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    機械式高壓線除冰機器人設計

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    1、摘 要:隨著我國改革開放的不斷開展,我國經濟建設和技術應用都得到了高速穩定的發展,機器人已成為制造加工行業必不可少的關鍵設備,機器人可以分為工業機器人和特種機器人兩大類,工業機器人通常應用于制造加工行業,實現工業自動化,多為關節機器人和多自由度機器手;而特種機器人則被廣泛應用于各行各業,幾乎遍布除工業外的其他領域,包括服務機器人、軍用機器人、農業機器人等等, 除冰機器人作為特種機器人的一種,它的出現不但代替了電力工人的現場實際作業,提高高壓線除冰的工作效率,而且利用除冰機器人可以大量節省人力成本,這就使得除冰機器人的研究工作更加有現實意義。除冰機器人相比其他特種機器人,結構更加簡單,使用起來更

    2、加方便。其整體結構分為行走機構和除冰機構兩大塊,行走機構的方式多種多樣,有腿式行走機構,輪式行走機構,選擇何種行走方式決定了除冰機器人的工作效率和質量。本篇論文中提出了一種結構巧妙、機動性好、穩定性能高的機械除冰機器人設計方案,本方案對除冰機器人技術進行深入分析研究,其工作原理是:利用行走電動機驅動行走輪轉動從而帶動整個除冰機器人向前行走,利用除冰電動機帶動除冰刀轉動實現除冰機器人在高壓電線上自動巡線除冰的目的。除冰機器人作為一種新型的特種機器人,對此進一步的研究也是不能忽視的。關鍵詞:機器人;除冰機器人;除冰刀AbstractWith the continuous development o

    3、f Chinas reform and opening up, Chinas economic construction and technology applications have been high-speed and stable development, the robot has become a manufacturing and processing industry essential essential equipment, robots can be divided into industrial robots and special robots two catego

    4、ries, Robots are often used in the manufacturing and processing industry, to achieve industrial automation, mostly joint robots and multi-degree of freedom of the robot; and special robots are widely used in all walks of life, almost all over the industrial areas, including service robots, military

    5、robots , Agricultural robots, etc., deicing robot as a special kind of robot, it does not only replace the appearance of the actual work of electric workers to improve the efficiency of high-pressure line de-icing, and the use of de-icing robots can save a lot of human costs, Making the de-icing rob

    6、ot research work more practical significance.De-icing robot compared to other special robots, the structure is more simple, more convenient to use. Its overall structure is divided into walking and deicing mechanism two blocks, walking a variety of ways, there are leg-like walking institutions, whee

    7、led walking agencies, choose what way to walk the decision of the de-icing robots work efficiency and quality. In this paper, we propose a deodorant robot design scheme with good structure, good maneuverability and high stability. The scheme is based on the deep analysis of deering robot technology.

    8、 The working principle is that the traveling motor is used to drive the running wheel Driving the entire de-icing robot to move forward, the use of de-icing motor to promote the removal of the ice knife to achieve de-icing robot in the high-voltage wire automatically patrol line deicing purposes. De

    9、-icing robot as a new type of special robot, this further study can not be ignored.Keywords: robot,Deicing robot, In addition to skateboarding目 錄AbstractIV目 錄V第一章 緒論11.1 引言11.2除冰機器人的發展概況11.3 Solidwork軟件的介紹21.4 有限元分析的介紹31.5 課題研究的意義及目的4第二章機械除冰機器人的設計52.1 機械除冰機器人的設計要求52.2機械除冰機器人的設計概述52.2.1機械除冰機器人與其他類型除冰

    10、機器人原理的對比52.2.2機械除冰機器人與其他類型除冰機器人特點的對比82.2.3 機械除冰機器人的設計參數82.3機械除冰機器人的具體設計82.3.1 機器人底座結構設計92.3.1.1行走電動機的設計與選型92.3.1.2減速器齒輪的設計122.3.1.3齒輪齒數的選擇132.3.1.4直齒圓柱齒輪靜力及接觸分析的理論計算142.3.1.5直齒輪靜力及接觸的有限元分析172.3.1.6鏈傳動的設計192.3.2機械手臂結構設計212.3.2.1機械手臂轉動電機的設計與選型212.3.2.2機械手臂轉動結構的設計23第三章 總結與展望24參考文獻24IV第一章 緒論1.1 引言隨著我國改革

    11、開放的不斷開展,我國經濟建設和技術應用都得到了高速穩定的發展,機器人應用的地方變得越來越多,從單一的生產制造業發展到各行各業,甚至應用到高壓電線除冰的具體工作?,F在國內外都開始了對除冰機器人的系統研發和設計,而除冰機器人選擇何種除冰方式是其設計時最重要的考慮點之一。除冰機器人按其除冰原理可以分為熱力除冰法、化學除冰法、聲波除冰法、機械除冰法等等,這些方式各有其優缺點。目前常見的除冰機器人主流仍是熱力除冰機器人,該機器人移動結構簡單,適用于高壓輸電線路的自動除冰,行走過程相對穩定,但是同樣存在著許多缺陷,最大的問題是熱力除冰機器人的除冰方式熱力做功效率低下,經濟成本過高,且除冰過程中容易造成電力

    12、中斷的情況發生。我們都知道除冰結構是除冰機器人中極為重要的一個構件,因此在整體設計的時候應該考慮除冰結構的適用性,穩定性和可靠性。為了讓除冰機器人的各項性能滿足其使用要求,我們需要從以下方面要求入手考慮:機動性能好,除冰作業效率高,保證電力輸送的穩定,與高壓線附著力大,除冰可靠性高。本設計中我們選用純機械的結構作為除冰機器人的除冰方式,其既具備熱力除冰機器人除冰作業效率高的優點,自身又具備結構簡單,制造成本低,使用安全穩定的特點。機械除冰機器人除冰過程安全穩定、作業效率高、操作簡單的優點;機械除冰機器人能夠適用于各種氣候環境下的工作,因此對其進一步的研究是不能忽視的。1.2除冰機器人的發展概況

