1、本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 31 页第一章 绪论1.1 论文研究的目的和意义随着我国国民经济的飞速增长、人民生活水平日益提高，城镇中随之矗立起无数的高层城市建筑，各类集实用性与美观性一体的市政、商业工程诸如电线杆、路灯杆、大桥斜拉钢索、广告牌立柱等(如图 1-1)，它们通常 530 米，有的甚至高达百米，壁面多采用油漆、电镀、玻璃钢结构等，由于常年裸露在大气之中，长时间的风吹雨打会影响到它的美观，同时空气中混合的一些污染物质也会对这些城市建筑特别是金属杆件造成损坏，使它们快速生锈，并缩短它们的使用寿命，需要定期对它们进行壁面清洗维护工作。图 1-1 杆状
2、城市建筑物为保持清洁、美观，每年至少对这些建筑清洗数次。目前传统的清洗技术主要有人工清洗(使用化学药剂清洗)和高压水枪清洗等方法。其中人工清洗是由清洁工人搭乘吊篮进行高空作业来完成，高空作业具有很大程度上的危险性，工作效率也很低，耗资巨大。化学药剂中所用的去污剂具有很强的毒副作用会对人的健康造成危害，并易造成环境的污染。高压水枪清洗耗能比较大、成本高，在利用高压水枪进行清洗时，它的周边不能有车辆、行人通过，会影响交通。其它高空作业诸如:各种杆状城市建筑的油漆、喷涂料、检查、维护，电力系统架设电缆、维修等工作主要要通过人工和大型设备来完成，但它们都有效率低、劳动强度大、耗能高、污染严重等负面问题
3、。随着机器人技术的出现和发展以及人们自我安全保护意识的增强，迫切希望能用机器人代替人工进行这些高空危险作业，从而把人从危险、恶劣、繁重的劳动环境中解脱出来。开发能够实际运用的柱状爬杆清洗机器人，是很有意义的，具有良好的经济效益和社会效益。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 31 页爬杆清洗机器人的使用将大大降低高层杆状建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高劳动生产率。本课题旨在开发设计一种新型的、结构简单、经济适用、操作简便的适用于圆柱状城市设施可搭载清洗、维护设备的爬杆机器人，用以解决当前城镇中存在的影响城市美观的公共设施的清洗、维护问题。1.2 国内外研究
4、现状以及存在的问题机器人是人类新世纪的伟大发明之一，是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备，机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。机器人产业己成为当代应用最广泛、发展迅速的高科技产业之一。机器人作为高技术领域的一个重要分支，将成为 21 世纪各国争夺的经济技术的制高点。1.2.1 机器人的分类机器人的种类多种多样，从应用环境出发，将机器人分为两大类:工业机器人、特种机器人或者分为两类:制造
5、环境下的工业机器人、非制造环境下的服务与仿生机器人。仿生机器人是未来机器人领域的一个发展方向，按仿生学角度来分可分为:蝗螂式爬行机器人、蜘蛛式爬行机器人、蛇形机器人、尺镬式爬行机器人 1等。按驱动方式来分可分为:气动爬行机器人、电动爬行机器人和液压驱动爬行机器人等。按行走方式可分为:轮式、履带式、蠕动式 2、多足式等。按工作空间来分可分为:管道爬行机器人、壁面爬行机器人、球面爬行机器人、陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机、空间机器人等。按功能用途来分可分为:焊弧爬行机器人、检测爬行机器人、清洗爬行机器人、提升爬行机器人、医疗机器人、军用机器人、助残机器人、巡线爬行机器人、玩具爬行机器人等。根
6、据不同的驱动方式和功能等可以设计多种不同结构和用途的爬行机器人，如气动管内检测爬行机器人，电磁吸附多足式爬行机器人、电驱动壁面焊弧爬本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 31 页行机器人等，每一种形式的爬行机器人都有各自的应用特点。1.2.2 国内外研究现状爬行机器人 3-5是机器人大家族中的一员，爬升机器人因为需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移动，完成特定条件下的作业，区别于平面移动机器人，故爬升机器人是机器人领域的一个重要研究分支，从运动方式上来表征的一种机器人，形式是多种多样的。最早开始研究且研究最多的是爬壁机器人 6-7，适于高层建筑、水力
