高空固定纜道除垢,清理裝置設(shè)計(jì),高空,固定,除垢,清理,清算,裝置,設(shè)計(jì)
太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院 開題報(bào)告
太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題 目： 高空固定纜道除垢,清理裝置設(shè)計(jì)
專業(yè)班級： 機(jī)電2班
姓 名： 郭亞東
學(xué) 號： 2011100162
指導(dǎo)教師： 成建平
2015年 4月 8日
1.課題名稱：
高空固定纜道除垢,清理設(shè)置計(jì)設(shè)
2.課題研究背景
20世紀(jì)70年代,隨著水文系統(tǒng)技術(shù)新活動的開展,水文測驗(yàn)設(shè)施,設(shè)備去得很大的進(jìn)步,水文纜道測流被逐漸推廣，成為最主要測流方法之一，不同跨度、跨數(shù)、手動、電動的水文測流纜道在水文測站廣泛使用，代替了測船、纜車及其他測流方式。由于水文測流纜道設(shè)在野外，極易銹損，特別是隨著近年來酸雨的增多，給纜道運(yùn)行帶來極大安全隱患，；纜索加油保養(yǎng)成為了保護(hù)纜索的關(guān)鍵?！端睦|道測驗(yàn)規(guī)范》（SL443-2009）:中養(yǎng)護(hù)涂油部分規(guī)定：“主索應(yīng)每1年，工作索每年不應(yīng)少于2次……”。但據(jù)調(diào)查，在實(shí)際工作中，多次水文測站隊(duì)纜索每年上油保養(yǎng)一年一次火兩年一次，甚至長期不保養(yǎng)，導(dǎo)致在洪水測報(bào)中出現(xiàn)纜索損斷事故。
3.課題研究意義：
（1）提高了纜道使用壽命
（2）提高了纜道維護(hù)的效率
（3）解決了人工清潔帶來的安全和清潔質(zhì)量不穩(wěn)定問題
（4）降低了纜道清理的人工成本
4.文獻(xiàn)查閱概況：
高空固定纜道除垢，清理裝置設(shè)計(jì)
董建，董立豐，劉津軒
摘要: 纜道測流方法是最廣泛、最成熟的測流方法。水文測驗(yàn)纜道作為水文測報(bào)工作中重要的基本設(shè)施之一，隨著水文現(xiàn)代化的發(fā)展，原始的手搖纜道逐漸實(shí)現(xiàn)了自動化，但是測試?yán)|道架高空纜索保養(yǎng)仍靠人工實(shí)現(xiàn)，危險性大、作業(yè)難度大、遙控自動除垢加油的研制成功，實(shí)現(xiàn)了除垢與加油自動同步進(jìn)行，提高了纜索保養(yǎng)的效率和質(zhì)量，延長了纜索的使用壽命。
5.設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容和方案：
自動除垢加油器運(yùn)行時動力依賴內(nèi)置的電機(jī)， 可以通過無線接收裝置控制電機(jī)的啟動、關(guān)閉及其正反轉(zhuǎn)， 從而實(shí)現(xiàn)操作人員只需在地面操作遙控器控制電機(jī)的運(yùn)行， 達(dá)到遙控加油器的目的。具體流程見圖示:
根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)場的實(shí)際需求確定主要性能和參數(shù)指標(biāo)如下:
(1)操作簡便， 節(jié)省人力。
(2)傳統(tǒng)的架空纜索保養(yǎng)， 無論是纜索落地或懸空人力操作， 都要投入大量的人力， 如跨度在400m 左右的纜索需要5~6 個人同時緊張工作一天。
(3)使用自動除垢加油器只需1~2 人3 h 內(nèi)完成， 同步完成除垢加油。
(4) 主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表圖2
6.纜道清理裝置使用注意事項(xiàng)：
通過對纜道除垢方面進(jìn)行大量調(diào)研和分析, 總結(jié)得出要研制出能成功并且適合高空作業(yè)的除垢裝置, 必須考慮以下幾方面的工況情況:
(1)保證遙控器和無線接收器能在操作運(yùn)行的范圍之內(nèi)
(2)如何加熱黃油，保證黃油的溫度達(dá)到最佳涂到纜道上
(3)選用什么樣的電機(jī)來驅(qū)動清理裝置保證穩(wěn)點(diǎn)效率工作
(4)根據(jù)纜道的直徑來選取配套的刮垢齒跟換使用
7.方案的設(shè)計(jì)思和總體思路想：
7.1.1遙控器的工作原理圖
發(fā)射機(jī)單元主要是由編碼模塊級發(fā)射頻模塊所組成.當(dāng)按下發(fā)射機(jī)上的按鈕或扳動開關(guān)時,編碼模塊即可繁殖哪個按鈕,是在1速或2速位置?并將此按鍵之?dāng)?shù)據(jù)結(jié)合識別碼及漢明碼給與編碼成數(shù)控?cái)?shù)據(jù)后傳至發(fā)射機(jī)頻模塊之調(diào)變器用以調(diào)變射頻載波,調(diào)變器輸出的調(diào)頻信號再經(jīng)頻放大器放大,地通濾波器濾波后送到無線發(fā)生發(fā)射信號.
