課程設(shè)計(jì)-機(jī)械玩具

1、專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)計(jì)算書 11. 課題研究的目的意義與國(guó)內(nèi)外研究概況： 1.1.1 課題來源 11.1.1 項(xiàng)目背景 11.1.1.1 開發(fā)智力 21.1.1.2 刺激各器官反應(yīng) 2.1.1.1.3 協(xié)調(diào)身體機(jī)能 2.1.1.2 本方案的提出 31.1.3 本項(xiàng)目研究的內(nèi)容與意義 4.1.1.4 課題來源 41.2 課程設(shè)計(jì)目的 42. 課程設(shè)計(jì)題目 53. 國(guó)內(nèi)相關(guān)研究發(fā)展現(xiàn)狀 5.4. 原理方案設(shè)計(jì) 74.1 可遙控益智球形玩具的設(shè)計(jì)要求 7.4.2 可遙控益智球形玩具的系統(tǒng)組成與工作原理 7.4.2.1 可遙控益智球形玩具的系統(tǒng)組成 7.4.2.2 可遙控益智球形玩具的工作原理 8.4.3

2、 方案設(shè)計(jì)的可行性分析 1.0.4.3.1 滾動(dòng)時(shí)方向控制單元仿真分析 1.05. 傳動(dòng)零件設(shè)計(jì)計(jì)算 1.2.6. 優(yōu)化設(shè)計(jì) 1.3.6.1 旋翼單元 1.3.6.2 傳動(dòng)單元 1.6.6.3 方向控制單元 1.6.6.4 旋緊、壓緊機(jī)構(gòu) 1.7.6.5 快插機(jī)構(gòu) 1.8.6.6 水平限位機(jī)構(gòu) 1.8.7. 結(jié)論 1.9.參考資料 2.0.設(shè)計(jì)小結(jié) 2.1.致 謝 2.1.專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)計(jì)算書1. 課題研究的目的意義與國(guó)內(nèi)外研究概況：1.1 課題來源1.1.1 項(xiàng)目背景眾所周知，玩具是兒童成長(zhǎng)的過程中必不可少的玩伴。在我國(guó)兒童玩具的 所有組成部分中，益智玩具一直都是消費(fèi)者最關(guān)心的一類。因?yàn)橐?/p>

3、智玩具在兒 童成長(zhǎng)的過程中能起到普通玩具所不能達(dá)到的作用： 益智玩具能夠協(xié)調(diào)兒童的 身體機(jī)能、刺激大腦活動(dòng)、開發(fā)智力等等。在現(xiàn)在與未來的家庭中兒童是家庭 的中心，每一個(gè)家長(zhǎng)都希望自己的孩子在小伙伴中脫穎而出。隨著家長(zhǎng)們對(duì)孩 子情商、智商培養(yǎng)的逐漸重視，益智類玩具逐步走俏市場(chǎng)。圖1.1兒童玩游戲的場(chǎng)景益智類玩具具有以下功能:幵發(fā)智力嚴(yán)格的說，益智玩具應(yīng)該分為少兒益智玩具和成人益智玩具，雖然兩者的 界限不是非常明顯，但還是應(yīng)該加以區(qū)分。所謂益智玩具，不管是少兒類的還 是成人類的，顧名思義都是可以讓我們?cè)谕娴倪^程中幵發(fā)智力增長(zhǎng)智慧的玩 具。益智玩具是否真的具有益智的功能呢？據(jù)英國(guó)皇家科學(xué)院研究發(fā)現(xiàn)，

4、經(jīng)常 玩益智玩具的人，比不玩的人平均智商高出11分左右，大腦幵放性思維能力較高；美國(guó)醫(yī)學(xué)專家也發(fā)現(xiàn)，50歲以前幵始玩成人益智玩具的人老年癡呆的發(fā)病率只有普通人群的32%，而從小就玩益智玩具的人發(fā)病率不到普通人群發(fā)病率的1%。刺激各器官反應(yīng)其實(shí)除了幵發(fā)智力外，益智玩具還有更多的功能。比如刺激功能發(fā)展，設(shè) 計(jì)的顏色鮮艷，線條吸引人的益智玩具可以刺激孩子的視覺；而一握就響的“響環(huán)”、按鍵就發(fā)出各種動(dòng)物聲音的“小鋼琴”等能刺激孩子的聽覺；滾動(dòng) 的彩色球能培養(yǎng)孩子的觸覺。因此，不同的益智玩具是輔助孩子認(rèn)識(shí)世界的有 效工具，幫助他們配合身上各種感官的反應(yīng)，來接觸和認(rèn)知新奇的萬事萬物。協(xié)調(diào)身體機(jī)能此外，益智

