仿生制造技术(共6页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上 仿生制造技术 摘要:科学技术日新月异，机械设计的理念和技术随之也迎来了多元化的发展。近年来，随着仿生学在机械设计领域的广泛应用，众多研究难题得以有效解决，而且行业市场经济也随之得到了一定促进，为我国生产机械化的推进提供了巨大的动力。本文分析了机械仿生设计中的相关基本内容，并就仿生学原理在机械设计中的实际应用作出浅要论述。 关键字:仿生学;机械设计;应用 1引言 仿生学是一门实现生物特点与技术有效融合的科学，其通过对生物结构特征、生理特性以及能量、信息转换控制等方面的综合研究，选取一部分成果应用到各行业领域的生产体系，进而实现其理念创新和技术变革。在实际生产中，仿生学的应用往往能创造新的工艺系统、建筑构型以及自动化装置等，而且在设计理念方面，其同样能提供新的思路与方向，以一种特定的途径有效解决相关难题。就目前而言，随着大量仿生机械产品的推出，仿生学应用在机械设计领域中越来越受到重视，相应的研究投入也正逐年增加。当然，近年来机械仿生设计方面取得的成就也不在少数，随着时代的发展而得到了不断深入、广泛和有效的推进。 2 ) L械仿生设计的基本内容 当前形势卜，机械仿生设计无疑正向着多元化发展，而且也逐步从传统的基础设计走向了新型的创新设计。目前，机械设计行业已然建立起了全面的仿生体系，通过对生物科学的有益吸收，主要实现了以卜几个方而的仿生设计: 2.1功能特性仿生 在自然界的长期发展演变中，生物为了更好适应周围环境的改变，逐渐形成了自身独有的功能特性。而在机械仿生设计中，这一点往往能为各方面的工作指引一个新的方向，并使之有效抓住技术创新的突破口。现今已有的设计实例中，不仅包括生物特殊外形的仿生、还包括生理特性的一系列应用，显然这些方面技术创新的研究都取得了相应的成果，功能特性的仿生也使得机械设计不再拘泥于传统的模型设计，而更多拥有了其灵活h与实效性。 a.a运动特征仿生 #J L械设计中，运动体系的规划往往是重点以及难点，同样，在机械仿生设计中，生物运动特征的仿生也必不可少。对于这些生物与生俱来的特点，通过将其板块化、细节化，便能从中找出与实际生产工作的良好结合点，使得相应的机械设计更贴合自然，因而应用水平也就随之提高。目前的运动特征仿生中，对生物基本运动方式、运动系统的调节等都进行了全面的研究，而实际生活中的一些相关机械设备也为生产工作带来了极大的便利 2.3组织结构仿生 这方面的仿生是结合生物科学而进行的深层应用，也从微观角度上实现了人与自然的协调发展。在相关的机械仿生设计中，其通常在材料生产方面收效较为显著，因此而推出的一系列仿生材料也良好地适应了高强度、高效率的性能需求，为生产发展带来了极大的经济效益。而通过对生物内部组织机制一些必要性联系的分析，机械微组装、分级结构设计等也都有了新的发展方向 2.4信息控制仿生 随着信息化时代的到来，人们对于信息的传递与控制要求也越来越高，而在这一方面，生物在不断进化过程所拥有的一些能力同样可以借鉴。具体地，在机械仿生设计中，信息管理设备往往能通过生物的一些信息获取方式、反馈系统以及自主控制能力等得到全新的发展空问，不仅生产质量得以有效保证，而且实际效率也随之大大提高、3filL械仿生设计主要研究方向仿生机械学是以力学或机械学作为基础的，综合生物学、医学及工程学的一门边缘学科，它既把工程技术应用于医学、生物学，又把医学、生物学的知识应用于工程技术。它包含着对生物现象进行力学研究，对生物的运动、动作进行工程分析，并把这些成果根据社会的要求付之实用化。  3.1机械仿生理论与机理研究 机械仿生设计比传统机械设计范畴更宽、更广，从概念设计到产品开发要实现与工程仿生学，包括生命科学、生物科学等在内的多层次、全方位上的渗透，通过对生物原形机理、机构的研究，创造和完善仿生机械设计的全新理论体系，从而为新型仿生机械产品的开发与生产打下基础。 在该领域，我国已经开展了以工程机械和农业机械为典型的地而机械仿生脱附减阻研究，引起国内外同行的广泛关注。包括生物非光滑脱附减阻、生物体表润湿性、生物柔性和生物电与生物润滑等内容，以及与之相对应的仿生非光滑脱附减阻、仿生脱附减阻材料、仿生柔性脱附和仿生电渗原理等方而基础性机理研究，目前形成了比较完善的的生物脱附与机械仿生研究理论体系与方法体系u，并且在此基础上逐步进行规范和升级。 3.2计算机辅助仿生设计 计算机辅助设讯CAD)技术的吃速发展使机械形状、结构和机构的快速演化、变异与再生成为可能，可以加快机械产品的标准化和系列化设计进程，缩短新产品的开发周期。主要包括:优化设计与CAl)造型、逆向工程与三维建模、动态模拟与工程仿真、仿生型构形CAl)系统等。 根据土壤动物柔性非光滑的特征规律和仿生类比结果，采用数值优化为仿生柔性非光滑而的尺寸设计提供了依据，根据布尔运算理论，采用体素拼合CAl)造型技术，对转动和移动复合柔性进行建模，构造出链戮图3a)、布戮图3b)仿生柔性非光滑表而，具有良好的减粘降阻作用iz。