吸附式爬壁清洗機(jī)設(shè)計(jì)-履帶式爬壁機(jī)器人【三維PROE】【8張CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)】【YC系列】
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吸附式爬壁清洗機(jī)設(shè)計(jì)
摘 要
隨著城市高層建筑的興起，以玻璃壁面為代表的壁面結(jié)構(gòu)逐漸演繹成華麗的“城市外衣”，由此衍生出繁重的壁面清洗任務(wù)，爬壁移動(dòng)機(jī)器人可承擔(dān)此清洗、任務(wù)，將為人類(lèi)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
爬壁移動(dòng)機(jī)器人是一種能夠在垂直壁面進(jìn)行移動(dòng)作業(yè)的極限作業(yè)機(jī)器人，世界機(jī)器人大國(guó)日本在極限作業(yè)機(jī)器人研究方面尤為積極。
吸附式爬壁清洗機(jī)主要由吸附部分、移動(dòng)部分和清洗部分組成。爬壁清洗機(jī)應(yīng)該具有一定的吸附能力，其產(chǎn)生的摩擦力大于清洗機(jī)的重力，從而防止墜落，同時(shí)還應(yīng)具有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠使清洗機(jī)在壁面上自由移動(dòng)，并且有電機(jī)控制清潔頭旋轉(zhuǎn)，當(dāng)清洗機(jī)在壁面上移動(dòng)時(shí)能夠完成對(duì)壁面的清潔工作。
本文設(shè)計(jì)的吸盤(pán)吸附爬壁清洗機(jī)器人具有如下功能：吸附與行走功能、壁面適應(yīng)功能、完成清洗工作的能力。
行走功能由履帶與履帶輪相嚙合形成履帶完成。
吸附機(jī)構(gòu)采用真空吸附技術(shù)，設(shè)計(jì)吸附機(jī)構(gòu)要能產(chǎn)生一定的吸附力，確保機(jī)器人工作過(guò)程中能安全可靠地吸附在工作壁面上。
清潔機(jī)構(gòu)是與爬壁機(jī)器人相配合用于壁面清潔的機(jī)器人附件，實(shí)現(xiàn)對(duì)壁面的清洗。
本文設(shè)計(jì)的吸盤(pán)吸附爬壁清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，適合未來(lái)發(fā)展方向，有很大的市場(chǎng)前景。
關(guān)鍵詞：吸盤(pán)吸附 機(jī)器人 爬壁清洗 履帶
ABSTRACT
With the development of city of tall buildings with glass wall, as the representative of the wall structure has evolved gradually into a gorgeous "city coat", derived from the heavy wall cleaning tasks, wall climbing robot can undertake the cleaning, tasks, will bring huge economic benefits and social benefits for human.
Wall climbing robot is a kind of ultimate robot capable of moving on the vertical wall of the operation, the robots in Japan in the limit of robot has been particularly active.
Adsorption type wall climbing cleaning machine is mainly composed of adsorption part, a moving part and a cleaning part. Wall climbing cleaning machine should have certain adsorption capacity, friction generated more than cleaning machine, gravity, and thus prevent the fall, but also has a drive mechanism, can make the cleaning machine free movement on the wall, and a motor control cleaning head rotation, when the cleaning machine to move on the wall surface can finish the work on time wall cleaning.
The suction wall climbing cleaning robot is designed in this paper has the following functions: adsorption and walking function, adaptability to wall surfaces function, complete cleaning work.
Walking function by the track and the track wheel meshed track to complete the form.
The adsorption mechanism adopts vacuum adsorption, adsorption mechanism design to produce adsorption ability, it can safely and reliably adsorbed on the work surface to ensure the robot working process.
Cleaning mechanism is matched with the wall climbing robot for wall cleaning robot for wall cleaning accessories.
Sucking the wall climbing cleaning robot has the advantages of simple structure, convenient operation, suitable for the future direction of development, have great market prospects.
Keywords: suction wall climbing cleaning robot crawler
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
目 錄 III
第一章 緒 論 1
1.1選題背景及其意義 1
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.3 Pro/E軟件介紹 4
第二章 爬壁機(jī)器人原理方案擬定 7
2.1 履帶式磁吸附爬壁 7
2.2 車(chē)輪式磁吸附爬壁 7
2.3 履帶式吸盤(pán)吸附爬壁 7
2.4 原理方式比較 7
2.5履帶式吸盤(pán)吸附爬壁機(jī)器人各部分方案擬定 8
2.5.1 吸盤(pán)吸附爬壁機(jī)器人功能要求 8
2.5.2 清掃履帶結(jié)構(gòu)的方案擬定 9
2.5.3 爬行機(jī)構(gòu)的方案擬定 9
2.5.4 清洗機(jī)行走機(jī)構(gòu)方案 10
2.5.5 清洗機(jī)清洗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 10
第三章 傳動(dòng)及動(dòng)力設(shè)計(jì)與計(jì)算 11
3.1 吸盤(pán)設(shè)計(jì) 11
3.2 吸盤(pán)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
3.3 清洗機(jī)構(gòu)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 16
第四章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22
4.1 行車(chē)主體設(shè)計(jì) 22
4.2 清掃刷設(shè)計(jì) 22
4.3 履帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23
4.4 配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26
第五章 三維建模與虛擬裝配 28
5.1 零件建模 28
5.1.1車(chē)體底座建模 29
5.1.2履帶建模 30
5.1.3配氣盤(pán)建模 30
5.1.4 輪軸建模 31
5.1.5 齒輪箱蓋建模 31
5.1.5 齒輪建模 32
5.2 虛擬裝配 33
結(jié) 論 35
參考文獻(xiàn) 36
致謝 38
39
第一章 緒 論
1.1選題背景及其意義
