毕业设计（论文）-自动检线机构功能与结构设计-机器人机械手【全套图纸】.doc

本科毕业设计(论文)题目：自动检线机构功能与结构设计系 别： 机电信息系 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2013年04月 自动检线机构功能与结构设计摘要电力系统最重要的任务是提供高质量和高可靠性的电力。电力传输必须依靠高压输电线路，它的安全稳定运行直接影响电力系统的可靠性。检线机器人的本体设计是整机设计中一个相当重要的部分，需经过多次反复才能完成；在进行机器人结构分析和设计时，需要建立一定的实验环境(导线物理模型、障碍物等)，对样机进行多次实验以检验其是否能达到预期的目标，这就导致其设计的周期长、设计效率低以及改型工作量大等缺点。关键词：检线机器人；本体设计；结构全套图纸，加153893706Automatic inspection line agencies function structure designAbstractThe power system is the most important task is to provide high-quality and high-reliability power. Power transmission must rely on high-voltage transmission lines, its safe and stable operation directly affect the reliability of the power system. Subject line robot body design is a very important part of the whole design, and subject repeatedly to complete; making robot structural analysis and design, the need to establish the experimental environment (wire physical model, obstructions, etc.) conducted several experiments to test whether it can achieve the desired objectives, which led to its design cycle is long, low design efficiency and retrofit heavy workload and other shortcomings of the prototype.Keywords: inspection line；robot body；design structure目 录1 绪论11.1 研究背景及意义11.2 架空线路巡线机器人与机器人仿真文献综述31.2.1 架空线路巡线机器人研究概况31.2.2 机器人仿真简介31.2.3 中国与国外先进技术的差距51.3 本文主要内容52 检线机器人本体结构的设计72.1 方案要求72.2 总体结构92.3 柔性臂92.4 驱动装置122.4.1 轮式移动机构132.4.2 步进式蠕动爬行机构132.5 刹车制动装置133 各零部件的选择与设计143.1 丝杆的设计143.11 丝杆的结构设计143.12 丝杆的设计计算153.13 丝杆的强度校核173.2 齿轮的设计193.21 齿轮的结构设计193.22 齿轮的参数计算223.3 齿轮箱体的结构设计233.4 内升降筒的设计计算243.5 外升降筒的设计253.5.1 外升降筒的设计计算253.5.2 外升降筒的强度校核253.6 涡轮蜗杆的设计273.7 电机的选择284 结论31参考文献32致 谢34毕业设计（论文）知识产权声明35毕业设计（论文）独创性声明36IV1 绪论1.1研究背景及意义电力系统最重要的任务是提供高质量和高可靠性的电力。电力传输必须依靠高压输电线路，它的安全稳定运行直接影响电力系统的可靠性。由于输电线路分布点多、面广，绝大部分远离城镇，所处地形复杂，自然环境恶劣，且电力线及杆塔附件长期暴露在野外，会受到持续的机械张力、电气闪络、材料老化的影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤，如不及时修复更换，原来微小的破损和缺陷就可能扩大，最终导致严重事故，造成大面积停电，从而造成极大的经济损失和严重的社会影响。所以，必须对输电线路进行定期巡视检查，随时掌握和了解输电线路的运行情况以及线路周围环境和线路保护区的变化情况，以便及时发现和消除隐患，预防事故的发生，确保供电安全。目前，对输电线路的巡检主要采用两种方法，即地面人工目测法和直升飞机航测法。