爬桿機器貓設計說明書

1、機械創(chuàng)新設計計算說明書題 目 爬桿機器貓 指導教師 卓耀彬 院 系 工學院 班 級 機自092 學 號 （09105010119）（09105010121） 姓 名 梅曉靖 錢奔騰 完成時間 2012年5月12日 目錄一、設計要求2二、設計方案的構思及分析2 1.爬桿功能的實現(xiàn)22. 伸縮頭動作的實現(xiàn)4 3.擺尾動作的實現(xiàn)44.傳動機構的設計43、 執(zhí)行機構形式的計算5 1.曲柄滑塊機構的計算5 2.雙搖桿機構的計算10 3.齒輪傳動的計算10 4.凸輪傳動的計算11四、作品主要創(chuàng)新點及推廣價值12五、機械運動方案自評13 六、創(chuàng)新設計小結13 七、參考文獻14 一、設計要求1.本創(chuàng)新設計的產

2、品屬于玩具類，因此對動感效果要求高一點。2.保證機器人能順利完成爬桿的動作，并在上升時完成伸縮頭以及擺尾的動作。3.機構的重量不宜過重，各零件大小要適中。二、設計方案的構思及分析1. 爬桿功能的實現(xiàn)要實現(xiàn)爬桿動作的連續(xù)，我們想到了用簡單的曲柄滑塊機構來實現(xiàn)。首先，我們在曲柄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，相應的連桿接下滑塊。當機構具有向下運動的趨勢時，下自鎖套因受到自鎖機構的限制而固定不動，把其受到的向下的力轉化為向上的動力，推動機構反而向上運動。如圖一所示。 圖一那上下自鎖套又是怎樣自鎖的呢？ 我們設計了

3、兩個如圖二所示的構件，滑塊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。我們在這中空的空間里分別放置兩個小球，并用彈簧把它支撐起來。此小球的直徑小于梯形底邊而大于梯形頂邊（l梯頂<d球<l梯底）。當滑塊有向上的運動趨勢的時候，小球有向下的運動趨勢，不能被卡住，從而滑塊能夠上移；當滑塊有向下的運動趨勢的時候，小球有向上運動的趨勢而被卡住，從而滑塊形成了可靠的自鎖。若曲柄是逆時針轉動。1）曲柄在底端轉至頂端的過程中，經力的分析，下自鎖套受到向上的拉力，此時小球未被卡住，它將無阻礙地被連桿往上拉；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

4、勢，內部的小球被自鎖套卡住，從而上自鎖套被固定而使整個連桿機構看作是一個曲柄搖桿機構。2）曲柄由頂端向底端逆時針轉動時，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，兩滑塊周而復始交替向上爬。（見圖三）2. 伸縮頭動作的實現(xiàn)。伸縮頭動作我們采用偏心輪機構來實現(xiàn)。如圖四所示。3.擺尾動作的實現(xiàn)擺尾動作我們采用雙搖桿機構來實現(xiàn)。如圖五所示。4. 傳動機構的設計 傳動機構我們采用齒輪傳動來實現(xiàn)，如圖六。電動機直接帶動齒輪1轉動，齒輪1同時帶動齒輪2和齒輪3轉動，齒輪2帶動曲柄轉動，實現(xiàn)爬桿動作，齒輪3帶動凸輪，實現(xiàn)

5、伸縮頭動作。 三、執(zhí)行機構形式的計算1.曲柄滑塊機構的計算針對上述的種種實際情況，我們小組在設計此爬桿機器人的時候就全面考慮了各方面的因素，從而確定各構件的尺寸與制造構件的材料。詳見下表機構名稱構件尺寸所選材料選用理由曲柄滑塊曲柄30mm（軸距）2mm鋁板價格便宜、材質輕便、成型后具有時效強化性連桿300mm（軸距）2mm鋁板價格便宜、材質輕便、成型后具有時效強化性錐管（4個）2mm鋁板價格便宜、材質輕便、成型后具有時效強化性自鎖機構圓球（4個）8mm成品橡膠球取材方便、具有高韌性、材質輕盈上述構件全部采用鈑金造型，然后由焊接連接，使其加工制造簡單，易保證較高配合精度。在我們設定了曲柄與連桿的

