爬桿清潔機器人設(shè)計

編號：畢業(yè)論文題目：學院：專業(yè)：班級：姓名：指導教師：完成日期：

目錄摘要 2Abstract 3目錄 41緒論 52國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，爬桿機器人的分類及其存在的問題.....................................62.1發(fā)展現(xiàn)狀和分類 62.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 62.3存在的問題 63爬桿機械人總體方案設(shè)計和分析選型..................................................................83.1爬桿機械人總體方案設(shè)計 83.2爬桿機械人總體方案分析和選型 94往復清潔式機構(gòu)....................................................................................................104.1往復清潔式機構(gòu)的選型 104.2清潔布的選擇 114.3吹干機構(gòu) 125整體結(jié)構(gòu)設(shè)計..........................................................................................................125.1爬桿清潔機器人整體結(jié)構(gòu)原理模型 125.2爬桿機器人運動原理分析 135.3運動部件尺寸確定 135.3.1夾爪尺寸的確定 135.3.2往復清潔機構(gòu)尺寸確定 145.3.3絲桿滑臺的機構(gòu)尺寸確定 155.3.4吹干機構(gòu)尺寸確定 165.4驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速計算和選型 165.4.1夾夾爪電機選型 165.4.1.1夾爪電機的轉(zhuǎn)速計算 165.4.1.2夾爪電機扭矩的計算 175.4.1.3夾爪步進電機選型 185.4.2清潔機構(gòu)電機選型 195.4.3爬桿機器人直線往復機構(gòu)（絲桿滑臺）選型 206各機構(gòu)具體結(jié)構(gòu)設(shè)計...................................................................................................216.1爬桿清潔機器人夾爪機構(gòu)設(shè)計 216.2爬桿清潔機器人下夾爪和軀干上下直線往復移動機構(gòu)選型 256.3爬桿清潔機器人往復擦洗機構(gòu)和吹干機構(gòu)設(shè)計 256.4爬桿清潔機器人整體骨架和電控箱 316.4.1爬桿機器人骨架設(shè)計 316.4.2爬桿機器人電控箱設(shè)計 326.5爬桿機器人總體結(jié)構(gòu)分析 327爬桿機器人設(shè)計計算部分..............................................................................................327.1夾爪平行四桿機構(gòu)連桿有限元設(shè)計計算 327.2夾爪基座有限元設(shè)計計算 377.3爬桿機器人骨架有限元設(shè)計計算 407.4爬桿機器人夾爪開合齒輪設(shè)計計算 438控制系統(tǒng)選型和程序編制..............................................................................................468.1控制系統(tǒng)的選型 468.2PLC程序編制 469輔助系統(tǒng)的設(shè)計.............................................................................................................4610結(jié)論與展望 ...................................................................................................4710.1結(jié)論 4710.2論文中提出的新方法和新思路 47參考文獻 48致謝 49全套設(shè)計加QQ11970985或1972163961，緒論記得院士宋健曾經(jīng)說過：機器人學的發(fā)展和進步是自動化領(lǐng)域最有說服力的成就。機器人技術(shù)自本世紀60年代開始，經(jīng)過40余年的長足發(fā)展，逐步走向成熟，市面上出現(xiàn)了多種用途的工業(yè)機器人。從我們的中學時代開始，甚至從小學開始，我們就開始接觸機器人。進入當代20世紀，機器人越來越深入到各行各業(yè)。那么何為機器人呢？我們通常認為機器人就是在計算機，或者PLC的控制下，各個機械和電器部件協(xié)同工作。在其設(shè)計和運用的工作環(huán)境中，工業(yè)機器人一般具有其特定的擬人功能。并且，一個成熟的機器人一般都設(shè)計和安裝傳感器，以實現(xiàn)其對環(huán)境的感知能力。對于很多機器人而言，一般還設(shè)計了控制器，以實現(xiàn)其邏輯思維和判斷決策能力，以實現(xiàn)其智能化。在我們生產(chǎn)和生活中為人們所常見的機器一般為以下幾種：工廠使用的機器人手臂[百度圖片]現(xiàn)代化倉庫使用的搬運機器人[百度圖片]現(xiàn)代人性機器人[百度圖片]伴隨這人類社會的城市化進程的不斷推進，現(xiàn)代化都市出現(xiàn)了越來越多的高層建筑和難以計數(shù)的桿類構(gòu)件，就像電線桿和路燈，以及電燈等。現(xiàn)代都市的路燈[百度圖片]這些桿類建筑結(jié)構(gòu)整體細長，高而不易攀爬。常年累月的暴漏在都市的自然環(huán)境中，其表面不斷的堆積油污和粉塵等污漬。通常市政人員對這些建筑構(gòu)件的清潔工作是通過人工攀爬和人力清理，這樣的做法效率很低，而且高空作業(yè)很危險。還有一種常用的清潔方式就是采用高壓水槍清洗，可是這樣的做法浪費了大量的清潔物質(zhì)。所以，人們對新型的桿類清潔設(shè)備的設(shè)計和投入使用的呼聲越來越高。隨著自動化和智能化的發(fā)展，人們設(shè)計出了爬桿機器人，并成功的將其投入到現(xiàn)代化都市的桿類建筑結(jié)構(gòu)的清潔工作之中，取得了顯著的效果。這種機器人設(shè)計和使用，對現(xiàn)在化的都市生活和工作，是有著很大的推動作用的。1.6現(xiàn)代都市的爬桿除冰機器人[百度圖片]本課題就是要設(shè)計一種新型的爬桿機器人。要求其設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單實用，制造成本低并且加工工藝好，實用和維護方便。在人們的日常使用中，可以搭載清潔設(shè)備，使其在攀爬桿類建筑構(gòu)件的時候，可以實現(xiàn)對其的清潔工作。并且設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)要可靠性高，能耗低，使用壽命長等優(yōu)點。