1、1巡线机器人伸缩挂臂设计一、巡线机器人概述（一）课题来源，重要性和意义机器人技术的快速发展，为高压输电线路巡检工作提供了新的手段，应用智能机器人取代人工巡线不仅可以提高巡线的精度，也可以提高工作效率。20 世纪 80 年代末，日本，美国，加拿大等发达国家先后开展了巡线机器人的研究工作。但是，大部分巡线机器人只具备在直线段行走或能够跨越部分障碍的功能。本课题研究的巡线机器人时在分析比较国内外几种巡线机器人的基础上，结合巡线机器人手臂动作的性能和要求，本设计主要目的是使其能够自主跨越输电线路上的所有障碍，完成巡线任务。超高压输电线担负着我国电力传输的重任，它的安全直接关系到一个国家经济的稳定发展。
2、目前，高压和超高压架空电力线路是长距离输配电力的主要方式，由于长期暴露在自然环境中，会承受到正常机械载荷和电力负载的内部压力，还要经受污秽，雷击，强风，滑坡，沉陷，鸟害等外界侵害。上述因素将会促使线路上各元件的老化，如不及时发现和消除，就可能发展成为各种故障，对电力系统的安全和稳定构成严重威胁。因此，线路巡检管理是有效保证输配电线路运行状况及周边环境的变化，及时发现设备缺陷和危机线路安全的隐患，提出具体检修意见，以便及时消除缺陷，预防事故发生，或将故障限制在最小范围，从而保证配电线路的安全和电力系统的稳定。随着我国经济的高速发展，超高压大容量输电线路越建越多，线路走廊穿越的地形环境更加复杂，如
3、经过大面积的水库，湖泊和崇山峻岭，给线路的维护带来很多困难。我国现又 500kw 超高压电线路约 2.7 万公里，为保证其安全可靠的运行，定期检测和维护十分必要，传统的巡检方法普遍采用人工巡检，每年的人力物力费用较高。而且在恶劣危险环境下工作给检测人员的检测工作带来一定困难。同时，消费者对电能的质量和可靠性要求也进一步提高，电力部门必然要加强对输电线路的巡检工作。这样势必更进一步加大巡线工人的劳动强度。因此，为了保证电力系统的可靠性，提高巡线的效率，巡线机器人就孕育而生。由于巡线工作的重要性，只有采用先进的巡检方式和工具，才能有效的缩短巡检周期，及时发现存在的缺陷，有效地消除隐患，确保电力系统
4、的安全稳定运行。巡检机器人的研究成为目前该领域的热点之一。而巡线机器人的爬行方式，机械手臂的设计更是其中的重点，如何有效快捷地越过障碍，完成手臂动作成为广泛研究的焦点。因此开展基于机器人技术的自动巡线机器人挂臂及其相关技术研究，不仅有重大的理论意义，而且有显著的社会及经济效益。（二）巡线机器人的发展回顾与展望巡线机器人的发展历史巡线机器人的研究始于 20 世纪 80 年代末，日本，加拿大，美国等发达国家先后开展了巡线机器人的研究工作。1988 年，东京电力公司的 Sawada 等人研制了光线复合架空地线（OPGW）巡检移动机器人。该机器人利用一对驱动轮和一对夹持轮沿地线（OPGW）爬行，能跨越
5、地线上防震锤，螺旋减震器等障碍物。遇到线塔时，机器人采用仿人攀援机理，先展开携带的弧形手臂，手臂两端勾住线塔两侧的地线，构成一个导轨，然后本体顺着导轨滑到线塔的另一侧；待机器人夹持轮抱紧线塔另一侧的地线后，将弧形手臂折叠收起，以备下次使用。该机器人运动控制又粗略和精确定位两种模式，粗略控制时把线塔和地线的资料数据（线塔2的高度，位置，地线长度，线路上附件数量等）预先编制好程序输入机器人，据此控制机器人的行走和避障。精确定位控制则根据传感器反馈信息进行控制。机器人携带的损伤探测单元采用涡流分析方法探测光纤复合架空地线（OPGW）铠装层的损伤情况，并把探测数据记录到磁带上。美国 TRC 公司 19
6、89 年研制了一台悬臂自治巡线机器人原型。他能沿架空导线长距离爬行，执行电晕损耗，绝缘子，结合点，压接头等视觉检查任务，对探测到的线路故障数据预处理后，传送给地面人员。当机器人遇到杆塔时，利用手臂采用仿人攀缘的方法从侧面越过杆塔。1990 年日本法政大学的 Hideo Nakamura 等人开发了电气列车馈电电缆巡检机器人。机器人采用多关节蛇形小车结构和“头部决策，尾部跟随”的仿生控制体系，以 10cm/s 的速度沿电缆平稳爬行，并能跨越分支线，绝缘子等障碍物。该机器人由六对左右对称，互相连接的小车组成，每个单体小车有两个电机，一个用于行走驱动，另一个用于控制连接前后小车的旋转关节的关节角；左
