水下船舶清洗機器人結構設計-新品【含7張CAD圖紙】

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常州工學院機電工程學院畢業(yè)設計 摘要 為了實現(xiàn)水下船體表面上的機器人運動，靈活的吸附功能和可靠運行，研究了水下機器人的運動結構和船體清潔功能。描述了水下船體表面移動機構的基本部件，工作原理，移動機構運動學建模。 論文系統(tǒng)綜述了水下清刷技術和壁面移動機器人技術的發(fā)展，移動部分提出了采用電機正反轉，帶動兩個相似結構交替運行，三角盤上的吸盤吸附，導軌三角盤脫離移動，導軌吸盤吸附，三角盤吸盤脫離移動來實現(xiàn)機器人移動結構方案；清洗部分，利用電機傳動到刷子進行清洗。成功設計了水下船體表面清刷機器人的移動及清洗。針對水下作業(yè)環(huán)境的特點，對機器人的移動結構和清刷作業(yè)裝置等關鍵技術進行了系統(tǒng)的研究。另外，由于時間緊迫，對機器人的密封性，吸附方式，沒有進行詳細設計。 本次設計初步設計了水下船體清洗機器人的移動及清洗設計，針對機器人在水下作業(yè)的特點，研究設計了機器人攜帶的作業(yè)工具即水下清刷作業(yè)裝置。 關鍵詞：機器人 移動機構 清洗機構 Abstract In order to achieve the robot on the surface of the underwater hull, flexible and reliable operation of the adsorption function to study the movement of the structure and function of the underwater hull cleaning robot. Describes the basic components of the underwater hull surface movement mechanism, working principle, the moving mechanism kinematics modeling. Papers systematic review of the development of underwater brush clearing and wall mobile robotics technology, the mobile part of the proposed use of motor reversing, driven alternately run two similar structures, sucker adsorption on a triangular plate, triangular plate from moving rail, rail sucker adsorption, triangular plate sucker from mobile robot to move the structure to implement the program; cleaning section, the use of the motor drive to brush for cleaning. Successful design of the underwater ship hull cleaning robot moving and cleaning. According to the characteristics of the underwater environment, structure and key technology of mobile devices, such as clearing brush operating robots were studied. In addition, due to time constraints, for sealing, adsorption robots, no detailed design. ?The design of the preliminary design of the underwater hull cleaning and cleaning of mobile robot design, the characteristics of the robot for underwater operations, research and design a working tool that is underwater robot carrying brush clearance operations unit. Keywords: robot moving mechanism cleaning mechanism - III - 目 錄 摘要 I Abstract II 目 錄 III 第1章 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.2 課題研究的目的和意義 1 1.3 現(xiàn)狀 1 第2章 移動部分設計 9 2.1 爬行機構設計 9 2.2 齒輪傳動設計 10 2.2.1 電機選擇 10 2.2.2 齒輪傳動設計 10 2.3 傳動軸設計 13 2.4 齒輪齒條設計 16 2.5 移動部分越障分析 19 2.5.1 在凹曲面上移動 19 2.5.2 在凸曲面上移動 20 第三章 清洗機構的設計 22 3.1 電機傳動方案設計 22 3.2 齒輪機構設計 22 3.3 傳動軸設計 24 第四章 魚尾部分及箱體部分 28 4.1 魚尾部分簡介 28 4.2 箱體的密封 28 4.3其他問題 29 結論 31 致謝 32 參考文獻 33 千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 第1章 緒論 1.1 課題背景 課題來源于常州太燁傳感科技有限公司。