機(jī)器人是人類(lèi)二十一世紀(jì)的偉大發(fā)明之一，是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運(yùn)行、重復(fù)操作和精度較高的自動(dòng)化設(shè)備，機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究發(fā)生根本性的變化，而且將對(duì)人類(lèi)的社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為當(dāng)代應(yīng)用最廣泛、發(fā)展迅速的高科技產(chǎn)業(yè)之一。機(jī)器人作為高科技領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，將成為二十一世紀(jì)各國(guó)爭(zhēng)奪的經(jīng)濟(jì)技術(shù)的制高點(diǎn)。
隨著城市現(xiàn)代化發(fā)展，特別是高層建筑的興起，以玻璃壁面為代表的壁面結(jié)構(gòu)逐漸演繹成華麗的“城市外衣”，由此衍生出繁重的壁面清洗任務(wù)，并且許多國(guó)家已經(jīng)對(duì)建筑壁面的清洗要求做出了明確規(guī)定。另一方面，越來(lái)越奇特的建筑結(jié)構(gòu)使清洗的難度越來(lái)越大，甚至采用傳統(tǒng)的清洗方法已無(wú)能為力。然而，在社會(huì)文明高度發(fā)展的今天，人們對(duì)生命安全越來(lái)越重視，要求停止使用蜘蛛人的呼聲已不絕于耳，因此人們期待新的具有人性化的清洗方式出現(xiàn)
在高層建筑墻面清潔工作中，爬壁清潔機(jī)得到了廣泛關(guān)注，它將人類(lèi)從繁重、危險(xiǎn)的高樓清洗工作中解放出來(lái)，它憑借能夠成為高空極限作業(yè)的一種自動(dòng)機(jī)械裝置的優(yōu)良特性，越來(lái)越受到人們的重視。爬壁清洗機(jī)能有效降低高層建筑的清洗成本，提高清潔效率，同時(shí)也推動(dòng)了清洗業(yè)的發(fā)展，帶來(lái)相當(dāng)?shù)纳鐣?huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益。
本課題主要設(shè)計(jì)一種履帶吸盤(pán)式爬壁清洗劑，采用履帶式移動(dòng)方式，雙履帶和車(chē)體構(gòu)成機(jī)器人的基本框架；真空吸盤(pán)式吸附方式加以完善的配氣系統(tǒng)，可為清洗機(jī)提供足夠的吸附力。吸盤(pán)式結(jié)構(gòu)克服了現(xiàn)有爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)上的缺點(diǎn)與不足，提高了爬壁機(jī)器人的實(shí)用性能。因此，本課題的研究具有較高的科研價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
爬壁移動(dòng)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于維護(hù)、檢查、消防、救援、清洗、情報(bào)和國(guó)防領(lǐng)域等，必將為人類(lèi)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都投入大量人力物力，積極進(jìn)行其理論和技術(shù)研究，如日本、美國(guó)、英國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、奧地利、西班牙等國(guó)相繼研制出一些各具特色的爬壁移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。我國(guó)在國(guó)家自然基金和863計(jì)劃的大力支持下，從上世紀(jì)90年代中期也相繼開(kāi)發(fā)出一些爬壁移動(dòng)機(jī)器人樣機(jī)。
爬壁移動(dòng)機(jī)器人是一種能夠在垂直壁面進(jìn)行移動(dòng)作業(yè)的極限作業(yè)機(jī)器人，世界機(jī)器人大國(guó)日本在極限作業(yè)機(jī)器人研究方面尤為積極。早在1966年，在大阪府立大學(xué)工學(xué)部任講師的西亮利用電風(fēng)扇進(jìn)行側(cè)低壓空氣產(chǎn)生的負(fù)壓作為吸附力制作了一臺(tái)垂直壁面移動(dòng)機(jī)器人的原理樣機(jī)。1975年，已經(jīng)身為宮崎大學(xué)工學(xué)院部教授的西亮又制作了以實(shí)用化為目標(biāo)的二號(hào)樣機(jī)，這是個(gè)單吸盤(pán)結(jié)構(gòu)、靠輪子行走的壁面移動(dòng)機(jī)器人。此次以后各國(guó)著名的大學(xué)、研究所、公司紛紛投入力量廣泛開(kāi)展用于極限作業(yè)的壁面移動(dòng)式機(jī)器人的研究。
傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人有很多的不足之處，例如對(duì)壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強(qiáng)、跨越障礙物的能力弱、體積大、質(zhì)量重等，因此未來(lái)爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向著實(shí)用化的方向發(fā)展，在以下三個(gè)方面做到進(jìn)一步完善或有所突破。
首先，新的吸附方式與吸附裝置的產(chǎn)生與應(yīng)用。最近幾年，美、英、俄等國(guó)的研究小組真正揭示了壁虎在墻上爬行的秘密，這個(gè)秘密就是分子間的作用力——范德華力。范德華力是中性分子彼此距離非常近時(shí)產(chǎn)生的一種微弱電磁引力?？茖W(xué)家在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，壁虎腳趾上約有650萬(wàn)根次納米級(jí)的細(xì)毛，每根細(xì)毛直徑約為200至500納米，約是人類(lèi)毛發(fā)的直徑的十分之一。如果壁虎腳上650萬(wàn)根細(xì)毛全部附著在物體表面上時(shí)，可吸附住質(zhì)量為13千克的物體。
利用壁虎吸附壁面的原理，由美國(guó)斯坦福大學(xué)教授馬克·庫(kù)特科斯基帶領(lǐng)的研究小組開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為“粘蟲(chóng)”( Stickybot )的“壁虎機(jī)器人”，這種機(jī)器人的足底長(zhǎng)著人造毛(由人造橡膠制成)。這些微小的聚合體毛墊能確保足底和墻壁接觸面積大，進(jìn)而使范德瓦爾斯粘性達(dá)到最大化。這種突破很好地解決了吸附力不足及機(jī)器人對(duì)壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強(qiáng)的問(wèn)題。
為了探索新的吸附方式與吸附裝置，相關(guān)研究可以綜合運(yùn)用仿生學(xué)、類(lèi)比、模擬和模型方法，通過(guò)高分子材料化學(xué)、工程材料科學(xué)、力學(xué)和機(jī)械學(xué)的交叉研究，以產(chǎn)生出更多更好的吸附壁面的方式，打破制約機(jī)器人吸附壁面的種種瓶頸。
其次，移動(dòng)方式得到改善與優(yōu)化。在移動(dòng)機(jī)器人中廣泛應(yīng)用的是輪式和履帶式移動(dòng)方式，但是足式移動(dòng)方式具有輪式和履帶式所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)。足式移動(dòng)方式的機(jī)器人可以相對(duì)容易地跨過(guò)比較大的障礙例如瓷磚間隙、壁面小突起等；并且機(jī)器人的足具有大量的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，對(duì)凸凹不平的地形適應(yīng)能力更強(qiáng)。足式機(jī)器人的立足點(diǎn)是離散的，跟壁面接觸的面積小，因此可以在可達(dá)到的范圍內(nèi)選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過(guò)嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。正是由于足式結(jié)構(gòu)多樣、運(yùn)動(dòng)靈活，適應(yīng)于各種形狀的壁面上，而且能夠跨越障礙物，因此足式結(jié)構(gòu)將在爬壁機(jī)器人上有著較好的應(yīng)用前景。
第三，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力部分朝著原理更新、可靠性更高、機(jī)電一體化、超微化、新結(jié)構(gòu)等方向發(fā)展。傳統(tǒng)的爬壁機(jī)器人因?yàn)樗欧姍C(jī)功率重量比低，為平衡重量應(yīng)放置在離驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較遠(yuǎn)的位置，但這種布置會(huì)使機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。普通的蓄電池重量大、儲(chǔ)能少不能滿(mǎn)足爬壁機(jī)器人對(duì)能源的需求。這些問(wèn)題都需要驅(qū)動(dòng)和能源相關(guān)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，需要將先進(jìn)的、最新的科研成果應(yīng)用于爬壁機(jī)器人的研究與開(kāi)發(fā)。