7、发电大坝等垂直壁面 8-9和大球形表面上的危险作业。对于管道外壁表面，已有车轮移动形、姿态可变形、尺镬形和多关节形机器人，用于石油、化工企业等多为水平管线上的检查和诊断，且牵引力较小。国内外的学者很早就对爬行机器人进行研究工作，目前，国内外提出的一些依附于杆体表面的自动爬行机构主要有电动机械式爬杆机器人、电动液压式爬杆机器人和气动蠕行式爬杆机器人 9-11等。电动机械式爬行器是由电动机带动链轮、带轮、齿轮驱动夹紧杆体的前后轮向同一方向转动，依靠行走轮与杆体的摩擦力使爬升器沿杆体上升下降。螺旋运动爬升机器人的爬行动作是由轮子的安装位置决定的，轮子滚动方向与水平面成一定角度，这样轮子转动时它在杆体
8、上形成的是螺旋轨迹，沿此轨迹通过电动机的正反转该机构便可实现上升和下降运动。电动机械式爬杆机器人和螺旋线运动爬杆机器人都是以电动机带动滚轮压紧杆体，依靠此摩擦力带动整个机器人沿杆体上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全运作，且机器人总体机构较复杂。气动蠕行式爬杆机器人用气缸驱动机构实现交替夹紧和移动，其向上爬行时气缸动作一个周期的过程为下部气缸夹紧，上部气缸松开，提升气缸活塞杆伸出，上部上升;上部气缸夹紧，下部气缸松开，提升气缸体上升，下部上升。如此反复，机器人就可以连续爬行。对于气动蠕行式爬杆机器人，其上升和下降运动的实现由气压控制，需要气源和气动控制系统，因此其设备成本较高。国
9、外有代表性的有东京大学研制的关节型行走机器人，可沿水平或垂直的直杆爬行，能跨越法兰障碍、平行杆 12，并可绕 T 型杆和 L 型杆爬行。国内比较典型的有上海交通大学机器人研究所研究开发的一种斜拉桥缆索本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 31 页涂装维护用气动蠕动式爬缆机器人 13，可在各种斜度的缆索上爬行，能完成缆索检测、清洗等工作，并具有一定的智能性。清华大学研发设计的爬杆机器人采用自重式锁紧机构，机器人靠自重压迫钢球使滑块(机械手)锁紧在杆壁上，可以爬行较小范围的变直径杆，但该结构只可单向爬行(从下往上或是从大直径处向小直径处爬行)。该机构改进后可爬升和返回
10、，但需要加上一套气动控制设备。目前要实现变直径杆的爬行和返回则只能依靠气动蠕行式爬行器来解决，其上升和下降由气压控制，设备成本较高。电动机械式管外爬行机器人，国内比较典型的有陕西科技大学 14研制的管外爬杆机器人。哈尔滨工程大学研发的沿桅杆或绳索爬行的机器人 15，采用曲柄连杆机构作为传动机构，机器人是由两个形状相似的圆形套筒内嵌有一对活动 V 型卡爪、一对槽型凸轮、铰链、压力传感器、连杆、镶嵌在顶部滑块四周的检测仪、电机等零部件构成。1.2.3 目前主要存在的问题爬行机器人并不少见，但是通常来说，这类机器人大多采用多足来进行移动或是使用腹部的摩擦表层来左右扭动前进。更主要的是，平常的机器人，
11、因为体积或行动方式的影响，不能到一些特殊的地方进行工作，比如说管道，壁面等等特种用途的领域。由上面叙述可知目前国内外所设计制造的各种电机机械式爬行器均有一个缺陷:它们大多采用凸轮机构 16夹紧，由于凸轮机构的不可伸缩性，一个爬行器只能爬行特定直径的等直径的杆件。目前要实现变直径杆的爬行则只能依靠气动蠕行式爬行器来解决，其上升和下降由气压控制，还需要气源和气动控制系统，因此其设备成本和维护费用较高。目前国内外尚没有在此类爬行机构方面的深入研究。鉴于绿色和环保的需要，因此，有必要研发和制造一种利用简单的机械结构来替代繁琐的气动设备实现变直径杆的攀爬，同时在爬行过程中可携带其它清洁能源实现对路灯杆等
12、杆状城市建筑的清洗作业的设备。1.3 本论文的研究工作本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 31 页首先查找资料文献，研究分析国内外各种爬杆机器人的结构方案找出它们的优缺点。提出爬杆机器人的设计方案并筛选满足本论文条件的爬杆机器人。本课题的思路以及研究过程如下：1）分析爬杆机器人各种结构模型；2）建立爬杆机器人的结构模型；3）提出本论文爬行机器人的结构及设计方法、设计准则；4）完成爬杆机器人的结构设计各部件尺寸设计；5）零部件的校核计算；6）爬杆机器人三维图的绘制。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 31 页第二章 爬杆机器人仿生的
