畢業(yè)設計論文-亞太機器人競賽手動機器人設計

PAGE題目亞太機器人競賽手動機器人設計摘要亞太大學生機器人大賽是面向全亞太大學在校學生的一項重要賽事。機械臂結構設計是2010年度的競賽試題。要求建造一個自動機器人，合理設計其機械臂，結合競賽規(guī)則，使機器人能搬動指定形狀的物體上下、前后移動。本設計緊扣2010年度亞太機器人大賽的任務要求，合理使用SolidWorks、Pro/Engineer、AutoCAD等應用軟件。設計合理，結構緊湊，有一定的合理性。一共有四張A0圖紙，分別是總體裝配圖、小車底盤裝配圖、第一層運送機裝配圖和第二層升降機裝配圖。論文中也分別對動力源、傳動和執(zhí)行裝置分析談論，擇取最優(yōu)。本次設計結合競賽規(guī)則要求，通過查閱資料、綜合運用所學的知識，完成了亞太機器人機械臂的設計工作。在設計過程中，對草擬的兩套結構方案分別進行了分析比較，對插塊整體等主要零件進行強度、剛度、受力分析等計算，確定主要設計參數(shù)。利用CAD等工程軟件繪出工程設計圖。通過分析計算，完成的設計到達到了設計要求。關鍵詞：亞太機器人大賽機械臂設計圖紙繪制結構要素組成

ABSTRACTAsiaPacificUniversityRobotCompetition（ABU-ROBOCON）isanimportanteventfacedtotheentireasia-pacificcollegestudents.Mechanicalarmstructuredesignisthesubjectof2010ABU-ROBOCON.Itisrequiredtobuildaautomaticrobot,withitsreasonabledesign,accordingtotherulesandrequirements,therobotshouldbeabletomoveobjectsandcontrolitsmovements.Thisdesignfacedtothetasksandrequirementsof2010Asia-PacificRobotCompetition.UsemachenicalsoftwaresasSolidWorks,Pro/Engineer,AutoCADproperly.Reasonabledesign,compactstructure,highrationality.TherearefourA0drawingsinallinthisdesignprocess,thegeneralassembly,thecarchassisassembly,thefirstfloorcarryingmachineassemblyandthesecondliftassembly.Inthisarticle,thetransmissionofpower,theexecutivedeviceandtheexecutivedevicearealsoanalyzed.Thebestischoosen.Thedesignobeycompetitionrules,byconsultingdatas,usecomprehensiveofknowledge,tofinishtheasia-pacificrobotmanipulatordesignwork.Inthedesignprocess,twosetsofstructureschemearedrawn,andanalyzedandcompared,manymainpartsintensitysuchasthewholeblockhavebeenstiffnessandstressanalysis,andthedesignparametercalculationstobedetermined.ThedrawingsaredrawnsbyusingAutoCAD.Throughtheanalysisandcalculationofthedesign,torealizethedesignrequirements.Keywords:AsiaPacificDrawing(s)StructuralComponents目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第一章 