【JX14-115】水下船舶清洗机器人结构设计
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JX14-115
【JX14-115】水下船舶清洗机器人结构设计
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1 论文相似性检测报告 论文相似性检测报告 论文相似性检测报告（详细版）论文相似性检测报告（详细版） 报告编号：报告编号：87666680-93b6-47e2-a4d7-a33c0160b5ac 原文字数：原文字数：12,279 检测日期：检测日期：2014年05月31日 检测范围：检测范围：中国学术期刊数据库（CSPD）、中国学位论文全文数据库（CDDB）、中国学术会议论文数据库（CCPD）、中国学术网页数据库（CSWD） 检测结果：检测结果： 一、总体结论一、总体结论 总相似比：3.77%3.77% (参考文献相似比：0.00%0.00%，排除参考文献相似比：3.77%3.77%) 二、相似片段分布二、相似片段分布 注：绿色区域绿色区域为参考文献相似部分，红色区域红色区域为其它论文相似部分。 三、相似论文作者（举例4个）三、相似论文作者（举例4个） 点击查看全部举例相似论文作者 四、典型相似论文（举例2篇）四、典型相似论文（举例2篇） 五、相似论文片段（共2个）五、相似论文片段（共2个） 头部中前部中部中后部尾部 序号序号相似比相似比相似论文标题相似论文标题参考文献参考文献论文类型论文类型作者作者来源来源发表时间发表时间 11.89%普通立式车床的数控化改造学位论文程蓓蓓大连理工大学2009 21.89%一种轻型多足爬壁机器人的设计期刊论文周忆 等机床与液压2006 1 1送检论文片段送检论文片段 相似论文片段 相似论文片段【1.89%】 2 论文相似性检测报告 论文相似性检测报告 位置： 头部中前部中部中后部尾部 来源：一种轻型多足爬壁机器人的设计 期刊论文机床与液压，2006年 周忆 等 吸附接触外壁4，然后在里面和八个全吸盘框架之外的吸附状态，机器人开始下一个运动周期 。以上是爬壁机器人步骤的过程，所以连续循环，实现了连续爬壁机器人前进。 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是多足步行机器人 机器人主要由一个主体气缸、两个纵向吸盘提升 (4)吸附机构由横向和纵向四组真空吸盘组 组气缸、一个横向吸盘提升气缸、两组横向吸盘组以及 成。横向和纵向真空吸盘组的真空分 别由两个真空发两组纵向吸盘组构成。 生器产生,真空吸盘安装在真空吸盘安装板上,安装该 机器人具有如下特点: 板固定在提升气缸上,并且随着提升 2 2送检论文片段送检论文片段 相似论文片段 相似论文片段【1.89%】 位置： 头部中前部中部中后部尾部 来源：普通立式车床的数控化改造 学位论文程蓓蓓，2009年 大连理工大学 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， 0.750.85，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； 切削时的转速(rrain) 以,20rmin丁:系统时间常数(s)T0.122)摩擦力矩:M,二尘 LO。2了rl i式中:R:导轨摩擦力(N)由于刀架正压力只由压板的预紧压力产生,很小所以忽 略不计FS:丝杠螺距S6mm珂:传动链效率一般r0.70-0.85f:齿轮降速比1.53)附加 摩擦力矩:Mo-羔(1嗡2)筹(1-0.92)0.227N.M式中只:滚珠丝杠预加载荷 (N)eo1500NTl。:滚珠丝杠未预紧时的效率rl。0.94)重力力矩MG:卫 :6000x0.006:4.78N.M。2Ilf 2了0.81.55)切削力矩:M,:丝 :12500x0.006:9.95N.M2兀rl f 2n0.8x1.5式中 尼:进给方向的最大切削力(N)机床 设计手册中可知在一般切削外圆时进给方向最大 3 论文相似性检测报告 论文相似性检测报告 六、全部举例相似论文作者（共4个）六、全部举例相似论文作者（共4个） 查看全文报告请点击 说明： 1.总相似比送检论文与检测范围全部数据相似部分的字数/送检论文总字数 2.参考文献相似比送检论文与其参考文献相似部分的字数/送检论文总字数 3.排除参考文献相似比=总相似比-参考文献相似比 4.剩余相似比总相似比-典型片段总相似比 5.