水下船舶清洗機器人結構設計

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稱： 副教授 課題名稱 水下船舶清洗機器人結構設計 課題類型 t 畢業(yè)設計　 　　　　□ 畢業(yè)論文 起止時間 開題報告 （畢業(yè)設計：含課題來源及現(xiàn)狀、設計要求、工作內(nèi)容、設計方案、技術路線、預期目標、時間安排及參考文獻等。字數(shù)為3000以上。） 一、課題來源及現(xiàn)狀 1.1課題來源 　　課題來源于常州太燁傳感科技有限公司。 船舶在長期的航行中，水下部分的船體表面會附有貝類、藻類生物及生出銹斑，嚴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，目前中國國內(nèi)對于這方面的研究還很少，對于壁面清洗機器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墻壁等，但是對于船舶清洗研究的卻是很少，主要是因為船舶清洗是在水下，設計時要考慮水的影響，密封性的要求，水下移動、吸附等問題，增大了設計的難度。據(jù)統(tǒng)計，世界上5萬噸以上的船占船舶總數(shù)的49.4%，這是一部分相當大的業(yè)務對象。而我國雖有大連造船新廠等幾家擁有20萬噸級以上的船塢，但還是與國外存在很大的差距，我國只有在修船效率上下功夫。 實現(xiàn)水下清刷作業(yè)的自動化，用機器人來替代人的操作，將會大大節(jié)約勞動力，降低潛水員的勞動強度，提高修船效率。法國、美國、日本等國家已開展了水下清刷設備的研究，但有的還是需要潛水員下水操作。為了提高修船效率、節(jié)約能源，提高我國在世界修船業(yè)中的地位，研制水下清洗機器人成為需要，水下船舶清洗機器人將大大提高船舶清洗的效率，減少工作量，減少工作強度，實現(xiàn)自動化清洗。該機器人的結構主要分成兩部分：一部分是移動部分，另一部分是清洗部分。移動部分主要解決的問題是機器人在曲面上的移動，清洗部分的結構設計利用清洗盤的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)清洗。 水下清刷作業(yè)由于可以在艦船錨泊或?？看a頭時直接進行，一方面減少了船舶的停航損失，另一方面也使得船舶的燃油水泵大大地降低。這樣可以解決船塢不足，特別是大塢嚴重不足的問題。眾所周知，修船期長，船塢不足，缺少10噸以上的大塢是我國修船業(yè)發(fā)展的重要障礙。而船塢投資巨大，建設周期長，為了提高塢修能力，近年來用于塢修機械化的投資介巨大。 1．2水下清刷技術的國內(nèi)外發(fā)展概況 水下清刷作業(yè)具有減小船舶阻力、減少航速損失和節(jié)約燃料等優(yōu)點，特別是在全球石油危機的影響下，船舶的水下清刷作業(yè)更是得到了廣泛的應用和發(fā)展。 水下清刷技術的發(fā)展分為三個階段。第一階段為手工操作階段，由潛水員下水進行清刷工作。第二階段為機械操作階段，由專用的清洗器、涂裝機等機械完成大型船舶的清刷任務，并具有較高的工作效率。第三階段為遙控機械或機器人作業(yè)階段，為在惡劣的海洋環(huán)境下開展工作提供了保障。 手工操作最早用于對較小船舶水下海生物的清洗，使用成形的氣動或液壓清洗器由潛水員來操作完成。隨著大型船舶特別是大型油輪的出現(xiàn)，手工操作不能滿足高效率和質(zhì)量上的要求，從而出現(xiàn)了較為大型的機械裝置。如多刷清掃器、刷污車等。這一階段的快速發(fā)展一方面是由于大塢的數(shù)量滿足不了修船的需求，另一方面是航運部門在石油危機、油價上漲的壓力下采取了縮減開支和降低油耗的措施。特別是船級社對船舶進塢間隔期的規(guī)定放寬，允許用水下檢驗代替兩年一次的中間檢驗，使得水下清刷技術的應用得到了多方認可。在此基礎上，為進一步適應海洋的惡劣環(huán)境和在低能見度的情況下工作，人們開始尋求自動化和機器人技術在水下的應用，并取得了很大的進步，在水下清刷作業(yè)方面已有較成功的設備被使用。現(xiàn)在世界各地主要航線上都設有水下清刷維修站，如：美國東西海岸、夏威夷、加勒比海、意大利、由路特丹開始的西北歐、波斯灣、新加坡及日本等地都設有水下維修站。在國外。機器人作業(yè)裝置已經(jīng)日趨成熟并走向?qū)嵱没?。目前常用的水下清刷設備有： 1．手持單刷機械：其結構是由液壓或氣動馬達帶動一個毛刷，毛刷質(zhì)地根據(jù)船體污損情況選擇。作業(yè)方式是由潛水員手持轉(zhuǎn)刷，利用轉(zhuǎn)刷產(chǎn)生的負壓使之緊貼船體，推動其向前運動即可。擁有這類產(chǎn)品的有：法國斯塔拉公司及奧切培列特公司、美國海軍等，日本MACSEA清洗系統(tǒng)中也有此類裝置，它可適用于小型船舶及小艦艇。 2．