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1、XXX 学校课 程 设 计资 料 袋机械工程 学院（系、部） 2011 2012 学年第 二 学期 课程名称 机械原理课程设计 指导教师 XXX 职称 教授 学生姓名 XXX 专业班级 机械大类 1011 班 学号 题 目 仿生尺蠖 成 绩 起止日期 2012 年 5 月 20 日 2012 年 6 月 20 日目 录 清 单序号材 料 名 称资料数量备 注1课程设计任务书12课程设计说明书13课程设计图纸若干张4561机 械 原 理设计说明书仿生尺蠖起止日期： 2012 年 5 月 20 日 至 2012 年 6 月 20 日学生姓名XXX班级机械 1011 班学号成绩指导教师 (签字 )机
2、械工程学院机械工程学院2012 年年 5 月月 29 日日2目 录0.设计任务书31. 工作原理和工艺动作分解42. 根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图53. 执行机构选型64.运动方案的选择和评定85.传动方案的设计96. 机构运动简97.机械传动系统和执行机构的尺寸118.参考资料159.设计总结153XXX 学校课程设计任务书2010 2011 学年第学年第 2 学期学期机械工程 学院（系、部） 机械大类 专业 机械 1011 班级课程名称： 机械原理课程设计 设计题目： 仿生尺蠖仿生尺蠖 完成期限：自 2012 年 6 月 13 日至 2012 年 6 月 20 日共 1 周内 容
3、及 任 务一、设计的任务与主要技术参数 设计仿生尺蠖，模拟自然界尺蠖的爬行方式，在管道内爬行实现爬行运动，达到探测 管道内部情况的目的。要求结构简单紧凑，布局合理。 技术要求： 1、管道内径 80-100； 2、管道为金属管道； 3、管道总体呈现直线形状。二、设计工作量 要求：对设计任务课题进行工作原理和工艺动作分解，根据工艺动作和协调要求拟定运 动循环图，进行执行机构选型，构思该机械运动方案，并进行的选择和评定，确定机械运 动的总体方案，根据任务书中的技术参数，确定该机械传动系统的速比和变速机构，作出 机构运动简图，对相关执行机构的具体尺度进行分析与设计。 要求有设计说明书一份，相关图纸一至
4、两张。起止日期工作内容7.5-7.7构思该机械运动方案7.7-7.8运动分析及作图进 度 安 排7.9整理说明书与答辩 主要 参考 资料1朱理机械原理 北京：高等教育出版社，2010 2邹慧君机械原理课程设计 北京：高等教育出版社，2010指导教师 ：XXX 2012 年 6 月 1 日系（教研室） 主任 ：XXX 2012 年 6 月 10 日41.1. 工作原理和工艺动作分解工作原理和工艺动作分解根据任务书的要求，该机械的应有的工艺过程是，机构应具有前足、后足和一个转向装置。前足和后足的运动形式如下：仿生尺蠖和其他机器设计不同，自然界有真实的运动对象供参考。对单独的尺蠖前头（即前足）和后尾
5、（后足）进行观察和运动分析，发现尺蠖在迈进的时候，前足抬起前伸抓地，后足在前足前伸时蹬地，在前足抓地后抬起前伸，同时带动身体前进，在到达极限位置后，前足再次抬起前伸抓地。如此循环前进运动。相对于地面，两足的运动轨迹大致相同（如图 1-1） 。图 1-1参照其他动物如家畜，要实现前进必须有两个动作，即抬腿、迈进。因此仿 生尺蠖前后足设计成两部分，一部分实现抬起功能，另一部分实现迈进功能， 这样就能实现尺蠖前进运动。 尺蠖的转向是通过整个身体的各个关节调整转向的，由于水平有限，在 此简化该运动过程。5图 1-2 根据四驱车的转向装置可设计防身尺蠖的转向机构如图 1-2 所示。2.2.根据工艺动作和
6、协调要求拟定运动循环图根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图拟定运动循环图的目的是确定各机构执行构件动作的先后顺序、相位，以利于设计、装配和调试。仿生尺蠖主动件每转完成一个运动循环所以拟订运动循环图时，以该主动件的转角作为横坐标(0、360)，以前足、后足执行构件的抬起、落下、前伸、抓地（蹬地）为纵坐标作出运动循环图。运动循环图主要着眼于运动的起迄位置，根据上述表述作出仿生尺蠖的运动循环图如图 2-1 所示。6图 2-13.3.执行机构选型执行机构选型由上述分析可知，仿生尺蠖前后足需实现两个功能，设计两个机构，一个机构实现抬起功能，另一个机构实现迈进功能。此外，当各机构按运动循环图确定的相位关系
7、安装以后应能作适当的调整，故在机构之间还需设置能调整相位的机构。前后足运动过程大致相同，下面以前足为例加以说明。抬起和迈进机构均为往复摆动机构，能实现摆动的机构有如下几种：摆动导杆机构摆动导杆机构摆动凸轮机构摆动凸轮机构摆动圆柱凸轮机构摆动圆柱凸轮机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构7抬起机构在迈进机构收回时有一个停歇阶段，因此还需加一个能实现间歇运动的机构，槽轮机构、棘轮机构、凸轮机构均能实现间歇运动。如果抬起机构选择了凸轮机构则不需要再加实现间歇运动的机构。棘轮机构棘轮机构槽轮机构槽轮机构能实现预想运动的机构方案有 5*4/2*2=20 种方案。按给定的条件，应尽量选择机构