課題分析 11.1課題意義 11.2課題的設計工作任務要求分析 11.3設計結果的可行性分析 3第二章 建模類軟件使用 42.1SolidWorks 42.2AutoCAD 52.3Pro/Engineer 62.4本次設計主要工作 6第三章 機械方案設計分析 83.1具體設計要求分析 83.2工作原理分析 93.3運動原理分析 113.4力傳遞分析 123.5方案比較 17第四章 設計組成要素分析選擇 184.1基本組成結構 184.2動力分析 204.3傳動部件分析 214.4執(zhí)行部件分析 21第五章 機械零件設計計算 225.1執(zhí)行件載荷計算 225.2動力參數(shù)計算 245.3傳動件設計 25第六章 全文總結 26謝辭 27參考文獻 28大連交通大學2010屆本科生畢業(yè)論文PAGE18課題分析1.1課題意義亞太大學生機器人大賽（ABU-ROBOCON）是由亞廣聯(lián)發(fā)起的致力于培養(yǎng)各國青少年開發(fā)、研制高科技的興趣與愛好，鍛煉大學生動手操作能力，培養(yǎng)和提高大學生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識的一項重要賽事。各個亞洲廣播電視聯(lián)盟成員都可以參加該項比賽，每個國家的冠軍隊可以參加亞太地區(qū)的決賽。亞太大學生機器人大賽國內(nèi)選拔賽自2002年開始每年一屆，為“亞太大學生機器人大賽”選拔中國大學生的優(yōu)秀代表隊。亞太機器人機械臂結構設計是2010年的亞太大學生機器人大賽的競賽試題。大賽的主題是“機器法老建金字塔”。這個想法是基于一個時間機器，它把古代埃及金字塔的建造者帶到了大學教室中。而新的目標是按順序建造三個金字塔的一部分。參賽者應該達到精確、快速和協(xié)作，他們要堅持不使用塊之間的結合材料的主要要求。第一個成功完成建造三個金字塔的隊伍就是“機器法老”。機器人大賽及機械臂設計涉及人工智能、圖像處理、通訊傳感、精密機構和自動控制等多領域的前沿研究和技術集成。目前已經(jīng)形成了一個國際聯(lián)盟的人工智能和機器人項目開發(fā)目標，被世界各國科研機構和眾多高等院校所重視?？梢蕴岣邔W生動手能力，發(fā)展身邊的巧妙構思，關注科技、熱愛科技、走進科技，培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新精神，造就適應21世紀全球科技、經(jīng)濟發(fā)展需要的新一代。1.2課題的設計工作任務要求分析本次設計以本年度“法老機器人建造金字塔”為契機，建造一個自動機器人。要求機器人能搬動指定形狀的物體上下、前后移動。設計參數(shù)：載荷最大1Kg，最大臂長1米，上下移動位移0.3米。如圖1-1所示圖1-1本課題要求示意圖1．任務概述：在如圖所示的金字塔塔基基礎上，放入金字塔塊，其中第一層一塊，塔頂一塊。放置完畢效果如圖所示（紅色部分）如圖1-2所示圖3-2本課題它塊歸位情況示意圖2．金字塔及其塔基的規(guī)格金字塔由塔基以及頂部塔層組成：第一層有2個塊，塔層有1個塊。需要搭建：第一層的1個塊以及頂部的黃金塊3．金字塔塊的規(guī)格每塊金字塔塊尺寸為500mm*500mm*300mm中間有Φ塔塊基座上有直徑為18mm、高度合適（300mm.600mm所有的塊尺寸和重量相同。塔塊材料為泡沫聚苯乙烯，每個塊的重量為750g。4．放置規(guī)則金字塔每層將陸續(xù)搭建。在下一層的每一個方塊都放置在正確的位置之前，不允許搭建上一層的方塊。由全自動機器人執(zhí)行，隊員啟動機器人后應馬上離開場地。允許范圍安放誤差范圍25mm5..機器人的設計與制造在一個階段任務中,自動機器人開啟后應自主運動。在比賽開始時,在出發(fā)區(qū),自動機器人和所持塊的尺寸不能超過1000mm（長）x1000mm（寬）x1500mm（高），比賽開始后沒有尺寸限制。