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本科畢業(yè)設(shè)計(論文)
題目：自動檢線機(jī)構(gòu)功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計
系 別： 機(jī)電信息系
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級：
學(xué) 生：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師：
2013年04月
自動檢線機(jī)構(gòu)功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計
摘要
電力系統(tǒng)最重要的任務(wù)是提供高質(zhì)量和高可靠性的電力。電力傳輸必須依靠高壓輸電線路，它的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響電力系統(tǒng)的可靠性。檢線機(jī)器人的本體設(shè)計是整機(jī)設(shè)計中一個相當(dāng)重要的部分，需經(jīng)過多次反復(fù)才能完成；在進(jìn)行機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計時，需要建立一定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境(導(dǎo)線物理模型、障礙物等)，對樣機(jī)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)其是否能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，這就導(dǎo)致其設(shè)計的周期長、設(shè)計效率低以及改型工作量大等缺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：檢線機(jī)器人；本體設(shè)計；結(jié)構(gòu)
Automatic inspection line agencies function structure design
Abstract
The power system is the most important task is to provide high-quality and high-reliability power. Power transmission must rely on high-voltage transmission lines, it's safe and stable operation directly affect the reliability of the power system. Subject line robot body design is a very important part of the whole design, and subject repeatedly to complete; making robot structural analysis and design, the need to establish the experimental environment (wire physical model, obstructions, etc.) conducted several experiments to test whether it can achieve the desired objectives, which led to its design cycle is long, low design efficiency and retrofit heavy workload and other shortcomings of the prototype.
Keywords: inspection line；robot body；design structure
目 錄
1 緒論 1
1.1 研究背景及意義 1
1.2 架空線路巡線機(jī)器人與機(jī)器人仿真文獻(xiàn)綜述 3
1.2.1 架空線路巡線機(jī)器人研究概況 3
1.2.2 機(jī)器人仿真簡介 3
1.2.3 中國與國外先進(jìn)技術(shù)的差距 5
1.3 本文主要內(nèi)容 5
2 檢線機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 7
2.1 方案要求 7
2.2 總體結(jié)構(gòu) 9
2.3 柔性臂 9
2.4 驅(qū)動裝置 12
2.4.1 輪式移動機(jī)構(gòu) 13
2.4.2 步進(jìn)式蠕動爬行機(jī)構(gòu) 13
2.5 剎車制動裝置 13
3 各零部件的選擇與設(shè)計 14
3.1 絲桿的設(shè)計 14
3.11 絲桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計 14
3.12 絲桿的設(shè)計計算 15
3.13 絲桿的強(qiáng)度校核 17
3.2 齒輪的設(shè)計 19
3.21 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 19
3.22 齒輪的參數(shù)計算 22
3.3 齒輪箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計 23
3.4 內(nèi)升降筒的設(shè)計計算 24
3.5 外升降筒的設(shè)計 25
3.5.1 外升降筒的設(shè)計計算 25
3.5.2 外升降筒的強(qiáng)度校核 25
3.6 渦輪蝸桿的設(shè)計 27
3.7 電機(jī)的選擇 28
4 結(jié)論 31
參考文獻(xiàn) 32
致 謝 34
畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 35
畢業(yè)設(shè)計（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 36
IV
1 緒論
1.1研究背景及意義
電力系統(tǒng)最重要的任務(wù)是提供高質(zhì)量和高可靠性的電力。電力傳輸必須依靠高壓輸電線路，它的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響電力系統(tǒng)的可靠性。由于輸電線路分布點(diǎn)多、面廣，絕大部分遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，所處地形復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣，且電力線及桿塔附件長期暴露在野外，會受到持續(xù)的機(jī)械張力、電氣閃絡(luò)、材料老化的影響而產(chǎn)生斷股、磨損、腐蝕等損傷，如不及時修復(fù)更換，原來微小的破損和缺陷就可能擴(kuò)大，最終導(dǎo)致嚴(yán)重事故，造成大面積停電，從而造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會影響。所以，必須對輸電線路進(jìn)行定期巡視檢查，隨時掌握和了解輸電線路的運(yùn)行情況以及線路周圍環(huán)境和線路保護(hù)區(qū)的變化情況，以便及時發(fā)現(xiàn)和消除隱患，預(yù)防事故的發(fā)生，確保供電安全。目前，對輸電線路的巡檢主要采用兩種方法，即地面人工目測法和直升飛機(jī)航測法。前者的巡檢精度低，勞動強(qiáng)度大，且存在巡檢盲區(qū)。部分地區(qū)大雪封山時，車輛和行人無法進(jìn)入；在深山還有野獸出沒，這給巡視人員帶來了很大的安全隱患；后者則存在飛行安全隱患且巡線費(fèi)用昂貴。如果用直升機(jī)巡視替代地面巡視，則每100公里1年巡視費(fèi)用同塔雙回線需217.92萬元（單回線136萬元）。如果用直升機(jī)在整個東北電網(wǎng)覆蓋地區(qū)巡視則需超過5000萬元。費(fèi)用過于昂貴，直接限制了直升機(jī)巡視的廣泛推廣。
圖1.1巡線機(jī)器人外觀圖
由于巡線機(jī)器人可以克服上述缺陷，因此，巡線機(jī)器人已成為特種機(jī)器領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。巡線機(jī)器人不僅可以減輕工人巡線的勞動強(qiáng)度，降低高壓輸電的運(yùn)行維護(hù)成本，還可以提高巡檢作業(yè)的質(zhì)量和科學(xué)管理技術(shù)水平，對于增強(qiáng)電力生產(chǎn)自動化綜合能力，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益都具有重要意義。
