爬桿機器人機械原理課程設(shè)計

1、目錄1. 設(shè)計題目11.1設(shè)計目的11.2設(shè)計題目簡介11.3設(shè)計條件及設(shè)計要求12. 運動方案設(shè)計22.1機械預期的功能要求22.2功能原理設(shè)計22.3運動規(guī)律設(shè)計32.3.1工藝動作分解32.3.2運動方案選擇52.3.3執(zhí)行機構(gòu)形式設(shè)計62.3.4運動和動力分析72.3.5執(zhí)行系統(tǒng)運動簡圖83. 計算內(nèi)容84. 應(yīng)用前景105. 個人小結(jié) 116. 參考資料 12附錄 131.1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

2、， 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。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，使所學知識進一步鞏固和加深，我們參加了此次的機械原理課程設(shè)計。1.2設(shè)計題目簡介我們此次做的課程設(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。 曲柄與連桿皎接，其另一端分別皎接一 自鎖套（即上下兩個自鎖套），它們是實 現(xiàn)上爬的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。當自鎖套有向下運 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（運動小意見右圖

3、）。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，通過精確的計算和運用相關(guān)應(yīng)用軟件（例如CAXASolidworks , ADAMSf造型、分析軟件）進行運動模擬，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 及相關(guān)的軟件分析圖表和文件并由三維動畫模擬出該機器人的運動。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)，而且我們 目前所設(shè)計機器人爬行的桿是圓桿。2.1機械預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 下

4、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)，這完全取決丁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，我們小組通過討論提出了兩套設(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，讓我們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

5、同的機構(gòu)形式，就曲柄滑塊機構(gòu)而言，它是通過增加皎鏈四桿機構(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 一曲柄一端皎接在機 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 件運動時帶動連桿，連 桿乂帶動滑塊，使其在平面某一范圍內(nèi)做直線往復運動（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，至丁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，我們基丁曲柄滑塊機構(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。當機構(gòu)具有向下運動的把其受到的向下的力轉(zhuǎn)化趨勢時，下自鎖套因受到自鎖機構(gòu)的限制而固定不動, 為向上的動力，推動機構(gòu)反而向上運動。丁是，我們就把電機與曲柄固接作為驅(qū)動裝，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我們設(shè)計了兩個如圖3所示的構(gòu)件，兩者用皎鏈皎接,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皎支端對邊銷住，這樣方便裝配和安裝到圓桿上，也方便我們在調(diào)

7、試過程中不斷調(diào)整 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的具體尺寸。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，想想為什么當初要把一個原本簡簡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梯形狀的“耳朵”，而且這“耳朵”還是中空的。玄機就在丁此，我們在這中空的空間里分別放置兩個小球， 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，它

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

9、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)由丁小球在內(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?，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。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)計的機構(gòu)要簡單、可靠。而汽缸則

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

11、綜上所述，我們小組經(jīng)討論決定：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，我們小組在設(shè)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(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60mm（軸距）2mmU 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）2mmU 板價格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時效強化性錐管（4個）2mm§ 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，使其加工制造簡單，易保證較高配合精度。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，我們設(shè)計的自鎖套就多了一個連接裝置， 我們在兩個形狀 對稱的錐管對接處裝上皎鏈，就像在ADAM堡給兩構(gòu)件用一個皎鏈連接，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。對丁此類機構(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?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。

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)下滑而影響上爬的效果。 在自鎖套需解鎖時，由丁橡膠具有很高的韌性，它能立刻恢復原來的形狀，不會 因無法恢復形變而使下一步上爬動作失效。2 . 3 .4運動和動力分析在我們設(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）。卜面我們就該機構(gòu)運動一周的情況歹U表作一下分析（此時曲柄處

14、丁頂端）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° -900向上運動120mm自鎖（固定）900 -180°自鎖（固定）向上運動120mm180° -270 0向上運動120mm自鎖（固定）當然，這樣的機構(gòu)絕非完美無缺的。tr先，我們設(shè)計的自鎖套的形狀還無法 適應(yīng)此機構(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，我們設(shè)計的自鎖套可以根 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用，特別是 ADAM密動分析軟件。我們使用該 軟件對爬桿機器人進行造型，并在連接處添加了一

15、定的轉(zhuǎn)動副和移動副， 并固定 了機架，在這個基礎(chǔ)上，我們使用軟件中的各種插件對我們的爬桿機器人進行了 運動模擬和運動分析。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)運動簡圖自由度F的計算: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.計算內(nèi)容解析法設(shè)計皎鏈四桿機構(gòu)：實現(xiàn)兩連架桿對應(yīng)位置的皎鏈四桿機構(gòu)設(shè)計：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） 將給定的五個對應(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，則只需三對對應(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d的長 度a、b、c,至丁各構(gòu)件的實際長度，可根據(jù)機構(gòu)的使用條件按比例放大后得到 所需值。若將圖1中搖桿的長度增至無窮大，則B點的曲線導軌將變成直線導軌，皎 鏈四桿機構(gòu)就演化成我們這爬桿機器人所運用的曲柄滑塊機構(gòu)（如圖3）。對丁曲柄滑塊的解析式來說，相較丁它的“前身”一一皎鏈四桿機構(gòu)的要簡 單許多：滑塊的行程B1B2為曲柄半徑2的兩倍，兩端點Bl和B2稱為滑塊的極限位 置，它是以O(shè)2為中心而分別以長度3-2和3+2為半徑作圓弧求得的。B我們這個爬桿機器人，由丁它還運用了自鎖原理，故當曲柄轉(zhuǎn)到與桿成一直線時，運動的滑塊就將相應(yīng)地換一次， 若電機為逆時針轉(zhuǎn)動（即曲柄為逆時針，見圖 4）:a） 當AtB時，下滑塊向上滑動位移是 22,即等丁曲 '6柄長度的 2 倍，為