自動檢線機構功能與結構設計【含11張CAD圖帶開題報告+中期檢查表+外文翻譯】【需要咨詢購買全套設計請加QQ1459919609】圖紙預覽詳情如下：
充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙I自動檢線機構功能與結構設計摘要電力系統(tǒng)最重要的任務是提供高質量和高可靠性的電力。電力傳輸必須依靠高壓輸電線路，它的安全穩(wěn)定運行直接影響電力系統(tǒng)的可靠性。檢線機器人的本體設計是整機設計中一個相當重要的部分，需經過多次反復才能完成；在進行機器人結構分析和設計時，需要建立一定的實驗環(huán)境(導線物理模型、障礙物等)，對樣機進行多次實驗以檢驗其是否能達到預期的目標，這就導致其設計的周期長、設計效率低以及改型工作量大等缺點。關鍵詞：檢線機器人；本體設計；結構 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙IIAutomatic inspection line agencies function structure designAbstractThe power system is the most important task is to provide high-quality and high-reliability power. Power transmission must rely on high-voltage transmission lines, it's safe and stable operation directly affect the reliability of the power system. Subject line robot body design is a very important part of the whole design, and subject repeatedly to complete; making robot structural analysis and design, the need to establish the experimental environment (wire physical model, obstructions, etc.) conducted several experiments to test whether it can achieve the desired objectives, which led to its design cycle is long, low design efficiency and retrofit heavy workload and other shortcomings of the prototype.Keywords: inspection line；robot body；design structure 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙III目 錄1 緒論 ...........................................................................................................................................11.1 研究背景及意義 ................................................11.2 架空線路巡線機器人與機器人仿真文獻綜述 ........................31.2.1 架空線路巡線機器人研究概況 ................................31.2.2 機器人仿真簡介 ............................................31.2.3 中國與國外先進技術的差距 ..................................51.3 本文主要內容 ..................................................52 檢線機器人本體結構的設計 ......................................................................................72.1 方案要求 ......................................................72.2 總體結構 ......................................................92.3 柔性臂 ........................................................92.4 驅動裝置 .....................................................122.4.1 輪式移動機構 .............................................132.4.2 步進式蠕動爬行機構 ...............................................................................132.5 剎車制動裝置 ...................................................................................................133 各零部件的選擇與設計 .........................................143.1 絲桿的設計 ...................................................143.11 絲桿的結構設計 ............................................143.12 絲桿的設計計算 ............................................153.13 