7、右小车采用具有自保功能的磁鎻连接。磁锁系统用永久磁铁将左右小车牢牢锁紧，使两车橡胶驱动轮抱住馈电电缆，由行走电机驱动沿电缆平稳爬行。当机器人遇到分支线，绝缘子等障碍物时，每对小车上磁锁系统中的电磁铁通电，顺次将磁锁打开，机器人再改变两侧旋转关节的关节角，使左右小车分开；小车依次通过障碍物后，控制两测旋转关节使左右小车合拢，电磁铁断电，磁锁再次锁紧，机器人回复正常行走状态。国内关于架空电力线路巡线机器人研究的报道较少。1998 年武汉水利电力大学的吴功平教授研制出了架空高压线路巡线小车，小车采用单体两臂驱动轮结构，具有稳定的行走功能和越障功能，在遥控器的控制下，能顺利越过绝缘子，防震锤，悬垂线等
8、障碍物，并利用携带的近距离红外故障诊断仪完成线路的诊断。巡线小车的行走，越障通过人工遥控加机械控制器来实现。目前，该研究组正在进行智能化程度较高越障能力强的自治巡线机器人的研制工作。中科院沈阳自动化所，中科院自动化所在国家 863 计划项目资助下也开展了架空电力线路巡线机器人的研究。从上述国内外已获取的的研究成果可以看出，无越障功能的架空电力线路巡线机器人技术较为成熟，已进于实用阶段，如日本 Sato,Fujikura,美国 Machtech,Charlotte,NC 等公司开发的巡线机器人。这类机器人一般需人工参与，只能完成两线塔之间电力线路的检查，作业范围小，自治程度低。自主巡线机器人能跨
9、越线路附件，线塔等障碍物，实施大范围，长时间的线路巡检作业，但研究缓慢。总之，目前，国内外研究表明，所有自主越障机器人都处于实验室条件的研究，还没有一台自主越障巡线机器人运行应用于实际线路的巡检工作中。（三）巡线机器人的发展趋势1、机构轻巧，实用化随着对巡线机器人的越障功能不断的完善，其本体结构将会更加灵活，更加轻巧。巡线机器人的结构在今后的研究中更加注重机构的综合柔性化。结构仿生学的设计将会在巡线机器人结构中占有重要的位置。2、多传感巡线机器人随着自治巡线机器人机器人技术的成熟和线路故障探测仪器的小型化，在一台巡线机器人上集成多种线路故障探测仪器将成为可能。这样，机器人可用多种传感器同时扫描
10、线路，运用传感器信息融合技术可以更高的分辨率和可靠性发现各种类型的早期故障并加以评估，为维护人员实时提供架空电力线路设施的工作状态报告。3、分布式多巡线机器人系统多传感巡线机器人固然有其优点，但不可避免会带来体积较大及控制过于复杂的缺点。开发小型单传感器巡线机器人，通过多个携带不同线路故障探测器的机器人协调工作，同样也可完成线路3巡检任务。由于功能的单一化，可减少机器人体积及功耗，降低了研制难度；同时，多机器人又组织的协作，可使机器人群体高性能的智能行为通过群体间的知识共享和交换，可进一步提高线路故障的探测灵敏度和可靠性。二、巡线机器人伸缩挂臂设计方案的选择（一）课题的原始数据与基本要求课题的
11、基本内容：为满足机器人伸缩尺寸的要求，设计一个能够伸缩变化的挂臂，其挂臂副包括完成手臂的垂直升降展开以及可进行手臂回转，这样两个自由度。目的要求和主要技术指标：要求： 完成巡线机器人的机械图纸和主要设计计算和强刚度校核。机械手臂的自重要小，且要有好的刚度。手臂为二节伸缩，选用一个驱动电机驱动。主要技术指标：手臂绝对升降行程不小于 480mm，垂直载荷能力为 25kg，所变弯矩为 50Nm，升降速度为 0.015m/s。手臂上部可安装爪夹手及轮部件。（二）机械手臂的类型滑轮机构通过电机驱动滑轮，通过定滑轮的固定位置，带动动滑轮的升降，以达到升降的目的，但考虑到巡线机器人是长距离工作，而滑轮容易损
12、坏，且传动比不稳定，所以不适合本设计。气压传动通过行程开关控制气压的动力顶升升降筒，气压元件质量轻，体积小且实用安全，能够在恶劣环境下进行正常工作。但空气可压缩性大，运动速度的稳定性也就比较差。四连杆机构将机器人的挂臂设计为四连杆机构，通过四连杆机构的变形，控制巡线机器人的高度，但这样的挂臂的刚性和抗变形能力都比较差。（三）巡线机器人伸缩挂臂方案的确定巡线机器人须要自主跨越障碍，根据障碍的空间分布，机器人手臂要求有伸缩和回转两个自由度。巡线机器人为了保持平衡以及互相配合，需要左右各一个挂臂，当机器人需要升降时，当一个挂臂负责升降，负载拖动主箱体，攀附于电缆上，另一个挂臂空载，升降到同一高度，准
