除冰機(jī)器人優(yōu)制材料
《除冰機(jī)器人優(yōu)制材料》由會員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《除冰機(jī)器人優(yōu)制材料(25頁珍藏版)》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、 除冰機(jī)器人 一 機(jī)器人研究的背景意義 近年來,我國南方各地連年發(fā)生大雪災(zāi),給國家和人民帶來了不可估量的損失,尤其是對輸電設(shè)施的影響,許多高壓線鐵塔因?yàn)楦脖粔核?,高壓線因?yàn)楦脖粔簲啵蠹叶贾?,我們生活在?jīng)濟(jì)高速發(fā)展的工業(yè)社會,而電對于如今的社會來說無疑可以和水的作用持衡,斷電后很多機(jī)器設(shè)備,娛樂場所,車站,機(jī)場將無法正常運(yùn)行,這個危害是驚人的,長時間的停電還會導(dǎo)致騷亂,所以保證電力設(shè)施穩(wěn)定正常的運(yùn)行是極其重要的。具體到高壓線覆冰,我們需要將高壓線覆冰及時的清除,避免高壓設(shè)施因?yàn)楦脖^重而被壓倒。 很多高壓線除冰的方法已經(jīng)被研究出來或正在研究中,比如電流融化法,敲擊法,銑削法,這幾
2、種方法各有千秋,我們的機(jī)器人采用夾冰和割冰的方案,完全適應(yīng)高壓線的兩種覆冰狀況,下圖為樣機(jī)圖片 二 機(jī)器人的相關(guān)設(shè)計介紹 2.2爬桿方案設(shè)計 首先要解決的問題是機(jī)器人沿著高壓線前行的方式,有兩種:一種是采用輪子,就像小汽車在公路上前進(jìn)一樣,讓機(jī)器人也這樣沿著高壓線前進(jìn),但純粹的滾動,輪子很有可能會打滑,甚至遇到一些接線頭或者防震錘之類的障礙將無法過去,但好處是可以將機(jī)器人的重力完全分擔(dān)在輪子上,且可以連續(xù)前行,如下圖所示: 另一種就是模仿蟲子爬行的方式蠕動爬行,即兩個夾緊機(jī)構(gòu)交替夾緊,配合伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮動作,間歇性的前行,這種方式不存在打滑的現(xiàn)象,但兩個夾緊機(jī)構(gòu)交替的承擔(dān)著整個機(jī)器
3、人的重力,使得重力成為機(jī)器人安全工作的最大隱患,如下圖所示: 綜上所述,我們采用兩種方式結(jié)合的方案,即輪子負(fù)責(zé)承擔(dān)重力,而夾緊機(jī)構(gòu)牢牢的夾緊高壓線,打滑和越障的問題也迎刃而解,最重要的是我們可以利用夾緊機(jī)構(gòu)夾的動作將冰夾碎,對于上面圖片4的覆冰情況我們利用伸縮機(jī)構(gòu)強(qiáng)大的推力將梳齒狀冰條割去,如下圖所示: 機(jī)器人前進(jìn)動作簡要: 開始 夾緊機(jī)構(gòu)1,2同時執(zhí)行夾緊動作 夾緊機(jī)構(gòu)1執(zhí)行放松動作 伸縮
4、機(jī)構(gòu)執(zhí)行伸開動作 夾緊機(jī)構(gòu)1執(zhí)行夾緊動作 夾緊機(jī)構(gòu)2執(zhí)行放松動作 伸縮機(jī)構(gòu)執(zhí)行縮回動作 夾緊機(jī)構(gòu)2執(zhí)行夾緊動作 其次要確定的是驅(qū)動能源,是用蓄電池帶動電機(jī)或者電磁閥,還是直接利用發(fā)動機(jī),考慮到機(jī)器人是高空作業(yè),當(dāng)然是越輕越好,但是發(fā)動機(jī)與蓄電池相
5、比,蓄電池的重量要輕的多,而且蓄電池的攜帶也比發(fā)動機(jī)所使用的油要方便的多,故最終決定采用蓄電池,以下的設(shè)計都是在這個大框架下進(jìn)行的。 確定了大概的方向后我們就得詳細(xì)的確定一下具體的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu),前面已經(jīng)說過,機(jī)器人是交替的夾緊高壓線,再配合伸縮動作就可以沿線爬行,不言而喻,機(jī)器人主要包括兩個夾緊機(jī)構(gòu)和一個伸縮機(jī)構(gòu),下面就來討論一下這兩種機(jī)構(gòu): 2.2.1夾緊機(jī)構(gòu) 機(jī)器人爬行的是粗細(xì)不均勻的覆冰高壓線,所以夾緊機(jī)構(gòu)必須能適應(yīng)直徑隨時可能會變化的高壓線。夾緊機(jī)構(gòu)主要有以下幾個方案: 1. 利用四桿機(jī)構(gòu),比如曲柄搖桿機(jī)構(gòu)或者平行四邊形機(jī)構(gòu),可是這種機(jī)構(gòu)效率太低,行程太短,占用空間太大,很難滿足我