5、玩具還具有協(xié)調(diào)身體機(jī)能的作用，例如孩子將一盒積木砌出圖 形，除了要用腦，還要有手的配合，這樣通過玩益智玩具，訓(xùn)練并逐漸建立起 孩子的手腳協(xié)調(diào)、手眼配合等身體機(jī)能；具有練習(xí)社交活動(dòng)的作用，孩子在跟 他們的同伴或父母玩益智玩具的過程中，不知不覺間在發(fā)展他們的社會(huì)關(guān)系， 即使他們?cè)诤献骰蚋?jìng)爭(zhēng)中容易產(chǎn)生執(zhí)拗和爭(zhēng)吵， 實(shí)際上他們正在發(fā)展合作精神 和學(xué)習(xí)與人分享的心理，為日后融入社會(huì)打下基礎(chǔ)。同時(shí)，語言能力、情緒釋 放、動(dòng)手能力等都得到一定提高。在益智類玩具中，球形玩具以其獨(dú)特的外形，可靠的安全性，運(yùn)動(dòng)的獨(dú)特 性，日益受到廣大消費(fèi)者的喜愛。1.1.2 本方案的提出現(xiàn)今，兒童智力的開發(fā)已越來越受到家長(zhǎng)的重視

6、，開發(fā)兒童智力的方式也 層出不窮。部分益智玩具雖然設(shè)計(jì)巧妙，但安全性不可靠，或輕或重地?fù)p傷兒 童的身心體健康， 有的甚至是終身傷害； 而另一部分雖然能益智， 但操作繁瑣， 不容易實(shí)現(xiàn)其最終效果和目的。 所以既簡(jiǎn)單又易行的益智玩具在當(dāng)今社會(huì)極其 需要。而飛行類玩具和球形類玩具都是十分理想的益智類玩具，將飛行類和球 形類通過簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)將兩者的益智優(yōu)勢(shì)合理地結(jié)合是本方案的特點(diǎn)， 它通過遙控 手柄控制飛行器的飛行與轉(zhuǎn)向，充分鍛煉娛樂游玩者的手眼協(xié)調(diào)能力，而想要 進(jìn)行球形機(jī)器人的行走條件需要操縱者自己組裝，又鍛煉其動(dòng)手能力，既簡(jiǎn)單 易行，又起到開發(fā)智力的作用。經(jīng)常玩遙控玩具可以培養(yǎng)孩子們的眼、腦、手的配合

7、。孩子們的大腦處于 發(fā)育階段，經(jīng)常玩遙控玩具，可以提前鍛煉孩子的眼睛、手腳和大腦的配合， 促進(jìn)孩子們的智力發(fā)育，培養(yǎng)孩子的空間想象力。玩遙控玩具還可以培養(yǎng)孩子 們探索未知世界的興趣。 很多孩子對(duì)遙控玩具很感興趣的一個(gè)原因是對(duì)遙控玩 具的好奇，想搞清楚是什么原理，一般會(huì)自己動(dòng)手拆開來看究竟，鍛煉了孩子 動(dòng)手的能力，特別是遙控飛機(jī)這類產(chǎn)品，最容易吸引孩子們的目光。有些孩子 還會(huì)研究遙控玩具的操作原理，查找書籍資料，從而培養(yǎng)了孩子們的學(xué)習(xí)興趣 和愛好，影響孩子們的成長(zhǎng)道路。許多科學(xué)家的成長(zhǎng)歷程可以證明，孩提時(shí)代 的玩物可以決定孩子們將來的志向。遙控類產(chǎn)品其實(shí)并不是孩子們專利，很多 老年人也喜歡玩，許

