鐵罐外壁爬行機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),鐵罐外壁爬行機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),鐵罐,外壁,爬行,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 大 連 大 學(xué) 本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) )開題報(bào)告 論 文 題 目： 鐵罐外壁爬行機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 、班 級(jí)： 機(jī)英 142 班 學(xué) 生 姓 名： 張瑩 指導(dǎo)教師（職稱）： 何榮國(guó) 2018 年 1 月 2 日填 1 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告要求 開題報(bào)告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文 （設(shè)計(jì)）的有效保證。為了使這項(xiàng) 工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。 一、選題依據(jù) 1.論文（設(shè)計(jì)）題目及研究領(lǐng)域； 2.論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值； 3.目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)。 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容 1.重點(diǎn)解決的問題； 2.擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）； 3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果。 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）； 2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃。 四、文獻(xiàn)查閱及文獻(xiàn)綜述 學(xué)生應(yīng)根據(jù)所在學(xué)院及指導(dǎo)教師的要求閱讀一定量的文獻(xiàn)資料，并在此基礎(chǔ)上通 過分析、研 究、綜合，形成文獻(xiàn)綜述。必要時(shí)應(yīng)在調(diào)研、實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)的基礎(chǔ)上遞交相 關(guān)的報(bào)告。綜述或報(bào)告作為開題報(bào)告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。 五、其他要求 1.開題報(bào)告應(yīng)在畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）工作開始后的前四周內(nèi)完成； 2.開題報(bào)告必須經(jīng)學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)審查通過； 3.開題報(bào)告不合格或沒有做開題報(bào)告的學(xué)生，須重做或補(bǔ)做合格后，方能繼續(xù)論 文（設(shè)計(jì)）工作，否則不允許參加答辯； 4.開題報(bào)告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導(dǎo)教師； 5.開題報(bào)告的內(nèi)容，要求打印并裝訂成 冊(cè)（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張 上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?。 2 一、選題依據(jù) 1論文（設(shè)計(jì)）題目 鐵罐外壁爬行機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 研究領(lǐng)域 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 機(jī)械設(shè)計(jì) 3 論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 壁面爬行機(jī)器人作為極限作業(yè)的一種特殊機(jī)器人，越來越受到人們的重視，原因 是使用爬壁機(jī)器人不僅可以代替人進(jìn)行危險(xiǎn)作業(yè)，而且可以把人們從惡劣的工作環(huán)境 中解脫出來。在核工業(yè)、石化行業(yè)以及造船業(yè)等領(lǐng)域的某些特殊作業(yè)環(huán)境中，存在著 一系列操作復(fù)雜、環(huán)境惡劣等嚴(yán)重限制人類作業(yè)的因素，因此，人們也更多地寄 希望 于爬壁機(jī)器人來對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行視覺檢查、測(cè)厚及焊縫探傷、圓柱形大罐或球形罐的內(nèi)外 壁面進(jìn)行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐、噴涂船艦體的內(nèi)、外壁等工作，從而達(dá)到完成 作業(yè)同時(shí)也保護(hù)人類自身安全的雙重目的 。 各石油化工企業(yè)都擁有大量的儲(chǔ)油、儲(chǔ)水罐，大部分直徑都在 20-50 m，甚至達(dá) 100 m 的超大儲(chǔ)罐， 高 10-20 m，為了延長(zhǎng)使用壽命，需要對(duì)這些儲(chǔ)罐進(jìn)行定期除銹 噴涂防腐工作，工作任務(wù)繁重。目前這些工作仍然以傳統(tǒng)的搭設(shè)腳手架作業(yè)方式為主， 但人工噴涂的質(zhì)量不易保證，涂料浪費(fèi)嚴(yán)重，另外儲(chǔ)罐內(nèi)可能殘存有害氣體，影響噴 涂工人的身體健康 。 為保護(hù)工人的身體健康，提高噴涂質(zhì)量，節(jié)約能源，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等，本論文 的研究圍繞在石油、石化的大型儲(chǔ)罐上實(shí)施機(jī)器人作業(yè)這一目標(biāo)，開展壁面爬行機(jī)器 人平臺(tái)的研究，探索更加合適的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和運(yùn)行 效率，以便逐步實(shí)現(xiàn)替代人工作業(yè)的目的。 4目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì) 壁面爬行機(jī)器人（簡(jiǎn)稱爬壁機(jī)器人）是一種能夠在壁面爬行作業(yè)的特殊機(jī)器人， 它集機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、控制和信息技術(shù)等為一體，可以代替人進(jìn)行危險(xiǎn)作業(yè)。近幾 十年來，隨著科技的不斷進(jìn)步爬壁機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了巨 大進(jìn)步，在各個(gè)行業(yè)中 也得到了越來越廣泛的使用 。 2002 年，日本的三菱重工集團(tuán)研發(fā)出一種輪式永磁吸附爬壁作業(yè)機(jī)器人。該機(jī) 器人具有多種用途，可以攜帶噴槍、刷子和攝像頭等完成噴涂、清洗和檢測(cè)工作。噴 涂機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)器人的尾部，由夾持器和噴槍組成，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑就是噴涂軌跡， 爬壁機(jī)器人直線行走形成一字形噴涂軌跡 。 