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# EK 战队机械组十日集训

> EK 战队机械组新人十日集训教程：从标准件、材料工艺到 SolidWorks、设计基础与经济性优化，逐天推进。

# EK 战队机械组十日集训

> 本教程基于 EK 战队 25 赛季机械组培训计划整理，把原 8 节课 + 2 次考核组织为 10 天渐进式学习路径。
> [下载原始培训计划 PDF](https://cdn.newenergycoder.club/mechanical-training/ek-team-25-mechanical-training.pdf)

## 学习总览

| 天数                                           | 主题                           | 类型   | 目标             |
| -------------------------------------------- | ---------------------------- | ---- | -------------- |
| [Day 1](#day-1-机器人标准件常用件介绍)                  | 机器人标准件常用件介绍                  | 通识课  | 建立零件与选型基础      |
| [Day 2](#day-2-常见材料加工工艺与机器人装配常用工具)           | 常见材料、加工工艺与机器人装配常用工具          | 通识课  | 了解材料特性、加工方法与工具 |
| [Day 3](#day-3-solidworks-与-autocad-软件简介与设置) | SolidWorks 与 AutoCAD 软件简介与设置 | 软件课  | 掌握建模与制图基础      |
| [Day 4](#day-4-以往赛季机器人拆除实践)                  | 以往赛季机器人拆除实践                  | 实践课  | 熟悉真实机器人结构与元件   |
| [Day 5](#day-5-运动分析力分析与机构)                   | 运动分析、力分析与机构                  | 设计基础 | 建立力学与机构分析能力    |
| [Day 6](#day-6-结构分析与典型部件设计)                  | 结构分析与典型部件设计                  | 设计基础 | 掌握典型机械结构设计方法   |
| [Day 7](#day-7-经济性优化)                        | 经济性优化                        | 设计基础 | 学会成本估算与优化      |
| [Day 8](#day-8-零件图出工程图的教学)                   | 零件图出工程图的教学                   | 技能课  | 掌握工程图绘制与输出     |
| [Day 9](#day-9-中期考核--逆向建模)                   | 中期考核 / 逆向建模                  | 考核   | 检验建模与读图能力      |
| [Day 10](#day-10-结营考核--综合设计)                 | 结营考核 / 综合设计                  | 考核   | 完成完整设计方案与报价    |

***

## Day 1：机器人标准件常用件介绍

**类型**：通识课

**建议时长**：2 小时

**学习目标**：

* 认识机器人中常用的标准件与常用件；
* 理解不同零件的功能与典型应用场景；
* 能够在设计初期进行合理的零件选型。

### 1.1 紧固件

螺栓、螺母、垫片、弹簧垫片、防松垫片、铜柱（铝、钢、尼龙）、键、销、铆钉（热、冷、抽芯、击芯）、涨套。

### 1.2 传动件

齿轮（柱、锥、直、斜、弧形）、皮带（轮）、同步带（轮）、链（轮）、蜗轮蜗杆、丝杠（滚珠）。

### 1.3 轴系与导向

光轴、轴座（T 型、L 型）、光轴固定环、轴套（铜、钢）、石墨轴套（法兰、垫片）、轴承（深沟球、法兰、角接触、推力球、直线、双列、调心、滚子、圆锥滚子、滚针、交叉滚子、回转支承等）、直线导轨（滑块）、拖链。

### 1.4 动力件

电机（旋翼、关节、云台、直线、步进、反馈）、联轴器（梅花、刚性、法兰、十字、螺旋线、平行线、磁力、万向节）。

### 1.5 结构件

铝管、型材（T 型、船型、铸造角码、挤压角码）。

### 1.6 气动与连接

气动元件（瓶、气缸、气泵、气管、接头、电磁阀、吸盘）、扣（搭扣、球扣、磁扣）、电磁铁（方、圆、圆空心）、脚轮、全向轮、麦轮、弹簧（拉、压、卷、扭）、气弹簧（液压杆）、滑环（电、气、电气、空心、微型）、直角连接件（角铁、机加工直角连接件、六面螺母）等。