機器人的重量：所有機器人及在整個比賽中用到的設備包括電源、電纜、控制器和其它的設備的總重量應不超過50kg.同型號、重量、電壓的備份電池的重量不計算在內(nèi)。機器人的能源：每個機器人所用電源的電壓不能超過DC24V。不能使用任何被認為有危險或不適合的能源。安全細節(jié)：禁止使用易爆物品、火和危險化學物品。如果使用激光,激光應在2級或以下，設計和準備激光的時候，必須完全小心保證在所有的過程中在場的所有人不會受到傷害。特別的,不能讓激光照射到觀眾的眼中。1.3設計結果的可行性分析在設機結構可行性分析是為了弄清楚開發(fā)設計的項目是不是可以實現(xiàn)和值得進行研究的過程，實際上是一次大大簡化機構分析和機構設計的過程，因此，進行可執(zhí)行性的分析是非常必要的，也是很重要的，經(jīng)過最初的設計目標和進行的市場調(diào)查得出以下三點的可行性分析：1．經(jīng)濟可行性：基于課上所學理論和實踐的相結合，亞太機器人機械臂結構設計的穩(wěn)定性和安全性都是非?？煽康?，有利于最小化經(jīng)濟方面的損失。同時，節(jié)省人力物力也是經(jīng)濟性考慮的問題之一，因此在經(jīng)濟上是可行的。2．技術可行性：通過對亞太機器人機械臂結構設計的前景趨勢和性能進行調(diào)研與合理設計計算與強度校核，利用現(xiàn)今的機械技術，比較容易實現(xiàn)該課題設計機構的制造與加工，因此技術上是可行的。3．執(zhí)行可行性：亞太機器人機械臂結構設計的廣泛應用給物流系統(tǒng)與工廠帶來了巨大的便利，其高效性和靈活性都取得有目共睹的成果，因此在執(zhí)行方面是可行的。建模類軟件使用設計過程中，使用三維CAD技術進行設計是一種手段，也是一種便利。三維實體能夠直接用于工程分析和實際加工。市面上有眾多的機械建模類軟件，結合“機械臂設計”的實際用途，逐一學習、比較和甄選也是本次設計的進程之一。2.1SolidWorks2.1.1Solidworks軟件功能強大，組件繁多。目前已發(fā)展至SolidWorks2010版。功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新是SolidWorks的三大特點，使得SolidWorks成為領先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks不僅提供如此強大的功能，同時對每個工程師和設計者來說，操作簡單方便、易學易用。2.1.2本設計主要使用的SolidWorks的為了將設計中的邏輯部分實體化為三維的模型，“亞太機器人機械臂設計”主要使用了SolidWorks的3D建模功能。具體實現(xiàn)為完成草圖繪制后再用拉伸，旋轉(zhuǎn)，掃描，邊界切除，組裝等功能。由于SolidWorks在出工程圖的時候較之其他3D建模類軟件（如PROE）較為方便和智能，里面有自帶一些比較智能的功能，如繪制工程圖比較便捷，標注零件序列號比較便捷；自動查找2D草繪的多于的線條、重復的線條、或者說是交點處沒有完全連接的線條，可以更方便的修復重復在同一條線條上的線而且沒有那么復雜。修改圖紙方面，也沒有連鎖的改圖制約，即不會因為你改錯了一個地方而接不下去改后面的；在裝配方面，SolidWorks比較簡單易行，故選擇SolidWorks為主要建模工具。另外，在裝配和三維導二維圖紙方面，也主要使用該軟件。2.2AutoCAD2.2.1AutoCAD（AutoComputerAidedDesign）二維繪圖、詳細繪制、設計文檔和基本三維設計?，F(xiàn)已經(jīng)成為國際上廣為流行的繪圖工具?！?dwg”文件格式成為二維繪圖的標準格式。AutoCAD具有良好的用戶界面，通過交互菜單或命令行方式便可以進行各種操作。具有廣泛的適應性，它可以在各種操作系統(tǒng)支持的微型計算機和工作站上運行，并支持分辨率由320×200到2048×1024的各種圖形顯示設備40多種，以及數(shù)字儀和鼠標器30多種，繪圖儀和打印機數(shù)十種，這就為AutoCAD的普及創(chuàng)造了條件。