國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，爬桿機器人的分類及其存在的問題發(fā)展現(xiàn)狀和分類爬桿機器人作為工業(yè)機器人家族的一員，是現(xiàn)代機器人研究領(lǐng)域中的一個重要分支。因其要克服自身重力作用，實現(xiàn)垂直地面建筑物的攀爬，所以其設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)不同于一般的機器人，已經(jīng)成為了一個研究領(lǐng)域。人們設(shè)計的爬桿機器人一般采用多足式移動方式，或者機器中間部位的吸附或者摩擦來實現(xiàn)其對桿類建筑的攀爬。其設(shè)計和使用的難點就是實現(xiàn)其可依附于被爬升表面，并可以上下自主移動，以完成特定的工作。人們最早開始使用的是可以用于高層建筑的帕比機器人，后來逐步運用到管道外壁等石油和化工領(lǐng)域的管道的作業(yè)。目前設(shè)計和使用的爬桿機器人有機械式爬桿機器人，電動液壓式，和氣動蠕行式爬桿機器人等。2.1機械式爬桿機器人[]機械式爬桿機械人一般式采用機械結(jié)構(gòu)，通過機械手臂來對桿件施加一定的壓力，在桿的表面產(chǎn)生摩擦力，以克服自重。再通過直線導軌和滾珠絲桿和電機等機械結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)機械手臂的上下移動。這樣機械式爬桿機械人就可以通過機械手臂的交替開合，和有規(guī)律的上下移動，來實現(xiàn)其對高層桿類建筑的攀爬。2.2液壓式爬桿機器人[]液壓式爬桿機器人和機械式爬桿機器人的不同之處在于，控制其機械手開合和上下移動的，是液壓缸等液壓構(gòu)件。其運動原理和機械式式基本相同的。2.3氣動蠕行式爬桿機器人吸附結(jié)構(gòu)[]氣動蠕行式爬桿機器人和上述兩種機器人的不同之處在于，其設(shè)計的夾緊結(jié)構(gòu)的動力源為氣壓缸。在使用的時候，通過對氣缸充氣等方式來驅(qū)動機械手的夾緊，并實現(xiàn)自鎖。國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國外有東京大學研制的關(guān)節(jié)行走機器人；賓夕法尼亞大學自主研制的Rise系列爬桿機械人和德國西門子公司自主研制的仿生機器人。國外研究成果比較成熟的有上海交通大學自主研發(fā)的氣動蠕動式爬纜機器人，國防科技大學自主設(shè)計的摩擦輪式爬桿機器人，和浙江大學設(shè)計的氣動爬桿機器人等。2.3存在的問題攀爬機器設(shè)計的難點和主要技術(shù)難題在于如何使其克服自重并依附于桿的表面。還有一個技術(shù)難題就是如何實現(xiàn)其機械手，或者吸附結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)運動。也就是說，通過計算機，或者PLC的自動化控制，使其運動部件可是實現(xiàn)一個交替運動的步態(tài)，進而驅(qū)動機器人的攀爬。爬桿機械人總體方案設(shè)計和分析選型3.1爬桿機械人總體方案設(shè)計為了實現(xiàn)爬桿機器人的攀爬，需要設(shè)計出幾種不同的機械方案，并對其進行比較，再選擇一種合理的結(jié)構(gòu)對其進行細化和進一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計和驗算。3.1機輪式哨兵爬桿機器人[]3.1.1輪式哨兵爬桿機器人輪式哨兵爬桿機器人是通過電機驅(qū)動齒輪，進而帶動連桿機構(gòu)，實現(xiàn)機械手的開合。機械手施加一定的作用力來將前后各兩個導輪壓緊到桿件上，并產(chǎn)生一定的摩擦力，使其整個機械結(jié)構(gòu)可以克服自重。再通過攀爬輪的旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動爬桿機械人上下運動。3.1.2凸輪式爬桿機器人3.2凸輪式爬桿機器人[]凸輪式爬桿機器人，該機構(gòu)采用曲柄滑塊機構(gòu)、并聯(lián)盤形凸輪機構(gòu)、移動凸輪機構(gòu)電機驅(qū)動錐齒輪傳動的方式，帶動凸輪，使機器人上下移動，適用于管道外表面的清潔等工作。其機械手臂的開合和兩個機械手臂的上下交替移動，都是通過凸輪來實現(xiàn)的。3.1.3滾珠絲桿式爬桿機械人3.3滾珠絲桿式爬桿機器人[]滾珠絲桿式爬桿機械人設(shè)計時是通過伺服電機驅(qū)動滾珠絲桿，帶動三個機械手交替上下直線運動。機械手的位置是通過私服電機轉(zhuǎn)動的角度來確定的。三個攀爬爪是通過電機驅(qū)動連桿機構(gòu)開合，以實現(xiàn)攀爬爪的夾緊和松開。3.2爬桿機械人總體方案分析和選型上述三種設(shè)計方案各自有其優(yōu)缺點。在本課題的設(shè)計前，先對其優(yōu)缺點進行詳細分析，再結(jié)合課題的實際設(shè)計要求，來選擇一種方案進行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算。并思考現(xiàn)有的設(shè)計方案中存在的缺點，提出自己的創(chuàng)新思路，在前人的基礎(chǔ)上進行改善，做出屬于自己的設(shè)計。3.2.1輪式哨兵爬桿機器人輪式哨兵爬桿機器人整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點在于：采用橡膠輪和桿件的摩擦力來實現(xiàn)爬桿機器人的依附和攀爬。確定橡膠輪的材料，橡膠輪和桿的摩擦系數(shù)，是設(shè)計難點。一旦確定了摩擦系數(shù)，具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計只是一直一個按部就班的過程。這種攀爬機器人缺點在于橡膠輪會在使用過程中逐漸老化，導致橡膠輪和桿的摩擦系數(shù)逐漸降低，最后機械人有突然掉落的危險。這樣的話，在這種機器人設(shè)計和制造出來之后，使用和維護過程中就必須定期對腳輪進行檢驗，及時更換。3.2.2凸輪式爬桿機器人凸輪式爬桿機器人整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點在于：整個爬桿機器的運動協(xié)調(diào)都是通過傳統(tǒng)的凸輪來實現(xiàn)的。計算凸輪輪廓線是設(shè)計的難點，并且凸輪廓線一旦確定，整個機器人的運動規(guī)律就不能再更改了，但其優(yōu)點是電動驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單。這種攀爬機器人的主要缺點就是凸輪的制造成本高，需要專用設(shè)備。并且在長期的使用過程中凸輪會逐漸磨損，運動精度會不斷的降低。凸輪的保養(yǎng)和維護，是使用時必須注意的。3.2.3滾珠絲桿式爬桿機器人滾珠式爬桿機器人整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點在于：機械爪的交替步態(tài)的控制時通過滾珠絲桿結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。而由伺服電機驅(qū)動的滾珠絲桿結(jié)構(gòu)的運動精度很高，可以實現(xiàn)爬桿機械人的運動位置和速度的精確控制。