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管道清洗機(jī)器人的優(yōu)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘要：最近，由于垃圾自動(dòng)收集設(shè)施（即GACF）被廣泛安裝在韓國(guó)首爾大都市區(qū)，因此對(duì)管道中可用的清潔機(jī)器人（稱(chēng)為管道內(nèi)清潔機(jī)器人）的興趣正在增加。到目前為止，關(guān)于管道內(nèi)機(jī)器人的研究一直專(zhuān)注于檢查而不是清潔。在GACF中，當(dāng)垃圾移動(dòng)時(shí)，我們必須去除粘在管道內(nèi)表面上的雜質(zhì)（直徑：300mm或400mm）。因此，在本文中，通過(guò)使用TRIZ（俄語(yǔ)縮寫(xiě)中的問(wèn)題解決的發(fā)明理論），我們將提出一種GACF的管道內(nèi)清潔機(jī)器人，其具有6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)以適合管道的內(nèi)表面使用氣動(dòng)壓力（不是彈簧）。所提出的用于GACF的管道內(nèi)清潔機(jī)器人本身可以具有向前/向后移動(dòng)以及刷子在清潔中的旋轉(zhuǎn)。機(jī)器人本體應(yīng)具有適合直徑為300mm的較小管道的有限尺寸。另外，對(duì)于直徑為400mm的管道，機(jī)器人的連桿應(yīng)通過(guò)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑?；谑褂肨RIZ的概念設(shè)計(jì)，我們將與韓國(guó)Robot Valley公司的現(xiàn)場(chǎng)工程師合作，建立機(jī)器人的初始設(shè)計(jì)。對(duì)于管內(nèi)清洗機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用機(jī)器人與管道內(nèi)表面碰撞的最大沖擊力進(jìn)行模擬。當(dāng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的鏈接被拉伸以適合時(shí)，RecurDyn?進(jìn)入400毫米直徑的管道。利用基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的ANSYS?Workbench（簡(jiǎn)稱(chēng)DOE），模擬最大沖擊力對(duì)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)6連桿施加的應(yīng)力。最后，將確定最佳尺寸，包括4個(gè)連桿的厚度，以便在本文中具有最佳安全系數(shù)2，并且具有4個(gè)連桿的最小質(zhì)量。它將被驗(yàn)證與Robot Valley，Inc。專(zhuān)家的初步設(shè)計(jì)相比，4連桿的最佳設(shè)計(jì)具有接近2的最佳安全系數(shù)以及最小質(zhì)量的4個(gè)連桿。此外，管道內(nèi)清潔機(jī)器人的原型將進(jìn)一步研究說(shuō)明。
關(guān)鍵詞：管道內(nèi)清潔機(jī)器人，6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，TRIZ，優(yōu)化設(shè)計(jì)，RecurDyn?，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE），ANSYS?Workbench
1引言
最近，由于垃圾自動(dòng)收集設(shè)施（即GACF）被廣泛安裝在韓國(guó)首爾大都市區(qū)，因此對(duì)管道中可操作的清潔機(jī)器人（我們將此稱(chēng)之為機(jī)器人管道清潔機(jī)器人）的興趣正在增加。 盡管根據(jù)調(diào)查，韓國(guó)GACF處于初始階段，但據(jù)報(bào)道，通過(guò)解決現(xiàn)有手動(dòng)拾取方式導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題（包括公寓之美），居民滿(mǎn)意度較高。 然而，GACF仍然存在設(shè)備安裝費(fèi)用昂貴，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高，食物垃圾收集率和回收率下降等問(wèn)題。這意味著GACF需要提高穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)技能。
到目前為止，韓國(guó)垃圾收集的方式如下; 當(dāng)我們把垃圾放在塑料袋里并放在某個(gè)地方時(shí)，一輛皮卡車(chē)會(huì)繞過(guò)那個(gè)區(qū)域并撿起垃圾。 通常垃圾暴露在道路上，而狗，貓或老鼠等通常會(huì)損壞垃圾袋。 因此，城市的美麗可能會(huì)受到破壞，特別是在夏天。 此外，垃圾袋會(huì)導(dǎo)致蒼蠅或有害昆蟲(chóng)的惡臭。 因此，這種垃圾處理系統(tǒng)可以歸結(jié)為不衛(wèi)生。
與目前韓國(guó)垃圾處理和拾取系統(tǒng)的這種不方便且不衛(wèi)生的方式相比，GACF具有定期安裝的僅垃圾槽。 在GACF中，管道在地下構(gòu)建，使用戶(hù)能夠扔垃圾袋。 將垃圾暫時(shí)存放在插槽的底部后，將其連接到與管道連接的存儲(chǔ)區(qū)域。 因此，GACF不需要任何人力來(lái)拾取垃圾，并且進(jìn)一步是環(huán)境友好的系統(tǒng)，垃圾不會(huì)暴露在外面。
與現(xiàn)有的人力和車(chē)輛接送方式相比，GACF擁有一個(gè)中央收集的設(shè)施，在地下建造的管道中提供約60~70km / h的高速運(yùn)行空氣。 GACF可以根據(jù)垃圾的類(lèi)型（易燃或不易燃）將垃圾放入垃圾焚燒爐。 加工后的垃圾可以運(yùn)到集裝箱車(chē)輛的最終處置場(chǎng)地。圖1顯示了GACF的關(guān)鍵圖。
圖1 GACF的關(guān)鍵圖
如上所述，GACF可以快速收集生活垃圾。 此外，GACF可以將生活垃圾運(yùn)送到最終處置場(chǎng)所，即垃圾焚燒爐。 具體而言，當(dāng)居民將家庭垃圾扔進(jìn)GACF的輸入槽時(shí)，垃圾通過(guò)與收集場(chǎng)地相連的管道運(yùn)輸。 在收集的場(chǎng)地，GACF操作一個(gè)與管道連接的鼓風(fēng)機(jī)，并從進(jìn)氣口吸入空氣，如圖1所示。 此時(shí)，根據(jù)氣流，GACF收集生活垃圾。 為了長(zhǎng)期穩(wěn)定地維護(hù)GACF，管道內(nèi)清潔很重要。 在不久的將來(lái)，需要開(kāi)發(fā)一種具有自動(dòng)運(yùn)動(dòng)的管道內(nèi)清潔機(jī)器人，以使管道清潔。 管道清洗機(jī)器人的使用可以使管道老化延遲，從而可以降低管道更換成本。
到目前為止，關(guān)于管道內(nèi)機(jī)器人的研究一直專(zhuān)注于檢查而不是清潔。 例如，Roh等人。 開(kāi)發(fā)了一種用于地下燃?xì)夤艿赖牟顒?dòng)驅(qū)動(dòng)管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人。 此外，Choi等人。開(kāi)發(fā)了一種管內(nèi)檢查/清潔機(jī)器人，它可以通過(guò)使用帶彈簧的輪子粘在管道的內(nèi)表面上，如圖2所示。這種機(jī)器人有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，即機(jī)器人可以與 當(dāng)一個(gè)輪子在管道的分支點(diǎn)處無(wú)效時(shí)，管道的內(nèi)表面。
圖2管道內(nèi)檢查/清潔機(jī)器人（Choi等人）
在GACF中，當(dāng)垃圾移動(dòng)時(shí)，我們必須去除粘在管道內(nèi)表面上的雜質(zhì)（直徑：300mm或400mm）。 因此，在本文中，我們將開(kāi)發(fā)一種GACF管道內(nèi)清潔機(jī)器人，其滑動(dòng)機(jī)構(gòu)可以通過(guò)氣動(dòng)壓力（不是彈簧）調(diào)節(jié)到適合管道內(nèi)表面。 所提出的用于GACF的管道內(nèi)清潔機(jī)器人本身可以具有向前/向后移動(dòng)以及清潔時(shí)刷子的旋轉(zhuǎn)。 機(jī)器人本體應(yīng)具有適合直徑為300mm的較小管道的有限尺寸。 另外，對(duì)于直徑為400mm的管道，機(jī)器人的連桿應(yīng)通過(guò)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑。 機(jī)器人前部有一個(gè)攝像頭和一個(gè)旋轉(zhuǎn)刷，可同時(shí)進(jìn)行清潔和檢查。 此外，它可以通過(guò)使兩個(gè)刷子彼此反向旋轉(zhuǎn)來(lái)提高清潔效率。
本文的結(jié)構(gòu)如下。第二節(jié)通過(guò)使用TRIZ（俄語(yǔ)縮寫(xiě)中的問(wèn)題解決的發(fā)明理論）解釋了所提出的管道內(nèi)清潔機(jī)器人的概念設(shè)計(jì)?；谶@種概念設(shè)計(jì)，我們將與韓國(guó)Robot Valley公司的現(xiàn)場(chǎng)工程師合作，建立機(jī)器人的初始設(shè)計(jì)。對(duì)于管道內(nèi)清潔機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在第三節(jié)中，當(dāng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿拉伸到400mm時(shí)，使用RecurDyn?模擬機(jī)器人與管道內(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力。管道直徑。在第四節(jié)中，通過(guò)使用ANSYS?Workbench基于最大沖擊力對(duì)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的6個(gè)連桿施加的應(yīng)力進(jìn)行模擬。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（簡(jiǎn)稱(chēng)DOE）。最后，將確定最佳尺寸，包括4個(gè)連桿的厚度，以便在本文中具有最佳安全系數(shù)2，并且具有4個(gè)連桿的最小質(zhì)量。第五節(jié)將得出結(jié)論。
2.基于TRIZ的管道清洗機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)
提出的管道內(nèi)清潔的概念設(shè)計(jì)機(jī)器人使用TRIZ的6SC執(zhí)行如下：
A.（6SC的第1步）圖片中的問(wèn)題陳述
圖3顯示了管道內(nèi)清潔機(jī)器人的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。 問(wèn)題是機(jī)器人無(wú)法裝入直徑為300mm / 400mm的管道，因?yàn)楦鶕?jù)兩種類(lèi)型的管道（直徑為300mm或400mm），它沒(méi)有任何可變機(jī)構(gòu)。
圖3管內(nèi)清潔機(jī)器人的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)
B.（6SC的第2步）系統(tǒng)功能分析
為了解決上面提出的問(wèn)題，我們首先進(jìn)行系統(tǒng)功能分析，如圖4所示
