巡线机器人伸缩挂臂设计 初稿

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。目前，高

2、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，如经过大

3、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，确保电力系统的安全稳定运行

4、。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，能跨越地线上防震锤，螺旋减震器等障

5、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1989年研制了一台悬臂自治巡线机器人原

6、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；左右小车采用具有自保功能的磁鎻连接。磁锁系统用永久

7、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，悬垂线等障碍物，并利用携带的近距离红外故障诊断仪完成线路的

8、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，

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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，因此此电机的选择不作为设计的重点。考虑到高压电缆的负载，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

15、，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。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

16、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：（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

17、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

18、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。，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。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。（1）中径系数在(1.22.5)的范围中

19、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）计算中径螺纹中径根据优先数系，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M10×1.5。考虑到丝杆的刚度和可靠性，根据优先数系，牙形角取20°。（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合强刚度要求。（5）计算丝杆旋合圈数丝杆旋合圈数为。旋合11

20、.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工作高度（7）计算工作压强工作压强满足要求。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。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0.09。（9）计算当量摩擦角根据公式其中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

21、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=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

22、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、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

23、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

24、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）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：（11）45钢弹性模量对于钢一般取弹性模量。（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截面的轴惯性矩为：代入螺杆中径，得：（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。（14

25、）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。（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。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

26、面尺寸大，柔度小；构件的长度，长度越长，柔度越大。，所以零界载荷采用第三个公式。（17）计算零界载荷将以上已知参数代入公式，得：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。（18）计算轴向载荷使导程产生的变形根据轴变形公式已知轴向载荷，导程S=1.5mm。将已知条件代入公式，得轴向载荷使导程产生的变形为：。这个

27、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螺杆材料的切变模量G，对于钢取。根据公式，得：转矩使导程产生的变形为,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。（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：即代入的值，得;导程的总变形量。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

28、稳定性造成影响。（21）计算零界转速已知长度系数，螺杆危险截面的惯性半径。螺杆材料的弹性模量取E=Mpa，重力加速度取9.8m/s将以上系数代入公式，得零界转速为=135168.84r/min。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

29、阶、四阶（22）传动效率根据公式传动效率。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，系数取0.95。已知螺纹升角当量摩擦角将以上参数代入公式，得：传动效率为。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：丝杆轴承结构如示意图如上：丝杆螺纹尺寸示意图如下：（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，

30、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。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D（2）确定公式内的各计算数值1）试选用载荷系数。2）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，效率达不到最大效率，因此，取工作效率为72%。T=

31、95.5×10×=95.5×10×0.01094/300=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。对于圆柱齿轮传动，齿宽系数根据公式，得：齿宽系数4）查得45钢材料的弹性影响系数Z=189.8MPa。5）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。6）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。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=60×300&

32、#215;1×（5×300×5）=1.35×107) 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。8）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=0.95×550Mpa=522.5Mpa，2=K=0.95×550Mpa=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)

33、 计算齿宽与齿高之比模数 齿高 齿宽与齿高之比。5）计算载荷系数。根据v=0.24m/s, 7级精度，查得动载系数K直齿轮的齿向载荷分布系数取1，K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，选用使用系数K用插值法查得7级精度，小齿轮做非对称布置时，K由已知，根据弯曲强度计算的齿向载荷分布系数曲线，查得K；故根据公式，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m（3）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1） 查得齿轮

34、材料45号钢的弯曲疲劳极限。2） 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K0.90。3） 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 4） 计算载荷系数K。已知载荷系数=1.2546.5） 查取齿形系数。根据两个齿轮的齿数，查得6） 查取应力校正系数。查得Y。7）计算的值=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：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

35、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=16×1mm=16mm（1）计算中心距a=（2）计算齿轮宽度齿轮宽度为b=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

36、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，取顶隙系数根据公式，得，齿根高计算齿全高根据公式，得齿全高计算齿顶园直径根据公式，得齿轮1齿顶园直径齿轮2齿顶园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根据公式，得齿厚。计算齿槽宽e根据公式，得齿槽宽计算

37、顶隙c根据公式，得顶隙计算标准中心距a根据公式，得标准中心距计算节圆直径d当中心距为标准中心距时，d=d=9.25。计算传动比i根据公式圆柱齿轮的基本齿廓如图：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。具体结构尺寸设计如下图：4、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

38、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

39、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

40、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

41、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。齿轮箱体具体结构尺寸如下图所示：（三）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

42、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

43、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。（四）外升降筒的设计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。

44、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=280mm，挡板的厚度b=8mm，齿轮箱高度h=43mm，再减去丝杆工作长度在齿轮箱内的长度L=3mm。那么，外升降筒的总长度L考虑到挡板装配的可靠性，现在在外升降筒的上部留有2mm的余量，所以外升降筒的总长L。具体结构尺寸如下示意图所示：2、外升降

