水下船舶清洗机器人结构设计

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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 为机器人的本体机构模型 ,它由 2 个外形 基本一样的框架构成.每个框架下有 3 条腿 ,各由提升气缸组成 ,每条腿下部有 1 个吸盘组.气缸伸缩时 ,吸盘便接触、脱离壁面. 下框架下部安装有 1 个转动气缸 ,使得 2 个框架可以相对转动一定的角度.2 个框架中间有 1 个可以相对下框架旋转的圆盘 ,圆盘上有 1 个气缸和 2 个导轨.机器人可以沿着和2 个框架之间的导轨平行的方向做直线运动. 图2 运动初态如图 2.2a 所示 ,运动开始上框架的腿部吸盘先脱离吸附 ,提升气缸缩回 ,这就完成了机器人腿部的缩回.然后2框架之间的气缸伸出 ,上框架便沿着轨道方向相对下框架运动.运动到位后 ,上框架 3 提升气缸伸出 ,吸盘吸附工作表面 ,如图 2.2b.随后下框架的吸盘松开 ,提升气缸缩回 ,2 框架之间的气缸缩回 ,下框架便沿着导轨方向靠拢上框架 ,直到恢复到如图 2.2c 所示样式.这样便完成了1个工作循环. 该机器人的驱动是利用汽缸，吸附是利用真空吸附. 2） 图3 图2.3所示是另一种移动装置，它由八个吸盘组成，外面有四个，里面有四个，并且里面四个吸盘可以通过支撑杆和滚珠丝杠移动，其中吸盘是靠真空吸附. 图4 图4表示了爬壁机器人的直线行走过程.在结构设计中使后足的立足点选择在前足已用过的立足点上,从而减少对障碍的判断次数以提高行走速度.图 4(a)表示为机器人的初始状态,气缸小行程伸出,吸盘处于全吸状态,滑块处于中位;图 4(b)表示外侧 4个吸盘吸附不动对内侧 4个吸盘进行真空破坏,使其吸盘松开,内侧气缸缩回;图 4(c)表示前进电机正转带动滚珠丝杠上的滑块前进,滑块和内框架一体随之前进;图4(d)表示内侧气缸伸 出,内侧 4个吸盘与壁面接触,产生真空吸附在壁面上图 4(e)表示内侧 4个吸盘吸附不动,对外侧 4个吸盘进行真空破坏,使其松开,外侧气缸缩回;图 4(f)表示前进电机反转滚珠丝杠前进,带动外框架随之前进;图 4(g)表示外侧气缸伸出,外侧 4吸盘与壁面接触,产生真空吸附在壁面上,此时内外框架 8个吸盘全处于吸附状态,机器人开始下一运动循环.以上是爬壁机器人的一个步进过程,如此不断循环,就实现了爬壁机器人的连续前行. 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为多足爬壁机器人一个步距的行走流程图.以向前运动为例, 初始状态是机器人处于静止的状态, 这时机器人可以通过携带的探头对管壁进行清扫和检测.机器人处于初始状态时, 横向和纵向的真空吸盘都处于提供真空状态下, 横向吸盘提升气缸处于缩回状态, 纵向吸盘提升气缸处于伸出状态.当纵向吸盘释放真空, 纵向吸盘提升气缸缩回时, 横向真空吸盘处于吸附状态, 此时主气缸缸筒是固定的, 在压缩空气驱动下, 活塞杆向前运动一定距离, 随后纵向吸盘提升气缸伸出, 纵向吸盘提供真空吸附; 当横向吸盘释放真空, 横向吸盘提升气缸缩回时, 纵向真空吸盘处于吸附状态, 此时主气缸活塞杆是固定的, 在压缩空气驱动下, 气缸筒向前运动一定距离, 且横向吸盘提升气缸伸出, 横向吸盘提供真空吸附, 完成一个行走过程. 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 机器人的吸附机能是由固定在履带链条外翼板上的磁吸附块来实现的.由链条的链节数决定了每条履带上每隔一个链节安装一个磁块,则履带一周上均匀镶嵌有21个橡胶封装的永磁体块.在履带移动的过程中,保证每条履带上有8个磁块与容器表面处于良好的吸附状态,并形成足够的磁力将机器人吸附在容器表面上,实现吸附功能.在移动的初始时刻,调整两条履带上的磁块处于相同的状态,然后由伺服电机输出驱动力矩经减速器减速后驱动主动链轮,进而带动履带表面的磁块在容器表面上交替吸附,周而复始,实现了机器人在容器表面上的移动. 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8 2）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 总体方案设计 2.1 设计的基本要求 2.1.1 工艺范围 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。 2.1.2 进给方案的选取 比较现有移动方案，可以看出移动的实现主要都是依靠两个相似的机构分别移动来实现前进，而驱动大多是利用汽缸来驱动.哈工大的水下清洗机器人的移动是靠双履带来实现移动，利用永磁吸附，一直紧贴在船体上移动，驱动利用电机驱动.