自动检线机构功能与结构设计（有CAD源图）

1、本科毕业设计（论文）题目：自动检线机构功能与结构设计系另h ： 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。ach装配甸 auto

2、cad 圉形428 kbal手学开合装置autocad 甸形329 kb关键词：检线机器人；本体设计；结构% al大臂autocad £1 形dwg| 305 胡a2轮支撑autocad 圉形311 kba2小臂autocad 图形303 kba2呃动轮autocad 甸形303 kba3平行杆autocad 圉形302 kb气虻弹簧杆autocad g形a3固定制动片autocad 甸形309 kba3刹车片autocad el形306 kbdwga3轴autocad 閣形309 kb毕业设计（论文）中 期报告microsoft word 9.开题报告microsoft word

3、9.56 kb设计说明书microsoft word 9.3, 443 kb蠶鸚品献翻译-microsoft word 9.automatic inspection line agencies function structure designabstractthe power system is the most important task is to provide high-quality and high-reliability powe匚 power transmission must rely on high-voltage transmission lines, it'

4、s 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 phys

5、ical 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 structur

6、e目录1绪论11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3121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本文主耍内容52检线机器人本体结构的设计72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

7、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）知识产权声明错误！未定义书签。毕业设计（论文）独创性声明351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口j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。出于输电线路分 布点多、面广，绝大部分远离城镇，所处地形复朵，自然环境恶劣，且电力线及 杆塔附件长期暴霜在野外，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

8、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，造成人面枳停电，从而造成极人的经济损失和严 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耍采用两 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，劳动强度人, 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；在深山还冇野兽 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

9、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。费用过丁昂贵，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口j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，降低高压输屯 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 力生产口动化综合能力，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，包括绝缘了劣

10、化和污秽、 导线的机械破损、连接金貝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，包括沿输电导线的宜线段和耐张线段实现滚动爬 行，跨越及避让悬垂线夹、悬垂绝缘了、防振锤、耐张线夹等结构型障碍物。因此，机器人的木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坏境（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口标， 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 单机制造増加了成本。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

11、高、成木的降低及市场推广应用。巡线机器人须要口主跨 越障碍，根据障碍的空间分彳j,机器人手臂耍求有伸缩和回转两个门由度。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。选择用一个电机來作为动力系统，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。由于耍采用二节伸缩的升降形式，须耍内升降筒与 外升降筒同时运动，才可以有二节展开的

12、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卜螺母啮合，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 杆端部设置扌当板，限制升降筒的行程。这是手臂伸缩，也就是实现挂臂垂宜方向 的口由度。考虑到手臂可进行回转的要求，为了满足结构紧凑的耍求，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

13、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耍求，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平面旋转的口由度。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

14、一对駆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，然后本休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；精确定位控制则根拯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

15、到磁带上。但因具质量过大，达到100kg, jfu不能推广 应用。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 liner

16、over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屮，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h能够跨越杆塔。文献给

17、出了-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 貝有18个以上的口由度，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是中国科学院沈阳口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500rv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。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屮于 以下儿个方面：(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

18、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，由于移动机器人木身是 一个非完整约朿系统，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

19、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。由于口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

20、、主动灯塔、磁罗盘、全球定位系统、地图模型匹配和口然路标 导航等。(6) 多传感集成和数据融合技术口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坏境信息。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止确的决策和控制，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口标图像，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。如何让巡线机器人口 主控制携带的摄像设备，捕捉特定冃标，获取多视角、高清晰度fi标图像是关键; 另一种是红外探测技术，当

21、输电导线存在诸如导线断股、绝缘了破损等故障时， 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。具体來说，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，人工或口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 來，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。目而用于移动机器人的硬件结构多数

22、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 定算法和硕件原型后，利用嵌入式的系统來缩小体积，达到优化的性能。2检线机器人本体结构的设计曲于机器人本体结构极具复杂，为了快速准确地建立其模型，并方便fi后的 修改和计算，利用代表廿前机械cad领域新标准的参数化设计软件catia來建 立机器人木体结构模型，基于catia软件对机器人本体结构的主耍零部件进行 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