在目標(biāo)上，機(jī)器人應(yīng)設(shè)計(jì)成適合兩種類(lèi)型的管道（直徑300毫米或400毫米）。 在該圖中，保持機(jī)器人的直徑意味著保持機(jī)器人的狀態(tài)適合管道。
圖4系統(tǒng)功能分析
C.（6SC的第3步）理想的最終結(jié)果（IFR）
作為IFR，我們建議將機(jī)器人設(shè)計(jì)成適合較小直徑（即300mm）的管子，然后以可伸縮的形式裝入較大直徑（即400mm）。
D.（6SC的第4步）矛盾和分離原則
下面的句子可以表示矛盾：“兩個(gè)機(jī)器人體應(yīng)分別設(shè)計(jì)成適合兩種類(lèi)型的管子（直徑300mm或400mm）。 并且，機(jī)器人應(yīng)該被設(shè)計(jì)成一個(gè)整體。“為了找到矛盾問(wèn)題的解決方案，我們?cè)谙旅娴木渥又袘?yīng)用分離原則：”兩種管道的每個(gè)機(jī)器人體分別設(shè)計(jì)，然后是兩個(gè)機(jī)器人體 被放在一個(gè)機(jī)器人身上。
E.（6SC的第5步）元素 - 相互作用分析
圖5顯示了元素 - 交互分析。 在這個(gè)問(wèn)題中，元素是“機(jī)器人的身體”和“管的直徑”。這個(gè)圖表明機(jī)器人的身體設(shè)計(jì)成適合兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)直徑（300毫米和400毫米）的管道作為可變機(jī)構(gòu)。
圖5元素相互作用分析
F.（6SC的第6步）問(wèn)題解決和評(píng)估
問(wèn)題的暫定解決方案可以如下：對(duì)于兩種類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)化管道（300mm或400mm），機(jī)器人的直徑需要是可變的。 如圖6所示，本文提出的最終問(wèn)題解決方案是6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)直徑為300mm / 400mm的管道。 特別地，在該解決方案中，氣動(dòng)壓力用于使滑動(dòng)機(jī)構(gòu)配合到管的內(nèi)表面中。 因此，機(jī)器人具有三個(gè)用于一個(gè)滑塊的6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖7所示。如該圖所示，管內(nèi)清潔機(jī)器人具有總共六個(gè)6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，即前滑塊3個(gè)，后滑塊3個(gè)。
圖6 6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)
圖7一個(gè)滑塊的三個(gè)6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)
該問(wèn)題解決方案的評(píng)估可以如下進(jìn)行：當(dāng)三個(gè)六連桿機(jī)構(gòu)中的一個(gè)落入管道的分支點(diǎn)時(shí)，使用氣動(dòng)壓力的六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)可以通過(guò)保持機(jī)器人的直徑來(lái)逃離分支點(diǎn)（在其他 單詞，機(jī)器人的狀態(tài)適合管道，并且可以穩(wěn)定地移動(dòng)，因?yàn)榭梢怨潭ㄈ齻€(gè)6連桿機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)，如圖8所示。
圖8使用分支點(diǎn)處的氣動(dòng)壓力評(píng)估6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)
3.使用RECURDYN?進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬
基于第二節(jié)中介紹的管道內(nèi)清潔機(jī)器人的概念設(shè)計(jì)，圖9中提出了使用氣動(dòng)壓力的六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)，與韓國(guó)Robot Valley公司合作。 特別是表1顯示了鏈路1至4的初始設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度和厚度，這些設(shè)計(jì)來(lái)自機(jī)器人谷的設(shè)計(jì)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。 對(duì)于管道清洗機(jī)器人的最佳設(shè)計(jì)，最大沖擊沖擊力通過(guò)使用RecurDyn?（多體動(dòng)力學(xué)）在本節(jié)中模擬機(jī)器人與管道內(nèi)表面之間的關(guān)系模擬程序）當(dāng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿伸展到適合管道直徑400mm時(shí)。 特別是選擇直徑為400mm的管道而不是300mm直徑的管道，因?yàn)榧僭O(shè)前者具有比后者更大的加速度和更長(zhǎng)的位移。
圖9采用氣動(dòng)壓力的六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)
表格1
鏈接的初始設(shè)計(jì)
Links
1
2
3
4
Length (mm)
91
91
37
145
Thickness (mm)
10
5
5
10
當(dāng)6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)與初始拉伸表1的長(zhǎng)度尺寸和厚度由于氣動(dòng)，適合400毫米直徑的管道它會(huì)碰撞壓力（推動(dòng)滑動(dòng)連桿，即連桿5）與管道的內(nèi)壁。 那個(gè)時(shí)候，多體動(dòng)態(tài)模擬程序，即RecurDyn?用于查找機(jī)器人之間碰撞的最大沖擊力和管道的內(nèi)表面。 在這個(gè)動(dòng)態(tài)的第一步仿真，6連桿滑動(dòng)的三維建模使用SolidWorks?的機(jī)制（如圖9所示）是導(dǎo)入RecurDyn?。
在此模擬中使用的約束條件RecurDyn?是重力，關(guān)節(jié)，固定狀態(tài)，接觸和彈簧力條件。 重力由g = 9.81m / s2提供在圖10所示的方向上，設(shè)置6個(gè)接頭RecurDyn?中的Revolute Joints，如圖10所示連接到接頭1的部分是固定的，而下部是固定的連接到第2關(guān)節(jié)不需要約束，以便它可以滑動(dòng)。
圖10關(guān)節(jié)和固定狀態(tài)的約束
機(jī)器人六個(gè)6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的碰撞管道內(nèi)表面只有一個(gè)六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)為方便起見(jiàn)，在RecurDyn?中考慮過(guò)。 2個(gè)6連桿輪滑動(dòng)機(jī)構(gòu)由內(nèi)部“固體接觸”給出側(cè)面如圖11所示。另外，固體接觸條件是針對(duì)固定部件的碰撞而給出的（與接頭1連接）與滑動(dòng)部分（連接到接頭2）。
圖11接觸約束
6連桿機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)由氣動(dòng)壓力。 但沒(méi)有氣動(dòng)壓力RecurDyn?計(jì)劃中的約束。 在這個(gè)模擬中，我們已賦予彈簧力氣動(dòng)壓力。 的情況下氣動(dòng)壓力，6連桿機(jī)構(gòu)滑動(dòng)加速度為2 m / s2。 通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬RecurDyn?如圖12所示，彈簧力條件彈簧常數(shù)為5 N / mm，彈簧位移為40 mm使6連桿機(jī)構(gòu)以1.97m / s2加速度滑動(dòng)。因此，氣動(dòng)壓力可以用彈簧力代替常數(shù)5 N / mm，位移40 mm。
圖12彈簧力條件
圖13顯示了當(dāng)6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)與管道內(nèi)側(cè)（直徑400 mm）碰撞時(shí)使用RecurDyn?模擬的沖擊力。 如該圖所示，機(jī)構(gòu)滑動(dòng)1秒鐘（從彈簧力條件起作用的瞬間）。 然后我們可以看到最大沖擊力約為100N。
圖13使用RecurDyn?的沖擊力仿真結(jié)果
4. 6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
現(xiàn)在我們處理6連桿滑動(dòng)的最佳設(shè)計(jì)本節(jié)中的管道內(nèi)清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)。 首先，最大沖擊力，即通過(guò)前一節(jié)中使用RecurDyn?的動(dòng)態(tài)模擬獲得的100N，加載到6輪鏈滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的車(chē)輪1的點(diǎn)上，如圖14所示（3-D模型） ANSYS?Workbench）。 我們假設(shè)車(chē)輪1在動(dòng)態(tài)模擬中比車(chē)輪2更早地與管道內(nèi)側(cè)發(fā)生碰撞，因?yàn)檐?chē)輪1與6車(chē)道機(jī)構(gòu)的距離比車(chē)輪2短。然后使用ANSYS?Workbench進(jìn)行靜態(tài)分析基于DOE（ 也就是說(shuō)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）以獲得4個(gè)設(shè)計(jì)變量的最佳尺寸，即如圖15所示的4個(gè)鏈節(jié)的厚度。
圖14ANSYS?Workbench的三維模型
圖15 6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)（俯視圖）
DOE通常用于通過(guò)對(duì)給定設(shè)計(jì)（或性能測(cè)試）問(wèn)題執(zhí)行最小模擬（或?qū)嶒?yàn)）來(lái)提取最大信息。 DOE可以幫助確定定量關(guān)于問(wèn)題中每個(gè)設(shè)計(jì)（或?qū)嶒?yàn)）因素（或變量）的影響。 這導(dǎo)致找到設(shè)計(jì)（或?qū)嶒?yàn)）變量的最佳值。 在6連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)變量的數(shù)量（統(tǒng)計(jì)術(shù)語(yǔ)中的控制因子）是表4中所示的四個(gè)等級(jí)中的四個(gè)。表2顯示了機(jī)器人谷的現(xiàn)場(chǎng)工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)所產(chǎn)生的每個(gè)因素的水平。 對(duì)于這種6鏈路機(jī)制，四級(jí)四設(shè)計(jì)變量的正交陣列（L16）是使用DOE（特別是MINITAB?）而不是全256（44）生成的。
表2
設(shè)計(jì)變量的水平
Level
Factor
1
2
3
4
Link1 Thickness(mm)
5
10
3
8
Link2 Thickness(mm)
5
10
3
8
Link3 Thickness(mm)
5
10
3
8
Link4 Thickness(mm)
