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本科學生畢業(yè)設計
高空作業(yè)機器人設計
系部名稱：
機電工程學院
專業(yè)班級：
機械設計制造及其自動化 08-4班
學生姓名：
指導教師：
職 稱：
二○一二年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Structure Design of No Climbing Full-automatic High Altitude Wiring Robot
Candidate: Guan Hong
Specialty: Mechanical Design and
Manufacturing & Automation
Class: B08-4
Supervisor: Associate Professor Liu Xi ping
Heilongjiang Institute of Technology
2012-06·Harbin
摘 要
在一切追求人性化的今天，越來越多繁重、危險和高難度的工作，開始采用機器人（包括機械手）來代替人類完成。裸高壓導線輸電線路的高空接線工作，一直是困擾高空作業(yè)人員的棘手問題，由于其危險性極大，作業(yè)條件艱難，僅靠人力很難做到，所以都是借助高空作業(yè)車的幫助來實現(xiàn)的。近年來，越來越多的人致力于多自由度的高空全自動繞線裝置的研究，試圖找到一種簡便、經濟、安全、有效的方法，來解決這一難題。因此，無攀爬式全自動高空接線機器人應運而生，該機器人通過實現(xiàn)高空握持導線、不規(guī)則的圓周繞線運動和橫向進給運動等動作，來完成繞線任務。通過對各種方案的對比，決定采用斜齒輪傳動繞線，螺旋傳動進給來實現(xiàn)主要功能。
本設計構思新穎，而且具有結構輕便、經濟適用、效率高、安全等顯著優(yōu)勢，順應時代發(fā)展方向，具有很高的可行性，適用于各種工作場合。
關鍵詞：無攀爬式；自動繞線；斜齒輪傳動；進給；螺旋傳動
ABSTRACT
In this information era, more and more heavy, dangerous and difficult works are being done by robot, manipulator included. The connection of bare high-tension wire has always been troubled steeplejacks. It’s extremely dangerous, and the work condition is hard, so people have to get help from the aloft working car. In recent years, more and more people are concentrated on development of device of full-automatic high altitude wiring. They try to find a convenient, economical, safely and efficient program to solve this problem. Then the no climbing full-automatic high altitude wiring robot comes out. It accomplishes its task by holding wires in high attitude, coiling in circle irregularly and transverse feed. Through the comparison of several programs, the helical gearing and screw driven are used to wiring and feed, respectively.
This design has a novel idea, and it has advantage of light structure, economic and applicable, efficient and safely. It complies with the development of era and can work in any conditions.
Key words: no climbing; full-automatic wiring; helical gearing; feed; screw driven
I
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題研究背景 1
1.2 課題研究目的和意義 1
1.2.1 課題研究目的 1
1.2.2 課題研究意義 1
1.3 國內外發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.4 發(fā)展前景展望 4
第2章 總體方案確定 5
2.1 齒輪齒條繞線機構 5
2.2 內嚙合齒輪繞線機構 6
2.3 斜齒輪嚙合繞線機構 6
2.4 本章小結 7
第3章 參數(shù)的確定及電機的選擇 8
3.1 繞線機構參數(shù)的確定 8
3.2 進給機構參數(shù)的確定 11
