爬杆机器猫设计说明书解读

1、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21. 爬杆功能的实现22 .伸缩头动作的实现43 .摆尾动作的实现44 .传动机构的设计 4三、执行机构形式的计算51 .曲柄滑块机构的计算 52 .双摇杆机构的计算103 .齿轮传动的计算104 . 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第14页共14页、设计要求1 .本创新设计的产品属于玩具

2、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首先，我们在曲柄与连杆的两端分别较接上两个滑块（即作为自锁套），使两个滑A块分别作为机架交替上升，从而实现爬杆丁r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d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

3、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$,一、块形成了可靠的自锁。鼠若曲柄是逆时针转动。£ |茎 耳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

4、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，

5、实现爬杆 动作，齿轮3带动凸轮，实现伸缩头动三、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30m m轴距）2mmB 板价格便宜、材质轻便、成型后具有时效强化性连杆300mm（轴距）2mmB 板价格便宜、材质轻便、成型后具有时效强化性锥管（4个）2mmB 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、具启图韧性、材质轻盈上述构件全部采用钺金造型，然后由焊接连接，使其加工制造简单，易保证较

6、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120mme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）下自锁套自锁，上滑块向 上爬行。上自锁套自锁，下滑块向 上爬行。1）执行系统运动简图的计算：n=3 pi=4 Ph=

7、0F=3n-(2Pl+Ph)=3 x 3-(2 X4-0)=12）计算内容解析法设计钱链四杆机构：实现两连架杆对应位置的钱链四杆机构设计:ax cos （do+d） +bxcoss=d+cx cos （To+T） ax sin （|）o+（|） +bxcoss=d+cx sin （To+T）将上式移项后平方相加，消去S得：-b 2+d2+c2+a2+2cdx cos （乎。+里）-2ad x cos （|）o+（|） =2acx cos（入+小）-（To+T）令 R= （a2-b2+c2+d2） /2ac R 2=d/c R 3=d/c 则:R + R cos （To+T） -R3 cos （

8、|）0+（|） =cos （do+d） - （To+T）将给定的五个对应位置代入：FR+R cos 乎 o-R3 cos（|）o=cos（|）o- W oR+R cos（乎 o+W 1）-R3 cos（I）o+（I）1）=cos（I）o+（I）1）-（V o+W 1）R+R cos（V o+T 2）-R3 cos（I）o+（I）2）=cos（I）o+（J）2）-（V。+V2）R+R cos（V o+T 3）-R3 cos（I）o+（I）3）=cos（I）o+（I）3）-（V o+T 3）R+R2 cos （W0+W4） -R3 cos （|）0+（|）4）=cos（仙+3）-（W0+W4）若已

9、知乎0、。0,则只需三对对应位置。般，先取d=1,然后根据R、R、R、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，较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”一一钱链四杆机构的要简单许多：滑块的行程BB为曲柄半径一的两倍，两端点Bi和B称为滑块的极限位置，它是以 O为中心而分别以长度3-2和D3+2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，

10、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 ZB时，下滑块向上滑动位移是 2r2,即图4A等于曲柄长度的2倍，为100mm（S=22=2X 30=60mmb）当B A时，上滑块向上滑动的位移也是 2r 2,即&=2r2=2X30=60mm这样：当电机转过一周时上下两滑块相互配合地走过S=S+S=60+60=120mm国五2 .双摇杆机构的计算（图五）自由度F的计算：n=3 pi=4 Ph=0F=3n-(2Pl+Ph)=3 x 3-(2 X4-0)=13 .齿轮传动的计算与电机相连的齿轮为乙，与摇杆相连的齿轮为Z2,与凸轮相连的齿轮为Z3

11、,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Z2和Z3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mn1.5法面压力角an20 s齿数乙，Z2=Z315, 60传动比i4分度圆直径di, d2 = d322.5, 90齿顶圆直径-. *dai = di +2ha mn*da2 =da3 =d2 +21% En25.593齿根圆直径*dfi =di -2(ha +c )mn.* ，*、df2 =df3 = d2 -2(ha +c )mn18.7586.25中心距(Zi + Z2)mn a1 - a2 -256.25B1 =b+5 , B2 =B3 =b20,

12、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Z3同轴传动时（逆时针旋转），运动规律为：0 -180头部向上运动，仃程为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，参透有孑工思想理念， 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，引入孑工运动等先进设计理念。 引入自

13、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，

14、 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

15、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CADW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