AutoCAD軟件具有如下特點：1.具有完善的圖形繪制功能。2.有強大的圖形編輯功能。3.可以采用多種方式進行二次開發(fā)或用戶定制。5.支持多種硬件設備。6.支持多種操作平臺7.具有通用性、易用性，適用于各類用戶。2.2.2本設計主要使用的AutoCAD的因為本次畢業(yè)設計中，需要繪制4張A0設計圖紙，都是電子版制圖，均為“*.dwg”格式，全部由AutoCad繪制完成。在繪制過程中，利用由SolidWorks導入的三維至二維圖紙的基礎上，為了更加的實用美觀、符合機械裝配要求，由AutoCAD進行再加工。在AutoCAD繪制過程中，主要用到以下功能1.平面繪圖--創(chuàng)建直線、圓、橢圓、多邊形、樣條曲線等基本圖形對象。在繪圖輔助的幫助下，如正交、對象捕捉、極軸追蹤、捕捉追蹤等繪圖輔助工具，從而完善圖形形狀。2.平面繪圖--移動、復制、旋轉(zhuǎn)、陣列、拉伸、延長、修剪、縮放對象等。3.尺寸標注及文字書寫--創(chuàng)建多種類型尺寸，自行設定標注外觀。設定文字字體、傾斜角度及寬度縮放比例等屬性。4.圖層管理功能--圖形對象都位于某一圖層上，設定圖層顏色、線型、線寬等特性。2.3Pro/Engineer2.3.1Pro/E（Pro/Engineer操作軟件）是美國參數(shù)技術公司（ParametricTechnologyCorporation，簡稱PTC）的重要產(chǎn)品。是現(xiàn)今最成功的CAD/CAM軟件之一。Pro/ENGINEER擁有目前所能達到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。1.全相關性2.基于特征的參數(shù)化造型3.裝配、加工、制造以及其它學科都使用這些領域獨特的特征4.數(shù)據(jù)管理5.裝配管理6.易于使用2.3.2本設計主要使用的由于Pro/Engineer在曲面和分模等方面的便利，在本次“亞太機器人機械臂設計”過程中，Pro/Engineer主要為輔助SolidWorks完成建模的作用。2.4本次設計主要工作本設計主要根據(jù)2010年的亞太大學生機器人大賽的競賽試題的要求，建造二層自動型機器人以放置上下兩塊的金字塔快。在完成熟悉掌握了建模類軟件SolidWorks、AutoCAD、Pro/Engineer的基礎上對實際的機械人機械臂進行建模。在列出幾個方案，一一整體計算校核比較后，將確認的一個最優(yōu)方案進行詳細設計，確定尺寸檢查后確定材料，并將所得數(shù)據(jù)文件就強度要求、剛度要求以及穩(wěn)定性要求進行進行再次校核。需要繪制4張A0設計圖紙，都是電子版制圖，均為“*.dwg”格式，全部由AutoCad繪制完成。通過SolidWorks和Pro/Engineer軟件對零件的三維實體化之后導入AutoCad以簡化繪制工作。利用SolidWorks便捷的三維實體化和圖紙導入功能，建立大致三維模型導入完成后的圖紙用AutoCad進行再加工，完善尺寸標注，添加材料明細表，等等1.各個方案的整體校核和計算―使用大學物理、理論力學、材料力學、結構學等相關學科的相關理論對各個方案的整體校核和計算。計算從理論入手，運用物理學（力學）中的相關公式逐一計算；如若理論證明可行，考慮實際情況，如摩擦力、材料自重等等。2.最優(yōu)方案的細化分析和材料選取―通過對選取出來的最優(yōu)方案的進一步細化計算，確定材料，載荷情況下的強度、剛度以及穩(wěn)定性分析。重要零部件分析，并繪制圖紙。值得注意的是：由于本設計以機械設計為前提和目的，所以幾乎所有的計算和分析都結合圖紙進行。機械方案設計分析在最初的設計過程中，經(jīng)過反復篩選，最后思路集中到了兩個方案之中：分別通過兩種不同的設計思路來實現(xiàn)金字塔塊的歸位，理論上都是可行的。一種是直接接觸的，另一種是通過其它介質(zhì)（間接）的作用。由題目要求共有上下兩層共計兩塊的泡沫聚苯乙烯，預計通過時間為參賽時間的三分之一：10秒；現(xiàn)分別對這兩種方案進行思路概述、參數(shù)設計計算和可能性分析，以擇取最有方案進行進一步的圖紙設計和材料確定。