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机械原理课程设计

仿生尺蠖

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指导老师：

目录

1、仿生尺蠖功能及设计要求·························
2、工作原理和工艺动作分解·······················
3、执行机构的选型·······························
4、传动机构的选择与比较·························
5、运动方案的选择和评定·························
6、传动方案的设计·················
7、机械传动系统和执行机构的尺寸·················
8、方案评价·····································
9、小结····································

爬行仿生尺蠖

一.仿生尺蠖功能及设计要求
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。
设计任务：
⑴ 按给定的主要参数，拟定机械传动系统总体方案；
⑵ 画出机构运动方案简图；
⑶ 分配不完全齿轮齿条、齿轮、锥齿轮、棘轮传动比，确定他们的基本参数，设计计算几何尺寸；
⑷论文答辩；
⑸ 编写设计计算说明书。
二.工作原理和工艺动作分解
为实现仿生尺蠖在金属直线管道爬行而设计：
为实现不完全齿轮的减速转动，需要设计定传动比的齿轮传动，设计锥齿轮传动；
为实现仿生尺蠖的爬行前进，需要设计驱动装置，设计不完全齿轮齿条传动；
为实现仿生尺蠖不会后退，需要设计制动装置，设计棘轮装置。
三.执行机构的选型
驱动方式采用电动机驱动。其他选择如下
1. 锥齿轮减速机构：

图1：锥齿轮减速机构
选用锥齿轮为了减速，还用于改变传动的方向，直齿锥齿轮机构制造容易，成本低，对于安装和变形敏感，承载能力低，噪音大，而斜齿和曲齿锥齿轮机构可以克服直齿锥齿轮的缺点。所以选用斜齿锥齿轮。
2. 棘轮自锁结构：
选用棘轮用于后轮和箱体下面的轮子之间，棘轮的作用用于前进顺利，后退的时候挡条挡住齿轮齿阻碍棘轮运动，棘轮与轮子不可动连接，致使装有棘轮的轮子在后退的时候因为棘轮的作用，是轮子不可懂，因为摩擦力的作用使装有棘轮的轮子无法后退。

图2：棘轮机构

3. 不完全齿轮齿

图3：不完全齿轮齿条机构
选用不完全齿轮齿条机构，目的在不完全齿轮顺时针旋转的时候，不完全 齿轮的齿与上齿条接触啮合，使齿条向右运动，当齿轮的齿啮合结束后，齿轮的齿与下齿条的齿啮合使齿条向左运动。完成齿条的往复的运动。
四.传动机构的选择与比较
通过不完全齿轮齿条的驱动和棘轮的阻碍，完成仿生尺蠖的前进：

图4：仿生尺蠖总体设计图

齿条

右行

左行

后轮

前进

锁死

箱体支撑轮

前进

锁死
表1：运动循环表
五．运动方案的选择和评定
仿生尺蠖有电动机、锥齿轮机构、不完全齿轮齿条机构等组成具体分为：
1) 减速机构：采用锥齿轮机构实现，电机轴高速旋转的降速以带动不完全齿轮的传动.
2) 驱动机构：采用不完全齿轮齿条的左右运行而实现总体的前进。
3) 制动机构：采用棘轮机构来实现，棘轮阻碍机构的左行，实行机构总体的右行。
4) 不完全齿轮的旋转：不完全齿轮通过锥齿轮的二次变速和变向，实现不完全齿轮在齿条间的运转。
六．传动方案设计
经过电动机的运转，所有动力都来源于电动机，再经过二对锥齿轮机构的传动和变向，实现减速将动力传动给不完全齿轮，由不完全齿轮齿条机构的运动带动前后轮的运动。再通过后轮的棘轮机构阻碍后轮的左行。
七．机械传动系统和执行机构的尺寸
本设计方案最大的特点是它采用一对锥齿轮机构实现运动的改变和减速作用。锥齿轮减速和变向将驱动力传动给不完全齿轮。采用不完全齿轮结构，结构比较简单，使用方便，经济又实惠。且采用棘轮结构可以实现机构的前进，而且制作简单方便实惠。
1. 电动机的选择：
本设计要求在于在80—100㎜金属管道内爬行，所以电机采用微型电机。考虑总体的运作问题采用功率为0.6W。具体如下：

