【JX14-115】水下船舶清洗机器人结构设计
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JX14-115
【JX14-115】水下船舶清洗机器人结构设计
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常州工学院机电工程学院毕业设计摘要为了实现水下船体表面上的机器人运动，灵活的吸附功能和可靠运行，研究了水下机器人的运动结构和船体清洁功能。描述了水下船体表面移动机构的基本部件，工作原理，移动机构运动学建模。论文系统综述了水下清刷技术和壁面移动机器人技术的发展，移动部分提出了采用电机正反转，带动两个相似结构交替运行，三角盘上的吸盘吸附，导轨三角盘脱离移动，导轨吸盘吸附，三角盘吸盘脱离移动来实现机器人移动结构方案；清洗部分，利用电机传动到刷子进行清洗。成功设计了水下船体表面清刷机器人的移动及清洗。针对水下作业环境的特点，对机器人的移动结构和清刷作业装置等关键技术进行了系统的研究。另外，由于时间紧迫，对机器人的密封性，吸附方式，没有进行详细设计。 本次设计初步设计了水下船体清洗机器人的移动及清洗设计，针对机器人在水下作业的特点，研究设计了机器人携带的作业工具即水下清刷作业装置。关键词：机器人 移动机构 清洗机构 AbstractIn order to achieve the robot on the surface of the underwater hull, flexible and reliable operation of the adsorption function to study the movement of the structure and function of the underwater hull cleaning robot. Describes the basic components of the underwater hull surface movement mechanism, working principle, the moving mechanism kinematics modeling.Papers systematic review of the development of underwater brush clearing and wall mobile robotics technology, the mobile part of the proposed use of motor reversing, driven alternately run two similar structures, sucker adsorption on a triangular plate, triangular plate from moving rail, rail sucker adsorption, triangular plate sucker from mobile robot to move the structure to implement the program; cleaning section, the use of the motor drive to brush for cleaning. Successful design of the underwater ship hull cleaning robot moving and cleaning. According to the characteristics of the underwater environment, structure and key technology of mobile devices, such as clearing brush operating robots were studied. In addition, due to time constraints, for sealing, adsorption robots, no detailed design.The design of the preliminary design of the underwater hull cleaning and cleaning of mobile robot design, the characteristics of the robot for underwater operations, research and design a working tool that is underwater robot carrying brush