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注：本頁藍(lán)色字體部分可點(diǎn)擊查詢相關(guān)專利 SooPAT 磁輪吸附式爬壁機(jī)器人 申請?zhí)枺?00410016429.6 申請日：2004-02-19 申請(專利權(quán))人 上海交通大學(xué) 地址 200240上海市閔行區(qū)東川路800號 發(fā)明(設(shè)計(jì))人 費(fèi)燕瓊 趙錫芳 王建平 主分類號 B25J5/00 分類號 B25J5/00 公開(公告)號 1559759 公開(公告)日 2005-01-05 專利代理機(jī)構(gòu) 上海交達(dá)專利事務(wù)所 代理人 王錫麟 王桂忠 注：本頁藍(lán)色字體部分可點(diǎn)擊查詢相關(guān)專利 SooPAT 輪式越障爬壁機(jī)器人 申請?zhí)枺?01010289327.7 申請日：2010-09-22 申請(專利權(quán))人 上海交通大學(xué) 地址 200240 上海市閔行區(qū)東川路800號 發(fā)明(設(shè)計(jì))人 吳明暉 趙言正 陳善本 付莊 高曉飛 主分類號 B25J5/00(2006.01)I 分類號 B25J5/00(2006.01)I 公開(公告)號 101947776A 公開(公告)日 2011-01-19 專利代理機(jī)構(gòu) 上海交達(dá)專利事務(wù)所 31201 代理人 王錫麟 王桂忠
磁吸附式核電筒體自動探傷車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
爬壁機(jī)器人是機(jī)器人的一種，也是屬于極限作業(yè)機(jī)器人，主要應(yīng)用在垂直壁面、球形體表面上，在搭載相應(yīng)的設(shè)備后，完成壁面的清掃、探傷、噴漆、敷設(shè)管道等多種作業(yè)。研究爬壁機(jī)器人的目的是為了最終讓其代替人類在石化企業(yè)、建筑行業(yè)、消防部門、造船等領(lǐng)域中的危險作業(yè)。它的研究和開發(fā)有著廣闊的前景和良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，受到人們的重視。本文的研究目的是設(shè)計(jì)可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、控制簡單、能夠自主移動動避障、自動作業(yè)的爬壁機(jī)器人[7]。
研制罐體壁爬行機(jī)器人對企業(yè)的發(fā)展具有重大的意義，為了解決其若干關(guān)鍵技術(shù)問題，本文初步建立了爬壁機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，采用永磁輪吸附與可控磁吸盤吸附相結(jié)合的方式進(jìn)行吸附控制，并對機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)問題進(jìn)行分析和仿真，主要研究內(nèi)容如下：
1.研究磁吸附輪式爬壁機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，提出了磁性輪與磁性吸盤聯(lián)合控制磁力的吸附方式，設(shè)計(jì)出罐體壁爬行機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)。
2．針對機(jī)器人在罐體底面及側(cè)面典型危險位置進(jìn)行了靜力學(xué)和動力學(xué)分析，提出了磁力控制方案和差速轉(zhuǎn)向控制方式，并建立了爬壁機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型[11]。
關(guān)鍵詞：爬壁機(jī)器人,磁吸附，運(yùn)動學(xué)模型
磁吸附式核電筒體自動探傷車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
ABSTRACT
The wall-climbing robot is one kind of special robots for special assignments which is mainly used for climbing the vertical wall or spherical wall.and taking the corresponding devices for such functions as wall-cleaning, testing, painting, pipeline-laying. It is in the purpose of replacing humans to work in such risky environments as petrochemical enterprises, construction industry, the fire department, ship-building industry and so on. Its research and development will bring good economic benefits and social values. In this paper, the purpose of the study is to design a highly reliable and widely applicable climbing-robot that can automatically move and avoid obstacles.
Studying tank wall-climbing robot is great significance to the development petrochemical enterprises. In order to solve some key technical issues, the paper established the structure of wall-climbing robot system, adopted the adsorption controlled which combine permanent magnetic wheel adsorption with controlled adsorption plate manner, and then analyzed and simulated the robot kinematics, dynamics, the main research contents are as follows:
1. Studied overall structure of wall-climbing robot magnetic wheel adsorption, proposed the adsorption method which combined magnetic wheel and magnetic plate, designed the overall structure of the tank wall-climbing robot.
2. Carried out static and dynamic mechanical analysis on typical dangerous location of tank bottom and side when the robot is working, proposed magnetic control program and established kinematics and dynamics models of wall-climbing robot.
Keywords: wall-climbing robot, magnetic adsorption, dynamic model
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磁吸附式核電筒體自動探傷車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
目錄
1.緒論 1
1.1選題背景及其意義 1
