隧道清潔機械手設(shè)計
隧道清潔機械手設(shè)計,隧道清潔機械手設(shè)計,隧道,清潔,機械手,設(shè)計
南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
學(xué)院(系)：
機械工程學(xué)院
專 業(yè)：
機械工程及自動化
學(xué) 生 姓 名：
學(xué) 號：
設(shè)計(論文)題目：
隧道清潔機械手設(shè)計
起 迄 日 期:
2014年2月24日~ 2014年5月31日
設(shè)計(論文)地點:
南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
指 導(dǎo) 教 師:
胡小秋
專業(yè)負責(zé)人:
黃曉華
發(fā)任務(wù)書日期: 2014年 2 月 24日
任務(wù)書填寫要求
1．畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書由指導(dǎo)教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學(xué)生所在專業(yè)的負責(zé)人審查、系部領(lǐng)導(dǎo)簽字后生效。此任務(wù)書應(yīng)在第七學(xué)期結(jié)束前填好并發(fā)給學(xué)生；
2．任務(wù)書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標準格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，不得隨便涂改或潦草書寫，禁止打印在其它紙上后剪貼；
3．任務(wù)書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）完成的情況相一致，若有變更，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過所在專業(yè)及系部主管領(lǐng)導(dǎo)審批后方可重新填寫；
4．任務(wù)書內(nèi)有關(guān)“系”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應(yīng)寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學(xué)生的“學(xué)號”要寫全號；
5．任務(wù)書內(nèi)“主要參考文獻”的填寫，應(yīng)按照國標GB 7714—2005《文后參考文獻著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性；
6．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書
1．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題應(yīng)達到的目的：
通過本設(shè)計，使學(xué)生熟悉機械產(chǎn)品開發(fā)性設(shè)計的一般過程，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識和各項技能，著重培養(yǎng)設(shè)計、計算、分析和解決問題的能力，進而總結(jié)、歸納和獲得合理結(jié)論，進行較為系統(tǒng)的工程訓(xùn)練，初步鍛煉科研能力，提高論文撰寫和技術(shù)表述能力。為實際工作奠定基礎(chǔ)，達到人才培養(yǎng)的目的與要求。
2．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：
原始數(shù)據(jù)：
（1）地鐵隧道截面為圓形半徑4米，最高處約6.5米
（2）手臂末段安裝吸塵器，允許機械手安裝在專用（改裝）車輛上,允許每單程清洗半幅隧道。
（3）車輛行駛速度不低于15KM/h.
技術(shù)要求：
（1） 同臺車輛所用機械手 1 個,確定機械手的安裝位置。清潔工作不得影響另半幅路面車輛行駛.
（2） 自由度數(shù)目不超過3個，選取機械手的坐標形式。
（3） 保持吸塵器工作部位距隧道內(nèi)壁距離：50厘米，允許偏差±10厘米。
（4） 選擇合適的吸塵器口徑,保證漏掃面積低于應(yīng)掃面積的40%.
工作任務(wù)：
（1） 查閱資料20篇以上，翻譯外文資料6000字，撰寫文獻綜述和開題報告。
（2） 完成機械手總體設(shè)計，繪制功能原理圖 1 份。
（3） 繪制裝配圖 1 份 （0號圖紙）；零件圖若干。（其中，至少有1張圖紙使用計算機繪制）
（4） 設(shè)計說明書3萬字左右。(打印)
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書
3．對本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計論文、圖表、實物樣品等〕：
畢業(yè)設(shè)計成果以圖紙和說明書形式交卷。要求圖紙規(guī)范，符合國家標準；說明書層次分明、論據(jù)可靠、計算正確、圖標規(guī)范、語句通順。
4．主要參考文獻：
[1] 高嵐. 管道清潔機器人系統(tǒng)問世[J]. 中國礦山工程，2004 (33).
[2] 胡躍明、丁維中、吳忻生. 吸塵機器人的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 計算機測量與
控制, 2002（10）：642.
[3] 劉紅兵.裝出料機械手設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造2003（2）：61-62
[4] 熊有倫.機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996
[5] 劉興良.機器人基礎(chǔ)知識[M].北京：新時代出版社，1986
[6] 李剛.工業(yè)用碼垛機器人[J].現(xiàn)代制造，2005（24）：40-41
[7] 劉興良.機器人基礎(chǔ)知識[M].北京：新時代出版社，1986
[8] 王乘義.機械手及其應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1985
[9] 劉興良.機器人基礎(chǔ)知識[M].北京：新時代出版社，1986
[10] 孫兵.物料搬運機械手研制[J].機電一體化，2005（2）：43-45
[11] 李哲.沖壓機自動上下料機械手研制[J].機械設(shè)計與制造工程2001（3）：35-36
[12] 陳會松. 新型高效真空吸塵車問世[J]. 專用汽車,2007 (10）：8.
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書
5．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題工作進度計劃：
起 迄 日 期
工 作 內(nèi) 容
2014 年
2月 24日 ~ 3月 1日
3月2日 ~ 3月 12日
3月 13日 ~ 3月20日
3月 21日 ~ 3月31日
4月1日 ~ 4月10日
4月 11日
4月12日 ~ 4月30日
5月 1日 ~ 5月 9日
5月10日~ 5月 24日
5月 25日
5月 26日 ~ 5月30日
熟悉課題，查閱資料，外文翻譯。
圍繞設(shè)計主題調(diào)研。
撰寫文獻綜述，完成開題報告
原理方案設(shè)計，確定合理方案，熟悉相關(guān)軟件
編制軟件，計算相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，選擇標準部件；對設(shè)計方案進行評價與修改，使之完善
中期檢查
完成總裝圖，繪制零件圖
整理相關(guān)資料，撰寫設(shè)計說明書
初步提交設(shè)計成果(包括圖紙及論文)，整改
正式提交設(shè)計成果
制作PPT，準備答辯
指導(dǎo)教師簽字：
簽字：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見：
負責(zé)人：
年 月 日
重要提示：1．本電子文檔標準格式中的各類說明（用藍色或紅色字體表示）僅供參考，在參閱后請自行刪除（包括本提示），黑色字體的內(nèi)容全部保留。
2．本文檔中日期的填寫務(wù)必與“畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書”中的工作進度計劃相符。
南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
學(xué) 生 姓 名：
裴旋忻
學(xué) 號：
1001010117
專 業(yè)：
機械工程及自動化
設(shè)計(論文)題目：
隧道清潔機械手設(shè)計
指 導(dǎo) 教 師:
胡小秋
年 月 日
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫
2000字左右的文獻綜述：
文 獻 綜 述
摘要 機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人。本文介紹了機器人的機構(gòu)組成及各部分的功能以及對機械手的分類。論述了機械手的應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展趨勢，并對清潔機械手的情況進行了簡要敘述。
關(guān)鍵詞 機器人 機械手 機構(gòu)組成 清潔
1引言
地鐵隧道是一個公共場合，他與人的生活息息相關(guān)，由于地鐵的快速和方便，大量人們每天乘地鐵到達目的地，為使命帶來極大的方便。一個公共場所的清潔工作是非常重要的。由于地鐵的面積大，高度較高，人工清潔帶來極大的不便和危險且效率低，所以采用機械手代替人工。清潔機械手極大地提高了工作效率，降低危險度，給清潔工作帶來了很大的方便。
2機器人的組成
各類工業(yè)機器人一般都由操作機（也稱執(zhí)行機構(gòu)，一般包括手部、腕部、機身部分）、驅(qū)動裝置和控制系統(tǒng)等組成[1][2][13]。
（1）操作機（也稱執(zhí)行機構(gòu)）
操作機具有和人臂相似的功能，是可在空間抓放物體或進行其他操作的機械裝置。包括機座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器[1]。
末端執(zhí)行器（又稱手部）是操作機直接執(zhí)行工作的裝置，可安裝夾持器、工具、傳感器等。
手腕是連接手臂與末端執(zhí)行器的部件，用來支承和調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)，一般有2至3個回轉(zhuǎn)自由度，并可擴大手臂的工作范圍。
手臂有操作及的連接桿件和關(guān)節(jié)組成，用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器。一般將靠近末端執(zhí)行器的異界稱為小臂，靠近機座的稱為大臂。手臂與機座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的運動范圍。
機身稱為立柱，是支承臂部的部件，作用是帶動臂部運動，擴大臂部的活動范圍。
（2） 驅(qū)動裝置
機器人的驅(qū)動裝置用來驅(qū)動操作及工作，按動力源的不同分為電動、液動和氣動三種，其執(zhí)行機構(gòu)電動機、液壓缸和氣缸可以與操作機直接相連，耶可通過齒輪、諧波減速器和鏈條裝置傳動機構(gòu)魚操作機連接[1]。
