機(jī)械原理課件教育設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)_爬桿機(jī)器人

1、機(jī)械原理課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 設(shè)計(jì)題目：爬桿機(jī)器人 汽車與交通工程學(xué)院 學(xué)院班 設(shè)計(jì)者：王佳 指導(dǎo)老師：王勁松 目錄 1. 設(shè)計(jì)題目1 1.1設(shè)計(jì)目的1 1.2設(shè)計(jì)題目簡(jiǎn)介1 1.3設(shè)計(jì)條件及設(shè)計(jì)要求1 2. 運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)2 2.1機(jī)械預(yù)期的功能要求2 2.2功能原理設(shè)計(jì)2 2.3運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)3 2.3.1工藝動(dòng)作分解3 2.3.2運(yùn)動(dòng)方案選擇5 2.3.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式設(shè)計(jì)6 2.3.4運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析7 2.3.5執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖8 3. 計(jì)算內(nèi)容8 4. 應(yīng)用前景10 5. 個(gè)人小結(jié) 11 6. 參考資料 12 附錄 1 .設(shè)計(jì)題目 13 1.1設(shè)計(jì)目的 機(jī)械設(shè)計(jì)是根據(jù)使用要求對(duì)機(jī)械的工作原

2、理、 結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、力和能量的 傳遞方式、各個(gè)零件的材料和形狀尺寸以及潤(rùn)滑方式等進(jìn)行構(gòu)思、分析和計(jì)算， 并將其轉(zhuǎn)化為制造依據(jù)的工作過(guò)程。 機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)的第一步， 是決定機(jī)械產(chǎn)品性能的最主要環(huán)節(jié)，整 個(gè)過(guò)程蘊(yùn)涵著創(chuàng)新和發(fā)明。 目的：為了綜合運(yùn)用機(jī)械原理課程的理論知識(shí)， 分析和解決與本課程有關(guān)的 實(shí)際問(wèn)題，使所學(xué)知識(shí)進(jìn)一步鞏固和加深。 1 . 2設(shè)計(jì)題目簡(jiǎn)介 課程設(shè)計(jì)名為爬桿機(jī)器人。該機(jī)器 人模仿蟲(chóng)蠕動(dòng)的形式向上爬行，其爬行申幾 運(yùn)用簡(jiǎn)單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。其中電機(jī)與 曲柄固接，驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)。曲柄與連桿 鉸接，其另一端分別鉸接一自鎖套（即 上下兩個(gè)自鎖套），它們是實(shí)現(xiàn)上爬的關(guān)園桿 鍵結(jié)構(gòu)。

3、當(dāng)自鎖套有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)， 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(yùn)動(dòng)，而使其運(yùn)動(dòng)的方向始終向上（運(yùn) 動(dòng)示意見(jiàn)右圖）。 1 . 3設(shè)計(jì)條件及設(shè)計(jì)要求 首先確定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)原理及所爬行管道的有關(guān)數(shù)據(jù)，制定多套運(yùn)動(dòng)方 案。再查閱相關(guān)資料，通過(guò)精確的計(jì)算，對(duì)設(shè)計(jì)題目進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)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(jì)說(shuō)明書(shū)。 2.運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 該機(jī)器人模仿的動(dòng)作是沿桿向上爬行，整個(gè)機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，而且目前 所設(shè)計(jì)機(jī)器人爬行的桿是圓桿 2 . 1機(jī)械預(yù)期的功能要求 通過(guò)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和減速，給予曲柄一個(gè)繞定軸旋轉(zhuǎn)的主動(dòng)力， 在該力的驅(qū)使

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

5、形式，就曲 柄滑塊機(jī)構(gòu)而言，它是通過(guò)增加鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中搖桿的長(zhǎng)度至無(wú)窮大而演變過(guò)來(lái) 的。改機(jī)構(gòu)實(shí)際上是由 一曲柄一端鉸接在機(jī) 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(dòng) 件運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)連桿，連 桿又帶動(dòng)滑塊，使其在 平面某一范圍內(nèi)做直 線往復(fù)運(yùn)動(dòng)（圖1）。 其次是氣動(dòng)的原理。 該運(yùn)動(dòng)原理與上述的曲柄滑塊機(jī)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(dòng)裝置，轉(zhuǎn)而用兩個(gè)汽缸直接帶動(dòng)兩個(gè)滑塊的上下移 動(dòng)。這樣的設(shè)計(jì)更直接也更簡(jiǎn)潔，至于兩者到底哪個(gè)更合理呢？ 2 . 3運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì) 2 . 3 . 1工藝動(dòng)作分解 首先，我們基于曲柄滑塊機(jī)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(gè)滑塊（即作為自鎖套），使兩個(gè)滑塊分別作為機(jī)架交替上升，從而實(shí)現(xiàn)爬 桿動(dòng)作。其中上滑塊與曲柄相連，相應(yīng)的連桿接下滑塊。當(dāng)機(jī)構(gòu)具有向下運(yùn)動(dòng)的 趨勢(shì)時(shí)，下自鎖套因受到自鎖機(jī)構(gòu)的限制而固定不動(dòng)， 把其受到的向下的力轉(zhuǎn)化 為向上的動(dòng)力，推動(dòng)機(jī)構(gòu)反而向上運(yùn)動(dòng)。 于是，我們就把電機(jī)與曲柄固接作為驅(qū)動(dòng)裝置， 連桿作為傳動(dòng)，兩滑塊作為自鎖裝置。該爬桿機(jī)器人 的設(shè)計(jì)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(gè)構(gòu)件，兩 者用鉸鏈鉸接，能使其自如地 打開(kāi)或收攏，再在它們套住圓 桿之后用銷釘在鉸支端對(duì)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(guò)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(gè)滑塊，那要怎樣才能實(shí)現(xiàn)它所要起到的自鎖作用呢？其實(shí) 很簡(jiǎn)單，想想為什么當(dāng)初要把一個(gè)原本簡(jiǎn)簡(jiǎn)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(gè)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(gè)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(jī)固接的曲柄是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 1）曲柄在底端轉(zhuǎn)至頂端的過(guò)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(wú)阻礙地由連桿往上拉； 與此同時(shí)，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(yùn)動(dòng)的趨 勢(shì)，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(shí)由于小球的被固定而使整個(gè)自鎖套看作是一個(gè)機(jī)架鉸接曲柄一般。（見(jiàn) 左下圖） 2）曲柄由頂端向底端逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(shí)上自鎖套仍向上運(yùn)動(dòng)，在曲柄過(guò)最底 端時(shí)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(jiàn)中下圖） 在氣動(dòng)方面，由于沒(méi)有聯(lián)結(jié)用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而直接由氣動(dòng)元件帶動(dòng)兩自鎖 套往上移動(dòng)。我們選用兩個(gè)汽缸作為主要的氣動(dòng)元件， 利用作用力

