(論文)機(jī)械原理課程設(shè)計(jì) 機(jī)器螃蟹最新優(yōu)秀畢業(yè)論文資料搜集嘔血奉獻(xiàn)

機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)說明書機(jī)器螃蟹 目錄一、背景資料.4二、設(shè)計(jì)分析.5三、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).6 3.1 蟹腿的設(shè)計(jì).6 3.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)13 3.3 上下機(jī)架的設(shè)計(jì).143.4 傳動鏈設(shè)計(jì).16四、零件的設(shè)計(jì).21 五、Unigraphics NX軟件運(yùn)動仿真.23 六、方案的比較.27七、心得體會.30摘要 我們組設(shè)計(jì)的是一個六足機(jī)械螃蟹。此機(jī)械螃蟹由一個電機(jī)驅(qū)動，完全由機(jī)械結(jié)構(gòu)控制，可以實(shí)現(xiàn)橫向爬行、行進(jìn)中左右轉(zhuǎn)向及原地轉(zhuǎn)向，并且可以適應(yīng)多種路面狀況，有較強(qiáng)的適應(yīng)性、穩(wěn)定性。本文將首先對自然中螃蟹的結(jié)構(gòu)以及行走方式進(jìn)行分析、研究，然后提出總體的設(shè)計(jì)方案，再對機(jī)械螃蟹各個機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)方案、制作方法和Unigraphics NX軟件仿真展開詳細(xì)的介紹，最后對機(jī)械螃蟹做出總結(jié)、評價與比較。關(guān)鍵詞：機(jī)械螃蟹，設(shè)計(jì)，Unigraphics仿真一、 背景資料一般的動物，身體都分成頭、胸、腹三部份，而螃蟹的頭部和胸部愈合在一起，稱為頭胸部。腹部退化，反折緊貼在頭胸部的下方。頭胸和腹部外面都包著硬硬的外殼，動物學(xué)家通稱牠們?yōu)榧讱ゎ?。螃蟹總共有五對腳，牠們的共同特征是：有關(guān)節(jié)性附肢、外骨骼和十只腳。因此，動物學(xué)家在分類時將牠們歸入動物界的節(jié)肢動物門、甲殼綱、十腳目。背甲是螃蟹外殼的一部份，它蓋在頭胸部的外面，所以又稱為頭胸甲。而蓋在腹部的外殼叫做腹甲。螃蟹大都有一對像鉗子一樣的大腳，我們稱為螯，主要用于捕食和防御。其它的是四對朝著左右兩側(cè)伸出的是用于步行的步足。對于很多螃蟹來說，最后的那對步足已經(jīng)演化為用于水中劃行的劃行足，只有中間的三對步足起主要爬行作用。螃蟹的步足由七個小節(jié)組成，可以看到螃蟹的足每兩節(jié)的外骨骼之間有光滑柔軟的薄膜相連，里面沒有可供轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)，只有一條條肌肉束與外骨骼相連接。當(dāng)節(jié)間肌肉伸縮時，依靠節(jié)間膜的彈性只能使足的各節(jié)產(chǎn)生上下方向的動作而不能前后轉(zhuǎn)動，它由一側(cè)足尖的爪節(jié)向下彎曲，抓住地面，再用另一側(cè)的足尖向外伸直，支撐住身體，推動身體前進(jìn)。但是螃蟹為什么總是橫著爬呢？一種說法認(rèn)為，以前的螃蟹是依靠地磁場來判斷方向的，在地球形成以后的漫長歲月中，地磁南北極已發(fā)生多次倒轉(zhuǎn)。地磁極的倒轉(zhuǎn)使許多生物無所適從，甚至造成滅絕。螃蟹是一種古老的回游性動物，它的內(nèi)耳有定向小磁體，對地磁非常敏感。由于地磁場的倒轉(zhuǎn)，使螃蟹體內(nèi)的小磁體失去了原來的定向作用。為了使自己在地磁場倒轉(zhuǎn)中生存下來，螃蟹采取“以不變應(yīng)萬變”的做法，干脆不前進(jìn)，也不后退，而是橫著走。從生物學(xué)的角度看，蟹的胸部左右比前后寬，八只步足伸展在身體兩側(cè)，它的前足關(guān)節(jié)只能向下彎曲，這些結(jié)構(gòu)特征也使螃蟹只能橫著走。 二、 設(shè)計(jì)分析a) 設(shè)計(jì)要求：全機(jī)械結(jié)構(gòu)控制，利用一個電驅(qū)動動各類齒輪、連桿等機(jī)構(gòu)運(yùn)動，能夠?qū)崿F(xiàn)整個蟹身的橫向移動和轉(zhuǎn)向運(yùn)動。做到結(jié)構(gòu)簡單緊湊，運(yùn)動靈活可靠、合理有效，盡量模仿實(shí)物運(yùn)動過程，并應(yīng)考慮到制造工藝要求、材料強(qiáng)度等因素，使方案真實(shí)合理，可實(shí)際執(zhí)行。具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將在下面的設(shè)計(jì)部分給出。b) 設(shè)計(jì)中，所有齒輪均采用標(biāo)準(zhǔn)備參數(shù)，各連桿、槽輪、機(jī)架等結(jié)構(gòu)均根據(jù)工件制造加工工藝及材料強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)。c) 設(shè)計(jì)方案簡介：經(jīng)過一些資料的分析和對其他機(jī)械螃蟹結(jié)構(gòu)的考察，并對各種方案進(jìn)行分析比較，我們最終決定設(shè)計(jì)一個六足的機(jī)械螃蟹。