巡線機(jī)器人懸掛于架空避雷線上，并以此為行駛作業(yè)路徑，通過自動控制方式完成輸電線路巡檢作業(yè)，及對線路的機(jī)械電氣故障，包括絕緣子劣化和污穢、導(dǎo)線的機(jī)械破損、連接金具機(jī)械松脫等故障進(jìn)行檢測。其特殊的作業(yè)環(huán)境要求機(jī)器人能夠沿輸電導(dǎo)線全程運(yùn)行，包括沿輸電導(dǎo)線的直線段和耐張線段實(shí)現(xiàn)滾動爬行，跨越及避讓懸垂線夾、懸垂絕緣子、防振錘、耐張線夾等結(jié)構(gòu)型障礙物。
因此，機(jī)器人的本體設(shè)計是整機(jī)設(shè)計中一個相當(dāng)重要的部分，需經(jīng)過多次反復(fù)才能完成；在進(jìn)行機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計時，需要建立一定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境(導(dǎo)線物理模型、障礙物等)，對樣機(jī)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)其是否能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，這就導(dǎo)致其設(shè)計的周期長、設(shè)計效率低以及改型工作量大等缺點(diǎn)。此外，樣機(jī)的單機(jī)制造增加了成本。在競爭的市場條件下，基于物理樣機(jī)的設(shè)計驗(yàn)證過程嚴(yán)重地制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提高、成本的降低及市場推廣應(yīng)用。巡線機(jī)器人須要自主跨越障礙，根據(jù)障礙的空間分布，機(jī)器人手臂要求有伸縮和回轉(zhuǎn)兩個自由度。巡線機(jī)器人為了保持平衡以及互相配合，需要左右各一個掛臂，當(dāng)機(jī)器人需要升降時，當(dāng)一個掛臂負(fù)責(zé)升降，負(fù)載拖動主箱體，攀附于電纜上，另一個掛臂空載，升降到同一高度，準(zhǔn)備交替動作，交替的同時通過平移蝸箱，移動主箱體，兩手臂互相配合，跨越障礙。選擇用一個電機(jī)來作為動力系統(tǒng)，考慮到手臂的升降行程的要求（即升降行程不小于480mm），以及掛臂升降的穩(wěn)定性，本設(shè)計采用螺紋傳動，用一對絲杠螺母副傳動。由于要采用二節(jié)伸縮的升降形式，須要內(nèi)升降筒與外升降筒同時運(yùn)動，才可以有二節(jié)展開的效果，同時考慮到傳動的穩(wěn)定性，設(shè)計采用一對齒輪嚙合帶動內(nèi)外升降筒同時運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)兩節(jié)展開。負(fù)載的掛臂由電動機(jī)1帶動內(nèi)絲杠旋轉(zhuǎn)，內(nèi)絲桿與固定在內(nèi)升降筒上的下螺母嚙合，帶動內(nèi)升降筒的升降，又由減速箱中聯(lián)軸器上的齒輪1嚙合固定在外絲杠上的齒輪2，從而帶動外絲杠旋轉(zhuǎn)，考慮到二節(jié)伸縮，旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)與內(nèi)絲杠相反，又通過固定在渦輪箱體上的上螺母，帶動外升降筒向上運(yùn)動，使機(jī)器人掛臂兩節(jié)展開。并在絲桿端部設(shè)置擋板，限制升降筒的行程。這是手臂伸縮，也就是實(shí)現(xiàn)掛臂垂直方向的自由度?？紤]到手臂可進(jìn)行回轉(zhuǎn)的要求，為了滿足結(jié)構(gòu)緊湊的要求，本設(shè)計采用渦輪蝸桿嚙合的方式，動力系統(tǒng)采用一個電機(jī)，由電動機(jī)2來帶動蝸桿的旋轉(zhuǎn)，蝸桿與渦輪嚙合，固定在渦輪上的上螺母同時與外絲杠嚙合，從而帶到整個手臂回轉(zhuǎn)，這樣既能夠保證外升降筒垂直升降的要求，又可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人掛臂旋轉(zhuǎn)的功能，同時，還大大提高了空間的運(yùn)用，這就是xy平面旋轉(zhuǎn)的自由度。由于本課題對掛臂旋轉(zhuǎn)速度未做要求，因此電機(jī)的選擇不作為設(shè)計的重點(diǎn)。
1.2架空線路巡線機(jī)器人與機(jī)器人仿真文獻(xiàn)綜述
1.2.1架空線路巡線機(jī)器人研究概況
國外巡線機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)80年代末，日本、加拿大、美國等發(fā)達(dá)國家先后開展了巡線機(jī)器人的研究工作。1988年，東京電力公司的Swada等人研制了光纖復(fù)合架空地線(OPGW)巡線移動機(jī)器人，如圖1.2所示。該機(jī)器人利用一對驅(qū)動輪和一對夾持輪沿地線爬行，能跨越地線上防振錘、螺旋減震器等障礙物。遇到桿塔時，機(jī)器人采用仿人攀援機(jī)理，先展開攜帶的弧形手臂，手臂兩端勾住線塔兩側(cè)的地線，構(gòu)成一個導(dǎo)軌，然后本體順著導(dǎo)軌滑到線塔的另一側(cè)；待機(jī)器人夾持輪抱緊線塔另一側(cè)的地線后，將弧形手臂折疊收起，以備下次使用。機(jī)器人運(yùn)動控制有粗略和精確定位兩種模式，粗略控制是把線塔和地線的資料數(shù)據(jù)(線塔的高度、位置、電線長度、線路上附件數(shù)量等)預(yù)先編制好程序輸入機(jī)器人，據(jù)此控制機(jī)器人的行走和越障；精確定位控制則根據(jù)傳感器反饋信息進(jìn)行控制。機(jī)器人攜帶的損傷探測單元采用渦流分析方法探測光纖復(fù)合架空地線的損傷情況，并把探測數(shù)據(jù)記錄到磁帶上。但因其質(zhì)量過大，達(dá)到100kg，而不能推廣應(yīng)用。
圖1.2 導(dǎo)軌巡線機(jī)器人
1.2.2機(jī)器人仿真簡介
加拿大魁北克水電研究院的Serge Montambault等人在2000年開始了HQLineROVer遙控小車(見圖1.3)的研制工作，遙控小車起初用于線路巡檢、維護(hù)等多用途移動平臺。第三代原型機(jī)構(gòu)緊湊，僅重25kg，驅(qū)動力大，抗電磁干擾能力強(qiáng)，能爬52度的斜坡，通信距離可達(dá)1000m，小車采用靈活的模塊化結(jié)構(gòu)，安裝不同的工作頭即可完成架空線視覺和紅外檢查、壓接頭狀態(tài)評估、導(dǎo)線和地線更換、導(dǎo)線清污和除冰等帶電作業(yè)，已在工作電流為800A的315kV電力線上進(jìn)行了多次現(xiàn)場測試，但是HQ LineROVer沒有越障能力，只能在兩線塔間的電力線上工作。
圖1.3 遙控小車
美國TRC公司1999年研制了一臺懸臂巡線機(jī)器人原型，如圖1.4所示。它能沿架空導(dǎo)線長距離爬行，執(zhí)行電暈損耗、絕緣子、結(jié)合點(diǎn)、壓接頭等視覺檢查任務(wù)，對探測到的線路故障數(shù)據(jù)預(yù)處理后，傳送給地面人員。當(dāng)機(jī)器人遇到桿塔時，利用手臂采用仿人攀援的方法從側(cè)面越過桿塔。其缺點(diǎn)是無法攀爬30度以上的斜坡而不能廣泛應(yīng)用。
圖1.4 懸臂巡線機(jī)器人
文獻(xiàn)中，介紹了工作于66kV光纖架空地線，能夠跨越防振錘和線夾的機(jī)器人。文獻(xiàn)給出了一種新型移動機(jī)器人機(jī)構(gòu)，由雙臂、四套執(zhí)行機(jī)構(gòu)和手爪構(gòu)成，該機(jī)器人能夠沿架空地線行走，并且能夠跨越桿塔。文獻(xiàn)給出了一種能夠沿架空地線行走并且跨越防振錘、桿塔、線夾等障礙物的移動機(jī)器人。但上述機(jī)器人都具有18個以上的自由度，導(dǎo)致功耗過高而不能應(yīng)用到實(shí)際工作中。
1.2.3中國與國外先進(jìn)技術(shù)的差距
圖1.5是中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超高壓輸電線路巡檢機(jī)器人，并于2006年4月12日與錦州超高壓局合作開展了現(xiàn)場帶電巡檢試驗(yàn)，在其所管轄的500kV超高壓輸電線(東遼二線)上成功地完成了沿線行走，但沒有越障能力。