23、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）机器人木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。行进过程屮检测装 置不断检测前方障碍物的情况，同吋摄像机对线路和机器人木身的工作状态进行 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；同吋对机器人木身的

24、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吋，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 屮间手接近悬垂线夹吋，前臂冋落，同吋手掌合拢，直至挂线；然后屮间手电机 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，控制屮间手冋落，手掌合拢，直至驱动轮挂线; 之后，后肘关节电机驱动

25、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，手掌闭合冋落，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吋相同；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，这吋大臂电机 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。屮间手接近跳线吋停止行走，调整前后柔 性臂，使屮间手抓住跳线，启动行走。当后手接近跳线吋，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

26、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）貝有cl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

27、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，应有口由度45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5（）（）kv输电线路的白动巡线机器人，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。2.3柔性臂机械手的手臂是执行机构小的主要运动部件，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 至少冇三个自由度，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。'

28、、驱勿装曹手拿开台装貿制车制动装晋电源箱和控制箱/ /图2,3巡线机器人三维图旋转关节平楞关节旋转关节图2.4几种机器人手臂构型木课题要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置，同时耍结构简单，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z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。三口由度的手腕通常有以下四种形式：bbr型、brr型、rbr型和rrr型。女口图2.5所示。rbrii£ arrr图2.5四种三白由度手腕构

29、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，ii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口由度，其中手臂两个白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。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

30、口由度，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 线吋位置和姿态的要求。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：手腕长：72mm末端执行器长：344mm大臂长：250mm小臂长：400mm各关节转动范围：关节2： ±90°关节4： ±90°关节1： ±90°关节3： ±90°2

31、.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

32、。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木低，控制系统简 单的优点，但是步进电机驱动属于开坏控制，精度较低。而宜流伺服电机能构成 闭环控制，精度高，额定转速高。根据作业环境要求，木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

33、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駆动装置由直流电机、伞齿轮减速器、传动轴和駆动轮组成。 駆动轮采用高强度轻型材料，以减轻駆动装置重量；驶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嚅动爬行机构驱动装置市宜流屯机、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11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

34、小摩擦力，因此传动效率高，可以达到90%,只需耍使用极小的 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手掌开合装置手常开合装置出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。3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仲缩挂臂的尾部，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。主要技术指标屮耍

35、求升降速度v 为0.015m/so由于该机器人挂臂采用二节伸缩，而外升降筒的仲缩是通过升降齿 箱屮升降齿轮的传动，带动外丝杠，又通过上螺母的啮合来实现的。因此，主电 动机只须要捉供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r压根强度弱。述考虑到工艺加工性，梯形 螺纹，公艺性好，压根强度高，对屮性好，述可以调整间隙，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，而挂臂的起始位置屈于未升开状态，须要运动方向向上

36、，所 以，丝杆运动方向与轴向载荷方向相反。(3) 选择材料，挂骨屈于机器零件，所以选择结构钢，要求强度较高，所 以选择屮碳钢，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353mpao(4) 考虑到螺母的硕度大，耐磨性高，耐腐蚀的要求，螺母材料选择为青 铜，具体选择zcua110fe3o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280mmo(6) 计算升降行程。两丝朴端部结构设计为两端同定，考虑到螺母的旋合长度不宜过短，现在估 计为17nun,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li,

37、l2皆为263mmo由于挂臂为二节仲缩，升降行程为下螺母 旋合到内丝朴的顶端，上螺母旋合到外丝杆的底端，而内外丝杆的位置是同定的, 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岀外升降筒，直到 基本全部仲出，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z和，也就是l二l1+l2。，即升降行程 l = 2xl1 = 2x263= 526nm>48o?imo满足挂臂的垂直行程，并且留冇余量。而 这个余量可以通过挡板上卜位置的改变來调节，当挂臂未运动时，挡板可以限制

38、 上螺母的位置，当挂臂伸展到最大时，挡板可以限制卜螺母的位置，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21.5mpa0（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0 = 1.8。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 = 0.8,比较适中。歹越大，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=9.25/77777根据优先数系，选择公称直径为10mm,螺距p为1