clearance operations unit.Keywords: robot moving mechanism cleaning mechanism - III -目 录摘要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题研究的目的和意义11.3 现状1第2章 移动部分设计92.1 爬行机构设计92.2 齿轮传动设计102.2.1 电机选择102.2.2 齿轮传动设计102.3 传动轴设计132.4 齿轮齿条设计162.5 移动部分越障分析192.5.1 在凹曲面上移动192.5.2 在凸曲面上移动20第三章 清洗机构的设计223.1 电机传动方案设计223.2 齿轮机构设计223.3 传动轴设计24第四章 鱼尾部分及箱体部分284.1 鱼尾部分简介284.2 箱体的密封284.3其他问题29结论31致谢32参考文献33千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 课题背景课题来源于常州太烨传感科技有限公司。船舶在长期的航行中，水下部分的船体表面会附有贝类、藻类生物及生出锈斑，严重影响船舶的航行速度和使用寿命，还增加船舶的燃料消耗，所以定期清洗非常重要，人工清洗人员工作量大、难度大、效率低，目前中国国内对于这方面的研究还很少，对于壁面清洗机器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墙壁等，但是对于船舶清洗研究的却是很少，主要是因为船舶清洗是在水下，设计时要考虑水的影响，密封性的要求，水下移动、吸附等问题，增大了设计的难度。因此研制水下清洗机器人成为需要，水下船舶清洗机器人将大大提高船舶清洗的效率，减少工作量，减少工作强度，实现自动化清洗。该机器人的结构主要分成两部分：一部分是移动部分，另一部分是清洗部分。移动部分主要解决的问题是机器人在曲面上的移动，清洗部分的结构设计利用清洗盘的转动来实现清洗。本课题主要内容包括：国内外文献分析，总统方案设计，水下船舶清洗机器人机械结构设计，装配图零件图的设计，结构优化设计。1.2 课题研究的目的和意义船舶正常工作时总有一部分沉在水下，常年累月，在水下的船体表面会附着一些贝类、藻类等生物，严重影响船舶的航行速度和使用寿命，还增加了船舶的燃料消耗，所以每隔一段时间就要对船舶进行清洗.但传统的清洗方法是工人要潜入水里才能对船舶进行清洗，具有一定的风险性，工作量大，难度大.因此研究水下清洗机器人成为必要.本设计的研究目的就是在于制造出一种在水下可以游动并且可以吸附在船体上的清洗机器人.一方面机器人可以像鱼类一样在水下自由的游动；另一方面该机器人可以通过电磁吸附吸附在船体上并且通过移动装置在船体上爬行，同时进行清洗.因此该机器人代替了人工潜入水下进行清洗，减少了工人的工作量，减轻了工作强度，实现了水下船舶清洗的自动化，同时对于爬行机器人在曲面上的移动提出了一种新的爬行方式，具有重要意义。1.3 现状目前中国国内对于这方面的研究还很少，对于壁面清洗机器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墙壁等，但是对于船舶清洗研究的却是很少，一方面船舶清洗是在水下，设计时要考虑水的影响，密封性的要求，水下移动、吸附等问题，增大了设计的难度，目前国内有哈尔滨工业大学于2003年研制出了一种水下清洗机器人，采用履带式移动方式，吸附在船体上清洗船舶。国外一些国家也开始研究清洗机器人，主要是壁面清洗机器人的研究，都取得一些成绩，但是在实现复杂运动和清洗功能的技术理论和实践上仍需要经历一段成熟期。 对于清洗机器人的研究，尤其是水下清洗机器人，目前仍然是处于开始期，还有很多关键的技术需要解决，并且水下清洗机器人作为一种新的清洗概念和作业方式，还有很长一段路要走，但是随着中国航海事业的发展，船舶的排水量的增加，水下船舶部分的清洗也将是一项很繁重的任务，如果实现自动化清洗，将大大提高效率，减轻工作量，所以水下清洗机器人有着很好的发展前景。爬行方案机器人要完成在船体表面的爬行，一方面通过电磁吸附吸附在船体上，同时机器人在船体上要完成移动。爬行部分主要解决两个问题，一个问题是机器人在曲面的移动，另一个问题是机器人在船体表面的吸附。爬行方案 对于移动机器人现在的研究主要集中在平面里的移动，例如清洗玻璃的机器人，在玻璃上爬行，清洗管道的机器人等等。下面是现在已经存在的几种机器人及其移动方案：多吸盘真空吸附式壁面清洗机器人系统，该机器人用于清洗高空玻璃，传统的清洗方法是靠升降平台或吊篮承载清洁工进行玻璃幕墙的清洗，虽简便易行，但劳动强度大，工作效率又低，属于高空极限作业，对人身安全及玻璃壁面都有很大的危险性.