机械创新设计范例5

设计题目：爬杆机械猫2001年7月爬行动画演示2001年7月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2001年7月二设计要求•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。2001年7月三设计方案的构思及分析（各功能的实现方案及选择）2001年7月1.爬杆功能的实现•爬行机构是简单的曲柄滑块机构，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。2001年7月爬杆机构（单侧）•1.上自锁套•2.电机•3.曲柄•4.圆杆•5.连杆•6.下自锁套122001年7月自锁套结构图•1.钢球•2.圆杆2001年7月动画示意（请点击）2001年7月爬杆运动示意简图（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2001年7月爬杆运动示意简图（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。2001年7月爬杆运动示意简图（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。2001年7月2.伸头功能的实现•方案一由凸轮机构实现2001年7月•方案二由平面六杆机构实现2001年7月•方案三由平面四杆机构实现2001年7月（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。2001年7月3.摆尾功能实现•方案一•如右图2001年7月•方案二•如右图2001年7月4.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。2001年7月三.尺寸设计及整体图形2001年7月1.整体图形2001年7月2.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2001年7月3.连杆运动分析及尺寸计算•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：2001年7月•L1=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cos之间的关系。cos=(lAB*lAB-200)/10*lAB解得：cosF=lAB/10-20/lAB10lAB20当180360，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，cos=lAB/10-20/lABlAB由10增加到20cm2001年7月LAB运动分析图2001年7月4.摆尾部分尺寸设计•AB为曲柄转动范围--20~20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,Dr132001年7月cos(10-20)-sin(10-20)1-cos20•Dr12=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=-0.50.870.87001于是B2，B3刚化反转后的位置B2’B3’的坐标为2001年7月XB2XB1YB2=Dr12*YB111XB3XB1YB3=Dr13*YB111注：如上所示都是矩阵形式2001年7月5.齿轮尺寸•齿轮数为2，•模数m=1.5•齿数z1=30•z2=152001年7月6..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0~180度按余弦加速度规律上升在180~200处于最高点不动在200~320度按等加速等减速运动规律在320~360度停留在最低点编程计算（程序见下）按计算结果画图如右：2001年7月凸轮计算程序（C++）•#includeiostream.h•#includemath.h•#definee24•#definepi3.14159•#definek57.29578•voidmain()•{•doubleQ,s,p,s0,xb,yb,t,m,yc,xc,rr,dxb,dyb;•s0=76.32;rr=15;coutenterQ=;•cinQ;•2001年7月•if(Q=120)•s=Q/2-30*sin(pi*Q/60)/pi;•elseif(Q120&&Q140)•s=60;•elseif(Q=140&&Q320)•{•Q=Q-140;•s=60-Q/3+30*sin(pi*Q/90)/