    13、歐美等國家在除冰機器人的技術研究方面一直處于世界的前端,他們單獨設立有專門的除冰機器人技術研究小組,且都在努力將除冰機器人的技術應用于不同氣候環境下都能夠正常作業。目前國外的除冰機器人研發已經取得了突破性的進展,他們成功將該除冰機器人應用到高壓輸送線路巡線除冰的實際作業中,還有部分除冰機器人甚至可以能夠對高壓線路進行簡單維護工作,比如: 東京電力公司的OPGW巡線移動機器人,Hibot Expliner機器人,加拿大魁北克水電研究院的HQLineROVer遙控小車, LineROVer除冰機器人,LineScout除冰機器人等,其中最典型的是: 東京電力公司的OPGW巡線移動機器人。東京電力公

    14、司在日本的除冰機器人研究領域處于領先地位,其研發的OPGW巡線移動機器人被日本電力行業視為輕型無人作業、自動除冰維護用機動平臺的模板。該機器人利用兩個行走輪和兩個導向輪沿著高壓輸送線行走,能避開防震錘、螺旋減震器等高壓線路上的障礙物。遇到高壓線塔時機器人本體采用仿人攀爬的結構原理,先展開弧形手臂,手臂的首端吊住高壓線塔兩側的地線,作為著力支撐點,然后整個機器人順著高壓地線滑到線塔的另一端;待機器人導向輪夾緊高壓線塔另一端的地線后,將弧形手臂折疊收起,重復上述動作過程,最終實現自動行走的目的。OPGW巡線移動機器人本體頂部還安裝有8個攝像頭用于實時拍攝高壓輸送線路上現場情況,輔助完成機器人的巡線

    15、檢測任務,并通過電暈效應的原理去除高壓輸送線路上的覆冰。該機器人還可以通過前后導向輪交叉換向實現自動避障的功能。目前國內對除冰機器人的技術研究仍然處于初始階段,對除冰機器人的定位傳感器、位置導航、運動控制以及除冰結構設計等關鍵層面的研究還遠遠落后于其他歐美國家。不過現在許多國內研究機構也開始努力開展對除冰機器人的研究工作,從最基礎的行走機械結構設計、除冰方式及運動控制入手。由于除冰機器人在機動性、越障方式等方面與其他特種機器人有很大不同,因此國內在除冰機器人技術研發這條路上還有很長的路程要走。1.3 Solidwork軟件的介紹SolidWorks為達索系統(Dassault Systemes

    16、 S.A)下的子公司,專門負責研發與銷售機械設計軟件的視窗產品。達索公司是負責系統性的軟件供應,并為制造廠商提供具有Internet整合能力的支援服務。該集團提供涵蓋整個產品生命周期的系統,包括設計、工程、制造和產品數據管理等各個領域中的最佳軟件系統,著名的CATIAV5就出自該公司之手,目前達索的CAD產品市場占有率居世界前列。SolidWorks公司成立于1993年,由PTC公司的技術副總裁與CV公司的副總裁發起,總部位于馬薩諸塞州的康克爾郡(Concord,Massachusetts)內,當初的目標是希望在每一個工程師的桌面上提供一套具有生產力的實體模型設計系統。從1995年推出第一套S

    17、olidWorks三維機械設計軟件至今至2010年已經擁有位于全球的辦事處,并經由300家經銷商在全球140個國家進行銷售與分銷該產品。1997年,Solidworks被法國達索(Dassault Systemes)公司收購,作為達索中端主流市場的主打品牌。SolidWorks的主要模塊包括:(1)零件建模 SolidWorks 提供了無與倫比的、基于特征的實體建模功能。通過拉伸、旋轉、薄壁 特征、高級抽殼、特征陣列以及打孔等操作來實現產品的設計。通過對特征和草圖的動態修改,用拖拽的方式實現實時的設計修改。三維草圖功能為掃描、放樣生成三維草圖路徑,或為管道、電纜、線和管線生成路徑。(2)曲面建

    18、模通過帶控制線的掃描、放樣、填充以及拖動可控制的相切操作產生復雜的曲面??梢灾庇^地對曲面進行修剪、延伸、倒角和縫合等曲面的操作。(3)鈑金設計SolidWorks 提供了頂尖的、全相關的鈑金設計能力??梢灾苯邮褂酶鞣N類型的法蘭、薄片等特征,正交切除、角處理以及邊線切口等鈑金操作變得非常容易。用戶化SolidWorks 的API為用戶提供了自由的、開放的、功能完整的開發工具。開發工具包括Microsoft Visual Basic for Applications (VBA)、Visual C+,以及其他支持OLE的開發程序。(4)特征識別FeatureWorks是第一個為CAD用戶設計的特征識

    19、別軟件。與其它CAD系統共享三維模型,充分利用原有的設計數據,更快將向SolidWorks系統過渡,這就是特征識別軟件FeatureWorks所帶來的好處。FeatureWorks同SolidWorks 完全集成。當引入其它CAD軟件的三維模型時,FeatureWorks能夠重新生成新的模型,引進新的設計思路。FeatureWorks對靜態的轉換文件進行智能化處理,獲取有用的信息,減少了重建模型所化的時間。FeatureWorks最適合識別帶有長方形、圓錐形、圓柱形的零件和鈑金零件。FeatureWorks提供了嶄新的靈活功能,包括在任何時間按任意順序交互式操作以及自動進行特征識別。Featu

