隧道清潔車除塵與安全設計說明書

《隧道清潔車除塵與安全設計說明書》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《隧道清潔車除塵與安全設計說明書（32頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 隧道清潔車側面除塵與安全裝置設計 專 業(yè) 學生 班 級 學 號 指導教師 完成日期 23 / 32 隧道清潔車側面除塵與安全裝置設計 摘要：為了實現機器代替人工自行完成隧道側面除塵，本課題設計了用于隧道側面除塵的機械手。根據隧道側面除塵工作的要求，提出了整體的設計方案，把整個除塵機械手分為三大部分：一個是車載裝置，二是機械手本體，三是吸塵裝置。車載裝置完成整個裝置的承載作用，承載著機械手本體部分和垃圾儲存箱；機械手本體實現除塵動作，利用四桿機構完成沿隧道側面軌跡做擺動，用

2、位置傳感器控制搖桿上的伺服電機，電機驅動齒輪齒條裝置達到控制手臂的伸縮，完成更有效的除塵效果；吸塵裝置作為對隧道墻壁的除塵工作。整臺機器結構簡單，操作方便，能可靠平穩(wěn)運行地代替人工達到滿意的除塵效果。 關鍵詞：地鐵隧道，除塵裝置，蝸輪蝸桿升降機，機械手 The design of the manipulator about dusting to the side of tunnel Abstract:In order to achieve the subway completion that a robot can clear both sides of a tunnel’s d

3、ust instead of manual work,this subject has designed the robot . According to the requirements , the overall design was proposed. The whole manipulator can be divided into three parts: vehicle mounted device, robot, vacuum cleaner. The vehicle mounted device plays a role of load carrying capacity in

4、 the whole devise, including robot and garbage storage box. The manipulator can complete the action of clearing dust.The Crank-rocker mechanism swings along the track of the tunnel side , using position sensor to control the servo motor which is on the joystick.The motor driving telescopic rack and

5、pinion device can control the stretch of arm, completing the removal of dust more effectively. Vacuum cleaner can complete the job of cleaning the dust of tunnel wall. The whole machine has simple structure and it is easy to operate. The movement is reliable and steady.It can replace the artificial

6、to reach the satisfied effect of cleaning dust. Key words:Subway tunnel, Dust collecting equipment, Crank-rocker mechanism, Manipulators 目 錄 1 緒論1 1.1 課題的背景與國外現狀1 1.2 國外的研究現狀1 1.2.1 機械除塵技術1 1.2.2 過濾除塵技術2 1.2.3 靜電除塵技術2 1.3 課題研究的目的和意義3 2除塵機械手的設計的總體方案4 2.1隧道清潔車側面除塵與安全裝置設計任務4 2.2 隧道清潔車的設

7、計思路4 2.3地鐵隧道側面除塵機械手的類型6 2.4 蝸輪蝸桿升降機的選取8 2.4.1 為何選取蝸輪蝸桿升降機9 2.4.2 蝸輪蝸桿升降機的選型9 2.5 機械手自由度的校核12 3 除塵機械手的運動與結構設計12 3.1 除塵機械手末端執(zhí)行器運動軌跡的規(guī)劃13 3.2 除塵機械手的組成13 3.3機械手手腕回轉中心的確定14 4 其它部件的設計與選型17 4.1電機的應用選擇17 4.1.1驅動電機的選擇18 4.1.2地鐵隧道除塵機械手的電機選擇18 4.2吸塵頭的設計21 4.3手臂伸縮長度設計22 4.3.1 理想狀況下手臂的伸縮量計算22 5.

8、結論23 參考文獻24 致25 附 錄26 1 緒論 1.1課題的背景與國外現狀 在現代的社會，由于城市化建設的飛速發(fā)展以與城市人口的快速增長，過量的人群活動在擁擠的城市區(qū)域，加上機動車和非機動車的大量購買造成了很大的堵塞和擁擠，使得城市里的交通充滿了前所未有的壓力。這樣，使得人們出行受到干擾，浪費大量寶貴的時間，為了緩解這些問題。城市發(fā)展了軌道交通系統(tǒng)，現如今最先進的行之有效的交通工具便是輕軌和地鐵。 現在世界上大約有一二百個城市擁有地鐵，線路總長已經超過了八千多公里。英國倫敦市的地鐵總長408公里多。東京的地鐵達2000公里，年運輸量超過了100億次。美國就紐約就有

9、27條，長為443公里。巴黎的軌道交通占有率為70%。地鐵有15條線路，199公里。俄羅斯莫斯科有一個覆蓋全市區(qū)的立體交叉地鐵網，長度有三百千米，擁有一百四十多個車站。每天運輸量高達800多萬次，位居世界之最。 我國隨著經濟的發(fā)展，城市化和工業(yè)化的進程正飛速不停地前進，市區(qū)的交通狀況開始嚴重地制約我國城市高速發(fā)展的節(jié)奏。據統(tǒng)計，我國擁有100萬人口的城市有34個，擁有50到100萬的人口的城市也達到了43個。目前形式下，過量的城市人群擁擠在城市狹小的圍，加上機動車和非機動車大量的購買，交通是一大問題。為了緩解目前這種交通狀況。我國建設了很多地鐵，地鐵的建設提高了交通的運行效率。吸引了人們的實