8、多老年人內(nèi)心深處還是很童真的，可以買回去和孫子們一 起玩，對(duì)開闊老人們的心境是一個(gè)很好良藥。本方案設(shè)計(jì)的可遙控益智球形玩具的方向控制單元打破常規(guī)思想，通過齒 輪帶動(dòng)偏心質(zhì)量塊是球殼的重心發(fā)生偏轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)改變方向的作用， 其旋翼機(jī) 構(gòu)也變?yōu)榭缮炜s、折疊式的，其外形更是一種膽大的挑戰(zhàn)和創(chuàng)新，并將飛行器與球形機(jī)器人進(jìn)行大膽地結(jié)合使用，巧妙地集中了益智的特點(diǎn)。1.1.3 本項(xiàng)目研究的內(nèi)容與意義本項(xiàng)目對(duì)國(guó)內(nèi)外的產(chǎn)品進(jìn)行了綜合分析，并根據(jù)兒童智力開發(fā)的實(shí)際情 況，設(shè)計(jì)了一款采用無線遙控控制的益智球形玩具，以球形殼體為本體，以電 機(jī)為動(dòng)力源，通過雙旋翼機(jī)構(gòu)來提供升力，以偏心質(zhì)量塊的偏轉(zhuǎn)來控制方向， 既可以在

9、空中飛行，又可在地面行走，是一款集飛行與滾動(dòng)行走為一體的益智 娛樂設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，本項(xiàng)目研制的可遙控益智球形玩具具備以下特點(diǎn)：1.3.1 可遙控益智球形玩具通過可伸展式雙層螺旋旋翼，實(shí)現(xiàn)從球殼內(nèi)到 球殼外展開并進(jìn)行飛行的功能；1.3.2 可遙控益智球形玩具的方向控制部分由齒輪齒條機(jī)構(gòu)組成，通過齒 輪帶動(dòng)質(zhì)量塊的偏心實(shí)現(xiàn)改變方向的作用；1.3.3 可遙控益智球形玩具的球殼上鑲嵌有齒條，通過減速電機(jī)帶動(dòng)齒輪 轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)可遙控益智球形玩具的滾動(dòng)行走功能；1.3.4 可遙控益智球形玩具有旋緊與壓緊機(jī)構(gòu)，保證飛行機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu) 快速結(jié)合，并保證其可靠性。本項(xiàng)目研究的益智類球形玩具，不僅為兒童智力

10、的開發(fā)工作提供一種有效地、可靠的益智設(shè)備，也可用于成年人娛樂，以與老人玩樂，老年人常玩益智類玩具可防止老年癡呆癥的發(fā)生。1.1.4 課題來源指導(dǎo)教師制定課題。1.2 課程設(shè)計(jì)目的本課程設(shè)計(jì)是使現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方向的學(xué)生全面、 系統(tǒng)地掌握和深化機(jī)械設(shè)計(jì)類課程的基本知識(shí)、基本理論與基本方法的專業(yè)性、綜合性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。其作用和目標(biāo)是：3.1 通過工程設(shè)計(jì)過程各主要環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，使學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想， 了解現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)與其在實(shí)際工程中的應(yīng)用， 掌握一般機(jī)械設(shè)計(jì)的基本方 法和技能，培養(yǎng)觀察、提問、分析和解決問題的獨(dú)立設(shè)計(jì)工作能力，訓(xùn)練設(shè)計(jì) 構(gòu)思和創(chuàng)新能力。3.2 培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)類課程與其他

11、有關(guān)先修課程的知識(shí)、理論 與方法分析和解決機(jī)械設(shè)計(jì)問題的能力，以進(jìn)一步鞏固、深化、擴(kuò)展所學(xué)到的 理論知識(shí)，并使理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐緊密結(jié)合。3.3 培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能力、現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法的運(yùn)用能力和 標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)與網(wǎng)絡(luò)信息等有關(guān)技術(shù)資料的查閱與運(yùn)用能力，為今 后成為高級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)工程技術(shù)人員進(jìn)行基本技能和基本素質(zhì)訓(xùn)練。2. 課程設(shè)計(jì)題目可遙控益智球型玩具3. 國(guó)內(nèi)相關(guān)研究發(fā)展現(xiàn)狀目前市場(chǎng)上的益智類玩具主要有以下三類： 球形玩具、 遙控飛機(jī)、 飛行器， 如圖 3.2 所示。球形玩具中的組合類和變形類玩具都屬于拼插類玩具，容易丟 失零部件?，F(xiàn)有的飛行方式有螺旋旋翼的，通過一對(duì)主旋翼

