機械原理課件教育設(shè)計說明書_爬桿機器人

1、機械原理課程設(shè)計 設(shè)計說明書 設(shè)計題目：爬桿機器人 汽車與交通工程學(xué)院 學(xué)院班 設(shè)計者：王佳 指導(dǎo)老師：王勁松 目錄 1. 設(shè)計題目1 1.1設(shè)計目的1 1.2設(shè)計題目簡介1 1.3設(shè)計條件及設(shè)計要求1 2. 運動方案設(shè)計2 2.1機械預(yù)期的功能要求2 2.2功能原理設(shè)計2 2.3運動規(guī)律設(shè)計3 2.3.1工藝動作分解3 2.3.2運動方案選擇5 2.3.3執(zhí)行機構(gòu)形式設(shè)計6 2.3.4運動和動力分析7 2.3.5執(zhí)行系統(tǒng)運動簡圖8 3. 計算內(nèi)容8 4. 應(yīng)用前景10 5. 個人小結(jié) 11 6. 參考資料 12 附錄 1 .設(shè)計題目 13 1.1設(shè)計目的 機械設(shè)計是根據(jù)使用要求對機械的工作原

2、理、 結(jié)構(gòu)、運動方式、力和能量的 傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸以及潤滑方式等進行構(gòu)思、分析和計算， 并將其轉(zhuǎn)化為制造依據(jù)的工作過程。 機械設(shè)計是機械產(chǎn)品生產(chǎn)的第一步， 是決定機械產(chǎn)品性能的最主要環(huán)節(jié)，整 個過程蘊涵著創(chuàng)新和發(fā)明。 目的：為了綜合運用機械原理課程的理論知識， 分析和解決與本課程有關(guān)的 實際問題，使所學(xué)知識進一步鞏固和加深。 1 . 2設(shè)計題目簡介 課程設(shè)計名為爬桿機器人。該機器 人模仿蟲蠕動的形式向上爬行，其爬行申幾 運用簡單的曲柄滑塊機構(gòu)。其中電機與 曲柄固接，驅(qū)動裝置運動。曲柄與連桿 鉸接，其另一端分別鉸接一自鎖套（即 上下兩個自鎖套），它們是實現(xiàn)上爬的關(guān)園桿 鍵結(jié)構(gòu)。

3、當(dāng)自鎖套有向下運動的趨勢時， 由力的傳遞傳到自鎖套，球、錐管與圓 桿之間形成可靠的自鎖，阻止構(gòu)件向下 運動，而使其運動的方向始終向上（運 動示意見右圖）。 1 . 3設(shè)計條件及設(shè)計要求 首先確定機器人運動的機構(gòu)原理及所爬行管道的有關(guān)數(shù)據(jù)，制定多套運動方 案。再查閱相關(guān)資料，通過精確的計算，對設(shè)計題目進行創(chuàng)新設(shè)計和運動仿真， 最后在多方面的考慮下確定一套方案并完成整套課程設(shè)計說明書。 2.運動方案設(shè)計 該機器人模仿的動作是沿桿向上爬行，整個機構(gòu)為曲柄滑塊機構(gòu)，而且目前 所設(shè)計機器人爬行的桿是圓桿 2 . 1機械預(yù)期的功能要求 通過電機的驅(qū)動和減速，給予曲柄一個繞定軸旋轉(zhuǎn)的主動力， 在該力的驅(qū)使

4、下帶動連桿及相應(yīng)的自鎖裝置，由兩個自鎖套的先后自鎖和曲柄連桿機構(gòu)帶動機 器人向上爬行。 2 . 2功能原理設(shè)計 通常情況下，一部的機器需要通過電機帶動一系列復(fù)雜的機構(gòu)使其正常運 轉(zhuǎn)，這其中涉及到很多簡單且基本的機械機構(gòu)。 當(dāng)然，也可以直接通過電機帶動 整部機器的運轉(zhuǎn)，這完全取決于機器所需完成的工作以及設(shè)計該機器時所面臨的 種種實際情況。 針對該爬桿機器人，提出了兩套設(shè)計方案，分別是：由曲柄滑塊機構(gòu)帶動和 由氣壓元件直接驅(qū)動。 首先，來看一下曲柄滑塊機構(gòu)是如何工作的。 在平面連桿機構(gòu)中，能繞定軸或定點作整周回轉(zhuǎn)的構(gòu)件被稱為曲柄。而通過 改變平面四桿機構(gòu)中構(gòu)件的形狀和運動尺寸能將其演化為不同的機構(gòu)