13、备交替动作，交替的同时通过平移蜗箱，移动主箱体，两手臂互相配合，跨越障碍。选择用一个电机来作为动力系统，考虑到手臂的升降行程的要求（即升降行程不小于 480mm），以及挂臂升降的稳定性，本设计采用螺纹传动，用一对丝杠螺母副传动。由于要采用二节伸缩的升降形式，须要内升降筒与外升降筒同时运动，才可以有二节展开的效果，同时考虑到传动的稳定性，设计采用一对齿轮啮合带动内外升降筒同时运动，从而实现两节展开。负载的挂臂由电动机 1 带动内丝杠旋转，内丝杆与固定在内升降筒上的下螺母啮合，带动内升降筒的升降，又由减速箱中联轴器上的齿轮 1 啮合固定在外丝杠上的齿轮 2，从而带动外丝杠旋转，考虑到二节伸缩，旋转
14、方向应与内丝杠相反，又通过固定在涡轮箱体上的上螺母，带动外升降筒向上运动，使机器人挂臂两节展开。并在丝杆端部设置挡板，限制升降筒的行程。这是手臂伸缩，也就是实现挂臂垂直方向的自由度。考虑到手臂可进行回转的要求，为了满足结构紧凑的要求，本设计采用涡轮蜗杆啮合的方式，动力系统采用一个电机，由电动机 2 来带动蜗杆的旋转，蜗杆与涡轮啮合，固定在涡轮上的上螺母同时4与外丝杠啮合，从而带到整个手臂回转，这样既能够保证外升降筒垂直升降的要求，又可以实现机器人挂臂旋转的功能，同时，还大大提高了空间的运用，这就是 xy 平面旋转的自由度。由于本课题对挂臂旋转速度未做要求，因此此电机的选择不作为设计的重点。考虑
15、到高压电缆的负载，巡线机器人有自重小，结构紧凑的要求，故将减速箱尽量压缩，根据外升降筒的形状，紧贴着外升降筒的内部固定在外升降筒内，又因为安装电动机方便，所以将减速箱放置在外升降筒的尾部位置。在选用材料上尽可能选用密度小，刚性好的材料。考虑到强刚度和重量的要求，内外升降筒截面的形状设定为六角形，根据自重小的要求，升降筒作薄壁中空状。基于以上思路，设计出一种巡线机器人挂臂，其基本结构如下图所示。56三、各零部件的选择与设计（一）丝杆的设计1、丝杆的结构设计1 电机位置处于伸缩挂臂的尾部，通过齿轮箱内的带齿轮的联轴器与内丝杠想连接，从而带动内丝杠，作为垂直动力系统。主要技术指标中要求升降速度 v
16、为 0.015m/s。由于该机器人挂臂采用二节伸缩，而外升降筒的伸缩是通过升降齿箱中升降齿轮的传动，带动外丝杠，又通过上螺母的啮合来实现的。因此，主电动机只须要提供 v/2=0.0075m/s 的动力就可以实现技术指标。具体传动原理图如下：89（1）选择滑动螺旋传动，由于传动时磨损较大，矩形螺纹磨损后，间隙难以修复和补偿，传动精度会降低，而且压根强度弱。还考虑到工艺加工性，梯形螺纹，公艺性好，压根强度高，对中性好，还可以调整间隙，鉴于以上优缺点，螺杆选择梯形螺纹。（2）轴向载荷为 F，考虑到结构要求比较紧凑，选择螺母形式为整体式，轴向载荷垂直向下，而挂臂的起始位置属于未升开状态，须要运动方向向
17、上，所以，丝杆运动方向与轴向载荷方向相反。（3）选择材料，挂臂属于机器零件，所以选择结构钢，要求强度较高，所以选择中碳钢，考虑到成本和质量的问题，所以选择优质钢，最后确定为 45 号钢，查得疲劳极限是 353Mpa。（4）考虑到螺母的硬度大，耐磨性高，耐腐蚀的要求，螺母材料选择为青铜，具体选择ZCuAl10Fe3。具体结构尺寸如示意图。（5）考虑到两端支承的长度损失，内外丝杆工作长度设定为 280mm。（6）计算升降行程两丝杆端部结构设计为两端固定，考虑到螺母的旋合长度不宜过短，现在估计为 17mm,因此，内外丝杆的工作长度减去螺母的旋合长度，设定内外丝杆的两支撑的最大距离 L1，L2 皆为
18、263mm。由于挂臂为二节伸缩，升降行程为下螺母旋合到内丝杆的顶端，上螺母旋合到外丝杆的底端，而内外丝杆的位置是固定的，从外部看挂臂升降时，就可以看到平移蜗箱的位置从外升降筒的上端逐渐变到外升降筒的下端，而与此同时，内升降筒也以一定的速度逐渐伸出外升降筒，直到基本全部伸出，也就是当上螺母接触到挡板为止。因此，挂臂的升降行程为内升降筒的最大行程与外升降筒的最大行程之和，也就是 L 。21，即升降行程 L 。满足挂臂的垂直行程，并且留有余量。m4805632而这个余量可以通过挡板上下位置的改变来调节，当挂臂未运动时，挡板可以限制上螺母的位置，当挂臂伸展到最大时，挡板可以限制下螺母的位置，从而控制最