6、長度后，每一步機構各構件的上升位移便也能自然而然地計算出來了。當曲柄逆時針由最底端轉至最頂端時，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）。下面我們就該機構運動一周的情況列表作一下分析（此時曲柄處于頂端逆時針旋轉）：曲柄旋轉角（逆時針）上自鎖套運動情況下自鎖套運動情況0°-180°自鎖（固定）向上運動60mm180°-360°向上運動60mm自鎖（固定）1） 執(zhí)行系統(tǒng)運動簡圖上自鎖套自鎖，下滑塊向上爬行。下自鎖套自鎖，上滑塊向上爬行。 自由度F的計算：n=3Pl

7、=4Ph=0F=3n-(2Pl+Ph)=3×3-(2×4-0)=12）計算內容解析法設計鉸鏈四桿機構：實現(xiàn)兩連架桿對應位置的鉸鏈四桿機構設計：a×cos（0+）+b×cos=d+c×cos（0+）a×sin（0+）+b×cos=d+c×sin（0+）將上式移項后平方相加，消去得：-b2+d2+c2+a2+2cd×cos（0+）-2ad×cos（0+）=2ac×cos（0+）-（0+）令R1=（a2-b2+c2+d2）/2ac R2=d/c R3=d/c 則：R1+R2 cos（0+）-

8、R3 cos（0+）=cos（0+）-（0+）將給定的五個對應位置代入：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，則只需三對對應位置。一般，先取d=1，然后根據(jù)R1、R2、R3、求出在d=1情況下各構件相對d的長度a、

9、b、c，至于各構件的實際長度，可根據(jù)機構的使用條件按比例放大后得到所需值。若將圖1中搖桿的長度增至無窮大，則B點的曲線導軌將變成直線導軌，鉸鏈四桿機構就演化成我們這爬桿機器人所運用的曲柄滑塊機構（如圖3）。對于曲柄滑塊的解析式來說，相較于它的“前身”鉸鏈四桿機構的要簡單許多：滑塊的行程B1B2為曲柄半徑r2的兩倍，兩端點B1和B2稱為滑塊的極限位置，它是以O2為中心而分別以長度r3-r2和r3+r2為半徑作圓弧求得的。我們這個爬桿機器人，由于它還運用了自鎖原理，故當曲柄轉到與桿成一直線時，運動的滑塊就將相應地換一次，若電機為逆時針轉動（即曲柄為逆時針，如右圖） a）當AB時，下滑塊向上滑動位移

10、是2r2，即等于曲柄長度的2倍，為100mm，（S1=2r2=2×30=60mm） b）當BA時，上滑塊向上滑動的位移也是2r2，即S2=2r2=2×30=60mm。這樣：當電機轉過一周時上下兩滑塊相互配合地走過S=S1+S2=60+60=120mm。2.雙搖桿機構的計算（圖五）自由度F的計算：n=3Pl=4Ph=0F=3n-(2Pl+Ph)=3×3-(2×4-0)=13.齒輪傳動的計算與電機相連的齒輪為，與搖桿相連的齒輪為，與凸輪相連的齒輪為，為了實現(xiàn)爬桿的周期與爬桿機器貓的縮頭動作周期相同，我們將齒輪和的齒數(shù)設為相同，計算得出各參數(shù)：名稱計算公式結果

11、/mm法面模數(shù)1.5法面壓力角齒數(shù)，=15，60傳動比4分度圓直徑，=22.5，90齒頂圓直徑25.593齒根圓直徑18.7586.25中心距56.25齒寬，20，154.凸輪傳動的計算為了實現(xiàn)較明顯的伸頭和縮頭動作，我們采用偏心輪的設計，將基圓半徑r定為25mm，又不至于承受太大的力，將偏心距e定為5mm。當凸輪隨著齒輪同軸傳動時（逆時針旋轉），運動規(guī)律為：0°-180°頭部向上運動，行程為10mm180°-360°頭部向下運動，行程為10mm 四、作品主要創(chuàng)新點及推廣價值爬桿機器貓裝置是一款以機械結構為主，參透有孑孓思想理念，爬桿的同時還有擺尾搖頭動