絲桿的強度校核 ............................................173.2 齒輪的設計 ...................................................193.21 齒輪的結構設計 ............................................193.22 齒輪的參數計算 ............................................223.3 齒輪箱體的結構設計 ...........................................233.4 內升降筒的設計計算 ...........................................243.5 外升降筒的設計 ...............................................253.5.1 外升降筒的設計計算 .......................................253.5.2 外升降筒的強度校核 .......................................253.6 渦輪蝸桿的設計 ...............................................273.7 電機的選擇 ...................................................284 結論 ..........................................................................................................................................31 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙IV參考文獻 ....................................................................................................................................32致 謝 ..........................................................................................................................................34 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙11 緒論1.1 研究背景及意義電力系統(tǒng)最重要的任務是提供高質量和高可靠性的電力。電力傳輸必須依靠高壓輸電線路，它的安全穩(wěn)定運行直接影響電力系統(tǒng)的可靠性。由于輸電線路分布點多、面廣，絕大部分遠離城鎮(zhèn)，所處地形復雜，自然環(huán)境惡劣，且電力線及桿塔附件長期暴露在野外，會受到持續(xù)的機械張力、電氣閃絡、材料老化的影響而產生斷股、磨損、腐蝕等損傷，如不及時修復更換，原來微小的破損和缺陷就可能擴大，最終導致嚴重事故，造成大面積停電，從而造成極大的經濟損失和嚴重的社會影響。所以，必須對輸電線路進行定期巡視檢查，隨時掌握和了解輸電線路的運行情況以及線路周圍環(huán)境和線路保護區(qū)的變化情況，以便及時發(fā)現(xiàn)和消除隱患，預防事故的發(fā)生，確保供電安全。目前，對輸電線路的巡檢主要采用兩種方法，即地面人工目測法和直升飛機航測法。前者的巡檢精度低，勞動強度大，且存在巡檢盲區(qū)。部分地區(qū)大雪封山時，車輛和行人無法進入；在深山還有野獸出沒，這給巡視人員帶來了很大的安全隱患；后者則存在飛行安全隱患且巡線費用昂貴。如果用直升機巡視替代地面巡視，則每100 公里 1 年巡視費用同塔雙回線需 217.92 萬元（單回線 136 萬元） 。如果用直升機在整個東北電網覆蓋地區(qū)巡視則需超過 5000 萬元。費用過于昂貴，直接限制了直升機巡視的廣泛推廣。圖 1.1 巡線機器人外觀圖由于巡線機器人可以克服上述缺陷，因此，巡線機器人已成為特種機器領 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙2域的一個研究熱點。巡線機器人不僅可以減輕工人巡線的勞動強度，降低高壓輸電的運行維護成本，還可以提高巡檢作業(yè)的質量和科學管理技術水平，對于增強電力生產自動化綜合能力，創(chuàng)造更高的經濟效益和社會效益都具有重要意義。巡線機器人懸掛于架空避雷線上，并以此為行駛作業(yè)路徑，通過自動控制方式完成輸電線路巡檢作業(yè)，及對線路的機械電氣故障，包括絕緣子劣化和污穢、導線的機械破損、連接金具機械松脫等故障進行檢測。其特殊的作業(yè)環(huán)境要求機器人能夠沿輸電導線全程運行，包括沿輸電導線的直線段和耐張線段實現(xiàn)滾動爬行，跨越及避讓懸垂線夾、懸垂絕緣子、防振錘、耐張線夾等結構型障礙物。因此，機器人的本體設計是整機設計中一個相當重要的部分，需經過多次反復才能完成；在進行機器人結構分析和設計時，需要建立一定的實驗環(huán)境(導線物理模型、障礙物等)，對樣機進行多次實驗以檢驗其是否能達到預期的目標，這就導致其設計的周期長、設計效率低以及改型工作量大等缺點。此外，樣機的單機制造增加了成本。在競爭的市場條件下，基于物理樣機的設計驗證過程嚴重地制約了產品質量的提高、成本的降低及市場推廣應用。巡線機器人須要自主跨越障礙，根據障礙的空間分布，機器人手臂要求有伸縮和回轉兩個自由度。巡線機器人為了保持平衡以及互相配合，需要左右各一個掛臂，當機器人需要升降時，當一個掛臂負責升降，負載拖動主箱體，攀附于電纜上，另一個掛臂空載，升降到同一高度，準備交替動作，交替的同時通過平移蝸箱，移動主箱體，兩手臂互相配合，跨越障礙。選擇用一個電機來作為動力系統(tǒng)，考慮到手臂的升降行程的要求（即升降行程不小于 480mm） ，以及掛臂升降的穩(wěn)定性，本設計采用螺紋傳動，用一對絲杠螺母副傳動。