7.1.2單片機(jī)的紅外遙控器解碼電路圖
解碼器硬件以AT89C51 單片機(jī)為核心, 如圖5 所示,圖中只給出接收紅外遙控信號的部分電路。紅外遙控信號經(jīng)過紅外接收模塊接收后, 解調(diào)為遙控信號的編碼脈沖由輸出端A 輸出, 其波形如圖3 和圖4 所示, 此信號經(jīng)過反相器74LS04 輸出到AT 89C51 的外部中斷INT0 輸入端。單片機(jī)通過運(yùn)行程序?qū)γ嫱膺b控器TC9021 所發(fā)出的編碼脈沖進(jìn)行接收和譯碼。
7.1.3 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)
單片機(jī)程序主要解決的問題就是如何對接收到的9021 型紅外遙控器所發(fā)射的信號進(jìn)行解碼, 編碼脈沖信號是由引導(dǎo)碼、用戶碼、和功能碼等部分組成, 我們只對獲取其功能碼過程進(jìn)行分析。在單片機(jī)設(shè)置中, 將單片機(jī)AT89C51 內(nèi)部定時器/計(jì)數(shù)器T 0 設(shè)為定時方式1 , 定時時間為1 ms ;設(shè)外部中斷INT 0 為下降沿中斷觸發(fā)方式, 由于在接收時將編碼脈沖信號進(jìn)行反相, 因此, 每當(dāng)INT0外管腳信號下降沿到來時, 外部中斷INT 0 發(fā)生中斷, 啟動定時器T0 , 定時器每次中斷定時時間為1 ms 并累加到定時計(jì)數(shù)器中, 在下一次外部中斷INT 0 發(fā)生中斷時讀取定時計(jì)數(shù)器中的時間, 通過對兩個脈沖之間的定時時間的析來對遙控器功能碼進(jìn)行解碼如圖
7.2信號接收器的工作原理
本設(shè)計(jì)中采用PHILIPS公司LPC2000系列ARM處理器為核心, 實(shí)現(xiàn)了與絕對式編碼器的通信、譯碼、顯示等功能.在接收器內(nèi)部有控制模塊(用于向絕對式編碼器發(fā)送控制信號)、時鐘模塊(用于向絕對式編碼器發(fā)送同步時鐘信號)、接收模塊(用于接收絕對式編碼器發(fā)送的數(shù)據(jù))、譯碼模塊(用于對絕對式編碼器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼)、顯示模塊(用于讓接收到的絕對式編碼器發(fā)送的數(shù)據(jù)在LED顯示器上顯示出來)[ 5] .接收器硬件框圖如圖
首先由P0.0和P0.1引腳向編碼器發(fā)送控制信號(P0.0傳送方向控制信號, P0.1傳送零位設(shè)置信號), 然后由P0.3引腳向編碼器發(fā)送同步時鐘信號(同步時鐘信號由ARM內(nèi)部的定時器產(chǎn)生中斷, 然后調(diào)用中斷子程序在P0.3引腳上輸出時鐘信號, 時鐘信號的周期由定時器設(shè)定).在發(fā)送同步時鐘信號給編碼器的同時將此信號輸入P0.7(EINT2), 作為接收數(shù)據(jù)時的時鐘信號(由外部中斷引腳P0.7(EINT2)引起中斷, 調(diào)用中斷子程序在每個時鐘脈沖信號下降沿采樣數(shù)據(jù)傳輸引腳P0.2).編碼器在同步時鐘信號的控制下向ARM傳送數(shù)據(jù)(編碼器在每個時鐘脈沖的上升沿傳輸一位數(shù)據(jù), ARM通過引腳P0.2 接收).ARM接收完數(shù)據(jù)以后對其進(jìn)行解碼(得到一個由度、分、秒構(gòu)成的絕對角度位移量), 然后通過GPIO
引腳控制LED顯示器顯示從編碼器接收到的數(shù)據(jù)信息(P0.10 ～ P0.17控制段選碼接口, P0.18 ～ P0.24控制位選碼接口)[ 6] .軟件流程如圖
7.3機(jī)械結(jié)構(gòu)的選擇與確定
方案一：參考電機(jī)驅(qū)動輪式機(jī)器人
是韓國Sooslmg機(jī)械有限公司研發(fā)的炮管自動清洗機(jī)器人(韓國專利號：10-2006．0033030，歐洲專利號：EPl845330AI)。該機(jī)器人由80a和80b兩個緊貼管壁的輪子旋轉(zhuǎn)驅(qū)動整體前進(jìn)和后退，其中m為驅(qū)動電機(jī)，通過減速器100減速后驅(qū)動80a和80b，同時通過行星轉(zhuǎn)系驅(qū)動500繞著中心軸200旋轉(zhuǎn)，在500上裝有刷子，并由610提供清潔油實(shí)現(xiàn)對管內(nèi)壁的清洗。
電機(jī)驅(qū)動輪式機(jī)器人
這種機(jī)器人原理簡單，但機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，不太適合口徑小的火炮使用。對不同的口徑適應(yīng)能力不強(qiáng)
方案二：爬行式