（3） 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)用來控制工業(yè)機器人按規(guī)定要求動作，分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。很多工業(yè)機器人采用計算機控制，一般分為決策級、策略級和執(zhí)行級三級。決策級的功能是識別環(huán)境，建立模型，價格作業(yè)任務(wù)分解為基本動作序列；策略級將基本動作變?yōu)殛P(guān)節(jié)坐標協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關(guān)節(jié)的私伺服系統(tǒng)；執(zhí)行級給出各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)執(zhí)行給定的指令[1]。
3機器人的分類
機器人的分類方式很多，主要按坐標形式、控制方式、驅(qū)動方式和信號輸入方式四種方法分類[3]。
3.1按坐標形式分類
（1） 直角坐標式機器人
機器人末端執(zhí)行器（手部）空間位置的改變是通過沿著三個相互處置的直角坐標x、y、z的移動來實現(xiàn)的。
（2） 圓柱坐標式機器人
機器人末端招待空間位置的改變是由兩個移動坐標和一個旋轉(zhuǎn)坐標實現(xiàn)的。
（3） 球坐標式機器人（又稱極坐標）
機器人手臂的運動是有一個直線運動和兩個轉(zhuǎn)動組成，即沿x軸的伸縮，繞y軸的俯仰和繞z軸的回轉(zhuǎn)。
（4） 關(guān)節(jié)坐標式機器人（又稱回轉(zhuǎn)坐標式）
分為垂直關(guān)節(jié)坐標和平面關(guān)節(jié)坐標。
3.2按控制方式分類
（1）點位控制機器人
其運動為空間點到點之間的直線運動，不設(shè)計亮點直接的移動軌跡，只在目標點出控制機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。
（2）連續(xù)軌道機器人。
其運動軌跡可以是空間的任意連續(xù)曲線。機器人在空間的整個運動過程都要控制，末端執(zhí)行器在空間任何位置都可以控制姿態(tài)。
3.3按驅(qū)動方式分類
（1）液壓驅(qū)動
抓重能力大，結(jié)構(gòu)小巧輕便，傳動平穩(wěn)，動作靈活，可無極調(diào)速，進行戀雪軌跡控制。但因油的泄露對工作性能影響較大，顧他對米粉裝置要求嚴格，且不易在高溫或低溫下工作。
（2）氣壓驅(qū)動
介質(zhì)空氣來源方便，啟動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，能在高溫、告訴和分成等大的環(huán)境中工作。但由于孔其具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，且因氣源壓力低，只宜輕載下工作。
（3）電氣驅(qū)動
因不需中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)，固結(jié)構(gòu)簡單，其中直線電動機機械手的運動速度快，行程長，使用和維護方便。目前機械設(shè)計正朝著機電一體化方向發(fā)展，采用電力直接驅(qū)動的日益增多。
3.4按使用范圍分類
（1）專用機械手（又稱固定程序?qū)Ｓ脵C器人）
工作對象單一，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠等他點，適用于大批量自動化生產(chǎn)。在輕工、電子行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
（2）通用機械手（又稱可編程序的通用機器人）
工作范圍大，定位筋度高，通用性強，使用與不斷變化生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，在柔性自動化生產(chǎn)線中得到廣泛應(yīng)用。
4機械手的基本情況
4.1機械手的應(yīng)用
工業(yè)機械手延伸和擴大了人的足手和大腦功能，他可代替人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量[4]。目前主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造，汽車制造、塑料加工、通用機械制造以及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)（FMS）和計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS），實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大[5][6][16][17]。
我國工業(yè)機械手發(fā)展主要是逐步擴大其應(yīng)用范圍；在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)地發(fā)展通用機械手，研制出示教機式械手、計算機控制機械手和組合式機械手等?？梢詫C械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用級機構(gòu)，一般根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型機構(gòu)，組成各種用途的機械手，即便設(shè)計制造，又便于跟換弓箭，擴大應(yīng)用范圍[7]。
4.2機械手的發(fā)展
機械手又稱工業(yè)機器人。近百年來發(fā)展起來額度機器人，大致經(jīng)歷了三個成長階段，也即三個時代。第一代為簡單個體機器人，第二代為群體勞動機器人，第三代為類似人類的智能機器人，它的未來發(fā)展方向是有知覺、有思維內(nèi)容那個與人對話。第一代機器人屬于示教再現(xiàn)型（Teach and playback）。第二代則具備了感覺能力（Robot with sensors）。第三代機器人是智能機器人（Intelligent Robot），它不僅具有感覺能力，而且還具有獨立判斷和行動的能力[7][8][18][19][20]。
1972年我國第一臺機械手開發(fā)于上海，隨之全國各省都開始研制和應(yīng)用機械手。從第七個五年計劃（1986-1990）開始，我國政府將工業(yè)機器人的發(fā)展列入其中，并且為此項目投入大量的資金，研究開發(fā)并且制造一系列的工業(yè)機器人，有由北京機械自動機研究所設(shè)計制造的噴涂機器人，廣州機床研究所和北京機床研究所合作設(shè)計制造的電焊機器人，大連機床研究所設(shè)計制造的氬弧焊機器人，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計制造的裝卸載機器人等等。這些機器人的控制器，都是有中國科學(xué)院沈陽自動化研究所（SIA）和北京科技大學(xué)機器人研究所開發(fā)的，同時一系列的機器人關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來，如機器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機，編碼器，DC-PWM等等[9][10][11][14]。
5總結(jié)
由于機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在它已成為跨學(xué)科的、有眾多應(yīng)用領(lǐng)域的新興學(xué)科。據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會（ECE）和國際機器人聯(lián)合會（IFR）的統(tǒng)計，機器人在世界工業(yè)中占據(jù)很重要的地位，它以強勁的增長速度加快世界工業(yè)的自動化進程[12][15]。
參考文獻
[1]盧澤生，路勇，王廣林.制造系統(tǒng)自動化技術(shù)[M].哈爾濱：哈工大出版
社,2010.
[2]丁加軍，盛靖琪.自動機與自動線[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.
[3]熊有倫等.機器人學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993.
[4]梁景凱，蓋玉先.機電一體化技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.
[5]高西林.鍛床上料機械手[M].機械，2001（2）：36～38.
[6]劉紅兵.裝出料機械手設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造2003（2）：61～62.
[7]張福學(xué).機器人技術(shù)以及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.
[8]吳瑞祥.機器人技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994.
[9]胡亂，姚伯威.機電一體化技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1999.
[10]李允文.工業(yè)機械手設(shè)計及其應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.
[11]王乘義.工業(yè)手及其應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社，1985.
[12]孫兵.物料搬運機械手研制[J].機電一體化，2005（2）：43～45.
[13]石志國，劉冀偉，王志良，魏俊明.機器人組成原理課程規(guī)劃[J].北京：北京科技大學(xué)，2010.
[14]陳榮祥，劉宵惠.中國機器人技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展設(shè)想[ J].渝州：渝州大學(xué)學(xué)報，1992.
[15]熊根良，陳海初，梁發(fā)云，董增文.物理性人-機器人交互研究與發(fā)展現(xiàn)狀[J].南昌：南昌大學(xué)，2013.
[16]Y. Amirat,C. Francois,G. Fried,J. Pontnau,M. Dafaoui, “Design and control of a new six DOF parallel robot: Application to equestrian gait simulation,”Volume 6, Issue 2,Pages 227–239,1996.
[17]Hafner,R.,Neuroinformatics,OsnabrueckUniv,Osnabruck,Riedmiller, M,“Neural Reinforcement Learning Controllers for a Real Robot Application ,” IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2007.
[18]Kenji Kawashima,Takahiro Sasaki,Toshiyuki Miyata,Naohiro Nakamura,
Masato Sekiguchi,and Toshiharu Kagawa,“Development of Robot Using Pneumatic Artificial Rubber Muscles to Operate Construction Machinery,” Journal of Robotics and Mechatronics, Vol.16, No.1 pp. 8-16, 2004.
[19]Hirai, K.Wako Res. Center, Honda R&D Co. Ltd., Saitama, Japan
Hirose,M.,Haikawa,Y.,“The development of Honda humanoid robot,” Proceedings.IEEE International Conference on (Volume:2 ) Robotics and Automation, 1998.