3.1具體設計要求分析由此次比賽規(guī)則和要求，可知：1．設計參數(shù)：載荷最大1Kg，最大臂長1米，上下移動位移0.3米2．每塊金字塔塊尺寸為500mm*500mm*300mm中間有Φ60的小孔貫穿3．塔塊基座上有直徑為18mm、高度合適（300mm.600mm4．塔塊材料為泡沫聚苯乙烯，每個塊的重量為750g。所有的塊尺寸和重量相同。5．允許范圍安放誤差范圍25mm6．在比賽開始時,在出發(fā)區(qū),自動機器人和所持塊的尺寸不能超過1000mm（長）x1000mm（寬）x1500mm（高），比賽開始后沒有尺寸限制。7．機器人的重量：所有機器人及在整個比賽中用到的設備包括電源、電纜、控制器和其它的設備的總重量應不超過50kg.同型號、重量、電壓的備份電池的重量不計算在內(nèi)。8．機器人的能源：每個機器人所用電源的電壓不能超過DC24V。不能使用任何被認為有危險或不適合的能源。根據(jù)以上條件，設計工作載荷：1.5kg運動參數(shù)：1．動力源：電壓DC24V，重量20kg，輸出功率500w2．傳動系統(tǒng)：傳動盡可能簡單、明了，要求傳動效率高，摩擦小，穩(wěn)定，損耗小。3．執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行部件盡可能使用強度高、質(zhì)量輕的材料。以保證質(zhì)量，穩(wěn)定時間，使機械臂可靠。并能夠滿足500mm*500mm*300mm3.2工作原理分析在最初的設計過程中，經(jīng)過反復篩選，最后思路集中到了兩個方案之中：分別通過兩種不同的設計思路來實現(xiàn)金字塔塊的歸位，理論上都是可行的。一種是直接接觸的，另一種是通過其它介質(zhì)（風力）的作用。3.2.1方案一設計一個符合規(guī)范，滿足結構學和材料力學條件的機械臂。充分利用金字塔塊內(nèi)徑Φ60mm的小孔，使用機械臂的運動來使金字塔塊發(fā)生相對運動，并以歸位。將金字塔塊安放歸位的過程相對比較簡單，而本次設計的難點應該就是當機械臂安放歸位。同時我們希望機械臂在插入金字塔塊小孔內(nèi)徑的時候不僅有豎直向下的力的作用，還有一個簡單撐扶住金字塔塊的小臂。這個小臂（以下稱為輔助臂）在方形金字塔塊的側面作用，輔助臂可以用彈簧、橡膠圈等有滿足虎克定律有一定（彈力）伸展的較大虎克系數(shù)的材質(zhì)作為部件。使金字塔塊式被“抓舉”歸位的。現(xiàn)再設計一個橫向的輔助臂，使金字塔歸位過程比較穩(wěn)妥。既能保證金字塔塊不受影響的情況下將機械臂收回，又能考慮穩(wěn)定性。如圖1-1及圖1-2所示圖3-1方案一初始狀態(tài)示意圖從方案一初始狀態(tài)可見，分為第一層和第二層升降機共計兩個機械臂。分別負責抓舉第一層立方形和第二層尖塔型兩塊金子塔塊。初始是兩個塔塊均放在車子上，其中兩上下兩層的機械臂都有右邊輔助臂固定，以防止金字塔塊在運送至目的地的過程中翻轉(zhuǎn)。圖3-2方案一放置狀態(tài)示意圖從方案一放置狀態(tài)可見，第一、第二層機械臂依次在橫向移動，伸出金字塔塊；在第一層金字塔塊安放就位之后，第二層升降機抓緊金字塔尖頂，橫向移動，直至扣住尖頂固定座。3.2.2方案二方案二的思路比較簡單，考慮到金字塔塊材料為泡沫聚苯乙烯，質(zhì)量較輕，體積較大，于是試圖利用風能將金字塔塊“吹”至金字塔規(guī)定位置。理論上完全可以根據(jù)金字塔塊的運動控制電動機功率，使金字塔塊在風力作用下正好就位，并且可以避免小車與金字塔塊積壓、扭轉(zhuǎn)等變形。如圖3-3及圖3-4所示圖3-3方案二初始狀態(tài)示意圖圖3-4方案一放置狀態(tài)示意圖用純數(shù)學的方法，直接將金字塔塊與金字塔之間的距離和電動機功率一一對應起來，希望可以僅僅由輸出功率變化而運送成功。3.3運動原理分析3.第一層狀態(tài)一情況下的機械臂與金字塔塊尖沒有力的相互作用，即機械臂受到自身重力和支架對它的支持力的作用。