相對(duì)國(guó)外，我國(guó)研究和開(kāi)發(fā)機(jī)器人始于七十年代初期，國(guó)內(nèi)爬壁移動(dòng)機(jī)器人研究起步較晚。1975年在北京舉行的日本科技展覽會(huì)上，川崎重工業(yè)公司首先在中國(guó)展出了工業(yè)機(jī)器人，以此為起點(diǎn)，我國(guó)掀起了第一個(gè)研制機(jī)器人的浪潮。北京自動(dòng)化研究所、上海交大、沈陽(yáng)自動(dòng)化所、大連組合機(jī)床所。廣州機(jī)床所等十幾個(gè)單位紛紛開(kāi)始研制機(jī)器人。
目前高層建筑墻面作為高樓外防護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象越來(lái)越普遍，為了保證玻璃外觀的整潔美麗，就需要定期對(duì)玻璃表面進(jìn)行清洗，而大部分玻璃幕墻采用人工清洗作業(yè)。這種清洗方法是靠升降平臺(tái)或吊繩懸掛由人進(jìn)行玻璃幕墻的清洗，作業(yè)方式簡(jiǎn)單易行，但效率低且成本高，更重要的是高空環(huán)境條件惡劣易引發(fā)安全事故。隨著控制和機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，壁面清洗機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。利用壁面清洗機(jī)器人作業(yè)將大大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，具有相當(dāng)?shù)纳鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)意義和廣闊的應(yīng)用前景。玻璃幕墻爬壁清洗機(jī)器人的研制成功，將會(huì)實(shí)現(xiàn)清洗作業(yè)的自動(dòng)化，給清洗業(yè)帶來(lái)一次新的革命。
1.3 Pro/E軟件介紹
Pro/Engineer操作軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱(chēng)，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。
Pro/Engineer操作軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱(chēng)，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。
1）Pro/Engineer
Pro/Engineer是軟件包，并非模塊，它是該系統(tǒng)的基本部分，其中功能包括參數(shù)化功能定義、實(shí)體零件及組裝造型，三維上色，實(shí)體或線(xiàn)框造型，完整工程圖的產(chǎn)生及不同視圖展示（三維造型還可移動(dòng)，放大或縮小和旋轉(zhuǎn)）。Pro/Engineer是一個(gè)功能定義系統(tǒng)，即造型是通過(guò)各種不同的設(shè)計(jì)專(zhuān)用功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽殼（Shells）等，采用這種手段來(lái)建立形體，對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)是更自然，更直觀，無(wú)需采用復(fù)雜的幾何設(shè)計(jì)方式。這系統(tǒng)的參數(shù)比功能是采用符號(hào)式的賦予形體尺寸，不象其他系統(tǒng)是直接指定一些固定數(shù)值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關(guān)系，任何一個(gè)參數(shù)改變，其也相關(guān)的特征也會(huì)自動(dòng)修正。這種功能使得修改更為方便和可令設(shè)計(jì)優(yōu)化更趨完美。造型不單可以在屏幕上顯示，還可傳送到繪圖機(jī)上或一些支持Postscript格式的彩色打印機(jī)。Pro/Engineer還可輸出三維和二維圖形給予其他應(yīng)用軟件，諸如有限元分析及后置處理等，這都是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式來(lái)實(shí)現(xiàn)，用戶(hù)更可配上 Pro/Engineer軟件的其它模塊或自行利用 C語(yǔ)言編程，以增強(qiáng)軟件的功能。它在單用戶(hù)環(huán)境下（沒(méi)有任何附加模塊）具有大部分的設(shè)計(jì)能力，組裝能力（運(yùn)動(dòng)分析、人機(jī)工程分析）和工程制圖能力（不包括ANSI， ISO， DIN或 JIS標(biāo)準(zhǔn)），并且支持符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的繪圖儀（HP，HPGL）和黑白及彩色打印機(jī)的二維和三維圖形輸出。Pro/Engineer功能如下：
1．特征驅(qū)動(dòng)（例如：凸臺(tái)、槽、倒角、腔、殼等）；
2．參數(shù)化（參數(shù)=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）；
3．通過(guò)零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間（如表面積等）的關(guān)系來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
4．支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計(jì)（規(guī)則排列的系列組件，交替排列，Pro/PROGRAM的各種能用零件設(shè)計(jì)的程序化方法等）。
5．貫穿所有應(yīng)用的完全相關(guān)性（任何一個(gè)地方的變動(dòng)都將引起與之有關(guān)的每個(gè)地方變動(dòng)）。其它輔助模塊將進(jìn)一步提高擴(kuò)展 Pro/ENGINEER的基本功能。
2）Pro/E機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真
工程師無(wú)需等待物理原型就能測(cè)試產(chǎn)品的動(dòng)力行為。利用 Pro/ENGINEER 機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真，您可以虛擬地仿真包含運(yùn)動(dòng)元件的系統(tǒng)中的作用力和加速度。而且，您可以綜合考慮諸如彈簧、電動(dòng)機(jī)、摩擦力和重力等動(dòng)力影響，相應(yīng)地調(diào)整產(chǎn)品性能。改善檢驗(yàn)和認(rèn)證過(guò)程并最大程度地提高設(shè)計(jì)信心，而無(wú)需承受制造昂貴原型的負(fù)擔(dān)。
與設(shè)計(jì)和分析工具完全集成，從而無(wú)需再花費(fèi)時(shí)間、精力和金錢(qián)來(lái)處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和關(guān)聯(lián)的錯(cuò)誤。
利用Pro/E機(jī)構(gòu)仿真有以下優(yōu)點(diǎn)：
? 可以創(chuàng)建虛擬樣機(jī)在桌面計(jì)算機(jī)中進(jìn)行測(cè)試，從而降低開(kāi)發(fā)成本 模擬賽車(chē)懸架所受到的實(shí)際作用力。
? 能夠更快速和更早地將變更反映在產(chǎn)品中，并從桌面計(jì)算機(jī)測(cè)試中即時(shí)獲得結(jié)果。
? 通過(guò)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間率先向市場(chǎng)推出更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。
? 通過(guò)對(duì)產(chǎn)品壽命進(jìn)行更準(zhǔn)確的估計(jì)，從而可降低保修成本。
? 利用具體的動(dòng)畫(huà)式生產(chǎn)指令進(jìn)行裝配，可以避免代價(jià)高昂的制造錯(cuò)誤。
? 通過(guò)利用從虛擬測(cè)試中所節(jié)省的時(shí)間來(lái)評(píng)估更多設(shè)計(jì)構(gòu)思，從而可開(kāi)發(fā)出更新穎的產(chǎn)品。
? 在易于學(xué)習(xí)、直觀明了的用戶(hù)界面中工作。
第二章 爬壁機(jī)器人原理方案擬定
機(jī)器人實(shí)現(xiàn)爬壁功能，有下面幾中可行方案：
2.1 履帶式磁吸附爬壁
在機(jī)器人設(shè)計(jì)中采取加長(zhǎng)履帶、浮動(dòng)支撐、載荷分散機(jī)構(gòu)、柔性履帶等措施，以提高爬壁機(jī)器人的壁面適應(yīng)能力， 實(shí)現(xiàn)其在壁面的安全爬行。
2.2 車(chē)輪式磁吸附爬壁
機(jī)器人靠磁性車(chē)輪對(duì)壁面產(chǎn)生吸附力吸附在各種大型構(gòu)造物如油罐、球形煤氣罐、船舶等的壁面，代替人進(jìn)行檢查或修理等作業(yè)。
主要特征是：行走穩(wěn)定、速度快.