行走多刷式水下清掃裝置：1966年，英國船舶研究計劃中引入了水下清刷及維護項目，即SCAMP(Ship Cleaning and Maintenance Platform)。采用了水下運載工具的設計原理，使裝置緊貼于船舷殼板做垂直或水平爬行，控制箱在工作艇上，遙控操作。它的工作部分由3個轉(zhuǎn)刷，3個行走輪和1個中心推進器構成。動力源是液壓或氣動的。法國的BK型、瑞典的曲雷耳和澳大利亞的Australian型的結構與其大體相同。 3．噴射式清刷裝置：是把高壓水清洗用于水下作業(yè)，特點是為使噴槍緊貼于工作面，必須有一個反向射流，即使用無座力型噴槍，但這樣會增加能量消耗。英國流體力學研究協(xié)會(BHRA)的研究表明，使用高壓噴水器進行清洗可顯著地提高清洗速率。這種裝置一般適用于結構復雜的物體，如：海洋平臺、螺旋槳等的清洗。 4．遙控型清洗器及水下清洗器的微機控制：美國Butterworth公司七十年代初研制成功SCAMP-A型清洗器，對于寒冷海域及能見度低的水質(zhì)情況下進行清掃優(yōu)點顯著，其運動精度低，在船體曲度變化大的部位仍需潛水員下水糾正。法國七十年代末到八十年代初研制了水下清掃機器人裝置，由計算機控制并取得了良好的效果。日本在這方面也開展了大量的研究，取得了成功經(jīng)驗。 在國內(nèi)，水下清刷作業(yè)自1983年在湛江、廈門、天津、秦皇島、煙臺、大連等地建立了由救撈部門開展的業(yè)務以來，做了一定的工作，并引進了幾臺設備，但實際應用中存在著許多問題和困難，業(yè)務量較少。主要是在夏季水溫較高時和在海水可見度高的港口才可以使用，有很大的局限性。主要方式是潛水員水下手工作業(yè)，與國外的無潛水員遙控操作形成了鮮明的對比。 上海救撈局有關廠曾對進口設備進行過研究，并仿制了單刷式清掃器，但效果不好，對于更高層次的產(chǎn)品研究則更少。目前我國船體表面的清理工作主要是在船塢里進行噴砂和高壓水沖洗，如圖所示的是在船塢里對船體表面進行噴砂處理，作業(yè)環(huán)境污染相當嚴重。所以急需研制水下船體表面清刷機器人。 二、設計要求 課題設計中結合文獻分析,盡量提出多種結構和控制部分的設計方案,分析比較,完善水下清洗機器人結構設計. 適當建立模型,對于主要結構進行優(yōu)化設計并運用有限元分析法進行關鍵結構進行受力和變形分析. 三、工作內(nèi)容 　　水下船體清刷機器人的主要任務是完成水下船體表面附著海生物的清除，其工作面是船體表面。水下清刷裝置是水下船體表面清刷機器人的關鍵部件，是用來完成水下船體表面清刷的作業(yè)工具。水下清刷裝置的好壞直接決定水下船體表面清刷機器人的清刷效果。隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，帶來了遠洋運輸事業(yè)的飛速發(fā)展，船舶作為海上交通運輸?shù)闹饕ぞ哒l(fā)揮著越來越大的作用。但海水的強腐蝕性和海洋生物的強附著力，使得船體表面附著難以清除的貝類、銹皮和銹斑等，為了延長船舶的使用壽命，保證船舶的安全運行，船舶必須定期進塢進行檢驗。這就存在著修船期長，船塢不足的問題，同時也增加了船舶的非營運時間和燃油的消耗。所以開展船舶水下清刷作業(yè)，提高水下清刷作業(yè)的自動化水平，是目前急需解決的問題。本課題完成機器人的機構設計，該機器人的結構主要分成兩部分：一部分是移動部分，另一部分是清洗部分.移動部分主要解決的問題是機器人在曲面上的移動，現(xiàn)如今主要的移動機構都只是適應機器人在平面上的移動，而在曲面上的移動卻研究的很少。該課題研究試圖提出利用球連接來適應曲面的移動，采用三個支撐點的結構，其中兩個是固定的，而第三個是利用球連接，同時采用大小兩個三角吸盤，循環(huán)移動來實現(xiàn)機器人的移動，當然該機構也不可避免的存在一些問題。.清洗部分的結構設計利用清洗盤的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)清洗。本次設計主要完成這兩部分的結構設計，利用直流電機驅(qū)動，同時完成二維圖和運動仿真. 四、設計方案和技術路線 　　機器人要完成在船體表面的爬行，一方面通過電磁吸附吸附在船體上，同時機器人在船體上要完成移動。 　　爬行部分主要解決兩個問題，一個問題是機器人在曲面的移動，另一個問題是機器人在船體表面的吸附. 　　對于移動機器人現(xiàn)在的研究主要集中在平面里的移動，例如清洗玻璃的機器人，在玻璃上爬行，清洗管道的機器人等等.下面是現(xiàn)在已經(jīng)存在的幾種機器人及其移動方案： 多吸盤真空吸附式壁面清洗機器人系統(tǒng)，該機器人用于清洗高空玻璃，傳統(tǒng)的清洗方法是靠升降平臺或吊籃承載清潔工進行玻璃幕墻的清洗 ,雖簡便易行,但勞動強度大,工作效率又低 ,屬于高空極限作業(yè) ,對人身安全及玻璃壁面都有很大的危險性.該機器人可以代替人工清洗. 　　　