1998 年，哈工大研制成功了一種爬壁噴涂機(jī)器人，采用永磁吸附、履帶驅(qū)動(dòng)方 式，它是專門為石油化工行業(yè)的大型儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的，移動(dòng)速度 2-8 m/min，負(fù)重大 于 30kg， 3 攜帶噴涂工具可完成罐壁噴砂除銹、噴涂 防腐、測(cè)厚等工作 。 2006 年，山東科技大學(xué)機(jī)器人研究中心，針對(duì)大型儲(chǔ)罐的除銹噴涂設(shè)計(jì)出一種新 型油罐噴砂 /噴涂設(shè)備。該設(shè)備安裝有與油罐輪廓線相似的對(duì)稱布置的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上 對(duì)稱布置兩個(gè)機(jī)器人，其機(jī)械手具有俯仰、伸縮和噴槍劃圓功能，作業(yè)時(shí)，導(dǎo)軌帶動(dòng) 兩個(gè)噴涂機(jī)器人沿油罐周向運(yùn)動(dòng)，半圈后，由鋼絲繩牽引軸向上升 150-200mm，再反 向周向噴涂，如此反復(fù)動(dòng)作完成油罐的壁面涂裝作業(yè)，形成螺旋線周向軌跡，涂層質(zhì) 量較好 。 2011 年，山東科技大學(xué)機(jī)器人研究中心針對(duì)船舶造修業(yè)的除銹噴涂作業(yè)研究出另 外一種噴涂機(jī)器人。它有移動(dòng)底座 、水平移動(dòng)導(dǎo)軌、豎直移動(dòng)導(dǎo)軌、柱坐標(biāo)移動(dòng)裝置 及噴槍機(jī)構(gòu)組成，可以實(shí)現(xiàn)船艙內(nèi)各個(gè)平面和曲面的噴涂作業(yè)。移動(dòng)機(jī)器人到達(dá)指定 位置，噴槍一方面繞自身旋轉(zhuǎn)畫圓，另一方面沿水平導(dǎo)軌移動(dòng)，形成螺旋線直線噴槍 軌跡，涂層質(zhì)量較均勻 。 4 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容 1.重點(diǎn)解決的問題 (1)鐵罐外壁爬行機(jī)的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 根據(jù)機(jī)爬行機(jī)的工作需求確定高效的工作方式， 工作原理 并選擇和設(shè)計(jì)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用理論知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)及計(jì)算爬行機(jī)的工作 特性，控制參數(shù)，最終得出設(shè)計(jì)結(jié)果。 (2)分析 鐵 罐外壁爬行機(jī)運(yùn)動(dòng)方式 2. 擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路） (1)查閱資料，了解做研究課題的研究意義、研究概況和發(fā)展趨勢(shì)； (2)利用 現(xiàn)有的研究成果及理論知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新 ， 做出 總體方案設(shè)計(jì)； (3)設(shè)計(jì)計(jì)算 爬行機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式 ，確定各個(gè) 機(jī)械 元件的型號(hào)尺寸； (4)進(jìn)行 爬行機(jī) 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果 通過學(xué)習(xí)及查閱有關(guān)資料掌握 鐵罐外壁爬行機(jī) 的工作原理以及其機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) , 了解現(xiàn)在 鐵罐爬壁機(jī) 的發(fā)展趨勢(shì)、相關(guān)技術(shù)的對(duì)比及市場(chǎng)前景。通過自主設(shè)計(jì)并選擇 最合理的方案設(shè)計(jì)能夠得到以下結(jié)果： (1)鐵罐外壁爬行機(jī) 工作原理及總體方案設(shè)計(jì)； (2)主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（裝配圖、零件圖） (3)設(shè)計(jì)說明書； (4)鐵罐外壁爬行機(jī) 相關(guān)的一篇外文翻譯（ 2000 字以上）。 5 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）； 設(shè)計(jì)參數(shù)：爬壁機(jī)外形尺寸大約為 600mm800mm600mm，自重 1030kg，負(fù) 載重量 1020kg，爬行速度為 80200mm/s，清洗速度為 23m2/min。 技術(shù)路線： a.查閱資料，了解做研究課題的研究意義、研究概況和發(fā)展趨勢(shì)； b.制定出 鐵罐外壁爬行機(jī) 的總體方案設(shè)計(jì)； c.對(duì) 鐵罐外壁爬行機(jī)仿真 方案的具體部分進(jìn)行理論計(jì)算； d.進(jìn)行 鐵罐外壁爬行機(jī) 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ; e.利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)對(duì)方案進(jìn)行校核。 2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃 第一周至第 三 周：審題、查找資料、寫出文獻(xiàn)綜述。 第 四 周：開題報(bào)告。 第 五 周至第 六 周：完成系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。 第 七 周 至第八周 ：完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)草圖，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算。 第 九 周至第十周：對(duì) 鐵罐外壁爬行機(jī) 的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)、完善。 第十一周至第十二周： 完成所有的裝配圖和零件圖。 第十三周：總體完善，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，完善畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書。 第十 四 周：制作 PPT，打印相關(guān)文件 ， 準(zhǔn)備答辯 。 6 四、需要閱讀的參考文獻(xiàn) 1黃金鳳 ,張陽(yáng) ,于江濤 .罐體爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) J.機(jī)械工程與自動(dòng) 化 ,2017(02):168-170. 2周依霖 ,張華 ,葉艷輝 ,王帥 ,范宇 .永磁吸附履帶式爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)向動(dòng)力特性分析 J.機(jī)械設(shè)計(jì) ,2017,34(02):56-61. 3姚秋平 ,柯文德 ,武春英 .永磁式油罐爬壁機(jī)器人研制 J.廣東石油化工學(xué)院學(xué) 報(bào) ,2016,26(06):40-43. 4程楠 . 具 有壁面過渡能力的磁吸附爬壁機(jī)器人系統(tǒng)研究 D.中國(guó)計(jì)量大 學(xué) ,2016. 5張沖沖 ,閆德峰 ,劉超冉 ,劉繁 ,龔亮 .履帶式磁動(dòng)力爬壁機(jī)器人本體設(shè)計(jì) J.機(jī)電 信息 ,2016(09):111-112. 6汪興潮 . 船舶除銹爬壁機(jī)器人技術(shù)研究 D.華南理工大學(xué) ,2016. 7滕迪 . 負(fù)壓爬壁機(jī)器人及其控制技術(shù)研究 D.北京理工大學(xué) ,2016. 8王偉方 ,唐曉強(qiáng) ,邵珠峰 .八索立式儲(chǔ)罐并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化 J.