畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-爬桿機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、爬桿機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)MECHANICAL STRUCTURE DESIGN OF ROD CLIMBING ROBOT 摘要本次設(shè)計(jì)的是爬桿機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，減速器，夾緊機(jī)構(gòu)，爬升機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是由電機(jī)和聯(lián)軸器組成。減速器主要是由減速齒輪或是蝸桿減速機(jī)構(gòu)組成，通過對小車爬行時(shí)所需要的最大扭矩的估算進(jìn)行減速器的選擇和尺寸設(shè)計(jì)。夾緊機(jī)構(gòu)主要是由彈簧、輪架、車輪等組成，這部分主要根據(jù)對輪軸所能承受的強(qiáng)度來進(jìn)行軸徑的計(jì)算。爬升機(jī)構(gòu)是由驅(qū)動(dòng)輪、傳動(dòng)軸、軸承、套筒等零件組成。關(guān)鍵詞：爬桿機(jī)器人；變直徑桿；攀爬全套圖紙加V信153893706或扣 3346389411Abstract

2、This design is a climbing robot mechanical structure, mainly driving mechanism, reducer, clamping mechanism, climbing mechanism. The drive mechanism is mainly composed of motor and coupling. The reducer is mainly made up of reducer gear or worm reducer. The selection and size design of the reducer i

3、s carried out by estimating the maximum torque required when the trolley crawls. The clamping mechanism is mainly composed of spring, wheel frame and wheel, which is mainly calculated according to the strength of the axle shaft. The climbing mechanism is composed of driving wheel, drive shaft, beari

4、ng, sleeve and so on.Key words: climbing rod robot variable diameter rod shin目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc7758 摘要 PAGEREF _Toc7758 II HYPERLINK l _Toc28428 Abstract PAGEREF _Toc28428 III HYPERLINK l _Toc19348 1.緒論 PAGEREF _Toc19348 1 HYPERLINK l _Toc5540 1.1目的和意義 PAGEREF _Toc5540 1 HYPERLINK

5、l _Toc29864 1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc29864 2 HYPERLINK l _Toc19313 1.2.1機(jī)器人的分類 PAGEREF _Toc19313 2 HYPERLINK l _Toc10572 1.2.2研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc10572 2 HYPERLINK l _Toc28684 1.3主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc28684 3 HYPERLINK l _Toc9736 2.總體方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc9736 4 HYPERLINK l _Toc9166 2.1方案比較 PAGEREF _Toc9166 4 HYPERL

6、INK l _Toc20480 2.1.1夾緊機(jī)構(gòu)方案比較 PAGEREF _Toc20480 5 HYPERLINK l _Toc3277 2.1.2動(dòng)力系統(tǒng)方案比較 PAGEREF _Toc3277 6 HYPERLINK l _Toc15464 2.2傳動(dòng)方案簡介 PAGEREF _Toc15464 8 HYPERLINK l _Toc15619 3. 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc15619 9 HYPERLINK l _Toc2208 3.1方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc2208 9 HYPERLINK l _Toc2670 3.2減速機(jī)構(gòu)計(jì)算 PAGEREF _Toc2

7、670 10 HYPERLINK l _Toc12359 3.2.1傳動(dòng)部件計(jì)算 PAGEREF _Toc12359 10 HYPERLINK l _Toc29029 3.2.2蝸桿傳動(dòng)的計(jì)算 PAGEREF _Toc29029 11 HYPERLINK l _Toc14527 3.3.主動(dòng)軸的計(jì)算 PAGEREF _Toc14527 13 HYPERLINK l _Toc6785 3.4 夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc6785 16 HYPERLINK l _Toc1531 3.5小車裝配圖展示 PAGEREF _Toc1531 19 HYPERLINK l _Toc10430 4

8、. 電機(jī)選擇 PAGEREF _Toc10430 20 HYPERLINK l _Toc2701 4.1電機(jī)比較 PAGEREF _Toc2701 20 HYPERLINK l _Toc22986 4.2電機(jī)介紹 PAGEREF _Toc22986 20 HYPERLINK l _Toc21833 5. 小車箱體的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc21833 22 HYPERLINK l _Toc4502 5.1小車箱體的介紹 PAGEREF _Toc4502 22 HYPERLINK l _Toc20741 5.2小車箱體的展示 PAGEREF _Toc20741 22 HYPERLINK l