9、與反作用力的 原理，由其帶動(dòng)上下兩個(gè)自鎖套分別自鎖，達(dá)到機(jī)器人爬桿的最終目的。（見(jiàn)右 上圖） 2 . 3 . 2運(yùn)動(dòng)方案選擇 上面所設(shè)計(jì)的爬桿過(guò)程都是在理想的情況下，很多實(shí)際因素都沒(méi)有考慮進(jìn) 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(guò)上下兩滑塊 極限位置時(shí)，自鎖套內(nèi)由于小球在內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，自鎖套所要進(jìn)行的向下運(yùn)動(dòng) 的位移，以及上下自鎖套、曲柄和連桿的質(zhì)量，還有電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)。 就采用汽缸驅(qū)動(dòng)而言，它形式簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，從機(jī)械設(shè)計(jì)角度而言講究盡 量采用基本機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)

10、的機(jī)構(gòu)要簡(jiǎn)單、可靠。而汽缸則融會(huì)了上述的優(yōu)點(diǎn)，它由 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)直接帶動(dòng)兩個(gè)自鎖滑塊，避免了兩者間的連接機(jī)構(gòu)，精簡(jiǎn)了構(gòu)件之間的 連接。此外，該機(jī)構(gòu)具有環(huán)保等特點(diǎn)，它利用空氣作為動(dòng)力源，無(wú)污染、運(yùn)動(dòng)時(shí) 無(wú)噪音，而且運(yùn)行速度快，可以在短時(shí)間內(nèi)使機(jī)器人爬到桿的頂端， 它還能夠隨 身攜帶氣包作為動(dòng)力源，可以做到無(wú)線操作。 就采用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)而言，它屬于平面連桿機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、 運(yùn)動(dòng)副為低副，能承受較大載荷；但平衡困難，不易用于高速。我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu) 是由電機(jī)經(jīng)減速直接驅(qū)動(dòng)的，和利用氣動(dòng)原理相比它多了一套傳動(dòng)和連接機(jī)構(gòu)， 但該機(jī)構(gòu)運(yùn)用的原理簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)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(jiàn)下。 綜上所述，可以選取“曲柄滑塊機(jī)構(gòu)”作為該爬桿機(jī)器人的最終運(yùn)動(dòng)方案。 2 . 3 . 3執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式設(shè)計(jì) 針對(duì)上述的種種實(shí)際情況，在設(shè)計(jì)此爬桿機(jī)器人的時(shí)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(jiàn)下表 機(jī)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(jià)格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時(shí)效 強(qiáng)化性 連桿 150 （軸距） 2mn鋁板 價(jià)格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時(shí)效 強(qiáng)化性 錐管（4個(gè)） 2mn鋁板 價(jià)格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時(shí)效 強(qiáng)化性 自鎖機(jī)構(gòu) 圓球（4個(gè)） 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(gè)爬桿機(jī)構(gòu)是一個(gè)封閉的機(jī)構(gòu)， 那怎樣才能把機(jī)器人安裝到所要 爬的管壁上呢？由此，設(shè)計(jì)的自鎖套可以多一個(gè)連接裝置， 在兩個(gè)形狀對(duì)稱的錐 管對(duì)接處裝上鉸鏈，這樣自鎖套就能開(kāi)合，自如地包攏住爬桿，然后在自鎖零件 的對(duì)面接口處插上一個(gè)聯(lián)結(jié)銷，完整的一個(gè)自鎖套 就套在了圓桿上。聯(lián)結(jié)銷的形狀見(jiàn)圖 4。 對(duì)于此類機(jī)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(duì)各構(gòu)件的材料也是有相當(dāng)?shù)?要求。經(jīng)過(guò)篩選，我們決定曲柄、連桿與錐管用鋁 板來(lái)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(shí) 能卡得比較牢靠，不會(huì)發(fā)生自轉(zhuǎn)等打滑現(xiàn)象，使整 個(gè)機(jī)構(gòu)下滑而

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