该机器人可以代替人工清洗。考虑到现场实际中的一些特点以及对壁面清洗机器人的要求，该壁面清洗机器人多采用真空式吸附方式。 下面是几种移动方案： 1） 图1图1是机器人主体，它由构成基本相同形状的两个帧的机制的模型。根据每帧有三条腿，分别由提升缸组成，每条腿的下部有一个吸盘组。当伸缩缸，吸盘将接触的壁面的下部被连接到下框架转动圆筒，从而使框架2可相对地旋转一个预定的角度。2具有中间相对于所述下框架可旋转的圆盘上设有导向筒和盘2。和引导沿平行于运动方向的两条直线之间的帧中的机器人的帧。图2如图2.2A早期运动状态，运动从第1脚架吸盘吸附开始，提升油缸缩回，从而完成了机械手缩回腿。然后两个帧之间的圆筒沿框架导轨上延伸，将根据该帧的相对运动的方向。运动到位后，框架3升缸延伸吸盘工作表面的吸附，如图2.2B。然后松开下一个吸盘框架提升气缸缩回，缩回两个框架之间的气缸，该框架将靠拢沿导轨的框架，直到它被恢复到如图2.2C所示的图案。这样就完成工作的一个周期。驱动机器人使用气缸，采用真空吸附。 2） 图3图2.3是另一移动设备，它是由8吸盘，4以外组成，有四个和四个吸盘可以由滚珠丝杆，它是通过真空抽吸进行移动。 图4图4显示了爬壁机器人直线行走路线。后的结构设计的角度来看脚操纵已被用来选择在前脚的立足点，从而减少障碍，改善行走速度判定的数目。图4（a）表示机器人的初始状态，小冲程的气缸的伸长满吸盘状态，滑块处于中间位置；图4（b）表示外侧4吸杯的不里面的吸附夹头4真空破坏松开夹头移动，内筒缩回；图4（c）表示的前向驱动电机正转的滚珠螺杆滑动前进，沿着一个向前和内框架滑动；图4（d）表示的内伸出气缸内壁与所述侧壁上的卡盘，真空吸附在图4（e）的接触面4代表了吸附夹头4的内部不动，外4吸盘为真空断裂以释放外筒缩回；图4（f）表示在向前推进螺杆马达反向驱动向前沿外框架；图4（g）延伸的外筒，与墙壁上的吸盘，真空吸附接触外壁4，然后在里面和八个全吸盘框架之外的吸附状态，机器人开始下一个运动周期。以上是爬壁机器人步骤的过程，所以连续循环，实现了连续爬壁机器人前进。图5该机器人主要由一个主体气缸、两个纵向吸盘提升气缸、一个横向吸盘提升气缸、两组横向吸盘组以及两组纵向吸盘组构成。 图6图6是多足步行机器人爬步骤的壁的流程图。在向前运动，例如，在初始状态下是机器人的静止状态中，机器人可以执行的情况下在墙壁上的清洗探针和检测。当机器人处于初始状态时，在水平和垂直真空吸盘的真空状态提供，横向吸起升缸缩回状态，吸起升缸中被纵向延伸的状态时，真空吸盘纵向的释放，垂直吸提升油缸缩回，在主缸固定于圆筒的吸附状态的横向真空吸盘，压缩空气驱动活塞向前移动一个距离，然后沿纵向抽吸提升缸纵向延伸，以提供真空抽吸;当横向吸入真空抽吸提升缸横向收缩，在主缸的活塞杆固定在压缩空气，在气缸孔的向前移动的距离，并横向延伸的横向抽吸提升缸的吸附状态的纵向真空吸力释放提供真空吸力来完成行走过程。 4）目前国内关于水下船舶清洗机器人的研究只有哈尔滨工业大学研制出一种水下清洗机器人，他们的移动是靠履带完成的，采用永磁吸附，双履带机构。 图7机器人的吸附性能被固定到外翼面板履带链块来实现磁吸附。由链节链确定每个轨道的每一链路上的数目，以安装一个磁块，然后每星期轨道上，即使在移动的轨迹的过程21橡胶密封永久磁铁块镶嵌，以确保在每个轨道上有8磁体与容器表面的吸附状态良好，并且机器人的容器表面上有足够的磁吸附，实现了在初始时间移动，来调整磁块上的相同状态的两个磁道的吸收特性，并输出通过齿轮减速机由驱动链轮驱动的驱动伺服电动机的力矩，从而使在所述容器的交替吸附循环的轨道面的磁块的表面上，所述机器人上移动来实现所述容器的表面上。 吸附方案 吸附方式主要有两种：真空吸附和磁吸附。 1、 真空吸附装置真空吸附装置也称真空吸盘，在壁面移动机器人中主要用于非磁性壁面上的作业，如墙壁、玻璃面、非磁性金属壁面等。 真空吸盘是在利用吸盘内的压力与大气压之间的压力差而实现吸附的，真空的产生可以通过真空泵、压缩空气或排风机等。用真空泵或用压缩空气产生真空的吸盘，一般真空度较高。由排风机产生真空的吸盘，一般真空度较低。 2、磁吸附装置 磁吸附壁面移动机器人用于铁磁性壁面上的作业。磁吸附装置的吸附由电磁铁、永磁铁来产生。电磁式吸附利用直流或交流磁铁的磁场吸力把对象物吸住。当切断电流时，磁场消失，对象物即被释放。本机构就是利用电磁吸附，当磁铁不通电时，吸盘没有吸力，当通电时，吸盘具有吸力。先给大吸盘通电，具有磁性吸附在船体上，然后断电，磁性消失，这时再给小吸盘通电，吸盘具有磁性，小吸盘吸附在船体上，循环吸附。于此同时移动部分利用间隙时间移动。 