机械原理专业课程设计项目说明指导书爬杆机器人.doc

机械原理课程设计
设计阐明书

设计题目：爬杆机器人

汽车与交通工程学院学院 车辆0806 班

设计者： 王佳

指引教师： 王劲松

目录
1.设计题目……………………………………………１
1.1设计目………………………………………………１
1.2设计题目简介…………………………………………１
1.3设计条件及设计规定…………………………………１
2.运动方案设计……………………………………２
2.1机械预期功能规定…………………………………２
2.2功能原理设计…………………………………………２
2.3运动规律设计…………………………………………３
2.3.1工艺动作分解……………………………………………３
2.3.2运动方案选取……………………………………………５
2.3.3执行机构形式设计………………………………………６
2.3.4运动和动力分析…………………………………………７
2.3.5执行系统运动简图………………………………………８
3.计算内容……………………………………………８
4.应用前景……………………………………………10
5.个人小结……………………………………………11
6.参照资料……………………………………………12

附录………………………………………………………13
１.设计题目
１.１设计目
机械设计是依照使用规定对机械工作原理、构造、运动方式、力和能量传递方式、各个零件材料和形状尺寸以及润滑方式等进行构思、分析和计算，并将其转化为制造根据工作过程。
机械设计是机械产品生产第一步，是决定机械产品性能最重要环节，整个过程蕴涵着创新和创造。
目：为了综合运用机械原理课程理论知识，分析和解决与本课程关于实际问题，使所学知识进一步巩固和加深 。
１.２设计题目简介
课程设计名为爬杆机器人。
该机器人模仿虫蠕动形式向上爬行，其爬行运用简朴曲柄滑块机构。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），它们是实现上爬核心构造。当自锁套有向下运动趋势时，由力传递传到自锁套，球、锥管与圆杆之间形成可靠自锁，制止构件向下运动，而使其运动方向始终向上（运动示意见右图）。
１.３设计条件及设计规定
一方面拟定机器人运动机构原理及所爬行管道关于数据，制定多套运动方案。再查阅有关资料，通过精准计算，对设计题目进行创新设计和运动仿真，最后在多方面考虑下拟定一套方案并完毕整套课程设计阐明书。

２.运动方案设计
该机器人模仿动作是沿杆向上爬行，整个机构为曲柄滑块机构，并且当前所设计机器人爬行杆是圆杆。
２.１机械预期功能规定
通过电机驱动和减速，予以曲柄一种绕定轴旋转积极力，在该力驱使下带动连杆及相应自锁装置，由两个自锁套先后自锁和曲柄连杆机构带动机器人向上爬行。
２.２功能原理设计
普通状况下，一部机器需要通过电机带动一系列复杂机构使其正常运转，这其中涉及到诸多简朴且基本机械机构。固然，也可以直接通过电机带动整部机器运转，这完全取决于机器所需完毕工作以及设计该机器时所面临种种实际状况。
针对该爬杆机器人，提出了两套设计方案，分别是：由曲柄滑块机构带动和由气压元件直接驱动。
一方面，来看一下曲柄滑块机构是如何工作。
在平面连杆机构中，能绕定轴或定点作整周回转构件被称为曲柄。而通过变化平面四杆机构中构件形状和运动尺寸能将其演化为不同机构形式，就曲柄滑块机构而言，它是通过增长铰链四杆机构中摇杆长度至无穷大而演变过来。改机构事实上是由一曲柄一端铰接在机架上，另一端铰接一连杆，连杆另一端联结一滑块，在曲柄为积极件运动时带动连杆，连杆又带动滑块，使其在平面某一范畴内做直线往复运动（图１）。