### 今日任务

1. 整理一份自己队伍常用的标准件清单；
2. 挑选 3 种不熟悉的零件，查阅其安装方式与选型参数。

***

## Day 2：常见材料、加工工艺与机器人装配常用工具

**类型**：通识课

**建议时长**：2 小时

**学习目标**：

* 了解机器人常用材料的特性与适用场景；
* 熟悉常见制造工艺及其精度、成本特点；
* 掌握实验室常用工具的安全使用方法。

### 2.1 常见材料

#### 金属材料

| 材料       | 主要特点                | 典型应用    |
| -------- | ------------------- | ------- |
| 黄铜       | 耐腐蚀耐热、强度高、导电性好、较软、贵 | 丝杠螺母    |
| 6061 铝合金 | 中等强度、抗腐蚀、可焊接、氧化效果较好 | 结构件、框架  |
| 7075 铝合金 | 强度高、机械性能好、阳极反应良好    | 高应力结构件  |
| 5052 铝合金 | 抗疲劳、塑性与耐腐蚀性高、焊接性好   | 钣金      |
| 45# 钢    | 综合性能好，强度硬度韧性均衡      | 通用结构件   |
| 碳钢       | 强度高、成本低             | 螺纹连接件   |
| Cr 钢     | 耐热、高硬度、高抗氧化         | 轴承、直线导轨 |
| 304 不锈钢  | 综合性能良好、耐腐蚀          | 潮湿或外观件  |
| 弹簧钢      | 韧性好、强度高、加工性差        | 弹簧、弹性元件 |

#### 非金属材料

| 材料        | 主要特点             | 典型应用    |
| --------- | ---------------- | ------- |
| 亚克力（PMMA） | 便宜、透明、加工性好       | 罩壳、观察窗  |
| 玻纤        | 便宜、强度尚可、较重       | 板件      |
| 碳纤维       | 强度高、刚度高、很轻、贵     | 轻量化结构   |
| POM       | 自润滑、耐磨           | 齿轮、防撞   |
| 高密度 PE    | 耐磨、自润滑、无毒        | 耐磨件     |
| PP        | 类似 PE，略重         | 一般结构件   |
| PA（尼龙）    | 弹性与刚性可调、常用       | 齿轮、结构件  |
| PLA       | 易打印、无毒、保质期短      | 3D 打印原型 |
| PETG      | 比 PLA 韧性好、打印难度略高 | 3D 打印件  |
| ABS       | 强度高、韧性好、需封箱打印    | 功能件     |
| TPU       | 柔性、弹性好           | 柔性结构    |
| 光敏树脂      | 精度高、有微毒气体        | 光固化打印   |

> **纤维类小贴士**：纤维类材料一般加工工艺为板材切割、吹塑、包覆，并且为各向异性材料，使用时要注意减少切断纤维的数量。

### 2.2 常见工艺

| 工艺    | 特点          | 适用场景      |
| ----- | ----------- | --------- |
| 车削    | 工件旋转、车刀进给   | 轴类、盘类零件   |
| 铣削    | 旋转多刃刀具切削    | 平面、曲面     |
| 钻削    | 孔加工基本方法     | 各类孔       |
| 磨削    | 高精度         | 精密表面      |
| 拉削    | 高效率、尺寸精度高   | 内键槽等      |
| 锉削    | 手工修整        | 复杂表面、装配修整 |
| 制齿    | 铣齿、滚齿、插齿等   | 齿轮        |
| CNC   | 计算机数字化控制    | 复杂零件      |
| 挤压/拉拔 | 连续截面        | 管材、型材     |
| 钣金    | 冷加工、精度有限、便宜 | 薄板件       |
| 激光切割  | 切缝窄、便宜      | 板件        |
| 焊接    | 接合金属或塑料     | 框架、支架     |
| 冲压    | 大批量、成本低     | 小零件       |
| 铸造    | 工艺粗糙、价格低    | 复杂外形      |
| 锻造    | 改善金属组织      | 高强度件      |
| 注塑    | 塑料成型        | 塑料件       |
| 吹塑    | 中空成型        | 瓶、桶       |
| 粉末冶金  | 近净成形        | 复杂金属件     |
| FDM   | 熔融沉积 3D 打印  | 原型、结构件    |
| SLA   | 光固化 3D 打印   | 高精度原型     |
| SLS   | 激光烧结        | 金属/高分子复杂件 |

### 2.3 常用工具

**手动工具**：扳手（内六角、呆扳手、套筒、活动扳手、圆螺母扳手、烟斗扳手、测力矩扳手、定力矩扳手）、棘轮套筒、螺丝刀（十字、一字）、钳子（尖嘴钳、斜口钳、虎钳）、锉刀（大、小）、拉铆枪、拉铆螺母专用工具、卡簧钳（内、外）、游标卡尺、卷尺、解链器、电钻、电锤、电动螺丝刀、锤（橡胶锤、铜棒、铁锤）、镊子、砂纸、丝锥。