10、用，促進城市發(fā)展，改善了公共交通環(huán)境。 然而，地鐵的快速發(fā)展也帶來了另一個問題：那就是與地鐵相對應的配套設備設計和制造問題。我國的地鐵研制工作還屬于發(fā)展和普與的階段，很多配套的設施還沒形成標準化的設計和生產。所以地鐵隧道的除塵工作便成為一個很重要的問題。隧道在列車長時間運行之后存在了大量灰塵，所以便要研究除塵設備。 1.2 國外的研究現狀 1.2.1 機械除塵技術 利用重力、離心力、慣性力等質量力來使含有灰塵的氣流中的塵粒從氣流中分離出來，進行收集塵粒。 （1）重力除塵技術 重力除塵的原理是利用塵粒與氣體有不一樣的比重，因為灰塵受重力的影響會自動從氣體中掉落分離出來。并在管道里增加

11、擴大部分擋板來避免氣流旋窩帶起已經沉降的塵粒[1]。 （2）離心力除塵技術 離心力除塵技術是利用漩渦運動使里面的氣流產生的離心力來清除氣里的粉塵。含有灰塵的氣體進入除塵設備的外殼和排氣管之后，形成的外旋流會使粉塵在離心力的作用下移向設備的壁，并在外旋流的帶動下轉到除塵器下部，由排塵孔釋放出去，凈化后的氣體形成上升的流，并經過排氣管排放出去[2]。 （3）慣性除塵技術 慣性除塵技術是利用塵埃和氣體在運動中產生的不一樣的慣性力，使粉從氣體 中分離。一般是在含有氣流的前方設置障礙，使得氣流迅速改變方向，但此時粉塵慣性力比氣體的大的多，粉塵就會離開氣流，得到干凈的氣體[2]。 1.2.2

12、過濾除塵技術 過濾除塵技術就是利用過濾器把含塵的氣體通過過濾材料，使得粉塵 分離出來。過濾除塵技術有兩種方式——部過濾和表面過濾。部過濾是把松散孔多的材料（如金屬絨、玻璃纖維、硅砂、煤粒等）用一定的體積填充在容器或者結構架里作為過濾層，凈化含塵氣體，塵粒被過濾材料收集起來。 粉塵經濾料過濾后受到的力在不同的除塵技術中最復雜，即使有很多種過濾分離表達的方程式，但還是不足以定量表達實際情況的除塵效率。所以才說，除塵技術是科學和實踐相結合的完美的產物。 1.2.3 靜電除塵技術 靜電除塵技術是利用強電場使含塵氣體發(fā)生電離，利用氣體中粉塵帶電荷的原理，通過設置設備中的正負極電板來吸附灰塵，達

13、到凈化空氣的目的。靜電除塵技術分為平板式和管式。按靜電除塵的作用機理，可分為電暈放電、粒子荷電、塵粒收集和清灰這四個環(huán)節(jié)。 （1）電暈放電 把非常高的直流電壓加到一對電極上，其中一個點極是細導線，另一電極是管狀的或者板狀的，電場強度在導線表面附近很強，并隨遠離導線的距離增大而大幅減弱。在含有強電場的導線表面空間，使得原有微量自由電子迅速增加到很高的速度，通過碰撞中性氣體分子，釋放外層電子形成新的自由電子和正離子。這些電子接著又被加速到一定速度，再次引起氣體分子碰撞電離。這個過程在短暫的時間里無限重復，便產生大量自由電子和正離子，這便是電離過程。由于氣體電離，在放電極周圍就會產生明亮的光暈，

14、并發(fā)出絲絲的氣體爆裂聲，這便稱為電暈放電。 （2）粒子荷電 依據電荷具有異性相吸、同性排斥的原理，在氣體電離之后形成的大量自由電子和正負粒子會向著異性電極運動，這運動便會使含塵氣體中的塵粒吸附在上面，形成塵粒荷電。 （3）塵粒收集 塵粒搜集的過程就是讓帶點粒子在電場中獲得加速的過程，使得負電荷的粒子會向著陽極電板運動，帶有正電荷的粒子向著陰極移動。 （4）清灰 在電場的作用下倆極都會有很多灰塵沉積下來，所以要與時清理，防止影響電暈放電，一般是采取重錘撞擊或者電磁裝置抖動使得極板上的灰塵掉落在灰斗。 1.3 課題研究的目的和意義 地鐵已經是一個人口聚集的公共場所，大城市里人們

15、每天都乘坐著地鐵，沒有一個好的環(huán)境怎么能帶給市民一個舒適的心情呢？日復一日，年復一年。因為地鐵長時間運轉，會帶來很多灰塵影響到地鐵環(huán)境，如果不與時清理，很有可能影響到地鐵良好的運轉，還會影響到乘客們所在候車廳的環(huán)境。因此，地鐵隧道的清理工作已經是一個非常重要，必須要做的工作，地鐵如圖1-1所示。 圖1-1 地鐵 過去地鐵大多采用人工吹掃作業(yè)的手段來進行操作，但是長時間之后發(fā)現，這樣的方式工作環(huán)境太惡劣，工作效率也比較低、污染比較大大，所以對現在使用的吹掃工作方式要進行大大改進，本課題就是要研究一臺工業(yè)機器人——除塵機械手，代替人工去實現地鐵隧道側面灰塵的自動清理。 2除塵機械手的