該螃蟹在一個電機(jī)驅(qū)動下可以實(shí)現(xiàn)橫向爬行、行進(jìn)中左右轉(zhuǎn)向及原地轉(zhuǎn)向，且可適應(yīng)多種路面狀況，有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。三、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)31蟹腿的設(shè)計(jì)：單獨(dú)對一條蟹腿的運(yùn)動進(jìn)行研究，易知在螃蟹邁進(jìn)的時候，足尖抓地，帶動蟹身前行，在運(yùn)動到極限位置時則需抬起回復(fù)，為下一次邁進(jìn)做準(zhǔn)備。所以相對于蟹身，單條腿的運(yùn)動軌跡應(yīng)大致為如下曲線：若單純采用連桿機(jī)構(gòu)來直接實(shí)現(xiàn)該軌跡，將使得機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，降低了機(jī)構(gòu)的可靠度。若采用了這樣的機(jī)構(gòu)（如右圖所示一類機(jī)構(gòu)），即把整條腿的運(yùn)動功能由一組連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，易知，自然中的螃蟹是可以在原地抬腿的，而此機(jī)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)單獨(dú)抬腿或邁腿的功能。而且在整個行進(jìn)過程中，連桿機(jī)構(gòu)都要提供支撐整個蟹身的力，這樣會使得電機(jī)始終要提供一個很大的力，甚至有可能使電機(jī)無法負(fù)荷，一旦失去電機(jī)供力，為了保持蟹身的平穩(wěn)，則需要另外加入固定裝置，使機(jī)構(gòu)更加復(fù)雜，進(jìn)一步降低了可靠性。經(jīng)分析，對蟹身的支撐作用僅發(fā)生在小腿接觸地面的過程中，而此時大腿可保持不動，聯(lián)想到人類的走路方式，肌肉僅提供抬腿時所需的力，而支撐身體則主要由關(guān)節(jié)的“死點(diǎn)”位置來實(shí)現(xiàn)。所以我們在蟹腿中也引入一個類似“死點(diǎn)”的機(jī)構(gòu)，便可大大減輕電機(jī)的負(fù)荷，提高機(jī)構(gòu)的可靠性與合理性，同時把該曲線簡化分解為蟹腿的擺動與抬落這兩個單一的運(yùn)動，更加符合實(shí)際蟹腿的運(yùn)動情況，也降低了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度。 經(jīng)過反復(fù)研究比較，我們把蟹腿簡化為如下圖所示的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，將蟹腿結(jié)構(gòu)中對行走起主要作用的肢節(jié)簡化為大腿和小腿，大腿完成抬腿功能（由圖中連桿1和2與偏心輪2共同實(shí)現(xiàn)），小腿完成擺動功能。其中，連桿1和2在圖示位置中正好構(gòu)成所需的“死點(diǎn)”，使大腿保持不動。下面具體分析蟹腿的運(yùn)動以確定驅(qū)動機(jī)構(gòu)：首先設(shè)定蟹腿每2秒爬行一步，即小腿完成一次伸展、收回運(yùn)動，小腿擺動的幅度設(shè)為60度。大腿上抬的不需要太大，且為了使電機(jī)驅(qū)動抬腿的力盡量小，支點(diǎn)的位置離連桿1較遠(yuǎn)。進(jìn)一步分析，在小腿收回過程中，偏心輪1運(yùn)動180度，大腿則要完成抬和落兩個動作，所以偏心輪2需要運(yùn)動360度，兩者傳動關(guān)系為1:2。而同時，根據(jù)運(yùn)動循環(huán)圖，大腿的運(yùn)動是間歇的，所以與偏心輪2相連的機(jī)構(gòu)必須具有間歇周期，且在大腿的“死點(diǎn)”位置能將偏心輪2卡住保持不動。經(jīng)過努力，我們找到了能完成此功能的槽輪機(jī)構(gòu)，并確定槽輪槽數(shù)為4，圓銷數(shù)為2且夾角為90度，機(jī)構(gòu)如下圖：有了如此的思路后，我們便開始了機(jī)構(gòu)的繪制。首先我們統(tǒng)一將所有的中心孔直徑定為1.5mm，小齒數(shù)齒輪厚2mm，大齒數(shù)齒輪厚1mm，小腿長50mm，寬3mm，厚3mm，大腿長60mm，寬3mm，厚2mm，為了避免鉸鏈處產(chǎn)生力偶，我們均將鉸鏈設(shè)計(jì)為外包的形式，如右圖：然后我們分別設(shè)計(jì)了兩腿的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，小腿的擺動如左下圖：圖中偏心輪1的齒數(shù)為30齒。大腿的擺動則相對復(fù)雜些，如上圖（右）（圖中槽輪部分與原先不同，將在下面說明）：圖中大齒輪與小齒輪傳動比為1:2，即槽輪的單次工作行程為180度，此時大腿完成一次抬落，即小齒輪轉(zhuǎn)360度，由此得到該傳動比。我們設(shè)定螃蟹2秒爬行一步，即小腿完成一個往復(fù)擺動，所以偏心輪1為180度/秒，由大小腿關(guān)系易知槽論撥盤也為180度/秒。同時我們?yōu)樾吠扰c蟹身的固結(jié)設(shè)計(jì)了機(jī)架，并根據(jù)傳動比設(shè)計(jì)了相互間的傳動齒輪，結(jié)合右圖作以說明：因偏心齒輪為30齒，與撥盤雙聯(lián)的齒輪（簡稱撥盤齒輪）帶動撥盤與偏心輪1同速轉(zhuǎn)動，根據(jù)機(jī)架位置，我們設(shè)計(jì)了齒數(shù)為20和18的雙聯(lián)齒輪，撥盤齒輪為27齒，即20齒齒輪與偏心輪1嚙合，18齒齒輪（圖中被20齒齒輪遮?。