3.3 抓線和導線握持機構參數(shù)的確定 13
3.3.1 抓線機構參數(shù)確定 13
3.3.2 導線握持機構參數(shù)的確定 15
3.4 電機的選擇 16
3.4.1 進給機構電機的選擇 16
3.4.2 握持機構電機的選擇 17
3.5 本章小結 18
第4章 繞線機構設計 19
4.1 繞線機構結構設計 19
4.2 進給機構結構設計 20
4.3 支架結構設計 20
4.4 本章小結 22
第5章 抓取機構的設計 24
5.1 抓線機構結構設計 24
5.2 導線握持機構結構設計 24
5.3 本章小結 25
第6章 實體機構裝配 26
6.1 實體機構裝配 26
6.2 本章小結 29
結論 30
參考文獻 31
致謝 32
第1章 緒 論
1.1 課題研究背景
裸高壓導線輸電線路的備用導線高空接線，其繞線軌跡不規(guī)范、轉自線圈的線徑粗、折彎力較大、折彎運動空間受限等，給高空接線增加了難度，而多自由度的高空全自動繞線裝置的研究是高空接線中亟待解決的瓶頸問題。而且高空繞線工作危險大、難度高，需借助高空作業(yè)車的幫助來完成，并且對工作環(huán)境的要求較高，在惡劣環(huán)境條件下無法正常工作，由于種種因素的限制，裸高壓導線輸電線路的備用導線高空接線工作一直困擾著人們。無攀爬式全自動高空接線機器人的應運而生，能夠代替工人進行操作，避免了工作中潛在的各種危險，同時能夠提高工作效率，并且減少了高壓輸電線路的電流損耗。
1.2 課題研究目的和意義
1.2.1 課題研究目的
針對傳統(tǒng)接線工作中存在的各種弊端，無攀爬式全自動高空接線機器人出現(xiàn)了，它是為實現(xiàn)無攀爬式全自動高空接線而設計的機器人裝置。裸高壓導線輸電線路的備用導線高空接線，其繞線軌跡不規(guī)范、轉子線圈的線徑粗、折彎力較大、折彎運動空間受限等，給高空接線增加了難度，而多自由度的高空全自動繞線裝置的研究是高空接線中亟待解決的瓶頸問題。本課題根據(jù)仿生學和機器人學的原理，運用常用的機械運動機構及其組合，實現(xiàn)高空握持導線、不規(guī)則的圓周繞線運動和橫向進給運動的全新自動繞線機器人的研究。
1.2.2 課題研究意義
在一切智慧化、人性化、高效率化的今天，越來越多的機器人代替人進行繁重、危險的勞動，在一很多高度危險和繁重的工作中，都采用了機器人，它們的高效率和幾乎為零的風險是人類無法與之相比的優(yōu)勢。機器人技術的采用顯著減輕了工人的勞動強度和工作負擔，大大改善了勞動條件，提高了勞動生產率和自動化水平。在高空裸導線的接線中，以前都需要操作人員攀高接線，勞動強度大、安全性不可靠；而無攀爬式全自動高空接線機器人能夠代替工人進行高空作業(yè)，避免了工作中潛在的各種危險，同時提高了工作效率，并且減少了高壓輸電線路的電流損耗，也為低碳經濟提供了一個新的探索方案。該設計經濟實用性高，具有光明的發(fā)展前景。
本設計是主要實現(xiàn)高空握持導線、不規(guī)則的圓周繞線運動和橫向進給運動的全新自動繞線裝置具體設計要求如下：
導線直徑： 10mm
繞線直徑：2 mm
繞線材料： 鋁
導線高度：20m
整機重量：7.5kg
完成繞線時間：1分鐘左右
要求經濟適用，效率高。
1.3 國內外發(fā)展現(xiàn)狀
本課題設計的無攀爬式全自動高空接線機器人主要實現(xiàn)高空握持導線、不規(guī)則的圓周繞線運動和橫向進給運動，其主要結構有：導線握持機構和繞線機構。
導線握持機構采用機械手。機械手是在早期出現(xiàn)的古代機器人基礎上發(fā)展起來的，機械手研究始于20世紀中期，隨著計算機和自動化技術的發(fā)展，特別是1946年第一臺數(shù)字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。同時，大批量生產的迫切需求推動了自動化技術的進展，又為機器人和機械手控制系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎。另一方面，核能技術的研究要求某些操作機械代替人處理放射性物質。在這一需求背景下，美國于1947年開發(fā)了遙控機械手控制系統(tǒng)和遙控機械手，1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手控制系統(tǒng)和機械手。
機械手控制系統(tǒng)首先是從美國開始研制的。1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術控制機器人的關節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人控制系統(tǒng)。現(xiàn)有的機器人控制系統(tǒng)差不多都采用這種控制方式。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手鉚接機器人控制系統(tǒng)。作為機器人產品最早的實用機型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機器人和相關控制系統(tǒng)主要由類似人的手和臂組成它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