13、结构分析研究2.1 仿生机器人概述仿 生 机 器 人 是 指 模 仿 生 物 、 从 事 生 物 特 点 工 作 的 机 器 人 。 目 前 在 西 方 国家 ， 机 械 宠 物 十 分 流 行 ， 另 外 ， 仿 麻 雀 机 器 人 可 以 担 任 环 境 监 测 的 任 务 ， 具有 广 阔 的 开 发 前 景 。 二 十 一 世 纪 人 类 将 进 入 老 龄 化 社 会 ， 发 展 仿 人 机 器 人 将弥 补 年 轻 劳 动 力 的 严 重 不 足 ， 解 决 老 龄 化 社 会 的 家 庭 服 务 和 医 疗 等 社 会 问 题 ，并 能 开 辟 新 的 产 业 ， 创 造 新 的
14、 就 业 机 会 。生物在经过了千百万年的进化之后，由于遗传和变异的原因，已经形成了从执行、感知、控制方式，一直到信息加工处理、组织方式等诸多方面的优势和长处。仿生机器人这门学科产生和存在的前提就在于，生物经过了长期的自然选择进化而来，在结构、功能执行、信息处理、环境适应、自主学习等多方面具有高度的合理性、科学性和进步性 17。而非结构化的、未知的工作环境、复杂的精巧的高难度的工作任务和对于高精确度、高灵活性、高可靠性、高智能性的目标需求则是仿生机器人提出和发展的客观动力。图 2-1 仿生机器人主要研究内容本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 31 页仿生机器人是
15、机器人发展的最高阶段，它既是机器人研究的最初目的，也是机器人发展的最终目标之一。仿生机器人是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人系统 18。从仿生学的角度来看，仿生机器人是仿生学技术的完美综合与全面应用。从本质上来讲，所谓“仿生机器人”就是指利用各种光、机、电、液等各种无机元器件和有机功能体相配合所组建起来的在运动机理和行为方式、感知模式和信息处理、控制协调和计算推理、能量代谢和材料结构等多方面具有高级生命形态特征从而可以在未知的非结构化环境下精确的、灵活的、可靠的、高效的完成各种复杂任务的机器人系统 19。人爬树时（如图 2-2） ，两脚夹紧树杆，两腿一蹬，两手抱住树杆上移，然后两手
16、抱紧树杆，收腿提脚上移，一步步向上爬行，这就是本课题所研究的爬杆机器人在生物中找到的例子。图 2-2 爬树姿势2.2 总体方案分析欲使机器人在壁面上自由地移动，必须具备两种功能:贴附功能与移动功能。总的来说，贴附方式有吸附式和夹持式这两种，运动移动方式有轮式、履带式、腿式和蠕动式移动这四类。这些不同的方式可以进行多种组合，构成多种风格不同用途的爬壁机器人。2.2.1 贴附功能分析吸附式是通过面接触方式紧贴于壁面上，夹持式是靠点夹紧在杆上。吸附本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 31 页方式又有真空吸附 20和电磁吸附 21-22之分，其中真空吸附式用得比较多，因
17、为它对壁面的要求不十分严格;电磁吸附承载能力大，有很强的适应能力，但其应用范围窄，需要杆件壁面含有电磁场可吸附的含铁、钻、镍等材料。下面的表2-1 是对各种贴附方式的优缺点做一个简单的比较。夹持式的贴附方式是运用机械手臂，由机械手的夹紧力产生的摩擦力使机械手夹紧在杆体上，这种方式的优点是能够适应任何壁面，对工作环境没什么特殊要求。吸附式有真空吸附和电磁吸附两种，真空吸附又分为使用真空泵吸附和喷射器吸附两种，电磁吸附方式大致有永磁体吸附和电磁体吸附两种，下面在表2-1 中列出做一些比较介绍。表 2-1 贴附方式的比较贴附方式 概要 特点夹持式机械手 由夹紧力产生的摩擦力使机械手夹紧在杆体上能适应
18、任何壁面真空泵 设置许多吸盘，由真空泵装置产生吸附力，使机器人吸附在壁面上可实现小型、轻量化，无需附加供气装置，但要求壁面有一定的平滑度真空吸附喷射器 在本体上安装喷嘴，由喷射器经喷嘴将压缩空气喷出，其周围形成真空，吸附在壁面上能效低、噪音大，且需要供气装置，但对壁面的适应能力强永磁体 由永磁体产生吸附力，吸在壁面上吸附时不需要外部能量，但只适用于导磁性壁面的吸附吸附式电磁吸附电磁体 电磁体通电将其吸附在壁面上 吸附时需要电能，也只适用于导磁性壁面的吸附真空泵吸附是在吸盘上设置许多小的吸盘，由真空泵装置产生吸附力，是机器人吸附在壁面上，其特点是可以实现小型化、轻量化，但是对工作环境有一定要求，
