鐵罐外壁爬行機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)含8張CAD圖
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鐵罐外壁爬行機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(lái)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
II
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
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
附錄1：外文翻譯 20
附錄2：外文原文 24
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(jué)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(mén) 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(lái)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(kāi)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(lái)，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(lái)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(mén)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(huà)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(wú)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(lái)說(shuō)，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(wú)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(lái)爬壁機(jī)器人有四種移動(dòng)方式，分別是步行式、履帶式、車(chē)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(chē)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(pán)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(chē)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T(mén)5/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(wàn)
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(kāi)線蝸桿基圓直徑：
漸開(kāi)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，故取Ⅱ-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(guò)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(lái)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)?，，綜上可以求得，
（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(lái)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(chē)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(guò)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(guò)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(lái)的鐵罐外壁爬行機(jī)器人的未來(lái)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(lái)說(shuō)，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(wú)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)
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附錄1：外文翻譯
新型爬壁機(jī)器人多向磁化永磁吸附裝置的設(shè)計(jì)
引言：
一種用于爬壁機(jī)器人的多向磁化永磁吸附裝置(PMAD)。在相同質(zhì)量下，新型PMAD能顯著提高吸附力。首先，基于本文提出的設(shè)計(jì)理論，對(duì)新型PMAD的磁路進(jìn)行了優(yōu)化。新型PMAD包含多個(gè)排列緊密的不同磁化方向的永磁體。根據(jù)磁化方向的排列規(guī)律，磁體可分為若干個(gè)元件單元。在每個(gè)元件單元中，磁化方向沿半圓分布.其次，采用有限元分析軟件ansys workbench對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模和結(jié)構(gòu)特征分析。 對(duì)新型PMAD進(jìn)行了特性分析、磁路模擬、吸附力計(jì)算和參數(shù)優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，提出了材料和體積相同的新型和Halbach型PMAD。 都是試制的。測(cè)定了不同氣隙厚度下的吸附力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同質(zhì)量下，與Halbach型PMAD相比，新型PMAD的吸附力平均提高了一倍，最大放大倍數(shù)為2.3倍。最后，將新型pMADs應(yīng)用于爬壁機(jī)器人的超聲波檢測(cè)中，提供了穩(wěn)定可靠的吸附性能。
1. 概況
爬墻機(jī)器人作為一種特殊的移動(dòng)機(jī)器人，可以在墻、天花板等二維或復(fù)雜的三維環(huán)境中執(zhí)行各種任務(wù)，除移動(dòng)機(jī)器人用輪子或腿在地面上移動(dòng)外，爬墻機(jī)器人還具有在移動(dòng)時(shí)保持身體對(duì)抗重力的獨(dú)特特性。 因此，在爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)中，既要考慮移動(dòng)性，又要考慮吸附性。根據(jù)吸附方式的不同，爬壁機(jī)器人可分為五類：真空吸附式、磁吸附式、夾持式、導(dǎo)軌式和仿生t型。 YPE3磁性吸附，包括永磁吸附和電磁吸附，比真空吸附更適用于鐵磁表面。
一般來(lái)說(shuō)，磁路的設(shè)計(jì)應(yīng)該是為了最大限度地利用其中的材料。另一方面，如果在移動(dòng)設(shè)備上安裝PMAD，則PMAD質(zhì)量的降低可以提高移動(dòng)設(shè)備的移動(dòng)性。因此，優(yōu)化PMAD的磁路以增加吸附量是非常必要的。
2. 多向磁化PMAD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
將不同的部件單元緊密地布置可以使泄漏通量最小化并集中更多的磁感應(yīng)。 “期望區(qū)域”中的n行。同樣，沿y軸兩側(cè)也有泄漏通量。使任意兩個(gè)相鄰的元件單元排斥，可以使不同成分的回路產(chǎn)生排斥。 NT單位不相交。隨著組分N的加入量和磁體長(zhǎng)度LM的增加，漏通量的比例減小，比吸附力fm增大。 ND逐漸接近上限值。
3. 新型PMAD在爬壁機(jī)器人中的應(yīng)用
為了驗(yàn)證這種新型PMAD的可行性和實(shí)用性，在一個(gè)爬壁機(jī)器人上安裝了PMAD。爬墻機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示.