[20]Tsujiuchi Nobutaka,Koizumi Takayuki,Nishino Shinya, Komatsubara Hiroyuki,Kudawara Tatsuwo,Hirano Masanori, “Development of Pneumatic Robot Hand and Construction of Master-Slave System,”Journal of System Design and Dynamics, Volume 2, Issue 6, pp. 1306-1315, 2008.
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
1課題研究內(nèi)容及手段
如圖1所示，清潔裝置分為承載小車、機械手和吸塵器三部分組成其中機械首飾設(shè)計重點。
小車沿軌道行走，機械手由四桿機構(gòu)組成，該四桿機構(gòu)為曲柄搖桿機構(gòu)，由電動機驅(qū)動曲柄，曲柄通過連桿來帶動搖桿擺動，從而實現(xiàn)對隧道的清洗。地鐵隧道界面為圓形半徑4m，最高處約為6.5m，手臂末端安裝吸塵器，允許機械手安裝在專用（改裝）車輛上，允許每單程清洗半幅隧道。車輛行駛速度不低于15km/h同臺車輛所用機械手1個。清潔工作不得影響另半幅路面車輛行駛。保持吸塵器工作部位距隧道內(nèi)壁距離：50cm，允許偏差±10cm。選擇合適的吸塵器口徑，保證漏掃面積低于應(yīng)掃面積的40%。
2主要問題及對策
（1） 確定機械手的組成部分
機械手由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。
執(zhí)行機構(gòu)由機械臂和臂末端的吸塵器組成，通過驅(qū)動元件完成一系列的動作。由電機來驅(qū)動機械臂。用過裝在小車上的控制裝置來控制驅(qū)動元件進而控制執(zhí)行元件的一系列動作以完成預(yù)期的目的。
（2） 確定機械手的坐標、自由度和控制方式
如圖2所示，由于機械手存在X方向的移動和Y方向的轉(zhuǎn)動，所以選用球坐標式。由于清潔面為圓拱形，所以只需要2和自由度就可以滿足,X方向的移動和Y方向的轉(zhuǎn)動。由步進電機通過齒輪齒條帶動機械臂在X方向的移動。
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
指導(dǎo)教師意見：
1． 對“文獻綜述”的評語：
該生通過調(diào)研，查閱了一定數(shù)量的資料，并進行了消化整理，撰寫了“文獻綜述”。所用資料較為豐富，有一定的綜合性，語言較為流利，格式較為正確。對課題有一定的認識，思路較為清楚，初步方案基本合理，研究方法與手段基本可行。
2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測：
該生通過調(diào)研，查閱了一定數(shù)量的資料，并進行了消化整理，撰寫了“文獻綜述”。所用資料較為豐富，有一定的綜合性，語言較為流利，格式較為正確，但缺少相應(yīng)的圖表。對課題有一定的認識，思路較為清楚，分析歸納基本正確，為課題順利進行奠定了基礎(chǔ)。
指導(dǎo)教師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見：
負責(zé)人：
年 月 日
南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)
作 者:
3號楷體
學(xué) 號：
3號楷體
學(xué)院(系):
3號楷體
專 業(yè):
3號楷體
題 目:
隧道清潔機械手設(shè)計
3號楷體
3號楷體
指導(dǎo)者：
(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))
3號楷體
3號楷體
評閱者：
(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))
2014 年 6 月
52
畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要
隧道清潔機器人是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，隧道清潔機器人是隧道清潔機器人研究領(lǐng)域的熱點。研究隧道清潔機器人需要結(jié)合機械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計算機等諸多學(xué)科知識，同時其自身的發(fā)展也促進了這些學(xué)科的發(fā)展。
本文對一種使用在隧道清潔機器人的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并完成總裝配圖和零件圖的繪制。要求對隧道清潔機器人模型進行力學(xué)分析，估算各關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)矩和功率，完成電機和減速器的選型。其次從電機和減速器的連接和固定出發(fā)，設(shè)計關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并對機構(gòu)中的重要連接件進行強度校核。
關(guān)鍵詞： 結(jié)構(gòu)設(shè)計，機器臂，關(guān)節(jié)型隧道清潔機器人，結(jié)構(gòu)分析
畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要
Abstract
The robot is a typical mechatronic products, spray painting robot is a hot research field of the robot. Study on the spray painting robot requires a combination of mechanical, electronic, information theory, artificial intelligence, biology and computer science knowledge, at the same time, its development has promoted the development of these disciplines.
In this paper, a design of arm structure used in the painting robot, and complete the general assembly drawing and part drawing. Requirements for the mechanics analysis of the robot model, estimate required on each joint torque and power, complete motor and reducer selection. Secondly, from the motor and reducer connection and fixation of joint structure, design, and the mechanism of important connections check the strength.
Keywords ：Structure design, Robot arm, Structure analysis
目 錄
1 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 隧道清潔機器人研究概況 2
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 2
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 3
1.3總體結(jié)構(gòu)組成及各部分關(guān)系簡介 4
1.4 主要內(nèi)容 5
2 總體方案設(shè)計 5
2.1 隧道清潔機器人工程概述 5
2.2 工業(yè)隧道清潔機器人總體設(shè)計方案論述 6
2.3 隧道清潔機器人機械傳動原理 7
2.4 隧道清潔機器人總體方案設(shè)計 8
2.5 本章小結(jié) 10
3 隧道清潔機器人各部件設(shè)計及計算 10
3.1 隧道清潔機器人的組成 10
3.2 清潔隧道清潔機器人末端執(zhí)行器軌跡的規(guī)劃 12
3.3 隧道清潔機器人手腕回轉(zhuǎn)中心 12
3.4四連桿機構(gòu)設(shè)計 15
3.4.1確定設(shè)計變量 21
3.4.2建立目標函數(shù) 21
3.4.3確定約束條件 22
3.4.4寫出優(yōu)化數(shù)學(xué)模型 24
3.5電機的選型及計算 24
3.6齒輪齒條的設(shè)計計算 27
3.7小齒輪的強度計算 31
3.7.1.齒面接觸疲勞強度計算 31
3.7.2齒輪齒跟彎曲疲勞強度計算 34
3.8帶傳動設(shè)計計算 35
3.8.1 帶傳動設(shè)計 35
3.8.2選擇帶型 36
3.8.3確定帶輪的基準直徑并驗證帶速 36
3.8.4確定中心距離、帶的基準長度并驗算小輪包角 37
3.8.5確定帶的根數(shù)z 38
3.8.6確定帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸 38
3.8.7確定帶的張緊裝置 38
3.8.8計算壓軸力 38
3.9 帶輪2上鍵的選擇與校核 48
3.9.1 鍵的選擇 48
3.9.2 鍵的校核 48
總結(jié)與展望 50
致 謝 51
參 考 文 獻 52
1 緒論
1.1 引言
隧道清潔機器人是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，隧道清潔機器人是隧道清潔機器人研究領(lǐng)域的熱點。研究隧道清潔機器人需要結(jié)合機械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計算機等諸多學(xué)科知識，同時其自身的發(fā)展也促進了這些學(xué)科的發(fā)展。隧道清潔機器人是隧道清潔機器人的一種。
1959年，世界上誕生了第一臺工業(yè)隧道清潔機器人，開創(chuàng)了隧道清潔機器人發(fā)展的新紀元。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隧道清潔機器人的研究與應(yīng)用迅猛發(fā)展。世界著名隧道清潔機器人專家、日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說過：“隧道清潔機器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是功能”。其中雙足是方式中自動化程度最高、最為復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。偉大的發(fā)明家愛迪生也曾說過這樣一句話：“上帝創(chuàng)造人類，兩條腿是最美妙的杰作”。系統(tǒng)具有非常豐富的動力學(xué)特性，對的環(huán)境要求很低，既能在平地上，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上，對環(huán)境有很好的適應(yīng)性。功能的具備為擴大隧道清潔機器人的應(yīng)用領(lǐng)域開辟了無限廣闊的前景。
研究隧道清潔機器人的原因和目的，主要有以下幾個方面：希望研制出機構(gòu)，使它們能在許多結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，以代替人進行作業(yè)或延伸和擴大人類的活動領(lǐng)域；希望更多得了解和掌握人類得特性，并利用這些特性為人類服務(wù)，例如：人造假肢。系統(tǒng)具有豐富的動力學(xué)特性，在這方面的研究可以拓寬力學(xué)及隧道清潔機器人的研究方向；隧道清潔機器人可以作為一種智能隧道清潔機器人在人工智能中發(fā)揮重要的作用。
，隧道清潔機器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標準化組織采納了美國隧道清潔機器人協(xié)會給隧道清潔機器人下的定義：隧道清潔機器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作，主要用于搬運材料，傳遞工件。參考國外的定義，結(jié)合我國的習(xí)慣用語，對隧道清潔機器人作如下定義：
