任务，而是贯穿于整个设计过程的。编写机器人设计文档的过程，是对机器人技术进行总结、分析和积累的过程。设计机器人没有严格的步骤和设计程序，规定必须先做什么，后做什么。中间有许多反馈的过程，很可能开始的设计不能满足后来设计的要求，或者后来发现最初的设计方案中有些不是最佳的方案或是多余的，这时需要重新修改前面的设计，有可能造成一连串的改动。现代机器人设计研究现状及发展前景3.2机器人设计方法机器人设计方法通常与计算机技术的发展是紧密相关的。目前，机器人设计通常采用计算机辅助设计法、仿真与虚拟设计法、仿生设计法等。1.计算机辅助设计法计算机辅助设计(CAD)法是通过向计算机输入设计资料，由计算机自动地编制程序，优化设计方案，并绘制出产品或零件图的方法。2.仿真与虚拟设计法在计算机技术快速发展的今天，机器人设计也发生了很大的变化，出现了仿真与虚拟设计法。3.仿生设计法仿生设计学也可称为设计仿生学(DesignBionics),它是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门新兴边缘学科。现代机器人设计研究现状及发展前景3.2工业机器人系统设计1.机器人技术参数和指标设计机器人系统，首先要确定机器人技术参数和指标，主要包括工作空间、自由度、有效负载、运动精度、运动特性、动态特性和经济性指标等。2.机器人系统总体功能和结构方案设计机器人系统设计涉及机械设计、传感技术、计算机应用和自动控制，是跨学科的综合设计。3.机器人分系统设计及实现1)机器人机械结构分系统2)机器人控制分系统3)机器人智能分系统4)机器人系统内外部接口设计现代机器人设计研究现状及发展前景3.2工业机器人应用案例1.机器人应用准则及步骤(1)机器人应用准则：应当从恶劣环境和工种开始执行机器人计划；考虑在生产率落后的部门应用机器人；要估计长远发展需要；使用费用与机器人不成正比；力求简单实效；确保人员和设备安全；不要期望卖家提供全套承包服务；不要忘记机器人需要由人控制。现代机器人设计研究现状及发展前景3.2工业机器人应用案例1.机器人应用准则及步骤(2)机器人应用步骤：全面考虑并明确自动化要求；开发机器人化技术；探讨采用机器人的条件；对辅助作业和机器人性能进行标准化设计；设计机器人化作业系统方案；选择适宜的机器人系统评价指标；详细设计和具体实施。现代机器人设计研究现状及发展前景3.2工业机器人应用案例2.焊接机器人系统组成及应用1）焊接机器人系统组成示意图如图所示。焊接机器人一般由以下几部分组成：机械手、变位机、控制器、焊接系统(专用焊接电源、焊枪或焊钳等)、焊接传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等。2)焊接机器人的主要结构形式及性能3)点焊机器人点焊机器人是用于点焊自动作业的机器人。点焊机器人由机器人本体、计算机控制系统、示教盒和点焊焊接系统几部分组成。现代机器人设计研究现状及发展前景3.2工业机器人应用案例4)弧焊机器人弧焊机器人是可以进行自动弧焊的机器人。中国在20世纪80年代中期研制出华宇-I型弧焊机器人。一般的弧焊机器人由示教盒、控制器、机器人本体及自动送丝装置、焊接电源等部分组成，可以在计算机的控制下实现连续轨迹控制和点位控制，还可以利用直线插补和圆弧插补功能，焊接由直线及圆弧所组成的空间焊缝。5)焊接机器人技术发展趋势(1)多传感器信息融合技术(2)虚拟现实技术(3)多智能焊接机器人系统(MARS)(4)智能化控制技术(5)焊接机器人控制系统现代机器人设计研究现状及发展前景3.2工业机器人应用案例3.搬运机器人系统组成及应用搬运机器人(TransferRobot)是主要从事自动化搬运作业的机器人。所谓搬运作业，是指用一种设备握持工件，将工件从一个位置移到另一个位置。工件搬运和机床上、下料是机器人的重要应用场合，搬运机器人在机器人中占有较大的比重。1)搬运机器人系统组成搬运机器人系统由搬运机械手和外围设备组成。2)应用实例最早的搬运机器人出现在美国，1960年Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。现代机器人设计研究现状及发展前景3.2工业机器人应用案例4.