機(jī)械式高壓線除冰機(jī)器人設(shè)計(jì)
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1、摘 要:隨著我國(guó)改革開放的不斷開展,我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和技術(shù)應(yīng)用都得到了高速穩(wěn)定的發(fā)展,機(jī)器人已成為制造加工行業(yè)必不可少的關(guān)鍵設(shè)備,機(jī)器人可以分為工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人兩大類,工業(yè)機(jī)器人通常應(yīng)用于制造加工行業(yè),實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化,多為關(guān)節(jié)機(jī)器人和多自由度機(jī)器手;而特種機(jī)器人則被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),幾乎遍布除工業(yè)外的其他領(lǐng)域,包括服務(wù)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人等等, 除冰機(jī)器人作為特種機(jī)器人的一種,它的出現(xiàn)不但代替了電力工人的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè),提高高壓線除冰的工作效率,而且利用除冰機(jī)器人可以大量節(jié)省人力成本,這就使得除冰機(jī)器人的研究工作更加有現(xiàn)實(shí)意義。除冰機(jī)器人相比其他特種機(jī)器人,結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,使用起來更
2、加方便。其整體結(jié)構(gòu)分為行走機(jī)構(gòu)和除冰機(jī)構(gòu)兩大塊,行走機(jī)構(gòu)的方式多種多樣,有腿式行走機(jī)構(gòu),輪式行走機(jī)構(gòu),選擇何種行走方式?jīng)Q定了除冰機(jī)器人的工作效率和質(zhì)量。本篇論文中提出了一種結(jié)構(gòu)巧妙、機(jī)動(dòng)性好、穩(wěn)定性能高的機(jī)械除冰機(jī)器人設(shè)計(jì)方案,本方案對(duì)除冰機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行深入分析研究,其工作原理是:利用行走電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)整個(gè)除冰機(jī)器人向前行走,利用除冰電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)除冰刀轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)除冰機(jī)器人在高壓電線上自動(dòng)巡線除冰的目的。除冰機(jī)器人作為一種新型的特種機(jī)器人,對(duì)此進(jìn)一步的研究也是不能忽視的。關(guān)鍵詞:機(jī)器人;除冰機(jī)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(jī)器人的發(fā)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(jī)械除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì)52.1 機(jī)械除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求52.2機(jī)械除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì)概述52.2.1機(jī)械除冰機(jī)器人與其他類型除冰
10、機(jī)器人原理的對(duì)比52.2.2機(jī)械除冰機(jī)器人與其他類型除冰機(jī)器人特點(diǎn)的對(duì)比82.2.3 機(jī)械除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù)82.3機(jī)械除冰機(jī)器人的具體設(shè)計(jì)82.3.1 機(jī)器人底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)92.3.1.1行走電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與選型92.3.1.2減速器齒輪的設(shè)計(jì)122.3.1.3齒輪齒數(shù)的選擇132.3.1.4直齒圓柱齒輪靜力及接觸分析的理論計(jì)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(dòng)的設(shè)計(jì)192.3.2機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)212.3.2.1機(jī)械手臂轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)與選型212.3.2.2機(jī)械手臂轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)23第三章 總結(jié)與展望24參考文獻(xiàn)24IV第一章 緒論1.1 引言隨著我國(guó)改革
11、開放的不斷開展,我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和技術(shù)應(yīng)用都得到了高速穩(wěn)定的發(fā)展,機(jī)器人應(yīng)用的地方變得越來越多,從單一的生產(chǎn)制造業(yè)發(fā)展到各行各業(yè),甚至應(yīng)用到高壓電線除冰的具體工作?,F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外都開始了對(duì)除冰機(jī)器人的系統(tǒng)研發(fā)和設(shè)計(jì),而除冰機(jī)器人選擇何種除冰方式是其設(shè)計(jì)時(shí)最重要的考慮點(diǎn)之一。除冰機(jī)器人按其除冰原理可以分為熱力除冰法、化學(xué)除冰法、聲波除冰法、機(jī)械除冰法等等,這些方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)。目前常見的除冰機(jī)器人主流仍是熱力除冰機(jī)器人,該機(jī)器人移動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適用于高壓輸電線路的自動(dòng)除冰,行走過程相對(duì)穩(wěn)定,但是同樣存在著許多缺陷,最大的問題是熱力除冰機(jī)器人的除冰方式熱力做功效率低下,經(jīng)濟(jì)成本過高,且除冰過程中容易造成電力
12、中斷的情況發(fā)生。我們都知道除冰結(jié)構(gòu)是除冰機(jī)器人中極為重要的一個(gè)構(gòu)件,因此在整體設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該考慮除冰結(jié)構(gòu)的適用性,穩(wěn)定性和可靠性。為了讓除冰機(jī)器人的各項(xiàng)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(jī)動(dòng)性能好,除冰作業(yè)效率高,保證電力輸送的穩(wěn)定,與高壓線附著力大,除冰可靠性高。本設(shè)計(jì)中我們選用純機(jī)械的結(jié)構(gòu)作為除冰機(jī)器人的除冰方式,其既具備熱力除冰機(jī)器人除冰作業(yè)效率高的優(yōu)點(diǎn),自身又具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造成本低,使用安全穩(wěn)定的特點(diǎn)。機(jī)械除冰機(jī)器人除冰過程安全穩(wěn)定、作業(yè)效率高、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn);機(jī)械除冰機(jī)器人能夠適用于各種氣候環(huán)境下的工作,因此對(duì)其進(jìn)一步的研究是不能忽視的。1.2除冰機(jī)器人的發(fā)展概況