缺點(diǎn)是：磁吸附使它僅適用于導(dǎo)磁材料壁面，即這種原理有其使用局限性；車(chē)輪式的行走方式使維持一定的吸附力較困難，車(chē)輪的直徑會(huì)使機(jī)器人相對(duì)于壁面的扭矩增大，使機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定型和安全性相應(yīng)降低；車(chē)輪的行走軌跡是連續(xù)的，這不利于機(jī)器人跨越壁面的凹凸不平處，使機(jī)器人對(duì)壁面的平整質(zhì)量要求提高。
2.3 履帶式吸盤(pán)吸附爬壁
將吸盤(pán)的真空吸附方式和履帶式移動(dòng)方式相結(jié)合，真空吸盤(pán)固定在柔性的履帶上，采用雙履帶對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。固定式配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)作為吸盤(pán)和真空泵抽進(jìn)氣系統(tǒng)相連接的媒介。主動(dòng)輪置中，兩側(cè)各有一從動(dòng)輪，主、從動(dòng)輪和履帶銜接均是模擬齒輪齒條嚙合。壁面清潔組件、傳遞救援物資組件通過(guò)功能組件耦合處與機(jī)器人機(jī)體相連以完成相應(yīng)功能。
2.4 原理方式比較
通過(guò)以上三種方式比較分析，本案例要求清洗機(jī)壁面移動(dòng)速度：11-15m/min ；越障高度：50 mm；本體重量：30 Kg；負(fù)載能力：15 Kg ；作業(yè)高度：0～100 m；作業(yè)功能：可進(jìn)行8 mm 以上厚度的玻璃幕墻的清洗作業(yè)。
因此，采用履帶式吸盤(pán)吸附方式更合理。
吸附式爬壁清洗機(jī)主要由吸附部分、移動(dòng)部分和清洗部分組成。爬壁清洗機(jī)應(yīng)該具有一定的吸附能力，其產(chǎn)生的摩擦力應(yīng)大于清洗機(jī)的重力，從而防止墜落，同時(shí)還應(yīng)具有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠使清洗機(jī)在壁面上自由移動(dòng)，并且有電機(jī)控制清潔頭旋轉(zhuǎn)，當(dāng)清洗機(jī)在壁面上移動(dòng)時(shí)能夠完成對(duì)壁面的清潔工作。
同時(shí)，還要滿(mǎn)足以下要求：
2.5履帶式吸盤(pán)吸附爬壁機(jī)器人各部分方案擬定
2.5.1 吸盤(pán)吸附爬壁機(jī)器人功能要求
爬壁機(jī)器人要在壁面移動(dòng)，對(duì)壁面進(jìn)行清潔需要具備以下基本的功能：
（1） 吸附與行走功能
吸附與行走是爬壁機(jī)器人所需具備的兩個(gè)基本功能，因此爬壁機(jī)器人應(yīng)具有一定的吸附能力，其產(chǎn)生的摩擦力能夠大于機(jī)器人的重力，防止墜落；同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠使機(jī)器人在壁面上自由行走移動(dòng)。
（2） 轉(zhuǎn)向功能
清潔過(guò)程中，爬壁機(jī)器人需要按照一定的路徑在壁面行走，對(duì)整個(gè)壁面完成清潔工作，就要求爬壁機(jī)器人能夠自由的轉(zhuǎn)向，從而提高清潔效率。
（3） 壁面適應(yīng)功能
爬壁機(jī)器人能夠逾越較小的障礙（如玻璃接縫），即要求爬壁機(jī)器人具有一定的適應(yīng)壁面凹凸不平的能力，這也是爬壁機(jī)器人的工作性質(zhì)和工作環(huán)境決定的。
（4） 完成工作任務(wù)能力
爬壁機(jī)器人在壁面上移動(dòng)的同時(shí)要完成相應(yīng)的功能，這就要求功能組件能夠在爬壁機(jī)器人上正確穩(wěn)定地定位，可以發(fā)揮其功能。
2.5.2 清掃履帶結(jié)構(gòu)的方案擬定
爬行機(jī)構(gòu)要簡(jiǎn)單、高效、小型。使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)直線(xiàn)移動(dòng)，保證機(jī)器人能夠按照地面操作人員的遙控進(jìn)行工作，用履帶與履帶輪相嚙合形成履帶的設(shè)計(jì)。
圖1 三履帶輪平行履帶
2.5.3 爬行機(jī)構(gòu)的方案擬定
吸附機(jī)構(gòu)采用真空吸附技術(shù)，設(shè)計(jì)吸附機(jī)構(gòu)要能產(chǎn)生一定的吸附力，確保機(jī)器人工作過(guò)程中能安全可靠地吸附在工作壁面上。
圖2 爬壁機(jī)器人受力示意圖
Fi：清洗機(jī)爬行所用的力；G:爬壁清洗機(jī)的重力；d:壁面與爬壁清洗機(jī)重心的距離
2.5.4 清洗機(jī)行走機(jī)構(gòu)方案
設(shè)計(jì)清洗機(jī)的行走機(jī)構(gòu)能夠在壁面上完成直線(xiàn)移動(dòng)，并且能夠跨越高度為5厘米的障礙，并且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)清洗的目的。
圖3 履帶與履帶輪嚙合原理圖`
2.5.5 清洗機(jī)清洗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
清潔機(jī)構(gòu)是與爬壁機(jī)器人相配合用于壁面清潔的機(jī)器人附件，實(shí)現(xiàn)對(duì)壁面的清洗。
圖4 清洗機(jī)清洗部分示意簡(jiǎn)圖
第三章 傳動(dòng)及動(dòng)力設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.1 吸盤(pán)設(shè)計(jì)
為了確定吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人的負(fù)載能力和安全性能，必須對(duì)機(jī)器人所受的力進(jìn)行分析。當(dāng)機(jī)器人吸附在玻璃壁面上時(shí)，受力情況如圖3-1，各符號(hào)意義如下:
———墻壁對(duì)第i組吸盤(pán)的法向支撐力(垂直于墻面) ，i = 1，…，4；
———作用在第i組吸盤(pán)上的真空吸力，i = 1，…，4 ；
———墻壁作用在第i吸盤(pán)上的摩擦力， i = 1，…，4 ；
G ———作用在機(jī)器人上的重力(包括外設(shè)) ；
p ———相鄰兩組吸盤(pán)之間的距離；
d ———機(jī)器人的等效重心到玻璃壁面的距離；
圖3-1 爬壁機(jī)器人受力示意圖
機(jī)器人在工作時(shí)，當(dāng)其在玻璃壁面上移動(dòng)時(shí)有兩種危險(xiǎn)的情況可能發(fā)生：一種情況是它從墻面上滑落；另一種情況是由于最上方接觸的吸盤(pán)由于受傾翻力矩太大脫離墻面，引起機(jī)器人的傾翻。設(shè)計(jì)中，機(jī)器人的吸附機(jī)構(gòu)受力應(yīng)避免滑落和傾翻兩種情況發(fā)生，為了簡(jiǎn)化分析計(jì)算，這里只考慮了靜態(tài)吸附情況。
(1)避免機(jī)器人從墻面上滑落。根據(jù)摩擦力的特性，同樣工況下，最大靜摩擦力要大于滑動(dòng)摩擦力，所以有：
G < min(，) = = Nμ
式中：μ———最小摩擦因數(shù)；
N ———兩接觸表面間的正壓力。
(2)避免機(jī)器人從玻璃幕墻上傾翻下來(lái)。在顛覆力矩的作用下，應(yīng)該滿(mǎn)足：
> 0 ( i = 1，…，4)