┡c撥盤齒輪嚙合，以實(shí)現(xiàn)偏心輪1與撥盤同速轉(zhuǎn)動。在運(yùn)動仿真中，我們發(fā)現(xiàn)了新的問題，該腿的下一時刻動作為離地抬腿，由于槽輪運(yùn)動非并勻速，所以使得小腿伸展時，大腿還沒抬起來，小腿收回帶動螃蟹爬行時，大腿還沒落下，所以我們將運(yùn)動循環(huán)圖修改如下：經(jīng)過調(diào)試，我們將大腿的動作周期修改為不連續(xù)，抬和落分別提前和滯后了15度，使得下一刻蟹腿能很快的抬起來并即時回落。同時槽輪機(jī)構(gòu)中的撥盤改為如圖所示，即兩圓銷夾角為120度，同時調(diào)好撥輪與槽輪的初始位置。我們完成了一條蟹腿的設(shè)計(jì)，附上整圖供參考。（如右圖）考慮了螃蟹的初始位置及腿的相互協(xié)調(diào)運(yùn)動，我們將六條腿分為兩組，一組編號為：l-d-m，l-d-a，l-d-b，一組編號為：l-u-m，l-u-a，l-u-b。以下是六條腿的運(yùn)動循環(huán)圖，圖中黑色虛線為螃蟹裝配時的初始位置。由以上運(yùn)動循環(huán)圖可知，兩組腿共四種情況，一種為上述設(shè)計(jì)的初始位置，為即將抬腿向行進(jìn)方向邁進(jìn)，對應(yīng)編號為l-u-a，l-u-b；一種為大腿保持不動，小腿收回，帶動螃蟹爬進(jìn)的腿，對應(yīng)編號為l-d-m；一種為大腿保持不動，小腿伸展，推動螃蟹行進(jìn)的腿，對應(yīng)編號為l-d-a，l-d-b；另一種為即將抬腿，小腿收回跟隨螃蟹運(yùn)動，對應(yīng)編號為l-u-m。示意圖如下：根據(jù)初始位置不同，只需將已完成的腿做出相應(yīng)調(diào)整即可，下面給出l-d-m的獲得過程，其他位置同理可得：首先將小腿擺過60度，相應(yīng)偏心輪1轉(zhuǎn)動180度，大腿部分撥盤順時針轉(zhuǎn)135度，并將槽輪與之嚙合即可。如下圖：至此，所有腿都已設(shè)計(jì)完畢。32轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：螃蟹的轉(zhuǎn)向是一個很復(fù)雜的過程。我們分析了多種方案，如果用腿部動作來實(shí)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)時序都十分復(fù)雜，而且轉(zhuǎn)向過程中機(jī)械螃蟹身體很不穩(wěn)定。再加上我們的螃蟹被限定為由一個電機(jī)驅(qū)動、全機(jī)械結(jié)構(gòu)控制，這樣會使得螃蟹的機(jī)械控制結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，而且意義也不大，因?yàn)閷?shí)際中這樣的復(fù)雜運(yùn)動都是要用到機(jī)電控制的。為了簡化機(jī)構(gòu)，提高螃蟹運(yùn)行時的可靠性、穩(wěn)定性，我們決定采用其他方法來實(shí)現(xiàn)螃蟹的轉(zhuǎn)向。聯(lián)想到現(xiàn)實(shí)中的某種重型起重機(jī)的前向爬行機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)是將起重機(jī)下盤分為兩層，每層交替和地面接觸、抬高并前移來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)的。由此，我們受到很大啟發(fā)，我們把螃蟹的身體也分為上下兩層機(jī)架，如圖，六條腿分成兩組，分別固定在兩層機(jī)架上, u組腿（l-u-m,l-u-a,l-u-b）固定在上機(jī)架上，d組腿（l-d-m,l-d-a,l-d-b）固定在下機(jī)架上。兩層機(jī)架可以繞著中心軸做小幅轉(zhuǎn)動，當(dāng)下機(jī)架的腿抓地時，上機(jī)架的腿抬起，同時，上機(jī)架繞中心軸做一個10度的轉(zhuǎn)動，然后放下腿，讓腿抓地，這時，下機(jī)架的腿抬起來，同時下機(jī)架繞中心軸向剛才的方向再轉(zhuǎn)10度，然后放下腿抓地。如此往復(fù)，螃蟹就可以完成轉(zhuǎn)向動作了。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：以地面為參考，若螃蟹右轉(zhuǎn)時，兩層機(jī)架都是向右轉(zhuǎn)動的，但是，驅(qū)動電機(jī)必然是與某一層機(jī)架固定的，所以設(shè)計(jì)時應(yīng)該研究的是兩層機(jī)架的相對轉(zhuǎn)動，假設(shè)電機(jī)固定在下機(jī)架上，螃蟹右轉(zhuǎn)時，若上機(jī)架先相對于地面向右轉(zhuǎn)了10度（此時下機(jī)架抓地，即上機(jī)架相對于下機(jī)架也是向右轉(zhuǎn)的），然后上機(jī)架放下腿，讓腿抓地，下機(jī)架的腿抬起來，同時下機(jī)架繞中心軸相對于地面向右再轉(zhuǎn)10度，注意，此時下機(jī)架相對于上機(jī)架仍是向右轉(zhuǎn)的，由運(yùn)動的相對性可知，上機(jī)架相對于下機(jī)架是向左轉(zhuǎn)的。