1、專業方向課程設計計算書 .11.課題研究的目的意義及國內外研究概況：. .11.1課題來源 .11.1.1項目背景 .11.1.1.1開發智力 .11.1.1.2刺激各器官反應 .21.1.1.3協調身體機能 .21.1.2本方案的提出 .21.1.3本項目研究的內容及意義 .31.1.4課題來源 .31.2課程設計目的 .32.課程設計題目 .43.國內相關研究發展現狀 . .44.原理方案設計 .54.1可遙控益智球形玩具的設計要求.54.2可遙控益智球形玩具的系統組成及工作原理. .64.2.1可遙控益智球形玩具的系統組成.64.2.2可遙控益智球形玩具的工作原理. .64.3方案設計的

2、可行性分析 . .74.3.1 滾動時方向控制單元仿真分析 . .75.傳動零件設計計算 . .96.優化設計 .106.1旋翼單元 .116.2傳動單元 .136.3方向控制單元 .136.4旋緊、壓緊機構 .146.5快插機構 .156.6水平限位機構 .157.結論.16參考資料 .17設計小結 .18致 謝 .18專業方向課程設計計算書1. 課題研究的目的意義及國內外研究概況：1.1 課題來源項目背景眾所周知，玩具是兒童成長的過程中必不可少的玩伴。在我國兒童玩具的所有組成部分中，益智玩具一直都是消費者最關心的一類。 因為益智玩具在兒童成長的過程中能起到普通玩具所不能達到的作用：益智玩具

3、能夠協調兒童的身體機能、刺激大腦活動、開發智力等等。在現在與未來的家庭中兒童是家庭的中心，每一個家長都希望自己的孩子在小伙伴中脫穎而出。隨著家長們對孩子情商、智商培養的逐漸重視，益智類玩具逐步走俏市場。圖 1.1兒童玩游戲的場景益智類玩具具有以下功能：開發智力嚴格的說，益智玩具應該分為少兒益智玩具和成人益智玩具，雖然兩者的界限不是非常明顯，但還是應該加以區分。所謂益智玩具，不管是少兒類的還是成人類的，顧名思義都是可以讓我們在玩的過程中開發智力增長智慧的玩具。益智玩具是否真的具有益智的功能呢？據英國皇家科學院研究發現，經常玩益智玩具的人，比不玩的人平均智商高出11 分左右，大腦開放性思維能力較高

4、；美國醫學專家也發現，50 歲以前開始玩成人益智玩具的人老年癡呆的發病率只有普通人群的 32%，而從小就玩益智玩具的人發病率不到普通人群發病率的1%。1刺激各器官反應其實除了開發智力外，益智玩具還有更多的功能。比如刺激功能發展，設計的顏色鮮艷，線條吸引人的益智玩具可以刺激孩子的視覺；而一握就響的 “響環 ”、按鍵就發出各種動物聲音的“小鋼琴 ”等能刺激孩子的聽覺；滾動的彩色球能培養孩子的觸覺。因此，不同的益智玩具是輔助孩子認識世界的有效工具，幫助他們配合身上各種感官的反應，來接觸和認知新奇的萬事萬物。協調身體機能此外，益智玩具還具有協調身體機能的作用，例如孩子將一盒積木砌出圖形，除了要用腦，還

5、要有手的配合，這樣通過玩益智玩具，訓練并逐漸建立起孩子的手腳協調、手眼配合等身體機能；具有練習社交活動的作用，孩子在跟他們的同伴或父母玩益智玩具的過程中，不知不覺間在發展他們的社會關系，即使他們在合作或競爭中容易產生執拗和爭吵，實際上他們正在發展合作精神和學習與人分享的心理，為日后融入社會打下基礎。同時，語言能力、情緒釋放、動手能力等都得到一定提高。在益智類玩具中，球形玩具以其獨特的外形，可靠的安全性， 運動的獨特性，日益受到廣大消費者的喜愛。本方案的提出現今， 兒童智力的開發已越來越受到家長的重視，開發兒童智力的方式也層出不窮。部分益智玩具雖然設計巧妙，但安全性不可靠，或輕或重地損傷兒童的身