假設(shè)作用在支撐輪上的力不加考慮，認(rèn)為墻壁對(duì)機(jī)器人的反作用力只作用在與墻壁接觸的吸盤(pán)上，由此靜態(tài)下，機(jī)器人在x 、y 方向受力分別滿(mǎn)足：
所受的平衡力矩為(以O(shè) 點(diǎn)為參照點(diǎn)) ：
并假定各個(gè)吸盤(pán)的真空度是均衡的，則作用在吸盤(pán)上的吸力為：
V = = sv
式中： s ———每組吸盤(pán)總的吸附面積；
v ———工作吸盤(pán)內(nèi)的真空度。
為了方便計(jì)算 ，假設(shè)幾個(gè)約定條件，設(shè)作用于吸盤(pán)上的支撐力 ( i = 1…，5) 形成一對(duì)，并且從到比例增加，以上假設(shè)可用下式表示為：
- = - ( i = 1，2)
聯(lián)立解式(2-12)，(2-13) ，(2-14) ，得到 ( i = 1，…，4) 表示式：
理論上，由式(2-16) 可知，只要滿(mǎn)足 > 0 ,則條件(2) 滿(mǎn)足條件，求得：
機(jī)器人牢靠吸附在工作面上(不從玻璃壁面上滑落或傾翻下來(lái)) 的條件應(yīng)該滿(mǎn)足:
G < min(，)
理論上：
= 5μV
f c2 =
在進(jìn)行爬壁機(jī)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)具體的尺寸p，d確定，的大小，根據(jù)計(jì)算式來(lái)計(jì)算設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足爬壁機(jī)不滑落不傾翻的條件。（在計(jì)算時(shí)基于安全考慮，玻璃與吸盤(pán)間的典型摩擦因數(shù)按最小計(jì)μ = 0. 11 。）
根據(jù)計(jì)算分析出最可能發(fā)生危險(xiǎn)的情形是（1）或（2）。在保證次危險(xiǎn)安全的情況下，保證最危險(xiǎn)的情況不會(huì)發(fā)生，由此才能保證爬壁機(jī)器人安全地工作。考慮到機(jī)器人在越障時(shí)第一組吸盤(pán)可能發(fā)生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，應(yīng)當(dāng)另外增加安全系數(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí),考慮只有下面4 組吸盤(pán)組工作時(shí)機(jī)器人仍能夠安全吸附。因此，保證機(jī)器人的安全，要確保：
或表示為：
式中：G ———機(jī)器人和負(fù)載總的質(zhì)量G=30KG；
———作用在機(jī)器人吸盤(pán)上吸力的總和，；
λ = 1/ μ；μ = 0. 11
n ———安全系數(shù)n=1.2。
根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可知，p=207.99mm，d=100mm，當(dāng)負(fù)載為大約300N時(shí)應(yīng)取真空度V=，最小摩擦因數(shù)取0.11，由此可以得到：
根據(jù)計(jì)算分析出最可能發(fā)生危險(xiǎn)的情形是爬墻機(jī)從壁面滑落。在保證次危險(xiǎn)安全的情況下，保證最危險(xiǎn)的情況不會(huì)發(fā)生，由此才能保證爬壁機(jī)安全地工作。考慮到機(jī)器人在越障時(shí)第一組吸盤(pán)可能發(fā)生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，應(yīng)當(dāng)另外增加安全系數(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮只有下面4組吸盤(pán)組工作時(shí)機(jī)器人仍能夠安全吸附。因此，保證機(jī)器人的安全，要確保：
取安全系數(shù)為2.5，根據(jù)爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，總重量M=30kg，故：
G<
可知，爬墻機(jī)不會(huì)發(fā)生滑落的危險(xiǎn)，由知其也不會(huì)從壁面傾翻。
吸盤(pán)吸附材料采用軟橡膠。機(jī)器人的工作狀況與吸盤(pán)的吸力大小有關(guān)，如圖所示為機(jī)器人靜止吸附在壁面時(shí)的受力情況。
圖2-4 機(jī)器人靜止吸附在壁面時(shí)的受力情況
機(jī)器人能維持吸附的條件為:
（設(shè)）
式中： F 為摩擦力，為摩擦系數(shù)，為單個(gè)吸盤(pán)的吸力，G 為機(jī)器人自重與其附件重量之和，n 為吸盤(pán)的個(gè)數(shù)。由于機(jī)器人重心離壁面距離為h， 與F 形成的力矩將影響到重心上半部分對(duì)壁面的有效壓力，同時(shí)，考慮到由于地面有縫隙而減少真正吸附壁面的吸盤(pán)個(gè)數(shù)，引入安全系數(shù)，則單個(gè)吸盤(pán)的吸附力為：
值的大小取決于壁面灰塵、空隙大小、凹凸平度以及行走中遇到障礙物如電線(xiàn)、導(dǎo)氣管等因素，一般取2~3。
P=2
3.2 吸盤(pán)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖所示為單個(gè)吸盤(pán)的結(jié)構(gòu)圖，它是由鋼球1、彈簧、彈簧、導(dǎo)氣管組成。
在忽略氣體摩擦和位置時(shí)，由伯努利方程得：
即
圖 單個(gè)吸盤(pán)的結(jié)構(gòu)圖
式中：V 為氣體的速度，K 為氣壓壓縮系數(shù)，P 為壓力，為密度，C 為常數(shù)。機(jī)器人工作前，可根據(jù)工作壁面的性質(zhì)和載重量通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥設(shè)定氣流通過(guò)導(dǎo)氣管的速度；在機(jī)器人工作時(shí)，當(dāng)導(dǎo)氣管中的氣壓減小，同時(shí)有幾個(gè)吸盤(pán)（正常工作時(shí)有4組吸盤(pán)）已經(jīng)處于有效吸附的情況下，吸盤(pán)在大氣壓力的作用下吸附于壁面。而在縫隙上的吸盤(pán)將與大氣相通，因此V值將增大，氣體進(jìn)入吸盤(pán)，吸盤(pán)即脫離壁面。
式中：為氣體密度，Q 為流量， 為氣體流速的改變量，g為重力加速度，k為彈簧屈強(qiáng)系數(shù)，為壓縮位移。則：
3.3 清洗機(jī)構(gòu)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
（一）選精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
為提高傳動(dòng)平穩(wěn)性及強(qiáng)度，選用斜齒圓柱齒輪
小齒輪材料：45鋼調(diào)質(zhì) HBS1=280
接觸疲勞強(qiáng)度極限MPa （由[1]P207圖10-21d）
彎曲疲勞強(qiáng)度極限 Mpa （由[1]P204圖10-20c）
大齒輪材料：45號(hào)鋼正火 HBS2=240
接觸疲勞強(qiáng)度極限 MPa （由[1]P206圖10-21c）
彎曲疲勞強(qiáng)度極限 Mpa （由[1]P204圖10-20b）
精度等級(jí)選用7級(jí)精度
初選小齒輪齒數(shù)24
大齒輪齒數(shù)Z2 = Z1= 24×4=96取96