前者的巡检精度低，劳动强度大，且存在巡检盲区。部分地区大雪封山时，车辆和行人无法进入；在深山还有野兽出没，这给巡视人员带来了很大的安全隐患；后者则存在飞行安全隐患且巡线费用昂贵。如果用直升机巡视替代地面巡视，则每100公里1年巡视费用同塔双回线需217.92万元（单回线136万元）。如果用直升机在整个东北电网覆盖地区巡视则需超过5000万元。费用过于昂贵，直接限制了直升机巡视的广泛推广。图1.1巡线机器人外观图由于巡线机器人可以克服上述缺陷，因此，巡线机器人已成为特种机器领域的一个研究热点。巡线机器人不仅可以减轻工人巡线的劳动强度，降低高压输电的运行维护成本，还可以提高巡检作业的质量和科学管理技术水平，对于增强电力生产自动化综合能力，创造更高的经济效益和社会效益都具有重要意义。巡线机器人悬挂于架空避雷线上，并以此为行驶作业路径，通过自动控制方式完成输电线路巡检作业，及对线路的机械电气故障，包括绝缘子劣化和污秽、导线的机械破损、连接金具机械松脱等故障进行检测。其特殊的作业环境要求机器人能够沿输电导线全程运行，包括沿输电导线的直线段和耐张线段实现滚动爬行，跨越及避让悬垂线夹、悬垂绝缘子、防振锤、耐张线夹等结构型障碍物。因此，机器人的本体设计是整机设计中一个相当重要的部分，需经过多次反复才能完成；在进行机器人结构分析和设计时，需要建立一定的实验环境(导线物理模型、障碍物等)，对样机进行多次实验以检验其是否能达到预期的目标，这就导致其设计的周期长、设计效率低以及改型工作量大等缺点。此外，样机的单机制造增加了成本。在竞争的市场条件下，基于物理样机的设计验证过程严重地制约了产品质量的提高、成本的降低及市场推广应用。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，因此电机的选择不作为设计的重点。1.2架空线路巡线机器人与机器人仿真文献综述1.2.1架空线路巡线机器人研究概况国外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Swada等人研制了光纤复合架空地线(OPGW)巡线移动机器人，如图1.2所示。该机器人利用一对驱动轮和一对夹持轮沿地线爬行，能跨越地线上防振锤、螺旋减震器等障碍物。遇到杆塔时，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。机器人运动控制有粗略和精确定位两种模式，粗略控制是把线塔和地线的资料数据(线塔的高度、位置、电线长度、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越障；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的损伤情况，并把探测数据记录到磁带上。但因其质量过大，达到100kg，而不能推广应用。图1.2 导轨巡线机器人1.2.2机器人仿真简介加拿大魁北克水电研究院的Serge Montambault等人在2000年开始了HQLineROVer遥控小车(见图1.3)的研制工作，遥控小车起初用于线路巡检、维护等多用途移动平台。第三代原型机构紧凑，仅重25kg，驱动力大，抗电磁干扰能力强，能爬52度的斜坡，通信距离可达1000m，小车采用灵活的模块化结构，安装不同的工作头即可完成架空线视觉和红外检查、压接头状态评估、导线和地线更换、导线清污和除冰等带电作业，已在工作电流为800A的315kV电力线上进行了多次现场测试，但是HQ LineROVer没有越障能力，只能在两线塔间的电力线上工作。 图1.3 遥控小车美国TRC公司1999年研制了一台悬臂巡线机器人原型，如图1.4所示。它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援的方法从侧面越过杆塔。其缺点是无法攀爬30度以上的斜坡而不能广泛应用。图1.4 悬臂巡线机器人文献中，介绍了工作于66kV光纤架空地线，能够跨越防振锤和线夹的机器人。文献给出了一种新型移动机器人机构，由双臂、四套执行机构和手爪构成，该机器人能够沿架空地线行走，并且能够跨越杆塔。文献给出了一种能够沿架空地线行走并且跨越防振锤、杆塔、线夹等障碍物的移动机器人。但上述机器人都具有18个以上的自由度，导致功耗过高而不能应用到实际工作中。1.2.3中国与国外先进技术的差距图1.5是中国科学院沈阳自动化研究所研制出的具有自主知识产权的超高压输电线路巡检机器人，并于2006年4月12日与锦州超高压局合作开展了现场带电巡检试验，在其所管辖的500kV超高压输电线(东辽二线)上成功地完成了沿线行走，但没有越障能力。图1.5 沈阳自动化所巡线机器人1.3本文主要内容综合国内外对于巡线机器人的研究情况，当代巡线机器人的研究主要集中于以下几个方面：(1) 机器人结构机器人机械结构形式的选型和设计，是根据实际需要进行的。