6、們所確定的工作環(huán)境,如下圖所示: 2. 直接利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu),它實(shí)質(zhì)上是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的演化,所以或多或少的存在著上面的問題,但比上面的方案簡單多了,如下圖所示: 3. 進(jìn)一步將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的連桿改成繩子,即采用繩輪,繩子的一端系在夾手上,另一端系在繩輪上,繩輪一轉(zhuǎn)動,繩子就會繞在繩輪上,進(jìn)而拉近兩個夾手之間的距離,即完成夾冰的動作,之后,繩輪反轉(zhuǎn),兩個夾手被彈簧彈回,繩輪的轉(zhuǎn)動角度決定夾手之間的距離,如下圖所示: 2.2.2 伸縮機(jī)構(gòu) 1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 這種方案速度快,行程范圍取決于曲柄的長度,但速度不均勻,如下圖所示:
7、 2 齒輪齒條 這種機(jī)構(gòu)占用的體積大,且重量太大,這對高空作業(yè)的機(jī)器人是極其不利的,如下圖所示: 3 絲杠 這種機(jī)構(gòu)省力,但帶來的缺點(diǎn)就是傳動比太大,以至于機(jī)器人的爬行速度太慢,如下圖所示: 綜上所述,考慮到我們的機(jī)器人的功能,不需要伸縮均勻,故選擇曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。 2.3設(shè)計計算 2.3.1夾緊機(jī)構(gòu)中的繩輪是用電機(jī)帶動的,這個電機(jī)不需要整周轉(zhuǎn),所以夾冰以及保證機(jī)器人能夠安全工作的夾緊力決定了電機(jī)的參數(shù)。 下面具體的計算一下: 上圖為機(jī)器人夾冰的示意圖,我們將結(jié)冰后的高壓線近似成圓柱狀,考慮到冰是脆的,它的抗壓強(qiáng)度在不同的結(jié)
8、冰環(huán)境下為0.3—5.5MPa,而抗剪強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的一半,所以我們將夾冰部位設(shè)計成如下圖所示的樣子: 這樣的設(shè)計使得夾手對冰的作用力不僅是壓力,而且還有剪切,雙管齊下,省力又高效,但考慮到機(jī)器人的工作環(huán)境,我們決定以壓力作為標(biāo)準(zhǔn)確定電機(jī)。 通過查閱我國各地高壓線結(jié)冰的厚度,我們確定該機(jī)器人工作的最大冰柱直徑為60mm,即冰層厚度為30mm ,取最大力62牛來確定電機(jī)。 即F(拉1)=F(拉2)=62N 繩輪的直徑我們確定為20MM,這樣電機(jī)的M(min )=2*F(拉1)*0.01=1.24N.M 考慮到電機(jī)不需要整周轉(zhuǎn),且需要準(zhǔn)確
9、的定位和強(qiáng)大的保持力矩,故選用舵機(jī)作為繩輪的驅(qū)動電機(jī),通過查資料確定選用輝盛舵機(jī)作MG996,它的具體參數(shù)如下: 驅(qū)動力矩:1.32N 保持力矩:10.50N 重量:78g 體積:42*38*25mm 2.3.2伸縮機(jī)構(gòu)電機(jī)的選擇 曲柄順時針轉(zhuǎn)動,即伸縮機(jī)構(gòu)縮時受力分析圖如下: 曲柄逆時針轉(zhuǎn)動,即伸縮機(jī)構(gòu)伸時受力分析圖如下: F(割)是指機(jī)器人在遇到冰的狀態(tài)為冰條時,割斷冰條所需要的力,該機(jī)器人所割冰條直徑可以達(dá)到10mm,割冰示意圖如下: 1為高壓線,2為冰條,3為機(jī)器人夾緊機(jī)構(gòu)中安裝夾手的鋁合金板,它充當(dāng)著割冰刀子的角色。