19、壁面必须有一定的平滑度。喷射器吸附是在机器人机构上安装喷嘴，本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 31 页由喷射器将空气压缩再经喷嘴喷出，使周围形成真空，从而吸附在壁面上，这种形式的机器人可以达到很高的真空度，对壁面的适应能力也很强，但是工作噪音大，能效低，而且需要供气装置。永磁体吸附的方式是由永磁体产生吸附力，吸在壁面上，吸附时不需要提供外部能源，但是只适用于导磁的壁面的吸附。电磁体吸附方式是将电磁铁通电使其吸附在壁面上，与永磁体吸附方式不同的是这种方式需要电能，而且可以控制磁体的通电，也是只适用于导磁性壁面的吸附。2.2.2 移动功能分析在设计移动机器人系统时
20、，首先应考虑机器人的用途，因为不同的用途，移动机器人的移动机构是不同的。此外，还应考虑机器人的工作环境、耐久性、稳定性、机动性、可控性、复杂性、外型尺寸及制作费用等。作为杆件爬行机器人，根据现有技术研究，也有很多种移动方式可供选择，对于各种移动方案优缺点的比较如下：轮式的移动速度快，容易实现转弯，控制也方便，但是与壁面的接触面积小，容易打滑，越障能力较差。履带式的接触面积大，承载能力大，移动速度相对其他方案快，对不同壁面的适应能力强，但是履带的结构复杂，机动性能差，工作时的磨损比较大。腿式的机构越障能力强，承载能力也大，机动性能比较好，拥有很强的壁面适应能力，但是结构十分复杂，因为是间歇运动故
21、速度慢，关节和各个腿脚的控制复杂。蠕动式机构的承载能力大，运动平稳，适应各种环境的能力比较强，控制也简便，但是结构复杂，而且运动速度也比较慢。要求所要设计的这种爬行机器人，它的工作对象为各种型号的城市杆状建筑，要求有一定的承载能力、接触面积小、速度适中，适应能力强，能够跨越一般的障碍物。通过比较各种方案，决定使用一种气缸驱动爬杆机构设计方案，该方案能基本满足课题所设定的工作状况。在爬行机器人结构中这种爬行结构具有很多优点，可实现在运动方向上任意长的距离提升重物，较同功能的其它机构，能获得更大的锁紧力，从而可传送较重的物体，结构简单紧凑、运行平稳，控制简便，还可以根据使用要求，作各种变形设计。本
22、 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 31 页2.3 本章小结本章主要谈及机器人的运动原理仿生及攀爬中的若干问题。第一节简要的概述了一下仿生机器人的起源和发展以及它的一个主要研究内容，第二节对机器人的各种贴附方案和移动方案进行了详细的介绍和比较，并简要的介绍了下本论文所需要研究爬杆机器人在这方面的要求等。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 11 页 共 31 页第三章 爬杆机器人的结构方案设计爬杆机器人的主要用途是作为杆上传送的载体，本体结构设计是爬行机器人的核心部分，要求承受一定的负载并能保持稳定的爬行动作。因此首要的目标是使机器人能够在较长
23、的爬行距离内安全可靠的爬行，在此基础上，进一步的使机器人移动灵活，结构简单，操作方便，满足一定的技术性、经济性要求。3.1 总体结构设计本课题所设计机器人的运动方式其实是一种蠕动爬行，蠕动是一种周期性的动作，蠕动体的姿态呈现某种规律性的变化。我们所设计的爬杆机器人的本体部分主要由三个机械单元组成，分为上、下夹紧机构和传动机构，传动机构在中间分别与上、下夹紧机构相连接。上、下夹紧机构分别起着保持夹紧的作用，而躯干部分则起着上下推进的作用。3.2 夹紧装置分析研究根据爬行机器人的运动特点，夹紧机构是关键，所产生的夹紧力应能保证机器人在单步运动中一端夹紧在杆上，使机器人在单步工作中保持稳定，夹紧-放
24、松的运动过程能自如的进行。综合考虑机器人系统工作环境和性质，主要有两种夹紧方式:机械式装置和气 (液)压式装置。两种方式都能产生足够的夹紧力，各有其优点。液(气)压式夹紧装置夹紧力调节方便、工作状态稳定可靠，但需要液(气)源和液(气)动控制系统支持，体积庞大、噪音污染大并且其设备成本和维护费用较高。对夹紧机构的要求是:能产生足够大的夹紧力、放松和夹紧收放自如、结构简单、运动可靠、质量轻。结合实际情况，选用机械夹紧装置，夹紧装置的主体是一个双向丝杠，由电机带动丝杠旋转，具有自锁功能的丝杠产生的轴向力带动两个机械手臂相对运动，从而实现对杆体的夹紧。3.3 爬升动力系统分析研究目前对于机器人的动力系