圖1.5 沈陽自動化所巡線機(jī)器人
1.3本文主要內(nèi)容
綜合國內(nèi)外對于巡線機(jī)器人的研究情況，當(dāng)代巡線機(jī)器人的研究主要集中于以下幾個方面：
(1) 機(jī)器人結(jié)構(gòu)
機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計，是根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行的。在機(jī)器人機(jī)構(gòu)方面，結(jié)合機(jī)器人在各個領(lǐng)域及各種場合的應(yīng)用，研究人員開展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。但大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段，而輪式機(jī)器人由于其控制簡單、運(yùn)動穩(wěn)定和能源利用率高等特點(diǎn)，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展。
(2) 運(yùn)動控制技術(shù)
穩(wěn)健的運(yùn)動控制技術(shù)是移動機(jī)器人整體性能的基礎(chǔ)，由于移動機(jī)器人本身是一個非完整約束系統(tǒng)，是一個欠驅(qū)動的零漂移的動力學(xué)系統(tǒng)，因此，該系統(tǒng)不能通過連續(xù)可微的時不變的狀態(tài)反饋加以鎮(zhèn)定。為此，通過時變、不連續(xù)控制以及混合策略，根據(jù)動力學(xué)模型和運(yùn)動學(xué)模型，建立合理的反饋控制律，實(shí)現(xiàn)車速和轉(zhuǎn)向的自動控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過渡，是該項技術(shù)的核心內(nèi)容。
(3) 路徑規(guī)劃技術(shù)
該技術(shù)主要包括基于地理信息的全局路徑規(guī)劃技術(shù)和基于傳感信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)。由于自主式移動機(jī)器人在地面上行駛，必須避開它無法通過的或?qū)ζ浒踩旭倶?gòu)成威脅的障礙物或區(qū)域，因此局部路徑規(guī)劃，尤其是復(fù)雜環(huán)境下的路徑規(guī)劃問題，顯得更為重要。
(4) 實(shí)時視覺技術(shù)
該技術(shù)主要涉及到視覺信息的實(shí)時采集、預(yù)處理、特征提取和模式識別。而且，視覺信息處理的能力、處理速度、處理的可靠性和準(zhǔn)確性是決定智能機(jī)器人整體性能的決定性因素。
(5) 定位和導(dǎo)航技術(shù)
該技術(shù)是現(xiàn)代輪式移動機(jī)器人研制所急需的關(guān)鍵技術(shù)，也是下一代無人戰(zhàn)車的技術(shù)基礎(chǔ)。位置的測量可以分為相對位置測量和絕對位置測量，測量方法有里程計、慣性導(dǎo)航、主動燈塔、磁羅盤、全球定位系統(tǒng)、地圖模型匹配和自然路標(biāo)導(dǎo)航等。
(6) 多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術(shù)
自主式移動機(jī)器人采用測距技術(shù)，GPS定位技術(shù)和小型陀螺儀技術(shù)等多種傳感技術(shù)來采集不同類型的環(huán)境信息。因此，準(zhǔn)確地處理和分析不同傳感器采集到的信息，用于對所處環(huán)境作出準(zhǔn)確可靠的描述并據(jù)此作出正確的決策和控制，是多傳感集成和數(shù)據(jù)融合研究的任務(wù)。
(7) 檢測技術(shù)
一種是可見光檢測方法，采用高分辨率攝像機(jī)攝取目標(biāo)圖像，一般能發(fā)現(xiàn)架空線大部分表面故障現(xiàn)象，精度和準(zhǔn)確度取決于圖像質(zhì)量。如何讓巡線機(jī)器人自主控制攜帶的攝像設(shè)備，捕捉特定目標(biāo)，獲取多視角、高清晰度目標(biāo)圖像是關(guān)鍵；另一種是紅外探測技術(shù)，當(dāng)輸電導(dǎo)線存在諸如導(dǎo)線斷股、絕緣子破損等故障時，故障點(diǎn)附近會出現(xiàn)局部溫升，產(chǎn)生熱輻射。這些故障難以通過視覺檢查發(fā)現(xiàn)，我們可以采用紅外探測技術(shù)加以彌補(bǔ)。具體來說，就是熱成像技術(shù)，這是一種廣泛用于輸變電系統(tǒng)的故障探測技術(shù)，可以攝取表面溫度超過周圍環(huán)境溫度的異常溫升點(diǎn)的紅外光譜圖像，然后根據(jù)圖像，人工或自動判讀可能的故障器件。
(8) 高性能計算技術(shù)
在移動機(jī)器人的早期研究工作中，專用硬件結(jié)構(gòu)為多數(shù)研究者所采用，這是因?yàn)楫?dāng)時市場上的通用硬件不能滿足諸如實(shí)時圖像處理所需的計算能力。近年來，隨著計算機(jī)計算能力的迅猛提高，研究者們開始采用通用處理器來構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)。目前用于移動機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)多數(shù)采用一個高速通用處理器加上幾個專用板卡或芯片(用于顏色查表、模板匹配或數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)計算)，或者通過實(shí)驗(yàn)確定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系統(tǒng)來縮小體積，達(dá)到優(yōu)化的性能。
7
2 檢線機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計
由于機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，為了快速準(zhǔn)確地建立其模型，并方便日后的修改和計算，利用代表目前機(jī)械CAD領(lǐng)域新標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化設(shè)計軟件CATIA來建立機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)模型，基于CATIA軟件對機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行了準(zhǔn)確的創(chuàng)建。
2.1方案要求
要求研制一臺針對500kv電壓等級高壓架空輸電線路(其中：避雷線規(guī)格為LGJ500/45、懸垂線夾規(guī)格為CGF-6X、防振錘規(guī)格為FD-6)，具有自主越障能力和爬坡能力的巡線機(jī)器人。機(jī)器人在分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)的控制下，能夠以一定的速度沿架空線路運(yùn)動，并能跨越防振錘、耐張線夾、懸垂線夾、跳線等障礙，具有自動剎車自保功能，以避免從高空摔落。其巡線作業(yè)環(huán)境如圖2.1。
圖2.1 機(jī)器人的工作環(huán)境
所以，本文中檢線機(jī)器人的工作原理和過程為：
1) 機(jī)器人上線；
2) 機(jī)器人本體計算機(jī)在接收到運(yùn)行命令后，驅(qū)動機(jī)器人沿避雷線行走；
3) 巡線機(jī)器人通過滾輪完成沿避雷線無障礙段的行進(jìn)。行進(jìn)過程中檢測裝置不斷檢測前方障礙物的情況，同時攝像機(jī)對線路和機(jī)器人本身的工作狀態(tài)進(jìn)行拍攝，拍到的圖像通過無線設(shè)備實(shí)時傳輸?shù)降孛婀ぷ骰?，決定是否對線路進(jìn)行維護(hù)；同時對機(jī)器人本身的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，決定是否對機(jī)器人的運(yùn)動給予干預(yù)；
4) 機(jī)器人檢測到前方有防振錘時，由于手掌采用中空設(shè)計，因此機(jī)器人無需做任何調(diào)整，即可直接爬越；
