爬杆机器猫设计论文

目录 一、设计要求 2 二、设计方案的构思及分析 2 2 4 4 4 三、 执行机构形式的计算 5 5 10 10 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 1 页 共 14 页 一、设计要求 此对动感效果要求高一点。 在上升时完成伸缩头以及摆尾 的动作。 零件大小要适中。 二、 设计方案的构思及分析 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。此小球的直径第 2 页 共 14 页 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） 第 3 页 共 14 页 伸缩头动作我们采用偏心轮机构来实现。如图四所示。 摆尾动作我们采用双摇杆机构来实现。 如图五所示。 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。 第 4 页 共 14 页 三、执行机构形式的计算 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 30距） 2板 价格便宜、材 质轻便、成型后具有时效强化性 连杆 300距） 2板 价格便宜、材质轻便、成型后具有时效强化性 锥管（ 4 个） 2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） 8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 倍曲柄的长第 5 页 共 14 页 度位移，即 120样，曲柄逆时针由最顶端转动到底端时，上滑块也走过 120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 自锁（固定） 向上运动 6080 向上运动 60锁（固定） 1） 执行系统运动简图 自由度 n=3 F=3h)=3 3-(2 41 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。 第 6 页 共 14 页 2）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： a 0+） +b d+c 0+） a 0+） +b d+c 0+） 将上式移项后平方相加，消去得： d2+c2+ 0+） 0+） =2 0+） -（ 0+） 令 c2+： 2 0+） 0+） = 0+） -（ 0+） 将给定的五个对应位置代入： 2 = 0 2 0+ 1） 0+ 1） = 0+ 1） -（ 0+ 1） 2 0+ 2） 0+ 2） = 0+ 2） -（ 0+ 2） 2 0+ 3） 0+ 3） = 0+ 3） -（ 0+ 3） 第 7 页 共 14 页 2 0+ 4） 0+ 4） = 0+ 4） -（ 0+ 4） 求出 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 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” 铰链四杆第 8 页 共 14 页 机构的要 简单许多： 滑块的行程 端点 2称为滑块的极限位置，它是以 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 A B 时，下滑块向上滑动位移是 2等于曲柄长度的 2倍，为 100 30=60 b）当 B A 时，上滑块向上滑动的位移也是 2 30=60 这样：当电机转过一周时上下两滑块相互配合地走过S=2=60+60=120 第 9 页 共 14 页 图五） 自由度 n=3 F=3h)=3 3-(2 41 与电机相连的齿轮为 1z ， 与摇杆相连的齿轮为 2z ， 与凸轮相连的齿轮为3z， 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 2z 和3算得出各参数： 名称 计算公式 结果 /面模数 面压力角 20 齿数 1z ， 2z = 3z 15， 60 传动比 i 4 分度圆直径 1d ， 2d = 3d 90 齿顶圆直径 1 2 232 23 齿根圆直径 (2*11 (2 *232 心距 2 )( 2121 10 页 共 14 页 齿宽 51 32 20， 15 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 25不至于承受太大的力，将偏心距 凸轮随着齿轮3时针旋转），运动规律为： 0 头部向上运动，行程为 1080 头部向下运 动，行程为 10、 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，我们从一开始提出第 11 页 共 14 页 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，并完成了创第 12 页 共 14 页 新设计。体会有很多： 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。 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 图软件 和 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，这次的创新设计是为以后的毕业设计做准备的，只有好好去做，才能从中学得更多，这