考慮到現(xiàn)場實際中的一些特點以及對壁面清洗機器人的要求 ,該壁面清洗機器人多采用真空式吸附方式。另外，塢內(nèi)清刷也可在船塢里進行船體表面的高壓水清洗和噴砂(丸)處理。 1．高壓水清洗 　　　高壓水清洗是一種既環(huán)保又經(jīng)濟的表面處理手段，在工業(yè)和海洋工程中得到了廣泛的應用。高壓水清洗對環(huán)境沒有灰塵產(chǎn)生，可以方便、快速而又經(jīng)濟回收清理物，而且舊涂膜表面清潔處理不用擔心引起涂膜受沖擊而裂開。但清洗船體表面的海洋附著物為海蝠等貝類時，清洗效果并不理想。 2．噴砂 　　噴砂是以壓縮空氣為動力，將磨料以一定速度噴向被處理的船體表面，對船體表面產(chǎn)生沖擊和切削作用，以除去氧化皮、鐵銹和海洋污損物的一種有效的表面處理方法。絕大多數(shù)噴砂處理需要工人參與，噴砂的扶塵大、噪聲高還有一定的危險性。 機器人系統(tǒng)可以采用由機械本體、清刷作業(yè)裝置和控制系統(tǒng)三部分組成的方案，其已有的系統(tǒng)方案見下圖： 其工作原理為：在船體甲板上放置有一個可自由移動的運載小車，它可使機器人自動爬上或爬下船體表面，克服由于機器人具有的永久吸力帶來的放上取下的不便，并起到運輸作用。小車上有控制柜、CRT顯示器、動力源及卷揚裝置。動力源為水下機器人的移動和清刷作業(yè)提供動力，卷揚裝置隨著機器人的上下移動及時地收放保護纜繩，為機器人提供安全保障條件，同時為機器人輸送動力和控制電纜。顯示器通過安裝在機器人本體上的攝像機，實時地顯示機器人的工作環(huán)境，便于操作者及時了解機器人的工作狀態(tài)。機器人從運載小車爬上船體，先按從上至下的路徑移動，當?shù)竭_船的底部時，機器人旋轉(zhuǎn)180 ，然后再從下至上移動。 五、預期目標 1、完成機器人的結構設計，使所設計的機器人達到所需要的使用功能，結構科學合理。 2、設計對象的測試與性能評價符號相關標準要求。 3、通過畢業(yè)設計訓練，提高設計計算繪圖能力，提升分析問題、解決問題能力。 六、時間安排 3-4周：進行文獻檢索，論文收集，熟悉課題，調(diào)查研究，收集資料，撰寫開題報告； 5-7周：總體方案擬定，功能原理設計，外文資料翻譯； 8-11周：機械結構設計，總圖、部裝圖繪制； 12-13周：方案細化，總圖、部件圖審定、修改； 14-16周： 編寫設計計算說明書； 17-18周： 提交修改畢業(yè)設計資料，準備答辯。 七、參考文獻 1、王麗惠.水下船體表面清刷機器人及相關技術研究.哈爾濱工程人學博士論文 2002.6 2、尹龍. 船體表面水下清刷機器人關鍵技術研究.哈爾濱工程大學碩士學位論文 2004.2 劉淑霞，趙炎正等.高樓壁面清洗機器人及相關技術的研究.自動化博覽. 1999 邵浩，趙言正等. 爬壁機器人在弧面上爬行時的吸附穩(wěn)定性分析.機器人 2000 在我國開展船舶水下維修的可行性．中船總平臺公司.1990 沈為民，潘渙渙等.水冷壁清掃檢測爬壁機器人.機器人. 1999 指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見，設計的結果預測或論文的可行性評價）： 指導教師：　　　　　　　　年 月 日 系部意見： 系主任： 年 月 日 注：開題報告作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一，應在導師的指導下，由學生填寫，經(jīng)導師簽署意見及系部審核后生效。 目 錄 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 2 第2章 總體方案設計 12 2.1 設計的基本要求 12 2.1.1 工藝范圍 12 2.1.2 進給方案的選取 12 2.1.3 吸附結構 13 第3章 進給系統(tǒng)設計計算 14 3.1 切削力的計算 14 3.2 絲杠螺母的設計與計算 14 3.2.1 強度驗算 14 3.2.2 效率計算 15 3.2.3 剛度驗算 15 3.2.4 穩(wěn)定性驗算 16 3.3 電機的選擇 17 3.3.1 計算傳動比 17 3.3.2 轉(zhuǎn)動慣量計算 18 3.3.3 所需傳動力矩計算 18 3.3.4 電機的選擇 19 3.4 軸承的選用與校核 20 3.4.1 角接觸球軸承的選擇 20 3.4.2 深溝球軸承的選擇 21 結論 22 致謝 23 參考文獻 24 千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 - I - 第1章 緒論 1.1 課題背景 課題來源于常州太燁傳感科技有限公司。 