19、大行程。2、丝杆的设计计算材料许用压强 在范围（1825）Mpa 中选择，由于没有特殊要求，选择中间值，取 21.5Mpa。p（1）中径系数在(1.22.5)的范围中选择，考虑到刚性安全，传动可靠，选择参数适中，取。中径系数取得越大，螺纹的中径就越小，螺母高度也越小，8.但传动的精度和可靠性就会下降。（2）对于梯形螺纹或矩形螺纹，一般取 ，比较适中。 越大，计算中径的值就越大，考虑8.0到强度要求，这个数值比较适合。（3）计算中径螺纹中径 mpFd 25.910.284.026根据优先数系，选择公称直径为 10mm，螺距 p 为 1.5，大径 D4 为 10.3mm，外螺纹小径 d3 为8.3
20、mm。规格为 M101.5。考虑到丝杆的刚度和可靠性，根据优先数系，牙形角取 20。（4）计算螺母高度螺母高度 。比原定的螺母高度 17mm 小，所以原定螺母高度符m65.12.98dH合强刚度要求。10（5）计算丝杆旋合圈数丝杆旋合圈数为 。旋合 11.1 圈基本满足螺纹旋合稳定性和精度要求。1.5.6pHZ（6）计算螺纹的工作高度工作高度 075.0h（7）计算工作压强工作压强 MPahzdFp 01.075.2914.32满足要求。工作压强实际值很小，远远小于材料允许的压强值，对丝杆螺母的正常传动没,有很大的影响。验算自锁性（8）工作面的摩擦系数根据丝杆螺母的材料来判断，丝杆的材料为 4
21、5 号钢，螺母的材料为青铜，查得丝杆螺母工作面摩擦系数可以取的范围在（0.080.10）之间，因此，取中间值 0.09。f（9）计算当量摩擦角根据公式 32.50cos9.2cosartgfartg其中 a 为牙型角。（10）计算导程由于丝杆螺纹传动效率要求不高，取线数为 1，因此导程 。5.1PS（11）计算螺纹升角螺纹升角 95.214.3592arctgdarctg，可见，丝杆螺母副传动满足自锁要求。（12）计算丝杆转矩本设计选用一个电机通过联轴器，带动内丝杆转动，所以选择的螺旋副的运动形式是螺母固定，螺杆转动并做直线运动。这种运动形式有利于传动的精度以及提高传动的效率。由于挂臂的升降主
22、要依赖于丝杆螺母副的传动，因此，计算出的转矩就是挂臂升降的动力，在整个设计过程中尤为重要。根据转矩的计算公式， 23F12)tan(dDfT11其中 T1 为螺纹力矩，T2 为摩擦力矩。1）其中 F 为挂臂的垂直载荷能力，作为挂臂升降的动力，这些负载直接由丝杆螺母副的传动来承担，所以转矩必须满足这一条件，要求为 25kg,即垂直载荷 F= Nmg2458.92）考虑到丝杆螺母的自锁性，n 为丝杆螺旋线数，现在取 1。3） 为工作面间的摩擦系数，查得 。09.4) 为内外丝杆的螺纹升角，已计算得 5.25) 根据丝杆的直径以及对齿轮箱占用空间的考虑，所选用的轴承，对丝杆的支承环面外径要求的范围在
23、 ，支承环面外径要求的范围在（3.35.0）之间，现在考虑到对丝杆支承的可靠mD3.8性，选择支承环面外径 ，7支承环面内径 。d46）计算公式将给定数值带入公式，得： Nm27.05.617.42109.37.164)32.5.tan(25.123T转矩计算值为 0.227Nm，因此，所需转矩的数值比较小，估计用小功率电机即可拖动3、丝杆的强度校核（1）螺杆选用的材料是 45 号钢，查得其许用应力 在 的范围中，由于没有特殊要求，许用应力取范围的中间值，67.160.7。MPa94（2）45 钢的材料许用弯曲应力 1在 的范围中，考虑到螺杆弯曲应力不大，所以取601 MPa501（3）45
24、钢的许用剪切应力 在 30 的范围中，考虑到材料可靠性，所以取 。40 35（4）计算螺杆当量应力 当量应力 23.10 75.2075.1432()02.()( 232 MPadTdF ）（）12满足许用应力要求，丝杆所受的当量应力在许用应力范围之内，且数值不大，对丝杆螺母副的正常传动造成的影响不大（5）计算螺纹牙底宽度梯形螺纹螺纹牙底宽度 。075.1.5.0pb牙底宽度的大小与齿轮的强度有直接的关系，如果牙底宽度太小，容易造成牙根弯曲疲劳磨损，引起传动失效。（6）计算螺纹剪切强度螺纹剪切应力 MPabzd 209.107514.320F因此， 满足剪切强度要求，丝杆所受的螺纹剪切应力在许
