大学精品课件:现代制造系统(v3)7-2先进技术(机器人绿色).ppt
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1、现代制造系统,第7章 先进制造技术(2) 东北大学秦皇岛分校 黄亮 n-xyz,第7章 先进制造技术 7.1 先进加工技术 7.1.1 精密与高速加工 7.1.2 特种加工与快速成型 7.1.3 仿生学与机器人 7.1.4 可持续与绿色制造 7.2 先进设计技术,老问题新方法:如何找到新的方法? 借鉴其它领域中方法, 从其它工作、现象中联想。,7.1.3 仿生学与机器人,案例: 蜂鸟与扑翼飞机。,从大自然中寻找思路: 仿生学,指模仿生物建造技术装置的科学。,数学,生物,电烙铁,仿生学符号:,仿生学的工业应用,(1)对体形的模仿:案例1-4(鸡蛋、龟壳、海豚、甲虫与鸭子); (2)对表面的模仿:
2、案例5-11(莲花、竹子、海螺、穿山甲。泥鳅和北极熊); (3)对的模感官仿:案例12-16(蛇、青蛙、水母、蝙蝠和苍蝇); (4)对行为的模仿:案例17-19(老鼠、人)。,卵是自然母体内孕育出来的最和谐的生命形态。 卵拥有独特的光滑的外表、适应性能。 另外,这个形态受热最均匀,它可以以最快的速度,均匀地将热量传给形态的各部分。,仿生学的工业应用体形的模仿, 案例1,鸡蛋的启发:,铸造车间的锅炉爆炸大都是受热不均引起,如果它具有卵的形状,热量会更加均衡,更加安全。 注塑机中对塑料的加热熔化部件的内腔是卵状的话,能使受热均匀,安全可靠。 模具内腔的形状如果做成卵状的话,会使之冷却速度加快,散热
3、又均匀,减少热应力。,仿生学的工业应用体形的模仿, 案例2,龟壳的启发:,仿生学的工业应用形体的模仿, 案例3,海豚的启发:,俄罗斯海军核潜艇的仿生外形,模仿鲸的胸鳍给船装上了船鳍。,仿生学的工业应用体形的模仿, 案例4,动物的外型仿生:,仿生学的工业应用表面的模仿, 案例5,莲花出淤泥而不染的启发:,利用液体对某些材料表面的不粘附性,使铸造时的熔化液体不会造成堵塞,同时阻力下降。 由于模具内腔和液体的分离性,有利于液体凝固后的脱模,减少对模具内腔的磨损。,竹的高度与直径之比高达300以上,这与人造摩天大楼比较,具有很大的优越性。 梯度涂层模仿竹的显微结构,可以运用于机械零件的表面,增强零件的
4、强度。,仿生学的工业应用表面的模仿, 案例6,竹子的启发:,生物体将强度很低的碳酸钙整合成海螺壳保护自己。 在微观结构上,生物壳中的碳酸钙纤维呈不同方向的多层排列,通过有效排列分子,使其壳呈多层DNA螺旋结构,从而具有比单纯碳酸钙高得多的强度。,仿生学的工业应用表面的模仿, 案例7,海螺壳的启发:,古代工匠就善于利用宏观或微观上的“褶皱”增加盔甲和武器的强度。,带有褶皱纹的 西洋板甲,刀剑反复锻造出现的花纹,在工程应用中这种整合涂层具有更高的机械强度与摩擦学性能。 我们可以把涂层应用于机械零件的表面,提高强度和耐磨特性,也可以用于零件的修复,特别适合于磨损严重的凸凹边缘。,工业上经常采用不同的
5、材料组合 来模拟海螺壳的微结构,即采用 多层薄涂层形成整合涂层。,仿生学的工业应用表面的模仿, 案例8,土壤动物的非光滑体表:,为什么某些土壤动物其体表具有不同的凸包、凹坑、网格、条纹等非光滑形状?,经实验分析,其体表的非光滑特征是其在穿过沙石、土壤的运动过程中具有很好的耐磨性的主要原因。,对零件进行非光滑表面处理后,可提高其耐磨、耐蚀和润滑性能,并防止沾粘现象,意义重大。,提高零件寿命是国内外许多公司亟需解决的重大问题,而增强零件的耐磨性能,是提高其使用寿命的一个重要指标。,泥鳅能够在泥土里自如地穿梭,主要是由于体表分泌的体液。 根据泥鳅体液的组成成分,可以进行模拟的生产出类似的润滑液来,用
6、于零件的各个机构结合处,减少磨损,提高寿命。,仿生学的工业应用表面的模仿, 案例9,泥鳅的启发:,北极熊毛之所以在零下50度冻不透,因为具有中空月牙形截面,从中受启迪研制御寒的特殊纤维。 如果把保暖纤维应用到注塑的热流道技术中,可以防止过快的散热,减少能量的流失。,仿生学的工业应用表面的模仿, 案例10,北极熊皮毛的启发:,案例11,生物的拟态与保护色的启发:,拟态仿生坦克的迷彩着装:,根据蛇的非凡的红外探测能力,进行模拟出高度灵敏的温度红外传感器。 红外传感器用于产品生产过程中温度检测,能更方便的得到产品内部的温度变化,更好的减少缺陷。,仿生学的工业应用感官的模仿, 案例12,蛇的红外探测:
7、,仿生学的工业应用 感官的模仿, 案例13,青蛙与电子蛙眼:,仿生学的工业应用感官的模仿, 案例14,水母的启发: “水母耳”风暴预测仪。,仿生学的工业应用感官的模仿, 案例15,蝙蝠的启发:超声波探伤。,仿生学的工业应用感官的模仿, 案例16,苍蝇触角的启发:,苍蝇的嗅觉特别灵敏,远在几千米外的气味也能嗅到。 根据苍蝇嗅觉器的结构和功能,仿制成一种十分奇特的小型气体分析仪,可以感应产品内部的气体变化,同时发出信号,应用于产品加工现场检测。,采用SMA功能材料和仿生技术研制出了曲线孔电火花加工机器人。该机器人是采用老鼠打洞的原理钻入曲线孔中进行电火花加工的。,仿生学的工业应用行为的模仿, 案例
8、17,从老鼠打洞到曲线孔加工技术:,采用该机器人可加工出孔径大于8mm 的空间曲线孔,应用于超精密注塑模具的冷却流道的设计与制造。,仿生学的工业应用行为的模仿, 案例18,生物制造系统(参考课件第3.6节):,仿生学的工业应用行为的模仿, 案例19,对人的模仿机器人技术:,在实际应用中, 模仿只需抽取关键动作,而无需全面模仿。,铆接机器人,点焊机器人,机器人的早期定义: 美国机器协会(RIA),机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的,通过程序动作来执行各种任务,并具有编程能力的多功能操作机。 日本工业机器人协会,工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动来代
9、替人类劳动的通用机器。 国际标准化组织(ISO),机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机,这种操作机具有几个轴,能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置,以执行各种任务。 总结:是一种机器,强调可编程。,机器人的构成要素,包括传感部分、自动控制部分、机械部分。 以上为当今科学界对机器人的要求。,构成要素三者缺一不可,对于遥控装置,可探测或移动离操作人员很远的物体,但若整个动作是由人来控制的,则不算机器人; 若存在自动控制装置辅助人工操作,则可算作是机器人。,机器人的应用案例,(1)工业用机器人:案例1-7; (2)科研用机器人:案例8-9; (3)军事用机器人
10、:案例10-13; (4)医疗、服务机器人:案例14-16; (5)娱乐、比赛机器人:案例17-20。,案例1,汽车装配机器人:,汽车装配机器人:,一汽红旗轿车机器人焊接线:,案例2,弧焊机器人:,机器人化装载机,自动摊铺机,案例3,装载机器人:,自动无轨堆垛机,法国国家科学研究中心和系统分析与结构实验室共同研制的HILARE 2型移动机械手,案例4, 移动机器人:,法国蒙特皮里亚(Montpellier)微电子与 机器人实验室研制的LIRMM移动机器人,复合式直径6.14米 盾构掘进机,隧道凿岩机器人,案例5,隧道机器人:,摘西红柿机器人,温室中的嫁接机器人,案例6,农业机器人:,伐根机器人
11、,案例7,林业机器人:,林木球果采集机器人,1990年日本海洋科技中心研制的“海沟号”缆控式无人潜水器(左)及其在大海中工作时的情况(右),案例8,海洋探测机器人:,1995年8月我国沈阳自动化所机器人中心研制的CR-01型6000米水下无缆机器人(左)和正在下水的情况(右),海洋探测机器人:,2013年4月,蛟龙号载人潜水器通过科技部组织的专家验收。 该潜水器由中国大洋矿产资源勘探开发协会办公室牵头,会同中国船舶重工集团公司、中国科学院、国土资源部、国家海洋局、教育部等系统共100余家科研院所和企业完成,于2010-2012年分3次完成3000-7000米的下潜试验。,蛟龙号的航行控制系统由
12、中科院沈阳自动化研究所自主研制,具备自动定向、定深、定高以及悬停定位功能,使“蛟龙号”能全自动航行,因此也是一种机器人。,美国航空航天局(NASA)研究的月球车在月球表面时的情形,案例9, 空间探测机器人:,美国航空航天局(NASA)研究的 “索杰纳”火星车,1997年美国“索杰纳”火星车在火星上成功地工作了250天。,日本研究的火星探测机器人,“玉兔号”是中国设计并制造的首辆月球车。 2013年12月2日,西昌卫星发射中心成功将着陆器和“玉兔号”月球车组成的嫦娥三号探测器送入轨道。 12月15日,“玉兔号”巡视器顺利驶抵月球表面。,英国研制的履带式“手推车” (左图)、 “土拨鼠”(右图右)
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