隧道清潔機器人是一種機體獨立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動操作機械。是可進行自動噴漆或關(guān)節(jié)其他涂料的工業(yè)隧道清潔機器人。
隧道清潔機器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可以搬運更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進行各種操作。
隧道清潔機器人是在計算機控制下可編程的自動機器。采用隧道清潔機器人是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動生產(chǎn)率，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，減輕勞動強度的一種有效手段。隧道清潔機器人的誕生和發(fā)展雖只有30多年的歷史，但它已應(yīng)用到國民經(jīng)濟，民事技術(shù)等眾多的領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景，顯示出強大的生命力[1-2]。
1.2 隧道清潔機器人研究概況
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
最早系統(tǒng)地研究人類和動物運動原理的是Muybridge，他發(fā)明了電影用的獨特攝像機，即一組電動式觸發(fā)照相機，并在1877年成功地拍攝了許多四足動物和奔跑的連續(xù)照片。后來這種采用攝像機的方法又被Demeny用來研究人類的運動。從本世紀30年代到50年代，蘇聯(lián)的Bernstein從生物動力學(xué)的角度也對人類和動物的機理進行深入的研究，并就運動作了非常形象化的描述。
真正全面、系統(tǒng)地開展隧道清潔機器人的研究是始于本世紀60年代．迄今，不僅形成了隧道清潔機器人一整套較為完善的理論體系，而且在一些國家，如日本、美國和蘇聯(lián)等都已研制成功了能靜態(tài)或動態(tài)的隧道清潔機器人樣機。這一部分，我們主要介紹隊60年代到1985年這一時期，在隧道清潔機器人領(lǐng)域所取得的最重要進展。
在60年代和70年代，對隧道清潔機器人控制理論的研究產(chǎn)生了3種非常重要的控制方法，即有限狀態(tài)控制、模型參考控制和算法控制。這3種控制方法對各種類型的隧道清潔機器人都是適用的。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出來的 ，模型參考控制是由美國的Farnsworth在1975年提出來的，而算法控制則是由南斯拉夫米哈依羅·鮑賓研究所著名的隧道清潔機器人學(xué)專家Vukobratovic博士在1969年至1972年問提出來的。這3種控制方法之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系。有限狀態(tài)控制實質(zhì)上是一種采樣化的模型參考控制，而算法控制則是一種居中的情況[1]。
在步態(tài)研究方面，蘇聯(lián)的Bessonov和Umnov定義了“最優(yōu)步態(tài)”，Kugushev和Jaro-
shevskij定義了自由步態(tài)。這兩種步態(tài)不僅適應(yīng)于而且也適應(yīng)于多足隧道清潔機器人。其中，自由步態(tài)是相對于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平，那么隧道清潔機器人在時，下一步腳應(yīng)放在什么地方，就不能根據(jù)固定的步序來考慮，而是應(yīng)該象登山運動員那樣走一步看一步，通過某一優(yōu)化準則來確定，這就是所謂的自由步態(tài)。
在隧道清潔機器人的穩(wěn)定性研究方面，美國的Hemami等人曾提出將系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的簡化模型看作是一個倒立振子(倒擺)，從而可以將的前進運動解釋為使振子直立的問題。此外，從減小控制的復(fù)雜性考慮，Hemami等人還曾就隧道清潔機器人的“降階模型”問題進行了研究。
前面我們曾指出Vukobratovic也對類人型系統(tǒng)進行了能量分析，但他僅限于導(dǎo)出各關(guān)節(jié)及整個系統(tǒng)的功率隨時間的變化關(guān)系，并沒有過多地涉及能耗最優(yōu)這個問題．但在他的研究中，Vukobratovic得出了一個有用的結(jié)論，即姿態(tài)越平滑，類人型系統(tǒng)所消耗的功率就越少。
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)隧道清潔機器人的研制工作起步較晚，我國是從20世紀80年代開始隧道清潔機器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國開展了“七五”隧道清潔機器人攻關(guān)計劃，1987年，我國的“863”高技術(shù)計劃將隧道清潔機器人方面的研究開發(fā)列入其中。目前我國從事隧道清潔機器人研究與應(yīng)用開發(fā)的單位主要是高校和有關(guān)科研院所等。最初我國進行隧道清潔機器人技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國際先進的隧道清潔機器人技術(shù)，隨后取得了一定的成就。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1986年開始研究隧道清潔機器人，先研制成功靜態(tài)雙足隧道清潔機器人HIT-I，高 110cm，重70kg，有10個自由度，實現(xiàn)平地上的前進、左右側(cè)行以及上下樓梯的運動，步幅45cm，步速為10秒/步，后來又相繼研制成功了HIT-II和HIT-III，重42kg，高 103cm，有12個自由度，實現(xiàn)了步長24cm，步速2.3步每秒的。目前正在研制的HI下IV隧道清潔機器人，全身可有52個自由度，其在運動速度和平衡性方面都優(yōu)于前三型隧道清潔機器人[3～7]。
國防科技大學(xué)在1988年春成功地研制了一臺平面型6自由度的雙足隧道清潔機器人KDW-1，它能前進、后退和上下樓梯，最大步幅為40cm，步速為4步每秒，1989年又研制出空間型 KDW-II，有10個自由度，高69cm，重13kg實現(xiàn)進退、上下臺階的靜態(tài)穩(wěn)定以及左右的準動態(tài)。1990年在KDW-II的平臺上增加兩個垂直關(guān)節(jié)，發(fā)展成KDW-III，有12個自由度，具備了轉(zhuǎn)彎功能，實現(xiàn)了實驗室環(huán)境的全方位。1995年實現(xiàn)動態(tài)，步速0.8步每秒，步長為20cm～22cm，最大斜坡角度達13度。2000年底在KDW-III的基礎(chǔ)上研制成功我國首臺仿人形隧道清潔機器人“先行者”，動態(tài)，可在小偏差、不確定的環(huán)境，周期達每秒兩步，高1.4m，重20kg，有頭、眼、脖、身軀、雙臂、雙足，且具備一定的語言功能[8～13]。
此外，清華大學(xué)正在研制仿人形隧道清潔機器人THBIP-I，高1.7m，重130kg，32個自由度，在清華大學(xué)985計劃的支持下，項目也在不斷取得進展。南京航空航天大學(xué)曾研制了一臺8自由度空間型隧道清潔機器人，實現(xiàn)靜態(tài)功能[13,14]。
本課題源于“第一屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽”中隧道清潔機器人。目前，隧道清潔機器人大多以輪子的形式實現(xiàn)功能階段。真正模仿人類用腿走路的隧道清潔機器人還不多，雖有一些六足、四足隧道清潔機器人涌現(xiàn)，但是隧道清潔機器人還是鳳毛麟角。我們這個課題，探索設(shè)計僅靠巧妙的機械裝置和簡單的控制系統(tǒng)就能實現(xiàn)模擬人類的隧道清潔機器人。其分功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。
1.3總體結(jié)構(gòu)組成及各部分關(guān)系簡介
隧道清潔機器人的組成及各部分關(guān)系概述：
它主要由機械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng))、控制檢測系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。
(1) 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是隧道清潔機器人完成關(guān)節(jié)工件，實現(xiàn)各種運動所必需
的機械部件，它包括手部、腕部、機身等。
(a) 末端執(zhí)行器：隧道清潔機器人為了進行作業(yè)而配置的操作機構(gòu)，直接噴漆工件。
(b) 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變末端執(zhí)行器的工作方位。
(c) 臂部：聯(lián)接機座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改變手部的空間位置，滿足隧道清潔機器人的作業(yè)空間，將各種載荷傳遞到機座。
(d) 機身：隧道清潔機器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用，是支撐手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運動。
(2) 驅(qū)動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。常用的有
機械傳動、機電傳動、氣壓傳動和電傳動。
(3) 控制系統(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當(dāng)發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。
(4) 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機構(gòu)的運動情況，根據(jù)需 要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進行比較，以保證運動符合要求。
實踐證明，隧道清潔機器人可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期頻繁、單調(diào)的操作，采用隧道清潔機器人是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途[4-8]。
通過本設(shè)計，使我熟悉機械產(chǎn)品開發(fā)性設(shè)計的一般過程，培養(yǎng)了我綜合運用所學(xué)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識和各項技能，著重培養(yǎng)設(shè)計、計算、分析和解決問題的能力，進而總結(jié)、歸納和獲得合理結(jié)論，進行較為系統(tǒng)的工程訓(xùn)練，初步鍛煉科研能力，提高論文撰寫和技術(shù)表述能力。為實際工作奠定基礎(chǔ)，達到人才培養(yǎng)的目的與要求。
課題任務(wù)是設(shè)計一臺工業(yè)機器人，代替人工實現(xiàn)地鐵隧道墻壁表面粉塵的自動清潔工作。其原始數(shù)據(jù)和技術(shù)要求為：
（1）地鐵隧道截面為圓形半徑4米，最高處約6.5米。
（2）手臂末段安裝吸塵器，允許隧道清潔機器人安裝在專用（改裝）車輛上,允許每單程清洗半幅隧道。
（3）車輛行駛速度不低于15km/h
（4）同臺車輛所用隧道清潔機器人1個,確定隧道清潔機器人的安裝位置。清潔工作不得影響另半幅路面車輛行駛。
（5）自由度數(shù)目不超過3個，選取隧道清潔機器人的坐標形式。
（6）保持吸塵器工作部位距隧道內(nèi)壁距離:50厘米，允許偏差±10厘米。
（7）選擇合適的吸塵器口徑,保證漏掃面積低于應(yīng)掃面積的40%。
課題的工作要求使確定總體方案和機器的排列方式。根據(jù)現(xiàn)場條件，確定相應(yīng)的坐標系和自由度數(shù)目，選用合適的去動力源。做到方案合理，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足生產(chǎn)要求。并對配套設(shè)備（吸塵器、車輛等）提出要求。
1.4 主要內(nèi)容
第1章 緒論 主要介紹隧道清潔機器人的相關(guān)知識和本課題研究的任務(wù)和要求.