這樣就可以看出，如果我們以下機(jī)架為參考，上機(jī)架相對于下機(jī)架先是向右轉(zhuǎn)，再是向左轉(zhuǎn)，如此往復(fù)。即上機(jī)架相對于下機(jī)架做的是往復(fù)擺動。經(jīng)過多種方案比較，我們決定采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)上機(jī)架的往復(fù)擺動。機(jī)構(gòu)簡圖如圖所示（俯視圖）：上、下機(jī)架通過中心軸連接在一起（為了表達(dá)清楚，圖中未直接畫出），搖桿是與上機(jī)架固結(jié)的，曲柄轉(zhuǎn)動使搖桿往復(fù)擺動，從而使上機(jī)架往復(fù)擺動。為了使搖桿來回?cái)[動的時間是一樣的，必須消除機(jī)構(gòu)的急回特性。使偏心輪的中心與搖桿擺動弧線的弦線共線即可消除。做好的螃蟹轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)如下圖所示。曲柄已設(shè)計(jì)成為偏心輪，鉸接在下機(jī)架上，曲柄由下面的齒輪來傳遞動力，這個齒輪設(shè)計(jì)為雙聯(lián)滑移齒輪，通過齒輪的滑移來決定是否與動力齒輪輪嚙合，從而控制螃蟹的轉(zhuǎn)停。曲柄轉(zhuǎn)動使上機(jī)架繞中心軸做往復(fù)擺動。若機(jī)構(gòu)處在圖示位置時，則下一狀態(tài)曲柄將帶動上機(jī)架相對于下機(jī)架繞中心軸向右轉(zhuǎn)動，如果此時d組腿抓地，即下機(jī)架與地面保持靜止，這時上機(jī)架相對地向右轉(zhuǎn)動，由前面的分析可知螃蟹將一直向右轉(zhuǎn)。如果前述初始位置時u組腿抓地，即上機(jī)架與地面保持靜止，這時下機(jī)架相對上機(jī)架向左轉(zhuǎn)動，由前面的分析可知螃蟹將一直向左轉(zhuǎn)?？梢婓π忿D(zhuǎn)動方向取決于轉(zhuǎn)動前抓地的腿，這樣就可以通過適時地控制滑移齒輪來控制螃蟹的轉(zhuǎn)動方向。33上下機(jī)架的設(shè)計(jì)上下機(jī)架不僅要有轉(zhuǎn)向功能，還要有腿的固定、支撐功能，以及各條腿的動力傳動功能。腿的固定、支撐結(jié)構(gòu)要有一定的剛度、強(qiáng)度，以保證腿能平穩(wěn)地支撐機(jī)架；機(jī)架同時還要保證各條腿之間的相對位置，使各條腿能協(xié)調(diào)運(yùn)動完成行進(jìn)動作；機(jī)架還要保證在轉(zhuǎn)向時各條腿不要碰到；最后，機(jī)架的結(jié)構(gòu)還要便于各條傳動鏈的布置。上、下機(jī)架結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：上機(jī)架 下機(jī)架 下機(jī)架34傳動鏈設(shè)計(jì)341.主軸傳動鏈。電機(jī)：螃蟹是由1個電機(jī)來驅(qū)動的，電機(jī)參數(shù)直接決定了傳動的結(jié)構(gòu)，為此我們對電機(jī)作了一個簡單的調(diào)查：品牌XXXXX產(chǎn)品類型有刷直流電動機(jī)型號WZY-131額定功率0.02（kW）額定電壓1.2（V）額定轉(zhuǎn)速10000（rpm）外形尺寸19.5*12*9.5（mm）WZY一131型玩具電動機(jī)的性能列表電 壓空 載負(fù) 載制動力矩(克厘米）使用電壓范圍（伏）測試電壓（伏）轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)電流（安）轉(zhuǎn)速（安）電流（安）力矩(克厘米)功率（瓦）1.5-3.01.576000.2752000.716. 50.320.61.5-3.03100000.3475001100. 9632.5根據(jù)情況，我們采用了轉(zhuǎn)速為7500轉(zhuǎn)/分的電機(jī)，即125轉(zhuǎn)/秒。由于電機(jī)只有一個，而要把運(yùn)動傳到六條腿上，而且這六條腿之間的相對位置還會因?yàn)樾飞淼霓D(zhuǎn)動而變化，考慮到轉(zhuǎn)動時，六條腿也是跟著機(jī)架一起繞著中心軸轉(zhuǎn)動的，腿和中心軸的位置是不變的，所以把中心軸定為傳動主軸可以大大簡化傳動機(jī)構(gòu)，并使得機(jī)構(gòu)更加可靠。減速器：聯(lián)系到前面腿的擺動速度，可把主軸速度設(shè)定為1轉(zhuǎn)/秒，而電機(jī)是125轉(zhuǎn)/秒，所以需要提供125倍的傳動比?？紤]各種減速機(jī)構(gòu)，行星輪系雖然傳動比很大，但是效率太低，幾乎不能用于給蟹腿大功率傳動，渦輪蝸桿則由于摩擦大、發(fā)熱大也被排除，最后，我們決定用齒輪機(jī)構(gòu)來變速。由于蟹身比較小，我們決定采用模數(shù)為0.5的小模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)齒輪，電擊主軸串聯(lián)一個8齒的齒輪，如果與一個40齒的齒輪嚙合，則可達(dá)到5倍的變速，再用一個8齒的齒輪與40齒的齒輪雙聯(lián)，就可進(jìn)行下一級變速。據(jù)此，畫機(jī)構(gòu)簡圖如下：傳動比主軸轉(zhuǎn)速： 轉(zhuǎn)/秒安裝好的減速機(jī)構(gòu)如圖所示：342轉(zhuǎn)向傳動鏈轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)里的偏心輪雙聯(lián)一個30齒的齒輪（即前文所述雙聯(lián)滑移齒輪），并與主軸上15齒的齒輪嚙合，即可將動力傳至偏心輪（即曲柄），同時使偏心輪轉(zhuǎn)速為2轉(zhuǎn)/秒。