本报告为检测系统算法自动生成，仅供参考 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 1030，所以 序号序号作者作者典型片段总相似比典型片段总相似比剩余相似比剩余相似比 1于今1.89%1.89% 2程蓓蓓1.89%1.89% 3周忆1.89%1.89% 4陈沛富1.89%1.89% 2014 届毕业设计（论文）任务书二级学院： 机电工程学院 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 职 称： 课题名称水下船舶清洗机器人结构设计课题类型 毕业设计 毕业论文课题内容及其目标(指标)要求 课题来源于常州太烨传感科技有限公司。 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。进程安排3-4周：进行文献检索，论文收集，熟悉课题，调查研究，收集资料，撰写开题报告；5-7周：总体方案拟定，功能原理设计，外文资料翻译；8-11周：机械结构设计，总图、部装图绘制； 12-13周：方案细化，总图、部件图审定、修改；14-16周： 编写设计计算说明书；17-18周： 提交修改毕业设计资料，准备答辩。指导教师： 胡少刚 2014年 1月 8日系 主 任：年 月 日SJ003-1 2014 届毕业设计（论文）开题报告二级学院： 机电工程学院 班 级： 10机三 学 生： 把鹏程 学 号： 10010301 指导教师： 胡少刚 职 称： 副教授 课题名称 水下船舶清洗机器人结构设计课题类型 毕业设计 毕业论文起止时间开题报告（毕业设计：含课题来源及现状、设计要求、工作内容、设计方案、技术路线、预期目标、时间安排及参考文献等。字数为3000以上。）一、课题来源及现状1.1课题来源课题来源于常州太烨传感科技有限公司。 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。据统计，世界上5万吨以上的船占船舶总数的49.4%，这是一部分相当大的业务对象。而我国虽有大连造船新厂等几家拥有20万吨级以上的船坞，但还是与国外存在很大的差距，我国只有在修船效率上下功夫。 实现水下清刷作业的自动化，用机器人来替代人的操作，将会大大节约劳动力，降低潜水员的劳动强度，提高修船效率。法国、美国、日本等国家已开展了水下清刷设备的研究，但有的还是需要潜水员下水操作。为了提高修船效率、节约能源，提高我国在世界修船业中的地位，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。 水下清刷作业由于可以在舰船锚泊或停靠码头时直接进行，一方面减少了船舶的停航损失，另一方面也使得船舶的燃油水泵大大地降低。这样可以解决船坞不足，特别是大坞严重不足的问题。众所周知，修船期长，船坞不足，缺少10吨以上的大坞是我国修船业发展的重要障碍。而船坞投资巨大，建设周期长，为了提高坞修能力，近年来用于坞修机械化的投资介巨大。12水下清刷技术的国内外发展概况 水下清刷作业具有减小船舶阻力、减少航速损失和节约燃料等优点，特别是在全球石油危机的影响下，船舶的水下清刷作业更是得到了广泛的应用和发展。水下清刷技术的发展分为三个阶段。第一阶段为手工操作阶段，由潜水员下水进行清刷工作。第二阶段为机械操作阶段，由专用的清洗器、涂装机等机械完成大型船舶的清刷任务，并具有较高的工作效率。第三阶段为遥控机械或机器人作业阶段，为在恶劣的海洋环境下开展工作提供了保障。手工操作最早用于对较小船舶水下海生物的清洗，使用成形的气动或液压清洗器由潜水员来操作完成。随着大型船舶特别是大型油轮的出现，手工操作不能满足高效率和质量上的要求，从而出现了较为大型的机械装置。如多刷清扫器、刷污车等。这一阶段的快速发展一方面是由于大坞的数量满足不了修船的需求，另一方面是航运部门在石油危机、油价上涨的压力下采取了缩减开支和降低油耗的措施。特别是船级社对船舶进坞间隔期的规定放宽，允许用水下检验代替两年一次的中间检验，使得水下清刷技术的应用得到了多方认可。在此基础上，为进一步适应海洋的恶劣环境和在低能见度的情况下工作，人们开始寻求自动化和机器人技术在水下的应用，并取得了很大的进步，在水下清刷作业方面已有较成功的设备被使用。现在世界各地主要航线上都设有水下清刷维修站，如：美国东西海岸、夏威夷、加勒比海、意大利、由路特丹开始的西北欧、波斯湾、新加坡及日本等地都设有水下维修站。在国外。机器人作业装置已经日趋成熟并走向实用化。目前常用的水下清刷设备有：1手持单刷机械：其结构是由液压或气动马达带动一个毛刷，毛刷质地根据船体污损情况选择。作业方式是由潜水员手持转刷，利用转刷产生的负压使之紧贴船体，推动其向前运动即可。