機械手控制系統(tǒng)經歷了以下幾個階段：機械手完成放射源轉運年代、化工產品垛機械手年代、工業(yè)用機械手興起和發(fā)展年代。隨著汽車行業(yè)和塑膠行業(yè)的發(fā)展，西歐、日本、蘇聯(lián)和中國等地域機械手及其控制系統(tǒng)也開始百花爭艷。尤其注塑機機械手，發(fā)展更為迅猛，應用非常普遍，其控制系統(tǒng)經過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在已經趨于成熟和完善。
機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。
20世紀40年代后期，美國在原子能實驗中，首先采用了機械手搬運放射性材料，人在安全間操縱機械手進行各種操作和實驗。50年代以后機械手逐步推廣到工業(yè)部門，用于在高溫污染嚴重的地方取放工件和卸料，也作為機床的輔助裝置在自動機床、自動生產線和加工中心中應用，完成上下料和從刀庫中取放刀具并按國定程序更換刀具等。
本設計的另一主要功能是繞線，而現(xiàn)今最常見的繞線裝置就是繞線機。繞線機，顧名思義是把線狀的物體纏繞到特定的工件上的機器。歐美繞線機以其加工精度高、質量穩(wěn)定而在國際繞線機市場上占有重要地位。 歐美繞線機一般可繞0.01-2mm的線徑，轉動誤差極小。繞線機用精密微機控制，以程序控制操作，這些程序極易掌握，人機對話簡單，即使工作人員并無繞線工作的經驗也可應付自如。目前歐洲生產的繞線機已經趨于自動化，而美國的繞線機介于自動和半自動之間，德國制造的外形比較美觀，零件比較講究，但是造價高。隨著國際繞線機市場的蓬勃發(fā)展，相互間的競爭越來越激烈，各國的廠家都必須開發(fā)出新一代的繞線機?，F(xiàn)在主要是趨向自動化的發(fā)展方向。
全自動繞線機是近幾年才發(fā)展起來的新機種，為了適應高效率、高產量的要求，全自動機種一般都采用多頭聯(lián)動設計，國內的生產廠家大多都是參照了臺灣等地的進口機型的設計，采用可編程控制器作為設備的控制核心，配合機械手、氣動控制元件和執(zhí)行附件來完成自動排線、自動纏腳、自動剪線、自動裝卸骨架等功能，這種機型的生產效率極高，大大的降低了對人工的依賴，一個操作員工可以同時照看幾臺這樣的設備，生產品質比較穩(wěn)定，非常適合產量要求高的加工場合。這種機型由于集成了數(shù)控、氣動、光控許多的新技術，所以價格小則幾萬元高則十幾萬元，價格也使得許多的用戶望而嘆步，另外由于功能要求決定了該設備的零部件采用了大量非標準件和定制件，所以一旦出現(xiàn)故障相對的維修過程將會很復雜，周期也會比較長。
能夠實現(xiàn)繞線功能的機構還有很多，例如齒輪齒條、齒輪傳動、槽輪機構等，只要能實現(xiàn)圓周運動，即可實現(xiàn)繞線功能。工作原理：槽輪是由圓銷的主動撥盤和具有若干徑向槽輪及機架組成。當撥盤作等速連續(xù)轉動時，槽輪做反向或同向的單向間歇運動，在圓銷未進入槽輪徑向時，槽輪上的內凹鎖住撥銷，槽輪被主動撥盤的外凹鎖住弧卡住，使槽輪停歇在確定的位置上不動。當撥盤上撥銷進入槽輪徑向槽時，鎖住弧松開，撥銷驅動槽輪轉動，循環(huán)往復，時停時動，因此，槽輪機構是一種間歇運動機構。應用示例：機床自動轉為機構，電影放映機卷片等。當放映卷片時，膠片上的畫面依次在方框中停留，以適應人眼的視覺停留現(xiàn)象。槽輪機構結構簡單，易加工，工作可靠，轉角準確，機械效率高。但是其動程不可調節(jié)，轉角不能太小，槽輪在起停時的角速度大，有沖擊，并隨著轉速的增加或槽輪數(shù)的減少而加劇，故不宜用于高速場合。對于本設計的繞線部分，齒輪傳動是首選。
1.4 發(fā)展前景展望
無攀爬式全自動高空接線機器人的主要優(yōu)點：
(1)經濟性：現(xiàn)在使用的高空作業(yè)車格價一般為幾百萬不等，經濟性低，需要使用者的經濟承受能力很強；而無攀爬式全自動高空接線機器人的價格在幾千元左右，與前者相比，優(yōu)越性一目了然。
(2)安全性：高空作業(yè)安全一直是我國的重中之重，而本設計可避免這一問題，安全性高。
(3)效率高：無攀爬式全自動高空接線機器人在繞線過程中的時間約為1分鐘，而整個過程約為2分鐘，與較傳統(tǒng)的方法相比較，工作效率大大提高。
(4)適用范圍廣：在何種環(huán)境均可工作，對工作條件沒有特別高的要求，實用性強。
鑒于以上優(yōu)點，無攀爬式全自動高空接線機器人具有很高的可行性，發(fā)展前景廣闊。
第2章 總體方案確定
2.1 齒輪齒條繞線機構
現(xiàn)有使用較廣泛的繞線裝置是較大型的繞線機。繞線機，顧名思義是把線狀的物體纏繞到特定的工件上的機器。歐美繞線機以其加工精度高、質量穩(wěn)定而在國際繞線機市場上占有重要地位。 歐美繞線機一般可繞0.01~2mm的線徑，轉動誤差極小。繞線機用精密微機控制，以程控操作，這些程序極易掌握，人機對話簡單，即使工作人員并無繞線工作的經驗也可應付自如。目前歐洲生產的繞線機已經趨于自動化，而美國的繞線機介于自動和半自動之間，德國制造的外形比較美觀，零件比較講究，但是造價高。隨著國際繞線機市場的蓬勃發(fā)展，相互間的競爭越來越激烈，各國的廠家都必須開發(fā)出新一代的繞線機?，F(xiàn)在主要是趨向自動化的發(fā)展方向。然而本設計課題，要求結構簡便，對重量有要求，大型的繞線機顯然不符合設計要求，因此，不考慮使用繞線機。
圖2.1 全自動十二軸繞線機
