【導(dǎo)讀】我國是全球第一大玩具生產(chǎn)國，其中機(jī)器人玩具一直以來都是兒童和成人最受歡迎。的產(chǎn)品，目前市場上的機(jī)器人產(chǎn)品要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜，依靠手動(dòng)實(shí)現(xiàn)變形，要么依靠簡單的。開式鏈實(shí)現(xiàn)折疊變形，或者不具備變形功能，缺乏使用機(jī)構(gòu)組合變形實(shí)現(xiàn)汽車與人形兩。本設(shè)計(jì)基于市場已有機(jī)械玩具產(chǎn)品分析，將變胞機(jī)構(gòu)理論應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)，創(chuàng)。新設(shè)計(jì)了一款可實(shí)現(xiàn)人形行走、汽車構(gòu)態(tài)下遙控駕駛、人形和汽車兩種構(gòu)態(tài)相互可逆變。本作品設(shè)計(jì)過程的重難點(diǎn)有如下幾點(diǎn)：變形六桿機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算，基于壓力角。和桿組法理論將六桿機(jī)構(gòu)尺寸算出；頸部眾多零部件的設(shè)計(jì)與干涉檢驗(yàn)；汽車人外形曲。面復(fù)雜，造型較為困難，運(yùn)用Pro/E高級曲面造型模塊進(jìn)行三維建模與運(yùn)動(dòng)仿真，通過。動(dòng)態(tài)演示發(fā)現(xiàn)問題并改進(jìn)，最后制作出實(shí)物，從而完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙

　　

【正文】 初始狀態(tài)時(shí) OA 桿的初始角度 60?ang 。為避免機(jī)構(gòu)出現(xiàn)止點(diǎn)位置，設(shè)定此時(shí)曲柄 6 即 FG桿與機(jī)架夾角為10 度，因此 FG 桿初始角度 ang2=10。 位置分析： 先定義各桿長度為 ： oal ， abl ， bcl ， cdl ， del ， efl ，機(jī)架長度 ogl ； OA桿初始角度為60?ang ，角速度為 1w ， FG 桿初始角度為 2 10ang? ；各點(diǎn)坐標(biāo)為 )( oyoxO ， 、 )( ayaxA ， 、)( bybxB ， 、 )( cycxC ， 、 )( dydxD ， 、 )( eyexE ， 、 )( fyfxF ， ， )( gygxG ， 。 設(shè)機(jī)架 G 點(diǎn)為原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，由以上條件可知： 0oX? 0oY? g ogXl?? 0gY? 計(jì)算 A 點(diǎn)坐標(biāo)： cos( )aX loa ang?? （式 233） ()bX loa sin ang?? （式 234） 計(jì)算 B 點(diǎn)坐標(biāo)： 因?yàn)?ABC 構(gòu)成 RRP 桿組，前面已經(jīng)分析過 RRP 桿組的運(yùn)動(dòng)分析，所以調(diào)用 RRP桿組的子程序來求 B 點(diǎn)坐標(biāo)： CountRRP aX ， aY ， abl ， bcl bXx? （式 235） 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 19 頁 共 41 頁 bYy? （式 236） 求 C、 D 兩點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，由于此時(shí)滑桿 BC 頂住滑桿 DE， CD 兩點(diǎn)重合，因此 C、 D兩點(diǎn)坐標(biāo)相同，其求解較容易： c b bcX X l?? （式 237） 0cY? （式 238） d b bcX X l?? （式 239） 0dY? （式 240） E 點(diǎn)坐標(biāo)與 D 點(diǎn)坐標(biāo)之間的關(guān)系直接由滑桿 DE 長度決定，由此可得： e b bcX X l?? （式 241） 0eY? （式 242） 求 F 點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，因?yàn)?ABC 構(gòu)成 RRR 桿組，前面已經(jīng)分析過 RRR 桿組的運(yùn)動(dòng)分析模型，所以調(diào)用 RRR 桿組的子程序來求 F 點(diǎn)坐標(biāo)： CountRRR eX ， eY ， efl ， fgl ， gX ， gY gXx? （式 243） gYy? （式 244） 基于壓力角的尺寸計(jì)算分析 在 平面連桿機(jī)構(gòu) 中不計(jì)摩擦和構(gòu)件的慣性的情況下，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)從動(dòng)件所受的驅(qū)動(dòng)力的方向線與該力作用點(diǎn)的速度方向線之間的夾角 稱為壓力角 。 機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，壓力角和傳動(dòng) 角 隨從動(dòng)件的位置而變化。壓力角愈小，使從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的有效分力越大 ，機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的效率也越高，所以可用壓力角的大小判斷機(jī)構(gòu)的傳力特性 。 為了保證機(jī)構(gòu)能正常工作，要限制工作行程的最大壓力角或最小傳動(dòng)角 ，一般設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使最小傳動(dòng) 角 40??。 在設(shè)計(jì)本六桿機(jī)構(gòu)時(shí)，規(guī)定最大壓力角 max? 不超過 40176。，即最小傳動(dòng)角 min? 50??，且擬定機(jī)架長度 ogl =280mm。 查機(jī)械 設(shè)計(jì)手冊 得，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的最大壓力角出現(xiàn)在曲柄與滑塊導(dǎo)路垂直的位置，即如圖 29 中的 max? 。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 20 頁 共 41 頁 圖 29 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)壓力角分析圖 因此： maxsin oaabll? ? （式 245） 由于規(guī)定 max 40? ?? 所以得出 oal 與 abl 間的關(guān)系 ： m a xsin 0. 