船舶在長期的航行中，水下部分的船體表面會附有貝類、藻類生物及生出銹斑，嚴重影響船舶的航行速度和使用壽命，還增加船舶的燃料消耗，所以定期清洗非常重要，人工清洗人員工作量大、難度大、效率低，目前中國國內對于這方面的研究還很少，對于壁面清洗機器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墻壁等，但是對于船舶清洗研究的卻是很少，主要是因為船舶清洗是在水下，設計時要考慮水的影響，密封性的要求，水下移動、吸附等問題，增大了設計的難度。因此研制水下清洗機器人成為需要，水下船舶清洗機器人將大大提高船舶清洗的效率，減少工作量，減少工作強度，實現(xiàn)自動化清洗。該機器人的結構主要分成兩部分：一部分是移動部分，另一部分是清洗部分。移動部分主要解決的問題是機器人在曲面上的移動，清洗部分的結構設計利用清洗盤的轉動來實現(xiàn)清洗。本課題主要內容包括：國內外文獻分析，總統(tǒng)方案設計，水下船舶清洗機器人機械結構設計，裝配圖零件圖的設計，結構優(yōu)化設計。 1.2 課題研究的目的和意義 船舶正常工作時總有一部分沉在水下，常年累月，在水下的船體表面會附著一些貝類、藻類等生物，嚴重影響船舶的航行速度和使用壽命，還增加了船舶的燃料消耗，所以每隔一段時間就要對船舶進行清洗.但傳統(tǒng)的清洗方法是工人要潛入水里才能對船舶進行清洗，具有一定的風險性，工作量大，難度大.因此研究水下清洗機器人成為必要.本設計的研究目的就是在于制造出一種在水下可以游動并且可以吸附在船體上的清洗機器人.一方面機器人可以像魚類一樣在水下自由的游動；另一方面該機器人可以通過電磁吸附吸附在船體上并且通過移動裝置在船體上爬行，同時進行清洗.因此該機器人代替了人工潛入水下進行清洗，減少了工人的工作量，減輕了工作強度，實現(xiàn)了水下船舶清洗的自動化，同時對于爬行機器人在曲面上的移動提出了一種新的爬行方式，具有重要意義。 1.3 現(xiàn)狀 目前中國國內對于這方面的研究還很少，對于壁面清洗機器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墻壁等，但是對于船舶清洗研究的卻是很少，一方面船舶清洗是在水下，設計時要考慮水的影響，密封性的要求，水下移動、吸附等問題，增大了設計的難度，目前國內有哈爾濱工業(yè)大學于2003年研制出了一種水下清洗機器人，采用履帶式移動方式，吸附在船體上清洗船舶。國外一些國家也開始研究清洗機器人，主要是壁面清洗機器人的研究，都取得一些成績，但是在實現(xiàn)復雜運動和清洗功能的技術理論和實踐上仍需要經歷一段成熟期。 對于清洗機器人的研究，尤其是水下清洗機器人，目前仍然是處于開始期，還有很多關鍵的技術需要解決，并且水下清洗機器人作為一種新的清洗概念和作業(yè)方式，還有很長一段路要走，但是隨著中國航海事業(yè)的發(fā)展，船舶的排水量的增加，水下船舶部分的清洗也將是一項很繁重的任務，如果實現(xiàn)自動化清洗，將大大提高效率，減輕工作量，所以水下清洗機器人有著很好的發(fā)展前景。 爬行方案 機器人要完成在船體表面的爬行，一方面通過電磁吸附吸附在船體上，同時機器人在船體上要完成移動。 爬行部分主要解決兩個問題，一個問題是機器人在曲面的移動，另一個問題是機器人在船體表面的吸附。 爬行方案 對于移動機器人現(xiàn)在的研究主要集中在平面里的移動，例如清洗玻璃的機器人，在玻璃上爬行，清洗管道的機器人等等。下面是現(xiàn)在已經存在的幾種機器人及其移動方案：多吸盤真空吸附式壁面清洗機器人系統(tǒng)，該機器人用于清洗高空玻璃，傳統(tǒng)的清洗方法是靠升降平臺或吊籃承載清潔工進行玻璃幕墻的清洗，雖簡便易行，但勞動強度大，工作效率又低，屬于高空極限作業(yè)，對人身安全及玻璃壁面都有很大的危險性.該機器人可以代替人工清洗。 考慮到現(xiàn)場實際中的一些特點以及對壁面清洗機器人的要求，該壁面清洗機器人多采用真空式吸附方式。 下面是幾種移動方案： 1） 圖1 圖1是機器人主體，它由構成基本相同形狀的兩個幀的機制的模型。根據(jù)每幀有三條腿，分別由提升缸組成，每條腿的下部有一個吸盤組。當伸縮缸，吸盤將接觸的壁面的下部被連接到下框架轉動圓筒，從而使框架2可相對地旋轉一個預定的角度。2具有中間相對于所述下框架可旋轉的圓盤上設有導向筒和盤2。和引導沿平行于運動方向的兩條直線之間的幀中的機器人的幀。 圖2 如圖2.2A早期運動狀態(tài)，運動從第1腳架吸盤吸附開始，提升油缸縮回，從而完成了機械手縮回腿。然后兩個幀之間的圓筒沿框架導軌上延伸，將根據(jù)該幀的相對運動的方向。運動到位后，框架3升缸延伸吸盤工作表面的吸附，如圖2.2B。