機(jī)械工程 學(xué)報(bào) ,2016,52(09):1-8. 9黃忠 ,劉泉 ,王茂 .新型爬壁機(jī)器 人設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)特性分析 J.煤礦機(jī) 械 ,2015,36(12):20-23. 10閆久江 ,趙西振 ,左干 ,李紅軍 .爬壁機(jī)器人研究現(xiàn)狀與技術(shù)應(yīng)用分析 J.機(jī)械研 究與應(yīng)用 ,2015,28(03):52-54+58. 11孫玲 . 除銹爬壁機(jī)器人壁面行走控制技術(shù)研究 D.大連海事大學(xué) ,2015. 12周新建 ,劉祥勇 .大型油罐爬壁機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制 造 ,2014(09):181-184. 13任健 ,杜堅(jiān) ,張超 ,陳酉江 .一種儲(chǔ)油罐內(nèi)壁清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì) J.信息通 信 ,2014(06):49-50. 14何富君 ,李浩 ,常忠偉 ,張瑞杰 .儲(chǔ)罐爬壁噴涂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 J.機(jī)械設(shè)計(jì)與 制造 ,2014(06):210-212+216. 15何富君 ,李浩 ,張瑞杰 ,張靈聰 .儲(chǔ)罐爬壁機(jī)器人的噴漆機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及 ADAMS 仿真 J.制造業(yè)自動(dòng)化 ,2013,35(21):107-110. 16李浩 . 儲(chǔ)罐爬壁機(jī)器人的噴涂機(jī)構(gòu)研究 D.東北石油大學(xué) ,2013. 17Rodrigo Valrio Espinoza,Andr Schneider de Oliveira,Lcia Valria Ramos de Arruda,Flvio Neves Junior. 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International Journal of Precision Engineering and 7 Manufacturing,2016,17(7). 8 附：文獻(xiàn)綜述或報(bào)告 一、 引言 鐵罐外壁爬行機(jī)有著很大的發(fā)展前景 ,國(guó)內(nèi)外也有不少組織進(jìn)行研究。爬 壁機(jī)器 人作為移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域一個(gè)重要組成部分，由于豎直壁面爬行時(shí)，機(jī)器人受重力作用 需可靠的吸附力保證機(jī)器人的安全吸附，這使得機(jī)器人的壁面運(yùn)動(dòng)能力有所降低，尤 其是機(jī)器人的壁面過渡問題成為爬壁機(jī)器人完成大型豎直壁面檢測(cè)任務(wù) 的一大難 題?，F(xiàn)如今有很多爬壁機(jī)的研究成果：將移動(dòng)機(jī)構(gòu) ( 車輪、履帶、腿等 ) 與將它吸附 在壁面上的吸附機(jī)構(gòu) ( 磁鐵、吸盤等，根據(jù)使用環(huán)境選擇 ) 組合起來實(shí)現(xiàn)的，它將地 面移動(dòng)技術(shù)拓展到垂直空間上，充實(shí)了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。 二、 課題國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 文獻(xiàn) 611做的是船舶除銹爬壁機(jī)器人，除銹爬壁機(jī)器 人集高壓水、真空回收、 氣源、電氣信號(hào)等為一體，通過防護(hù)吊墜保障機(jī)器人爬壁作業(yè)。 機(jī)器人采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，利用間隙式永磁吸附和真空吸附相結(jié)合的方式吸附 于船舶壁面。除誘爬壁機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)包括移動(dòng)裝置、吸附裝置及除鎊作業(yè)機(jī)構(gòu) 裝置，其主體結(jié)構(gòu)框架如圖 1.1 圖 1.1 除繡爬壁機(jī)器人主體框架示意圖 履帶式爬壁機(jī)器人在轉(zhuǎn)向時(shí)由于履帶存在橫向摩擦力導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力矩大，轉(zhuǎn)向困 難，因此分析爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)并計(jì)算機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩至關(guān)重要。爬壁 機(jī)器人轉(zhuǎn)向是通過兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪差速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，爬壁機(jī)器人的轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn) 向速度也 是由兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)速度決定的。 文獻(xiàn) 1516對(duì)儲(chǔ)罐爬壁機(jī)器人提出了基于爬壁機(jī)器人平臺(tái)的 Z 字型噴涂軌跡 的實(shí)現(xiàn)方法，在噴涂機(jī)構(gòu)上采用了可轉(zhuǎn)換方位的噴槍導(dǎo)軌，通過噴槍導(dǎo)軌的方位變換 以及與機(jī)器人速度的配合實(shí)現(xiàn)了相互平行的噴涂軌跡，使涂面重疊區(qū)更加合理，能夠 實(shí)現(xiàn)良好的噴涂效果。以及提出了自上而下的儲(chǔ)罐表面涂裝軌跡規(guī)劃；根據(jù)待施工面 的幾何形狀將其劃分為矩形平面和邊角平面，并進(jìn)行了噴槍軌跡規(guī)劃，進(jìn)一步提高了 機(jī)器人的施工效率。 為了實(shí)現(xiàn)工作軌跡及噴涂工藝要求，噴涂機(jī)器人應(yīng)具有 6 個(gè)自由度，以實(shí)現(xiàn)噴 槍 高度調(diào)節(jié)、噴涂行程轉(zhuǎn)換、噴涂速度調(diào)節(jié)、噴射角度調(diào)節(jié)、噴槍間距調(diào)節(jié)功能。分 別由移動(dòng)座垂直升降機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)、噴槍座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及噴槍 間距調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，另外爬壁機(jī)器人提供連續(xù)直線運(yùn)動(dòng)。爬壁噴涂機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示。 9 圖 1.2 爬壁噴涂機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)圖 文獻(xiàn) 7參考了國(guó)內(nèi)外不同的爬壁機(jī)器人的技術(shù)基礎(chǔ)上，主要對(duì)爬壁機(jī)器人的移 動(dòng)機(jī)構(gòu)，密閉的吸附機(jī)構(gòu)，以及對(duì)不同的葉輪進(jìn)行仿真，來實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人能夠穩(wěn)定的 吸附在壁面上并且可以在其上進(jìn)行移動(dòng)的操作。其中主要包括機(jī)器人的總體機(jī)構(gòu)，運(yùn) 動(dòng)系統(tǒng)，吸附系統(tǒng)， 驅(qū)動(dòng)電路，上位機(jī)軟件等機(jī)器人的部件從上到下依次分別是：高 速無刷電機(jī)，葉輪的支撐機(jī)構(gòu)，葉輪，機(jī)器人的殼體，最下面是有刷電機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪。 