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1、机械原理课程设计机械原理课程设计蟹形运动仿真机构机械工程与材料能源学部机制0804班杨 劲 200861212汤星宇 200861131目 录一.背景资料3二.设计要求4三.方案选型及确定4四.运动分析6五.机构设计61.小腿运动机构82.大腿运动机构103.原动件 144.传动机构15六.最终作品17七.设计感想19八.参考资料21一、背景资料螃蟹：动物界，节肢动物门，甲壳纲、十足目、爬行亚目。螃蟹是甲壳类动物，它们的身体被硬壳保护着。螃蟹靠鳃呼吸。在生物分类学上，螃蟹与虾、龙虾、寄居蟹算是同类的动物。绝大多数种类的螃蟹生活在海里或靠近海洋，也有一些的螃蟹栖于淡水或住在陆地。螃蟹为什么要“横
2、着走”呢？螃蟹是依靠地磁场来判断方向的。在地球形成以后的漫长岁月中，地磁南北极已发生多次倒转。地磁极的倒转使许多生物无所适从，甚至造成灭绝。螃蟹是一种古老的回游性动物，它的内耳有定向小磁体，对地磁非常敏感。由于地磁场的倒转，使螃蟹体内的小磁体失去了原来的定向作用。为了使自己在地磁场倒转中生存下来，螃蟹采取“以不变应万变”的做法，干脆不前进，也不后退，而是横着走。 螃蟹的头部和胸部在外表上无法区分，因而就叫头胸部。这种动物的十足脚就长在身体两侧。第一对螯足，既是掘洞的工具，又是防御和进攻的武器。其余四对是用来步行的，叫做步足。对于大多数螃蟹来说，最后一对步足已经演化为水中划行的划行足，只有前三对
3、步足用于爬行。每只脚都由七节组成，关节只能上下活动。大多数蟹头胸部的宽度大于长度，因而爬行时只能一侧步足弯曲，用足尖抓住地面，另一侧步足向外伸展，当足尖够到远处地面时便开始收缩，而原先弯曲的一侧步足马上伸直了，把身体推向相反的一侧。由于这几对步足的长度是不同的，螃蟹实际上是向侧前方运动的。通过实验发现螃蟹体内的与肢相连的骨眼(肌肉束通过的地方),对于每条肢都有上下两个骨眼(即两束肌肉)与之相连.而且其肢基部关节弯曲方向是背腹方向,所以当肌肉收缩时,便牵动肢沿背腹方向运动,所以螃蟹便横向运动。二、设计要求利用连杆、齿轮等机构设计一个六足螃蟹，利用电机驱动，实现螃蟹横向爬行运动。具体要求如下：1.
4、每支足分为大腿小腿两部分，大腿上下摆动，实现抬腿、落腿两个动作，小腿左右摆动，实现抓地、蹬地两个动作。2.三支足为一组运动，六支足相互配合，实现整体的横向运动。三方案选型及确定 以一条蟹腿为研究对象，运动时大腿不动，小腿蹬（抓）地使蟹身运动。 而后大腿带动小腿抬起，到达新位置后放下，重复蹬（抓）地运动。蟹爪运动轨迹大概为一椭圆为实现椭圆运动轨迹，设计以下机构：1双摇杆机构：两个摇杆由凸轮控制分别实现腿的抬落和蹬抓地运动且互不影响。凸轮结构紧凑，主要应用于传力较小，运动灵活，运动规律复杂的场合，基本能实现任意要求的运动规律。缺点是凸轮轮廓与从动件间是点接触，易磨损。2曲柄摇杆机构对蟹身的支撑作用
5、仅发生在小腿接触地面的过程中，而此时大腿可保持不动，在蟹腿中引入一个类似“死点”的机构，可以大大减轻电机的负荷，提高机构的可靠性与合理性，同时把该曲线简化分解为蟹腿的摆动与抬落这两个单一的运动，更加符合实际蟹腿的运动情况。四运动分析现在分析蟹腿之间的运动关系，根据我们的设计思路和分析，得出结论，运动机构中A1，A2，A3三条腿运动动作一样。B1，B2，B3三条腿运动动作一样。未运动时六条腿均抓地（图a），假设开始向右运动，此时，B1，B2，B3抓地小腿回收，使蟹身向右移动，同时A1，A2，A3大腿抬起，小腿向右摆动，摆动完成后，大腿放下（图b）。图a 图b两组腿的运动循环图如下可见，两组腿的运
6、动情况完全相同，只是初始位置不同。五机构设计总体运动 设定蟹腿每2秒爬行一步，小腿完成一次伸展回收，小腿摆动幅度为60。大腿上抬，为了使驱动电机的驱动力尽量小上抬角度不需要太大。 小腿回收过程中小腿偏心轮转动180，大腿则需要完成抬腿和落腿两个动作，偏心轮需要转动360，转动比为1：2 1.小腿运动机构小腿基本结构为曲柄摇杆机构要求偏心轮转动一周，小腿实现蹬腿和收腿动作各一次，最后回到原位，且小腿摆动角为60。其运动循环图如下满足设计要求的尺寸为AF=EB=CD=CG CODG 偏心距为e=OD=OE=OF=OG2.大腿运动机构大腿基本结构为曲柄摇杆机构大腿运动循环图整体运动循环图小腿回收过程
7、中小腿偏心轮转动180，大腿则需要完成抬腿和落腿两个动作，偏心轮需要转动360，转动比为1：2。而同时，根据运动循环图，大腿的运动时间隙的，所以与大腿偏心轮项链的机构必须具有间歇周期，且在大腿的死点位置能将大腿偏心轮卡住保持不动。具有间歇运动功能的机构有棘轮机构，槽轮机构，凸轮机构，不完全齿轮机构。经过反复对比筛选我们选择了槽轮机构，其中槽轮槽数为4，圆销数为2，夹角为120如下图 大腿运动机构有了以上机构的确定我们开始设计尺寸我们将所有的中心孔直径设为2mm，小齿数齿轮厚1mm，大齿数齿轮厚1mm，小腿长80mm，宽2mm，大腿长120mm，宽2mm，厚2mm。铰链的设计如右图所示：小腿驱动