第2章 總體方案設(shè)計,介紹該隧道清潔機器人各部分的相關(guān)知識和總體設(shè)計.
第3章 隧道清潔機器人各部分設(shè)計的介紹
第4章 隧道清潔機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計
2 總體方案設(shè)計
2.1 隧道清潔機器人工程概述
隧道清潔機器人工程是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，它涉及到力學(xué)、機構(gòu)學(xué)、機械設(shè)計、氣動液壓技術(shù)、傳感技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域。人們將已有學(xué)科分支中的知識有效地組合起來用以解決綜合性的工程問題的技術(shù)稱之為“系統(tǒng)工程學(xué)”。以隧道清潔機器人設(shè)計為例，系統(tǒng)工程學(xué)認為，應(yīng)當(dāng)將其作為一個系統(tǒng)來研究、開發(fā)和運用，從隧道清潔機器人的整體出發(fā)來研究其系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間的有機聯(lián)系和系統(tǒng)外部環(huán)境的相互關(guān)系的一種綜合性的設(shè)計方法。
從系統(tǒng)功能的觀點來看，將一部復(fù)雜的機器看成是一個系統(tǒng)，它由若干個子系統(tǒng)按一定規(guī)律有機地聯(lián)系在一起，是一個不可分的整體。如果將系統(tǒng)拆開、則將失去作為一個整體的特定功能。因此，在設(shè)計一部較復(fù)雜的機器時，從機器系統(tǒng)的概念出發(fā)，這個系統(tǒng)應(yīng)具有如下特性：
（1） 整體性 由若干個不同性能的子系統(tǒng)構(gòu)成的一個總的機械系統(tǒng)應(yīng)具有作為一個整體的特定功能。
（2） 相關(guān)性 系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間有機聯(lián)系、有機作用，具有某種相互關(guān)聯(lián)的特性。
（3） 目的性 每個系統(tǒng)都應(yīng)有明確的目的和功能，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的組合方式?jīng)Q定于系統(tǒng)的目的和功能。
（4） 環(huán)境適應(yīng)性 任何一個系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境中，必須能適應(yīng)外部環(huán)境的變化。
因此，在進行隧道清潔機器人設(shè)計時，不僅要重視組成隧道清潔機器人系統(tǒng)的各個部件、零件的設(shè)計，更應(yīng)該按照系統(tǒng)工程學(xué)的觀點，根據(jù)隧道清潔機器人的功能要求，將組成隧道清潔機器人系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)部件、零件合理地組合，設(shè)計出性能優(yōu)良適于工作需要的隧道清潔機器人產(chǎn)品。在比較復(fù)雜的工業(yè)隧道清潔機器人系統(tǒng)中大致包括如下:操作機，它是完成隧道清潔機器人工作任務(wù)的主體，包括機座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和機構(gòu)等。驅(qū)動系統(tǒng)，它包括作為動力源的驅(qū)動器，驅(qū)動單元，伺服驅(qū)動系統(tǒng)由各種傳動零、部件組成的傳動系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)，它主要包括具有運算、存儲功能的電子控制裝置（計算機或其他可編程編輯控制裝置），人——機接口裝置（鍵盤、示教盒等），各種傳感器的信息放大、傳輸和處理裝置，傳感器、離線編程、設(shè)備的輸入/輸出通訊接口，內(nèi)部和外部傳感器以及其他通用或?qū)Ｓ玫耐鈬O(shè)備［14］。
工業(yè)隧道清潔機器人的特點在于它在功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性，因而工業(yè)隧道清潔機器人能有效地應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)中來完成傳送零件或材料，進行裝配或其他操作。在柔性制造系統(tǒng)中，基本工藝設(shè)備（如數(shù)控機床、鍛壓、焊接、裝配等生產(chǎn)設(shè)備）、輔助生產(chǎn)設(shè)備、控制裝置和工業(yè)隧道清潔機器人等一起形成了各種不同形式地工業(yè)隧道清潔機器人技術(shù)綜合體地工業(yè)隧道清潔機器人系統(tǒng)。在其他非制造業(yè)地生產(chǎn)部門，如建筑、采礦、交通運輸?shù)壬a(chǎn)領(lǐng)域引用隧道清潔機器人系統(tǒng)亦是如此。
2.2 工業(yè)隧道清潔機器人總體設(shè)計方案論述
（一） 確定負載
目前，國內(nèi)外使用的工業(yè)隧道清潔機器人中，負載能力的范圍很大，最小的額定負載在5N以下，最大可達9000N。負載大小的確定主要是考慮沿隧道清潔機器人各運動方向作用于機械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括隧道清潔機器人末端執(zhí)行器的重量、關(guān)節(jié)工件或作業(yè)對象的重量和規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力等。由本次設(shè)計給的設(shè)計參數(shù)可初估本次設(shè)計屬于小負載。
（二） 驅(qū)動方式
由于伺服電機具有控制性能好，控制靈活性強，可實現(xiàn)速度、位置的精確控制，對環(huán)境沒有影響，體積小，效率高，適用于運動控制要求嚴格的中、小型隧道清潔機器人等特點，故本次設(shè)計采用了伺服電機驅(qū)動
（三）傳動系統(tǒng)設(shè)計
隧道清潔機器人傳動裝置中應(yīng)盡可能做到結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動慣量和體積小，在傳動鏈中要考慮采用消除間隙措施，以提高隧道清潔機器人的運動和位置控制精度。在隧道清潔機器人中常采用的機械傳動機構(gòu)有齒輪傳動、蝸桿傳動、滾珠絲杠傳動、同步齒形帶傳動、鏈傳動、行星齒輪傳動、諧波齒輪傳動和鋼帶傳動等，由于齒輪傳動具有效率高，傳動比準確，結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長等優(yōu)點，且大學(xué)學(xué)習(xí)掌握的比較扎實，故本次設(shè)計選用齒輪傳動。
（四）工作范圍
工業(yè)隧道清潔機器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)隧道清潔機器人作業(yè)過程中操作范圍和運動軌跡來確定，用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響隧道清潔機器人的機械結(jié)構(gòu)坐標形式、自由度數(shù)和操作機各手臂關(guān)節(jié)軸線的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動范圍的選擇
（五） 運動速度
隧道清潔機器人操作機手臂的各個動作的最大行程確定后，按照循環(huán)時間安排確定每個動作的時間，就能進一步確定各動作的運動速度，用m/s或（°）/s表示，各動作的時間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時間的長短，各動作之間順序是依序進行還是同時進行等。應(yīng)試做各動作時間的分配方案表，進行比較，分配動作時間除考慮工藝動作的要求外，還應(yīng)考慮慣性和行程的大小，驅(qū)動和控制方式、定位方式和精度等要求。
2.3 隧道清潔機器人機械傳動原理
該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析
本課題要求設(shè)計一臺經(jīng)濟實用，性能可靠的機器人,代替人工用來進行地鐵隧道內(nèi)部壁面的清潔工作。根據(jù)現(xiàn)場條件和作業(yè)要求,設(shè)計總體方案和清潔方式：確定相應(yīng)的坐標形式和自由度數(shù)目，選用合適的驅(qū)動力源。做到方案合理，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足生產(chǎn)要求。并對配套設(shè)備（吸塵器、車輛等）提出要求。