船舶在長期的航行中，水下部分的船體表面會附有貝類、藻類生物及生出銹斑，嚴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，目前中國國內(nèi)對于這方面的研究還很少，對于壁面清洗機器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墻壁等，但是對于船舶清洗研究的卻是很少，主要是因為船舶清洗是在水下，設計時要考慮水的影響，密封性的要求，水下移動、吸附等問題，增大了設計的難度。因此研制水下清洗機器人成為需要，水下船舶清洗機器人將大大提高船舶清洗的效率，減少工作量，減少工作強度，實現(xiàn)自動化清洗。該機器人的結構主要分成兩部分：一部分是移動部分，另一部分是清洗部分。移動部分主要解決的問題是機器人在曲面上的移動，清洗部分的結構設計利用清洗盤的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)清洗。本課題主要內(nèi)容包括：國內(nèi)外文獻分析，總統(tǒng)方案設計，水下船舶清洗機器人機械結構設計，裝配圖零件圖的設計，結構優(yōu)化設計。 1.2 課題研究的目的和意義 船舶正常工作時總有一部分沉在水下，常年累月，在水下的船體表面會附著一些貝類、藻類等生物，嚴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，所以每隔一段時間就要對船舶進行清洗.但傳統(tǒng)的清洗方法是工人要潛入水里才能對船舶進行清洗，具有一定的風險性，工作量大，難度大.因此研究水下清洗機器人成為必要.本設計的研究目的就是在于制造出一種在水下可以游動并且可以吸附在船體上的清洗機器人.一方面機器人可以像魚類一樣在水下自由的游動;另一方面該機器人可以通過電磁吸附吸附在船體上并且通過移動裝置在船體上爬行，同時進行清洗.因此該機器人代替了人工潛入水下進行清洗，減少了工人的工作量，減輕了工作強度，實現(xiàn)了水下船舶清洗的自動化，同時對于爬行機器人在曲面上的移動提出了一種新的爬行方式，具有重要意義.。 1.3 現(xiàn)狀 目前中國國內(nèi)對于這方面的研究還很少，對于壁面清洗機器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墻壁等，但是對于船舶清洗研究的卻是很少，一方面船舶清洗是在水下，設計時要考慮水的影響，密封性的要求，水下移動、吸附等問題，增大了設計的難度，目前國內(nèi)有哈爾濱工業(yè)大學于 2003 年研制出了一種水下清洗機器人，采用履帶式移動方式，吸附在船體上清洗船舶.國外一些國家也開始研究清洗機器人，主要是壁面清洗機器人的研究，都取得一些成績，但是在實現(xiàn)復雜運動和清洗功能的技術理論和實踐上仍需要經(jīng)歷一段成熟期. 對于清洗機器人的研究，尤其是水下清洗機器人，目前仍然是處于開始期，還有很多關鍵的技術需要解決，并且水下清洗機器人作為一種新的清洗概念和作業(yè)方式，還有很長一段路要走，但是隨著中國航海事業(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很繁重的任務，如果實現(xiàn)自動化清洗，將大大提高效率，減輕工作量，所以水下清洗機器人有著很好的發(fā)展前景. 爬行方案 機器人要完成在船體表面的爬行，一方面通過電磁吸附吸附在船體上，同時機器人在船體上要完成移動. 爬行部分主要解決兩個問題，一個問題是機器人在曲面的移動，另一個問題是機器人在船體表面的吸附. 爬行方案 對于移動機器人現(xiàn)在的研究主要集中在平面里的移動，例如清洗玻璃的機器人，在玻璃上爬行，清洗管道的機器人等等.下面是現(xiàn)在已經(jīng)存在的幾種機器人及其移動方案：多吸盤真空吸附式壁面清洗機器人系統(tǒng)，該機器人用于清洗高空玻璃，傳統(tǒng)的清洗方法是靠升降平臺或吊籃承載清潔工進行玻璃幕墻的清洗 ,雖簡便易行,但勞動強度大,工作效率又低 ,屬于高空極限作業(yè) ,對人身安全及玻璃壁面都有很大的危險性.該機器人可以代替人工清洗. 考慮到現(xiàn)場實際中的一些特點以及對壁面清洗機器人的要求 ,該壁面清洗機器人多采用真空式吸附方式. 下面是幾種移動方案： 1） 圖1 圖 1 為機器人的本體機構模型 ,它由 2 個外形 基本一樣的框架構成.每個框架下有 3 條腿 ,各由提升氣缸組成 ,每條腿下部有 1 個吸盤組.氣缸伸縮時 ,吸盤便接觸、脫離壁面. 下框架下部安裝有 1 個轉(zhuǎn)動氣缸 ,使得 2 個框架可以相對轉(zhuǎn)動一定的角度.2 個框架中間有 1 個可以相對下框架旋轉(zhuǎn)的圓盤 ,圓盤上有 1 個氣缸和 2 個導軌.機器人可以沿著和2 個框架之間的導軌平行的方向做直線運動. 圖2 運動初態(tài)如圖 2.2a 所示 ,運動開始上框架的腿部吸盤先脫離吸附 ,提升氣缸縮回 ,這就完成了機器人腿部的縮回.然后2框架之間的氣缸伸出 ,上框架便沿著軌道方向相對下框架運動.