8、图中齿数为40齿。大腿驱动图中大齿轮与小齿轮传动比为1:2，即槽轮的单次工作行程为180度，此时大腿完成1次抬落，即小齿轮转360度，由此得到该传动比。设定螃蟹2秒爬行一步，小腿完成一个往复摆动，所以偏心轮1为180度/秒，槽轮拨盘也为180度/秒。同时为蟹腿与蟹身的固结设计了机架，并根据传动比设计相互间的传动齿轮。齿轮计算：齿轮1与拨盘齿轮2：m=0.5,a1=30,i21=2,=20，ha=1a1a=1/2*m*(z1+z2)=1/2*m*(1+i)z2z22a1/(1+i)m=40z2=40,z1=80,a=30标准齿轮 传动比模数安装中心距齿宽压力角i21=20.530mm1mm20齿
9、轮1与偏心轮1：m=0.5,a1=30,i21=2,=20，ha=1a1a=1/2*m*(z1+z2)=1/2*m*(1+i)z2z22a1/(1+i)m=40z2=40,z1=80,a=30标准齿轮 传动比模数中心距齿宽压力角i21=20.530mm1mm20 槽轮齿轮3与偏心轮2：m=0.5,a1=15,i23=2,=20，ha=1a1a=1/2*m*(z1+z2)=1/2*m*(1+i)z2z22a1/(1+i)m=20z2=20,z1=40,a=15标准齿轮 传动比模数中心距齿宽压力角i23=20.515mm1mm20齿轮1转速为0.5x1/2=0.25r/s3.原动件 原动件为直流电
10、动机参数如下选取6100r/min 电机为原动件。齿轮1需要转速为1r/s，电机转速可近似看做6000r/min即100r/s4.传动机构传动机构有两套：1）原动件减速机构 2）原动件与蟹腿传动机构1）减速机构主轴速度为0.25r/s，而电机速度为100r/s，所需传动比为400。考虑到机构本身尺寸较小，决定先将转速减到1r/s，再由传动机构将转速减到0.25r/s。考虑各种减速机构，行星齿轮虽然传动比很大，但是效率太低，几乎不能给蟹腿大功率传动。涡轮蜗杆摩擦大，发热大。最终使用齿轮机构变速，由于蟹身较小，采用模数为0.5的小模数标准齿轮，电机主轴串联一个10齿的齿轮，与一个40齿的齿轮啮合，
11、则可达到4倍变速，再由一个10齿的齿轮与一个50齿的齿轮啮合可以得到5倍变速，重复此级，则得到4x5x5=100倍变速 齿轮计算：m=0.5 ,z1=10，z2=40，i12=4,=20，ha=1a=1/2*m*(z1+z2)= 1/2*0.5*(10+40)=12.5mm标准齿轮 传动比模数安装中心距齿宽压力角i12=40.512.5mm1mm20m=0.5 ,z1=10，z2=50，i12=5,=20，ha=1a=1/2*m*(z1+z2)= 1/2*0.5*(10+50)=15mm标准齿轮 传动比模数安装中心距齿宽压力角i12=50.515mm1mm20变速机构结构件图如下：传动比i=4
12、0x50x50/（10x10x10）=100 实际效果图：2）原动件与蟹腿传动机构由于变速机构输出轴与蟹腿主轴成垂直，所以要求传动机构能够变向传动，而且变速机构已经将马达转速减到主轴所需转速，故要求变向传动机构的输入输出比为4:1。由于需要变向，我们选取了锥齿轮传动结构简图如下六最终作品整体机构简图七设计感想本次课程设计，使我们对机械原理这门课程有了更深入的理解。机械原理是一门实践性较强的课程，为了学好这门课程，必须在掌握理论知识的同时，加强实践。一个人的力量是有限的，要想把课程设计做的更好，就要学会参考一定的资料，吸取别人的经验，让自己和别人的思想有机的结合起来，得出属于你自己的灵感。在本课
13、程设计中，我们明白了理论与实际应用相结合的重要性，并提高了自己机械制图方面的能力。培养了基本的、良好的机构设计技能以及合作能力。这次课程设计同样提高了我们的综合运用所学知识的能力。课程设计需要有耐心，有些事情看起来很复杂，但问题需要一点一点去解决，分析问题，把问题一个一个划分，划分成小块以后就逐个去解决。再总体解决大的问题。这样做起来不仅有条理也使问题得到了轻松的解决。通过这段时间的课程设计，我认识到机械原理是一门比较难的课程。需要多花时间观察练习。这次的课程设计培养了我们实际分析问题、设计和动手能力，使我们掌握了机构设计的基本技能，提高了我们适应实际的能力。这次的课程设计我们对于专业课的学习有了更加深刻的认识，以为现在学的知识用不上就加以怠慢，等到想用的时候却发现自己的学习原来是那么的不扎实。以后努力学好每门专业课，让自己拥有更多的知识，才能解决更多的问题！ 总的来说，这次课程设计让我们获益匪浅，对机械原理也有了进一步的理解和认识。设