9、_Toc29604 結(jié)論 PAGEREF _Toc29604 25 HYPERLINK l _Toc28467 致謝 PAGEREF _Toc28467 26 HYPERLINK l _Toc32689 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc32689 271.緒論1.1目的和意義自從改革開放以來，全國人民從上到下眾志成城萬眾一心，人人奮勇爭先，爭做弄潮兒，在改革開放的時(shí)代大潮流之中激流勇進(jìn)，為建設(shè)更富強(qiáng)更美麗更文明更和諧的中國貢獻(xiàn)自己的綿薄之力。在一代又一代人的努力下，神州大地?zé)òl(fā)新顏。老百姓特別是農(nóng)村居民的收入大幅提高，錢包越來越鼓，隨之而來的是城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，摩天大廈鱗次櫛比，越來越多的高

10、樓大廈拔地而起，在此同時(shí)一些管狀建筑工程也隨之涌現(xiàn)，就比如電線桿，路燈桿，大型廣告牌立柱，還有小區(qū)居民樓里的天然氣管道，暖氣管道，地下污水管道等，如圖1.1所示。這些管狀建筑一旦建設(shè)完畢，便常年暴露在外，無人看管，時(shí)間短一點(diǎn)還沒事，時(shí)間一旦長了，日積月累，管道內(nèi)外壁便會(huì)受到污染，從而會(huì)影響城市形象和居民生活體驗(yàn)，而由于管道空間有限，或者是所處位置特殊，一些平常比較常規(guī)的維修維護(hù)手段難以有效達(dá)到目的，于是人們便需要新的手段來維修維護(hù)這些在城鎮(zhèn)隨處可見的各式各樣的管狀建筑。再加上人性化的概念越來越深入人心，人們自我保護(hù)的安全意識在逐步提高，人們渴望把自己從繁重危險(xiǎn)并且單調(diào)無聊枯燥不斷機(jī)械式重復(fù)的毫

11、無腦力思考的工作環(huán)境中解放出來。圖1-1路燈桿隨著機(jī)器人技術(shù)的日新月異，幾乎可以毫不夸張得用一天一個(gè)樣來形容，爬桿機(jī)器人應(yīng)世而出。爬桿機(jī)器人的出現(xiàn)為高空以及地下管道作業(yè)提供了方便，它的出現(xiàn)不僅在很大一部分程度上降低了我們管道作業(yè)的成本，更加重要的意義在于爬桿機(jī)器人提高了我們的工作效率，將人們從危險(xiǎn)骯臟的工作環(huán)境中予以解放，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，對個(gè)人的人的天性的解放，對社會(huì)的經(jīng)濟(jì)效益的貢獻(xiàn)，對國家的制造業(yè)的推動(dòng)，都具有一定程度上的影響。通常這種機(jī)器人的爬行方式有直線連續(xù)爬升，夾緊蠕動(dòng)爬升，螺旋攀援爬升和吸附爬升等。本文將設(shè)計(jì)一種直線連續(xù)爬升的爬桿機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)相對簡單。利用相關(guān)課程

12、知識，機(jī)械原理，機(jī)械設(shè)計(jì)等，對此機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，及計(jì)算。此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，是對我四年所學(xué)知識的一次總結(jié)與考察，此外對所學(xué)知識進(jìn)一步加深理解。1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀如果把機(jī)器人比作是一個(gè)家庭中的兒子的話，那么順藤摸瓜，我們就不難找到，它的父親就是我們非常熟悉的老朋友，即傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)，那么相對應(yīng)的，我們同樣可以順藤摸瓜找到它的母親，也就是近代電子技術(shù)?？梢院敛豢鋸埖谜f，沒有傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)，就不存在機(jī)器人存在的基礎(chǔ)，同樣，沒有近代電子技術(shù)的日新月異，我們也沒辦法這么快就迎來機(jī)器人技術(shù)的突飛猛進(jìn)。而自從機(jī)器人技術(shù)被人們認(rèn)識的那一刻開始，聰明的人們就不斷摸索，去發(fā)現(xiàn)，去總結(jié)，一直到逐步掌握。由此帶來的變化是，機(jī)

13、器人技術(shù)的不斷發(fā)展，成熟，被人們?nèi)找鎻V泛的使用，人們不僅改變了傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)，更迎來了科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)的又一次令人欣喜的革命，而這，將對以后的人們的生活的方方面面產(chǎn)生令人難以估計(jì)的影響。1.2.1機(jī)器人的分類 表1-1機(jī)器人的分類分類標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人種類應(yīng)用環(huán)境工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式氣動(dòng)爬行機(jī)器人、電動(dòng)爬行機(jī)器人和液壓驅(qū)動(dòng)爬機(jī)器人等。行走方式輪式、履帶式、蠕動(dòng)式、多足式等工作空間管道爬行機(jī)器人、壁面爬行機(jī)器人、球面爬行機(jī)器人、陸地移動(dòng)機(jī)器人、水下機(jī)器人、無人飛機(jī)、空間機(jī)器人等功能用途焊弧爬行機(jī)器人、檢測爬行機(jī)器人、清洗爬行機(jī)器人、提升爬行機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、助殘機(jī)器人、巡線爬行機(jī)器人

