管道除塵機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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By the design of the robot body and the robot movement in the straight tube case study of thinking, and further verify the feasibility of the design idea. Finally, the research pipeline cleaning robot running the safety of the system performance, given the high-pressure circumstances to ensure that the basic operating system security program, for pipe cleaning robot system of the utility to provide a reliable basis. Key words: pipe robot; security; walk V VI 目錄 摘 要 .III ABSTRACT .IV 緒論 .1 1 概述 .2 1.1 管道清洗機(jī)器人常見問題分析 .2 1.2 除垢機(jī)器人理念 .2 1.3 基本設(shè)計(jì)任務(wù) .3 1.4 畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的 .3 2.1 管道射流清洗機(jī)器人的本體設(shè)計(jì) .4 2.1.1 移動(dòng)方式選擇 .4 2.1.2 傳動(dòng)方案的選擇 .4 2.2 管道清洗機(jī)器人變管徑自適應(yīng)性方案設(shè)計(jì) .6 2.3 動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 .9 2.3.1 管道機(jī)器人行駛 阻力分析 .9 2.3.2 減速器的選擇 .12 2.4 機(jī)器人的速度和驅(qū)動(dòng)能力校核 .13 2.4.1 運(yùn)動(dòng)速度校核 .13 2.4.2 驅(qū)動(dòng)能力校核 .13 3 鏈輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 .14 3.1 鏈輪設(shè)計(jì)的初始條件 .15 3.2 鏈輪計(jì)算結(jié)果 .15 3.3 歷史結(jié)果 .16 4 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 .18 4.1 蝸輪蝸桿基本參數(shù)設(shè)計(jì) .18 4.1.1 普通蝸桿設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù) .18 4.1.2 材料及熱處理 .19 4.1.3 蝸桿蝸輪基本參數(shù) .20 4.1.4 蝸蝸輪精度 .21 4.1.5 強(qiáng)度剛度校核結(jié)果和參數(shù) .22 4.1.6 自然通風(fēng)散熱計(jì)算 .22 4.2 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .23 4.2.1 軸的強(qiáng)度較核計(jì)算 .23 4.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .24 4.2.3 鍵的校核 .25 5 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 .25 VII 6 安全性能 .26 結(jié)論 .27 參考文獻(xiàn) .28 致謝 .30 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 緒論 1.1 本課題研究的內(nèi)容和意義 用于石油、天然氣乃至民用上下水等管道在傳輸液、氣體過程中，因溫度、壓力不 同及介質(zhì)與管道之間的物理化學(xué)作用，常常會(huì)高溫結(jié)焦，生成油垢、水垢，存留沉積物， 腐蝕物等，使有效傳輸管徑減少，效率下降，物耗、能耗增加，工藝流程中斷，設(shè)備失 效，發(fā)生安全事故。盡管通過添加化學(xué)劑，采用合理的工藝參數(shù)，進(jìn)行水質(zhì)處理措施可 以在一定程度上改善這些情況，但要完全避免污垢的產(chǎn)生是不可能的。我國的管道清洗 行業(yè)長期以來 80%采用的是化學(xué)方法以及手工清洗和機(jī)械清洗方法，成本高、效率低、 污染環(huán)境等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)日益增長的要求。探索和開發(fā)高效的清洗方法成為 工業(yè)生產(chǎn)和人民生活的不可或缺的環(huán)節(jié)。 利用行星磨頭清洗是一種新的清洗方法。與化學(xué)清洗及手工、機(jī)械清洗相比，具有 清洗質(zhì)量好、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，可達(dá)到返舊還新的效果。作為 一種清潔、高效、對(duì)環(huán)境無污染的清洗技術(shù)，具有可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 目前在管道清洗過程中，清洗設(shè)備絕大部分是采用無動(dòng)力纜繩拖拉行走方式來進(jìn)行 清洗，無法根據(jù)管道的內(nèi)部情況進(jìn)行清洗參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，管徑的適應(yīng)能力較差。為了 解決這個(gè)問題，著眼于管道行走清洗機(jī)器人的研究開發(fā)，而在國內(nèi)這方面研究尚少。為 了較好地解決管道(束) 的清洗難題，開發(fā)和研制管道清洗機(jī)器人勢在必行。我們設(shè)計(jì)管道 清洗機(jī)器人是把行星磨頭清洗技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合起來，進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)開發(fā)，因此它 的深入研究也將推動(dòng)管道清洗技術(shù)的發(fā)展。 1.3 本課題應(yīng)達(dá)到的要求 作為高壓水和化學(xué)清洗的有效補(bǔ)充手段，行走式管路清洗方法具有一定的獨(dú)特性： 如成本低廉、安全性好、無任何環(huán)境污染、水電消耗非常小。尤其是在化學(xué)清洗和高壓 水清洗方法無法應(yīng)用或成本不允許的情況下,利用除垢機(jī)器人清洗能夠發(fā)揮獨(dú)特的作用,并 取得良好的效果。 我們采用的是壓縮空氣噴洗機(jī)器人。除垢機(jī)器人的首要要解決的問題就是行走問題， 怎樣使機(jī)器人在管道中行走是除垢機(jī)器人能否成功完成的重要環(huán)節(jié)之一。目前管內(nèi)機(jī)器 人的驅(qū)動(dòng)方式有自驅(qū)動(dòng) (自帶動(dòng)力源)、利用流體推力、通過彈性桿外加推力三種方式。 根據(jù)輸灰管道和回水管道內(nèi)的實(shí)際情況，管道除垢機(jī)器人宜采用 自驅(qū)動(dòng)方式。采用雙步 進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過諧波減速器將動(dòng)力傳遞給行走裝置。盡管自驅(qū)動(dòng)管內(nèi)機(jī)器人行走可以 采用的輪式、腳式爬行式、蠕動(dòng)式，履帶式等多種形式，但因管道內(nèi)有灰、灰垢和其他 雜物，環(huán)境惡劣，附著能力差采用履帶式方式比較合適，可以增大行走機(jī)構(gòu)和管道內(nèi)表 面的接觸面積，提高行走時(shí)機(jī)器人的附著能力 。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 1 概述 1.1 管道清洗機(jī)器人常見問題分析 目前，我國燃煤電廠輸灰管道的除垢方法基本上可分為化學(xué)法和物理法。化學(xué)方法 有加酸、爐煙 (C02)、阻垢劑、分散劑；物理方法有人工振擊法、管材法、三相流法、晶 種過濾、電解、電場、磁場、超聲波和高頻電磁場防垢，還有利用空穴效應(yīng)和氣蝕原理 清垢的液氣壓清垢法等。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用，上述方法均存在一定局限性，不能同時(shí)符合環(huán)保 及技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性要求，多數(shù)不被電廠接受。目前常用的是化學(xué)清洗法和人工振擊法。 大多數(shù)的排灰管道都使用化學(xué)清洗，一般每隔 12 年需對(duì)沖灰管道進(jìn)行一次清垢 ，化學(xué)清洗法存在很多弊端。 酸洗除垢法大部分是采用鹽酸或硝酸加入適量的緩蝕劑配制而成的酸洗液。注入(或打 入) 管內(nèi)進(jìn)行除垢。酸洗液的效能是對(duì)水垢有溶解，剝離和疏松的作用，從而達(dá)到除垢的 目的。 酸洗除垢法工藝比較復(fù)雜，需要專業(yè)人員進(jìn)行操作；酸洗液要根據(jù)水垢的性質(zhì)，厚度 進(jìn)行配制，要求較為嚴(yán)格；酸洗法因?yàn)橛兴?，故?duì)管道有一定的腐蝕副作用，因而鍋爐 酸洗次數(shù)不能過多 少數(shù)電廠為了環(huán)保和節(jié)約資金，采用人工振擊法清理。當(dāng)管道內(nèi)的灰垢沉積到一定 程度，嚴(yán)重影響電廠正常生產(chǎn)時(shí)，將灰垢集中處的管道切割，用鐵錘人工振擊管道，使 灰垢和管道剝離 ，然后用吊車將管道吊起將灰垢傾倒出來。這種清理辦法雖然簡單，清 理效果好，但需切割管道 ，容易使管道變形，且費(fèi)工費(fèi)時(shí)，勞動(dòng)強(qiáng)度大。 目前也有研究采用高壓水射流進(jìn)行清洗的清洗機(jī)器人。但是采用高壓水射流一方面 會(huì)產(chǎn)生大量的廢水，很難處理。有不少管道經(jīng)過農(nóng)田，清洗產(chǎn)生的廢水不及時(shí)處理會(huì)對(duì) 農(nóng)田造成很大的污染。另一方面高壓水射流清洗成本較大，每清洗一段管道都要用去幾 噸甚至十幾噸水。 1.2 除垢機(jī)器人理念 作為高壓水和化學(xué)清洗的有效補(bǔ)充手段，行走式管路清洗方法具有一定的獨(dú)特性： 如成本低廉、安全性好、無任何環(huán)境污染、水電消耗非常小。尤其是在化學(xué)清洗和高壓 水清洗方法無法應(yīng)用或成本不允許的情況下,利用除垢機(jī)器人清洗能夠發(fā)揮獨(dú)特的作用,并 取得良好的效果。 我們采用的是壓縮空氣噴洗機(jī)器人。除垢機(jī)器人的首要要解決的問題就是行走問題， 怎樣使機(jī)器人在管道中行走是除垢機(jī)器人能否成功完成的重要環(huán)節(jié)之一。目前管內(nèi)機(jī)器 人的驅(qū)動(dòng)方式有自驅(qū)動(dòng) (自帶動(dòng)力源)、利用流體推力、通過彈性桿外加推力三種方式。 根據(jù)輸灰管道和回水管道內(nèi)的實(shí)際情況，管道除垢機(jī)器人宜采用 自驅(qū)動(dòng)方式。采用雙步 進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過諧波減速器將動(dòng)力傳遞給行走裝置。盡管自驅(qū)動(dòng)管內(nèi)機(jī)器人行走可以 采用的輪式、腳式爬行式、蠕動(dòng)式，履帶式等多種形式，但因管道內(nèi)有灰、灰垢和其他 雜物，環(huán)境惡劣，附著能力差采用履帶式方式比較合適，可以增大行走機(jī)構(gòu)和管道內(nèi)表 面的接觸面積，提高行走時(shí)機(jī)器人的附著能力 。 