机械创新设计范例5.ppt
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1、2021/9/231设计题目:爬杆机械猫2021/9/232爬行动画演示2021/9/233一工作原理及工艺过程模仿尺蠖(“尺蠖之屈,以求伸也”)向上爬行动作,同时伸头,摆尾.功能分解为:爬杆功能伸头功能摆尾功能2021/9/234二设计要求1.本产品属于玩具类,因此对动感效果要求高一点。2.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。3.机构的重量不宜过重,各零件大小要适中。4.本产品只是力求爬杆动作的新颖,故对于其他功能并不作太严格的要求。2021/9/235三设计方案的构思及分析(各功能的实现方案及选择)2021/9/2361.爬杆功能的实现爬行机构是简单的曲柄滑块
2、机构,其中电机与曲柄固连,驱动装置运动。上下四个自锁套是实现上爬的关键机构。当自锁套有向上运动趋势时,锥套.钢球与圆杆之间会形成可靠的自锁,使装置不下滑,而上行时自锁解除。2021/9/237爬杆机构(单侧)1.上自锁套2.电机3.曲柄4.圆杆5.连杆6.下自锁套2021/9/238自锁套结构图1.钢球2.圆杆2021/9/239动画示意(请点击)2021/9/2310爬杆运动示意简图(一)图a.为初始状态,上下自锁套处于最远极限位置同时锁紧2021/9/2311爬杆运动示意简图(二)图b状态曲柄逆时针方向转动,上自锁套锁紧,下自锁套松开,被曲柄连杆带动上爬。2021/9/2312爬杆运动示意
3、简图(三)图c状态曲柄已越过最高点,下自锁套锁紧,上自锁套松开,被曲柄带动上爬,如此周而复始,实现自动爬行。2021/9/23132.伸头功能的实现方案一由凸轮机构实现2021/9/2314方案二由平面六杆机构实现2021/9/2315方案三由平面四杆机构实现2021/9/2316(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。2021/9/23173.摆尾功能实现方案一如右图2021/9/2318方案二如右图2021/9/23194.方案分析与评价1)选择原则:所选方案是否能满足要求的性能指标,结构是否简单.紧凑,制造是否方便,成本是否低。2)经过前
4、述方案评价方法,采用价值工程法进行分析论证,确定方案伸头功能:方案一摆尾功能:方案二为最佳合理方案。2021/9/2320三.尺寸设计及整体图形2021/9/23211.整体图形2021/9/23222.运动循环图主轴转角(度)090180270360爬杆机构上自锁套自锁,下自锁套松开下自锁套自锁,上自锁套松开伸头机构伸头缩回摆尾机构左摆右摆2021/9/23233.连杆运动分析及尺寸计算设杆1作逆时针转动,且f=0时为初始位置,此时自锁套锁定,自锁套4向上滑动。故在0f180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:2021/9/2324L1=
5、50cmL2=150cme=0推出此机构u=0故此机构无急回特性。Umax=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=F,s=20-lAB 故只需求得lAB与cosf之间的关系。cosf=(lAB*lAB-200)/10*lAB 解得:cosF=lAB/10-20/lAB 10lAB20 当180f360,自锁套4自锁,自锁套3可以向上运动。此时由于压力角非常大,故曲柄不应太长,cosf=lAB/10-20/lAB lAB由10增加到20cm 2021/9/2325LAB运动分析图2021/
6、9/23264.摆尾部分尺寸设计AB为曲柄转动范围-2020度。设A点坐标(0,0),D点坐标(75,0)当AB杆从AB1转过10和30度时,CD杆转动20和60度。计算原动件AB对从动件,连架杆CD的相对位移矩阵Dr12,Dr132021/9/2327cos(10-20)-sin(10-20)1-cos20Dr12=sin(10-20)cos(10-20)sin200000.98-0.170.02=0.170.980.34000cos(30-60)sin(30-60)1-cos60Dr13=sin(30-60)cos(30-60)sin600010.870.50.5=-0.50.870.87
7、001于是B2,B3刚化反转后的位置B2B3的坐标为2021/9/2328XB2XB1YB2=Dr12*YB111XB3XB1YB3=Dr13*YB111注:如上所示都是矩阵形式2021/9/23295.齿轮尺寸齿轮数为2,模数m=1.5齿数z1=30z2=152021/9/23306.凸轮尺寸设计基圆半径r=12.6mm偏心距e=5mm从动件运动规律在0180度按余弦加速度规律上升在180200处于最高点不动在200320度按等加速等减速运动规律在320360度停留在最低点编程计算(程序见下)按计算结果画图如右:2021/9/2331凸轮计算程序(C+)#include#include#de
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