5) 當(dāng)安裝在機(jī)械手前端的接近覺傳感器檢測到懸垂線夾時，機(jī)器人控制肘關(guān)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使末端執(zhí)行器上移，直至驅(qū)動輪離開避雷線，然后手掌電機(jī)驅(qū)動手掌張開；其開合度要大于障礙寬度；之后，后面兩只手驅(qū)動電機(jī)繼續(xù)行走，當(dāng)中間手接近懸垂線夾時，前臂回落，同時手掌合攏，直至掛線；然后中間手電機(jī)驅(qū)動齒輪齒條機(jī)構(gòu)使中間手上移，然后手掌張開，接通前后兩手的驅(qū)動電機(jī)，繼續(xù)行走。當(dāng)后手接近懸垂線夾時，控制中間手回落，手掌合攏，直至驅(qū)動輪掛線；之后，后肘關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動后小臂選轉(zhuǎn)，手掌張開，前兩驅(qū)動輪繼續(xù)行走；當(dāng)后手跨越線夾后，手掌閉合回落，機(jī)器人完成跨越懸垂線夾的任務(wù)，繼續(xù)行進(jìn)；
6) 當(dāng)機(jī)器人跨越跳線時，手的脫線和抱線方法與跨越懸垂線夾時相同；首先前手脫線，通過前端視覺傳感器，可檢測到避雷線與跳線角度，這時大臂電機(jī)按此角度旋轉(zhuǎn)，使末端執(zhí)行器位于跳線下方，前手抓住跳線，然后中間手脫線，啟動前后手的驅(qū)動電機(jī)使機(jī)器人行走。中間手接近跳線時停止行走，調(diào)整前后柔性臂，使中間手抓住跳線，啟動行走。當(dāng)后手接近跳線時，停止行走，后手脫線；用前手和中間手驅(qū)動機(jī)器人繼續(xù)行走，越過跳線線夾后，停止行走，調(diào)整柔性臂，使后手抓住跳線，完成從直線到跳線的跨越；機(jī)器人由跳線到直線的跨越方法與上述過程相同，由于是一個上坡過程，為了使機(jī)器人不至于滑下來，需使用剎車裝置；
7) 檢測到轉(zhuǎn)彎跳線時，運(yùn)動過程與跨越直線跳線不同的地方是柔性臂的姿態(tài)除了上下調(diào)整外，還需要水平調(diào)整，其余完全相同；
8) 當(dāng)線路坡度較大、驅(qū)動輪摩擦驅(qū)動無法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行進(jìn)時，直接表現(xiàn)為驅(qū)動輪打滑，此時機(jī)器人三個制動器立即抓線，并與絲杠螺旋副組成蠕動爬行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行蠕動行進(jìn)。
本課題對檢線機(jī)器人的主要技術(shù)指標(biāo)和要求是：
1) 具有自主越障能力；
2) 具有一定爬坡能力；
3) 單機(jī)重量：小于100千克；
2.2總體結(jié)構(gòu)
考慮到輸電線路具有防振錘、耐張線夾、懸垂線夾、跳線和轉(zhuǎn)彎等各種障礙、并具有一定坡度。為了達(dá)到上述要求，巡線機(jī)器人的機(jī)械手必須動作靈活，工作范圍大，能完成規(guī)定的動作，應(yīng)有自由度4-5個，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。我摒棄機(jī)器人常規(guī)結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計出了適用于500kv輸電線路的自動巡線機(jī)器人，其總體機(jī)構(gòu)二維簡圖如圖2.2所示，三維圖如圖2.3所示。主要由五大部分組成：驅(qū)動裝置、剎車制動裝置、手掌開合裝置、柔性臂、電源箱和控制箱。
圖2.2 巡線機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖
2.3柔性臂
機(jī)械手的手臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動部件，它用來支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運(yùn)動。為了使手部能達(dá)到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個自由度，少數(shù)專用的工業(yè)機(jī)器人手臂自由度少于三個。手臂的結(jié)構(gòu)形式有多種，常用的構(gòu)形如圖2.4所示。
圖2,3 巡線機(jī)器人三維圖
圖2.4 幾種機(jī)器人手臂構(gòu)型
本課題要求機(jī)器人手臂能達(dá)到工作空間的任意位置，同時要結(jié)構(gòu)簡單，容易控制。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器人比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人有大得多的相對空間(手腕可達(dá)到的最大空間體積與機(jī)器人本體外殼體積之比)和絕對工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動作和軌跡更靈活，因此該機(jī)器人采用關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。
手腕的構(gòu)形也有多種形式。三自由度的手腕通常有以下四種形式：BBR型、BRR型、RBR型和RRR型。如圖2.5所示。
圖2.5 四種三自由度手腕構(gòu)形
B表示彎曲結(jié)構(gòu)，表明組成腕關(guān)節(jié)的相鄰運(yùn)動構(gòu)件的軸線在工作過程中相互間角度有變化。R表示轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，表明組成腕關(guān)節(jié)的相鄰運(yùn)動構(gòu)件的軸線在工作過程中相互間角度不變。BBR結(jié)構(gòu)由于采用了兩個彎曲結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)尺寸增加了，而RBR與前者相比結(jié)構(gòu)緊湊。
由于機(jī)械手的運(yùn)動軌跡要求機(jī)械手端面平行于避雷線，這樣用兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)就可以使機(jī)械手的姿態(tài)滿足要求，且機(jī)械結(jié)構(gòu)更加簡單，減輕了重量。綜合考慮后確定該機(jī)械手具有四個自由度，其中手臂兩個自由度確定機(jī)械手的位置，后兩個自由度確定手的姿態(tài)，最后確定其結(jié)構(gòu)形式如圖2.6所示。
圖2.6 柔性臂的最終構(gòu)形
綜上所述，柔性臂由機(jī)座、肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂、腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器組成。共有四個自由度，依次為大臂回轉(zhuǎn)、小臂俯仰、手腕俯仰、手腕回轉(zhuǎn)。肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)均由精密渦輪蝸桿減速器和轉(zhuǎn)盤組成。電機(jī)通過精密渦輪蝸桿減速器帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)手臂水平方向和豎直方向的自如運(yùn)動。通過控制電機(jī)的制動裝置，還能夠?qū)崿F(xiàn)手臂剛性與柔性的平滑轉(zhuǎn)換，使機(jī)器人適應(yīng)跨越轉(zhuǎn)彎、跳線時位置和姿態(tài)的要求。通過工作情況的需要，定出該巡線機(jī)器人的機(jī)械手運(yùn)動參數(shù)如下：
大臂長：250mm 手腕長：72mm
小臂長：400mm 末端執(zhí)行器長：344mm
各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動范圍：
關(guān)節(jié)1：±90° 關(guān)節(jié)2：±90°
關(guān)節(jié)3：±90° 關(guān)節(jié)4：±90°
2.4驅(qū)動裝置