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢景 2
1.3研究內(nèi)容 6
2.總體方案確定 7
2.1方案選擇 7
2.2移動方式實(shí)現(xiàn) 8
2.3最終方案確定 9
3 探傷車主要部件的設(shè)計(jì)與校核 11
3.1車輪電機(jī)選型 11
3.2 蝸輪蝸桿計(jì)算 13
3.3 軸的設(shè)計(jì)與校核 18
3.4 軸承使用壽命的計(jì)算 23
3.5滾珠絲杠副 24
4 結(jié)論與展望 29
4.1課題總結(jié) 29
4.2課題展望 29
參考文獻(xiàn) 30
致謝 31
1緒論
在煤和石油等化石燃料日益枯竭的今天，化石燃料帶來的環(huán)境問題日益突出的今天，尋找新型能源的要求勢在必行，迫在眉睫，歷數(shù)現(xiàn)階段有潛力的新能源：水能，風(fēng)能，太陽能，核能，地?zé)?，潮汐能等。而眾多新型能源又各自受到各種缺陷與限制，只有核能因?yàn)榫哂匈Y源豐富、清潔、核燃料能量密度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，未來將受到越來越廣泛的應(yīng)用，由于核燃料高度輻射，發(fā)展核電總是繞不開安全問題。自1951年12月美國實(shí)驗(yàn)增殖堆1號（EBR-1）首次利用核能發(fā)電以來，在60余年的核電發(fā)展史上，人類曾發(fā)生過前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故與日本福島核泄漏兩次嚴(yán)重事故，給當(dāng)?shù)貛砹私鯕绲臑?zāi)難。核燃料的高輻射注定了在檢驗(yàn)核電筒體焊縫等安全問題時由人操作會帶來巨大的人生安全，因此在核電發(fā)展中，若是以機(jī)器檢測壁面的焊縫問題，可在最早時間內(nèi)將安全情況傳遞給工作人員，及時進(jìn)行一系列的措施來應(yīng)對，大大降低了人的生命威脅概率。
1.1選題背景及其意義
隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展與人類安全意識的不斷提高，人們對生產(chǎn)安全的要求也越來越高，使得機(jī)器人在各個領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。以機(jī)器人代替人類從事各種危險、繁重、重復(fù)、單調(diào)及有毒有害的工作是當(dāng)今社會發(fā)展的一個趨勢。而爬壁機(jī)器人是移動機(jī)器人領(lǐng)域的一個重要分支，它能在壁面與頂部上靈活移動，并完成一定的極限任務(wù)。目前，國內(nèi)外許多家科研機(jī)構(gòu)都在這一領(lǐng)域展開了研制開發(fā)工作。總體概括起來，爬壁機(jī)器人主要用于以下幾個方面：
(1)核工業(yè)：對核廢液儲罐進(jìn)行視覺檢查、測厚及焊縫探傷等工作；
(2)石化工業(yè)：對立式金屬罐或球形罐的內(nèi)外壁面進(jìn)行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐；
(3)建筑行業(yè)：噴涂巨型墻面、安裝瓷磚、壁面清洗、擦玻璃等；
(4)消防部門：用于傳遞救援物資，進(jìn)行救援工作；
(5)造船業(yè)：用于噴涂船體的內(nèi)外壁等[16]；
而運(yùn)用于核電筒體上的爬壁探傷儀，其本質(zhì)就是爬壁機(jī)器人，它可在垂直壁面移動，完成壁面的焊縫探傷檢測作業(yè)。核電是利用核能發(fā)電，一旦發(fā)生核泄漏，在壁面上進(jìn)行探傷的工作人員會吸收到大量的核輻射，直接嚴(yán)重危害到人的生命。所以若是以機(jī)器檢測壁面的焊縫問題，可在最早時間內(nèi)將情況傳遞給工作人員，可及時進(jìn)行一系列的措施來應(yīng)對，因此大大降低了人的生命威脅概率。
利用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行罐體探傷作業(yè)安全可靠，而且效率高、可控性好。目前國內(nèi)外已經(jīng)研究、開發(fā)了各種爬壁機(jī)器人，用于施工、作業(yè)的機(jī)器人主要以磁吸附、真空吸附以及二者的復(fù)合吸附為主。可以攀爬垂直的玻璃墻幕、船體垂直壁面及儲罐壁面等。負(fù)壓或真空吸附對壁面的可吸附性具有一定要求，且存在高噪聲等不利因素。對于絕大部分鐵磁性金屬結(jié)構(gòu)來講，永磁吸附是可靠性最高的工作方式，尤其是對于工作內(nèi)壁凹凸不平事，難以利用負(fù)壓吸附工作。永磁吸附相對于電磁吸附來講吸附單元的重量要小得多，而且安全性不受電力供應(yīng)意外的影響。機(jī)器人在大型作業(yè)面上工作時，需要攜帶電纜、管線、作業(yè)設(shè)備，并承受作業(yè)的反作用力，通常需要很大的吸附力。導(dǎo)致機(jī)器人的本體重量比較大，其中磁體是主要的重量部件。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢景
作為移動機(jī)器人領(lǐng)域的一個重要分支，爬壁機(jī)器人把地面移動機(jī)器人技術(shù)與吸附技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，可在垂直壁面上附著爬行，并能攜帶工具完成一定的作業(yè)任務(wù)，大大擴(kuò)展了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。
為了在壁面工作環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，爬壁機(jī)器人必須具有兩個基本功能：一是壁面吸附功能和移動功能。按吸附方式來分，主要分為真空吸附和磁吸附兩種方式。真空吸附又分為單吸盤和多吸盤兩種結(jié)構(gòu)形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)壁面凸凹不平時，容易使吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低;磁吸附可分為永磁鐵和電磁鐵兩種，要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，但它的結(jié)構(gòu)簡單，吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附方式，且對壁面的凹凸適應(yīng)性強(qiáng)，不存在真空吸附漏氣的問題，因而當(dāng)壁面是導(dǎo)磁材料時優(yōu)先選用磁吸附爬壁機(jī)器人。二是按移動方式來分，有車輪式、履帶式和足腳式。車輪式移動速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難;履帶式對壁面的適應(yīng)性強(qiáng)，著地面積大、不易轉(zhuǎn)彎;足腳式移動速度慢，但帶載能力強(qiáng)[10]。
1.2.1國外爬壁機(jī)器人的研究現(xiàn)狀
國外爬墻機(jī)器人的研究狀況主要有以下幾個方面：
1）單吸盤真空吸附式爬墻機(jī)器人：這是利用單一真空（或機(jī)器人本身就是機(jī)殼就是密封裝置）與 壁面間形成一個真空室。這種形式的爬墻機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化并結(jié)構(gòu)簡單易于控制。但是要求壁面有一定的平滑度，越障能力低。對于復(fù)雜壁面環(huán)境不適應(yīng)，當(dāng)遇到較大的溝槽或凹凸面時，吸盤內(nèi)的負(fù)壓難以維持，存在相對滑動，吸盤桾邊磨損較為嚴(yán)重。
2）多吸盤真空吸附式爬墻機(jī)器人：出于單吸盤結(jié)構(gòu)對壁面的適應(yīng)能力較差，許多學(xué)者采用了多個真空吸盤，進(jìn)行吸附力分散形式的爬墻機(jī)器人的研究，為多吸盤式壁面移動機(jī)器人的研制做出了有意義的探索和嘗試。因此，在單吸盤爬墻機(jī)器人的基礎(chǔ)上，多吸盤結(jié)構(gòu)得到了迅速的發(fā)展。