    20、reWorks 提供了在新的特征樹內進行再識別和組合多個特征的能力,新增功能還包含識別拔模特征和筋特征的能力。1.4 有限元分析的介紹有限元分析是運用電子計算機進行數值模擬的方式,現如今在工程技術領域中的應用十分多,有限元計算答案已成為各類工業產品設計和性能分析的可靠依據?,F在,有限元分析大量應用于解決航空、工業、航天、電子、土木、船舶、能源、化工、核工業、生物、醫學及交通運輸等眾多領域的具體工程問題,尤其是隨著計算機技術突飛猛進的高速發展,有限單元法在解決具體問題的規模、區間方面也已經發生了巨大的變革。有限元分析技術可以實現:(1)找到產品潛在的問題以及先天的缺陷,為我們創造更加品質優異的產

    21、品。(2)對風險進行評估與預測,提高產品和加工生產的可靠性,降低存在的風險。(3)通過進行對比計算分析,運用改進后的設計方案,降低產品生產加工成本。(4)縮短產品投向市場的時間。(5)降低物理試驗次數,對大量實際情況進行快速而有效的模擬實驗分析。有限元分析是R.Courant于1943年首先提出的。從提出有限元分析的概念以來,有限元理論及其特殊的應用得到了高速發展。以往不能解決或能解決但解決精度不高的情況,都得到了更好的解決方法。傳統的FEM假設:分析域是無限;材質是同樣的,甚至在絕大部分的分析中認為材質是各向同性的;對邊界環境簡化處理。但實際情況往往是分析區域有限、材質各向異性及邊界環境難以

    22、確定等因素。為了解決這些問題,美國學者發現用CFEM(Gener-alized Finite Element Method)解決分析區域內含有大量孔洞特性的情況;比利時學者也在之間提出了用HSM解決實際開裂情況。FEM在國內的應用也十分廣。自從我國成功研制了國內第一個通用有限元分析程序系統JIGFEX后,有限元分析涵蓋到工程分析的各個領域中,從我國大型的三峽工程到微米級的器件都運用了FEM進行分析,在我國高速經濟發展中擁有很大的發展空間?,F在我們在進行大型復雜工程結構中物理場分析時,為了控制并估計偏差,常用后驗偏差估計的自適應有限元分析。而基于后處理法的計算偏差,與我們常常使用的傳統算法不同,

    23、它完美的將網格自適應過程分成均勻化和變密度化兩個迭代過程。而均勻化迭代過程中,運用均勻網格尺寸對整體分析區域進行網格劃分,便得到一個合適的起始均勻分析網格;而在變密度化迭代過程中只進行網格細化的操作,而且充分運用上一次迭代的答案,在單元所在的曲邊三角形區域內部進行局部網格細化工作,保證了全局分析網格尺寸分布的合理性,這樣不同尺寸的網格就能夠光滑銜接,從而提高網格的整體質量。上述整個方案簡單可行,穩定可靠,數次迭代即可快速收斂,生成的網格布局合理,質量水平高。1.5 課題研究的意義及目的 從目前全球市場需求布局來看,歐、美地區成為功能全、結構簡潔、質量好、性能穩定的除冰機器人的主要應用市場;中東

    24、、非洲地區由于處于熱帶地區,不存在高壓線路結冰的情況發生;還有以俄羅斯為代表的高寒國家則更喜歡能耐寒,機械結構牢固的除冰機器人以適應當地的地理氣候條件;日韓則主要關注產品的品質與安全;目前國內的除冰機器人整體研究狀況還是比較良好,已由原來單一的行走除冰功能,不注重外觀,逐漸演變成為實際作業使用中的藝術品,以外觀精美結構巧妙,操作方便,質量安全穩定等特點成為新的發展方向。為進一步適應各行各業的發展,現如今市場上還出現了集除冰維護于一體的高壓巡線機器人。第二章 機械除冰機器人的設計現有市場上常見的除冰機器人基本上都是熱力除冰機器人,其基本工作方式為行走電動機帶動行走輪轉動,行走輪再將動力傳遞給整個

    25、機器人達到讓其在高壓輸送線路上自由行走的目的。熱力除冰機器人主要有以下幾個方面的缺點:熱力除冰的方式熱力損耗大,熱力容易擴散,經濟成本過高,且除冰過程中容易造成高壓線路電力中斷的情況發生。而本設計中的機械除冰機器人采用機械結構的除冰方式,其基本工作原理為行走電動機帶動行走輪轉動提供機械除冰機器人行走的動力,除冰電動機通過齒輪傳動將動力傳遞給除冰刀,實現其能夠自動行走去除線路上覆冰的目的。這兩種除冰機器人的工作原理截然不同,兩者結構不同、實現方式不同,使用方法也不相同。本篇論文中的機械除冰機器人設計運用了巧妙的機械傳動結構,利用行走電動機作為機器人行走的源動力,再通過電機自帶的減速器和鏈傳動將行

    26、走電動機的動力傳遞給機器人后端的行走輪,利用除冰電動機作為機器人除冰的原動力,同樣通過電機自帶的減速器和齒輪傳動將除冰電動機的動力傳遞給機器人前端的除冰刀,最終實現機器人自動行走除冰的目的。且在機械除冰機器人尾部還安裝有四個導向輪,通過導向輪將兩根高壓線夾緊,使得整個機器人在運動過程中更加平穩。我們在現有的熱力除冰機器人的行走理論基礎上改良結構和除冰方式,本次設計的機械除冰機器人采用后輪驅動,前段除冰的結構方式,機械結構更加優化,綜合材質的選擇、結構的簡化,讓操作者在實際使用時更加方便穩定的使用該除冰機器人,這是本論文機械除冰機器人的設計初衷。2.1 機械除冰機器人的設計要求(1)本設計中的機