因?yàn)橥忍鸬臅r間是 1秒，抓地的時間也是1秒，所以機(jī)架一次轉(zhuǎn)動時間應(yīng)該與抬腿時間一樣，即也是1秒，由于是交替進(jìn)行的，曲柄轉(zhuǎn)一周，搖桿來回?cái)[動兩次，所以因該使曲柄的轉(zhuǎn)速為2轉(zhuǎn)/秒。裝配效果如圖：343下機(jī)架蟹腿傳動鏈由于電機(jī)是固定在下機(jī)架上的，在轉(zhuǎn)向時，電機(jī)與下機(jī)架蟹腿是保持相對位置不變的，所以傳動鏈比較簡單。但是傳動鏈除了傳動以外，還應(yīng)該有合理的空間結(jié)構(gòu)，下機(jī)架傳動鏈因該盡量貼近下機(jī)架，使螃蟹的底盤盡量遠(yuǎn)離地面，以免在凹凸不平的地面上行走時蹭到地面；同時傳動鏈結(jié)構(gòu)還因該盡量緊湊，以便于其他機(jī)構(gòu)的布置，并保證整體外形的美觀。傳動鏈機(jī)構(gòu)簡圖如圖所示：主軸上的錐齒輪與下機(jī)架水平軸上的錐齒輪嚙合，使轉(zhuǎn)動方向在豎直面內(nèi)改變90度，下機(jī)架水平軸上再與蟹腿傳動齒輪軸以錐齒輪嚙合，方向在水平面內(nèi)改變90度，與蟹腿齒輪方向一致，此時即可用直齒圓柱齒輪進(jìn)行嚙合。裝配效果見下頁圖：344上機(jī)架蟹腿傳動鏈由于電機(jī)是固定在下機(jī)架上的，在轉(zhuǎn)向時，下機(jī)架與上機(jī)架之間有相對轉(zhuǎn)動，所以電機(jī)與上機(jī)架之間也有相對轉(zhuǎn)動，也就是說，電機(jī)與上機(jī)架蟹腿是有相對運(yùn)動的，這樣，轉(zhuǎn)向與不轉(zhuǎn)向時，電機(jī)與上機(jī)架蟹腿之間的傳動比是不一樣的，而這是不允許的，可在主軸與上機(jī)架之間設(shè)計(jì)一個差動輪系來消除這種變化。機(jī)構(gòu)簡圖及裝配效果如圖：差動輪系中，頂部的的錐齒輪再雙聯(lián)一個與之背靠背的錐齒輪，這個錐齒輪再與水平軸上的錐齒輪嚙合，使轉(zhuǎn)動方向在豎直面內(nèi)改變90度，這樣就蟹腿齒輪方向一致，此時即可用直齒圓柱齒輪進(jìn)行嚙合。上機(jī)架的傳動鏈更應(yīng)該保證緊湊，以免上機(jī)架轉(zhuǎn)動時打到下機(jī)架的部件。傳動鏈簡及裝配效果如圖所示：經(jīng)過精心設(shè)計(jì)、反復(fù)嘗試上下傳動鏈都很好地達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，同時，整體結(jié)構(gòu)也比較緊湊，與螃蟹的外形比較接近：四、 零件的設(shè)計(jì)整個螃蟹的設(shè)計(jì)中，用得最多的便是齒輪，有圓柱直齒齒輪和錐齒輪兩種，為了使螃蟹體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，所以我們須采用小模數(shù)齒輪。下面附上國家標(biāo)準(zhǔn)圖（不完全）最終我們決定采用齒輪模數(shù)為0.5，并統(tǒng)一將壓力角為20度，41直齒齒輪的繪制各計(jì)算公式：分度圓直徑d=m*z 標(biāo)準(zhǔn)安裝中心距 基圓直徑漸開線齒輪輪廓線的繪制： 漸開線展角公式為，經(jīng)過我們大量嘗試并翻閱資料發(fā)現(xiàn)，如果直接將該公式化為參數(shù)方程，輸入U(xiǎn)G生成漸開線，這個漸開線由于自封閉性，是不能拉伸為實(shí)體的，所以我們必須采用近似曲線來擬合。由公式可得，取，即可得到漸開線上各點(diǎn)的坐標(biāo)，考慮到精度要求，取100個點(diǎn)，然后連成線即得到漸開線，再相對于y軸鏡像，并由原點(diǎn)畫齒頂圓與之相交，修剪相交的外部曲線，再畫齒根圓，從漸開線兩起點(diǎn)畫圓弧與齒根圓相切，修剪外部曲線，即得齒廓線如下圖：然后重新畫上齒根圓，將齒廓線陣列，最后修剪拉伸即得到了所需的圓柱直齒齒輪。（如右圖）- 42錐齒輪的繪制：各計(jì)算公式：分度圓直徑d=m*z 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 錐距由于錐齒輪繪制太過復(fù)雜，我們決定用圓錐嚙合代替。為了定位方便，統(tǒng)一將錐角定為45度，由于標(biāo)準(zhǔn)安裝齒輪是在分度圓上嚙合，將嚙合長度設(shè)定為3mm，易知=0.6mm，為繪制方便，將背錐長度定為1mm，如下圖所示：只需根據(jù)不同錐齒輪的齒數(shù)計(jì)算相應(yīng)分度圓直徑，即可得到各個不同的錐齒輪。五、Unigraphics NX軟件運(yùn)動仿真按照前文介紹，將各個零部件分別建立在不同的UG工作文件中。首先進(jìn)行蟹腿的裝配，螃蟹有六條腿，其中有四條腿的初始裝配位置是不同的，先建立一個工作部件，把各個零件導(dǎo)入裝配成為一條基準(zhǔn)腿，比如先選擇安裝l-u-a(b)腿。裝配完成后，先做這條腿的運(yùn)動仿真，觀察運(yùn)動情況并和預(yù)期目標(biāo)對比，從而進(jìn)行調(diào)試、改進(jìn)。