【正文】 這款角接觸球軸承設(shè)計(jì)制作了其相關(guān)軸系零件，并進(jìn)行了實(shí)體裝配，可是效果并不理想。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 圖 48 圓錐滾子軸承 有了角接觸球軸承的經(jīng)驗(yàn)，我們找到了圓錐滾子軸承。所以我們?cè)O(shè)計(jì)使用兩個(gè)這種圓錐滾子軸承，使之正排列。 圖 49 正排列的圓錐滾子軸承 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 市場(chǎng)上常見(jiàn)的腳輪有兩種，一種是單向的，只能往一個(gè)確定的方向滾動(dòng)。這些腳輪上集成了很好的轉(zhuǎn)動(dòng)副。特別是萬(wàn)向腳輪，集成了兩個(gè)正交的轉(zhuǎn)動(dòng)副，而且其中之一就是一個(gè)推力軸承。 圖 410 腳輪及其支架 但是，萬(wàn)向腳輪的推力軸承有一定的間隙，可以左右擺動(dòng)。所以，它只能用在手動(dòng)轎夫機(jī)器人上。 為此，我們使用單向腳輪的支架作為自動(dòng)轎夫機(jī)器人的繞 Y 軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)副，使用萬(wàn)向腳輪的支架作為手動(dòng)轎夫機(jī)器人的繞 Y 軸方向和繞Z 軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)副。這樣按照各模塊的功能需求給出了相應(yīng)的機(jī)構(gòu)，既滿(mǎn)足了各功能模塊的特別要求，又節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間、經(jīng)費(fèi)。 圖 41 412 是我們制作的自動(dòng)轎夫機(jī)器人和手動(dòng)轎夫機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模塊實(shí)體模型。因此，我們必須在短時(shí)間內(nèi)將轎子與自動(dòng)轎夫機(jī)器人固定，而且最好不需要使用工具，否則在攝像頭面前攜帶上場(chǎng)會(huì)有損學(xué)校形象。關(guān)系到鎖死機(jī)構(gòu)的主要尺寸就是轎子把手的厚度，其標(biāo)準(zhǔn)尺寸為 30mm。這都在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，但卻清楚地告訴我們主辦方提供的道具確實(shí)會(huì)有很大的誤差。所以，我們的鎖死機(jī)構(gòu)還需要可以適應(yīng)一定的范圍。 為了實(shí)現(xiàn)上述要求，我們想到了用凸輪拔銷(xiāo)來(lái)制作這個(gè)模塊 [20]。其模型如圖 413 所示 。 偏心輪設(shè)計(jì)如下圖，偏心 2mm，可調(diào) 4mm。于是，我們?cè)O(shè)計(jì)了另一版比較接近的鎖死機(jī)構(gòu)。 跟隨機(jī)構(gòu) 跟隨機(jī)構(gòu)指手動(dòng)轎夫機(jī)器人和轎子之間的移動(dòng)副及其相關(guān)機(jī)構(gòu)。這種力的作用雖然不違反規(guī)則，但是會(huì)螺栓 偏心輪 軸 把手帽 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 影響自動(dòng)轎夫機(jī)器人的走行。當(dāng)上山時(shí)，這個(gè)力矩就會(huì)拉住自動(dòng)轎夫機(jī)器人，使得它翹頭。這個(gè)我們整個(gè)小組的三臺(tái)機(jī)器人都帶來(lái)了很多麻煩。為了減小摩擦，我們做了多版研究和實(shí)驗(yàn)。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng) 性強(qiáng)，但是摩擦是滑動(dòng)的，摩擦力大。這一設(shè)計(jì)在轎子空載時(shí)摩擦很小，但是當(dāng)轎子承受負(fù)載時(shí)，轎子會(huì)出現(xiàn)很大的彎矩和扭矩，從而在把手和機(jī)構(gòu)之間產(chǎn)生力。 圖 417 滾動(dòng)摩擦跟隨 隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步深入，我們嘗試采取幾何開(kāi)放的力封閉結(jié)構(gòu) [22]，這樣可以避免彎矩的干擾。 分析發(fā)現(xiàn)，這種情況是由于有扭矩時(shí)，轎子往一側(cè)傾斜，把手與擋邊線(xiàn)接觸且正壓力很大。所以這條線(xiàn)上得線(xiàn)速度大于把手下表面，由于速度不同產(chǎn)生了滑動(dòng)摩擦 [23]，增大了阻力。我們用若干個(gè)軸承拼成了這個(gè)中間的支撐結(jié)構(gòu)，擋邊的轉(zhuǎn)動(dòng)也與支撐結(jié)構(gòu)獨(dú)立。