6、心體健康，有的甚至是終身傷害；而另一部分雖然能益智，但操作繁瑣，不容易實現其最終效果和目的。所以既簡單又易行的益智玩具在當今社會極其需要。而飛行類玩具和球形類玩具都是十分理想的益智類玩具，將飛行類和球形類通過簡單機構將兩者的益智優勢合理地結合是本方案的特點，它通過遙控手柄控制飛行器的飛行及轉向，充分鍛煉娛樂游玩者的手眼協調能力，而想要進行球形機器人的行走條件需要操縱者自己組裝，又鍛煉其動手能力，既簡單易行，又起到開發智力的作用。經常玩遙控玩具可以培養孩子們的眼、腦、手的配合。孩子們的大腦處于發育階段，經常玩遙控玩具，可以提前鍛煉孩子的眼睛、手腳和大腦的配合，促進孩子們的智力發育，培養孩子的空間

7、想象力。玩遙控玩具還可以培養孩子們探索未知世界的興趣。很多孩子對遙控玩具很感興趣的一個原因是對遙控玩具的好奇，想搞清楚是什么原理，一般會自己動手拆開來看究竟，鍛煉了孩子動手的能力，特別是遙控飛機這類產品，最容易吸引孩子們的目光。有些孩子還會研究遙控玩具的操作原理， 查找書籍資料， 從而培養了孩子們的學習興趣和愛好，影響孩子們的成長道路。2許多科學家的成長歷程可以證明，孩提時代的玩物可以決定孩子們將來的志向。遙控類產品其實并不是孩子們專利，很多老年人也喜歡玩，許多老年人內心深處還是很童真的，可以買回去和孫子們一起玩，對開闊老人們的心境是一個很好良藥。本方案設計的可遙控益智球形玩具的方向控制單元打

8、破常規思想，通過齒輪帶動偏心質量塊是球殼的重心發生偏轉從而實現改變方向的作用，其旋翼機構也變為可伸縮、折疊式的，其外形更是一種膽大的挑戰和創新，并將飛行器與球形機器人進行大膽地結合使用，巧妙地集中了益智的特點。本項目研究的內容及意義本項目對國內外的產品進行了綜合分析，并根據兒童智力開發的實際情況，設計了一款采用無線遙控控制的益智球形玩具，以球形殼體為本體，以電機為動力源，通過雙旋翼機構來提供升力，以偏心質量塊的偏轉來控制方向，既可以在空中飛行，又可在地面行走，是一款集飛行與滾動行走為一體的益智娛樂設備。為了實現上述功能，本項目研制的可遙控益智球形玩具具備以下特點：可遙控益智球形玩具通過可伸展式

9、雙層螺旋旋翼，實現從球殼內到球殼外展開并進行飛行的功能；可遙控益智球形玩具的方向控制部分由齒輪齒條機構組成，通過齒輪帶動質量塊的偏心實現改變方向的作用；可遙控益智球形玩具的球殼上鑲嵌有齒條，通過減速電機帶動齒輪轉動，實現可遙控益智球形玩具的滾動行走功能；可遙控益智球形玩具有旋緊及壓緊機構，保證飛行機構和行走機構快速結合，并保證其可靠性。本項目研究的益智類球形玩具，不僅為兒童智力的開發工作提供一種有效地、可靠的益智設備，也可用于成年人娛樂，以及老人玩樂，老年人常玩益智類玩具可防止老年癡呆癥的發生。課題來源指導教師制定課題。1.2 課程設計目的本課程設計是使現代機械設計方向的學生全面、系統地掌握和

10、深化機械設計類課程的基本知識、 基本理論與基本方法的專業性、綜合性實踐教學環節。 其作用和目3標是：3.1 通過工程設計過程各主要環節的訓練，使學生樹立正確的設計思想， 了解現代機械設計技術及其在實際工程中的應用，掌握一般機械設計的基本方法和技能，培養觀察、提問、分析和解決問題的獨立設計工作能力，訓練設計構思和創新能力。3.2 培養學生綜合運用機械設計類課程及其他有關先修課程的知識、理論與方法分析和解決機械設計問題的能力，以進一步鞏固、深化、擴展所學到的理論知識，并使理論知識與生產實踐緊密結合。3.3 培養學生的計算機輔助設計能力、現代設計理論與方法的運用能力和標準、規范、手冊、圖冊及網絡信息

