Lei Feng Fab Academy 2025

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机械与机器设计 (Mechanical & Machine Design) ​

课程概要 ​

本节课程重点讲解机械设计和机器自动化的核心原理和实践方法。课程分为两大部分：第一部分介绍机械机构(mechanism)的设计原理和关键组件；第二部分探讨将机械转变为自动化机器所需的驱动、控制和集成技术。本周作业为小组任务，要求学生合作设计并制造一台功能性机器，展示从机构设计到自动化控制的全过程。

详细课程内容 ​

一、基础概念与原理 ​

1. 机器的定义 ​

一个完整的机器包含四个关键元素：

  • 机构(Mechanism)：实现运动的结构部分
  • 驱动(Actuation)：提供运动的动力源
  • 自动化(Automation)：控制运动的系统
  • 应用(Application)：机器的实际用途

2. 材料力学基础 ​

  • 应力-应变曲线：材料在受力时的行为特性
    • 应力(Stress)：外力作用，"stress sounds like press"
    • 应变(Strain)：材料响应，"strain sounds like pain"
    • 线性区域：材料可恢复形变
    • 非线性区域：塑性流动，材料永久变形
    • 失效点：材料强度极限
  • 重要参数：
    • 刚度(Stiffness)：曲线斜率
    • 强度(Strength)：失效点
    • 韧性(Toughness)：曲线下面积

3. 结构设计原则 ​

  • 约束与自由度：根据James Clark Maxwell的理论
    • 结构需要适当约束以防止不必要的运动
    • 同时保留所需的运动自由度
    • 例如：书架若无交叉支撑会摇晃，加入支撑后稳定

4. 间隙与回程误差 ​

  • 回程误差(Hysteresis)与间隙(Backlash)：
    • 机械连接处的间隙导致方向变化时的位置不精确
    • 如螺母在螺纹上正反向旋转时的位置偏差

5. 力环路 ​

  • 力环路(Force Loops)：机器中力传递的路径
    • 例如铣床中从切削工具到工件的所有连接部分
    • 精度取决于整个力环路中的误差累积
    • 设计原则：最小化力环路以减少误差累积

6. 运动学耦合 ​

  • 运动学耦合(Kinematic Coupling)：高精度定位方法
    • 利用球体和槽的组合实现微米级精度定位
    • 三个球与三个槽只有一个稳定位置，确保一致定位

7. 精度与准确度 ​

  • 精度(Precision)：重复性，数值集中程度
  • 准确度(Accuracy)：与目标值的接近程度
  • 理想机器应同时具备高精度和高准确度

二、机器材料与组件 ​

1. 常用材料 ​

  • 塑料：高密度聚乙烯(HDPE)等
  • 金属：铝型材等
  • 橡胶与泡沫：用于能量吸收
  • Garolite(环氧玻璃布层压板)：易于加工的PCB材料
  • 木材：不推荐用于精密机器(受温度湿度影响变形)
  • 水泥：提供刚度和质量
  • 陶瓷：用于硬度要求高的部件

2. 紧固件 ​

  • 螺母与螺栓：
    • 平垫圈(Plain Washer)：分散负载
    • 锁紧垫圈(Lock Washer)：防止松动
    • 锁紧螺母(Lock Nut)：内含弹性体防松动
  • 其他紧固方式：
    • 热嵌入螺母(Heat Set Inserts)：3D打印件中的螺纹连接
    • 铆钉(Rivets)：快速永久连接
    • 定位销(Pins)：防止部件移动，限制行程

3. 机架设计 ​

  • 型材框架：
    • 铝型材：成本低廉，刚度高
    • T型槽：便于安装其他组件
    • 配件系统：滑动螺母、角连接件等
  • 自对准连接：
    • 机加工零件可设计自对准特性
    • 通过卡扣式连接实现零件准确定位
    • 优点：可拆卸，装配误差小

三、传动系统 ​

1. 齿轮系统 ​

  • 渐开线齿轮(Involute Gear)：
    • 最常见的齿轮形式
    • 特点：啮合时只有一点接触，运动平滑
    • 设计需使用齿轮生成器获取准确齿形
  • 其他齿轮类型：
    • 摆线齿轮(Cycloidal Gear)：加工更容易但效率较低
    • 斜齿轮(Helical Gear)：运转更平稳、噪音更小
    • 人字齿轮(Herringbone Gear)：自对准，消除轴向力
  • 减速系统：
    • 行星齿轮(Planetary Gear)：紧凑型减速装置
    • 谐波齿轮(Harmonic Drive)：高减速比，用于机器人关节

2. 线性传动 ​

  • 齿条齿轮(Rack and Pinion)：
    • 将旋转运动转换为直线运动
    • 可自行加工制作，长度可定制
  • 丝杠传动(Lead Screw)：
    • 普通丝杠存在回程误差
    • 防隙螺母(Anti-backlash Nut)：弹簧预载减少间隙
    • 滚珠丝杠(Ball Screw)：循环滚珠降低摩擦，运动更平滑
  • 无螺纹线性驱动：
    • 利用三个头部在硬化轨道上的稳定位置实现线性运动
  • 皮带传动：
    • 内部加强的同步带不可拉伸但可弯曲
    • 用于分布机器中的力
  • 绞盘驱动(Capstan Drive)：
    • 使用金属丝或渔线作为传动元件
    • 通过张紧和缠绕增加摩擦力
    • 优点：形状灵活，容易定制

3. 导向系统 ​

  • 导向轴(Guide Shafts)：硬化钢棒用于滑动引导
  • 导轨(Guide Rails)：线性轴承在轨道上运动
  • 滑块(Slides)：低精度应用的简易导向