13、歐美等國(guó)家在除冰機(jī)器人的技術(shù)研究方面一直處于世界的前端,他們單獨(dú)設(shè)立有專門的除冰機(jī)器人技術(shù)研究小組,且都在努力將除冰機(jī)器人的技術(shù)應(yīng)用于不同氣候環(huán)境下都能夠正常作業(yè)。目前國(guó)外的除冰機(jī)器人研發(fā)已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展,他們成功將該除冰機(jī)器人應(yīng)用到高壓輸送線路巡線除冰的實(shí)際作業(yè)中,還有部分除冰機(jī)器人甚至可以能夠?qū)Ω邏壕€路進(jìn)行簡(jiǎn)單維護(hù)工作,比如: 東京電力公司的OPGW巡線移動(dòng)機(jī)器人,Hibot Expliner機(jī)器人,加拿大魁北克水電研究院的HQLineROVer遙控小車, LineROVer除冰機(jī)器人,LineScout除冰機(jī)器人等,其中最典型的是: 東京電力公司的OPGW巡線移動(dòng)機(jī)器人。東京電力公
14、司在日本的除冰機(jī)器人研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位,其研發(fā)的OPGW巡線移動(dòng)機(jī)器人被日本電力行業(yè)視為輕型無人作業(yè)、自動(dòng)除冰維護(hù)用機(jī)動(dòng)平臺(tái)的模板。該機(jī)器人利用兩個(gè)行走輪和兩個(gè)導(dǎo)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(shí)機(jī)器人本體采用仿人攀爬的結(jié)構(gòu)原理,先展開弧形手臂,手臂的首端吊住高壓線塔兩側(cè)的地線,作為著力支撐點(diǎn),然后整個(gè)機(jī)器人順著高壓地線滑到線塔的另一端;待機(jī)器人導(dǎo)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(fù)上述動(dòng)作過程,最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走的目的。OPGW巡線移動(dòng)機(jī)器人本體頂部還安裝有8個(gè)攝像頭用于實(shí)時(shí)拍攝高壓輸送線路上現(xiàn)場(chǎng)情況,輔助完成機(jī)器人的巡線
15、檢測(cè)任務(wù),并通過電暈效應(yīng)的原理去除高壓輸送線路上的覆冰。該機(jī)器人還可以通過前后導(dǎo)向輪交叉換向?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)避障的功能。目前國(guó)內(nèi)對(duì)除冰機(jī)器人的技術(shù)研究仍然處于初始階段,對(duì)除冰機(jī)器人的定位傳感器、位置導(dǎo)航、運(yùn)動(dòng)控制以及除冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵層面的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他歐美國(guó)家。不過現(xiàn)在許多國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也開始努力開展對(duì)除冰機(jī)器人的研究工作,從最基礎(chǔ)的行走機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、除冰方式及運(yùn)動(dòng)控制入手。由于除冰機(jī)器人在機(jī)動(dòng)性、越障方式等方面與其他特種機(jī)器人有很大不同,因此國(guó)內(nèi)在除冰機(jī)器人技術(shù)研發(fā)這條路上還有很長(zhǎng)的路程要走。1.3 Solidwork軟件的介紹SolidWorks為達(dá)索系統(tǒng)(Dassault Systemes
16、 S.A)下的子公司,專門負(fù)責(zé)研發(fā)與銷售機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的視窗產(chǎn)品。達(dá)索公司是負(fù)責(zé)系統(tǒng)性的軟件供應(yīng),并為制造廠商提供具有Internet整合能力的支援服務(wù)。該集團(tuán)提供涵蓋整個(gè)產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng),包括設(shè)計(jì)、工程、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等各個(gè)領(lǐng)域中的最佳軟件系統(tǒng),著名的CATIAV5就出自該公司之手,目前達(dá)索的CAD產(chǎn)品市場(chǎng)占有率居世界前列。SolidWorks公司成立于1993年,由PTC公司的技術(shù)副總裁與CV公司的副總裁發(fā)起,總部位于馬薩諸塞州的康克爾郡(Concord,Massachusetts)內(nèi),當(dāng)初的目標(biāo)是希望在每一個(gè)工程師的桌面上提供一套具有生產(chǎn)力的實(shí)體模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。從1995年推出第一套S
17、olidWorks三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件至今至2010年已經(jīng)擁有位于全球的辦事處,并經(jīng)由300家經(jīng)銷商在全球140個(gè)國(guó)家進(jìn)行銷售與分銷該產(chǎn)品。1997年,Solidworks被法國(guó)達(dá)索(Dassault Systemes)公司收購(gòu),作為達(dá)索中端主流市場(chǎng)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(shí)體建模功能。通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁 特征、高級(jí)抽殼、特征陣列以及打孔等操作來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。通過對(duì)特征和草圖的動(dòng)態(tài)修改,用拖拽的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的設(shè)計(jì)修改。三維草圖功能為掃描、放樣生成三維草圖路徑,或?yàn)楣艿?、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(dòng)可控制的相切操作產(chǎn)生復(fù)雜的曲面??梢灾庇^地對(duì)曲面進(jìn)行修剪、延伸、倒角和縫合等曲面的操作。(3)鈑金設(shè)計(jì)SolidWorks 提供了頂尖的、全相關(guān)的鈑金設(shè)計(jì)能力。可以直接使用各種類型的法蘭、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(fā)工具。開發(fā)工具包括Microsoft Visual Basic for Applications (VBA)、Visual C+,以及其他支持OLE的開發(fā)程序。(4)特征識(shí)別FeatureWorks是第一個(gè)為CAD用戶設(shè)計(jì)的特征識(shí)
19、別軟件。與其它CAD系統(tǒng)共享三維模型,充分利用原有的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),更快將向SolidWorks系統(tǒng)過渡,這就是特征識(shí)別軟件FeatureWorks所帶來的好處。FeatureWorks同SolidWorks 完全集成。當(dāng)引入其它CAD軟件的三維模型時(shí),F(xiàn)eatureWorks能夠重新生成新的模型,引進(jìn)新的設(shè)計(jì)思路。FeatureWorks對(duì)靜態(tài)的轉(zhuǎn)換文件進(jìn)行智能化處理,獲取有用的信息,減少了重建模型所化的時(shí)間。FeatureWorks最適合識(shí)別帶有長(zhǎng)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(shí)間按任意順序交互式操作以及自動(dòng)進(jìn)行特征識(shí)別。Featu
20、reWorks 提供了在新的特征樹內(nèi)進(jìn)行再識(shí)別和組合多個(gè)特征的能力,新增功能還包含識(shí)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(yùn)用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬的方式,現(xiàn)如今在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分多,有限元計(jì)算答案已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的可靠依據(jù)?,F(xiàn)在,有限元分析大量應(yīng)用于解決航空、工業(yè)、航天、電子、土木、船舶、能源、化工、核工業(yè)、生物、醫(yī)學(xué)及交通運(yùn)輸?shù)缺姸囝I(lǐng)域的具體工程問題,尤其是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的高速發(fā)展,有限單元法在解決具體問題的規(guī)模、區(qū)間方面也已經(jīng)發(fā)生了巨大的變革。有限元分析技術(shù)可以實(shí)現(xiàn):(1)找到產(chǎn)品潛在的問題以及先天的缺陷,為我們創(chuàng)造更加品質(zhì)優(yōu)異的產(chǎn)