具體方法是：先把各個構(gòu)件定義為不同的連桿，然后再定義各連桿之間的轉(zhuǎn)動副，在這基礎(chǔ)上再定義各機(jī)構(gòu)相對運(yùn)動所需的齒輪副，對于槽輪機(jī)構(gòu)，需要設(shè)立一個3D接觸副來對其模擬，但是3D接觸副運(yùn)算量大，我們首先考慮用2D接觸副，但經(jīng)過反復(fù)嘗試發(fā)現(xiàn)UG只能對凸輪進(jìn)行較滿意的模擬，對于槽輪的模擬卻有很大問題，即使可以實(shí)現(xiàn)，計(jì)算量也非常巨大。所以仍采用3D接觸副。各機(jī)構(gòu)之間運(yùn)動關(guān)系設(shè)定好以后，我們先給偏心輪1加一個恒的轉(zhuǎn)動作為原動件，然后進(jìn)行模擬，調(diào)試修改后，達(dá)到了預(yù)期效果?；鶞?zhǔn)腿的運(yùn)動模擬做好后，檢查無誤，然后通過重定位，調(diào)整蟹腿機(jī)構(gòu)中有關(guān)零件的初始位置（如前文對蟹腿初始位置調(diào)整的敘述），另存生成其它的五條蟹腿。機(jī)架及傳動鏈的裝配：設(shè)立一個新的工作部件，將有關(guān)的零件導(dǎo)入其中并裝配成型，然后按照上述的方法進(jìn)行運(yùn)動仿真，檢查各條傳動鏈的運(yùn)動情況及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)作，并與預(yù)期方案比較，調(diào)整確認(rèn)無誤后完成制作。螃蟹整體裝配：將六條腿按次序?qū)?，并正確的安裝在機(jī)架相應(yīng)的位置上，再對其進(jìn)行運(yùn)動仿真，觀察傳動情況及六條腿的協(xié)同運(yùn)動情況，確認(rèn)無誤后完成操作。爬行仿真：建立一個地面工作部件（扁長方體），將螃蟹與地面文件裝配在同一工作部件內(nèi)，將地面設(shè)定為固定連桿，在螃蟹的六條腿與地面之間分別設(shè)立六個3D接觸副，設(shè)定好機(jī)構(gòu)的剛度，蟹腿與地面間的摩擦系數(shù)，并設(shè)定好重力加速度的大小方向，然后進(jìn)行運(yùn)動仿真，經(jīng)過對螃蟹的地面爬行仿真發(fā)現(xiàn)我們一共設(shè)定了12個3D接觸副，計(jì)算量非常龐大，我們首先用計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行了一天的仿真計(jì)算，但僅僅完成了螃蟹爬行三步的運(yùn)動仿真，遠(yuǎn)沒達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。所以必須對3D接觸副進(jìn)行簡化，由于地面與蟹腿之間的接觸在轉(zhuǎn)向時比較復(fù)雜，是純?nèi)S的，無法用2D接觸副進(jìn)行化簡，且無法用公式對其進(jìn)行模擬，我們只能將簡化目標(biāo)轉(zhuǎn)向?qū)Σ圯啓C(jī)構(gòu)中的3D接觸副的化簡，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，槽輪的運(yùn)動僅是繞自身旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，我們考慮可以用一個公式來模擬它的運(yùn)動，直接加為槽輪的驅(qū)動而取代3D接觸副，這樣就可大大減少計(jì)算量槽輪公式的推導(dǎo)首先研究槽輪的運(yùn)動情況，畫機(jī)構(gòu)運(yùn)動示意圖如右：假設(shè)圓銷臂與起始接觸點(diǎn)水平線的夾角為（下文中為thi），并設(shè)此時槽輪溝槽與起始接觸點(diǎn)豎直線夾角為(下文中為fai)。由圖所示，我們可以建立與之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)一步對其求導(dǎo)可得撥盤轉(zhuǎn)速與槽輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。由于運(yùn)算量比較大，我們在matlab中編程對其進(jìn)行計(jì)算。首先在matlab中建立m文件：function v2=caolun(l,v)syms tw=v/180*pi;thi=w*t;x=(2*l2+l2-2*(20.5)*l*l*cos(pi/4-thi)0.5;fai=acos(l2+x2-(2*l*sin(thi/2)2)/(2*l*x);fai=simple(fai)f=diff(fai,t,1);v2=simple(f);ezplot(v2,0,pi/2/w);ezplot(fai,0,pi/2/w);撥盤圓銷臂長為7.5mm，撥盤轉(zhuǎn)速為180度/秒，調(diào)用上文中的程序?qū)ζ溥M(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下（其中v2為槽輪的角速度公式，fai為槽輪的角位移公式）： caolun(7.5,180) fai = acos(1-2(1/2)*cos(1/4*pi-pi*t)+cos(pi*t)/(3-2*2(1/2)*cos(1/4*pi-pi*t)(1/2) v2 =-(-2(1/2)*sin(1/4*pi-pi*t)*pi-sin(pi*t)*pi)/(3-2*2(1/2)*cos(1/4*pi-pi*t)(1/2)+(1-2(1/2)*cos(1/4*pi-pi*t)+cos(pi*t)/(3-2*2(1/2)*cos(1/4*pi-pi*t)(3/2)*2(1/2)*sin(1/4*pi-pi*t)*pi)/(1-(1-2(1/2)*cos(1/4*pi-pi*t)+cos(pi*t)2/(3-2*2(1/2)*cos(1/4*pi-pi*t)(1/2)槽輪轉(zhuǎn)動時角位移曲線（弧度） 