> 量具珍贵，不要乱动别人的量具。

**电动工具**：

> 使用所有旋转类工具禁止戴手套。

1. 钻床
2. 切割机
3. 角磨机
4. 电钻类

### 今日任务

1. 为队伍即将制作的零件选择 2 种材料和 1 种加工工艺；
2. 列出当天实践会用到的工具清单，并标注安全注意事项。

***

## Day 3：SolidWorks 与 AutoCAD 软件简介与设置

**类型**：软件课

**建议时长**：2 小时

**软件要求**：SolidWorks 2023，AutoCAD 2018 及以上。

**学习目标**：

* 完成 SolidWorks 基础环境配置；
* 掌握草图、特征、装配体等基本命令；
* 了解 AutoCAD 在队内的使用场景。

### 3.1 SolidWorks 基础

* **设置**：正视于（Spacebar）、电脑配置不行的相关设置。
* **快捷键设置**：可以教学，具体视大家接受度而定。
* **草图教学**：直线、矩形、圆形、正多边形、中心线、线性阵列、圆周阵列、镜像、完全定义。
* **特征命令教学**：拉伸、旋转、扫描、放样（及对应切除）、圆角、倒角、线性阵列、圆周阵列、镜像、参考几何体、螺旋线。
* **直接编辑**：分割、组合、移动/复制实体、删除/保留实体、移动面、删除面。
* **装配体**：插入新零件、线性阵列、圆周阵列、镜像。
* **配合**：重合、平行、垂直、同心、距离、角度。
* **其他**：随配合复制、替换零部件、干涉检查、质量属性、导出 DWG、导出 STL。

### 3.2 AutoCAD

队内使用相对较少，以自学为主。

### 今日任务

1. 在 SolidWorks 中完成一个简单的零件建模（建议：一个带孔的支架）；
2. 尝试导出 STL 与 DWG 文件。

***

## Day 4：以往赛季机器人拆除实践

**类型**：实践课

**建议时长**：2 小时

**学习目标**：

* 近距离观察真实机器人的结构布局；
* 识别电机、电调、主控板及常用机械零部件；
* 学会安全、有序地拆解与分类回收。

### 实践内容

对之前赛季的机器人进行拆除，统计拆除的元件，包括：

* 电机
* 电调
* 主控板
* 其他常用机械零部件

### 今日任务

1. 按类别整理拆下的零部件；
2. 拍摄并记录至少 3 处值得借鉴或改进的结构设计。

***

## Day 5：运动分析、力分析与机构

**类型**：设计基础

**建议时长**：4 小时

**学习目标**：

* 建立静力学与动力学分析基础；
* 理解常见机构与传动方式；
* 能够用能量法进行简单设计计算。

### 5.1 静力学分析

* 力、静力学公理（平行四边形法则、二力平衡、作用力与反作用力、刚体的力转移、三力平衡汇交）
* 约束（固定铰链、可动铰链、特定形状约束、二力杆）
* 力矩相关（牛顿第二定律、旋转物体的动能、转动惯量）
* 力偶（一对反向平行不共线的力，力偶矩）
* 自锁

### 5.2 动力学分析

* 能量与动量的关系
* 转动物体的动能计算
* 机械能守恒
* 以能量守恒（或动量守恒）入题进行设计计算

### 5.3 机构分析

* 自由度
* 常见机构（连杆、凸轮）
* 常见传动方式（链、带、摩擦、螺旋、齿轮、涡轮、减速箱、绳驱）
* 常用动/静连接方式（键、销、螺栓、联轴器、涨紧、传动机构润滑）

### 今日任务

1. 计算一个简单机构的自由度；
2. 用能量法估算某一传动环节所需的电机功率。

***

## Day 6：结构分析与典型部件设计

**类型**：设计基础

**建议时长**：4 小时

**学习目标**：

* 理解结构变形的基本形式；
* 掌握铝管、型材、板材等典型连接方式；
* 能够设计回转轴与一般轴系。

### 6.1 结构分析

变形的基本形式：

* 拉压
* 弯曲
* 剪切
* 扭转
* 应力集中
* 有限元分析与拓扑优化（不讲，鼓励自学）

### 6.2 典型部件设计

* 铝管与铝管的连接：板 + 螺栓/铆钉、焊接、内嵌
* 铝型材与铝型材的连接：板、角码等
* 铝型材与铝管或板的连接
* 板与板的连接：堆叠、延伸、直角、异形角度（打印件）、板的互嵌/拼插连接
* 轴系设计：回转轴、一般轴
* 机械精度设计：互换性