然后松開下一個吸盤框架提升氣缸縮回，縮回兩個框架之間的氣缸，該框架將靠攏沿導軌的框架，直到它被恢復到如圖2.2C所示的圖案。這樣就完成工作的一個周期。驅動機器人使用氣缸，采用真空吸附。 2） 圖3 圖2.3是另一移動設備，它是由8吸盤，4以外組成，有四個和四個吸盤可以由滾珠絲桿，它是通過真空抽吸進行移動。 圖4 圖4顯示了爬壁機器人直線行走路線。后的結構設計的角度來看腳操縱已被用來選擇在前腳的立足點，從而減少障礙，改善行走速度判定的數(shù)目。圖4（a??）表示機器人的初始狀態(tài)，小沖程的氣缸的伸長滿吸盤狀態(tài)，滑塊處于中間位置；圖4（b）表示外側4吸杯的不里面的吸附夾頭4真空破壞松開夾頭移動，內筒縮回；圖4（c）表示的前向驅動電機正轉的滾珠螺桿滑動前進，沿著一個向前和內框架滑動；圖4（d）表示的內伸出氣缸內壁與所述側壁上的卡盤，真空吸附在圖4（e）的接觸面4代表了吸附夾頭4的內部不動，外4吸盤為真空斷裂以釋放外筒縮回；圖4（f）表示在向前推進螺桿馬達反向驅動向前沿外框架；圖4（g）延伸的外筒，與墻壁上的吸盤，真空吸附接觸外壁4，然后在里面和八個全吸盤框架之外的吸附狀態(tài)，機器人開始下一個運動周期。以上是爬壁機器人步驟的過程，所以連續(xù)循環(huán)，實現(xiàn)了連續(xù)爬壁機器人前進。 圖5 該機器人主要由一個主體氣缸、兩個縱向吸盤提升氣缸、一個橫向吸盤提升氣缸、兩組橫向吸盤組以及兩組縱向吸盤組構成。 圖6 圖6是多足步行機器人爬步驟的壁的流程圖。在向前運動，例如，在初始狀態(tài)下是機器人的靜止狀態(tài)中，機器人可以執(zhí)行的情況下在墻壁上的清洗探針和檢測。當機器人處于初始狀態(tài)時，在水平和垂直真空吸盤的真空狀態(tài)提供，橫向吸起升缸縮回狀態(tài)，吸起升缸中被縱向延伸的狀態(tài)時，真空吸盤縱向的釋放，垂直吸提升油缸縮回，在主缸固定于圓筒的吸附狀態(tài)的橫向真空吸盤，壓縮空氣驅動活塞向前移動一個距離，然后沿縱向抽吸提升缸縱向延伸，以提供真空抽吸;當橫向吸入真空抽吸提升缸橫向收縮，在主缸的活塞桿固定在壓縮空氣，在氣缸孔的向前移動的距離，并橫向延伸的橫向抽吸提升缸的吸附狀態(tài)的縱向真空吸力釋放提供真空吸力來完成行走過程。 4）目前國內關于水下船舶清洗機器人的研究只有哈爾濱工業(yè)大學研制出一種水下清洗機器人，他們的移動是靠履帶完成的，采用永磁吸附，雙履帶機構。 圖7 機器人的吸附性能被固定到外翼面板履帶鏈塊來實現(xiàn)磁吸附。由鏈節(jié)鏈確定每個軌道的每一鏈路上的數(shù)目，以安裝一個磁塊，然后每星期軌道上，即使在移動的軌跡的過程21橡膠密封永久磁鐵塊鑲嵌，以確保在每個軌道上有8磁體與容器表面的吸附狀態(tài)良好，并且機器人的容器表面上有足夠的磁吸附，實現(xiàn)了在初始時間移動，來調整磁塊上的相同狀態(tài)的兩個磁道的吸收特性，并輸出通過齒輪減速機由驅動鏈輪驅動的驅動伺服電動機的力矩，從而使在所述容器的交替吸附循環(huán)的軌道面的磁塊的表面上，所述機器人上移動來實現(xiàn)所述容器的表面上。 吸附方案 吸附方式主要有兩種：真空吸附和磁吸附。 1、 真空吸附裝置 真空吸附裝置也稱真空吸盤，在壁面移動機器人中主要用于非磁性 壁面上的作業(yè)，如墻壁、玻璃面、非磁性金屬壁面等。 真空吸盤是在利用吸盤內的壓力與大氣壓之間的壓力差而實現(xiàn)吸附的，真空的產生可以通過真空泵、壓縮空氣或排風機等。用真空泵或用壓縮空氣產生真空的吸盤，一般真空度較高。由排風機產生真空的吸盤，一般真空度較低。 2、磁吸附裝置 磁吸附壁面移動機器人用于鐵磁性壁面上的作業(yè)。磁吸附裝置的吸附由電磁鐵、永磁鐵來產生。 電磁式吸附利用直流或交流磁鐵的磁場吸力把對象物吸住。當切斷電流時，磁場消失，對象物即被釋放。本機構就是利用電磁吸附，當磁鐵不通電時，吸盤沒有吸力，當通電時，吸盤具有吸力。先給大吸盤通電，具有磁性吸附在船體上，然后斷電，磁性消失，這時再給小吸盤通電，吸盤具有磁性，小吸盤吸附在船體上，循環(huán)吸附。于此同時移動部分利用間隙時間移動。 永磁吸附是利用永磁鐵來產生磁性吸附，永磁吸附所產生的磁性一直存在，所以移動部分就一直在被吸附物體上，哈工大所研制的清洗機器人就是利用永磁吸附，利用雙履帶移動方式，一直吸附在船體上移動。 本機構是利用機器人的行走完成移動，所以采用真空吸附。 清洗方案 清洗方案的選擇，清洗的對象是船體表面，包括清洗船體表面附著的一些貝類、藻類等生物，需要一定的清洗力。同時考慮機器人的本身尺寸大少，清洗圓盤不易過大，并且驅動要簡單、可行。下面是現(xiàn)存的一些清洗工具： 1）公路圓盤洗 該清洗盤用于公路的清洗，主要清洗路面的塵土和垃圾，所以尺寸很大，所需力要求不大，轉速在100r/min左右，本機構設計簡單，傳動容易設計，同時又可以實現(xiàn)所需功能。 圖8 2）滾筒刷 滾筒刷尺寸小，清洗的力不大，靠滾動來完成清洗，一般用于手動，主要用于清洗玻璃等比較光滑的表面，清洗力不是很大，并且是靠滾來完成的。 圖9 目前市場上主要有這兩種清洗設備，比較兩種設備，第一種要靠電機來驅動，第二種主要是靠手動來實現(xiàn)清洗；兩種清洗都不需要很大的力，轉速不需要很快；第一種尺寸很大，主要清洗路面，所以尺寸比較大，第二種尺寸相對很小?？