21、品。(2)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估與預(yù)測(cè),提高產(chǎn)品和加工生產(chǎn)的可靠性,降低存在的風(fēng)險(xiǎn)。(3)通過進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析,運(yùn)用改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案,降低產(chǎn)品生產(chǎn)加工成本。(4)縮短產(chǎn)品投向市場(chǎng)的時(shí)間。(5)降低物理試驗(yàn)次數(shù),對(duì)大量實(shí)際情況進(jìn)行快速而有效的模擬實(shí)驗(yàn)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(yīng)用得到了高速發(fā)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(tǒng)的FEM假設(shè):分析域是無限;材質(zhì)是同樣的,甚至在絕大部分的分析中認(rèn)為材質(zhì)是各向同性的;對(duì)邊界環(huán)境簡(jiǎn)化處理。但實(shí)際情況往往是分析區(qū)域有限、材質(zhì)各向異性及邊界環(huán)境難以
22、確定等因素。為了解決這些問題,美國(guó)學(xué)者發(fā)現(xiàn)用CFEM(Gener-alized Finite Element Method)解決分析區(qū)域內(nèi)含有大量孔洞特性的情況;比利時(shí)學(xué)者也在之間提出了用HSM解決實(shí)際開裂情況。FEM在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用也十分廣。自從我國(guó)成功研制了國(guó)內(nèi)第一個(gè)通用有限元分析程序系統(tǒng)JIGFEX后,有限元分析涵蓋到工程分析的各個(gè)領(lǐng)域中,從我國(guó)大型的三峽工程到微米級(jí)的器件都運(yùn)用了FEM進(jìn)行分析,在我國(guó)高速經(jīng)濟(jì)發(fā)展中擁有很大的發(fā)展空間。現(xiàn)在我們?cè)谶M(jìn)行大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)中物理場(chǎng)分析時(shí),為了控制并估計(jì)偏差,常用后驗(yàn)偏差估計(jì)的自適應(yīng)有限元分析。而基于后處理法的計(jì)算偏差,與我們常常使用的傳統(tǒng)算法不同,
23、它完美的將網(wǎng)格自適應(yīng)過程分成均勻化和變密度化兩個(gè)迭代過程。而均勻化迭代過程中,運(yùn)用均勻網(wǎng)格尺寸對(duì)整體分析區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,便得到一個(gè)合適的起始均勻分析網(wǎng)格;而在變密度化迭代過程中只進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化的操作,而且充分運(yùn)用上一次迭代的答案,在單元所在的曲邊三角形區(qū)域內(nèi)部進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化工作,保證了全局分析網(wǎng)格尺寸分布的合理性,這樣不同尺寸的網(wǎng)格就能夠光滑銜接,從而提高網(wǎng)格的整體質(zhì)量。上述整個(gè)方案簡(jiǎn)單可行,穩(wěn)定可靠,數(shù)次迭代即可快速收斂,生成的網(wǎng)格布局合理,質(zhì)量水平高。1.5 課題研究的意義及目的 從目前全球市場(chǎng)需求布局來看,歐、美地區(qū)成為功能全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、質(zhì)量好、性能穩(wěn)定的除冰機(jī)器人的主要應(yīng)用市場(chǎng);中東
24、、非洲地區(qū)由于處于熱帶地區(qū),不存在高壓線路結(jié)冰的情況發(fā)生;還有以俄羅斯為代表的高寒國(guó)家則更喜歡能耐寒,機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固的除冰機(jī)器人以適應(yīng)當(dāng)?shù)氐牡乩須夂驐l件;日韓則主要關(guān)注產(chǎn)品的品質(zhì)與安全;目前國(guó)內(nèi)的除冰機(jī)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(shí)際作業(yè)使用中的藝術(shù)品,以外觀精美結(jié)構(gòu)巧妙,操作方便,質(zhì)量安全穩(wěn)定等特點(diǎn)成為新的發(fā)展方向。為進(jìn)一步適應(yīng)各行各業(yè)的發(fā)展,現(xiàn)如今市場(chǎng)上還出現(xiàn)了集除冰維護(hù)于一體的高壓巡線機(jī)器人。第二章 機(jī)械除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì)現(xiàn)有市場(chǎng)上常見的除冰機(jī)器人基本上都是熱力除冰機(jī)器人,其基本工作方式為行走電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng),行走輪再將動(dòng)力傳遞給整個(gè)
25、機(jī)器人達(dá)到讓其在高壓輸送線路上自由行走的目的。熱力除冰機(jī)器人主要有以下幾個(gè)方面的缺點(diǎn):熱力除冰的方式熱力損耗大,熱力容易擴(kuò)散,經(jīng)濟(jì)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(fā)生。而本設(shè)計(jì)中的機(jī)械除冰機(jī)器人采用機(jī)械結(jié)構(gòu)的除冰方式,其基本工作原理為行走電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)提供機(jī)械除冰機(jī)器人行走的動(dòng)力,除冰電動(dòng)機(jī)通過齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給除冰刀,實(shí)現(xiàn)其能夠自動(dòng)行走去除線路上覆冰的目的。這兩種除冰機(jī)器人的工作原理截然不同,兩者結(jié)構(gòu)不同、實(shí)現(xiàn)方式不同,使用方法也不相同。本篇論文中的機(jī)械除冰機(jī)器人設(shè)計(jì)運(yùn)用了巧妙的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu),利用行走電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人行走的源動(dòng)力,再通過電機(jī)自帶的減速器和鏈傳動(dòng)將行
26、走電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給機(jī)器人后端的行走輪,利用除冰電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人除冰的原動(dòng)力,同樣通過電機(jī)自帶的減速器和齒輪傳動(dòng)將除冰電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給機(jī)器人前端的除冰刀,最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)行走除冰的目的。且在機(jī)械除冰機(jī)器人尾部還安裝有四個(gè)導(dǎo)向輪,通過導(dǎo)向輪將兩根高壓線夾緊,使得整個(gè)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中更加平穩(wěn)。我們?cè)诂F(xiàn)有的熱力除冰機(jī)器人的行走理論基礎(chǔ)上改良結(jié)構(gòu)和除冰方式,本次設(shè)計(jì)的機(jī)械除冰機(jī)器人采用后輪驅(qū)動(dòng),前段除冰的結(jié)構(gòu)方式,機(jī)械結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化,綜合材質(zhì)的選擇、結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化,讓操作者在實(shí)際使用時(shí)更加方便穩(wěn)定的使用該除冰機(jī)器人,這是本論文機(jī)械除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì)初衷。2.1 機(jī)械除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求(1)本設(shè)計(jì)中的機(jī)