在机器人机构方面，结合机器人在各个领域及各种场合的应用，研究人员开展了丰富而富有创造性的工作。但大多数仍处于实验阶段，而轮式机器人由于其控制简单、运动稳定和能源利用率高等特点，正在向实用化迅速发展。(2) 运动控制技术稳健的运动控制技术是移动机器人整体性能的基础，由于移动机器人本身是一个非完整约束系统，是一个欠驱动的零漂移的动力学系统，因此，该系统不能通过连续可微的时不变的状态反馈加以镇定。为此，通过时变、不连续控制以及混合策略，根据动力学模型和运动学模型，建立合理的反馈控制律，实现车速和转向的自动控制，以及不同工作状态之间的平稳过渡，是该项技术的核心内容。(3) 路径规划技术该技术主要包括基于地理信息的全局路径规划技术和基于传感信息的局部路径规划技术。由于自主式移动机器人在地面上行驶，必须避开它无法通过的或对其安全行驶构成威胁的障碍物或区域，因此局部路径规划，尤其是复杂环境下的路径规划问题，显得更为重要。(4) 实时视觉技术该技术主要涉及到视觉信息的实时采集、预处理、特征提取和模式识别。而且，视觉信息处理的能力、处理速度、处理的可靠性和准确性是决定智能机器人整体性能的决定性因素。(5) 定位和导航技术该技术是现代轮式移动机器人研制所急需的关键技术，也是下一代无人战车的技术基础。位置的测量可以分为相对位置测量和绝对位置测量，测量方法有里程计、惯性导航、主动灯塔、磁罗盘、全球定位系统、地图模型匹配和自然路标导航等。(6) 多传感集成和数据融合技术自主式移动机器人采用测距技术，GPS定位技术和小型陀螺仪技术等多种传感技术来采集不同类型的环境信息。因此，准确地处理和分析不同传感器采集到的信息，用于对所处环境作出准确可靠的描述并据此作出正确的决策和控制，是多传感集成和数据融合研究的任务。(7) 检测技术一种是可见光检测方法，采用高分辨率摄像机摄取目标图像，一般能发现架空线大部分表面故障现象，精度和准确度取决于图像质量。如何让巡线机器人自主控制携带的摄像设备，捕捉特定目标，获取多视角、高清晰度目标图像是关键；另一种是红外探测技术，当输电导线存在诸如导线断股、绝缘子破损等故障时，故障点附近会出现局部温升，产生热辐射。这些故障难以通过视觉检查发现，我们可以采用红外探测技术加以弥补。具体来说，就是热成像技术，这是一种广泛用于输变电系统的故障探测技术，可以摄取表面温度超过周围环境温度的异常温升点的红外光谱图像，然后根据图像，人工或自动判读可能的故障器件。(8) 高性能计算技术在移动机器人的早期研究工作中，专用硬件结构为多数研究者所采用，这是因为当时市场上的通用硬件不能满足诸如实时图像处理所需的计算能力。近年来，随着计算机计算能力的迅猛提高，研究者们开始采用通用处理器来构建机器人系统。目前用于移动机器人的硬件结构多数采用一个高速通用处理器加上几个专用板卡或芯片(用于颜色查表、模板匹配或数学形态学计算)，或者通过实验确定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系统来缩小体积，达到优化的性能。72 检线机器人本体结构的设计由于机器人本体结构极其复杂，为了快速准确地建立其模型，并方便日后的修改和计算，利用代表目前机械CAD领域新标准的参数化设计软件CATIA来建立机器人本体结构模型，基于CATIA软件对机器人本体结构的主要零部件进行了准确的创建。2.1方案要求要求研制一台针对500kv电压等级高压架空输电线路(其中：避雷线规格为LGJ500/45、悬垂线夹规格为CGF-6X、防振锤规格为FD-6)，具有自主越障能力和爬坡能力的巡线机器人。机器人在分布式计算机控制系统的控制下，能够以一定的速度沿架空线路运动，并能跨越防振锤、耐张线夹、悬垂线夹、跳线等障碍，具有自动刹车自保功能，以避免从高空摔落。其巡线作业环境如图2.1。 图2.1 机器人的工作环境所以，本文中检线机器人的工作原理和过程为：1) 机器人上线；2) 机器人本体计算机在接收到运行命令后，驱动机器人沿避雷线行走；3) 巡线机器人通过滚轮完成沿避雷线无障碍段的行进。行进过程中检测装置不断检测前方障碍物的情况，同时摄像机对线路和机器人本身的工作状态进行拍摄，拍到的图像通过无线设备实时传输到地面工作基站，决定是否对线路进行维护；同时对机器人本身的工作状态进行监控，决定是否对机器人的运动给予干预；4) 机器人检测到前方有防振锤时，由于手掌采用中空设计，因此机器人无需做任何调整，即可直接爬越；5) 当安装在机械手前端的接近觉传感器检测到悬垂线夹时，机器人控制肘关节电机旋转，使末端执行器上移，直至驱动轮离开避雷线，然后手掌电机驱动手掌张开；其开合度要大于障碍宽度；之后，后面两只手驱动电机继续行走，当中间手接近悬垂线夹时，前臂回落，同时手掌合拢，直至挂线；然后中间手电机驱动齿轮齿条机构使中间手上移，然后手掌张开，接通前后两手的驱动电机，继续行走。