機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)小論文

設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)題目：爬桿機(jī)械貓。主要機(jī)械系統(tǒng)為曲柄連桿機(jī)構(gòu)。因此保證機(jī)器人能順利完成爬桿的功能，并在上升時(shí)完成伸頭以及擺尾的動(dòng)作。設(shè)計(jì)特點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)搜集同類設(shè)計(jì)通過比擬可知，普通爬桿機(jī)器人是在直桿上爬行，原理圖如下所示，而我本次設(shè)計(jì)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為彎桿，與同類爬行機(jī)器人相比，我本次設(shè)計(jì)的爬行機(jī)器人不但能在直桿上爬行，并能在彎桿上爬行，極大的提高了爬行機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)合。3.運(yùn)動(dòng)原理與功能模塊劃分我們此次做的課程設(shè)計(jì)名為爬桿機(jī)器人。該機(jī)器人模仿蟲蠕動(dòng)的形式向上爬行，其爬行運(yùn)用簡單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。其中電機(jī)與曲柄固接，驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)。曲柄與連桿鉸接，其另一端分別鉸接一自鎖套〔即上下兩個(gè)自鎖套〕，它們是實(shí)現(xiàn)上爬的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。當(dāng)自鎖套有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，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(yùn)動(dòng)，而使其運(yùn)動(dòng)的方向始終向上〔運(yùn)動(dòng)示意見右圖〕。功能模塊：爬桿功能、伸頭功能、擺尾功能。設(shè)計(jì)方案主要分為：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和氣功驅(qū)動(dòng)兩種形式。4.設(shè)計(jì)方案的分析、比擬與評(píng)價(jià)通常情況下，一部的機(jī)器需要通過電機(jī)帶動(dòng)一系列復(fù)雜的機(jī)構(gòu)使其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這其中涉及到很多簡單且根本的機(jī)械機(jī)構(gòu)。當(dāng)然，也可以直接通過電機(jī)帶動(dòng)整部機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)，這完全取決于機(jī)器所需完成的工作以及設(shè)計(jì)該機(jī)器時(shí)所面臨的種種實(shí)際情況。針對(duì)該爬桿機(jī)器人，提出兩套設(shè)計(jì)方案，分別是：由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)和由氣壓元件直接驅(qū)動(dòng)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)工作原理如下：在平面連桿機(jī)構(gòu)中，能繞定軸或定點(diǎn)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(jī)構(gòu)中構(gòu)件的形狀和運(yùn)動(dòng)尺寸能將其演化為不同的機(jī)構(gòu)形式，就曲柄滑塊機(jī)構(gòu)而言，它是通過增加鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中搖桿的長度至無窮大而演變過來的。改機(jī)構(gòu)實(shí)際上是由一曲柄一端鉸接在機(jī)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(dòng)件運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)連桿，連桿又帶動(dòng)滑塊，使其在平面某一范圍內(nèi)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)〔圖1〕。其次是氣動(dòng)的原理：該運(yùn)動(dòng)原理與上述的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)相比，在保存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(dòng)裝置，轉(zhuǎn)而用兩個(gè)汽缸直接帶動(dòng)兩個(gè)滑塊的上下移動(dòng)。這樣的設(shè)計(jì)更直接也更簡潔，至于兩者到底哪個(gè)更合理呢？現(xiàn)在我們結(jié)合兩者的利弊，著重分析一下各自的優(yōu)缺點(diǎn)：就采用汽缸驅(qū)動(dòng)而言，它形式簡單、結(jié)構(gòu)簡便，從機(jī)械設(shè)計(jì)角度而言講究盡量采用根本機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)要簡單、可靠。而汽缸那么融會(huì)了上述的優(yōu)點(diǎn)，它由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)直接帶動(dòng)兩個(gè)自鎖滑塊，防止了兩者間的連接機(jī)構(gòu)，精簡了構(gòu)件之間的連接。此外，該機(jī)構(gòu)具有環(huán)保等特點(diǎn)，它利用空氣作為動(dòng)力源，無污染、運(yùn)動(dòng)時(shí)無噪音，而且運(yùn)行速度快，可以在短時(shí)間內(nèi)使機(jī)器人爬到桿的頂端，它還能夠隨身攜帶氣包作為動(dòng)力源，可以做到無線操作。就采用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)而言，它屬于平面連桿機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運(yùn)動(dòng)副為低副，能承受較大載荷；但平衡困難，不易用于高速。我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)是由電機(jī)經(jīng)減速直接驅(qū)動(dòng)的，和利用氣動(dòng)原理相比它多了一套傳動(dòng)和連接機(jī)構(gòu)，但該機(jī)構(gòu)運(yùn)用的原理簡單，設(shè)計(jì)合理，而且它不僅能在自桿上爬行，更能在彎曲的管道外爬行，具體的示意圖見下。綜上所述，選取“曲柄滑塊機(jī)構(gòu)”作為該爬桿機(jī)器人的最終運(yùn)動(dòng)方案?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.1伸頭功能的實(shí)現(xiàn)方案一：由凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)：方案二：由平面六桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案三：由平面四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)伸頭動(dòng)力傳輸：齒輪1固連在曲柄上，由電機(jī)帶動(dòng)，齒輪1與齒輪2外嚙合，齒輪3與齒輪2同軸。