磁吸附式核電筒體自動(dòng)探傷車(chē)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)論文[帶圖紙].doc

磁吸附式核電筒體自動(dòng)探傷車(chē)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)I摘要爬壁機(jī)器人是機(jī)器人的一種，也是屬于極限作業(yè)機(jī)器人，主要應(yīng)用在垂直壁面、球形體表面上，在搭載相應(yīng)的設(shè)備后，完成壁面的清掃、探傷、噴漆、敷設(shè)管道等多種作業(yè)。研究爬壁機(jī)器人的目的是為了最終讓其代替人類(lèi)在石化企業(yè)、建筑行業(yè)、消防部門(mén)、造船等領(lǐng)域中的危險(xiǎn)作業(yè)。它的研究和開(kāi)發(fā)有著廣闊的前景和良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，受到人們的重視。本文的研究目的是設(shè)計(jì)可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單、能夠自主移動(dòng)動(dòng)避障、自動(dòng)作業(yè)的爬壁機(jī)器人[7]。研制罐體壁爬行機(jī)器人對(duì)企業(yè)的發(fā)展具有重大的意義，為了解決其若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，本文初步建立了爬壁機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，采用永磁輪吸附與可控磁吸盤(pán)吸附相結(jié)合的方式進(jìn)行吸附控制，并對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行分析和仿真，主要研究?jī)?nèi)容如下：1.研究磁吸附輪式爬壁機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，提出了磁性輪與磁性吸盤(pán)聯(lián)合控制磁力的吸附方式，設(shè)計(jì)出罐體壁爬行機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)。2．針對(duì)機(jī)器人在罐體底面及側(cè)面典型危險(xiǎn)位置進(jìn)行了靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，提出了磁力控制方案和差速轉(zhuǎn)向控制方式，并建立了爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[11]。關(guān)鍵詞：爬壁機(jī)器人,磁吸附，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型磁吸附式核電筒體自動(dòng)探傷車(chē)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)IIABSTRACTThewall-climbingrobotisonekindofspecialrobotsforspecialassignmentswhichismainlyusedforclimbingtheverticalwallorsphericalwall.andtakingthecorrespondingdevicesforsuchfunctionsaswall-cleaning,testing,painting,pipeline-laying.Itisinthepurposeofreplacinghumanstoworkinsuchriskyenvironmentsaspetrochemicalenterprises,constructionindustry,thefiredepartment,ship-buildingindustryandsoon.Itsresearchanddevelopmentwillbringgoodeconomicbenefitsandsocialvalues.Inthispaper,thepurposeofthestudyistodesignahighlyreliableandwidelyapplicableclimbing-robotthatcanautomaticallymoveandavoidobstacles.Studyingtankwall-climbingrobotisgreatsignificancetothedevelopmentpetrochemicalenterprises.Inordertosolvesomekeytechnicalissues,thepaperestablishedthestructureofwall-climbingrobotsystem,adoptedtheadsorptioncontrolledwhichcombinepermanentmagneticwheeladsorptionwithcontrolledadsorptionplatemanner,andthenanalyzedandsimulatedtherobotkinematics,dynamics,themainresearchcontentsareasfollows:1.Studiedoverallstructureofwall-climbingrobotmagneticwheeladsorption,proposedtheadsorptionmethodwhichcombinedmagneticwheelandmagneticplate,designedtheoverallstructureofthetankwall-climbingrobot.2.Carriedoutstaticanddynamicmechanicalanalysisontypicaldangerouslocationoftankbottomandsidewhentherobotisworking,proposedmagneticcontrolprogramandestablishedkinematicsanddynamicsmodelsofwall-climbingrobot.Keywords:wall-climbingrobot,magneticadsorption,dynamicmodel磁吸附式核電筒體自動(dòng)探傷車(chē)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)III目錄1.