当后手接近悬垂线夹时，控制中间手回落，手掌合拢，直至驱动轮挂线；之后，后肘关节电机驱动后小臂选转，手掌张开，前两驱动轮继续行走；当后手跨越线夹后，手掌闭合回落，机器人完成跨越悬垂线夹的任务，继续行进；6) 当机器人跨越跳线时，手的脱线和抱线方法与跨越悬垂线夹时相同；首先前手脱线，通过前端视觉传感器，可检测到避雷线与跳线角度，这时大臂电机按此角度旋转，使末端执行器位于跳线下方，前手抓住跳线，然后中间手脱线，启动前后手的驱动电机使机器人行走。中间手接近跳线时停止行走，调整前后柔性臂，使中间手抓住跳线，启动行走。当后手接近跳线时，停止行走，后手脱线；用前手和中间手驱动机器人继续行走，越过跳线线夹后，停止行走，调整柔性臂，使后手抓住跳线，完成从直线到跳线的跨越；机器人由跳线到直线的跨越方法与上述过程相同，由于是一个上坡过程，为了使机器人不至于滑下来，需使用刹车装置；7) 检测到转弯跳线时，运动过程与跨越直线跳线不同的地方是柔性臂的姿态除了上下调整外，还需要水平调整，其余完全相同；8) 当线路坡度较大、驱动轮摩擦驱动无法实现机器人行进时，直接表现为驱动轮打滑，此时机器人三个制动器立即抓线，并与丝杠螺旋副组成蠕动爬行机构，进行蠕动行进。本课题对检线机器人的主要技术指标和要求是：1) 具有自主越障能力；2) 具有一定爬坡能力；3) 单机重量：小于100千克；2.2总体结构考虑到输电线路具有防振锤、耐张线夹、悬垂线夹、跳线和转弯等各种障碍、并具有一定坡度。为了达到上述要求，巡线机器人的机械手必须动作灵活，工作范围大，能完成规定的动作，应有自由度4-5个，结构紧凑，重量轻。我摒弃机器人常规结构形式，设计出了适用于500kv输电线路的自动巡线机器人，其总体机构二维简图如图2.2所示，三维图如图2.3所示。主要由五大部分组成：驱动装置、刹车制动装置、手掌开合装置、柔性臂、电源箱和控制箱。图2.2 巡线机器人机构简图2.3柔性臂机械手的手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使它们能在空间运动。为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。手臂的结构形式有多种，常用的构形如图2.4所示。图2,3 巡线机器人三维图图2.4 几种机器人手臂构型本课题要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置，同时要结构简单，容易控制。由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间(手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比)和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该机器人采用关节型机器人的结构。手腕的构形也有多种形式。三自由度的手腕通常有以下四种形式：BBR型、BRR型、RBR型和RRR型。如图2.5所示。图2.5 四种三自由度手腕构形B表示弯曲结构，表明组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度有变化。R表示转动结构，表明组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度不变。BBR结构由于采用了两个弯曲结构使结构尺寸增加了，而RBR与前者相比结构紧凑。由于机械手的运动轨迹要求机械手端面平行于避雷线，这样用两个旋转关节就可以使机械手的姿态满足要求，且机械结构更加简单，减轻了重量。综合考虑后确定该机械手具有四个自由度，其中手臂两个自由度确定机械手的位置，后两个自由度确定手的姿态，最后确定其结构形式如图2.6所示。图2.6 柔性臂的最终构形综上所述，柔性臂由机座、肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节和末端执行器组成。共有四个自由度，依次为大臂回转、小臂俯仰、手腕俯仰、手腕回转。肩关节和肘关节均由精密涡轮蜗杆减速器和转盘组成。电机通过精密涡轮蜗杆减速器带动转盘转动，实现手臂水平方向和竖直方向的自如运动。通过控制电机的制动装置，还能够实现手臂刚性与柔性的平滑转换，使机器人适应跨越转弯、跳线时位置和姿态的要求。通过工作情况的需要，定出该巡线机器人的机械手运动参数如下：大臂长：250mm 手腕长：72mm小臂长：400mm 末端执行器长：344mm各关节转动范围：关节1：90 关节2：90关节3：90 关节4：902.4驱动装置机器人驱动装置是带动各个关节到达指定位置的动力源。通常动力是直接或经电缆、齿轮箱或其他方法送至各个关节。