實(shí)踐證明，這一版跟隨機(jī)構(gòu)的移動(dòng)副在各種彎矩、扭矩作用下都幾乎沒(méi)有摩擦，可以很好的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)要求的功能。在調(diào)試確定其效果后，我們選取了最佳方案進(jìn)行組合 [24]，得到了自動(dòng)轎夫機(jī)器人和手動(dòng)轎夫機(jī)器人最終參賽的功能模塊。圖 419~422 為我們的自動(dòng)轎夫機(jī)器人和手動(dòng)轎夫機(jī)器人實(shí)物和模型。如何選擇適合機(jī)器人的電機(jī)成為決定性能的重要因素，比賽中常用到的電機(jī)主要有步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、直流伺服電機(jī)，而伺服電機(jī)在調(diào)速范圍、機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線(xiàn)性度、響應(yīng)快速性等 方面都有優(yōu)勢(shì)，且當(dāng)控制電壓改變?yōu)榱銜r(shí)能立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)；普通電機(jī)做不到。但伺服電機(jī)價(jià)格通常都是很昂貴的，所以要在重要場(chǎng)合選用伺服電機(jī)，在一般部位則可選用普通直流電機(jī)加一些傳感器檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制 [27]。加速度曲線(xiàn)加速度力矩加速度功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型 折算到電機(jī)軸2GDaaaaaaaaPtGDTPDGtTtGDT322210365937375???????：加速力矩， ；：加速時(shí)間， ；：飛輪的直徑， 。mN ?sm：飛輪的重量， 。aLPPP ??PkW穩(wěn)定工況時(shí)( 勻速運(yùn)動(dòng)) 加減速時(shí)圖 5－ 1 確定電機(jī)容量的方法及步驟 自動(dòng)轎夫機(jī)器人和手動(dòng)轎夫機(jī)器人的提升電機(jī)選擇是設(shè)計(jì)中最為重要的一環(huán)，確定電機(jī)容量的方法及步驟按照?qǐng)D 5－ 1 的路線(xiàn)進(jìn)行。為了保證結(jié)構(gòu)緊湊，減少提升模塊總長(zhǎng)度，我們不能將電機(jī)與絲杠用連軸器連接直接驅(qū)動(dòng)，而是需要采用一級(jí)傳動(dòng)，將電機(jī)與絲杠布置在同一側(cè) [28]，節(jié)省空間。帶輪的選型計(jì)算將在下一節(jié)詳細(xì)介紹，在這里先假設(shè)帶輪的減速比為 1：1，帶輪的傳動(dòng)效率為 80%。根據(jù)公式， 1 2 3T T T T? ? ? （ 51） 21 ta n ( 39。? ——當(dāng)量摩擦角 根據(jù)前文計(jì)算 39。)2dTF ????= Nm? （ 53） 取 傳 動(dòng) 效 率 80% ， 電 機(jī) 需 要 的 輸 出 轉(zhuǎn) 矩 為 / 80% m N m? ? ?。 Ⅰ 確定 LP 提升距離為 ，設(shè)計(jì)目標(biāo)為 2s 到達(dá)， 則可算出速度為 /v m s? 按照前文假設(shè)，帶輪減速比取 1： 1，電機(jī)轉(zhuǎn)速與絲杠一致，故 電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為 2400n rpmL??? （ 54） 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 角速度為 24 00 / 60 12 5. 67 /rad s? ? （ 55） 電機(jī)空載轉(zhuǎn)速一般應(yīng)為負(fù)載轉(zhuǎn)速的 ~ 倍，求出電機(jī)空載轉(zhuǎn)速 0 120 0 168 0n rpm? ? ? 30 . 1 7 7 1 2 5 . 6 7 2 8 . 5 8 1 09 7 3 9 7 3 0 . 8LL TP k W?? ??? ? ? ?? Ⅱ 確定 aP 絲杠重 ,D 取大徑 16mm。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算及選型 前文介紹了提升電機(jī)和絲杠布置在同側(cè)，這就需要附加一級(jí)傳遞裝置。 圖 53 齒輪 圖 54 鏈輪 圖 55 同步帶輪 考慮電機(jī)和絲杠布置在同側(cè)，中心距受電機(jī)和絲杠外徑限制，如用齒輪傳動(dòng)齒輪半徑不可能做的很小。玉帶傳動(dòng)相比，鏈傳動(dòng)也顯得較重，所以我們選擇了帶傳動(dòng)。 綜合上訴因素，我們選擇了同步帶作為傳動(dòng)。 