5
10
3
8
基于表3的正交陣列（L16），使用ANSYS?Workbench對(duì)6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行16次靜態(tài)分析。 4個(gè)設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)值可根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)選擇：（1）6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的安全系數(shù)應(yīng)高達(dá)2（現(xiàn)場(chǎng)工程師在機(jī)器人設(shè)計(jì)中建議最佳安全系數(shù)為2） ），（2）應(yīng)盡量減少機(jī)構(gòu)的質(zhì)量。 可以以與多目標(biāo)問(wèn)題類(lèi)似的方式指定標(biāo)準(zhǔn)。 因此，該多目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)由等式（1）給出。
這里sf1和sf2表示縮放因子。而且，w1和w2是加權(quán)因子。根據(jù)等式（1）選擇適當(dāng)?shù)闹亓亢捅壤蜃又怠Ｓ捎诙嗄繕?biāo)標(biāo)準(zhǔn)必須是線(xiàn)性組合函數(shù)，因此0.5的值已分配給w1和w2。同時(shí)，sf1和sf2的常數(shù)分別由0.5和0.5給出，以便將客觀(guān)標(biāo)準(zhǔn)的最大值的上限值設(shè)置為1.根據(jù)DOE，進(jìn)行了16次分析。圖16顯示了使用ANSYS?Workbench通過(guò)靜態(tài)分析執(zhí)行的16個(gè)結(jié)果。因此，與其他15組設(shè)計(jì)變量相比，表3的最后一列顯示了紅色下劃線(xiàn)的最優(yōu)（對(duì)應(yīng)于目標(biāo)函數(shù)的最小值）設(shè)計(jì)變量。因此，鏈路1,2,3和4的最佳厚度均為5mm，而鏈路1,2,3和4的初始厚度分別為10mm，5mm，5mm，10mm，如表1所示?？梢宰⒁獾?，最優(yōu)設(shè)計(jì)（或最佳厚度）具有目標(biāo)函數(shù)的值（即0.09653），包括安全系數(shù)2.7065和質(zhì)量0.145kg，遠(yuǎn)小于初始設(shè)計(jì)的情況，目標(biāo)值（即0.27631）功能包括安全系數(shù)3.6751和初始質(zhì)量0.241kg的情況，如表3中的第17行（下劃線(xiàn)為藍(lán)色）所示。特別是鏈節(jié)的材料是經(jīng)過(guò)特殊熱處理的AL 7075-O（ss）。因此，我們可以得出結(jié)論，與Robot Valley，Inc。的專(zhuān)家進(jìn)行的初始設(shè)計(jì)相比，4個(gè)鏈路的最佳設(shè)計(jì)具有接近2的最佳安全系數(shù)以及具有4個(gè)鏈路的最小質(zhì)量。 - 包括具有這些最佳尺寸的6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的管道清潔機(jī)器人如圖17所示。該原型機(jī)與Robot Valley，Inc。合作進(jìn)行清潔測(cè)試。
表3
正交陣列
圖16使用ANSYS?Workbench進(jìn)行靜態(tài)分析的結(jié)果之一
圖17管內(nèi)清洗機(jī)器人的原型，包括最佳尺寸的六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)
5. 結(jié)論
最近，由于垃圾自動(dòng)收集設(shè)施（即GACF）被廣泛安裝在韓國(guó)首爾大都市區(qū)，因此對(duì)管道內(nèi)清潔機(jī)器人的興趣正在增加。在GACF中，當(dāng)垃圾移動(dòng)時(shí)，我們必須去除粘附在垃圾內(nèi)表面的雜質(zhì)管（直徑：300mm或400mm）。因此，在本文中，通過(guò)使用TRIZ（俄語(yǔ)縮寫(xiě)中的問(wèn)題解決的發(fā)明理論），我們提出了一種GACF的管道內(nèi)清潔機(jī)器人，其具有6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)以適合管道的內(nèi)表面使用氣動(dòng)壓力（不是彈簧）。所提出的用于GACF的管道內(nèi)清潔機(jī)器人本身可以具有向前/向后移動(dòng)以及刷子在清潔中的旋轉(zhuǎn)。機(jī)器人本體應(yīng)具有適合直徑為300mm的較小管道的有限尺寸。另外，對(duì)于直徑為400mm的管道，機(jī)器人的連桿應(yīng)通過(guò)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑?；谶@種概念設(shè)計(jì)，我們與韓國(guó)Robot Valley公司的現(xiàn)場(chǎng)工程師合作，建立了機(jī)器人的初始設(shè)計(jì)。對(duì)于管道內(nèi)清潔機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)，當(dāng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿伸展到適合直徑400mm的管道時(shí)，使用RecurDyn?模擬機(jī)器人與管道內(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力。 。利用基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的ANSYS?Workbench（簡(jiǎn)稱(chēng)DOE），模擬了最大沖力對(duì)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)6連桿施加的應(yīng)力。最后確定了最佳尺寸，包括4個(gè)連桿的厚度，以便在本文中具有最佳安全系數(shù)2，并且具有4個(gè)連桿的最小質(zhì)量。經(jīng)驗(yàn)證，與機(jī)器人谷公司專(zhuān)家進(jìn)行的初步設(shè)計(jì)相比，4連桿的最佳設(shè)計(jì)具有接近2的最佳安全系數(shù)以及最小質(zhì)量為4連桿。管內(nèi)原型清潔機(jī)器人包括具有這些最佳尺寸的6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，已經(jīng)與Robot Valley，Inc。合作開(kāi)發(fā)了清潔測(cè)試。為了進(jìn)一步研究這個(gè)原型，現(xiàn)有的清潔工具需要重新設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單有效的類(lèi)型，因?yàn)槠浞此⒌膹?fù)雜機(jī)理。
管道清洗機(jī)器人的優(yōu)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要 最近 由于垃圾自動(dòng)收集設(shè)施 即 GACF 被廣泛安裝在韓國(guó)首爾大都市 區(qū) 因此對(duì)管道中可用的清潔機(jī)器人 稱(chēng)為管道內(nèi)清潔機(jī)器人 的興趣正在增加 到目前為止 關(guān)于管道內(nèi)機(jī)器人的研究一直專(zhuān)注于檢查而不是清潔 在 GACF 中 當(dāng)垃圾移動(dòng)時(shí) 我們必須去除粘在管道內(nèi)表面上的雜質(zhì) 直徑 300mm 或 400mm 因此 在本文中 通過(guò)使用 TRIZ 俄語(yǔ)縮寫(xiě)中的問(wèn)題解決的發(fā)明理論 我們將提出一種 GACF 的管道內(nèi)清潔機(jī)器人 其具有 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 可以調(diào) 節(jié)以適合管道的內(nèi)表面使用氣動(dòng)壓力 不是彈簧 所提出的用于 GACF 的管道 內(nèi)清潔機(jī)器人本身可以具有向前 向后移 動(dòng)以及刷子在清潔中的旋轉(zhuǎn) 機(jī)器人本 體應(yīng)具有適合直徑為 300mm 的較小管道的有限尺寸 另外 對(duì)于直徑為 400mm 的管道 機(jī)器人的連桿應(yīng)通過(guò)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑 基于使用 TRIZ 的概念設(shè)計(jì) 我們將與韓國(guó) Robot Valley 公司的現(xiàn)場(chǎng)工程師合作 建立機(jī)器人的 初始設(shè)計(jì) 對(duì)于管內(nèi)清洗機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì) 利用機(jī)器人與管道內(nèi)表面碰撞的最 大沖擊力進(jìn)行模擬 當(dāng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的鏈接被拉伸以適合時(shí) RecurDyn 進(jìn)入 400 毫 米直徑的管道 利用基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的 ANSYS Workbench 簡(jiǎn)稱(chēng) DOE 模擬最 大沖擊力對(duì)滑動(dòng) 機(jī)構(gòu) 6 連桿施加的應(yīng)力 最后 將確定最佳尺寸 包括 4 個(gè)連桿 的厚度 以便在本文中具有最佳安全系數(shù) 2 并且具有 4 個(gè)連桿的最小質(zhì)量 它 將被驗(yàn)證與 Robot Valley Inc 專(zhuān)家的初步設(shè)計(jì)相比 4 連桿的最佳設(shè)計(jì)具有接 近 2 的最佳安全系數(shù)以及最小質(zhì)量的 4 個(gè)連桿 此外 管道內(nèi)清潔機(jī)器人的原型 將進(jìn)一步研究說(shuō)明 關(guān)鍵詞 管道內(nèi)清潔機(jī)器人 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) TRIZ 優(yōu)化設(shè)計(jì) RecurDyn 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) DOE ANSYS Workbench 1 引言 最近 由 于垃圾自動(dòng)收集設(shè)施 即 GACF 被廣泛安裝在韓國(guó)首爾大都市區(qū) 因此對(duì)管道中可操作的清潔機(jī)器人 我們將此稱(chēng)之為機(jī)器人管道清潔機(jī)器人 的 興趣正在增加 盡管根據(jù)調(diào)查 韓國(guó) GACF 處于初始階段 但據(jù)報(bào)道 通過(guò)解 決現(xiàn)有手動(dòng)拾取方式導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題 包括公寓之美 居民滿(mǎn)意度較高 然而 GACF 仍然存在設(shè)備安裝費(fèi)用昂貴 運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高 食物垃圾收集率和回收率下降 等問(wèn)題 這意味著 GACF 需要提高穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)技能 到目前為止 韓國(guó)垃圾收集的方式如下 當(dāng) 我們把垃圾放在塑料袋里并放在 某個(gè)地方時(shí) 一輛皮卡車(chē)會(huì)繞過(guò)那個(gè)區(qū)域 并撿起垃圾 