運動到位后 ,上框架 3 提升氣缸伸出 ,吸盤吸附工作表面 ,如圖 2.2b.隨后下框架的吸盤松開 ,提升氣缸縮回 ,2 框架之間的氣缸縮回 ,下框架便沿著導軌方向靠攏上框架 ,直到恢復到如圖 2.2c 所示樣式.這樣便完成了1個工作循環(huán). 該機器人的驅(qū)動是利用汽缸，吸附是利用真空吸附. 2） 圖3 圖2.3所示是另一種移動裝置，它由八個吸盤組成，外面有四個，里面有四個，并且里面四個吸盤可以通過支撐桿和滾珠絲杠移動，其中吸盤是靠真空吸附. 圖4 圖4表示了爬壁機器人的直線行走過程.在結構設計中使后足的立足點選擇在前足已用過的立足點上,從而減少對障礙的判斷次數(shù)以提高行走速度.圖 4(a)表示為機器人的初始狀態(tài),氣缸小行程伸出,吸盤處于全吸狀態(tài),滑塊處于中位;圖 4(b)表示外側 4個吸盤吸附不動對內(nèi)側 4個吸盤進行真空破壞,使其吸盤松開,內(nèi)側氣缸縮回;圖 4(c)表示前進電機正轉(zhuǎn)帶動滾珠絲杠上的滑塊前進,滑塊和內(nèi)框架一體隨之前進;圖4(d)表示內(nèi)側氣缸伸 出,內(nèi)側 4個吸盤與壁面接觸,產(chǎn)生真空吸附在壁面上圖 4(e)表示內(nèi)側 4個吸盤吸附不動,對外側 4個吸盤進行真空破壞,使其松開,外側氣缸縮回;圖 4(f)表示前進電機反轉(zhuǎn)滾珠絲杠前進,帶動外框架隨之前進;圖 4(g)表示外側氣缸伸出,外側 4吸盤與壁面接觸,產(chǎn)生真空吸附在壁面上,此時內(nèi)外框架 8個吸盤全處于吸附狀態(tài),機器人開始下一運動循環(huán).以上是爬壁機器人的一個步進過程,如此不斷循環(huán),就實現(xiàn)了爬壁機器人的連續(xù)前行. 圖5 該機器人主要由一個主體氣缸、兩個縱向吸盤提升氣缸、一個橫向吸盤提升氣缸、兩組橫向吸盤組以及兩組縱向吸盤組構成. 圖6 圖6為多足爬壁機器人一個步距的行走流程圖.以向前運動為例, 初始狀態(tài)是機器人處于靜止的狀態(tài), 這時機器人可以通過攜帶的探頭對管壁進行清掃和檢測.機器人處于初始狀態(tài)時, 橫向和縱向的真空吸盤都處于提供真空狀態(tài)下, 橫向吸盤提升氣缸處于縮回狀態(tài), 縱向吸盤提升氣缸處于伸出狀態(tài).當縱向吸盤釋放真空, 縱向吸盤提升氣缸縮回時, 橫向真空吸盤處于吸附狀態(tài), 此時主氣缸缸筒是固定的, 在壓縮空氣驅(qū)動下, 活塞桿向前運動一定距離, 隨后縱向吸盤提升氣缸伸出, 縱向吸盤提供真空吸附; 當橫向吸盤釋放真空, 橫向吸盤提升氣缸縮回時, 縱向真空吸盤處于吸附狀態(tài), 此時主氣缸活塞桿是固定的, 在壓縮空氣驅(qū)動下, 氣缸筒向前運動一定距離, 且橫向吸盤提升氣缸伸出, 橫向吸盤提供真空吸附, 完成一個行走過程. 4）目前國內(nèi)關于水下船舶清洗機器人的研究只有哈爾濱工業(yè)大學研制出一種水下清洗機器人，他們的移動是靠履帶完成的，采用永磁吸附，雙履帶機構， 圖7 機器人的吸附機能是由固定在履帶鏈條外翼板上的磁吸附塊來實現(xiàn)的.由鏈條的鏈節(jié)數(shù)決定了每條履帶上每隔一個鏈節(jié)安裝一個磁塊,則履帶一周上均勻鑲嵌有21個橡膠封裝的永磁體塊.在履帶移動的過程中,保證每條履帶上有8個磁塊與容器表面處于良好的吸附狀態(tài),并形成足夠的磁力將機器人吸附在容器表面上,實現(xiàn)吸附功能.在移動的初始時刻,調(diào)整兩條履帶上的磁塊處于相同的狀態(tài),然后由伺服電機輸出驅(qū)動力矩經(jīng)減速器減速后驅(qū)動主動鏈輪,進而帶動履帶表面的磁塊在容器表面上交替吸附,周而復始,實現(xiàn)了機器人在容器表面上的移動. 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，在壁面移動機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現(xiàn)吸附的，真空的產(chǎn)生可以通過真空泵、壓縮空氣或排風機等.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.由排風機產(chǎn)生真空的吸盤，一般真空度較低. 2、磁吸附裝置 磁吸附壁面移動機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、永磁鐵來產(chǎn)生. 電磁式吸附利用直流或交流磁鐵的磁場吸力把對象物吸住.當切斷電流時，磁場消失，對象物即被釋放.本機構就是利用電磁吸附，當磁鐵不通電時，吸盤沒有吸力，當通電時，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.于此同時移動部分利用 間隙時間移動. 