考慮到炮管擦洗機(jī)器人要同時實(shí)現(xiàn)炮管內(nèi)壁擦洗功能和管內(nèi)前后運(yùn)動功能，分別通過清洗刷回轉(zhuǎn)運(yùn)動和機(jī)器人本體的步進(jìn)伸縮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其總體結(jié)構(gòu)如圖l所示。機(jī)器人主要由清洗刷、前復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)、后復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)和伸縮機(jī)構(gòu)組成。其中，清洗刷安裝在前復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)上，前復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)和后復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類似，均可由一個步進(jìn)電機(jī)帶動凸輪轉(zhuǎn)動600頂出圓周均勻分布的三組橡膠張緊機(jī)構(gòu)，此步進(jìn)電機(jī)也用來驅(qū)動清洗刷來回轉(zhuǎn)動。同時，復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)外圓周上還有三組與橡膠張緊機(jī)構(gòu)間隔600均布的支撐輪機(jī)構(gòu)，用來支撐機(jī)器人的自重并輔助機(jī)器人在炮管內(nèi)的前后運(yùn)動。前復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)和后復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)中間裝有由步進(jìn)電機(jī)2驅(qū)動的絲杠螺母機(jī)構(gòu)。其用來實(shí)現(xiàn)前復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)和后復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)之間的相對前后運(yùn)動。
炮管清洗機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)
基于此基本結(jié)構(gòu)，炮管擦洗機(jī)器入在炮管內(nèi)的工作原理如下：
(1)設(shè)定機(jī)器人的初始運(yùn)動速度，控制后復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)上的張緊橡膠塊伸出并頂住炮管內(nèi)壁；前復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)上的張緊橡膠塊收縮，由前復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)上的三個支撐輪支撐在炮管內(nèi)壁；
(2)控制前復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)上的清洗刷開始轉(zhuǎn)動。同時步進(jìn)電機(jī)2開始轉(zhuǎn)動，驅(qū)動絲杠螺母機(jī)構(gòu)推動整個前復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)向前運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)清洗刷邊前進(jìn)邊旋轉(zhuǎn)的復(fù)合擦洗運(yùn)動；
(3)在前復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)向前擦洗一段設(shè)定距離后，停止清洗刷的轉(zhuǎn)動；控制前復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)上的張緊橡膠塊伸出并頂在炮管內(nèi)壁上；控制后復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)松開其上的張緊橡膠塊，讓后復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)上的三個支撐輪支撐在炮管內(nèi)壁；
(4)然后，再次控制步進(jìn)電機(jī)2按設(shè)定方向轉(zhuǎn)動，拖動后復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)向前移動一段設(shè)定距離后，控制機(jī)器人的后復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)上的張緊橡膠塊伸出并頂在炮管內(nèi)壁上，而前復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)上的張緊橡膠塊收縮。機(jī)器人又恢復(fù)到初始狀態(tài)可以重復(fù)進(jìn)行下一段距離的炮管內(nèi)壁擦洗。如上所述，采用步進(jìn)式前后運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動相結(jié)合的復(fù)合擦洗方式，可對炮管內(nèi)壁火藥殘留物進(jìn)行有效擦洗。