通常垃圾暴露在道路上 而狗 貓或老鼠等通常會(huì)損壞垃 圾袋 因此 城市的美麗可能會(huì)受到破壞 特 別是在夏天 此外 垃圾袋會(huì)導(dǎo)致蒼蠅或有害昆蟲(chóng)的惡臭 因此 這種垃圾處 理系統(tǒng)可以歸結(jié)為不衛(wèi)生 與目前韓國(guó)垃圾處理和拾取系統(tǒng)的這種不方便且不衛(wèi)生的方式相比 GACF 具有定期安裝的僅垃圾槽 在 GACF 中 管道在地下構(gòu)建 使用戶(hù)能夠扔垃圾 袋 將垃圾暫時(shí)存放在插槽的底部后 將其連接到與管道連接的存儲(chǔ)區(qū)域 因 此 GACF 不需要任何人力來(lái)拾取 垃圾 并且進(jìn)一步是環(huán)境友好的系統(tǒng) 垃圾不 會(huì)暴露在外面 與現(xiàn)有的 人力和車(chē) 輛接送方式相比 GACF 擁有一個(gè)中央收集的設(shè)施 在地 下建造的管道中提供約 60 70km h 的高速運(yùn)行空氣 GACF 可以根據(jù)垃圾的類(lèi) 型 易燃或不易燃 將垃圾放入垃圾焚燒爐 加工后的垃圾可以運(yùn)到 集裝箱車(chē) 輛的最終處置場(chǎng)地 圖 1 顯示了 GACF 的關(guān)鍵圖 圖 1 GACF 的關(guān)鍵圖 如上所述 GACF 可以快速收集生活垃圾 此外 GACF 可以將生活垃圾 運(yùn)送到最終處置場(chǎng)所 即垃圾焚燒爐 具體而言 當(dāng)居民將家庭垃圾扔進(jìn) GACF 的輸入槽時(shí) 垃圾通過(guò)與收集場(chǎng)地相連的管道運(yùn)輸 在 收集的場(chǎng)地 GACF 操 作一個(gè)與管道連接的鼓風(fēng)機(jī) 并從進(jìn)氣口吸入空氣 如圖 1 所示 此時(shí) 根據(jù) 氣流 GACF 收集生活垃圾 為了長(zhǎng)期穩(wěn)定地維 護(hù) GACF 管道內(nèi)清潔很重要 在不久的將來(lái) 需要開(kāi)發(fā)一種具有自動(dòng)運(yùn)動(dòng)的管道內(nèi)清潔機(jī)器人 以使管道清潔 管道清洗機(jī)器人的使用可以使管道老化延遲 從而可以降低管道更換成本 到目前為止 關(guān)于管道內(nèi)機(jī)器人的研究一直專(zhuān)注于檢查而不是清潔 例如 Roh 等人 開(kāi)發(fā)了一種用于地下燃?xì)夤艿赖牟顒?dòng)驅(qū)動(dòng)管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人 此外 Choi 等人 開(kāi)發(fā)了一種管內(nèi)檢查 清潔機(jī)器人 它可以通過(guò) 使用帶彈簧的輪子粘 在管道的內(nèi)表面上 如圖 2 所示 這種機(jī)器人有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn) 即機(jī)器人可以 與 當(dāng)一個(gè)輪子在管道的分支點(diǎn)處無(wú)效時(shí) 管道的內(nèi)表面 圖 2 管道內(nèi)檢查 清潔機(jī)器人 Choi 等人 在 GACF 中 當(dāng)垃圾移動(dòng)時(shí) 我們必須去除粘在管道內(nèi)表面上的雜質(zhì) 直 徑 300mm 或 400mm 因此 在本文中 我們將 開(kāi)發(fā)一種 GACF 管道內(nèi)清潔 機(jī)器人 其滑動(dòng)機(jī)構(gòu)可以通過(guò)氣動(dòng)壓力 不是彈簧 調(diào)節(jié)到適合管道內(nèi)表面 所 提出的用于 GACF 的管道內(nèi)清潔機(jī)器人本身可以具有向前 向后移動(dòng)以及清潔時(shí) 刷子的旋轉(zhuǎn) 機(jī)器人本體應(yīng)具有適合直徑為 300mm 的較小管道的有限尺寸 另 外 對(duì)于直徑為 400mm 的管道 機(jī)器人的連桿應(yīng)通過(guò)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道 的直徑 機(jī)器人前部有一個(gè) 攝像頭和一個(gè)旋轉(zhuǎn)刷 可同時(shí)進(jìn)行清潔和檢查 此 外 它可以通過(guò)使兩個(gè)刷子彼此反向旋轉(zhuǎn)來(lái)提高清潔效率 本文的結(jié)構(gòu)如下 第二節(jié)通過(guò)使用 TRIZ 俄語(yǔ)縮寫(xiě)中的問(wèn)題解決的發(fā)明理 論 解釋了所提出 的管道內(nèi)清潔機(jī)器人的概念設(shè)計(jì) 基于這種概念設(shè)計(jì) 我們將 與韓國(guó) Robot Valley 公司的現(xiàn)場(chǎng)工程師合作 建立機(jī)器人的初始設(shè)計(jì) 對(duì)于管道 內(nèi)清潔機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì) 在第 三節(jié)中 當(dāng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿拉伸到 400mm 時(shí) 使用 RecurDyn 模擬機(jī)器人與管道內(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力 管道直徑 在第四節(jié)中 通過(guò)使用 ANSYS Workbench 基于最大沖擊力對(duì)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的 6 個(gè) 連桿施加的應(yīng)力進(jìn)行模擬 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)稱(chēng) DOE 最后 將確定最佳尺寸 包 括 4 個(gè)連桿的厚度 以便在本文中具有最佳安全系數(shù) 2 并且具有 4 個(gè)連桿的最 小質(zhì)量 第五節(jié)將得出結(jié)論 2 基于 TRIZ 的管道清洗機(jī)器人的基本設(shè)計(jì) 提出的管道內(nèi)清潔的概念設(shè)計(jì)機(jī)器人使用 TRIZ 的 6SC 執(zhí)行如下 A 6SC 的第 1 步 圖片中的問(wèn)題 陳述 圖 3 顯示了管道內(nèi)清潔機(jī)器人的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì) 問(wèn)題是機(jī)器人無(wú)法裝入直徑為 300mm 400mm 的管道 因?yàn)楦鶕?jù)兩種類(lèi)型的管道 直徑為 300mm 或 400mm 它沒(méi)有任何可變機(jī)構(gòu) 圖 3 管內(nèi)清潔機(jī)器人的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì) B 6SC 的第 2 步 系統(tǒng)功能分析 為了解決上面提出的問(wèn)題 我們首先進(jìn)行系統(tǒng)功能分析 如圖 4 所示 在目標(biāo)上 機(jī)器人應(yīng)設(shè)計(jì)成適合兩種類(lèi)型的管道 直徑 300毫米或 400毫米 在該圖中 保持機(jī)器人的直徑意味著保持機(jī)器人的狀態(tài)適合管道 圖 4 系統(tǒng)功能分析 C 6SC 的第 3 步 理想的最終結(jié)果 IFR 作為 IFR 我們建議將機(jī)器人設(shè)計(jì)成適合較小直徑 即 300mm 的管子 然后以可伸縮的形式裝入較大直徑 即 400mm D 6SC 的第 4 步 矛盾和分離原則 下面的句子可以表示矛盾 兩個(gè)機(jī)器人體應(yīng)分別設(shè)計(jì)成適合兩種類(lèi)型的管 子 直徑 300mm 或 400mm 并且 機(jī)器人應(yīng)該被設(shè)計(jì)成一個(gè)整體 為了找 到矛盾問(wèn)題的解決方案 我們?cè)谙旅娴木渥又袘?yīng)用分離原則 兩種管道的每個(gè) 機(jī)器人體分別設(shè)計(jì) 然后是兩個(gè)機(jī)器人體 被放在一個(gè)機(jī)器人身上 E 6SC 的第 5 步 元素 相互作用分析 圖 5 顯 示了 元素 交互分析 在這個(gè)問(wèn)題中 元素是 機(jī)器人的身體 和 管 的直徑 這個(gè)圖表明機(jī)器人的身體設(shè)計(jì)成適合兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)直徑 300 毫米和 400 毫米 的管道作為可變機(jī)構(gòu) 圖 5 元素相互作用分析 F 6SC 的第 6 步 問(wèn)題解決和評(píng)估 問(wèn)題的暫定解決方案可以如下 對(duì)于兩種類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)化管道 300mm 或 400mm 機(jī)器人的直徑需要是可變的 如圖 6 所示 本文提出的最終問(wèn)題解決 方案是 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 以適應(yīng)直徑為 300mm 400mm 的管道 特別地 在該 解決方案中 氣動(dòng)壓力用于使滑動(dòng)機(jī)構(gòu)配合到管的內(nèi) 表面中 因此 機(jī)器人具 有三個(gè)用于一個(gè)滑塊的 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 如圖 7 所示 如該圖所示 管內(nèi)清潔機(jī) 器人具有總共六個(gè) 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 即前滑塊 3 個(gè) 后滑塊 3 個(gè) 圖 6 6 連桿滑動(dòng) 機(jī)構(gòu) 圖 7 一個(gè)滑塊的三個(gè) 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 該問(wèn)題解決方案的評(píng)估可以如下進(jìn)行 當(dāng)三個(gè)六連桿機(jī)構(gòu)中的一個(gè)落入管道 的分支點(diǎn)時(shí) 使用氣動(dòng)壓力的六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)可以通過(guò)保持機(jī)器人的直徑來(lái)逃離 分支點(diǎn) 在其他 單詞 機(jī)器人的狀態(tài)適合管道 并且可以穩(wěn)定地移動(dòng) 因?yàn)榭?