擺尾功能實(shí)現(xiàn)：方案一：如下列圖方案二：如下列圖執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡圖：自由度F的計(jì)算：n=3Pl=4Ph=0F=3n-(2Pl+Ph)=3×3-(2×4-0)=16.結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)6.1自鎖套結(jié)構(gòu)圖6.2自鎖套連桿運(yùn)動(dòng)分析如下圖，設(shè)桿1作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，且?=0時(shí)為初始位置，此時(shí)自鎖套鎖定，自鎖套4向上滑動(dòng)。故在0<?<180之間，可看成以桿3為曲柄，桿2為連桿，自鎖套4為滑塊的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)就這一過程作出分析：L1=50cmL2=150cme=0故此機(jī)構(gòu)無急回特性。Ymax=arcsin(50/150)=19.5因?yàn)榇藱C(jī)構(gòu)并非大功率機(jī)構(gòu)，故最大壓力角符合要求。下面計(jì)算曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度和滑塊位移的關(guān)系：設(shè)a=0，s=0；a=?，s=20-LAB故只需求得LAB與cos?之間的關(guān)系。cos?=〔LAB*LAB-200〕/10*LAB解得：cos?=LAB/10-20/LAB10<LAB<20當(dāng)180<?<360,自鎖套4自鎖自鎖套3可以向上運(yùn)動(dòng)。此時(shí)由于壓力角非常大，故曲柄不應(yīng)太長，cos?=LAB/10-20/LABLAB由10增加到20cm。方案的可行性與市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)該機(jī)器人運(yùn)用了簡單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，原動(dòng)力采用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，兩者在選材上都很方便，而且我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)選用了材質(zhì)較為輕盈的鋁材作為結(jié)構(gòu)材料，減輕了該機(jī)器人的重量，使其更大效率的發(fā)揮電機(jī)的功率，提高了機(jī)器人的爬行速度。此外，該爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)方便了操作人員安裝到圓桿上和調(diào)試，對(duì)于在調(diào)試過程中遇到的問題也可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的情況做出及時(shí)、相應(yīng)的修改。而且，我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人不僅能在直桿外爬行，更能適應(yīng)不同彎曲度的圓桿對(duì)我們機(jī)器人的挑戰(zhàn)，正是由于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的合理應(yīng)用，我們的機(jī)器人才可以在提高機(jī)械運(yùn)動(dòng)效率的前提下克服不同彎曲度的圓桿，使其像爬直桿一樣爬行過彎曲的管道。設(shè)計(jì)總結(jié)創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂，是國家興旺的不竭動(dòng)力。一個(gè)國家的創(chuàng)新能力，決定了它在國際競(jìng)爭和世界總格局的地位，所以我國正在為創(chuàng)立一個(gè)國家創(chuàng)新體系而努力。作為一門比擬開放的學(xué)科，我抱著好奇和求知的目的，選擇了這門課程，在老師的帶著下，比擬完整的學(xué)完了本次課程。作為對(duì)這次課程的考察，我們需要設(shè)計(jì)一份產(chǎn)品。而我設(shè)計(jì)了一個(gè)爬行機(jī)器人，本次設(shè)計(jì)巧妙，在同行產(chǎn)品中，一般的爬桿機(jī)器人只能沿著直桿爬行，而這次設(shè)計(jì)用最精簡的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了彎桿爬桿的功能，且能實(shí)現(xiàn)各種靈活的動(dòng)作，較適合制作為玩具。至于其他方面的實(shí)用性，這種爬行機(jī)器人的實(shí)用性也是可以應(yīng)用得非常廣泛的。例如：作為工業(yè)大國，在不久前，我們國家同俄羅斯簽訂300億美元的天然氣訂單，這些石油主要靠管道運(yùn)輸?shù)街袊?。然而，這樣浩大的工程，所需管道也是一項(xiàng)巨大的工程。如果靠人工來維修將是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)，如果把這次設(shè)計(jì)進(jìn)一步修改后，就可以應(yīng)用到管道維修，它發(fā)揮的作用將是不可低估的。當(dāng)然，這樣的機(jī)構(gòu)絕非完美無缺的。首先，設(shè)計(jì)的自鎖套的形狀還無法適應(yīng)此機(jī)構(gòu)爬各種桿。假設(shè)所要爬的桿直徑大小稍有變化，隨著它的變化自鎖套也必須相應(yīng)地改變它外伸包攏桿局部的形狀大小。但是，我們?cè)O(shè)計(jì)的自鎖套可以根據(jù)不同需要換取不同大小、材質(zhì)的小球。無法完成大載荷的爬桿運(yùn)動(dòng)；且各零件的尺寸要大小適宜。在未來，這類的爬行機(jī)器人改良的地方主要有以下幾個(gè)方面：首先，是材料的改良。設(shè)計(jì)的機(jī)器人可能會(huì)在一些惡劣環(huán)境的工作，如高溫，高輻射，高壓等條件下，目前的材料還不能滿足這樣要求。所以，在材料這一塊還有很大的開展空間。其次，設(shè)計(jì)的全面性。以最近的探月機(jī)器人“玉兔號(hào)”為例，雖然在設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮了很多的問題，也經(jīng)歷了大量的實(shí)驗(yàn)，最后成功發(fā)射到月球上，但“玉兔”號(hào)最后還是沒能完成預(yù)定的目標(biāo)。這次經(jīng)歷告訴我們，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品要同實(shí)際環(huán)境相結(jié)合，這樣才能滿足實(shí)用性。當(dāng)然，還有其他的一些可以改良的方面，如改良爬桿機(jī)器人使其能在管道內(nèi)爬行等等。參考文獻(xiàn)[1]張春林等.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.[2]廖漢元孔建益等.武漢：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.[3]肖立，佟仕忠等.爬壁機(jī)器人的現(xiàn)狀與開展[J].機(jī)器人，1999,21〔2〕：148-155.[4]劉淑霞等.爬行機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)