經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)查，評(píng)估性?xún)r(jià)，我們選擇 了一款 50W 的電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為 1200rpm。為控制提升機(jī)構(gòu)占用空間，我們使用它作大輪。 考慮電池電壓下降后電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)隨之降低，需留下余量。 根據(jù)要求，我們需要的小輪轉(zhuǎn)速為 2400rpm，選取 3M 型圓弧齒同步帶，大輪 32 齒，小輪 14 齒。查得帶長(zhǎng)公式： 2120 0 1 2 0()2 ( )24ddL a d d a? ?? ? ? ? （ 59） 0a ——軸間距 1d ， 2d ——小帶輪，大帶輪節(jié)圓直徑 計(jì)算得 1 1 4 * 3 1 3 .3 6d m m??? 2 3 2 * 3 3 0 .5 6d m m??? 代入式（ 59）得 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 0 ? （ 510） 取帶長(zhǎng)pL=162mm，得帶齒數(shù)為 54 齒。下面介紹一下抬轎機(jī)構(gòu)上各傳感器以及他們的安裝。 由于自動(dòng)轎夫機(jī)器人和手動(dòng)轎夫機(jī)器人要時(shí)刻知道絲杠所處的位置，據(jù)此來(lái)決定采取何種動(dòng)作。 由于光電對(duì)管使用簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較高，所以在自動(dòng)轎夫機(jī)器人和手動(dòng)轎夫機(jī)器人上大量采用 了光電對(duì)管來(lái)檢測(cè)我所需要知道的信息 [31]。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 利用光電對(duì)管對(duì)升降的位置進(jìn)行定位的原理如圖所示，在承載機(jī)器人的豎直方向在需要定位的位置固定光電對(duì)管，在升降的平臺(tái)上連接一個(gè)遮擋片，在升降過(guò)程中，由于遮擋片的遮擋，當(dāng)傳感器的輸出為高電平就表示到達(dá)了對(duì)應(yīng)傳感器的位置。 圖 62 光電對(duì)管安裝示意圖 考慮光電對(duì)管質(zhì)量較輕，不受外力作用，且往往需要改變他的安裝位置來(lái)調(diào)節(jié)絲杠的停止高度，所以我們選擇了簡(jiǎn)單易行的膠粘方式固定。 旋轉(zhuǎn)電位器 為了保持轎子時(shí)刻保持水平狀態(tài)，并保證制動(dòng)轎夫機(jī)器人可以跟隨手動(dòng)轎夫機(jī)器人起轎、落轎，我們需要一種傳感器來(lái)檢測(cè)轎子和自動(dòng)機(jī)器人之間的角度。 光電對(duì)管 擋片 光電對(duì)管安裝位置 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 圖 63 電位器 旋轉(zhuǎn)電位器是一種轉(zhuǎn)動(dòng)變阻器，根據(jù)分壓原理，當(dāng)旋轉(zhuǎn)電位器旋轉(zhuǎn)時(shí)，我們可以通過(guò)檢測(cè)電壓的變 化得到轎子和自動(dòng)轎夫機(jī)器人之間的角度，再通過(guò)提升機(jī)構(gòu)的升降來(lái)調(diào)節(jié)轎子直到水平。我們?cè)O(shè)計(jì)了一根軸代替原先的單向腳輪的輪軸，將電位器的輸入軸插入轉(zhuǎn)軸中，用緊定螺栓固定。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 圖 64 電位器安裝示意圖 圖 65 轉(zhuǎn)軸工程圖 旋轉(zhuǎn)編碼器 為了減小操作手的壓力，我們希望可以讓手動(dòng)轎夫機(jī)器人在速度上大體 與自動(dòng)轎夫機(jī)器人一致，實(shí)現(xiàn)同步。 旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理是用光電方法把被測(cè)角位移轉(zhuǎn)換成為數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào)的轉(zhuǎn)換部件。碼盤(pán)上的碼道上分布有規(guī)則的亮區(qū)和暗區(qū)，通過(guò)亮區(qū)的光線(xiàn)經(jīng)狹縫 4 形成很窄的光束照到光電元件 5 上，光電元件的排列與碼道一一對(duì)應(yīng)，光電元件的各種輸出信號(hào)的組合，反映出相應(yīng)編碼的數(shù)字量 [34]。由于轎子和手動(dòng)轎夫機(jī)器人之間的夾角也會(huì)變化，為了讓輪子可以較好地接觸轎子，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，使輪子靠重力懸掛。 圖 68 旋轉(zhuǎn)編碼器安裝示意圖 旋轉(zhuǎn)編碼器 輪子 轉(zhuǎn)動(dòng)軸 支架