[足式机器人]Part4 机械设计 Ch00/01 绪论+机器结构组成与连接 ——【课程笔记】

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本文参考：

1. 《机械设计》 王德伦 马雅丽
2. 课件与日常作业可登录网址 http://edu.bell-lab.com/manage/#/login，选择观摩登录，查看2023机械设计2。

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Ch00-绪论

0.1 何为机械设计——是什么

机械设计 Machines Design，在传统课程中，更倾向于机械零件设计 Machine Elements Design:预期装置（运动/结构）与性能（运动学/静力学/动力学——强度/刚度/精度）的构思与表达。

其中：运动对应功能，结构对应性能 → 材料-尺度-工艺；
机械——理解为具有确定运动与结构的装置，从而实现所需的功能，并满足性能需求;
装置——通过设计结构、材料、尺度、工艺等条件，从而满足性能需求

设计 = 构思（想象 + 构造/计算） + 表达/图案

其中：构造/计算的过程，就是通过规律+流程/参数 = 获得解的过程；
规律=理论=公式=水平/设计依据

机械原理：机器运动/力的传递与变换原理设计（抽象思维——功能运动——实现）
机械设计：机器的结构与性能设计（演绎展开——结构性能——可行）

0.2 机械设计有什么——学什么？

机械设计：整机→部件/子系统→动连接→静连接→零件——（结构-尺度-性能 精度-刚度-强度）→成本

机械原理的基础上（运动构型→尺度/运动学→载荷/静力学→动力学）——机构简图结构化，从而具有结构/性能表达——结构方案与性能规划

• 因此从结构方案与性能规划出发，首先考虑的是整机设计

整机结构方案与性能规划

1. 结构方案——力学模型：不同工况下各个运动副集中载荷
2. 性能指标——技术参数：性能-工况载荷-尺度-材料-工艺-成本

部件结构与性能设计

1. 结构方案：结构的不同移动副，回转副组合约束结构方案
2. 技术参数：尺度-材料-工艺-成本——性能：精度/刚度/强度

运动副结构与性能设计

1. 结构方案：
   回转副——不同的轴承组合约束结构（支撑结构）
   移动副——不同的导轨/滑块组合的约束结构
   约束结构设计 —> 自由度约束程度
2. 技术指标：尺度-材料-工艺-成本——性能：精度/刚度/强度

静连接结构与性能设计

1. 结构方案：构件中零件连接结构方案
2. 技术指标：尺度-材料-工艺-成本——性能：精度/刚度/强度

典型零件结构与性能设计

1. 结构方案：零件结构设计方案
2. 技术指标：尺度-材料-工艺-成本——性能：精度/刚度/强度

Ch01-机器结构组成与连接

1.1 何为机器

机器Machine——实现预定功能转换的装置
功能（做功+能量+转换）——功能原理
运动（构件+连接+性能）——机械原理
结构（零件+连接+性能）——机械零件
测控（驱动+感知+反馈）——测控技术

机构Mechanism——运动与力的变换与传递
构件——运动单元（通常视为刚体）
运动副——可动联接（理想形状约束）
上述两者形成——运动链（指定机架/原动件）——具有（确定）运动的组合体（机构）

机械零件Mchinery Elements——制造单元
机械：泛指 【零件/构件/部件/机构 — 机器】 → 【零件 + 连接（静+动）】
机械设计：机器/零件的结构与性能设计

1.2 机器的结构组成

1.3 机器的性能——什么样的机器是“好机器”？

• 对象——用户——关注
• 评价——指标——遵循
• 改进——设计——掌握

评价已有机器——合理性？优劣？

性能：
技术性能——功能与性能
使用性能——便利与可靠
经济性能——成本与运行

1.3.1 技术性能：技术指标参数值

• 运动与动力：静力、运动与动力学参数变化规律及其适用范围——使用
• 强度与刚度：承载能力及抵抗弹性变形的能力——寿命
• 摩擦与润滑：利用摩擦工作或减少运动零件间的摩擦——环境
• 工艺与精度：便于加工装配，实际参数值与理想值的接近程度——装配
• 材料与毛坯：毛坯材料与初始形状选用、热/冷加工过程——材料实体

1.3.2 使用性能：使用便利性与费用

• 环境与安全：环境污染、安全隐患——噪声/油溅
• 操作与维护：操作与维护便利、宜人化——拧螺丝、加油、人机工学
• 可靠性：
• • 正常工作能力的保持性与稳定性
• • 重复运行结果的一致性
• • 对工况变化的适应性与抗干扰能力——可靠度
• 寿命：正常工作条件下，不发生失效的有效时间

1.3.3 经济性能：

• 制造经济性——制造成本（70%由设计决定）
• 使用经济性——机器正常工作效率与效益、维护与管理、原材料与能源动力消耗

1.4 设计境界

• 有用：功能性——原理样机
• 可用：技术性——技术指标可满足基本要求
• 好用：使用性——正常工作（少故障）——产品化
• 愿用：经济性——制造与使用成本低——有市场
• 想用：实用性——宜人化综合指标——有竞争力