25、用剪切应力范围之内，且数值很小，对丝杆与轴承的固定，以及正常传动的精度影响不大。（7）计算螺杆弯曲强度螺杆弯曲应力 MPazbdFh 628.31.07514.3201 22 因此， 满足螺杆弯曲强度。丝杆所受的弯曲应力在许用弯曲应力的范围之内，且其数值远小于选择的许用弯曲应力。所以丝杆所受的弯曲应力对丝杆螺母副正常传动的影响不大。（8）计算螺母剪切强度螺母剪切应力 9372.0175.014.32dbzF其中 d 为丝杆公称直径。因此， 。1满足螺母剪切强度。螺母所受的螺纹剪切应力在许用剪切应力范围之内，且数值很小，对正常传动的精度影响不大。（9）计算螺母弯曲强度螺母弯曲应力 MPazdbF
26、h8.21075.14.32222 因此， 。满足螺母弯曲强度要求。螺母所受的弯曲应力在许用剪切应力范围之内，且数值很小，对正常传动的精度影响不大。（10）计算临界载荷根据钢是否淬火以及自身应力强度，列出以下公式：13)(02.1(4885l )(013.(490)(9085 22ildcFi ildcFil laEIcil 零 界 载 荷 采 用 公 式时 ，当零 界 载 荷 采 用 公 式时 ，当 零 界 载 荷 采 用 公 式时 ，当（11）45 钢弹性模量对于钢一般取弹性模量 。GPaE7（12）计算螺杆危险截面的轴惯性矩考虑到内外螺杆的危险截面均是圆形，因此，根据轴惯性矩公式螺杆危险
27、截面的轴惯性矩为： 460mdaI代入螺杆中径 ，得：md75.0449.16/.13aI（13）计算螺杆危险截面的惯性半径根据公式，得丝杆危险截面的惯性半径为 。mdi9375.14.0（14）确定螺杆的长度系数长度系数 取决于螺杆端部的结构，考虑到轴承运动时的稳定性，防止丝杆的轴向，径向的窜动，对内外螺杆的两端均采用轴承固定，所以内外螺杆为两端固定，鉴于轴取长度系数的标准，两端固定，取长度系数 。5.0（15）已知螺杆的最大工作长度为 280mm。（16）计算丝杆柔度根据柔度公式，得 ，由于柔度是一个量纲一的量，所以没有单位。258.793.105il柔度意义是在构件轴向受力的情况下，沿垂
28、直轴方向变形的大小，柔度越大，变形也就越大，构件的稳定性也就越差。目前计算得丝杆的柔度数值比较小，沿垂直轴方向的变形也就比较小，构件的稳定性也就比较好。传动精度也就比较好，功率损失也会减少，柔 度 的 大 小 与 下 列 因 素 有 关 ： 构件 的 截 面 尺 寸 ， 截 面 尺 寸 大 ， 柔 度 小 ； 构 件 的 长 度 ， 长 度 越 长 ， 柔 度 越 大 。14，所以零界载荷采用第三个公式。852.7il（17）计算零界载荷将以上已知参数代入公式 ，得：)(02.1(48ildcF零界载荷 Nc 89.568.7.04382）（在 轴 向 压 力 逐 渐 增 大 的 过 程 中
29、， 压 杆 经 历 了 两 种 不 同 性 质 的 平 衡 。 当 轴 向 压 力 较 小 时 ， 压 杆 直线 形 式 的 平 衡 是 稳 定 的 ； 当 轴 向 压 力 较 大 时 ， 压 杆 直 线 形 式 的 平 衡 则 是 不 稳 定 的 。 使 压 杆 直 线形 式 平 衡 开 始 由 稳 定 转 变 为 不 稳 定 的 轴 向 压 力 值 ， 称 为 压 杆 的 临 界 载 荷 ， 就 计 算 得 的 临 界 载荷 而 言 ， 数 值 相 当 大 ， 一 般 不 会 达 到 ， 也 就 是 说 丝 杆 在 一 般 情 况 下 都 会 保 持 压 杆 稳 定 状 态 。（18）计算
30、轴向载荷使导程产生的变形根据轴变形公式 204EdFSAS已知轴向载荷 ，导程 S=1.5mm。NF245将已知条件代入公式 ，得204dSS轴向载荷使导程产生的变形为：。 mFS 529176.305.1274.3 这个变形数值相当小，在允许范围内，不会影响丝杆螺母副的正常传动，可以忽略不计。（19）计算转矩使导程产生的变形 424016)( 3d2GTSMSpI pISS， 因 此 公 式 变 形 为代 入 形 极 惯 性 矩 公 式其 中 螺 杆 危 险 截 面 的 圆转 矩 使 导 程 产 生 的 变 形螺杆材料的切变模量 G，对于钢取 。Pa.8根据公式，得：转矩使导程产生的变形为,