### 今日任务

1. 为队伍当前的机器人设计一个铝管/型材连接节点；
2. 标注关键尺寸与配合关系。

***

## Day 7：经济性优化

**类型**：设计基础

**建议时长**：1 小时

**学习目标**：

* 了解零件加工费用的组成部分；
* 掌握典型零件（板件、铝管、打印件、机加工件）的成本估算方法；
* 在不影响效果的前提下优化设计成本。

### 7.1 加工费用组成

材料、机床、编程、装夹、加工、后处理、工时费、数量折扣。

### 7.2 典型零件成本估算

| 零件类型 | 计费方式                         | 备注                       |
| ---- | ---------------------------- | ------------------------ |
| 板件   | 主要算面积，辅助算特征数量                | —                        |
| 铝管   | 截面外形尺寸和长度                    | 特征多会加钱                   |
| 打印件  | 算克重                          | FDM 约 0.2 元/克，铝合金约 2 元/克 |
| 机加工件 | 材料 + 机床 + 编程 + 装夹 + 加工 + 后处理 | 各厂家算法不同                  |

### 7.3 以嘉立创 CNC 为例

* 机床费用算进加工费；
* 编程费用为工程费；
* 影响加工费的因素：工序（装夹、换机床次数）、材料加工难度、零件本身设计特征。

### 7.4 核心要点

经济性优化只是为省钱做出的让步，精髓是在满足设计余量的情况下追求极致的性价比。核心是不影响效果的情况下追求便宜，不要舍本逐末。

**实例**：对比 1.2 的舵轮驱动轮系和 1.3 的舵轮驱动轮系。

### 今日任务

1. 估算当前设计中的 3 个零件的加工成本；
2. 提出至少 1 处不影响性能的成本优化方案。

***

## Day 8：零件图出工程图的教学

**类型**：技能课

**主讲**：乔俊明

**建议时长**：0.5 小时

**学习目标**：

* 理解零件图的前置背景；
* 掌握视图的表达方法；
* 熟悉 SolidWorks 工程图制图规范；
* 能够使用 AutoCAD 修图并输出 PDF。

### 8.1 基本内容

* 基本的零件图前置背景
* 视图的表达
* SW 工程图制图规范
* CAD 修图及转 PDF

### 今日任务

1. 为 Day 6 设计的零件创建一张工程图；
2. 导出 PDF 并检查标注是否完整、规范。

***

## Day 9：中期考核 / 逆向建模

**类型**：考核

**建议时长**：约 3 周（10 月 10 日—10 月 30 日）

**考核目标**：

* 检验建模与读图能力；
* 培养独立逆向与绘图能力。

### 考核内容

共 8 道题目：

* 题目 1–4：已知无参数模型，要求在 SolidWorks 中绘制出含有设计树以及特征的 SW 零件模型。
* 题目 5–6：已知零件图，要求根据现有工程图绘制三维模型。
* 题目 7–8：已知多实体零件模型，要求将每个实体单独绘制成零件，并组合装配体。

### 提交要求

* 不能抄袭；
* 10 月 30 日（星期三）中午 12 点前，将文件打包压缩发送到邮箱 `1157542804@qq.com`；
* 命名要求：每个零件按照“姓名-题目”，如“赵思鼎-题目 1”；
* 装配体及其附属零件文件保存在同一文件夹内，文件夹命名“姓名-题目”，如“赵思鼎-题目 8”；
* 装配体命名与文件夹相同。

### 今日任务

1. 制定个人完成计划；
2. 先完成题目 1 作为热身。

***

## Day 10：结营考核 / 综合设计

**类型**：考核

**建议时长**：约 4 周（11 月 9 日—12 月 7 日）

**考核目标**：

* 完成一个完整的设计方案；
* 能够给出预计报价；
* 锻炼团队协作与综合设计能力。

### 设计题目

一个物流运输场景，需要将一件物品从 A 位置移动到 B 位置，并改变物体的姿态。三选一：

* **题目一**：位置不可移动，仅允许选择一个位置为起点，另一位置为终点。
* **题目二**：不要求位置变化（是否移动都行），但必须满足姿态变换。
* **题目三**：位置可以移动，满足台面高低差和姿态变换即可。

### 要求

* 二至三人一组；
* 须给出完整的设计方案；
* 给出预计报价。

### 今日任务

1. 组队并选定题目；
2. 头脑风暴至少 3 种方案，并初步评估可行性。

***

## 附录：原始培训时段

* 第三周的周六开始；
* 9 月上 4 节课；
* 10 月停工；
* 11 月前半个月上 4 节课；
* 11 月后半个月考核。