紤]以上特點，本機器人的清洗機構選擇第一種，但是尺寸選擇變小，利用小型直流電機驅動，考慮清洗的力矩及所需轉速，選擇轉速為40r/min，清洗面積大約為500平方毫米。對清洗盤的設計主要是選擇合適得材料、毛刷來清洗船體表面，船體表面的污染物對船體有一點的吸附力，普通的毛刷不容易將其刷下，容易變形，考慮這些因素，選擇鐵絲刷，鐵絲具有一定的硬度，不容易變形，現(xiàn)在市場上也可以買到。 第2章 移動部分設計 2.1 爬行機構設計 該爬行機構借鑒了現(xiàn)存的很多爬行機構，在此基礎上設計而成.該機構采用內外三角形機構，每個三角板采用三個桿件支撐并且完成吸附。三個桿件成三角形分布，其中后兩個桿件是固定住的，前面一個桿件利用球連接來適應曲面，在移動距離不大得情況下可以適應在曲面上得移動，并且前面的桿件比后面得桿件要短，更適合曲面得移動。桿件的下方是電磁吸盤，當電磁吸盤通電時產生磁力吸附在船體上，當斷電時就不產生磁力，不再吸附，可以完成移動.大三角板和小三角板得吸盤交替通電，當大三角板通電時，小三角板不通電，交替產生磁力，利用空隙完成吸附和移動。小三角板和大三角板通過滑塊連接，小三角板和滑塊通過桿件連接，大三角板本身有一個“工”字型滑槽，滑塊可以在滑槽里移動。小三角板通過桿件與滑塊相連，滑塊與齒條相連，大三角板上面安裝兩個齒條。 圖2-1 工作原理：本機構主要完成兩個功能，一個是吸附，一個是移動.吸附是靠電磁吸附，通電時產生磁性，吸附在船體上，當不通電時，沒有磁性，從而可以沿船體移動。首先先給大三角板的吸盤通電，從而產生磁性，大三角板吸附在船體上，這時小三角板的三個支架不通電，沒有磁性，通過滑塊的移動帶動小三角板向前移動，其滑塊的移動是靠齒輪齒條來完成的，當電機起動帶動齒輪轉動，通過齒輪的傳動，帶動軸轉動，從而通過齒輪轉動帶動齒條向前移動，齒條和滑塊相連，帶動滑塊沿導軌向前運動，當齒條運動一段距離后，電機反向轉動，同時小三角板固定不動，這時大三角板的三個支撐吸盤不再通電沒有磁性，齒輪和齒條作用，根據(jù)相對運動的原理，使得齒輪在齒條上面向前運動，從而帶動箱體向前運動，箱體和大三角板是固定在一起的，這樣，大三角板也向前運動，當電機再次反向轉動時，大三夾板的三個支撐吸盤又通電產生磁性吸附在船體上，小三角板的三個支撐不再通電，這樣就可以使小三角板再此向前運動，如此循環(huán)前進，完成機器人的爬行運動。 該移動機構不再利用汽缸驅動，而是利用電機驅動，巧妙得利用電機的正反轉、齒輪齒條的作用來完成移動—停止—移動得工作循環(huán)，機構相對簡單，方便可靠，容易實現(xiàn)預期得功能。 2.2 齒輪傳動設計 2.2.1 電機選擇 選擇電機，要綜合考慮各個因素，對于本機構在水下移動，不方便攜帶大型電機，也不方便把電機放在船上或其他地方，最好是把電機裝在機器人本身里面，所以選擇的電機是小型直流電機，這樣就可以利用容量大一些得電池來完成供電，同時考慮作業(yè)空間，如果選擇大轉速得電機，則還必須設計一個減速器，所需空間一定會變大，所以選擇小型直流電機并且自帶減速器，這樣就可以解決電源、空間問題，當然還要是電機能夠正反轉這樣就可以實現(xiàn)齒輪和齒條的作用，這樣就需要選擇小型伺服電機。 對于現(xiàn)在市場上買得小型直流電機，種類很多，并且配備多個減速比，可以選擇適合所需要得電機與輸出轉速，本機構選擇了的小型直流電機，經過減速器使輸出轉速5r/min，功率，輸出轉矩。 2.2.2 齒輪傳動設計 1 選擇齒輪類型、精度等級、材料和齒數(shù) (1) 傳動方案如圖，選用直齒圓柱齒輪傳動 圖2-2 (2) 移動部分。主要靠齒輪來控制轉速，對精度由一定的要求，轉速不快，選擇 8 級精度等級。 (3) 材料選擇。小齒輪也是主動齒輪材料40Cr，調質處理，硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼，硬度為240HBS，兩者材料硬度差為40HBS。 (4) 選擇小齒輪的齒數(shù)為，大齒輪的齒數(shù)為，傳動比為。 2 按齒面接觸強度設計 由設計計算公式進行計算，即 (1)確定公式中的各計算數(shù)值 1）試選擇載荷系數(shù) 2）計算小齒輪傳遞的轉矩 查電機表，輸出功率 計算得 電機名牌上標注 3）查表選取齒寬系數(shù) 4）查表得材料的彈性影響系數(shù) 5)查表按齒面硬度查的小齒輪的接觸疲勞強度極限，大齒輪的疲勞強度極限。 6）查表取接觸疲勞壽命系數(shù)； 7)計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為1%，安全系數(shù)，由式計算得 （2）計算 1）計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值。 2）計算圓周速度v，考慮到機器人的爬行狀況，設定移動速度為0.01m/s。 