簡單點說，我們可以準確的控制爬桿機器以一定的速度準確的到達任何位置。這種爬桿機器人結(jié)構(gòu)的缺點在于：滾珠絲桿時精密部件，價格昂貴。而且伺服電機和滾珠絲杠都不能承受很大的載荷和沖擊。簡單點說，就是這種結(jié)構(gòu)的爬桿機器人不能用于重載的使用場合。而且滾珠絲桿也不能用于粉塵很大的惡劣使用環(huán)境。綜合考慮后，本課題決定采用：滾珠絲桿式爬桿機器人往復清潔式機構(gòu)往復清潔式機構(gòu)的選型在機械設(shè)計時，可以采用的直線往復式結(jié)構(gòu)很多。主要有一下幾種[百度]：一、機械系統(tǒng)：曲柄滑塊機構(gòu)、偏心輪機構(gòu)、槽輪機構(gòu)、凸輪機構(gòu)二、液壓系統(tǒng)：液壓缸三、氣動系統(tǒng)：氣動缸其中二三項可以直接排除，因為這種機械結(jié)構(gòu)需要動力源（液壓機和空氣壓縮機），而且控制系統(tǒng)復雜，不適合本課題。在一項種選擇一種即可。因為這里只是設(shè)計一種往復式清潔結(jié)構(gòu)，沒有精度要求，所以可以直接排除槽輪機構(gòu)、凸輪機構(gòu)。對于曲柄滑塊機構(gòu)、偏心輪機構(gòu)而言，其各有特點。4.1曲柄滑塊機構(gòu)[百度圖片]4.2偏心輪機構(gòu)[百度圖片]曲柄滑塊機構(gòu)其實和偏心輪機構(gòu)是類的，只是偏心輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊而已。進一步思考一下，其實曲柄滑塊機構(gòu)往復行程大，偏心輪往復行程小。因為體積大結(jié)構(gòu)不緊湊。所以可以針對本課題選擇偏心輪機構(gòu)，并進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算。4.3偏心輪往復清潔機構(gòu)4.2清潔布的選擇市面上清潔布的種類很多，這里根據(jù)被清潔的桿件選擇一種就可以了（這個不屬于機械設(shè)計的范疇，略去）。為解決清潔布無法很好的貼合被清潔的桿件，可以在往復擦洗式結(jié)構(gòu)上設(shè)計和使用柔性氣囊。當清潔布壓緊在桿件上的時候，氣囊發(fā)生一定的彈性變形，使得清潔布可以很好的貼合桿件，已更好的完成桿件的清潔。由于被清潔桿件的表面污漬難以去除所以在往復擦洗機構(gòu)上設(shè)計了水槽，并通過小孔給清潔布提供清潔液體，以更好的清潔桿件。在水槽的上部設(shè)計了一個橡膠塞，以防止清潔液飛濺。。4.4偏心輪往復清潔機構(gòu)水槽和塞子氣囊上貼附了清潔布，再粘貼再清潔往復機構(gòu)上。由于偏心輪式往復清潔機構(gòu)上下行程很小，所以這里設(shè)計成100毫米寬的清潔布，以可以一次清潔100mm寬的桿面，并配合爬桿機構(gòu)每步100毫米的進給量。4.5清潔氣囊4.3吹干機構(gòu)本課題設(shè)計一個環(huán)形吹干機構(gòu)。這是一個對稱的結(jié)構(gòu)，通過風機和環(huán)形通道將氣流垂直的吹向桿件表面。在高速氣流的作用下將潤濕的桿件吹干。5整體結(jié)構(gòu)設(shè)計5.1爬桿清潔機器人整體結(jié)構(gòu)原理模型爬桿清潔機器人的原理模型如下圖：電控箱軀干上夾爪電控箱軀干上夾爪下夾爪中間夾爪+往復擦洗和吹干機構(gòu)直線往復機構(gòu)下夾爪中間夾爪+往復擦洗和吹干機構(gòu)直線往復機構(gòu)5.1爬桿機器人整體結(jié)構(gòu)三維模型爬桿機器人由軀干，上夾爪和同其固定的下夾爪，可移動式中間夾爪和往復式擦洗機構(gòu)組成（可以設(shè)計鎖緊機構(gòu)，在機器人清潔作業(yè)的時候鎖住機器人，以防止其掉落）。夾爪設(shè)計成兩個平行絲桿機構(gòu)，并由一個電機帶動實現(xiàn)夾爪的開合，并進而夾緊桿件。在夾爪的轉(zhuǎn)軸上安裝了斷電自鎖機構(gòu)，防止機器人突然斷電后夾爪松開掉落?？梢苿邮街虚g夾爪結(jié)構(gòu)同上夾爪，不同點是，在下夾爪上設(shè)計了伺服電機和絲桿導軌組成的直線往復式機構(gòu)，以實現(xiàn)爬桿機器人的上下移動。往復式擦洗機構(gòu)同樣是設(shè)計了平行四桿機構(gòu)組成的開合式機構(gòu)，以保證在機器人爬桿的時候，擦洗機構(gòu)對桿件沒有阻力。往復擦洗機構(gòu)下部設(shè)計了吹干機構(gòu)，以實現(xiàn)桿件的干燥。5.2爬桿機器人運動原理分析爬桿機器人是通過上下夾爪，可移動式中間夾爪和往復式擦洗機構(gòu)三個部件的動作配合，來實現(xiàn)整個機器人爬桿清潔作業(yè)的。0-1秒，上下夾爪和中間夾爪先閉合夾緊桿件，中間夾爪直線往復機構(gòu)在上工位，軀干直線往復機構(gòu)在下工位，清潔機構(gòu)開合部件開啟，清潔機構(gòu)往復機構(gòu)停止；1-1.5秒，上下夾爪和中間夾爪閉合夾緊桿件，中間夾爪直線往復機構(gòu)在上工位，軀干直線往復機構(gòu)在下工位，清潔機構(gòu)開合部件閉合，清潔機構(gòu)往復機構(gòu)停止；1.5-2秒，上下夾爪和中間夾爪閉合夾緊桿件，中間夾爪直線往復機構(gòu)在上工位，軀干直線往復機構(gòu)在下工位，清潔機構(gòu)開合部件閉合，清潔機構(gòu)往復機構(gòu)往復清潔；2-2.5秒，上下夾爪和中間夾爪閉合夾緊桿件，中間夾爪直線往復機構(gòu)在上工位，軀干直線往復機構(gòu)在下工位，清潔機構(gòu)開合部件開啟，清潔機構(gòu)往復機構(gòu)停止；2.5-4秒，上下夾爪開啟和中間夾爪閉合，中間夾爪直線往復機構(gòu)在上工位，軀干直線往復機構(gòu)在下工位，清潔機構(gòu)開合部件開啟，清潔機構(gòu)往復機構(gòu)停止；4-5秒，上下夾爪開啟和中間夾爪閉合，中間夾爪直線往復機構(gòu)在下工位，軀干直線往復機構(gòu)在上工位，清潔機構(gòu)開合部件開啟，清潔機構(gòu)往復機構(gòu)停止；5-6秒，上下夾爪和中間夾爪閉合，中間夾爪直線往復機構(gòu)在下工位，軀干直線往復機構(gòu)在上工位，清潔機構(gòu)開合部件開啟，清潔機構(gòu)往復機構(gòu)停止；6-7秒，上下夾爪閉合和中間夾爪開啟，中間夾爪直線往復機構(gòu)在下工位，軀干直線往復機構(gòu)在上工位，清潔機構(gòu)開合部件開啟，清潔機構(gòu)往復機構(gòu)停止；7-8秒，上下夾爪閉合和中間夾爪開啟，中間夾爪直線往復機構(gòu)在上工位，軀干直線往復機構(gòu)在上工位，清潔機構(gòu)開合部件開啟，清潔機構(gòu)往復機構(gòu)停止；8-9秒，上下夾爪閉合和中間夾爪閉合，中間夾爪直線往復機構(gòu)在上工位，軀干直線往復機構(gòu)在下工位，清潔機構(gòu)開合部件開啟，清潔機構(gòu)往復機構(gòu)停止。以下為其動作順序表格：爬桿清潔機器人動作分析序號機構(gòu)部件時間節(jié)點0-1秒1-1.5秒1.5-2秒2-2.5秒2.5-4秒4-5秒5-6秒6-7秒7-8秒8-9秒1上下夾爪閉合閉合閉合閉合開啟開啟閉合閉合閉合閉合2中間夾爪閉合閉合閉合閉合閉合閉合閉合開啟開啟閉合3中間夾爪直線往復機構(gòu)上工位上工位上工位上工位上工位下工位下工位下工位上工位上工位4軀干直線往復機構(gòu)下工位下工位下工位下工位下工位上工位上工位上工位上工位下工位5清潔機構(gòu)開合部件開啟閉合閉合開啟開啟開啟開啟開啟開啟開啟6清潔機構(gòu)往復機構(gòu)停止停止往復清潔停止停止停止停止停止停止停止5.2爬桿機器人動作分析5.3運動部件尺寸確定由原理模型可以初步確定個各個運動部件尺寸，這些尺寸可以用于下一步的部件結(jié)構(gòu)設(shè)計。