12、旋轉(zhuǎn)提供升力，同 時(shí)通過一對(duì)小旋翼控制升力的方向，與貝爾 - 希拉操縱方式，具體操縱方式為： 主旋翼槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生與空氣相對(duì)的上升氣流，自然形成升力。在利用旋翼 的旋轉(zhuǎn)速度與各槳葉的角度變換，致使飛機(jī)完成起飛、升高、降落等多種不同 的飛行動(dòng)作。遙控直升機(jī)向前飛行，是由于各槳葉在不同位置時(shí)，按固定規(guī)律 變化所產(chǎn)生的。 旋翼產(chǎn)生的拉力相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸向前傾斜， 搖動(dòng)遙控直升機(jī)前進(jìn)。 使遙控直升機(jī)向左向右飛行也是同樣的道理。遙控直升機(jī)飛行方向改變時(shí)，基本原理是利用尾旋翼的可變角度產(chǎn)生的。因?yàn)橹餍硇D(zhuǎn)時(shí)機(jī)身會(huì)產(chǎn)生扭力作 用，扭力作用使機(jī)身不停的轉(zhuǎn)圈，無法正常飛行。所以必須加一個(gè)尾旋翼來抵 消扭力，平衡

13、機(jī)身不旋轉(zhuǎn)，但單靠尾旋翼來平衡是不夠的，這就需要使用陀螺 儀了，它可以根據(jù)機(jī)身的擺動(dòng)多少，自動(dòng)做出補(bǔ)償給伺服器，去改變尾旋翼角 度，平衡機(jī)身。從而達(dá)到控制直升機(jī)的目的。直升機(jī)的大多數(shù)性質(zhì)如穩(wěn)定性、 靈活性等都是通過這種操縱方式實(shí)現(xiàn)的。飛機(jī)是通過機(jī)翼產(chǎn)生升力，以支持飛機(jī)在空中飛行，同時(shí)機(jī)翼也起到一定 的穩(wěn)定和操作作用，當(dāng)然還利用了尾翼，此尾翼分為水平尾翼和豎直尾翼，平 尾翼由固定的水平安定面和可動(dòng)的升降舵組成，有的高速飛機(jī)將水平安定面和升降舵合為一體成為全動(dòng)平尾。垂直尾翼包括固定的垂直安定面和可動(dòng)的方向 舵。尾翼的作用是操縱飛機(jī)俯仰和偏轉(zhuǎn)，保證飛機(jī)能平穩(wěn)飛行圖3.2遙控飛行器與組合、插拼式變形球

14、形玩具它們具有以下不足點(diǎn):? 球形玩具：玩法單一，適用人群較窄；? 遙控飛機(jī)：機(jī)翼不能折疊，占用空間大;? 飛行器：控制方式復(fù)雜、造價(jià)昂貴。4. 原理方案設(shè)計(jì)現(xiàn)在的飛行類玩具樣式繁多，其飛行與轉(zhuǎn)向原理基本相似，其功能比較簡(jiǎn) 單，只能完成單項(xiàng)需求，為此我們研發(fā)了一種以無線遙控為操縱方式、借用球 形機(jī)器人方向控制的原理，通過偏心質(zhì)量塊來改變方向，并將球形機(jī)器人巧妙 容納于其中，形成了新型的益智玩具。本章將對(duì)可遙控益智球形玩具的飛行控 制、傳動(dòng)原理、方向控制原理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并給出了總體設(shè)計(jì)方案。4.1 可遙控益智球形玩具的設(shè)計(jì)要求本項(xiàng)目提出了一種外觀獨(dú)特、 玩法新穎、 操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、 娛