另一方面是气动原理。
该运动原理与上述曲柄滑块机构相比，在保存两滑块作为自锁装置前提下，省略了联结两滑块传动装置，转而用两个汽缸直接带动两个滑块上下移动。这样设计更直接也更简洁，至于两者究竟哪个更合理呢？
２.３运动规律设计
２.３.１工艺动作分解
一方面，咱们基于曲柄滑块机构启示，想到了在曲柄与连杆两端分别铰接上两个滑块（即作为自锁套），使两个滑块分别作为机架交替上升，从而实现爬杆动作。其中上滑块与曲柄相连，相应连杆接下滑块。当机构具备向下运动趋势时，下自锁套因受到自锁机构限制而固定不动，把其受到向下力转化为向上动力，推动机构反而向上运动。
于是，咱们就把电机与曲柄固接作为驱动装置，连杆作为传动，两滑块作为自锁装置。该爬杆机器人设计装配图如图２：
那上下自锁套又是如何自锁呢？
可以做成了如图３所示形状（主视、俯视）：
图３所示两个构件，两者用铰链铰接，能使其自如地打开或收拢，再在它们套住圆杆之后用销钉在铰支端对边销住，这样以便装配和安装到圆杆上，也以便在调试过程中不断调节内部构造详细尺寸。
可这仅仅只是一种滑块，那要如何才干实现它所要起到自锁作用呢？其实很简朴，想想为什么当时要把一种原本简简朴单矩形滑块做成如上图示这样形状：套住圆杆两端多余了两个梯形状“耳朵”，并且这“耳朵”还是中空。在这中空空间里分别放置两个小球，此小球直径不大于梯形底边而不不大于梯形顶边（l梯顶<d球<l梯底）。言外之意，此小球是可以卡在这梯形空间里。这样也就形成了真正意义上自锁。
若电机固接曲柄是逆时针转动。
1）曲柄在底端转至顶端过程中，经力分析，下自锁套受到向上拉力，自锁套内两小球因重力掉至梯形底部，d球<l梯底，它将无阻碍地由连杆往上拉；与此同步，上自锁套受却是往下拉力，与上面相反，其具备向下运动趋势，内部小球脱离自锁套底部，又因d球>l梯顶，那么小球就被卡在了梯形空间中，此时由于小球被固定而使整个自锁套看作是一种机架铰接曲柄普通。（见左下图）
2）曲柄由顶端向底端逆时针转动时，上下滑块受力状况恰与第一种状况相反，下自锁套因受力自锁而被固定，此时上自锁套仍向上运动，在曲柄过最底端时又浮现了第一种状况。于是，两滑块周而复始交替向上爬。（见中下图）
在气动方面，由于没有联结用传动机构，因而直接由气动元件带动两自锁套往上移动。咱们选用两个汽缸作为重要气动元件，运用作用力与反作用力原理，由其带动上下两个自锁套分别自锁，达到机器人爬杆最后目。（见右上图）
２.３.２运动方案选取
上面所设计爬杆过程都是在抱负状况下，诸多实际因素都没有考虑进去：如摩擦力大小（即管壁与小球接触面摩擦系数），在曲柄过上下两滑块极限位置时，自锁套内由于小球在内部运动关系，自锁套所要进行向下运动位移，以及上下自锁套、曲柄和连杆质量，尚有电机功率、转动速度，汽缸推程大小、自重，所需气包容量及连接方式等等。
当前咱们结合两者利弊，着重分析一下各自优缺陷。
就采用汽缸驱动而言，它形式简朴、构造简便，从机械设计角度而言讲究尽量采用基本机构，设计机构要简朴、可靠。而汽缸则融会了上述长处，它由驱动机构直接带动两个自锁滑块，避免了两者间连接机构，精简了构件之间连接。此外，该机构具备环保等特点，它运用空气作为动力源，无污染、运动时无噪音，并且运营速度快，可以在短时间内使机器人爬到杆顶端，它还可以随身携带气包作为动力源，可以做到无线操作。
就采用曲柄滑块构造而言，它属于平面连杆机构，具备构造简朴、制造以便、运动副为低副，能承受较大载荷；但平衡困难，不易用于高速。咱们设计机构是由电机经减速直接驱动，和运用气动原理相比它多了一套传动和连接机构，但该机构运用原理简朴，设计合理，并且它不但能在自杆上爬行，更能在弯曲管道外爬行，详细示意图见下。
综上所述，可以选用“曲柄滑块机构”作为该爬杆机器人最后运动方案。
２.３.３执行机构形式设计
针对上述种种实际状况，在设计此爬杆机器人时候全面考虑各方面因素，从而拟定各构件尺寸与制造构件材料。祥见下表
机构名称
构件尺寸
所选材料
选用理由
曲柄滑块
曲柄
60mm（轴距）
2mm铝板
价格便宜、材质轻便、成型后具备时效强化性
连杆
150（轴距）
2mm铝板
价格便宜、材质轻便、成型后具备时效强化性
锥管（4个）
2mm铝板
价格便宜、材质轻便、成型后具备时效强化性
自锁机构
圆球（4个）
Φ50mm
成品橡胶球
取材以便、具备高韧性、材质轻盈

可是这样一种爬杆机构是一种封闭机构，那如何才干把机器人安装到所要爬管壁上呢？由此，设计自锁套可以多一种连接装置，在两个形状对称锥管对接处装上铰链，这样自锁套就能开合，自如地包拢住爬杆，然后在自锁零件对面接口处插上一种联结销，完整一种自锁套就套在了圆杆上。联结销形状见图4。
对于此类机构，一定摩擦力也是保证自锁发生作用核心。因而对各构件材料也是有相称规定。通过筛选，咱们决定曲柄、连杆与锥管用铝板来制造，小球材料则用橡胶。橡胶表面比较粗糙，且弹性性能较好，那么小球在自锁套作用时能卡得比较牢固，不会发生自转等打滑现象，使整个机构下滑而影响上爬效果。在自锁套需解锁时，由于橡胶具备很高韧性，它能立即恢复本来形状，不会因无法恢复形变而使下一步上爬动作失效。
２.３.4运动和动力分析
在设定了曲柄与连杆长度后，每一步机构各构件上升位移便也能自然而然地计算出来了。
当曲柄逆时针由最底端转至最顶端时，下滑块上升2倍曲柄长度位移，即120mm。同样，曲柄逆时针由最顶端转动究竟端时，上滑块也走过120mm（自锁套在自锁时下滑距离不计）。
下面就该机构运动一周状况列表作一下分析（此时曲柄处在顶端）：
曲柄旋转角（逆时针）
上自锁套运动状况
下自锁套运动状况
0°-90°
向上运动120mm
自锁（固定）
90°-180°
自锁（固定）
向上运动120mm
180°-270°
向上运动120mm
自锁（固定）
固然，这样机构绝非完美无缺。一方面，设计自锁套形状还无法适应此机构爬各种杆。若所要爬杆直径大小稍有变化，随着它变动自锁套也必要相应地变化它外伸包拢杆某些形状大小。还好是，这儿设计自锁套可以依照不同需要换取不同大小、材质小球。

上自锁套自锁，下滑块向上爬行。
下自锁套自锁，上滑块向上爬行。
２.３.5执行系统运动简图
自由度F计算：
n=3　Pl=4　Ph=0
F=3n-(2Pl+Ph)=3×3-(2×4-0)=1
3.计算内容
1.解析法

４.应用前景
５.个人小结
６.参照资料