5.3.1夾爪尺寸的確定攀爬桿件直徑取132毫米，并由這個尺寸來確定夾爪運動部件的尺寸。5.3夾爪草圖（夾緊）初步取夾爪的平行四桿機構(gòu)的尺寸如上圖。這里要確定兩個尺寸，一個就是桿件轉(zhuǎn)過的角度，另外一個就是問號尺寸。通過這兩個尺寸的確定，可以實現(xiàn)在夾角為0°的時候，夾爪夾緊桿件，在夾爪開啟一定角度的時候，夾爪可以從桿件上退出。用軟件確定出剛好可以從桿上把機器人取下來的極限位置，如下：5.4夾爪草圖（極限）為了可以順利的將機器人從桿上取下來，要設(shè)計10毫米單邊余量。如圖：5.5夾爪草圖（取下）計算夾爪夾緊和取下時的夾角差值即為電機轉(zhuǎn)過的角度。本課題為：28.84°。設(shè)計夾爪時依照圖上標注的尺寸設(shè)計和計算即可。5.3.2往復清潔機構(gòu)尺寸確定課題設(shè)計的要求是機器人停止在工作位置的時候，往復清潔機構(gòu)夾緊桿件，并開始往復清潔。機器人爬桿們的時候，往復清潔機構(gòu)松開桿件，以保證機構(gòu)對桿件沒有阻力。設(shè)計時，為了保證清潔布的可更換，清潔結(jié)構(gòu)做成了可以拆卸的裝置，所以不用考慮上下桿時的干涉。依照這樣的設(shè)計思路，往復清潔機構(gòu)只需要開啟角度和吹干機構(gòu)相同就可以了。往復清潔機構(gòu)設(shè)計成偏心輪結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如下圖：5.6直線往復偏心輪機構(gòu)偏心輪機構(gòu)電機驅(qū)動偏心輪轉(zhuǎn)動，偏心輪上安裝了連桿，連桿帶動固定板沿著兩個導套和導軌直線往復運動。要求固定板直線往復移動的行程為12毫米，進而確定偏心輪尺寸和連桿尺寸。如下圖：5.6直線往復偏心輪機構(gòu)尺寸圖取連桿長度為12mm。由于偏心輪的兩個極限位置確定了直線往復的行程，所以偏心輪偏心的距離的2倍就是直線往復機構(gòu)的行程?？梢砸?2mm的行程，這里就可以取6mm的偏心輪偏心。其余尺寸就可以依照結(jié)構(gòu)設(shè)計來確定。5.3.3絲桿滑臺的機構(gòu)尺寸確定課題設(shè)計的要求是絲桿可以沿著被清潔的桿件直線上下移動，所以必須設(shè)計一個可以帶動爬桿機器人的夾爪上下往復移動的機構(gòu)，來實現(xiàn)機器人的運動。本次課題采用電機驅(qū)動的絲桿滑臺機構(gòu)來驅(qū)動機器人爬行，而為了避免重復設(shè)計，本次直接選用市面上加工好的絲桿滑臺。結(jié)構(gòu)圖如下：5.7MSY94鋁基系列直線模組(單滑臺)[MSY94-ML1P-100-75BL-I-G-W]圖滑臺材質(zhì)為鋁基，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，適合爬桿機器人的要求?；_直線往復行程的確認取決清潔的面積和長度。因為機器人停止在桿上的時候，往復清潔裝置才開始作業(yè)的。而往復清潔裝置上下直線往復移動的行程為20mm，并且設(shè)計的時候貼附清潔布的氣囊的長度是100mm，所以機器人一次爬桿的距離也應該是100mm，這樣每步距的清潔作業(yè)都有一定的重復擦洗的表面。則取直線往復行程為100mm的直線模組。5.3.4吹干機構(gòu)尺寸確定吹干機構(gòu)設(shè)計的是環(huán)狀管件，并設(shè)計了小管將氣流垂直吹向桿件的表面。因為結(jié)構(gòu)的原因不便于設(shè)計成活動的結(jié)構(gòu)，所以必須考慮吹干機構(gòu)閉合的時候氣流是垂直吹向桿的表面的，開啟的時候可以從桿上取下來，不會和桿件干涉。結(jié)構(gòu)如圖：5.8吹干機構(gòu)3維模型圖在吹干機構(gòu)閉合的時候，結(jié)構(gòu)的尺寸如下：5.9吹干機構(gòu)閉合時工程圖當吹干機構(gòu)張開的時候，桿件不能和機構(gòu)干涉，以保證機器人可以順利的上下桿。吹干機構(gòu)張開的時候結(jié)構(gòu)尺寸如下圖：5.10吹干機構(gòu)開啟時工程圖由圖解可以計算出吹干機構(gòu)一個開啟和閉合過程轉(zhuǎn)過的角度為36.6°。5.4驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速計算和選型各個運動部件驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速可以在整體結(jié)構(gòu)和尺寸后，依照需要轉(zhuǎn)過的角度和進給的直線距離和時間長度來計算電機的轉(zhuǎn)速。這里可以對每一個選用的電機計算其對應的轉(zhuǎn)速，并通過課題的具體使用要求對其進行選型。5.4.1夾爪電機選型5.4.1.1夾爪電機的轉(zhuǎn)速計算設(shè)計時要求夾爪在t=1.5秒=0.025分鐘的時間轉(zhuǎn)過A=28.84°=0.0801轉(zhuǎn)，那么電機的轉(zhuǎn)速單位為轉(zhuǎn)/分鐘，可由下式計算電機轉(zhuǎn)速n電機=i*n：i為初選齒輪傳動比。設(shè)計要求夾爪的驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速為3.204轉(zhuǎn)/分鐘。對于這一要求可以選擇步進電機來實現(xiàn)，因為步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)過的角度可以通過輸入的脈沖來調(diào)節(jié)和控制，并且設(shè)計時不需要使用閉環(huán)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)角度的精確控制，所以不用選用伺服電機，只要選用步進電機就可以了。5.4.1.2夾爪電機扭矩的計算爬桿機器人最危險的使用情況是單個夾爪固定，承受整個機器人的重量。這一要求是通過夾爪和桿的表面的摩擦力來實現(xiàn)的。由摩擦力f的計算公式：式中為夾爪和桿的摩擦系數(shù)。本課題設(shè)計的夾爪和桿的接觸部位材質(zhì)為橡膠，桿件為金屬件，則可以取=0.9（百度所搜得到，未驗證）。式中N為電機通過平行四桿機構(gòu)施加給桿表面垂直的法向力，計算公式如下：式中系數(shù)2是因為一對兩個夾爪夾持桿件。f應該大于機器人總量，并留有一定的安全系數(shù)。這里根據(jù)初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計估算機器人的重量為85kg。安全系數(shù)取3（百度所搜得到，未驗證），則計算f=85kg*9.8N/kg*3=2499N。將數(shù)值帶入上式，可得N=1388.33N。5.11夾爪機構(gòu)受力圖將法向力N簡化為作用在夾爪接觸的中點，在由機構(gòu)尺寸可知N的同法向分力N1的夾角為32。4°，則可以計算的N1=cos32.4°*1388.33N=1172.2N；N1在同其相距45.1毫米的鉸支點產(chǎn)生一個扭矩M0=1172.2N*45.1*0.001m=52.87N.m;力N1在鉸支點的分力N11=cos71.95°*1172.2N=363.202N；N11在鉸接支點產(chǎn)生的扭矩M01=363.202N*101.6*0.001m=36.9N.m;平行四桿機構(gòu)傳遞給大齒輪的扭矩M=M01+M0=36.9N.m+52.87N.m=89.77N.m;小齒輪帶動大齒輪是可以增大扭矩的，則步進電機驅(qū)動的小齒輪輸出扭矩M2=M1*12.8/38.1=30.16N.m初步取步進電機輸出扭矩的安全系數(shù)為1.5（百度所搜得到，未驗證），則步進電機輸出扭矩M=1.5*3.16N.m=45.24N.m。