鐵罐外壁爬行機結(jié)構(gòu)設(shè)計

鐵罐外壁爬行機結(jié)構(gòu)設(shè)計,鐵罐外壁爬行機結(jié)構(gòu)設(shè)計,鐵罐,外壁,爬行,結(jié)構(gòu)設(shè)計 大 連 大 學(xué) 本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 )開題報告 論 文 題 目： 鐵罐外壁爬行機結(jié)構(gòu)設(shè)計 學(xué) 院： 機械工程學(xué)院 專 業(yè) 、班 級： 機英 142 班 學(xué) 生 姓 名： 張瑩 指導(dǎo)教師（職稱）： 何榮國 2018 年 1 月 2 日填 1 畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告要求 開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文 （設(shè)計）的有效保證。為了使這項 工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。 一、選題依據(jù) 1.論文（設(shè)計）題目及研究領(lǐng)域； 2.論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值； 3.目前研究的概況和發(fā)展趨勢。 二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容 1.重點解決的問題； 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路）； 3.本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果。 三、論文（設(shè)計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)）； 2.論文（設(shè)計）進度計劃。 四、文獻查閱及文獻綜述 學(xué)生應(yīng)根據(jù)所在學(xué)院及指導(dǎo)教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎(chǔ)上通 過分析、研 究、綜合，形成文獻綜述。必要時應(yīng)在調(diào)研、實驗或?qū)嵙?xí)的基礎(chǔ)上遞交相 關(guān)的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。 五、其他要求 1.開題報告應(yīng)在畢業(yè)論文（設(shè)計）工作開始后的前四周內(nèi)完成； 2.開題報告必須經(jīng)學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會審查通過； 3.開題報告不合格或沒有做開題報告的學(xué)生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論 文（設(shè)計）工作，否則不允許參加答辯； 4.開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導(dǎo)教師； 5.開題報告的內(nèi)容，要求打印并裝訂成 冊（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張 上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?。 2 一、選題依據(jù) 1論文（設(shè)計）題目 鐵罐外壁爬行機結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 研究領(lǐng)域 機械設(shè)計制造及其自動化 機械設(shè)計 3 論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值 壁面爬行機器人作為極限作業(yè)的一種特殊機器人，越來越受到人們的重視，原因 是使用爬壁機器人不僅可以代替人進行危險作業(yè)，而且可以把人們從惡劣的工作環(huán)境 中解脫出來。在核工業(yè)、石化行業(yè)以及造船業(yè)等領(lǐng)域的某些特殊作業(yè)環(huán)境中，存在著 一系列操作復(fù)雜、環(huán)境惡劣等嚴重限制人類作業(yè)的因素，因此，人們也更多地寄 希望 于爬壁機器人來對儲罐進行視覺檢查、測厚及焊縫探傷、圓柱形大罐或球形罐的內(nèi)外 壁面進行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐、噴涂船艦體的內(nèi)、外壁等工作，從而達到完成 作業(yè)同時也保護人類自身安全的雙重目的 。 