這樣小齒輪分度圓直徑 3）計算齒寬b 4)計算齒寬與齒高之比 模數(shù) 齒高 5)計算載荷系數(shù) 根據(jù)，7 級精度，查表得動載系數(shù) 直齒輪， 查表得使用系數(shù) 查表得7 級精度等級，小齒輪相對支撐非對稱布置時， 由 查表得 故載荷系數(shù) 6)按實際得載荷系數(shù)校正所得分度圓直徑 7)計算模數(shù) 3 按齒根彎曲強度設計 彎曲強度設計公式 (1)確定公式里內得各計算數(shù)值 1）查表得小齒輪得彎曲疲勞強度為；大齒輪的彎曲疲勞強度為 2)查表得彎曲疲勞壽命系數(shù)； 3）計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數(shù)，由式計算 4)計算載荷系數(shù)K 5)查取齒形系數(shù) ， 6)查取應力校正系數(shù)， 7)計算大小齒輪得并加以比較 大齒輪得數(shù)值大。 2）設計計算 對比結果，由齒面接觸疲勞強度計算得模數(shù)m小于由齒根彎曲疲勞強度計算得模數(shù)，由于齒輪模數(shù)得大小主要由齒根彎曲疲勞強度所決定得承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定得承載能，僅與齒輪直徑由關，可取由彎曲疲勞強度計算所得得模數(shù)2.05，并就近為標準值m=2.5，按接觸強度計算得分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù) 取小齒輪齒數(shù) 大齒輪齒數(shù)為 這樣設計出得齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。 2.3 傳動軸設計 1、輸出軸上得功率P，轉速n和轉矩 若齒輪得傳遞效率為0.97，則 于是得小齒輪的轉矩為 2、軸的結構設計 擬定軸上零件得裝配方案，軸上零件的裝配方案如下圖： 圖2-3 1） 軸上零件的固定。 該軸的傳動主要依靠齒輪來傳動，軸上安裝兩個齒輪，其中右面的齒輪為主動軸，中間的齒輪為從動齒輪.軸上零件的定位，軸上零件的定位主要使用螺母和套筒來定位，軸采用階梯軸，齒輪與箱體之間利用螺釘鎖緊套筒軸向固定，軸的兩端是利用鎖緊螺母來軸向固定，中間部分是齒輪，一邊是階梯軸軸向固定，另一邊是利用螺釘鎖緊擋圈周向固定，軸的兩端放在箱體上支撐，安裝軸承。 2）軸承的選擇。 因為軸承同時承受徑向力和軸向力，故選擇單列圓錐滾子軸承。根據(jù)工作要求選擇30204，0組游隙，公差等級0級其尺寸是d ′D′T= 20mm′37mm′16mm，采用一對圓錐滾子軸承，面對面安裝，軸承的固定一端是利用箱蓋來固定，一端是利用套筒來固定，利用軸承把軸所受的力傳遞到箱體上。 3）軸上零件的周向定位 不完全齒輪與軸之間采用鍵平鍵連接，根據(jù)軸的直徑選擇平鍵b′h = 6mm′6mm，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長20mm，同時保證了齒輪與軸配合有良好的對中性，故選擇齒輪與軸之間的配合為；大齒輪與軸之間也是利用平鍵連接，同樣選擇b′h = 6mm′6mm，長為20mm，配合為；圓錐滾子軸承與軸之間采用過度配合來保證，配合為。 3、求作用在齒輪上的力 因已知低速級大齒輪得分度圓直徑為 而 大齒輪的轉矩為，以后每個齒輪按計算，則軸中間部分的齒輪受力比較大，轉矩為 從而計算各個齒輪處得圓周力 徑向力如下 圖2-4 利用理論力學知識求出兩個支點處的力 對于該軸得校核采用有限元分析對該軸進行校核，分析該軸的受力情況，分析應力分布，變形情況，如下圖： 圖2-5 圖2-6 通過有限元分析之后，觀察該軸的變行圖2-5，從圖中可以看出該軸的變形量主要集中 在軸的中間部分，因為該軸在中間部分是一個齒輪，齒輪根齒條作用，會有一個阻力轉矩，這樣就使得該軸在中間部分的變形比較大，最大變形量達到，分析軸的右邊，軸的右邊是一個齒輪傳動，承受一個轉矩，可以看出該軸在該齒輪處變形也有一定的變形，再看軸的左端，軸的左端基本沒有變形，主要是因為軸的左端基本沒有力的作用，只是通過軸承安裝在箱體上。 觀察該軸的應力分布圖2-6，可以看出該軸的應力分布比較廣泛，尤其是軸的右端齒輪處，應力比較大，最大應力為，最小應力為，從中間軸分開，該軸兩端都有應力分布，但是應力相對較小，同樣在軸的左端因為不受力的作用，所以該處基本沒有應力，可以滿足該軸的設計要求。 2.4 齒輪齒條設計 1、齒條機構 1）模數(shù)、齒數(shù)的選擇模數(shù)選擇m=2.5，齒數(shù)選擇，壓力角 齒頂高 齒根高 齒高 齒距 圖2-7 2)齒條的移動齒條的移動速度選擇，齒條前進的距離為35mm。 2、齒輪的設計 中間齒輪設計時考慮齒輪齒條的作用，及其所承受的轉矩，齒輪材料選擇40Cr 按齒面接觸強度設計 由設計計算公式進行計算，即 (1)確定公式中的各計算數(shù)值 1）試選擇載荷系數(shù) 2）計算小齒輪傳遞的轉矩 按轉矩減半來計算得 3）查表選取齒寬系數(shù) 4）查表得材料的彈性影響系數(shù) 5)查表按齒面硬度查的小齒輪的接觸疲勞強度極限，大齒輪的疲勞強度極限。 6）查表取接觸疲勞壽命系數(shù)； 7)計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為1%，安全系數(shù)，由式計算得 （2）計算 1）計算小齒輪分度圓直徑，傳動比按1:1計算，代入中較小的值。 2）計算圓周速度v，考慮到機器人的爬行狀況，設定移動速度為0.01m/s。 