机械创新及设计小论文-爬杆机械猫.docVIP

设计目标 设计题目：爬杆机械猫。 主要机械系统为曲柄连杆机构。因此保证机器人能顺利完成爬杆的功能，并在上升时完成伸头以及摆尾的动作。 设计特点和创新点 搜集同类设计通过比较可知，普通爬杆机器人是在直杆上爬行，原理图如下所示，而我本次设计的执行机构为弯杆，与同类爬行机器人相比，我本次设计的爬行机器人不但能在直杆上爬行，并能在弯杆上爬行，极大的提高了爬行机器人的应用场合。 3.运动原理与功能模块划分 我们此次做的课程设计名为爬杆机器人。 该机器人模仿虫蠕动的形式向上爬行，其爬行运用简单的曲柄滑块机构。其中电机与曲柄固接，驱动装置运动。曲柄与连杆铰接，其另一端分别铰接一自锁套（即上下两个自锁套），它们是实现上爬的关键结构。当自锁套有向下运动的趋势时，由力的传递传到自锁套，球、锥管与圆杆之间形成可靠的自锁，阻止构件向下运动，而使其运动的方向始终向上（运动示意见右图）。 功能模块：爬杆功能、伸头功能、摆尾功能。 设计方案主要分为：曲柄滑块机构和气功驱动两种形式。 4.设计方案的分析、比较与评价 通常情况下，一部的机器需要通过电机带动一系列复杂的机构使其正常运转，这其中涉及到很多简单且基本的机械机构。当然，也可以直接通过电机带动整部机器的运转，这完全取决于机器所需完成的工作以及设计该机器时所面临的种种实际情况。针对该爬杆机器人，提出两套设计方案，分别是：由曲柄滑块机构带动和由气压元件直接驱动。 曲柄滑块机构工作原理如下： 在平面连杆机构中，能绕定轴或定点作整周回转的构件被称为曲柄。而通过改变平面四杆机构中构件的形状和运动尺寸能将其演化为不同的机构形式，就曲柄滑块机构而言，它是通过增加铰链四杆机构中摇杆的长度至无穷大而演变过来的。改机构实际上是由一曲柄一端铰接在机架上，另一端铰接一连杆，连杆的另一端联结一滑块，在曲柄为主动件运动时带动连杆，连杆又带动滑块，使其在平面某一范围内做直线往复运动（图1）。 其次是气动的原理：该运动原理与上述的曲柄滑块机构相比，在保留两滑块作为自锁装置的前提下，省略了联结两滑块的传动装置，转而用两个汽缸直接带动两个滑块的上下移动。这样的设计更直接也更简洁，至于两者到底哪个更合理呢？ 现在我们结合两者的利弊，着重分析一下各自的优缺点： 就采用汽缸驱动而言，它形式简单、结构简便，从机械设计角度而言讲究尽量采用基本机构，设计的机构要简单、可靠。而汽缸则融会了上述的优点，它由驱动机构直接带动两个自锁滑块，避免了两者间的连接机构，精简了构件之间的连接。此外，该机构具有环保等特点，它利用空气作为动力源，无污染、运动时无噪音，而且运行速度快，可以在短时间内使机器人爬到杆的顶端，它还能够随身携带气包作为动力源，可以做到无线操作。 就采用曲柄滑块结构而言，它属于平面连杆机构，具有结构简单、制造方便、运动副为低副，能承受较大载荷；但平衡困难，不易用于高速。我们设计的机构是由电机经减速直接驱动的，和利用气动原理相比它多了一套传动和连接机构，但该机构运用的原理简单，设计合理，而且它不仅能在自杆上爬行，更能在弯曲的管道外爬行，具体的示意图见下。 综上所述，选取“曲柄滑块机构”作为该爬杆机器人的最终运动方案。 总体结构设计 5.1伸头功能的实现 方案一：由凸轮机构实现： 方案二：由平面六杆机构实现 方案三：由平面四杆机构实现 伸头动力传输： 齿轮1固连在曲柄上，由电机带动，齿轮1与齿轮2外啮合，齿轮3与齿轮2同轴。 摆尾功能实现： 方案一：如下图 方案二：如下图 执行系统运动简图： 自由度F的计算： n=3　Pl=4　Ph=0 F=3n-(2Pl+Ph)=3×3-(2×4-0)=1 6.结构详细设计 6.1 自锁套结构图 6.2 自锁套连杆运动分析 如图所示，设杆1作逆时针转动，且?=0时为初始位置，此时自锁套锁定，自锁套4向上滑动。故在0?180之间，可看成以杆3为曲柄，杆2为连杆，自锁套4为滑块的曲柄滑块机构。现就这一过程作出分析： L1=50cm L2=150cm e=0 故此机构无急回特性。Ymax=arcsin(50/150)=19.5因为此机构并非大功率机构，故最大压力角符合要求。下面计算曲柄转动角度和滑块位移的关系： 设a=0，s=0；a=?，s=20-LAB 故只需求得LAB与cos?之间的关系。 cos?=（LAB*LAB-200）/10*LAB 解得： cos?=LAB/10-20/L