爬杆机器猫设计说明书.doc

机械创新设计计算说明书题 目 爬杆机器猫 指导教师 卓耀彬 院 系 工学院 班 级 机自092 学 号 （09105010119）（09105010121） 姓 名 梅晓靖 钱奔腾 完成时间 2012年5月12日 目录一、设计要求2二、设计方案的构思及分析2 1.爬杆功能的实现22. 伸缩头动作的实现4 3.摆尾动作的实现44.传动机构的设计43、 执行机构形式的计算5 1.曲柄滑块机构的计算5 2.双摇杆机构的计算10 3.齿轮传动的计算10 4.凸轮传动的计算11四、作品主要创新点及推广价值12五、机械运动方案自评13 六、创新设计小结13 七、参考文献14 一、设计要求1.本创新设计的产品属于玩具类，因此对动感效果要求高一点。2.保证机器人能顺利完成爬杆的动作，并在上升时完成伸缩头以及摆尾的动作。3.机构的重量不宜过重，各零件大小要适中。二、设计方案的构思及分析1. 爬杆功能的实现要实现爬杆动作的连续，我们想到了用简单的曲柄滑块机构来实现。首先，我们在曲柄与连杆的两端分别铰接上两个滑块（即作为自锁套），使两个滑块分别作为机架交替上升，从而实现爬杆动作。其中上滑块与曲柄相连，相应的连杆接下滑块。当机构具有向下运动的趋势时，下自锁套因受到自锁机构的限制而固定不动，把其受到的向下的力转化为向上的动力，推动机构反而向上运动。如图一所示。 图一那上下自锁套又是怎样自锁的呢？ 我们设计了两个如图二所示的构件，滑块套住圆杆的两端多出了两个梯形状的“耳朵”，而且这“耳朵”还是中空的。我们在这中空的空间里分别放置两个小球，并用弹簧把它支撑起来。此小球的直径小于梯形底边而大于梯形顶边（l梯顶d球l梯底）。当滑块有向上的运动趋势的时候，小球有向下的运动趋势，不能被卡住，从而滑块能够上移；当滑块有向下的运动趋势的时候，小球有向上运动的趋势而被卡住，从而滑块形成了可靠的自锁。若曲柄是逆时针转动。1）曲柄在底端转至顶端的过程中，经力的分析，下自锁套受到向上的拉力，此时小球未被卡住，它将无阻碍地被连杆往上拉；与此同时，上自锁套受的却是往下的拉力，与上面的相反，其具有向下运动的趋势，内部的小球被自锁套卡住，从而上自锁套被固定而使整个连杆机构看作是一个曲柄摇杆机构。2）曲柄由顶端向底端逆时针转动时，上下滑块的受力情况恰与第一种情况相反，下自锁套因受力自锁而被固定，此时上自锁套仍向上运动，在曲柄过最底端时又出现了第一种情况。于是，两滑块周而复始交替向上爬。（见图三）2. 伸缩头动作的实现。伸缩头动作我们采用偏心轮机构来实现。如图四所示。3.摆尾动作的实现摆尾动作我们采用双摇杆机构来实现。如图五所示。4. 传动机构的设计 传动机构我们采用齿轮传动来实现，如图六。电动机直接带动齿轮1转动，齿轮1同时带动齿轮2和齿轮3转动，齿轮2带动曲柄转动，实现爬杆动作，齿轮3带动凸轮，实现伸缩头动作。 三、执行机构形式的计算1.曲柄滑块机构的计算针对上述的种种实际情况，我们小组在设计此爬杆机器人的时候就全面考虑了各方面的因素，从而确定各构件的尺寸与制造构件的材料。详见下表机构名称构件尺寸所选材料选用理由曲柄滑块曲柄30mm（轴距）2mm铝板价格便宜、材质轻便、成型后具有时效强化性连杆300mm（轴距）2mm铝板价格便宜、材质轻便、成型后具有时效强化性锥管（4个）2mm铝板价格便宜、材质轻便、成型后具有时效强化性自锁机构圆球（4个）8mm成品橡胶球取材方便、具有高韧性、材质轻盈上述构件全部采用钣金造型，然后由焊接连接，使其加工制造简单，易保证较高配合精度。