15、樂性強(qiáng)， 且能在在空中飛行、地面上全方位運(yùn)動(dòng)的新型機(jī)械玩具。為達(dá)到該目的，本方 案設(shè)計(jì)需滿足一下要求：4.1.1 整體尺寸小，易于攜帶，方便不同位置的轉(zhuǎn)移；4.1.2 適應(yīng)性強(qiáng)，便于在不同的場(chǎng)合進(jìn)行游玩；4.1.3 操作簡(jiǎn)單，短時(shí)間內(nèi)就能熟練操控游玩；4.1.4 該方案設(shè)計(jì)安全可靠，工作穩(wěn)定，適應(yīng)較廣的群眾。4.2 可遙控益智球形玩具的系統(tǒng)組成與工作原理可遙控益智球形玩具的系統(tǒng)組成本項(xiàng)目的技術(shù)方案是：可遙控益智球形玩具主要由旋翼單元、傳動(dòng)單元、 方向控制單元、上下球殼等組成，如圖 4.1 所示旋緊機(jī)構(gòu)方向控制單元2：1傳動(dòng)單元方向控制單元壓緊機(jī)構(gòu)4.1可遙控球形玩具總體方案圖可遙控益智球形玩具

16、的工作原理鑲嵌在球殼上的齒輪導(dǎo)軌通過軸承與球殼形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，方向控制單元的內(nèi) 部電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走齒輪沿齒條運(yùn)動(dòng)，在摩擦力的作用下使球殼繞轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)，從 而實(shí)現(xiàn)球形玩具的行走功能； 方向控制單元的內(nèi)部電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪沿齒輪導(dǎo)軌 運(yùn)動(dòng)，使球體的重心發(fā)生偏移，實(shí)現(xiàn)球形玩具的轉(zhuǎn)向功能；當(dāng)球形玩具飛行時(shí), 如圖4.2所示，通過旋轉(zhuǎn)式鎖扣進(jìn)行快速解鎖，將球殼上部分卸下，通過伸縮 機(jī)構(gòu)將機(jī)翼螺旋槳伸出球殼外， 到達(dá)設(shè)定位置伸幵旋翼；當(dāng)球形玩具不工作時(shí)， 如圖4.3所示，可通過折疊機(jī)構(gòu)和伸縮機(jī)構(gòu)將旋翼單元折疊在球殼內(nèi)部，再旋 緊旋緊機(jī)構(gòu)，將上下球殼固定在一起，如圖所示，節(jié)省了空間，方便玩具儲(chǔ)存; 上下旋翼各由一個(gè)電機(jī)

17、驅(qū)動(dòng)，且轉(zhuǎn)向相反，依靠下方配重塊的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)飛行姿 態(tài)的調(diào)整。圖4.2可遙控益智球形玩具飛行姿態(tài)圖圖4.3可遙控益智球形玩具存儲(chǔ)姿態(tài)圖當(dāng)球形玩具需要在地面滾動(dòng)時(shí)，我們旋轉(zhuǎn)壓緊機(jī)構(gòu)，取下旋翼單元、傳動(dòng) 單元以與機(jī)架，再將上下球殼通過旋緊機(jī)構(gòu)可將上下球殼連接在一起，這樣本 玩具就變?yōu)橐粋€(gè)可遙控的球形機(jī)器人，如圖4.4所示。在滾動(dòng)時(shí)的滾動(dòng)與方向控制也是依靠方向控制單元完成的圖4.4可遙控益智球形玩具滾動(dòng)姿態(tài)圖當(dāng)可遙控益智球形玩具飛行時(shí)，旋翼單元轉(zhuǎn)動(dòng)為其提供升力，方向控制單 元可調(diào)節(jié)其飛行時(shí)的姿態(tài)；當(dāng)其在地面滾動(dòng)時(shí)，方向控制單元可控制其滾動(dòng)方 向。4.3方案設(shè)計(jì)的可行性分析 滾動(dòng)時(shí)方向控制單元仿真分析為