緒論.........................................................11.1選題背景及其意義...................................................11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)景.........................................21.3研究?jī)?nèi)容...........................................................62.總體方案確定.................................................82.1方案選擇...........................................................82.2移動(dòng)方式實(shí)現(xiàn).......................................................92.3最終方案確定......................................................103探傷車(chē)主要部件的設(shè)計(jì)與校核..................................123.1車(chē)輪電機(jī)選型......................................................123.2蝸輪蝸桿計(jì)算.....................................................143.3軸的設(shè)計(jì)與校核...................................................193.4軸承使用壽命的計(jì)算...............................................243.5滾珠絲杠副........................................................254結(jié)論與展望..................................................304.1課題總結(jié)..........................................................304.2課題展望..........................................................30參考文獻(xiàn)......................................................31致謝..........................................................32磁吸附式核電筒體自動(dòng)探傷車(chē)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)11緒論在煤和石油等化石燃料日益枯竭的今天，化石燃料帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題日益突出的今天，尋找新型能源的要求勢(shì)在必行，迫在眉睫，歷數(shù)現(xiàn)階段有潛力的新能源：水能，風(fēng)能，太陽(yáng)能，核能，地?zé)?，潮汐能等。而眾多新型能源又各自受到各種缺陷與限制，只有核能因?yàn)榫哂匈Y源豐富、清潔、核燃料能量密度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)將受到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，由于核燃料高度輻射，發(fā)展核電總是繞不開(kāi)安全問(wèn)題。自1951年12月美國(guó)實(shí)驗(yàn)增殖堆1號(hào)（EBR-1）首次利用核能發(fā)電以來(lái)，在60余年的核電發(fā)展史上，人類(lèi)曾發(fā)生過(guò)前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故與日本福島核泄漏兩次嚴(yán)重事故，給當(dāng)?shù)貛?lái)了近乎毀滅的災(zāi)難。核燃料的高輻射注定了在檢驗(yàn)核電筒體焊縫等安全問(wèn)題時(shí)由人操作會(huì)帶來(lái)巨大的人生安全，因此在核電發(fā)展中，若是以機(jī)器檢測(cè)壁面的焊縫問(wèn)題，可在最早時(shí)間內(nèi)將安全情況傳遞給工作人員，及時(shí)進(jìn)行一系列的措施來(lái)應(yīng)對(duì)，大大降低了人的生命威脅概率。1.1選題背景及其意義隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展與人類(lèi)安全意識(shí)的不斷提高，人們對(duì)生產(chǎn)安全的要求也越來(lái)越高，使得機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。以機(jī)器人代替人類(lèi)從事各種危險(xiǎn)、繁重、重復(fù)、單調(diào)及有毒有害的工作是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。而爬壁機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，它能在壁面與頂部上靈活移動(dòng)，并完成一定的極限任務(wù)。目前，國(guó)內(nèi)外許多家科研機(jī)構(gòu)都在這一領(lǐng)域展開(kāi)了研制開(kāi)發(fā)工作?？