在我们设定了曲柄与连杆的长度后，每一步机构各构件的上升位移便也能自然而然地计算出来了。当曲柄逆时针由最底端转至最顶端时，下滑块上升2倍曲柄的长度位移，即120mm。同样，曲柄逆时针由最顶端转动到底端时，上滑块也走过120mm（自锁套在自锁时的下滑距离不计）。下面我们就该机构运动一周的情况列表作一下分析（此时曲柄处于顶端逆时针旋转）：曲柄旋转角（逆时针）上自锁套运动情况下自锁套运动情况0-180自锁（固定）向上运动60mm180-360向上运动60mm自锁（固定）1） 执行系统运动简图上自锁套自锁，下滑块向上爬行。下自锁套自锁，上滑块向上爬行。 自由度F的计算：n=3Pl=4Ph=0F=3n-(2Pl+Ph)=33-(24-0)=12）计算内容解析法设计铰链四杆机构：实现两连架杆对应位置的铰链四杆机构设计：acos（0+）+bcos=d+ccos（0+）asin（0+）+bcos=d+csin（0+）将上式移项后平方相加，消去得：-b2+d2+c2+a2+2cdcos（0+）-2adcos（0+）=2accos（0+）-（0+）令R1=（a2-b2+c2+d2）/2ac R2=d/c R3=d/c 则：R1+R2 cos（0+）-R3 cos（0+）=cos（0+）-（0+）将给定的五个对应位置代入：R1+R2 cos0-R3 cos0=cos0-0R1+R2 cos（0+1）-R3 cos（0+1）=cos（0+1）-（0+1）R1+R2 cos（0+2）-R3 cos（0+2）=cos（0+2）-（0+2）R1+R2 cos（0+3）-R3 cos（0+3）=cos（0+3）-（0+3）R1+R2 cos（0+4）-R3 cos（0+4）=cos（0+4）-（0+4） 求出R1、R2、R3、0、0 若已知0、0，则只需三对对应位置。一般，先取d=1，然后根据R1、R2、R3、求出在d=1情况下各构件相对d的长度a、b、c，至于各构件的实际长度，可根据机构的使用条件按比例放大后得到所需值。若将图1中摇杆的长度增至无穷大，则B点的曲线导轨将变成直线导轨，铰链四杆机构就演化成我们这爬杆机器人所运用的曲柄滑块机构（如图3）。对于曲柄滑块的解析式来说，相较于它的“前身”铰链四杆机构的要简单许多：滑块的行程B1B2为曲柄半径r2的两倍，两端点B1和B2称为滑块的极限位置，它是以O2为中心而分别以长度r3-r2和r3+r2为半径作圆弧求得的。我们这个爬杆机器人，由于它还运用了自锁原理，故当曲柄转到与杆成一直线时，运动的滑块就将相应地换一次，若电机为逆时针转动（即曲柄为逆时针，如右图） a）当AB时，下滑块向上滑动位移是2r2，即等于曲柄长度的2倍，为100mm，（S1=2r2=230=60mm） b）当BA时，上滑块向上滑动的位移也是2r2，即S2=2r2=230=60mm。这样：当电机转过一周时上下两滑块相互配合地走过S=S1+S2=60+60=120mm。2.双摇杆机构的计算（图五）自由度F的计算：n=3Pl=4Ph=0F=3n-(2Pl+Ph)=33-(24-0)=13.齿轮传动的计算与电机相连的齿轮为，与摇杆相连的齿轮为，与凸轮相连的齿轮为，为了实现爬杆的周期与爬杆机器猫的缩头动作周期相同，我们将齿轮和的齿数设为相同，计算得出各参数：名称计算公式结果/mm法面模数1.5法面压力角齿数，=15，60传动比4分度圆直径，=22.5，90齿顶圆直径25.593齿根圆直径18.7586.25中心距56.25齿宽，20，154.