根据单个牛蹄角表而，利用直接特征曲线生成曲而法重构牛蹄角的三维儿何模缎图3c)，为逆向工程技术应用到工程仿生领域定量研究动物步行足三维儿何特征及松软地而仿生步行技术的发展提供了一定的基础13。根据单个穿山甲鳞片建立数学模型，并把多个鳞片按一定分布规律排列，通过调整参数可以很好的模拟不同鳞片形状的非光滑体淑图3d)，为仿生推土板设计提供优化数据on 3.3机械仿生控制与系统集成 典型控制系统山中央处理系统集中处理各传感器采集的各种信号，再山中央处理系统给各执行机构发出不同的行动指令。但是，在动物体中还有与之平行的另一个非神经反馈生物前馈控制机制，或称之为机械超前反馈。例如，肌肉骨骼系统在抵抗外力时能根据其变形情况迅速进行调整，这种调整能在最快的神经反射之前就完成。这种前馈能减少神经系统造成的不稳定性，保证了对全系统的控制质量。在复杂的机械系统控制中，如果能引入机械前馈的机制，对于减少中央处理系统的负担、简化控制系统、提高系统的控制速度与质量都具有重人的意义。3.4仿生机器人设计仿生机器人包括仿生物和仿人两类，前者模仿各种生物，如蛇、螃蟹、蜘蛛、蜜蜂等的功能，后者模仿人的肌体构造或器官功能，如仿人于、于臂、步态等功能IS。仿生物机器人尤其是小型机器人在灾难事故中，可以很好地完成攀岩、灭火、钻洞、浮水等人类难以完成或者对救援人员有极人伤害的救助活动。仿人机器人能搬桌子、抬东西，可以帮助人类尤其是老年人进行重体力的生活必要劳动。一些能唱歌、会跳舞的人形和动物形状机器人在带给人们快乐的同时，也激发了人类对科学的浓厚兴趣。 仿生机器人根据不同的需要设计特殊的生物功能，目前山于社会需要还不充分，难免被人们视为“不实用”，但是这种在机器人上体现的技术可以为其他领域做好技术储备。所以，仿生机器人必将是超出人类一般需求之前探索的一门真正的前沿kexue 4结束语 机械仿生设计顺应人与自然和谐发展潮流的必然趋势，极具创新魅力和强人生命力。在机械结构仿生设计、运动机构仿生设计和控制仿生设计中，不要过于追求对动物运动效果惟妙惟肖的模仿，要注意到动物运动的“原动机”与人造发动机的根本不同16。仿生机械机构多为一系列旋转关欢或移动关节)连接起来的开式运动链，这使其运动分析和静力分析复杂化，运动操作位姿与各关节变量、受力和力矩之间的关系等，均不是一般机械机构分析方法能够解决的。因此，机械仿生设计具有多样性和复杂性。在满足基本运动形式、运动规律或运动轨迹等条件下，应注意结构简单化、机构小型化，使仿生机械产品具有较好的动力学性能，以提高整体效率。 参考文献 fll邱支振.机械工程的未来与仿生J.安徽工业人学学报.2002, 19 (3): 230- 232 QIU Zhi一zhen. Future of mechanicalengineering and bionics, Journal of East China University of Metal-largy.2002 Vo1.19 No.3 P.230- 232,236 2Yongxiang Lu. Significance and Progress of Bionics J.Journal of Bionics Engineering. 2004, 1(1):1一3 3 http :/ / www .21 yx. com/ level2/ products. htm# 2. 2004. 5 4申琼，何勇.仿生机械于结构设计与分析【月.东华人学学报.2002, 28(1):37- 40 5隋立明，工祖温，包钢.气动肌肉与生物肌肉的力学特性对比研究J.机床与液压.2004, 6:22- 24 6陈刚，张立彬，杨庆华等一种柔性于指的建模研究J.机械设计与制造工程. 2002, 31(6):39- 43 7陈秉聪.车辆行走机构形态学及仿生减粘脱土理论M.北京:机械工业出版社.2001.8 f8崔福斋.仿生材料M.北京:化学工业出版社.2004.5 L9l (金，马云海，任露泉.天然生物材料及其摩擦学J.摩擦学学报.2001,21(4):315- 320 10赵匀，武传宇，胡旭东等.农业机器人的研究进展及存在的问题J.农业工程学报.2003,19(1):20- 24 11任露泉，伶金等.生物脱附与机械仿生多学科交叉新技术领域J.中国机械工程.1999,10(9):984- 986 12工云鹏，任露泉，杨晓东等.仿生柔性非光滑表而的结构优化设计J.农业工程学报.1999,15(1):33- 35 13李世武，伶金，张书军等.牛蹄三维儿何模型逆向工程研究J.农业工程学报.2004,20(2):156- 160 14丛茜，工连成，任露泉等.鳞片形非光滑表而的仿生设计J.吉林工业人学学报.1998, 28(2):12- 16 15宗光华.关于21世纪我国仿生机械与仿生制造的若卜思考J.中国机械工程.2001,12(10):1201- 1204 16Michael H. Dickinson. Bionics: Biological insight into me-chanical design J. PNAS 1999, 96(25):14208一14209专心-专注-专业