11、等有關技術資料的查閱與運用能力， 為今后成為高級機械設計工程技術人員進行基本技能和基本素質訓練。2. 課程設計題目可遙控益智球型玩具3. 國內相關研究發展現狀目前市場上的益智類玩具主要有以下三類：球形玩具、遙控飛機、飛行器，如圖3.2 所示。球形玩具中的組合類和變形類玩具都屬于拼插類玩具，容易丟失零部件。現有的飛行方式有螺旋旋翼的， 通過一對主旋翼旋轉提供升力，同時通過一對小旋翼控制升力的方向，及貝爾 -希拉操縱方式，具體操縱方式為：主旋翼槳葉轉動時會產生與空氣相對的上升氣流，自然形成升力。在利用旋翼的旋轉速度與各槳葉的角度變換，致使飛機完成起飛、升高、降落等多種不同的飛行動作。遙控直升機向前

12、飛行，是由于各槳葉在不同位置時，按固定規律變化所產生的。旋翼產生的拉力相對于旋轉軸向前傾斜，搖動遙控直升機前進。使遙控直升機向左向右飛行也是同樣的道理。遙控直升機飛行方向改變時，基本原理是利用尾旋翼的可變角度產生的。因為主旋翼旋轉時機身會產生扭力作用， 扭力作用使機身不停的轉圈， 無法正常飛行。 所以必須加一個尾旋翼來抵消扭力，平衡機身不旋轉，但單靠尾旋翼來平衡是不夠的，這就需要使用陀螺儀了，它可以根據機身的擺動多少，自動做出補償給伺服器，去改變尾旋翼角度，平衡機身。從而達到控制直升機的目的。直升機的大多數性質如穩定性、靈活性等都是通過這種操縱方式實現的。飛機是通過機翼產生升力， 以支持飛機在

13、空中飛行， 同時機翼也起到一定的穩定和操作作用，當然還利用了尾翼，此尾翼分為水平尾翼和豎直尾翼，平尾翼由固定的水平安定面和可動的升降舵組成，有的高速飛機將水平安定面和升降舵合為一體成為全動平尾。垂直尾翼包括固定的垂直4安定面和可動的方向舵。尾翼的作用是操縱飛機俯仰和偏轉，保證飛機能平穩飛行。圖 3.2 遙控飛行器與組合、插拼式變形球形玩具它們具有以下不足點：球形玩具： 玩法單一，適用人群較窄；遙控飛機： 機翼不能折疊，占用空間大；飛行器： 控制方式復雜、造價昂貴。4. 原理方案設計現在的飛行類玩具樣式繁多，其飛行及轉向原理基本相似，其功能比較簡單，只能完成單項需求，為此我們研發了一種以無線遙控

14、為操縱方式、借用球形機器人方向控制的原理，通過偏心質量塊來改變方向，并將球形機器人巧妙容納于其中，形成了新型的益智玩具。本章將對可遙控益智球形玩具的飛行控制、傳動原理、 方向控制原理進行了詳細的闡述，并給出了總體設計方案。4.1 可遙控益智球形玩具的設計要求本項目提出了一種外觀獨特、玩法新穎、操作簡單、穩定性好、娛樂性強，且能在在空中飛行、地面上全方位運動的新型機械玩具。為達到該目的，本方案設計需滿足一下要求：整體尺寸小，易于攜帶，方便不同位置的轉移；適應性強，便于在不同的場合進行游玩；5操作簡單，短時間內就能熟練操控游玩；該方案設計安全可靠，工作穩定，適應較廣的群眾。4.2 可遙控益智球形玩