3)磁吸附式爬墻機(jī)器人：只適用于導(dǎo)磁性材料構(gòu)成的墻面，能產(chǎn)生較大的吸附力，且不受壁面凹凸或裂縫的限制。磁吸附式爬墻機(jī)器人可分為電磁體式和永磁體式兩種，電磁體式機(jī)器人維吸附需要電能，但控制比較方便；永磁體式機(jī)器人不受斷電的影響，使用中安全可靠。目前，研究的磁吸附式壁面移動機(jī)器人多為永磁體式。
4）其他類型爬墻機(jī)器人：出于傳統(tǒng)機(jī)器人的性能受到限制，例如，磁吸附式爬墻機(jī)器人受到壁面材料特性的限制，真空吸附式爬墻機(jī)器人受到壁面凹凸和多孔狀況的限制。因此，人們研制出了一些其他形式的機(jī)器人，例如：飛行式、繩索牽動式和粘著劑吸附式等爬墻機(jī)器。
日本是世界上率先開展了壁面移動機(jī)器人研究工作的國家，1966年大阪府立大學(xué)工學(xué)部講師西亮，設(shè)計(jì)了一種利用電風(fēng)扇進(jìn)氣側(cè)低壓空氣產(chǎn)生的負(fù)壓進(jìn)行吸附的壁面移動機(jī)器人的理想原型機(jī)。在1975年，已他又從實(shí)用角度考慮，研制出一種用單吸盤結(jié)構(gòu)吸附，以輪子行走的第二代壁面攀爬機(jī)器人。
1989年,日本東京工業(yè)大學(xué)的宏油茂男研究開發(fā)了吸盤式磁吸附爬壁機(jī)器人,吸盤與壁面之間有一個很小的傾斜角度,這樣吸盤對壁面的吸力仍然很大,每個吸盤分別由一個電動機(jī)來驅(qū)動,與壁面線接觸的吸盤旋轉(zhuǎn),爬壁機(jī)器人就隨著向前移動,這種吸附機(jī)構(gòu)的吸附力可以達(dá)到很大。
日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出了車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人，它可以吸附在各種大型構(gòu)造物如油罐、球形煤氣罐、船舶等的壁面，代替人進(jìn)行檢查或修理等作業(yè)。這種爬壁機(jī)器人靠磁性車輪對壁面產(chǎn)生吸附力，其主要特征是：行走穩(wěn)定速度快，最大速度可達(dá)9m／min，適用于各種形狀的壁面，且不損壞壁面的油漆。
美國也是開展壁面移動機(jī)器人研究較早的國家。1989年，美國西雅圖的HenryR Seemann在波音公司的資助下研制出一種真空吸附履帶式爬壁機(jī)器人。其兩條履帶上各裝有數(shù)個小吸附室,隨著履帶的移動,吸附室連續(xù)地成真空腔而使得履帶貼緊壁面行走。
最近幾年，美國的研究小組真正揭示了壁虎在墻上爬行的秘密，這個秘密就是分子間的作用力一一范德華力。斯坦福大學(xué)教授馬克·庫特科斯基的研究小組開發(fā)一種具有粘性腳足的壁虎狀機(jī)器人?！氨诨C(jī)器人”足底有數(shù)百萬個極其微小的毛發(fā)，微小的聚合體毛墊能確保足底和墻壁接觸面積大，進(jìn)而使范德瓦爾斯粘性達(dá)到最大化。借助這些毛發(fā)，它就能令足底粘上壁面。
除此之外，德國、西班牙、俄羅斯、英國、澳大利亞等國家都相繼開展了壁面移動機(jī)器人研究。
1990年以來,西班牙馬德里CSIC大學(xué)工業(yè)自動化研究所研制出一種6足式爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人為磁吸附式,具有較大的靜載荷,目的是為了工業(yè)上的應(yīng)用。
1997年俄羅斯莫斯科機(jī)械力學(xué)研究所研制出的用于大型壁面和窗戶清洗作業(yè)的爬壁機(jī)器人也采用單吸盤結(jié)構(gòu)。該機(jī)器人利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生真空負(fù)壓來提供吸附力,吸盤腹部裝有4個驅(qū)動輪,機(jī)器人可在壁面全方位移動。
20世紀(jì)90年代初,英國樸次茅斯工藝學(xué)校研制了一種多足行走式的爬壁機(jī)器人,采用模塊化設(shè)計(jì)。機(jī)器人由兩個相似的模塊組成,每個模塊包括兩個機(jī)械腿和腿部控制器。機(jī)械腿采用仿生學(xué)機(jī)構(gòu),模擬大型動物臂部肌肉的功能,為兩節(jié)式, 穩(wěn)定性好,承載能力大,利于機(jī)器人的輕量化,并能跨越較大的障礙物[9]。
1.2.2國內(nèi)爬壁機(jī)器人的研究現(xiàn)狀
自1988年以來,在國家“863”高技術(shù)計(jì)劃的支持下,哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所已經(jīng)成功研制我國第一臺壁面爬行遙控檢測機(jī)器人。它采用負(fù)壓吸附,全方位移動輪,用于核廢液儲存罐罐壁焊縫缺陷檢測。該機(jī)器人采用的是單吸盤結(jié)構(gòu),彈簧氣囊密封,保證了機(jī)器人具有較高爬行速度和可靠的附著能力。1995年研制成功金屬管防腐用磁吸附爬壁機(jī)器人,采用永磁吸附結(jié)構(gòu),靠兩條履帶的正反轉(zhuǎn)移動來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。該機(jī)器人可以為石化企業(yè)金屬儲料罐的外壁進(jìn)行噴漆、噴砂,以及攜帶自動檢測系統(tǒng)對罐壁涂層厚度進(jìn)行檢測。
上海大學(xué)談士力等人設(shè)計(jì)開發(fā)了面向球形存儲罐檢修的球面移動爬壁機(jī)器人,它采用真空吸附方式和腿足式移動機(jī)構(gòu),可以適應(yīng)不同曲率半徑的曲面,并可跨越300 mm高的障礙。
1996年以來,北京航空航天大學(xué)先后研制成功 “吊籃式擦窗機(jī)器人”和“藍(lán)天潔寶”等幕墻清洗機(jī)器人樣機(jī)。其中，該吊籃式清洗機(jī)器人依靠樓頂上的安全吊索牽引移動,利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓使機(jī)器人貼附在壁面上。
近年來,上海交通大學(xué)也開展了爬壁機(jī)器人的研究。設(shè)計(jì)了一種自身無行走機(jī)構(gòu)而依靠壁面牽引實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動的壁面清洗機(jī)器人樣機(jī)。機(jī)器人腹部的兩個吸盤交替抬起和吸附可實(shí)現(xiàn)跨越水平窗框障礙運(yùn)動[9]。
1.2.3爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢
驅(qū)動、傳感、控制等硬軟件技術(shù)的發(fā)展極大地推動了爬壁機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,實(shí)際應(yīng)用的需求也對爬壁機(jī)器人的發(fā)展提出了挑戰(zhàn),爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢歸結(jié)起來主要有以下幾方面。
(1)新型吸附技術(shù)的發(fā)展。吸附技術(shù)決定了機(jī)器人的應(yīng)用范圍，目前應(yīng)用比較成熟的吸附技術(shù)主要有磁吸附和真空吸附方式，都有很大的局限性,在很多情況下難以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。因此,開發(fā)和研究新型吸附技術(shù)是當(dāng)前爬壁機(jī)器人領(lǐng)域的一個重要方向，其中，仿壁虎腳掌仿生粘性材料的發(fā)展是當(dāng)前新型吸附技術(shù)發(fā)展趨勢。
(2)爬壁機(jī)器人的任務(wù)由單一化向多功能化方向發(fā)展。過去所研制的爬壁機(jī)器人大多用于清洗、噴涂、檢測等作業(yè),作業(yè)任務(wù)往往只局限于單一的任務(wù)。而目前人們則希望爬壁機(jī)器人能夠裝備多種工具,在不同的場合進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的功能。這樣可以減小人類使用機(jī)器人的成本，有利于爬壁機(jī)器人的發(fā)展。
