爬桿機(jī)器人機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)

1、目錄1. 設(shè)計(jì)題目11.1設(shè)計(jì)目的11.2設(shè)計(jì)題目簡(jiǎn)介11.3設(shè)計(jì)條件及設(shè)計(jì)要求12. 運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)22.1機(jī)械預(yù)期的功能要求22.2功能原理設(shè)計(jì)22.3運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)32.3.1工藝動(dòng)作分解32.3.2運(yùn)動(dòng)方案選擇52.3.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式設(shè)計(jì)62.3.4運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析72.3.5執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖83. 計(jì)算內(nèi)容84. 應(yīng)用前景105. 個(gè)人小結(jié) 116. 參考資料 12附錄 131.1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

2、， 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。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，我們參加了此次的機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)。1.2設(shè)計(jì)題目簡(jiǎn)介我們此次做的課程設(shè)計(jì)名為爬桿機(jī) 器人。該機(jī)器人模仿蟲蠕動(dòng)的形式向上 爬行，其爬行運(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)。 曲柄與連桿皎接，其另一端分別皎接一 自鎖套（即上下兩個(gè)自鎖套），它們是實(shí) 現(xiàn)上爬的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。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)小意見(jiàn)右圖

3、）。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)算和運(yùn)用相關(guān)應(yīng)用軟件（例如CAXASolidworks , ADAMSf造型、分析軟件）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，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 及相關(guān)的軟件分析圖表和文件并由三維動(dòng)畫模擬出該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。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)，而且我們 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 下

4、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)，這完全取決丁機(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，我們小組通過(guò)討論提出了兩套設(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，讓我們來(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

5、同的機(jī)構(gòu)形式，就曲柄滑塊機(jī)構(gòu)而言，它是通過(guò)增加皎鏈四桿機(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 一曲柄一端皎接在機(jī) 架上，另一端皎接一連 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 桿乂帶動(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，至丁兩者到底哪個(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，我們基丁曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的啟示，想到了在曲柄與連桿的兩端分

6、別皎接 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)的把其受到的向下的力轉(zhuǎn)化趨勢(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), 為向上的動(dòng)力，推動(dòng)機(jī)構(gòu)反而向上運(yùn)動(dòng)。丁是，我們就把電機(jī)與曲柄固接作為驅(qū)動(dòng)裝，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 :那上下自鎖套乂是怎樣自鎖的呢?我們做成了如圖3所示的形狀（主視、俯視）圖2我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)如圖3所示的構(gòu)件，兩者用皎鏈皎接,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皎支端對(duì)邊銷住，這樣方便裝配和安裝到圓桿上，也方便我們?cè)谡{(diào)

7、試過(guò)程中不斷調(diào)整 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的具體尺寸?？蛇@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我們上圖示的 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。玄機(jī)就在丁此，我們?cè)谶@中空的空間里分別放置兩個(gè)小球， 此小球的 直徑小丁梯形底邊而大丁梯形頂邊（l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，它

8、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，乂因 d球1梯頂，那么小球就被卡在了梯形空 間中，此時(shí)由丁小球的被固定而使整個(gè)自鎖套看作是一個(gè)機(jī)架皎接曲柄一般。（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)乂出現(xiàn)了第一種情況。丁是，兩滑塊周而復(fù)始交替向上爬。（見(jiàn)中下圖）在氣動(dòng)方面，由丁沒(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， 利用作用力與反作用力的

9、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)由丁小球在內(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?，F(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)的機(jī)構(gòu)要簡(jiǎn)單、可靠。而汽缸則

10、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，它屆丁平面連桿機(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，不易用丁高速。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 的管道外爬行，具體的示意圖見(jiàn)下。

11、綜上所述，我們小組經(jīng)討論決定：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，我們小組在設(shè)計(jì)此爬桿機(jī)器人的時(shí)候就全面考慮了各方面的因素，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60mm（軸距）2mmU 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）2mmU 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)）2mm§ 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、具有高韌性、材質(zhì)輕盈上述構(gòu)件全部采用飯金造型，然后

12、由焊接連接，使其加工制造簡(jiǎn)單，易保證較高配合精度。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，我們?cè)O(shè)計(jì)的自鎖套就多了一個(gè)連接裝置， 我們?cè)趦蓚€(gè)形狀 對(duì)稱的錐管對(duì)接處裝上皎鏈，就像在ADAM堡給兩構(gòu)件用一個(gè)皎鏈連接，然后在 屏幕上顯示的那種皎鏈裝置一樣，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)丁此類機(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。

13、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)下滑而影響上爬的效果。 在自鎖套需解鎖時(shí)，由丁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)力分析在我們?cè)O(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)）。卜面我們就該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)一周的情況歹U表作一下分析（此時(shí)曲柄處