5、形式，就曲 柄滑塊機構(gòu)而言，它是通過增加鉸鏈四桿機構(gòu)中搖桿的長度至無窮大而演變過來 的。改機構(gòu)實際上是由 一曲柄一端鉸接在機 架上，另一端鉸接一連 桿，連桿的另一端聯(lián)結(jié) 一滑塊，在曲柄為主動 件運動時帶動連桿，連 桿又帶動滑塊，使其在 平面某一范圍內(nèi)做直 線往復(fù)運動（圖1）。 其次是氣動的原理。 該運動原理與上述的曲柄滑塊機構(gòu)相比， 在保留兩滑塊作為自鎖裝置的前提 下，省略了聯(lián)結(jié)兩滑塊的傳動裝置，轉(zhuǎn)而用兩個汽缸直接帶動兩個滑塊的上下移 動。這樣的設(shè)計更直接也更簡潔，至于兩者到底哪個更合理呢？ 2 . 3運動規(guī)律設(shè)計 2 . 3 . 1工藝動作分解 首先，我們基于曲柄滑塊機構(gòu)的啟示，想到了在曲柄

6、與連桿的兩端分別鉸接 上兩個滑塊（即作為自鎖套），使兩個滑塊分別作為機架交替上升，從而實現(xiàn)爬 桿動作。其中上滑塊與曲柄相連，相應(yīng)的連桿接下滑塊。當(dāng)機構(gòu)具有向下運動的 趨勢時，下自鎖套因受到自鎖機構(gòu)的限制而固定不動， 把其受到的向下的力轉(zhuǎn)化 為向上的動力，推動機構(gòu)反而向上運動。 于是，我們就把電機與曲柄固接作為驅(qū)動裝置， 連桿作為傳動，兩滑塊作為自鎖裝置。該爬桿機器人 的設(shè)計裝配圖如圖2: 那上下自鎖套又是怎樣自鎖的呢？ 可以做成了如圖3所示的形狀（主視、俯視）： 圖3所示的兩個構(gòu)件，兩 者用鉸鏈鉸接，能使其自如地 打開或收攏，再在它們套住圓 桿之后用銷釘在鉸支端對邊 銷住，這樣方便裝配和安裝到

7、 圓桿上，也方便在調(diào)試過程中 不斷調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)的具體尺 可這僅僅只是一個滑塊，那要怎樣才能實現(xiàn)它所要起到的自鎖作用呢？其實 很簡單，想想為什么當(dāng)初要把一個原本簡簡單單的矩形滑塊做成如上圖示的這樣 的形狀：套住圓桿的兩端多出了兩個梯形狀的“耳朵”，而且這“耳朵”還是中 空的。在這中空的空間里分別放置兩個小球， 此小球的直徑小于梯形底邊而大于 梯形頂邊（I梯頂d球1梯底）。言外之意，此小球是能夠卡在這梯形的空間里的。 這樣也就形成了真正意義上的自鎖。 若電機固接的曲柄是逆時針轉(zhuǎn)動。 1）曲柄在底端轉(zhuǎn)至頂端的過程中，經(jīng)力的分析，下自鎖套受到向上的拉力， 自鎖套內(nèi)的兩小球因重力掉至梯形底部，d球1梯底

8、，它將無阻礙地由連桿往上拉； 與此同時，上自鎖套受的卻是往下的拉力，與上面的相反，其具有向下運動的趨 勢，內(nèi)部的小球脫離自鎖套的底部，又因 d球1梯頂，那么小球就被卡在了梯形空 間中，此時由于小球的被固定而使整個自鎖套看作是一個機架鉸接曲柄一般。（見 左下圖） 2）曲柄由頂端向底端逆時針轉(zhuǎn)動時，上下滑塊的受力情況恰與第一種情況 相反，下自鎖套因受力自鎖而被固定，此時上自鎖套仍向上運動，在曲柄過最底 端時又出現(xiàn)了第一種情況。于是，兩滑塊周而復(fù)始交替向上爬。（見中下圖） 在氣動方面，由于沒有聯(lián)結(jié)用的傳動機構(gòu)，因而直接由氣動元件帶動兩自鎖 套往上移動。我們選用兩個汽缸作為主要的氣動元件， 利用作用力

9、與反作用力的 原理，由其帶動上下兩個自鎖套分別自鎖，達到機器人爬桿的最終目的。（見右 上圖） 2 . 3 . 2運動方案選擇 上面所設(shè)計的爬桿過程都是在理想的情況下，很多實際因素都沒有考慮進 去：如摩擦力的大?。垂鼙谂c小球接觸面的摩擦系數(shù)），在曲柄過上下兩滑塊 極限位置時，自鎖套內(nèi)由于小球在內(nèi)部運動的關(guān)系，自鎖套所要進行的向下運動 的位移，以及上下自鎖套、曲柄和連桿的質(zhì)量，還有電機的功率、轉(zhuǎn)動速度，汽 缸的推程大小、自重，所需氣包的容量及連接方式等等。 現(xiàn)在我們結(jié)合兩者的利弊，著重分析一下各自的優(yōu)缺點。 就采用汽缸驅(qū)動而言，它形式簡單、結(jié)構(gòu)簡便，從機械設(shè)計角度而言講究盡 量采用基本機構(gòu)，設(shè)計