由于要采用二節(jié)伸縮的升降形式，須要內升降筒與外升降筒同時運動，才可以有二節(jié)展開的效果，同時考慮到傳動的穩(wěn)定性，設計采用一對齒輪嚙合帶動內外升降筒同時運動，從而實現(xiàn)兩節(jié)展開。負載的掛臂由電動機 1 帶動內絲杠旋轉，內絲桿與固定在內升降筒上的下螺母嚙合，帶動內升降筒的升降，又由減速箱中聯(lián)軸器上的齒輪 1嚙合固定在外絲杠上的齒輪 2，從而帶動外絲杠旋轉，考慮到二節(jié)伸縮，旋轉方向應與內絲杠相反，又通過固定在渦輪箱體上的上螺母，帶動外升降筒向上運動，使機器人掛臂兩節(jié)展開。并在絲桿端部設置擋板，限制升降筒的行程。這是手臂伸縮，也就是實現(xiàn)掛臂垂直方向的自由度?？紤]到手臂可進行回轉的要求，為了滿足結構緊湊的要求，本設計采用渦輪蝸桿嚙合的方式，動力系統(tǒng)采用一個電機，由電動機 2 來帶動蝸桿的旋轉，蝸桿與渦輪嚙合，固定在渦輪上的上螺母同時與外絲杠嚙合，從而帶到整個手臂回轉，這樣既能夠保證外升 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙3降筒垂直升降的要求，又可以實現(xiàn)機器人掛臂旋轉的功能，同時，還大大提高了空間的運用，這就是 xy 平面旋轉的自由度。由于本課題對掛臂旋轉速度未做要求，因此電機的選擇不作為設計的重點。1.2 架空線路巡線機器人與機器人仿真文獻綜述1.2.1 架空線路巡線機器人研究概況國外巡線機器人的研究始于 20 世紀 80 年代末，日本、加拿大、美國等發(fā)達國家先后開展了巡線機器人的研究工作。1988 年，東京電力公司的 Swada 等人研制了光纖復合架空地線(OPGW)巡線移動機器人，如圖 1.2 所示。該機器人利用一對驅動輪和一對夾持輪沿地線爬行，能跨越地線上防振錘、螺旋減震器等障礙物。遇到桿塔時，機器人采用仿人攀援機理，先展開攜帶的弧形手臂，手臂兩端勾住線塔兩側的地線，構成一個導軌，然后本體順著導軌滑到線塔的另一側；待機器人夾持輪抱緊線塔另一側的地線后，將弧形手臂折疊收起，以備下次使用。機器人運動控制有粗略和精確定位兩種模式，粗略控制是把線塔和地線的資料數據(線塔的高度、位置、電線長度、線路上附件數量等)預先編制好程序輸入機器人，據此控制機器人的行走和越障；精確定位控制則根據傳感器反饋信息進行控制。機器人攜帶的損傷探測單元采用渦流分析方法探測光纖復合架空地線的損傷情況，并把探測數據記錄到磁帶上。但因其質量過大，達到 100kg，而不能推廣應用。圖 1.2 導軌巡線機器人1.2.2 機器人仿真簡介 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙4加拿大魁北克水電研究院的 Serge Montambault 等人在 2000 年開始了HQLineROVer 遙控小車( 見圖 1.3)的研制工作，遙控小車起初用于線路巡檢、維護等多用途移動平臺。第三代原型機構緊湊，僅重 25kg，驅動力大，抗電磁干擾能力強，能爬 52 度的斜坡，通信距離可達 1000m，小車采用靈活的模塊化結構，安裝不同的工作頭即可完成架空線視覺和紅外檢查、壓接頭狀態(tài)評估、導線和地線更換、導線清污和除冰等帶電作業(yè)，已在工作電流為 800A 的 315kV電力線上進行了多次現(xiàn)場測試，但是 HQ LineROVer 沒有越障能力，只能在兩線塔間的電力線上工作。圖 1.3 遙控小車美國 TRC 公司 1999 年研制了一臺懸臂巡線機器人原型，如圖 1.4 所示。它能沿架空導線長距離爬行，執(zhí)行電暈損耗、絕緣子、結合點、壓接頭等視覺檢查任務，對探測到的線路故障數據預處理后，傳送給地面人員。當機器人遇到桿塔時，利用手臂采用仿人攀援的方法從側面越過桿塔。其缺點是無法攀爬30 度以上的斜坡而不能廣泛應用。 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙5圖 1.4 懸臂巡線機器人文獻中，介紹了工作于 66kV 光纖架空地線，能夠跨越防振錘和線夾的機器人。文獻給出了一種新型移動機器人機構，由雙臂、四套執(zhí)行機構和手爪構成，該機器人能夠沿架空地線行走，并且能夠跨越桿塔。文獻給出了一種能夠沿架空地線行走并且跨越防振錘、桿塔、線夾等障礙物的移動機器人。但上述機器人都具有 18 個以上的自由度，導致功耗過高而不能應用到實際工作中。1.2.3 中國與國外先進技術的差距圖 1.5 是中國科學院沈陽自動化研究所研制出的具有自主知識產權的超高壓輸電線路巡檢機器人，并于 2006 年 4 月 12 日與錦州超高壓局合作開展了現(xiàn)場帶電巡檢試驗，在其所管轄的 500kV 超高壓輸電線 (東遼二線)上成功地完成了沿線行走，但沒有越障能力。圖 1.5 沈陽自動化所巡線機器人1.3 本文主要內容綜合國內外對于巡線機器人的研究情況，當代巡線機器人的研究主要集中于以下幾個方面： 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙6(1) 機器人結構機器人機械結構形式的選型和設計，是根據實際需要進行的。在機器人機構方面，結合機器人在各個領域及各種場合的應用，研究人員開展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。但大多數仍處于實驗階段，而輪式機器人由于其控制簡單、運動穩(wěn)定和能源利用率高等特點，正在向實用化迅速發(fā)展。(2) 運動控制技術穩(wěn)健的運動控制技術是移動機器人整體性能的基礎，由于移動機器人本身是一個非完整約束系統(tǒng)，是一個欠驅動的零漂移的動力學系統(tǒng)，因此，該系統(tǒng)不能通過連續(xù)可微的時不變的狀態(tài)反饋加以鎮(zhèn)定。為此，通過時變、不連續(xù)控制以及混合策略，根據動力學模型和運動學模型，建立合理的反饋控制律，實現(xiàn)車速和轉向的自動控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過渡，是該項技術的核心內容。(3) 路徑規(guī)劃技術該技術主要包括基于地理信息的全局路徑規(guī)劃技術和基于傳感信息的局部路徑規(guī)劃技術。