5.4.1.3夾爪步進電機選型輸出扭矩在45.24N.m的步進電機尺寸很大，這里選用下圖電機（輸出扭矩20N.m）：5.11夾爪步進電機為達到45.24N.m的輸出扭矩可以采用兩個電機驅(qū)動，5.24N.m的扭矩差忽略不計（因為取了較大的安全系數(shù)）。夾爪機構(gòu)修改后如下（原理圖）：5.12夾爪機構(gòu)三維圖5.4.2清潔機構(gòu)電機選型清潔機構(gòu)基本不收力，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計來選擇一款電機就可以了，只要能夠滿足轉(zhuǎn)速的需要。本課題取0.5秒內(nèi)清潔機構(gòu)直線往復清潔5次，就是說電機在0.5秒內(nèi)轉(zhuǎn)5轉(zhuǎn)。則電機轉(zhuǎn)速n（轉(zhuǎn)/分鐘）為：n=5/（0.5/60）=600轉(zhuǎn)/分鐘選擇電機型號為：5.13清潔機構(gòu)電機電機額定轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘，設(shè)計時采用直流調(diào)速器控制調(diào)整轉(zhuǎn)速在600轉(zhuǎn)/分鐘穩(wěn)定工作。5.4.3爬桿機器人直線往復機構(gòu)（絲桿滑臺）選型絲杠滑臺的外形如下：5.14爬桿機器人直線往復機構(gòu)絲桿滑臺因為這種滑臺的設(shè)計和制造已經(jīng)標準化了，所以為了減少課題的設(shè)計量，我們只確定機構(gòu)的重要參數(shù)，其余交給專業(yè)廠家設(shè)計和制造，作為主機廠，我們只按照機器人的使用要求組裝和調(diào)試。絲桿滑臺的重要設(shè)計參數(shù)如下：5.15爬桿機器人直線往復機構(gòu)絲桿滑臺主要參數(shù)設(shè)計要求絲桿滑臺垂直使用，負載50KG；行程100mm；重復位置精度只要0.1mm即可。6各機構(gòu)具體結(jié)構(gòu)設(shè)計6.1爬桿清潔機器人夾爪機構(gòu)設(shè)計夾爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計是采用電機驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，進而帶動一對嚙合的齒輪轉(zhuǎn)動，再這對嚙合的齒輪上加工出連桿結(jié)構(gòu)。因為這對齒輪是嚙合的，所以轉(zhuǎn)向相反。再配合設(shè)計的一對平行四桿結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)夾爪的夾緊和張開。為了防止夾爪步進電機突然失電而松開桿件，在一個轉(zhuǎn)軸上設(shè)計了DHD1系列電磁失電制動器[DHD1-01]當夾爪失電的時候，轉(zhuǎn)軸就會被鎖死。具體結(jié)構(gòu)圖如下：6.1爬桿機器人夾爪結(jié)構(gòu)圖具體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程如下：爬桿機器人是通過左右兩個夾爪夾緊桿件，并通過摩擦力防止工件滑落的。如下圖：6.2爬桿機器人夾爪結(jié)構(gòu)圖-1設(shè)計左右兩個平行四桿機構(gòu)來實現(xiàn)夾爪的開合。如下：6.3爬桿機器人夾爪結(jié)構(gòu)圖-2左右兩個平行四桿機構(gòu)通過一對相互嚙合的尺寸實現(xiàn)同步運動，因為相互嚙合的齒輪的轉(zhuǎn)向是相反的。再設(shè)計兩個對稱的小齒輪來驅(qū)動。結(jié)構(gòu)如下圖：6.4爬桿機器人夾爪結(jié)構(gòu)圖-3平行四桿機構(gòu)三個齒輪的轉(zhuǎn)動由限位螺絲提供。限位螺絲是一種特制的螺絲，其中間段為光桿，提供配合轉(zhuǎn)動，頭部為螺紋可以固定在夾爪的基板上。其結(jié)構(gòu)如下圖：6.5爬桿機器人夾爪結(jié)構(gòu)圖-4平行四桿機構(gòu)左下連桿上加工出方孔，并通過方孔和定位銷的配合來實現(xiàn)連桿轉(zhuǎn)動的時候銷也轉(zhuǎn)動。其結(jié)構(gòu)如下圖：6.6爬桿機器人夾爪結(jié)構(gòu)圖-5爬桿機器人夾爪的基板是整個夾爪機構(gòu)的固定部分，其可以起到定位和支撐所有部件的作用。夾爪的右端通過螺紋孔和定位銷和爬桿機器人軀干相連。基板上部加工出斜面，以符合夾爪的應力分布。如下圖：6.7爬桿機器人夾爪結(jié)構(gòu)圖-6平行四桿機構(gòu)同基板固定的部位設(shè)計和安裝了墊片，以調(diào)整連桿個基板槽口處的配合間隙，使其可以靈活轉(zhuǎn)動。如下圖：6.8爬桿機器人夾爪結(jié)構(gòu)圖-7為了保證整體的強度和剛度等力學性能，在夾爪的中間設(shè)計了定位柱，并通過螺絲定位和固定。定位柱在基板槽口處支撐了整個結(jié)構(gòu)。如下圖：6.9爬桿機器人夾爪結(jié)構(gòu)圖-8設(shè)計的時候使用兩個步進電機配合動作，同時給夾爪輸入一對扭矩。步進電機通過電機軸和小齒輪配合。如下圖：6.10爬桿機器人夾爪結(jié)構(gòu)圖-9在夾爪的轉(zhuǎn)軸下部設(shè)計和安裝了DHD1系列電磁失電制動器[DHD1-01]，當接通電源的時候制動器可以自由轉(zhuǎn)動，當機械爪突然失電的時候制動器可以防止轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)如下圖：6.11爬桿機器人夾爪結(jié)構(gòu)圖-10這個夾爪的設(shè)計過程可以概括如下：夾爪通過右上部螺紋孔和螺紋通孔同機器人的軀干相連。左部為夾爪的夾緊結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)主要由U型基板來支撐和定位齒輪及平行四桿機構(gòu)，四桿機構(gòu)通過限位螺絲實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，并且限位螺絲定位和固定在基板上加工出來的沉孔和螺紋孔上，這樣就可以實現(xiàn)設(shè)計要求。夾爪的基板可以采用硬鋁，以保證在減輕重量的同時保證強度和剛度。在夾爪基板槽口之間設(shè)計以個套管來支撐，并通過設(shè)定合理的公差來保證兩個部件之間的間隙，這樣就可以確保平行四桿機構(gòu)可以靈活轉(zhuǎn)動（四桿機構(gòu)和部件的固定部分也要設(shè)計合理的公差）。為了保證平行四桿機構(gòu)的正確位置，在上下兩個部件上加工出了四個定位沉孔，而四個定位沉孔是采用機床一次加工出來。這樣只要合理的設(shè)定公差，就可以保證平行四桿機構(gòu)的相互位置和運動。兩個驅(qū)動電機設(shè)計和安裝在頂部，以保證結(jié)構(gòu)的緊湊。6.2爬桿清潔機器人下夾爪和軀干上下直線往復移動機構(gòu)選型25為了實現(xiàn)爬桿機器人的爬桿運動，下夾爪和軀干必須相互配合，相對上下直線移動。