16、設計的總體方案 2.1隧道清潔車側面除塵與安全裝置設計任務 利用本次設計，讓我去了解開發(fā)設計機械產品需要哪些過程，加強我系統(tǒng)的運用所學的基礎理論能力、鞏固自身專業(yè)知識和各項技能素養(yǎng)，進一步的培養(yǎng)大學生設計、計算、分析和解決問題的能力，并會懂得如何總結、歸納，得到合理的結論，進行比較系統(tǒng)的機械工程訓練，初步鍛煉從事科學研究的工作能力，增強論文撰寫和技術表述的基本能力。奠定了基礎的實際工作，來達到人培養(yǎng)人才的目的和要求。 課題任務是設計一臺除塵機械手，代替人工做地鐵隧道側面灰塵的自動除塵工作。其參照的原始數據和設計要求為： （1）地鐵隧道截面為圓形，其半徑為4米，最高點為6.5米。 （2

17、）手臂末段安裝吸塵頭，可以將機械手安裝在專用的（或者改裝的）車輛上,允許每單程清理半面隧道。 （3）車輛行駛的速度要求最低為15km/h。 （4）除塵機械手應能滿足實際工作規(guī)要求，保證作業(yè)精度。 （5）除塵機械手應運轉平穩(wěn)，工作可靠，結構簡單，裝卸方便，便于維修、調整。 （6）除塵機械手盡量采用通用件來降低制造成本。 （7）吸塵頭與隧道壁壁面的距離控制在四十厘米左右。 （8）選擇適當的吸塵頭,使得吸口能夠照顧到應該清掃的面，且漏掃部分不能高于10%. 2.2隧道清潔車的設計思路 本課題要求設計一臺結構簡單，裝卸方便，性能比較可靠，運轉平穩(wěn)的除塵機械手,代替人工執(zhí)行地鐵隧道側面的

18、除塵工作。根據現場條件和作業(yè)要求,設計總體方案和除塵方式，確定對應的坐標點和自由度的數目，并選取適合的驅動力。滿足合理的方案，緊湊的結構，符合生產的要求，并且對配套設備（吸塵器和小車等）做出相應的修改要求。 通過實際調查研究研發(fā)現要利用吸塵的方式來完成除塵工作，所以考慮在機械手末端采用吸塵頭作為執(zhí)行器，它的運動軌跡應基本符合隧道側面的形狀，為一圓弧。手臂可以根據隧道側面結構進行自動調整之間的距離大小，與壁面垂直距離保持40毫米和60毫米之間；為了保證除塵的效果，吸塵器和垃圾儲存箱用管道連通，把吸進的灰塵放置在垃圾存儲箱里；吸塵頭的運動軌跡總體上看為一螺旋線；機械手存在三個自由度：一個轉動自由

19、度，兩個移動自由度。其中一個移動自由度，可以用小車來做沿隧道長度方向的移動來代替機械手本體的移動，所以機械手本身就只需要完成兩個自由度。 機械手本身需要的兩個自由度分別是一個手臂做來回擺動的自由度和一個是用于調節(jié)執(zhí)行器與隧道壁的垂直距離的移動自由度，如圖2-1所示；吸塵器裝置用于完成清理灰塵的工作，末端執(zhí)行器裝置了吸塵器的吸口部分；手臂上裝一個障礙物感應器來調節(jié)伺服電機控制末端執(zhí)行器躲過壁的障礙物，機械手機架、垃圾儲存箱和吸塵器等部件都安裝在承載車上。 圖2-1 機械手自由度示意圖 機械手本體的兩個自由度有倆個控制方案，方案一：利用氣壓液壓控制機械手臂的伸縮、擺動。方案二：利用一個

20、電動機提供動力源驅動手臂伸縮，再用一個電機控制轉動部分。但考慮到氣壓液壓維修起來不如電動機方便，便選擇了電機作為動力源作為驅動力。 2.3地鐵隧道側面除塵機械手的類型 機械手的基本功能是什么？就是希望它可以按照人們的思維做出相應的工作，人們設定好位置和設計好驅動手部，它便可以通過環(huán)境自動改變動作來完成各種作業(yè)。在空間，一個物體在任意方向的移動都可以分解成空間三維坐標軸的三個方向的移動；當做出任意方向的轉動時，都可以把它分解成空間三維坐標的三個方面的轉動。因此，在空間坐標，任何一個物體都存在六個自由度。沿空間三維坐標軸移動分量的總矢量便決定了空間物體位置的變化