（二）按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
計(jì)算公式：
mm （由[1]P216式10-21）
1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算參數(shù)數(shù)值
初選載荷系數(shù)
小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 N·mm
齒寬系數(shù) （由[1]P201表10-7）
材料的彈性影響系數(shù) Mpa1/2 （由[1]P198表10-6）
區(qū)域系數(shù) （由[1]P215圖10-30）
， （由[1]P214圖10-26）
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
接觸疲勞壽命系數(shù)
（由[1]P203圖10-19）
接觸疲勞許用應(yīng)力
取安全系數(shù)1.0
∴ 取
（三）計(jì)算
（1）試算小齒輪分度圓直徑
=24.03mm
（2）計(jì)算圓周速度
m/s
（3）計(jì)算齒寬b及模數(shù)mnt
mm
b/h=10.99
﹙4﹚計(jì)算縱向重合度
=2.0933
（5） 計(jì)算載荷系數(shù)
① 使用系數(shù)
<由[1] P190表10-2> 根據(jù)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)得
② 動(dòng)載系數(shù)
<由[1] P192表10-8> 根據(jù)v=1.43m/s、 7級(jí)精度
＝1.1
③ 按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算時(shí)的齒向載荷分布系數(shù)
<由[1]P194表10-4> 根據(jù)小齒輪相對(duì)支承為非對(duì)稱(chēng)布置、7級(jí)精度、=1.0、 mm，得
=1.42
④ 按齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算時(shí)的齒向載荷分布系數(shù)
<由[1]P195圖10-13> 根據(jù)b/h=10.99、
⑤ 齒向載荷分配系數(shù)、
<由[1]P193表10-3> 假設(shè)，根據(jù)7級(jí)精度，軟齒面?zhèn)鲃?dòng)，得
∴=2.72
（6） 按實(shí)際的載荷系數(shù)修正所算得的分度圓直徑
<由[1]P200式(10-10a)>
mm
（7） 計(jì)算模數(shù)
（四）按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) <由[1]P198式(10-5)>
1 確定計(jì)算參數(shù)
（1）計(jì)算載荷系數(shù)K
（2）螺旋角影響系數(shù)
<由[1]P215圖10-28> 根據(jù)縱向重合系數(shù)，得
0.92
（3）彎曲疲勞系數(shù)KFN
<由[1]P202圖10-18> 得
（4）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.2 <由[1]P202式(10-12)>得
（6）查取齒型系數(shù)YFα 應(yīng)力校正系數(shù)YSα
<由[1]P197表10-5> 得
（7）計(jì)算大小齒輪的 并加以比較
比較
<
所以大齒輪的數(shù)值大，故取0.014269。
（五）計(jì)算
=0.63mm
取1
（六）分析對(duì)比計(jì)算結(jié)果
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，取=1.0已可滿(mǎn)足齒根彎曲強(qiáng)度。但為了同時(shí)滿(mǎn)足接觸疲勞強(qiáng)度，需按接觸疲勞強(qiáng)度算得的d1＝28.68mm來(lái)計(jì)算應(yīng)有的
取30
取120
（七）幾何尺寸計(jì)算
1 計(jì)算中心距阿a
將a圓整為75mm
3 計(jì)算大小齒輪的分度圓直徑d1、d2
mm
mm
4計(jì)算齒寬度
B=mm
取B1=16mm，B2＝16mm
第四章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 行車(chē)主體設(shè)計(jì)
爬壁機(jī)器人車(chē)體長(zhǎng)為863mm，寬為534mm，Q235鑄件壁厚3mm，上下車(chē)體連接螺栓使用M6，共12個(gè)螺栓，均布在上下車(chē)體連接凸出面上。上車(chē)體上面凸出室分為兩個(gè)空間分別放置電池和供氣系統(tǒng)，頂端一個(gè)控制盒，用來(lái)放置控制系統(tǒng)，下車(chē)體后部有功能部件聯(lián)結(jié)口，功能部件由螺栓安裝在下車(chē)體上。圖41-為車(chē)體的裝配圖。
圖4-1 行車(chē)主體設(shè)計(jì)
4.2 清掃刷設(shè)計(jì)
壁面清潔系統(tǒng)部件是與爬壁機(jī)器人相配合用于壁面清潔的機(jī)器人附件。它由清潔系統(tǒng)支架、清潔電機(jī)、清潔頭、傳動(dòng)齒輪、毛刷組成，清潔口安裝在齒輪伸出桿上。閉合控制開(kāi)關(guān)，清潔頭旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人在壁面上移動(dòng)時(shí)即可完成對(duì)壁面的清潔工作。圖4-2所示為壁面清潔系統(tǒng)圖。
圖4-2 清潔系統(tǒng)
4.3 履帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
履帶采用橡膠履帶，橡膠履帶是由橡膠主體、芯金、簾線(xiàn)骨架材料，通過(guò)模壓硫化而制成。橡膠履帶具有接地比壓小、牽引力大、振動(dòng)小、噪音低、濕田通過(guò)性能好、不損傷路面、速度快的優(yōu)點(diǎn)。履帶輪采用的材料為聚碳酸酯注塑而成。履帶和履帶輪聯(lián)結(jié)模擬齒輪齒條嚙合，相嚙合齒的模數(shù)為1.5。
圖4-3 履帶行走機(jī)構(gòu)
圖4-4 主動(dòng)齒輪
表格4-1所示為橡膠履帶基質(zhì)天然橡膠和順丁橡膠的主要性能，表格3-2為履帶輪材料聚碳酸酯的主要。
表4-1 天然橡膠和順丁橡膠的主要性能
品種
抗拉強(qiáng)度
（MPa）
伸長(zhǎng)率
（%）
使用溫度
（<（））
天然橡膠
25~35
650~900
120
順丁橡膠
18~25
450~800
120
表4-2 聚碳酸酯的主要性能
塑料名稱(chēng)
密度
(
透明性
抗拉強(qiáng)度
（MPa）
抗拉彈性模量
（
熔點(diǎn)
（）
聚碳酸酯
（PC）
1.2
透
66~70
2.2~25
220~230
由表格4-1和表格4-2可以看出，履帶基質(zhì)天然橡膠和順丁橡膠的抗拉強(qiáng)度比履帶輪材料聚碳酸酯低。但是履帶是由橡膠主體、芯金、簾線(xiàn)骨架材料組成，碳素彈簧鋼絲（如直徑為0.08mm）抗拉強(qiáng)度為2059~2452MPa，因此履帶輪出現(xiàn)危險(xiǎn)的可能性大，下面對(duì)履帶輪進(jìn)行校核。
履帶輪驅(qū)動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)功率的關(guān)系可得：
式中各符號(hào)的意義為：
P——驅(qū)動(dòng)輪傳遞給履帶的功率，單位為W；