爬壁機(jī)器人的質(zhì)量為7.9kg，整體尺寸320 mm×300 mm×120毫米攀壁機(jī)器人是為自動(dòng)爬墻而設(shè)計(jì)的。攀壁機(jī)器人是為了能夠自動(dòng)爬墻而設(shè)計(jì)的。液壓發(fā)電站飛行時(shí)間的超聲波檢測(cè)繞射法(TOFD)，可在水電站中任意位置移動(dòng)大型壓力管和蝸殼。
圖1爬墻機(jī)器人的結(jié)構(gòu)
爬壁機(jī)器人由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)前輪和兩個(gè)由兩個(gè)通用輪組成的后驅(qū)動(dòng)輪。機(jī)器人的速度和位移通過(guò) 調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的速度和角度。TOFD探針被探頭夾持，并被彈簧緊緊地壓在墻上。兩個(gè)ToFD探頭之間的距離可以通過(guò)沿導(dǎo)軌移動(dòng)探針夾持器來(lái)調(diào)節(jié)。導(dǎo)軌由升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降。監(jiān)控?cái)z像機(jī)MONITTO 前面的場(chǎng)景。兩個(gè)ToFD探頭之間的距離可以通過(guò)沿導(dǎo)軌移動(dòng)探針夾持器來(lái)調(diào)節(jié)。導(dǎo)軌由升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降。監(jiān)控?cái)z像機(jī)MONITTO 前面的場(chǎng)景。兩個(gè)新穎的PMAD安裝在底盤(pán)下。PMAD中永磁體的安裝方式與上述實(shí)驗(yàn)相同。
圖1底盤(pán)下的PMAD
圖2吸附力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)
圖3 吸附力FM與距離L的關(guān)系曲線
從結(jié)果中可以看到。1和2，所述PMAD通過(guò)連桿和螺桿對(duì)與底盤(pán)連接，所述四個(gè)部分構(gòu)成吸附力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。如圖15所示，r 調(diào)整螺桿對(duì)可調(diào)節(jié)PMADs的位置，然后調(diào)整吸附力。當(dāng)L＝23 mm時(shí)，新的PMADs與鋼平面平行，氣隙厚度為5 mm； 吸附力的計(jì)算值約為1000 N，對(duì)操作者來(lái)說(shuō)吸附力較大，而螺桿對(duì)則能有效地降低操作力。PMAD從280 N增加到991 N，新型PMAD的吸附力始終大于Halbach型PMAD，說(shuō)明了新型PMAD的優(yōu)點(diǎn)。
為了比較新型PMAD和Halbach型PMAD在實(shí)際系統(tǒng)中的性能，在爬壁機(jī)器人中安裝了兩種體積相同的PMAD。在 E實(shí)驗(yàn)中，L距離從5mm增加到23 mm，吸附力fm用平均重復(fù)測(cè)量值測(cè)量。吸附力FM與d的關(guān)系曲線 如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與第四節(jié)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本一致。當(dāng)L從5mm增加到23 mm時(shí)，吸附力fm
除上述超聲波檢測(cè)爬壁機(jī)器人外，新型pmad還可為其他全位置爬壁機(jī)器人提供高性能的吸附裝置。
4. 結(jié)論
本課題成功地設(shè)計(jì)并演示了一種新型的PMAD，它能產(chǎn)生更大的單位質(zhì)量吸附力。主要結(jié)論如下：
（1） 根據(jù)設(shè)計(jì)理論，提出了一種多向磁化PMAD。設(shè)計(jì)理論認(rèn)為，一般情況下，pmad只應(yīng)由永磁體和比吸附f組成。 當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)等于最優(yōu)值時(shí)，Orce FM等于理論最大FM。這種新型PMAD是由一些排列緊密的具有多方向剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br-矢量的永磁體組成的。磁鐵可分為幾個(gè)組分。
（2） 采用有限元法對(duì)新型PMAD進(jìn)行了參數(shù)化建模、結(jié)構(gòu)特性分析、磁路模擬吸附力計(jì)算和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。大 比吸附力FM隨磁體長(zhǎng)度LM、組分單元N的數(shù)量和單元n中磁體數(shù)量的增加而增大，且趨于極限。T型 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后，比吸附力FM達(dá)到理論最大FM的80%。
（3） 多向磁化PMAD能顯著提高比吸附力Fm。試驗(yàn)生產(chǎn)了材料和體積相同的新型和Halbach型PMAD.關(guān)系c 測(cè)量了比吸附力fm與氣隙厚度lg之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所測(cè)值與計(jì)算值接近，符合要求。 與Halbach型PMAD相比，新型PMAD的C吸附力Fm平均翻一番。
（4） 多向磁化PMAD為爬壁機(jī)器人提供了一種新型的高性能吸附解決方案.新型pmad和Halbach型pmad在爬壁機(jī)器人f中的應(yīng)用 或超聲檢測(cè),并相互比較。
（5） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該新型PMAD具有較好的性能。
（6） 新型PMADS的吸附力可從280N改為991 吸附穩(wěn)定可靠。
附錄2：外文原文
致 謝
經(jīng)過(guò)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(wú)法正確切入設(shè)計(jì)主題，還有在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于沒(méi)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(wèn)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(guò)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(kāi)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！
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