10、的機構(gòu)要簡單、可靠。而汽缸則融會了上述的優(yōu)點，它由 驅(qū)動機構(gòu)直接帶動兩個自鎖滑塊，避免了兩者間的連接機構(gòu)，精簡了構(gòu)件之間的 連接。此外，該機構(gòu)具有環(huán)保等特點，它利用空氣作為動力源，無污染、運動時 無噪音，而且運行速度快，可以在短時間內(nèi)使機器人爬到桿的頂端， 它還能夠隨 身攜帶氣包作為動力源，可以做到無線操作。 就采用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)而言，它屬于平面連桿機構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、 運動副為低副，能承受較大載荷；但平衡困難，不易用于高速。我們設(shè)計的機構(gòu) 是由電機經(jīng)減速直接驅(qū)動的，和利用氣動原理相比它多了一套傳動和連接機構(gòu)， 但該機構(gòu)運用的原理簡單，設(shè)計合理，而且它不僅能在自桿上爬行，更能在彎曲 的

11、管道外爬行，具體的示意圖見下。 綜上所述，可以選取“曲柄滑塊機構(gòu)”作為該爬桿機器人的最終運動方案。 2 . 3 . 3執(zhí)行機構(gòu)形式設(shè)計 針對上述的種種實際情況，在設(shè)計此爬桿機器人的時候全面考慮各方面的因 素，從而確定各構(gòu)件的尺寸與制造構(gòu)件的材料。祥見下表 機構(gòu)名稱 構(gòu)件尺寸 所選材料 選用理由 曲柄滑塊 曲柄 60m（軸距） 2mn鋁板 價格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時效 強化性 連桿 150 （軸距） 2mn鋁板 價格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時效 強化性 錐管（4個） 2mn鋁板 價格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時效 強化性 自鎖機構(gòu) 圓球（4個） 50mm 成品橡膠 球 取材方便、具有高韌

12、性、材質(zhì)輕盈 可是這樣一個爬桿機構(gòu)是一個封閉的機構(gòu)， 那怎樣才能把機器人安裝到所要 爬的管壁上呢？由此，設(shè)計的自鎖套可以多一個連接裝置， 在兩個形狀對稱的錐 管對接處裝上鉸鏈，這樣自鎖套就能開合，自如地包攏住爬桿，然后在自鎖零件 的對面接口處插上一個聯(lián)結(jié)銷，完整的一個自鎖套 就套在了圓桿上。聯(lián)結(jié)銷的形狀見圖 4。 對于此類機構(gòu)，一定的摩擦力也是保證自鎖發(fā) 生作用的關(guān)鍵。因此對各構(gòu)件的材料也是有相當(dāng)?shù)?要求。經(jīng)過篩選，我們決定曲柄、連桿與錐管用鋁 板來制造，小球的材料則用橡膠。橡膠的表面比較 粗糙，且彈性性能較好，那么小球在自鎖套作用時 能卡得比較牢靠，不會發(fā)生自轉(zhuǎn)等打滑現(xiàn)象，使整 個機構(gòu)下滑而

13、影響上爬的效果。在自鎖套需解鎖 時，由于橡膠具有很高的韌性，它能立刻恢復(fù)原來的形狀，不會因無法恢復(fù)形變 而使下一步上爬動作失效。 2 . 3 .4運動和動力分析 在設(shè)定了曲柄與連桿的長度后，每一步機構(gòu)各構(gòu)件的上升位移便也能自然而 然地計算出來了。 當(dāng)曲柄逆時針由最底端轉(zhuǎn)至最頂端時，下滑塊上升 2倍曲柄的長度位移，即 120mm同樣，曲柄逆時針由最頂端轉(zhuǎn)動到底端時，上滑塊也走過120mm（自鎖 套在自鎖時的下滑距離不計）。 F面就該機構(gòu)運動一周的情況列表作一下分析（此時曲柄處于頂端） 曲柄旋轉(zhuǎn)角（逆時針） 上自鎖套運動情況 下自鎖套運動情況 0 -90 向上運動120mm 自鎖（固定） 90 -180 自鎖（固定） 向上運動120mm 180 -270 向上運動120mm 自鎖（固定） 當(dāng)然，這樣的機構(gòu)絕非完美無缺的。首先，設(shè)計的自鎖套的形狀還無法適