15、具的系統組成及工作原理可遙控益智球形玩具的系統組成本項目的技術方案是：可遙控益智球形玩具主要由旋翼單元、傳動單元、 方向控制單元、上下球殼等組成，如圖4.1 所示旋翼單元旋緊機構電池傳動單元左右齒輪齒條機構壓緊機構配重塊球殼前后齒輪齒條機構減速電機方向控制單元方向控制單元2:1圖4.1可遙控球形玩具總體方案圖可遙控益智球形玩具的工作原理鑲嵌在球殼上的齒輪導軌通過軸承與球殼形成轉動副，方向控制單元的內部電機驅動行走齒輪沿齒條運動，在摩擦力的作用下使球殼繞轉動副轉動，從而實現球形玩具的行走功能；方向控制單元的內部電機驅動轉向輪沿齒輪導軌運動，使球體的重心發生偏移，實現球形玩具的轉向功能；當球形玩具

16、飛行時，如圖4.2 所示，通過旋轉式鎖扣進行快速解鎖，將球殼上部分卸下，通過伸縮機構將機翼螺旋槳伸出球殼外，到達設定位置伸開旋翼；當球形玩具不工作時，如圖4.3所示，可通過折疊機構和伸縮機構將旋翼單元折疊在球殼內部，再旋緊旋緊機構，將上下球殼固定在一起，如圖所示，節省了空間，方便玩具儲存；上下旋翼各由一個電機驅動，且轉向相反，依靠下方配重塊的偏轉實現飛行姿態的調整。6圖 4.2可遙控益智球形玩具飛行姿態圖圖 4.3 可遙控益智球形玩具存儲姿態圖當球形玩具需要在地面滾動時， 我們旋轉壓緊機構，取下旋翼單元、傳動單元以及機架，再將上下球殼通過旋緊機構可將上下球殼連接在一起，這樣本玩具就變為一個可遙

17、控的球形機器人，如圖 4.4 所示。在滾動時的滾動及方向控制也是依靠方向控制單元完成的。圖 4.4 可遙控益智球形玩具滾動姿態圖當可遙控益智球形玩具飛行時， 旋翼單元轉動為其提供升力， 方向控制單元可調節其飛行時的姿態；當其在地面滾動時，方向控制單元可控制其滾動方向。4.3 方案設計的可行性分析滾動時方向控制單元仿真分析為了驗證球形玩具滾動時方向控制單元的可控，了解方向控制單元滾動時的受力情況，我們利用 adams 對滾動狀態下的球形玩具進行了運動分析，以下是球形玩具的仿真結果及曲線。根據仿真，球形玩具直線行走時的位移曲線如圖4.5 所示。7圖 4.5直線行走位移曲線如圖 4.6 所示為球形玩

18、具在轉向時的速度曲線。圖 4.6轉向時的速度曲線如圖 4.7 所示為球形玩具在轉向時的加速度曲線。8圖 4.7 轉向時的加速度曲線根據可遙控益智球形玩具滾動狀態時方向控制單元的位移、速度及加速度仿真分析曲線可知，球形玩具方向控制單元可對玩具在地面的滾動及轉向起到較好的控制調節作用。該設計方案可行性高，具有較好的實施性。5. 傳動零件設計計算為驗證可遙控益智球形玩具旋翼單元的可行性現進行以下理論分析：取空氣密度1.225kg / m3 ，重力常數 g 9.8kg / m g，電機功率為 P，翼角為10，旋翼實度 （一般取偏小的值） ，旋翼葉槳弦長b，葉片數為 N ，翼最大半徑R2，最小半徑R1，

19、角速度為 。槳葉片數 k 可以參考直升機方法確定，目前大多旋翼機采用兩片槳葉，安裝在蹺蹺板式槳轂上。典型兩片槳葉旋翼，取實度為 0.034 0.040。如果實度取稍大值，則槳葉揮舞增加，性能改善不多，故一般都取偏小值。由式（1）可以確定旋翼槳葉弦長b，b R/N3.140.120.0340.00641m（1）2旋翼有效半徑為 R=R 2-R1 =120mm=0.12m電機轉速取 n023000 r / min現對雙旋翼中的一個旋翼進行分析，兩電機經兩級減速與旋翼轉軸連接，減速機構為兩對圓柱直齒齒輪，其齒數分別為Z1=9、 Z2=12、 Z3=22、Z4=83，傳動比為i 13Z3 Z12 4Z