機(jī)器人采用的是單吸盤負(fù)壓吸附方式，通過四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)讓機(jī)器人在壁面平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)， 毛刷式的密封機(jī)構(gòu)保證機(jī)器人的氣體不會(huì)泄露，使其吸附可靠。高速無刷電機(jī)在機(jī)器 人的殼體外面，從而可以減少對(duì)電機(jī)的負(fù)載，對(duì)機(jī)器人的傾覆力矩有降低的作用，同 時(shí)可以減少對(duì)吸出的氣體的阻擋，提高機(jī)器人的性能和效率。 文獻(xiàn) 1罐體爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ，所 實(shí)現(xiàn)的功能如下：實(shí)現(xiàn)爬行機(jī) 構(gòu)前后滑塊組件抬腿、落腿；按需 要調(diào)節(jié)爬壁機(jī)器人爬行動(dòng)作速度；電磁鐵協(xié)調(diào) 抬腿、落腿動(dòng)作按周期性工作，為機(jī)身提供吸附力；前行或后退過程能主動(dòng)避障； 打磨電機(jī)按路徑打磨壁銹。 罐體爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)采用施耐德一體化驅(qū)動(dòng)方式，機(jī)器人本體控制部分主要 由臺(tái)直行電機(jī)、一臺(tái)轉(zhuǎn)向電機(jī)、一臺(tái)打磨電機(jī)、遠(yuǎn)程模塊以及吸附電磁鐵組 成。 圖 1.3 爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 10 文獻(xiàn) 13內(nèi)壁清潔機(jī)器人的機(jī)器人單元是基于飛思卡爾 MC9S12XS12 單片機(jī)機(jī) 制的四輪磁力吸附式爬壁機(jī)器人，能夠執(zhí)行前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，并具有對(duì)儲(chǔ)油 罐壁的清潔和監(jiān)測(cè) 的功能；遙控器單元主要功能是控制機(jī)器人單元?jiǎng)幼?，并?duì)視頻采 集器以及清洗機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制；上位機(jī)單元采用 Visul Basic6.0 編寫完成，其主要功 能是接收來自視頻采集器的數(shù)據(jù)并將儲(chǔ)油罐內(nèi)的圖像顯示在電腦屏幕上，而且能計(jì)算 機(jī)器人的位置坐標(biāo)，對(duì)機(jī)器人定位并顯示其行進(jìn)路線，便于快速確定檢測(cè)缺陷的位置 三、 發(fā)展趨勢(shì) 爬壁機(jī)器人由于其作業(yè)環(huán)境的特殊性，己經(jīng)成為機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。而 爬壁機(jī)器人以其綠色環(huán)保、解放人力等優(yōu)點(diǎn)，在船舶壁面除銹、大型儲(chǔ)罐清理等領(lǐng)域 具有重要的應(yīng)用價(jià)值。一般來說，爬壁機(jī)器人工作量很大，自 動(dòng)化改進(jìn)需求迫切，但 在壁面定位、路徑規(guī)劃、自動(dòng)控制等方面的研究還不滿足應(yīng)用要求。除繡爬壁機(jī)器人 工作過程中的變負(fù)載特性，給其運(yùn)動(dòng)控制帶來了困難。 目前爬壁機(jī)器人不同的研究方向主要?dú)w結(jié)于吸附方式與運(yùn)動(dòng)形式上兩點(diǎn)。根據(jù)上 述研究現(xiàn)狀，大多數(shù)研究者是根據(jù)使用用途選用吸附方式，如在玻璃或光滑壁面上工 作時(shí)，主要采用真空吸附或者仿生吸附，在鋼制壁面上主要采用磁力吸附，主要包括 永磁吸附和電磁吸附 ; 而在復(fù)雜壁面上或者是彎曲壁面上大多采用混合吸附方式，目 前爬壁機(jī)器人的吸附方式主要有真空吸附 磁力吸附、仿生吸附、靜電吸附、推力吸 附、機(jī)械吸附。 四、 存在問題 爬壁機(jī)器人經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展，取得了一定的成績(jī)，但是從產(chǎn)業(yè)化或者是從 研究應(yīng)用來講，還有很大的差距，總體來看爬壁機(jī)器人技術(shù)還存在一些難以克服的問 題 : (1) 工業(yè)應(yīng)用與樣機(jī)驗(yàn)證的差距。 (2) 運(yùn)動(dòng)靈活性與吸附穩(wěn)定性之間的矛盾。 (3) 仿生研究與功能性的背道而馳。 11 審 核 意 見 指導(dǎo)教師評(píng)閱意見 （對(duì)選題情況、研究?jī)?nèi)容、工作安排、文獻(xiàn)綜述等方面進(jìn)行評(píng) 閱） 簽字： 年 月 日 教研室主任意見 簽字： 年 月 日 學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)意見 簽字： 年 月 日 公章： 摘 要 爬壁機(jī)器人是一種能夠在垂直壁面上進(jìn)行清洗、除銹、噴漆作業(yè)的移動(dòng)式服務(wù)機(jī)器人。它屬于極限作業(yè)機(jī)器人的一種，使用鐵罐外壁爬行機(jī)進(jìn)行大型工業(yè)儲(chǔ)罐的自動(dòng)噴砂除銹，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是機(jī)器人的移動(dòng)方式、吸附方式。本文研究的目的是設(shè)計(jì)一種面向鐵罐壁面的可靠、高效、省時(shí)、安全的噴砂作業(yè)系統(tǒng)。 這個(gè)設(shè)計(jì)先是講述了國(guó)內(nèi)及國(guó)外爬壁機(jī)器人的研究狀況，表明了本課題研究的目的、意義。然后進(jìn)一步選擇了鐵罐外壁爬行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案選擇。然后進(jìn)行了鐵罐外壁爬行機(jī)的吸附方式的設(shè)計(jì)計(jì)算以及電磁鐵的選擇；爬壁機(jī)爬行機(jī)構(gòu)的卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩選擇以及卷筒設(shè)計(jì)，減速機(jī)構(gòu)采用錐齒輪和蝸輪蝸桿傳動(dòng)組合并對(duì)減速箱進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，噴槍傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。最后闡述了本課題設(shè)計(jì)的結(jié)論，表明了本課題設(shè)計(jì)概念以及其未來的發(fā)展。 