機(jī)械原理課程設(shè)計說明書_爬桿機(jī)器人

1、機(jī)械原理課程設(shè)計設(shè)計說明書設(shè)計題目：爬桿機(jī)器人汽車與交通工程學(xué)院 學(xué)院班設(shè)計者：王佳指導(dǎo)老師： 王勁松目錄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(jī)械預(yù)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3工藝動作分解3運動方案選擇5執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式設(shè)計6運動和動力分析7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)11126. 參考資料附錄131 .設(shè)計題目1.1設(shè)計目的機(jī)械設(shè)計是根據(jù)使用要求對機(jī)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(jìn)行構(gòu)思、分析和計算， 并

2、將其轉(zhuǎn)化為制造依據(jù)的工作過程。機(jī)械設(shè)計是機(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 個過程蘊(yùn)涵著創(chuàng)新和發(fā)明。目的：為了綜合運用機(jī)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(xué)知識進(jìn)一步鞏固和加深1.2設(shè)計題目簡介課程設(shè)計名為爬桿機(jī)器人。該機(jī)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(jī)構(gòu)。其中電機(jī)與 曲柄固接，驅(qū)動裝置運動。曲柄與連桿 鉸接，其另一端分別鉸接一自鎖套（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(dāng)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

3、向上（運動示意見右圖） 。1 . 3設(shè)計條件及設(shè)計要求首先確定機(jī)器人運動的機(jī)構(gòu)原理及所爬行管道的有關(guān)數(shù)據(jù)， 制定多套運動方 案。再查閱相關(guān)資料，通過精確的計算，對設(shè)計題目進(jìn)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。2 .運動方案設(shè)計該機(jī)器人模仿的動作是沿桿向上爬行，整個機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，而且目前 所設(shè)計機(jī)器人爬行的桿是圓桿。2. 1機(jī)械預(yù)期的功能要求通過電機(jī)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(jī)構(gòu)帶動機(jī) 器人向上爬行。2 . 2功能原理設(shè)計通常情況下，一部的機(jī)器需

4、要通過電機(jī)帶動一系列復(fù)雜的機(jī)構(gòu)使其正常運 轉(zhuǎn)，這其中涉及到很多簡單且基本的機(jī)械機(jī)構(gòu)。 當(dāng)然，也可以直接通過電機(jī)帶動 整部機(jī)器的運轉(zhuǎn)，這完全取決于機(jī)器所需完成的工作以及設(shè)計該機(jī)器時所面臨的 種種實際情況。針對該爬桿機(jī)器人，提出了兩套設(shè)計方案，分別是：由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動和 由氣壓元件直接驅(qū)動。首先，來看一下曲柄滑塊機(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(jī)構(gòu)中構(gòu)件的形狀和運動尺寸能將其演化為不同的機(jī)構(gòu)形式，就曲柄滑塊機(jī)構(gòu)而言，它是通過增加鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中搖桿的長度至無窮大而演變過來的。改機(jī)構(gòu)實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

5、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， 連桿又帶動滑塊，使 其在平面某一范圍內(nèi)做直線往復(fù)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(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，至于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，我們基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的啟示，想到了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(jī)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(dāng)機(jī)構(gòu)具有向下運動的 趨勢時，

6、下自鎖套因受到自鎖機(jī)構(gòu)的限制而固定不動， 把其受到的向下的力轉(zhuǎn)化為向上的動力，推動機(jī)構(gòu)反而向上運動于是，我們就把電機(jī)與曲柄固接作為驅(qū)動裝置，連桿作為傳動，兩滑塊作為自鎖裝置。該爬桿機(jī)器人的設(shè)計裝配圖如圖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、者用鉸鏈鉸接，能使其自如地 打開或收攏，再在它們套住圓 桿之后用銷釘在鉸支端對邊 銷住，這樣方便裝配和安裝到 圓桿上，也方便在調(diào)試過程中 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(dāng)初要把一個原本簡簡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

7、兩個梯形狀的“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，又因 d球1梯頂，那么小球就被卡在了 梯形空間中，此時由于小球的被固定而使整個自鎖套看作是一個機(jī)

8、架鉸接曲柄一 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。（見中下圖）在氣動方面，由于沒有聯(lián)結(jié)用的傳動機(jī)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 原理，由其帶動上下兩個自鎖套分別自鎖，達(dá)到機(jī)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(jìn) 去：如摩擦力的大?。垂鼙谂c小球接觸面的摩擦系數(shù)），

9、在曲柄過上下兩滑塊 極限位置時，自鎖套內(nèi)由于小球在內(nèi)部運動的關(guān)系，自鎖套所要進(jìn)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(jī)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(jī)械設(shè)計角度而言講究盡 量采用基本機(jī)構(gòu)，設(shè)計的機(jī)構(gòu)要簡單、可靠。而汽缸則融會了上述的優(yōu)點，它由 驅(qū)動機(jī)構(gòu)直接帶動兩個自鎖滑塊，避免了兩者間的連接機(jī)構(gòu)，精簡了構(gòu)件之間的 連接。此外，該機(jī)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(jī)器人爬到桿

10、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，它屬于平面連桿機(jī)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，不易用于高速。我們設(shè)計的機(jī)構(gòu) 是由電機(jī)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(jī)構(gòu)， 但該機(jī)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。綜上所述，可以選取“曲柄滑塊機(jī)構(gòu)”作為該爬桿機(jī)器人的最終運動方案2 . 3 . 3執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式設(shè)計針對上述的種種實際情況，在設(shè)計此爬桿機(jī)器人的時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。祥見下表機(jī)構(gòu)名

11、稱構(gòu)件尺寸所選材料選用理由曲柄滑塊曲柄60mm （軸距）2mm鋁板價格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時效強(qiáng)化性連桿150 （軸距）2mm鋁板價格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時效強(qiáng)化性錐管（4個）2mm鋁板價格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有時效強(qiáng)化性自鎖機(jī)構(gòu)圓球（4個） 50mm成品橡膠球取材方便、具有高韌性、材質(zhì)輕盈可是這樣一個爬桿機(jī)構(gòu)是一個封閉的機(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)計的自鎖套可以多一個連接裝置， 在兩個形狀對稱的錐管對接處裝上鉸鏈，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

12、4。對于此類機(jī)構(gòu)，一定的摩擦力也是保證自鎖發(fā) 生作用的關(guān)鍵。因此對各構(gòu)件的材料也是有相當(dāng)?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。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(jī)構(gòu)下 滑而影響上爬的效果。在自鎖套需解鎖時，由于橡膠具有很高的韌性，它能立刻 恢復(fù)原來的形狀，不會因無法恢復(fù)形變而使下一步上爬動作失效。2 . 3 .4運動和動力分析在設(shè)定了曲柄與連桿的長度后，每一步機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的上升位移便也能自然而 然地計算出來了。當(dāng)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）。下面就該機(jī)構(gòu)運動一周的情況列表作一下分析（此時曲柄處于頂端）：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。-90 °向上運動120mm自鎖（固定）90。-180 °自鎖（固定）向上運動120mm180。-270 °向上運動120mm自鎖（固定）當(dāng)然，這樣的機(jī)構(gòu)絕非完美無缺的。首先，設(shè)計的自鎖套的形狀還無法適應(yīng) 此機(jī)構(gòu)