——主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)履帶的扭矩，單位為；
——為主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，單位rad/s；
——安全系數(shù)，是為了保證有一定的功率裕量和功率損耗，一般取2~3；
——機(jī)器人的總質(zhì)量，單位為；
——重力加速度，單位為；
——機(jī)器人在壁面上運(yùn)行的速度，單位。
設(shè)在主動(dòng)輪工作中一個(gè)齒上的剪力為，則有：
式中，A——主動(dòng)輪齒底部的截面積，單位為；
——主動(dòng)輪輪齒底部受到的切應(yīng)力，單位為Pa；
——主動(dòng)輪輪齒底部截面的長(zhǎng)度，單位為；
——主動(dòng)輪輪齒底部截面的寬度，單位為。
對(duì)主動(dòng)輪中心取矩，由平衡方程，可得：
式中，——主動(dòng)輪工作中一個(gè)齒上的剪力為；
——主動(dòng)輪的直徑，單位為mm；
——同時(shí)處于工作狀態(tài)的齒輪數(shù)；
對(duì)于主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)有：
式中，r——主動(dòng)輪的半徑，單位m；
可以得到，主動(dòng)輪輪齒底部受到的切應(yīng)力：
式中，安全系數(shù)k取2.5，機(jī)器人的總重量m為30Kg，重力加速度g取9.8，機(jī)器人工作時(shí)同時(shí)處于工作狀態(tài)的輪齒數(shù)取2.3，主動(dòng)輪輪齒底部寬為26mm，主動(dòng)輪輪齒底部長(zhǎng)度b為4.2mm，將以上數(shù)據(jù)代入式（3-16），可以得到：
對(duì)于主動(dòng)輪的聚碳酸酯材料可以由其抗拉強(qiáng)度參考其抗切應(yīng)力的強(qiáng)度，故有：
可知，爬壁機(jī)器人的主動(dòng)輪強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，綜合以上討論證明可知爬壁機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，能夠保證機(jī)器人安全可靠地完成工作任務(wù)。
4.4 配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)的作用是在爬壁機(jī)器人工作時(shí)完成吸盤(pán)的抽氣與進(jìn)氣，配氣盤(pán)結(jié)構(gòu)主要有配氣盤(pán)、密封氈、配氣接口組成，配氣盤(pán)通過(guò)配氣盤(pán)固定桿固定于下車(chē)體上，密封氈緊貼于配氣盤(pán)的內(nèi)表面；配氣接口安裝于配氣盤(pán)的下側(cè)，用于完成對(duì)即將進(jìn)入工作或退出工作狀態(tài)的吸盤(pán)完成抽氣、進(jìn)氣工作。
圖2-7為履帶與配氣盤(pán)的聯(lián)結(jié)示意圖，履帶的突起部恰好裝配于配氣盤(pán)和密封氈的凹槽內(nèi)；當(dāng)機(jī)器人工作時(shí)，履帶處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)相應(yīng)的吸盤(pán)進(jìn)入或退出工作狀態(tài)時(shí)，由配氣孔完成它們的抽氣、進(jìn)氣工作。
圖4-5 聯(lián)接示意圖
圖 4-6 聯(lián)接完成后示意圖
第五章 三維建模與虛擬裝配
5.1 零件建模
在三維建模中主要有以下3種特征：
(1)實(shí)體特征 它是構(gòu)建三維模型的基本單元和主要設(shè)計(jì)對(duì)象。實(shí)體特征可以是正空間特征(如實(shí)體的突出部分)，也可以是負(fù)空間特征(如實(shí)體上的孔、槽等)。在Pro/E中，根據(jù)建模方式和原理的差異，把實(shí)體特征進(jìn)一步分為基礎(chǔ)特征和工程特征基礎(chǔ)特征是三維模型設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，包括拉伸特征、旋轉(zhuǎn)特征、掃描特征和混合特征等。工程特征是在基礎(chǔ)特征上的附加特征，它的創(chuàng)建依賴(lài)于已存在的基礎(chǔ)特征，是有一定工程應(yīng)用價(jià)值的特征，包括孔特征、肋特征、倒角特征和拔模特征等。
(2)曲面特征 它是一種沒(méi)有質(zhì)量和體積的幾何特征，對(duì)曲面的精確描述比較復(fù)雜，在目前三維造型中通常采用“B樣條曲線(xiàn)”為基礎(chǔ)，通過(guò)曲率分布圖對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行編輯，進(jìn)而得到高質(zhì)量的曲面造型曲面特征主要用于產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、外形設(shè)計(jì)和逆向工程等設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
(3)基準(zhǔn)特征 指參數(shù)化設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)曲線(xiàn)、基準(zhǔn)平面和坐標(biāo)系等。一般來(lái)說(shuō)，基準(zhǔn)特征主要用于輔助三維模型的創(chuàng)建。
利用Pro/E建模首先從整體研究將要建模的零件，分析其特征組成，明確不同特征之間的關(guān)系和內(nèi)在聯(lián)系，確定零件特征的創(chuàng)建順序，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行建模、添加工程特征等設(shè)計(jì)。通過(guò)二維平面草繪圖的旋轉(zhuǎn)、拉伸、掃描和混合等工具來(lái)實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體模型的構(gòu)建。Pro/E三維模型將線(xiàn)框、曲面和實(shí)體三者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)整體，整個(gè)建模過(guò)程是基于特征為基本單位的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程。其中參數(shù)包括幾何參數(shù)和尺寸參數(shù)。幾何參數(shù)確定了實(shí)體特征基本位置的固定關(guān)系，尺寸參數(shù)決定了產(chǎn)品外觀尺寸和相對(duì)距離。利用參數(shù)可以準(zhǔn)確控制和修改所建立的三維模型。
Pro/E建模的一般過(guò)程如下：
(1) 建立或選取基準(zhǔn)特征作為模型空間定位的基準(zhǔn)：如基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸和基準(zhǔn)坐標(biāo)系等。建立每個(gè)實(shí)體特征時(shí)，都要利用基準(zhǔn)特征作為參照;
(2) 建立基礎(chǔ)實(shí)體特征：拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合等;
(3) 建立工程特征：孔、倒角、肋、拔模等;