    27、械除冰機器人主要應用于不同氣候環境下的電力除冰和維護作業,可以大量節省人力財力,提高高壓輸送線路覆冰的除冰效率。(2)本設計之前綜合考慮,該機械除冰機器人應該具有以下功能:產品制造成本低,質量安全穩定,使用時間長,結構簡捷,除冰效率高,方便搬運移動;(3)本設計從機械除冰機器人行走機構設計和機械除冰機構設計兩方面著手進行詳細的設計分析及計算闡述。2.2 機械除冰機器人的設計概述2.2.1機械除冰機器人與熱力除冰機器人原理的對比(1)熱力除冰機器人的工作原理最早出現的除冰機器人應當是熱力除冰機器人。隨著各個國家電力行業對除冰機器人質量要求的不斷提高,熱力除冰機器人也得到了快速的發展與運用。熱力除

    28、冰機器人以熱力除冰方式為基礎,相對化學除冰方式、被動除冰方式、聲波除冰方式具有具有運動速度快、工作效率高、結構簡單、操作容易等優勢。與其他除冰機器人相比,熱力除冰機器人最大的優點便是熱力除冰簡單方便,不需要額外增加機械結構,支座架等固定裝置,除冰過程控制方便簡單,且除冰效果穩定。因此,熱力除冰機器人大多數在較好的氣候環境下使用。 熱力除冰機器人,其基本工作原理為行走電動機帶動行走輪轉動,行走輪再將動力傳遞給整個機器人,通過熱力除冰裝置主動將電力輸送線制造短路讓高壓線升溫融冰,實現自動行走除冰的目的。再通過一些其他的輔助功能,如地面控制系統,車載控制系統,引導方式等綜合起來形成完整的機器人體系。

    29、圖1 常見熱力除冰機器人實物圖(2)機械除冰機器人的工作原理在21世紀初,以電動機作為動力源帶動除冰刀轉動去除高壓輸送線覆冰的機器人就已經在國外出現了。隨著現代工業應用技術的發展,如今出現了線路巡檢和線路維修等等類型的特種機器人。本設計中的機械除冰機器人采用的仍然是熱力除冰機器人的行走工作原理,在其基礎上改進優化了行走方式和除冰方式,行走方式由過去在單根地線上滾動前進改進成橫跨于兩根地線上直線滾動,除冰方式由過去的熱力除冰改進成機械傳動除冰刀轉動除冰,其基本工作原理為行走電動機帶動行走輪轉動提供機械除冰機器人行走的動力,除冰電動機通過齒輪傳動將動力傳遞給除冰刀,實現其能夠自動行走去除線路上覆冰

    30、的目的。機械除冰機器人作為除冰機器人的一種,相比熱力除冰機器人更加節省財力成本,環境適用性更高,機動性更強。該機械除冰機器人的結構主要由兩大部分組成:行走機構和除冰機構,而行走機構包括:行走電動機、機器人主支架、行走輪組件,從動輪組件,鏈傳動組件、導向輪組件、電氣控制柜,蓄電池等;除冰機構包括:除冰電動機、除冰刀、除冰齒輪傳動組件、帶傳動組件等;行走電動機提供源動力帶動整個機器人本體向前行進,除冰電動機帶動除冰刀轉動除冰,機器人主支架支撐著整個機械除冰機器人的結構,其承受了機械除冰機器人所有的負載,主支架的前后分別安裝有從動輪組件和行走輪組件,行走電動機和除冰電動機分別通過鏈傳動組件和齒輪傳動

    31、組件將動力傳遞出去,主支架的尾端還安裝有導向輪組件用于將兩根高壓線夾緊,主支架下端固定有電氣控制柜,控制柜內部安裝有遠程控制模塊和蓄電池。 圖2 機械除冰機器人三維設計圖2.2.2機械除冰機器人與熱力除冰機器人特點的對比機械除冰機器人的優點:(1).在惡劣環境下也可以作業,越障機動性好;(2).具有很好的除冰效果,可以去除大部分常見的厚度的冰層;(3).行走輪上加工出滾花槽,增大與高壓線的接觸面積,不容易打滑,與輸送線的附著性好,能夠最大程度的發揮行走電動機的效率熱力除冰機器人的缺點:(1) 對行走的高壓線表面要求比較高,在彎曲的輸送線上行走時極容易打滑;(2) 熱力除冰的方式熱力損耗大,熱力

    32、容易擴散,經濟成本過高;(3) 熱力除冰過程中容易造成高壓線路電力中斷的情況發生;(4) 熱力除冰裝置復雜,一旦發生故障,非專業人員不容易檢查和排除問題。2.2.3 機械除冰機器人的設計參數產品類別:雙線機械除冰機器人材質:鋁合金機器人本體重量:40kG規格(MM):L638W380H600行進速度:0.40.8m/s行走電機功率:90W除冰電機功率:200W續航時間:2H2.3 機械除冰機器人的具體設計機械除冰機器人主要從兩大方面進行具體設計:包括行走機構設計和除冰機構設計;2.3.1 行走機構設計本設計中的行走機構設計主要包括行走電動機的設計,行走電動機自帶減速器的計算選型,鏈傳動組件的設

    33、計計算,輔助機構的設計選型。2.3.1.1行走電動機的設計在本設計中,行走電動機通過鏈傳動組件驅動兩個行走輪轉動,從而驅動整個機器人本體向前直線行進。這里我們按機器人本體重量40KG進行行走電動機的設計選型。在本設計中我們設定機械除冰機器人的行進最大牽引線速度V為0.8m/s。根據公式N = V /D式中:N行走電動機經過傳動系統后的轉速 V機械除冰機器人的牽引線速度 D行走輪的直徑已知行走輪的設計直徑為55mm,計算得到行走電機經過傳動系統后的轉速:N=48*1000/(*55)277.80r/min取機器人的行走輪與高壓輸送線之間的滾動摩擦系數為0.2,從三維設計圖中計算得出整個機械除冰機