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 1.3 基本設(shè)計(jì)任務(wù) 1.3.1 設(shè)計(jì)題目：管道清洗機(jī)器人行走部件的設(shè)計(jì) 1.3.2 任務(wù)： 1. 設(shè)計(jì)、計(jì)算渦輪和鏈輪機(jī)構(gòu)； 2. 設(shè)計(jì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)造型； 3. 用計(jì)算機(jī)繪制裝配圖和主要零件圖； 4. 按指定格式和要求撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算說明書 1.4 畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的 畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程師基本訓(xùn)練的重要環(huán)節(jié)，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)能達(dá)到以下目的。 1 鞏固.熟悉并綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)； 2 培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)風(fēng)； 3 熟悉進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的一般步驟和常見問題，掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的一般技巧。 4 學(xué)會(huì)查閱運(yùn)用技術(shù)資料；初步掌握對(duì)專業(yè)范圍內(nèi)的生產(chǎn)技術(shù)問題進(jìn)行研究的能力。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 2 管道射流清洗機(jī)器人 2.1 管道射流清洗機(jī)器人的本體設(shè)計(jì) 管道清洗機(jī)器人應(yīng)用于管道直徑 350 600mm 的管道中工作，作業(yè)環(huán)境要求整個(gè)結(jié) 構(gòu)的尺寸應(yīng)盡可能的小并且具備一定的牽引力，整個(gè)設(shè)計(jì)從選取移動(dòng)方式入手。 2.1.1 移動(dòng)方式選擇 管道清洗機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用中的可靠性及實(shí)用性，必須依據(jù)管道內(nèi)作業(yè)特點(diǎn)來 設(shè)計(jì)出穩(wěn)定運(yùn)行，滿足清洗性能要求的機(jī)器人。在進(jìn)行清洗時(shí)候，要求系統(tǒng)必須保證噴 頭具備一定的對(duì)中性能，能適應(yīng)不同的管徑變化，對(duì)于在行進(jìn)過程中，管內(nèi)可能出現(xiàn)凸 凹不平情況，機(jī)器人還應(yīng)具備一定的越障能力。如果機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或由 于重心偏移而使得機(jī)器人的軸線與管道的中心線產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，載體可能卡在管道內(nèi)而無 法取出，嚴(yán)重時(shí)不得不破壞管道取出機(jī)器人。對(duì)于大口徑的管道機(jī)器人，由于其自重較 大，如果支撐臂不具備自動(dòng)定心性能，必定產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，其結(jié)果使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)阻力增大， 出現(xiàn)“卡持”現(xiàn)象。為了提高作業(yè)的可靠性，設(shè)計(jì)中要求機(jī)器人應(yīng)具有可靠的管道適應(yīng)性和 定心性。 在現(xiàn)有的管道機(jī)器人設(shè)計(jì)中，移動(dòng)型本體結(jié)構(gòu)，主要有履帶式、支腿式、輪式結(jié)構(gòu) 以及蛇行、蠕動(dòng)、變形運(yùn)動(dòng)等幾種形式。如壁面爬行、水下推動(dòng)等機(jī)構(gòu)。蛇行、蠕動(dòng)、 變形運(yùn)動(dòng)多適合于光滑的管壁、地面或水下。履帶式著地面積大，對(duì)不平路面的適應(yīng)性 強(qiáng)，但是是體積大，不易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，而且要保持履帶的張緊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖所示;支腿 式對(duì)粗糙表面性能較好、帶載能力強(qiáng)，但其控制系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)均復(fù)雜、移動(dòng)行走速度 慢;輪式移動(dòng)方式速度快，轉(zhuǎn)彎容易，對(duì)中性好，尤其是徑向輻射輪式結(jié)構(gòu)，能夠保證機(jī) 器人在運(yùn)行過程中，其中心軸線與管道軸線保持一致，缺點(diǎn)是著地面積相對(duì)較小，維持 附著牽引力較困難。 2.1.2 傳動(dòng)方案的選擇 機(jī)器通常是由原電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)和工作機(jī)三部分所組成。 傳動(dòng)系統(tǒng)是將原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和 動(dòng)力進(jìn)行傳遞與分配的作用，可見，傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器 的重要組成部分。傳動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量與成本在整臺(tái)機(jī)器中占有很大比重。因此，在機(jī)器中 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，對(duì)整部機(jī)器的性能、成本以及整體尺寸的影響都是很大的。所以 合理地設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械設(shè)計(jì)工作地一重要組成部分。 合理的傳動(dòng)方案首先應(yīng)滿足工作機(jī)的性能要求，其次是滿足工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、 尺寸緊湊、傳動(dòng)效率高、使用維護(hù)方便、工藝性和經(jīng)濟(jì)性好等要求。很顯然，要同時(shí)滿 足這些要求肯定比較困難的，因此，要通過分析和比較多種傳動(dòng)方案，選擇其中最能滿 足眾多要求的合理傳動(dòng)方案，作為最終確定的傳動(dòng)方案。 機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有:液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)三種基本方式。電動(dòng)驅(qū)動(dòng) 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。液壓與氣動(dòng)方式對(duì)環(huán)境要求較高，實(shí) 現(xiàn)起來較復(fù)雜，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單，較易實(shí)現(xiàn)密封與調(diào)速控制。故在本設(shè)計(jì)中選用步 進(jìn)電機(jī)作為機(jī)器人本體的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力;減速器選用行星齒輪減速器。驅(qū)動(dòng)動(dòng)力從電機(jī)經(jīng)由減 速器減速后，在滿足管徑自適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，如何更好地將動(dòng)力傳遞到主動(dòng)輪上，是選 擇機(jī)器人傳動(dòng)方式過程中重點(diǎn)考慮的問題。結(jié)合徑向輻射管道射流清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)布 局方式的特點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中主要通過一套動(dòng)力變換裝置和同步鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。 1、動(dòng)力變換裝置的設(shè)計(jì) 在如圖所示的徑向輻射輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)預(yù)緊彈簧給于基本的預(yù)緊力后，剛 好使得位于最上側(cè)的輪處于與管壁相接觸的臨界狀態(tài)，也就是說上輪與管壁間的接 觸壓力剛好為零，所以機(jī)器人整體的驅(qū)動(dòng)力絕大部分來自輪 1 和輪 3，而且機(jī)器人本體的 重心位置位于管道的軸線下方 40mm 左右(如圖所示)，增強(qiáng)了機(jī)器人的穩(wěn)定性。下面兩輪 所在支腿中心線與減速器輸出軸線垂直，且兩支腿中心線的夾角為 120，故需要一動(dòng)力 變換裝置來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的分流。 蝸桿傳動(dòng)是空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩軸線交錯(cuò)的夾角可為任意值，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪 齒是逐漸進(jìn)入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時(shí)嚙合的次對(duì)又較多，故沖擊載荷小，傳動(dòng)平 穩(wěn)，噪聲低。在設(shè)計(jì)中蝸桿與兩蝸輪之間的軸線夾角為 90，兩蝸輪軸線之間的夾角為 120。如圖 2-1 所示。 圖 2.1 車輪端面圖 2、同步鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì) 由于設(shè)計(jì)的機(jī)器人具備在一定的管徑變化范圍內(nèi)行走的能力，在管徑發(fā)生變化的 時(shí)候，主動(dòng)輪與管道中心的距離也相應(yīng)發(fā)生改變，在現(xiàn)有的相關(guān)管道機(jī)器人傳動(dòng)方案中， 更多的是采用全齒輪傳動(dòng)方式，即動(dòng)力經(jīng)變換后，通過增加惰輪的方式，將動(dòng)力傳遞到 主動(dòng)輪，雖然該方案的傳動(dòng)效率較高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較差，可適應(yīng) 管徑變化范圍較小，在本設(shè)計(jì)中，動(dòng)力經(jīng)蝸輪蝸桿裝置變換后，通過傳動(dòng)比為 1:1 的齒輪 傳動(dòng)，將動(dòng)力傳遞到各支腿，因?yàn)榭臻g尺寸關(guān)系，在兩者之間增加一惰輪機(jī)構(gòu)，再應(yīng)用 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 同步鏈將動(dòng)力傳送到主動(dòng)輪 1 和輪 3。