凸轮传动的计算为了实现较明显的伸头和缩头动作，我们采用偏心轮的设计，将基圆半径r定为25mm，又不至于承受太大的力，将偏心距e定为5mm。当凸轮随着齿轮同轴传动时（逆时针旋转），运动规律为：0-180头部向上运动，行程为10mm180-360头部向下运动，行程为10mm 四、作品主要创新点及推广价值爬杆机器猫装置是一款以机械结构为主，参透有孑孓思想理念，爬杆的同时还有摆尾摇头动作，动作生动形象。它涵盖机械原理、机械设计等基础学科的内容。采用曲柄滑块、单向锁、导杆、杠杆、齿轮等典型机构，运用同步齿轮凸轮等多种传动形式，结合创新设计的思想精髓，引入孑孓运动等先进设计理念。引入自锁器机构是本设计的核心创新点！鉴于爬杆机器猫在选择题意于设计上的创新性，在逃生与机械创新设计、制造重要性宣传两方面的双重意义以及较高的性价比，其可被置于矿山矿井、商场楼塔、博物馆、学校等公共场所，商业价值大、应用前景广泛。五、机械运动方案自评经过小组的一起努力，向老师请教疑难解答，我们从一开始提出的各种想法，再一步步完善，构思，最终确定了机械运动方案，并计算参数、建模、装配。每一步过程中不免有疑惑、坎坷，我们也参考了很多书目，总的来说该设计符合技术要求。但我们知道我们做的还远远不够，希望老师能提出批评建议。六、创新设计小结这次的创新设计完成了，经过了几个星期的分析、计算和绘制，经过了团队合作和各自的思考，经过了无从下手和有所领悟，创新设计总算完成了。这是分工协作的的成果，团队成员分别负责传动机构运动和配合，零件的建模和说明书的制作。然而我们并不是等到各个部分的设计完成之后再将其合并汇总，而是交流和讨论贯穿了设计的整个过程。在这次创新设计中找到的问题和经验，使我们认识到，课本只是获取知识的途径，但不是全部，我们要通过自己的思考与生活才能更好的将知识为我所用。这次的创新设计，对我们今后的学习，有很大的帮助。 经过这么多天的努力，我们终于完成了机械创新设计，我们设计的内容是爬杆机器猫。可以说，这几个星期真的是煎熬，时时有就这样放弃然后重新找一个课题的想法，可我们都知道，这是不行的，不经历失败，不知道成功来之不易。创新没这么容易，我们一步步克服困难，即使困难再大，我们风雨兼程。我们遇到问题时，即使有过分歧，我们也会提出自己的观点，并且细心聆听队员的观点，发现自己的不足，已经大家观点的可取出。最终我们坚持了下来，并完成了创新设计。体会有很多：1.我明白了团队合作的重要性。如果没有大家的互相合作，互相鼓励，根本不可能很好的完成创新设计，当一个方案出来后，分析了半天，才发现它的不合理性，时间就是这么一分一秒的过去的。直到最后的方案的确定下来，在合理的分工后，我们还有很多协作，遇到问题大家一起商量，当想出一个解决方法时，心情真的很喜悦。2.实践才是检验真理的唯一标准。虽然我们已经学过了机械创新设计，可是由于学的都是理论知识，没有实践，所以缺乏理解，许多东西都还只停留在想象的层面上。而通过创新设计，我们才能将概念付诸实践，明白很多理念性的东西在现在的科技发展水平上还是行不通的。如何运用现在的技术，让我们自己来造出一个具有一定功能的机器来，这对我们来说是一个机遇和挑战，更是一个温故知新，运用知识的途径。经过这次创新设计，加深了我对机械原理的理解，熟练了以前学习的CAD制图软件和UG三维制图软件的运用。还学会了动画的制作，为我之后的机械设计的创新设计打下了坚实的基础。我知道，这次的创新