10、 下面我們就來具體的計算一下割斷10mm冰條需要多大的力 假設(shè)高壓線直徑為60mm,這種情況下鋁合金板與高壓線之間的距離最短,即作為懸臂梁的冰條,鋁合金作用力的作用點(diǎn)離懸臂梁的固定點(diǎn)是最近的,所以計算出來的力也是最大的。 另外,選冰的抗拉強(qiáng)度為最大值2.75MP,即[i]=2.75MP,如下圖所示: F(1),F(xiàn)(2)為鋁合金板對冰柱的推力 冰柱直徑為10mm,故 W=3.14*d*d*d/32 =3.14*0.01*0.01*0.01/32 =0.000000098 冰柱1或2的力矩圖如下: M(max)=F(1)*L(1) 由式子i=M/W得
11、 M(max)=F(1)*L(1) =[i]*W 故 F(1)=[i]*W/L(1) =2750000*0.000000098/0.01 =26.95N 故 F(割)=2*F(1) =53.9N 顯然,伸縮機(jī)構(gòu)伸時比縮時所需要的驅(qū)動力要大,所以我們只需要計算伸時所需要的驅(qū)動力,如下圖: 因?yàn)樽鳛榛瑝K的直線軸承與導(dǎo)桿之間的摩擦系數(shù)很小,故忽略連桿對滑塊的豎直分力,以及機(jī)器人的重力造成的摩擦力 這樣,滑塊受到的總阻力F
12、(阻)= F(割)=53.9N 通過計算我們得出需要電機(jī)的最小驅(qū)動力矩為M=1.215N.M 考慮到高壓線割冰的不規(guī)則情況,以及在高壓線有一定坡度的情況,我們需要選擇力矩大一些的電機(jī),故選用舵機(jī)MG996,具體參數(shù)如下: 質(zhì)量:78g 體積:41*38*25 力矩:1.32N.M 電壓:6V 控制方法:PWM 2.3.3校核 1.夾緊機(jī)構(gòu)繩輪軸的校核,如圖所示: 兩條繩子對繩輪的拉力幾乎是相等的,故繩子對繩輪軸的作用幾乎只有扭矩,如下圖所示: T=128*0.01 =1.28N.M 扭矩圖如下; 繩輪軸最細(xì)的地方直徑為6,材料為45鋼
13、 45鋼的許用應(yīng)力[i]=40MP 由強(qiáng)度條件 i=T/W =16*T/(3.14*D*D*D) =16*1.28/(3.14*0.006*0.006*0.006) =30.1MP<[i] 故該軸是安全的。 前面已經(jīng)提到,繩輪軸上只有扭矩,軸承只起到支架的作用,所以只需要滿足軸徑大小即可,按軸的尺寸,我們選用內(nèi)徑為8mm的深溝球軸承。 2. 安裝夾手的鋁合金板的校核 鋁合金的許用應(yīng)力[i]=150MP 如圖所示 由機(jī)器人的重力所產(chǎn)生的力矩作用面與鋁合金板重合,鋁合金板寬80mm,而機(jī)器人重2.5Kg,鋁合金板遠(yuǎn)遠(yuǎn)可以克服機(jī)器人重力所產(chǎn)生的力矩。 F(3),F(xiàn)(
14、4)的作用點(diǎn)在兩個直線軸承上,簡化后受力圖如下: F(3),F(xiàn)(4)平行于鋁合金板,F(xiàn)(1),F(xiàn)(2)垂直于鋁合金板,F(xiàn)(3),F(xiàn)(4)所產(chǎn)生的力矩與F(1),F(xiàn)(2)所產(chǎn)生的力矩平衡,且F(3)=F(4),F(xiàn)(1)=F(2) 由平衡式 F(3)*20=F(2)*45得F(3)=126 N 由于兩個支點(diǎn)之間的距離很短,所以兩個支點(diǎn)之間的鋁合金板的應(yīng)力很小,我們只需要校核F(2)作用端的懸臂,如下圖所示: F(2max)=62N M(max)=62*0.045 =2.79N.M W=b*h*h/6 =0.04*0.003*0.003
15、/6 =0.00000006 i=M(max)/W =2.79/0.00000006 =46.5MP<[i] 故鋁合金板滿足強(qiáng)度條件 3. 夾緊機(jī)構(gòu)中兩個導(dǎo)桿的選擇與校核 桿2和桿1的受力情況完全相同,故只需要校核其中一個,我們選桿1 忽略鋁合金板和夾手的重力,如下圖所示: F(1)為桿1配套的直線軸承對桿1的作用力 前面在夾緊機(jī)構(gòu)中的鋁合金板的校核中,F(xiàn)(3)就是圖中的F(1),故 F(1)=126N L是個變化的值,取最大值55mm 故M(max)=F(1)*L(max) =6.93N.M W=3.14*d*d*d/32