對于這種直線往復機構(gòu)，可以直接根據(jù)設(shè)計要求來選型，不必自己設(shè)計。這樣可以減少設(shè)計的工作量。這種直線往復滑臺機構(gòu)如下：6.12爬桿機器人直線往復結(jié)構(gòu)圖這里可以采用單個的結(jié)構(gòu)將中間夾爪和往復清潔機構(gòu)與中間夾爪連接起來，來實現(xiàn)機器人的爬桿動作。直線往復式滑臺可以采用滾珠絲桿和伺服電機結(jié)合的形式，也可以采用梯形絲桿和步進電機配合形式來實現(xiàn)直線往復式移動。當是設(shè)計和制造出來的機構(gòu)必須在承受足夠載荷的情況下同時可以保證足夠的移動精度。這樣就可以保證機器人爬桿的位置精度，進而使得我們設(shè)計的爬桿機器人可以在要求有一定運動定位要求的場合使用。直線往復式移動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計就略去，因為有專業(yè)的廠家設(shè)計和生產(chǎn)。在這里只設(shè)計其同中間夾爪與清潔往復機構(gòu)的連接板，還有其同軀干的連接板。其結(jié)構(gòu)如下：6.13爬桿機器人直線往復結(jié)構(gòu)連接圖結(jié)構(gòu)左側(cè)為中間夾爪定位板其中部同直線往復滑臺連接，上下兩個部分分別連接中間夾爪和直線往復式清潔機構(gòu)。結(jié)構(gòu)右側(cè)為軀干連接板，這個定位板是直接焊接在軀干上的，并通過螺絲和直線滑臺連接。軀干定位板設(shè)計成鏤空的結(jié)構(gòu)只是為了減輕爬桿機器人的重量，以保證機器人的作業(yè)。6.3爬桿清潔機器人往復擦洗機構(gòu)和吹干機構(gòu)設(shè)計課題設(shè)計要求這一機構(gòu)可以實現(xiàn)水洗和洗后的干燥，并且要求在機器人爬桿的時候，整體清潔機構(gòu)對桿沒有阻力。為了實現(xiàn)這一設(shè)計要求，我們采用了同夾爪近似的開合機構(gòu)。對于往復擦洗而言，我們設(shè)計了可拆卸的機構(gòu)。使用是通過燕尾槽定位，再使用螺絲來鎖緊。這種拆卸結(jié)構(gòu)設(shè)計后部設(shè)計成可旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，并安裝了彈片來保證其可以復位，并在擦洗的時候可以對桿施加一定的壓力。在這一可拆卸結(jié)構(gòu)上，銑削出水槽來裝載清潔劑，并在水槽的側(cè)面加工出小孔，用以持續(xù)潤濕清潔布。清潔布和氣囊做成這個整體，并通過黏貼的方式固定在上面，這樣便于更換。水槽設(shè)計了橡膠扣塞，可以在加入清潔液之后快速的蓋緊，以防液體濺出?？刹鹦督Y(jié)構(gòu)可以采用工程類塑料，以減輕重量。往復擦洗結(jié)構(gòu)的上下移動通過電機驅(qū)動偏心輪帶動整體結(jié)構(gòu)，沿著直線導桿快速往復移動。再設(shè)計一個板金焊接件，來將其同開合機構(gòu)連接在一起。對于洗后的干燥，我們設(shè)計了氣流吹干機構(gòu)。選用了小型風扇來產(chǎn)生氣流，再設(shè)計一個管路來導引氣流吹向清潔后的桿件表面。管路上加工出小孔，每一個孔的中心線都指向桿的中心，以保證氣流可以垂直的吹向桿件的表面。因為爬桿機器人是要下桿的，所以為了防止吹干結(jié)構(gòu)撞到桿件，我們在這一課題的設(shè)計時，選用了軟管。這樣就可以為機器人下桿時提供更大的運動空間，因為軟管可以避讓變形，并且具有一定的記憶功能，可以在避讓后回復到設(shè)計位置。設(shè)計吹桿時，為了保證其同開合機構(gòu)的相對位置，我們采用了鈑金折彎件。通過合理的設(shè)計折彎位置，可以固定吹干機構(gòu)，并使其停留在一定的位置。結(jié)構(gòu)三維模型如下：6.14爬桿機器人清潔機構(gòu)三維模型圖具體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程如下：針對桿件直徑設(shè)計對應的包裹這清潔布的氣囊。氣囊的寬度為100mm，這一尺寸是配合爬桿機器人每一部爬桿的進給距離的。如下圖：6.15爬桿機器人清潔機構(gòu)圖1設(shè)計可拆卸式的氣囊定位板件，采用選用工程塑料以減輕重量。板件為左右對稱式的結(jié)構(gòu)，板件上的燕尾槽是為了可以快速的定位板件，板件上的水槽是用來裝清潔液的，并且清潔液通過其上的小孔滲透到氣囊的清潔布上。如下圖：6.16爬桿機器人清潔機構(gòu)圖2在定位板上設(shè)計了兩個橡膠塞，用來防止清潔液滲出。如下圖：6.17爬桿機器人清潔機構(gòu)圖3在定位板上的右后部設(shè)計了開合式結(jié)構(gòu)。這一機構(gòu)是可以在清潔機構(gòu)開啟的時候退讓的。開合機構(gòu)也是通過限位螺絲和定位板連接的。為了保證開合機構(gòu)能夠壓緊桿件，并且現(xiàn)在清潔機構(gòu)閉合和復位，在其兩側(cè)設(shè)計了彈片。如下圖：6.18爬桿機器人清潔機構(gòu)圖4清潔往復機構(gòu)通過燕尾槽和左右兩個槽板快速的定位和固定，其固定是通過螺絲來實現(xiàn)的。如下：6.19爬桿機器人清潔機構(gòu)圖5清潔往復機構(gòu)在左右燕尾槽板上各安裝一對銅導套，銅導套配合一對導桿，再將導桿固定。這樣清潔往復機構(gòu)就可以上下往復移動，實現(xiàn)桿件的清潔。如下圖：6.20爬桿機器人清潔機構(gòu)圖6清潔往復機構(gòu)通過左右一對偏心輪和連桿機構(gòu)來帶動其實現(xiàn)往復清潔。其結(jié)構(gòu)如下：6.21爬桿機器人清潔機構(gòu)圖78，清潔往復機構(gòu)的左右兩側(cè)的清潔往復機構(gòu)是通過直流電機來驅(qū)動的，直流電機是通過安裝板來安裝在定位和固定在清潔機構(gòu)上的。如下圖：6.22爬桿機器人清潔機構(gòu)圖89，清潔往復機構(gòu)的左右兩側(cè)的清潔往復機構(gòu)通過一對鈑金件定位和固定連接在開合平行四桿機構(gòu)上。鈑金件下部設(shè)計了一對加強筋板，以保證可以承受一定的載荷，使得整體結(jié)構(gòu)有足夠的強度和剛度。其結(jié)構(gòu)如下圖：6.23爬桿機器人清潔機構(gòu)圖910，清潔往復機構(gòu)的左右兩側(cè)的清潔往復機構(gòu)通定位；并固定在基板上?；迳喜吭O(shè)計了步進電機，以通過其上的小齒輪來驅(qū)動開合機構(gòu)動作?；逋ㄟ^定位銷和螺紋孔同直線滑臺的滑板連接。其結(jié)構(gòu)如下圖：6.24爬桿機器人清潔機構(gòu)圖1011，吹干機構(gòu)的風機通過L型鈑金件和開合機構(gòu)相連。設(shè)計時鈑金件通過其折彎位置和角度來保證吹干機構(gòu)的正確位置。其結(jié)構(gòu)如下圖：6.25爬桿機器人清潔機構(gòu)圖1112，吹干機構(gòu)的風機產(chǎn)生的氣流通過同心異徑管和一個環(huán)狀的管路導引到被清潔的桿件的表面。其結(jié)構(gòu)如下圖：6.26爬桿機器人清潔機構(gòu)圖1213，吹干機構(gòu)的風機產(chǎn)生的氣流通過同心異徑管和一個環(huán)狀的管路導引到被清潔的桿件的表面，并且在環(huán)形桿件的兩端設(shè)計堵板來組織氣流外泄。其結(jié)構(gòu)如下圖：6.27爬桿機器人清潔機構(gòu)圖1313，吹干機構(gòu)的風機產(chǎn)生的氣流通過同心異徑管和一個環(huán)狀的管路導引到被清潔的桿件的表面，并且在環(huán)形桿件的兩端設(shè)計堵板來組織氣流外泄。