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