(3)小型化、微型化是當(dāng)前爬壁機(jī)器人發(fā)展的趨勢。在滿足功能要求的前提下,體積小、質(zhì)量輕的機(jī)器人可較小能耗,具有較高靈活性,可以承載更多的負(fù)荷，有利于實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的多功能性，并且在某些特殊場合也需要機(jī)器人具有小的體積。各種微型驅(qū)動元件、控制元件及能源供應(yīng)方式的發(fā)展,以及在納米材料方面取得的進(jìn)步，為小型化、微型化奠定了基礎(chǔ)。
(4)由帶纜作業(yè)向無纜化方向發(fā)展。帶纜作業(yè)極大地限制了機(jī)器人的作業(yè)空間,所以,為了提高機(jī)器人的靈活性和擴(kuò)大工作空間,無纜化成為現(xiàn)在和未來爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢。
(5)由簡單遠(yuǎn)距離遙控向智能化方向發(fā)展。與人工智能相結(jié)合,使機(jī)器人在封閉環(huán)境中能夠具有一定的自主決策能力,完成任務(wù),并具有自我保護(hù)能力,是移動機(jī)器人發(fā)展的重要方向,也是爬壁移動機(jī)器人的重要發(fā)展方向。
(6)可重構(gòu)是機(jī)器人適應(yīng)能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。為了使機(jī)器人能夠應(yīng)用于不同場合,根據(jù)任務(wù)需求,在不需要重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)條件下,充分利用已有的機(jī)器人系統(tǒng),應(yīng)使機(jī)器人具有可重構(gòu)性,即具有模塊化結(jié)構(gòu)。根據(jù)任務(wù)需求,可以把需要的模塊直接連接起來組成新的機(jī)器人。此可以大大降低機(jī)器人的制造成本[14]。
具體到機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，由于傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人具有很多的不足之處(如對壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強(qiáng)，跨越障礙物的能力弱，體積大，質(zhì)量重等)，因此未來爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向著實(shí)用化的方向發(fā)展。
(1)吸附方式
吸附技術(shù)一直是爬壁機(jī)器人發(fā)展的一個瓶頸,它決定了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。目前,吸附方式主要有真空負(fù)壓吸附、磁吸附、螺旋槳推力及粘結(jié)劑等幾種方式。由于目前應(yīng)用比較成熟的吸附技術(shù)都有很大的局限性,在很多情況下難以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。因此,開發(fā)和研究新型吸附技術(shù)是當(dāng)前爬壁機(jī)器人領(lǐng)域的一個重要方向。近年來,人們通過研究壁虎等爬行動物腳掌的吸附機(jī)理,制作出高分子合成的粘性材料,這些材料利用分子與分子之間的范德華力,在很小的接觸面積上就可獲得巨大的吸附力,而且具有吸附力與表面材料特性無關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。模仿壁虎等動物腳掌的仿生粘性材料的發(fā)展是當(dāng)前新型吸附技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。
(2)移動方式
在移動機(jī)器人中，輪式和履帶式移動方式已獲得廣泛的應(yīng)用，但是足式移動方式具有輪式和履帶式所沒有的優(yōu)點(diǎn)。足式移動方式的機(jī)器人可以相對較容易地跨過比較大的障礙（如溝、坎等），并且機(jī)器人的足所具有的大量的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動更加靈活，對凸凹不平的地形適應(yīng)能力更強(qiáng)。足式機(jī)器人的立足點(diǎn)是離散的，跟壁面接觸的面積小，可以在可達(dá)到的范圍內(nèi)選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。正是由于足式結(jié)構(gòu)多樣、運(yùn)動靈活，適應(yīng)于各種形狀的壁面上，而且能夠跨越障礙物，因此足式結(jié)構(gòu)將在爬壁機(jī)器人上有著較好的應(yīng)用前景。
(3)能源供應(yīng)及驅(qū)動方式
傳統(tǒng)伺服電機(jī)因功率重量比低，必須安裝在遠(yuǎn)離驅(qū)動的地方，而且電機(jī)高速運(yùn)行后需有減速齒輪來降低速度，致使傳動系統(tǒng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)累贅，不能滿足實(shí)用化的要求，為此需要研制利用功能材料構(gòu)成的體積小、重量輕、高效率密度的新型電機(jī)。
微特電機(jī)所組成的驅(qū)動伺服系統(tǒng)和位置速度傳感系統(tǒng)是機(jī)器人關(guān)鍵部件，研制開發(fā)直接驅(qū)動、大力矩、小體積、重量輕、精度高、反應(yīng)靈敏、工作可靠的各類微特電機(jī)是提高我國機(jī)器人的研究開發(fā)水平，滿足國內(nèi)機(jī)器人高性能微特電機(jī)的基礎(chǔ)保障。因此微特電機(jī)在機(jī)器人應(yīng)用的前景是非常樂觀的，而且要求微特電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，滿足機(jī)器人智能化、可靠、靈活、長壽命的需要。因此爬壁機(jī)器人使用微特電機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢可歸納為朝高精度、高可靠性、直接驅(qū)動、新原理、新結(jié)構(gòu)、機(jī)電一體化、超微化方向發(fā)展。
綜上所述，目前國內(nèi)外對于爬壁機(jī)器人的研究正處于飛速發(fā)展水平，因其可在垂直陡壁或高空極限空間代替人進(jìn)行危險作業(yè)，已被廣泛地應(yīng)用于清洗、消防、檢測等多個行業(yè)。但爬壁機(jī)器人在吸附能力和運(yùn)動靈活性上還存在一些問題。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，一般要求爬壁機(jī)器人攜帶一定重量的負(fù)載，這就要求它具備可靠、穩(wěn)定而又足夠大的吸附力。但這一要求得到滿足的同時，其運(yùn)動速度、越障能力、轉(zhuǎn)向靈活性、壁面適應(yīng)能力等必然會受到不同程度的限制。因此，為解決這一矛盾，需要尋找一種可以方便地控制其吸附力大小的吸附方式以及設(shè)計(jì)靈活輕便的移動機(jī)構(gòu)。這是爬壁機(jī)器人在相當(dāng)長一段時間所要面對的問題之一[15]。
1.2.4爬壁機(jī)器人面臨難題
（1）吸附及密封技術(shù)：面對凹凸不平復(fù)雜的壁面完成探傷任務(wù)，要求吸附機(jī)構(gòu)必須要產(chǎn)生一定的吸附力，使機(jī)器人能攜帶檢測裝置安全可靠地吸附在壁上。
（2）移動技術(shù)：移動機(jī)構(gòu)要體積小，重量輕，轉(zhuǎn)動靈活、移動速度快等，使機(jī)器人可以在壁面上移動，并可靈活自如地調(diào)節(jié)移動的速度和方向，具有較強(qiáng)的越障能力（例如：（壁上的凹坑、裂紋、腐蝕等）
（3）控制技術(shù)：必須保證信號通訊的實(shí)時性，可靠性?？刂茩C(jī)器人的整體工作，進(jìn)行檢測、故障診斷和綜合分析，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各個部分裝置的協(xié)調(diào)配合[17]。