繞線主要是通過圓周運動實現(xiàn)，可以實現(xiàn)圓周運動的機構有很多，本方案選擇齒輪齒條傳動作為繞線機構。齒輪齒條傳動將旋轉運動變?yōu)橹本€運動，它的傳動功率大，速度范圍廣，效率高，工作可靠，壽命長，結構緊湊，能保證恒定傳動比。但是，這樣的機構可以反向驅動，也就是齒條做直線運動來帶動齒輪旋轉，適合大距離的傳動，如機床導軌底下帶動拖板箱移動的就是齒輪齒條傳動，齒輪齒條機構需要外加鎖緊裝置，因為齒輪齒條機構不能自鎖。而且它的制造及其安裝精度要求高，成本高，不適于兩軸中心距過大的傳動及振動沖擊較大的場合。
在本設計方案中，齒條的上、下面均有輪齒，分別于兩個齒輪嚙合，其中上面的齒輪負責繞線工作，而下面的齒輪則負責進給，下面的齒輪通過螺旋傳動橫向進給，進而帶動上面的繞線齒輪在繞線的同時有橫向位移。在繞線之前，將引線抓過來與導線握在一起，隨后，將整個繞線裝置通過兩邊的對稱把手掛在高壓線上面，然后開始繞線，繞線完成后，取下整個裝置。本設計存在的主要缺點之一就是，齒條的尺寸要求很大，因為即使齒輪只轉動一圈，齒條的長度就是它的周長，該繞線機構中，繞線齒輪的周長大約為半米，這就意味著齒條的長度必須是半米的整數(shù)倍，而這一條件完全違背了最初的設計目的，很難滿足結構輕便這一基本要求。
2.2 內嚙合齒輪繞線機構
該方案繞線機構采用的是內嚙合的直齒圓柱齒輪，它的優(yōu)點是內嚙合直齒圓柱齒輪機構是用于傳遞兩平行軸之間的運動和動力的齒輪機構，它的主、從動齒之間轉向相同，在同樣的傳動比情況下所占地位小，直齒圓柱齒輪省料，經濟比較便宜，且傳動尺寸小，傳動比大，傳動比精確，工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大；缺點是成本高，不能遠距離傳動，制造和安裝精度要求高。當兩軸間需要較大的傳動比時，如果只用一對齒輪傳動，由于兩輪齒數(shù)相差懸殊而使小齒輪易于磨損，同時兩輪的尺寸相差較大時就可以采用內嚙合的齒輪?？梢杂糜跍p速器中、電動滾筒中等。
進給運動時采用的是四桿機構，他的示意圖相當于是曲柄滑塊機構，曲柄滑塊機構的優(yōu)點是低副的移動副，滑塊可以左右或者上下往復運動，曲柄滑塊機構廣泛應用于往復活塞式發(fā)動機﹑壓縮機﹑沖床等的機構中。
抓線機構也是采用的四桿機構的原理。
2.3 斜齒輪嚙合繞線機構
本方案中，繞線部分采用斜齒輪嚙合傳動。與直齒輪傳動相比，斜齒輪有以下主要優(yōu)點：重合度大，齒面接觸情況好，因此運轉平穩(wěn)，承載能力高；無根切的最小齒數(shù)較直齒輪少，故可使結構更加緊湊；加工成本不高于直齒輪。主要缺點是運轉時會產生軸向力，對傳動不利。無攀爬式全自動高空接線機器人工作時，線盒被安放在從動齒輪上，隨著從動齒輪作圓周運動和橫向進給。
而進給采用的是滑動螺旋傳動。工作時，螺桿與齒輪旋和，同時連接著一個聯(lián)軸器，聯(lián)軸器與進給桿相連，進給桿與架子相連，當螺桿轉動時，一方面與主動齒輪旋和，同時主動齒輪又與從動齒輪嚙合，這樣完成繞線功能；而與聯(lián)軸器相連的進給桿則帶動架子和主、從動齒輪進給。通常所說的滑動螺旋傳動就是普通滑動螺旋傳動。滑動螺旋通常采用梯形螺紋和鋸齒形螺紋，其中梯形螺紋應用最廣，鋸齒形螺紋用于單面受力。矩形螺紋由于工藝性較差強度較低等原因應用很少;對于受力不大和精密機構的調整螺旋，有時也采用三角螺紋。螺旋傳動的優(yōu)點是：結構簡單、承載能力大，傳動平穩(wěn)、無噪聲，能實現(xiàn)自鎖要求，傳動精度高，故廣泛應用于機床進給機構、螺旋起重機和螺旋壓力機中。缺點是，螺紋之間產生較大的相對滑動，摩擦磨損嚴重，傳動效率低。
2.4 本章小結
通過查閱資料，并對幾種方案進行分析和比較優(yōu)缺點，排除了較不合理的方案之后，決定選擇方案三作為最后方案，運用斜齒輪嚙合機構繞線，滑動螺旋傳動進給，這樣進給和繞線共用一個電動機，可以減少一個電動機的使用，從減少重量和電動機的角度看，都是很好的選擇。
第3章 參數(shù)的確定及電機的選擇
3.1 繞線機構參數(shù)的確定
斜齒圓柱齒輪傳動
1. 選精度等級、材料及齒數(shù)
1) 材料：尼龍
2) 精度等級：7級
3) 小齒輪（主動）齒數(shù)=19，大齒輪齒數(shù)=38
4) 選取螺旋角 初選β＝16\O
2. 按齒面接觸強度設計
按參考文獻[2]中式（10-21）計算，即
（3.1）
(1) 確定公式中各計算數(shù)值
1) 試選
2) 由參考文獻[2]中圖10-30 選取區(qū)域系數(shù)
3) 由參考文獻[2]中圖10-26 查得 ，，則
4) 許用接觸應力
MPa （3.2）
5) 小齒輪傳遞的轉矩N·mm
6) 選取齒寬系數(shù)
7) 由參考文獻[2]中表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)
齒數(shù)比
(2) 計算
1) 小齒輪分度圓直徑
2) 計算圓周速度
m／s （3.3）
3) 計算齒寬b及模數(shù)
mm （3.4）
mm (3.5)
mm (3.6)
4) 計算縱向重合度
(3.7)
5) 計算載荷系數(shù)K
查得使用載荷系數(shù)
動載荷系數(shù)
齒向載荷分布系數(shù)
因此 （3.8）
6) 按實際的載荷系數(shù)校正算得的分度圓直徑，由式（10-10a）得
mm （3.9）
7) 計算模數(shù)
mm （3.10）
3. 按齒根彎曲強度設計
由參考文獻[2]中式 （10-17）
（3.11）
(1) 確定計算參數(shù)
1) 計算載荷系數(shù)