同步帶輪軸 1 與支腿與安裝底座的連接軸同軸，故 無論管徑如何變化，兩個(gè)同步鏈輪間的軸線距離保持不變，只要支腿的長度足夠長，就 可適應(yīng)足夠大的管徑變化范圍。 2.2 管道清洗機(jī)器人變管徑自適應(yīng)性方案設(shè)計(jì) 管道由于制作誤差、使用過程中局部結(jié)垢、局部壓力過大而產(chǎn)生變形以及內(nèi)表面雜 物的存在，清洗機(jī)器人在碰到變形部位及雜物時(shí)，由于阻力而使支撐臂收縮，同時(shí)在驅(qū) 動(dòng)力的作用下通過變形部位，當(dāng)再次達(dá)到管道正常段時(shí)，支撐臂能夠在彈簧的作用下像 傘一樣張開，使機(jī)器人重新恢復(fù)原來的平穩(wěn)狀態(tài)。這個(gè)過程就是機(jī)器人的自適應(yīng)過程。 有了自適應(yīng)性，機(jī)器人就能穿過一個(gè)個(gè)變形部位，以達(dá)到對(duì)管道進(jìn)行有效清洗的目的， 在本設(shè)計(jì)中，對(duì)于自適應(yīng)性的設(shè)計(jì)主要包括兩方式: 各支腿單獨(dú)調(diào)整和支腿整體調(diào)整。 1、支腿單獨(dú)調(diào)整方式 各支腿的單獨(dú)調(diào)整方式。當(dāng)機(jī)器人在行進(jìn)過程中，其中的一個(gè)或多個(gè)支腿遇到障礙 物(包括突起和凹陷) 時(shí)，利用支腿內(nèi)部的調(diào)整彈簧來改變支腿的長度使得支腿與管壁處于 理想的接觸狀態(tài)，以滿足穩(wěn)定作業(yè)要求。同時(shí)調(diào)整彈簧也能起到一定的緩沖減震作用。 該裝置主要是針對(duì)相同管徑或管徑變化范圍不是很大的情況下，當(dāng)管徑變化范圍較大時(shí)， 則應(yīng)使用支腿的整體調(diào)整方式。 2、支腿整體調(diào)整方式 目前管道機(jī)器人在適應(yīng)不同管徑的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)常用的有:蝸輪蝸桿調(diào)節(jié)方式,升降機(jī)調(diào)節(jié) 方式、滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式和彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式。比較研究了各種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺 點(diǎn)，針對(duì)本課題的工程實(shí)際需要，并根據(jù)前后支腿的特性要求，在前支腿(即從動(dòng)輪支腿) 選用彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式，后支腿(即主動(dòng)輪支腿)選用滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式。這兩種調(diào) 節(jié)機(jī)構(gòu)能保證機(jī)器人具有充裕并且穩(wěn)定的牽引力，并且管徑變化范圍比較大，下面綜合 分析該兩種調(diào)節(jié)方式。 （1）滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式自適應(yīng)方案。其具體設(shè)計(jì)如圖 2-2 所示是滾珠絲杠螺母 副調(diào)節(jié)方式示意圖，其工作原理是:安裝在軸套和絲杠螺母之間的壓力傳感器間接檢測驅(qū) 動(dòng)車輪和管道內(nèi)壁之間的壓力 Fy，并實(shí)時(shí)將壓力值回饋回監(jiān)控裝置，當(dāng)壓力 Fy 的值小于 所允許的最小壓力值 Fy時(shí)，連桿 AB 的一端和車輪軸鉸接在一起，另一端鉸接在固定支 點(diǎn) A，推桿 CD 與連桿 AB 鉸接在 B 點(diǎn)，另一端鉸接在軸套上 C 點(diǎn)，軸套在圓周方向相 對(duì)固定，因此滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)絲杠螺母沿軸線方向在滾珠絲杠上來回滑動(dòng)，從而 帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)連桿 AB 繞支點(diǎn) A 轉(zhuǎn)動(dòng)，使車輪撐開或者緊縮以達(dá)到適應(yīng)不同 的管徑的目的。保證管道機(jī)器人以穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管道內(nèi)壁上，使機(jī)器人具有充足 且穩(wěn)定的牽引力。 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 圖 2.2 滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式 下面分析滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性，如圖所示，以固定支點(diǎn) A 為坐標(biāo)系 的原點(diǎn)，建立如圖所示的坐標(biāo)系 XOY,石為連桿 AB 的長度，幾是推桿 CD 的長度，烏是 支點(diǎn) D 到固定支點(diǎn) A 之間的距離， “是推桿 CD 與水平方向之間的夾角，尹是連桿 AB 與 水平方向之間的夾角，凡為管道內(nèi)壁作用在車輪上的壓力即封閉力，藝 F 是滾珠絲杠螺 母作用在推桿上的軸向推力，T 是作用在滾珠絲桿軸上的有效扭矩。 Tmda 是電機(jī)軸的輸 出扭矩。 在坐標(biāo)系 XOY 中，由幾何關(guān)系可得: L sin =L sin23 y =L sin （2.1）B1 x =L cos +L cosc23 對(duì)上式兩邊分別取微分可得: =L cosyB1 L cos=L cos (2.2)23 =-L sin -L sinxc 化簡上式得: 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 =- （tan +tan ） （2.3）cx13LBy 由虛功原理得: + =0 （2.4）Fcx31iGiNBy 將式代入上式并化簡得: = （2.5）GiiL 311)tan( 所采用的滾珠絲杠螺母副的導(dǎo)程記為 , 為滾珠絲杠和絲杠螺母之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角，則絲P 杠螺母的位移為: S= 。2h 對(duì)上式等號(hào)兩邊分別取微分得: = (2.6)sh 考慮滾珠絲杠螺母副，由虛位移原理可得: (2.7)0TFs 式中， 為滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率。 合并整合上兩式得: T= （2.8）Gii hh NLPP311)tan(2 此式即為滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性。 （2）彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式 如圖所示的是從動(dòng)輪的彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式示意圖，其工作原理與滾珠絲杠螺母副調(diào) 節(jié)方式原理類似，只是在張緊力調(diào)整方面采用被動(dòng)調(diào)整方式。當(dāng)管徑發(fā)生變化時(shí)，作用 在從動(dòng)輪上的壓力變化，使得壓緊彈簧產(chǎn)生伸縮，而帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)連桿 AB 繞 支點(diǎn) A 轉(zhuǎn)動(dòng)，使車輪撐開或者緊縮以達(dá)到適應(yīng)不同的管徑的目的。與滾珠絲杠螺母副調(diào) 節(jié)方式的主要區(qū)別就在于在壓緊力的調(diào)節(jié)方面由調(diào)整電機(jī)的的主動(dòng)調(diào)整變?yōu)閴壕o彈簧的 被動(dòng)調(diào)整。故在彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性如下: 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 圖 2.3 彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式 選取其中的一個(gè)支承臂作為研究對(duì)象，其受力分析如圖所示，由前述滾珠絲杠螺母副 調(diào)節(jié)方式的分析可知，彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式的力學(xué)平衡方程為: (2.9)0fsF 式中，f彈簧的壓緊力，N。 整理得: f= (2.10)Gi 31i1NtanL）（ 彈簧壓緊力可表示為: f=k （2.11）（ 210s-x f 為彈簧的初始長度(mm)，k 為彈簧的彈性系數(shù)（N/mm） 。從上邊的式子可以看出， 彈簧壓緊力 f 只是位移函數(shù)，因此該機(jī)構(gòu)具有負(fù)反饋?zhàn)饔?，在一定的管徑變化范圍?nèi)，封 閉力之和 N 變化不大。由此可見該機(jī)構(gòu)具有常封閉特性，這樣便增加了載體的穩(wěn)定性和 可靠性，同時(shí)由于彈簧壓緊力 f 的回饋?zhàn)饔每墒箼C(jī)構(gòu)具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能。 2.3 動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 2.3.1 管道機(jī)器人行駛阻力分析 在計(jì)算前，我們先設(shè)定我們所設(shè)計(jì)的機(jī)器人的行進(jìn)速度是 1.8m/min。 機(jī)器人在管道內(nèi)進(jìn)行清洗作業(yè)時(shí)，必須克服來自管道內(nèi)表面的滾動(dòng)摩擦阻力 ，fF （2.12）GfNF 式中，f 是滾動(dòng)摩擦因數(shù)，即輪子在一定條件下滾動(dòng)所需要的推力。 為機(jī)器人輪子負(fù)荷之和。也就是：GN 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 G cos（ 0R)606 F =ff G cos（ -60 0 (2.13) 式中 機(jī)器人管內(nèi)作業(yè)姿態(tài)角， 機(jī)器人本體重量，kg。R 當(dāng)姿態(tài)角分別為 60或者-60 時(shí)候，系統(tǒng)的阻力最大。 預(yù)設(shè) 為 0.5，機(jī)器人重量為 10kg，由于輪子手的是彈簧調(diào)節(jié)，則彈簧對(duì)輪子又很大的壓 力，由于我們采用的是型芯磨頭切削，對(duì)車身的穩(wěn)定性要求較其他更為嚴(yán)格，假設(shè)彈簧 對(duì)輪子的壓力是 40 x9.8N, =10 9.8=490N。F 總阻力 = =49 00.5=245N. 