2. 锥齿轮机构的选择：

名称
符号
计算公式
分度圆锥角
d

分度圆半径
r
     ；    
齿顶高
ha
ha=m
齿根高
hf
hf=1.2m
齿顶圆半径
ra
ra1=r1+mcosd1 ；    ra2=r2+mcosd2 
齿根圆半径
rf
rf1=r1-1.2mcosd1 ；  rf2=r2-1.2mcosd2 
锥距
R

齿宽
B
B=(0.25 ~ 0.30)R
齿顶角
qa

齿根角
qf

顶圆锥角
da
不等顶隙收缩齿制    da1=d1+qa1  ；da2=d2+qa2 
等顶隙收缩齿制      da1=d1+qf2  ；da2=d2+qf1 
根圆锥角
df
df1=d1-qf1  ；df2=d2-qf2 
当量齿数
zv

3. 不完全齿轮齿条的选择
不完全齿轮设置为分度圆半径为15㎜，齿数为6，齿轮宽度为2㎜。齿轮齿条的齿条长为2πR=12㎜，上下齿条的齿轮数目一样。且m1=m2 , α1=α2 R1 =R2。
4. 棘轮机构的选择
棘轮分度圆半径为2.5㎜，齿数为8.宽度为0.5㎜.
选择前后轮的半径为10㎜，后轮与棘轮直接连接。中间支撑轮的半径为2㎜.后轮与棘轮连接如图所示：

5. 设计的总参数
仿生尺蠖的箱体总长为100㎜，高度为60㎜。电机动力源为14V小型电池。
八.方案评价
运动精确，通过二次锥齿轮的变速和转向，精确的控制了不完全齿轮的速度。
方案的主要优势在于驱动力的来源和自锁制动机构的完全。驱动力恒定而且不会转变和变向。制动机构有效的阻碍机构的后退。但是此方案的缺点在于只能前进不能后退，而且速度缓慢，不能转向。因此在封闭的管道和弯曲的管道中无法实现探测的功能。
九.小结
这次设计经历了一个多星期，在这段时间里是我各个方面都得到了训练，对机械原理了解的更加深入了，使我们的阅历增加了很多。摆脱了我们以往只能在书本上学习的范畴而是自己亲手设计实验出来的。
这次设计使我们明白想要做好课程设计必须要有深厚的基础，设计刚开始时因为基础不牢固我们走了很多的弯路，这次设计过成功后，我仿佛经过一次长途旅程到达终点，感觉眼前一亮。这次设计让我明白干任何事都要有耐心，要仔细，课程设计有很多次让我感到心烦，但我们还是坚持下来了。
短短一周课程设计，使我发现了自己所掌握的知识是真正如此的缺乏，自己综合应用所学的专业知识能力是如此的不足，以后我会更加努力的学习的。机械原理课程设计是使我们较全面系统的掌握和深化机械原理课程的基本原理和方法的重要环节，是培养我们学生机械运动方案设计创新设计和应用计算机对工程实际中各种机构进行分析和设计能力的一门课程。
经过这几天设计的学习，让我们初步了解了机械设计的全过程，可以初步的进行机构选型组合和确定运动方案；使我们将机械原理课程各章的理论和方法融会贯通起来，进一步巩固和加深了所学的理论知识 ；并对动力分析与设计有了一个较完整的概念；提高了运算绘图遗迹运用计算机和技术资料的能力；培养了我们学生综合运用所学知识，理论联系实际，独立思考羽分析问题的能力和创新能力。
在这几天的机械设计中，我们深感自己的不足，认识到了理论与实际之间的差别，只有理论与实际相结合，充分发展多动手，多加进行锻炼，才能终有所得。
机械原理课程设计结合一种简单机器进行机器功能分析、工艺动作确定、执行机构选择、机械运动方案评定、机构尺寸综合、机械运动方案设计等，使我们学生通过一台机器的完整的运动方案设计过程，进一步巩固、掌握并初步运用机械原理的知识和理论，对分析、运算、绘图、文字表达及技术资料查询等诸方面的独立工作能力进行初步的训练，培养理论与实际相结合、应用计算机完成机构分析和设计的能力，更为重要的是培养开发和创新能力。机械原理课程设计在机械类学生的知识体系训练中，具有不可替代的重要作用。

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