（3.12）
2) 根據(jù)縱向重合度，從參考文獻[2]中圖10-28查得
螺旋角影響系數(shù)
3) 計算當量齒數(shù)
（3.13）
4) 查取齒形系數(shù)
由參考文獻[2]中表 10-5查得 ，
5) 查取應力校正系數(shù)
由參考文獻[2]中表10-5 查得 ，
6) 計算大、小齒輪的，并加以比較（對于大、小齒輪MPa）
（3.14）
小齒輪的數(shù)值大
(2) 設計計算
取
4. 幾何尺寸計算
(1) 計算中心距
mm (3.15)
將中心距圓整為119mm
(2) 按圓整后的中心距修正螺旋角
=16°25′
因為值無太大變化，故參數(shù)、、等不必修正
(3) 計算大、小齒輪的分度圓直徑
mm （3.16）
mm
(4) 計算齒輪寬度
mm
因為對齒輪強度要求不高，所以最后取mm,mm
3.2 進給機構參數(shù)的確定
進給機構采用螺旋傳動，螺桿選擇,普通螺紋，螺距
設計計算
1. 耐磨性計算
螺紋工作面上的耐磨性條件為
（3.17）
令，則，代入式（3.17），整理后得
(3.18)
對于普通螺紋，接觸高度(=0.6495 mm)
代入，有
在式（3.17）中，各參數(shù)值如下：
N
mm
mm
MPa
因此，有
強度足夠
2. 螺桿的強度計算
第四強度理論
（3.19）
其中，F(xiàn)：螺桿受的軸向力，N
A：螺紋段的危險截面面積 ，mm2
: 螺紋段的抗扭截面系數(shù) ，mm3
T：螺桿所受扭矩，N·mm
：螺桿材料的許用應力，MPa ,(MPa）
其中，，根據(jù)螺桿轉速,查得kg·cm=60N·mm
因此有
MPa＜300MPa
3. 螺桿的穩(wěn)定性計算
螺桿的穩(wěn)定性條件
(3.20)
：螺桿穩(wěn)定性的計算安全系數(shù)
：螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，取
：螺桿的臨界載荷，N
根據(jù)歐拉公式計算，即
（3.21）
由參考文獻[2]中表5-14查得螺桿的長度系數(shù)
mm
因,所以無需進行穩(wěn)定性校核
3.3 抓線和導線握持機構參數(shù)的確定
3.3.1 抓線機構參數(shù)確定
（a） （b）
圖3.1 抓手
如圖3.1所示，抓手部分主要由兩部分驅動，其中圖（a）為抓線時抓手位置，中間空間為高壓線所處空間，整個抓線過程中，抓手應實現(xiàn)兩次分和，一次是抓住引線，第二次是將引線和導線握在一起。圖（b）是推桿，即抓手的動力來源，推桿工作時，兩個小圓環(huán)是拉手，通過將推桿上下移動，來使抓手實現(xiàn)抓線和松開線的動作。本結構的參數(shù)確定主要是根據(jù)高壓線的尺寸而定的。
（a）
(b)
圖3.2 抓手零件尺寸示意圖
如圖3.2所示，為抓手上部的零件尺寸參數(shù)。
（a）
(b)
圖3.3 抓手推桿部分零件尺寸示意圖
如圖3.3（a）和3.3（b）所示，為抓手推桿部分的尺寸參數(shù)。
3.3.2 導線握持機構參數(shù)的確定
圖3.4導線握持機構的平面圖，從結構可看出，導線握持機構是典型的四桿機構，工作時，兩個相同的抓手將導線握在一起，其具體參數(shù)主要根據(jù)導線的尺寸而定，先確定中間握住導線的橢圓形狀的尺寸，然后依其運動情況確定其他部位的尺寸，如連桿，此處或可根據(jù)具體的運動仿真分析而定，運動仿真之后，機構的運動軌跡表現(xiàn)清晰，一目了然，運動范圍也可確定，由此，各部分的尺寸也就可相應確定
(a)
(b)
圖3.4導線握持機構
如圖所示，圖3.4（a）為導線握持機構的實體圖，而圖3.4（b）為導線握持機構的尺寸參數(shù)示意圖，其基本參數(shù)在此圖中均有所體現(xiàn)。
3.4 電機的選擇
3.4.1 進給機構電機的選擇
進給機構采用的是螺旋傳動，選取是的普通螺紋，根據(jù)機械設計課程設計手冊查得，螺距。在整個繞線過程中，計劃繞線20圈，因此，從動齒輪要相應轉動20圈，根據(jù)傳動比，可得出主動齒輪轉40圈，而螺桿也就轉動40圈，因此，所選擇電機的轉速應該大于等于。根據(jù)本設計對電機的特殊要求，在微型蝸輪蝸桿減速直流電機中進行選擇，由前面所求轉速，選擇GW370-62型電動機，該電機的空載轉速為，額定轉速為，額定扭矩為，換算為，電源為DC6v,外形尺寸（不含軸）是：（mm），重量僅為。
3.4.2 握持機構電機的選擇
握持機構采用四桿機構，通過一根桿的進給運動，是抓手部分產生一定角度，當角度達到一定程度時，便能夠將將高壓線扣住。二本部分結構功能的實現(xiàn)主要是通過驅動桿產生的位移，其位移量很小，所選擇的電動機為WD-A-6系列推桿，推桿的空載速度為：,帶載后也完全可以完成本結構的要求。該產品廣泛應用于電站、礦山、港口、冶金、輕工等系統(tǒng)中，也適合于具有相同工作環(huán)境和使用要求的其它行業(yè)中，并具有滿足系統(tǒng)要求的程控、集控和就地控制的能力。安裝電動推桿時，應考慮現(xiàn)場手動操作、調試及維護方便的空間，也必須考慮推桿自身的運動空間。其安裝尺寸參見各規(guī)格推桿安裝尺寸圖表。電動推桿安裝完畢后應對以下部分進行調整檢查后，方能通電試運行：電氣線路是否符合電氣原理圖的要求，電源電壓及相序是否正確；檢查各緊固件是否牢固可靠；轉動手柄軸檢查推桿行程控制機構工作是否正常。本部分電機分別分布在架子的兩側，工作是同時的，即要保證兩個抓手工作的同步性。永磁直流電機的特點：電磁式直流電機原理相似，永磁直流電機唯一的區(qū)別就是 直流電機的磁通產生的方式不同。永磁直流電機的主要特點：首先永磁直線電機不需要直流勵磁電源，可以有效的減少電源的耗電量，因此具有重要的經濟價值。其次永磁電機沒有勵磁繞組，這樣就可以節(jié)省電機的用銅量，有效的減少電氣銅耗。特別是在微型以及小容量的范圍內，電機的重量、體積以及效率和成本都可以得到有效的改善。但是永磁電機中的永磁材料的磁場是恒定的，永磁直流電機是以微型和小容量為主。