在收回機械臂的時候，金字塔塊與機械臂是不需要接觸的，也就是說，是兩個完全獨立的個體。在設計的時候特地選擇了比金字塔塊內(nèi)徑貫穿孔更小的直徑來作為機械臂，這樣可以說就實現(xiàn)了這一點。多了一個橫向的輔助臂，使金字塔歸位過程比較穩(wěn)妥。既能保證金字塔塊不受影響的情況下將機械臂收回，又能考慮穩(wěn)定性。因為在收回機械臂的時候，金字塔塊與機械臂也是不需要接觸的。希望機械臂在插入金字塔塊小孔內(nèi)徑的時候不僅有豎直向下的力的作用，還有一個簡單撐扶住金字塔塊的輔助臂，在方形金字塔塊的側面作用。這樣的話，比較穩(wěn)定，對于發(fā)動機的要求和機械臂的靈敏度也是可以接受的程度，如圖3-7機械臂初始狀態(tài)受力分析示意圖、圖3-8機械臂放置金字塔塊示意圖、圖3-9機械臂放置金字塔塊受力簡圖示意圖可見。不僅提供了豎直方向與金字塔塊重力相平衡的力、彎矩；在水平方向，因為有了因為輔助壁的幫助，也能比較穩(wěn)定的實現(xiàn)運動。材料選取方面，也可以分情況考慮，比較切合成本甚至比賽的要求。3.用純數(shù)學的方法，直接將金字塔塊與金字塔之間的距離和電動機功率一一對應起來，希望可以僅僅由輸出功率變化而運送成功。方案二考慮到金字塔塊材料為泡沫聚苯乙烯，質(zhì)量較輕，體積較大，于是試圖利用風能將金字塔塊“吹”至金字塔規(guī)定位置。3.4力傳遞分析3.第一層狀態(tài)一情況下的機械臂與金字塔塊尖沒有力的相互作用，圓型主臂和方型輔助臂均只受到自身重力和支架對它的支持力的作用。第一層機械臂小車初始狀態(tài)受力分析如圖所示：圖3-5機械臂初始狀態(tài)受力分析示意圖水平方向：無豎直方向：G=750g=0.75kg（已知）F=G=750g=0.75kg2．小車放置金字塔狀態(tài)一．豎直方向當進入小車放置金字塔狀態(tài)時，機械臂與金字塔塊充分接觸，機械臂將金字塔塊所有重量舉起，并依靠摩擦帶動金字塔塊的前進?！呓鹱炙K材料為塑料聚苯乙烯，質(zhì)量較輕，為均質(zhì)∴第一層機械臂小車放置金字塔塊狀態(tài)如圖所示圖3-6機械臂放置金字塔塊示意圖可見，機械臂與金字塔塊直接接觸的地方并非機械臂插塊整體的全長，設計該長度為0.4m,已知金字塔塊G=750g=0.75kg小車放置金字塔狀態(tài)豎直方向受力簡圖如圖所示圖3-7機械臂放置金字塔塊受力簡圖示意圖第二層機械臂桿二主要是推的。緩慢推動，使金字塔塊保持勻速第二層機械臂受力分析如圖所示：圖3-8第二層機械臂受力分析示意圖3.已知：金字塔塊體積500mm*500mm*500mm,由Φ60mm小孔貫穿；為泡沫聚苯乙烯，750g，密度為1.04~1.06g/cm要求機械臂載荷最大1Kg，最大臂長1m，上下移動位移0.3m，總重量不大于50kg根據(jù)題意，三座金字塔，共計安放時間為30秒?，F(xiàn)考慮自動機器人的第一層塔塊，∴通過時間為t=30/3/2=5秒設電扇直徑為Φ300mm，底邊長度為0.5m，當時空氣密度為1.3kg/m3圖3-9方案三示意圖如圖所示，電扇將金字塔塊吹放歸位。去除中間小孔，則實際作用面面積為現(xiàn)考慮理想情況下，即忽略一切阻力，完全考慮風能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿妮斎肽苈省＜僭O在真空狀態(tài)下的，沒有空氣阻力，電動機提供的動能完全轉(zhuǎn)化為風能，風能在全部轉(zhuǎn)化為聚苯乙烯的動能。運動過程中無摩擦，速度只受電動機提供風力影響（與距離無關）∴最終的即時速度為則發(fā)動機需要提供的功率P為：由此可見，理論上的功率極小。實際上，金字塔塊并不能始終保持風能完全轉(zhuǎn)為動能。就能量守恒的原理來說其中WO輸出總功風力能輸出效率功動能風力在空氣中的損耗金字塔塊與底座等摩擦的損耗圖3-10受力空氣體積示意圖如圖所示，真正的空氣體積可用梯形近似表達，h是電扇與金字塔塊的距離整理所得，即是風扇與木塊距離h與木塊速度關系式。由式子可能，h仍然受到、、等諸多因素影響。