(4) 特征的修改：特征陣列、特征復(fù)制等編輯操作；
5.1.1車(chē)體底座建模
主要利用拉伸、抽殼、打孔，倒圓角、倒角等命令，創(chuàng)建出如主體焊接件及蓋板零件。
圖5-1 車(chē)體底座
圖5-2 車(chē)體蓋
5.1.2履帶建模
履帶建模主要利用拉伸，掃描、打孔等命令，創(chuàng)建出如下履帶：
圖5-3 履帶
5.1.3配氣盤(pán)建模
利用拉伸，掃描、打孔等命令，創(chuàng)建出如下配氣盤(pán)組件：
圖5-4 配氣盤(pán)
5.1.4 輪軸建模
利用拉伸，打孔等命令，創(chuàng)建出如下輪軸：
圖5-5 輪軸
5.1.5 齒輪箱蓋建模
利用拉伸，打孔等命令，創(chuàng)建出如下齒輪箱蓋：
圖5-6 齒輪箱蓋
5.1.5 齒輪建模
利用參數(shù)化，拉伸，打孔等命令，創(chuàng)建出如下齒輪模型：
圖5-7 傳動(dòng)小齒輪
5.2 虛擬裝配
虛擬裝配就是利用零部件的鏈接關(guān)系建立裝配。
PRO/E的裝配模式提供了并行的、自下而上的、自上而下的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方法。所謂自下而上的設(shè)計(jì)模式,即先在零件模塊中構(gòu)造各個(gè)零件的三維模型,然后在裝配模塊中建立零部件之間的鏈接關(guān)系,這種鏈接關(guān)系的建立是通過(guò)配對(duì)條件在零部件之間建立約束關(guān)系來(lái)確定零部件在產(chǎn)品中的位置。
在虛擬裝配中,零部件的幾何體是被裝配利用,而不是復(fù)制到裝配中?；赑RO/E具有單一數(shù)據(jù)庫(kù)的特性,不管如何編輯零部件和在何處編輯零部件,整個(gè)裝配部件保持關(guān)聯(lián)性,如果修改整個(gè)零部件,則引用它的裝配件自動(dòng)更新,反映零部件的最新變化。
進(jìn)行零件裝配時(shí)最重要的步驟就是對(duì)零部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)募s束,在PRO/E中建立裝配關(guān)系是用帖合、平面和基準(zhǔn)面對(duì)齊,坐標(biāo)系各個(gè)軸相互對(duì)齊等約束命令將所有的零部件按要求裝配在一起。
虛擬裝配是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了更好地幫助進(jìn)行與裝配有關(guān)的設(shè)計(jì)決策，由此擬定裝配草圖．它以產(chǎn)品可裝配性的全面改善為目的，通過(guò)模擬試裝和定量分析，找出零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不適合裝配或裝配性能不好的結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行設(shè)計(jì)修改．最終保證所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品從技術(shù)角度來(lái)講裝配是合理可行的，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)講應(yīng)盡可能降低產(chǎn)品總成本，同時(shí)還必須兼顧人因工程和環(huán)保等社會(huì)因素．
按如上論述的方法，裝配焊煙凈化設(shè)備。
首先將零件裝配成部件組件，再裝組件及零件裝配成設(shè)備主體。
圖5-8 從動(dòng)齒輪組件
圖5-8 履帶組件
圖5-9 清掃機(jī)構(gòu)
圖5-10 吸附式爬壁清洗機(jī)總裝三維圖
結(jié) 論
吸附式爬壁清洗機(jī)主要由吸附部分、移動(dòng)部分和清洗部分組成。爬壁清洗機(jī)具有一定的吸附能力，其產(chǎn)生的摩擦力大于清洗機(jī)的重力，具有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠使清洗機(jī)在壁面上自由移動(dòng)，有電機(jī)控制清潔頭旋轉(zhuǎn)，當(dāng)清洗機(jī)在壁面上移動(dòng)時(shí)能夠完成對(duì)壁面的清潔工作。
吸附式爬壁清洗機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)直線(xiàn)移動(dòng)，保證機(jī)器人能夠按照地面操作人員的遙控進(jìn)行工作，用履帶與履帶輪相嚙合的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由吸附機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一定的吸附力，確保機(jī)器人工作過(guò)程中能安全可靠地吸附在工作壁面上。
清洗機(jī)的行走機(jī)構(gòu)能夠在壁面上完成直線(xiàn)移動(dòng)，并且能夠跨越高度為5厘米的障礙，并且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)清洗的目的。
爬壁清洗機(jī)融合了吸盤(pán)式真空吸附和履帶式移動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)，吸盤(pán)在履帶上的分布和履帶自身柔性使得清洗機(jī)能夠跨越障礙物，又因?yàn)橛形P(pán)的存在，使履帶不直接與壁面接觸，可能的障礙有玻璃的連接處等，壁面凹凸起伏不大，履帶吸盤(pán)式的結(jié)構(gòu)具有逾越較小障礙的功能；同時(shí)，考慮到機(jī)器人運(yùn)行的平穩(wěn)性和履帶的使用壽命，因此清洗機(jī)履帶結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)輪（主動(dòng)輪）置中，導(dǎo)向輪（從動(dòng)輪）對(duì)稱(chēng)分布，從動(dòng)輪對(duì)稱(chēng)布置的方式使履帶受力最大處避開(kāi)了履帶彎曲處，驅(qū)動(dòng)輪及導(dǎo)向輪兼做支撐輪，可增大接觸面積且使履帶上受力集中處遠(yuǎn)離履帶彎曲處，減少了對(duì)履帶的損害提高了履帶的使用壽命。
本清洗機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，使用維護(hù)方便，生產(chǎn)制造成本較低，操作簡(jiǎn)單。
通過(guò)這次設(shè)計(jì)，提高了我分析和解決問(wèn)題的能力，擴(kuò)寬和深化了學(xué)過(guò)的知識(shí)，掌握了設(shè)計(jì)的一般程序規(guī)范和方法，培養(yǎng)了我們正確使用產(chǎn)品材料、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、圖冊(cè)等工具書(shū)的能力。
總的說(shuō)來(lái)，本次設(shè)計(jì)在嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)中完成，這將對(duì)我的一生都有啟迪和警示作用。由于本人經(jīng)驗(yàn)不足，設(shè)計(jì)中不妥之處在所難免，懇請(qǐng)各位老師和同學(xué)提出建議和意見(jiàn)，我會(huì)誠(chéng)懇地接受并在今后的設(shè)計(jì)中改正。
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