27、械除冰機(jī)器人主要應(yīng)用于不同氣候環(huán)境下的電力除冰和維護(hù)作業(yè),可以大量節(jié)省人力財(cái)力,提高高壓輸送線路覆冰的除冰效率。(2)本設(shè)計(jì)之前綜合考慮,該機(jī)械除冰機(jī)器人應(yīng)該具有以下功能:產(chǎn)品制造成本低,質(zhì)量安全穩(wěn)定,使用時(shí)間長(zhǎng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)捷,除冰效率高,方便搬運(yùn)移動(dòng);(3)本設(shè)計(jì)從機(jī)械除冰機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械除冰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面著手進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析及計(jì)算闡述。2.2 機(jī)械除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì)概述2.2.1機(jī)械除冰機(jī)器人與熱力除冰機(jī)器人原理的對(duì)比(1)熱力除冰機(jī)器人的工作原理最早出現(xiàn)的除冰機(jī)器人應(yīng)當(dāng)是熱力除冰機(jī)器人。隨著各個(gè)國(guó)家電力行業(yè)對(duì)除冰機(jī)器人質(zhì)量要求的不斷提高,熱力除冰機(jī)器人也得到了快速的發(fā)展與運(yùn)用。熱力除
28、冰機(jī)器人以熱力除冰方式為基礎(chǔ),相對(duì)化學(xué)除冰方式、被動(dòng)除冰方式、聲波除冰方式具有具有運(yùn)動(dòng)速度快、工作效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易等優(yōu)勢(shì)。與其他除冰機(jī)器人相比,熱力除冰機(jī)器人最大的優(yōu)點(diǎn)便是熱力除冰簡(jiǎn)單方便,不需要額外增加機(jī)械結(jié)構(gòu),支座架等固定裝置,除冰過程控制方便簡(jiǎn)單,且除冰效果穩(wěn)定。因此,熱力除冰機(jī)器人大多數(shù)在較好的氣候環(huán)境下使用。 熱力除冰機(jī)器人,其基本工作原理為行走電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng),行走輪再將動(dòng)力傳遞給整個(gè)機(jī)器人,通過熱力除冰裝置主動(dòng)將電力輸送線制造短路讓高壓線升溫融冰,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(tǒng),車載控制系統(tǒng),引導(dǎo)方式等綜合起來形成完整的機(jī)器人體系。
29、圖1 常見熱力除冰機(jī)器人實(shí)物圖(2)機(jī)械除冰機(jī)器人的工作原理在21世紀(jì)初,以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源帶動(dòng)除冰刀轉(zhuǎn)動(dòng)去除高壓輸送線覆冰的機(jī)器人就已經(jīng)在國(guó)外出現(xiàn)了。隨著現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,如今出現(xiàn)了線路巡檢和線路維修等等類型的特種機(jī)器人。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械除冰機(jī)器人采用的仍然是熱力除冰機(jī)器人的行走工作原理,在其基礎(chǔ)上改進(jìn)優(yōu)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(dòng)前進(jìn)改進(jìn)成橫跨于兩根地線上直線滾動(dòng),除冰方式由過去的熱力除冰改進(jìn)成機(jī)械傳動(dòng)除冰刀轉(zhuǎn)動(dòng)除冰,其基本工作原理為行走電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)提供機(jī)械除冰機(jī)器人行走的動(dòng)力,除冰電動(dòng)機(jī)通過齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給除冰刀,實(shí)現(xiàn)其能夠自動(dòng)行走去除線路上覆冰
30、的目的。機(jī)械除冰機(jī)器人作為除冰機(jī)器人的一種,相比熱力除冰機(jī)器人更加節(jié)省財(cái)力成本,環(huán)境適用性更高,機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)。該機(jī)械除冰機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要由兩大部分組成:行走機(jī)構(gòu)和除冰機(jī)構(gòu),而行走機(jī)構(gòu)包括:行走電動(dòng)機(jī)、機(jī)器人主支架、行走輪組件,從動(dòng)輪組件,鏈傳動(dòng)組件、導(dǎo)向輪組件、電氣控制柜,蓄電池等;除冰機(jī)構(gòu)包括:除冰電動(dòng)機(jī)、除冰刀、除冰齒輪傳動(dòng)組件、帶傳動(dòng)組件等;行走電動(dòng)機(jī)提供源動(dòng)力帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人本體向前行進(jìn),除冰電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)除冰刀轉(zhuǎn)動(dòng)除冰,機(jī)器人主支架支撐著整個(gè)機(jī)械除冰機(jī)器人的結(jié)構(gòu),其承受了機(jī)械除冰機(jī)器人所有的負(fù)載,主支架的前后分別安裝有從動(dòng)輪組件和行走輪組件,行走電動(dòng)機(jī)和除冰電動(dòng)機(jī)分別通過鏈傳動(dòng)組件和齒輪傳動(dòng)
31、組件將動(dòng)力傳遞出去,主支架的尾端還安裝有導(dǎo)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(nèi)部安裝有遠(yuǎn)程控制模塊和蓄電池。 圖2 機(jī)械除冰機(jī)器人三維設(shè)計(jì)圖2.2.2機(jī)械除冰機(jī)器人與熱力除冰機(jī)器人特點(diǎn)的對(duì)比機(jī)械除冰機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn):(1).在惡劣環(huán)境下也可以作業(yè),越障機(jī)動(dòng)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(fā)揮行走電動(dòng)機(jī)的效率熱力除冰機(jī)器人的缺點(diǎn):(1) 對(duì)行走的高壓線表面要求比較高,在彎曲的輸送線上行走時(shí)極容易打滑;(2) 熱力除冰的方式熱力損耗大,熱力
32、容易擴(kuò)散,經(jīng)濟(jì)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(fā)生;(4) 熱力除冰裝置復(fù)雜,一旦發(fā)生故障,非專業(yè)人員不容易檢查和排除問題。2.2.3 機(jī)械除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù)產(chǎn)品類別:雙線機(jī)械除冰機(jī)器人材質(zhì):鋁合金機(jī)器人本體重量:40kG規(guī)格(MM):L638W380H600行進(jìn)速度:0.40.8m/s行走電機(jī)功率:90W除冰電機(jī)功率:200W續(xù)航時(shí)間:2H2.3 機(jī)械除冰機(jī)器人的具體設(shè)計(jì)機(jī)械除冰機(jī)器人主要從兩大方面進(jìn)行具體設(shè)計(jì):包括行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和除冰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);2.3.1 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括行走電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì),行走電動(dòng)機(jī)自帶減速器的計(jì)算選型,鏈傳動(dòng)組件的設(shè)