各石油化工企業(yè)都擁有大量的儲油、儲水罐，大部分直徑都在 20-50 m，甚至達 100 m 的超大儲罐， 高 10-20 m，為了延長使用壽命，需要對這些儲罐進行定期除銹 噴涂防腐工作，工作任務(wù)繁重。目前這些工作仍然以傳統(tǒng)的搭設(shè)腳手架作業(yè)方式為主， 但人工噴涂的質(zhì)量不易保證，涂料浪費嚴重，另外儲罐內(nèi)可能殘存有害氣體，影響噴 涂工人的身體健康 。 為保護工人的身體健康，提高噴涂質(zhì)量，節(jié)約能源，提高勞動生產(chǎn)率等，本論文 的研究圍繞在石油、石化的大型儲罐上實施機器人作業(yè)這一目標(biāo)，開展壁面爬行機器 人平臺的研究，探索更加合適的機器人運動形式，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和運行 效率，以便逐步實現(xiàn)替代人工作業(yè)的目的。 4目前研究的概況和發(fā)展趨勢 壁面爬行機器人（簡稱爬壁機器人）是一種能夠在壁面爬行作業(yè)的特殊機器人， 它集機構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、控制和信息技術(shù)等為一體，可以代替人進行危險作業(yè)。近幾 十年來，隨著科技的不斷進步爬壁機器人的研究已經(jīng)取得了巨 大進步，在各個行業(yè)中 也得到了越來越廣泛的使用 。 2002 年，日本的三菱重工集團研發(fā)出一種輪式永磁吸附爬壁作業(yè)機器人。該機 器人具有多種用途，可以攜帶噴槍、刷子和攝像頭等完成噴涂、清洗和檢測工作。噴 涂機構(gòu)安裝在機器人的尾部，由夾持器和噴槍組成，機器人的運動路徑就是噴涂軌跡， 爬壁機器人直線行走形成一字形噴涂軌跡 。 1998 年，哈工大研制成功了一種爬壁噴涂機器人，采用永磁吸附、履帶驅(qū)動方 式，它是專門為石油化工行業(yè)的大型儲罐設(shè)計的，移動速度 2-8 m/min，負重大 于 30kg， 3 攜帶噴涂工具可完成罐壁噴砂除銹、噴涂 防腐、測厚等工作 。 2006 年，山東科技大學(xué)機器人研究中心，針對大型儲罐的除銹噴涂設(shè)計出一種新 型油罐噴砂 /噴涂設(shè)備。該設(shè)備安裝有與油罐輪廓線相似的對稱布置的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上 對稱布置兩個機器人，其機械手具有俯仰、伸縮和噴槍劃圓功能，作業(yè)時，導(dǎo)軌帶動 兩個噴涂機器人沿油罐周向運動，半圈后，由鋼絲繩牽引軸向上升 150-200mm，再反 向周向噴涂，如此反復(fù)動作完成油罐的壁面涂裝作業(yè)，形成螺旋線周向軌跡，涂層質(zhì) 量較好 。 2011 年，山東科技大學(xué)機器人研究中心針對船舶造修業(yè)的除銹噴涂作業(yè)研究出另 外一種噴涂機器人。它有移動底座 、水平移動導(dǎo)軌、豎直移動導(dǎo)軌、柱坐標(biāo)移動裝置 及噴槍機構(gòu)組成，可以實現(xiàn)船艙內(nèi)各個平面和曲面的噴涂作業(yè)。移動機器人到達指定 位置，噴槍一方面繞自身旋轉(zhuǎn)畫圓，另一方面沿水平導(dǎo)軌移動，形成螺旋線直線噴槍 軌跡，涂層質(zhì)量較均勻 。 4 二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容 1.重點解決的問題 (1)鐵罐外壁爬行機的 結(jié)構(gòu)設(shè)計， 根據(jù)機爬行機的工作需求確定高效的工作方式， 工作原理 并選擇和設(shè)計合理的機械結(jié)構(gòu)，利用理論知識進行設(shè)計及計算爬行機的工作 特性，控制參數(shù)，最終得出設(shè)計結(jié)果。 (2)分析 鐵 罐外壁爬行機運動方式 2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路） (1)查閱資料，了解做研究課題的研究意義、研究概況和發(fā)展趨勢； (2)利用 現(xiàn)有的研究成果及理論知識進行創(chuàng)新 ， 做出 總體方案設(shè)計； (3)設(shè)計計算 爬行機的運動方式 ，確定各個 機械 元件的型號尺寸； (4)進行 爬行機 的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 3.