根據(jù)調(diào)研結(jié)果和實際要求，擬采用吸塵方式完成清潔工作，即該隧道清潔機器人末端執(zhí)行器擬采用吸塵器，其運動軌跡應(yīng)與隧道內(nèi)部壁面大致相同，為一圓弧。手臂能根據(jù)隧道壁面結(jié)構(gòu)自行調(diào)整距離大小，與壁面垂直距離保持大于40毫米小于60毫米；為了確保清潔效果，吸塵器與垃圾存放箱相通，吸塵器吸進的灰塵放置其中；末端執(zhí)行器的運動軌跡一般為一螺旋線；機器人應(yīng)有三個自由度，一個轉(zhuǎn)動加兩個移動，考慮到地鐵隧道的結(jié)構(gòu)和作業(yè)條件，沿隧道長度方向的移動可由承載車來實現(xiàn)，所以隧道清潔機器人本體只需兩個自由度來完成。
隧道清潔機器人本體需要的兩個自由度：一個擺動（轉(zhuǎn)動）和一個移動的自由度（用來調(diào)整執(zhí)行器與隧道內(nèi)壁的垂直距離），如圖2.4所示；吸塵裝置用來完成清潔工作，吸塵器的吸口部分為末端執(zhí)行器；隧道清潔機器人本體、垃圾箱和吸塵器等都安裝在承載車上。
圖2.4 隧道清潔機器人自由度示意圖
隧道清潔機器人本體的兩個自由度可以通過氣動或電動機來提供驅(qū)動力源，其中一個來提供轉(zhuǎn)動動力，另一個提供移動動力[9]。
2.4 隧道清潔機器人總體方案設(shè)計
工業(yè)隧道清潔機器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標結(jié)構(gòu)，圓柱坐標結(jié)構(gòu)，球坐標結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下[3]。
(1) 直角坐標隧道清潔機器人結(jié)構(gòu)
直角坐標隧道清潔機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1(a)由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標隧道清潔機器人有可能達到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標隧道清潔機器人的運動空間相對隧道清潔機器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標隧道清潔機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的隧道清潔機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。
直角坐標隧道清潔機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標隧道清潔機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標隧道清潔機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。
(2) 圓柱坐標隧道清潔機器人結(jié)構(gòu)
圓柱坐標隧道清潔機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1(b)。這種隧道清潔機器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。
(3) 球坐標隧道清潔機器人結(jié)構(gòu)
球坐標隧道清潔機器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1(c)。這種隧道清潔機器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。
(4) 關(guān)節(jié)型隧道清潔機器人結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)型隧道清潔機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖2-1(d)。關(guān)節(jié)型隧道清潔機器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對隧道清潔機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種隧道清潔機器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的隧道清潔機器人。
(a) 直角坐標型 (b) 圓柱坐標型 (c) 球坐標型 (d) 關(guān)節(jié)型
圖4.4 RRR坐標式
1小臂 2大臂 3立柱 4基座
該隧道清潔機器人手臂運動范圍大,且有較高的定位準確度,要求設(shè)計的隧道清潔機器人為六個自由度，其中腰部有一個旋轉(zhuǎn)自由度，大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋轉(zhuǎn)自由度，手腕的俯仰、旋轉(zhuǎn)自由度。地鐵隧道清潔隧道清潔機器人由實際上由三個自由度來完成的，兩個移動自由度和一個轉(zhuǎn)動自由度。所以隧道的清潔隧道清潔機器人的類型可以歸結(jié)為兩個直線的運動和一個轉(zhuǎn)動。所以它的類型屬于RPP型，如圖4.3所示。但是其中一個自由度靠承載小車來完成。所以隧道清潔機器人本體需要兩個自由度：一個擺動（轉(zhuǎn)動）和一個移動自由度（用來調(diào)整吸塵器與隧道截面垂直距離的大?。14]。
2.5 本章小結(jié)
本章主要完成對隧道清潔機器人系統(tǒng)設(shè)計,通過多種方案的選擇來確定最終要確定的方案. 確定了隧道清潔機器人的總體設(shè)計方案后，就要針對隧道清潔機器人的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個部分進行詳細設(shè)計。
3 隧道清潔機器人各部件設(shè)計及計算
3.1 隧道清潔機器人的組成
該地鐵隧道清潔隧道清潔機器人分為三個部分：車載裝置、隧道清潔機器人裝置和吸塵裝置，如圖3.1所示。
（1）車載裝置：用來裝載隧道清潔機器人裝置和吸塵裝置，還可用來手臂沿隧道方向的移動方向的自由度以及一系列控制隧道清潔機器人的裝置都裝在承載小車上，承載小車的移動猶如地鐵，直接騎在軌道上沿著地鐵軌道進行移動。
（2）隧道清潔機器人裝置：隧道清潔機器人本體是地鐵隧道清潔隧道清潔機器人的核心裝置，清潔的主要工作由它來完成。采用由電機驅(qū)動的曲柄搖桿機構(gòu)來實現(xiàn)手臂的來回擺動,由電機驅(qū)動曲柄的轉(zhuǎn)動通過連桿從而帶動搖桿實現(xiàn)來回的擺動（如果采用齒輪減速機構(gòu)，電機需要循環(huán)不斷的用正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)手臂的來回擺動，因此，該方案不可用）。同時為了實現(xiàn)手臂的來回移動，采用由電機驅(qū)動的齒輪齒條傳動從而帶動手臂的移動來實現(xiàn)。手臂沿隧道截面為大半圓的隧道長度方向單程清潔半幅隧道。手臂能根據(jù)墻壁結(jié)構(gòu)自行調(diào)整距離大小，與墻壁表面垂直距離大于40毫米小于60毫米。
圖3.1 清潔裝置示意圖
（3）吸塵裝置：隧道清潔機器人的末端執(zhí)行器，具體的清潔工作由它來完成，用來清潔地鐵隧道壁面的灰塵和其它污垢。由于它為執(zhí)行器，安裝在隧道清潔機器人的末端，所以它的來回擺動和移動由隧道清潔機器人和承載車來帶動實現(xiàn)的。
隧道清潔機器人臂沿隧道長度方向向前運動可以由承載車來實現(xiàn)，再加上手臂自身的來回擺動，這樣清潔隧道清潔機器人單程清潔半幅隧道時的軌跡為一螺旋線。由于手臂的回轉(zhuǎn)中心與隧道的中心不是同一個點，碰到凹凸不平的壁面，我們可以通過位置傳感器來控制手臂的自動調(diào)節(jié)。當(dāng)手臂的執(zhí)行器（即吸塵器）與壁面的垂直距離超出某個范圍時，便發(fā)出信號，這樣手臂可自行伸長或縮回，手臂就能隨壁面不同形狀而改變其長度來清潔隧道壁面。
另外，吸塵器與垃圾存放箱是相通的，吸塵器吸進灰塵后，灰塵被裝在存放箱。裝在手臂上的吸塵器的運動軌跡是螺旋線，考慮到壁面可能會有死角處不能被清潔到，為了保證漏掃面積低于應(yīng)掃面積的40%，我們需要控制好吸塵器的口徑大小[10]，[11]。
3.2 清潔隧道清潔機器人末端執(zhí)行器軌跡的規(guī)劃