    34、器人自重40KG,得到:除冰機器人在行進過程中與高壓線的滾動摩擦力f=0.2*40*10=80N我們這里的除冰機器人以勻速運動的方式向前行進時作用于行走輪的牽引力F=f=80N計算可以得到:行走電機經過傳動系統后的輸出扭矩M=F*R=8027.5/1000=2.2N.M根據公式M=9550/n式中:M行走電動機經過傳動系統后的輸出扭矩 機械除冰機器人所需的功率 n行走電動機經過傳動系統后的輸出轉速計算得到:機械除冰機器人所需的功率 =2.2*227.80/9550=0.4083KW0.064KW行走電機所需的功率計算:式中:安全系數,考慮超載或功耗波動等影響,取1.2; 機械除冰機器人所需的功

    35、率; 傳動系統的總傳動效率;行走電機的功率。行走電機與行走輪之間通過電機自帶的減速器連接,減速器與行走輪之間又通過鏈傳動組件連接,因此查機械設計手冊得到:類別傳動形式效率(%)減速器行星齒輪減速0.97鏈傳動滾子鏈0.96表2.1 各傳動部件的傳動效率因此可以計算得到從行走電機到履帶的總傳動效率為=減速器鏈傳動=0.970.96=0.9312Pm=kpw=1.20.0640.9312=0.082KW行走電機實際行走時所需要的輸出功率。由于本設計中整個機器人內部系統選用的電壓為直流,行走電機選型采用的是直流無刷電機。作為同步電機的一種,直流無刷電機相對于其它類型的電動機具有響應快速、較大的起動轉

    36、矩、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的優點。根據上面的計算,我們得到機械除冰機器人行走電機實際工作時所需要的輸出功率為82W,考慮在行走過程中可能遇到的特殊情況,我們選定行走電機的品牌為上海步科低壓直流無刷伺服電機,型號為SMH40S-0010-30AAK-4DKH,其工作額定功率為100W,小慣量DC48V,額定轉速n為3000r/min, 額定轉矩為0.32N.m,行走電機的具體參數見表2.2;從上海步科電機的產品手冊上查到標準馬達規范表,見下表表2-2 SMH系列伺服電機技術參數2.3.1.2行走電動機自帶減速器的計算選型已知選定的行走電機型號為SMH40S-0010-30AAK-4

    37、DKH,其工作額定功率為100W,額定轉速n為3000r/min,且行走輪的轉速為277.8r/min,如果我們直接通過減速器減速則減速器總傳動比為10.8。如果我們只選用減速器減速,那么傳動比i=10.8就必須通過二級減速才可以實現,考慮到機械除冰機器人的設計要求:結構安裝簡單,自身重量輕,因此減速器的體積也需要盡可能的小,所以本設計中采用行走電機自帶減速器的方式先來降低電機自身輸出轉速,再通過鏈傳動組件將動力傳遞給行走輪。那么我們可以將總傳動比i分別分配到行走電機減速器和鏈傳動組件上??傻胕=i電機i鏈輪我們這里設計鏈傳動組件的傳動比為0.95,于是計算出行走電機自帶減速器的傳動比為11.

    38、8。行走電機自帶減速器為行走電機與鏈傳動之間的獨立的閉式傳動裝置,它通過降低轉速和增大轉矩來滿足實際工況的需求。減速器的類型有很多,按照傳動方式的不同可以分為齒輪減速器,蝸輪蝸桿減速器和行星減速器;按照傳動的級數可以分為單級和多級減速器。我們已知本設計中的減速器的減速比為11.8。通常情況下單級齒輪減速器的傳動比i810,且行星減速器的優點是效率和可靠性高,工作壽命長,維護簡單;因此選擇行星減速器做為本設計中的減速器。我們這里選用湖北行星傳動設備有限公司的精密行星減速機,我們這里選用他們的ZJPX系列的精密行星減速機。產品型號ZJPX65ZJPX85ZJPX115ZJPX142減速比級數額定輸

    39、出扭矩13.5399830831級298020560042465137425515378627281542110335122級349023067516349023067520297115546025349023067532297115540040174295305641954142422603級441102969008044110296900100441102969001204411029690016038901955852004411029690025638901953853202252122395512故障停止轉矩2倍額定輸出轉矩表2-2 ZJPX行星減速機技術參數查減速機的產品手冊,我們

    40、這里選用2級減速比12的減速機型號ZJPX65。2.3.1.3行走電動機減速器齒輪的有限元分析分析直齒輪的應力分布圖,我們可以得出直齒輪在進入或退出嚙合時,因為直齒輪的彈性形變將發生干涉和沖擊,直齒輪的齒頂、齒根和端面邊緣都會發生應力集中,這些應力集中很容易造成直齒輪失效,因此分析直齒輪受力,避免應力集中可以有效地提高直齒輪的使用時間。從主動齒輪的接觸應力圖中可以看出,主動齒輪齒根圓處的應力大小在70MPa 到 100MPa 區間內,齒輪齒形表面的應力分布有逐漸增大的態勢,其大小為 140245MPa,而齒形表面及齒槽表面分布其應力值逐漸降低到35MPa 左右,主動齒輪的最大應力出現在加載的齒

    41、形嚙合部分的齒頂附近處,大小為316MPa。圖2.4 主動齒輪接觸應力分布圖從齒輪副接觸應力圖中可以看出,從動齒輪的應力分布方式與主動齒輪基本相似。從動齒輪的齒根圓處的應力值在 274MPa 到 366MPa 之間的范圍,齒形表面的應力分布逐漸加大,附近的應力其值為 457549MPa,而齒形表面及齒根表面的應力分布,其應力值逐漸降低到91183MPa 左右,與主動齒輪的應力分布相似,齒形嚙合處附近接近齒頂輪廓處的應力較大,從動齒輪該處為最大應力點,而從動齒輪上該位置的應力最大值約為 824MPa。圖2.5齒輪副接觸應力分布圖根據以上分析可以得到結論:齒輪運動副中的危險應力集中位置,我們在實際