33、計(jì)計(jì)算,輔助機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選型。2.3.1.1行走電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中,行走電動(dòng)機(jī)通過鏈傳動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)兩個(gè)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng),從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)器人本體向前直線行進(jìn)。這里我們按機(jī)器人本體重量40KG進(jìn)行行走電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)選型。在本設(shè)計(jì)中我們?cè)O(shè)定機(jī)械除冰機(jī)器人的行進(jìn)最大牽引線速度V為0.8m/s。根據(jù)公式N = V /D式中:N行走電動(dòng)機(jī)經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)后的轉(zhuǎn)速 V機(jī)械除冰機(jī)器人的牽引線速度 D行走輪的直徑已知行走輪的設(shè)計(jì)直徑為55mm,計(jì)算得到行走電機(jī)經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)后的轉(zhuǎn)速:N=48*1000/(*55)277.80r/min取機(jī)器人的行走輪與高壓輸送線之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.2,從三維設(shè)計(jì)圖中計(jì)算得出整個(gè)機(jī)械除冰機(jī)
34、器人自重40KG,得到:除冰機(jī)器人在行進(jìn)過程中與高壓線的滾動(dòng)摩擦力f=0.2*40*10=80N我們這里的除冰機(jī)器人以勻速運(yùn)動(dòng)的方式向前行進(jìn)時(shí)作用于行走輪的牽引力F=f=80N計(jì)算可以得到:行走電機(jī)經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)后的輸出扭矩M=F*R=8027.5/1000=2.2N.M根據(jù)公式M=9550/n式中:M行走電動(dòng)機(jī)經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)后的輸出扭矩 機(jī)械除冰機(jī)器人所需的功率 n行走電動(dòng)機(jī)經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)后的輸出轉(zhuǎn)速計(jì)算得到:機(jī)械除冰機(jī)器人所需的功率 =2.2*227.80/9550=0.4083KW0.064KW行走電機(jī)所需的功率計(jì)算:式中:安全系數(shù),考慮超載或功耗波動(dòng)等影響,取1.2; 機(jī)械除冰機(jī)器人所需的功
35、率; 傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)效率;行走電機(jī)的功率。行走電機(jī)與行走輪之間通過電機(jī)自帶的減速器連接,減速器與行走輪之間又通過鏈傳動(dòng)組件連接,因此查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得到:類別傳動(dòng)形式效率(%)減速器行星齒輪減速0.97鏈傳動(dòng)滾子鏈0.96表2.1 各傳動(dòng)部件的傳動(dòng)效率因此可以計(jì)算得到從行走電機(jī)到履帶的總傳動(dòng)效率為=減速器鏈傳動(dòng)=0.970.96=0.9312Pm=kpw=1.20.0640.9312=0.082KW行走電機(jī)實(shí)際行走時(shí)所需要的輸出功率。由于本設(shè)計(jì)中整個(gè)機(jī)器人內(nèi)部系統(tǒng)選用的電壓為直流,行走電機(jī)選型采用的是直流無刷電機(jī)。作為同步電機(jī)的一種,直流無刷電機(jī)相對(duì)于其它類型的電動(dòng)機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)
36、矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)上面的計(jì)算,我們得到機(jī)械除冰機(jī)器人行走電機(jī)實(shí)際工作時(shí)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(jī)的品牌為上海步科低壓直流無刷伺服電機(jī),型號(hào)為SMH40S-0010-30AAK-4DKH,其工作額定功率為100W,小慣量DC48V,額定轉(zhuǎn)速n為3000r/min, 額定轉(zhuǎn)矩為0.32N.m,行走電機(jī)的具體參數(shù)見表2.2;從上海步科電機(jī)的產(chǎn)品手冊(cè)上查到標(biāo)準(zhǔn)馬達(dá)規(guī)范表,見下表表2-2 SMH系列伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù)2.3.1.2行走電動(dòng)機(jī)自帶減速器的計(jì)算選型已知選定的行走電機(jī)型號(hào)為SMH40S-0010-30AAK-4
37、DKH,其工作額定功率為100W,額定轉(zhuǎn)速n為3000r/min,且行走輪的轉(zhuǎn)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(dòng)比為10.8。如果我們只選用減速器減速,那么傳動(dòng)比i=10.8就必須通過二級(jí)減速才可以實(shí)現(xiàn),考慮到機(jī)械除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求:結(jié)構(gòu)安裝簡(jiǎn)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(shè)計(jì)中采用行走電機(jī)自帶減速器的方式先來降低電機(jī)自身輸出轉(zhuǎn)速,再通過鏈傳動(dòng)組件將動(dòng)力傳遞給行走輪。那么我們可以將總傳動(dòng)比i分別分配到行走電機(jī)減速器和鏈傳動(dòng)組件上??傻胕=i電機(jī)i鏈輪我們這里設(shè)計(jì)鏈傳動(dòng)組件的傳動(dòng)比為0.95,于是計(jì)算出行走電機(jī)自帶減速器的傳動(dòng)比為11.
38、8。行走電機(jī)自帶減速器為行走電機(jī)與鏈傳動(dòng)之間的獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置,它通過降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩來滿足實(shí)際工況的需求。減速器的類型有很多,按照傳動(dòng)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(dòng)的級(jí)數(shù)可以分為單級(jí)和多級(jí)減速器。我們已知本設(shè)計(jì)中的減速器的減速比為11.8。通常情況下單級(jí)齒輪減速器的傳動(dòng)比i810,且行星減速器的優(yōu)點(diǎn)是效率和可靠性高,工作壽命長(zhǎng),維護(hù)簡(jiǎn)單;因此選擇行星減速器做為本設(shè)計(jì)中的減速器。我們這里選用湖北行星傳動(dòng)設(shè)備有限公司的精密行星減速機(jī),我們這里選用他們的ZJPX系列的精密行星減速機(jī)。產(chǎn)品型號(hào)ZJPX65ZJPX85ZJPX115ZJPX142減速比級(jí)數(shù)額定輸