3.5方案比較以上兩個方案，分別通過機械臂對金字塔塊的抓舉（方案一）和電動機提供足夠的能量直接作用于金字塔塊（方案二），這兩種方案使其歸位。方案一充分考慮到當機械臂安放歸位之后，如何在保證金字塔塊不受影響的情況下將機械臂收回。所以設計了一個比金字塔塊內(nèi)部有Φ60mm小孔略小的機械臂，利用機械臂與金字塔塊內(nèi)壁小孔間直徑差，觸碰時發(fā)生相對運動，推放金字塔塊；不觸碰時安全收回。并且多了一個橫向的輔助臂，使金字塔歸位過程比較穩(wěn)妥。既能保證金字塔塊不受影響的情況下將機械臂收回，又能考慮穩(wěn)定性。機械臂在插入金字塔塊小孔內(nèi)徑的時候不僅有豎直向下的力的作用，還有一個簡單撐扶住金字塔塊的輔助臂，在方形金字塔塊的側面作用。這樣的話，多了一個耗材輔助臂，小車質(zhì)量和成本會相對增加。方案二考慮到金字塔塊材料為泡沫聚苯乙烯，質(zhì)量較輕，體積較大，于是試圖利用風能將金字塔塊“吹”至金字塔規(guī)定位置。理論上完全可以根據(jù)金字塔塊的運動控制電動機功率，使金字塔塊在風力作用下正好就位，并且可以避免小車與金字塔塊積壓、扭轉(zhuǎn)等變形。但是在實際操作，具體的執(zhí)行會受到氣溫、氣壓、濕度、空氣密度、摩擦等等的影響。經(jīng)過比較，選擇方案一。設計組成要素分析選擇根據(jù)以上分析計算，選擇方案一作為此次設計的方案。方案一在兼顧了設計合理性與運動穩(wěn)定性的條件下，實現(xiàn)了制造和實際情況下的最優(yōu)化?，F(xiàn)對方案一的設計組成要素分析選擇：4.1基本組成結構由于本次設計要求為設計機械臂搬移上下共計兩層的金字塔塊，根據(jù)經(jīng)過篩選比較的方案一，小車由底盤、第一層運送機、第二層升降機三個結構組成。其中底盤上裝載電動機，作為動力源；底下裝載輪盤，以便滑動；為了使小車結構合理、便于拆卸裝載和維護，將小車底盤又分為底盤上部和底盤下部，其中底盤上部選用一個質(zhì)量牢固可靠性較高的材料制成的，主要負責底盤下部的拼裝工作，底盤下部帶有輪盤，可以推動，能負載，有很好的抗壓性，能抵抗一般沖擊，以固定或支撐元件。如圖4-1及圖4-2所示圖4-1車底盤上部示意圖圖4-2車底盤下部示意圖第一層運送機需要有一個直徑小于金字塔塊小孔內(nèi)徑的插塊，以完成對金字塔塊的牽引、提取工作，底部必須有能滑動的底座；并且需要有足夠能抵抗變形和彎矩受力的支持塊來固定和連接。為了能使整個運送機順利運送金字塔塊，需要配有足夠驅(qū)動和功率的發(fā)動機，該發(fā)動機置于小車底盤。如圖4-3所示圖4-3第一層運送機示意圖第二層升降機相對結構較為復雜：除了底部同樣需要有能滑動的底座，與金字塔塊接觸部分同樣需要有足夠抗壓彎強度的直徑小于金字塔塊小孔內(nèi)徑的插塊之外，還必須考慮亞太機器人大賽的參加規(guī)則，即在初始狀態(tài)的體積有限制。所以根據(jù)方案一的設計，在豎直方向要有一個能上下移動的豎直長滑軌，為了能順利運動，則需要發(fā)動機來驅(qū)動和同步帶來牽引；同樣的，水平方向，也需要發(fā)動機來驅(qū)動和同步帶來牽引。如圖4-4所示圖4-4第二層升降機示意圖4.2動力分析根據(jù)設計，動力主要來自三個發(fā)動機，其中車底盤的有兩個，第二層升降機也有一個。發(fā)動機的啟用是整個系統(tǒng)所有動力的主要來源，發(fā)動機不僅要提供小車運動、同步輪和升降機的滑移，還有插塊對于金字塔塊的搬移，當然其中的摩擦等損耗也均與發(fā)動機來提供。合理的選用發(fā)動機不僅能縮短運動時間、提高運動效率，還可以節(jié)省小車總重量。4.3傳動部件分析在本次設計中的傳動主要依靠傳動同步帶輪。根據(jù)受力情況和負載情況如圖4-5所示：圖4-5帶輪示意圖合理的傳動方案，應能滿足發(fā)電機和整體結構的性能要求、工作可靠、結構簡單、尺寸緊湊、加工方便、成本低廉、效率高合使用維護方便等。為了盡可能的滿足以上要求，根據(jù)實際經(jīng)濟情況和參賽規(guī)則，確定使用同步帶傳動，帶傳動為摩擦傳動，傳動平穩(wěn)，能緩沖吸振、噪音小，傳遞相同轉(zhuǎn)矩時，結構尺寸較其他傳動形式大。