槽輪轉(zhuǎn)動時角速度曲線（弧度）經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)無論是角位移還是角速度公式都非常復(fù)雜，在UG中無法輸入如此復(fù)雜的函數(shù)，考慮到角位移公式相對比較簡單，我們采用了一個近似公式表示如下：pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*x)在matlab中畫出函數(shù)圖像： syms t;a=pi/4-pi/4*cos(pi/0.5*t);ezplot(a,0,0.5)從圖中可以看出它與原函數(shù)曲線符合得較好，而且運(yùn)動始末位置都能精確符合，不會在多次運(yùn)轉(zhuǎn)后產(chǎn)生較大誤差。研究六條腿（初始位置不同）的運(yùn)動中槽輪運(yùn)動的規(guī)律，我們發(fā)現(xiàn)只需編兩個公式就可對其運(yùn)動進(jìn)行模擬。現(xiàn)將公式表示如下：槽輪單次運(yùn)動的公式：(pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*x)- STEP( x, 0.5, 0, 0.501, 1)*(pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*x)-pi/2) + STEP( x, 2/3, 0,2/3+0.001, 1) *(pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x-2/3)- STEP( x, 7/6, 0,7/6+0.001, 1)* (pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x-2/3)-pi/2)公式1（u組腿）：STEP( x, 0, 0, 0.01, 1)* (pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x+1/6)- 0.261799387799147630)- STEP( x, 0.5-1/6, 0, 0.501-1/6, 1)*(pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x+1/6)-pi/2) + STEP( x, 2/3-1/6, 0,2/3+0.001-1/6, 1) *(pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x-2/3+1/6)- STEP( x, 7/6-1/6, 0,7/6+0.001-1/6, 1)* (pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x-2/3+1/6)-pi/2) + STEP( x, 2-1/6, 0, 2.01-1/6, 1)* (pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x+1/6-2)- STEP( x, 0.5-1/6+2, 0, 0.501-1/6+2, 1)*(pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x+1/6-2)-pi/2) + STEP( x, 2/3-1/6+2, 0,2/3+0.001-1/6+2, 1) *(pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x-2/3+1/6)- STEP( x, 7/6-1/6+2, 0,7/6+0.001-1/6+2, 1)* (pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x-2/3+1/6)-pi/2) 公式1的循環(huán)公式（公式1由數(shù)個此公式相接而成，只是其中的循環(huán)次數(shù)m不同）：+ STEP( x, m-1/6, 0, m.01-1/6, 1)* (pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x+1/6-m)- STEP( x, 0.5-1/6+m, 0, 0.501-1/6+m, 1)*(pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x+1/6-m)-pi/2) + STEP( x, 2/3-1/6+m, 0,2/3+0.001-1/6+m, 1) *(pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x-2/3+1/6-m)- STEP( x, 7/6-1/6+m, 0,7/6+0.001-1/6+m, 1)* (pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x-2/3+1/6-m)-pi/2)公式2（d組腿）:STEP( x, 0, 0, 0.01, 1)* (pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x+1/3)-(pi/2-0.261799387799147630)- STEP( x, 