隧道清潔機器人末端執(zhí)行器為一吸塵器的吸口，沿著隧道壁面運動，隧道的截面為大半圓形，隧道的高度以及隧道的路面寬度，如圖3.2所示：
已知: m , m , 求：
根據(jù)勾股定理：
帶入數(shù)據(jù)得：
mm
mm
圖3.2 隧道截面示意圖
3.3 隧道清潔機器人手腕回轉(zhuǎn)中心
腕部處于臂部的最前端，它連同手臂的靜、動載荷都由臂部承受。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響到臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)的特性。因此，腕部的設(shè)計，必須力求機構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕等特點。
腕部是隧道清潔機器人的執(zhí)行機構(gòu)，它還起到連接和支承的作用，除需保證力和運動的要求以及具有足夠的強度、剛度外，還需綜合考慮，合理布局。由于隧道清潔的工作環(huán)境比較惡劣，隧道比較寬而且比較高，所以在設(shè)計腕部時應(yīng)充分的考慮到可能存在的環(huán)境對腕部的不良影響。
隧道清潔機器人裝置的手腕回轉(zhuǎn)中心的定位關(guān)系到整個隧道壁面的清潔范圍，同時它還影響到手臂的伸縮量。由于隧道截面的直徑比較大，為了保證手臂移動時的穩(wěn)定性，手臂的伸縮量越小越好[12]。
圖3.3 隧道清潔機器人工作區(qū)域
根據(jù)中垂線定理，連接C和M兩點，作線段CM的中垂線，在距離隧道中心1米處的D點便可定為隧道清潔機器人的手腕關(guān)節(jié)處。手臂在C和M點兩處的長度相等且是最長的，在中垂線處的長度最短（即D到N的長度最短）。這樣，手臂在工作時就可以保持它的伸縮量最小了，能達到平穩(wěn)的效果。如圖3.3所示：
通過下列的計算：
m
m
m
3
②
③ mm
可以得出：
mm
即：CD和DM處為兩極限位置，其工作區(qū)域為圖3.3的陰影部分。
3.4四連桿機構(gòu)設(shè)計
連桿機構(gòu)是最常用的機構(gòu)，因此連桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在機構(gòu)設(shè)計中十分重要，研究工作開展得也最為廣泛。有大量的文獻介紹有關(guān)平面四桿機構(gòu)、平面五桿機構(gòu)、柔性連桿機構(gòu)、曲柄連桿機構(gòu)、槽輪連桿機構(gòu)、凸輪連桿組合機構(gòu)和齒輪連桿等機構(gòu)的優(yōu)化。鑒于四連桿機構(gòu)的典型性，本節(jié)結(jié)合四連桿機構(gòu)的函數(shù)再現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計問題，闡述連桿機構(gòu)優(yōu)化問題的一般方法及流程。
四連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計就是對四連桿機構(gòu)的參量進行優(yōu)化調(diào)整，使得機構(gòu)給定的運動和機構(gòu)所實現(xiàn)的運動之間誤差最小。因此四連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計的過程，就是尋找使得四連桿機構(gòu)運動誤差最小的一組機構(gòu)設(shè)計參量。四連桿機構(gòu)設(shè)計參量確定后，就可認為實現(xiàn)了機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。
四連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計包括四連桿機構(gòu)優(yōu)化模型建立和優(yōu)化模型求解二個主要過程。通過對四連桿機構(gòu)的分析確定優(yōu)化方案，確定設(shè)計變量，給出目標函數(shù)，并將機構(gòu)設(shè)計制約條件，如桿長條件、傳動角條件等，寫成相應(yīng)的約束條件，即可建立機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型。
下面介紹四連桿機構(gòu)函數(shù)再現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計模型的建立。連桿機構(gòu)函數(shù)再現(xiàn)設(shè)計主要通過選取輸人構(gòu)件和輸出構(gòu)件相對應(yīng)若干位置、采用機構(gòu)圖解法或分析法確定機構(gòu)各參數(shù)。圖1是典型的平面鉸鏈四桿機構(gòu)，、、和分別表示于四個構(gòu)件的長度，桿AB是輸入構(gòu)件。假設(shè)圖1所示的平面鉸鏈四桿機構(gòu)再現(xiàn)給定函數(shù)為，即，則機構(gòu)位置取決于、、、鉸鏈A的位置、AD與機架x軸夾角以及輸人構(gòu)件轉(zhuǎn)角等七個變量。
為簡化問題，可令A(yù)的位置為，，構(gòu)件的長度為1(參考構(gòu)件)，由此可將問題維數(shù)降為四維，并不影響構(gòu)件輸入、輸出的函數(shù)關(guān)系。由此可以得到輸出構(gòu)件轉(zhuǎn)角外與輸入構(gòu)件轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)關(guān)系式：
（1）
機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目標就是使得輸出構(gòu)件轉(zhuǎn)角與給定值在，所有位置上的誤差最小。因此機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)可用下式表示
（2）
當(dāng)輸入構(gòu)件轉(zhuǎn)角為時，輸出構(gòu)件轉(zhuǎn)角外可由下式求得，
（3）
式中：
所以
（4）
將上式代入式（3），并令代表設(shè)計變量、、及，機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目標函數(shù)可寫為：
（5）
????機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的約束條件應(yīng)根據(jù)機構(gòu)設(shè)計的實際情況確定。例如曲柄搖桿式四連桿機構(gòu)必須滿足如下關(guān)系式：
或
（6）
????如果機構(gòu)要求傳動靈活可靠，則傳動角應(yīng)滿足：
或
其中
從上式可知，傳動角隨的變化而變化，當(dāng)為最大值時，為最小，為最小值時，為最大。要滿足上式條件，約束方程應(yīng)為：
曲柄搖桿機構(gòu)有，因此，約束方程為
（7）
????當(dāng)所選定的設(shè)計變量為構(gòu)件長度時，則構(gòu)件長度必須是正數(shù)，即約束方程為
式中是為了使構(gòu)件長度不小于而設(shè)的。
????此外，由于具體結(jié)構(gòu)尺寸的限制，往往對某些構(gòu)件的長度限定在某一范圍內(nèi)選取，例如連桿BC的長度最短為的倍，最長為的倍，即
則約束方程為
（8）
????下面介紹再現(xiàn)函數(shù)為的曲柄搖桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。
????先變換給定函數(shù)為，并設(shè)輸人構(gòu)件初始角為，輸出構(gòu)件初始角為，選取輸入構(gòu)件的轉(zhuǎn)角為,輸出構(gòu)件的轉(zhuǎn)角為。當(dāng)輸入構(gòu)件從轉(zhuǎn)到時，輸出構(gòu)件從轉(zhuǎn)到，輸入構(gòu)件從轉(zhuǎn)到時，輸出構(gòu)件則從回到。顯然有及，即及。代入函數(shù)式得：
設(shè)將輸入構(gòu)件的轉(zhuǎn)角均分成20等分，則，取權(quán)因子，再令代表設(shè)計變量、、及，則由式（5）得曲柄連桿機構(gòu)優(yōu)化目標函數(shù)為
????曲柄搖桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計約束條件如下：
????由式（6）得：
要求傳動角滿足，由式（7）得：
根據(jù)機構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸，要求各構(gòu)件長度相對機架的尺寸在給定的范圍內(nèi)，由式(8)得
因此曲柄搖桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型如下：
Min.
s.t.