18、了驗(yàn)證球形玩具滾動(dòng)時(shí)方向控制單元的可控，了解方向控制單元滾動(dòng)時(shí)的受力情況，我們利用 adams對(duì)滾動(dòng)狀態(tài)下的球形玩具進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，以下是球形玩具的仿真結(jié)果與曲線。根據(jù)仿真，球形玩具直線行走時(shí)的位移曲線如圖4.5所示圖4.5直線行走位移曲線如圖4.6所示為球形玩具在轉(zhuǎn)向時(shí)的速度曲線。rmiwc.i圖4.6轉(zhuǎn)向時(shí)的速度曲線如圖4.7所示為球形玩具在轉(zhuǎn)向時(shí)的加速度曲線。-Q-V Tit, _mTf卻圖4.7轉(zhuǎn)向時(shí)的加速度曲線根據(jù)可遙控益智球形玩具滾動(dòng)狀態(tài)時(shí)方向控制單元的位移、速度與加速度 仿真分析曲線可知，球形玩具方向控制單元可對(duì)玩具在地面的滾動(dòng)與轉(zhuǎn)向起到 較好的控制調(diào)節(jié)作用。該設(shè)計(jì)方案可行性高，

19、具有較好的實(shí)施性。5.傳動(dòng)零件設(shè)計(jì)計(jì)算為驗(yàn)證可遙控益智球形玩具旋翼單元的可行性現(xiàn)進(jìn)行以下理論分析：取空氣密度1.225kg / m3，重力常數(shù)g 9.8kg/mg，電機(jī)功率為P,翼角為 10，旋翼實(shí)度c （一般取偏小的值），旋翼葉槳弦長(zhǎng)b，葉片數(shù)為N , 翼最大半徑R2，最小半徑R1，角速度為槳葉片數(shù)k可以參考直升機(jī)方法 確定，目前大多旋翼機(jī)采用兩片槳葉，安裝在蹺蹺板式槳轂上。典型兩片槳葉 旋翼，取實(shí)度 c為0.0340.040。如果實(shí)度取稍大值，則槳葉揮舞增加，性 能改善不多，故一般都取偏小值。由式（1 ）可以確定旋翼槳葉弦長(zhǎng) b，3.14 0.12 0.034bCN0.00641m（1 ）

20、2旋翼有效半徑為 R=R2-R1=120 mm =0.12 m電機(jī)轉(zhuǎn)速取 n°23000 r / min現(xiàn)對(duì)雙旋翼中的一個(gè)旋翼進(jìn)行分析，兩電機(jī)經(jīng)兩級(jí)減速與旋翼轉(zhuǎn)軸連接,減速機(jī)構(gòu)為兩對(duì)圓柱直齒齒輪,其齒數(shù)分別為 Z1=9、Z2=12、Z3=22、Z4=83，傳動(dòng)比為i13Z3 Z12.4;i24 Z4 Z26.9 o旋翼軸的轉(zhuǎn)速n。n1i 13i 242300023.1r/s2.4 6.9 60(2)旋翼角速度m 145.37 rad /s(3)將已知數(shù)據(jù)代入公式（ r32F N gb 2 sin26R2R13）可以確定單旋翼提供的升力R32N gb 2 sin2 12N6(4)球形玩

21、具總重量為G=4.6N,可知，升力2F>G o經(jīng)過以上理論分析，球形玩具在正常飛行時(shí)，上下旋翼提供的升力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大 于球體自身的重力，因此球形玩具能安全起飛、下落。4、齒輪齒條參數(shù):模數(shù)m齒數(shù)z齒輪112小齒條1126大齒條11805、行走速度計(jì)算:由公式Z2/Z1nJ n2得:n2 n1zj Z2140 12 180 9.33r/min所以v2R n25.88m/ min 0.098m/ s6.優(yōu)化設(shè)計(jì)可遙控益智球形玩具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本方案的重點(diǎn)，它主要是由旋翼單元、 傳動(dòng)單元、方向控制單元、上下球殼、快插機(jī)構(gòu)、旋緊與壓緊機(jī)構(gòu)以與水平限 位機(jī)構(gòu)等七部分主成。而旋翼單元是整個(gè)可遙控益智球形玩具