由于自主式移動機器人在地面上行駛，必須避開它無法通過的或對其安全行駛構成威脅的障礙物或區(qū)域，因此局部路徑規(guī)劃，尤其是復雜環(huán)境下的路徑規(guī)劃問題，顯得更為重要。(4) 實時視覺技術該技術主要涉及到視覺信息的實時采集、預處理、特征提取和模式識別。而且，視覺信息處理的能力、處理速度、處理的可靠性和準確性是決定智能機器人整體性能的決定性因素。(5) 定位和導航技術該技術是現(xiàn)代輪式移動機器人研制所急需的關鍵技術，也是下一代無人戰(zhàn)車的技術基礎。位置的測量可以分為相對位置測量和絕對位置測量，測量方法有里程計、慣性導航、主動燈塔、磁羅盤、全球定位系統(tǒng)、地圖模型匹配和自然路標導航等。(6) 多傳感集成和數據融合技術自主式移動機器人采用測距技術，GPS 定位技術和小型陀螺儀技術等多種傳感技術來采集不同類型的環(huán)境信息。因此，準確地處理和分析不同傳感器采集到的信息，用于對所處環(huán)境作出準確可靠的描述并據此作出正確的決策和控制，是多傳感集成和數據融合研究的任務。(7) 檢測技術一種是可見光檢測方法，采用高分辨率攝像機攝取目標圖像，一般能發(fā)現(xiàn)架空線大部分表面故障現(xiàn)象，精度和準確度取決于圖像質量。如何讓巡線機器 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙7人自主控制攜帶的攝像設備，捕捉特定目標，獲取多視角、高清晰度目標圖像是關鍵；另一種是紅外探測技術，當輸電導線存在諸如導線斷股、絕緣子破損等故障時，故障點附近會出現(xiàn)局部溫升，產生熱輻射。這些故障難以通過視覺檢查發(fā)現(xiàn)，我們可以采用紅外探測技術加以彌補。具體來說，就是熱成像技術，這是一種廣泛用于輸變電系統(tǒng)的故障探測技術，可以攝取表面溫度超過周圍環(huán)境溫度的異常溫升點的紅外光譜圖像，然后根據圖像，人工或自動判讀可能的故障器件。(8) 高性能計算技術在移動機器人的早期研究工作中，專用硬件結構為多數研究者所采用，這是因為當時市場上的通用硬件不能滿足諸如實時圖像處理所需的計算能力。近年來，隨著計算機計算能力的迅猛提高，研究者們開始采用通用處理器來構建機器人系統(tǒng)。目前用于移動機器人的硬件結構多數采用一個高速通用處理器加上幾個專用板卡或芯片(用于顏色查表、模板匹配或數學形態(tài)學計算)，或者通過實驗確定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系統(tǒng)來縮小體積，達到優(yōu)化的性能。 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙82 檢線機器人本體結構的設計由于機器人本體結構極其復雜，為了快速準確地建立其模型，并方便日后的修改和計算，利用代表目前機械 CAD 領域新標準的參數化設計軟件 CATIA來建立機器人本體結構模型，基于 CATIA 軟件對機器人本體結構的主要零部件進行了準確的創(chuàng)建。2.1 方案要求要求研制一臺針對 500kv 電壓等級高壓架空輸電線路(其中：避雷線規(guī)格為LGJ500/45、懸垂線夾規(guī)格為 CGF-6X、防振錘規(guī)格為 FD-6)，具有自主越障能力和爬坡能力的巡線機器人。機器人在分布式計算機控制系統(tǒng)的控制下，能夠以一定的速度沿架空線路運動，并能跨越防振錘、耐張線夾、懸垂線夾、跳線等障礙，具有自動剎車自保功能，以避免從高空摔落。其巡線作業(yè)環(huán)境如圖2.1。 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙9圖 2.1 機器人的工作環(huán)境所以，本文中檢線機器人的工作原理和過程為：1) 機器人上線；2) 機器人本體計算機在接收到運行命令后，驅動機器人沿避雷線行走；3) 巡線機器人通過滾輪完成沿避雷線無障礙段的行進。行進過程中檢測裝置不斷檢測前方障礙物的情況，同時攝像機對線路和機器人本身的工作狀態(tài)進行拍攝，拍到的圖像通過無線設備實時傳輸到地面工作基站，決定是否對線路進行維護；同時對機器人本身的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，決定是否對機器人的運動給予干預；4) 機器人檢測到前方有防振錘時，由于手掌采用中空設計，因此機器人無需做任何調整，即可直接爬越；5) 當安裝在機械手前端的接近覺傳感器檢測到懸垂線夾時，機器人控制肘關節(jié)電機旋轉，使末端執(zhí)行器上移，直至驅動輪離開避雷線，然后手掌電機驅動手掌張開；其開合度要大于障礙寬度；之后，后面兩只手驅動電機繼續(xù)行走，當中間手接近懸垂線夾時，前臂回落，同時手掌合攏，直至掛線；然后中間手電機驅動齒輪齒條機構使中間手上移，然后手掌張開，接通前后兩手的驅動電機，繼續(xù)行走。當后手接近懸垂線夾時，控制中間手回落，手掌合攏，直至驅動輪掛線；之后，后肘關節(jié)電機驅動后小臂選轉，手掌張開，前兩驅動輪繼續(xù)行走；當后手跨越線夾后，手掌閉合回落，機器人完成跨越懸垂線夾的任務，繼續(xù)行進；6) 當機器人跨越跳線時，手的脫線和抱線方法與跨越懸垂線夾時相同；首先前手脫線，通過前端視覺傳感器，可檢測到避雷線與跳線角度，這時大臂電機按此角度旋轉，使末端執(zhí)行器位于跳線下方，前手抓住跳線，然后中間手脫線，啟動前后手的驅動電機使機器人行走。中間手接近跳線時停止行走，調整前后柔性臂，使中間手抓住跳線，啟動行走。當后手接近跳線時，停止行走，后手脫線；用前手和中間手驅動機器人繼續(xù)行走，越過跳線線夾后，停止行走，調整柔性臂，使后手抓住跳線，完成從直線到跳線的跨越；機器人由跳線到直 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙10線的跨越方法與上述過程相同，由于是一個上坡過程，為了使機器人不至于滑下來，需使用剎車裝置；7) 檢測到轉彎跳線時，運動過程與跨越直線跳線不同的地方是柔性臂的姿態(tài)除了上下調整外，還需要水平調整，其余完全相同；8) 當線路坡度較大、驅動輪摩擦驅動無法實現(xiàn)機器人行進時，直接表現(xiàn)為驅動輪打滑，此時機器人三個制動器立即抓線，并與絲杠螺旋副組成蠕動爬行機構，進行蠕動行進。