永磁吸附是利用永磁鐵來產(chǎn)生磁性吸附，永磁吸附所產(chǎn)生的磁性一直存在，所以移動部分就一直在被吸附物體上，哈工大所研制的清洗機器人就是利用永磁吸附，利用雙履帶移動方式，一直吸附在船體上移動. 本機構是利用機器人的行走完成移動，所以采用真空吸附 清洗方案 清洗方案的選擇，清洗的對象是船體表面，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.同時考慮機器人的本身尺寸大少，清洗圓盤不易過大，并且驅(qū)動要簡單、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，本機構設計簡單，傳動容易設計，同時又可以實現(xiàn)所需功能. 圖8 2）滾筒刷 滾筒刷尺寸小，清洗的力不大，靠滾動來完成清洗，一般用于手動，主要用于清洗玻 璃等比較光滑的表面，清洗力不是很大，并且是靠滾來完成的. 圖9 目前市場上主要有這兩種清洗設備，比較兩種設備，第一種要靠電機來驅(qū)動，第二種主要是靠手動來實現(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，第二種尺寸相對很小. 考慮以上特點，本機器人的清洗機構選擇第一種，但是尺寸選擇變小，利用小型直流電機驅(qū)動，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.對清洗盤的設計主要是選擇合適得材料、毛刷來清洗船體表面，船體表面的污染物對船體有一點的吸附力，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)在市場上也可以買到。 第2章 總體方案設計 2.1 設計的基本要求 2.1.1 工藝范圍 船舶在長期的航行中，水下部分的船體表面會附有貝類、藻類生物及生出銹斑，嚴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，目前中國國內(nèi)對于這方面的研究還很少，對于壁面清洗機器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墻壁等，但是對于船舶清洗研究的卻是很少，主要是因為船舶清洗是在水下，設計時要考慮水的影響，密封性的要求，水下移動、吸附等問題，增大了設計的難度。因此研制水下清洗機器人成為需要，水下船舶清洗機器人將大大提高船舶清洗的效率，減少工作量，減少工作強度，實現(xiàn)自動化清洗。該機器人的結構主要分成兩部分：一部分是移動部分，另一部分是清洗部分。移動部分主要解決的問題是機器人在曲面上的移動，清洗部分的結構設計利用清洗盤的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)清洗。本課題主要內(nèi)容包括：國內(nèi)外文獻分析，總統(tǒng)方案設計，水下船舶清洗機器人機械結構設計，裝配圖零件圖的設計，結構優(yōu)化設計。 2.1.2 進給方案的選取 比較現(xiàn)有移動方案，可以看出移動的實現(xiàn)主要都是依靠兩個相似的機構分別移動來實現(xiàn)前進，而驅(qū)動大多是利用汽缸來驅(qū)動.哈工大的水下清洗機器人的移動是靠雙履帶來實現(xiàn)移動，利用永磁吸附，一直緊貼在船體上移動，驅(qū)動利用電機驅(qū)動.除哈工大的水下機器人外，其他機器人的移動主要是適應平面移動，而對于在曲面上的移動涉及的比較少，本機器人的移動參考以上幾種機器人的移動方式加已改進，具有一定的適應性.移動方案也是采用兩個相似的機構，循環(huán)前進，驅(qū)動是利用電機帶動齒輪在通過絲杠螺母來實現(xiàn)，同時利用電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)連個相似機構的前后運動.如圖10所示， 2.1.3 吸附結構 真空吸附裝置也稱真空吸盤，在壁面移動機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. 本機構用真空吸盤，因為結構簡單，只需油缸的伸出和縮進，完成吸附工作。 第3章 進給系統(tǒng)設計計算 3.1 切削力的計算 查表所得進的力為從《設計手冊》中可得知，在一般徑向載荷： 軸向載荷： 取： , 3.2 絲杠螺母的設計與計算 3.2.1 強度驗算 綜合絲杠的軸向工作負載采用下面公式計算： （4-1） 查《設計手冊》知： ——顛覆力矩影響系數(shù)，采用雙三角形導軌時，取=1.2； ——當量摩擦因數(shù)，三角形導軌時，取=0.1； ——導軌承受的重力，估計重為80kg，故 由公式（4—1）得： 計算最大動載荷Ca： （4-2） 其中，為壽命值，為當量轉(zhuǎn)速，可由下列公式計算： （4-3） （4-4） 式中 ——絲杠推薦壽命，h；查《設計手冊》表3.7-55得，壽命； ——滾珠絲杠導程，mm；初選=10mm； ——最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的1/2~1/3，此處取1/2，=7.6； ——負載性質(zhì)系數(shù)，查《實用機床設計手冊》表3.7-53得按一般運轉(zhuǎn)取1.2~1.5，取=1.2； ——絲杠壽命，以106轉(zhuǎn)為單位。 