39、.5,大径d4为10.3mm, 外螺纹小径d3为8.3mm。规格为m10x 1.5。考虑到丝杆的刚度和可靠性，根据 优先数系，牙形角取20° o（4）计算螺母高度h = （2）= 1.8x9.25 = 16.65 mm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z=邑二叱“1.1p 1.5旋合11.1圈基木满足螺纹旋合稳定性和精度耍求。（6）计算螺纹的工作高度/?=0.5p = 0.5xl.5 = 0.075（7）计算工作压强f245卩_只c/（2）加_=1.01 mpa 33.14 x 9.25 x 0.075 x 11 j满足要求，工作压强实

40、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來判断，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（）.（）8（）.1（） z 间，因此,取中间值f=0.09o（9）计算当量摩擦角0.09=5.32°其屮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s = p = .5o（11）计算螺纹升角j任卄卩d（2>r9.25x3.14=2.95°可见，丝杆螺母副传动满足锁耍求。（12）计算丝杆转矩本设计选用一个电机通过联轴器，带动内

41、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:t = t（l） + r（2）t（l） = x tan（a + p）d-cl1»2一2其屮：t1为螺纹力矩，t2为摩擦力矩。1）其小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=25x9.8=245no2）考虑到丝杆螺母的自锁性，n为丝

42、杆螺旋线数，现在取1。3）"为工作而间的摩擦系数，查得“ = 0.09。4）久为内外丝杆的螺纹升角，已计算得a = 2.95°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 的支承环而外径要求的范围在d*<8.3/nm ,支承环而外径要求的范围在（3.35.0） z间，现在考虑到对丝杆支承的可靠性，选择支承环而外径dtmm,支承环 面内径d = 4mm。6) 计算公式将给定数值带入公式，得：245 x 9 25 7(1) = x tan(2.955 + 5.32) = 164.7nmm2i73_43t(2)= -x 0.09 x 245 x= 61

43、.25nmm'7 372427 = t(1) + t(2)=164.7 + 61.25 = 0.227nm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70.60 <aj< 117.67的 范围中，由于没有特殊要求，许用应力取范围的中间值，<t = 94mrz。(2) 45钢的材料许用弯曲应力cl在40 < al < 60的范围中,考虑到螺杆 弯曲应力不大，所以取ql = 50mpa。(3) 45钢的许用剪切应力刃在30<r<40的范围中，

44、考虑到材料可靠性, 所以取= 35。(4) 计算螺杆当量应力b = j(说缽尸+3(刖©24x 245) + 3x(0.227 )x3.14x7.75 20.2x7.753=0.23mpa < a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) 计算螺纹才底宽度梯形螺纹螺纹牙底宽度b = 0.5/7 = 0.5 x 1.5 = 0.075。牙底宽度的大小与齿轮 的强度有直接的关系，如果才底宽度太小，容易造成才根弯曲疲劳磨损，引起传 动失效。(6) 计算螺纹剪切强度螺纹剪切应力：f245二=1.209 mp

45、a34x7.75x0.()75x11.1因此，万5刃满足剪切强度要求，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：=3.628 mpa3f/z = 3x 245 x0.075" 3.14 x 7.75 x 0.075 -x 11 j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：ft =二245=- 0.9372tidbz 3.14x10x

46、0.075x11 其中d为丝杆公称一直径。因此，rl<ro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:小3fh3x245x0.075门cr2 =tidb-z_ 34x10x0.0752x11一°因此<72 < (7 o满足螺母弯曲強度要求。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e = 207gpa。(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

47、矩公式，螺杆危险 截面的轴惯性矩为：4_龙 d（0）2min64代入螺杆中径d（0）= 7.75mm得：/） = 3.14 x 7.75 / 64 = 176.99mm $(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：i =血=121 = 1.9375加加 o44(13) 确定螺杆的长度系数长度系数"取决于螺杆端部的结构，考虑到轴承运动吋的稳定性，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"=0.5。（14）已知螺杆的最大工作长度为280mmo（15）计算丝杆

48、柔度根据柔度公式，得竺型"2.258i 1.9375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 与下列因索有关：构件的截面尺寸，截面尺寸大，柔度小；构件的长度，长度越 柔度越大。（16）计算零界载荷480 勿（0）2匸i4（1 + 0.0002 （竺）引%)= 11556.89n480x3.14x7.7524x(1 + 0.0002x72.258-

