磁吸附式核电筒体自动探伤车机构设计论文[带图纸].doc

磁吸附式核电筒体自动探伤车机构设计I摘要爬壁机器人是机器人的一种，也是属于极限作业机器人，主要应用在垂直壁面、球形体表面上，在搭载相应的设备后，完成壁面的清扫、探伤、喷漆、敷设管道等多种作业。研究爬壁机器人的目的是为了最终让其代替人类在石化企业、建筑行业、消防部门、造船等领域中的危险作业。它的研究和开发有着广阔的前景和良好的经济效益和社会效益，受到人们的重视。本文的研究目的是设计可靠性高、适应性强、控制简单、能够自主移动动避障、自动作业的爬壁机器人[7]。研制罐体壁爬行机器人对企业的发展具有重大的意义，为了解决其若干关键技术问题，本文初步建立了爬壁机器人系统的结构形式，采用永磁轮吸附与可控磁吸盘吸附相结合的方式进行吸附控制，并对机器人的运动学、动力学问题进行分析和仿真，主要研究内容如下：1.研究磁吸附轮式爬壁机器人的整体结构，提出了磁性轮与磁性吸盘联合控制磁力的吸附方式，设计出罐体壁爬行机器人的总体结构。2．针对机器人在罐体底面及侧面典型危险位置进行了静力学和动力学分析，提出了磁力控制方案和差速转向控制方式，并建立了爬壁机器人的运动学模型[11]。关键词：爬壁机器人,磁吸附，运动学模型磁吸附式核电筒体自动探伤车机构设计IIABSTRACTThewall-climbingrobotisonekindofspecialrobotsforspecialassignmentswhichismainlyusedforclimbingtheverticalwallorsphericalwall.andtakingthecorrespondingdevicesforsuchfunctionsaswall-cleaning,testing,painting,pipeline-laying.Itisinthepurposeofreplacinghumanstoworkinsuchriskyenvironmentsaspetrochemicalenterprises,constructionindustry,thefiredepartment,ship-buildingindustryandsoon.Itsresearchanddevelopmentwillbringgoodeconomicbenefitsandsocialvalues.Inthispaper,thepurposeofthestudyistodesignahighlyreliableandwidelyapplicableclimbing-robotthatcanautomaticallymoveandavoidobstacles.Studyingtankwall-climbingrobotisgreatsignificancetothedevelopmentpetrochemicalenterprises.Inordertosolvesomekeytechnicalissues,thepaperestablishedthestructureofwall-climbingrobotsystem,adoptedtheadsorptioncontrolledwhichcombinepermanentmagneticwheeladsorptionwithcontrolledadsorptionplatemanner,andthenanalyzedandsimulatedtherobotkinematics,dynamics,themainresearchcontentsareasfollows:1.Studiedoverallstructureofwall-climbingrobotmagneticwheeladsorption,proposedtheadsorptionmethodwhichcombinedmagneticwheelandmagneticplate,designedtheoverallstructureofthetankwall-climbingrobot.2.Carriedoutstaticanddynamicmechanicalanalysisontypicaldangerouslocationoftankbottomandsidewhentherobotisworking,proposedmagneticcontrolprogramandestablishedkinematicsanddynamicsmodelsofwall-climbingrobot.Keywords:wall-climbingrobot,magneticadsorption,dynamicmodel磁吸附式核电筒体自动探伤车机构设计III目录1.绪论.........................................................11.1选题背景及其意义...................................................11.2国内外研究现状与发展趋势景.........................................21.3研究内容...........................................................62.总体方案确定.................................................82.1方案选择...........................................................82.2移动方式实现.......................................................92.3最终方案确定......................................................103探伤车主要部件的设计与校核..................................123.1车轮电机选型......................................................123.2蜗轮蜗杆计算.....................................................143.3轴的设计与校核...................................................193.4轴承使用寿命的计算...............................................243.5滚珠丝杠副........................