在環(huán)形桿件的內(nèi)側(cè)加工出均布的小孔，并設(shè)計了兩種規(guī)格的塑料軟管使用膠接的方式來固定。這樣就可以使得氣流垂直吹向被清潔的桿件的表面。其結(jié)構(gòu)如下圖：6.28爬桿機器人清潔機構(gòu)圖146.4爬桿清潔機器人整體骨架和電控箱課題設(shè)計的機器人可以使用設(shè)計一個”龍骨”結(jié)構(gòu)來定位了連接各個機構(gòu)，保證其相對位置的同時，提供一定的強度和剛度。再在龍骨的背面設(shè)計設(shè)計一個電控箱，來安裝控制電路。具體設(shè)計要在個部件的設(shè)計工作完成，并建立三維模型后進行。6.4.1爬桿機器人骨架設(shè)計在完成課題要求設(shè)計的各個機構(gòu)之后，要設(shè)計一個機械結(jié)構(gòu)來將各個功能結(jié)構(gòu)連接和固定在一起。爬桿機器的設(shè)計任務書上要求機器人整體尺寸在800mm以內(nèi)，對于這樣的外形結(jié)構(gòu)，一般設(shè)計成“龍骨”結(jié)構(gòu)，使其在保證一定的強度和剛度的同時，減輕整個機械系統(tǒng)的重量。在“龍骨”上加工出安裝孔，并保證其相對位置精度。課題設(shè)計的“龍骨”結(jié)構(gòu)如下：6.29爬桿機器人龍骨結(jié)構(gòu)龍骨結(jié)構(gòu)采用20x20x2方管和兩個鈑金件焊接構(gòu)成。其前后為兩端折彎的C型彎管，在兩個C型彎管之間設(shè)計了5個加強桿。C型桿的中部設(shè)計了四支撐管和兩個加強管，這樣就可以支撐和固定兩個定位板。兩個定位板上加工出了定孔，用來定位和固定上下夾爪?！褒埞恰钡闹虚g設(shè)計了一個鏤空的定位板，其上按照直線移動模組的定位和固定孔，用來將爬桿機器人的中間夾爪和清潔機構(gòu)定位其上。整個龍骨結(jié)構(gòu)采用焊接的連接方式來將其固定在一起，并保證其有一定的連接強度。6.4.2爬桿機器人電控箱設(shè)計爬桿機器人除了機械結(jié)構(gòu)之外，還需要為其設(shè)計電控部分。電控部分的設(shè)計不屬于機械設(shè)計的范疇，但是我們要其設(shè)計一個電控箱，來安裝和固定機器人的各個電路元件。對于一個合格的電控箱，一般還要設(shè)計通風和散熱機構(gòu)，以保證電路板和電氣元件在使用時始終工作在合適的溫度下。但是由于論文的篇幅有限，這里只是設(shè)計了一個簡化的電控箱模型。其結(jié)構(gòu)圖如下：6.30爬桿機器人電控箱結(jié)構(gòu)本課題設(shè)計的簡化電控箱采用角鋼焊接成骨架，在焊接鈑金件將其封閉起來。在箱體的內(nèi)部焊接了左右兩組L型板，并在L型板的上部焊接兩個板，已將箱體的內(nèi)部空間分割為三個部分。在箱體上安裝了兩個合頁，并在合頁上安裝了門板，門板上設(shè)計了把手，一便可以隨時開啟電控柜的箱門。6.5爬桿機器人總體結(jié)構(gòu)分析在完成各個功能機構(gòu)的設(shè)計之后，并設(shè)計骨架來將其連接后，我們還設(shè)計了電控箱來安裝和放置控制電路。這樣我們就完成了爬桿機器人的整體設(shè)計。其結(jié)構(gòu)圖如下：6.31爬桿機器人總體結(jié)構(gòu)爬桿機器的安裝了上中下三個夾爪。上下兩個夾爪固定在骨架的上下兩個定位板上，中間夾爪和往復清潔裝置一起固定在直線移動模組上。其間設(shè)計了大小兩個轉(zhuǎn)接板，以使其可以定位和固定連接。中間按的轉(zhuǎn)接板連接的是直線模組。直線模組固定和連接在骨架上。機器人的骨架上設(shè)計了電控箱，用來安裝電路板和電子元件。7爬桿機器人設(shè)計計算部分在完成爬桿機器人的大體設(shè)計之后，需要對受力部件進行強度和剛度計算，以保證其使用性能。爬桿機器人工作的時候主要承受的是自身的重力，而爬桿機器人工作時最危險情況就是只有一個夾爪承受整個機器人的重量。而這個承受載荷的機構(gòu)就是夾爪，而夾爪上受力最大的就是四桿機構(gòu)的連桿和基座。這幾個部件的強度和剛度是否滿足機器人的使用要求非常重要。對于機器人的骨架而言，要求其在最危險的使用條件下也可以保持足夠的剛度。而對于骨架而言，中間一個夾爪夾持的時候，就是骨架受力變形最危險的時候。所以選擇這幾個部件來進行有限元強度效核。夾爪上使用的齒輪是整個機器人結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件。其設(shè)計滿足使用要求是非常重要的，所以必須對其進行設(shè)計計算。7.1夾爪平行四桿機構(gòu)連桿有限元設(shè)計計算7.1.1對要做有限元分析的機構(gòu)進行受力分析要做有限元分析的夾爪結(jié)構(gòu)如下圖：7.1爬桿機器人夾爪機構(gòu)結(jié)構(gòu)要求做有限元分析的連接桿為高亮顯示的兩個部件。這兩個部件的右側(cè)圓柱面的上下兩個面和內(nèi)孔在夾爪夾緊的時候為固定不動的面，而左側(cè)兩桿同夾爪接觸面承受了爬桿機器人一半的重量，也就是2499/2=1249.5N。夾爪連桿的材料可以選用普通碳素鋼，力學性能可以依照軟件自帶的參數(shù)庫。這里可以將模型簡化為兩個連桿，在連桿的右側(cè)圓柱面施加固定約束，左側(cè)接觸面施加遠程載荷1249.5N。施加遠程載荷的目的是為了在計算時考慮到彎矩的作用。簡化后的模型如下：7.2爬桿機器人夾爪連桿機構(gòu)有限元分析簡化模型7.1.2進行第一次有限元分析7.1.2.1選擇有限元分析類型新建靜力分析算例，如下圖：7.3爬桿機器人夾爪有限元分析類型7.1.2.2施加約束在兩個連桿的右側(cè)圓柱臺和內(nèi)孔上施加固定約束，限制其所有移動自由度。如下圖：7.4爬桿機器人夾爪有限元分析施加約束7.1.2.3指定材料這里給爬桿機器人夾爪指定普通碳鋼的材料，性能參數(shù)依照軟件自帶參數(shù)庫。如下圖：7.5爬桿機器人夾爪有限元分析指定材料7.1.2.4施加載荷這里給爬桿機器人兩個連桿指定遠程載荷模擬夾爪所受的機器人自身重量。載荷的大小為1249.5N，方向豎直，作用點簡化為夾爪和桿接觸面的中點。為了施加遠程載荷，在夾爪受力點建立了坐標。結(jié)果如下圖：7.5爬桿機器人夾爪有限元分析施加載荷7.1.2.5劃分網(wǎng)格第一次有限元計算可以依照軟件默認網(wǎng)格劃分參數(shù)來對模型進行網(wǎng)格劃分。結(jié)果如下圖：7.6爬桿機器人夾爪有限元分析劃分網(wǎng)格7.1.2.6運行有限元計算進行第一次有限元計算，結(jié)果如下圖：7.6爬桿機器人夾爪有限元分析計算結(jié)果7.1.2.7第一次有限元計算結(jié)果分析第一次有限元計算結(jié)果顯示平行四桿機構(gòu)連桿1的局部應為值超過了材料的許用應力。針對這一計算結(jié)果將連桿1厚度加大，再次運行有限元計算其結(jié)果如下：7.6爬桿機器人夾爪第二次有限元分析計算結(jié)果修改模型后第二次有限元分析結(jié)果顯示在爬桿機器人夾爪平行四桿機構(gòu)的連桿1的局部還是有應力集中，并且應力數(shù)值超過了材料指定的屈服強度。針對這一計算結(jié)構(gòu)對模型再次進行修正（在應力集中處加R角），并再次運行有限元分析，結(jié)果如下：7.6爬桿機器人夾爪第三次有限元分析計算結(jié)果第三次有限元分析結(jié)果顯示在R角處連桿1的應力值依然超過了材料的屈服強度?