圖3.5直動電機
3.5 本章小結
本章是參數(shù)的確定和電機的選擇，參數(shù)確定首先是根據(jù)實際情況，比如高壓線直徑，來估算出大致需要多大尺寸的齒輪，然后在初選參數(shù)，進行計算，強度校核，進而確定具體的參數(shù)，然后再對其他參數(shù)進行計算，所有數(shù)據(jù)校核并確定后，選擇合適的電動。而四桿機構等的參數(shù)確定，則要根據(jù)實際運動軌跡等因素，這些都是根據(jù)具體情況而定，沒有特別標準的參照和理論依據(jù)，主要是根據(jù)設計需求而定，靈活性比較大。在電動機的選擇上，本設計較多采用了直動電動機，這是出于對結構簡便和節(jié)省原材料、重量的考慮。
第4章 繞線機構設計
4.1 繞線機構結構設計
主動齒輪上面只有四個減重孔，無其他特別結構。
從動齒輪上面要有一個線盒，線盒是粘接在齒輪上面的，繞線時，隨著從動齒輪的轉動，線盒中的鋁線被帶出，纏繞導線，可以在線盒外端出口處，加個彈簧片，該彈簧片的作用是，當線盒經過兩根高壓線時，沒有彈力作用，當鋁線纏住高壓線后，相當于高壓線變粗了，這樣，當彈簧片與纏著鋁線的高壓線接觸后，即對其有個彈力作用，起到緊線作用。線盒中鋁線的長度是一定的，這樣，能夠保證在繞線動作完成時，線盒內沒有多余的殘留線，這也就減少了一個動作，即當繞線完成后，沒有剪線的動作，減小了工作的難度。
圖4.1 從動齒輪
本設計要求重量輕，因此，為了減輕重量，要使用輕質材料，如塑料、尼龍等，現(xiàn)選擇尼龍材料。尼龍，英文名稱polyamide（簡稱PA），是分子主鏈上含有重復酰胺基團—[NHCO]—的熱塑性樹脂總稱。包括脂肪族PA，脂肪—芳香族PA和芳香族PA。其中，脂肪族PA品種多，產量大，應用廣泛，其命名由合成單體具體的碳原子數(shù)而定。尼龍1938年在美國被成功的合成，是世界上出現(xiàn)的第一種合成纖維。尼龍的出現(xiàn)使紡織品的面貌煥然一新，它的合成是合成纖維工業(yè)的重大突破，同時也是高分子化學的一個重要里程碑?，F(xiàn)在使用較廣泛的尼龍材料類型之一就是MC尼龍，它是在常壓下，將熔融的原料已內酰胺單體C6H11NO用堿性的物質作催化劑，與活化劑等助劑一起制成待聚單體，直接注入預熱到一定溫度的模具中，使物料在模具內很快地進行聚合反應，凝結成堅韌的固體胚件，再經過有關工藝處理，得到預定的制品。MC尼龍的特點：摩擦系數(shù)比鋼低8.8倍，比銅低8.3倍，而比重僅為銅的七分之一。MC尼龍可直接取代原銅不銹鋼、鋁合金等金屬制品。多年來我公司生產的MC尼龍滑輪、滑塊、齒輪、蝸輪、托輪、支承輪、走輪、水泵葉輪、軸套、軸瓦、柱肖、活賽閥體、擋膠板、皮帶輪、轉動輪、棒材、管材、板材等，不僅較好地取代了相應的金屬品，而且使用戶降低了成本，延長了整機及零件的使用壽命，經濟效益有顯著提高。MC尼龍又分為很多種，其中有一種MC901 （藍色），這種改性尼龍6有醒目的蘭色，比普通澆鑄尼龍的韌性高，柔性好，耐疲勞，證明是齒輪，齒條和傳動齒輪的理想材料。MC尼龍的應用范圍越來越廣，效果也越來越顯著，人們從不認識到認識，從試用到應用，逐步認識到MC尼龍應用的卓越性、重要性，MC尼龍已取得了重大的經濟效益。
4.2 進給機構結構設計
進給機構采用滑動螺旋傳動，整個繞線過程中，要纏繞20圈，因此從動齒輪轉動20圈，螺桿也轉動40圈。目前我國常用的螺桿材料有45號鋼、40Cr、氨化鋼、38CrMOAl，高溫合金等。而為了滿足設計要求，本設計中螺桿不采用金屬材料，現(xiàn)在有尼龍材料的螺桿被使用，當強度要求不高，又需要減輕重量時，尼龍螺桿便是一種很好的選擇。
4.3 支架結構設計
由于本裝置是要進行高空作業(yè)，須由操作人員舉至高壓線處，因此，對重量有極高的要求，所以不僅在材料的選擇上，在機構設計時，也要盡量減輕重量，無論是支撐一對齒輪的小架子，還是機構的整體架子，都要盡可能多的減重。
1. 小架子結構設計
小架子的設計目的是要保證繞線時，機構不會搖晃，即保證平衡，同時，支撐著大齒輪。螺桿被安置在和高壓線在一條直線上，這樣，就要求架子能夠保持兩邊平衡，因此，架子既能起到支撐作用，又能保持整體平衡。設計時，高壓線所在的豎直平面相當于架子的對稱中心，架子的結構要完全對稱，才能使機構穩(wěn)定，繞線時，小架子的移動和主動齒輪是完全一致的，沒有相對位移，這是因為在小齒輪和架子之間有個類似套筒的東西，它與主動齒輪用鍵連接，同時用卡環(huán)固定，使軸向固定，這樣，當套筒進給時，帶動架子和主動齒輪同時運動，而且鍵連接使得主動齒輪隨之轉動，與從動齒輪嚙合繞線。套筒狀物體內部有螺紋，這是保證進給的必要條件。小架子與從動齒輪接觸處有一個支撐從動齒輪的約圓筒，圓筒與從動齒輪邊緣處有一個圓柱銷，防止齒輪軸向竄動。在該圓筒上與進給方向相反的一方邊緣處，安裝有一個“V”型彈簧片，當齒輪繞線時，從齒輪進入的高壓線是約為長徑20mm、小徑10mm的橢圓，繞線的鋁線直徑為2mm，所以從彈簧片處離開時，長徑和小徑各增加了4mm左右，這樣，彈簧片的彈力就給了高壓線一個夾緊力，使得纏繞在高壓線上面的鋁線不會松動，起到了緊線的作用。在小架子的一側外部，安裝著進給機構的電動機,該電動機的尺寸（不算軸）為：(mm)。小架子偏底部的位置有兩個孔，分別與兩根平衡桿配合，此處為間隙配合，因為小架子與平衡桿有相對位移，要沿著其軌跡進給。