本課題對檢線機器人的主要技術指標和要求是：1) 具有自主越障能力；2) 具有一定爬坡能力；3) 單機重量：小于 100 千克；2.2 總體結構考慮到輸電線路具有防振錘、耐張線夾、懸垂線夾、跳線和轉彎等各種障礙、并具有一定坡度。為了達到上述要求，巡線機器人的機械手必須動作靈活，工作范圍大，能完成規(guī)定的動作，應有自由度 4-5 個，結構緊湊，重量輕。我摒棄機器人常規(guī)結構形式，設計出了適用于 500kv 輸電線路的自動巡線機器人，其總體機構二維簡圖如圖 2.2 所示，三維圖如圖 2.3 所示。主要由五大部分組成：驅動裝置、剎車制動裝置、手掌開合裝置、柔性臂、電源箱和控制箱。圖 2.2 巡線機器人機構簡圖2.3 柔性臂機械手的手臂是執(zhí)行機構中的主要運動部件，它用來支承腕關節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運動。為了使手部能達到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個自由度，少數專用的工業(yè)機器人手臂自由度少于三個。手臂的結構形式有多種，常用的構形如圖 2.4 所示。 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙11圖 2,3 巡線機器人三維圖 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙12圖 2.4 幾種機器人手臂構型本課題要求機器人手臂能達到工作空間的任意位置，同時要結構簡單，容易控制。由于在同樣的體積條件下，關節(jié)型機器人比非關節(jié)型機器人有大得多的相對空間(手腕可達到的最大空間體積與機器人本體外殼體積之比)和絕對工作空間，結構緊湊，同時關節(jié)型機器人的動作和軌跡更靈活，因此該機器人采用關節(jié)型機器人的結構。手腕的構形也有多種形式。三自由度的手腕通常有以下四種形式：BBR 型、BRR 型、 RBR 型和 RRR 型。如圖 2.5 所示。圖 2.5 四種三自由度手腕構形B 表示彎曲結構，表明組成腕關節(jié)的相鄰運動構件的軸線在工作過程中相互間角度有變化。R 表示轉動結構，表明組成腕關節(jié)的相鄰運動構件的軸線在工作過程中相互間角度不變。BBR 結構由于采用了兩個彎曲結構使結構尺寸增加了，而 RBR 與前者相比結構緊湊。由于機械手的運動軌跡要求機械手端面平行于避雷線，這樣用兩個旋轉關節(jié)就可以使機械手的姿態(tài)滿足要求，且機械結構更加簡單，減輕了重量。綜合考慮后確定該機械手具有四個自由度，其中手臂兩個自由度確定機械手的位置，后兩個自由度確定手的姿態(tài)，最后確定其結構形式如圖 2.6 所示。 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙13圖 2.6 柔性臂的最終構形綜上所述，柔性臂由機座、肩關節(jié)、大臂、肘關節(jié)、小臂、腕關節(jié)和末端執(zhí)行器組成。共有四個自由度，依次為大臂回轉、小臂俯仰、手腕俯仰、手腕回轉。肩關節(jié)和肘關節(jié)均由精密渦輪蝸桿減速器和轉盤組成。電機通過精密渦輪蝸桿減速器帶動轉盤轉動，實現(xiàn)手臂水平方向和豎直方向的自如運動。通過控制電機的制動裝置，還能夠實現(xiàn)手臂剛性與柔性的平滑轉換，使機器人適應跨越轉彎、跳線時位置和姿態(tài)的要求。通過工作情況的需要，定出該巡線機器人的機械手運動參數如下：大臂長：250mm 手腕長：72mm小臂長：400mm 末端執(zhí)行器長：344mm各關節(jié)轉動范圍：關節(jié) 1：±90° 關節(jié) 2：±90°關節(jié) 3：±90° 關節(jié) 4：±90°2.4 驅動裝置機器人驅動裝置是帶動各個關節(jié)到達指定位置的動力源。通常動力是直接或經電纜、齒輪箱或其他方法送至各個關節(jié)。目前使用的主要有三種驅動方式：液壓驅動、氣動驅動和電機驅動。液壓驅動以高壓油作為工作介質，可以實現(xiàn)直線運動或者是旋轉運動，驅動機構可以是閉環(huán)或者是開環(huán)的。液壓驅動的優(yōu)點是能得到較大的出力，工作壓力通常達 14Mpa，但是液壓元件造價高昂，而且容易泄露污染環(huán)境，而且必須配備專用的液壓閥，儲油罐，體積龐大。氣動驅動的工作介質是高壓空氣，氣動控制閥簡單、便宜、操作簡單、易于編程，可以完成大量的點位搬運操作任務，但是缺點是氣壓伺服難以實現(xiàn)高精度控制，只能用在滿足低精度的場合。故本機械手采用電機驅動。電機驅動方式具有結 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙14構簡單、易于控制、使用維修方便、不污染環(huán)境等優(yōu)點，這也是現(xiàn)代機器人應用最多的驅動方式。電機可以選擇步進電機或直流伺服電機。步進電機驅動具有成本低，控制系統(tǒng)簡單的優(yōu)點，但是步進電機驅動屬于開環(huán)控制，精度較低。而直流伺服電機能構成閉環(huán)控制，精度高，額定轉速高。根據作業(yè)環(huán)境要求，本課題機器人行進機構采用輪式移動機構與步進式蠕動爬行機構兩種方式。當線路坡度較小、驅動輪摩擦驅動可實現(xiàn)機器人移動時，機器人采用輪式移動機構；當線路坡度較大、驅動輪摩擦驅動無法實現(xiàn)機器人行進時，直接表現(xiàn)為驅動輪打滑，此時機器人三個制動器立即抓線，并與絲杠螺旋副組成蠕動爬行機構，進行蠕動行進。2.4.1 輪式移動機構輪式移動機構驅動裝置由直流電機、傘齒輪減速器、傳動軸和驅動輪組成。驅動輪采用高強度輕型材料，以減輕驅動裝置重量；驅動輪外表面采用高強度耐磨材料，以增大驅動輪運動時與線路的摩擦因數，防止打滑。驅動輪支撐架(手掌)采用中空設計，使機器人遇到防振錘等障礙時，可直接越過，大大提高了機器人巡線速度。2.4.2 步進式蠕動爬行機構步進式蠕動爬行機構驅動裝置由直流電機、傘齒輪減速器、傳動軸、滾珠絲杠、螺母和直線導軌組成。