，F(xiàn)在認為時有限元分析的奇異性現(xiàn)象，不再修改連桿1的三維模型。7.1.2.8檢驗網(wǎng)格劃分是否合理對于有限元計算，網(wǎng)格的劃分很重要。合理的網(wǎng)格劃分應該是能夠得到收斂的有限元計算的結(jié)果，就是說進一部細化網(wǎng)格，有限元計算的結(jié)果不會有太大的變化，并且兩次計算之間的數(shù)值差值會逐步縮小。第一次計算結(jié)果如下：7.7爬桿機器人夾爪網(wǎng)格劃分驗證第1次有限元分析計算結(jié)果第一次細化網(wǎng)格后，計算結(jié)果如下：7.7爬桿機器人夾爪網(wǎng)格劃分驗證第2次有限元分析計算結(jié)果第二次細化網(wǎng)格后，計算結(jié)果如下：7.8爬桿機器人夾爪網(wǎng)格劃分驗證第3次有限元分析計算結(jié)果第三次細化網(wǎng)格后，計算結(jié)果如下：7.9爬桿機器人夾爪網(wǎng)格劃分驗證第4次有限元分析計算結(jié)果對四次有限分析進行對比：第一次應力最大值為393MPa；第二次應力最大值為403MPa；第三次應力最大值為441MPa；第四次應力最大值為497MPa。四次計算結(jié)果差值不大，并且都是應力集中的地方，可以確定這里出現(xiàn)應力超差是因為有限元計算的應力奇異性問題。連桿發(fā)的有限元計算完成。7.2夾爪基座有限元設(shè)計計算7.2.1對要做有限元分析的機構(gòu)進行受力分析要做有限元分析的夾爪結(jié)構(gòu)如下圖：7.10爬桿機器人夾爪機構(gòu)結(jié)構(gòu)夾爪基板右上表面為固定面，其通過定位銷和螺紋孔同爬桿機器人的軀干連接。其左端槽口處同平行四桿機構(gòu)接觸的部位為受力部位，承受機器人重量載荷。其左端中間部位是加強柱支撐的部位，這個部位通過螺紋鎖緊，可以改善夾爪基板結(jié)構(gòu)的受力，所以在有限元分析的時候設(shè)定為為固定點?；宓牟牧喜捎?075鋁合金，有一定的強度，而且總量輕。7.2.2進行第一次有限元分析7.2.2.1選擇有限元分析類型新建靜力分析算例，如下圖：7.11爬桿機器人夾爪有限元分析類型7.2.2.2施加約束在夾爪基板右側(cè)和中間支撐桿處施加固定約束，限制其所有移動自由度。如下圖：7.12爬桿機器人夾爪有限元分析施加約束7.2.2.3指定材料這里給爬桿機器人夾爪指定7075鋁合金的材料，性能參數(shù)依照軟件自帶參數(shù)庫。如下圖：7.13爬桿機器人夾爪有限元分析指定材料7.2.2.4施加載荷這里給爬桿機器人夾爪基板指定遠程載荷模擬夾爪所受的機器人自身重量。載荷為兩個，載荷的大小都為1249.5N，方向豎直，作用點簡化為夾爪和桿接觸面的中點，并且簡化認為連桿和夾爪基板槽口處的配合是有間隙的，計算時只考慮夾爪上部槽口處收到的力，忽略夾爪槽口處下部受到的作用。這樣的計算結(jié)果偏于保守，本課題認為可行。為了施加遠程載荷，在夾爪受力點建立了坐標。結(jié)果如下圖：7.14爬桿機器人夾爪有限元分析施加載荷7.2.2.5劃分網(wǎng)格第一次有限元計算可以依照軟件默認網(wǎng)格劃分參數(shù)來對模型進行網(wǎng)格劃分。結(jié)果如下圖：7.14爬桿機器人夾爪有限元分析劃分網(wǎng)格7.2.2.6運行有限元計算進行第一次有限元計算，結(jié)果如下圖：7.15爬桿機器人夾爪有限元分析計算結(jié)果計算出的應力為135MPa，夾爪材料的屈服強度為505MPa。計算結(jié)果有足夠的安全系數(shù)，認為可信。7.2.2.7檢驗網(wǎng)格劃分是否合理對于有限元計算，網(wǎng)格的劃分很重要。合理的網(wǎng)格劃分應該是能夠得到收斂的有限元計算的結(jié)果，就是說進一部細化網(wǎng)格，有限元計算的結(jié)果不會有太大的變化，并且兩次計算之間的數(shù)值差值會逐步縮小。第一次計算結(jié)果如下：7.16爬桿機器人夾爪網(wǎng)格劃分驗證第1次有限元分析計算結(jié)果第一次細化網(wǎng)格后，計算結(jié)果如下：7.16爬桿機器人夾爪網(wǎng)格劃分驗證第2次有限元分析計算結(jié)果第二次細化網(wǎng)格后，計算結(jié)果如下：7.17爬桿機器人夾爪網(wǎng)格劃分驗證第3次有限元分析計算結(jié)果第三次細化網(wǎng)格后，計算結(jié)果如下：7.18爬桿機器人夾爪網(wǎng)格劃分驗證第3次有限元分析計算結(jié)果對四次有限分析進行對比：第一次應力最大值為135MPa；第二次應力最大值為127MPa；第三次應力最大值為131MPa；第四次應力最大值為127MPa。四次計算結(jié)果差值不大，認為計算結(jié)果可信。夾爪基板的有限元計算完成。7.3爬桿機器人骨架有限元設(shè)計計算7.3.1對要做有限元分析的機構(gòu)進行受力分析要做有限元分析的爬桿機器人骨架結(jié)構(gòu)如下圖：7.19爬桿機器人骨架結(jié)構(gòu)爬桿機器人骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計驗算的時候，主要應該考慮骨架的剛度問題，因為在外力作用下骨架不應該出現(xiàn)過大的變形?？墒菣C器人工作時只承受自身的重量，也就是80KG左右。但是必須考慮到意外跌落，或者外力沖擊的問題。所以在有限元分析的時候還要施加一個120KG左右外界作用力，并確認爬桿機器人的骨架在這個外力作用下不會出現(xiàn)過大的彈性變形，甚至時塑形變形。骨架工作時受力最大的時候為中間夾爪固定（骨架中間板），上下兩板承受爬桿機器人自重80KG。再在中間部位施加一個120KG的外界沖擊，基本上就是骨架承受的最惡劣的工作環(huán)境了。7.3.2進行第一次有限元分析7.3.2.1選擇有限元分析類型新建靜力分析算例，如下圖：7.20爬桿機器人骨架有限元分析類型7.3.2.2施加約束在骨架中間連接板表面施加固定約束，限制其所有移動自由度。如下圖：7.21爬桿機器人骨架有限元分析施加約束7.3.2.3指定材料這里給爬桿機器人骨架指定Q235A的材料，性能參數(shù)依照軟件自帶參數(shù)庫（焊接性能優(yōu)良，而且可以承受一定的載荷）。如下圖：7.22爬桿機器人骨架有限元分析指定材料7.3.2.4施加載荷這里給爬桿機器人上下兩板施加爬桿機器人自重80KG，再在中間部位施加一個120KG的外界沖擊。結(jié)果如下圖：7.23爬桿機器人骨架有限元分析施加載荷7.3.2.5劃分網(wǎng)格第一次有限元計算可以依照軟件默認網(wǎng)格劃分參數(shù)來對模型進行網(wǎng)格劃分（這里因為結(jié)構(gòu)比較簡單，計算量不大，可以不采用梁單元來簡化計算）。結(jié)果如下圖：7.24爬桿機器人骨架有限元分析劃分網(wǎng)格7.6.2.6運行有限元計算進行有限元計算，結(jié)果如下圖：7.25爬桿機器人骨架有限元分析應力計算結(jié)果計算結(jié)果最大應力值為275MPa，設(shè)計屈服強度為220MPa。計算結(jié)果顯示有各別應力集中處出現(xiàn)了屈服。針對這一問題，可以修改骨架的材料，使用屈服強度更高的Q355B材料來制造骨架。7.26爬桿機器人骨架有限元分析位移計算結(jié)果計算結(jié)果最大位移為0.975毫米，這一結(jié)果對于爬桿機器人這樣精度不是很高的機械設(shè)備是可以接受。爬桿機器人骨架的有限元計算完成（略去網(wǎng)格劃分合理性檢驗）。7.4爬桿機器人夾爪開合齒輪設(shè)計計算爬桿機器人夾爪的開合是通