關(guān)鍵詞：爬壁機(jī)器人；吸附；移動(dòng)  ABSTRACT Wall climbing robot is a mobile service robot which can clean, remove rust and spray paint on vertical wall.It belongs to a kind of extreme operation robot, which uses wall climbing robot to automatically blast sand to remove rust from large industrial storage tank. The key to its realization is the movement mode, adsorption mode of robot.The purpose of this paper is to design a reliable, efficient, time-saving and safe sand blasting system for the wall of iron tank. Firstly, the research status of wall climbing robot at home and abroad is introduced, and the purpose and significance of this research are expounded.Then the design and calculation of the adsorption method of the outer wall crawler and the selection of the electromagnet are carried out.Selection of Winch Wire Rope and Reel Design for crawling Mechanism of Wall climbing Machine,The gear reducer is combined with bevel gear and worm gearing and the gearbox is designed in detail.Design and calculation of gun transmission mechanism.Finally, the conclusion of the project design is expounded, and the concept of the subject design and its development in the future are indicated. Key Words： climbing robot;adsorption ; move III 目 錄 摘 要 II ABSTRACT III 1 緒論 2 1.1 爬壁機(jī)器人概述 2 1.2 目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì) 2 2 鐵罐外壁爬行機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 4 2.1 技術(shù)性能指標(biāo) 4 2.2 爬壁機(jī)器人的方案選擇 4 3 爬行機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 6 3.1 電磁計(jì)算及電磁鐵選擇 6 3.2 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 6 3.3 減速箱設(shè)計(jì)計(jì)算 8 4 噴砂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 5 結(jié)論................................................................ ..18 參 考 文 獻(xiàn) 19 致謝..................... ................................................32 I 鐵罐外壁爬行機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 緒論 1.1 爬壁機(jī)器人概述 由于工業(yè)社會(huì)發(fā)展，很多工作環(huán)境必須實(shí)施良好的安全防護(hù)措施才能進(jìn)行作業(yè)，而爬壁機(jī)器人便是為了避免人力作業(yè)的危險(xiǎn)而得到了很好的發(fā)展，目前，爬壁機(jī)器人已在多種領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮作用，如下： 核工業(yè) 對(duì)核廢液貯管進(jìn)行視覺檢查、測(cè)厚及焊縫探傷等； 石化工業(yè) 大型儲(chǔ)罐內(nèi)壁以及外壁面進(jìn)行探測(cè)或噴砂清潔、噴漆等工作； 建筑行業(yè) 用于高樓外墻面和大型墻壁的涂料噴涂、清潔玻璃壁面等工作； 消防部門 用于傳遞救援物資、進(jìn)行救援工作等； 造船行業(yè) 用于噴涂船體或輪船內(nèi)壁等； 電力行業(yè) 對(duì)電站鍋爐水冷壁管壁厚度的測(cè)量等。 現(xiàn)如今，各石油化工企業(yè)都擁有大量的儲(chǔ)油、儲(chǔ)水罐，大部分直徑都在 20-50米，甚至達(dá)100米的超大儲(chǔ)罐，高10-20米，為了延長(zhǎng)使用壽命，需要對(duì)這些儲(chǔ)罐進(jìn)行定期除銹噴涂防腐工作，工作任務(wù)繁重。目前這些工作仍然以傳統(tǒng)的搭設(shè)腳手架的方式來進(jìn)行，但人工噴涂的質(zhì)量不能輕易得到保證，浪費(fèi)涂料，另外儲(chǔ)罐內(nèi)可能殘存有害氣體，威脅到噴涂工人的身體健康。 為保護(hù)工人的身體健康，提高噴涂質(zhì)量，節(jié)約能源，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等，本論文的研究圍繞在石油、石化的大型儲(chǔ)罐上實(shí)施機(jī)器人作業(yè)這一目標(biāo)，開展壁面爬行機(jī)器人平臺(tái)的研究，探索更加合適的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和運(yùn)行效率，以便逐步實(shí)現(xiàn)替代人工作業(yè)的目的。 1.2 目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì) 壁面爬行機(jī)器人是一種能夠在壁面爬行作業(yè)的特殊機(jī)器人，機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、控制和信息技術(shù)集于一身，可以代替人在危險(xiǎn)、極端的環(huán)境中工作。近幾十年來，隨著科技的不斷進(jìn)步爬壁機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了很好的成績(jī)，在各個(gè)行業(yè)中也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 1998 年，哈工大研制成功了一種爬壁噴涂機(jī)器人，采用永磁吸附、履帶驅(qū)動(dòng)方式，它是專門為石油化工行業(yè)的大型儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的，移動(dòng)速度 2-8 m/min,負(fù)重大于30kg，攜帶噴涂工具可完成罐壁噴砂除銹、噴涂防腐、測(cè)厚等工作。 2002 年，日本的三菱重工集團(tuán)研制出一種輪式永磁吸附爬壁工作的機(jī)器人。該機(jī)器人具有多種用途，可以安裝噴槍、刷子和攝像頭等裝置完成噴涂、清洗和檢測(cè)工作。 2006 年，山東科技大學(xué)機(jī)器人研究中心，針對(duì)大型儲(chǔ)罐的除銹噴涂設(shè)計(jì)出一種新型油罐噴砂噴涂設(shè)備。該設(shè)備安裝有與油罐輪廓線相似的對(duì)稱布置的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上對(duì)稱布置兩個(gè)機(jī)器人，其機(jī)械手具有俯仰、伸縮和噴槍劃圓功能，作業(yè)時(shí)，導(dǎo)軌帶動(dòng)兩個(gè)噴涂機(jī)器人沿油罐周向運(yùn)動(dòng)，半圈后，由鋼絲繩牽引軸向上升150-200mm，再反向周向噴涂，如此反復(fù)動(dòng)作完成油罐的壁面涂裝作業(yè)，形成螺旋線周向軌跡，涂層質(zhì)量較好。 2011 年，山東科技大學(xué)機(jī)器人研究中心針對(duì)船舶造修業(yè)的除銹噴涂作業(yè)研究出另外一種噴涂機(jī)器人。它由移動(dòng)的底座、水平導(dǎo)軌、豎直導(dǎo)軌和柱坐標(biāo)移動(dòng)裝置及噴槍機(jī)構(gòu)組成，可以實(shí)現(xiàn)船艙內(nèi)各個(gè)位置的噴涂作業(yè)。移動(dòng)機(jī)器人到達(dá)指定位置，噴槍一方面繞自身旋轉(zhuǎn)畫圓，另一方面沿水平導(dǎo)軌移動(dòng)，形成螺旋線直線噴槍軌跡，涂層質(zhì)量較均勻。  2 鐵罐外壁爬行機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 本課題的研究目的是使用爬壁機(jī)器人代替人們進(jìn)行危險(xiǎn)作業(yè)，把人們從惡劣的工作環(huán)境中解放。