39、出扭矩13.5399830831級(jí)298020560042465137425515378627281542110335122級(jí)349023067516349023067520297115546025349023067532297115540040174295305641954142422603級(jí)441102969008044110296900100441102969001204411029690016038901955852004411029690025638901953853202252122395512故障停止轉(zhuǎn)矩2倍額定輸出轉(zhuǎn)矩表2-2 ZJPX行星減速機(jī)技術(shù)參數(shù)查減速機(jī)的產(chǎn)品手冊(cè),我們
40、這里選用2級(jí)減速比12的減速機(jī)型號(hào)ZJPX65。2.3.1.3行走電動(dòng)機(jī)減速器齒輪的有限元分析分析直齒輪的應(yīng)力分布圖,我們可以得出直齒輪在進(jìn)入或退出嚙合時(shí),因?yàn)橹饼X輪的彈性形變將發(fā)生干涉和沖擊,直齒輪的齒頂、齒根和端面邊緣都會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中,這些應(yīng)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(yīng)力集中可以有效地提高直齒輪的使用時(shí)間。從主動(dòng)齒輪的接觸應(yīng)力圖中可以看出,主動(dòng)齒輪齒根圓處的應(yīng)力大小在70MPa 到 100MPa 區(qū)間內(nèi),齒輪齒形表面的應(yīng)力分布有逐漸增大的態(tài)勢(shì),其大小為 140245MPa,而齒形表面及齒槽表面分布其應(yīng)力值逐漸降低到35MPa 左右,主動(dòng)齒輪的最大應(yīng)力出現(xiàn)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(dòng)齒輪接觸應(yīng)力分布圖從齒輪副接觸應(yīng)力圖中可以看出,從動(dòng)齒輪的應(yīng)力分布方式與主動(dòng)齒輪基本相似。從動(dòng)齒輪的齒根圓處的應(yīng)力值在 274MPa 到 366MPa 之間的范圍,齒形表面的應(yīng)力分布逐漸加大,附近的應(yīng)力其值為 457549MPa,而齒形表面及齒根表面的應(yīng)力分布,其應(yīng)力值逐漸降低到91183MPa 左右,與主動(dòng)齒輪的應(yīng)力分布相似,齒形嚙合處附近接近齒頂輪廓處的應(yīng)力較大,從動(dòng)齒輪該處為最大應(yīng)力點(diǎn),而從動(dòng)齒輪上該位置的應(yīng)力最大值約為 824MPa。圖2.5齒輪副接觸應(yīng)力分布圖根據(jù)以上分析可以得到結(jié)論:齒輪運(yùn)動(dòng)副中的危險(xiǎn)應(yīng)力集中位置,我們?cè)趯?shí)際
42、的齒輪生產(chǎn)加工工藝中可以作為技術(shù)依照,為了后面使用過程中增加齒輪的耐久性和穩(wěn)定性,需要在齒輪制造生產(chǎn)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(dòng)組件的設(shè)計(jì)計(jì)算鏈傳動(dòng)是一種繞性傳動(dòng),通常由鏈條和鏈輪組成,通過鏈輪的輪齒和鏈條的鏈節(jié)之間的嚙合傳遞動(dòng)力。與齒輪傳動(dòng)相比,鏈傳動(dòng)的制造和安裝精度要求較低,成本也較低。特別在長(zhǎng)距離傳動(dòng)時(shí),結(jié)構(gòu)比齒輪傳動(dòng)更加有優(yōu)勢(shì)。鏈條按用途不同又可以分為傳動(dòng)鏈、輸送鏈和起重鏈。輸送鏈和起重鏈通常用于重型運(yùn)輸機(jī)械和起重機(jī)械中。本設(shè)計(jì)中我們選用的是常用的傳動(dòng)鏈。傳動(dòng)鏈又可以分為滾子鏈和齒形鏈等類型,本設(shè)計(jì)中采用的是常規(guī)的滾子鏈,通常用于低速的傳動(dòng)系統(tǒng)中,且
43、最大傳動(dòng)比i=8。滾子鏈在傳遞較大功率時(shí),可采用雙排鏈或者多排鏈。多排鏈的承載能力和排數(shù)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(shù)也不宜過多。(1) 鏈輪設(shè)計(jì)與計(jì)算小鏈輪的齒數(shù)少一點(diǎn)可以減小鏈輪的外廓尺寸,但齒數(shù)過少時(shí)也會(huì)增加動(dòng)力傳遞過程中的不均勻性和動(dòng)態(tài)載荷;鏈條和鏈輪在嚙合時(shí)鏈節(jié)間的相對(duì)轉(zhuǎn)角增大使得鏈傳動(dòng)的圓周力增大,導(dǎo)致鏈傳動(dòng)整體的磨損。因此小鏈輪的齒數(shù)Z1也不宜過小,通常情況下鏈輪的最少齒數(shù)Zmin=9。一般Z116,對(duì)于高速傳動(dòng)或是承受較大沖擊載荷的鏈傳動(dòng)Z1不少于25。同樣小鏈輪的齒數(shù)Z1也不宜取得過大,在傳動(dòng)比一定時(shí),Z1大,Z2也相應(yīng)增大,會(huì)導(dǎo)
44、致傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的總體尺寸增大,并且容易導(dǎo)致鏈條跳鏈和脫鏈的情況發(fā)生,也會(huì)影響鏈條的使用壽命。本設(shè)計(jì)中小鏈輪的轉(zhuǎn)速不高,因此選定小鏈輪的齒數(shù)Z1=20,根據(jù)以上計(jì)算得到鏈傳動(dòng)組件的傳動(dòng)比為0.95,可得到:Z2=Z1i=200.95=19鏈輪的節(jié)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(dòng)、沖擊和噪聲也會(huì)越嚴(yán)重。為了使整個(gè)鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊,當(dāng)速度高,功率大時(shí),應(yīng)盡量選用小節(jié)距的多排鏈,本設(shè)計(jì)中采用單排鏈的鏈輪傳動(dòng)。(2) 鏈傳動(dòng)的計(jì)算根據(jù)鏈傳動(dòng)的工作環(huán)境,小鏈輪齒數(shù)和鏈條排數(shù),將鏈傳動(dòng)所傳遞的功率修正為當(dāng)量的單排鏈的計(jì)算功率Pca=KAKZKPP式中:KA工況系數(shù),查機(jī)械設(shè)
45、計(jì)手冊(cè)表9-6工況系數(shù)取1.0;Kz小鏈輪齒數(shù)系數(shù),查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圖9-13小鏈輪齒數(shù)系數(shù)取1.65;KP排鏈系數(shù),單排鏈時(shí)取KP=1.0,雙排鏈時(shí)取KP=1.75,三排鏈時(shí)取KP=2.5;P傳遞的功率,KW。計(jì)算得到Pca=1.01.651.00.1=0.165KW根據(jù)計(jì)算得到的排鏈的計(jì)算功率Pca和小鏈輪的轉(zhuǎn)速n1=250r/min由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圖9-11得到鏈條型號(hào)為35B,鏈輪的型號(hào)為35B,再根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表9-1確定鏈條的節(jié)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(dòng)的潤(rùn)滑方式,鏈條平均鏈速v=z1n1p601000=z2n2p6
46、01000=20250165601000=13.75m/S查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圖9-14選擇定期人工潤(rùn)滑的方式。(3) 鏈傳動(dòng)的張緊鏈傳動(dòng)張緊的目的在于,為了避免在鏈條的松邊垂度過大時(shí)產(chǎn)生鏈傳動(dòng)嚙合不良和鏈條的振動(dòng)現(xiàn)象,同時(shí)也增加鏈條和鏈輪的嚙合包角。張緊的方式有很多,當(dāng)小鏈輪與大鏈輪之間的中心距可調(diào)時(shí),可以通過調(diào)節(jié)中心距來控制鏈條的張緊程度。但是當(dāng)中心距不可調(diào)時(shí),我們只有通過增加張緊輪的方式實(shí)現(xiàn)鏈條的張緊。本設(shè)計(jì)中由于在行走電機(jī)固定板上開有長(zhǎng)條孔,因此可以通過調(diào)整行走電機(jī)的位置來調(diào)節(jié)小鏈輪與大鏈輪之間的中心距,最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)鏈條的張緊。2.3.1.5輔助機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選型輔助機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)選型根據(jù)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(guó)國(guó)內(nèi)高壓輸電線路的電壓等級(jí)一般分為:35KV、110KV、220KV、330KV、500KV、750KV等。