21、；沿空間三維坐標軸轉動分量的矢量和決定著空間物體姿勢的變化。 除塵機械手就相當于一個空間機構。運動副一般是只有轉動副和移動副兩類。通常來講，一個運動鏈的自由度和手部運動的自由度在數量上是相等的，如圖2-1，所示的RRP操作機，它的底座存在一個轉動自由度，腰部存在一個移動的自由度，腕部存在一個轉動的自由度，這些自由度目的是確定手部在空間的位置。因此，由這幾個部分所構成的機構，我們稱之為操作機的位置機構[3]。 圖2-2 RRP坐標式機器人 地鐵隧道側面除塵機械手要實現自動的除塵工作就要有兩個轉動和一個移動這三個自由度，沿隧道長度方向的移動可由承載車來實現，所以機械手本身的兩個自由度就

22、需要去設計了，要從自身的結構得到[2]。 實現手臂在空間做特定的運動，我們有不同的運動類型，總體上分為下面的幾種：（1）三個運動互相垂直的直線運動的組合（PPP）；（2）兩個運動為直線和一個運動形式是轉動（RPP）；（3）三個運動形式都是轉動的組合（RRR），分別如下圖所示： 圖2-3 PPP坐標式 圖2-4 RPP坐標式 圖2-5 RRR坐標式 1、小臂 2、大臂 3、立柱 4、基座 地鐵隧道除塵機械手實際上有三個自由度來完成的，兩個移動自由度和一個轉動自由度。所以隧道的除塵機械手的類型可以歸結為兩個直線的運動和一個轉動。因此它的類型屬于RPP型，如圖2-

23、3所示。但是其中一個自由度靠承載小車來完成。所以機械手本體需要兩個自由度：一個擺動（轉動）和一個移動自由度（用來調整吸塵頭與隧道截面垂直距離的大?。3]。 2.4 蝸輪蝸桿升降機的選取 平面連桿機構的主要特點是：低副具有規(guī)矩的幾何形狀，便于加工設計；整個機構要能承受較大的載荷少不了低副的接連作用，比如說轉動、移動、擺動以與一般的平面運動，都會受到較大載荷的沖擊，所以低副是特別重要的。連桿曲線具有不同的形狀，可根據不同的需要來選擇，可長距離的傳動。連桿機構的基本類型有:曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構等。 要設計的機械手本體只需要兩個自由度，包括一個轉動自由度和一個移動自由度。我們可

24、以選擇利用曲柄搖桿機構實現。 所有運動副是轉動副的四桿機構都稱為鉸鏈四桿機構，鉸鏈四桿機構是平面四桿機構的最基本的方式，如果組成轉動副的兩構件可以相對做圓周轉動，便稱其是周轉副，如果不可以做整周轉動的，便稱其是擺轉副 。鉸鏈四桿機構由以下各構件組成： 連架桿：與機架相連的構件； 連桿：與機架沒有相連，并做平面運動的構件； 機架：機構中相對固定的構件； 曲柄：與機架連接且能做整周轉動的構件； 搖桿：與機架相連且能做來回擺動的構件； 鉸鏈四桿機構根據兩連架桿運動狀態(tài)可分為以下三種基本的類型： （1）曲柄搖桿機構 在鉸鏈四桿機構中，若兩個連架桿中一一桿為曲柄，另一桿是只可以做往復的

25、擺動的搖桿，則稱該四桿機構為曲柄搖桿機構[15]，如圖2-5所示。 圖2-6 曲柄搖桿機構 （2）雙曲柄機構 在鉸鏈四桿機構中，若兩個連架桿都是相對機架作整周回轉的曲柄，則為雙曲柄機構[6]，如圖2-6所示。 圖2-7 雙曲柄機構 （3）雙搖桿機構 當鉸鏈四桿機構中的兩連架桿都是搖桿時，稱為雙搖桿機構[15]，如圖2-7所示。 圖2-8 雙搖桿機構 在曲柄搖桿機構中，要使連架桿AB為曲柄，它一定要為四桿中的最短的桿，而且一定要滿足最短桿與最長桿長度之和小于其余兩桿長度之和?？紤]到通常的情形，可得出鉸鏈四桿機構有曲柄的條件： （1）最短桿和最長桿長度之和小于或者

26、等于其他兩桿長度之和[7]； （2）最短桿是連架桿或者機架[6]。 2.4.1 為何選取蝸輪蝸桿升降機 若選用曲柄搖桿機構，則四桿機構是一個費力桿，所以選擇蝸輪蝸桿升降機，他體積小，重量輕，無噪音，可靠性高，壽命強，他能按照一定的程序準確地控制調整提升或者推進的高度，可用電機直接帶動。 2.4.2 蝸輪蝸桿升降機的選型 根據絲杠提升負荷和行程找出所需升降機的型號，再查提升力和提升速度表，校核提升速度滿不滿足要求。如圖2-9所示。 圖2-9 蝸輪蝸桿升降機與其參數 2.4.3 機械手裝置中的四桿機構的參數確定 AB代表曲柄，CD代表搖桿，AD代表機架，兩個極限位

27、置分別是CD、DM。當AB轉過一周時，鉸鏈中心B的軌跡是以A為圓心的圓。從圖中可以看出在B經過B1、B2點時曲柄和連桿形成兩次共線。所以說，要使AB是曲柄，它必須要順利地通過這兩個共線位置, 。因此，我們能夠利用這兩個特殊位置來計算出它們的關系。 根據下面的一系列參數（結合上面的推導）： 擺桿mm 其中CD和DM為兩極限位置。 我們可以得出： 曲柄AB = 1m 機架AD = 1.6m 由于極限角度較大，我們采用相鄰兩桿相等的四桿機構來實現。 設定這些參數，可以形象地表達該曲柄搖桿機構的