25、统有多种不同的选择方案，可以采用液压驱动、气压驱动等不同的方式 23-24 。不同的动力系统适用不同的工作环境，按照具体本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 12 页 共 31 页的要求来选择合适的动力达到预定目标。表 3-2 为不同的驱动方式的性能对照表。表 3-1 驱动方式性能对照表项目技术要求动作速度稳定性驱动力环境要求控制距离经济性系统结构使用维护速度调整气压驱动较低 较快 较差 中等适应性好中等 便宜 简单 简单 容易液压驱动较高 较慢 良好 最大不怕振动短 较贵稍复杂较高 容易电气驱动较低 慢 很好 较大 一般 短 一般 复杂 简单 困难液压驱动系统一般使用 2-
26、15MPa 的油液驱动，能够产生很大的驱动力，但是其系统体积大，比较笨重，工作中有漏油的问题，而且维护起来比较麻烦，故不适合在本系统中使用。电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，直接获得所需要求的机器人运动。电气驱动具有易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，信号监测、传递和处理方便，驱动效率高，不污染环境等诸多优点，但是其动作速度慢，总体结构复杂，速度调整起来比较困难而且工作距离短，所以也没有选用电气驱动的方式。气压驱动使用压力通常在 0.4-0.6MPa，最高可达 1MPa。气压驱动响应速度快，结构简单，控制方便,价格便宜，使用维护起来相对液压驱动简单许多，综
27、合上面各个方案的优缺点，考虑到经济性、可靠性等多个方面，选择气缸驱动的方式来实现机器人的上下攀爬运动。3.4 爬杆机器人运动原理爬杆机器人的总体结构如图 3-1 所示。结合图 3-1 可以看出，机器人的爬行动作原理可分为以下 6 步：1）下电机转动，带动下丝杠旋转，使手臂夹紧在圆柱杆上。2）上电机转动，带动上丝杠旋转，让上手臂松开。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 13 页 共 31 页3）气缸向上推动，运动到指定位置后，停止运动保持。4）上电机转动，带动上丝杠旋转，让上手臂夹紧杆子。5）下电机转动，带动下丝杠旋转，使手臂松开圆柱杆。6）气缸收回，带动机器人下部分向上运动
28、。图 3-1 爬杆机器人总体结构上述为爬杆机器人的一个运动周期，每运行一个周期，机器人整体向上爬行一次，重复上面 6 个步骤就可以实现机器人机械手之间的协调动作和机器人整体的攀爬运动。3.5 本章小结本章主要介绍了爬杆机器人的结构设计方案，第一节提出了机器人的大致总体结构构想，第二节对比分析了机械式和气、液压式夹紧装置，第三节对动力爬升系统进行了具体分析研究，第四节阐述了爬杆机器人的工作原理。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 14 页 共 31 页第四章 主体尺寸参数的设计校核4.1 爬杆机器人各零部件的尺寸估算设计在估算零件质量的过程中，忽略小孔及倒角、圆角，对丝杠作光
29、杆处理，尺寸按较大方向来选取。4.1.1 底板为了减轻机器人的质量又能够达到工作所需要的强度，选用底板材料为铝合金，密度 ，底板结构及尺寸如图 4-1 所示：32.85g/cm图 4-1 底板厚度为 15mm，估算底板的质量 m底 板(4.1)31V5060512cm2底 板(4.2).84g底 板 底 板4.1.2 丝杠要求所设计机构能够适应完成 1030cm 圆柱体的攀爬运动，经过设计计算初步将丝杠工作长度设计成 150mm，直径 32mm，两端长度各为 40mm，直径20mm，丝杠材料选择调质 45 号钢，密度 ，弹性模量为3=7.85g/cm196206Gpa，丝杠结构如图 4-2 所
30、示：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 15 页 共 31 页图 4-2 丝杠估算丝杠的质量：(4.3)2233 3.m7.85.148.1457.85g/c2Vg 丝 杆 丝 杆4.1.3 夹紧手臂手臂材料选择钢材，密度 ；3=7.85/cm夹爪于手臂之间用螺钉连接，其结构如图 4-3 所示：图 4-3 手臂(4.4)3V520.+50.+28130.=89cm手 臂(4.5)m975g手 臂 手 臂4.1.4 电机电机质量估算 4000g本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 16 页 共 31 页4.1.5 估算上部分总质量机器人上部分总质量：(4.6