31、 72410.507.13.826S变形的数值相当小，在允许范围之内，不会影响丝杆螺母副的正常传动，可以忽略不计。15（20）计算导程的总变形量导程的总变形量即轴向载荷使导程产生的变形与转矩使导程产生的变形之和：即 MSSF总代入 的值，得;,导程的总变形量 。 MPa575108.3102.76.3总可见，其中轴向载荷对导程所产生的变形远大于转矩对导程产生的变形，那是因为，本设计的挂臂所需的功率较小，结构紧凑，但轴向载荷相比之下比较大，所以只须要考虑轴向载荷对导程所产生的变形，导程的总变形量数值很小，不会对螺杆传动的稳定性造成影响。（21）计算零界转速 Egdicn206根 据 零 界 转
32、速 公 式已知长度系数 ，螺杆危险截面的惯性半径 。5.09375.1i螺杆材料的弹性模量取 E= Mpa， ，重力加速度取 9.8m/s91273/064mN 2将以上系数代入公式 ，得Egdicn206零界转速为 =135168.84r/min。5921064.78.5.14329零界转速只是螺杆理想允许状态下的转速，一般不会达到。转 动 件 转 子 在 运 转 中 都 会 发 生 振 动 ，转 子 的 振 幅 随 转 速 的 增 大 而 增 大 ， 到 某 一 转 速 时 振 幅 达 到 最 大 值 （ 也 就 是 平 常 所 说 的 共 振 ） ，超 过 这 一 转 速 后 振 幅 随
33、 转 速 增 大 逐 渐 减 少 ， 且 稳 定 于 某 一 范 围 内 ， 这 一 转 子 振 幅 最 大 的 转 速 称为 转 子 的 临 界 转 速 。 这 个 转 速 等 于 转 子 的 固 有 频 率 ， 当 转 速 继 续 增 大 ， 接 近 2 倍 固 有 频 率时 振 幅 又 会 增 大 ， 当 转 速 等 于 2 倍 固 有 频 率 时 称 为 二 阶 （ 级 ） 临 界 转 速 ， 依 次 类 推 有 三 阶 、四 阶 （22）传动效率根据公式传动效率 。)tan()9.05.(系数 取决于轴承形式，为了减小摩擦，减小启动阻力，这里选用滚动摩擦轴承，系)9.05.(数取 0
34、.95。已知螺纹升角 当量摩擦角，.2。32.5将以上参数代入公式 ，得：)tan()9.0.(16传动效率为 。36.02.59.tan(5.0）传动效率在螺纹传动的设计中尤为重要，是选择电机考虑的关键要素。机械效率越高，功率损失就越小。下螺母结构系意图：1718丝杆轴承结构如示意图如上：丝杆螺纹尺寸示意图如下：19（二）齿轮的设计1、齿轮的结构设计（1）选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数1）由于巡线机器人挂臂分为二节升降，分别依靠内外丝杆旋合固定在内外升降筒的螺母，从而引导内外升降筒的伸缩来实现，现在考虑将速度平均分配给内外升降筒。因此，该组齿轮啮合仅作传动作用，没有改变速度的要求，为了计
35、算和制造的方便。因此，取传动比为 1：1。即 。u2）选用直齿圆柱齿轮传动。3）由于速度不高，载荷平稳，故选用 7 级精度。4）材料选择，齿轮属于机器零件，所以选择结构钢，要求强度较高，所以选择中碳钢，考虑到成本和质量的问题，所以选择优质钢，最后确定为 45 号钢（调质），查得疲劳极限是 550Mpa，硬度是 240HBS。4）选用齿轮齿数 Z1=Z2=16。2、齿轮的强度校核（1）按齿面接触强度设计20D 32)(12.HZuKT（2）确定公式内的各计算数值1）试选用载荷系数 。1.3t2）计算齿轮 10 传递的转矩。已知电机功率为 40w,最大效率为 76%，考虑到一般工作状态下，效率达不
36、到最大效率，因此，取工作效率为 72%。T=95.510 =95.510 0.01094/3005nP5=348.25Nmm=348.25Nm3） 计算齿宽系数对于标准圆柱齿轮减速器，齿宽系数 在规定值中取为 0.4。a对于圆柱齿轮传动，齿宽系数根据公式 ，得：audb)1(5.0齿宽系数 4.015.0）（d4）查得 45 钢材料的弹性影响系数 Z=189.8MPa 。215）由机械设计手册根据齿轮材料硬度查得，齿轮的接触疲劳强度极限= =550Mpa。1limH2li6）计算应力循环次数现在估计工作寿命 L 为 5 年（设每年工作 300 天），每天工作时间 5 小时。总共寿命为 2500