由公式（4—2），（4—3），（4—4）可得： =23.2KN 根據(jù)額定最大動載荷，選擇滾珠絲杠型號，查《實用機床設計手冊》表3.7-61，選用FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動反向器雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副，其型號為FD4010-4-P2，公稱直徑，絲杠導程為10mm，額定動載荷為40KN，大于23.2KN。滿足強度要求。 3.2.2 效率計算 根據(jù)機械原理公式，絲杠螺母副的傳動效率為： （4-5） 式中 ——摩擦角， ； ——螺旋升角，可由下列公式計算： 其中，=32mm為絲杠公稱直徑，=10mm為絲杠導程。 由公式（4—5）得：。 3.2.3 剛度驗算 滾珠絲杠在軸向力作用下產(chǎn)生拉伸或壓縮，在扭矩的作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)，這將引起絲杠導程的變化，從而影響其傳動精度及定位精度，因此滾珠絲杠應驗算滿載時的變形量。 滾珠絲杠在軸向力作用下的變形量為： （4-6） 式中 ——工作負載,N；； ——滾珠絲杠的導程,mm；=10mm； ——絲杠材料的彈性模量,N/mm2；； ——滾珠絲杠內(nèi)徑截面積,mm2。 絲杠滾珠直徑： 滾道半徑： 偏心距： 滾珠絲杠內(nèi)徑： 滾珠絲杠截面積： 由公式（4—6）得：mm 因扭矩M引起的導程變形量很小，可忽略，即， 所以絲杠長度為1000mm時，導程變形總誤差為: μm/m 對絲杠精度等級為：1、2、3、4、5級，查《實用機床設計手冊》表3.7-22，絲杠每1m長度上允許的變形量不大于5、10、15、30、60μm/m，對不滿足剛度要求時，可采取預拉伸結構，加大絲杠直徑等措施。本設計采用4級精度，，故剛度足夠。 3.2.4 穩(wěn)定性驗算 進給行程較長受力較大，為提高剛度減小機床自身的誤差，采用兩端軸向固定的支撐方式，如圖4-1所示：絲杠螺紋部分長度，等于工作臺最大行程加螺母長度加兩端余程。工作臺行程為=650mm，螺母長度為150mm，查表3.7-25，導程為10mm時，余程為40mm，因此絲杠螺紋部分長度mm。 絲杠支撐跨距，應略大于，取為=1100mm 其中 ——核算壓桿穩(wěn)定性的支承距離,mm； ——核算臨界轉(zhuǎn)速的支承距離,mm。 查《實用機床設計手冊》表3.7-45及表3.7-61得: 圖4-1 絲杠兩端固定支撐方式 為工作行程加絲杠螺母尺寸的一半再加上固定端支撐距離的一半， 為游動端支撐距離的一半加上工作行程加上絲杠螺母的一半，得：, 臨界轉(zhuǎn)速校核： 高速的長絲杠有可能發(fā)生共振，需驗算其臨界轉(zhuǎn)速，不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速： 式中 ——絲杠絲杠支承方式系數(shù)，根據(jù)《實用機床設計手冊》表3.7-37，取3.927； ——受壓面直徑， 其當量轉(zhuǎn)速為，故，值均滿足規(guī)定條件，因而絲杠不會發(fā)生共振和失穩(wěn)。 3.3 電機的選擇 3.3.1 計算傳動比 閉環(huán)傳動比： （4-7） 式中 ——電動機額定轉(zhuǎn)速,r/min；=2000r/min； ——工作臺最大進給速度,mm/min； =7.6m/min=7600mm/min； ——絲杠導程,mm；根據(jù)經(jīng)驗選大些,選=10mm。 由公式（4—7）得： 取，根據(jù)傳動功率，已知v=7.6m/s。擬訂減速齒輪副的齒數(shù)，，模數(shù)mm。 故可取齒輪為：=20， =50，=20°， ， 其分度圓直徑： 中心距：。齒輪經(jīng)校核,滿足要求。 3.3.2 轉(zhuǎn)動慣量計算 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量： 式中 ——絲杠的長度。 