20、4 Z26.9。. ； i 249旋翼軸的轉速n1n 02300023 .1r / s（ 2）i 13 i 242.4 6.9 60旋翼角速度2n1 145.37r a d/ s（ 3）將已知數據代入公式（3）可以確定單旋翼提供的升力:r3gb2sin2R 2NR 32sin 212N（ 4）F NR1gb66球形玩具總重量為G=4.6N,可知，升力2F>G 。經過以上理論分析， 球形玩具在正常飛行時，上下旋翼提供的升力遠遠大于球體自身的重力，因此球形玩具能安全起飛、下落。4、齒輪齒條參數：模數 m齒數 z齒輪112小齒條1126大齒條11805、行走速度計算：由公式 Z2 / Z1n1

21、 / n 2 得：n2n1z1 / z2140121809.33r / min所以 v2Rn25.88 m / min0.098m / s6. 優化設計可遙控益智球形玩具的結構設計是本方案的重點，它主要是由旋翼單元、傳動單元、方向控制單元、上下球殼、快插機構、旋緊與壓緊機構以及水平限位機構等七部分主成。而旋翼單元是整個可遙控益智球形玩具的核心組成部分，它直接關系到可遙控益智球形玩具是否能成功飛行的關鍵。因此，我們充分考慮到飛行器的各種飛行環境進而來設計飛行器的旋翼尺寸及其偏角，使得飛行器能適應各種不同的飛行環境，大大地擴大了玩家的超控范圍，增加了其娛樂程度。10我們應用了機械結構設計技術、方向

22、控制技術以及鎖扣快速連接旋緊技術所以該產品能夠轉彎迅速，運行速度快，適用于各種復雜環境地飛行等優點。我們應用了autoCAD 、 solidworks 、adams 及 matlab 等軟件進行輔助分析，大大提高了設計效率和質量，縮短了產品開發周期。6.1 旋翼單元如圖 3.1 所示，旋翼單元的設計主要是借鑒新型直升飛機的結構，采用雙旋翼結構，并在旋翼上添加平衡桿，可以在旋轉時提供升力并抵消反扭矩的作用，使玩具在飛行時能更加穩定。圖 6.1新型直升飛機的雙旋翼結構旋翼單元主要由升降機構、旋翼、驅動電機、傳動機構組成，如圖6.2、6.3 所示。伸縮機構能使旋翼從球殼內伸出球殼外，并使其像雨傘支架

23、一樣伸展，使上下旋翼能正常的打開。其中旋翼為共軸雙旋翼分為上旋翼和下旋翼，上下旋翼各由一個電機驅動，在球形玩具飛行時上、下旋翼的切風角度相反，上、下旋翼的動作旋轉方向也是相反的，從而使上下旋翼因旋轉而產生的扭力相互抵消，大大增強了整個球殼的平衡性能。我們利用了鐘表的設計理念使下旋翼的主軸為空心軸，上旋翼則由空心軸內層的實心軸帶動旋轉。平衡桿上旋翼折疊機構下旋翼伸縮機構圖 6.2旋翼單元結構圖11圖 6.3旋翼單元三維原理圖我們在旋翼單元中增添了折疊機構和伸縮機構， 主要是借鑒了折疊雨傘的結構， 設計了四桿機構的折疊機構，又借鑒雨傘伸縮桿的原理，設計了帶有卡槽的伸縮機構，使旋翼能夠上下伸縮自如、

24、折疊自如；這樣，在球形玩具不工作時（如圖 6.4 所示），玩家可將上下旋翼伸縮、折疊在球殼內部，節省了空間，便于玩家的方便儲藏。圖 6.4可遙控益智球形玩具折疊存放三維狀態圖126.2 傳動單元通過兩個相同的齒輪傳動組將兩個電機軸的轉速和扭矩傳遞給旋翼軸，使上下旋翼獲得等矩反向的轉動，該傳動機構都采用一級傳動，如圖6.5、6.6 所示：左電機軸傳動組1 上旋翼軸下旋翼軸傳動組2右電機軸圖 6.5傳動單元方案圖圖 6.6傳動單元結構圖左電機通過齒輪傳動組1 使上旋翼轉動， 是玩具迅速上升；右電機通過齒輪傳動組2 使下旋翼轉動，是玩具迅速下降；由于兩電機轉速、轉矩均相同，但轉向相反，因此上下旋翼就