14、、玩具爬行機(jī)器人等1.2.2研究現(xiàn)狀如果說機(jī)器人大家庭是一片海，那么爬行機(jī)器人只是一滴水，但是在機(jī)器人中是不可缺少的。目前，國內(nèi)外提出的有很多爬在桿子外表的自動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)，查閱資料可以知道，有電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人、電動(dòng)液壓式爬桿機(jī)器人和氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人等。電動(dòng)機(jī)械式爬行器有一個(gè)電動(dòng)機(jī)，就是靠著這個(gè)電動(dòng)機(jī)然后帶起來別的零件，這些零件包括鏈輪、帶輪、齒輪驅(qū)動(dòng)，緊緊壓在桿體的前后輪，讓它們沿著相同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，有行走輪，有桿體，這兩者之間發(fā)生了相互的作用，這個(gè)作用就是我們大家都知道的叫做摩擦力，因?yàn)橛辛诉@個(gè)摩擦力，我們才能達(dá)到我們想要的目的，也就是讓我們的所設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠沿著桿體向上或者向下靈活自

15、如的移動(dòng)，我們把這個(gè)輪子安排裝在哪里，就決定了爬升機(jī)器人它在具體爬的時(shí)候是一個(gè)什么樣的具體姿勢，我們設(shè)計(jì)的這個(gè)機(jī)器人，它有輪子，而這個(gè)輪子滾動(dòng)的方向和水平面并不重合，也就是說并不是在平面上移動(dòng)的，它工作的工作面，和水平面有一定的角度，所以輪子先轉(zhuǎn)，隨著輪子的滾動(dòng)，在桿體上留下了痕跡，這個(gè)痕跡是不斷的一圈又一圈圓弧，沿此這個(gè)圓弧，這時(shí)候我們要用到電動(dòng)機(jī)了，電動(dòng)機(jī)的工作方式，有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，通過改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，我們就可以讓所需要控制的機(jī)構(gòu)上升或者下降。電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人，螺旋線運(yùn)動(dòng)爬桿機(jī)器人都是這樣工作的，有一個(gè)電動(dòng)機(jī)，然后我們用以電動(dòng)機(jī)去支配滾輪壓緊桿體，然后就有了摩擦力，再利用這個(gè)產(chǎn)生

16、的摩擦力去帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人，讓機(jī)器人在桿的表面往上或者往下運(yùn)動(dòng)。如果我們碰到的具體的這個(gè)工作阻力，還有爬桿機(jī)器人本身的重力，這兩個(gè)力加起來，如果大于了我們的這個(gè)摩擦力，那么我們做的或者說是要研究要設(shè)計(jì)的這個(gè)爬桿機(jī)器人，它就是不合格的，沒辦法達(dá)到我們所要達(dá)到的目的，要實(shí)現(xiàn)的功能也就無從談起。 1.3主要內(nèi)容爬桿爬桿機(jī)器人在橋梁懸索、管路巡檢方面得到越來越多的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)制作一臺(tái)爬桿機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)，可以把懸索或管線卡在機(jī)器人內(nèi)部滾輪上，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)在懸索或管線上移動(dòng)，通過攝像頭傳回圖像便于檢查人員判斷。設(shè)計(jì)參數(shù)尺寸不超過300300300mm2.桿徑10-50mm3.桿的角度最大90度。2.總體

17、方案設(shè)計(jì)2.1方案比較如果我們想要機(jī)器人完成我們要求的事情，首先我們得保證機(jī)器人自身的安全，穩(wěn)定，可靠，這就要求機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)小巧靈活，有很高的可靠性，輕盈牢固。由于我們要用到的這個(gè)能夠在桿子表面爬，也就是說它本身就有一定的不一般的地方，這也是它難的地方，所以我們在考慮這個(gè)問題的時(shí)候，要有很多方面去仔細(xì)想想好好考慮：機(jī)器人它是我們用來在桿子表面爬的，它在工作的時(shí)候工作姿勢與眾不同不一般，我們要用這個(gè)機(jī)器人，首先就要考慮的問題是，我們在能夠做出來這個(gè)結(jié)構(gòu)的時(shí)候，這個(gè)結(jié)構(gòu)是可以運(yùn)行的，是安全的，是小巧靈活的，我們設(shè)計(jì)的這個(gè)機(jī)器人它最好能夠做到外表看起來不是特別大，而且它不能太重，最好是比較輕巧的