12、作，動作生動形象。它涵蓋機械原理、機械設計等基礎學科的內容。采用曲柄滑塊、單向鎖、導桿、杠桿、齒輪等典型機構，運用同步齒輪凸輪等多種傳動形式，結合創(chuàng)新設計的思想精髓，引入孑孓運動等先進設計理念。引入自鎖器機構是本設計的核心創(chuàng)新點！鑒于爬桿機器貓在選擇題意于設計上的創(chuàng)新性，在逃生與機械創(chuàng)新設計、制造重要性宣傳兩方面的雙重意義以及較高的性價比，其可被置于礦山礦井、商場樓塔、博物館、學校等公共場所，商業(yè)價值大、應用前景廣泛。五、機械運動方案自評經過小組的一起努力，向老師請教疑難解答，我們從一開始提出的各種想法，再一步步完善，構思，最終確定了機械運動方案，并計算參數(shù)、建模、裝配。每一步過程中不免有疑惑

13、、坎坷，我們也參考了很多書目，總的來說該設計符合技術要求。但我們知道我們做的還遠遠不夠，希望老師能提出批評建議。六、創(chuàng)新設計小結這次的創(chuàng)新設計完成了，經過了幾個星期的分析、計算和繪制，經過了團隊合作和各自的思考，經過了無從下手和有所領悟，創(chuàng)新設計總算完成了。這是分工協(xié)作的的成果，團隊成員分別負責傳動機構運動和配合，零件的建模和說明書的制作。然而我們并不是等到各個部分的設計完成之后再將其合并匯總，而是交流和討論貫穿了設計的整個過程。在這次創(chuàng)新設計中找到的問題和經驗，使我們認識到，課本只是獲取知識的途徑，但不是全部，我們要通過自己的思考與生活才能更好的將知識為我所用。這次的創(chuàng)新設計，對我們今后的學

14、習，有很大的幫助。 經過這么多天的努力，我們終于完成了機械創(chuàng)新設計，我們設計的內容是爬桿機器貓?？梢哉f，這幾個星期真的是煎熬，時時有就這樣放棄然后重新找一個課題的想法，可我們都知道，這是不行的，不經歷失敗，不知道成功來之不易。創(chuàng)新沒這么容易，我們一步步克服困難，即使困難再大，我們風雨兼程。我們遇到問題時，即使有過分歧，我們也會提出自己的觀點，并且細心聆聽隊員的觀點，發(fā)現(xiàn)自己的不足，已經大家觀點的可取出。最終我們堅持了下來，并完成了創(chuàng)新設計。體會有很多：1.我明白了團隊合作的重要性。如果沒有大家的互相合作，互相鼓勵，根本不可能很好的完成創(chuàng)新設計，當一個方案出來后，分析了半天，才發(fā)現(xiàn)它的不合理性，

15、時間就是這么一分一秒的過去的。直到最后的方案的確定下來，在合理的分工后，我們還有很多協(xié)作，遇到問題大家一起商量，當想出一個解決方法時，心情真的很喜悅。2.實踐才是檢驗真理的唯一標準。雖然我們已經學過了機械創(chuàng)新設計，可是由于學的都是理論知識，沒有實踐，所以缺乏理解，許多東西都還只停留在想象的層面上。而通過創(chuàng)新設計，我們才能將概念付諸實踐，明白很多理念性的東西在現(xiàn)在的科技發(fā)展水平上還是行不通的。如何運用現(xiàn)在的技術，讓我們自己來造出一個具有一定功能的機器來，這對我們來說是一個機遇和挑戰(zhàn)，更是一個溫故知新，運用知識的途徑。經過這次創(chuàng)新設計，加深了我對機械原理的理解，熟練了以前學習的CAD制圖軟件和UG三維制圖軟件的運用。還學會了動畫的制作，為我之后的機械設計的創(chuàng)新設計打下了堅實的基礎。我知道，這次的創(chuàng)新設計是為