永磁吸附是利用永磁铁来产生磁性吸附，永磁吸附所产生的磁性一直存在，所以移动部分就一直在被吸附物体上，哈工大所研制的清洗机器人就是利用永磁吸附，利用双履带移动方式，一直吸附在船体上移动。 本机构是利用机器人的行走完成移动，所以采用真空吸附。清洗方案 清洗方案的选择，清洗的对象是船体表面，包括清洗船体表面附着的一些贝类、藻类等生物，需要一定的清洗力。同时考虑机器人的本身尺寸大少，清洗圆盘不易过大，并且驱动要简单、可行。下面是现存的一些清洗工具： 1）公路圆盘洗 该清洗盘用于公路的清洗，主要清洗路面的尘土和垃圾，所以尺寸很大，所需力要求不大，转速在100r/min左右，本机构设计简单，传动容易设计，同时又可以实现所需功能。 图82）滚筒刷 滚筒刷尺寸小，清洗的力不大，靠滚动来完成清洗，一般用于手动，主要用于清洗玻璃等比较光滑的表面，清洗力不是很大，并且是靠滚来完成的。 图9 目前市场上主要有这两种清洗设备，比较两种设备，第一种要靠电机来驱动，第二种主要是靠手动来实现清洗；两种清洗都不需要很大的力，转速不需要很快；第一种尺寸很大，主要清洗路面，所以尺寸比较大，第二种尺寸相对很小。考虑以上特点，本机器人的清洗机构选择第一种，但是尺寸选择变小，利用小型直流电机驱动，考虑清洗的力矩及所需转速，选择转速为40r/min，清洗面积大约为500平方毫米。对清洗盘的设计主要是选择合适得材料、毛刷来清洗船体表面，船体表面的污染物对船体有一点的吸附力，普通的毛刷不容易将其刷下，容易变形，考虑这些因素，选择铁丝刷，铁丝具有一定的硬度，不容易变形，现在市场上也可以买到。第2章 移动部分设计2.1 爬行机构设计该爬行机构借鉴了现存的很多爬行机构，在此基础上设计而成.该机构采用内外三角形机构，每个三角板采用三个杆件支撑并且完成吸附。三个杆件成三角形分布，其中后两个杆件是固定住的，前面一个杆件利用球连接来适应曲面，在移动距离不大得情况下可以适应在曲面上得移动，并且前面的杆件比后面得杆件要短，更适合曲面得移动。杆件的下方是电磁吸盘，当电磁吸盘通电时产生磁力吸附在船体上，当断电时就不产生磁力，不再吸附，可以完成移动.大三角板和小三角板得吸盘交替通电，当大三角板通电时，小三角板不通电，交替产生磁力，利用空隙完成吸附和移动。小三角板和大三角板通过滑块连接，小三角板和滑块通过杆件连接，大三角板本身有一个“工”字型滑槽，滑块可以在滑槽里移动。小三角板通过杆件与滑块相连，滑块与齿条相连，大三角板上面安装两个齿条。图2-1工作原理：本机构主要完成两个功能，一个是吸附，一个是移动.吸附是靠电磁吸附，通电时产生磁性，吸附在船体上，当不通电时，没有磁性，从而可以沿船体移动。首先先给大三角板的吸盘通电，从而产生磁性，大三角板吸附在船体上，这时小三角板的三个支架不通电，没有磁性，通过滑块的移动带动小三角板向前移动，其滑块的移动是靠齿轮齿条来完成的，当电机起动带动齿轮转动，通过齿轮的传动，带动轴转动，从而通过齿轮转动带动齿条向前移动，齿条和滑块相连，带动滑块沿导轨向前运动，当齿条运动一段距离后，电机反向转动，同时小三角板固定不动，这时大三角板的三个支撑吸盘不再通电没有磁性，齿轮和齿条作用，根据相对运动的原理，使得齿轮在齿条上面向前运动，从而带动箱体向前运动，箱体和大三角板是固定在一起的，这样，大三角板也向前运动，当电机再次反向转动时，大三夹板的三个支撑吸盘又通电产生磁性吸附在船体上，小三角板的三个支撑不再通电，这样就可以使小三角板再此向前运动，如此循环前进，完成机器人的爬行运动。该移动机构不再利用汽缸驱动，而是利用电机驱动，巧妙得利用电机的正反转、齿轮齿条的作用来完成移动停止移动得工作循环，机构相对简单，方便可靠，容易实现预期得功能。2.2 齿轮传动设计2.2.1 电机选择选择电机，要综合考虑各个因素，对于本机构在水下移动，不方便携带大型电机，也不方便把电机放在船上或其他地方，最好是把电机装在机器人本身里面，所以选择的电机是小型直流电机，这样就可以利用容量大一些得电池来完成供电，同时考虑作业空间，如果选择大转速得电机，则还必须设计一个减速器，所需空间一定会变大，所以选择小型直流电机并且自带减速器，这样就可以解决电源、空间问题，当然还要是电机能够正反转这样就可以实现齿轮和齿条的作用，这样就需要选择小型伺服电机。对于现在市场上买得小型直流电机，种类很多，并且配备多个减速比，可以选择适合所需要得电机与输出转速，本机构选择了的小型直流电机，经过减速器使输出转速5r/min，功率，输出转矩。2.2.2 齿轮传动设计1 选择齿轮类型、精度等级、材料和齿数(1) 传动方案如图，选用直齿圆柱齿轮传动图2-2(2) 移动部分。主要靠齿轮来控制转速，对精度由一定的要求，转速不快，选择 8 级精度等级。