18、。我們還要想想這個(gè)機(jī)器人工作的時(shí)候表現(xiàn)怎么樣，是否良好，是不是能夠滿足我們的設(shè)計(jì)要求，所以如果這樣想想的話，那么我們就要機(jī)器人在工作的時(shí)候，收到的撞擊比較小，這樣的話我們的機(jī)器人在工作的時(shí)候就可以穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)霉ぷ?，這樣的結(jié)構(gòu)就很讓人放心，沒有什么后顧之憂了。我們在想想我們設(shè)計(jì)的這個(gè)機(jī)器人以后是要被放到哪里，是在什么樣的地方工作的，不難知道，在這里我們所要設(shè)計(jì)的這個(gè)機(jī)器人，它以后是要與桿子為伴的，也就是說它是要被放在桿子上，在桿子上爬來爬去的，所以我們在思考我們要做的這個(gè)爬桿機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)的部分的時(shí)候就要多想一步，想到我們所做的這個(gè)爬桿機(jī)器人它以后工作的時(shí)候所處的地方肯定不會(huì)是很寬裕的，大部分應(yīng)

19、該都是一些很窄小的地方，我們最好能夠讓我們所做的這個(gè)爬桿機(jī)器人盡量簡單可靠。我們這時(shí)候再想想，因?yàn)槲覀兯O(shè)計(jì)的這個(gè)爬桿機(jī)器人它自己本身就不是很大，換個(gè)說法也就是說我們所做的這個(gè)機(jī)器人它自己里面所擁有的空間不可能有很大，有可能實(shí)際情況是非常的狹小的，所以我們在想辦法設(shè)計(jì)這個(gè)爬桿機(jī)器人的時(shí)候，先要保證我們所做的這個(gè)爬桿機(jī)器人需要達(dá)到的功能能夠?qū)崿F(xiàn)，在這個(gè)大前提條件下，還要保證我們所做的這個(gè)爬桿機(jī)器人牢固可靠，最后我們要想到的才是我們要盡量減小我們所做的這個(gè)爬桿機(jī)器人的具體大小。最后一部我們要想到的地方是，因?yàn)槲覀儾皇悄切└叨燃谢膰鴥?nèi)外數(shù)一數(shù)二的專門的制造企業(yè)，我們，沒有那么多的資金，沒有那么

20、多的時(shí)間，沒有那么大的市場占有率，也就是說我們所要設(shè)計(jì)的這個(gè)爬桿機(jī)器人，從目前的情況來說，還只是小批量或者換個(gè)方式可以說是私人訂制，至于這個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)完以后，能不能推廣，能不能大批量的進(jìn)行制造，說到底其實(shí)就是個(gè)成本的問題，我們必須保持清醒的頭腦，要精打細(xì)算，節(jié)約制造成本，所以說到這了，我想說的是，我們最好去我們當(dāng)?shù)氐碾娮邮袌鍪袌?，去那里買那些已經(jīng)大量為人所熟知的材料和己有小零部件 如螺栓、彈簧等 ，這些標(biāo)準(zhǔn)件，最好不要自行額外的添油加醋發(fā)揮自己的奇思妙想，非要自己從頭開始，一切從零開始，埋頭苦干，一心鋪在設(shè)計(jì)和加工的元件上，這樣可不好，在這里不值得提倡。這么做的初衷只有一個(gè)，就是為了減少我們設(shè)計(jì)

21、這個(gè)爬桿機(jī)器人的難度，并且在保證產(chǎn)品能夠按照要求完成所要達(dá)到的目的的大前提下，讓系統(tǒng)更加靠譜讓人值得信任，當(dāng)然話說回來最不能忘記的是最主要的還是降低樣我們設(shè)計(jì)這個(gè)爬桿機(jī)器人的開銷。2.1.1夾緊機(jī)構(gòu)方案比較我們都知道爬桿機(jī)器人在工作的時(shí)候，它那不一般的工作姿勢，所以夾緊機(jī)構(gòu)是關(guān)鍵，首先機(jī)器人不能掉下去，機(jī)器人一段夾緊在桿子表面，然后還要能夠運(yùn)動(dòng)，這個(gè)機(jī)構(gòu)本身所產(chǎn)生的夾緊力要能夠保證這一點(diǎn)，讓我們的機(jī)器人在工作的時(shí)候穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)?，夾緊-放松的運(yùn)動(dòng)過程能穩(wěn)定的進(jìn)行。這個(gè)時(shí)候我們再想想我們的機(jī)器人它所處的工作環(huán)境和性質(zhì)，再查閱相關(guān)書籍，這個(gè)時(shí)候我們不難知道，主要有兩種夾緊方式能夠滿足我們的要求：機(jī)械式