0.5-1/3, 0, 0.501-1/3, 1)*(pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x+1/3)-pi/2) + STEP( x, 0+1, 0, 0.01+1, 1)* (pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x-1-0)- STEP( x, 0.5+1+0, 0, 0.501+1+0, 1)*(pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x-1-0)-pi/2) + STEP( x, 2/3+1+0, 0,2/3+0.001+1+0, 1) *(pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x-2/3-1-0)- STEP( x, 7/6+1+0, 0,7/6+0.001+1+0, 1)* (pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x-2/3-1-0)-pi/2) 公式2的循環(huán)公式：+ STEP( x, m+1, 0, m.01+1, 1)* (pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x-1-m)- STEP( x, 0.5+1+m, 0, 0.501+1+m, 1)*(pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x-1-m)-pi/2) + STEP( x, 2/3+1+m, 0,2/3+0.001+1+m, 1) *(pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x-2/3-1-m)- STEP( x, 7/6+1+m, 0,7/6+0.001+1+m, 1)* (pi/4-pi/4*cos( pi/0.5*(x-2/3-1-m)-pi/2)六、 方案的比較61蟹腿設(shè)計(jì)方案比較結(jié)合螃蟹的行走方式，我們設(shè)計(jì)了兩種機(jī)構(gòu)，具體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及方案比較參見3.1節(jié)。62減速器方案比較如前文所述，在電機(jī)與主軸之間需要一個能提供125倍傳動比的減速器，減速器要體積小以便融蟹身，同時還要有較高的效率，以便驅(qū)動蟹腿的運(yùn)動。首先想到的是蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)三維體積比較小，結(jié)構(gòu)緊湊，同時還可以提供很大的傳動比，如果蝸桿齒數(shù)(頭數(shù))為1，蝸輪齒數(shù)為40，則傳動比i=40，但是，蝸桿嚙合時，相對滑動速度達(dá)，磨損很快，同時發(fā)熱大，傳動效率低，這些都很不利于高效的傳動，綜合考慮，我們決定放棄該方案。聯(lián)想到行星輪系經(jīng)組合后也可達(dá)到很高的傳動比，我們嘗試使用行星輪系來構(gòu)成減速器，右圖為一典型的行星輪系減速器，以為主動件時傳動比適當(dāng)選擇各齒的齒數(shù)則可達(dá)到很大的傳動比，比如，時，10000。而且該機(jī)構(gòu)的空間體積也不是很大?，F(xiàn)在對對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行效率計(jì)算：假設(shè)一對嚙合的直尺齒輪之間的傳動效率為98%，=125，由行星輪系的效率公式:可見，效率只有16%，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)到不到傳動的要求，觀察行星輪系得效率曲線，如右圖。當(dāng)傳動比比較大時，行星輪系不是傳動效率很低，就是體積比較大，均不能很好地達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)權(quán)衡，還是決定放棄這種方案。經(jīng)過對比，最終決定還是采用直齒圓柱齒輪來構(gòu)成減速器，雖然齒輪比較多，但是經(jīng)過精心地排布、設(shè)計(jì)，還是成功地將齒輪緊密地裝配在了機(jī)架上，具體設(shè)計(jì)參見3.4.1節(jié)的介紹。該減速器的傳動比為125，傳動效率 效果十分滿意。63轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案比較如前文所述，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)需要給上機(jī)架提供一個往復(fù)擺動，由往復(fù)運(yùn)動，首先聯(lián)想到了間歇運(yùn)動，進(jìn)而考慮到可以采用不完全齒輪來玩成這種運(yùn)動，機(jī)構(gòu)簡圖如下：10-15齒雙聯(lián)不完全齒輪，上下兩個齒都只有一半的齒，且兩輪的齒相對分布，即上層齒與惰輪嚙合時，下層齒不和30齒的齒輪嚙合，而下層齒與30齒的齒輪嚙合時，上層齒不與惰輪嚙合。假設(shè)設(shè)10-15齒雙聯(lián)不完全齒輪逆時針轉(zhuǎn)動時，先是上層齒與惰輪嚙合，則上機(jī)架也是逆時針轉(zhuǎn)動，而當(dāng)上