本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果 通過學(xué)習(xí)及查閱有關(guān)資料掌握 鐵罐外壁爬行機 的工作原理以及其機構(gòu)的設(shè)計 , 了解現(xiàn)在 鐵罐爬壁機 的發(fā)展趨勢、相關(guān)技術(shù)的對比及市場前景。通過自主設(shè)計并選擇 最合理的方案設(shè)計能夠得到以下結(jié)果： (1)鐵罐外壁爬行機 工作原理及總體方案設(shè)計； (2)主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計（裝配圖、零件圖） (3)設(shè)計說明書； (4)鐵罐外壁爬行機 相關(guān)的一篇外文翻譯（ 2000 字以上）。 5 三、論文（設(shè)計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)）； 設(shè)計參數(shù)：爬壁機外形尺寸大約為 600mm800mm600mm，自重 1030kg，負 載重量 1020kg，爬行速度為 80200mm/s，清洗速度為 23m2/min。 技術(shù)路線： a.查閱資料，了解做研究課題的研究意義、研究概況和發(fā)展趨勢； b.制定出 鐵罐外壁爬行機 的總體方案設(shè)計； c.對 鐵罐外壁爬行機仿真 方案的具體部分進行理論計算； d.進行 鐵罐外壁爬行機 的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ; e.利用計算機輔助設(shè)計對方案進行校核。 2.論文（設(shè)計）進度計劃 第一周至第 三 周：審題、查找資料、寫出文獻綜述。 第 四 周：開題報告。 第 五 周至第 六 周：完成系統(tǒng)的方案設(shè)計。 第 七 周 至第八周 ：完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)草圖，進行運動參數(shù)設(shè)計計算。 第 九 周至第十周：對 鐵罐外壁爬行機 的設(shè)計方案進行改進、完善。 第十一周至第十二周： 完成所有的裝配圖和零件圖。 第十三周：總體完善，達到設(shè)計要求，完善畢業(yè) 設(shè)計說明書。 第十 四 周：制作 PPT，打印相關(guān)文件 ， 準(zhǔn)備答辯 。 6 四、需要閱讀的參考文獻 1黃金鳳 ,張陽 ,于江濤 .罐體爬壁機器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 J.機械工程與自動 化 ,2017(02):168-170. 2周依霖 ,張華 ,葉艷輝 ,王帥 ,范宇 .永磁吸附履帶式爬壁機器人轉(zhuǎn)向動力特性分析 J.機械設(shè)計 ,2017,34(02):56-61. 3姚秋平 ,柯文德 ,武春英 .永磁式油罐爬壁機器人研制 J.廣東石油化工學(xué)院學(xué) 報 ,2016,26(06):40-43. 4程楠 . 具 有壁面過渡能力的磁吸附爬壁機器人系統(tǒng)研究 D.中國計量大 學(xué) ,2016. 5張沖沖 ,閆德峰 ,劉超冉 ,劉繁 ,龔亮 .履帶式磁動力爬壁機器人本體設(shè)計 J.機電 信息 ,2016(09):111-112. 6汪興潮 . 船舶除銹爬壁機器人技術(shù)研究 D.華南理工大學(xué) ,2016. 7滕迪 . 負壓爬壁機器人及其控制技術(shù)研究 D.北京理工大學(xué) ,2016. 8王偉方 ,唐曉強 ,邵珠峰 .八索立式儲罐并聯(lián)機器人設(shè)計及性能優(yōu)化 J.機械工程 學(xué)報 ,2016,52(09):1-8. 9黃忠 ,劉泉 ,王茂 .新型爬壁機器 人設(shè)計與運動特性分析 J.煤礦機 械 ,2015,36(12):20-23. 10閆久江 ,趙西振 ,左干 ,李紅軍 .爬壁機器人研究現(xiàn)狀與技術(shù)應(yīng)用分析 J.機械研 究與應(yīng)用 ,2015,28(03):52-54+58. 11孫玲 . 除銹爬壁機器人壁面行走控制技術(shù)研究 D.大連海事大學(xué) ,2015. 12周新建 ,劉祥勇 .大型油罐爬壁機器人吸附結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計 J.