目前使用的主要有三种驱动方式：液压驱动、气动驱动和电机驱动。液压驱动以高压油作为工作介质，可以实现直线运动或者是旋转运动，驱动机构可以是闭环或者是开环的。液压驱动的优点是能得到较大的出力，工作压力通常达14Mpa，但是液压元件造价高昂，而且容易泄露污染环境，而且必须配备专用的液压阀，储油罐，体积庞大。气动驱动的工作介质是高压空气，气动控制阀简单、便宜、操作简单、易于编程，可以完成大量的点位搬运操作任务，但是缺点是气压伺服难以实现高精度控制，只能用在满足低精度的场合。故本机械手采用电机驱动。电机驱动方式具有结构简单、易于控制、使用维修方便、不污染环境等优点，这也是现代机器人应用最多的驱动方式。电机可以选择步进电机或直流伺服电机。步进电机驱动具有成本低，控制系统简单的优点，但是步进电机驱动属于开环控制，精度较低。而直流伺服电机能构成闭环控制，精度高，额定转速高。根据作业环境要求，本课题机器人行进机构采用轮式移动机构与步进式蠕动爬行机构两种方式。当线路坡度较小、驱动轮摩擦驱动可实现机器人移动时，机器人采用轮式移动机构；当线路坡度较大、驱动轮摩擦驱动无法实现机器人行进时，直接表现为驱动轮打滑，此时机器人三个制动器立即抓线，并与丝杠螺旋副组成蠕动爬行机构，进行蠕动行进。2.4.1轮式移动机构轮式移动机构驱动装置由直流电机、伞齿轮减速器、传动轴和驱动轮组成。驱动轮采用高强度轻型材料，以减轻驱动装置重量；驱动轮外表面采用高强度耐磨材料，以增大驱动轮运动时与线路的摩擦因数，防止打滑。驱动轮支撑架(手掌)采用中空设计，使机器人遇到防振锤等障碍时，可直接越过，大大提高了机器人巡线速度。2.4.2步进式蠕动爬行机构步进式蠕动爬行机构驱动装置由直流电机、伞齿轮减速器、传动轴、滚珠丝杠、螺母和直线导轨组成。滚珠丝杠的摩擦力很小且运动响应速度快。由于滚珠丝杠在丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠，传动过程中所受的摩擦力是滚动摩擦，可极大地减小摩擦力，因此传动效率高，可以达到90%，只需要使用极小的驱动力就能够传递运动。2.5刹车制动装置为了保证机器人在停止状态、有一只手打开或出现故障情况下不脱线和下滑，设计了刹车装置。它由活动制动爪、固定制动爪、销轴、弹簧、弹簧上底座、弹簧下底座和弹簧导向轴组成。2.6手掌开合装置手掌开合装置由涡轮蜗杆机构和平行四杆机构组成。在蜗杆驱动下带动支架开合。其中：驱动轮固定在右侧支架上，制动机构固定在左侧支架上。143 各零部件的选择与设计3.1丝杆的设计3.11丝杆的结构设计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。（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=L1+L2。，即升降行程L。满足挂臂的垂直行程，并且留有余量。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，从而控制最大行程。3.12丝杆的设计计算材料许用压强p在范围（1825）Mpa中选择，由于没有特殊要求，选择中间值，取21.5Mpa。（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，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，考虑到强度要求，这个数值比较适合。（3）计算中径 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8.3mm。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 比原定的螺母高度17mm小，所以原定螺母高度符合强刚度要求。（5）计算丝杆旋合圈数旋合11.1圈基本满足螺纹旋合稳定性和精度要求。（6）计算螺纹的工作高度（7）计算工作压强满足要求，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。（8）验算自锁性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45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f=0.09。（9）计算当量摩擦角其中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。（11）计算螺纹升角，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：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=mg=259.8=245N。