机械设计课程设计_"自适应可翻转探测车"设计与制作
作者: 彭时林王桂明 王士琴
一．思路由来
随着航天事业的飞速发展，人类的步伐已开始走向太空，对复杂环境探测的需求越来越迫切，对探测车的自适应性能要求也越来越高。目前的探测车，从美国的Rocky系列火星探测车和登上火星的“勇气”号和“机遇”号，到国内研究设计的月球探测车，为了在行驶时不至翻转，运行时总是很小心，速度都很慢。目前一般的设计思路是想尽一切办法不让探测车翻，即：尽量改善探测车的底盘和轮子结构，使探测车能越过更高的障碍而不翻转，同时也提高探测车的运行速度。即使这样，目前的探测车的工作效率还不是很高。
针对这种情况，我们想出了一种全新的方案：大多数设计者想尽一切办法不让探测车翻，我们要设计一种探测车，它四面都可着地行驶，翻转后可继续保持原方向前行。由于它不怕翻转，自适应能力得到了提高，在需要时可以快速行驶到达指定地点执行探测任务，同时，也不用像普通探测车那样，担心由于翻转，造成探测车不能工作。
二．机构设计
1.移动系统的设计
1) 新式的轮架结构
要实现四个面都可着地行驶，通常的想法是在每个面上都装上轮子，要是每个面都采用四轮轮式驱动，则总共需要16个轮子，再加上相应配置的驱动、减速和传动装置，这套移动系统就太复杂了，实现起来很困难，即使实现了，也无法满足体积小、重量轻、功耗低的设计要求。针对这一难题，我们提出了45°的轮架结构，如图2.1所示，车轮的旋转轴与地面成的角度是45°，每一对轮子被相邻的两个面共用，这样，就使所用轮子的总数降为原来的一半，只要8个轮子就可实现每个面都可着地行驶，并且使整个机构方案得到简化，大大减轻了探测车的重量。
2)减震联轴器
探测车要携带贵重的精密仪器，因此探测车的减震抗冲击性能至关重要，为此，我们的车轮架机构上必须设计一套减震装置；同时，需要设计一个机构，将从电机输出的转矩传递到轮子。
根据这一设计要求，我们巧妙的设计了一个机构——减震联轴器，同时实现了减震和传递扭矩的功能。
如图2.2所示，减震联轴器（2）有一直径为 Φ10的孔，内置一弹簧，然后与轮子轴（6）间隙配合。减震联轴器（2）有一个宽为3㎜长为10㎜的滑动槽（5），轮子轴上有一个直径为Φ3的孔，Φ3的销钉（4）同时穿过滑动槽（5）和轮子轴上Φ3的孔，这样，可以轮子轴可以相对于减震联轴器（2）作轴向移动，但不能相对于减震联轴器（2）作周向转动，从而实现了减震功能，又将转矩从减震联轴器（2）传到轮子轴（6）。
有了上述结构，转矩能从减震联轴器传到轮子轴，但扭矩是如何从电机传到减震联轴器的呢？我们原先采用螺纹连接直接将电机轴和减震联轴器固定在一起，从而实现扭矩的传递。我们自己加工试制了一套轮架机构，经过装配试验，发现由于加工精度不够，减震联轴器的同轴度达不到要求，结果传动阻力很大，传动效率很低。并且，由于特殊的45°轮架结构决定了传动轴不仅要承受径向力，还要承受轴向力，电机轴和减震联轴器的刚性连接，使得电机轴要直接承受轴向力和径向力，这样电机容易因外来的冲击而损坏，针对这种情况，我们想出了传动槽结构，利用传动槽来传递扭矩。如图2.3所示，电机轴与传动槽之间是一个移动副，有了这个移动副，就可以实现扭矩的传递，由于两者没有刚性连接，电机不直接承受轴向力和径向力，同时，由于电机轴可以相对于减震联轴器移动，可以弥补减震联轴器的一部分加工误差，使得减震联轴器的加工精度要求可以放低，大大降低了加工难度。
减震联轴器的三文模型图如图2.4所示，其中2就是上面所述的传动槽，1是移动槽。
减震联轴器的整个配合示意图如图2.5所示。
整个轮架机构的爆炸图如图2.6所示，其中，电机盖板用来固定电机，同时也承受由减震联轴器传来的轴向力；外套筒承受由减震联轴器传来的径向力，对整个轮架机构起支撑作用，将连同电机盖板通过螺纹连接固定在车身上。
2．车身结构
车身是整个探测车的框架，轮架机构要固定在车身上，探测车的供能部分要装在车身里，探测车的控制部分也要装在车身里，因此，车身的设计也是整个探测车设计里的一个重要环节。
我们拟采用铝合金材料的角铝和一些铝板先搭一个框架，这个框架具有探测车车身的外形，是车身的骨架，车身的机械强度大部分靠这一框架保证，装配时，将要装配的零部件先固定在框架上，最后用装饰性的铝板封上。
装上轮架结构后探测车框架的模型如图2.7所示，探测车的整个机构模型如图2.8所示。
三．控制部分设计
自适应可翻转探测车的控制采用的是以AT89S8252单片机为核心的控制系统，由我们自行设计的四向控制开关来获取探测车的姿态信号（即探测车哪个面着地的信号），将这信号输入给单片机，由单片机作出判断，来控制探测车的运行。图3.1是控制系统的电路原理图，图3.2所示是做出的控制电路板的实物照片。
四．制造加工
需加工零件有：轮子轴、减震联轴器、外套筒、电机盖板、侧板、角铝、盖板、铝杆。由于很多零件的加工工艺比较类似，所以本实验报告只对几个典型零件的加工工艺方案进行介绍。
减震联轴器
减震联轴器的实体模型和工程零件图分别如图4.1和图4.2所示。
工序1：车外圆至Φ14，并精车外圆两端（长度为9mm），钻内孔至Φ9.8，精铰内孔至Φ10。
工序2：铣宽为3mm的滑动槽
工序3：铣宽为3mm的传动槽
其中，工序2和工序3的数控铣床加工代码如附录所示。
2． 外套筒
外套筒的实体模型和工程零件图分别如图4.3和图4.4所示
其加工工艺方案为：
工序1：在车床上车外圆至Φ38，然后再车Φ18、长53mm的圆筒部分，并钻Φ14的内孔，最后从至端面55mm处将起割断。
工序2：在铣床上打孔。（由于4－Φ3的孔之间的位置度要求比较高，我们自己用钻床加工达不到精度要求，所以我们利用数控铣床的精密定位功能来实现这些孔的位置度要求。）