機械設(shè)計與制 造 ,2014(09):181-184. 13任健 ,杜堅 ,張超 ,陳酉江 .一種儲油罐內(nèi)壁清潔機器人的設(shè)計 J.信息通 信 ,2014(06):49-50. 14何富君 ,李浩 ,常忠偉 ,張瑞杰 .儲罐爬壁噴涂機構(gòu)的運動學(xué)分析 J.機械設(shè)計與 制造 ,2014(06):210-212+216. 15何富君 ,李浩 ,張瑞杰 ,張靈聰 .儲罐爬壁機器人的噴漆機構(gòu)設(shè)計及 ADAMS 仿真 J.制造業(yè)自動化 ,2013,35(21):107-110. 16李浩 . 儲罐爬壁機器人的噴涂機構(gòu)研究 D.東北石油大學(xué) ,2013. 17Rodrigo Valrio Espinoza,Andr Schneider de Oliveira,Lcia Valria Ramos de Arruda,Flvio Neves Junior. 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International Journal of Precision Engineering and 7 Manufacturing,2016,17(7). 8 附：文獻綜述或報告 一、 引言 鐵罐外壁爬行機有著很大的發(fā)展前景 ,國內(nèi)外也有不少組織進行研究。爬 壁機器 人作為移動機器人領(lǐng)域一個重要組成部分，由于豎直壁面爬行時，機器人受重力作用 需可靠的吸附力保證機器人的安全吸附，這使得機器人的壁面運動能力有所降低，尤 其是機器人的壁面過渡問題成為爬壁機器人完成大型豎直壁面檢測任務(wù) 的一大難 題?，F(xiàn)如今有很多爬壁機的研究成果：將移動機構(gòu) ( 車輪、履帶、腿等 ) 與將它吸附 在壁面上的吸附機構(gòu) ( 磁鐵、吸盤等，根據(jù)使用環(huán)境選擇 ) 組合起來實現(xiàn)的，它將地 面移動技術(shù)拓展到垂直空間上，充實了機器人的應(yīng)用范圍。 二、 課題國內(nèi)外現(xiàn)狀 文獻 611做的是船舶除銹爬壁機器人，除銹爬壁機器 人集高壓水、真空回收、 氣源、電氣信號等為一體，通過防護吊墜保障機器人爬壁作業(yè)。 機器人采用履帶式行走機構(gòu)，利用間隙式永磁吸附和真空吸附相結(jié)合的方式吸附 于船舶壁面。除誘爬壁機器人的基本結(jié)構(gòu)包括移動裝置、吸附裝置及除鎊作業(yè)機構(gòu) 裝置，其主體結(jié)構(gòu)框架如圖 1.1 圖 1.1 除繡爬壁機器人主體框架示意圖 履帶式爬壁機器人在轉(zhuǎn)向時由于履帶存在橫向摩擦力導(dǎo)致驅(qū)動力矩大，轉(zhuǎn)向困 難，因此分析爬壁機器人轉(zhuǎn)向動力學(xué)并計算機器人轉(zhuǎn)向時的驅(qū)動力矩至關(guān)重要。爬壁 機器人轉(zhuǎn)向是通過兩側(cè)驅(qū)動輪差速運動實現(xiàn)的，爬壁機器人的轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn) 向速度也 是由兩側(cè)驅(qū)動輪的運動速度決定的。 文獻 1516對儲罐爬壁機器人提出了基于爬壁機器人平臺的 Z 字型噴涂軌跡 的實現(xiàn)方法，在噴涂機構(gòu)上采用了可轉(zhuǎn)換方位的噴槍導(dǎo)軌，通過噴槍導(dǎo)軌的方位變換 以及與機器人速度的配合實現(xiàn)了相互平行的噴涂軌跡，使涂面重疊區(qū)更加合理，能夠 實現(xiàn)良好的噴涂效果。以及提出了自上而下的儲罐表面涂裝軌跡規(guī)劃；根據(jù)待施工面 的幾何形狀將其劃分為矩形平面和邊角平面，并進行了噴槍軌跡規(guī)劃，進一步提高了 機器人的施工效率。 為了實現(xiàn)工作軌跡及噴涂工藝要求，噴涂機器人應(yīng)具有 6 個自由度，以實現(xiàn)噴 槍 高度調(diào)節(jié)、噴涂行程轉(zhuǎn)換、噴涂速度調(diào)節(jié)、噴射角度調(diào)節(jié)、噴槍間距調(diào)節(jié)功能。分 別由移動座垂直升降機構(gòu)、導(dǎo)向架旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、水平移動機構(gòu)、噴槍座旋轉(zhuǎn)機構(gòu)及噴槍 間距調(diào)整機構(gòu)實現(xiàn)，另外爬壁機器人提供連續(xù)直線運動。