滾珠絲杠的摩擦力很小且運動響應速度快。由于滾珠絲杠在絲杠螺母的螺旋槽里放置了許多滾珠，傳動過程中所受的摩擦力是滾動摩擦，可極大地減小摩擦力，因此傳動效率高，可以達到 90%，只需要使用極小的驅動力就能夠傳遞運動。2.5 剎車制動裝置為了保證機器人在停止狀態(tài)、有一只手打開或出現(xiàn)故障情況下不脫線和下滑，設計了剎車裝置。它由活動制動爪、固定制動爪、銷軸、彈簧、彈簧上底座、彈簧下底座和彈簧導向軸組成。2.6 手掌開合裝置手掌開合裝置由渦輪蝸桿機構和平行四桿機構組成。在蝸桿驅動下帶動支架開合。其中：驅動輪固定在右側支架上，制動機構固定在左側支架上。 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙153 各零部件的選擇與設計3.1 絲桿的設計3.11 絲桿的結構設計電機位置處于伸縮掛臂的尾部，通過齒輪箱內的帶齒輪的聯(lián)軸器與內絲杠想連接，從而帶動內絲杠，作為垂直動力系統(tǒng)。主要技術指標中要求升降速度v 為 0.015m/s。由于該機器人掛臂采用二節(jié)伸縮，而外升降筒的伸縮是通過升降齒箱中升降齒輪的傳動，帶動外絲杠，又通過上螺母的嚙合來實現(xiàn)的。因此，主電動機只須要提供 v/2=0.0075m/s 的動力就可以實現(xiàn)技術指標。（1）選擇滑動螺旋傳動，由于傳動時磨損較大，矩形螺紋磨損后，間隙難以修復和補償，傳動精度會降低，而且壓根強度弱。還考慮到工藝加工性，梯形螺紋，公藝性好，壓根強度高，對中性好，還可以調整間隙，鑒于以上優(yōu)缺點，螺桿選擇梯形螺紋。（2）軸向載荷為 F，考慮到結構要求比較緊湊，選擇螺母形式為整體式，軸向載荷垂直向下，而掛臂的起始位置屬于未升開狀態(tài)，須要運動方向向上，所以，絲桿運動方向與軸向載荷方向相反。（3）選擇材料，掛臂屬于機器零件，所以選擇結構鋼， ，要求強度較高，所以選擇中碳鋼，考慮到成本和質量的問題，所以選擇優(yōu)質鋼，最后確定為 45號鋼，查得疲勞極限是 353Mpa。（4）考慮到螺母的硬度大，耐磨性高，耐腐蝕的要求，螺母材料選擇為青銅，具體選擇 ZCuAl10Fe3。具體結構尺寸如示意圖。（5）考慮到兩端支承的長度損失，內外絲桿工作長度設定為 280mm。（6）計算升降行程。兩絲桿端部結構設計為兩端固定，考慮到螺母的旋合長度不宜過短，現(xiàn)在估計為 17mm,因此，內外絲桿的工作長度減去螺母的旋合長度，設定內外絲桿的兩支撐的最大距離 L1，L2 皆為 263mm。由于掛臂為二節(jié)伸縮，升降行程為下螺母旋合到內絲桿的頂端，上螺母旋合到外絲桿的底端，而內外絲桿的位置是固定的，從外部看掛臂升降時，就可以看到平移蝸箱的位置從外升降筒的上端逐漸變到外升降筒的下端，而與此同時，內升降筒也以一定的速度逐漸伸出外升降筒，直到基本全部伸出，也就是當上螺母接觸到擋板為止。因此，掛臂的升降行程為內升降筒的最大行程與外升降筒的最大行程之和，也就是L=L1+L2。 ，即升降行程 L 。滿足掛臂的垂直m480526312???? 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙16行程，并且留有余量。而這個余量可以通過擋板上下位置的改變來調節(jié)，當掛臂未運動時，擋板可以限制上螺母的位置，當掛臂伸展到最大時，擋板可以限制下螺母的位置，從而控制最大行程。3.12 絲桿的設計計算材料許用壓強[p]在范圍（18~25 ）Mpa 中選擇，由于沒有特殊要求，選擇中間值，取 21.5Mpa。（1）中徑系數在(1.2~2.5) 的范圍中選擇，考慮到剛性安全，傳動可靠，選擇參數適中，取 。中徑系數取得越大，螺紋的中徑就越小，螺母高度也8.1??越小，但傳動的精度和可靠性就會下降。（2）對于梯形螺紋或矩形螺紋，一般取 ，比較適中。 越大，計算8.0???中徑的值就越大，考慮到強度要求，這個數值比較適合。（3）計算中徑?? mpFd 25.910.284.0][26????根據優(yōu)先數系，選擇公稱直徑為 10mm，螺距 p 為 1.5，大徑 D4 為10.3mm，外螺紋小徑 d3 為 8.3mm。規(guī)格為 M10×1.5?？紤]到絲桿的剛度和可靠性，根據優(yōu)先數系，牙形角取 20°。（4）計算螺母高度??m65.12.98???dH?比原定的螺母高度 17mm 小，所以原定螺母高度符合強剛度要求。（5）計算絲桿旋合圈數 1..65pZ旋合 11.1 圈基本滿足螺紋旋合穩(wěn)定性和精度要求。（6）計算螺紋的工作高度 075.1.5.0???ph（7）計算工作壓強 ?? 301..294.32MPazdF??π滿足要求，工作壓強實際值很小，遠遠小于材料允許的壓強值，對絲桿螺母的正常傳動沒有很大的影響。（8）驗算自鎖性工作面的摩擦系數根據絲桿螺母的材料來判斷，絲桿的材料為 45 號鋼，螺 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙17母的材料為青銅，查得絲桿螺母工作面摩擦系數可以取的范圍在（0.08~0.10）之間，因此，取中間值 f=0.09。（9）計算當量摩擦角 ????32.50cos9.2cosartgfartg?其中 a 為牙型角。 （10）計算導程由于絲桿螺紋傳動效率要求不高，取線數為 1，因此導程 。5.1?PS（11）計算螺紋升角 ??????95.214.3592arctgdSarctgπ?，可見，絲桿螺母副傳動滿足自鎖要求。??（12）計算絲桿轉矩本設計選用一個電機通過聯(lián)軸器，帶動內絲桿轉動，所以選擇的螺旋副的運動形式是螺母固定，螺桿轉動并做直線運動。這種運動形式有利于傳動的精度以及提高傳動的效率。由于掛臂的升降主要依賴于絲桿螺母副的傳動，因此，計算出的轉矩就是掛臂升降的動力，在整個設計過程中尤為重要。根據轉矩的計算公式： ????23F12)tan(dDfT??????其中：T1 為螺紋力矩，T2 為摩擦力矩。1）其中 F 為掛臂的垂直載荷能力，作為掛臂升降的動力，這些負載直接由絲桿螺母副的傳動來承擔，所以轉矩必須滿足這一條件，要求為 25kg,即垂直載荷 F=mg=25×9.8=245N。