在很多工業(yè)、建筑業(yè)、化工業(yè)領(lǐng)域中，存在很多人力無法作業(yè)的極端環(huán)境，比如大型化工儲(chǔ)罐的探測(cè)與修護(hù)，高樓玻璃面的清潔，船體的除銹噴漆，這些環(huán)境的工作對(duì)人造成一定的傷害，因此這就產(chǎn)生了對(duì)人工智能爬行機(jī)器人的需求。 2.1 技術(shù)性能指標(biāo) 爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要確定機(jī)器人的工作參數(shù)，而工作參數(shù)是由機(jī)器人所要完成的任務(wù)確定的。爬壁機(jī)的技術(shù)指標(biāo)之間是會(huì)相互影響、有著緊密的聯(lián)系的，技術(shù)性能指標(biāo)的預(yù)設(shè)合理與否跟爬壁機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著密切相關(guān)。對(duì)于鐵罐外壁爬行機(jī)來說，它的工作環(huán)境和工作內(nèi)容的要求是比較清楚的，因此需要以此為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)機(jī)器人的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)。技術(shù)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)： 鐵罐外壁爬行機(jī)的爬行速度為80~200mm/s 移動(dòng)速度設(shè)定主要根據(jù)鐵罐外壁爬行機(jī)的工作需求和安全性兩個(gè)因素考慮的。 控制方式：無線遙控或程序控制 控制系統(tǒng)指的是對(duì)組成鐵罐外壁爬行機(jī)各個(gè)部分進(jìn)行的行走，清洗，壁面吸附以及停止。 鐵罐外壁爬行機(jī)最大負(fù)載：60Kg 2.2 爬壁機(jī)器人的方案選擇 2.2.1 鐵罐外壁爬行機(jī)器人的移動(dòng)方式 鐵罐外壁爬行機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)就是要能夠達(dá)到機(jī)器人能安全地在豎直平面上爬行的目的，現(xiàn)在所研究出來爬壁機(jī)器人有四種移動(dòng)方式，分別是步行式、履帶式、車輪式、框架式[8]。 根據(jù)本課題中爬行機(jī)器人的工作要求，本設(shè)計(jì)采用車輪式，利用卷?yè)P(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)給爬行機(jī)提供牽引力，完成爬行機(jī)的y軸方向運(yùn)動(dòng)。 2.2.2 爬壁清洗機(jī)器人吸附方式 爬壁機(jī)器人要能夠在豎直的壁面上移動(dòng)，需要保證的是要使機(jī)器人能夠安全吸附在壁面上，不能掉落，這是鐵罐外壁爬行機(jī)最基本的對(duì)于安全穩(wěn)定工作的要求。當(dāng)今爬行機(jī)器人最常用的吸附方式分為真空吸附、磁吸附、推力吸附三類[6]。 真空吸附的優(yōu)點(diǎn)是不受壁面材料限制，但其缺點(diǎn)攀越壁面障礙的能力差，越障能力差導(dǎo)致了吸附不穩(wěn)定和承載力不穩(wěn)定。 電磁吸附爬行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，吸附力強(qiáng)，壁面攀越墻面障礙的能力強(qiáng)，但是其對(duì)工作壁面的要求必須是導(dǎo)磁性材料。 爬壁機(jī)運(yùn)用到的推力吸附是一種新型吸附方式，它能使爬壁機(jī)的越障能力提高。 綜合考慮：由于本課題設(shè)計(jì)的是鐵罐外壁爬行機(jī)結(jié)構(gòu)，其工作環(huán)境為大型鋼質(zhì)儲(chǔ)罐，為了保證爬行機(jī)在進(jìn)行噴砂工作時(shí)，能夠保證爬行機(jī)的平衡以及噴砂質(zhì)量，選用電磁鐵吸附方式。  3 爬行機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 電磁計(jì)算及電磁鐵選擇 圖3-1 爬行機(jī)受力分析圖 3.1.1 噴砂沖擊力計(jì)算 鐵罐爬行機(jī)的噴砂工藝參數(shù)：,，，，砂料流量為,噴槍口噴射速度為。 根據(jù)圖3-1計(jì)算沖擊力： (3.1） 式3.1中的ρ為砂料密度，q為流量，v為噴射速度。 （3.2） 3.1.2 電磁力計(jì)算 根據(jù)圖3-1受力分析可知B電磁力等于Fx沖擊力，所以： 查詢有關(guān)電磁鐵的產(chǎn)品材料，選用吸盤式電磁鐵，其型號(hào)為H16090-36V，，， 3.2 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 3.2.1 卷?yè)P(yáng)結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1） 鋼絲繩選用：因?yàn)? 查取設(shè)計(jì)手冊(cè)選取D=10mm的6×7+FC纖維芯鋼絲繩，長(zhǎng)度為32m。 卷筒的設(shè)計(jì)計(jì)算： ① 本次設(shè)計(jì)設(shè)定鋼絲繩為2層纏繞卷筒，需選用多層環(huán)繞卷筒[3]。 ② 小車重力為600N，鋼絲繩線速度為0.16 m/s，鋼絲直徑10mm，卷?yè)P(yáng)機(jī)利用等級(jí)為T5/T6，載荷情況為，工作級(jí)別為M5-M7 表3-1 系數(shù)h值（摘自GB/T 3811-1983) 機(jī)構(gòu)工作級(jí)別 卷筒 滑輪 M1-M3 14 16 M4 16 18 M5 18 20 M6 20 22.4 M7 22.4 25 M8 25 28 查表選取h=18。 （2） 卷筒直徑D： （3.5） D1為卷筒最小直徑，D為鋼絲繩直徑。 取D=20mm。 （3） 卷筒長(zhǎng)度L： （3.6） 為鋼絲繩總長(zhǎng)度， n為卷繞層數(shù)，D為鋼絲繩直徑。 （3） 卷筒繩槽的選擇： 繩槽半徑R： 繩槽深度H： 繩槽節(jié)距P： 卷筒厚度： （5） 卷筒強(qiáng)度計(jì)算： （3.7） 表3.2 系數(shù)A 卷筒層數(shù)n 1 2 3 ≧4 ≧5 系數(shù)A 1 1.75 2.0 2.25 2.5 式3.7中A是與卷筒纏繞層數(shù)有關(guān)的系數(shù)[3]； ，F(xiàn)max為鋼絲繩最大靜拉力，P 為節(jié)距，δ為卷筒壁厚[3]，σbc 為抗壓強(qiáng)度， σcp 為許用壓應(yīng)力（鑄鐵： ） 將以上數(shù)值帶入式3.7中得： 綜上材料選擇合格。 3.3 減速箱設(shè)計(jì)計(jì)算 3.3.1 減速箱傳動(dòng)方案 因?yàn)榕佬袡C(jī)的爬行速度緩慢，以及考慮到裝置安裝位置等原因，鐵罐外壁爬行機(jī)運(yùn)運(yùn)用到的減速箱采用錐齒輪傳動(dòng)與蝸輪蝸桿傳動(dòng)結(jié)合，傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如下： 圖3.2 減速箱傳動(dòng)方案 3.3.2 電動(dòng)的機(jī)選擇 （1） 確定電動(dòng)機(jī)空量： (3.8) 其中Pw為輸出功率，ηw為卷筒效率。 (3.9) （3.10） 其中，，，。 （2） 卷筒轉(zhuǎn)速： （3.11） 按傳動(dòng)比的合理范圍，蝸輪蝸桿減速器的傳動(dòng)比i范圍為5~80[4]，所以鐵罐外壁爬行機(jī)所選用的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為 綜合考慮電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置的關(guān)系，以及鐵罐外壁爬行機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸以及重量等關(guān)系，決定選用Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)，這個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為910r/min，型號(hào)為Y90s-6 ，其參數(shù)如表3.3： 表3.3 Y90s-6電動(dòng)機(jī)參數(shù) 型號(hào) 額定功率（KW) 外形尺寸(mm) 轉(zhuǎn)速（r/min) 質(zhì)量（Kg) Y90s-6 0.75 310×245×190 910 23 根據(jù)所選電機(jī)計(jì)算減速箱傳動(dòng)比：，設(shè)定錐齒輪傳動(dòng)比為，蝸輪蝸桿傳動(dòng)比為。 