傮w概括起來(lái)，爬壁機(jī)器人主要用于以下幾個(gè)方面：(1)核工業(yè)：對(duì)核廢液儲(chǔ)罐進(jìn)行視覺(jué)檢查、測(cè)厚及焊縫探傷等工作；(2)石化工業(yè)：對(duì)立式金屬罐或球形罐的內(nèi)外壁面進(jìn)行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐；(3)建筑行業(yè)：噴涂巨型墻面、安裝瓷磚、壁面清洗、擦玻璃等；(4)消防部門(mén)：用于傳遞救援物資，進(jìn)行救援工作；(5)造船業(yè)：用于噴涂船體的內(nèi)外壁等[16]；而運(yùn)用于核電筒體上的爬壁探傷儀，其本質(zhì)就是爬壁機(jī)器人，它可在垂直壁面移動(dòng)，完成壁面的焊縫探傷檢測(cè)作業(yè)。核電是利用核能發(fā)電，一旦發(fā)生核泄漏，在壁面上進(jìn)行探傷的工作人員會(huì)吸收到大量的核輻射，直接嚴(yán)重危害到人的生命。所以若是以機(jī)器檢測(cè)壁面的焊縫問(wèn)題，可在最早時(shí)間內(nèi)將情況傳遞給工作人員，可及時(shí)進(jìn)行一系列的措施來(lái)應(yīng)對(duì)，因此大大降低了人的生命威脅概率。利用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行罐體探傷作業(yè)安全可靠，而且效率高、可控性好。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研究、開(kāi)發(fā)了各種爬壁機(jī)器人，用于施工、作業(yè)的機(jī)器人主要以磁吸附、真空吸附以及二者的復(fù)合吸附為主?？梢耘逝来怪钡牟Ａδ?、船體垂直壁面及儲(chǔ)罐壁面磁吸附式核電筒體自動(dòng)探傷車(chē)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2等。負(fù)壓或真空吸附對(duì)壁面的可吸附性具有一定要求，且存在高噪聲等不利因素。對(duì)于絕大部分鐵磁性金屬結(jié)構(gòu)來(lái)講，永磁吸附是可靠性最高的工作方式，尤其是對(duì)于工作內(nèi)壁凹凸不平事，難以利用負(fù)壓吸附工作。永磁吸附相對(duì)于電磁吸附來(lái)講吸附單元的重量要小得多，而且安全性不受電力供應(yīng)意外的影響。機(jī)器人在大型作業(yè)面上工作時(shí)，需要攜帶電纜、管線、作業(yè)設(shè)備，并承受作業(yè)的反作用力，通常需要很大的吸附力。導(dǎo)致機(jī)器人的本體重量比較大，其中磁體是主要的重量部件。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)景作為移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，爬壁機(jī)器人把地面移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)與吸附技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，可在垂直壁面上附著爬行，并能攜帶工具完成一定的作業(yè)任務(wù)，大大擴(kuò)展了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。為了在壁面工作環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，爬壁機(jī)器人必須具有兩個(gè)基本功能：一是壁面吸附功能和移動(dòng)功能。按吸附方式來(lái)分，主要分為真空吸附和磁吸附兩種方式。真空吸附又分為單吸盤(pán)和多吸盤(pán)兩種結(jié)構(gòu)形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)壁面凸凹不平時(shí)，容易使吸盤(pán)漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低；磁吸附可分為永磁鐵和電磁鐵兩種，要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，但它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附方式，且對(duì)壁面的凹凸適應(yīng)性強(qiáng)，不存在真空吸附漏氣的問(wèn)題，因而當(dāng)壁面是導(dǎo)磁材料時(shí)優(yōu)先選用磁吸附爬壁機(jī)器人。二是按移動(dòng)方式來(lái)分，有車(chē)輪式、履帶式和足腳式。車(chē)輪式移動(dòng)速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難；履帶式對(duì)壁面的適應(yīng)性強(qiáng)，著地面積大、不易轉(zhuǎn)彎；足腳式移動(dòng)速度慢，但帶載能力強(qiáng)[10]。1.2.1國(guó)外爬壁機(jī)器人的研究現(xiàn)狀國(guó)外爬墻機(jī)器人的研究狀況主要有以下幾個(gè)方面：1）單吸盤(pán)真空吸附式爬墻機(jī)器人：這是利用單一真空（或機(jī)器人本身就是機(jī)殼就是密封裝置）與壁面間形成一個(gè)真空室。這種形式的爬墻機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化并結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于控制。但是要求壁面有一定的平滑度，越障能力低。對(duì)于復(fù)雜壁面環(huán)境不適應(yīng)，當(dāng)遇到較大的溝槽或凹凸面時(shí)，吸盤(pán)內(nèi)的負(fù)壓難以維持，存在相對(duì)滑動(dòng)，吸盤(pán)桾邊磨損較為嚴(yán)重。2）多吸盤(pán)真空吸附式爬墻機(jī)器人：出于單吸盤(pán)結(jié)構(gòu)對(duì)壁面的適應(yīng)能力較差，許多學(xué)者采用了多個(gè)真空吸盤(pán)，進(jìn)行吸附力分散形式的爬墻機(jī)器人的研究，為多吸盤(pán)式壁面移動(dòng)機(jī)器人的研制做出了有意義的探索和嘗試。因此，在單吸盤(pán)爬墻機(jī)器人的基礎(chǔ)上，多吸盤(pán)結(jié)構(gòu)得到了迅速的發(fā)展。3)磁吸附式爬墻機(jī)器人：只適用于導(dǎo)磁性材料構(gòu)成的墻面，能產(chǎn)生較大的吸附力，且不受壁面凹凸或裂縫的限制。磁吸附式爬墻機(jī)器人可分為電磁體式和永磁體式兩種，電磁體式機(jī)器人維吸附需要電能，但控制比較方便；永磁體式機(jī)器人不受斷電