拥有这类产品的有：法国斯塔拉公司及奥切培列特公司、美国海军等，日本MACSEA清洗系统中也有此类装置，它可适用于小型船舶及小舰艇。2行走多刷式水下清扫装置：1966年，英国船舶研究计划中引入了水下清刷及维护项目，即SCAMP(Ship Cleaning and Maintenance Platform)。采用了水下运载工具的设计原理，使装置紧贴于船舷壳板做垂直或水平爬行，控制箱在工作艇上，遥控操作。它的工作部分由3个转刷，3个行走轮和1个中心推进器构成。动力源是液压或气动的。法国的BK型、瑞典的曲雷耳和澳大利亚的Australian型的结构与其大体相同。3喷射式清刷装置：是把高压水清洗用于水下作业，特点是为使喷枪紧贴于工作面，必须有一个反向射流，即使用无座力型喷枪，但这样会增加能量消耗。英国流体力学研究协会(BHRA)的研究表明，使用高压喷水器进行清洗可显著地提高清洗速率。这种装置一般适用于结构复杂的物体，如：海洋平台、螺旋桨等的清洗。4遥控型清洗器及水下清洗器的微机控制：美国Butterworth公司七十年代初研制成功SCAMP-A型清洗器，对于寒冷海域及能见度低的水质情况下进行清扫优点显著，其运动精度低，在船体曲度变化大的部位仍需潜水员下水纠正。法国七十年代末到八十年代初研制了水下清扫机器人装置，由计算机控制并取得了良好的效果。日本在这方面也开展了大量的研究，取得了成功经验。 在国内，水下清刷作业自1983年在湛江、厦门、天津、秦皇岛、烟台、大连等地建立了由救捞部门开展的业务以来，做了一定的工作，并引进了几台设备，但实际应用中存在着许多问题和困难，业务量较少。主要是在夏季水温较高时和在海水可见度高的港口才可以使用，有很大的局限性。主要方式是潜水员水下手工作业，与国外的无潜水员遥控操作形成了鲜明的对比。 上海救捞局有关厂曾对进口设备进行过研究，并仿制了单刷式清扫器，但效果不好，对于更高层次的产品研究则更少。目前我国船体表面的清理工作主要是在船坞里进行喷砂和高压水冲洗，如图所示的是在船坞里对船体表面进行喷砂处理，作业环境污染相当严重。所以急需研制水下船体表面清刷机器人。二、设计要求 课题设计中结合文献分析,尽量提出多种结构和控制部分的设计方案,分析比较,完善水下清洗机器人结构设计.适当建立模型,对于主要结构进行优化设计并运用有限元分析法进行关键结构进行受力和变形分析.三、工作内容水下船体清刷机器人的主要任务是完成水下船体表面附着海生物的清除，其工作面是船体表面。水下清刷装置是水下船体表面清刷机器人的关键部件，是用来完成水下船体表面清刷的作业工具。水下清刷装置的好坏直接决定水下船体表面清刷机器人的清刷效果。随着世界经济的发展，带来了远洋运输事业的飞速发展，船舶作为海上交通运输的主要工具正发挥着越来越大的作用。但海水的强腐蚀性和海洋生物的强附着力，使得船体表面附着难以清除的贝类、锈皮和锈斑等，为了延长船舶的使用寿命，保证船舶的安全运行，船舶必须定期进坞进行检验。这就存在着修船期长，船坞不足的问题，同时也增加了船舶的非营运时间和燃油的消耗。所以开展船舶水下清刷作业，提高水下清刷作业的自动化水平，是目前急需解决的问题。本课题完成机器人的机构设计，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，现如今主要的移动机构都只是适应机器人在平面上的移动，而在曲面上的移动却研究的很少。该课题研究试图提出利用球连接来适应曲面的移动，采用三个支撑点的结构，其中两个是固定的，而第三个是利用球连接，同时采用大小两个三角吸盘，循环移动来实现机器人的移动，当然该机构也不可避免的存在一些问题。.清洗部分的结构设计利用清洗盘的转动来实现清洗。本次设计主要完成这两部分的结构设计，利用直流电机驱动，同时完成二维图和运动仿真.四、设计方案和技术路线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.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。另外，坞内清刷也可在船坞里进行船体表面的高压水清洗和喷砂(丸)处理。1高压水清洗高压水清洗是一种既环保又经济的表面处理手段，在工业和海洋工程中得到了广泛的应用。高压水清洗对环境没有灰尘产生，可以方便、快速而又经济回收清理物，而且旧涂膜表面清洁处理不用担心引起涂膜受冲击而裂开。但清洗船体表面的海洋附着物为海蝠等贝类时，清洗效果并不理想。2喷砂喷砂是以压缩空气为动力，将磨料以一定速度喷向被处理的船体表面，对船体表面产生冲击和切削作用，以除去氧化皮、铁锈和海洋污损物的一种有效的表面处理方法。