22、裝置，液氣壓式裝置。這兩種方式都可以為我們的爬桿機(jī)器人產(chǎn)生足夠的夾緊力，當(dāng)然人無完人，金無足赤，這兩種方式有讓人眼前一亮的閃光點(diǎn)，也有讓人討厭的短板。兩者間的具體比較見表2.1表2-1不同夾緊機(jī)構(gòu)的比較夾緊方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)機(jī)械式裝置工作狀態(tài)視結(jié)構(gòu)而定、結(jié)構(gòu)簡單、噪音小、費(fèi)用低加緊力調(diào)節(jié)不方便液氣壓式裝置夾緊力調(diào)節(jié)方便、工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠需要液 氣 源和液 氣 動(dòng)控制系統(tǒng)支持，體積龐大、噪音污染大并且其設(shè)備成本和維護(hù)費(fèi)用較高設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候，需要考慮很多，由上表，經(jīng)過認(rèn)真仔細(xì)的分析和比較，綜合考量表中目前國內(nèi)外比較常見的爬行機(jī)器人的夾緊機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇機(jī)械式裝置作為本文中的爬桿機(jī)器人的夾緊方式。2

23、.1.2動(dòng)力系統(tǒng)方案比較在考慮到機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)的時(shí)候，擺在我們眼前的方案多種多樣，我們可以選擇電氣驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)這些不一樣的方案。隨之而來是就是，不一樣的方案選擇，接下來帶給我們的特點(diǎn)也是不一樣的，根據(jù)我們要求的不一樣的工作場景，勞動(dòng)強(qiáng)度，機(jī)構(gòu)壽命要求，操作的難以與否，經(jīng)濟(jì)效益的高低，技術(shù)要求的高低，工作動(dòng)作的快慢，執(zhí)行速度的快慢，穩(wěn)定性好不好，驅(qū)動(dòng)力具體到底怎么樣，對環(huán)境的影響大不大，具體的控制距離的遠(yuǎn)近，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的難易程度，使用維護(hù)是否方便，速度調(diào)整容易與否，按照不同的要求，我們再來選擇最適合的動(dòng)力系統(tǒng)，從而完成我們所想要的目的。表2-2為不同的驅(qū)動(dòng)方式的性能對照表。表2-2

24、不同動(dòng)力系統(tǒng)的比較項(xiàng)目技術(shù)要求動(dòng)作快慢速度穩(wěn)定性驅(qū)動(dòng)力環(huán)境要求控制距離經(jīng)濟(jì)性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用維護(hù)速度調(diào)整氣壓驅(qū)動(dòng)較低較快較差中等適應(yīng)性好中等便宜簡單簡單容易液壓驅(qū)動(dòng)較高較慢良好最大不怕振動(dòng)短較貴復(fù)雜稍高很容易電氣驅(qū)動(dòng)較低慢很好較大一般短一般稍復(fù)雜簡單困難氣壓驅(qū)動(dòng)有著很多獨(dú)一無二的閃光點(diǎn)，比如響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便；當(dāng)然它也有不足之處，就比如說功率質(zhì)量比小，裝置體積大，氣壓驅(qū)動(dòng)的位置精度不高，因?yàn)榭諝獾目蓧嚎s性使得機(jī)器人在任意定位時(shí)，氣壓驅(qū)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)很多毛病，舉個(gè)例子，它有時(shí)候會(huì)漏氣，還有就是氣壓裝置它自己體積不小，比較占地方，用在我們這里可不合適。電氣驅(qū)動(dòng)有很多讓人不得不注意的閃光點(diǎn)，比如易

25、于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，響應(yīng)快，使用方便，信號監(jiān)測、傳遞和處理方便，成本低廉，驅(qū)動(dòng)效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，符合本系統(tǒng)要求。我們要設(shè)計(jì)的這種爬行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以把懸索或管線卡在機(jī)器人內(nèi)部滾輪上，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)在懸索或管線上移動(dòng)，通過攝像頭傳回圖像便于檢查人員判斷。由上表，經(jīng)過認(rèn)真仔細(xì)的分析和比較，綜合考量表中目前幾種國內(nèi)外比較常見的爬行機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，我們最后決定選擇電氣驅(qū)動(dòng)的方案。2.2傳動(dòng)方案簡介 圖2-1傳動(dòng)簡介下半部分彈簧的預(yù)緊力給小車提供壓力；上半部分電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并通過齒輪傳動(dòng)，使得貫穿于機(jī)器人的長軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)位于長軸上的蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過渦輪蝸桿傳動(dòng)使得