以固定三個(gè) 6 連桿機(jī)構(gòu)中的兩個(gè) 如圖 8 所示 圖 8 使用分支點(diǎn)處的氣動(dòng) 壓力評(píng)估 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 3 使用 RECURDYN 進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬 基于第二節(jié)中介紹的管道內(nèi)清潔機(jī)器人的概念設(shè)計(jì) 圖 9 中提出了使用氣動(dòng) 壓力的六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的初始設(shè)計(jì) 與韓國(guó) Robot Valley 公司合作 特別是表 1 顯示了鏈路 1 至 4 的初始設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度和厚度 這些設(shè)計(jì)來(lái)自機(jī)器人谷的設(shè)計(jì)專(zhuān)家 的經(jīng)驗(yàn)知識(shí) 對(duì)于管道清洗機(jī)器人的最佳設(shè)計(jì) 最大沖擊沖擊力 通過(guò)使用 RecurDyn 多體動(dòng)力學(xué) 在本節(jié)中模擬機(jī)器人與管道內(nèi)表面之間的關(guān)系 模擬程 序 當(dāng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿伸展到適合管道直徑 400mm 時(shí) 特別是選擇 直徑為 400mm 的管道而不是 300mm 直徑的管道 因?yàn)榧僭O(shè)前者具有比后者更大的加速 度和更長(zhǎng)的位移 圖 9 采用氣動(dòng)壓力的六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 表格 1 鏈接的初始設(shè)計(jì) Links 1 2 3 4 Length mm 91 91 37 145 Thickness mm 10 5 5 10 當(dāng) 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)與初始 拉伸表 1 的長(zhǎng)度尺寸和厚度 由于氣動(dòng) 適合 400 毫米直徑的管道 它會(huì)碰撞壓力 推動(dòng)滑動(dòng)連桿 即連桿 5 與管道的內(nèi)壁 那 個(gè)時(shí)候 多體 動(dòng)態(tài)模擬程序 即 RecurDyn 用于查找 機(jī)器人之間碰撞的 最大沖 擊力和管道的內(nèi)表面 在這個(gè)動(dòng)態(tài)的第一步 仿真 6 連桿滑動(dòng)的三維建模 使用 SolidWorks 的機(jī)制 如圖 9 所示 是 導(dǎo)入 RecurDyn 在此模擬中使用的約束條件 RecurDyn 是重力 關(guān)節(jié) 固定狀態(tài) 接觸和 彈簧力條件 重力由 g 9 81m s2 提供 在圖 10 所示的方向上 設(shè)置 6 個(gè)接頭 RecurDyn 中的 Revolute Joints 如圖 10 所示 連接到接頭 1 的部分是固定的 而 下部是固定的 連接到第 2 關(guān)節(jié)不需要約束 以便它可以滑動(dòng) 圖 10 關(guān)節(jié)和固定狀態(tài)的約束 機(jī)器人六個(gè) 6 連 桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的碰撞 管道內(nèi)表面只有一個(gè)六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)為 方便起見(jiàn) 在 RecurDyn 中考慮過(guò) 2 個(gè) 6 連桿輪 滑動(dòng)機(jī)構(gòu)由內(nèi)部 固體接觸 給出側(cè)面如圖 11 所示 另外 固體接觸 條件是針對(duì)固定部件的碰撞而給出的 與 接頭 1 連接 與滑動(dòng)部分 連接到接頭 2 圖 11 接觸約束 6 連桿機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)由 氣動(dòng)壓力 但沒(méi)有氣動(dòng)壓力 RecurDyn 計(jì)劃中的 約束 在這個(gè)模擬中 我們 已賦予彈簧力氣動(dòng)壓力 的情況下 氣動(dòng)壓力 6 連 桿機(jī)構(gòu)滑動(dòng) 加速度為 2 m s2 通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬 RecurDyn 如圖 12 所示 彈簧力 條 件 彈簧常數(shù)為 5 N mm 彈簧位移為 40 mm 使 6 連桿機(jī)構(gòu)以 1 97m s2 加速度 滑動(dòng) 因此 氣動(dòng)壓力可以用彈簧力代替常數(shù) 5 N mm 位移 40 mm 圖 12 彈簧力條件 圖 13 顯示了當(dāng) 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)與管道內(nèi)側(cè) 直徑 400 mm 碰撞時(shí)使用 RecurDyn 模擬的沖擊力 如該圖所示 機(jī)構(gòu)滑動(dòng) 1 秒鐘 從彈簧力條件起作 用的瞬間 然后我們可以看到最大沖擊力約為 100N 圖 13 使用 RecurDyn 的沖擊力仿真結(jié)果 4 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 現(xiàn)在 我們處理 6 連桿滑動(dòng)的最佳設(shè)計(jì) 本節(jié)中的管道內(nèi)清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu) 首先 最大沖擊力 即通過(guò)前一節(jié)中使用 RecurDyn 的動(dòng)態(tài)模擬獲得的 100N 加載到 6 輪鏈滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的車(chē)輪 1 的點(diǎn)上 如圖 14 所示 3 D 模型 ANSYS Workbench 我們假設(shè)車(chē)輪 1 在動(dòng)態(tài)模擬中比車(chē)輪 2 更早地與管道內(nèi) 側(cè)發(fā)生碰撞 因?yàn)檐?chē)輪 1 與 6 車(chē)道機(jī)構(gòu)的距離比車(chē)輪 2 短 然后使用 ANSYS Workbench 進(jìn)行靜態(tài)分析基于 DOE 也就是說(shuō) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 以獲得 4 個(gè)設(shè)計(jì)變量的最佳尺寸 即如圖 15 所示的 4 個(gè)鏈節(jié)的厚 度 圖 14ANSYS Workbench 的三維模型 圖 15 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 俯視圖 DOE 通常用于通過(guò)對(duì)給定設(shè)計(jì) 或性能測(cè)試 問(wèn)題執(zhí)行最小模擬 或?qū)嶒?yàn) 來(lái)提取最大信息 DOE 可以幫助確定定量 關(guān)于問(wèn)題中每個(gè)設(shè)計(jì) 或?qū)嶒?yàn) 因素 或變量 的影響 這導(dǎo)致找到設(shè)計(jì) 或?qū)嶒?yàn) 變量的最佳值 在 6 連桿機(jī)構(gòu) 的設(shè)計(jì)中 設(shè)計(jì)變量的數(shù)量 統(tǒng)計(jì)術(shù)語(yǔ)中的控制因子 是表 4 中所示的四個(gè)等級(jí) 中的四個(gè) 表 2 顯示了機(jī)器人谷的現(xiàn)場(chǎng)工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)所產(chǎn)生的每個(gè)因素的水 平 對(duì)于這種 6 鏈路機(jī)制 四級(jí)四設(shè)計(jì)變量的正交陣列 L16 是使 用 DOE 特 別是 MINITAB 而不是全 256 44 生成的 表 2 設(shè)計(jì)變量的水平 Level Factor 1 2 3 4 Link1 Thickness mm 5 10 3 8 Link2 Thickness mm 5 10 3 8 Link3 Thickness mm 5 10 3 8 Link4 Thickness mm 5 10 3 8 基于表 3 的正交陣列 L16 使用 ANSYS Workbench 對(duì) 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 進(jìn)行 16 次靜態(tài)分析 4 個(gè)設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)值可根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)選擇 1 6 連桿 滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的安全系數(shù)應(yīng)高達(dá) 2 現(xiàn)場(chǎng)工程師在機(jī)器人設(shè)計(jì)中建議最佳安全系數(shù)為 2 2 應(yīng)盡量減少機(jī)構(gòu)的質(zhì)量 可以以與多目標(biāo)問(wèn)題類(lèi)似的方式指定標(biāo)準(zhǔn) 因此 該多目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)由等式 1 給出 這里 sf1 和 sf2 表示縮放因子 而且 w1 和 w2 是加權(quán)因子 根據(jù)等式 1 選擇適當(dāng)?shù)闹亓亢捅壤蜃又?由于多目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)必須是線(xiàn)性組合函數(shù) 因此 0 5 的值已分配給 w1 和 w2 同時(shí) sf1 和 sf2 的常數(shù)分別由 0 5 和 0 5 給出 以便將 客觀(guān)標(biāo)準(zhǔn)的最大值的上限值設(shè)置為 1 根據(jù) DOE 進(jìn)行了 16 次分析 圖 16 顯示 了 使用 ANSYS Workbench 通過(guò)靜態(tài)分析執(zhí)行的 16 個(gè)結(jié)果 因此 與其他 15 組設(shè)計(jì)變量相比 表 3 的最后一列顯示了紅色下劃線(xiàn)的最優(yōu) 對(duì)應(yīng)于目標(biāo)函數(shù)的 最小值 設(shè)計(jì)變量 因此 鏈路 1 2 3 和 4 的最佳厚度均為 5mm 而鏈路 1 2 3 和 4 的初始厚度分別為 10mm 5mm 5mm 10mm 如表 1 所示 可以注意到 最優(yōu)設(shè)計(jì) 或最佳厚度 具有目標(biāo)函數(shù)的值 即 0 09653 包括安全系數(shù) 2 7065 和質(zhì)量 0 145kg 遠(yuǎn)小于初始設(shè)計(jì)的情況 目標(biāo)值 即 0 27631 功能包括安全系 數(shù) 3 6751 和初始質(zhì)量 0 241kg 的情況 如表 3 中的第 17 行 下劃線(xiàn)為藍(lán)色 所 示 特別是鏈節(jié)的材料是經(jīng)過(guò)特殊熱處理的 AL 7075 O ss 因此 我們可以 得出結(jié)論 與 Robot Valley Inc 的專(zhuān)家進(jìn)行的初始設(shè)計(jì)相比 4 個(gè)鏈路的最佳 設(shè)計(jì)具有接近 2 的最佳安全系數(shù)以及具有 4 個(gè)鏈路的最小質(zhì)量 包括 具有這 些最佳尺寸的 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的管道清潔機(jī)器人如圖 17 所示 該原型機(jī)與 Robot Valley Inc 合作進(jìn)行清潔測(cè)試 表 3 正交陣列 圖 16 使用 ANSYS Workbench 進(jìn)行靜態(tài) 分析的結(jié)果之一 圖 17 管內(nèi)清洗機(jī)器人的原型 包括最佳尺寸的六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 5 結(jié)論 最近 由于垃圾自動(dòng)收集設(shè)施 即 GACF 被廣泛安裝在韓國(guó)首爾大都市區(qū) 因此對(duì)管道內(nèi)清潔機(jī)器人的興趣正在增加 在 GACF 中 當(dāng)垃圾移動(dòng)時(shí) 我們 必須去除粘附在垃圾內(nèi)表面的雜質(zhì) 管 直徑 300mm 或 400mm 因此 在本 文中 通過(guò)使用 TRIZ 俄語(yǔ)縮寫(xiě)中的問(wèn)題解決的發(fā)明理論 我們提出了一種 GACF 的管道內(nèi)清潔機(jī)器人 其具有 