31、)m2m424015.3095836.g上 手 臂 底 板 板 蜗 杆电 机还有齿轮以及一些小零件（螺栓、橡胶片、联轴器等）估取 m15kg上4.1.6 气缸根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作；但缸径过大，不仅使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费。下面是气缸理论力的计算公式：(4.7)2DF=P气缸的工作效率为 85%，则气缸理论输出力：(4.8)15076.4N.8设气源压力为 0.5Mpa，则 ；2D.计算得出 ；D=21.3m查机械设计手册，选择 QM 系列气缸，气缸直径为 25
32、mm，气缸的结构及安装尺寸如图 4-4 所示。图 4-4 气缸基本尺寸如下（mm）：缸径: 25MM: M101.25 NN: M272 PP: ZG1/8本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 17 页 共 31 页A: 22 B: 15 C: 58D: 37.7 E: 34 L: 1204.1.7 估算整体质量(4.9)M=2m+136.40327.6g上 气 缸估算选取 。kg4.1.8 计算工作所需夹紧力摩擦材料选择橡胶，橡胶对铸铁摩擦系数， , ；=0.82fG360=18N(4.10)N5.所以工作所需夹紧力为 225N。4.1.9 电机的选择计算与定型电动机俗称马
33、达，是一种将电能转化成机械能，并可再使用机械能产生动能，用来驱动其他装置的电气设备。它是将电能转变为机械能的一种机器。通常电动机的做功部分作旋转运动，这种电动机称为转子电动机；也有作直线运动的，称为直线电动机。电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到万千瓦级。电动机的使用和控制非常方便，具有自起动 、加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求；电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。下面进行电机的计算选型，上文经过估算已近计算得出，工作所需的夹紧力为 225N,则(4
34、.11)1FaN25(4.12) t11n0.计算工作所需电机转矩：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 18 页 共 31 页(4.13)312510T.892tFdNm图 4-5 电动机根据转矩查相关机械手册，选取电机型号 40YB01 电机+标准减速箱；电机额定转速为 260r/min，额定转矩为 1.3 ，质量 4kg；外形、尺寸Nm如图 4-5 所示。4.2 滑动螺旋丝杠传动的设计计算及校核螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转化为直线运动或将直线运动转化为回转运动，同时传递运动或动力。螺旋传动根据螺纹副的摩擦情况，可以分为三类
35、：滑动螺旋，滚动螺旋和静压螺旋。滑动螺旋构造简单、加工方便、易于自锁、但摩擦大、效率低（一般为 30%-40%） 、磨损快，低速时可能爬行，定位精度和轴向刚度较差。静压螺旋实际上是采用静压流体润滑的滑动螺旋。静压螺旋传动效率可达 99%，但结构复杂，需要供油系统。滚珠丝杠传动是滚动螺旋传动的一种，其运动平稳，传动效率高，精度也很高，但结构稍显复杂且价格较贵。综合起来看，本课题爬杆机器人的精度要求并不是很高，鉴于构造简单及经济性原则，选择滑动螺旋传动来实现。滑动螺旋传动的主要失效形式是螺纹磨损，因此螺杆的直径和螺母的高度通常是根据耐磨性计算确定。传力螺旋应校核螺杆危险截面的强度，青铜或铸铁螺母以
36、及承受重载的调整螺旋应校核螺纹牙的剪切和弯曲强度。要求自锁的螺杆应校核其自锁性。精密的传导螺旋应校核螺杆的刚度。当螺杆受压力，其长径比又很大时，容易产生侧向弯曲，应校核其稳定性，较长的螺杆而转速又较高时，可能产生横向振动，还应校核他的临界转速。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 19 页 共 31 页调整螺旋和部分传力螺旋要求自锁时，一般采用单头螺纹；为了提高传动效率以及要求较高的直线运动速度，可采用多头螺纹，以得到较大的螺纹升角和导程。4.2.1 传动螺纹选择梯形螺纹工艺性好，切牙根强度高，对中性好，是最常用的传动螺纹，传动螺纹选用梯形螺纹，牙型为等腰梯形，牙型角 =30