(3) 材料选择。小齿轮也是主动齿轮材料40Cr，调质处理，硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢，硬度为240HBS，两者材料硬度差为40HBS。(4) 选择小齿轮的齿数为，大齿轮的齿数为，传动比为。2 按齿面接触强度设计由设计计算公式进行计算，即(1)确定公式中的各计算数值1）试选择载荷系数2）计算小齿轮传递的转矩查电机表，输出功率计算得电机名牌上标注3）查表选取齿宽系数4）查表得材料的弹性影响系数5)查表按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的疲劳强度极限。6）查表取接触疲劳寿命系数；7)计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数，由式计算得（2）计算1）计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值。2）计算圆周速度v，考虑到机器人的爬行状况，设定移动速度为0.01m/s。这样小齿轮分度圆直径3）计算齿宽b4)计算齿宽与齿高之比模数齿高5)计算载荷系数根据，7 级精度，查表得动载系数直齿轮，查表得使用系数查表得7 级精度等级，小齿轮相对支撑非对称布置时，由查表得故载荷系数6)按实际得载荷系数校正所得分度圆直径7)计算模数 3 按齿根弯曲强度设计弯曲强度设计公式(1)确定公式里内得各计算数值1）查表得小齿轮得弯曲疲劳强度为；大齿轮的弯曲疲劳强度为2)查表得弯曲疲劳寿命系数；3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数，由式计算4)计算载荷系数K5)查取齿形系数，6)查取应力校正系数，7)计算大小齿轮得并加以比较大齿轮得数值大。2）设计计算对比结果，由齿面接触疲劳强度计算得模数m小于由齿根弯曲疲劳强度计算得模数，由于齿轮模数得大小主要由齿根弯曲疲劳强度所决定得承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定得承载能，仅与齿轮直径由关，可取由弯曲疲劳强度计算所得得模数2.05，并就近为标准值m=2.5，按接触强度计算得分度圆直径，算出小齿轮齿数取小齿轮齿数大齿轮齿数为这样设计出得齿轮传动，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。2.3 传动轴设计1、输出轴上得功率P，转速n和转矩若齿轮得传递效率为0.97，则于是得小齿轮的转矩为2、轴的结构设计拟定轴上零件得装配方案，轴上零件的装配方案如下图：图2-31） 轴上零件的固定。该轴的传动主要依靠齿轮来传动，轴上安装两个齿轮，其中右面的齿轮为主动轴，中间的齿轮为从动齿轮.轴上零件的定位，轴上零件的定位主要使用螺母和套筒来定位，轴采用阶梯轴，齿轮与箱体之间利用螺钉锁紧套筒轴向固定，轴的两端是利用锁紧螺母来轴向固定，中间部分是齿轮，一边是阶梯轴轴向固定，另一边是利用螺钉锁紧挡圈周向固定，轴的两端放在箱体上支撑，安装轴承。2）轴承的选择。因为轴承同时承受径向力和轴向力，故选择单列圆锥滚子轴承。根据工作要求选择30204，0组游隙，公差等级0级其尺寸是d DT= 20mm37mm16mm，采用一对圆锥滚子轴承，面对面安装，轴承的固定一端是利用箱盖来固定，一端是利用套筒来固定，利用轴承把轴所受的力传递到箱体上。3）轴上零件的周向定位不完全齿轮与轴之间采用键平键连接，根据轴的直径选择平键bh = 6mm6mm，键槽用键槽铣刀加工，长20mm，同时保证了齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮与轴之间的配合为；大齿轮与轴之间也是利用平键连接，同样选择bh = 6mm6mm，长为20mm，配合为；圆锥滚子轴承与轴之间采用过度配合来保证，配合为。3、求作用在齿轮上的力因已知低速级大齿轮得分度圆直径为而大齿轮的转矩为，以后每个齿轮按计算，则轴中间部分的齿轮受力比较大，转矩为从而计算各个齿轮处得圆周力径向力如下图2-4利用理论力学知识求出两个支点处的力对于该轴得校核采用有限元分析对该轴进行校核，分析该轴的受力情况，分析应力分布，变形情况，如下图：图2-5图2-6通过有限元分析之后，观察该轴的变行图2-5，从图中可以看出该轴的变形量主要集中在轴的中间部分，因为该轴在中间部分是一个齿轮，齿轮根齿条作用，会有一个阻力转矩，这样就使得该轴在中间部分的变形比较大，最大变形量达到，分析轴的右边，轴的右边是一个齿轮传动，承受一个转矩，可以看出该轴在该齿轮处变形也有一定的变形，再看轴的左端，轴的左端基本没有变形，主要是因为轴的左端基本没有力的作用，只是通过轴承安装在箱体上。