28、所有構件。通過電機驅動曲柄AB做回轉運動，這樣就可以帶動手臂CD在設定的兩點之間來回擺動。這樣，電機只要做單方向轉動就行了，這就是選用曲柄搖桿機構的特點[14]。 2.5 機械手自由度的校核 一個構件在沒有任何約束的條件下，相對于固定構件作平面運動時有三個自由度。若組成機構的運動鏈有N個活動構件和一個固定構件，則動所有構件未組成運動副前活動構件相對于固定構件有3N個自由度，假如把這些構件用運動副連接而形成運動鏈之后，因為受運動副約束條件的限制，自由度就會減少。把構件中每個構件相對于機架能獨立運動的數目稱為機構的自由度。設這個運動鏈中共有Pl個低副和PH個高副，他們就會提供個約束，故機構的自

29、由度為： (2-1) 隧道除塵機械手的結構示意圖，如圖2-9所示?；顒訕嫾=4,低副為PL=5，高副為PH=0，由上述公式求出機構自由度為： 除塵機械手機構主動件數目有2個，并且主動件數目等于機構的自由度數目，因此機構有確定的運動。 動力源應該有兩個。一個用來帶動曲柄搖桿機構進行轉動，曲柄的轉動通過連接桿使得手臂可以來回擺動；另一個動力源是控制齒輪齒條的運動，來實現手臂的伸縮運動[8]。 3 除塵機械手的運動與結構設計 3.1 除塵機械手末端執(zhí)行器運動軌跡的規(guī)劃 機械手末端執(zhí)行器裝備一個吸塵

30、頭，吸塵頭的軌跡是跟隧道截面類似的一個圓通過對隧道截面的計算，可以得到吸塵頭大概的運動軌跡，已知隧道的高度、隧道路面的寬度，如圖3-1所示： 已知: m , m , 求： 根據勾股定理： (3-1) 帶入數據得： mm mm 圖3-1 隧道截面示意圖 3.2 除塵機械手的組成 該隧道側面除塵機械手由三部分組成：（1）車載裝置（2）機械手裝置（3）吸塵裝置，如圖3-2所示。 （1）車載裝置：用于裝載機械手裝置和吸塵裝置的車輛設備，并沿著隧道方向移動作為機械手臂一個移動自由度，它也承載所有控制機械手的裝置，此車如

31、同地鐵可以直接架在軌道上沿著地鐵軌道進行移動。 （2）機械手裝置：機械手裝置是隧道側面除塵機械手的核心裝置，由它來完成除塵動作的主要工作。利用電機驅動曲柄搖桿機構中的曲柄轉動帶動連桿從而控制搖桿可以來回的擺動。選用由伺服電機控制齒輪齒條的傳動，去控制手臂伸縮，這樣手臂就可以對隧道側面進行除塵作業(yè)了。手臂可以自行控制與隧道側面之間的距離，達到吸塵器能良好工作的距離。手臂上是裝有位置感應器，來躲避隧道壁面上大的障礙物（如信號燈等）。 圖3-2 除塵裝置示意圖 （3）吸塵裝置：在機械手手臂的末端安裝一個吸塵頭進行完成收集灰塵和其他污垢的工作。吸塵頭裝在機械手手臂末端，由手臂的擺動和來回伸

32、縮控制適合的位置，垃圾儲存箱、吸塵器坐落在承載小車上。 此外，吸塵器與垃圾存放箱通過軟管相連接，這樣吸塵器吸進灰塵后就可以直接裝在灰塵存放箱。裝在手臂上的吸塵頭的運動軌跡為螺旋線，因為隧道壁面的不平整性，怕會有死角處不能被除塵到位， 為了保證清潔的良好效果，我們需要控制好吸塵頭半徑的大小[11]。 3.3機械手手腕回轉中心的確定 位于臂部的最前端就是腕部，臂部承載的動、靜負荷都與它相牽連。很明顯臂部的結構、重量和運轉特性都受到腕部的影響，所以對手腕回轉中心位置的要求很重要，一定要保證使機構緊湊、總重量輕一些等特點。腕部不僅連結除塵機械手的手臂，它還有連結和支承整個機架的作用，除了保證腕

33、部具有足夠的強度、剛度外，還要全面考慮，保證使整個機架有一個合理的布局。由于隧道除塵的工作環(huán)境是非常惡劣的，隧道不僅相當寬而且也很高，因此在設計腕部時必須充分考慮在作業(yè)中可能存在的環(huán)境會對腕部產生不好的影響。 除塵機械手的手腕回轉中心的位置影響著除塵圍的大小，也影響著機械手臂的伸縮量。因為隧道截面的半徑太大，為了確保手臂能夠平穩(wěn)地移動，手臂的伸縮量就要愈小愈好[12]。 圖3-3 機械手工作區(qū)域 根據垂直平分線定理知，連結C點和M點，做線段CM的垂直平分線，設定D點為機械手的手腕回轉中心，如上圖D點所示相距隧道截面圓心O為1米。手臂在距C點和M點兩處的長度一樣并為最長的，在垂直平分