1.3研究內(nèi)容
本課題名為磁吸附式核電筒體自動探傷車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，其研究目標(biāo)是對核電筒體壁面上的探傷作業(yè)提供可以代替人工進(jìn)行作業(yè)的專用探傷機(jī)構(gòu)，為了安全有效地工作，該探傷機(jī)構(gòu)要保證爬行可靠、移動靈活、定位準(zhǔn)確。在此基礎(chǔ)上，要盡可能使其本體質(zhì)量輕、體積小、操作方便。本課題將對機(jī)器人的吸附方式、移動方式、轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)方式、驅(qū)動方式、傳動機(jī)構(gòu)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。先后完成資料查閱、方案確定、零部件選擇設(shè)計(jì)及計(jì)算、二維裝配圖與零件圖繪制、編寫說明書等工作?；跈C(jī)器人的工作環(huán)境是在核電筒體壁面，對機(jī)器人進(jìn)行了一系列合理的設(shè)計(jì)。
2.總體方案確定
2.1方案選擇
2.1.1吸附方式
該探傷儀要想在垂直的壁面上運(yùn)動，必須保證機(jī)構(gòu)能夠穩(wěn)定吸附在壁面上，防止滑落、跌落、傾倒等不利因素的產(chǎn)生，因此要設(shè)計(jì)合理而可行的吸附機(jī)構(gòu)。爬壁探傷儀現(xiàn)有的吸附方式主要分為真空吸附、磁吸附和推力吸附。由于筒體表面是導(dǎo)磁性材料，且凹凸不平，為了提高吸附力，選用磁吸附法。磁吸附方式又分為永磁吸附和電磁吸附。而采用磁吸附中的永磁體吸附比較安全可靠，即使突然斷電，探傷儀也不會發(fā)生墜落現(xiàn)象，而電磁鐵要實(shí)現(xiàn)吸附功能就要受到電源通斷電的限制，另外永磁吸附可產(chǎn)生更強(qiáng)的吸附力。綜合各方面因素考慮，選取永磁吸附方式。
2.1.2移動方式
爬壁探傷儀按移動功能分主要是足腳式、車輪式和履帶式和框架式。車輪式移動速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難；履帶式對壁面的適應(yīng)性強(qiáng)，著地面積大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易轉(zhuǎn)彎；足腳式吸附能力強(qiáng)，承載能力大，能跨越一定的障礙，但是移動速度慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大；框架式結(jié)構(gòu)簡單，越障能力和帶載能力均較強(qiáng)，但移動速度慢，有間歇性。車輪式設(shè)計(jì)簡單方便，故采用車輪式。
2.1.3驅(qū)動方式
常用于探傷儀的驅(qū)動方式有液壓式驅(qū)動、氣壓式驅(qū)動和電動式驅(qū)動。相對于電動式驅(qū)動氣壓驅(qū)動需要?dú)庠矗€(wěn)定性差，攜帶負(fù)載有限，控制繁瑣；液壓傳動構(gòu)造復(fù)雜，運(yùn)動速度慢，信號傳遞困難，并且由于采用磁盤吸附的行走方式，所以采用電機(jī)驅(qū)動的方式。電機(jī)驅(qū)動具有很多優(yōu)點(diǎn)：電機(jī)體積小、重量輕，驅(qū)動反應(yīng)快、控制性能好，正反轉(zhuǎn)反應(yīng)快。用于機(jī)器人控制方面的電機(jī)主要有步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電磁脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。伺服電機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械原件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機(jī)分為直流和交流伺服電動機(jī)兩大類。而直流電機(jī)體積小、負(fù)載能力強(qiáng)、功率大、控制簡單、易于調(diào)速等，所以選用直流步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式。
2.1.4傳動機(jī)構(gòu)
由于直流電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速非常高（1500r/min以上），因此需要減速裝置。常用的減速裝置有齒輪傳動和蝸輪蝸桿傳動。為了防止爬壁機(jī)器人在豎直筒壁上靜止時不會向下滾動，采用蝸輪蝸桿裝置，它具有自鎖功能，可以保證車輪被制動而不能繞自身軸線作自由轉(zhuǎn)動。傳動裝置包括電動機(jī)、蝸輪蝸桿減速器、聯(lián)軸器、軸、軸承等。
2.1.5執(zhí)行機(jī)構(gòu)
探頭的移動通過滾珠絲杠螺母調(diào)節(jié)方式。圖2-1是探頭調(diào)節(jié)方式原理圖，其工作原理是壓緊力調(diào)節(jié)電機(jī)陳云滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠螺母和緊力傳感器以及軸套用螺栓固定在一起，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D點(diǎn)，另一端鉸接在軸套上C點(diǎn),軸套在圓周方向相對固定，因此滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動將帶動絲杠螺母沿軸線方向在滾珠絲杠上來回滑動，從而帶動推桿運(yùn)動。進(jìn)面推動連桿AB嬈支點(diǎn)A轉(zhuǎn)動，使探頭達(dá)到升降高度的目的。
圖2-1 探頭調(diào)節(jié)方式原理圖
2.2移動方式實(shí)現(xiàn)
探傷車在實(shí)現(xiàn)移動的情況下，還要考慮小車的速度調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)向、后退等動作。本課題選用的是步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械原件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。步進(jìn)電機(jī)可使控制速度，位置精度比較準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。因此可以通過控制系統(tǒng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)探傷車速度的變化。輪式移動機(jī)器人的轉(zhuǎn)向方式有很多種，其中差動轉(zhuǎn)向方式是最常用而且安全、可靠的一種方式。其原理是通過對驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速的控制來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，控制簡單，位姿準(zhǔn)確。要探傷車實(shí)現(xiàn)后退功能可設(shè)計(jì)一個直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路。
2.3最終方案確定
2.3.1移動機(jī)構(gòu)確定