观察该轴的应力分布图2-6，可以看出该轴的应力分布比较广泛，尤其是轴的右端齿轮处，应力比较大，最大应力为，最小应力为，从中间轴分开，该轴两端都有应力分布，但是应力相对较小，同样在轴的左端因为不受力的作用，所以该处基本没有应力，可以满足该轴的设计要求。2.4 齿轮齿条设计1、齿条机构1）模数、齿数的选择模数选择m=2.5，齿数选择，压力角齿顶高齿根高齿高齿距图2-72)齿条的移动齿条的移动速度选择，齿条前进的距离为35mm。2、齿轮的设计中间齿轮设计时考虑齿轮齿条的作用，及其所承受的转矩，齿轮材料选择40Cr按齿面接触强度设计由设计计算公式进行计算，即(1)确定公式中的各计算数值1）试选择载荷系数2）计算小齿轮传递的转矩按转矩减半来计算得3）查表选取齿宽系数4）查表得材料的弹性影响系数5)查表按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的疲劳强度极限。6）查表取接触疲劳寿命系数； 7)计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数，由式计算得（2）计算1）计算小齿轮分度圆直径，传动比按1:1计算，代入中较小的值。2）计算圆周速度v，考虑到机器人的爬行状况，设定移动速度为0.01m/s。这样小齿轮分度圆直径3）计算齿宽b4)计算齿宽与齿高之比模数齿高5)计算载荷系数根据，7 级精度，查表得动载系数直齿轮，查表得使用系数查表得7级精度等级，齿轮相对支撑非对称布置时，由查表得故载荷系数6)按实际得载荷系数校正所得分度圆直径7)计算模数 3 按齿根弯曲强度设计弯曲强度设计公式(1)确定公式里内得各计算数值1）查表得小齿轮得弯曲疲劳强度为； 2)查表得弯曲疲劳寿命系数； 3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数，由式计算4)计算载荷系数K5)查取齿形系数 6)查取应力校正系数 7)计算大小齿轮得并加以比较大齿轮得数值大。2）设计计算对比结果，由齿面接触疲劳强度计算得模数m小于由齿根弯曲疲劳强度计算得模数，由于齿轮模数得大小主要由齿根弯曲疲劳强度所决定得承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定得承载能，仅与齿轮直径由关，可取由弯曲疲劳强度计算所得得模数2.05，并就近为标准值m=2.5，按接触强度计算得分度圆直径，算出小齿轮齿数，取小齿轮齿数。这样设计出得齿轮传动，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。2.5 移动部分越障分析关于移动部分越障能力的分析，因为清洗机器人需要吸附在船体上才能进行清洗，而船体表面是曲面，具有一定的曲率，并且会附着一定的藻类、贝类等，所以需要机器人具有一定的越障能力，为了适应机器人在船体表面上爬行，本机构设计了三个支撑来，并且前面一个支撑设计成球连接，球连接可以转动，所以可以使机器人在曲率不大的曲面上移动，为了进一部分析移动机构能否适应在曲面上的移动及其考虑曲面曲率，下面讨论机器人的移动部分在具有一定曲率的曲面上的移动能力，下面将曲面分成两种情况来分析：一种是凹的情况，一种是凸的情况。2.5.1 在凹曲面上移动机器人在凹曲面上的移动，机器人在凹曲面上的移动，假如机器人移动的距离过大而曲面的曲率半径过小，则机器人将不能在其曲面上移动，下面分析该机器人所适应的曲面。下面将机器人简化模型，可以看处机器人依靠三个支撑移动在完成爬行运动，并且前面的支撑是利用球连接来适应曲面，球面副具有三个自由度，当碰到障碍时可以摆动一段距离，不和壁面相碰撞，但是球连接上面的部分却不能摆动，这样当碰到障碍时就不能移动，这时就不能向前爬行，但是机器人每次移动的距离有限，这样移动机器人所适应的曲面就会有一定的局限，下面分析机器人所适应的具有最小曲率的曲面。假设机器人移动到一个位置固定住，如图2-9前一个状态，现在分析该机器人爬行时所示适应曲面的曲率，根据移动部分设计可知，每次机器人将前进35mm，当机器人前进35mm时，如图2-9后一个状态，假设机器人在前一个状态前后脚分别落在A、B处，当机器人前进35mm时，球连接可以摆动，所以可以适应曲面，但是球连接上面部分EF段却是固定不动的，所以当曲率半径过小时就会碰到壁面，从而不能前进，假设刚刚碰到船体，如图C点位置，这是可以根据C、A、B三点的位置确定一个圆，从而求出曲率半径，如图曲线2；当曲率变大时，即曲率半径变小的情况时，如曲线3所示，这时当机器人前进35mm时，机器人前面将碰到壁面，机器人将不能前进，甚至毁坏；当曲率变小时，即曲率半径变大的情况，如曲线1所示，这时当机器人请进35mm时，不会碰到壁面，这样机器人将正常前进，满足设计要求。