根據(jù)實(shí)際情況，我們設(shè)計(jì)主動(dòng)輪半徑 r=50mm，總阻力矩為： =24 50.05=12.25Nm rM 已經(jīng)設(shè)過機(jī)器人行進(jìn)速度為 1.8m/min，則主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速應(yīng)該是: r/min v1.8n5.732r340W 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 1500r/min 系統(tǒng)傳動(dòng)比為 ni26.S 電機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力矩為： Nmq1.50.1i263SM Wnq0.295TP 考慮到機(jī)器人在管道內(nèi)行進(jìn)出現(xiàn)的在和突變情況，取安全系數(shù)為 2，則電機(jī)的功率為 46W,電 機(jī)選用 YS5614 型。如下表。 得：轉(zhuǎn)速為 1500r/min 額定功率為 60W 額定電流為 0.28A 效率為 56% 功率因數(shù)為 0.58 額定轉(zhuǎn)矩為 2.4Nm 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 表 2-4 YS 系列電機(jī)技術(shù)參數(shù) 型號(hào) 額定功率 W額定電流 A額定電壓 V額定頻率 ZH同步轉(zhuǎn)速 -1minr效率 （ %） 功率因數(shù) YS4512 16 0.93 3000 46 0.57 YS4514 10 0.12 1500 28 0.45 YS4522 25 0.12 3000 52 0.60 YS4524 16 0.16 1500 32 0.49 YS5012 40 0.17 3000 55 0.65 YS5014 25 0.17 1500 42 0.53 YS5022 60 0.23 3000 60 0.66 YS5024 40 0.23 1500 50 0.54 YS5612 90 0.32 3000 62 0.68 YS5614 60 0.28 1500 56 0.58 YS5622 120 0.38 3000 67 0.71 YS5624 90 0.39 1500 58 0.61 YS6312 180 0.53 3000 69 0.75 YS6314 120 0.48 1500 60 0.63 YS6322 250 0.67 3000 72 0.78 YS6324 180 0.65 1500 64 0.66 YS7112 370 0.95 3000 73.5 0.80 YS7114 250 0.83 1500 67 0.68 YS7116 180 0.74 3802 或 380 50 1000 59 0.63 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 表 2-5 YS 系列電機(jī)技術(shù)參數(shù) 續(xù) 額定頻率 ZH同步轉(zhuǎn)速 -1minr效率 （% ） 功 率 因 數(shù) 額 定 轉(zhuǎn) 矩堵 轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn) 矩 額 定 電 流堵 轉(zhuǎn) 電 流 額 定 轉(zhuǎn) 矩最 大 轉(zhuǎn) 矩 聲功率極 ）（ AdB 3000 46 0.57 2.3 6.0 2.4 65 1500 28 0.45 2.4 6.0 2.4 60 3000 52 0.60 2.3 6.0 2.4 65 1500 32 0.49 2.4 6.0 2.4 60 3000 55 0.65 2.3 6.0 2.4 65 1500 42 0.53 2.4 6.0 2.4 60 3000 60 0.66 2.3 6.0 2.4 70 1500 50 0.54 2.4 6.0 2.4 60 3000 62 0.68 2.3 6.0 2.4 70 1500 56 0.58 2.4 6.0 2.4 60 3000 67 0.71 2.3 6.0 2.4 70 1500 58 0.61 2.4 6.0 2.4 65 3000 69 0.75 2.3 6.0 2.4 70 1500 60 0.63 2.4 6.0 2.4 65 3000 72 0.78 2.3 6.0 2.4 70 1500 64 0.66 2.4 6.0 2.4 65 3000 73.5 0.80 2.3 6.0 2.4 75 1500 67 0.68 2.4 6.0 2.4 65 50 1000 59 0.63 2.0 5.5 2.0 60 2.3.2 減速器的選擇 在選擇了電機(jī)型號(hào)之后，需要選擇與之相應(yīng)的減速器。在確定了減速器的類型后， 減速器的選擇關(guān)鍵在減速比的選擇。 1、考慮驅(qū)動(dòng)能力時(shí)減速比的計(jì)算 根據(jù)電機(jī)的相關(guān)資料，可知電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為 0.9N m，為滿足機(jī)器人能正常行駛， 則整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)減速增扭后，驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)大于等于機(jī)器人所 受到的總的阻力矩，即應(yīng)保證傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比 應(yīng)滿足：inmin12.5064DM 2.考慮機(jī)器人最高運(yùn)行速度傳動(dòng)比的計(jì)算 根據(jù)電機(jī)相關(guān)資料，可知電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 r/min 則傳動(dòng)系統(tǒng)的最大傳dn150 動(dòng)比 應(yīng)該滿足：maxi dmaxwn150i26.7.3 基于上述傳動(dòng)比，我們可以確定傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比 應(yīng)該滿足：si 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 (2.14)minsaxi 傳動(dòng)比里面蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)比為: =5-80,選用 20w 則減速器的出動(dòng)比 為：ri (2.15)maxinrwddi 我們選用 =12ri 根據(jù)小功率計(jì)算機(jī)書上說明，選用 GBX40 行星減速器。其參數(shù)如截圖所示： 圖 2-6 減速器參數(shù)表 2.4 機(jī)器人的速度和驅(qū)動(dòng)能力校核 確定電機(jī)和減速器后，我們必須進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)能力的校核，以確保 機(jī)器人有足夠驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)，能滿足機(jī)器人的最高行走速度要求。 2.4.1 運(yùn)動(dòng)速度校核 根據(jù)以上所選電機(jī)和減速器的性能指針，可知電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 = 3000r/min，減dn 速器的傳動(dòng)比是 12，以及機(jī)器人所要求的主動(dòng)輪半徑 r= O.O5m，可以計(jì)算出機(jī)器人在 確定電機(jī)和減速器后的最高車速 V: drw2n3.14051.8i2V 雖然 V 大于預(yù)期設(shè)定速度，但是我們可以通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速已使機(jī)器人低于此速度行 駛，而且還有一定得速度儲(chǔ)備，在機(jī)器人需要快速行進(jìn)至工作位置的情況下，盡可能有 較快的速度。 2.4.2 驅(qū)動(dòng)能力校核 根據(jù)電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩為 2.4Nm，傳動(dòng)比 i 為 240，則機(jī)器人總的驅(qū)動(dòng)力矩為： 2.40576WMM 因?yàn)闄C(jī)器人總的驅(qū)動(dòng)力矩大于其所受到的總的阻力矩，所以機(jī)器人能夠有足夠的動(dòng) 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 力起車，并有一定的動(dòng)力儲(chǔ)備。 經(jīng)過上述計(jì)算和校核，所選的施奈德 BSH4552T 伺服電機(jī)和 GBX40 行星齒輪減速器 能夠滿足管道射流清洗機(jī)器人的性能要求，從而可以由其組成機(jī)器人的行駛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 3 鏈輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 鏈輪設(shè)計(jì)的初始條件 鏈輪設(shè)計(jì)的初始條件如圖 3-1 所示 表 3-1 初始條件 名稱 數(shù)值 單位 傳遞功率 0.023 小鏈輪轉(zhuǎn)速 5.73 minr 平均轉(zhuǎn)動(dòng)比 1；可大或小 0.5% 大鏈輪轉(zhuǎn)速 5.73 ir 傳動(dòng)轉(zhuǎn)類 傾斜傳動(dòng) 傳動(dòng)速度 低速轉(zhuǎn)動(dòng)（ ）smv 潤滑條件 由設(shè)計(jì)結(jié)果確定（推薦） 中心距條件 可調(diào) 載荷性質(zhì) 平穩(wěn)載荷 原動(dòng)機(jī)種類 電動(dòng)機(jī)或汽輪機(jī) 彈緊裝置 張緊輪 3.2 鏈輪計(jì)算結(jié)果 經(jīng)過設(shè)計(jì)手冊的計(jì)算，得到的鏈輪計(jì)算結(jié)果如下： 表 3-2 設(shè)計(jì)結(jié)果 名稱 數(shù)值 單位 小鏈輪齒數(shù) 38 大齒輪齒數(shù) 38 張緊輪齒數(shù) 38 平均傳動(dòng)比 1.000 大鏈輪轉(zhuǎn)速 5.730 minr 設(shè)計(jì)功率 0.02 KW 鏈條節(jié)距 12.700 mm 鏈號(hào) 08A 鏈條速度 0.046 s 潤滑方式 油刷或油壺人工定期潤滑 粗定中心距 254.00 mm 鏈長節(jié)數(shù) 78.00 節(jié) 鏈條長度 0.991 m 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 理論中心距 508.00 mm 實(shí)際中心距 506 mm 續(xù)表 3-2 名稱 數(shù)值 單位 有效圓周力 499.04 N 作用于軸上的拉力 586.37 N 滾子外徑（最大值） 7.95 mm 鏈條排距 14.38 mm 內(nèi)鏈板高（最大值） 12.07 mm 許用靜強(qiáng)度安全系數(shù) 4.00 靜強(qiáng)度安全系數(shù) 27.65 鉸鏈比壓 11.27 MPa 由上面我們得到鏈輪的基本尺寸： 排拒 14.38mm 分度圓直徑 89.28mm 齒頂圓直徑 96.5mm 齒根圓直徑 80.84mm 3.3歷史結(jié)果 由手冊計(jì)算我們的歷史結(jié)果如表： 表 3-3 歷史結(jié)果 名稱 符號(hào) 數(shù)值 單位 公式 說明 小鏈齒輪數(shù) z 1 38.0 0 z z ，z =9,z 應(yīng)參照鏈速選 1 min min 1 取 鏈速 0.63 38 8 z 1 15 17 19 21 23 25 連輪齒數(shù)應(yīng)優(yōu)先選取以下數(shù)列： 17,19,21,23,25,38,57,76,95,114 增大 z ，鏈條緊邊 1 的總拉力下降，多 邊形效應(yīng)減小，磨 損小，但尺寸重量 增大當(dāng) z 和 z 為奇 1 2 數(shù)而 L 為偶數(shù)時(shí)， P 將有利于鏈條和鏈 輪齒均勻磨損 z 和 z 的選取應(yīng)考 1 2 慮 大齒輪參數(shù) z 2 38.0 0 z =z i 通常 z 120 z =150 2 1 2 min z 增大時(shí)，節(jié)距 2 （或總長）磨損伸 長率許用值減少， 鏈傳動(dòng)的磨損壽命 降低，且傳動(dòng)尺寸 大 平均傳動(dòng)比 i 1.00 000 ,通常 ，推薦1 2zni7i i=23.5，當(dāng) v1 時(shí)，取 e=0.5d，但不小于（0.250.35）B；對(duì)于調(diào)心軸承， e=0.5B。 （a）向心軸承 （b）向心推力軸承 （c）并列向心軸承 d 滑動(dòng)軸承 圖 4.3 軸的支反力作用點(diǎn) 在做計(jì)算簡圖時(shí)，應(yīng)先求出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應(yīng)把空間力分為圓 周力、軸向力和徑向力，然后把他們?nèi)哭D(zhuǎn)化到軸上） ，并將其分解為水平分力和垂直分 力，如圖 4.4a 所示。然后求出各支承處的水平反力 F 和垂直反力 F （軸向反力可表NHNV 示在適當(dāng)?shù)拿嫔?，圖 4.4c 是表示在垂直面上，圖 4.4c 是表示在垂直面上，故標(biāo)以 F ）,1NV （2） 做出彎矩圖 根據(jù)上述 簡圖，分別按水平面和垂直面計(jì)算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計(jì)算結(jié)果分別 做出水平面上的彎矩 M 圖（圖 4.4b）和垂直面上的彎矩 M 圖（圖 4.4c） ；然后按下式H V 計(jì)算總彎矩并做出 M 圖（圖 4.4d） 。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 圖 4.4 軸的載荷分析圖 （3） 做出扭矩圖 扭矩圖如圖 4.4e 所示 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27 （4）.初步估算軸的直徑 選擇軸編號(hào)無錫太湖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）相關(guān)資料題目： 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)學(xué) 號(hào)： 0923825學(xué)生姓名： 趙金輝 指導(dǎo)教師： 鮑虹蘇 （職稱：高工） （職稱： ）2013年5月25日目 錄一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文資料翻譯及原文三、學(xué)生“畢業(yè)論文（論文）計(jì)劃、進(jìn)度、檢查及落實(shí)表”四、實(shí)習(xí)鑒定表無錫太湖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告題目： 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)學(xué) 號(hào)： 0923835 學(xué)生姓名： 趙金輝 指導(dǎo)教師： 鮑虹蘇 （職稱：高工 ） （職稱： ） 2012年11月14日課題來源某企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際科學(xué)依據(jù)（包括課題的科學(xué)意義；國內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢；應(yīng)用前景等）目前，我國燃煤電廠輸灰管道的除垢方法基本上可分為化學(xué)法和物理法。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用，上述方法均存在一定局限性，不能同時(shí)符合環(huán)保及技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性要求，多數(shù)不被電廠接受。目前常用的是化學(xué)清洗法和人工振擊法。但這兩種方法也各有缺點(diǎn)。本課題就是針對(duì)這一現(xiàn)狀，對(duì)輸灰管道清灰機(jī)器人進(jìn)行初步探討，以期能達(dá)到清潔環(huán)保等功能，完成該課題可對(duì)我們大學(xué)期間所學(xué)知識(shí)進(jìn)行一次全面的專業(yè)訓(xùn)練，可以培養(yǎng)我們掌握如何運(yùn)用過去所學(xué)知識(shí)去解決生產(chǎn)中實(shí)際問題的方法，增強(qiáng)從事本專業(yè)實(shí)際工作所必需的基本能力和開發(fā)研究能力，可以提高我們的專業(yè)素質(zhì)，為今后走上工作崗位打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。研究內(nèi)容除垢機(jī)器人的首先要解決的問題就是行走問題，怎樣使機(jī)器人在管道中行走是除垢機(jī)器人能否成功完成的重要環(huán)節(jié)之一。管道除垢機(jī)器人宜采用自驅(qū)動(dòng)方式。并采用履帶式方式比較合適，可以增大行走機(jī)構(gòu)和管道內(nèi)表面的接觸面積，提高行走時(shí)機(jī)器人的附著能力 。本課題就是針對(duì)這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)。擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)方案及可行性分析在畢業(yè)實(shí)習(xí)調(diào)研以及查閱有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，擬定清洗機(jī)器人行走部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最初方案，通過與指導(dǎo)老師協(xié)商討論方案的可行性，并確定最終設(shè)計(jì)方案，并完成相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算及相應(yīng)的設(shè)計(jì)圖紙。研究計(jì)劃及預(yù)期成果通過現(xiàn)場調(diào)研、模擬、建模、實(shí)驗(yàn)和機(jī)器調(diào)試，根據(jù)最初擬定的清洗機(jī)器人行走部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案，設(shè)計(jì)出具有一定清灰功能的清洗機(jī)器人，合理確定清灰機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式及行走形式，并選用最佳的設(shè)計(jì)方案，達(dá)到清灰功能。特色或創(chuàng)新之處 適用于煤電廠管道清灰的優(yōu)化設(shè)計(jì)，力求在清潔環(huán)保的前提下最大限度的減少企業(yè)成本，并降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。已具備的條件和尚需解決的問題針對(duì)實(shí)際煤電企業(yè)管道清灰存在的問題，綜合所學(xué)的機(jī)械理論設(shè)計(jì)、方法及工藝裝備，探索和開發(fā)高效的清洗方法，將行星磨頭清洗技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合起來，進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)開發(fā)管道清洗機(jī)器人，進(jìn)而提升學(xué)生開發(fā)和創(chuàng)新機(jī)械產(chǎn)品的能力。指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師簽名：年 月 日教研室（學(xué)科組、研究所）意見 教研室主任簽名： 年 月 日系意見 主管領(lǐng)導(dǎo)簽名： 年 月 日Numerical control technology and equipping development trend and countermeasure Numerical control technology is the technology controlled to mechanical movement and working course with digital information, integrated products of electro mechanics that the numerical control equipment is the new technology represented by numerical control technology forms to the manufacture industry of the tradition and infiltration of the new developing manufacturing industry, namely the so-called digitization is equipped, its technological range covers a lot of fields: (1)Mechanical manufacturing technology; (2)Information processing , processing , transmission technology; (3)Automatic control technology; (4)Servo drive technology; (5)Technology of the sensor ; (6)Software engineering ,etc. Development trend of a numerical control technology The application of numerical control technology has not only brought the revolutionary change to manufacturing industry of the tradition, make the manufacturing industry become the industrialized symbol , and with the constant development of numerical control technology and enlargement of the application, the development of some important trades (IT , automobile , light industry , medical treatment ,etc. ) to the national economy and the peoples livelihood of his plays a more and more important role, because the digitization that these trades needed to equip has already been the main trend of modern development. Numerical control technology in the world at present and equipping the development trend to see, there is the following several respect 1- in its main research focus . 