pi;•}•elseif(Q=320)•s=0;•p=s0+s;•xb=e*cos(Q/k)-p*sin(Q/k);•yb=e*sin(Q/k)+p*cos(Q/k);2001年7月•dxb=-e*sin(Q/k)-p*cos(Q/k);•dyb=dyb=e*cos(Q/k)-p*sin(Q/k);•t=-dxb/dyb;m=atan(t);•xc=xb-rr*cos(m);•yc=yb-rr*sin(m);•cout\nQ=Q;•cout\ns=s;•cout\np=p;•cout\nxb=xb;•cout\nyb=yb\n;•cout\nxc=xc;•cout\nyc=yc\n;•}2001年7月四.设计体会•小组成员---蔡志祥•一.本次创新设计给了我们一个把书本所学知识运用到实践的机会，同时给了我们一种自信。因为以前学的科目仅局限于在课堂听听，课后做做作业而已，平时学习的动力也很直接，为了考试。一考完，就谁也不认识谁了！学的累，没有兴趣！“学无所用！”（感觉在做无用功）但这一次并不一样，《机械原理》考试没有考到的东西，在设计中得到了应用，虽然有时很烦，又要计算又要编程序，但心里还是很开心的，因为这是我设计的！！！2001年7月•二.在设计过程中，我们充分调动自己创新意识。也许年轻人求异的心理比较强，我们先是广泛的看各种有关这方面的书，吸收前人的经验，扩宽自己的思维空间，“一定要做个与众不同的”---这是我们的追求！然后小组讨论，确定大方向-做玩具，这个相对于“压瓶机”.“切糕机”等一些常见的工业设备！也许是玩具尺寸要求可以没有必要像它们那样高，但我们还是很认真的从基本做起……爬杆又不能让让它掉下，怎么办呢？我们找了很多书，讨论了很多回，终于从一个小机构中得到了启发，引用“自锁套”，这也算是我们设计的一大创新之处！•三.在短短不到2周的时间里，也让我们明白了一个道理-----要想做成一件大事，但靠个人力量是不行的，只有团结一致，互相协调，扬长避短，才能在最短的时间里，做出最好的成绩！2001年7月•小组成员----龚志海•在经历了将近十天来的设计历程之后，我首先得为自己有了人生中第一个设计而感到高兴，但我也开始明白作为一个设计者的艰辛和所需付出的巨大的努力。一个设计的完成所要囊括的东西实在太多了，在设计中由于自己知识的不足，所设计的东西也只能局限在几个简单的机构上，不过说实的在就这几个简单的机构凑在一起让它按照自己的想法动起来也不是一件非常容易的事情，不过这次的收获的确很大。•设计刚开始时，我们心里都没有底，不知道设计什么好，凭着自己仅有的一点的机械知识，就这样勿勿的开始了，之间想过不少的方案，但可能因为这些方案过于一般化，体现不出创新的意识，所以我们没有采纳，经过一天的思考和收集资料，我们最终定下了爬杆机器人这个方案，在方案的进行过程中，我们遇到了麻烦。因为一开始2001年7月•我们设计仅仅只是一个简单的曲柄滑块机构在一根杆上作爬行动作，如何让它在爬升的过程中作其它的动作？在当然来说是我们遇到的一个最大的难题，由于机构过于简单，显然不可能在上面放些什么齿轮，连杆等。后来我们想到了用两个同样的机构平行放置，这是一个突破，因为这样我们就有了放置其他机构的空间，不过并非以后的设计就一帆风顺，因为机器人的整体都在作向上运动，而且还在进行着伸缩运动，由于这个原因我们花了不少时间在位置的设计问题上。•这次的设计让我学到了不少的东西，虽然设计中有着很多不完善的地方，但有过这一次的经历，已经是一次宝贵的财富了！！！2001年7月•小组成员----李新民经过这一次的课程设计，我们深深的意识到，日常看上去很简单的机器里面却包含了很大的学问。一台性能优良的机器是有很多很多的机构组成，这就要求每一个机构设计合理、精确。这其中让我们体会更深的是，我们所学习的基本原理在设计中的重要性。压力角的计算、连杆机构的运动特性和规律……一点的计算错误就会使我们的机构瘫痪下去，成为一堆2001年7月经过这一次的课程设计，我们深深的意识到，日常看上去很简单的机器里面却包含了很大的学问。一台性能优良的机器是有很多很多的机构组成，这就要求每一个机构设计合理、精确。这其中让我们体会更深的是，我们所学习的基本原理在设计中的重要性。压力角的计算、连杆机构的运动特性和规律……一点的计算错误就会使我们的机构瘫痪下去，成为一堆废铁。而这必须需要我们扎实的基本功，才不至于在设计中出现错误，使我们更快更好的设计。所以，我们必须重视基本原理的学习。2001年7月同时，我们每个人都意识到一个人的智力是多么有限。在这一次的设计我们准备用FLASH表达一个实体动画，但是我们其中没有一个人精通。最后，在我们的齐心协力下终于做成功。虽然表达的不是很好，但是我们明白了集体得力量是无穷的！