16、 =0.000000021 i=M(max)/W =330MP<[i] 故遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足強(qiáng)度要求 考慮到作為導(dǎo)桿,彎曲量即撓度必須很小以使直線軸承的滑動靈活,故選導(dǎo)桿的直徑為6mm,即桿1的直徑為6mm 4. 伸縮機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿的選擇: 受力分析圖如下: 由力平衡得 F(2)=G*L(1)/L(2) =6.05N F(1)=(L(2)-L(1))*G/L(2) =18.94N M(max)=F(2)*(L(2)-L(1)) =0.43N.M W=3.14*d*d*d/32
17、=0.000000021 i=M/W =90.3MP<[i] 故遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足強(qiáng)度要求,但考慮到撓度,所以直徑確定為6mm是正確的 2.4機(jī)器人硬件設(shè)計 2.4.1以STC89C52單片機(jī)為中心的硬件設(shè)計 1.系統(tǒng)總體控制框圖與電路圖的設(shè)計 在本系統(tǒng)的電路中使用了三個舵機(jī)來控制夾緊機(jī)構(gòu)和伸縮機(jī)構(gòu)的運(yùn)動。通過單片機(jī)對不同信號的分析和處理來控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動方向和的角度,使機(jī)器人做出相應(yīng)的動作。 2.舵機(jī)控制的實(shí)現(xiàn) 舵機(jī)的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖,該脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。180度角度伺服對應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的: 0.5m
18、s--------------0 1.0ms--------------45 1.5ms--------------90 2.0ms--------------135 2.5ms--------------180 用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號來控制舵機(jī)在0到180間的任意旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動要求。 3.遙控系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)現(xiàn) 采用無線發(fā)射模塊PT2272和接收模塊PT2262對機(jī)器人進(jìn)行遙控操作,當(dāng)機(jī)器人接收到遙控命令后就按遙控命令行駛。當(dāng)發(fā)射模塊和接收模塊具有地址相同時所發(fā)射的數(shù)據(jù)才能被接收到。 無線發(fā)射模塊
19、 無線接收模塊 2.4.2系統(tǒng)硬件電路 三 結(jié)束語 通過對該作品的設(shè)計、加工、制作以及對作品的后期材料的整理,提高了我們團(tuán)隊的創(chuàng)新設(shè)計能力、動手能力、綜合設(shè)計能力與團(tuán)隊協(xié)作精神,更為重要的是我們對自己所學(xué)的相關(guān)課程有了更深層次的理解和掌握。 另外也從中鍛煉了我們根據(jù)實(shí)際需要尋求資源解決問題的能力,磨練了我們的意志,讓我們從心底深深地感覺到作為一名工程人員應(yīng)具備的基本品質(zhì)! 在此,我們非常感謝我們指導(dǎo)教師的耐心指導(dǎo),以及學(xué)校和大賽組委會給我們提供的這個平臺,我們相信在以后的生活、工作中不論在思想上還是行動上都