    42、的齒輪生產加工工藝中可以作為技術依照,為了后面使用過程中增加齒輪的耐久性和穩定性,需要在齒輪制造生產和熱處理工藝加工的過程中做特殊的表面熱處理。2.3.1.4鏈傳動組件的設計計算鏈傳動是一種繞性傳動,通常由鏈條和鏈輪組成,通過鏈輪的輪齒和鏈條的鏈節之間的嚙合傳遞動力。與齒輪傳動相比,鏈傳動的制造和安裝精度要求較低,成本也較低。特別在長距離傳動時,結構比齒輪傳動更加有優勢。鏈條按用途不同又可以分為傳動鏈、輸送鏈和起重鏈。輸送鏈和起重鏈通常用于重型運輸機械和起重機械中。本設計中我們選用的是常用的傳動鏈。傳動鏈又可以分為滾子鏈和齒形鏈等類型,本設計中采用的是常規的滾子鏈,通常用于低速的傳動系統中,且

    43、最大傳動比i=8。滾子鏈在傳遞較大功率時,可采用雙排鏈或者多排鏈。多排鏈的承載能力和排數成正比,但受到裝配精度的制約,多排鏈承受的載荷不容易分布均勻,因此鏈條的排數也不宜過多。(1) 鏈輪設計與計算小鏈輪的齒數少一點可以減小鏈輪的外廓尺寸,但齒數過少時也會增加動力傳遞過程中的不均勻性和動態載荷;鏈條和鏈輪在嚙合時鏈節間的相對轉角增大使得鏈傳動的圓周力增大,導致鏈傳動整體的磨損。因此小鏈輪的齒數Z1也不宜過小,通常情況下鏈輪的最少齒數Zmin=9。一般Z116,對于高速傳動或是承受較大沖擊載荷的鏈傳動Z1不少于25。同樣小鏈輪的齒數Z1也不宜取得過大,在傳動比一定時,Z1大,Z2也相應增大,會導

    44、致傳動結構的總體尺寸增大,并且容易導致鏈條跳鏈和脫鏈的情況發生,也會影響鏈條的使用壽命。本設計中小鏈輪的轉速不高,因此選定小鏈輪的齒數Z1=20,根據以上計算得到鏈傳動組件的傳動比為0.95,可得到:Z2=Z1i=200.95=19鏈輪的節距P越大,承載能力也越高,但是P越大也意味著鏈輪的總體尺寸越大,反而振動、沖擊和噪聲也會越嚴重。為了使整個鏈傳動結構緊湊,當速度高,功率大時,應盡量選用小節距的多排鏈,本設計中采用單排鏈的鏈輪傳動。(2) 鏈傳動的計算根據鏈傳動的工作環境,小鏈輪齒數和鏈條排數,將鏈傳動所傳遞的功率修正為當量的單排鏈的計算功率Pca=KAKZKPP式中:KA工況系數,查機械設

    45、計手冊表9-6工況系數取1.0;Kz小鏈輪齒數系數,查機械設計手冊圖9-13小鏈輪齒數系數取1.65;KP排鏈系數,單排鏈時取KP=1.0,雙排鏈時取KP=1.75,三排鏈時取KP=2.5;P傳遞的功率,KW。計算得到Pca=1.01.651.00.1=0.165KW根據計算得到的排鏈的計算功率Pca和小鏈輪的轉速n1=250r/min由機械設計手冊圖9-11得到鏈條型號為35B,鏈輪的型號為35B,再根據機械設計手冊表9-1確定鏈條的節距P=9.525mm。鏈條具體尺寸見圖2.6;圖2.6 鏈條具體尺寸圖鏈條的鏈速V決定了鏈傳動的潤滑方式,鏈條平均鏈速v=z1n1p601000=z2n2p6

    46、01000=20250165601000=13.75m/S查機械設計手冊圖9-14選擇定期人工潤滑的方式。(3) 鏈傳動的張緊鏈傳動張緊的目的在于,為了避免在鏈條的松邊垂度過大時產生鏈傳動嚙合不良和鏈條的振動現象,同時也增加鏈條和鏈輪的嚙合包角。張緊的方式有很多,當小鏈輪與大鏈輪之間的中心距可調時,可以通過調節中心距來控制鏈條的張緊程度。但是當中心距不可調時,我們只有通過增加張緊輪的方式實現鏈條的張緊。本設計中由于在行走電機固定板上開有長條孔,因此可以通過調整行走電機的位置來調節小鏈輪與大鏈輪之間的中心距,最終實現整個鏈條的張緊。2.3.1.5輔助機構的設計選型輔助機構主要由行走輪、蓄電池和P

    47、BS防撞傳感器組成。(1)行走輪的設計選型根據GB/T 2900.50-2008,高壓輸送線通常指輸送10KV(含10KV)以上電壓的輸電線路。中國國內高壓輸電線路的電壓等級一般分為:35KV、110KV、220KV、330KV、500KV、750KV等。其中110KV、330KV多用于北方地區。一般稱220千伏以下的輸電電壓叫做高壓輸電,330到750千伏的輸電電壓叫做超高壓輸電,1000千伏以上的輸電電壓叫做特高壓輸電。高壓輸電在城市一般采用帶絕緣層的電纜地下傳輸,在野外常采用鐵塔承載的架空線方式傳輸。高壓輸送線以線本體內的鋁芯的橫截面面積來分類,常見的有120mm2,240mm2,300

    48、mm2三種。本設計中選240mm2的作為高壓輸送線的鋁芯的橫截面面積,通過計算得到鋁芯的直徑為17.48mm,再考慮到高壓線體外面包裹的絕緣層,因此本設計中選定架在高空的高壓輸送線體的直徑為20mm。行走輪材質: 主體鋁合金,輪面聚氨脂,聚氨酯表面做滾花槽行走輪直徑:55MM輪寬:32MM(2)蓄電池的設計選型蓄電池的型號為DC48V 75AH,品牌為霍克,蓄電池的外形尺寸為L350W210H210(mm)(長寬高),蓄電池安裝固定在電氣控制柜的內部。(3) 障礙物傳感器的設計選型防撞傳感器選用的是PBS防撞傳感器,型號為PBS-03JN-CE,通過專用軟件向計算機內部導入數據,這些數據決定了