64o a a b a bl l l?? ? ? ? （式 246） 同理 可得： m a xs i n 0 .6 4g f ef efl l l?? ? ? ? （式 247） 由于是對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，所以在整個(gè)變形過程，滑桿 BC 的最大沖程： m a x c o sa b o a a bH l l l A B O? ? ? ? ? （式 248） 將式 252 代入得： m a x()c o s a r c s in oaa b o a a b abl s in a n gH l l ll???? ? ? ? ???? （式 249） 由于滑桿 ED 的最大沖程與滑桿 BC 的相等，用 GF， FE 桿表示滑桿 ED 的沖程 ： m a x( 2 )c o s a r c sin gfe f gf e f efl sin a n gH l l ll???? ? ? ? ? ???? （式 250） 聯(lián)立以下方程： abll?? （式 251） efll?? （式 252） max maxHH?? （式 253） 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 21 頁 共 41 頁 m a x ()c o s a r c s in oaa b o a a b abl s in a n gH l l l l???? ? ? ? ???? （式 254） m a x( 2 )c o s a r c sin gfe f gf e f efl sin a n gH l l ll???? ? ? ? ? ???? （式 255） 得 40oal ? ， 63abl ? ， 30gfl ? ， 48gfl ? 在 GFE? 中 由 余弦定理得： 222c o s( 2 ) 2g f ef g eg f efl l lang ll??? ?? （式 256） 在 BEF? 中，由余弦定理 ： 222c o s2a b o a o ba b o al l lBAO ll???? ?? （式 259） 聯(lián)立 以下 方程 ： ge ogbe obl l l l? ? ? （式 260） 222c o s( 2 ) 2g f ef g eg f efl l lang ll??? ?? （式 261） 222c o s2a b o a o ba b o al l lBAO ll???? ?? （式 262） 解得 158bel ? 即變胞后滑桿 BC、 DE 的總長為 158，在考慮到汽車人機(jī)構(gòu)整體布局及空間干涉等問題后，通過仿真， 發(fā)現(xiàn)最優(yōu) 組合為 ： 95bcl ? ， 63cel ? 。 因此，汽車人六桿機(jī)構(gòu)的尺寸確定如表 23： 表 23 六桿機(jī)構(gòu)尺寸 構(gòu)件名稱 曲柄 1 連桿 2 滑桿 3 滑桿 4 連桿 5 曲柄 6 構(gòu)件尺寸（ mm） 40 63 95 63 48 30 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真 為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)六桿機(jī)構(gòu)尺寸是否合理，使用 VisualC++軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真 。程序包括“所有行程”、“車形到人形”、“人形到車形”、“正常行走”四個(gè)功能按鈕，點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的變形的運(yùn)動(dòng)仿真。 當(dāng)點(diǎn)擊“正常行走”按鈕時(shí)，腳部與機(jī)架夾角在 0 到 30 度之間的擺動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)人形行走的運(yùn)動(dòng)過程仿真，如圖 29（ a）、（ b）所示。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 22 頁 共 41 頁 （ a） （ b） 圖 29 人形行走仿真效果 當(dāng)點(diǎn)擊“人形到車形”按鈕時(shí)，腳部繼續(xù)逆時(shí)針 轉(zhuǎn) 動(dòng)，當(dāng) 轉(zhuǎn) 到與機(jī)架成 60 度時(shí)，滑桿 3與滑桿 4接觸， 變形即將開始， 如圖 210（ a）所示。 繼而 腳部繼續(xù) 轉(zhuǎn) 動(dòng)，滑桿 3推動(dòng)滑桿 4 往上運(yùn)動(dòng)，通過連桿 5 帶動(dòng)人形前胸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，逐漸變?yōu)槠嚽吧w，如圖 210（ b）所示。 隨著腳部繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)到 180度后，人形腳部即可變?yōu)槠嚭笊w，人形前胸變?yōu)槠嚽吧w，至此完成人形到車形運(yùn)動(dòng)過程仿真，如圖 210（ c）所示。 （ a） （ b） （ c） 圖 210 人形變?yōu)檐囆芜\(yùn)動(dòng)仿真效果 當(dāng)點(diǎn)擊“車形到人形”按鈕時(shí)，汽車前蓋時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使滑桿 4 推動(dòng)滑桿 3 向下運(yùn)動(dòng)，桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 23 頁 共 41 頁 帶動(dòng)汽車后蓋順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為人形腳部，其變形過程與點(diǎn)擊“人形到車形”按鈕相反，即從圖 210（ c）狀態(tài)變?yōu)閳D 29（ a）狀態(tài)，至此完成車形到人形的變形過程運(yùn)動(dòng)仿真。 頸部齒輪副的設(shè)計(jì) 在汽車人變形過程中，頭部只需要轉(zhuǎn)動(dòng) 90 度，而汽車前蓋與人形前胸之間的轉(zhuǎn)換需要轉(zhuǎn)動(dòng) 160 度，要實(shí)現(xiàn)前蓋轉(zhuǎn)動(dòng) 160 度的同時(shí)，頭部轉(zhuǎn)動(dòng) 90 度，因而使用 齒輪傳動(dòng)，選定傳動(dòng)方式為直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。 由傳動(dòng)角度關(guān)系可求出傳動(dòng)比： 160 ?? 根據(jù)已知傳動(dòng)比，設(shè)計(jì)如下： （ 1） 選擇齒輪材料 考慮到汽車人為機(jī)械玩具，且頸部傳動(dòng)空間有限，大小齒輪均選擇 Q235（調(diào)質(zhì)）作為齒輪的材料。接觸疲勞極限應(yīng)力 σ Hlim=800Mpa，彎曲疲勞極限應(yīng)力 σ Flim=500Mpa。 （ 2） 通過簡化設(shè)計(jì)初步選定主要參數(shù) 設(shè)計(jì)過程如下： 1） 按接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 768√ σ （式 2? 63） 查表 （《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》 P237 表 34） ，取 綜合系數(shù) ： K=