25、會等矩反向轉動。6.3 方向控制單元方向控制單元在齒輪導軌的上側，該單元主要由連接空心軸、連接板、轉向齒輪、齒輪軌道組成，如圖6.7、6.8 所示。它控制方向的原理是在其減速電機的驅動下由齒輪帶動沿齒輪導軌運動，使配重塊隨著齒輪的旋轉使球體重心左右偏移從而實現球形玩具的轉向控制。當可遙控益智球形玩具要進行滾動前進時，前后方向控制單元此時變為滾動時的動力，通過電機帶動，使齒輪齒條嚙合，齒條固連在球殼上，使球體重心左右偏移，從而使整個球體行走；而齒條比驅動齒輪寬，保證齒輪不會與齒條錯開，在摩擦力的作用下使球殼繞轉動副轉動，使球體重心前后移動從而推動球體直線運動。13圖 6.7 方向控制單元結構圖圖

26、 6.8 方向控制單元三位效果圖6.4 旋緊、壓緊機構旋緊機構是鑲嵌在球殼上的一種快速限位并旋緊的機構，它分別定在上下球殼上，當需要伸出旋翼時，通過上下球殼的旋緊機構進行解鎖，如圖6.9 所示，該旋緊機構通過旋轉方式旋開，使機翼從球殼內伸出并旋開；在上半部分的球殼中，一個鎖門側部設有擋板，當操縱者想要實現球形機器人的行走功能時，通過該快鎖機構進行迅速旋緊，因為鎖門設有擋板，故起到限位的作用，使得該限位旋緊的功能瞬時實現，迅速搭接成完整的球形滿足玩家的娛樂需求。壓緊機構是對旋翼進行壓緊的作用。如圖6.9 所示，通過旋轉壓緊機構的上片進行迅速壓緊，防止旋翼與球體部分的松脫，保證娛樂的可靠性。14上

27、旋緊塊下旋緊塊下壓緊片轉軸上壓緊片圖 6.9 旋緊、壓緊機構結構圖6.5 快插機構為了能實現飛行器快速從滾動到飛行的過度，本方案特意設計了快插機構，如圖6.10 所示，在旋翼支架的底板下側突出四個立柱，在球殼方型板上開有四個通孔，是突臺與方形板進行快速結合，并通過壓緊結構迅速壓緊，保證旋翼單元的迅速連接。從而達到滾動與飛行之間的轉換。圖 6.10 快插機構結構圖6.6 水平限位機構因為本方案的飛行與行走機構相互獨立，為了保證本產品的可靠性，特意設計了水平限位機構，該機構的調整軸套上攻有內外螺紋，該調整軸套通過螺母與球殼連接，方向控制機構中的齒條部分通過軸承與調整軸套連接，當一端的調整軸套固定時

28、，另一端通過螺紋頂針的旋進旋出來進行調整方向控制結構的齒輪及旋翼的水平位置。157. 結論經過對市場的調研， 目前市場上的益智類玩具主要有以下三類： 球形玩具、遙控飛機、飛行器。球形玩具中的組合類和變形類玩具都屬于拼插類玩具， 容易丟失零部件?，F有的飛行方式有螺旋旋翼的， 通過一對主旋翼旋轉提供升力， 同時通過一對小旋翼控制升力的方向，及貝爾 - 希拉操縱方式，具體操縱方式為：主旋翼槳葉轉動時會產生與空氣相對的上升氣流， 自然形成升力。 在利用旋翼的旋轉速度與各槳葉的角度變換，致使飛機完成起飛、升高、降落等多種不同的飛行動作。遙控直升機向前飛行，是由于各槳葉在不同位置時，按固定規律變化所產生的。旋翼產生的拉力相對于