并且在傳遞相同功率時，帶傳動的結構較為緊湊。4.4執(zhí)行部件分析為避免力的支持過于單一，因此對于運動的精度要求比較高，故需要選取許用應力和許用彎矩較大的材料，如鋼、鋁合金，這樣的話執(zhí)行部件必須做到質(zhì)量輕，體積小，移動靈活，抗摩擦。機械零件設計計算5.1執(zhí)行件載荷計算根據(jù)方案二的參數(shù)計算和校核結果，考慮到實際使用情況，需要選取一款具有效率高、體積小、質(zhì)量小、運行可靠等特點的發(fā)動機來帶動所需動力發(fā)動裝置。經(jīng)過比較和查閱機(1)剪力分析剪力Fs(x)=q(1-x)∵均質(zhì)剪力圖如圖所示圖5-1小車放置金字塔剪力圖示意圖(2)彎矩方面：彎矩圖如圖所示圖5-2小車放置金字塔彎矩圖示意圖(3)校核扭轉(zhuǎn)強度如圖最大轉(zhuǎn)矩MMAX=0.15Nm取機械臂直徑d=55mm<60mm現(xiàn)使用實心軸二．水平方向在水平方向上，有一個摩擦力克服金字塔塊的滑動趨勢，該摩擦力作用于金字塔塊表面，使金字塔塊保持相對運動的靜止狀態(tài)。摩擦力是靜摩擦力，該靜摩擦力阻止物體滑動趨勢。小車放置金字塔水平方向受力簡圖如圖所示圖5-3小車放置金字塔水平方向受力簡圖示意圖根據(jù)物體運動時間t=10s，路程取0.5m。則速度則總做功：該力以及該做功由輔助臂相平衡，這樣也避免了潛在的不穩(wěn)定因素。5.2動力參數(shù)計算選取發(fā)動機根據(jù)方案一的參數(shù)計算和校核結果，考慮到實際使用情況，需要選取一款具有效率高、體積小、質(zhì)量小、運行可靠等特點的發(fā)動機來帶動所需動力發(fā)動裝置。經(jīng)過比較和查閱機械手冊，選取“Y系列封閉式籠型三相異步電動機”。該電動機結構特點：采用封閉自扇冷式結構。能防止灰塵或其他固體一部進入電動機內(nèi)，能防止任何方向的濺水對電動機的影響。除了上述特點，在性能方面還具有耗電少、性能好、噪聲低、維修方便等。查閱機械設計手冊，考慮到傳動效率、磨損等因素，選取Y801-2或Y90S-2型發(fā)動機。其參數(shù)如下所示：表4-1發(fā)動機參數(shù)比較型號額定功率/kw轉(zhuǎn)速/（r/min）電流（A）效率（%）功率因數(shù)/cosY801-20.7528301.81750.84Y90S-21.528403.44780.85型號最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩堵轉(zhuǎn)電流額定電流轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量/（kg/m2）質(zhì)量/kgY801-22.27.02.20.0007516Y90S-22.27.02.20.001222經(jīng)過比較，選用Y801-2型發(fā)動機。5.3傳動件設計選取材料為了簡化實際材料的采購和加工過程，根據(jù)參數(shù)計算，將方案二的機械臂設計的所用材料分為如下四種1．強度、硬度高，能負載，密度較大，同等質(zhì)量情況下體積較小。有很好的抗壓性，能抵抗一般沖擊，以固定或支撐元件。如底座平臺、電機安裝板、升降同步輪平臺、金字塔塊橫向平臺、支架立板、T型板等2．強度、硬度較高，相對能負載。比較輕巧。容易帶動起運動。如金字塔塊插塊整體、滑動車體、主軸、從動輪車軸等。3．相對密度較小。應該有很好的，從而給予運動部件較好的支持。如軸套、車軸、車盤安裝座、升降從動軸等。4．質(zhì)量輕，體積小，移動靈活，抗摩擦。如電機座、軸承座、輪子等。查閱機械設計手冊，選取1類材料為鋼板2類材料為優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼3類材料為鋼板45#鋼4類材料為鋁合金全文總結本文首先介紹了此次設計題目的意思和研究背景。亞太大學生機器人大賽是面向全亞太大學在校學生的一項重要賽事。機械臂結構設計是2010年度的