2）考慮到絲桿螺母的自鎖性，n 為絲桿螺旋線數，現(xiàn)在取 1。3） 為工作面間的摩擦系數，查得 。?09.??4) 為內外絲桿的螺紋升角，已計算得? ?52?5) 根據絲桿的直徑以及對齒輪箱占用空間的考慮，所選用的軸承，對絲桿的支承環(huán)面外徑要求的范圍在 ，支承環(huán)面外徑要求的范圍在mD3.8'?（3.3~5.0）之間，現(xiàn)在考慮到對絲桿支承的可靠性，選擇支承環(huán)面外徑，支承環(huán)面內徑 。mD7'?d4? 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙186）計算公式將給定數值帶入公式，得： ????Nm27.05.617.42109.37.164)32.5.tan(25.4123??????T轉矩計算值為 0.227Nm，因此，所需轉矩的數值比較小，估計用小功率電機即可拖動3.13 絲桿的強度校核 （1）螺桿選用的材料是 45 號鋼，查得其許用應力在 的67.1][60.7??范圍中，由于沒有特殊要求，許用應力取范圍的中間值， 。MPa94?（2）45 鋼的材料許用彎曲應力 在 的范圍中，考慮到螺]1[?][40?桿彎曲應力不大，所以取 。MPa5][?（3）45 鋼的許用剪切應力 在 30 的范圍中，考慮到材料可靠性，?所以取 。5][??（4）計算螺桿當量應力 ：????][23.10 75.20375.14.32()02.(3)( 232????? ?????MPadTdF ）（）當量應力滿足許用應力要求，絲桿所受的當量應力在許用應力范圍之內，且數值不大，對絲桿螺母副的正常傳動造成的影響不大。（5）計算螺紋牙底寬度梯形螺紋螺紋牙底寬度 。牙底寬度的大小與齒輪075.1.5.0???pb的強度有直接的關系，如果牙底寬度太小，容易造成牙根彎曲疲勞磨損，引起傳動失效。（6）計算螺紋剪切強度螺紋剪切應力： ?? MPabzd 209.1075..14.320F????π?因此， 滿足剪切強度要求，絲桿所受的螺紋剪切應力在許用剪切應][??力范圍之內，且數值很小，對絲桿與軸承的固定，以及正常傳動的精度影響不大。（7）計算螺桿彎曲強度 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙19螺桿彎曲應力： ?? MPazbdFh628.31075.14.320]1[ 22 ?????因此 滿足螺桿彎曲強度。絲桿所受的彎曲應力在許用彎曲應力的][?范圍之內，且其數值遠小于選擇的許用彎曲應力。所以絲桿所受的彎曲應力對絲桿螺母副正常傳動的影響不大。（8）計算螺母剪切強度螺母剪切應力： 9372.0175.014.32???dbzF??其中 d 為絲桿公稱直徑。因此， 。滿足螺母剪切強度。螺母所受的螺紋剪切應力在許用剪切][??應力范圍之內，且數值很小，對正常傳動的精度影響不大。（9）計算螺母彎曲強度螺母彎曲應力： MPazdbFh8.21075.14.32222 ?????因此 。滿足螺母彎曲強度要求。螺母所受的彎曲應力在許用剪切][?應力范圍之內，且數值很小，對正常傳動的精度影響不大。（10）45 鋼彈性模量對于鋼一般取彈性模量 。GPaE207?（11）計算螺桿危險截面的軸慣性矩考慮到內外螺桿的危險截面均是圓形，因此，根據軸慣性矩公式,螺桿危險截面的軸慣性矩為： ??460mdaI??代入螺桿中徑 75.得： ??449.1/1.3I?（12）計算螺桿危險截面的慣性半徑根據公式，得絲桿危險截面的慣性半徑為：。??mdi9375.14.0??（13）確定螺桿的長度系數長度系數 取決于螺桿端部的結構，考慮到軸承運動時的穩(wěn)定性，防止絲? 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙20桿的軸向，徑向的竄動，對內外螺桿的兩端均采用軸承固定，所以內外螺桿為兩端固定，鑒于軸取長度系數的標準，兩端固定，取長度系數 。5.0??（14）已知螺桿的最大工作長度為 280mm。（15）計算絲桿柔度根據柔度公式，得 258.793.105???il??由于柔度是一個量綱一的量所以沒有單位。柔度意義是在構件軸向受力的情況下，沿垂直軸方向變形的大小，柔度越大，變形也就越大，構件的穩(wěn)定性也就越差。目前計算得絲桿的柔度數值比較小，沿垂直軸方向的變形也就比較小，構件的穩(wěn)定性也就比較好。傳動精度也就比較好，功率損失也會減少，柔度的大小與下列因素有關：構件的截面尺寸，截面尺寸大，柔度??；構件的長度，長度越長，柔度越大。（16）計算零界載荷????)(02.1(48ildcF????N89.156.7.32??）（在軸向壓力逐漸增大的過程中，壓桿經歷了兩種不同性質的平衡。當軸向壓力較小時，壓桿直線形式的平衡是穩(wěn)定的；當軸向壓力較大時，壓桿直線形式的平衡則是不穩(wěn)定的。使壓桿直線形式平衡開始由穩(wěn)定轉變?yōu)椴环€(wěn)定的軸向壓力值，稱為壓桿的臨界載荷，就計算得的臨界載荷而言，數值相當大，一般不會達到，也就是說絲桿在一般情況下都會保持壓桿穩(wěn)定狀態(tài)。3.2 齒輪的設計3.21 齒輪的結構設計（1）選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數1）由于檢線機器人掛臂分為二節(jié)升降，分別依靠內外絲桿旋合固定在內外升降筒的螺母，從而引導內外升降筒的伸縮來實現(xiàn)，現(xiàn)在考慮將速度平均分配給內外升降筒。因此，該組齒輪嚙合僅作傳動作用，沒有改變速度的要求，為了計算和制造的方便。因此，取傳動比為 1：1。即 。?u2）選用直齒圓柱齒輪傳動。3）由于速度不高，載荷平穩(wěn)，故選用 7 級精度。4）材料選擇，齒輪屬于機器零件，所以選擇結構鋼， ，要求強度較高，所 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙21以選擇中碳鋼，考慮到成本和質量的問題，所以選擇優(yōu)質鋼，最后確定為 45 號鋼（調質） ，查得疲勞極限是 550Mpa，硬度是 240HBS。5）選用齒輪齒數 Z1=Z2=16。6）計算齒寬系數對于標準圓柱齒輪減速器，齒寬系數 在規(guī)定值中取為 0.4。??a?