喷涂机器人系统组成及应用1)喷涂机器人系统组成喷涂机器人系统主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，配有自动喷枪、供漆装置、变更颜色装置等喷涂设备。2)防爆功能的实现喷涂机器人的电动机、电器接线盒、电缆线等都应密封在壳体内，使它们与危险的易燃气体隔离，同时应配备一套空气净化系统，用供气管向这些密封的壳体内不断地运送清洁的、不可燃的、压力高于周围大气压的保护气体，以防止外界易燃气体的进入。3)应用实例现代机器人设计研究现状及发展前景3.2工业机器人应用案例5.装配机器人系统组成及应用装配机器人(AssemblyRobot)是为完成装配作业而设计的机器人。1)装配机器人系统组成装配机器人系统是柔性自动化装配系统的核心设备，由机器人操作机、控制器、末端执行器和传感系统等组成。2)装配机器人的种类和特点水平多关节装配机器人直角坐标装配机器人垂直多关节装配机器人现代机器人设计研究现状及发展前景3.2机器人的发展前景1.传感型智能机器人发展迅速2.开发新型智能技术3.传感型智能机器人发展迅速4.微型机器人的研究有所突破5.机器人的应用领域向非制造业和服务业扩展6.开发敏捷的制造生产系统3.3现代机械仿真技术及其应用现代机械仿真技术及其应用3.3现代机械仿真技术及其应用随着社会竞争日益激烈，产品复杂程度越来越高，产品开发周期越来越短，产品保修维护期望越来越高，生产计划越来越灵活，在现实中还有一些客观的约束条件，如昂贵的物理样机试验、严格的法律法规要求等，因此要提高产品质量、缩短开发周期并不是一件容易的事情。要克服以上困难，一个行之有效的方法是，通过虚拟样机进行仿真模拟，在未真正生产出真实的产品以前就进行仿真模拟，提前知道产品的各种性能，防止各种设计缺陷的存在，提出改进意见。现代机械仿真技术及其应用3.3现代机械仿真技术分类1.功能虚拟样机功能虚拟样机的实现分为五个过程，分别为建造(Build)、测试(Test)、验证(Validate)、改进(Refine)和自动化(Automation)。2.数字化功能样机在工程实际中，不同领域的产品往往有着截然不同的功能需求，即使同一种产品，往往也有着多种不同的性能指标。现代机械仿真技术及其应用3.3现代机械仿真技术及其应用机械系统动力学分析与仿真机械系统是指由运动副连接多个物体所组成的系统，系统内部物体之间往往还有弹簧、阻尼器、制动器等力元的作用，系统外部对系统内部物体施加外力或外力矩，以及驱动约束。机械系统动力学分析与仿真主要解决机械系统的运动学、正向动力学、逆向动力学、静平衡四种类型的分析与仿真问题。机械系统动力学分析与仿真要经历物理建模、数学建模、问题求解和结果后处理四个阶段。现代机械仿真技术及其应用3.3现代机械仿真技术及其应用机械系统动力学理论基础体系统动力学始于20世纪60年代，其核心问题是建模和求解，侧重于多刚体系统的研究，主要研究多刚体系统的自动建模和数值求解。到20世纪80年代中期，多刚体系统动力学的研究已经取得一系列成果，其建模理论已趋于成熟，但更稳定、更有效的数值求解方法仍然是研究的热点。20世纪80年代之后，多体系统动力学的研究更偏重于多柔体系统动力学，这个领域也正式被称为计算多体系统动力学，它至今仍然是力学研究中最有活力的分支之一，但其含义已经远远地超出了一般力学的含义。现代机械仿真技术及其应用3.3现代机械仿真技术的应用和发展趋势1.现代机械仿真技术的应用和发展趋势2.现代机械仿真技术的发展趋势1)多柔体系统动力学的建模理论2)接触碰撞建模问题3)多领域集成化仿真与控制4)多体系统参数识别问题5)多目标(学科)协同优化6)硬件在环及人在回路仿真7)多体系统的随机性分析8)DAE算法3.4优化设计方法优化设计方法3.4优化设计的基本知识优化设计发展概述产品设计通常存在众多的潜在设计方案，对于设计者来说就需要结合产品需求在这些潜在设计方案中找出最符合设计目标的方案。随着科学技术的发展，结构设计过程中要考虑的因素越来越多样化，以“经验判断”和“试错”为主的传统设计方法已经很难满足要求，于是现代优化设计理论与方法应运而生。目前，优化设计的应用已涉及船舶、汽车、机械、