4. 轴承与联轴器 ​

  • 轴承类型：
    • 旋转轴承(Rotary Bearing)：最常见
    • 推力轴承(Thrust Bearing)：承受垂直力
    • 线性轴承(Linear Bearing)：直线运动
    • 转盘轴承(Turntable)：旋转负载
    • 滑动轴承(Sleeve Bearing)：小负载应用
  • 轴承预载(Preload)：
    • 给轴承施加轻微轴向力
    • 确保球与槽良好接触，减少噪音和抖动
  • 联轴器(Couplers)：
    • 连接电机与传动组件
    • 能适应轻微的角度偏差
    • 减少振动和噪音

四、机构设计 ​

1. 柔性机构 ​

  • 弹性铰链(Flexures)：
    • 利用材料弹性实现平滑运动
    • 适用于有限行程的精密应用
    • 例如：开源显微镜的精细调焦机构

2. 弹性传动 ​

  • 弹性串联(Series Elastic)：
    • 电机与负载间增加弹簧元件
    • 控制力而非位置，实现更平滑的运动
    • 类似人体肌肉工作原理

3. 连杆机构 ​

  • 各种连杆组合：转换不同类型的运动
  • 潘托图(Pantograph)：放大或缩小运动

4. 特殊机构 ​

  • Delta机器人：三个线性运动合成3D空间运动
  • 六足机器人(Hexapod)：六个线性执行器实现包括倾斜在内的全方位运动
  • CoreXY：两个固定电机协同控制XY平面运动
    • 优点：移动质量小，速度快
    • 原理：两电机同向旋转移动X轴，反向旋转移动Y轴
  • 折叠机构(SARS)：利用折叠板实现线性运动
  • 绞盘悬挂机构(Hang Printer)：通过线缆定位实现3D空间运动
  • 艺术与机构设计：
    • Chuck Hoberman的可展机构
    • Theo Jansen的风力驱动生命机械兽

五、机器自动化 ​

1. 驱动与控制 ​

  • 电机类型：
    • 步进电机(Stepper Motor)
    • 伺服电机(Servo Motor)
    • 减速电机(Geared Motor)
  • 控制方式：
    • 开环控制(Open Loop)：无反馈，依靠电机步数估计位置
    • 闭环控制(Closed Loop)：利用编码器反馈实际位置

2. 控制理论 ​

  • 简单控制(Bang-Bang Control)：
    • 仅开关控制，运动不平滑
    • 加速和减速突兀，容易过冲
  • PID控制：
    • 比例(Proportional)：误差修正
    • 积分(Integral)：累积误差修正
    • 微分(Derivative)：抑制快速变化
  • 模型预测控制(Model Predictive Control)：
    • 利用机器模型预测未来行为
    • 可采用物理模型或机器学习训练的模型
    • 适用于复杂、高精度要求的系统

3. 机器网络 ​

  • 集中式控制：单一控制器管理所有电机和传感器
    • 优点：简单
    • 缺点：扩展性差，修改困难
  • 分布式控制：
    • 将机器各部分连入实时网络
    • 每个电机独立控制，通过网络协调
    • 优点：模块化，易于扩展和修改

4. 机器指令与接口 ​

  • G代码：传统数控机床指令
    • 历史悠久但仍广泛使用
    • 解释器将G代码转换为电机控制信号
  • 用户界面：
    • 功能：可视化G代码、编辑指令、实时控制、设置原点
    • 开源选项：UGS、CNC.js、Chili Pepper、Candle等
  • 路径规划：
    • 从设计文件到机器指令的转换
    • 包括边缘检测、工具直径补偿、转向控制等步骤

六、机械模块化设计 ​

  • 模块化概念：
    • 独立功能模块组合成不同机器
    • 可互换端部效应器(End Effector)
  • 运动学耦合在工具更换中的应用：
    • 通过定位球和槽实现精确工具更换
    • 一台机器可执行多种功能(打印、切割、铣削等)

七、开源机器案例 ​

  • Fab Labs中的开源机器：
    • Rumbo：简化机器控制，电机直接连接USB
    • Modular Things：基于实时网络的模块化系统
    • Jubilee：带工具更换的模块化机器
    • Fellow Machines：开源机器系列
    • Open Lab Starter Kit：完整的开源Fab Lab机器套件
  • 商业衍生项目：
    • Shaper Tools、Ultimaker、Form Labs等
    • 源自Fab Lab的创业公司

作业要求 ​

本周作业为小组任务，要求设计并制造一台功能性机器。具体要求：

  1. 机器设计与自动化：
    • 设计机械机构并实现自动化控制
    • 先手动操作测试机构，再添加电机控制
  2. 团队合作：
    • 分工协作(机构设计、电机控制、末端执行器、用户界面等)
    • 可以是每个实验室一台机器，或多个实验室协作
  3. 文档记录：
    • 创建小组页面记录整个机器项目
    • 个人页面记录自己的贡献部分
    • 包含演示视频和详细说明
  4. 成果展示：
    • 准备简短演示(约1分钟)
    • 计划在两周后的课程中进行全球展示

学习资源 ​

供应商与材料 ​

  1. 机械零件供应商：
  2. 电机与控制：
    • 步进电机与伺服电机供应商
    • 控制器：PLUS、Rumba、Modular Things等

参考项目 ​

  1. 机械参考：
    • 肯塔基实验室的时钟项目
    • Nadia和Jonathan的自对准接头
    • Yen的自制齿条齿轮
    • Quentin的绞盘驱动
  2. 开源机器项目：
  3. 控制系统参考：
  4. 创意参考：

深入学习资源 ​

通过这些资源，学生可以设计和构建自己的机器，从简单的机械机构到复杂的自动化系统，实现Fab Labs"制造自己的工具"的核心目标。