1.A high-speed , high finish machining technology and new trend equipped The efficiency , quality are sub-manufacturing technology. High-speed , high finish machining technology can raise the efficiency greatly , improve the quality and grade of the products, shorten production cycle and improve the market competitive power. Japan carries the technological research association first to classify it as one of the 5 great modern manufacturing technologies for this, learn (CIRP ) to confirm it as the centre in the 21st century and study one of the directions in international production engineering. In the field of car industry, produce one second when beat such as production of 300,000 / vehicle per year, and many variety process it is car that equip key problem that must be solved one of; In the fields of aviation and aerospace industry, spare parts of its processing are mostly the thin wall and thin muscle, rigidity is very bad, the material is aluminium or aluminium alloy, only in a situation that cut the speed and cut strength very small high, could process these muscles , walls . Adopt large-scale whole aluminium alloy method that blank pay empty make the wing recently, such large-scale parts as the fuselage ,etc. come to substitute a lot of parts to assemble through numerous rivet , screw and other connection way, make the intensity , rigidity and dependability of the component improved. All these, to processing and equiping the demand which has proposed high-speed , high precise and high flexibility. According to EMO2001 exhibition situation, high-speed machining center is it give speed can reach 80m/min is even high , air transport competent speed can up to 100m/min to be about to enter. A lot of automobile factories in the world at present, including Shanghai General Motors Corporation of our country, have already adopted and substituted and made the lathe up with the production line part that the high-speed machining center makes up . HyperMach lathe of U.S.A. CINCINNATI Company enters to nearly biggest 60m/min of speed, it is 100m/min to be fast, the acceleration reaches 2g, the rotational speed of the main shaft has already reached 60 000r/min. Processing a thin wall of plane parts, spend 30min only, and same part general at a high speed milling machine process and take 3h, the ordinary milling machine is being processed to need 8h; The speed and acceleration of main shaft of dual main shaft lathes of Germany DMG Company are up to 12* separately! 000r/mm and 1g. In machining accuracy, the past 10 years, ordinary progression accuse of machining accuracy of lathe bring 5m up to from 10m already, accurate grades of machining center from 3- 5m, rise to 1- 1.5m, and ultraprecision machining accuracy is it enter nanometer grade to begin already (0.01m). In dependability, MTBF value of the foreign numerical control device has already reached above 6 000h, MTBF value of the servo system reaches above 30000h, demonstrate very high dependability . In order to realize high-speed , high finish machining, if the part of function related to it is electric main shaft , straight line electrical machinery get fast development, the application is expanded further. 1.2 Link and process and compound to process the fast development of the lathe in 5 axes Adopt 5 axles to link the processing of the three-dimensional curved surface part, can cut with the best geometry form of the cutter , not only highly polished, but also efficiency improves by a large margin . It is generally acknowledged , the efficiency of an 5 axle gear beds can equal 2 3 axle gear beds , is it wait for to use the cubic nitrogen boron the milling cutter of ultra hard material is milled and pared at a high speed while quenching the hard steel part, 5 axles link and process 3 constant axles to link and process and give play to higher benefit. Because such reasons as complicated that 5 axles link the numerical control system , host computer structure that but go over, it is several times higher that its price links the numerical control lathe than 3 axles , in addition the technological degree of difficulty of programming is relatively great, have restricted the development of 5 axle gear beds. At present because of electric appearance of main shaft, is it realize 5 axle complex main shaft hair structure processed to link greatly simplify to make, it makes degree of difficulty and reducing by a large margin of the cost, the price disparity of the numerical control system shrinks . So promoted 5 axle gear beds of head 無效 of complex main shaft and compound to process the development of the lathe (process the lathe including 5 ). At EMO2001 exhibition, new Japanese 5 of worker machine process lathe adopt complex main shaft hair, can realize the processing of 4 vertical planes and processing of the wanton angle , make 5 times process and 5 axles are processed and can be realized on the same lathe, can also realize the inclined plane and pour the processing of the hole of awls . Germany DMG Company exhibits the DMUVoution series machining center, but put and insert and put processing and 5 axles 5 times to link and process in once, can be controlled by CNC system or CAD/CAM is controlled directly or indirectly. 