????采用內(nèi)點懲罰函數(shù)法和POWELL法求解曲柄搖桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型。選擇初始懲罰參數(shù)，遞減函數(shù)e = 0.01，初始點，取懲罰函數(shù)法收斂精度，POWELL法目標函數(shù)值收斂精度，一維搜索精度。
3.4.1確定設(shè)計變量
根據(jù)設(shè)計要求，由機械原理知識可知，設(shè)計變量有L1、L2、L3、L4、。將曲柄的長度取為一個單位長度1，其余三桿長可表示為L1的倍數(shù)。由圖1所示的幾何關(guān)系可知
為桿長的函數(shù)。另外，根據(jù)機構(gòu)在機器中的許可空間，可以適當(dāng)預(yù)選機架L4的長度，取L4=5，經(jīng)以上分析，只剩下L2、L3兩個獨立變量，所以，該優(yōu)化問題的設(shè)計變量為
因此。本優(yōu)化設(shè)計為一個二維優(yōu)化問題。
3.4.2建立目標函數(shù)
按軌跡的優(yōu)化設(shè)計，可以將連桿上M點與預(yù)期軌跡點坐標偏差最小為尋優(yōu)目標，其偏差為和，如圖2。為此，把搖桿運動區(qū)間2到5分成S等分，M點坐標有相應(yīng)分點與之對應(yīng)。將各分點標號記作，根據(jù)均方根差可建立其目標函數(shù)，即
，S為運動區(qū)間的分段數(shù)
于是由以上表達式便構(gòu)成了一個目標函數(shù)的數(shù)學(xué)表達式，對應(yīng)于每一個機構(gòu)設(shè)計方案（即給定），即可計算出均方根差。
圖 2
3.4.3確定約束條件
根據(jù)設(shè)計條件，該機構(gòu)的約束條件有兩個方面：一是傳遞運動過程中的最小傳動角應(yīng)大于50度；二是保證四桿機構(gòu)滿足曲柄存在的條件。以此為基礎(chǔ)建立優(yōu)化線束條件。
①保證傳動角
圖 3
按傳動條件，根據(jù)圖3可能發(fā)生傳動角最小值的位置圖，由余弦定理
（見圖3（a））
所以
（a）
（見圖3（b））
所以
（b）
式（a）、（b）為兩個約束條件，將，，，代入式（a）、（b），得
②曲柄存在的條件
按曲柄存在條件，由機械原理知識可知
，，
，
把它們寫成不等式約束條件（將，，，代入上式），得
經(jīng)過分析，上述七個約束條件式中，和為緊約束條件，為松約束條件，即滿足和的，必滿足不等式，所以本優(yōu)化問題實際起作用的只有和兩個不等式約束條件。
3.4.4寫出優(yōu)化數(shù)學(xué)模型
綜上所述，可得本優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型為
即本優(yōu)化問題具有兩個不等式約束的二維約束優(yōu)化問題。
3.5電機的選型及計算
（1）選擇步進電機
齒輪齒條工作時，需要克服摩擦阻力矩、工件負載阻力矩和啟動時的慣性力矩。
根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計算公式[15]：
（3.1）
（3.2）
（3.3）
（3.4）
（3.5）
（3.6）
（3.7）
（3.8）
式中：
—偏轉(zhuǎn)所需力矩（N·m）；
—摩擦阻力矩（N·m）；
—負載阻力矩（N·m）；
—啟動時慣性阻力矩（N·m）；
—工件負載對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；
—對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；
—偏轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；
—質(zhì)量（kg）；
—負載質(zhì)量（kg）；
—啟動時間（s）；
—部分材料密度（kg/m3）；
—末端的線速度（m/s）。
根據(jù)已知條件：kg，m/s，m，m，m，s，采用的材料假定為鑄鋼，密度kg/m3。
將數(shù)據(jù)代入計算得：
kg
r/s
kg·m2
kg·m2
N·m
N·m
N·m
因為傳動是通過齒輪齒條實現(xiàn)的，所以查取手冊[15]得：
彈性聯(lián)軸器傳動效率；
滾動軸承傳動效率（一對）；
齒輪齒條傳動效率；
計算得傳動的裝置的總效率。
電機在工作中實際要求轉(zhuǎn)矩 N·m （3.9）
根據(jù)計算得出的所需力矩，結(jié)合北京和利時電機技術(shù)有限公司生產(chǎn)的90系列的五相混合型步進電機的技術(shù)數(shù)據(jù)和矩頻特性曲線，如圖3.3和圖3.4所示,選擇90BYG5200B-SAKRML-0301型號的步進電機。
圖3.3 90BYG步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)
圖3.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步進電機矩頻特性曲線
3.6齒輪齒條的設(shè)計計算
1. 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
a. 選直齒圓柱齒輪;
b. 貨叉為一般工作機械，速度不高，故選用7級精度（GB/0095-88）;
c. 材料選擇。選擇齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，齒條材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS；
d. 初選齒輪齒數(shù)為Z=20。
2. 按齒面接觸強度計算
設(shè)計公式為dt≧2.32 (4-3-1)
a. 確定公式內(nèi)各參數(shù)的值。
（1）.試選載荷系數(shù)Kt=1.2
(2).計算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
T= (4-3-2)
=1.47*N.mm
(3).選齒寬系數(shù)=0.45
（4）.查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8
(5).按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強度極限，齒條的接觸疲勞強度極限
（6）取齒輪接觸疲勞壽命系數(shù)kH=0.90, 齒條接觸疲勞壽命系數(shù)kH=0.95
（7）計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1，安全系數(shù)S=1，由公式=求得：齒輪的接觸疲勞許用應(yīng)力=540MPa,齒條的接觸疲勞許用應(yīng)力=522.5Mpa。
b. 按齒面接觸強度計算
(1) 計算齒輪的分度圓直徑dt≧2.32 (4-3-3)
=2.32
=36.5mm
（2）.計算圓周速度v= (4-3-4)
=
=0.05m/s
（3）.齒寬b=*dt=0.45*36.5=16.425mm (4-3-5)
(4).計算齒寬與齒高之比
模數(shù) mt==36.5/20=1.825mm (4-3-6)
齒高 h=2.25mt=2.25*1.825=4.11mm (4-3-7)
=16.425/4.11=3.996
（5）.計算載荷系數(shù)
根據(jù)v=0.05m/s,7級精度，由圖可查得動載系數(shù)Kv=1.002
直齒輪，KH=KF=1
由表查得使用系數(shù)KA=1.25
由表查得7級精度，齒輪懸臂布置時，KH=1.189
由=3.996，KH=1.189，查得KF=1.14；故載荷系數(shù)
K=KAKvKHKH=1.002*1*1.25*1*1.189=1.489 (4-3-8)
（6）.按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由公式得：
d=dt=36.5=39.222mm (4-3-9)
(7).計算模數(shù)m m=d/z=39.222/20=1.96mm (4-3-10)
3.按齒根彎曲強度計算
彎曲強度的設(shè)計公式為 m≧ (4-3-11)
a. 確定公式內(nèi)各參數(shù)的值
（1）.查得齒輪的彎曲疲勞強度極限；齒條的彎曲疲勞強度極限
（2）.查得齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.83；齒條的彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN2=0.88；
（3）.計算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由公式得：
齒輪的許用應(yīng)力===296.43Mpa (4-3-12)
齒條的許用應(yīng)力===238.86Mpa (4-3-13)
(4).計算載荷系數(shù)K
K=KAKvKFKF=1.002*1.25*1*1.14=1.428 (4-3-14)
(5).查取齒形系數(shù)
查得齒輪的齒形系數(shù)YFa=2.80
(6).查取應(yīng)力校正系數(shù)
查得YSa=1.55
(7).計算
==0.01464 (4-3-15)
b. 設(shè)計計算
m≧ (4-3-16)
=
=1.51mm
對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強度算得的模數(shù)1.51并就近圓整為標準值m=2mm,按接觸強度算得的分度圓直徑d=39.222mm，算出齒輪齒數(shù)z=d/m=39.222/2 =20
這樣設(shè)計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。
4.幾何尺寸的計算
a.計算分度圓直徑
d=mz=2*20=40mm (4-3-17)
b．計算齒輪齒條寬度
b=*d=0.45*40=18mm, (4-3-18)
取齒輪寬度B=17mm,齒條寬度為B=16mm.
c.計算齒頂圓直徑
da=d+2ha*m=40+2*2=44mm (4-3-19)
d.計算齒根圓直徑
df=d-2(ha+c)m=40-2*1.25*2=35mm (4-3-20)
e.計算齒輪齒條的節(jié)距
P=m=2 (4-3-21)
f.計算齒頂高
ha=m=1*2=2 (4-3-22)
g.計算齒根高
hf=(+)m=(1+0.25)*2=2.5 (4-3-22)
齒條齒部彎曲強度的計算
齒條牙齒的單齒彎曲應(yīng)力：
式中： ——齒條齒面切向力
b—— 危險截面處沿齒長方向齒寬
——齒條計算齒高
S ——危險截面齒厚
從上面條件可以計算出齒條牙齒彎曲應(yīng)力：
=451.16N/mm
上式計算中只按嚙合的情況計算的，即所有外力都作用在一個齒上了，實際上齒輪齒條的總重合系數(shù)是2.63（理論計算值），在嚙合過程中至少有2個齒同時參加嚙合，因此每個齒的彎曲應(yīng)力應(yīng)分別降低一倍。
= 182.2N/mm
齒條的材料我選擇是 45剛制造，因此：
抗拉強度 690N/mm (沒有考慮熱處理對強度的影響)。
齒部彎曲安全系數(shù)
S = / = 3.8
因此，齒條設(shè)計滿足彎曲疲勞強度設(shè)計要求。又滿足了齒面接觸強度，符合本次設(shè)計的具體要求。
3.7小齒輪的強度計算
收藏