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 可以調(diào)節(jié)以適合管道的內(nèi) 表面使用氣動(dòng)壓力 不是彈簧 所提出的用于 GACF 的 管道內(nèi)清潔機(jī)器人本身 可以具有向前 向后移動(dòng)以及刷子在清潔中的旋轉(zhuǎn) 機(jī)器人本體應(yīng)具有適合直徑 為 300mm 的較小管道的有限尺寸 另外 對(duì)于直徑為 400mm 的管道 機(jī)器人 的連桿應(yīng)通過(guò)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑 基于這種概念 設(shè)計(jì) 我們與韓國(guó) Robot Valley 公司的現(xiàn)場(chǎng)工 程師合作 建立了機(jī)器人的初始設(shè)計(jì) 對(duì)于管道內(nèi)清 潔機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì) 當(dāng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿伸展到適合直徑 400mm 的管道時(shí) 使 用 RecurDyn 模擬機(jī)器人與管道內(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力 利用基于實(shí) 驗(yàn)設(shè)計(jì)的 ANSYS Workbench 簡(jiǎn)稱(chēng) DOE 模擬了最大沖力對(duì)滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 6 連桿 施加的應(yīng)力 最后確定了最佳尺寸 包括 4 個(gè)連桿的厚度 以便在本文中具有最 佳安全系數(shù) 2 并且具有 4 個(gè)連桿的最小質(zhì)量 經(jīng)驗(yàn)證 與機(jī)器人谷公司專(zhuān)家進(jìn) 行的初步設(shè)計(jì)相比 4 連桿的最佳設(shè)計(jì)具有接 近 2 的最佳安全系數(shù)以及最小質(zhì)量 為 4 連桿 管內(nèi)原型清潔 機(jī)器人包括具有這些最佳尺寸的 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 已經(jīng) 與 Robot Valley Inc 合作開(kāi)發(fā)了清潔測(cè)試 為了進(jìn)一步研究這個(gè)原型 現(xiàn)有的 清潔工具需要重新設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單有效的類(lèi)型 因?yàn)槠浞此⒌膹?fù)雜機(jī)理 城市道路鋼護(hù)欄清洗箱設(shè)計(jì)
目 錄
目 錄 ……………………………………………………………………………1
第一章 緒論……………………………………………………………………2
第二章 總體設(shè)計(jì)………………………………………………………………3
第三章 清洗箱設(shè)計(jì)……………………………………………………………6
3.1設(shè)計(jì)要求……………………………………………………………………6
3.2設(shè)計(jì)參數(shù)……………………………………………………………………6
3.2.1橫梁…………………………………………………………………7
3.2.2伸縮桿………………………………………………………………7
3.2.3轉(zhuǎn)軸…………………………………………………………………10
3.2.4軸承的選取…………………………………………………………10
第四章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………………11
4.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求……………………………………………………………11
4.1.1工況分析……………………………………………………………11
4.1.2液壓缸的主要參數(shù)的確定…………………………………………12
4.2液壓系統(tǒng)圖的擬訂…………………………………………………………14
4.2.1液壓回路的選擇……………………………………………………14
4.2.2擬定液壓系統(tǒng)圖……………………………………………………15
4.2.3液壓元件的選擇……………………………………………………15
4.3液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算………………………………………………………17
4.3.1回路壓力損失驗(yàn)算…………………………………………………17
4.3.2系統(tǒng)動(dòng)作過(guò)程分析…………………………………………………17
設(shè)計(jì)總結(jié)……………………………………………………………………………19
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………20
摘要:
本文就現(xiàn)有城市道路鋼護(hù)欄設(shè)備所存在的一些問(wèn)題對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì).主要設(shè)計(jì)了清洗車(chē)清洗箱液壓系統(tǒng)及清洗箱機(jī)械結(jié)構(gòu)部分.重點(diǎn)是對(duì)其運(yùn)動(dòng)所需控制系統(tǒng),機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算.包括箱體結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算.液壓零件選取等.
關(guān)鍵詞:
清洗箱,液壓系統(tǒng),液壓零件.
Abstract:
This text as to it's the current city road steel column equipments a some problem for exsitting proceed design afresh.The main design settles to wash the car washes a liquid presses the system and washes a machine construction the part.Point is as to it's exercise need to control the system, the machine construction proceed the design the calculation.Include a construction size calculation.The liquid presses the spare parts selects by examinations etc..
Key word:
Wash box, the liquid presses the system, the liquid presses the spare parts.
第一章 緒論
目前,城市道路隔離帶護(hù)欄的清洗多數(shù)是用人工清洗,勞動(dòng)強(qiáng)度大,效率低,而且還存在著人身安全問(wèn)題。偶爾也有個(gè)別地方在灑水車(chē)的側(cè)面或前面加上一個(gè)可以低速旋轉(zhuǎn)的毛刷在噴淋情況下刷洗護(hù)欄,但是,由于毛刷不能橫向移動(dòng),也不能升降運(yùn)動(dòng),所以刷洗面很有限,刷洗效果也欠佳。
城市道路護(hù)欄,多為鋼制焊接成各種網(wǎng)格圖案,幾十種形狀及尺寸使鋼護(hù)欄難以規(guī)范和統(tǒng)一。近年來(lái),鑄鐵鋼花護(hù)欄、不銹鋼護(hù)欄也十分普遍。清洗城市道路鋼護(hù)欄,一般采用人工刷洗或涂漆蓋污的方法,但由于街道行駛車(chē)輛多,人工在此環(huán)境下刷洗很不安全、且洗潔率極低,無(wú)法達(dá)到城市環(huán)衛(wèi)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)部分城市(如北京,上海,廣州,成都等地)研制使用的護(hù)欄清洗車(chē),有如下缺陷:由于車(chē)輛行駛線(xiàn)路不能適時(shí)與道路曲線(xiàn)平行,無(wú)法刷到車(chē)行逆向的平面;而多種規(guī)格的網(wǎng)孔花紋圖案加之車(chē)速過(guò)快,使刷子無(wú)法“伸入”網(wǎng)格內(nèi)清洗;凡此種種,最終的洗潔率約為35%。為此,我設(shè)計(jì)了采用雙液壓規(guī)避機(jī)構(gòu)，可橫向與上下升降運(yùn)動(dòng)的城市道路鋼護(hù)欄清洗車(chē)的清洗箱。
第二章 總體設(shè)計(jì)
護(hù)欄清洗車(chē)由底盤(pán)、水罐、清洗液水箱、橫向水平伸縮機(jī)構(gòu)、垂直舉升機(jī)構(gòu)、柱刷及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓傳動(dòng)及控制系統(tǒng)、水路系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成,其外形如圖2-1示．
圖2-1
該車(chē)采用載重為2.75T的東風(fēng)EQ1061G2D2汽車(chē)底盤(pán)改制而成,取力器的離合采用推拉軟軸控制,伸縮機(jī)構(gòu)手柄、舉升機(jī)構(gòu)手柄、水泵控制手柄及柱刷控制手柄均集中分布在駕駛室內(nèi)。整車(chē)參數(shù)如下：
整車(chē)外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：6480×2200×2850mm
工作尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：6480×3100×3140mm
水箱最大容積：3m3
水箱額定容積：2.3m3
清洗液箱容積：0.1m3
液壓系統(tǒng)額定壓力：6.3MPa
柱刷橫向伸縮距離：700mm
柱刷上下往復(fù)距離：600mm
整車(chē)整備質(zhì)量：5000kg
滿(mǎn)載總質(zhì)量：7800kg
工作尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：6480×3100×3140mm
水路壓力：0.5MPa
清洗道路護(hù)欄車(chē)速：3~4km/h
發(fā)動(dòng)機(jī)功率：88Kw/2800r/min
發(fā)動(dòng)機(jī)額定扭矩：343N.m/1500～1800r/min
輪距（前/后）：1750/1586
發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)：EQD6102-1型
底盤(pán)型號(hào)：EQ1061G2D2
軸距：3650mm
水箱及清洗液水箱
水箱為鋼板焊接件,設(shè)計(jì)最大容積為3ｍ3,額定容積為2 3ｍ3,其橫斷面為橢圓形。箱體前左側(cè)呈凹狀缺口,以利于安裝垂直舉升機(jī)構(gòu)及柱形毛刷。箱內(nèi)焊接有三道防波板,以減少因行駛時(shí)水流對(duì)箱的沖擊力。在水箱后頂部設(shè)有人孔及爬梯,以方便對(duì)箱體內(nèi)部檢修及清洗工作。水箱內(nèi)部還涂有防銹涂層,以減少水對(duì)箱體腐蝕。清洗液水箱利用不銹鋼板焊接而成,能有效避免清洗劑本身對(duì)金屬的腐蝕。箱內(nèi)設(shè)計(jì)有防波層,其設(shè)計(jì)容積為0.1m3。
水箱外觀(guān)如圖2-2所示：
圖2-2
清洗液箱采用全不銹鋼焊制，外觀(guān)如圖2-3所示：
圖2-3
液壓油箱采用鋼板焊制而成。