這樣小齒輪分度圓直徑 3）計算齒寬b 4)計算齒寬與齒高之比 模數(shù) 齒高 5)計算載荷系數(shù) 根據(jù)，7 級精度，查表得動載系數(shù) 直齒輪， 查表得使用系數(shù) 查表得7級精度等級，齒輪相對支撐非對稱布置時， 由 查表得 故載荷系數(shù) 6)按實際得載荷系數(shù)校正所得分度圓直徑 7)計算模數(shù) 3 按齒根彎曲強度設計 彎曲強度設計公式 (1)確定公式里內得各計算數(shù)值 1）查表得小齒輪得彎曲疲勞強度為； 2)查表得彎曲疲勞壽命系數(shù)； 3）計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數(shù)，由式計算 4)計算載荷系數(shù)K 5)查取齒形系數(shù) 6)查取應力校正系數(shù) 7)計算大小齒輪得并加以比較 大齒輪得數(shù)值大。 2）設計計算 對比結果，由齒面接觸疲勞強度計算得模數(shù)m小于由齒根彎曲疲勞強度計算得模數(shù)，由于齒輪模數(shù)得大小主要由齒根彎曲疲勞強度所決定得承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定得承載能，僅與齒輪直徑由關，可取由彎曲疲勞強度計算所得得模數(shù)2.05，并就近為標準值m=2.5，按接觸強度計算得分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù)，取小齒輪齒數(shù)。 這樣設計出得齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。 2.5 移動部分越障分析 關于移動部分越障能力的分析，因為清洗機器人需要吸附在船體上才能進行清洗，而船體表面是曲面，具有一定的曲率，并且會附著一定的藻類、貝類等，所以需要機器人具有一定的越障能力，為了適應機器人在船體表面上爬行，本機構設計了三個支撐來，并且前面一個支撐設計成球連接，球連接可以轉動，所以可以使機器人在曲率不大的曲面上移動，為了進一部分析移動機構能否適應在曲面上的移動及其考慮曲面曲率，下面討論機器人的移動部分在具有一定曲率的曲面上的移動能力，下面將曲面分成兩種情況來分析：一種是凹的情況，一種是凸的情況。 2.5.1 在凹曲面上移動 機器人在凹曲面上的移動，機器人在凹曲面上的移動，假如機器人移動的距離過大而曲面的曲率半徑過小，則機器人將不能在其曲面上移動，下面分析該機器人所適應的曲面。 下面將機器人簡化模型，可以看處機器人依靠三個支撐移動在完成爬行運動，并且前面的支撐是利用球連接來適應曲面，球面副具有三個自由度，當碰到障礙時可以擺動一段距離，不和壁面相碰撞，但是球連接上面的部分卻不能擺動，這樣當碰到障礙時就不能移動，這時就不能向前爬行，但是機器人每次移動的距離有限，這樣移動機器人所適應的曲面就會有一定的局限，下面分析機器人所適應的具有最小曲率的曲面。 假設機器人移動到一個位置固定住，如圖2-9前一個狀態(tài)，現(xiàn)在分析該機器人爬行時所示適應曲面的曲率，根據(jù)移動部分設計可知，每次機器人將前進35mm，當機器人前進35mm時，如圖2-9后一個狀態(tài)，假設機器人在前一個狀態(tài)前后腳分別落在A、B處，當機器人前進35mm時，球連接可以擺動，所以可以適應曲面，但是球連接上面部分EF段卻是固定不動的，所以當曲率半徑過小時就會碰到壁面，從而不能前進，假設剛剛碰到船體，如圖C點位置，這是可以根據(jù)C、A、B三點的位置確定一個圓，從而求出曲率半徑，如圖曲線2；當曲率變大時，即曲率半徑變小的情況時，如曲線3所示，這時當機器人前進35mm時，機器人前面將碰到壁面，機器人將不能前進，甚至毀壞；當曲率變小時，即曲率半徑變大的情況，如曲線1所示，這時當機器人請進35mm時，不會碰到壁面，這樣機器人將正常前進，滿足設計要求。 綜上所述，當曲率半徑R>119.92mm時機器人可以向前運動； 當曲率半徑R<119.92mm時機器人移動時將碰到壁面，這時機器人將碰到壁面，不滿足條件。 當曲率半徑R=119.92mm時機機器人剛好碰到壁面，這是機器人移動的臨界位置。 圖2-9 2.5.2 在凸曲面上移動 下面分析一下當機器人在凸面上移動時，所需要滿足的曲率半徑。 當機器人在凸面上移動是主要的問題是曲率過大致使機器人前進時壁面碰到機器人下面移動部分小三角板的底面，如圖所示，下面分析一下機器人在凸曲面上的移動。 首先假設機器人前面支撐的球連接達到極限位置，能夠轉到180°，這時該機器人的分布如下，從圖中可以看出，對于小三角板的球連接假設可以達到極限位置A、B，這時可以生成小三角板前面球連接部分的可能的曲線2，同樣，對于大三角板的球連接假設可以達到極限位置C、D，這時就可以生成可能的曲線1。當機器人沿著壁面向前爬行的時候，大、小三角板的后面的支撐當爬到位置時是暫時固定不動的，這說明O點可以看成暫時固定的點，而對于另外兩個點則不同，因為有球連接的原因，所以他們的位置會在曲線1，曲線2上，這樣可以適應具有一定曲率的壁面。 要想確定當機器人在凸面上爬行的時候所能適應曲面的曲率，則應該確定三個點的位置。首先，O點可以看成是一個固定的點，這樣就只需要選擇另外兩個點來判斷曲面的曲率，兩外兩個點分別在曲線1和曲線2上，這樣只要找到最小的曲率半徑就可以了。從下圖可以看出，分別選擇了一些特殊的點，其中最小的曲率半徑為R=60.8404mm，這已經比機器人在過凹壁面時要小的多。 