機械原理課程設(shè)計說明書-爬桿機器人

機械原理課程設(shè)計設(shè)計說明書設(shè)計題目：爬桿機器人汽車與交通工程學(xué)院學(xué)院車輛0806設(shè)計者：王佳班指導(dǎo)老師：王勁松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(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…………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.設(shè)計題目１.１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，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。目的：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(xué)知識進一步鞏固和加深。１.２設(shè)計題目簡介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，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。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)，而且目前所設(shè)計機器人爬行的桿是圓桿。２.１機械預(yù)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(fù)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(dāng)然，也可以直接通過電機帶動整部機器的運轉(zhuǎn)，這完全取決于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，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，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同的機構(gòu)形式，就曲柄滑塊機構(gòu)而言，它是通過增加鉸鏈四桿機構(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鉸接在機架上，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)機構(gòu)具有向下運動的趨勢時，下自鎖套因受到自鎖機構(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，推動機構(gòu)反而向上運動。于是，我們就把電機與曲柄固接作為驅(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、俯視）：圖３所示的兩個構(gòu)件，兩者用鉸鏈鉸接，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)的具體尺寸?？蛇@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（l梯頂<d球<l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<l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>l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