除哈工大的水下机器人外，其他机器人的移动主要是适应平面移动，而对于在曲面上的移动涉及的比较少，本机器人的移动参考以上几种机器人的移动方式加已改进，具有一定的适应性.移动方案也是采用两个相似的机构，循环前进，驱动是利用电机带动齿轮在通过丝杠螺母来实现，同时利用电机的正反转来实现连个相似机构的前后运动.如图10所示， 2.1.3 吸附结构 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. 本机构用真空吸盘，因为结构简单，只需油缸的伸出和缩进，完成吸附工作。 第3章 进给系统设计计算 3.1 切削力的计算 查表所得进的力为从《设计手册》中可得知，在一般径向载荷： 轴向载荷： 取： , 3.2 丝杠螺母的设计与计算 3.2.1 强度验算 综合丝杠的轴向工作负载采用下面公式计算： （4-1） 查《设计手册》知： ——颠覆力矩影响系数，采用双三角形导轨时，取=1.2； ——当量摩擦因数，三角形导轨时，取=0.1； ——导轨承受的重力，估计重为80kg，故 由公式（4—1）得： 计算最大动载荷Ca： （4-2） 其中，为寿命值，为当量转速，可由下列公式计算： （4-3） （4-4） 式中 ——丝杠推荐寿命，h；查《设计手册》表3.7-55得，寿命； ——滚珠丝杠导程，mm；初选=10mm； ——最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的1/2~1/3，此处取1/2，=7.6； ——负载性质系数，查《实用机床设计手册》表3.7-53得按一般运转取1.2~1.5，取=1.2； ——丝杠寿命，以106转为单位。 由公式（4—2），（4—3），（4—4）可得： =23.2KN 根据额定最大动载荷，选择滚珠丝杠型号，查《实用机床设计手册》表3.7-61，选用FFZD型内循环浮动反向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，其型号为FD4010-4-P2，公称直径，丝杠导程为10mm，额定动载荷为40KN，大于23.2KN。满足强度要求。 3.2.2 效率计算 根据机械原理公式，丝杠螺母副的传动效率为： （4-5） 式中 ——摩擦角， ； ——螺旋升角，可由下列公式计算： 其中，=32mm为丝杠公称直径，=10mm为丝杠导程。 由公式（4—5）得：。 3.2.3 刚度验算 滚珠丝杠在轴向力作用下产生拉伸或压缩，在扭矩的作用下发生扭转，这将引起丝杠导程的变化，从而影响其传动精度及定位精度，因此滚珠丝杠应验算满载时的变形量。 滚珠丝杠在轴向力作用下的变形量为： （4-6） 式中 ——工作负载,N；； ——滚珠丝杠的导程,mm；=10mm； ——丝杠材料的弹性模量,N/mm2；； ——滚珠丝杠内径截面积,mm2。 丝杠滚珠直径： 滚道半径： 偏心距： 滚珠丝杠内径： 滚珠丝杠截面积： 由公式（4—6）得：mm 因扭矩M引起的导程变形量很小，可忽略，即， 所以丝杠长度为1000mm时，导程变形总误差为: μm/m 对丝杠精度等级为：1、2、3、4、5级，查《实用机床设计手册》表3.7-22，丝杠每1m长度上允许的变形量不大于5、10、15、30、60μm/m，对不满足刚度要求时，可采取预拉伸结构，加大丝杠直径等措施。本设计采用4级精度，，故刚度足够。 3.2.4 稳定性验算 进给行程较长受力较大，为提高刚度减小机床自身的误差，采用两端轴向固定的支撑方式，如图4-1所示：丝杠螺纹部分长度，等于工作台最大行程加螺母长度加两端余程。工作台行程为=650mm，螺母长度为150mm，查表3.7-25，导程为10mm时，余程为40mm，因此丝杠螺纹部分长度mm。 丝杠支撑跨距，应略大于，取为=1100mm 其中 ——核算压杆稳定性的支承距离,mm； ——核算临界转速的支承距离,mm。 查《实用机床设计手册》表3.7-45及表3.7-61得: 图4-1 丝杠两端固定支撑方式 为工作行程加丝杠螺母尺寸的一半再加上固定端支撑距离的一半， 为游动端支撑距离的一半加上工作行程加上丝杠螺母的一半，得：, 临界转速校核： 高速的长丝杠有可能发生共振，需验算其临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转速： 式中 ——丝杠丝杠支承方式系数，根据《实用机床设计手册》表3.7-37，取3.927； ——受压面直径， 其当量转速为，故，值均满足规定条件，因而丝杠不会发生共振和失稳。 3.3 电机的选择 3.3.1 计算传动比 闭环传动比： （4-7） 式中 ——电动机额定转速,r/min；=2000r/min； ——工作台最大进给速度,mm/min； =7.6m/min=7600mm/min； ——丝杠导程,mm；根据经验选大些,选=10mm。 由公式（4—7）得： 取，根据传动功率，已知v=7.6m/s。