    49、防撞傳感器的整個檢測范圍。障礙物傳感器參數如下表:供電電壓24VDC(18-30VDC)供電電流250mA (100mA, 照明關閉),除I/O端子電流和沖流(500mA)激光光源紅外線LED監測對象和范圍300300mm白紙(與傳感器發射表面平行);0.2 to 3m2m(原點是掃描中心位置),掃描角度1802種掃描模式每個區域可單獨設置輸出輸出光電耦合/NPN開集電極輸出(30VDC 4mA),可用于設置監測區域監測區域設置監測區域轉換:通過輸入1, 2, 3, 4來設定區域;發射停止:輸入1, 2, 3, 4同時為ON;輸出響應時間180msec (掃描速度 1 rev./100m se

    50、c);輸入響應時間周期:1個掃描時間(100msec)指示燈電源(綠):故障時閃爍;輸出1,2,3(黃):燈亮表示監測到物體連接線長1m環境照明鹵素/汞燈:10,000lx, 日光燈:6,000lx環境溫濕度-10 to +50 degrees C, 85%RH(無凝露)振動雙振幅1.5mm 10 to 55Hz, 每軸2個小時沖擊490m/s2, 10次, X, Y, Z方向防護等級IP64(IEC 標準)壽命5 years(電動機壽命)材料前面: Polycarbonate, 后面:ABS重量約500g2.3.2除冰機構設計本設計中的行走機構設計主要包括除冰電動機的設計,除冰刀的設計,除冰

    51、齒輪傳動組件的設計計算,帶傳動組件。2.3.2.1除冰電動機的設計利用除冰電動機作為機器人除冰的原動力,通過電機自帶的減速器和齒輪傳動將除冰電動機的動力傳遞給機器人前端的除冰刀。本設計中除冰電動機選用的品牌和型號與行走電機一致,且與之配套的電機上的減速器也一致。2.3.2.2除冰刀的設計本設計中的除冰刀結構巧妙,工作效率高,使用起來簡單方便,其結構為兩部分組成,底部為齒輪結構,用于與除冰齒輪嚙合,將除冰電動機的動力傳遞給除冰刀;上部為除冰刀部分,內部加工有類似“毛肚”的齒形結構,能夠很好的高效穩定的去除高壓輸送線上的覆冰。圖2.6 除冰刀三維設計圖2.3.2.3除冰齒輪傳動組件的設計計算在設計

    52、時保證除冰齒輪傳動的中心距不變的條件下,增加齒數,不僅可以增大齒輪嚙合的重合度、保證傳動的平穩性,而且可以減小齒輪模數,降低齒高,減少加工的切削量。為了提高傳動的穩定性,減少傳動過程中的沖擊振動,降低磨損失效。根據齒輪副的工作環境選擇不同的齒輪齒數,閉式齒輪傳動一般轉速較高,為了提高傳動的穩定性,減小沖擊振動,通常選擇齒數多一點的齒輪,小齒輪的齒數可取為Z1=2040,而開式(半開式)齒輪傳動,由于輪齒的磨損失效為主要因素,因此小齒輪的齒數通常選用不多,一般可以小齒輪的齒數Z1=1720,且為了防止齒輪嚙合時發生根切,應取Z117。本設計中除冰齒輪傳動的工作環境惡劣,齒輪齒形會磨損嚴重,因此選

    53、定除冰齒輪的齒數Z1為18。除冰齒輪齒數確定后,按傳動比i=Z2/Z1可以計算出除冰刀齒數Z2為48。除冰齒輪傳動的基本參數見表21所示:表 2-1名稱除冰齒輪除冰刀齒數3030變位量系數00齒頂高系數11頂隙系數0.250.25刀具模數1.51.5刀具壓力角2020齒寬872.3.1.4直齒圓柱齒輪靜力及接觸分析的理論計算對直齒圓柱齒輪分別進行接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度的校核,確定斜齒輪副能否滿足實際工況下的需求。直齒圓柱齒輪材質選用Q235A,齒輪表面做調質熱處理,齒輪副的參數如表2-2所示。表2-2斜齒輪副參數齒 輪模數(m)齒數(z)轉速(n)分度圓直徑(mm)功率(p)主動齒輪1.5

    54、30104r/min45200W從動齒輪1.530104r/min45(1)齒輪接觸疲勞強度校核1)計算主動齒輪名義轉矩T1=9.55106P1/n1=9.551030.2/104=18.36N.M取直齒輪材料接觸疲勞極限應力。2)計算主動齒輪的的圓周力Ft=2T1/d1=218.36/0.045=816N3)許用接觸疲勞強度計算主動齒輪應力循環次數:N1=60njLh=601041010250=1.56108從動齒輪應力循環次數:N2=60njLh=601041010250=1.56108取安全系數取 則許用接觸疲勞強度為:4)直齒輪齒面接觸疲勞強度校核:取齒寬系數 則齒寬為 b=dd1=0

    55、.645=27齒輪傳動比 u=Z2/Z1=30/30=1齒輪重合度=1.88-3.2(1/z1+1/Z2)cos=1.566取重合度系數 節點區域系數 彈性系數 載荷系數 K=2.669直齒面接觸疲勞強度校核:H=ZEZHZ(K Ft/bd1)*(u+1)/u0.5=189.82.50.95(2.669816/27/45)(1+1)/10.5=842.15MPa得到結果: (2)直齒輪彎曲疲勞強度校核1)確定載荷系數:取 動載荷系數 取齒間載荷分配系數 取 則2)確定齒形參數取從動齒輪齒形系數 應力修正系數 主動齒輪齒形系數 應力修正系數重合度系數3)確定直齒輪彎曲疲勞許用應力 斜齒輪彎曲疲勞