工作臺，工件等折算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量： = 式中 ——工作臺重量，取=80kg； 齒輪轉(zhuǎn)動慣量： 絲杠傳動時，一級齒輪降速時，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量： 3.3.3 所需傳動力矩計算 所需力矩： 式中 ——空載啟動時，折算到電機軸上的加速力矩； ——折算到電機軸上的摩擦力矩，； ——由絲杠預緊引起的折算到電動機軸上的附加摩擦力, ； 采用滾珠絲杠時： 最大啟動轉(zhuǎn)矩： 式中 ——折算到電機軸上的總慣量，kg.m2； ——系統(tǒng)時間常數(shù)，=25ms； ——電機轉(zhuǎn)速，r/min；當時計算時計算； 摩擦力矩： 式中 ——導軌摩擦力,N；等于橫向進給系統(tǒng)重力乘以摩擦系數(shù)； ——絲杠螺距，mm； ——降速比； ——傳動鏈總效率，＝0.75～0.85，?。?.8。 附加摩擦力矩： 式中 ——滾珠絲杠未預緊時的效率一般，??； ——最大軸向負載，N； 切削力矩： 對數(shù)控機床而言，因為動態(tài)性能要求較高，所以電動機力矩主要是用來產(chǎn)生加速度的，而負載力矩占的比重很小，一般都小于電動機力矩的 10％～30％，所以按： 計算。 3.3.4 電機的選擇 選擇電動機，要使快速空載啟動力矩小于電動機的最大轉(zhuǎn)矩，即，為電動機輸出轉(zhuǎn)矩的最大值，即峰值轉(zhuǎn)矩，一般，其中為電動機額定轉(zhuǎn)矩，λ為電動機轉(zhuǎn)矩的瞬時過載系數(shù)(交流伺服電機λ=1.5~2) 。 故選擇FANUC交流伺服電機S—1.0其最高轉(zhuǎn)速為2000r/min，最大轉(zhuǎn)矩16 ，額定轉(zhuǎn)矩2.0，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為，重量為4.5kg。交流伺服電機的電機慣量與負載慣量的匹配關系： 式中 ——負載慣量折算到電機軸上的總和， ——電動機轉(zhuǎn)子慣量， 滿足慣量匹配。 3.4 軸承的選用與校核 3.4.1 角接觸球軸承的選擇 進給系統(tǒng)承受軸向力和徑向力，并且承受軸向力不大，可選用角接觸球軸承。根據(jù)軸的尺寸，查《實用機床設計手冊》表3.8-50，選用7006C GB/T292-94 角接觸球軸承，其基本參數(shù)見表4-1所示。 表4-1 7006C角接觸球軸承的基本參數(shù) d(mm) D(mm) B(mm) Cr(kN) Cor(kN) 極限轉(zhuǎn)速（r/min） 脂潤滑 油潤滑 30 55 13 16.2 11.5 9500 14000 軸承壽命校核計算： 根據(jù)《機械設計》，滾動軸承壽命的校核條件為： （4-8）式中 ——軸承應具有的基本額定動載荷，N； ——軸承所受的載荷，N； （4-9）， 查《機械設計手冊》表13-5，得： ，其中e為判斷系數(shù)。 故取。 由公式（4—9）得： 式中 ——軸承的轉(zhuǎn)速，r/min；等于絲杠的當量轉(zhuǎn)速r/min； ——軸承預期計算壽命，h；h； ——壽命指數(shù)，對于球軸承。 由公式（4—8）得： NkN 因為本設計中選用軸承基本額定動載荷為16.2kN，所以滿足要求。 3.4.2 深溝球軸承的選擇 深溝球軸承用在游動端，故承的軸向力可以忽略，因此只考慮其徑向力。根據(jù)軸的尺寸，查《實用機床設計手冊》表3.8-44，選用6306深溝球軸承，如表4-2所示。 表4-2 6306深溝球觸球軸承的基本參數(shù) d(mm) D(mm) B(mm) Cr(kN) Cor(kN) 極限轉(zhuǎn)速（r/min） 脂潤滑 油潤滑 30 72 19 27.0 15.2 9000 12000 游動端徑向力，根據(jù)公式（4-9）X=1,Y=0, N, ,,同上，故由公式（4-8）得，軸承承受的基本動載荷為： 本設計選用的軸承基本額定動載荷為15.8kN，所以滿足使用要求。 結論 經(jīng)過本學期大量時間的悉心研究和查閱大量相關的資料,終于完成了對本機構的設計。 通過這次設計所學到的知識和總結的經(jīng)驗是深刻的,它使我認識到了基礎知識的重要性,綜合設計是基礎知識的堆積、創(chuàng)新的過程。此外,在設計中要始終保持嚴謹認真的態(tài)度,仔細做好每一步,這對我們今后步入社會,踏上工作崗位從事具體研究有重要意義。 致謝 本次設計是在導師的悉心指導與嚴格要求下完成的。從論文的選題、方案的設計、具體的繪圖到論文撰寫的每個環(huán)節(jié),都凝聚了胡老師的心血和汗水。特別是他多次詢問設計進程,并為我細心講解,幫助我開拓思路,精心點撥,熱忱鼓勵。他嚴格的教學態(tài)度,嚴謹?shù)闹螌W精神,精益求精的工作作風都深深地感染和激勵著我。 再次,我還要感謝和我一起做畢業(yè)設計的同學們,有了你們的幫助和支持,才使得我按時完成設計。 謝謝老師和同學們! 參考文獻 [1] 濮良貴. 機械設計（第八版）[M]. 北京：高等教育出版社，2006. 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