1.3 Become the main trend of systematic development of contemporary numerical control intelligently , openly , networkedlily The numerical control equipment in the 21st century will be sure the intelligent system, the intelligent content includes all respects in the numerical control system: It is intelligent in order to pursue the efficiency of processing and process quality, control such as the self-adaptation of the processing course, the craft parameter is produced automatically; Join the convenient one in order to improve the performance of urging and use intelligently, if feedforward control , adaptive operation , electrical machinery of parameter , discern load select models , since exactly makes etc. automatically automatically; The ones that simplified programming , simplified operating aspect are intelligent, for instance intelligent automatic programming , intelligent man-machine interface ,etc.; There are content of intelligence diagnose , intelligent monitoring , diagnosis convenient to be systematic and maintaining ,etc. Produce the existing problem for the industrialization of solving the traditional numerical control system sealing and numerical control application software. A lot of countries carry on research to the open numerical control system at present, such as NGC of U.S.A. (The Next Generation Work-Station/Machine Control), OSACA of European Community (Open System Architecture for Control within Automation Systems), OSEC (Open System Environment for Controller ) of Japan, ONC (Open Numerical Control System ) of China ,etc. The numerical control system melts to become the future way of the numerical control system open. The so-called open numerical control system is the development of the numerical control system can be on unified operation platform, face the lathe producer and end user, through changing, increasing or cutting out the structure target(numerical control function), form the seriation, and can use users specially conveniently and the technical know-how is integrated in the control system, realize the open numerical control system of different variety , different grade fast, form leading brand products with distinct distinction. System structure norm of the open numerical control system at present, communication norm , disposing norm , operation platform , numerical control systematic function storehouse and numerical control systematic function software developing 包含ument ,etc. are the core of present research. The networked numerical control equipment is a new light spot of the fair of the internationally famous lathe in the past two years. Meeting production line , manufacture system , demand for the information integration of manufacturing company networkedly greatly of numerical control equipment, realize new manufacture mode such as quick make , fictitious enterprise , basic Entrance that the whole world make too. Some domestic and international famous numerical control lathes and systematic manufacturing companies of numerical control have all introduced relevant new concepts and proto無效s of a machine in the past two years, if in EMO2001 exhibition, CyberProduction Center that the company exhibits of mountain rugged campstool gram in Japan (Mazak ) (intellectual central production control unit, abbreviated as CPC); The lathe company of Japanese big Wei (Okuma ) exhibits IT plaza (the information technology square , is abbreviated as IT square ); Open Manufacturing Environment that the company exhibits of German Siemens (Siemens ) (open the manufacturing environment, abbreviated as OME),etc., have reflected numerical control machine tooling to the development trend of networked direction. 2 pairs of basic estimations of technology and industry development of numerical control of our country The technology of numerical control of our country started in 1958, the development course in the past 50 years can roughly be divided into 3 stages: The first stage is from 1958 to 1979, namely closed developing stage. In this stages, because technology of foreign countries blockade and basic restriction of terms of our country, the development of numerical control technology is comparatively slow. During Sixth Five-Year Plan Period , the Seventh Five-Year Plan Period of the country in second stage and earlier stage in the Eighth Five-Year Plan Period , namely introduce technology, digest and assimilate, the stage of establishing the system of production domesticization arisesing tentatively. At this stage , because of reform and opening-up and national attention , and study the improvement of the development environment and international environment, research , development and all making considerable progress in production domesticization of the products of the technology of numerical control of our country. The third stage is and during the Ninth Five-Year Plan Period on the later stage in the Eighth Five-Year Plan Period of the country, namely implement the research of industrialization, enter market competition stage. At this stage , made substantive progress in industrialization of the domestic numerical control equipment of our country. In latter stage for the Ninth Five-Year Plan , the domestic occupation rate of market of the domestic numerical control lathe is up to 50%, it is up to 10% too to mix the domestic numerical control system (popular ). Make a general survey of the development course in the past 50 years of technology of numerical control of our country, especially through tackling key problems of 4 Five-Year Plans, all in all has made following achievements. a.Have establish the foundation