機(jī)器人驅(qū)動裝置是帶動各個關(guān)節(jié)到達(dá)指定位置的動力源。通常動力是直接或經(jīng)電纜、齒輪箱或其他方法送至各個關(guān)節(jié)。目前使用的主要有三種驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動。液壓驅(qū)動以高壓油作為工作介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動或者是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，驅(qū)動機(jī)構(gòu)可以是閉環(huán)或者是開環(huán)的。液壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是能得到較大的出力，工作壓力通常達(dá)14Mpa，但是液壓元件造價高昂，而且容易泄露污染環(huán)境，而且必須配備專用的液壓閥，儲油罐，體積龐大。氣動驅(qū)動的工作介質(zhì)是高壓空氣，氣動控制閥簡單、便宜、操作簡單、易于編程，可以完成大量的點(diǎn)位搬運(yùn)操作任務(wù)，但是缺點(diǎn)是氣壓伺服難以實(shí)現(xiàn)高精度控制，只能用在滿足低精度的場合。故本機(jī)械手采用電機(jī)驅(qū)動。電機(jī)驅(qū)動方式具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、使用維修方便、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，這也是現(xiàn)代機(jī)器人應(yīng)用最多的驅(qū)動方式。電機(jī)可以選擇步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動具有成本低，控制系統(tǒng)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動屬于開環(huán)控制，精度較低。而直流伺服電機(jī)能構(gòu)成閉環(huán)控制，精度高，額定轉(zhuǎn)速高。
根據(jù)作業(yè)環(huán)境要求，本課題機(jī)器人行進(jìn)機(jī)構(gòu)采用輪式移動機(jī)構(gòu)與步進(jìn)式蠕動爬行機(jī)構(gòu)兩種方式。當(dāng)線路坡度較小、驅(qū)動輪摩擦驅(qū)動可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動時，機(jī)器人采用輪式移動機(jī)構(gòu)；當(dāng)線路坡度較大、驅(qū)動輪摩擦驅(qū)動無法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行進(jìn)時，直接表現(xiàn)為驅(qū)動輪打滑，此時機(jī)器人三個制動器立即抓線，并與絲杠螺旋副組成蠕動爬行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行蠕動行進(jìn)。
2.4.1輪式移動機(jī)構(gòu)
輪式移動機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置由直流電機(jī)、傘齒輪減速器、傳動軸和驅(qū)動輪組成。驅(qū)動輪采用高強(qiáng)度輕型材料，以減輕驅(qū)動裝置重量；驅(qū)動輪外表面采用高強(qiáng)度耐磨材料，以增大驅(qū)動輪運(yùn)動時與線路的摩擦因數(shù)，防止打滑。驅(qū)動輪支撐架(手掌)采用中空設(shè)計，使機(jī)器人遇到防振錘等障礙時，可直接越過，大大提高了機(jī)器人巡線速度。
2.4.2步進(jìn)式蠕動爬行機(jī)構(gòu)
步進(jìn)式蠕動爬行機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置由直流電機(jī)、傘齒輪減速器、傳動軸、滾珠絲杠、螺母和直線導(dǎo)軌組成。滾珠絲杠的摩擦力很小且運(yùn)動響應(yīng)速度快。由于滾珠絲杠在絲杠螺母的螺旋槽里放置了許多滾珠，傳動過程中所受的摩擦力是滾動摩擦，可極大地減小摩擦力，因此傳動效率高，可以達(dá)到90%，只需要使用極小的驅(qū)動力就能夠傳遞運(yùn)動。
2.5剎車制動裝置
為了保證機(jī)器人在停止?fàn)顟B(tài)、有一只手打開或出現(xiàn)故障情況下不脫線和下滑，設(shè)計了剎車裝置。它由活動制動爪、固定制動爪、銷軸、彈簧、彈簧上底座、彈簧下底座和彈簧導(dǎo)向軸組成。
2.6手掌開合裝置
手掌開合裝置由渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)和平行四桿機(jī)構(gòu)組成。在蝸桿驅(qū)動下帶動支架開合。其中：驅(qū)動輪固定在右側(cè)支架上，制動機(jī)構(gòu)固定在左側(cè)支架上。
14
3 各零部件的選擇與設(shè)計
3.1絲桿的設(shè)計
3.11絲桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計
電機(jī)位置處于伸縮掛臂的尾部，通過齒輪箱內(nèi)的帶齒輪的聯(lián)軸器與內(nèi)絲杠想連接，從而帶動內(nèi)絲杠，作為垂直動力系統(tǒng)。主要技術(shù)指標(biāo)中要求升降速度v為0.015m/s。由于該機(jī)器人掛臂采用二節(jié)伸縮，而外升降筒的伸縮是通過升降齒箱中升降齒輪的傳動，帶動外絲杠，又通過上螺母的嚙合來實(shí)現(xiàn)的。因此，主電動機(jī)只須要提供v/2=0.0075m/s的動力就可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)。
（1）選擇滑動螺旋傳動，由于傳動時磨損較大，矩形螺紋磨損后，間隙難以修復(fù)和補(bǔ)償，傳動精度會降低，而且壓根強(qiáng)度弱。還考慮到工藝加工性，梯形螺紋，公藝性好，壓根強(qiáng)度高，對中性好，還可以調(diào)整間隙，鑒于以上優(yōu)缺點(diǎn)，螺桿選擇梯形螺紋。
（2）軸向載荷為F，考慮到結(jié)構(gòu)要求比較緊湊，選擇螺母形式為整體式，軸向載荷垂直向下，而掛臂的起始位置屬于未升開狀態(tài)，須要運(yùn)動方向向上，所以，絲桿運(yùn)動方向與軸向載荷方向相反。
（3）選擇材料，掛臂屬于機(jī)器零件，所以選擇結(jié)構(gòu)鋼，，要求強(qiáng)度較高，所以選擇中碳鋼，考慮到成本和質(zhì)量的問題，所以選擇優(yōu)質(zhì)鋼，最后確定為45號鋼，查得疲勞極限是353Mpa。
（4）考慮到螺母的硬度大，耐磨性高，耐腐蝕的要求，螺母材料選擇為青銅，具體選擇ZCuAl10Fe3。具體結(jié)構(gòu)尺寸如示意圖。
（5）考慮到兩端支承的長度損失，內(nèi)外絲桿工作長度設(shè)定為280mm。
（6）計算升降行程。
兩絲桿端部結(jié)構(gòu)設(shè)計為兩端固定，考慮到螺母的旋合長度不宜過短，現(xiàn)在估計為17mm,因此，內(nèi)外絲桿的工作長度減去螺母的旋合長度，設(shè)定內(nèi)外絲桿的兩支撐的最大距離L1，L2皆為263mm。由于掛臂為二節(jié)伸縮，升降行程為下螺母旋合到內(nèi)絲桿的頂端，上螺母旋合到外絲桿的底端，而內(nèi)外絲桿的位置是固定的，從外部看掛臂升降時，就可以看到平移蝸箱的位置從外升降筒的上端逐漸變到外升降筒的下端，而與此同時，內(nèi)升降筒也以一定的速度逐漸伸出外升降筒，直到基本全部伸出，也就是當(dāng)上螺母接觸到擋板為止。因此，掛臂的升降行程為內(nèi)升降筒的最大行程與外升降筒的最大行程之和，也就是L=L1+L2。，即升降行程L。滿足掛臂的垂直行程，并且留有余量。而這個余量可以通過擋板上下位置的改變來調(diào)節(jié)，當(dāng)掛臂未運(yùn)動時，擋板可以限制上螺母的位置，當(dāng)掛臂伸展到最大時，擋板可以限制下螺母的位置，從而控制最大行程。
3.12絲桿的設(shè)計計算
材料許用壓強(qiáng)[p]在范圍（18~25）Mpa中選擇，由于沒有特殊要求，選擇中間值，取21.5Mpa。
（1）中徑系數(shù)在(1.2~2.5)的范圍中選擇，考慮到剛性安全，傳動可靠，選擇參數(shù)適中，取。中徑系數(shù)取得越大，螺紋的中徑就越小，螺母高度也越小，但傳動的精度和可靠性就會下降。
（2）對于梯形螺紋或矩形螺紋，一般取，比較適中。越大，計算中徑的值就越大，考慮到強(qiáng)度要求，這個數(shù)值比較適合。
（3）計算中徑
根據(jù)優(yōu)先數(shù)系，選擇公稱直徑為10mm，螺距p為1.5，大徑D4為10.3mm，外螺紋小徑d3為8.3mm。規(guī)格為M10×1.5。考慮到絲桿的剛度和可靠性，根據(jù)優(yōu)先數(shù)系，牙形角取20°。
（4）計算螺母高度
比原定的螺母高度17mm小，所以原定螺母高度符合強(qiáng)剛度要求。
（5）計算絲桿旋合圈數(shù)
旋合11.1圈基本滿足螺紋旋合穩(wěn)定性和精度要求。
（6）計算螺紋的工作高度