本課題研究的是一個磁吸附式核電筒體自動探傷車機(jī)構(gòu)，基于爬壁機(jī)器人可以攜帶檢測裝置快速完成立式金屬壁面的探傷任務(wù)，選擇車輪式的結(jié)構(gòu)。車輪式結(jié)構(gòu)分為三輪式、四輪式和六輪式三種情況。根據(jù)實(shí)際作業(yè)的環(huán)境要求，爬壁機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)要求質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、爬行穩(wěn)定等特點(diǎn)。因此機(jī)器人本體設(shè)計(jì)選用磁性輪作為爬行機(jī)構(gòu)，采用前兩輪單獨(dú)驅(qū)動的輪式結(jié)構(gòu)，前兩輪不共軸，后兩輪共軸設(shè)計(jì)。探傷車通過控制系統(tǒng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過聯(lián)軸器帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，經(jīng)過蝸輪蝸桿減速后傳遞到蝸輪軸，再經(jīng)過聯(lián)軸器帶動后輪軸轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)后輪轉(zhuǎn)動。探傷車移動機(jī)構(gòu)如圖2-2所示。
圖2-2 探傷車移動機(jī)構(gòu)
2.3.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)確定
探頭部分通過電機(jī)帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)絲杠螺母的直線運(yùn)動，推桿一端固定在螺母上，螺母的直線運(yùn)動使得探頭會繞著支點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)了探頭位置的變化。執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2-3所示。
圖2-3 探傷車執(zhí)行機(jī)構(gòu)
3 探傷車主要部件的設(shè)計(jì)與校核
3.1車輪電機(jī)選型
小車受力分析：靜止時可能出現(xiàn)兩種危險情況，一是爬壁機(jī)器人在壁面上滑落；二是爬壁機(jī)器人在壁面上發(fā)生傾覆。
爬壁車靜態(tài)示意圖如圖3-1：
圖3-1 爬壁車靜態(tài)示意圖
其中：為壁面對車輪的彈力；
為車輪收到的吸附力；
為車輪所受的摩擦力；
為車輪部分所受的重力。
小車靜止時：
∑Y=0 （3-1）
所以要保證小車不向下滑動，需滿足
其中：μ為橡膠與鋼鐵之間的靜摩擦系數(shù)，取μ=0.75
機(jī)器人不顛覆條件：
（3-2）
其中：S為前輪到后輪的垂直距離，h為車輪中心道壁面距離
取兩者中較大值，并且去安全系數(shù)
所以
（3-3）
因此要保證小車能安全停放在壁面上，需保證每個輪子受到到的吸附力不低于50N。
設(shè)定機(jī)器人的行走速度為0.1m/s，車輪直徑d=109mm，因此從車輪出來的轉(zhuǎn)速
考慮機(jī)器人的總重量m=10kg，由于機(jī)器人行走時受到摩擦力作用，在此設(shè)定其摩擦系數(shù)，則所需力矩:
M= （3-4）
基于上述計(jì)算得出以下兩個關(guān)鍵數(shù)據(jù)：
從車輪出來的轉(zhuǎn)速：n=6.4rpm；所需提供的扭矩T=5.6N.m；
電機(jī)功率計(jì)算：
首先計(jì)算出電機(jī)負(fù)載功率，
（3-5）
經(jīng)初步估計(jì)電機(jī)經(jīng)減速箱的減速比不會很大因此將減速箱的傳動效率設(shè)定為0.8，將中間機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動效率設(shè)定為0.5，因此這個傳動結(jié)構(gòu)的機(jī)械效率
由此根據(jù)電機(jī)功率傳遞不變原則，計(jì)算出電機(jī)功率
在此設(shè)定電機(jī)功率為150w。由于所選電機(jī)功率為150w且所選電機(jī)為直流有刷伺服電機(jī)，暫選定電機(jī)的額定電壓為24V,基于此兩項(xiàng)可選定RE 40系列中訂貨號為：148867的電機(jī)；額定轉(zhuǎn)速為693rpm，根據(jù)車輪出來轉(zhuǎn)速可知總傳動比
電機(jī)扭矩校核：
考慮傳動機(jī)構(gòu)中的傳動損耗，應(yīng)有
M==0.17*0.4*109=7.4Nm （3-6）
大于負(fù)載扭矩滿足要求。
綜上所述，網(wǎng)上查得選取電機(jī)型號為：RE 40系列中訂貨號為：148867的電機(jī)；總減速比為109，功率為150w。這個減速比為減速箱和中間齒輪這兩者減速比之積。電機(jī)具體參數(shù)如下表3-1所示
表3-1 RE40電機(jī)參數(shù)
電機(jī)參數(shù)
單位
額定電壓下數(shù)值
額定電壓
v
24
空載轉(zhuǎn)速
rpm
7580
空載電流
mA
137
額定轉(zhuǎn)速
rpm
6930
額定轉(zhuǎn)矩
mNm
170
額定電流
A
5.77
堵轉(zhuǎn)扭矩
mNm
2280
堵轉(zhuǎn)電流
A
75.7
最大效率
%
91
額定轉(zhuǎn)矩
mNm
630
額定電流
A
8.37
堵轉(zhuǎn)扭矩
mNm
10600
堵轉(zhuǎn)電流
A
133
最大效率
%
83
3.2 蝸輪蝸桿計(jì)算
3.2.1選擇材料
由于蝸桿傳動功率較小，速度較小，故蝸桿用45鋼；因需要效率高，耐磨性較高，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為45—55HRC。
渦輪用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造。由于渦輪尺寸較小，開采用整體澆鑄式。
3.2.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
根據(jù)開式蝸桿傳動設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。
傳動中心距：
（1）確定作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩
按 估取效率，則
= （3-7）
（2）確定載荷系數(shù)K
因?yàn)楣ぷ鬏d荷不穩(wěn)定，取載荷不均系數(shù)；由《機(jī)械設(shè)計(jì)》（西北工業(yè)大學(xué)編）表11—5選取使用系數(shù)；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動載系數(shù)；則：
K=
（3）確定彈性影響系數(shù)
由于鑄錫磷青銅ZCuSn10P1渦輪與45鋼蝸桿相配，取
（4）確定接觸系數(shù)
先假設(shè)蝸桿分度圓直徑和傳動中心距的比值
從圖11—18知
=2.9
（5）確定許用接觸應(yīng)力
根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC，可以從表11—7中差得渦輪的基本許用應(yīng)力。
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（3-8）
壽命系數(shù)
（3-9）
則
（6）計(jì)算中心距
（3-10）
考慮制作工藝性，將中心距取為40
根據(jù)表11—2 中心距為40mm，取m=1，蝸桿分度圓直徑。
這時，從圖11—18中可查接觸系數(shù)；
由于，因此以上計(jì)算結(jié)果可用。
3.2.3 蝸桿渦輪的主要參數(shù)和幾何尺寸
（1）蝸桿
軸向齒距
直徑系數(shù)
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
分度圓導(dǎo)程角
蝸桿軸向齒厚
蝸桿齒寬
（2）渦輪
渦輪齒數(shù) ； 變位系數(shù)；
驗(yàn)算傳動比
這時傳動比誤差為，允許；
渦輪分度圓直徑
渦輪喉圓直徑
渦輪齒根圓直徑
渦輪咽喉母圓半徑
3.2.4 校核齒根彎曲強(qiáng)度
（3-11）
當(dāng)量齒數(shù)
29.51
根據(jù)，從圖11—19中可知齒形系數(shù)；
螺旋角系數(shù)
；
許用彎曲應(yīng)力
從表11—8中查得由制造的渦輪的基本許用彎曲應(yīng)力。
壽命系數(shù)。
彎曲強(qiáng)度是滿足的。