26、與蝸輪相連的驅(qū)動(dòng)輪使小車前進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1方案設(shè)計(jì) 圖3-1 小車零件位置圖本次設(shè)計(jì)的是爬桿機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，文中主要由以下幾個(gè)重要結(jié)構(gòu)：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是由電機(jī)和聯(lián)軸器組成。減速器：減速器主要是由減速齒輪或是蝸桿減速機(jī)構(gòu)組成，通過對小車爬行時(shí)所需要的最大扭矩的估算進(jìn)行減速器的選擇和尺寸設(shè)計(jì)。夾緊機(jī)構(gòu)：夾緊機(jī)構(gòu)主要是由彈簧、輪架、車輪等組成，這部分主要根據(jù)對輪軸所能承受的強(qiáng)度來進(jìn)行軸徑的計(jì)算。爬升機(jī)構(gòu)：爬升機(jī)構(gòu)是由驅(qū)動(dòng)輪、傳動(dòng)軸、軸承、套筒等零件組成，這個(gè)的目的主要是對傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)。先把所有機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢，再安裝于箱體之上，然后再設(shè)計(jì)箱體的結(jié)構(gòu)。小車零件大概的位置如上圖3-1所示。3.

27、2減速機(jī)構(gòu)計(jì)算3.2.1傳動(dòng)部件計(jì)算在這里我們不妨設(shè)定小車的爬行速度是40mm/s，因?yàn)闂U徑要求10-50mm，不妨設(shè)我們這個(gè)爬桿機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪的接觸直徑50mm。驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)一圈走過的路徑 s=50=157mm需要它每秒轉(zhuǎn) t=40/s=4/5,n約15r/min也就是說在我們所設(shè)計(jì)的這里即大約需要的減速箱輸出速度為15r/min，考慮小車內(nèi)部的空間及重量，我們在這里不妨設(shè)小車自重5Kg,以及小車與桿件之間最特殊的情況，也就是當(dāng)角度為90的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候我們的電機(jī)輸出功率必須大于或者等于我們所設(shè)計(jì)的小車的自重，這樣才能保證機(jī)構(gòu)的安全性，這是最基本的條件，只有滿足了這個(gè)條件我們才能讓我們所做的這

28、個(gè)機(jī)構(gòu)再去完成下一步的我們所需要的任務(wù)。同時(shí)我們要求我們所要用到的這個(gè)減速器盡量簡單，盡量大的傳動(dòng)比，這就需要用到渦輪蝸桿了，還有就是最好我們所設(shè)計(jì)的這個(gè)爬桿機(jī)器人在部分情況下可以自鎖，所以想來想去，綜合進(jìn)行考慮對比，最后我們決定要用到蝸輪蝸桿做減速器，在這里我們不妨可以采用傳動(dòng)比i=20,那么根據(jù)上面的計(jì)算，很容易的我們就可以知道我們這里的電機(jī)，它需要輸出的轉(zhuǎn)速為300r/min，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出功率 P=FV=GV=mgv=59.815/60=11.875W=11.88w即蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)條件為：蝸桿轉(zhuǎn)速300r/min，輸入功率11.88W，傳動(dòng)比i=203.2.2蝸桿傳動(dòng)的計(jì)算渦輪蝸桿如下

29、圖3-2所示 圖3-2渦輪蝸桿(1) 按照GB/T10085-1998的標(biāo)準(zhǔn)，在這里我們選用漸開線蝸桿（ZI）(2)因?yàn)樵谶@里我們用到的蝸桿傳動(dòng)，它所需要的功率并不是很大，而且蝸桿傳動(dòng)的速度較低，所以在這里我們所要選用的蝸桿用45號鋼,因?yàn)槲覀兪菍W(xué)生，要做的是畢業(yè)設(shè)計(jì)，我們自己的資金和資源都十分有限，不可能像那些國內(nèi)外大型高度集中化專業(yè)化的公司一樣，擁有巨大的市場占有比率，我們所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品暫時(shí)不可能大批量產(chǎn)從而獲得利潤，也就是說我們現(xiàn)在進(jìn)行的這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)從一定角度上來說是屬于私人訂制，說到底我們必須要控制成本，設(shè)計(jì)的這個(gè)東西它的成本必須要盡量得低。在這里輪芯采用灰鑄鐵HT100。(3)設(shè)計(jì)公式