（7）計算工作壓強(qiáng)
滿足要求，工作壓強(qiáng)實(shí)際值很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料允許的壓強(qiáng)值，對絲桿螺母的正常傳動沒有很大的影響。
（8）驗(yàn)算自鎖性
工作面的摩擦系數(shù)根據(jù)絲桿螺母的材料來判斷，絲桿的材料為45號鋼，螺母的材料為青銅，查得絲桿螺母工作面摩擦系數(shù)可以取的范圍在（0.08~0.10）之間，因此，取中間值f=0.09。
（9）計算當(dāng)量摩擦角
其中a為牙型角。
（10）計算導(dǎo)程
由于絲桿螺紋傳動效率要求不高，取線數(shù)為1，因此導(dǎo)程。
（11）計算螺紋升角
，可見，絲桿螺母副傳動滿足自鎖要求。
（12）計算絲桿轉(zhuǎn)矩
本設(shè)計選用一個電機(jī)通過聯(lián)軸器，帶動內(nèi)絲桿轉(zhuǎn)動，所以選擇的螺旋副的運(yùn)動形式是螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動并做直線運(yùn)動。這種運(yùn)動形式有利于傳動的精度以及提高傳動的效率。由于掛臂的升降主要依賴于絲桿螺母副的傳動，因此，計算出的轉(zhuǎn)矩就是掛臂升降的動力，在整個設(shè)計過程中尤為重要。根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計算公式：
其中：T1為螺紋力矩，T2為摩擦力矩。
1）其中F為掛臂的垂直載荷能力，作為掛臂升降的動力，這些負(fù)載直接由絲桿螺母副的傳動來承擔(dān)，所以轉(zhuǎn)矩必須滿足這一條件，要求為25kg,即垂直載荷F=mg=25×9.8=245N。
2）考慮到絲桿螺母的自鎖性，n為絲桿螺旋線數(shù)，現(xiàn)在取1。
3）為工作面間的摩擦系數(shù)，查得。
4)為內(nèi)外絲桿的螺紋升角，已計算得
5) 根據(jù)絲桿的直徑以及對齒輪箱占用空間的考慮，所選用的軸承，對絲桿的支承環(huán)面外徑要求的范圍在，支承環(huán)面外徑要求的范圍在（3.3~5.0）之間，現(xiàn)在考慮到對絲桿支承的可靠性，選擇支承環(huán)面外徑，支承環(huán)面內(nèi)徑。
6）計算公式
將給定數(shù)值帶入公式，得：
轉(zhuǎn)矩計算值為0.227Nm，因此，所需轉(zhuǎn)矩的數(shù)值比較小，估計用小功率電機(jī)即可拖動
3.13絲桿的強(qiáng)度校核
（1）螺桿選用的材料是45號鋼，查得其許用應(yīng)力在的范圍中，由于沒有特殊要求，許用應(yīng)力取范圍的中間值，。
（2）45鋼的材料許用彎曲應(yīng)力在的范圍中，考慮到螺桿彎曲應(yīng)力不大，所以取。
（3）45鋼的許用剪切應(yīng)力在30的范圍中，考慮到材料可靠性，所以取。
（4）計算螺桿當(dāng)量應(yīng)力：
當(dāng)量應(yīng)力滿足許用應(yīng)力要求，絲桿所受的當(dāng)量應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，且數(shù)值不大，對絲桿螺母副的正常傳動造成的影響不大。
（5）計算螺紋牙底寬度
梯形螺紋螺紋牙底寬度。牙底寬度的大小與齒輪的強(qiáng)度有直接的關(guān)系，如果牙底寬度太小，容易造成牙根彎曲疲勞磨損，引起傳動失效。
（6）計算螺紋剪切強(qiáng)度
螺紋剪切應(yīng)力：
因此，滿足剪切強(qiáng)度要求，絲桿所受的螺紋剪切應(yīng)力在許用剪切應(yīng)力范圍之內(nèi)，且數(shù)值很小，對絲桿與軸承的固定，以及正常傳動的精度影響不大。
（7）計算螺桿彎曲強(qiáng)度
螺桿彎曲應(yīng)力：
因此滿足螺桿彎曲強(qiáng)度。絲桿所受的彎曲應(yīng)力在許用彎曲應(yīng)力的范圍之內(nèi)，且其數(shù)值遠(yuǎn)小于選擇的許用彎曲應(yīng)力。所以絲桿所受的彎曲應(yīng)力對絲桿螺母副正常傳動的影響不大。
（8）計算螺母剪切強(qiáng)度
螺母剪切應(yīng)力：
其中d為絲桿公稱直徑。
因此，。滿足螺母剪切強(qiáng)度。螺母所受的螺紋剪切應(yīng)力在許用剪切應(yīng)力范圍之內(nèi)，且數(shù)值很小，對正常傳動的精度影響不大。
（9）計算螺母彎曲強(qiáng)度
螺母彎曲應(yīng)力：
因此。滿足螺母彎曲強(qiáng)度要求。螺母所受的彎曲應(yīng)力在許用剪切應(yīng)力范圍之內(nèi)，且數(shù)值很小，對正常傳動的精度影響不大。
（10）45鋼彈性模量
對于鋼一般取彈性模量。
（11）計算螺桿危險截面的軸慣性矩
考慮到內(nèi)外螺桿的危險截面均是圓形，因此，根據(jù)軸慣性矩公式,螺桿危險截面的軸慣性矩為：
代入螺桿中徑
得：
（12）計算螺桿危險截面的慣性半徑
根據(jù)公式，得絲桿危險截面的慣性半徑為：
。
（13）確定螺桿的長度系數(shù)
長度系數(shù)取決于螺桿端部的結(jié)構(gòu)，考慮到軸承運(yùn)動時的穩(wěn)定性，防止絲桿的軸向，徑向的竄動，對內(nèi)外螺桿的兩端均采用軸承固定，所以內(nèi)外螺桿為兩端固定，鑒于軸取長度系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，兩端固定，取長度系數(shù)。
（14）已知螺桿的最大工作長度為280mm。
（15）計算絲桿柔度
根據(jù)柔度公式，得
由于柔度是一個量綱一的量所以沒有單位。柔度意義是在構(gòu)件軸向受力的情況下，沿垂直軸方向變形的大小，柔度越大，變形也就越大，構(gòu)件的穩(wěn)定性也就越差。目前計算得絲桿的柔度數(shù)值比較小，沿垂直軸方向的變形也就比較小，構(gòu)件的穩(wěn)定性也就比較好。傳動精度也就比較好，功率損失也會減少，柔度的大小與下列因素有關(guān)：構(gòu)件的截面尺寸，截面尺寸大，柔度?。粯?gòu)件的長度，長度越長，柔度越大。
（16）計算零界載荷
在軸向壓力逐漸增大的過程中，壓桿經(jīng)歷了兩種不同性質(zhì)的平衡。當(dāng)軸向壓力較小時，壓桿直線形式的平衡是穩(wěn)定的；當(dāng)軸向壓力較大時，壓桿直線形式的平衡則是不穩(wěn)定的。使壓桿直線形式平衡開始由穩(wěn)定轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的軸向壓力值，稱為壓桿的臨界載荷，就計算得的臨界載荷而言，數(shù)值相當(dāng)大，一般不會達(dá)到，也就是說絲桿在一般情況下都會保持壓桿穩(wěn)定狀態(tài)。
3.2齒輪的設(shè)計
3.21齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計
（1）選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù)
1）由于檢線機(jī)器人掛臂分為二節(jié)升降，分別依靠內(nèi)外絲桿旋合固定在內(nèi)外升降筒的螺母，從而引導(dǎo)內(nèi)外升降筒的伸縮來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在考慮將速度平均分配給內(nèi)外升降筒。因此，該組齒輪嚙合僅作傳動作用，沒有改變速度的要求，為了計算和制造的方便。因此，取傳動比為1：1。即。
2）選用直齒圓柱齒輪傳動。
3）由于速度不高，載荷平穩(wěn)，故選用7級精度。
4）材料選擇，齒輪屬于機(jī)器零件，所以選擇結(jié)構(gòu)鋼，，要求強(qiáng)度較高，所以選擇中碳鋼，考慮到成本和質(zhì)量的問題，所以選擇優(yōu)質(zhì)鋼，最后確定為45號鋼（調(diào)質(zhì)），查得疲勞極限是550Mpa，硬度是240HBS。
5）選用齒輪齒數(shù)Z1=Z2=16。
6）計算齒寬系數(shù)
對于標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪減速器，齒寬系數(shù)在規(guī)定值中取為0.4。
對于圓柱齒輪傳動，齒寬系數(shù)根據(jù)公式
得齒寬系數(shù)
7）查得45鋼材料的彈性影響系數(shù)Z=189.8MPa。
8）由機(jī)械設(shè)計手冊根據(jù)齒輪材料硬度查得，齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限==550Mpa。
9）計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。
