Mechatronics Design Engineering and Manufacturing

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Mechatronics Design Engineering and Manufacturing

Mechatronics Design, Engineering and Manufacturing
Technologies, Principles, Design, and Analysis of Comple Electro-Mechanical Systems

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Open: Mechatronics Design, Engineering and Manufacturing

Mechatronics is an amalgam of “mechanisms” and “electronics”: systems that contain both mechanical and electrical components. It’s a field that spans nearly every industry, so any one source (even this one) will not be complete with all the information you need. But this may be a good jumping off point. I’m writing this generally towards those in a competitive robotics environment, so will use many examples from there, but you soon find that those same technologies that shoot foam balls into goals can be used anywhere from assembly lines to emergency medical equipment or racecars.

This document is not intended to be all-encompassing. In reality, it’s just an outline; a map. We live in an era where information is readily available on demand. This document really doesn’t contain anything new. Its goal is to show you a plethora of things that exist in a breadth-first fashion before you dive down a particular rabbit hole. There are a few places where I’ll dive deeper because I feel it’s relevant to show you some of the nuances you should be aware of. By and large, my goal isn’t to drill home every single thing because I’ll fail at that and fail you in the process. Someone will come up with something new, or improve something discussed here, and this information will become outdated. I’ll try to keep it up to date... but I will definitely fail!

This is partly why I’ve open-sourced this LATEXdocument. It’s not a wiki, because the linearity of a text enables the reader to know they’ve completed it, and this is more printable. I’d love it if the graphics were more unified, and I appreciate any contributions you might have while preventing this from becoming too big to be useful (as I fear it already is).

Some sections of this will be dry... The human mind is a weird thing. It’s better at prompted recall than unprompted recall. You may not always be thinking about the many different types of bolts, but if you’ve seen one before, and you come across a problem that needs it, you might be able to figure it out - or at least know where to start looking.

I hope to keep this terse. We’re going to go fast and I’m going to leave some things to your imagination or research to figure out exactly how they work. I love mechatronics and hope you do too, so I don’t want to spoil it by chewing your steak for you

TOC

1 Introduction 5
2 Physics & Terminology 6
2.1 Stresses and Deformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Directions and Coordinate Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Basic Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4 Basic Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3 Construction 10
3.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.1 Stress-Strain Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.2 Hardness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.3 Thermal Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.4 Other Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.5 Material Comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Form Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.1 Cast from Ingot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.2 Billet and Plate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.3 Extrusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.4 Welded / DOM Tubing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2.5 Sheet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 Manufacturing Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3.1 Hot Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3.2 Machining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3.3 Broaching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.4 Path Cutting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.5 Sheet Forming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.6 Welding and Brazing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.7 3D Printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4 Fasteners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4.1 Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4.2 Threads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4.3 Rivets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4.4 Shaft Retention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4.5 Adhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4.6 Panel Fasteners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4.7 The Zip Tie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5 Fabrication Paradigms / Traditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5.1 The 80/20 Tradition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5.2 The Sheet metal Tradition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.5.3 The Fingerjointed Plate Tradition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.5.4 The Bracket and Tube Tradition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.5.5 The Spaceframe Tradition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4 Complex Components
4.1 Axial Power Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.1 Shafts, Hubs, and Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.2 Bearings, Bushings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.1.3 Drive Couplings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2 Nonaxial Power Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2.1 Rope and Pulleys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2.2 Gears . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2.3 Roller Chain and Sprockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2.4 Belts, Pulleys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3 Lead Screws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.4 Energy Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4.1 Springs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4.2 Flywheels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.5 Wheels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5.1 Hard Wheels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5.2 Soft Wheels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5.3 Casters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.5.4 Omni Wheels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.6 Engagement and Disengagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.6.1 Ratchets and Brakes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.6.2 Clutches and PTOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5 Pneumatics 57
5.1 Pneumatic Anatomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2 Compressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.3 Pneumatic Cylinders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.4 Basic Cylinder Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

6 Motors 61
6.1 DC Motors: Brushed and Brushless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.2 Empirical DC Motor Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.3 Comparing Motor Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

7 Electrical 67
7.1 Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.1.1 Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.1.2 Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.1.3 Breakers and Fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.1.4 Wires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2 Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2.1 On/Off Position Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2.2 Variable Position Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.2.3 Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.2.4 Inertial Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.3 Terminals and Connectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.4 Communication Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.4.1 Dumb signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.4.2 Serial links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.4.3 Bus signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

8 Basic Systems 77
8.1 Grabbing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
8.1.1 Jaws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
8.1.2 Latches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
8.1.3 Beater bars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
8.1.4 Side wheels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
8.1.5 Centering intakes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.1.6 Scoops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.1.7 Vacuums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.2 Indexers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.2.1 Gravity Hoppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.2.2 Conveyors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
8.2.3 Rotary Hoppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
8.2.4 Agitated Hoppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.3 Connected Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.3.1 Elevators, Cascade and Continuous . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.3.2 Gantries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
8.3.3 Scissor Lifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
8.3.4 Parallel 4 Bar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
8.3.5 Pivoting Arms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
8.3.6 Virtual 4 Bar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.3.7 2N Bar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.3.8 Double Reverse 4 Bar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
8.3.9 Compound Arms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
8.3.10 Parallel Manipulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8.3.11 Counterbalancing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8.4 Shooters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8.4.1 Flywheel-Based Shooter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
8.4.2 Catapults and Punches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
8.4.3 Cannons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8.5 Drivetrains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8.5.1 Car Steering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8.5.2 Differential Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
8.5.3 Omnidrives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
8.5.4 Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
8.5.5 Fully-Steered Wheel Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8.5.6 Addons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

9 High-Level Design Principles 98
9.1 Designing a Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
9.2 Designing Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
9.3 Design for Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
9.4 Pick the Right Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

10 Low-Level Design Principles 102
10.1 Load paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
10.2 Axial Versus Bending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
10.3 Big Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
10.4 Minimize, Centralize, and Lower Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
10.5 Spread the Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
10.6 Abbe Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
10.7 Tolerance Stacking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
10.8 Loosening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
10.9 Poka-Yoke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
10.10 Design for Manufacture, Assembly, Service, and Tuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

11 Choosing Motors and Gear Ratios 109
11.1 What Do Gears Really Do? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
11.2 Developing a Generalized Mechanism Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
11.2.1 The Simple Flywheel Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
11.2.2 The Full-Blown Calculus Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
11.2.3 A Brute-Force Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
11.3 Using the Simulations: Analysis/Optimization Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Mechatronics Robot