34、線的長度是最短的。這樣，就可以保證手臂保持最小的伸縮量去作業(yè)，達到穩(wěn)定運轉的效果。如圖3-3所示： 通過下列的計算： m m mm 可以得出： mm 即：兩個極限位置分別是CD和DM處，手臂工作區(qū)域為圖3-3的陰影部分。 4 其它部件的設計與選型 按照調研成果和實際情況，利用吸塵方式完成除塵工作，即在該除塵機械手的末端安裝吸塵頭，它的運動軌跡應與隧道側面圓形軌跡大致相符。為保證除塵效果，吸塵器與垃圾存放箱連結在一起，吸塵器吸進的灰塵會儲存在收集箱里。末端執(zhí)行器的運動

35、軌跡正常情況下為一個螺旋軌跡。 機械手本體的兩個自由度可以采用電動機來提供驅動力，一個作為轉動動力，另外一個作為移動動力。 手臂通過位置傳感器來實現自行調節(jié)距離。當手臂末端執(zhí)行器和隧道壁的垂直距離超出一定值或者遇到障礙物后，感應器便發(fā)出一個信號反饋給位置傳感器，位置傳感器控制伺服電機使得手臂自行縮回；手臂與墻面之間的距離小于設定的數值時，手臂便會自動伸長[10]。 4.1電機的應用選擇 （1）電動機應用選擇的原則和方法 選取電動機的基本原則首先考慮電動機的主要啟動速度、承受過載能和調速性能、額定功率、額定轉速和機構模式等方面能不能滿足工作要求；再次是在這個前提下優(yōu)先采用結構簡單、運行

36、可靠、便于維護的電動機。 選擇電動機的方法和主要步驟是： (a)根據電機對工作要求，選擇電動機的種類和轉速； (b)根據供電源的情況，選定電動機的額定電壓； (c)跟據機器作業(yè)時所要求的功率和工作方式，選定電動機的額定功率； (d)根據電機安裝位置要求和工作環(huán)境，選取電機的結構和保護形式。 電動機的額定功率的選擇，要校驗其散熱情況、過載能力和啟動能力。 （2）電動機類型的選擇 根據電機的負載性質，如對恒轉矩和通風機負載特性有要求的應選用機械特性為硬特性較好的電動機更適宜；對于負載比較平穩(wěn)，長期運動，并且啟動、制動無特殊要求的機械，小功率選則使用普通籠型電動機，大功率選則使用同步

37、電動機；對于調速圍很大，并有恒功率負載的機械，選擇機械電氣聯合調速的型式。電動機的使用類型還要結合實際生產機械的工作狀態(tài)選取。 （3）電動機的額定轉速的選擇 電動機額定轉速是依照機械工作的要求而選取的。要在考慮到機械減速機構的傳動比，并滿足互相配合的要求之后，而且對技術、經濟方面進行比較才能確定電動機的額定轉速。一般情況，電動機的轉速都高于500r/min。因為電動機的功率一定時，轉速越低其尺寸越大，價格將越貴，而且效率也會變低，但是選用高速電動機，就會加大機械減速機構的傳動比，導致電機部齒輪傳動變得復雜。 （4）電動機額定功率的確定 確定電動機額定功率的原則是：在電動機能夠滿足負

38、載工作時的要求情況下，應當盡量選用額定功率較小的電動機。 4.1.1驅動電機的選擇 驅動電機在機械手裝置中是機械手的動力來源之一，要全面的思考進行選擇。我考慮選用步進電機作為驅動電機帶動曲柄轉動。 步進電機與普通電機的區(qū)別在于步進電機可以接受脈沖信號進行改變運轉。步進電機依靠環(huán)形分配器的電子開關，利用功率放大器使勵磁繞組依照排列好的順序依次接通直流電。步進電機的轉速會跟著脈沖頻率做出相應的變化，頻率增加轉速也就會增大。相數、分配數、轉子齒數會影響步進電機的轉動。 目前常用的步進電機有：反映式步進電機、單項式步進電機、永磁式步進電機和混合式步進電機等。 步進電機和普通電機的主要區(qū)別是步

39、進電機擁有脈沖驅動的特點，就是因為這點，步進電機能夠和數字控制技術結合起來完成比較智能的任務。但是步進電機也有它的缺點，它沒有傳統(tǒng)閉環(huán)控制的直流伺服電機較高的控制精度、高速運轉的特性和很大的速度圍。經常在精度要求不算太高的場合使用步進電機，因為它有結構簡單，成本相對較低，且較高的可靠性能[4]。 4.1.2地鐵隧道除塵機械手的電機選擇 步進電機是一種用來控制的特種電機，它可以根據步進角做一步一步的旋轉。步進電機的運行需要步進電機驅動器進行驅動，其驅動器會把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉化成步進電機的角位移量。因此說步進電機的轉速與脈沖頻率成正比關系[4]。 考慮到各方面的因素，我確定使用型號為