符合驅(qū)動結(jié)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)
炮管擦洗機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)和直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)。其中，復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)要求實(shí)現(xiàn)兩個功能：配合步進(jìn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)式前后運(yùn)動的功能和驅(qū)動擦洗刷回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)擦洗炮管內(nèi)壁的功能。其主要由橡膠塊、頂桿、彈簧、凸輪以及棘輪等組成，凸輪通過軸承與電機(jī)軸相連，棘輪通過鍵與電機(jī)軸相連，當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)到其輪廓最高點(diǎn)與頂桿接觸時，頂起橡膠塊并頂住炮管內(nèi)壁，復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)與炮管內(nèi)壁相對同定；這時再反向旋轉(zhuǎn)棘輪。反轉(zhuǎn)到其上的凸起部分與凸輪內(nèi)孔凸起部分相接觸，然后再反轉(zhuǎn)直到其凸起部分與凸輪內(nèi)孔凸起部分又重新接觸為止，這樣棘輪往復(fù)旋轉(zhuǎn)，帶動清洗刷進(jìn)行同樣的往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動，來對炮管內(nèi)壁進(jìn)行擦洗。機(jī)器人的直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)2、絲杠螺母和導(dǎo)桿構(gòu)成，如圖3所示。其中，絲杠螺母固定連接在后復(fù)合驅(qū)動模塊上，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)2驅(qū)動絲杠回轉(zhuǎn)，會驅(qū)動絲杠螺母并使得機(jī)器人前后兩部分相互分開或者靠攏，在復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)橡膠塊伸縮運(yùn)動的配合下可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)式前后運(yùn)動。基于上述結(jié)構(gòu)，開發(fā)的炮管擦洗機(jī)器人樣機(jī)及復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)如圖
直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)
這種機(jī)器人進(jìn)給結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，且不易控制
方案三: 菅徑自適應(yīng)式管道機(jī)器人
下圖為上海交通大學(xué)研制的管徑自適應(yīng)管道機(jī)器人。該機(jī)器人由成120度的三組平行四邊形轉(zhuǎn)腿機(jī)構(gòu)驅(qū)動川，該三組輪腿緊貼管壁，在實(shí)現(xiàn)驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動的同時能根據(jù)管道內(nèi)徑變化進(jìn)行自動調(diào)整，目前該機(jī)器人已用于煤氣管道的探測和維護(hù)．
管徑自適應(yīng)式機(jī)器人
這種進(jìn)給方式相比第一種提高了對不同管徑的適應(yīng)能力，但結(jié)構(gòu)上更為復(fù)雜。不易實(shí)現(xiàn)
方案四：無線貼壁螺旋式機(jī)器人
下圖為比利時布魯塞爾自由大學(xué)根據(jù)東京工業(yè)大學(xué)航空機(jī)械系的研究成果所研制的無線貼壁螺旋機(jī)器人。該機(jī)器人由前后兩部分組成，中間通過萬向節(jié)連接。前部分為驅(qū)動單元，由三個互成120度的支撐腳組成，每個支撐腳上各有一個具有傾斜角的輪子。后部分為支撐部分，通過中間的電機(jī)驅(qū)動使前部分在管內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而帶動機(jī)器人運(yùn)動。前部分輪子的傾斜角可咀隨著阻力大小的改變而改變，當(dāng)機(jī)器人的負(fù)載較大時，輪子的傾斜角將產(chǎn)生變化，從而減小行走速度增加推進(jìn)力。機(jī)器人的前端可阻轉(zhuǎn)載清洗刷，實(shí)現(xiàn)對管道的清洗．
貼壁螺旋式機(jī)器人