8、简单，造价便宜的方案。选出如下图 3-2 所示的三种方案作为评选方案。8图 3-2 前足机构方案4.4.机械运动方案的选择和评定机械运动方案的选择和评定图 3-2 所示的方案一采用了连杆机构和摆动导杆机构。连杆机构容易出现死点且传动不稳定，可靠性不高。摆动导杆机构摆动的幅度太大，使抬腿过高，容易卡死，大大增加了电动机的负载，在运动中可能导致电动机停转现象。图 3-2 所示的方案二采用了偏心轮摆动机构和曲柄摇杆优化后的机构。偏心轮机构在转动过程中振动较大，使电动机的效率降低，对整个机构的使用性能有一定的影响。优化后的曲柄摇杆机构使用的恰当，但机构整体不佳，故不选此机构。图 3-2 所示的方案三采
9、用了优化后的曲柄摇杆机构和凸轮机构。曲柄摇杆机构中的曲柄不像普通的曲柄采用杆连接，而是采用杆轮连接，这样机构的稳定性得到提高。抬起采用凸轮机构，机构结构简单，可靠性高，连续性好，方便设计。但是一个凸轮制造成本较高。该方案作为备选方案。9图 3-2 所示的方案四采用的机构简单，除去了抬起机构部分。该机构本身就具有抬起功能，而且机构结构简单，制造方便，适用性好。故选该机构方案作为最终方案。5.5.传动方案的设计传动方案的设计仿生尺蠖机构本身结构小，应该采用布局紧促，传动效率较高的传动系统。 直齿轮是不错的选择。直齿轮具有结构紧凑、效率高、寿命长、使用的功率、 速度和尺寸范围大等特点。传动系统图如图
10、 5-1图 5-16.6.机构运动简图机构运动简图图 6-110图 6-2 机构运动简图如图 6-1 所示。该机构的运动原理如图 6-2，前头迈进的 同时抬起，该机构实现了迈进和抬起同时进行。步进分解如上图，曲柄逆时 针旋转。117.7.机械传动系统和执行机构的尺寸机械传动系统和执行机构的尺寸图 7-1标准直齿圆柱齿轮 1，3，5 的齿轮几何参数名称代号计算结果模数m0.5 压力角a20度齿数z8 齿顶高系数ha1 顶隙系数c0.25 分度圆直径d=mz4 齿顶高ha=ham0.5 齿根高hf=(ha+c)m0.625 齿全高h=(2ha+c)m1.125 齿顶圆直径da=(2ha+z)m5
11、齿根圆直径df=(z-2ha-2c)m2.7512基圆直径db=d cos a3.76 齿距p=m1.57 基圆齿距pb=p cos a1.47 齿厚s=m/20.785 齿槽宽e=m/20.785 顶隙c=cm1.25标准直齿圆柱齿轮 2，4，6 的齿轮几何参数名称代号计算结果模数m0.5 压力角a20度齿数z40 齿顶高系数ha1 顶隙系数c0.25 分度圆直径d=mz20 齿顶高ha=ham0.5 齿根高hf=(ha+c)m0.625 齿全高h=(2ha+c)m1.125 齿顶圆直径da=(2ha+z)m21 齿根圆直径df=(z-2ha-2c)m19.375 基圆直径db=d cos
12、a3.76 齿距p=m1.57 基圆齿距pb=p cos a1.47 齿厚s=m/20.785 齿槽宽e=m/20.785 顶隙c=cm1.25标准直齿圆柱齿轮 7 的齿轮几何参数名称代号计算结果模数m1 压力角a20 齿数z20 齿顶高系数ha113顶隙系数c0.25 分度圆直径d=mz20 齿顶高ha=ham1 齿根高hf=(ha+c)m1.25 齿全高h=(2ha+c)m2.25 齿顶圆直径da=(2ha+z)m22 齿根圆直径df=(z-2ha-2c)m17.5 基圆直径db=d cos a18.79 齿距p=m3.14 基圆齿距pb=p cos a2.95 齿厚s=m/21.57 齿
13、槽宽e=m/21.57 顶隙c=cm0.25主轴传动链：电机：尺蠖是由 1 个电机来驱动的，电机参数直接决定了传动的结构，为此我们对电机作了一个简单的调查：品牌XXXXX产品类型有刷直流电动机型号WZY-131额定功率0.02（kW）额定电压1.2（V）额定转速10000（rpm）外形尺寸19.5*12*9.5（mm）WZY 一 131 型玩具电动机的性能列表电 压空 载负 载使用电压范围（伏）测试电压（伏）转速(转/分)电流（安）转速（安）电流（安）力矩(克厘米)功率（瓦）制动力矩(克厘米）1.5-3.01.576000.2752000.716. 50.320.61.5-3.03100000
14、.3475001100. 9632.5根据情况，我们采用了转速为 7500 转/分的电机，即 125 转/秒。由于电机只有一个，而要把运动传到前后足上，而且这两足之间的相对位14置还会因为尺蠖身体的摆动而变化，考虑到转动时，两足也是跟着机架一起绕着中心轴转动的，足和中心轴的位置是不变的，所以把中心轴定为传动主轴可以大大简化传动机构，并使得机构更加可靠。减速器：联系到前面腿的摆动速度，可把主轴速度设定为 1 转/秒，而电机是 125 转/秒，所以需要提供 125 倍的传动比。考虑各种减速机构，行星轮系虽然传动比很大，但是效率太低，几乎不能用于给前后足大功率传动，涡轮蜗杆则由于摩擦大、发热大也被排除，最后，我们决定用齿轮机构来变速。由于尺蠖身体比较小，我们决定采用模数为 0.5 的小模数标准齿轮，电击主轴串联一个 8 齿的齿轮，如果与一个 40 齿的齿轮啮合，则可达到 5 倍的变速，再用一个8 齿的齿轮与 40 齿的齿轮双联，就可进行下一级变速。据此，画机构简图如下：图 7-2传动比125888404040i