圖4.2 小架子
2. 大架子結構設計
大架子的主要功能是當機構繞線時，將整個機構掛在高壓線上，減輕操作人員的勞動強度。大架子的兩邊對稱布置著兩個完全相同的四桿機構，該四桿機構由一個直動推桿驅動，在繞線前后，四桿機構通過其中一個桿的直線位移，使掛線處發(fā)生角度變化，進而實現(xiàn)掛線、松開線兩次動作。兩個四桿機構的動作是同步進行的，四桿機構的電機（即直動推桿）也安裝在架子外側，并且四桿機構在外側都有擋板，防止其發(fā)生空間位移，四桿兩邊各有一個實心圓柱體，該圓柱體起到限位作用，使得四桿的原動桿的運動軌跡不能脫離兩個圓柱實體，同時，因為在掛住高壓線之后，幾乎重量都由兩邊的四桿機構承受著，所以，對四桿機構的剛度要求很大，因此，為了增加強度，在四桿的原動桿和圓柱實體處，連接著滑塊，該滑塊剛度很大，可隨著四桿的移動而自由滑動。從減輕重量的角度考慮，架子的兩側和底部都有設置減重成分，即在不影響其結構強度的前提下，可在部分位置去除材料，這樣，可大大減輕重量。架子上方兩邊各有一個類似滑道的結構，因為當操作人員在下方舉著機構時，無法很準確地將高壓線線對準架子中心線部位，加了這一結構后，可以讓架子接近高壓線后，先將高壓線引進滑道，隨后，順著滑道，把高壓線帶進準確位置，這樣對于抓手抓線也有很大幫助。大架子同樣有兩個插桿孔，與兩根平衡桿配合，不過此處應為過盈配合，因為要求固定桿與大架子相對靜止，無相對位移。安裝時，在大架子固定螺桿的孔上方，各有一個向上逐漸變大的孔道，而在螺桿進入架子處，該孔道直徑最大，這樣，只需將螺桿從最大直徑處插入，之后，便會順著孔道落至指定位置，便于安裝。
圖 4.3 大架子
4.4 本章小結
在本部分結構的設計中，考慮到經濟因素和節(jié)能環(huán)保，將進給機構和繞線機構設計成共用一個電動機。該電動機工作時，既要帶動主動齒輪轉動，主動齒輪又與從動齒輪嚙合，進而從動齒輪進行繞線動作，又要實現(xiàn)進給，這就增加了機構的難度。設計時，用一個套筒狀結構解決這一難題，該結構將繞線和進給實現(xiàn)在一個電動機上，借助卡環(huán)和鍵這些標準件的幫助，實現(xiàn)了這兩個功能的結合。這樣的結構設計節(jié)約了能源、減少重量，而且操作方便，尤其是在共用一個電動機這一點上面，充分詮釋了設計初衷。
第5章 抓取機構的設計
5.1 抓線機構結構設計
如圖所示為抓線機構的機構，該機構有一個細長空管，里面有一根拉桿，動力通過這根拉桿由操作人員的手傳向上面的抓線部分。該結構主要部分是拉桿和抓手，拉桿上推時，將抓手之間的角度變大，這樣，手張開一個曲線，將懸著的引線帶進手指之間，然后拉桿向下拉，這時，手指向抓住的高壓線抓緊，將其握住，將機構送至固定高壓線處時，再次向上推拉桿，這時，手指再次張開，將兩根高壓線同時握在手里，將其抓緊。然后送整個支架上去，進行繞線工作。
（a） （b） （c）
圖5.1 抓線機構
5.2 導線握持機構結構設計
導線握持部分采用的是四桿機構。四桿機構的主要優(yōu)點是：連桿機構為低副，運動副為面接觸，壓強小，承載能力大，耐沖擊；運動副元素的幾何形狀多為平面或圓柱面，便于加工制造；連桿曲線可以滿足不同運動軌跡的設計要求。主要缺點有：運動積累誤差較大，因而影響傳動精度；由于慣性力不好平衡，因而不適于應用在高速傳動；設計方法相對復雜。在本設計中，當握線機構不工作時，四桿的握持部分是張開的，有一定角度，當整個機構被送至高壓線處時，直動電機將推桿向上推，同時，握持部分的角度逐漸變小，直至為零，此時，四桿機構將高壓線緊緊握住，動作完成，架子兩邊的把手同時抓線、松線。在抓手的外側，有一個擋板固定，而且發(fā)生角度變化處的推桿也有兩個小圓柱與之接觸，這樣就很好的保證了其穩(wěn)定性。而且，握持部分的內部空間，即與高壓線接觸處，是設計成橢圓形的，這樣當高壓線被握住時，由于接觸緊湊，而且整個該裝置有重力作用，會對高壓線產生作用力，迫使兩根高壓線成豎直排列，避免其晃動，更加便于纏線。
（a） (b)
圖5.2 導線握持機構
5.3 本章小結
本部分的設計主要是抓線、握線部分結構設計。由于高壓線引線是懸在空中的，沒有固定裝置，因此，要對其施力必須先將其抓緊，然后才能使之與固定的高壓線匯合，并用準備好的鋁線纏繞。這一設計要求的滿足主要借助于四桿機構，四桿機構便于安裝制造，而且容易實現(xiàn)運動軌跡的復雜性，是首選機構。
第6章 實體機構裝配
6.1 實體機構裝配
由于CAD技術的快速發(fā)展，迅速而準確地進行輪廓設計早已經成為可能，這一技術將設計者從復雜且繁重的計算和艱巨的繪圖工作中解救出來，但是，CAD技術局限于二維平面圖，缺乏立體感，不能很好的表達特別復雜的機構。因此三維軟件的使用越來越受歡迎，人們在有了基礎設計理念之后，即可利用三維軟件生成實體，通過分析比較，再進行實體裝配，最后，通過運動仿真，來確定最終機構。這樣，就避免了空泛和抽象的想象，將實體表現(xiàn)出來更加形象。例如pro/e畫圖軟件，即可精確、快速的完成機構的三維實體造型，并且通過對機構進行運動仿真，大大的簡化了機構的設計開發(fā)過程，并提高了設計的準確性。