3.3.3 錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 本課題設(shè)計(jì)的減速箱中選擇齒輪類型為直齒錐齒輪，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選用的齒輪精度為7級(jí)，小錐齒輪選用的材料為40Cr（調(diào)質(zhì)）齒面硬度為280HBS，大錐齒輪選用的材料為45鋼（調(diào)質(zhì)）齒面硬度為240HBS[2]。 （1） 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)小齒輪分度圓直徑 （3.12） ① 其中T1為小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩： （3.13） ② 齒數(shù)比： ③ 配對(duì)材料系數(shù) ④ 根據(jù)載荷情況，齒輪所選擇的精度和齒輪結(jié)構(gòu)位置取K=1.3 ⑤ 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力[σH] 查取手冊(cè)可知小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別為、 接觸疲勞壽命系數(shù)分別為、 所以 即 將以上數(shù)據(jù)帶入式3.12中算得： （2） 計(jì)算齒輪主要尺寸與參數(shù) 選定小齒輪齒數(shù)為：則 確定模數(shù)： 取標(biāo)準(zhǔn)值 計(jì)算分度圓直徑： 計(jì)算分錐角： 計(jì)算錐距： 計(jì)算輪齒寬度： 其中齒輪寬度系數(shù):取 計(jì)算齒頂圓直徑： 計(jì)算平均圓周速度： （3.14） 其中 （3） 驗(yàn)算 ① 按接觸強(qiáng)度校核齒輪的承載能力 （3.15） （3.16） 其中查表得,，，，,， 綜上數(shù)據(jù)帶入式3.16算得 名稱 代號(hào) 小齒輪 大齒輪 分度圓直徑 d 48 96 齒數(shù) z 24 48 模數(shù) m 2 2 節(jié)錐角 δ 26.565° 63.4349° 錐距 R 53.67 53.67 齒寬 b 18 18 齒距 p 6.28 6.28 變位系數(shù) x 0.345 -0.345 齒頂高 ha 2.69 1.31 齒根高 hf 1.71 3.09 齒頂間隙 c 0.4 0.4 齒根角 θf 1.82° 3.295° 齒頂角 θa 2.87° 1.398° 齒頂圓錐角 δa 29.435° 64.832° 齒根圓錐角 δb 24.745° 60.139° 齒頂圓直徑 da 52.8 97.17 節(jié)錐頂點(diǎn)到輪冠距離 AK 46.8 22.828 大端分度圓弧齒厚 s 3.64 2.64 分度圓弦齒厚 3.64 2.64 分度圓弦齒高 2.75 1.32 表3.4 直齒錐齒輪的幾何尺寸 ② 按抗彎強(qiáng)度校核齒輪的承載能力 （3.17） （3.18） 查取相關(guān)圖表最終算得 所以綜上錐齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)及其驗(yàn)算，該齒輪組符合要求。 （4） 綜上設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算直齒錐齒輪幾何尺寸如表3.4 3.3.4 蝸輪蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì) 材質(zhì)選擇：本課題所設(shè)計(jì)的蝸桿選用45鋼，齒面淬火，硬度為45~50HRC；本課題的蝸輪選用錫青銅ZCuSn10Pb1，鑄造，。 （1） 確定主要參數(shù)：，因?yàn)?，所? （2） 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算： （3.19） 其中蝸輪軸轉(zhuǎn)矩 載荷系數(shù) 許用接觸應(yīng)力 將以上數(shù)據(jù)帶入式3.19得： 查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得， 。 （3） 驗(yàn)算滑動(dòng)速度vs 計(jì)算蝸桿速度： （3.20） 其中 ，，vs初估值合適。 （4） 驗(yàn)算蝸輪輪齒彎曲強(qiáng)度 (3.21) 其中，,，，(按蝸輪當(dāng)量齒數(shù)查取)，，。 將以上數(shù)據(jù)帶入式3.21可得： 因?yàn)?蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)滿足條件。 （5） 蝸輪蝸桿的幾何尺寸計(jì)算 蝸桿頭數(shù)： 蝸輪齒數(shù)： 查表取 齒形角： 模數(shù)： 蝸輪變位系數(shù)： 中心距： 蝸桿軸向齒距： 蝸桿分度圓直徑： 蝸桿節(jié)圓直徑： 蝸桿齒頂高： 頂隙： 蝸桿齒頂圓直徑： 蝸桿齒根高： 蝸桿齒根圓直徑： 蝸桿齒高： 漸開線蝸桿基圓直徑： 漸開線蝸桿基圓導(dǎo)程角：，求得 蝸桿導(dǎo)程角： 蝸桿齒寬： 蝸輪分度圓直徑： 喉輪節(jié)圓直徑： 蝸輪齒頂高： 蝸輪齒根高： 蝸輪喉圓直徑： 蝸輪齒根圓直徑： 蝸輪齒高： 蝸輪外圓直徑： 取 蝸輪寬度： 蝸輪齒頂圓弧半徑： 蝸輪齒根圓弧半徑： 蝸桿軸向齒厚： 蝸桿法向齒厚： 蝸輪分度圓齒厚： 3.3.5 輸出軸的設(shè)計(jì) （1） 擬定軸零件的裝配方案如下： 圖3.3 軸的結(jié)構(gòu)與裝配 （2） 初步確定軸的最小直徑 電機(jī)功率為,轉(zhuǎn)速為 輸出軸： 作用在齒輪上的力： 最小直徑： （3.22） 其中(45鋼) （3） 軸尺寸確定 ① 軸的最小直徑出現(xiàn)在Ⅰ-Ⅱ，這段軸連接的是卷筒，取，為了滿足卷筒的軸向定位要求Ⅰ-Ⅱ軸左端需要做出軸肩，故?、?Ⅲ軸段的直徑為。 ②初步選擇滾動(dòng)軸承：選擇型號(hào)為30211E的軸承，其尺寸為 故，，根據(jù)軸承的安裝尺寸因此 ③ 取安置蝸輪處軸段的直徑為，蝸輪輪右端與軸承端之間采取套筒定位，根據(jù)以上蝸輪蝸桿幾何尺寸的計(jì)算已經(jīng)得出蝸輪寬度為，為了使套筒能夠夾緊齒輪，蝸輪寬要長(zhǎng)于這一軸段，故取，蝸輪左端需要用到軸肩定位，軸肩高度,由于直徑為64mm，查表得，因此，固定軸環(huán)寬度為取。 ④ ，取端蓋外端與卷筒端間的距離為，故取。 ⑤ ， ⑥ 軸上零件的周向定位：按Ⅳ-Ⅴ段的直徑查表取得該段平鍵截面為，長(zhǎng)度為45mm，配合為，根據(jù)Ⅰ-Ⅱ段，選擇平鍵為。 3.3.6 蝸桿軸的設(shè)計(jì) （1） 擬定軸零件的裝配方案如下： 圖3.4 蝸桿軸結(jié)構(gòu)與裝配 （2） 初步確定軸的最小直徑： （3） 已知如圖3.4的軸為蝸桿軸，根據(jù)以上蝸輪蝸桿幾何尺寸的計(jì)算得出蝸桿齒寬為，齒頂圓直徑為，所以，又因?yàn)樗愕玫奈仐U齒根圓直徑為，所以。 （4） 錐齒輪右端設(shè)計(jì)為軸肩固定，取，為了避免軸承過定位，所以Ⅱ-Ⅲ軸段直徑小于Ⅲ-Ⅳ軸段直徑，取，由于軸承蓋總寬度為34mm，所以設(shè)定Ⅰ-Ⅱ段連接噴槍傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用鍵連接，取， （5） 選擇滾動(dòng)軸承：選擇的是圓錐滾子軸承，根據(jù)Ⅲ-Ⅳ段的直徑，選取軸承，其尺寸為。因?yàn)殄F齒輪寬度為，取套筒寬度為15mm，?、?Ⅳ軸左端面與軸承右端面距離為17mm，所以，根據(jù)軸承寬度取[2]。 （6） Ⅵ-Ⅶ軸段以及Ⅳ-Ⅴ軸段長(zhǎng)度根據(jù)軸與減速箱箱體的裝配關(guān)系取得，。 