其中110KV、330KV多用于北方地區(qū)。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(nèi)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(shè)計(jì)中選240mm2的作為高壓輸送線的鋁芯的橫截面面積,通過計(jì)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(shè)計(jì)中選定架在高空的高壓輸送線體的直徑為20mm。行走輪材質(zhì): 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(shè)計(jì)選型蓄電池的型號(hào)為DC48V 75AH,品牌為霍克,蓄電池的外形尺寸為L(zhǎng)350W210H210(mm)(長(zhǎng)寬高),蓄電池安裝固定在電氣控制柜的內(nèi)部。(3) 障礙物傳感器的設(shè)計(jì)選型防撞傳感器選用的是PBS防撞傳感器,型號(hào)為PBS-03JN-CE,通過專用軟件向計(jì)算機(jī)內(nèi)部導(dǎo)入數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)決定了
49、防撞傳感器的整個(gè)檢測(cè)范圍。障礙物傳感器參數(shù)如下表:供電電壓24VDC(18-30VDC)供電電流250mA (100mA, 照明關(guān)閉),除I/O端子電流和沖流(500mA)激光光源紅外線LED監(jiān)測(cè)對(duì)象和范圍300300mm白紙(與傳感器發(fā)射表面平行);0.2 to 3m2m(原點(diǎn)是掃描中心位置),掃描角度1802種掃描模式每個(gè)區(qū)域可單獨(dú)設(shè)置輸出輸出光電耦合/NPN開集電極輸出(30VDC 4mA),可用于設(shè)置監(jiān)測(cè)區(qū)域監(jiān)測(cè)區(qū)域設(shè)置監(jiān)測(cè)區(qū)域轉(zhuǎn)換:通過輸入1, 2, 3, 4來設(shè)定區(qū)域;發(fā)射停止:輸入1, 2, 3, 4同時(shí)為ON;輸出響應(yīng)時(shí)間180msec (掃描速度 1 rev./100m se
50、c);輸入響應(yīng)時(shí)間周期:1個(gè)掃描時(shí)間(100msec)指示燈電源(綠):故障時(shí)閃爍;輸出1,2,3(黃):燈亮表示監(jiān)測(cè)到物體連接線長(zhǎng)1m環(huán)境照明鹵素/汞燈:10,000lx, 日光燈:6,000lx環(huán)境溫濕度-10 to +50 degrees C, 85%RH(無凝露)振動(dòng)雙振幅1.5mm 10 to 55Hz, 每軸2個(gè)小時(shí)沖擊490m/s2, 10次, X, Y, Z方向防護(hù)等級(jí)IP64(IEC 標(biāo)準(zhǔn))壽命5 years(電動(dòng)機(jī)壽命)材料前面: Polycarbonate, 后面:ABS重量約500g2.3.2除冰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括除冰電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì),除冰刀的設(shè)計(jì),除冰
51、齒輪傳動(dòng)組件的設(shè)計(jì)計(jì)算,帶傳動(dòng)組件。2.3.2.1除冰電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)利用除冰電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人除冰的原動(dòng)力,通過電機(jī)自帶的減速器和齒輪傳動(dòng)將除冰電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給機(jī)器人前端的除冰刀。本設(shè)計(jì)中除冰電動(dòng)機(jī)選用的品牌和型號(hào)與行走電機(jī)一致,且與之配套的電機(jī)上的減速器也一致。2.3.2.2除冰刀的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的除冰刀結(jié)構(gòu)巧妙,工作效率高,使用起來簡(jiǎn)單方便,其結(jié)構(gòu)為兩部分組成,底部為齒輪結(jié)構(gòu),用于與除冰齒輪嚙合,將除冰電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給除冰刀;上部為除冰刀部分,內(nèi)部加工有類似“毛肚”的齒形結(jié)構(gòu),能夠很好的高效穩(wěn)定的去除高壓輸送線上的覆冰。圖2.6 除冰刀三維設(shè)計(jì)圖2.3.2.3除冰齒輪傳動(dòng)組件的設(shè)計(jì)計(jì)算在設(shè)計(jì)
52、時(shí)保證除冰齒輪傳動(dòng)的中心距不變的條件下,增加齒數(shù),不僅可以增大齒輪嚙合的重合度、保證傳動(dòng)的平穩(wěn)性,而且可以減小齒輪模數(shù),降低齒高,減少加工的切削量。為了提高傳動(dòng)的穩(wěn)定性,減少傳動(dòng)過程中的沖擊振動(dòng),降低磨損失效。根據(jù)齒輪副的工作環(huán)境選擇不同的齒輪齒數(shù),閉式齒輪傳動(dòng)一般轉(zhuǎn)速較高,為了提高傳動(dòng)的穩(wěn)定性,減小沖擊振動(dòng),通常選擇齒數(shù)多一點(diǎn)的齒輪,小齒輪的齒數(shù)可取為Z1=2040,而開式(半開式)齒輪傳動(dòng),由于輪齒的磨損失效為主要因素,因此小齒輪的齒數(shù)通常選用不多,一般可以小齒輪的齒數(shù)Z1=1720,且為了防止齒輪嚙合時(shí)發(fā)生根切,應(yīng)取Z117。本設(shè)計(jì)中除冰齒輪傳動(dòng)的工作環(huán)境惡劣,齒輪齒形會(huì)磨損嚴(yán)重,因此選
53、定除冰齒輪的齒數(shù)Z1為18。除冰齒輪齒數(shù)確定后,按傳動(dòng)比i=Z2/Z1可以計(jì)算出除冰刀齒數(shù)Z2為48。除冰齒輪傳動(dòng)的基本參數(shù)見表21所示:表 2-1名稱除冰齒輪除冰刀齒數(shù)3030變位量系數(shù)00齒頂高系數(shù)11頂隙系數(shù)0.250.25刀具模數(shù)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(jì)算對(duì)直齒圓柱齒輪分別進(jìn)行接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度的校核,確定斜齒輪副能否滿足實(shí)際工況下的需求。直齒圓柱齒輪材質(zhì)選用Q235A,齒輪表面做調(diào)質(zhì)熱處理,齒輪副的參數(shù)如表2-2所示。表2-2斜齒輪副參數(shù)齒 輪模數(shù)(m)齒數(shù)(z)轉(zhuǎn)速(n)分度圓直徑(mm)功率(p)主動(dòng)齒輪1.5
54、30104r/min45200W從動(dòng)齒輪1.530104r/min45(1)齒輪接觸疲勞強(qiáng)度校核1)計(jì)算主動(dòng)齒輪名義轉(zhuǎn)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(yīng)力。2)計(jì)算主動(dòng)齒輪的的圓周力Ft=2T1/d1=218.36/0.045=816N3)許用接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算主動(dòng)齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù):N1=60njLh=601041010250=1.56108從動(dòng)齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù):N2=60njLh=601041010250=1.56108取安全系數(shù)取 則許用接觸疲勞強(qiáng)度為:4)直齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核:取齒寬系數(shù) 則齒寬為 b=dd1=0