實體裝配時，由于抓線和繞線時分開實現(xiàn)的，所以，裝配也分兩部分進行。
第一部分是抓手部分，將該抓手的主要零部件設計生成實體后，按照裝配關系，將其組裝到一起，并且，裝配之后，進行運動仿真，仿真部分即可看清抓手抓線的動作，比二維圖清晰明了。
第二部分就是繞線部分的裝配和仿真，此處由于涉及的零部件較多，因此，也較為復雜。首先是整個架子的放置，然后裝配支撐主、從動齒輪的小架子，該小架子同大架子一樣，在底部對稱分布著兩個孔，該孔將分別與兩根導桿配合，在小架子處為間隙配合，因為小架子要在導桿上面進給，有相對運動，而與大架子的配合是過盈配合，因為大架子與導桿無相對滑動。放置小架子后，再安裝從動齒輪，從動齒輪的裝配靠與主動齒輪的嚙合來實現(xiàn)，齒輪裝配之后，裝配架子兩邊的掛線機構，該機構的功能實現(xiàn)靠的是四桿機構，該四桿機構由微型蝸輪蝸桿減速電機驅動，電機連著一個推桿，該推桿上、下移動，推動四桿機構上下運動，同時，抓手部分實現(xiàn)分、和動作，從而繞線。抓手與架子的固定主要靠一個圓柱，該圓柱和四桿的活動桿分別于同一個滑塊相配合，這樣，可以保證四桿與整體相對位置的穩(wěn)定性，而且增加了四桿的強度，因為在掛住高壓線之后，整個機構的重量相當于都被四桿機構承受了，這樣，就對四桿的強度要求很高，而且在四桿機構的外側，有一個擋板，這也是為了控制四桿的相對位置穩(wěn)定性，防止其向架子兩側偏移。電機安裝在推桿的下面，與推桿接觸。
1. 抓手部分
如圖所示，其中圖（6.1）中（a）、（b）、（c）圖中零件組裝到一起，構成抓手，（d）、（e）圖裝配到一起，是拉桿部分。
(a)
(b)
(c)
（d）
(e)
圖6.1 抓線手各零件實體圖
2. 繞線部分裝配
(a)爆炸圖 (b)總裝1
（c）總裝2
圖6.2機構整體裝配圖
如圖6.2示，（a）圖為爆炸圖，清晰地表現(xiàn)了各個單一零件在未裝配時的狀態(tài)，（b）圖為將各個零件裝配到一起時的整體效果，而圖（c）為從另一角度觀看到的整體效果。
6.2 本章小結
本章是實體設計的最后部分，從最初的參數(shù)選擇、確定以及結構設計、點機選擇等，都是為這一部分的基礎，實體裝配可以說是對前面工作的一個檢驗過程，也是對運動仿真的鋪墊，在實體裝配過程中，若零件之間的配合有什么問題，都能夠準確的表現(xiàn)出來，尤其是要進行運動仿真時，若機構間存在任何問題，都會對運動仿真產生不利影響，阻礙其順利進行，因此，實體裝配極為重要。
結 論
本設計的題目為無攀爬式全自動高空接線機器人的設計，由題目可知，該設計以全自動為中心，即在無人操作的前提下完成主要功能，如抓線、繞線、進給等動作，它主要是針對目前高空作業(yè)的高難度、危險性大等弊端而設計的，具有傳統(tǒng)接線方法無法比擬的優(yōu)勢。
本設計主要完成的有繞線機構、抓線機構和進給機構的結構設計，并且要保證經濟性、高效率，而且由于工作前要由操作人員舉至高壓線處，因此，對重量有要求。繞線機構采用的是斜齒輪嚙合傳動，進給部分運用滑動螺旋傳動，而抓線部分是四桿機構。由于本設計要求重量在7.5kg以內，因此，材料的選擇尤為重要，不能選擇重型材料，可優(yōu)先選擇塑料、尼龍等輕質材料?？傮w看來，本設計較為合理，能夠滿足低碳經濟、效率高等設計初衷。不過由于其尺寸結構特殊，很多零部件不能選擇標準件，需要特別訂做。本設計的一個主要缺點是抓引線時，還需人借助桿才能實現(xiàn)，這一方面應該加以改進，試圖找到一種全自動的、無需借助人力來完成的機構。這一結構可以應用傳感器技術，進一步完善，從而研發(fā)出一種更加智能化、自動化的抓線機械手。而繞線部分和進給機構雖然能夠完成要求的功能，但是不夠新穎，缺乏創(chuàng)新意識，應該加以優(yōu)化；整體結構上，不夠美觀，很多細節(jié)還有待完善。這些在以后的設計工作中，應該得到改善和解決。
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致 謝
時光荏苒，隨著畢業(yè)設計的圓滿結束，我的大學生活馬上就要畫上句號了?；叵氘厴I(yè)設計忙忙碌碌卻不失充實的兩個月，真是萬分感慨，學了四年的機械設計制造及其自動化專業(yè)，又做過一次課程設計，而到了具體的畢業(yè)設計，不免還有些手忙腳亂，從最初的開題報告，經中期檢查，再到最后的終審和答辯，我經歷了很多困難。尤其要感謝指導老師劉喜平老師，她對于我的無論大小、難易的各種問題，從來都是耐心的指導、細心檢查，甚至還不惜犧牲個人休息時間來幫我們趕進程。還有王金老師，他不是我的指導老師，對于我的屢次打擾，一直都有問必答，王老師忙于實驗室、教室和辦公室之間，卻從不吝惜個人時間，給了我很大幫助。還有各位答辯組老師，在幾次答辯中不厭其煩的給我提出了很多寶貴意見，當然，還有各位曾給予過我極力幫助的同學們，在此，再次感謝各位老師和同學們的全力幫助，沒有你們的幫助，就沒有我畢業(yè)設計的順利完成。
畢業(yè)設計是我畢業(yè)前最后的任務，這幾個月中，經歷了許多，無論是快樂的還是痛苦的，都是我人生中極為珍貴的回憶，因為它是融入我大學生活中最多感慨的一段時光。它讓我體會到了學校濃厚的學習氛圍，對于就不見面的同學來說，也是一個很好的交流和互助機會?？梢哉f，畢業(yè)設計不是個人成績，而是大家的共同成果，更是師生互動的產物。
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