3.3.7箱體結(jié)構(gòu)計(jì)算 箱座壁厚δ： 取 箱蓋壁厚δ1： 取 箱座凸緣厚度： 箱蓋凸緣厚度： 箱座底凸緣厚度： 箱座、蓋肋厚：， 軸承座端面外徑： 其中D為軸承外徑，為螺栓直徑 外箱壁至軸承端面距離：其中、與螺栓直徑有關(guān) 軸承旁凸臺(tái)半徑： 凸臺(tái)高度：h 大齒輪頂圓與內(nèi)箱壁距離：12mm 齒輪端面與內(nèi)箱壁距離：10mm  4 噴砂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 噴槍的運(yùn)動(dòng)方式是鐵罐外壁爬行機(jī)進(jìn)行噴砂作業(yè)能否達(dá)到工作需求的一個(gè)重要條件，根據(jù)以上行走方式的設(shè)計(jì)，本課題決定設(shè)計(jì)一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來帶動(dòng)噴槍的移動(dòng)。 圖4.1 噴槍傳動(dòng)機(jī)構(gòu) （1） 設(shè)計(jì)該曲柄滑塊的沖程為500mm，偏心距為0。 由于曲柄滑塊中存在曲柄的條件：一是機(jī)構(gòu)中連桿長(zhǎng)度長(zhǎng)于曲柄長(zhǎng)度；二是滑塊導(dǎo)軌足夠長(zhǎng)。 如圖4.1 所示，設(shè) OA 的距離為a ，OB 距離為b 依圖可知,又因?yàn)椋C上可以求得， （2） 曲柄滑塊的連桿受到拉應(yīng)力，其值等于滑塊的重力與摩擦力的合力: (4.1) 查手冊(cè)，根據(jù)連桿的受力情況，以材料的抗壓強(qiáng)度選取連桿的材料為45鋼，厚度為10mm。 （3） 驗(yàn)算噴槍是否能夠均勻噴涂鐵罐壁面 已知曲柄轉(zhuǎn)速為7.8 r/s，根據(jù)以上設(shè)計(jì)，得到爬壁機(jī)的爬行速度為0.154m/s。由于曲柄滑塊速度不均勻，運(yùn)用分割法計(jì)算，以一秒為單位計(jì)算，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)滑塊來回一次，噴槍口徑為10mm，因?yàn)閲娍陔x罐壁有一定距離，所以假設(shè)噴槍噴涂涂的寬度為0.012m。 最終算得噴槍在一秒內(nèi)噴涂長(zhǎng)度，而小車一秒內(nèi)的移動(dòng)距離為0.154m，所以，該機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到最初的工作要求。5 結(jié)論 鐵罐外壁爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)綜合了機(jī)器人機(jī)構(gòu)原理、運(yùn)動(dòng)方式、機(jī)械設(shè)計(jì)原理等多學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，它的使用實(shí)現(xiàn)了大型的化工儲(chǔ)罐的噴砂除銹、噴漆防腐自動(dòng)化，而且這個(gè)鐵罐外壁爬行機(jī)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用將會(huì)減少人力工作的強(qiáng)度、避免人工操作所存在的危險(xiǎn)、降低成本，有著很好的推廣和研究?jī)r(jià)值。 本論文通過對(duì)爬行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，取得了如下結(jié)果： （1） 本課題設(shè)計(jì)的鐵罐外壁爬行機(jī)與其他的爬行機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作效率高的、操作簡(jiǎn)易的特點(diǎn)。采用電磁鐵吸附，既使機(jī)器人能夠穩(wěn)定吸附在罐壁保證其行走安全，同樣也可以獲得很好的的噴砂質(zhì)量。 （2） 本機(jī)器人卷?yè)P(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了Y軸方向的移動(dòng)，再通過其他設(shè)備移動(dòng)滑輪帶動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)X軸方向的移動(dòng)。 （3） 機(jī)器人的清洗裝置采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，該機(jī)構(gòu)的曲柄直接連接在減速箱分出的軸上，減少了動(dòng)力源的使用。簡(jiǎn)化了機(jī)器結(jié)構(gòu)。 （4） 本課題著重設(shè)計(jì)了爬行機(jī)器人的減速裝置，運(yùn)用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，高效達(dá)到了減速需求。 綜上所述，鐵罐外壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)已經(jīng)走上了正軌同樣也取得了階段性的成果，在未來的鐵罐外壁爬行機(jī)器人的未來發(fā)展方向是： ① 結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、質(zhì)量更加輕盈、更加安全、操作更加簡(jiǎn)單； ② 控制系統(tǒng)小型化； ③ 能夠適應(yīng)復(fù)雜的壁面環(huán)境并能作出相應(yīng)的動(dòng)作； 總的來說，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，大型儲(chǔ)罐的探測(cè)、清潔、修護(hù)的自動(dòng)化和現(xiàn)代化就變?yōu)楸厝?，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用在此領(lǐng)域也將會(huì)得到逐步的體現(xiàn)。鐵罐爬行機(jī)器人產(chǎn)品也會(huì)隨著自動(dòng)化技術(shù)、傳感技術(shù)、無線遙控技術(shù)以及通訊業(yè)的迅速發(fā)展而得到充分的發(fā)展。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 韓曉娟.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008. 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Journal of Intelligent & Robotic Systems,2015,78(1). - 19 - 致 謝 經(jīng)過這幾個(gè)月的努力，本次的設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)本科生由于對(duì)機(jī)械產(chǎn)品了解不充分，初始的設(shè)計(jì)概念模糊，無法正確切入設(shè)計(jì)主題，還有在設(shè)計(jì)過程中，由于沒有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，走了彎路。但是在指導(dǎo)老師何老師的幫助下，這些問題都逐步得到了解決，何老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從查閱資料到設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)，裝配草圖等整個(gè)過程中都給予了我熟悉的指導(dǎo)。我的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜繁瑣，但何老師仍然細(xì)心地糾正圖紙中的錯(cuò)誤。從何老師身上看到了他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。 整個(gè)設(shè)計(jì)中會(huì)因?yàn)殡y題弄得焦頭爛額，也會(huì)因?yàn)槔蠋熁蛲瑢W(xué)的提點(diǎn)豁然開朗，真的感謝老師孜孜不倦的解答，以及同學(xué)朋友的鼓勵(lì)，我才能夠順利完成此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)。同時(shí)，也要感謝大連大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的每一位老師，在大學(xué)的四年期間有你們的陪伴與教導(dǎo)。謝謝！