45、筒的强度校核在巡线机器人工作时，挂臂承担整个巡线机器人的重量负载，而且根据巡线机器人的动作要求，当机器人需要做升降动作时，总是两个挂臂其中的一个，承担所有的负载，另一个手臂不动或者空载，也就是在不负载的情况下，自主升降，这样更增加了升降手臂的负载，因此，这只手臂所受的弯矩相对比较大，是外升降筒强度校核的关键。为了保证外升降筒所受的应力不大于巡线机器人要求的许用强度，在信号控制上，必须限制巡线机器人在平移轨道上运动的行程，这样做虽然对挂壁的横向行程有损失，但确可以保证外升降筒不会由于超过许用弯矩而影响传动精度，使巡线机器人的升降有稳定的速度，接下来就是对巡线机器人在平移轨道上允许的行程进行计算。

46、主要技术指标要求挂臂所受弯矩不得大于50Nm。而挂臂主要承受弯矩的就是外升降筒，所以这里只对外升降筒进行校核。测量质量，根据材料性质以及所占体积，得单根平移轨道自重=4kg，主箱体自重约为15kg，单只挂臂自重根据各个零件的质量之和，估计约=7kg。测量长度，以下长度均为工作长度，主箱体的工作长度L约为1m，单根平移轨道长度L为1.2m，机器人挂臂运行到平移轨道端部时，其中由于平移蜗箱的连接长度以及留下的长度余量，估计水平长度损失为0.2m, 即两臂水平距离为1.m。另外，假设箱体重心位置到负载手臂的水平距离为L。（1）两端位置强度校核先计算负载挂臂处于平移轨道两端时，当这只挂臂负载伸缩时，在

47、平衡状态下如简图所示位置：根据要求写力平衡方程：负载挂臂所承受的总弯矩必须小于等于需用弯矩，即M。7kg×9.8×1m+4kg×9.8×m-15kg×9.8×m=18.62Nm<=50Nm.计算得的外升降筒所受的弯矩小于许用弯矩，并且数值不大，因此，当平移轨道移至两端时符合外升降筒的弯矩要求。（2）极限位置计算当主箱体中心向另一端方向平移时，外升降筒所承受的弯矩会逐渐增大，到某一位置外升降筒所受的弯矩会达到最大要求弯矩。现在假定这时主箱体重心距离负载挂臂s的距离。根据弯矩平衡条件：9.8×7kg×1m+4kg

48、×9.8×-15kg×9.8×s=50计算得该长度为S=0.2867m,即主箱体达到外升降筒的最大要求弯矩的位置是主箱体的重心距离负载挂臂0.2867m,也就是在控制过程中主箱体到负载挂臂的距离不得大于0.2867m。（3）外升降筒弯曲强度校核根据挂臂工作时的实际情况，将挂臂的外升降筒假想成悬臂梁，具体结构示意图如下：根据公式，得弯矩作用下的正应力根据应力与应变分析拉应力最大的点位于危险截面的上下边缘，在外升降筒上则为平移导轨上左右侧面的点上受到的拉压应力最大。1） 弯矩M根据许用弯矩50Nm来计算。2） 截面抗弯系数W=应该根据y的最大值，即ymax来

49、计算。根据外升降筒截面的示意图，ymax=30.775mm。而经过计算得在外升降筒旋转至截面六角形的一边处于侧面时，截面的级惯性矩最大计算得计算得外升降筒的截面抗弯系数为根据公式，得危险截面的弯曲应力为：= 该弯曲应力的值小于材料的许用应力，并且数值不大，在外升降筒的危险截面不会产生断裂等情况。由于扭转应力对外升降筒的作用不大，所以不对扭转强度进行校核。（五）涡轮蜗杆的设计由于机器人挂壁的旋转不作为本课题的重点研究内容，并且考虑到蜗杆传动功率不大，转动速度没有要求，所以设计的部分从简，仅列出部分设计过程及主要结果。（1）选择蜗杆传动类型根据GB/T 100851988的推荐，采用渐开线蜗杆（Z

50、I）。（2）选择材料现在采用45钢;因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC。涡轮用A3钢，金属模铸造。涡轮用铸锡磷青铜，金属膜铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈使用青铜制造，而轮芯用灰铸铁制造。蜗杆受力后如果产生变形，就会造成轮齿上的载荷集中，影响蜗杆与涡轮的正确啮合，所以蜗杆还需要进行刚度交合。校核蜗杆的刚度时，通常时把蜗杆螺旋部分看做以蜗杆齿根圆直径为直径的轴段，主要是校核蜗杆的弯曲刚度。（3）涡轮蜗杆的结构基本参数考虑到涡轮固定于机器人挂壁的外升降筒上，且通过上螺母与带动整个挂壁旋转，现在采用涡轮的内壁紧贴于外升降筒的外壁上，所以涡轮内部通孔，采用六角

51、形通孔，由于工艺装配的可行性，尺寸要略大于外升降筒的外壁尺寸，具体尺如图所示：而涡轮外壁考虑到固定的可靠性，以及材料的刚度，做直径为86mm的圆筒状，在圆筒中间偏下的位置安置轮齿面，设计得轮齿面高度为6mm，轮齿面宽度为21mm，由于装配精度的要求，涡轮轮齿上两侧表面限制为3.2，其余可用12.5来考虑，另外由于转臂涡轮与涡轮箱的装配要求，在涡轮齿面的两侧，安置调整垫圈，以保证涡轮在转臂蜗箱中的轴向位置，垫圈的厚度调整为2mm。直径与轮齿面直径相同。由于有要固定上螺母的要求，并且，考虑到升降行程的要求，也就是螺母必须位于靠近外升降筒的上端部的位置，所以其圆心的垂直位置设计在距离涡轮上表面10m