    56、許用應力為 根據齒輪材料取彎曲疲勞極限應為, 取彎曲疲勞強度計算的壽命系數:, 取應力修正系數 取彎曲疲勞強度安全系數 則彎曲疲勞許用應力:4)校核齒輪彎曲疲勞強度: 按主動齒輪校核齒輪彎曲疲勞強度:F2=kFtYFa2YSa2Y/bm=2.878162.751.60.95/3/48=67.98MPa經過上面對直齒輪副的強度校核計算得到以下結果:齒輪接觸疲勞和彎曲疲勞強度為:H=ZEZHZ(K Ft/bd1)*(u+1)/u0.5=189.82.50.95(2.669816/27/45)(1+1)/10.5=842.15MPaF2=kFtYFa2YSa2Y/bm=2.878162.751.60

    57、.95/3/48=67.98MPa對疲勞強度進行比較:經過對比我們可以得到結論:直齒輪的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度都滿足實際強度要求。(1)動力輥筒傳動方式的設計 動力輸送中貨物可以按規定的速度精確,平穩,可靠地輸送,根據傳動方式的不同,分為“帶傳動”和“鏈傳動”兩大類。兩種傳動方式各自的特點如下:帶傳動:運行平穩,噪音小,對環境污染少,允許高速運行,但不能在有油污的地方工作。鏈傳動:承載能力大,布置方便,對環境適應性強,可在經常接觸油、水及溫度較高的地方工作,但在多塵環境中工作室鏈條容易磨損,高速運行時噪音較大。由于本設計中的貨物最大重量只有35KG,且運用于高速自動分揀系統,因此在本設計中

    58、我們選擇使用帶傳動的方式。帶傳動又可以分為兩種方式:“O”帶傳動和多楔帶傳動?!癘”帶傳動:它是最傳統也是最常見的帶傳動方式,在箱式輸送中應用范圍極為廣泛,具有高速、靜音等特點,根據傳動結構的不同,又分為單槽和雙槽兩種(多槽是在雙槽基礎上的衍生設計)。缺點是傳動負載較低,使用壽命相對較短。多楔帶傳動:符合ISO9982的PJ型多楔帶,間距2.34mm,越來越多地運用于各類輥筒輸送線中,它的輸送能力強,是傳統“O”帶的3倍以上,同時兼具“O”帶傳動所固有的高速、靜音等特點。綜上所述我們不難發現,多楔帶傳動的輸送能力更強,效果更好,因此在本設計中我們選擇使用多楔帶傳動的帶傳動方式。(2)多楔帶的設

    59、計選型及安裝方法只有彈性纖維芯的多楔帶才能應用在輥筒輸送中,因為纖維芯的柔性能夠克服機架的開孔誤差,并且也能夠運用在轉彎輸送中??筛鶕斔拓撦d的大小選擇2溝道或3溝道的多楔帶,即使使用2溝道多楔帶,它在帶動20支被動輥筒的情況下單元輸送能力也能夠達到50KG;輥筒中心距有嚴格的限制,建議輥筒間距和之匹配的多楔帶型號見下表2-4:表2-4 輥筒中心距常用規格表根據前面的計算我們得到輥筒與輥筒之間的中心距為150mm,且貨物最大重量只有35KG,因此我們這里選擇的多楔帶的規格為2PJ435。在安裝多楔帶時應使用適合的裝配工具安裝輥筒,避免由于安裝的不善導致多楔帶遭到破壞,正確的安裝步驟見下圖2-9

    60、,2.3.2.2機械手臂轉動結構的設計因為本設計中的履帶機器人適用于一些人不方便進入的小型場合使用,包括倒塌的建筑物內,災難現場,危險災區和坍塌煤礦等,我們這里以倒塌的建筑物為例分析,而建筑物內最常見的攀爬的障礙物就是樓梯,這里選擇樓梯作為本設計中機械手臂尺寸的設計參考。已知樓梯一節臺階的內空寬為215mm,且內空高為200mm,樓梯一層總高2600mm,總寬950mm,因此,為了保證機械除冰機器人能夠自由的翻越樓梯,設計機械手臂的寬度不能超過950mm,展開長度不能超過2600mm。本設計中機器人大臂總長度為400mm,機器人中臂總長度為400mm,機器人小臂總長度為150mm,機器人抓手總

    61、長度180mm,因此整個機器人手臂完全展開總長度為1130mm,小于2600mm,整個機械除冰機器人總高度為630mm,總長度為825mm,總寬度為550mm,均小于一層樓梯的內空長寬高,均符合人機工程學的要求作業要求尺寸。樓梯的具體尺寸見下圖2.7。圖2.7 樓梯的具體尺寸參數第三章 總結與展望 自選題后,我就開始積極地查閱相關資料,為本次的畢業設計做準備。本次設計經過大量的數據計算,選擇了最優的外形尺寸結構,體現出設計的最初宗旨,即便攜、穩定。 上述工作完成之后,通過計算機AutoCAD和Solidwork軟件的學習運用,對機械除冰機器人的總體裝配圖、零件實體圖、零件的二維圖等進行了繪制,在繪制的過程中對履帶機器人的裝配又有了進一步的理解,補充并修改了計算部分中的遺漏與錯誤之處。在整個設計過程中,查閱大量有關資料,與同學交流,并向老師請教,使自己學到了很多未曾接觸的知識,并對學過的知識加以鞏固。本次設計,能夠參考的相關實例少之甚少,整個設計過程就是創造過程。論文開始階段,毫無頭緒,看著別人忙著寫論文,內心百般焦急,卻不知從何開始,于是我嘗試結合所學知識與相關書

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