30、為： 1) 取=，則=（估?。?，為T=9550p2/n2=3240Nmm 2)K 取=；查使用系數(shù)，得=；取動(dòng)載荷系數(shù)=，則 =1.151.051=1.213） 鋼制蝸桿與配對的青銅蝸輪=160。4) z=zi=204=80齒5） 我們可以借助外部力量，翻閱鑄錫青銅渦輪的基本許用接觸應(yīng)力表11-7，得蝸輪基本許用應(yīng)力 =268MPa， N=60j=603012000=2.1610 ：= 所以 =0.6804268=182MPa6) =70.41 因?yàn)?4，取模數(shù)值為2， 。(4) 1） mm 2） =mm；=mm,=mm；0.5m=mm。 3） =240=80mm mm mm mm(5) =

31、，=。 =0.8596 。 0.712 560.711MPa=6MPa =7MPa (6) =（0.950.96） =；有關(guān)。 =m/s3.3.主動(dòng)軸的計(jì)算圖3-3主動(dòng)軸主動(dòng)軸如上圖3-3所示在我們這個(gè)所設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，我們要用到這個(gè)軸，那么這個(gè)軸的主要功能是什么，不難知道，在這里，軸的主要作用是傳遞動(dòng)力，先由電機(jī)通過蝸桿結(jié)構(gòu)所傳遞給主動(dòng)軸扭矩，為的就是最后的我們能夠做到帶動(dòng)小車主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，在這里這個(gè)主動(dòng)輪再依靠摩擦力，最終再去帶動(dòng)小車在桿件上運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)我們想要完成的一些目的。軸分為三種，這三種分別是轉(zhuǎn)軸、心軸、傳動(dòng)軸，區(qū)別他們的唯一標(biāo)準(zhǔn)就是這個(gè)軸在整個(gè)機(jī)構(gòu)中的承載的情況。

32、下面我們來具體說一下三者之間的區(qū)別。什么是轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸就是同時(shí)承受彎矩和扭矩的軸。什么是心軸，心軸就是只受彎矩不承受扭矩的軸。什么是傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸就是主要承受扭矩而不受彎矩或是彎矩很小的軸。這么一解釋，我們就很明白在我們所做的這篇文章中我們要用到的到底是哪一個(gè)，其實(shí)就是轉(zhuǎn)軸，它又要承受彎矩還要承受扭矩。(1) =p0.8=11.8750.8=9.5W =3001/20=15r/min =/=N.mm(2） ，及，=，得 =mm(3） 1)擬定軸的裝配方案，左端依次裝入，軸承、套筒、蝸輪、套筒左端軸承，右端依次裝入機(jī)械輪、套筒、右端軸承。2)按照軸向安裝零件位置的的要求確定軸的各段直徑和長度，見表

33、3-1。自左向右分別共有7段軸徑表3-1 確定各段軸徑及長度位置直徑和長度/mm原因第一段=10與左端的軸承孔徑相配合=52根據(jù)套筒的長度和蝸輪的寬度第二段=12與中間的軸承孔徑相配合=8與軸承的寬度一致第三段=15滿足軸承的定位要求直徑要略大于軸承直徑=45根據(jù)其拆裝要求及軸承潤滑要求第四段=18軸間定位要求所需，軸間高度h大于0.07d，取h=1.5mm=5軸環(huán)寬度大于1.4h第五段=14根據(jù)驅(qū)動(dòng)輪的直徑設(shè)計(jì)=32根據(jù)驅(qū)動(dòng)輪的寬度第六段=12與套筒的直徑相配合=40與套筒的長度相一致第七段=10與軸承內(nèi)徑相配合=6與軸承寬度相一致 3）軸上零件的周向定位：蝸輪、驅(qū)動(dòng)輪與軸的周向定位均采用平

34、鍵聯(lián)接。第一段 的周聯(lián)接查手冊選平鍵bh=33，鍵槽長10，蝸輪輪轂與軸的配合為H7/n6，驅(qū) 動(dòng)輪與軸聯(lián)接，采用平鍵5516，配合為H7/k6。滾動(dòng)軸承通過與軸進(jìn)行過渡配 合實(shí)現(xiàn)周向定位，軸徑公差為m6。 4）確定軸上圓角和倒角尺寸：取軸端倒角145度，各軸肩處圓角見圖3-4。 (4)根據(jù)圖3-2軸的結(jié)構(gòu)圖得出軸的計(jì)算簡圖，如圖3-3。顯然截面C處是軸的最大彎矩處，是軸的危險(xiǎn)截面。表3-2中列出了C處的、T、的值表3-2 截面C處的、T、載荷水平面支反力R=2.2N，=3N，=13.3N，=8.1N彎矩MM=715.6N.mm載荷水平面總彎矩=715.6N.mm扭矩TT=7194.33N.m