绝大多数喷砂处理需要工人参与，喷砂的扶尘大、噪声高还有一定的危险性。 机器人系统可以采用由机械本体、清刷作业装置和控制系统三部分组成的方案，其已有的系统方案见下图： 其工作原理为：在船体甲板上放置有一个可自由移动的运载小车，它可使机器人自动爬上或爬下船体表面，克服由于机器人具有的永久吸力带来的放上取下的不便，并起到运输作用。小车上有控制柜、CRT显示器、动力源及卷扬装置。动力源为水下机器人的移动和清刷作业提供动力，卷扬装置随着机器人的上下移动及时地收放保护缆绳，为机器人提供安全保障条件，同时为机器人输送动力和控制电缆。显示器通过安装在机器人本体上的摄像机，实时地显示机器人的工作环境，便于操作者及时了解机器人的工作状态。机器人从运载小车爬上船体，先按从上至下的路径移动，当到达船的底部时，机器人旋转180 ，然后再从下至上移动。五、预期目标1、完成机器人的结构设计，使所设计的机器人达到所需要的使用功能，结构科学合理。2、设计对象的测试与性能评价符号相关标准要求。3、通过毕业设计训练，提高设计计算绘图能力，提升分析问题、解决问题能力。六、时间安排3-4周：进行文献检索，论文收集，熟悉课题，调查研究，收集资料，撰写开题报告；5-7周：总体方案拟定，功能原理设计，外文资料翻译；8-11周：机械结构设计，总图、部装图绘制； 12-13周：方案细化，总图、部件图审定、修改；14-16周： 编写设计计算说明书；17-18周： 提交修改毕业设计资料，准备答辩。七、参考文献1、王丽惠.水下船体表面清刷机器人及相关技术研究.哈尔滨工程人学博士论文 2002.62、尹龙. 船体表面水下清刷机器人关键技术研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文 2004.2刘淑霞，赵炎正等.高楼壁面清洗机器人及相关技术的研究.自动化博览. 1999邵浩，赵言正等. 爬壁机器人在弧面上爬行时的吸附稳定性分析.机器人 2000在我国开展船舶水下维修的可行性中船总平台公司.1990沈为民，潘涣涣等.水冷壁清扫检测爬壁机器人.机器人. 1999指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见，设计的结果预测或论文的可行性评价）：指导教师：年 月 日系部意见：系主任： 年 月 日 注：开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，应在导师的指导下，由学生填写，经导师签署意见及系部审核后生效。常州工学院机电工程学院毕业论文SJ005-1CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 设 计 说 明 书题目： 水下船舶清洗机器人结构设计 二级学院： 专 业： 班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 评阅教师： 职称： 年 月- III -摘要为了实现水下船体表面上的机器人，灵活的吸附功能和可靠运行，进行了研究机构的水下机器人运动船体清洁。描述了水下船体表面移动机构的基本部件，工作原理和替换，移动机构运动学建模来确定运动学参数。论文系统综述了水下清刷技术和壁面移动机器人技术的发展，成功研制了水下船体表面清刷机器人原理样机。针对水下作业环境的特点，对机器人的本体结构、吸附结构和清刷作业装置等关键技术进行了系统的研究。论文首先介绍了壁面移动机器人的分类和特点，总结了水下清刷作业和壁垒移动机器人的国内外发展现状和应用情况，提出了采用滑块、吸盘吸附式的水下船体表面清刷机器人本体结构方案。研究设计了机器人的吸附机构、驱动机构、传动机构和清洗机构。针对机器人在水下作业的特点，研究设计了机器人携带的作业工具即水下清刷作业装置。该装置由异步电动机驱动，通过齿轮传动，带动钢丝刷旋转来完成对船体表面的清刷作业。