拟订减速齿轮副的齿数，，模数mm。 故可取齿轮为：=20， =50，=20°， ， 其分度圆直径： 中心距：。齿轮经校核,满足要求。 3.3.2 转动惯量计算 丝杠的转动惯量： 式中 ——丝杠的长度。 工作台，工件等折算到丝杠轴上的转动惯量： = 式中 ——工作台重量，取=80kg； 齿轮转动惯量： 丝杠传动时，一级齿轮降速时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯量： 3.3.3 所需传动力矩计算 所需力矩： 式中 ——空载启动时，折算到电机轴上的加速力矩； ——折算到电机轴上的摩擦力矩，； ——由丝杠预紧引起的折算到电动机轴上的附加摩擦力, ； 采用滚珠丝杠时： 最大启动转矩： 式中 ——折算到电机轴上的总惯量，kg.m2； ——系统时间常数，=25ms； ——电机转速，r/min；当时计算时计算； 摩擦力矩： 式中 ——导轨摩擦力,N；等于横向进给系统重力乘以摩擦系数； ——丝杠螺距，mm； ——降速比； ——传动链总效率，＝0.75～0.85，取＝0.8。 附加摩擦力矩： 式中 ——滚珠丝杠未预紧时的效率一般，取； ——最大轴向负载，N； 切削力矩： 对数控机床而言，因为动态性能要求较高，所以电动机力矩主要是用来产生加速度的，而负载力矩占的比重很小，一般都小于电动机力矩的 10％～30％，所以按： 计算。 3.3.4 电机的选择 选择电动机，要使快速空载启动力矩小于电动机的最大转矩，即，为电动机输出转矩的最大值，即峰值转矩，一般，其中为电动机额定转矩，λ为电动机转矩的瞬时过载系数(交流伺服电机λ=1.5~2) 。 故选择FANUC交流伺服电机S—1.0其最高转速为2000r/min，最大转矩16 ，额定转矩2.0，转子转动惯量为，重量为4.5kg。交流伺服电机的电机惯量与负载惯量的匹配关系： 式中 ——负载惯量折算到电机轴上的总和， ——电动机转子惯量， 满足惯量匹配。 3.4 轴承的选用与校核 3.4.1 角接触球轴承的选择 进给系统承受轴向力和径向力，并且承受轴向力不大，可选用角接触球轴承。根据轴的尺寸，查《实用机床设计手册》表3.8-50，选用7006C GB/T292-94 角接触球轴承，其基本参数见表4-1所示。 表4-1 7006C角接触球轴承的基本参数 d(mm) D(mm) B(mm) Cr(kN) Cor(kN) 极限转速（r/min） 脂润滑 油润滑 30 55 13 16.2 11.5 9500 14000 轴承寿命校核计算： 根据《机械设计》，滚动轴承寿命的校核条件为： （4-8）式中 ——轴承应具有的基本额定动载荷，N； ——轴承所受的载荷，N； （4-9）， 查《机械设计手册》表13-5，得： ，其中e为判断系数。 故取。 由公式（4—9）得： 式中 ——轴承的转速，r/min；等于丝杠的当量转速r/min； ——轴承预期计算寿命，h；h； ——寿命指数，对于球轴承。 由公式（4—8）得： NkN 因为本设计中选用轴承基本额定动载荷为16.2kN，所以满足要求。 3.4.2 深沟球轴承的选择 深沟球轴承用在游动端，故承的轴向力可以忽略，因此只考虑其径向力。根据轴的尺寸，查《实用机床设计手册》表3.8-44，选用6306深沟球轴承，如表4-2所示。 表4-2 6306深沟球触球轴承的基本参数 d(mm) D(mm) B(mm) Cr(kN) Cor(kN) 极限转速（r/min） 脂润滑 油润滑 30 72 19 27.0 15.2 9000 12000 游动端径向力，根据公式（4-9）X=1,Y=0, N, ,,同上，故由公式（4-8）得，轴承承受的基本动载荷为： 本设计选用的轴承基本额定动载荷为15.8kN，所以满足使用要求。 结论 经过本学期大量时间的悉心研究和查阅大量相关的资料,终于完成了对本机构的设计。 通过这次设计所学到的知识和总结的经验是深刻的,它使我认识到了基础知识的重要性,综合设计是基础知识的堆积、创新的过程。此外,在设计中要始终保持严谨认真的态度,仔细做好每一步,这对我们今后步入社会,踏上工作岗位从事具体研究有重要意义。 致谢 本次设计是在导师的悉心指导与严格要求下完成的。从论文的选题、方案的设计、具体的绘图到论文撰写的每个环节,都凝聚了胡老师的心血和汗水。特别是他多次询问设计进程,并为我细心讲解,帮助我开拓思路,精心点拨,热忱鼓励。他严格的教学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风都深深地感染和激励着我。 再次,我还要感谢和我一起做毕业设计的同学们,有了你们的帮助和支持,才使得我按时完成设计。 谢谢老师和同学们! 参考文献 [1] 濮良贵. 机械设计（第八版）[M]. 北京：高等教育出版社，2006. 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