40、YCJ130的減速電動機作為曲柄的動力源， YCJ130型有116r/min,139r/min和176r/min這三種輸出轉速，我選擇輸出轉速為176r/min、額定轉功率為3Kw的這一型號作為驅動力源；控制齒輪齒條運動的電機為160BC380A型磁阻式步進電機。 圖 4-1 YCJ71--YCJ112型的外形與安裝圖 圖4-2 磁阻式電機的外形與安裝圖 表4-1 減速電動機的外形尺寸數據 型號 外形尺寸 AA AB BB GA HA HC HD LJ AO YCJ71 45 225 192 31 22 - 235

41、 240 70 YCJ80 52 255 218 35 28 - 305 275 75 YCJ100 60 330 255 45 35 - 355 345 100 YCJ112 60 360 265 51.5 40 - 420 355 110 YCJ120 42 192 137 28 20 216 - 217 - YCJ130 50 210 152 33 20 226 - 250 - YCJ140 50 220 164 38 20 250 286 260 - YCJ15

42、0 60 260 194 43 30 262 298 324 - YCJ170 60 290 213 48.5 30 304 350 344 - 表4-2 減速電動機安裝尺寸數據 型號 安裝尺寸 A B C D E F H K S YCJ71 180 150 36.5 28 60 8 71 14 M8 YCJ80 205 170 39.5 32 80 10 80 18 M10 YCJ100 270 205 44.5 42

43、110 12 100 22 M12 YCJ112 300 215 44.5 48 110 14 112 22 M12 YCJ120 160 80 32 25 60 8 120 12 M8 YCJ130 160 90 40 30 80 8 130 13 M8 YCJ140 180 100 45 35 80 10 140 17 M10 YCJ150 200 115 45 40 110 12 150 17 M16 YCJ170 240 135 51 45 110 14 170

44、 18 M16 4.2吸塵頭的設計 吸塵頭是安裝在除塵機械手末端執(zhí)行器安裝上的，其運動軌跡應與隧道部側面墻壁大約一樣。為保證其除塵效果，吸塵頭與垃圾存放箱是通過管道相連接的，吸塵頭吸進的灰塵和污垢儲存在里面，吸塵頭的示意圖，如圖4-3所示： 圖4-3 吸塵器吸口 吸塵頭的運動軌跡為一螺旋線，如圖4-4所示。為使吸塵器在除塵隧道壁面時不留下死角處難以除塵到的地方，我們要控制好吸塵器的吸塵口徑的大小。其計算如下： 圖4-4 機械手末端軌跡 為了保證除塵效率，承載車速度不低于15km/h，假設已知承載車的速度km/h， 求吸塵頭口徑的大小。 之前已經選好的YCJ130型

45、號的減速電動機型號,其輸出轉速r/min。 由公式： （4-1） 得： mm 考慮到承載車的速度可能會大于15km/h，所以最后設計吸塵頭的口徑為150mm。 4.3手臂伸縮長度設計 4.3.1 理想狀況下手臂的伸縮量計算 因為手臂的回轉中心跟隧道的中心不是在一個點上，則手臂擺動的圓弧跟隧道截面的圓弧將不會重合，這就要使手臂可以根據吸塵頭跟墻面的距離做出相應身伸長和縮短，在不考慮墻面有凹凸不平、有障礙物（比如說信號燈，電線繩索之類的障礙物）下，我們在這種理想曲面情況下計算手臂要伸縮的變化量。 根據

46、垂直平分線定理進行計算：連結C點和M點，做線段CM的垂直平分線，設機械手手腕回轉中心定在相距隧道截面圓心O點為1米的D點處。這樣，手臂在C點和M點這兩處的距離相等，并是最大長度，在垂直平分線處吸塵頭離墻壁最近。如圖4-5所示，線段CP是手臂可伸長的最大值。 已知: mm mm 可以得出： mm 4.3.2 考慮隧道側面實際情況下的解決方案 因為在除塵機械手實際工作的時候，會遇到墻面出現凹凸不平的情況，也會遇到墻壁上有信號燈，電線、繩索、絞索等障礙物。那么該怎么避開這些障礙物，使吸塵頭可以順利的去清理接下來的面呢？我考慮到用位置傳感器，把位置傳感器裝置的探測裝置安裝在手臂上。當吸塵

47、過程中遇到障礙物時，位置傳感器產生的脈沖發(fā)送給伺服電機，伺服電機做出相應的改變，來躲避障礙物。這樣手臂就能隨側面墻面不同的情況而改變其長度來除理灰塵和污垢，達到非常好的除塵效果[10]。 5.結論 本篇論文介紹和分析了對地鐵除塵的國外現狀，使我對地鐵除塵技術有了很大認識，接著分析地鐵隧道側面外形和環(huán)境結構，說明了隧道除塵機械手的意義并提出了設計的思路，然后提出合理的方案 ，又做出設定和計算出了一些隧道機械手的參數，如腕關節(jié)中心距離跟隧道中心的距離。然后結合實際工作要求和設計參數擬定了相應的方案，并且把地鐵隧道除塵機械手分成三大部分進行研究：車載裝置、機械手裝置和吸塵裝置。最后，對機械手