37、 ，高径比 =1.5。4.2.2 耐磨性计算及选材 丝杠材料选用 45 号钢，螺母材料同样也选用 45 钢。查表得，许用压力=7.513Mpa，选择 =8Mpa，摩擦因数为 0.110.17，选择 f=0.12，从耐磨PP观点计算所需的中径，27.3mm (4.14)2F10d0.8=.58根据（GB/T 5796.15796.31986）选择丝杠标准公称直径 d=32mm.丝杠螺距 P=6mm，牙顶间隙 =0.5mm，中径 29mm，ca2d=-0.5p3-.6=25mm 。3 d=-2h（ 3+0.5）螺母高度 H= =1.5 29=43.5mm，圆整成整数为 44mm。螺母旋合圈数2dn
38、=H/P=44/6=7.33， n 10-12，满足条件。4.2.3 校核验算(1)自锁性验算：要求自锁时，当量摩擦角 ； tand=arctan(f/cos ) = arctan(0.12/cos15 )=8.25 (4.15)dtan =3.14 32 tan8.25 =14.57mm，符合自锁条件，可以实现自锁。tand(2)丝杠强度校核验算：在当量应力 时，丝杠强度通过。223340.dFTd查表计算得，许用拉应力：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 20 页 共 31 页0.25.3609sMpa2d1tantn8.2573.4TF Nm(4.16)2233224
39、0.1.46.80.55dTdMpa，丝杠强度验算通过。d(3)螺母螺牙强度校核验算：查机械手册得，许用弯曲应力：(4.17)190b Mpa许用切应力(4.18)0.6.54梯形螺纹螺牙根部宽度 b：(4.19).5.3Pm梯形螺纹螺纹的工作高度 ：1H(4.20)06螺牙切应力的计算：丝杠(4.21)31029.3.425.37.FMpadbn螺母(4.22)41026.54337.paDbn丝杠弯曲应力的计算：丝杠本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 21 页 共 31 页(4.23)12 230.37.9.45.dFHMpabn螺母(4.24)12 2430.31.6
40、. 7.d paDbn丝杠切应力 ，螺母切应力 ，丝杠弯曲应力 ，螺母弯曲d应力 ；螺母螺牙强度校核通过。d(4)稳定性校核：计算细长比 34ld查机械手册得，长度系数 0.5(4.25)3412ld，符合要求，故无需校核丝杠的稳定性。404.3 齿轮传动设计齿轮传动是指用主、从动轮轮齿直接、传递运动和动力的装置。齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。在所有的机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递相对位置不远的两轴之间的运动和动力。齿轮传动的特点是：齿轮
41、传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。例如传递功率可以从很小至几十万千瓦；速度最高可达 300m/s；齿轮直径可以从几毫米至二十多米。但是制造齿轮需要有专门的设备，啮合传动会产生噪声。4.3.1 选定齿轮类型、精度、材料及齿数（1）按工作要求，选用直齿圆柱齿轮传动。（2）大小齿轮的材料选用 40Cr，表面淬火，表面硬度为 HRC48-55。（3）因为表面淬火，轮齿变形小，采用七级精度。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 22 页 共 31 页（4）试选小齿轮齿数 ， 。120z1.6203z4.3.2 按齿面接触疲劳强度设计根据设计公
42、式进行试算，即(4.26)3 2112.tt dHKTZd确定上式中个参数 试选载荷系数 ；.6t 小齿轮传递的扭矩为 3120TNm 查表，选齿宽系数 ；.4d 查表，得弹性影响系数 ；89.ZMpa 按齿面硬度中间值 HRC52，查得大、小齿轮的接触疲劳强度极限为：lim1li270H 重合度系数 ，断面重合度：Z(4.27)121.83cos. 01.5z (4.28)493Z 计算应力循环次数：(4.29)91602601(58)0.61hNnjL次(4.30)99.5/.3次 查图，得接触疲劳寿命系数：， ；HN1K=0.2HN20. 计算接触疲劳许用应力：取安全系数 ，则S1(4.