22、的核心組成部 分，它直接關(guān)系到可遙控益智球形玩具是否能成功飛行的關(guān)鍵。因此，我們充分考慮到飛行器的各種飛行環(huán)境進(jìn)而來設(shè)計(jì)飛行器的旋翼尺 寸與其偏角，使得飛行器能適應(yīng)各種不同的飛行環(huán)境，大大地?cái)U(kuò)大了玩家的超 控范圍，增加了其娛樂程度。我們應(yīng)用了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、方向控制技術(shù)以與鎖扣快速連接旋緊技術(shù) 所以該產(chǎn)品能夠轉(zhuǎn)彎迅速，運(yùn)行速度快，適用于各種復(fù)雜環(huán)境地飛行等優(yōu)點(diǎn)。我們應(yīng)用了 autoCAD、solidworks、adams與matlab 等軟件進(jìn)行輔助分析, 大大提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品幵發(fā)周期。6.1旋翼單元如圖3.1所示，旋翼單元的設(shè)計(jì)主要是借鑒新型直升飛機(jī)的結(jié)構(gòu)，采用雙 旋翼結(jié)構(gòu)

23、，并在旋翼上添加平衡桿，可以在旋轉(zhuǎn)時(shí)提供升力并抵消反扭矩的作 用，使玩具在飛行時(shí)能更加穩(wěn)定。圖6.1新型直升飛機(jī)的雙旋翼結(jié)構(gòu)6.2、旋翼單元主要由升降機(jī)構(gòu)、旋翼、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，如圖6.3所示。伸縮機(jī)構(gòu)能使旋翼從球殼內(nèi)伸出球殼外，并使其像雨傘支架一樣伸 展，使上下旋翼能正常的打幵。其中旋翼為共軸雙旋翼分為上旋翼和下旋翼， 上下旋翼各由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在球形玩具飛行時(shí)上、下旋翼的切風(fēng)角度相反， 上、下旋翼的動(dòng)作旋轉(zhuǎn)方向也是相反的，從而使上下旋翼因旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的扭力 相互抵消，大大增強(qiáng)了整個(gè)球殼的平衡性能。我們利用了鐘表的設(shè)計(jì)理念使下 旋翼的主軸為空心軸，上旋翼則由空心軸內(nèi)層的實(shí)心軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

24、平衡桿 上旋翼圖6.2旋翼單元結(jié)構(gòu)圖F旋翼圖6.3旋翼單元三維原理圖我們?cè)谛韱卧性鎏砹苏郫B機(jī)構(gòu)和伸縮機(jī)構(gòu)，主要是借鑒了折疊雨傘的 結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了四桿機(jī)構(gòu)的折疊機(jī)構(gòu)，又借鑒雨傘伸縮桿的原理，設(shè)計(jì)了帶有卡 槽的伸縮機(jī)構(gòu)，使旋翼能夠上下伸縮自如、折疊自如；這樣，在球形玩具不工 作時(shí)（如圖6.4所示），玩家可將上下旋翼伸縮、折疊在球殼內(nèi)部，節(jié)省了空 間，便于玩家的方便儲(chǔ)藏。圖6.4可遙控益智球形玩具折疊存放三維狀態(tài)圖6.2傳動(dòng)單元通過兩個(gè)相同的齒輪傳動(dòng)組將兩個(gè)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞給旋翼軸，使上下旋翼獲得等矩反向的轉(zhuǎn)動(dòng)，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都采用一級(jí)傳動(dòng)，如圖6.5、6.6所示:圖6.5傳動(dòng)單元方案圖圖6.6

25、傳動(dòng)單元結(jié)構(gòu)圖左電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)組 1使上旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)，是玩具迅速上升；右電機(jī)通過齒 輪傳動(dòng)組2使下旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)，是玩具迅速下降；由于兩電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩均相同， 但轉(zhuǎn)向相反，因此上下旋翼就會(huì)等矩反向轉(zhuǎn)動(dòng)。6.3方向控制單元方向控制單元在齒輪導(dǎo)軌的上側(cè)，該單元主要由連接空心軸、連接板、轉(zhuǎn) 向齒輪、齒輪軌道組成，如圖6.7、6.8所示。它控制方向的原理是在其減速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下由齒輪帶動(dòng)沿齒輪導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，使配重塊隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)使球體重心左右偏移從而實(shí)現(xiàn)球形玩具的轉(zhuǎn)向控制。當(dāng)可遙控益智球形玩具要進(jìn)行滾動(dòng)前進(jìn)時(shí)，前后方向控制單元此時(shí)變?yōu)闈L動(dòng)時(shí)的動(dòng)力，通過電機(jī)帶動(dòng)，使齒輪齒 條嚙合，齒條固連在球殼上，使球體重心左右偏移