2）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。4)为内外丝杆的螺纹升角，已计算得5) 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，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性，选择支承环面外径，支承环面内径。6）计算公式将给定数值带入公式，得：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3.13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，。（2）45钢的材料许用弯曲应力在的范围中，考虑到螺杆弯曲应力不大，所以取。（3）45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。（4）计算螺杆当量应力：当量应力满足许用应力要求，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。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：因此，满足剪切强度要求，丝杆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：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：其中d为丝杆公称直径。因此，。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：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）45钢弹性模量对于钢一般取弹性模量。（11）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,螺杆危险截面的轴惯性矩为：代入螺杆中径得：（12）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：。（13）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。（14）已知螺杆的最大工作长度为280mm。（15）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。柔度意义是在构件轴向受力的情况下，沿垂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。（16）计算零界载荷在轴向压力逐渐增大的过程中，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。3.2齿轮的设计3.21齿轮的结构设计（1）选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数1）由于检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，为了计算和制造的方便。因此，取传动比为1：1。即。2）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。5）选用齿轮齿数Z1=Z2=16。6）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。对于圆柱齿轮传动，齿宽系数根据公式得齿宽系数7）查得45钢材料的弹性影响系数Z=189.8MPa。8）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。9）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个小时。由于，两个齿轮转速相同，因此应力循环次数为：N1=N2=60njL=603001（53005）=1.351010）根据应力循环次数和齿轮材料查得，接触疲劳寿命系数KHN1=KHN2=0.95。11）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=522.5Mpa2=K=0.95550Mpa=522.5Mpa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。计算分度圆直径初值： 2) 计算圆周速度v。V=3）计算齿宽b。根据公式，得齿宽b=mm4) 计算齿宽与齿高之比模数 齿高 齿宽与齿高之比bh=3.5565）计算载荷系数。