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出版者:

作者:阿拉丁Book教育研发组 编

出品人:

页数:16

译者:

出版时间:2010-6

价格:17.80元

装帧:

isbn号码:9787111310273

丛书系列:

图书标签:

• 手工
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《玩转机械结构：从齿轮到机器人的创意实践》 内容简介 本书旨在为对机械原理、动手实践以及结构设计抱有浓厚兴趣的读者提供一个全面而深入的探索平台。我们抛弃了枯燥的理论说教，转而采用“做中学”的理念，通过一系列精心设计的项目，带领读者亲手搭建、理解并优化复杂的机械系统。本书内容涵盖了从最基础的运动学原理到先进的自动化控制基础，旨在培养读者的空间想象能力、问题解决能力和工程思维。 第一部分：机械基础与运动传递的奥秘 本部分是构建后续复杂结构的基础。我们将首先拆解“运动”这一核心概念，介绍直线运动、旋转运动以及往复运动是如何通过简单的机械元件相互转化的。 第一章：齿轮的宇宙——啮合、速比与力矩的平衡 本章将深入探讨齿轮系统的设计与应用。读者将学习不同类型齿轮（正齿轮、斜齿轮、蜗轮蜗杆、人字齿轮）的几何特性和承载能力。重点在于理解“传动比”是如何决定输出速度和扭矩的。我们将指导读者完成一个可调速的齿轮箱模型，该模型能够通过更换中间齿轮实现三种不同的输出速度。书中详细分析了齿轮制造中的关键公差要求，并提供了使用常见材料（如PLA、亚克力或薄金属片）进行原型制作的技巧和注意事项，确保齿轮啮合顺畅，噪音最小化。 第二章：连杆机构的艺术——曲柄、摇杆与机构形态的生命力 连杆机构是实现复杂运动轨迹的关键。本章将聚焦于四连杆机构（包括曲柄摇杆机构、双曲柄机构等）的设计。我们将通过实际搭建一个“步行机械兽”的简化模型，演示如何通过精确计算连杆长度和枢轴点位置，来控制输出端（如腿部）的运动轨迹，使其模仿生物的行走模式。此外，还会介绍棘轮棘爪机构，用于实现单向转动和定位锁定功能，并探讨其在自动化进料系统中的应用潜力。 第三章：弹性、势能与能量的储存——弹簧与惯性的力量 本章侧重于能量的储存与释放。我们将详细分析不同类型弹簧（螺旋拉伸、压缩、扭转）的胡克定律应用。读者将亲手设计并测试一个能量释放系统，例如一个由弹簧驱动的自动发射器。通过实验，读者将学习如何通过调整弹簧的预紧力来精确控制释放的动能。同时，本章会引入“惯性轮”（飞轮）的概念，解释其如何通过储存角动量来平滑机械系统的速度波动，并在一个自平衡小车项目中实践这一原理。 第二部分：结构优化与复杂系统集成 在掌握了基础运动元件后，本部分将引导读者进入更复杂的系统集成与结构设计阶段。 第四章：梁、架与受力分析——构建稳固的骨架 任何成功的机械装置都离不开一个坚固且合理的结构支撑。本章将教授基本的静力学概念，重点在于梁（Beam）的受力分析和结构形式的选择。我们将探讨桁架结构、框架结构和单壳体结构各自的优缺点。读者将面临一个挑战：设计一个能够在承受特定重量时，使用最少材料的支撑结构。书中会详细介绍有限元分析（FEA）的简化概念，帮助读者预判结构中的应力集中点，并指导如何通过增加加强筋或改变截面形状来避免结构失效。 第五章：摩擦、润滑与效率的损耗 机械系统的效率往往受限于摩擦力。本章将探讨静摩擦与动摩擦的区别，并介绍不同表面粗糙度和材料组合下的摩擦系数。我们将指导读者进行一次对比实验，测试在干燥、油润滑和使用固体润滑剂（如石墨粉）条件下，一个标准轴承的运行扭矩差异。此外，本章还将深入讲解轴承（滚动轴承和滑动轴承）的选择标准，以及如何正确安装和维护它们以达到最佳的运行寿命和最低的能量损耗。 第六章：传动系统的高级应用——皮带、链条与无级变速 本部分扩展了对动力传输媒介的认识。读者将学习皮带驱动（V形带、同步带）和链条驱动在不同功率和速度要求下的适用性。重点内容包括皮带的张紧度计算，以及链条传动中的节距和链轮匹配。更进一步，我们将介绍“无级变速器”（CVT）的基本原理，通过搭建一个简化的托盘式CVT模型，直观展示如何通过改变驱动轮和从动轮之间的有效直径来实现平滑的速比变化，而非传统的阶梯式变速。 第三部分：自动化初步与响应控制 本部分将机械系统与电子控制的交汇点，为读者进入机器人学和自动化领域打下基础。 第七章：传感器与反馈机制——让机械学会“感知” 一个智能的机械系统需要了解自身和外部环境的状态。本章将介绍几种核心的机械传感器：电位器（用于测量角度）、光电开关（用于计数和限位）以及简单的压力传感器。读者将学习如何将这些模拟或数字信号转换为可被处理的数据。书中会提供一个实际的反馈回路案例：构建一个自动调平装置，该装置利用倾角传感器检测平台的倾斜，并通过一个伺服电机驱动机构进行实时校正。 第八章：步进电机与伺服系统的精准控制 步进电机和伺服电机是现代精密机械的核心驱动力。本章将区分两者的工作原理、优缺点及应用场景。对于步进电机，我们将讲解步进角度、全步/半步驱动模式，以及如何通过微控制器实现精准的开环定位。对于伺服系统，我们将介绍PID控制的基础概念——比例、积分和微分的作用——如何用于消除定位误差、抑制振荡，从而实现对机械臂或移动平台的高精度闭环控制。 第九章：模块化设计与系统集成项目 在全书的最后，读者将面对一个综合性的挑战项目——设计和建造一个“分拣机械臂”。该项目要求读者整合前述所有知识：运用齿轮传动机构提升抓取力矩，使用连杆机构设计精确的抓取动作，通过传感器识别目标物体的位置，并利用步进/伺服电机实现物品的抓取、运输和分类。书中将提供详尽的模块化设计流程图，强调设计迭代、故障排除和性能优化的重要性，最终目标是产出一个功能完整、运行可靠的自动化原型系统。 本书特点： 强调实践性： 所有理论讲解均紧密结合实际的搭建步骤和实验验证。 工具普适性： 设计侧重于使用常见的手动和电动工具，以及易于获取的材料，避免过度依赖昂贵的专业设备。 工程思维训练： 鼓励读者从“为什么会坏”的角度去思考设计，注重结构的鲁棒性和可维护性。 适合人群： 机械设计爱好者、工程专业学生、创客（Maker）、对自动化和动手实践有热情的科技探索者。

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