26、，從而使整個(gè)球體行走；而 齒條比驅(qū)動(dòng)齒輪寬，保證齒輪不會(huì)與齒條錯(cuò)幵，在摩擦力的作用下使球殼繞轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)，使球體重心前后移動(dòng)從而推動(dòng)球體直線運(yùn)動(dòng)左右齒輪前后齒槍齒條機(jī)陶方向控肛中兀圖6.7方向控制單元結(jié)構(gòu)圖圖6.8方向控制單元三位效果圖6.4旋緊、壓緊機(jī)構(gòu)旋緊機(jī)構(gòu)是鑲嵌在球殼上的一種快速限位并旋緊的機(jī)構(gòu)，它分別定在上下 球殼上，當(dāng)需要伸出旋翼時(shí)，通過上下球殼的旋緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行解鎖，如圖6.9所示，該旋緊機(jī)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)方式旋幵，使機(jī)翼從球殼內(nèi)伸出并旋幵；在上半部分 的球殼中，一個(gè)鎖門側(cè)部設(shè)有擋板，當(dāng)操縱者想要實(shí)現(xiàn)球形機(jī)器人的行走功能 時(shí)，通過該快鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行迅速旋緊，因?yàn)殒i門設(shè)有擋板，故起到限位的作用，

27、使得該限位旋緊的功能瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)，迅速搭接成完整的球形滿足玩家的娛樂需 求。壓緊機(jī)構(gòu)是對(duì)旋翼進(jìn)行壓緊的作用。如圖6.9所示，通過旋轉(zhuǎn)壓緊機(jī)構(gòu)的上片進(jìn)行迅速壓緊，防止旋翼與球體部分的松脫，保證娛樂的可靠性。圖6.9旋緊、壓緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖6.5快插機(jī)構(gòu)為了能實(shí)現(xiàn)飛行器快速?gòu)臐L動(dòng)到飛行的過度，本方案特意設(shè)計(jì)了快插機(jī) 構(gòu)，如圖6.10所示，在旋翼支架的底板下側(cè)突出四個(gè)立柱，在球殼方型板上 幵有四個(gè)通孔，是突臺(tái)與方形板進(jìn)行快速結(jié)合，并通過壓緊結(jié)構(gòu)迅速壓緊，保 證旋翼單元的迅速連接。從而達(dá)到滾動(dòng)與飛行之間的轉(zhuǎn)換。圖6.10快插機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖6.6水平限位機(jī)構(gòu)因?yàn)楸痉桨傅娘w行與行走機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立，為了保證本產(chǎn)品的可靠性

28、，特意 設(shè)計(jì)了水平限位機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的調(diào)整軸套上攻有內(nèi)外螺紋，該調(diào)整軸套通過螺 母與球殼連接，方向控制機(jī)構(gòu)中的齒條部分通過軸承與調(diào)整軸套連接，當(dāng)一端 的調(diào)整軸套固定時(shí)，另一端通過螺紋頂針的旋進(jìn)旋出來進(jìn)行調(diào)整方向控制結(jié)構(gòu)的齒輪與旋翼的水平位置7. 結(jié)論經(jīng)過對(duì)市場(chǎng)的調(diào)研， 目前市場(chǎng)上的益智類玩具主要有以下三類： 球形玩具、 遙控飛機(jī)、飛行器。球形玩具中的組合類和變形類玩具都屬于拼插類玩具，容 易丟失零部件。 現(xiàn)有的飛行方式有螺旋旋翼的， 通過一對(duì)主旋翼旋轉(zhuǎn)提供升力， 同時(shí)通過一對(duì)小旋翼控制升力的方向，與貝爾 - 希拉操縱方式，具體操縱方式 為：主旋翼槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生與空氣相對(duì)的上升氣流，自然形成升力。在利用 旋翼的旋轉(zhuǎn)速度與各槳葉的角度變換，致使飛機(jī)完成起飛、升高、降落等多種 不同的飛行動(dòng)作。遙控直升機(jī)向前飛行，是由于各槳