37、 个小时。根据公式，得由于，两个齿轮转速相同，因此应力循环次数为：N =N =60njL=603001（53005）=1.351012 87) 根据应力循环次数和齿轮材料查得，接触疲劳寿命系数 K =K =0.95。1HN28）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为 1%，考虑到传动的可靠性，取安全系数 S=1。 1= K =0.95550Mpa=522.5Mpa，HSN/1lim 2=K =0.95550Mpa=522.5Mpa，2比较两齿轮接触疲劳许用应力的大小，由于两个齿轮规格相同，因此计算接触疲劳许用应力相同。（2）计算1）试计算两齿轮分度圆直径 d，将 1 的值代入公式。H计算分度圆直径
38、初值：21. mHZudKT51.).52/8.194.0/2538.12)( （2) 计算圆周速度 v。V= 。 smn/.6.063）计算齿宽 b根据公式，得齿宽 b = mm1204.651.402d4) 计算齿宽与齿高之比 h模数 mzdm96375.015.齿高 h18.22 齿宽与齿高之比 。.87b5）计算载荷系数。根据 v=0.24m/s, 7 级精度，查得动载系数 K02.1v直齿轮的齿向载荷分布系数取 1，K FH考虑到挂臂工作时，螺旋传动比较平稳，不会造成较大冲击，因此载荷状态设定为均匀平稳，又因为挂臂伸缩的动力来自于小功率电动机，不会造成输入不平稳的情况，因此，选用使用
39、系数 K1A用插值法查得 7 级精度，小齿轮做非对称布置时，K 275.1由已知 ， 根据弯曲强度计算的齿向载荷分布系数曲线，查得56.3hb，275.1HK ；故根据公式，载荷系数为2.1FK= 305.127.0.1KvA6) 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得D =d mm15.3.15.3 t7)计算模数 m mzd964.0/.（3）按齿根弯曲强度设计得弯曲强度的设计公式为2232SYFzKTm（确定公式内的各计算数值1） 查得齿轮材料 45 号钢的弯曲疲劳极限 。380)2(1FE2） 根据弯曲疲劳寿命系数曲线，已知零件循环次数 N ，查得弯曲疲劳寿命系数15.K 0.90
40、。1FN23） 计算疲劳许用应力。考虑到齿轮传动的可靠性，取弯曲疲劳强度系数 S=1.3，得28.4.1309)(121 SFEN4） 计算载荷系数 K。已知 。， 3.F载荷系数 =1.2546.23.10.FvA5） 查取齿形系数。根据两个齿轮的齿数 ，查得162Z。04.FY6） 查取应力校正系数。查得 Y 。5.S17）计算 的值F=1SY01879.2.453=F2通过大小齿轮相应数值的比较，选择其中较大的数值代入公式，由于两齿轮计算得的数值相同，代入任意一个数值。（4）设计计算将计算得的数值代入公式，得由齿根弯曲疲劳强度计算的模数为： mm54.01879.0168.059243
41、对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的的乘机有关），23可由弯曲强度算得的模数 0.54 并圆整为标准值 m=1mm，按接触强度算得的分度圆直径 d=15.51mm,算得齿轮齿数 1621mdz这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。3、齿轮的参数计算计算分度圆直径d1=d2=mz1=161mm=16mm（1）计算中心距a= md162（2）计算齿轮宽度齿轮宽度为 b= 4.4.0将结果圆整得 6mm。齿
42、轮的宽度对齿根弯曲疲劳强度的影响比较大，如果齿轮的宽度很小，齿根处容易产生疲劳裂纹，并逐渐扩大，致使轮齿疲劳折断。这里计算得的齿轮宽度由于齿轮箱结构紧凑，传动载荷比较小的原因，数值相对比较小，但相对的载荷也不大，应该可以满足刚度要求。为了提高轮齿的抗折断能力，可以采用喷丸，滚压等工艺措施对齿根表层进行强化处理。计算齿高齿高 h 。m25.1.25.齿轮轮廓尺寸计算根据已知条件，计算齿顶高，取齿顶高系数 ,1*ahmahah21， 根 据 公 式计算齿根高 ，取顶隙系数f ，5.0*c根据公式，得，齿根高 fh2.1).1(计算齿全高根据公式，得齿全高 mmca25.1.0(*)(2）计算齿顶园