清洗箱結(jié)構(gòu)見(jiàn)后。
第三章 清洗箱設(shè)計(jì)
3.1設(shè)計(jì)要求
系統(tǒng)工作環(huán)境為城市道路由于外界的影響，所以非常不穩(wěn)定。而且系統(tǒng)由于清洗對(duì)象具有多樣性，可以針對(duì)不同的護(hù)欄進(jìn)行清洗，所以在設(shè)計(jì)時(shí)只須確定最大工作強(qiáng)度對(duì)其進(jìn)行校核。
3.2設(shè)計(jì)參數(shù)
系統(tǒng)清洗箱裝配圖主視圖（草圖）如圖3-1所示：
圖3-1
其俯視圖（草圖）如圖3-2所示：
圖3-2
3.2.1橫梁
對(duì)橫梁，由于安裝尺寸的需要，必須裝上兩馬達(dá)且要安裝在兩伸縮桿上,設(shè)計(jì)尺寸為[長(zhǎng)寬高=930150120（mm）],用45號(hào)鋼機(jī)械加工造成，零件圖見(jiàn)附圖。橫梁上只有兩個(gè)柱刷清洗系統(tǒng)重量為：G3 =24.502+2070kg
由經(jīng)驗(yàn)可知其強(qiáng)度與剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大雨所須強(qiáng)度與剛度，故無(wú)須校核。
3.2.2伸縮桿
對(duì)伸縮桿進(jìn)行設(shè)計(jì)校核：
由于行程為伸縮距離700mm，故初定尺寸如圖3-3示：
圖3-3
其尺寸為：[長(zhǎng)寬高=17808080（mm）]
工件由45號(hào)鋼機(jī)械加工而成。
對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核：
其受力圖如圖3-4所示：
液壓馬達(dá)選取為：ZM-40 ，質(zhì)量：15.68kg。
所以有：G橫梁=（930150120）7.8103130kg=1300N
所以G1=G橫梁＋G馬達(dá)＋G附＝1300+156.82+N2000N
G2=0.08*0.08*1*7.8X103=5000N
f=1000N
G3=0.08*0.08*0.7*7.8*103=350N
由力矩平衡可得平衡方程：
f0.8+G11+G20.5=G30.35+FB0.7
帶入得：10000.8+20001+5000.5=3500.35+FB0.7
解得 FB＝4182N
又FA=FB+G1+G2+G3
所以 FA=7032N
圖3-4
故：
?。蚼ax=f0.8+20001+5000.5=3050 N.m
其中安全系數(shù)為２．
所以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求．
3.2.3轉(zhuǎn)軸
對(duì)轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)校核：
一般護(hù)欄高度為1.2m以下，故設(shè)計(jì)時(shí)毛刷長(zhǎng)度為1400mm，其草圖如圖3-5：
圖3-5
需要有清潔水與清潔液從轉(zhuǎn)軸中流出,故選擇如上圖所示工件,工件由45號(hào)鋼加不銹鋼無(wú)縫管焊接而成，中間鉆有一些小孔以便清潔液的流出。故計(jì)算是需要有大的保險(xiǎn)系數(shù)，我們選擇為3。
最大摩擦力為F=1000N。
則其最大轉(zhuǎn)矩為：
由
所以
故零件尺寸滿(mǎn)足工作需求。
3.2.4軸承的選取
選用兩種軸承分別為：向心軸承（GB273.3-82）直徑系列為1，寬度系數(shù)為0的正常型軸承。其中
雙向推力軸承（GB273.2-81），直徑系列2。寬度正常的軸承。
其中
第四章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
此系統(tǒng)主要完成對(duì)城市道路鋼護(hù)欄的清洗工作。所須完成動(dòng)作包括橫向水平運(yùn)動(dòng)、垂直上下運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于汽車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)與護(hù)欄的平行度不能保持絕對(duì)一致，故柱刷與護(hù)欄之間存在碰撞與分離現(xiàn)象，設(shè)計(jì)中必須消除這兩種情況的發(fā)生，為此設(shè)計(jì)液壓自動(dòng)規(guī)避裝置。前后兩液壓油缸在壓力作用下可自動(dòng)發(fā)生規(guī)避。以達(dá)到清洗的潔度與保護(hù)裝置。
液壓系統(tǒng)的工作壓力在一定范圍內(nèi)均為可調(diào)，以滿(mǎn)足對(duì)不同護(hù)欄的清洗工作。由于主要完成清洗工作，故系統(tǒng)精度要求一般。對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定性，因工作環(huán)境差，外界干擾大，故系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定要求。
4.1.1 工況分析
系統(tǒng)工作時(shí)主要工作工況為橫向伸縮、垂直升降、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其各部分工作所需最大負(fù)載如表4-1所示：
表4-1 工況分析
工況
負(fù)載組成
負(fù)載值
負(fù)載/
水平移動(dòng)
F=f+f’
1000+100=1100N
1200N
垂直升降
F=G
2000+500+350=2850N
3170N
旋轉(zhuǎn)
M=f.R
0.21000=200N.m
220N.m
注：１、液壓缸的機(jī)械效率?。?.9
２、不考慮滑臺(tái)在導(dǎo)桿上的顛覆力作用，不計(jì)導(dǎo)套與導(dǎo)桿之間的摩擦。
4.1.2 液壓缸主要參數(shù)的確定
由[1]《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》第二版（華中科技大學(xué)出版社）P270表９－２先選取執(zhí)行元件工作壓力．則P1=4MPa．
水平移動(dòng)缸由于要使其在一定的壓力下可以自動(dòng)調(diào)節(jié),所以缸應(yīng)采用兩桿結(jié)構(gòu),因?yàn)閷?duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)可以在兩端壓力不對(duì)稱(chēng)時(shí)調(diào)節(jié)更為快捷與方便。
伸縮克服最大力設(shè)定為F＝1000N,在水平作用時(shí)，系統(tǒng)須保持一定的轉(zhuǎn)軸對(duì)護(hù)欄的壓力，也要使儲(chǔ)能器有一定的壓力以便在儲(chǔ)能器中有一定的液壓油使得當(dāng)在壓力達(dá)到一定程度時(shí)系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行一定的緩沖，從而保護(hù)轉(zhuǎn)軸不受到撞擊而受到損壞．又要使其能在一定范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，所以選用一調(diào)壓閥作為背壓閥。調(diào)壓閥最大背壓為：。在工作進(jìn)油時(shí)，因液壓缸工作為可調(diào)，故在進(jìn)油前也必須使用一調(diào)壓閥對(duì)伸縮桿對(duì)護(hù)欄工作壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。其調(diào)節(jié)壓力為：
垂直升降缸，對(duì)其進(jìn)油設(shè)定一單向閥，防止在回油時(shí)由于系統(tǒng)自重而使得液壓油回流．系統(tǒng)最大壓力為：．采用單桿缸．系統(tǒng)提供壓力為：
所以，液壓缸選取為：
水平伸縮缸：
采用長(zhǎng)江液壓件廠(chǎng)的型號(hào)為：ＨＳＧＬ－６３／dＥ
公稱(chēng)壓力：10MPa 液壓缸外徑：Ｄ１＝１０２mm
缸徑： D=80mm 桿徑：d=45.
行程： L=800mm 速比：1.46
垂直液壓缸：
采用首鋼液壓機(jī)械廠(chǎng)的型號(hào)為：ＳＤＧ－８０／５０Ａ－e
缸徑：Ｄ＝９０mm 桿徑：d＝４５mm
推力：８２００Ｎ 拉力：８９５０Ｎ
行程：Ｌ＝８００mm 速比：1.46
對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)，采用天津液壓件廠(chǎng)的觸式通軸馬達(dá)；其尺寸如圖4-1所示：圖4-1
排量：25／(Ml/r) 壓力：６.3/MPa
轉(zhuǎn)速范圍：Rmin=30(r/min) R額定＝1500(r/min) Rmax=2000(r/min)
5MPa時(shí)轉(zhuǎn)矩：24.50(N.m)
容積效率： 總效率：
質(zhì)量：15.78kg
4.2 液壓系統(tǒng)圖的擬訂
4.2.1液壓回路的選擇
4.2.1.1選擇調(diào)速回路。
由系統(tǒng)要求可知，柱刷在清洗過(guò)程中對(duì)于不同的工作對(duì)象需要有不同的轉(zhuǎn)速，所以馬達(dá)的轉(zhuǎn)速必須為可調(diào)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)動(dòng)效率小，轉(zhuǎn)速低，工作負(fù)載的變化在橫向系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)下工作負(fù)載小，故可采用進(jìn)口節(jié)油。
4.2.1.2水平伸縮機(jī)構(gòu)。
由于用兩個(gè)柱刷，排列在同一橫桿上，當(dāng)出現(xiàn)護(hù)欄轉(zhuǎn)角或者當(dāng)汽車(chē)出現(xiàn)移動(dòng)路線(xiàn)與護(hù)欄之間有一定的角度時(shí)，則前后兩伸縮桿之間的壓力將發(fā)生差異，故前后兩伸縮桿分別采用獨(dú)立的壓力提供系統(tǒng)，使其兩者發(fā)生差異時(shí)不會(huì)發(fā)生互相干涉。并且當(dāng)不同的情況下兩者可以獨(dú)立調(diào)節(jié)以滿(mǎn)足更多的工作場(chǎng)合。在橫向伸縮過(guò)程中，由于需要移動(dòng)的速度非常小，故系統(tǒng)的流量低，壓力低。采用進(jìn)口節(jié)油，用雙聯(lián)葉片泵的小流量與小壓力泵提供壓力油。在伸縮缸自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，為防止在在回油時(shí)造成吸入空氣的現(xiàn)象，在出口設(shè)置一儲(chǔ)能器，采用調(diào)壓閥背壓，同時(shí)可以進(jìn)一步保證伸縮缸的工作的穩(wěn)定性。在進(jìn)口處設(shè)置一可調(diào)先導(dǎo)溢流閥，也可以調(diào)整柱刷對(duì)護(hù)欄之間的壓力。當(dāng)出現(xiàn)異常情況下時(shí)可作為備用系統(tǒng)。
4.2.1.3垂直升降機(jī)構(gòu)。
垂直升降機(jī)構(gòu)由于所需壓力大，但在工作時(shí)不發(fā)生移動(dòng)，并不需要提供液壓油設(shè)計(jì)為與柱刷馬達(dá)由同一泵提供液壓油。采用單向閥可以防止以外情況下升降臺(tái)由于自重而發(fā)生壓力油的回流而損壞泵且發(fā)生碰撞的情況發(fā)生。所需提供壓力大，采用出口節(jié)流的調(diào)速方式。
4.2.2擬訂液壓系統(tǒng)圖
綜合上述分析和所擬訂的方案，將各種回路合理地組合成為該系統(tǒng)的工作原理圖如圖4-2所示：（詳圖見(jiàn)附圖）
圖4-2
4.2.3液壓元件的選擇
4.2.3.1液壓泵
液壓缸在整個(gè)工作循環(huán)中的最大工作壓力為4MPa，進(jìn)油壓力損失取為1MPa（調(diào)節(jié)范圍），背壓損失取為0.5MPa，則壓力?。?