現(xiàn)在估計工作壽命L為5年（設(shè)每年工作300天），每天工作時間5小時?？偣矇勖鼮?500個小時。由于，兩個齒輪轉(zhuǎn)速相同，因此應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：
N1=N2=60njL=60×300×1×（5×300×5）=1.35×10
10）根據(jù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)和齒輪材料查得，接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=KHN2=0.95。
11）計算接觸疲勞許用應(yīng)力。
取失效概率為1%，考慮到傳動的可靠性，取安全系數(shù)S=1。
[]1= K=0.95×550Mpa=522.5Mpa
[]2=K=0.95×550Mpa=522.5Mpa
比較兩齒輪接觸疲勞許用應(yīng)力的大小，由于兩個齒輪規(guī)格相同，因此計算接觸疲勞許用應(yīng)力相同。
（2）計算
1）試計算兩齒輪分度圓直徑d，，將[]1的值代入公式。計算分度圓直徑初值：
2) 計算圓周速度v。
V=
3）計算齒寬b。
根據(jù)公式，得齒寬b=mm
4) 計算齒寬與齒高之比
模數(shù)
齒高
齒寬與齒高之比b÷h=3.556
5）計算載荷系數(shù)。
載荷系數(shù)為K=
6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，得
D =dmm
7）計算模數(shù)m
8）按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計公式為
確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值,查得齒輪材料45號鋼的彎曲疲勞極限。根據(jù)彎曲疲勞壽命系數(shù)曲線，已知零件循環(huán)次數(shù)N=1.35×108，查得彎曲疲勞壽命系數(shù)K(FN2)K(FN2)=0.90。計算疲勞許用應(yīng)力。考慮到齒輪傳動的可靠性，取彎曲疲勞強(qiáng)度系數(shù)S=1.3，得
計算載荷系數(shù)K：
已知
載荷系數(shù)=1.2546.查取齒形系數(shù)。
根據(jù)兩個齒輪的齒數(shù)，查得查取應(yīng)力校核系數(shù)。查得Y。
9）設(shè)計計算。
將計算得的數(shù)值代入公式，得由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)為：
對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的的乘機(jī)有關(guān)），可由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)0.54并圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=1mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d=15.51mm。算得齒輪齒數(shù)z1=z2=16。這樣設(shè)計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。
3.22齒輪的參數(shù)計算
計算分度圓直徑d1=d2=mz1=16×1mm=16mm
（1）計算中心距
a=16mm
（2）計算齒輪寬度
齒輪寬度為b=0.4×1.6=6.4mm將結(jié)果圓整得6mm。齒輪的寬度對齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的影響比較大，如果齒輪的寬度很小，齒根處容易產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐漸擴(kuò)大，致使輪齒疲勞折斷。這里計算得的齒輪寬度由于齒輪箱結(jié)構(gòu)緊湊，傳動載荷比較小的原因，數(shù)值相對比較小，但相對的載荷也不大，應(yīng)該可以滿足剛度要求。為了提高輪齒的抗折斷能力，可以采用噴丸，滾壓等工藝措施對齒根表層進(jìn)行強(qiáng)化處理。計算齒高齒高h(yuǎn)。齒輪輪廓尺寸計算根據(jù)已知條件，計算齒頂高，取齒頂高系數(shù)。
計算齒根高h(yuǎn)(f)，取頂隙系數(shù)根據(jù)公式，得齒根高：
計算齒全高根據(jù)公式，得齒全高：
計算齒頂圓直徑，根據(jù)公式得齒輪1齒頂園直徑：
齒輪2齒頂圓直徑：
計算齒根圓直徑根據(jù)公式，得齒輪1齒根圓直徑：
齒輪2齒根圓直徑：
計算基圓直徑根據(jù)公式齒輪1的基圓直徑：
齒輪2的基圓直徑：
計算齒距p根據(jù)公式，得齒距：
計算法向齒距根據(jù)公式，得法向齒距：
計算齒厚s：
。
計算齒槽寬e：
計算頂隙c：
計算標(biāo)準(zhǔn)中心距a：
計算節(jié)圓直徑d’：
d’=d=9.25
計算傳動比i：
3.3 齒輪箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計
本設(shè)計的齒輪箱分為齒輪箱體與齒輪箱蓋兩部分，其中齒輪箱體主要要求滿足絲桿的連接，絲桿端部軸承的放置，以及兩個傳動齒輪的放置，齒輪箱蓋主要要求是電機(jī)的連接孔。齒輪箱中的帶齒輪的聯(lián)軸器與電機(jī)直接相連，所以考慮將齒輪箱的位置安置在外升降筒的尾部。又考慮到掛壁自重小，結(jié)構(gòu)緊湊的要求，將齒輪箱安置于外升降筒內(nèi)，并且外部輪廓與外升降筒內(nèi)壁貼合?？紤]到外升降筒的截面為正六邊形，采用齒輪箱的兩個表面貼合六邊形的兩個相隔面。齒輪箱用來固定的兩個面分別用螺栓與外升降筒連接，考慮到連接的可靠性，兩個面分別用兩個螺栓連接，兩個螺栓在同一水平位置，考慮到連接剛度，螺栓選用公稱直徑，螺紋工作長度為6mm的螺栓，螺栓之間的距離設(shè)置為20mm。由于內(nèi)升降筒的行程限制，齒輪箱的高度不能做得太長，又考慮到內(nèi)部的裝配問題，將齒輪箱的高度設(shè)定為43mm。在齒輪與軸承之間安放擋圈，因此在齒輪箱中要開擋圈槽，考慮到齒輪與軸承之間的擋圈直徑應(yīng)該大于軸承的直徑，但結(jié)構(gòu)的設(shè)計無法將擋圈裝配進(jìn)去，因此，考慮要將齒輪箱體分為兩部分。上部高度剛好到擋圈位置，高度為9.1mm，下部為安置齒輪的位置。先在指定位置為內(nèi)外絲桿開兩個通孔，孔徑應(yīng)該略大于絲桿的外徑，現(xiàn)設(shè)定為11mm。在防止軸承的位置開兩個直徑為15mm，深為5mm的孔。最后鉆擋圈的孔，直徑比軸承孔直徑略大，設(shè)定為15.7mm，深度為1.1mm。齒輪箱的下部高度為25.9mm，開兩個半徑為9mm，深度為24.4的孔，由于齒輪又徑向跳動，將兩個孔之間以孔徑寬度打通，這樣也有利于齒輪箱的散熱。減少功率的損失。齒輪箱蓋要求固定電機(jī)的位置，并通過通孔來安置電機(jī)主動轉(zhuǎn)軸，具體截面尺寸與齒輪箱體相仿，高度設(shè)置為8mm，其中放置聯(lián)軸器所鉆的孔高度為5mm。在齒輪箱蓋的下表面邊緣鉆直徑為3.2mm的螺栓孔，螺栓與齒輪箱體固定，目前設(shè)置為左右各兩個，圓心與邊緣的距離為5mm。這樣設(shè)計的齒輪箱體和齒輪箱蓋，既可以達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊的要求，又可以滿足其中的傳動要求正常進(jìn)行。由于巡線機(jī)器人在高空電纜上工作，而齒輪箱在整個手臂中的所占的重量比例比較大，因此為了盡量減輕電纜的負(fù)載，齒輪箱體和齒輪箱蓋所選擇的材料尤為重要，考慮了材料的成本和材料的密度，最后選擇了鋁合金，牌號為LY12-C的材料，這種材料屬于12號硬鋁合金，這類合金的強(qiáng)度和耐熱性能均好，但耐蝕性不如純鋁和防銹鋁合金。常用包鋁方法提高硬鋁制品在海洋和潮濕大氣中的耐蝕性，它又良好的高溫強(qiáng)度和工藝性能，關(guān)鍵是它的密度很小，只有2.7g/cm3。
3.4內(nèi)升降筒的設(shè)計計算