of the technical development of numerical control, has mastered modern numerical control technology basically. Our country has already, the numerical control host computer , basic technology of special plane and fittings grasped and driven from the numerical control system and servoly basically now, among them most technology have already possessed and commercialized the foundation developed , some technology has already, industrialization commercialized. .Have formed the industrial base of numerical control tentatively. In tackling key problems the foundation that the achievement and some technology commercialize , set up the systematic factories of numerical control with production capacity in batches such as numerical control in Central China , numerical control of the spaceflight etc. Electrical machinery plant of Lanzhou, such factory and the first machine tool plant of Beijing , the first machine tool plant of Jinan ,etc. several numerical control host computer factories of a batch of servo systems and servo electrical machineries as the numerical control in Central China,etc. These factories have formed the numerical control industrial base of our country basically. Have set up a numerical control research, development , managerial talents basic team . Though has made considerable progress in research and development and industrialization of numerical control technology, but we will realize soberly, the research and development of the technology of advanced numerical control of our country, especially there is greater disparity in current situation and current demand of our country of engineering level in industrialization. Though very fast from watching the development of our country vertically, have disparity horizontally more than (compare foreign countries with ) not merely engineering level, there is disparity too in development speed in some aspects, namely the engineering level disparity between some high-grade , precision and advanced numerical control equipment has the tendency to expand . Watch from world , estimate roughly as follows about the engineering level of numerical control of our country and industrialization level. On the engineering level, in probably backward 10- 1 years with the advanced level in foreign countries, it is bigger in high-quality precision and sophisticated technology. On the industrialization level, the occupation rate of market is low, the variety coverage rate is little, have not formed the large-scale production yet; The specialized level of production of function part and ability of forming a complete set are relatively low; Appearance quality is relatively poor; Dependability is not high, the commercialized degree is insufficient; Ones own brand effect that the domestic numerical control system has not been set up yet, users have insufficient confidence. On the ability of sustainable development, research and development of numerical control technology , project ability are relatively weak to the competition; It is not strong that the technological application of numerical control expands dynamics; Research , formulation that relevant standards are normal lag behind. It is analysed that the main reason for having above-mentioned disparity has the following several respect. Realize the respect. Know to industrys process arduousness , complexity and long-term characteristic of domestic numerical control insufficiently; It is difficult to underestimate to add strangling , system ,etc. to the unstandard , foreign blockade of the market; It is not enough to analyse to the technological application level and ability of numerical control of our country. System. Pay close attention to numerical control industrialization many in the issue , consider numerical control industrialization little in the issue synthetically in terms of the systematic one , industry chain in terms of technology; Have not set up related system , perfect training , service network of intact high quality ,etc. and supported the system. Mechanism. It causes the brain drain, restraining technology and technological route from innovating again , products innovation that the bad machine is made, and has restricted the effective implementation of planning , has often planned the ideal , implement the difficulty. Technology. The autonomous innovation in technology of enterprises is indifferent, the project of key technology is indifferent. The standard of the lathe lags behind, the level is relatively low, it is not enough for new standard of the numerical control system to study. 數(shù)控技術(shù)和裝備發(fā)展趨勢及對(duì)策 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：(1)機(jī)械制造技術(shù)；(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù)；(3)自動(dòng)控制技術(shù)；(4)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；(5)傳感器技術(shù)；(6)軟件技術(shù)等。1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，他對(duì)國計(jì)民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面14。11 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢 效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術(shù)研究會(huì)將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)（CIRP）將其確定為21世紀(jì)的中心研究方向之一。 在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點(diǎn)問題之一；在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對(duì)這些筋、壁進(jìn)行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料