综上所述，当曲率半径R119.92mm时机器人可以向前运动；当曲率半径R119.92mm时机器人移动时将碰到壁面，这时机器人将碰到壁面，不满足条件。当曲率半径R=119.92mm时机机器人刚好碰到壁面，这是机器人移动的临界位置。图2-92.5.2 在凸曲面上移动下面分析一下当机器人在凸面上移动时，所需要满足的曲率半径。当机器人在凸面上移动是主要的问题是曲率过大致使机器人前进时壁面碰到机器人下面移动部分小三角板的底面，如图所示，下面分析一下机器人在凸曲面上的移动。首先假设机器人前面支撑的球连接达到极限位置，能够转到180，这时该机器人的分布如下，从图中可以看出，对于小三角板的球连接假设可以达到极限位置A、B，这时可以生成小三角板前面球连接部分的可能的曲线2，同样，对于大三角板的球连接假设可以达到极限位置C、D，这时就可以生成可能的曲线1。当机器人沿着壁面向前爬行的时候，大、小三角板的后面的支撑当爬到位置时是暂时固定不动的，这说明O点可以看成暂时固定的点，而对于另外两个点则不同，因为有球连接的原因，所以他们的位置会在曲线1，曲线2上，这样可以适应具有一定曲率的壁面。要想确定当机器人在凸面上爬行的时候所能适应曲面的曲率，则应该确定三个点的位置。首先，O点可以看成是一个固定的点，这样就只需要选择另外两个点来判断曲面的曲率，两外两个点分别在曲线1和曲线2上，这样只要找到最小的曲率半径就可以了。从下图可以看出，分别选择了一些特殊的点，其中最小的曲率半径为R=60.8404mm，这已经比机器人在过凹壁面时要小的多。图2-10综上分析，可以看出该机器人在适应曲面的可以适应曲率比较大的曲面，考虑该机器人的作业对象船舶，船舶的外表面的相对来说曲率半径很大，曲率小，利用该机器人来清洗船舶，已经足够满足条件。- 33 -第三章 清洗机构的设计3.1 电机传动方案设计电机的选择，与移动部分相似，电源要求携带方便，并且不能利用方便利用电线托线，所以要求最好是利用蓄电池来提供电源，同时考虑作业空间，本机构要求设计得箱体尺寸尽可能小，并且同时要求重量要轻，不宜选择大的电机，该机器人又在水下作业，要具有一定得灵活性，所以仍然选择小型直流电机，并且自带减速器，这样就减小了减速器得空间按，尽可能得减小整个机构得体积。考虑以上因素，并且考虑现在市场上可以买到的减速器，选择60JB52型小型直流电机。电机的输出转速有多种，考虑清洗盘得转动，以及所需要得力选择输出转速r=40r/min，输出功率P=24W，输出转矩5.88Nm。3.2 齿轮机构设计1 选择齿轮类型、精度等级、材料和齿数在该处设计两个齿轮是为了改变电机输出轴的转向，所选电机自带减速器，所以设计相对简单。齿轮选择直齿圆柱齿轮，精度等级选择7级精度，材料选择45钢，表面硬度为240HBS，传动比1:1，齿数定为。2 按齿面接触强度设计由设计计算公式进行计算，即(1)确定公式中的各计算数值1）试选择载荷系数2）计算小齿轮传递的转矩查电机表，选择电机转速，输出功率计算得3）查表选取齿宽系数4）查表得材料的弹性影响系数5)查表按齿面硬度查的两个齿轮的接触疲劳强度极限。6）查表取接触疲劳寿命系数 7)计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数，由式计算得（2）计算1）计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值。2）计算圆周速度v。3）计算齿宽b4)计算齿宽与齿高之比模数齿高5)计算载荷系数根据，7 级精度，查表得动载系数直齿轮，查表得使用系数查表得7 级精度等级，小齿轮相对支撑非对称布置时，由查表得故载荷系数6)按实际得载荷系数校正所得分度圆直径7)计算模数 3 按齿根弯曲强度设计弯曲强度设计公式(1)确定公式里内得各计算数值1）查表得齿轮得弯曲疲劳强度为；2)查表得弯曲疲劳寿命系数3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数，由式计算4)计算载荷系数K5)查取齿形系数，6)查取应力校正系数，7)计算大小齿轮得并加以比较2）设计计算对比结果，由齿面接触疲劳强度计算得模数m小于由齿根弯曲疲劳强度计算得模数，由于齿轮模数得大小主要由齿根弯曲疲劳强度所决定得承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定得承载能，仅与齿轮直径由关，可取由弯曲疲劳强度计算所得得模数1.5，并就近为标准值m=2.0，按接触强度计算得分度圆直径，算出小齿轮齿数取小齿轮齿数大齿轮齿数为这样设计出得齿轮传动，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。