49、)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 力较小吋，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，数值和当大，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

50、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“ =1。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，考虑到成木和质量的问题，所以选择优质钢，最后确定为45号钢（调质），杳得疲劳极限是550mpa,硬度是240hbso5）选用齿轮齿数z1=z2=16o6）计算齿宽系数对于标准圆柱齿轮减速器，齿宽系数03）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0（d ） = = 0.5（1 + ”）0（d）得齿宽系数 0（d） = 0.5 x （1 + 1） x 0.

51、4 = 0.47）查得45钢材料的弹性影响系数z=189.8mpa2。8）由机械设计手册根据齿轮材料硕度查得，齿轮的接触疲劳强度极限 cr（h liml） = <r（h lim2）=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），毎天工作时间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=60x300x 1 x （5x300x5） =1.35x 1010）根据应力循环次数和齿轮材料查得，接触疲劳寿命系数khni=khn2=0.95o11）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，

52、取安全系数s=l（t（h ）1=k（hnl）x b（lim 1）/ s =0.95 x 550mpa=522.5mpa <t（h）2=k（hn2）xcr（liml）/s=095x550mpa=522.5mpa比较两齿轮接触疲劳许用应力的大小，由于两个齿轮规格札i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b（h）l的值代入公式。计算分度i员i直 径初值：d，2 32筒字旳尸=2.32 1.3x348.25/0.4x2x（189.8/522.5）/77 m = 15.51mm2）计算圆周速度v。v- 5 二严651x300 “.24皿。60x100060x

53、10003）计算齿宽bo根据公式,得齿宽 b （1） = b（2）= 0 x d = 0.4 x 15.51mm = 6.204 mm4）计算齿宽与齿高之比模数=z=-mm = 0.969375加加16齿高 h = 2.25m = 2.25x 0.969375mm = 2.181 tnm齿宽与齿高之比bh-h=3.5565）计算载荷系数。载荷系数为 k二k（a）k®）k（h0）k（hq）= 1 x 1.02 x lx 1.275 = 1.30056）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得d =d（l）= 15 .51 x= 15 .511 mm7）计算模数mm=- = 15.51

54、1/16 = 0.9694mmz8）按齿根弯曲强度设计得弯曲强度的设计公式为2kt（ y（fq）y（sq）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 <r（fel） = b（fe2） = 380。根据弯曲疲劳寿命系数曲线，12知零件循环次数 n=1.35xlo8,查得弯曲疲劳寿命系数k（fn2）k（fn2）二0.90。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q（f）“ l.（f）j2 = k（fnw（fe1）=竺空=244.28s1.4计算载荷系数k： 已知 k（fa） = 1k,（f0）= 1.23o 载荷系数 k = k（a）ke）

55、k（fa）k（f0）=1x1.02x1x1.23 = 1.2546.$ 取齿形系数。 根据两个齿轮的齿数z（l） = z= 16,查得y（f61） = y（f62）= 3.04。查取应力校核 系数。查得 y（s51）= y（sa2）= 1.51o9）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：m > 3 f % 1.2546 乂昱竺 °（）爲呦=（）.54加加0.8x16-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ni的大小主要取决于弯曲强度所决左的承载能力, 仅与齿轮直径（即模数与齿数的的乘机有关），可

56、由弯曲强度算得的模数0.54并 鬪整为标准值按接触强度算得的分度圆直径d=15.51mim算得齿轮齿 数zi=z2=16o这样设计岀的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，乂满足了齿 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d 1 =d2=mz 1 = 16x1 mm= 16mm(1) 计算中心距a= 16mm(2) 计算齿轮宽度齿轮宽度为b=0.4x 1.6=6.4mm将结果圆整得6mm0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，齿根处容易产牛疲劳裂纹，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= 2.25m = 2.25x1 = 2.25/hmo齿轮轮廓尺寸计算 根据已知条件，计算齿顶高，取齿顶高系数力*)=1。计算齿根高h(f),取顶隙系数。* = 0.25,根据公式，得齿根高：/