48、的其它部件進行了分析設計。 機械手手臂利用裝載車以不小于15千米每小時的速度向前運動，再加上手臂自身的來回擺動，所以手臂除塵隧道機械手的軌跡為以螺旋線。因為手臂的回轉中心與隧道截面的圓心不是在同一個點，要在這種凹凸不平的壁面達到較好的除塵效果，還要能夠躲避墻壁上的障礙物，我通過在手臂上安裝位置傳感器來控制手臂的自動調節(jié)。當安裝在手臂末端的吸塵頭與壁面的垂直距離超出設定的圍或者遇到障礙物時，便發(fā)出脈沖信號，這樣手臂便會自行縮回；當距離小于設定的數值時，手臂可以自行伸長。這樣手臂就能隨壁面不同形狀而改變其長度來除塵隧道壁面，達到良好的除塵效果。 在該機械手末端執(zhí)行器安裝了吸塵頭，使其運動軌跡與

49、隧道截面基本上一致。為了保證除塵效果，吸塵器與垃圾存放箱連結，吸塵器吸進的灰塵儲放至其中。為防止吸塵頭在除塵隧道壁面上遇到死角時可以除塵到位，控制好了吸塵器的口徑大小。 通過以上一系列的分析和計算，做出合理的總體方案，準確的參數，能夠滿足自由度要求保證隧道側面除塵工作。在繪制三維圖過程中，對除塵機械手的有了進一步的更形象化的概念，對里邊的各零件有了具體的認識。在我投入大量精力下，完成了機械手的三維造型圖、二維總裝圖和二維零件圖等。在解決種種困難之后，我保時保量地完成了設計任務書所規(guī)定的各項工作。 參考文獻 [1] 福學. 機器人技術與其應用[M]. :

50、電子工業(yè), 2000. [2] 王守志. 機器人自由度分析[J]. 現代制造工程, 2002(4):9-12. [3] 兵. 物料搬運機械手研制[J]. 機電一體化, 2005(2):43-45. [4] 梁景凱, 蓋玉先. 機電一體化技術與系統(tǒng)[M]. :機械工業(yè), 2006. [5] Mahaalik N P. 機電一體化[M]. :科學, 2008. [6] 朱龍英.機械原理[M].電子科技大學，2009. [7] 吳振彪, 王正家. 工業(yè)機器人[M]. :華中科技大

51、學, 2004. [8] 峰. 現代機械設計方法[J]. 科學信息, 2010(28):16-19. [9] 辛安. 機械制造裝備設計[M]. :機械工業(yè), 2009. [10] 殿印, 學義. 除塵技術手冊[M]. :化學工業(yè), 2002. [11] 金國森. 除塵設備設計[M]. :化學工業(yè), 2004. [12] 葉偉昌.機械工程與自動化簡明設計手冊(上冊)[M].機械工業(yè)，2001. [13] 葉偉昌.機械工程與自動化簡明設計手冊(下冊)[M].機械工業(yè)，2001. [14] 徐錦康.機械設計[M].機械工業(yè)，2001. [15] 宋健. 夾持器的種類與應用[J]. 機

52、械工程學報, 2007(12):23-24. [16]V?ctor Andaluz,Flavio Roberti,Juan Marcos Toibero,Ricardo Carelli.Adaptive unified motion control of mobile manipulators[J]. Control Engineering Practice, 20(2012):1337–1352. 致 畢業(yè)設計就要結束了，我在這三個月里收獲了很多。畢業(yè)設計帶給我的不僅僅是學習上的進步、對專業(yè)知識的鞏固，更重要的是加深了我和老師與同學們的感情，這對于即將踏入社會、參加

53、工作的我來說是無比寶貴的。 在畢業(yè)設計中，首先感老師對我的指導，從做畢業(yè)設計至今，老師幫助我修改方案，整理設計思路，引導我翻閱資料和解決技術問題，耐心的指導我們一步步的完成任務。遇到要解決的問題，老師很細心的幫助我們簡答。老師的督促和指導使我順利完成了畢業(yè)設計，老師教給我的方法使我在以后的學習和工作中受用不盡。在這里我對老師表示深深的感。 其次，感老師。他給了我鼓勵，在很多次沒有信心做下去的時候，他就慢慢的開導我，對我的方案鼓勵和支持，使我從新獲得了信心。還經常幫我在辦公室查閱一些相關的資料。 再次，感我的同學們，他們給了我良好的學習氛圍，借給我工具書，使我省去了很多麻煩……。 最后，

54、感曾經幫助過我的每一個人，在以后的工作和學習中我會更加積極努力，不辜負你們對我的期望。 附 錄 圖名 圖號 圖幅 數 1 隧道清潔車 SDQXC-01 A0 1 2 鉸鏈塊1 SDQXC-02 A3 1 3 鉸鏈塊2 SDQXC-03

55、 A3 1 4 軸 SDQXC-04 A4 1 5 法蘭套 SDQXC-05 A4 1 6 滑塊 SDQXC-06 A4 1 7 電機安裝座 SDQXC-07 A3 1 8滑軌 SDQXC-08 A3 1 9 底板 SDQXC-09 A4 1