3.3 传动轴设计1、输出轴上得功率P，转速n和转矩若齿轮得传递效率为0.98，则于是得齿轮的转矩为2、求作用在齿轮上的力因已知齿轮得分度圆直径为而3、计算清洗力考虑到传播表面附着草类，贝类等，清洗需要一定的力，假设清洗所需得摩擦力为50N，对清洗盘受力分析。图3-1利用积分学，已知摩擦力积分求出转矩2、轴的结构设计拟定轴上零件得装配方案，轴上零件的装配方案如下图：图3-22） 轴上零件的固定。该轴的传动主要依靠齿轮来传动，末端安装一个清洗盘。轴上零件的定位，轴上零件的定位主要使用螺母来定位，首先齿轮部分，下端是采用阶梯轴来支撑，上面防止齿轮滑动，采用螺母来固定。同样对于清洗盘的固定也是利用螺母来固定。2）轴承的选择。因为轴承同时承受径向力和轴向力，故选择单列圆锥滚子轴承。根据工作要求选择30204，0组游隙，公差等级0级其尺寸是d DT= 20mm37mm16mm，考虑到圆锥滚子轴承一般成对使用及其该轴所受力的情况，该轴承受受力后有有一定的绕度，本机构使用一对圆锥滚子轴承，采用面对面安装，增加了安全性、可靠性。3）轴上零件的周向定位齿轮与轴之间采用键平键连接，根据轴的直径选择平键bh = 6mm6mm，键槽用键槽铣刀加工，长20mm，同时保证了齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮与轴之间的配合为；清洗盘与轴之间也是利用平键连接，同样选择bh = 6mm6mm，长为20mm，配合为；圆锥滚子轴承与轴之间采用过度配合来保证，配合为。对于该轴得校核采用有限元分析对该轴进行校核，分析该轴的受力情况，分析应力分布，变形情况，如下图：图3-3图3-4通过有限元分析之后，观察该轴的变行图3-3，从图中可以看出该轴的变形量主要集中在轴的两端，集中在轴的两端，因为该轴在两端均承受一定的转矩，轴的右端主要是齿轮给轴的转矩，而对于轴的左端主要是由于在清洗时轴所受的清洗力矩，该力矩主要是清洗盘在清洗时要克服阻力而产生的，这样就使得该轴在两端部分的变形相对比较大，尤其是轴的右端，从图中可以看出轴的最大变形量达到，最小变形为0。观察该轴的应力分布图3-4，可以看出该轴整个轴都受到应力作用，主要分布在两根比较长的轴上，而轴的两端及其中间却相对很小，轴的两端都利用锁紧螺母锁紧，受的应力相比整个轴很小，从图中可以看出最大应力为，最小应力为，对于该轴主要的应力还在轴的右边，靠近传动齿轮部分，而另一边虽受转矩，但是不是很大，所以应力也不是很大，对于该轴主要是有半边受力较大。第四章 鱼尾部分及箱体部分4.1 鱼尾部分简介本机构是仿照鱼在水中的游动而设计而成，利用鱼尾部的摆动完成鱼在水里的前进及其转向。本机构图如下：图4-1工作原理：本机构主要完成的动作是鱼尾的摆动，电机的转动带动圆盘1转动，这时圆盘上面的圆柱2随圆盘转动驱使滑块3沿两根杆件滑动，通过滑块上面的杆件带动箱盖右边的滑块4滑动同样沿两根杆件滑动，该滑块边缘上面有一个圆柱5与滑块之间相对转动，带动另一个圆柱6转动，圆柱6通过连杆带动圆柱7转动，从而带动鱼尾摆动.该机构具有一定的可行性，完成了运动仿真。本机构也成为清洗机器人的一部分，主要是希望完成机器人在水里的游动，方便机器人在水下自由的游到船体表面进行吸附清洗，这样就可以在没有人的参与下完成机器人在水里的移动，使机器人在水里可以自由的移动，不需人为的将机器人放到清洗的船体表面，大大的提高了机器人的智能化，提高了作业的效率。 该机构安装到前面的移动部分主要考虑一个问题：一个是机器人的重心问题，要完成机器人在水里的游动，主要是利用鱼尾的摆动，但是鱼尾的机构相对前面移动部分的机构部件要少，这样就需要考虑重心问题，是不是鱼尾的摆动能够带动整个机器人在水里自由的游动，对于本问题的解决主要是在选材料方面着手，整个移动部分的箱体及其箱盖都采用铝合金，这样可以减少机器人前面的重量，同时增加后面鱼尾部的重量，使得重心尽量在箱体与鱼尾的分界线处。该机构带来的优点还有就是可以实现机器人的转向问题，前面机器人只是完成了移动，而没有解决转向问题，采用鱼尾部分，可以利用鱼尾的摆动与否实现机器人的转向，当鱼尾摆到一侧时可以使机器人转向。4.2 箱体的密封下面是箱体的外形，对于箱体来说，主要是考虑箱体的密封，因为该机器人在水
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