3.2.5 驗(yàn)算效率
（3-12）
已知與相對滑動速度有關(guān)。
從表11—18中用插值法差得、 ；
則
與原估計(jì)值接近，不用反算。
3.2.6 精度等級公差和表面粗糙度的確定
考慮到所設(shè)計(jì)的蝸桿傳動是動力傳動，屬于通用機(jī)械減速器，從圓柱蝸桿、渦輪精度中選擇8級精度，側(cè)隙種類為，標(biāo)注為。后由有關(guān)手冊查得要求的公差項(xiàng)目和粗糙度，此處從略。
3.3 軸的設(shè)計(jì)與校核
3.3.1 軸的材料選取
選取45鋼，調(diào)制處理，參數(shù)如下:
硬度為HBS＝220
抗拉強(qiáng)度極限＝650MPa
屈服強(qiáng)度極限＝360MPa
彎曲疲勞極限＝270MPa
剪切疲勞極限＝155MPa
許用彎應(yīng)力=60MPa
3.3.2初步估計(jì)軸的最小直徑
軸上的轉(zhuǎn)速功率由以上機(jī)械裝置的運(yùn)動和動力參數(shù)計(jì)算部分可知
=47.7；=0.75 取=11
輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處的直徑.為了使所選的軸的直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，故需要同時選取聯(lián)軸器型號。
聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，查表14-1，考慮到轉(zhuǎn)矩變化小，故取則
＝=1906800
按照計(jì)算轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（軟件版）R2.0，選HL5型彈性套柱銷連軸器，半聯(lián)軸器孔的直徑，長度L＝100mm，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度。故?。?8mm
3.3.3根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
（1）選取d=20mm, 。因I-II軸右端需要制出一個
定位軸肩，故取
（2）初選滾動軸承。因軸承只受徑向力的作用，，故選用深溝球軸承，參照工作
要求， 由軸知其工作要求并根據(jù)＝25mm，選取單列圓錐滾子軸承
33015型,由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(軟件版)R2.0查得軸承參數(shù)：
軸承直徑：d＝10mm
軸承寬度：B＝10mm，D=18mm
所以
（3）右端滾動軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。取33215型軸承
的定位軸肩高度h=3mm,因此，取
3.3.4計(jì)算過程
圖3-2 軸的計(jì)算簡圖
1）根據(jù)軸上的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計(jì)算簡圖。確定軸承的支點(diǎn)位置大致在軸承寬度中間。
故
因此作為簡支梁的支點(diǎn)跨距
計(jì)算支反力:
作用在軸上的
==5120N （3-13）
=1263.8N
水平面方向 ΣMB＝0
故
=0
垂直面方向 ΣMB＝0，
故
ΣF＝0
2)計(jì)算彎距
水平面彎距
==185295
垂直面彎矩
合成彎矩
==197190
==197190
根據(jù)軸的計(jì)算簡圖做出軸的彎距圖和扭距圖?？煽闯鯿截面為最危險截面，現(xiàn)將計(jì)算出的截面C處的及M的值列于下表3：
表3-2 軸截面參數(shù)
載荷
水平面H
垂直面V
支反力
彎距M
總彎距
扭距T
T＝1307.2 N·m
3.3.5按彎扭合成應(yīng)力校核軸的硬度
進(jìn)行校核時，通常只校核軸上承受最大彎距和扭距的截面（即危險截面C）的強(qiáng)度。根據(jù)課本式15－5及上表中的值，并扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取α＝0.6，軸的計(jì)算應(yīng)力
＝ MPa＝13.166 MPa （3-14）
已由前面查得許用彎應(yīng)力
[σ－1]=60MPa
因<[σ－1]，故安全。
3.3.6精確校核軸的疲勞強(qiáng)度
1)判斷危險截面
截面A，Ⅱ，Ⅲ，B只受扭矩作用，雖然鍵槽、軸肩及過渡配合所引起應(yīng)力集中均將削弱軸的疲勞強(qiáng)度，但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度較為寬裕地確定的，所以截面A，Ⅱ，Ⅲ，B均無需校核。
從應(yīng)力集中對軸的疲勞強(qiáng)度的影響來看，截面和IV和V處的過盈配合引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重；從受載的情況看，截面C上的應(yīng)力最大。截面IV的應(yīng)力集中的影響和截面V的相近，但截面V不受扭距作用,同時軸徑也較大，故可不必作強(qiáng)度校核。截面C上雖然應(yīng)力最大，但應(yīng)力集中不大（過盈配合及槽引起的應(yīng)力集中均在兩端),而且這里軸的直徑最大，故截面C不必校核。因而只需校核截面IV的右側(cè)即可，因?yàn)镮V的左側(cè)是個軸環(huán)直徑比較大，故可不必校核。
2)截面IV右側(cè)
抗彎截面系數(shù)
W＝0.1d3＝0.1×853＝61412.5mm3
抗扭截面系數(shù)
WT＝0.2d3＝0.2×853＝122825mm3
彎矩M及彎曲應(yīng)力為:
M＝197190×＝100112 N·mm
＝ ＝ ＝1.63MPa
截面上的扭矩
截面上的扭轉(zhuǎn)切力:
＝＝＝10.6Mpa
過盈配合處的的值，由課本附表3-8用插入法求出，并取
，＝2.20
則
0.8×2.20＝1.76
軸按磨削加工，由課本附圖3-4查得表面質(zhì)量系數(shù)＝0.92
故得綜合系數(shù)值為：
＝ ＝＝2.29
＝ ＝＝1.85
又由課本§3－1及§3－2得炭鋼得特性系數(shù)
＝0.1～0.2 ，取 ＝0.1
＝0.05～0.1 ，取 ＝0.05
所以軸在截面Ⅵ的右側(cè)的安全系數(shù)為
=103.30
＝26.32
25.505>S＝1.6
（因計(jì)算精度較低，材料不夠均勻，故選取s＝1.6）
故該軸在截面Ⅳ右側(cè)的強(qiáng)度也是足夠的。因無大的瞬時過載及嚴(yán)重的應(yīng)力循環(huán)不對稱性，故可略去靜強(qiáng)度校核。
3.4 軸承使用壽命的計(jì)算
軸承為6008深溝球軸承,查手冊得C=17KN
軸承工作時間為：
h＝2×8×8×365＝46720h
（1）求兩軸承的徑向載荷和
（2）由于低速級為圓柱直齒輪傳動，故軸承不受軸向力
（3）求當(dāng)量動載荷P5和P6
取載荷系數(shù)fp=1.2，則軸承當(dāng)量動載荷為：
由于P6>P5,則取P6計(jì)算：
（3-15）
所以低速軸軸承選擇滿足壽命要求。
3.5滾珠絲杠副
3.5.1 進(jìn)給滾珠絲杠副的軸向剛度
進(jìn)給滾珠絲杠副軸向剛度表示滾珠絲杠副及其支承部件抵抗其軸向彈性變形的能力。用彈簧常數(shù)表示，按下式計(jì)算
???? =F/δ1 （3-15）
式中 ——進(jìn)給滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)軸向剛度，400N/μm
F——施加于進(jìn)給絲杠的軸向負(fù)載，8.93N
δ1——進(jìn)給滾珠絲杠副軸向彈性位移，1.82μm
——絲杠軸向剛度，61.35N/μm
——螺母組件軸向剛度，320N/μm
——支承軸承軸向剛度，43.26N/μm
——螺母支架及軸承支架軸向剛度，298.6N/μm
??（1） 絲杠軸向剛度計(jì)算
絲杠的軸向剛度因安裝方式不同而不同。
雙推—支承安裝絲杠的軸向剛度
采用雙推—支承方式安裝絲杠時，絲杠的軸向剛度隨載荷作用點(diǎn)至雙推支承真?zhèn)€間隔變化而改變。其最小剛度按下式計(jì)算