20、會有很大的改變!也會把以后的路越走越好,越走越輝煌! 參考文獻(xiàn) [1] 濮良貴,紀(jì)名剛 機(jī)械設(shè)計.第八版 北京:高等教育出版社,2006 [2]童詩白,華成英主編。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)【M】。北京:高等教育出版社,1992.6 [3]李建忠主編。單片機(jī)原理及應(yīng)用【第二版】。西安電子科技大學(xué)出版社,2008.2 [4] 何立民著. MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1989.5 [5]周航慈 .單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2 0 0 2 [6]孫恒,陳作模,葛文杰. 機(jī)械原理. 7版. 北京:高等教育出版社,2006. [7]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室. 理論力學(xué). 6版. 北京:高等教育出版社,2002. [8]劉鴻文. 材料力學(xué). 4版. 北京:高等教育出版社,2004. [9](美)Robert L. Norton. 機(jī)械設(shè)計 機(jī)器和機(jī)構(gòu)綜合分析. 2版. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002. 25 生活類
- 溫馨提示:
1: 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
2: 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
3.本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
5. 裝配圖網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 2023年六年級數(shù)學(xué)下冊6整理和復(fù)習(xí)2圖形與幾何第7課時圖形的位置練習(xí)課件新人教版
- 2023年六年級數(shù)學(xué)下冊6整理和復(fù)習(xí)2圖形與幾何第1課時圖形的認(rèn)識與測量1平面圖形的認(rèn)識練習(xí)課件新人教版
- 2023年六年級數(shù)學(xué)下冊6整理和復(fù)習(xí)1數(shù)與代數(shù)第10課時比和比例2作業(yè)課件新人教版
- 2023年六年級數(shù)學(xué)下冊4比例1比例的意義和基本性質(zhì)第3課時解比例練習(xí)課件新人教版
- 2023年六年級數(shù)學(xué)下冊3圓柱與圓錐1圓柱第7課時圓柱的體積3作業(yè)課件新人教版
- 2023年六年級數(shù)學(xué)下冊3圓柱與圓錐1圓柱第1節(jié)圓柱的認(rèn)識作業(yè)課件新人教版
- 2023年六年級數(shù)學(xué)下冊2百分?jǐn)?shù)(二)第1節(jié)折扣和成數(shù)作業(yè)課件新人教版
- 2023年六年級數(shù)學(xué)下冊1負(fù)數(shù)第1課時負(fù)數(shù)的初步認(rèn)識作業(yè)課件新人教版
- 2023年六年級數(shù)學(xué)上冊期末復(fù)習(xí)考前模擬期末模擬訓(xùn)練二作業(yè)課件蘇教版
- 2023年六年級數(shù)學(xué)上冊期末豐收園作業(yè)課件蘇教版
- 2023年六年級數(shù)學(xué)上冊易錯清單十二課件新人教版
- 標(biāo)準(zhǔn)工時講義
- 2021年一年級語文上冊第六單元知識要點(diǎn)習(xí)題課件新人教版
- 2022春一年級語文下冊課文5識字測評習(xí)題課件新人教版
- 2023年六年級數(shù)學(xué)下冊6整理和復(fù)習(xí)4數(shù)學(xué)思考第1課時數(shù)學(xué)思考1練習(xí)課件新人教版