52、m处，并且考虑到设计的上螺母与丝杆啮合，所以水平位置应该位于六角形截面任意边的中间位置。选定位置打直径为8mm的通孔，作为螺母固定端摆放的位置。考虑到以上的条件上螺母的形状设计尺寸如图所示：设计得涡轮蜗杆的尺寸参数如下：蜗杆工作面长度。蜗杆的模数取m=2。计算得中心距a=53mm。计算得螺杆的右螺旋升角为蜗杆齿数取z1=2。蜗杆总长度L=106.5mm。蜗杆两端的支承长度l=7.5mm。蜗杆工作面外径d=22mm。蜗杆公称直径d0=18mm。具体结构尺寸如下：设计得涡轮尺寸参数如下：涡轮模数计算得m=2。计算得涡轮齿数z=44。计算得分度圆直径d=。计算得中心距A=53。计算得螺杆的右螺旋升角

53、为涡轮具体结构尺寸如下图所示：四、电机的选择（一）电机参数计算电机的选择一般从它的额定转速与额定功率两方面的要求来考虑，一般是先通过计算得出机械产品正常工作所需的功率，并根据他的传动效率，及其传动过程中能量的损失，来选择适合电机的规格。接下来根据这种规格电机的额定转速，与机械实现动作所需的转速对比，如果差距相当大，还又必要加入变速器，来选择适当的转速。1转速的要求已经求得内丝杆要求的上升速度v应为7.5mm/s，又因为主动丝杆螺距P为1.5mm。根据公式，得丝杆上升一个螺距的时间s。上升一个螺距的时间即是丝杆转动一周的时间，那么，主动丝杆须要的转速为。2功率的要求根据速度要求以及负载的要求:垂

54、直载荷为245N，又已算得内丝杆传动的机械效率为根据公式，得内丝杆须要的功率是：又因为机器人挂臂升降速度平均分配在内外丝杆上，只是螺母的位置不同，旋转方向不同。因此，从动齿轮所带动的外丝杆负载F与内丝杆F1相等，由于齿轮的传动比为1：1。因此，内外丝杆的转速也相同，根据所选用的内外丝杆螺纹的规格相同，所以，他们的传动效率也相等。将参数带入公式，根据公式，他们所需的功率也相等。即。且通过齿轮啮合，将外丝杆升降的负载通过齿轮啮合，将转矩传递给齿轮1，也就是带齿轮的联轴器上，因此为了实现挂臂升降的动作要求，以及功率的损失，齿轮箱的输入功率必须不小于内丝杆传动所需功率与外丝杆所需功率之和。因此，丝杆须

55、要的输入功率是：已计算得内丝杆须要的转速为300r/min。内丝杆直接通过电机带动，因此，电动机通过变速器调整后的额定转速必须略大于丝杆须要的转速。这样在转速需要改变的时候，可以调节。然而，在转矩的传递过程中，由于各个零件都会有功率的损失，转矩通过多级传动，在本例中，有丝杆螺母副传递过程中的功率损失，有齿轮啮合过程中的功率损失，有摩擦，做功产生热量等功率损失，所以必须考虑各个环节的功率传递效率，从而计算出总的机械效率。1） 考虑电机的转速不高，联轴器所传递的转矩，损失功率不大，因此，设定联轴器效率=98%。2） 由于所选用的齿轮传递的转矩小，且齿轮传动的特点传动效率比较高，因此，估计齿轮传动效

56、率。3） 由于传动零件的工艺精度并不高，所以会产生一定的摩擦阻力，现在估计摩擦阻力，热量损失。计算机械效率根据效率叠加原则，计算得机械效率为。计算得机械效率的数值属于比较适中，12.46%功率的损失属于可接受的范围，对于功率传递的运用比较合理。根据一般电动机功率规格，电动机效率取。电机功率计算公式其中P为电动机必须达到的额定功率，根据公式，得：P=根据计算得的电动机功率，选择电动机的型号，选择的电动机的额定功率必须大于功率的计算值，但也不适宜选用大功率的电机，额定功率参数要比较接近计算值，以免功率的浪费。根据以上要求，选择电机型号为EC-Max30/40w/24v。选择电机的额定功率参数为40w，额定转速参数为为7210r/min。由于电动机的额定转速大大超过计算得的机械所需的转速值，因此要在电动机前加置变速器来改变转速。为了使转速值留有余量，选择i=18:1的变速器。（二）电机型号的选择选择型号为Gp32C(i=18:1)的变速器，变速后，该电机所能提供的最大转速为：，符合所需转速要求。并且可以适当调节转速的大小，这样即使挂臂升降的速度要求有一定程度的增大，也可以实现动作要求。该电动机的最大效率为76%，初选电机效率的数值可以达