內(nèi)升降筒的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計如圖所示：由于制造工藝性的方便，其中內(nèi)升降筒截面六邊形分為1和2兩個部分來制造，制造后再進(jìn)行裝配工作。在部件2六角形的中間邊上做成如圖造型，寬度21mm，長度2.7mm，是為了滿足外升降筒的外側(cè)必須安置外絲桿的要求，并且為了減輕機(jī)器人掛臂的重量，將部件2的輪廓設(shè)計成薄壁形狀。壁厚設(shè)定為2.5mm。下面考慮內(nèi)絲桿的安置位置，由于內(nèi)絲桿的基本位置既定，根據(jù)內(nèi)絲桿與外絲桿的相對位置，在距離此邊7.775mm處鉆一個孔，作為內(nèi)絲桿放置的位置，考慮到內(nèi)絲桿的徑向跳動，這個孔的直徑要比內(nèi)絲桿的外徑略大，設(shè)定為11mm，邊緣也做薄壁形狀，為加工工藝性，以及內(nèi)升降筒的剛度考慮，在如圖指定位置做圓角處理，圓角半徑如圖所示。部件1為了考慮到部件2的強(qiáng)度問題，在內(nèi)通孔邊做60°擋板，來支撐孔薄壁并與之固定，這樣既可以有效地加強(qiáng)內(nèi)升降筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的牢固性，又可以加強(qiáng)部件1與部件2連接的穩(wěn)定性。由于對內(nèi)升降筒內(nèi)外表面沒用特定的精度要求以及傳動要求，在內(nèi)絲桿的外表面的粗糙度設(shè)定為3.2，內(nèi)絲桿的內(nèi)表面設(shè)定為6.4。為了考慮到內(nèi)外升降筒的行程，下螺母的位置高度會與內(nèi)升降筒的高度位置重疊，經(jīng)過計算得軸向重疊長度為15mm，因此，在內(nèi)升降筒的下端，部件2的中間面開槽，高度為15mm，寬度為整個部件2的最大寬度。由于內(nèi)升降筒的位置在外升降筒的內(nèi)部，受到的載荷引起的彎曲應(yīng)力并不大，所以這里的計算過程從略。
3.5外升降筒的設(shè)計
3.5.1外升降筒的設(shè)計計算
外升降筒的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計如圖所示：由于為了制造工藝性的方便，其中升降筒的六角形截面分為1和2兩部分制造。制造后再進(jìn)行裝配工作。
為了加強(qiáng)外升降筒的剛度，在升降筒六角形的六個角上以圓弧形加厚，加厚的長度與外升降筒一致。半徑為2.5mm，在六角形的角上恰恰上彎曲應(yīng)力最大的地方，在外升降筒截面的角上加厚可以有效地提高外升降筒的抗彎系數(shù)。減少輪廓彎曲變形的風(fēng)險。將部件1做成以下形狀是為了迎合外絲桿擺放的位置，并且留有間隙，以防絲桿徑向晃動，造成傳動的不穩(wěn)定性，同時，這樣也可以合理地利用空間，達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊的要求。由于電機(jī)的安置位置在外升降筒的尾部，因此齒輪箱的位置在外升降筒的尾部，根據(jù)齒輪箱所設(shè)計的尺寸，在外升降筒的尾部開槽，高度為43mm，長度為29.8mm，根據(jù)絲桿的工作長度L=280mm，擋板的厚度b=8mm，齒輪箱高度h=43mm，再減去絲桿工作長度在齒輪箱內(nèi)的長度L’=3mm。
那么，外升降筒的總長度L考慮到擋板裝配的可靠性，現(xiàn)在在外升降筒的上部留有2mm的余量，所以外升降筒的總長L。
3.5.2外升降筒的強(qiáng)度校核
在巡線機(jī)器人工作時，掛臂承擔(dān)整個巡線機(jī)器人的重量負(fù)載，而且根據(jù)巡線機(jī)器人的動作要求，當(dāng)機(jī)器人需要做升降動作時，總是兩個掛臂其中的一個，承擔(dān)所有的負(fù)載，另一個手臂不動或者空載，也就是在不負(fù)載的情況下，自主升降，這樣更增加了升降手臂的負(fù)載，因此，這只手臂所受的彎矩相對比較大，是外升降筒強(qiáng)度校核的關(guān)鍵。為了保證外升降筒所受的應(yīng)力不大于巡線機(jī)器人要求的許用強(qiáng)度，在信號控制上，必須限制巡線機(jī)器人在平移軌道上運(yùn)動的行程，這樣做雖然對掛壁的橫向行程有損失，但確可以保證外升降筒不會由于超過許用彎矩而影響傳動精度，使巡線機(jī)器人的升降有穩(wěn)定的速度，接下來就是對巡線機(jī)器人在平移軌道上允許的行程進(jìn)行計算。主要技術(shù)指標(biāo)要求掛臂所受彎矩不得大于50Nm。而掛臂主要承受彎矩的就是外升降筒，所以這里只對外升降筒進(jìn)行校核。
測量質(zhì)量，根據(jù)材料性質(zhì)以及所占體積，得單根平移軌道自重M1=4kg，主箱體自重M2約為15kg，單只掛臂自重根據(jù)各個零件的質(zhì)量之和，估計約M3=7kg。測量長度，以下長度均為工作長度，主箱體的工作長度L1約為1m，單根平移軌道長度L2為1.2m，機(jī)器人掛臂運(yùn)行到平移軌道端部時，其中由于平移蝸箱的連接長度以及留下的長度余量，估計水平長度損失為0.2m， 即兩臂水平距離為1m。另外，假設(shè)箱體重心位置到負(fù)載手臂的水平距離為L3。
（1）兩端位置強(qiáng)度校核
先計算負(fù)載掛臂處于平移軌道兩端時，當(dāng)這只掛臂負(fù)載伸縮時，在平衡狀態(tài)下如簡圖所示位置：根據(jù)要求寫力平衡方程：負(fù)載掛臂所承受的總彎矩必須小于等于需用彎矩，即M。
17kg×9.8×1m+4kg×9.8×0.6m-15kg×9.8×0.5m=18.62Nm<=50Nm.
計算得的外升降筒所受的彎矩小于許用彎矩，并且數(shù)值不大，因此，當(dāng)平移軌道移至兩端時符合外升降筒的彎矩要求。
（2）極限位置計算
當(dāng)主箱體中心向另一端方向平移時，外升降筒所承受的彎矩會逐漸增大，到某一位置外升降筒所受的彎矩會達(dá)到最大要求彎矩。現(xiàn)在假定這時主箱體重心距離負(fù)載掛臂s的距離。
根據(jù)彎矩平衡條件：
9.8×7kg×1m+4kg×9.8×0.6-15kg×9.8×s=50
計算得該長度為S=0.2867m,即主箱體達(dá)到外升降筒的最大要求彎矩的位置是主箱體的重心距離負(fù)載掛臂0.2867m,也就是在控制過程中主箱體到負(fù)載掛臂的距離不得大于0.2867m。
（3）外升降筒彎曲強(qiáng)度校核
根據(jù)公式得彎矩作用下的正應(yīng)力：
根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變分析拉應(yīng)力最大的點(diǎn)位于危險截面的上下邊緣，在外升降筒上則為平移導(dǎo)軌上左右側(cè)面的點(diǎn)上受到的拉壓應(yīng)力最大。彎矩M根據(jù)許用彎矩50Nm來計算。截面抗彎系數(shù)W=y應(yīng)該根據(jù)y的最大值，即ymax來計算。根據(jù)外升降筒截面的示意圖，ymax=30.775mm。而經(jīng)過計算得在外升降筒旋轉(zhuǎn)至截面六角形的一邊處于側(cè)面時，截面的級慣性矩最大計算得I=192673mm4。
計算得外升降筒的截面抗彎系數(shù)為：
根據(jù)公式，得危險截面的彎曲應(yīng)力為：
=
該彎曲應(yīng)力的值小于材料的許用應(yīng)力，并且數(shù)值不大，在外升降筒的危險截面不會產(chǎn)生斷裂等情況。由于扭轉(zhuǎn)應(yīng)力對外升降筒的作用不大，所以不對扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行校核。
3.6渦輪蝸桿的設(shè)計
由于機(jī)器人掛壁的旋轉(zhuǎn)不作為本課題的重點(diǎn)研究內(nèi)容，并且考慮到蝸桿傳動功率不大，轉(zhuǎn)動速度沒有要求，所以設(shè)計的部分從簡，僅列出部分設(shè)計過程及主要結(jié)果。
（1）選擇蝸桿傳動類型
根據(jù)GB/T 10085—1988的推薦，采用漸開線蝸桿（ZI）。
（2）選擇材料
現(xiàn)在采用45鋼;因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為45~55HRC。渦輪用A3鋼，金屬模鑄造。渦輪用鑄錫磷青銅，金屬膜鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈使用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵制造。蝸桿受力后如果產(chǎn)生變形，就會造成輪齒上的載荷集中，影響蝸桿與渦輪的正確嚙合，所以蝸桿還需要進(jìn)行剛度交合。校核蝸桿的剛度時，通常時把蝸桿螺旋部分看做以蝸桿齒根圓直徑為直徑的軸段，主要是校核蝸桿的彎曲剛度。
（3）渦輪蝸桿的結(jié)構(gòu)基本參數(shù)
考慮到渦輪固定于機(jī)器人掛壁的外升降筒上，且通過上螺母與帶動整個掛壁旋轉(zhuǎn)，現(xiàn)在采用渦輪的內(nèi)壁緊貼于外升降筒的外壁上，所以渦輪內(nèi)部通孔，采用六角形通孔，由于工藝裝配的可行性，尺寸要略大于外升降筒的外壁尺寸。
而渦輪外壁考慮