對于圓柱齒輪傳動，齒寬系數根據公式 ????audb??)1(5.0??得齒寬系數 4.0??）（7）查得 45 鋼材料的彈性影響系數 Z=189.8MPa 。218）由機械設計手冊根據齒輪材料硬度查得，齒輪的接觸疲勞強度極限= =550Mpa。??1limH???2li9）計算應力循環(huán)次數。現(xiàn)在估計工作壽命 L 為 5 年（設每年工作 300 天） ，每天工作時間 5 小時?？偣矇勖鼮?2500 個小時。由于，兩個齒輪轉速相同，因此應力循環(huán)次數為：N1=N2=60njL=60×300×1×（5×300×5）=1.35× 10 810）根據應力循環(huán)次數和齒輪材料查得，接觸疲勞壽命系數KHN1=KHN2=0.95。11）計算接觸疲勞許用應力。取失效概率為 1%，考慮到傳動的可靠性，取安全系數 S=1。[ ]1= K =0.95×550Mpa=522.5Mpa??H???SN/1lim??[ ]2=K =0.95×550Mpa=522.5Mpa2比較兩齒輪接觸疲勞許用應力的大小，由于兩個齒輪規(guī)格相同，因此計算接觸疲勞許用應力相同。（2）計算1）試計算兩齒輪分度圓直徑 d， ，將[ ]1 的值代入公式。計算分度圓??H?直徑初值：?? mZudKT51.)5.2/8.194.0/2538.12])[( ???????（?2) 計算圓周速度 v。V= 。ππ smn/.6.06?3）計算齒寬 b。根據公式，得齒寬 b = mm??1204.651.402??d? 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙224) 計算齒寬與齒高之比模數 mzdm96375.015.??齒高 h18.2.2.. ??齒寬與齒高之比 b÷h=3.5565）計算載荷系數。載荷系數為 K= ???? 305.127.0.???HKvAK?6）按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑，得D =d mm??151.3.015.3 ???t7）計算模數 mzd964./.8）按齒根彎曲強度設計得彎曲強度的設計公式為 ??32][SYFzKT?????（確定公式內的各計算數值,查得齒輪材料 45 號鋼的彎曲疲勞極限。根據彎曲疲勞壽命系數曲線，已知零件循環(huán)次數??80)(1?EF?N=1.35×108，查得彎曲疲勞壽命系數 K(FN2)K(FN2)=0.90。計算疲勞許用應力?？紤]到齒輪傳動的可靠性，取彎曲疲勞強度系數 S=1.3，得????28.4.1309)(12][][ ??SFEN?計算載荷系數 K：已知 。， 3.1???F載荷系數 =1.2546.查取齒形系數。????23.0.????vA根據兩個齒輪的齒數 ，查得 查取應力校162Z??。04.FY1??核系數。查得 Y 。5.S?9）設計計算。將計算得的數值代入公式，得由齒根彎曲疲勞強度計算的模數為： mm54.01879.068.025413 ????對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數 m 大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數，由于齒輪模數 m 的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數與齒數的的乘機有關） ，可由彎曲強度算得的模數 0.54并圓整為標準值 m=1mm，按接觸強度算得的分度圓直徑 d=15.51mm。算得齒 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙23輪齒數 z1=z2=16。這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。3.22 齒輪的參數計算計算分度圓直徑 d1=d2=mz1=16×1mm=16mm（1）計算中心距a=16mm（2）計算齒輪寬度齒輪寬度為 b=0.4×1.6=6.4mm 將結果圓整得 6mm。齒輪的寬度對齒根彎曲疲勞強度的影響比較大，如果齒輪的寬度很小，齒根處容易產生疲勞裂紋，并逐漸擴大，致使輪齒疲勞折斷。這里計算得的齒輪寬度由于齒輪箱結構緊湊，傳動載荷比較小的原因，數值相對比較小，但相對的載荷也不大，應該可以滿足剛度要求。為了提高輪齒的抗折斷能力，可以采用噴丸，滾壓等工藝措施對齒根表層進行強化處理。計算齒高齒高 h 。齒輪輪廓m25.1.25.???尺寸計算根據已知條件，計算齒頂高，取齒頂高系數 。??*ah計算齒根高 h(f)，取頂隙系數 根據公式，得齒根高：，.0*c??mfh25.1).01(????計算齒全高 根據公式，得齒全高： ??mcah25.1.()2???）計算齒頂圓直徑，根據公式得齒輪 1 齒頂園直徑：??zad 826*1(???）齒輪 2 齒頂圓直徑： ??mah(( ???）計算齒根圓直徑 根據公式，得齒輪 1 齒根圓直徑：fd?? mczfd 5.132.06(*)21( ????? ）齒輪 2 齒根圓直徑： ??mahzf ..1()(?）計算基圓直徑 根據公式齒輪 1 的基圓直徑：bd??04.59.16cos1???齒輪 2 的基圓直徑： ..s?db計算齒距 p 根據公式，得齒距： 充值購買 -下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙2414.3.???mp?計算法向齒距 根據公式，得法向齒距：??b??m95.2.0cos?計算齒厚 s：。7.124.3???m?計算齒槽寬 e： 5..計算頂隙 c： m2.01.*???計算標準中心距 a：zma162)(??）（計算節(jié)圓直徑 d’：d’=d=9.25計算傳動比 i： 162?di3.3 齒輪箱體的結構設計本設計的齒輪箱分為齒輪箱體與齒輪箱蓋兩部分，其中齒輪箱體主要要求滿足絲桿的連接，絲桿端部軸承的放置，以及兩個傳動齒輪的放置，齒輪箱蓋主要要求是電機的連接孔。齒輪箱中的帶齒輪的聯(lián)軸器與電機直接相連，所以考慮將齒輪箱的位置安置在外升降筒的尾部。又考慮到掛壁自重小，結構緊湊的