這種機(jī)構(gòu)較為簡單，易于在狹小的地方實(shí)現(xiàn)同時可以在不調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的情況下，通過調(diào)節(jié)輪子傾斜的角度調(diào)節(jié)進(jìn)給速度。通過對比，覺定采用此方案。
7.4方案改進(jìn)：
本設(shè)計(jì)中的裝置，與固定纜有所區(qū)別，固定纜可以采用套入的方式，即將裝置套在固定纜上，這樣有效的保證支撐。只需在這個基礎(chǔ)上解決清洗，前進(jìn)等功能。本設(shè)計(jì)中參考上述機(jī)構(gòu)的傳動結(jié)構(gòu)，加以改進(jìn)。利用固定纜自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來保證裝置的移動。具體方案如下：
7.5高空固定纜道除垢清理裝置設(shè)計(jì)及可行性論證：
由上述方案，對裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)下圖
7.6刷洗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
清洗部分是軟材質(zhì)，其套在纜索上面，旋轉(zhuǎn)可以對纜索進(jìn)行清洗
7.5.1驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)
上下輪鎖緊鎖鏈，摩擦前進(jìn)
7.5.2減速器設(shè)計(jì)選用：
減速部分初定為使用行星減速器，
該減速器具有結(jié)構(gòu)簡單，輸出扭矩大，可以多級使用，有較大減速比的特點(diǎn)，經(jīng)查閱資料的出下表
某廠行星減速器參數(shù)
減速器級數(shù)
可選減速比（范圍內(nèi)可定做）
一級
1:3,1:4,1:5,1:8,1:10
二級
1：12（訂貨）1：16（訂貨）1:15,1:20,1:25,1:32,1:40,1:64
三級
60 80 100 120 160 200 256 320 512
7.6電機(jī)選用：
表ZZD2 直流電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)
型號
電壓
（V）
電壓（V）
電壓（V）
功率
（W）
轉(zhuǎn)速
（r/min）
勵磁
電杻
勵磁
電杻
ZZD2-01
串勵
110
7.0
500
3000
ZZD2-02
串勵
220
3.5
500
3000
ZZD2-03
它勵
32
0.76
11.5
250
2300±100
ZZD2-04
串勵
32
12
250
2100±100
ZZD2-05
并勵
220
0.116
2.0
300
3000±100
表ZZD2 直流電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)（續(xù)）
轉(zhuǎn)矩
（N·m）
工作方式
外圍尺寸
總長
外徑
軸徑
1.588
1min
219.5
85
14
1.588
1min
219.5
85
14
1.039
持續(xù)率50﹪
219.5
85
14
1.137
持續(xù)率50﹪
219.5
85
14
0.926
連續(xù)
219.5
85
14
由上表可以看出，現(xiàn)有電機(jī)完全可滿足設(shè)計(jì)要求，同時，經(jīng)過減速器也可以得到合適的轉(zhuǎn)速。此設(shè)計(jì)方案可以實(shí)現(xiàn)。
8.設(shè)計(jì)（論文）提交形式
（1）外文資料及中文翻譯各一份（字?jǐn)?shù)要求10000印刷符號）
（2）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告一份
（3）裝配圖一套（約2-3張A0圖紙）
（4）設(shè)計(jì)計(jì)算說明書一份
9.進(jìn)度安排
第四周 查找有關(guān)外文資料并翻譯成中文
第五周 查閱資料并撰寫開題報(bào)告
第六周 基本參數(shù)計(jì)算
第七周 零部件和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第八周 畢業(yè)實(shí)習(xí)，完成實(shí)習(xí)報(bào)告
第九周 零部件和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第十周 刷洗部分設(shè)計(jì)計(jì)算
第十一周 驅(qū)動部分設(shè)計(jì)計(jì)算
第十二周 電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算
第十三周 計(jì)算機(jī)繪圖，編寫設(shè)計(jì)說明書
第十四周 計(jì)算機(jī)繪圖，編寫設(shè)計(jì)說明書
第十五周 審查和修改圖紙及整理畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
第十六周 準(zhǔn)備畢業(yè)答辯答辯
第十七周 畢業(yè)答辯
10. 指導(dǎo)教師意見
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