43、直径 ad根据公式，得齿轮 1 齿顶园直径 ahzad18216(*21(）齿轮 2 齿顶园直径 mmz2( ）计算齿根圆直径 fd24根据公式，得齿轮 1 齿根圆直径： mmcahzfd 5.132.016(*)2(1 ）齿轮 2 齿根圆直径 mcahzfd 5.132.06(*) ）计算基圆直径 b根据公式齿轮 1 的基圆直径 04.159.6cos1d齿轮 2 的基圆直径 .4.0bd计算齿距 p根据公式，得齿距 1.3.m计算法向齿距 b根据公式，得法向齿距 mp95.24.013cos计算齿厚 s根据公式，得齿厚 。57.24.m计算齿槽宽 e根据公式，得齿槽宽 .1.3计算顶隙 c
44、根据公式，得顶隙 mc25.0.*计算标准中心距 a根据公式，得标准中心距 z161)(）（计算节圆直径 d当中心距为标准中心距时，d=d=9.25。计算传动比 i根据公式 162d圆柱齿轮的基本齿廓如图：25注：1 渐开线圆柱齿轮的基本齿廓是基本齿条的法相齿廓。2 本标准适用于齿形角 =20 的渐开线圆柱齿轮。结构设计由于结构紧凑，齿轮 1 选用带齿轮的联轴器。为了电机拖动联轴器的可靠性，以及提高传动效率，减少功率损失，该带齿轮的联轴器总长度设定为23mm。26具体结构尺寸设计如下图：274、齿轮箱体的结构设计本设计的齿轮箱分为齿轮箱体与齿轮箱盖两部分，其中齿轮箱体主要要求满足丝杆的连接，丝
45、杆端部轴承的放置，以及两个传动齿轮的放置，齿轮箱盖主要要求是电机的连接孔。齿轮箱中的带齿轮的联轴器与电机直接相连，所以考虑将齿轮箱的位置安置在外升降筒的尾部。又考虑到挂壁自重小，结构紧凑的要求，将齿轮箱安置于外升降筒内，并且外部轮廓与外升降筒内壁贴合。考虑到外升降筒的截面为正六边形，采用齿轮箱的两个表面贴合六边形的两个相隔面。齿轮箱用来固定的两个面分别用螺栓与外升降筒连接，考虑到连接的可靠性，两个面分别用两个螺栓连接，两个螺栓在同一水平位置，考虑到连接刚度，螺栓选用公称直径 ，螺纹工作长md4度为 6mm 的螺栓，螺栓之间的距离设置为 20mm。由于内升降筒的行程限制，齿轮箱的高度不能做得太长
46、，又考虑到内部的装配问题，将齿轮箱的高度设定为 43mm。在齿轮与轴承之间安放挡圈，因此在齿轮箱中要开挡圈槽，考虑到齿轮与轴承之间的挡圈直径应该大于轴承的直径，但结构的设计无法将挡圈装配进去，因此，考虑要将齿轮箱体分为两部分。上部高度刚好到挡圈位置，高度为 9.1mm，下部为安置齿轮的位置。先在指定位置为内外丝杆开两个通孔，孔径应该略大于丝杆的外径，现设定为 11mm。在防止轴承的位置开两个直径为 15mm，深为 5mm 的孔。最后钻挡圈的孔，直径比轴承孔直径略大，设定为 15.7mm，深度为 1.1mm。齿轮箱的下部高度为 25.9mm，开两个半径为 9mm，深度为 24.4 的孔，由于齿轮
47、又径向跳动，将两个孔之间以孔径宽度打通，这样也有利于齿轮箱的散热。减少功率的损失。齿轮箱盖要求固定电机的位置，并通过通孔来安置电机主动转轴，具体截面尺寸与齿轮箱体相仿，高度设置为 8mm，其中放置联轴器所钻的孔高度为 5mm。在齿轮箱盖的下表面边缘钻直径为 3.2mm 的螺栓孔，螺栓与齿轮箱体固定，目前设置为左右各两个，圆心与边缘的距离为 5mm。这样设计的齿轮箱体和齿轮箱盖，既可以达到结构紧凑的要求，又可以满足其中的传动要求正常进行。由于巡线机器人在高空电缆上工作，而齿轮箱在整个手臂中的所占的重量比例比较大，因此为了尽量减轻电缆的负载，齿轮箱体和齿轮箱盖所选择的材料尤为重要，考虑了材料的成本和材料的密度，最后选择了铝合金，牌号为 LY12-C 的材料，这种材料属于 12 号硬铝合金，这 类 合 金 的 强 度 和耐 热 性 能 均 好 ， 但 耐 蚀 性 不 如 纯 铝 和 防 锈 铝 合 金 。 常 用 包 铝 方 法 提 高 硬 铝 制 品 在 海 洋 和 潮 湿 大 气中 的 耐 蚀 性 ， 它 又 良 好 的 高 温 强 度 和 工 艺 性 能 ， 关 键 是 它 的 密 度 很 小 ， 只 有 2.7 。2cmg齿 轮 箱 体 具 体 结 构 尺 寸 如 下 图 所 示 ：2829（三