载荷系数为K=6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得D =dmm7）计算模数m8）按齿根弯曲强度设计得弯曲强度的设计公式为确定公式内的各计算数值,查得齿轮材料45号钢的弯曲疲劳极限。根据弯曲疲劳寿命系数曲线，已知零件循环次数N=1.35108，查得弯曲疲劳寿命系数K(FN2)K(FN2)=0.90。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 计算载荷系数K：已知载荷系数=1.2546.查取齿形系数。根据两个齿轮的齿数，查得查取应力校核系数。查得Y。9）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：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），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z1=z2=16。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。3.22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=16mm（2）计算齿轮宽度齿轮宽度为b=0.41.6=6.4mm将结果圆整得6mm。齿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。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。计算齿根高h(f)，取顶隙系数根据公式，得齿根高： 计算齿全高根据公式，得齿全高：计算齿顶圆直径，根据公式得齿轮1齿顶园直径：齿轮2齿顶圆直径：计算齿根圆直径根据公式，得齿轮1齿根圆直径：齿轮2齿根圆直径：计算基圆直径根据公式齿轮1的基圆直径：齿轮2的基圆直径：计算齿距p根据公式，得齿距：计算法向齿距根据公式，得法向齿距：计算齿厚s：。计算齿槽宽e：计算顶隙c：计算标准中心距a：计算节圆直径d：d=d=9.25计算传动比i：3.3 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，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2.7g/cm3。3.4内升降筒的设计计算内升降筒的结构尺寸设计如图所示：由于制造工艺性的方便，其中内升降筒截面六边形分为1和2两个部分来制造，制造后再进行装配工作。在部件2六角形的中间边上做成如图造型，宽度21mm，长度2.7mm，是为了满足外升降筒的外侧必须安置外丝杆的要求，并且为了减轻机器人挂臂的重量，将部件2的轮廓设计成薄壁形状。壁厚设定为2.5mm。下面考虑内丝杆的安置位置，由于内丝杆的基本位置既定，根据内丝杆与外丝杆的相对位置，在距离此边7.775mm处钻一个孔，作为内丝杆放置的位置，考虑到内丝杆的径向跳动，这个孔的直径要比内丝杆的外径略大，设定为11mm，边缘也做薄壁形状，为加工工艺性，以及内升降筒的刚度考虑，在如图指定位置做圆角处理，圆角半径如图所示。部件1为了考虑到部件2的强度问题，在内通孔边做60挡板，来支撑孔薄壁并与之固定，这样既可以有效地加强内升降筒内部结构的牢固性，又可以加强部件1与部件2连接的稳定性。由于对内升降筒内外表面没用特定的精度要求以及传动要求，在内丝杆的外表面的粗糙度设定为3.2，内丝杆的内表面设定为6.4。为了考虑到内外升降筒的行程，下螺母的位置高度会与内升降筒的高度位置重叠，经过计算得轴向重叠长度为15mm，因此，在内升降筒的下端，部件2的中间面开槽，高度为15mm，宽度为整个部件2的最大宽度。由于内升降筒的位置在外升降筒的内部，受到的载荷引起的弯曲应力并不大，所以这里的计算过程从略。3.5外升降筒的设计3.5.1外升降筒的设计计算外升降筒的结构尺寸设计如图所示：由于为了制造工艺性的方便，其中升降筒的六角形截面分为1和2两部分制造。制造后再进行装配工作。为了加强外升降筒的刚度，在升降筒六角形的六个角上以圆弧形加厚，加厚的长度与外升降筒一致。半径为2.5mm，在六角形的角上恰恰上弯曲应力最大的地方，在外升降筒截面的角上加厚可以有效地提高外升降筒的抗弯系数。减少轮廓弯曲变形的风险。将部件1做成以下形状是为了迎合外丝杆摆放的位置，并且留有间隙，以防丝杆径向晃动，造成传动的不稳定性，同时，这样也可以合理地利用空间，达到结构紧凑的要求。由于电机的安置位置在外升降筒的尾部，因此齿轮箱的位置在外升降筒的尾部，根据齿轮箱所设计的尺寸，在外升降筒的尾部开槽，高度为43mm，长度为29.8mm，根据丝杆的工作长度L