................................254结论与展望..................................................304.1课题总结..........................................................304.2课题展望..........................................................30参考文献......................................................31致谢..........................................................32磁吸附式核电筒体自动探伤车机构设计11绪论在煤和石油等化石燃料日益枯竭的今天，化石燃料带来的环境问题日益突出的今天，寻找新型能源的要求势在必行，迫在眉睫，历数现阶段有潜力的新能源：水能，风能，太阳能，核能，地热，潮汐能等。而众多新型能源又各自受到各种缺陷与限制，只有核能因为具有资源丰富、清洁、核燃料能量密度高等诸多优点，未来将受到越来越广泛的应用，由于核燃料高度辐射，发展核电总是绕不开安全问题。自1951年12月美国实验增殖堆1号（EBR-1）首次利用核能发电以来，在60余年的核电发展史上，人类曾发生过前苏联切尔诺贝利核电站事故与日本福岛核泄漏两次严重事故，给当地带来了近乎毁灭的灾难。核燃料的高辐射注定了在检验核电筒体焊缝等安全问题时由人操作会带来巨大的人生安全，因此在核电发展中，若是以机器检测壁面的焊缝问题，可在最早时间内将安全情况传递给工作人员，及时进行一系列的措施来应对，大大降低了人的生命威胁概率。1.1选题背景及其意义随着科学技术的日益发展与人类安全意识的不断提高，人们对生产安全的要求也越来越高，使得机器人在各个领域中都得到了广泛的应用和发展。以机器人代替人类从事各种危险、繁重、重复、单调及有毒有害的工作是当今社会发展的一个趋势。而爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分支，它能在壁面与顶部上灵活移动，并完成一定的极限任务。目前，国内外许多家科研机构都在这一领域展开了研制开发工作。总体概括起来，爬壁机器人主要用于以下几个方面：(1)核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等工作；(2)石化工业：对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐；(3)建筑行业：喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面清洗、擦玻璃等；(4)消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作；(5)造船业：用于喷涂船体的内外壁等[16]；而运用于核电筒体上的爬壁探伤仪，其本质就是爬壁机器人，它可在垂直壁面移动，完成壁面的焊缝探伤检测作业。核电是利用核能发电，一旦发生核泄漏，在壁面上进行探伤的工作人员会吸收到大量的核辐射，直接严重危害到人的生命。所以若是以机器检测壁面的焊缝问题，可在最早时间内将情况传递给工作人员，可及时进行一系列的措施来应对，因此大大降低了人的生命威胁概率。利用机器人技术进行罐体探伤作业安全可靠，而且效率高、可控性好。目前国内外已经研究、开发了各种爬壁机器人，用于施工、作业的机器人主要以磁吸附、真空吸附以及二者的复合吸附为主。可以攀爬垂直的玻璃墙幕、船体垂直壁面及储罐壁面磁吸附式核电筒体自动探伤车机构设计2等。负压或真空吸附对壁面的可吸附性具有一定要求，且存在高噪声等不利因素。对于绝大部分铁磁性金属结构来讲，永磁吸附是可靠性最高的工作方式，尤其是对于工作内壁凹凸不平事，难以利用负压吸附工作。永磁吸附相对于电磁吸附来讲吸附单元的重量要小得多，而且安全性不受电力供应意外的影响。机器人在大型作业面上工作时，需要携带电缆、管线、作业设备，并承受作业的反作用力，通常需要很大的吸附力。导致机器人的本体重量比较大，其中磁体是主要的重量部件。1.2国内外研究现状与发展趋势景作为移动机器人领域的一个重要分支，爬壁机器人把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来，可在垂直壁面上附着爬行，并能携带工具完成一定的作业任务，大大扩展了机器人的应用范围。为了在壁面工作环境中执行任务，爬壁机器人必须具有两个基本功能：一是壁面吸附功能和移动功能。按吸附方式来分，主要分为真空吸附和磁吸附两种方式。真空吸附又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式，具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凸凹不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低；磁吸附可分为永磁铁和电磁铁两种，要求壁面必须是导磁材料，但它的结构简单，吸附力远大于真空吸附方式，且对壁面的凹凸适应性强，不存在真空吸附漏气的问题，因而当壁面是导磁材料时优先选用磁吸附爬壁机器人。二是按移动方式来分，有车轮式、履带式和足脚式。车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难；履带式对壁面的适应性强，着地面积大、不易转弯；足脚式移动速度慢，但带载能力强[10]。1.2.1国外爬壁机器人的研究现状国外爬墙机器人的研究状况主要有以下几个方面：1）单吸盘真空吸附式爬墙机器人：这是利用单一真空（或机器人本身就是机壳就是密封装置）与壁面间形成一个真空室。这种形式的爬墙机器人可实现小型化、轻量化并结构简单易于控制。但是要求壁面有一定的平滑度，越障能力低。对于复杂壁面环境不适应，当遇到较大的沟槽或凹凸面时，吸盘内的负压难以维持，存在相对滑动，吸盘桾边磨损较为严重。2）多吸盘真空吸附式爬墙机器人：出于单吸盘结构对壁面的适应能力较差，许多学者采用了多个真空吸盘，进行吸附力分散形式的爬墙机器人的研究，为多吸盘式壁面移动机器人的研制做出了有意义的探索和尝试。因此，在单吸盘爬墙机器人的基础上，多吸盘结构得到了迅速的发展。3)磁吸附式爬墙机器人：只适用于导磁性材料构成的墙面，能产生较大的吸附力，且不受壁面凹凸或裂缝的限制。磁吸附式爬墙机器人可分为电磁体式和永磁体式两种，电磁体式机器人维吸附需要电能，但控制比较方便；永磁体式机器人不受断电