43、31)1limH.976.4Mpa本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 23 页 共 31 页(4.32)HN2limK0.9517.5MpaS计算： 设计公式中带入 中较小的值，得H(4.33)3 2113 2320.60.91841764597tt dHKTZdm 计算小齿轮分度圆圆周速度：(4.34)13.59.208.9/6061tdnv ms 计算齿宽：(4.35)1.473.4dtb 计算齿宽与齿高之比：模数 (4.36)1/59./20.685ttmzm齿高 2.th(4.37)/3.748/6.3.b 计算载荷系数：查图，由 ，7 级精度，得 ；8.09/vm
44、s1.2vK查表，得 ， ， ， ；1.HFKA43H1.7F故，载荷系数：(4.38)1.2.2AVH 计算模数：(4.39)1/60.89/3.4mdzm4.3.3 按齿根弯曲疲劳强度设计计算设计公式为：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 24 页 共 31 页(4.40)312FaSdYKTmz（1） 确定设计公式中的参数 查图，得大、小齿轮的弯曲疲劳强度极限：;12680FEMpa 查图，得弯曲疲劳寿命系数：, ;1.9FNK2.95FN 计算弯曲疲劳许用应力：取安全系数 S=1.4,则(4.41)10.92684.9FNEMpaS(4.42)2251.K 计算载荷
45、系数：(4.43)1.02.37.69AVF 查表，得齿形系数：， ；12.65FaY2.Fa 查表，得应力校正系数：， ；1.8Sa21.764Sa 计算重合度系数：(4.44)0.50.5.12Y 计算大小齿轮的 的值/FaSF(4.45)12.6580.944F(4.46)2.1.7.51aSFY所以，小齿轮的弯曲强度较弱。（2） 计算齿轮模数本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 25 页 共 31 页设计计算中带入 的较大值，得/FaSFY(4.47)312332.690.94.742.1maSdFYKTz就近圆整模数为标准值 ， ；取16.820.33dz120z则
46、， 21.603z4.3.4 几何尺寸计算（1）计算分度圆直径：(4.48)12036m9dz（2）计算中心距：(4.49)126078ad（3）计算齿轮宽度：(4.50)1.4dbm， 2259b4.4 轴承的选用 手臂在导杆上滑动时会产生很大的摩擦力，大大降低爬杆机器人工作时的工作效率，有的时候还会出现卡死的情况，影响机器人的正常工作，手臂与导杆还会有严重的磨损现象，增加了维护成本，降低了机器人的工作寿命。鉴于以上情况，特在手臂与导杆之间加上一个轴承，来减小导杆与手臂的摩擦力，增加机器人的工作稳定性和使用寿命，由于导杆和手臂是相对的轴向移动，所以在这边选用直线轴承。4.4.1 直线轴承介绍
47、直线轴承（图 4-6）是一种以低成本生产的直线运动系统，用于无限行程与圆柱轴配合使用。由于承载球与轴呈点接触，故使用载荷小。钢球以极小的本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 26 页 共 31 页摩擦阻力旋转，从而能获得高精度的平稳运动。直线轴承是与淬火直线传动轴配合使用，作无限直线运动的系统。负荷滚珠和淬火传动轴因为是点接触，容许载荷较小，但直线运动时，摩擦阻力最小，精度高，运动快捷。图 4-6 直线轴承直线轴承可分为标准型直线轴承、间隙调整型直线轴承、开口型直线轴承、加长型直线轴承、通用性直线轴承这些类型。4.4.2 直线轴承的选用根据手臂和导杆的尺寸，查找机械手册，选择
48、型号为 LB203245 的开口型直线轴承，其内径为 20mm，外径为 32mm，宽度为 45mm。4.5 联轴器联轴器是连接两轴或轴和回转件，在传递转矩和运动过程中一同回转而不脱开的一种装置，在传动过程中不改变转动方向和转矩的大小，这是各类联轴器的共性功能。联轴器连接的两轴，由于制造及安装误差，承载后的变形以及温度变化的影响等，往往不能保证严格的对中，而是存在着某种程度的相对位移。本装置是将两根丝杠用联轴器连接起来，保证它们在电机带动下，同步转动，传递相同大小的扭矩，从而带动两只手臂相对同步直线运动，来夹紧圆柱状物体，实现攀爬运动。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 27 页 共 31 页联轴器的固定方式有如下几种：（1）定位螺丝固定：两个定位螺丝间隔 90对所固定的轴进行锁紧，是一种传