橫向伸縮缸由于工作壓力小，且移動(dòng)速度慢，v=1cm/s
所以流量為
馬達(dá)的流量為：
根據(jù)以上壓力和流量的數(shù)值查閱產(chǎn)品目錄，最后確定選取YB-4/25型雙聯(lián)葉片泵.
4.2.3.2閥類(lèi)元件及輔助元件
根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作壓力和通過(guò)各個(gè)閥類(lèi)元件的實(shí)際流量,可選出這些元件的型號(hào)及規(guī)格，表4-2表示了所選出的一種方案。
表4-2 各元件選取
序號(hào)
元件名稱(chēng)
估計(jì)通過(guò)流量
/（L.min-1）
型號(hào)
規(guī)格
調(diào)節(jié)壓力/MPa
1
液壓油箱
100L
2
濾油器
42
XU-J6380
3
雙聯(lián)葉片泵
YB-4/25
6.3MPa25和4L/MPa
4
二位二通電磁閥
30
GB2514-AA-02-4-A
5
單向閥
10
A-Ha10-L
6
升降油缸
10
SDG-80/50A-e
L=800
7
調(diào)壓閥
OF3-E6XB
1
8
溢流閥
1
YF3-10L
9
轉(zhuǎn)軸油馬達(dá)
15
ZM-40
10
水泵
YB-A6B
11
橫向升縮缸
HSGL-63/DE
12
三位四通電磁閥
VE1D-RK/DC36/V/B/CM
13
油馬達(dá)
20
PV2R1-6
14
蓄能器
HXQ-B4.0D
4L 耐壓25.5MPa
15
先導(dǎo)溢流閥
FBG-03-124-11
1
4.3液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算
4.3.1回路壓力損失驗(yàn)算
由于系統(tǒng)的具體管路布置尚未確定，整個(gè)回路的壓力損失無(wú)法估算，僅只閥類(lèi)元件對(duì)壓力損失所造成的影響可以看得出來(lái)，供調(diào)定系統(tǒng)中某些壓力值時(shí)參考，這里估算從略。
4.3.2系統(tǒng)動(dòng)作過(guò)程分析
清洗箱的動(dòng)作過(guò)程見(jiàn)附圖。系統(tǒng)工作流程如圖4-3所示：
圖4-3
在調(diào)節(jié)中，各部分調(diào)節(jié)旋扭、開(kāi)關(guān)均在駕駛室內(nèi)，工作人員可以隨時(shí)對(duì)于壓力，馬達(dá)轉(zhuǎn)速，清潔劑提供垂直高度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，各部分可分別調(diào)節(jié)，也可以同時(shí)調(diào)節(jié)。以滿(mǎn)足不同工作環(huán)境對(duì)于系統(tǒng)的需要。車(chē)的倒后鏡對(duì)準(zhǔn)兩柱刷,在橫桿上裝有照明燈,當(dāng)光線(xiàn)不良時(shí)打開(kāi)照明系統(tǒng)以便觀(guān)察,便于隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié).在正常情況下，車(chē)輛邊行走邊擦洗護(hù)欄,遇有特別臟的地方，放慢車(chē)速甚至可停下來(lái)，直到清洗干凈為止。在清洗過(guò)程中，要邊噴水、邊清洗,噴水嘴噴水主要起三方面作用：(1)降溫作用。刷子高速轉(zhuǎn)動(dòng)，擦洗護(hù)欄，使刷毛與刷毛之間、刷毛與護(hù)欄之間摩擦起熱,如不進(jìn)行噴水降溫，將使刷毛變形,損壞材料,影響清洗效果。(2)去塵作用。刷毛是用樹(shù)脂做成的，光滑柔軟，用水噴洗刷子，刷毛上的塵土?xí)詣?dòng)離去；刷子擦洗完護(hù)欄，護(hù)欄上仍留有擦起來(lái)但未離去的灰塵，用水噴洗護(hù)欄，灰塵就會(huì)隨水流走。(3)壓塵作用。噴水清洗，塵土不會(huì)飛揚(yáng)，作業(yè)環(huán)境得到改善，清洗效果得到保證。
設(shè)計(jì)總結(jié)
近三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于結(jié)束了，通過(guò)這些天的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和獨(dú)立思考問(wèn)題的能力有了很大的提高，對(duì)我走向社會(huì)從事專(zhuān)業(yè)工作有著深遠(yuǎn)的影響?，F(xiàn)在就談?wù)剬?duì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的認(rèn)識(shí)和體會(huì)。
首先，我學(xué)會(huì)了查閱資料和獨(dú)立思考。我的課題是城市道路鋼護(hù)欄清洗車(chē)清洗箱設(shè)計(jì)。當(dāng)開(kāi)始拿到畢業(yè)設(shè)計(jì)題目時(shí)，心里面是一片迷茫，不知從何入手，幸好在趙老師的指導(dǎo)下及時(shí)理清了頭緒，避免了走很多的彎路。認(rèn)真翻閱相關(guān)資料，由于圖書(shū)館相關(guān)資料非常少，并且在Internet上也很少有相關(guān)資料的發(fā)布，所以同時(shí)也學(xué)會(huì)了怎樣檢索文件，這也是此次設(shè)計(jì)的一個(gè)收獲之一．
在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我有進(jìn)入公司參加工作，在工作過(guò)程中，我通過(guò)對(duì)相關(guān)知識(shí)的接觸與思考，學(xué)會(huì)了日式設(shè)計(jì)風(fēng)格：通用性，獨(dú)立性的設(shè)計(jì)手法．在設(shè)計(jì)中多處用到很多的通用元件，使得系統(tǒng)在制造過(guò)程中的制作過(guò)程更加的方便，同時(shí)獨(dú)立設(shè)計(jì)手法可以讓系統(tǒng)更加的便于維護(hù)與使用．方便了在使用過(guò)程中對(duì)于問(wèn)題出現(xiàn)的處理．
進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)。由于圖冊(cè)上已有一定的結(jié)構(gòu)，我要做的結(jié)構(gòu)方面就只是把尺寸確定下來(lái)，然后把自己的一些思想設(shè)計(jì)進(jìn)去，做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。使結(jié)構(gòu)更合乎門(mén)口要求。每一個(gè)設(shè)計(jì)都是一個(gè)創(chuàng)新、完善的過(guò)程。在設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)用所掌握的知識(shí)，發(fā)揮自己的想象力，完美原有的結(jié)構(gòu)。這個(gè)過(guò)程也是一個(gè)學(xué)習(xí)的過(guò)程。
其次，認(rèn)識(shí)到實(shí)踐的重要性。這次設(shè)計(jì)我做了很多重復(fù)工作、無(wú)用功，但是這些重復(fù)工作和無(wú)用功積累了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)也認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)不能只在腦子里想其結(jié)構(gòu)、原理，必須進(jìn)行實(shí)際操作。另外，也應(yīng)從多個(gè)角度來(lái)思考問(wèn)題的所在，嘗試其它的方法，以求找到最佳方法，因?yàn)榧词瓜氲暮芡昝溃綄?shí)際的設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)遇到很多想不到的實(shí)際問(wèn)題。
在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，也出現(xiàn)了一些客觀(guān)不足的問(wèn)題，就是模具結(jié)構(gòu)、注射機(jī)只能靠想象，沒(méi)有實(shí)踐條件，不能根據(jù)實(shí)際的情況來(lái)作合適、客觀(guān)地修改，這樣做出來(lái)的，難免有些缺點(diǎn)和不足，由于諸多原因，本次設(shè)計(jì)存在一些不足和有待改善的地方，希望老師能夠提出寶貴修改意見(jiàn)。
最后，衷心感謝劉教授、招老師、陳老師對(duì)我的悉心指導(dǎo)，使我在大學(xué)里最后一段時(shí)間里學(xué)習(xí)到了很多有用的東西。
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