55、.645=27齒輪傳動(dòng)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(shù) 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 彈性系數(shù) 載荷系數(shù) K=2.669直齒面接觸疲勞強(qiáng)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(jié)果: (2)直齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度校核1)確定載荷系數(shù):取 動(dòng)載荷系數(shù) 取齒間載荷分配系數(shù) 取 則2)確定齒形參數(shù)取從動(dòng)齒輪齒形系數(shù) 應(yīng)力修正系數(shù) 主動(dòng)齒輪齒形系數(shù) 應(yīng)力修正系數(shù)重合度系數(shù)3)確定直齒輪彎曲疲勞許用應(yīng)力 斜齒輪彎曲疲勞
56、許用應(yīng)力為 根據(jù)齒輪材料取彎曲疲勞極限應(yīng)為, 取彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù):, 取應(yīng)力修正系數(shù) 取彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù) 則彎曲疲勞許用應(yīng)力:4)校核齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度: 按主動(dòng)齒輪校核齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度:F2=kFtYFa2YSa2Y/bm=2.878162.751.60.95/3/48=67.98MPa經(jīng)過上面對(duì)直齒輪副的強(qiáng)度校核計(jì)算得到以下結(jié)果:齒輪接觸疲勞和彎曲疲勞強(qiáng)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(duì)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行比較:經(jīng)過對(duì)比我們可以得到結(jié)論:直齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度都滿足實(shí)際強(qiáng)度要求。(1)動(dòng)力輥筒傳動(dòng)方式的設(shè)計(jì) 動(dòng)力輸送中貨物可以按規(guī)定的速度精確,平穩(wěn),可靠地輸送,根據(jù)傳動(dòng)方式的不同,分為“帶傳動(dòng)”和“鏈傳動(dòng)”兩大類。兩種傳動(dòng)方式各自的特點(diǎn)如下:帶傳動(dòng):運(yùn)行平穩(wěn),噪音小,對(duì)環(huán)境污染少,允許高速運(yùn)行,但不能在有油污的地方工作。鏈傳動(dòng):承載能力大,布置方便,對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),可在經(jīng)常接觸油、水及溫度較高的地方工作,但在多塵環(huán)境中工作室鏈條容易磨損,高速運(yùn)行時(shí)噪音較大。由于本設(shè)計(jì)中的貨物最大重量只有35KG,且運(yùn)用于高速自動(dòng)分揀系統(tǒng),因此在本設(shè)計(jì)中
58、我們選擇使用帶傳動(dòng)的方式。帶傳動(dòng)又可以分為兩種方式:“O”帶傳動(dòng)和多楔帶傳動(dòng)。“O”帶傳動(dòng):它是最傳統(tǒng)也是最常見的帶傳動(dòng)方式,在箱式輸送中應(yīng)用范圍極為廣泛,具有高速、靜音等特點(diǎn),根據(jù)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的不同,又分為單槽和雙槽兩種(多槽是在雙槽基礎(chǔ)上的衍生設(shè)計(jì))。缺點(diǎn)是傳動(dòng)負(fù)載較低,使用壽命相對(duì)較短。多楔帶傳動(dòng):符合ISO9982的PJ型多楔帶,間距2.34mm,越來越多地運(yùn)用于各類輥筒輸送線中,它的輸送能力強(qiáng),是傳統(tǒng)“O”帶的3倍以上,同時(shí)兼具“O”帶傳動(dòng)所固有的高速、靜音等特點(diǎn)。綜上所述我們不難發(fā)現(xiàn),多楔帶傳動(dòng)的輸送能力更強(qiáng),效果更好,因此在本設(shè)計(jì)中我們選擇使用多楔帶傳動(dòng)的帶傳動(dòng)方式。(2)多楔帶的設(shè)
59、計(jì)選型及安裝方法只有彈性纖維芯的多楔帶才能應(yīng)用在輥筒輸送中,因?yàn)槔w維芯的柔性能夠克服機(jī)架的開孔誤差,并且也能夠運(yùn)用在轉(zhuǎn)彎輸送中??筛鶕?jù)輸送負(fù)載的大小選擇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(dòng)20支被動(dòng)輥筒的情況下單元輸送能力也能夠達(dá)到50KG;輥筒中心距有嚴(yán)格的限制,建議輥筒間距和之匹配的多楔帶型號(hào)見下表2-4:表2-4 輥筒中心距常用規(guī)格表根據(jù)前面的計(jì)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(guī)格為2PJ435。在安裝多楔帶時(shí)應(yīng)使用適合的裝配工具安裝輥筒,避免由于安裝的不善導(dǎo)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(jī)械手臂轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中的履帶機(jī)器人適用于一些人不方便進(jìn)入的小型場(chǎng)合使用,包括倒塌的建筑物內(nèi),災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng),危險(xiǎn)災(zāi)區(qū)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(nèi)最常見的攀爬的障礙物就是樓梯,這里選擇樓梯作為本設(shè)計(jì)中機(jī)械手臂尺寸的設(shè)計(jì)參考。已知樓梯一節(jié)臺(tái)階的內(nèi)空寬為215mm,且內(nèi)空高為200mm,樓梯一層總高2600mm,總寬950mm,因此,為了保證機(jī)械除冰機(jī)器人能夠自由的翻越樓梯,設(shè)計(jì)機(jī)械手臂的寬度不能超過950mm,展開長(zhǎng)度不能超過2600mm。本設(shè)計(jì)中機(jī)器人大臂總長(zhǎng)度為400mm,機(jī)器人中臂總長(zhǎng)度為400mm,機(jī)器人小臂總長(zhǎng)度為150mm,機(jī)器人抓手總
61、長(zhǎng)度180mm,因此整個(gè)機(jī)器人手臂完全展開總長(zhǎng)度為1130mm,小于2600mm,整個(gè)機(jī)械除冰機(jī)器人總高度為630mm,總長(zhǎng)度為825mm,總寬度為550mm,均小于一層樓梯的內(nèi)空長(zhǎng)寬高,均符合人機(jī)工程學(xué)的要求作業(yè)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(shù)第三章 總結(jié)與展望 自選題后,我就開始積極地查閱相關(guān)資料,為本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。本次設(shè)計(jì)經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)計(jì)算,選擇了最優(yōu)的外形尺寸結(jié)構(gòu),體現(xiàn)出設(shè)計(jì)的最初宗旨,即便攜、穩(wěn)定。 上述工作完成之后,通過計(jì)算機(jī)AutoCAD和Solidwork軟件的學(xué)習(xí)運(yùn)用,對(duì)機(jī)械除冰機(jī)器人的總體裝配圖、零件實(shí)體圖、零件的二維圖等進(jìn)行了繪制,在繪制的過程中對(duì)履帶機(jī)器人的裝配又有了進(jìn)一步的理解,補(bǔ)充并修改了計(jì)算部分中的遺漏與錯(cuò)誤之處。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中,查閱大量有關(guān)資料,與同學(xué)交流,并向老師請(qǐng)教,使自己學(xué)到了很多未曾接觸的知識(shí),并對(duì)學(xué)過的知識(shí)加以鞏固。本次設(shè)計(jì),能夠參考的相關(guān)實(shí)例少之甚少,整個(gè)設(shè)計(jì)過程就是創(chuàng)造過程。論文開始階段,毫無頭緒,看著別人忙著寫論文,內(nèi)心百般焦急,卻不知從何開始,于是我嘗試結(jié)合所學(xué)知識(shí)與相關(guān)書
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