14、丁頂端）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° -900向上運(yùn)動(dòng)120mm自鎖（固定）900 -180°自鎖（固定）向上運(yùn)動(dòng)120mm180° -270 0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。tr先，我們?cè)O(shè)計(jì)的自鎖套的形狀還無(wú)法 適應(yīng)此機(jī)構(gòu)爬各種桿。若所要爬的桿直徑大小稍有變化，隨著它的變動(dòng)自鎖套也 必須相應(yīng)地改變它外伸包攏桿部分的形狀大小。但是，我們?cè)O(shè)計(jì)的自鎖套可以根 據(jù)不同需要換取不同大小、材質(zhì)的小球。上文中我們還提到了軟件的運(yùn)用，特別是 ADAM密動(dòng)分析軟件。我們使用該 軟件對(duì)爬桿機(jī)器人進(jìn)行造型，并在連接處添加了一

15、定的轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副， 并固定 了機(jī)架，在這個(gè)基礎(chǔ)上，我們使用軟件中的各種插件對(duì)我們的爬桿機(jī)器人進(jìn)行了 運(yùn)動(dòng)模擬和運(yùn)動(dòng)分析。下面就是我們所截取各構(gòu)件的速度位移圖。WJQiA 51D1D.0的.D 蹈。35jCIfimiysis: Lust RunTmc (wcliruJd 1.FART 9.0M V土。浙)O 山 n o Q D C-目*>9宮MUKg易>圖5曲柄位移速度圖圖6 連桿位移速度圖圖7錐管（上）位移速度圖圖72 . 3 .5執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖自由度F的計(jì)算:上自鎖套自鎖，下滑塊向 上爬行。n=3 Pl=4 Ph=0F=3n-(2Pl+Ph)=3 X 3-(2 X 4-0)=

16、13.計(jì)算內(nèi)容解析法設(shè)計(jì)皎鏈四桿機(jī)構(gòu)：實(shí)現(xiàn)兩連架桿對(duì)應(yīng)位置的皎鏈四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：a x cos （奶+ 4） +b x cos 序d+c x cos （W0+W）ax sin （fo+（B） +bx cos 序d+cx sin （W0+W）將上式移項(xiàng)后平方相加，消去 a得:.2.222 .-b +d +c +a +2cdx cos （W0+W） -2adx cos （ 8+ 4） =2acx cos（相+ 4）（甌+W）2222、令 Ri= （a -b +c +d ） /2ac R2=d/c R3=d/c 則:R1+R2 cos （W0+W） -R3 cos （J0+4） =cos （|o+4）

17、-（業(yè)+W） 將給定的五個(gè)對(duì)應(yīng)位置代入：R1 + R2 cosW0-R3 cos（|）0=cos也-%Ri +R2 cos （W0+W1） -R3 cos （|o+（|）i） =cos （|o+（|）i）-（業(yè)+Wi） R1+R2 cos （ W0+業(yè)）-R3 cos （|0+ 如）=cos（如+（|）2）-（業(yè)+業(yè)） Ri+R2 cos （中0+嘗）-R3 cos （奶+焰）=cos（奶+焰）-（甌+嘗） Ri +R2 cos （中0+叫）-R3 cos （）0+（|）4） =cos （）0+（|）4）-（業(yè)+叫） 求出 Ri R2、R3、W0、奶圖2若已知此、奶，則只需三對(duì)對(duì)應(yīng)位置。一般，

18、先取d=1,然后根據(jù)Ri、R2、R3、求出在d=1情況下各構(gòu)件相對(duì)d的長(zhǎng) 度a、b、c,至丁各構(gòu)件的實(shí)際長(zhǎng)度，可根據(jù)機(jī)構(gòu)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(zhǎng)度增至無(wú)窮大，則B點(diǎn)的曲線導(dǎo)軌將變成直線導(dǎo)軌，皎 鏈四桿機(jī)構(gòu)就演化成我們這爬桿機(jī)器人所運(yùn)用的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（如圖3）。對(duì)丁曲柄滑塊的解析式來(lái)說(shuō)，相較丁它的“前身”一一皎鏈四桿機(jī)構(gòu)的要簡(jiǎn) 單許多：滑塊的行程B1B2為曲柄半徑2的兩倍，兩端點(diǎn)Bl和B2稱為滑塊的極限位 置，它是以O(shè)2為中心而分別以長(zhǎng)度3-2和3+2為半徑作圓弧求得的。B我們這個(gè)爬桿機(jī)器人，由丁它還運(yùn)用了自鎖原理，故當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)到與桿成一直線時(shí)，運(yùn)動(dòng)的滑塊就將相應(yīng)地?fù)Q一次， 若電機(jī)為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（即曲柄為逆時(shí)針，見(jiàn)圖 4）:a） 當(dāng)AtB時(shí)，下滑塊向上滑動(dòng)位移是 22,即等丁曲 '6柄長(zhǎng)度的 2 倍，為