圖2-10 綜上分析，可以看出該機器人在適應曲面的可以適應曲率比較大的曲面，考慮該機器人的作業(yè)對象船舶，船舶的外表面的相對來說曲率半徑很大，曲率小，利用該機器人來清洗船舶，已經足夠滿足條件。 - 33 - 第三章 清洗機構的設計 3.1 電機傳動方案設計 電機的選擇，與移動部分相似，電源要求攜帶方便，并且不能利用方便利用電線托線，所以要求最好是利用蓄電池來提供電源，同時考慮作業(yè)空間，本機構要求設計得箱體尺寸盡可能小，并且同時要求重量要輕，不宜選擇大的電機，該機器人又在水下作業(yè)，要具有一定得靈活性，所以仍然選擇小型直流電機，并且自帶減速器，這樣就減小了減速器得空間按，盡可能得減小整個機構得體積。 考慮以上因素，并且考慮現(xiàn)在市場上可以買到的減速器，選擇60JB52型小型直流電機。電機的輸出轉速有多種，考慮清洗盤得轉動，以及所需要得力選擇輸出轉速r=40r/min，輸出功率P=24W，輸出轉矩5.88Nm。 3.2 齒輪機構設計 1 選擇齒輪類型、精度等級、材料和齒數(shù) 在該處設計兩個齒輪是為了改變電機輸出軸的轉向，所選電機自帶減速器，所以設計相對簡單。齒輪選擇直齒圓柱齒輪，精度等級選擇7級精度，材料選擇45鋼，表面硬度為240HBS，傳動比1:1，齒數(shù)定為。 2 按齒面接觸強度設計 由設計計算公式進行計算，即 (1)確定公式中的各計算數(shù)值 1）試選擇載荷系數(shù) 2）計算小齒輪傳遞的轉矩 查電機表，選擇電機轉速，輸出功率 計算得 3）查表選取齒寬系數(shù) 4）查表得材料的彈性影響系數(shù) 5)查表按齒面硬度查的兩個齒輪的接觸疲勞強度極限。 6）查表取接觸疲勞壽命系數(shù) 7)計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為1%，安全系數(shù)，由式計算得 （2）計算 1）計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值。 2）計算圓周速度v。 3）計算齒寬b 4)計算齒寬與齒高之比 模數(shù) 齒高 5)計算載荷系數(shù) 根據(jù)，7 級精度，查表得動載系數(shù) 直齒輪， 查表得使用系數(shù) 查表得7 級精度等級，小齒輪相對支撐非對稱布置時， 由 查表得 故載荷系數(shù) 6)按實際得載荷系數(shù)校正所得分度圓直徑 7)計算模數(shù) 3 按齒根彎曲強度設計 彎曲強度設計公式 (1)確定公式里內得各計算數(shù)值 1）查表得齒輪得彎曲疲勞強度為； 2)查表得彎曲疲勞壽命系數(shù) 3）計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數(shù)，由式計算 4)計算載荷系數(shù)K 5)查取齒形系數(shù) ， 6)查取應力校正系數(shù)， 7)計算大小齒輪得并加以比較 2）設計計算 對比結果，由齒面接觸疲勞強度計算得模數(shù)m小于由齒根彎曲疲勞強度計算得模數(shù)，由于齒輪模數(shù)得大小主要由齒根彎曲疲勞強度所決定得承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定得承載能，僅與齒輪直徑由關，可取由彎曲疲勞強度計算所得得模數(shù)1.5，并就近為標準值m=2.0，按接觸強度計算得分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù) 取小齒輪齒數(shù) 大齒輪齒數(shù)為 這樣設計出得齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。 3.3 傳動軸設計 1、輸出軸上得功率P，轉速n和轉矩 若齒輪得傳遞效率為0.98，則 于是得齒輪的轉矩為 2、求作用在齒輪上的力 因已知齒輪得分度圓直徑為 而 3、計算清洗力 考慮到傳播表面附著草類，貝類等，清洗需要一定的力，假設清洗所需得摩擦力為50N，對清洗盤受力分析。 圖3-1 利用積分學，已知摩擦力積分求出轉矩 2、軸的結構設計 擬定軸上零件得裝配方案，軸上零件的裝配方案如下圖： 圖3-2 2） 軸上零件的固定。 該軸的傳動主要依靠齒輪來傳動，末端安裝一個清洗盤。軸上零件的定位，軸上零件的定位主要使用螺母來定位，首先齒輪部分，下端是采用階梯軸來支撐，上面防止齒輪滑動，采用螺母來固定。同樣對于清洗盤的固定也是利用螺母來固定。 2）軸承的選擇。 因為軸承同時承受徑向力和軸向力，故選擇單列圓錐滾子軸承。根據(jù)工作要求選擇30204，0組游隙，公差等級0級其尺寸是d ′D′T= 20mm′37mm′16mm，考慮到圓錐滾子軸承一般成對使用及其該軸所受力的情況，該軸承受受力后有有一定的繞度，本機構使用一對圓錐滾子軸承，采用面對面安裝，增加了安全性、可靠性。 3）軸上零件的周向定位 齒輪與軸之間采用鍵平鍵連接，根據(jù)軸的直徑選擇平鍵b′h = 6mm′6mm，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長20mm，同時保證了齒輪與軸配合有良好的對中性，故選擇齒輪與軸之間的配合為；清洗盤與軸之間也是利用平鍵連接，同樣選擇b′h = 6mm′6mm，長為20mm，配合為；圓錐滾子軸承與軸之間采用過度配合來保證，配合為。 