35、m計(jì)算彎矩=7229.83N.mm 5） =26.3MPa ，=.00MPa， =.00MPa。,安全。 6） 圖3-4 軸的工作圖3.4 夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)的主要作用是通過調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)緊力來使小車穩(wěn)定爬行和自適應(yīng)桿的直徑。小車的車輪主要由U型架、套筒軸、軸、墊片、被動(dòng)滾輪、深溝球軸承以及一系列標(biāo)準(zhǔn)件組成，小車滾輪的裝配圖。夾緊機(jī)構(gòu)主要是由裝配的車輪和彈簧組成，如圖如圖3-5。圖3-5 小車滾輪裝配圖圖3-6夾緊機(jī)構(gòu)小車車輪輪子的尺寸已由所爬繩的直徑所確定，對小車的結(jié)構(gòu)主要是小車車軸直徑的選擇與其強(qiáng)度的校核。如圖3-7，圖3-7 受力簡圖以及剪力圖和彎矩圖顯然小車車輪的輪軸的受力是對稱的，

36、因而易得輪軸所受彎矩的最大處位于軸的中央。設(shè)軸中央所受力為F，則兩側(cè)所受力為F/2。易知軸中點(diǎn)處的最大彎矩為M=FL/4=350N.mm。2）圓形截面有無數(shù)個(gè)對稱軸，而且載荷方向沿著對稱軸方向。因此中性軸通過截面形心并且垂直于對稱軸。3） 確定中性軸的位置和中間截面上最大彎矩的實(shí)際方向，可以確定中性軸以上部分承受壓應(yīng)力，中性軸以下部分承受拉應(yīng)力。最大拉應(yīng)力作用點(diǎn)和最大壓應(yīng)力的作用點(diǎn)分別是到中性軸最遠(yuǎn)的下邊緣和上邊緣各點(diǎn)。確定車輪軸的直徑擬采用軸的材料45號鋼，故而許用彎曲應(yīng)力=60MPa。根據(jù)其最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力處的強(qiáng)度校核求，所需軸的直徑d =3.9mm，取軸的直徑6mm。3.5小車裝配

37、圖展示圖3-8小車裝配圖展示電機(jī)選擇4.1電機(jī)比較電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人攀爬的動(dòng)力源和主要部件之一，它的尺寸、自重、形狀也影響到機(jī)器人其它相關(guān)部件的尺寸。從結(jié)構(gòu)的緊湊性方面考慮，在電機(jī)傳動(dòng)軸向上，直角電機(jī)比標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)占用更小的空間。4.2電機(jī)介紹經(jīng)比較選用如下圖所示的國內(nèi)某公司生產(chǎn)的直角減速電機(jī)作為機(jī)器人攀爬的動(dòng)力源，如圖4-1所示 圖4-1直角減速機(jī)該類型電機(jī)減速比為1：3-1：180可調(diào)，只需要選擇不同減速比的直角減速箱即可，當(dāng)加上一級中間減速箱后，減速比可達(dá)1：200-1：1800。只需轉(zhuǎn)換接線開關(guān)，電機(jī)即可正反轉(zhuǎn)。電機(jī)正反轉(zhuǎn)接線如圖4-2所示。將開關(guān) s w 切換至 cw 側(cè)，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；

38、將開關(guān) s w 切換至c cw側(cè)，則電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這里旋轉(zhuǎn)方向是指面對電機(jī)輸出軸端，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為cw，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為c cw。 圖4-2電機(jī)正反轉(zhuǎn)接線圖初步選用25w直角減速可逆電機(jī)。型號為80YR25GV22。電機(jī)80YR25GV22轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線如圖4-3所示，日常所用交流電為220V/50HZ，在電機(jī)轉(zhuǎn)速約為0-1000r/min范圍內(nèi)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線近似成線性關(guān)系。而在通過上面的計(jì)算，可知電機(jī)需要輸出的轉(zhuǎn)速為300r/min，所以我們選用的電機(jī)滿足要求。 圖4-3電機(jī)80YR25GV22轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線圖小車箱體的設(shè)計(jì)5.1小車箱體的介紹箱體是遙控小車的基礎(chǔ)構(gòu)件，它是小車的骨架，小車上其他所有的部件最后都需安裝到箱體上，它不僅承受著小車各個(gè)機(jī)構(gòu)的重量，還要對各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行定位和安裝，保證零件間的的相對位置。在小車工作中箱體影響著小車的工作精度和抗振性能，通常來說箱體的尺寸和重量一般占用機(jī)器的尺寸和重量的大比重。5.2小車箱體的展示考慮到小車的質(zhì)量不宜過重，采用鋁合