爬壁噴涂機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示。 9 圖 1.2 爬壁噴涂機構(gòu)的機構(gòu)圖 文獻 7參考了國內(nèi)外不同的爬壁機器人的技術(shù)基礎(chǔ)上，主要對爬壁機器人的移 動機構(gòu)，密閉的吸附機構(gòu)，以及對不同的葉輪進行仿真，來實現(xiàn)了機器人能夠穩(wěn)定的 吸附在壁面上并且可以在其上進行移動的操作。其中主要包括機器人的總體機構(gòu)，運 動系統(tǒng)，吸附系統(tǒng)， 驅(qū)動電路，上位機軟件等機器人的部件從上到下依次分別是：高 速無刷電機，葉輪的支撐機構(gòu)，葉輪，機器人的殼體，最下面是有刷電機和驅(qū)動輪。 機器人采用的是單吸盤負壓吸附方式，通過四輪驅(qū)動機構(gòu)讓機器人在壁面平穩(wěn)運動， 毛刷式的密封機構(gòu)保證機器人的氣體不會泄露，使其吸附可靠。高速無刷電機在機器 人的殼體外面，從而可以減少對電機的負載，對機器人的傾覆力矩有降低的作用，同 時可以減少對吸出的氣體的阻擋，提高機器人的性能和效率。 文獻 1罐體爬壁機器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 ，所 實現(xiàn)的功能如下：實現(xiàn)爬行機 構(gòu)前后滑塊組件抬腿、落腿；按需 要調(diào)節(jié)爬壁機器人爬行動作速度；電磁鐵協(xié)調(diào) 抬腿、落腿動作按周期性工作，為機身提供吸附力；前行或后退過程能主動避障； 打磨電機按路徑打磨壁銹。 罐體爬壁機器人控制系統(tǒng)采用施耐德一體化驅(qū)動方式，機器人本體控制部分主要 由臺直行電機、一臺轉(zhuǎn)向電機、一臺打磨電機、遠程模塊以及吸附電磁鐵組 成。 圖 1.3 爬壁機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 10 文獻 13內(nèi)壁清潔機器人的機器人單元是基于飛思卡爾 MC9S12XS12 單片機機 制的四輪磁力吸附式爬壁機器人，能夠執(zhí)行前進、后退、轉(zhuǎn)彎等動作，并具有對儲油 罐壁的清潔和監(jiān)測 的功能；遙控器單元主要功能是控制機器人單元動作，并對視頻采 集器以及清洗機構(gòu)進行控制；上位機單元采用 Visul Basic6.0 編寫完成，其主要功 能是接收來自視頻采集器的數(shù)據(jù)并將儲油罐內(nèi)的圖像顯示在電腦屏幕上，而且能計算 機器人的位置坐標(biāo)，對機器人定位并顯示其行進路線，便于快速確定檢測缺陷的位置 三、 發(fā)展趨勢 爬壁機器人由于其作業(yè)環(huán)境的特殊性，己經(jīng)成為機器人技術(shù)發(fā)展的熱點之一。而 爬壁機器人以其綠色環(huán)保、解放人力等優(yōu)點，在船舶壁面除銹、大型儲罐清理等領(lǐng)域 具有重要的應(yīng)用價值。一般來說，爬壁機器人工作量很大，自 動化改進需求迫切，但 在壁面定位、路徑規(guī)劃、自動控制等方面的研究還不滿足應(yīng)用要求。除繡爬壁機器人 工作過程中的變負載特性，給其運動控制帶來了困難。 目前爬壁機器人不同的研究方向主要歸結(jié)于吸附方式與運動形式上兩點。根據(jù)上 述研究現(xiàn)狀，大多數(shù)研究者是根據(jù)使用用途選用吸附方式，如在玻璃或光滑壁面上工 作時，主要采用真空吸附或者仿生吸附，在鋼制壁面上主要采用磁力吸附，主要包括 永磁吸附和電磁吸附 ; 而在復(fù)雜壁面上或者是彎曲壁面上大多采用混合吸附方式，目 前爬壁機器人的吸附方式主要有真空吸附 磁力吸附、仿生吸附、靜電吸附、推力吸 附、機械吸附。 四、 存在問題 爬壁機器人經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展，取得了一定的成績，但是從產(chǎn)業(yè)化或者是從 研究應(yīng)用來講，還有很大的差距，總體來看爬壁機器人技術(shù)還存在一些難以克服的問 題 : (1) 工業(yè)應(yīng)用與樣機驗證的差距。 (2) 運動靈活性與吸附穩(wěn)定性之間的矛盾。 (3) 仿生研究與功能性的背道而馳。 11 審 核 意 見 指導(dǎo)教師評閱意見 （對選題情況、研究內(nèi)容、工作安排、文獻綜述等方面進行評 閱） 簽字： 年 月 日 教研室主任意見 簽字： 年 月 日 學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會意見 簽字： 年 月 日 公章：