????式中 A—絲杠的斷面積，60mm2
（d為螺紋小徑，10mm）
E—絲杠材料的彈性模量，對于鋼材E=2.07×105MPa
La—載荷作用點(diǎn)距雙推支承的最大間隔，40mm
附圖a為日本精機(jī)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)滾珠絲杠雙推—支承安裝時的軸向剛度圖。
圖3-3 滾珠絲杠軸向剛度圖
雙推—雙推安裝絲杠的軸向剛度
采用雙推—雙推安裝絲杠時，其軸向剛度計(jì)算公式為
式中 L—兩雙推支承端間隔，40mm
由上式可以看出，絲杠采用雙推—雙推方式安裝時，剛度也是變化的，且在處軸向剛度值最小，其最小值
附圖b為日本精機(jī)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)滾珠絲杠雙推—雙推安裝時的軸向剛度圖。
?3.5.2 螺母的剛度
螺母剛度實(shí)為螺母組件的剛度，包括滾珠和絲杠、螺母螺紋滾道的軸向剛度。
根據(jù)赫茲接觸理論，滾珠和螺紋滾道間的軸向彈性變形量δN按下式計(jì)算
?。é蘭） （3-16）
式中 α——滾珠的接觸角，（30°）
F——軸向載荷，8.93N
——滾珠直徑，3mm
Z——每圈有效載荷滾珠數(shù)
Z=πDm/(cosφ)=9
Dm——螺母公稱直徑，10mm
φ——螺旋升角，（90°）
1） 進(jìn)給滾珠絲杠副為單螺母時，假如軸向工作載荷即是30％動額定載荷Ca，其剛度KN=0.8K′1（K′1為產(chǎn)品樣本尺寸表中給出的剛度值）；假如軸向載荷不即是30％動額定載荷Ca時，其軸向剛度按下式計(jì)算
? 2）帶預(yù)壓載荷的雙螺母軸向剛度
當(dāng)預(yù)壓載荷Fao=0.1Ca時，其剛度KN按下式計(jì)算
?? ??KN=0.8K′1
???? 當(dāng)Fao≠0.1Ca時，剛度KN計(jì)算公式為
????式中 Fao——預(yù)壓載荷，450N
??3.5.3支承軸承的剛度KB
不加預(yù)壓載荷時，軸承軸向剛度按下式計(jì)算
?? ??KB=F/δB
????式中 F——軸向載荷，320N
δB——軸承軸向彈性位移量，8.35μm
施加預(yù)壓載荷時，軸承軸向剛度計(jì)算公式為
????KB=3Fao/δao
????式中 Fao——軸向預(yù)壓載荷，346N
δao——在預(yù)壓載荷作用下，軸向彈性位移，9.51μm
各種軸承的軸向彈性位移量δB計(jì)算公式如下：
?、僮詣诱{(diào)心滾珠軸承
②圓錐滾柱軸承
③止推滾珠軸承
????式中 α——接觸角，（30°）
Q——加于軸承一個轉(zhuǎn)動體上的載荷，560N
d0——軸承轉(zhuǎn)動體的直徑，10mm
l——軸承滾柱的有效接觸長度，30mm
Z——軸承轉(zhuǎn)動體個數(shù)
??1 螺母及軸承支承部件的剛度
螺母支架的剛度，已在螺母剛度計(jì)算時乘以系數(shù)0.8計(jì)進(jìn)。軸承安裝部件的剛度可通過采用高剛度支承部件解決。
??2 進(jìn)給滾珠絲杠副的扭轉(zhuǎn)剛度
??影響進(jìn)給滾珠絲杠副扭轉(zhuǎn)變形的主要因素是絲杠。下面僅就絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行討論。
絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度是指絲杠抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力，其計(jì)算公式為
（3-17）
式中KT—絲杠扭轉(zhuǎn)剛度，345N.mm/rad
θ—扭轉(zhuǎn)角，12rad
M—扭矩，0.84N.mm
G—絲杠材料抗剪彈性模量，對鋼材
G=8.24×104MPa
JP——截面慣性矩，對實(shí)心絲杠
，20mm4
3進(jìn)給滾珠絲杠副的傳動剛度
在載荷作用下，進(jìn)給滾珠絲杠副的軸向彈性變形為
絲杠的扭轉(zhuǎn)變形為
此角折算成滾珠絲杠副的軸向變形量為
式中 t——滾珠絲杠導(dǎo)程，110mm
故滾珠絲杠副總的軸向變形為
由可得
式中 K——進(jìn)給滾珠絲杠副傳動剛度，280N/μm
由于δ2δ1，所以計(jì)算絲杠扭轉(zhuǎn)剛度KT時，x取以下數(shù)值
4 結(jié)論與展望
4.1課題總結(jié)
本文以探傷爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)為主線，在系統(tǒng)地綜述了國內(nèi)外爬壁機(jī)器人研究發(fā)展概況以及未來發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，針對鋼鐵墻面的特點(diǎn)和探傷作業(yè)的要求，對爬壁機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì),并結(jié)合理論力學(xué)的相關(guān)知識，對爬壁機(jī)器人的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。
論文取得的主要研究成果如下：
1．通過對國內(nèi)外爬壁機(jī)器人的研究，確定了筒壁爬行機(jī)器人的吸附方式、移動方式、驅(qū)動方式、傳動方式執(zhí)行機(jī)構(gòu)方式最終設(shè)計(jì)出了采用永磁磁性輪的爬行機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，機(jī)器人采用后輪驅(qū)動方式，由兩個步進(jìn)電機(jī)提供動力，通過蝸輪蝸桿減速后傳遞到后車輪軸帶動車輪轉(zhuǎn)動。另外設(shè)計(jì)出了執(zhí)行機(jī)構(gòu)探頭，由電機(jī)、絲桿及滾珠絲杠構(gòu)成，是探頭能實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動。
2．論文對機(jī)器人進(jìn)行受力分析，通過計(jì)算得出了機(jī)器人需要的吸附力以及驅(qū)動力，確定了機(jī)器人的基本參數(shù)。
3．論文對機(jī)器人設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了校核，保證各部件均能滿足要求，確定了方案的可行性。
4.2課題展望
本課題為磁吸附式核電筒體探傷車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，文中對探傷車的本體機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算，由于探傷爬壁機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)所涉及到的技術(shù)知識面較廣，其所需完成的工作量大，受時間和經(jīng)驗(yàn)限制，本課題對其研究尚很有限，在該方向上很多后續(xù)工作需要完成。
1.本課題的研究目前還只能停留在理論與圖紙階段。由于不具備充足的實(shí)驗(yàn)條件，沒有做出探傷機(jī)器人的實(shí)物，課題中所需的一些實(shí)際參數(shù)也不能精確得到確定與論證。
2.本課題主要著眼于探傷機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對機(jī)器人的一些控制系統(tǒng)未做具體設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。
3.本課題在探頭設(shè)計(jì)方面還不全面，未能設(shè)計(jì)出多自由度靈活的探頭機(jī)構(gòu)，現(xiàn)有探頭僅能實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動。
4.由于永磁體磁吸附力計(jì)算復(fù)雜，本課題在磁吸附力方面沒有具體計(jì)算，因而對永磁車輪結(jié)構(gòu)沒做具體設(shè)計(jì)。
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