對于該軸得校核采用有限元分析對該軸進行校核，分析該軸的受力情況，分析應力分布，變形情況，如下圖： 圖3-3 圖3-4 通過有限元分析之后，觀察該軸的變行圖3-3，從圖中可以看出該軸的變形量主要集中 在軸的兩端，集中在軸的兩端，因為該軸在兩端均承受一定的轉矩，軸的右端主要是齒輪給軸的轉矩，而對于軸的左端主要是由于在清洗時軸所受的清洗力矩，該力矩主要是清洗盤在清洗時要克服阻力而產生的，這樣就使得該軸在兩端部分的變形相對比較大，尤其是軸的右端，從圖中可以看出軸的最大變形量達到，最小變形為0。 觀察該軸的應力分布圖3-4，可以看出該軸整個軸都受到應力作用，主要分布在兩根比較長的軸上，而軸的兩端及其中間卻相對很小，軸的兩端都利用鎖緊螺母鎖緊，受的應力相比整個軸很小，從圖中可以看出最大應力為，最小應力為，對于該軸主要的應力還在軸的右邊，靠近傳動齒輪部分，而另一邊雖受轉矩，但是不是很大，所以應力也不是很大，對于該軸主要是有半邊受力較大。 第四章 魚尾部分及箱體部分 4.1 魚尾部分簡介 本機構是仿照魚在水中的游動而設計而成，利用魚尾部的擺動完成魚在水里的前進及其轉向。本機構圖如下： 圖4-1 工作原理：本機構主要完成的動作是魚尾的擺動，電機的轉動帶動圓盤1轉動，這時圓盤上面的圓柱2隨圓盤轉動驅使滑塊3沿兩根桿件滑動，通過滑塊上面的桿件帶動箱蓋右邊的滑塊4滑動同樣沿兩根桿件滑動，該滑塊邊緣上面有一個圓柱5與滑塊之間相對轉動，帶動另一個圓柱6轉動，圓柱6通過連桿帶動圓柱7轉動，從而帶動魚尾擺動.該機構具有一定的可行性，完成了運動仿真。 本機構也成為清洗機器人的一部分，主要是希望完成機器人在水里的游動，方便機器人在水下自由的游到船體表面進行吸附清洗，這樣就可以在沒有人的參與下完成機器人在水里的移動，使機器人在水里可以自由的移動，不需人為的將機器人放到清洗的船體表面，大大的提高了機器人的智能化，提高了作業(yè)的效率。 該機構安裝到前面的移動部分主要考慮一個問題：一個是機器人的重心問題，要完成機器人在水里的游動，主要是利用魚尾的擺動，但是魚尾的機構相對前面移動部分的機構部件要少，這樣就需要考慮重心問題，是不是魚尾的擺動能夠帶動整個機器人在水里自由的游動，對于本問題的解決主要是在選材料方面著手，整個移動部分的箱體及其箱蓋都采用鋁合金，這樣可以減少機器人前面的重量，同時增加后面魚尾部的重量，使得重心盡量在箱體與魚尾的分界線處。 該機構帶來的優(yōu)點還有就是可以實現(xiàn)機器人的轉向問題，前面機器人只是完成了移動，而沒有解決轉向問題，采用魚尾部分，可以利用魚尾的擺動與否實現(xiàn)機器人的轉向，當魚尾擺到一側時可以使機器人轉向。 4.2 箱體的密封 下面是箱體的外形，對于箱體來說，主要是考慮箱體的密封，因為該機器人在水里工作，所以主要防止水進入箱體內，所以在設計的時候箱體與外界的相連時就要保證密封沒有問題，下圖是箱蓋的部分圖，箱體與外界接觸時利用端蓋擋住，利用氈圈密封.該箱體主要有兩處與外界接觸，都利用箱蓋及其氈圈進行密封。 圖4-2 圖4-3 圖4-4 4.3其他問題 （1）箱體的材料。對于箱體的材料選擇主要是考慮該機器人本身的重量，一方面該機器人本身要求重量不易太大，因為機器人在爬行的時候要支撐整個箱體，所以箱體本身不易太重，另一方面主要是考慮該機器人在水里的游動，本省重量如果太大，則只是利用魚尾部分驅動，該機器人不易在水里自由的游動，所以設計時在選材方面要注意，綜合考慮各個零部件的重量，盡量使機器人的重心在魚尾與機器人箱體接觸部位，這樣就可以使機器人能夠在魚尾的驅動下在水里游動。綜上考慮以上各個因素，箱體的材料選擇ZalSi7MgD可以鑄造的鋁合金。既可以減輕箱體的重量又可以調節(jié)箱體的重心，滿足設計要求。 （2）箱體內零件的布置。為了安裝零件的方便，箱體在設計時上面和右面都單獨設計成箱蓋，這樣可以方便零件的安裝。同時在設計箱體時盡量使箱體的壁薄一些，這樣也可以減輕箱體的重量。本設計選用的軸承基本額定動載荷為15.8kN，所以滿足使用要求。 結論 經過本學期大量時間的悉心研究和查閱大量相關的資料，終于完成了對本機構的設計。 通過這次設計所學到的知識和總結的經驗是深刻的，它使我認識到了基礎知識的重要性，綜合設計是基礎知識的堆積、創(chuàng)新的過程。此外，在設計中要始終保持嚴謹認真的態(tài)度，仔細做好每一步，這對我們今后步入社會，踏上工作崗位從事具體研究有重要意義。 致謝 本次設計是在導師的悉心指導與嚴格要求下完成的。從論文的選題、方案的設計、具體的繪圖到論文撰寫的每個環(huán)節(jié)，都凝聚了胡老師的心血和汗水。特別是他多次詢問設計進程，并為我細心講解，幫助我開拓思路，精心點撥，熱忱鼓勵。他嚴格的教學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風都深深地感染和激勵著我。 再次，我還要感謝和我一起做畢業(yè)設計的同學們，有了你們的幫助和支持，才使得我按時完成設計。 謝謝老師和同學們! 參考文獻 [1] 濮良貴. 機械設計（第八版）[M]. 北京：高等教育出版社，2006. 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