关键词：机器人 移动机构 清洗机构 力学分析AbstractIn order to realize a robot on the surface of the underwater hull , flexible and reliable operation of the adsorption function carried out underwater hull cleaning robot research institutions. Describes the basic components of the underwater hull surface movement mechanism , working principle and replace, move kinematics modeling agency to determine kinematic parameters .Underwater clean brush technology and wall papers mobile robotics development system overview , successfully developed the underwater ship hull cleaning robot prototype . According to the characteristics of the underwater environment , the key technology of the robot s body structure , adsorption structures and brush clearing operations unit were studied systems.Paper introduces the classification and characteristics of the wall of the mobile robot , summed up the underwater brush clearing operations and barriers to domestic and foreign mobile robot development status and application of proposed using the slider , sucker adsorption underwater ship hull cleaning robot body structure of the program .Study Design The adsorption mechanism of the robot , the drive mechanism , drive mechanism and a cleaning mechanism . According to the characteristics of underwater robot research tool designed operating underwater robots that carry brush clearance operations unit . The device consists of an asynchronous motor is driven by gear driven rotating wire brush to finish clearing brush on the hull surface operations .Keywords: Mechanical cleaning mechanism robot movement mechanism analysis目 录摘要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题研究的目的和意义11.3 现状1第2章 总体方案设计102.1 设计的基本要求102.1.1 工艺范围102.1.2 进给方案的选取102.1.3 吸附结构112.1.4 清洗机构的设计12第3章 进给系统设计计算133.1 切削力的计算133.2 丝杠螺母的设计与计算133.2.1 强度验算133.2.2 效率计算143.2.3 刚度验算143.2.4 稳定性验算153.3 电机的选择163.3.1 计算传动比163.3.2 转动惯量计算173.3.3 所需传动力矩计算173.3.4 电机的选择183.4 轴承的选用与校核193.4.1 角接触球轴承的选择193.4.2 深沟球轴承的选择19结论21致谢22参考文献23千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 课题背景课题来源于常州太烨传感科技有限公司。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。1.2 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是机器人主体，它由构成基本相同形状的两个帧的机制的模型。根据每帧有三条腿，分别由提升缸组成，每条腿的下部有一个吸盘组。当伸缩缸，吸盘将接触的壁面的下部被连接到下框架转动圆筒，从而使框架2可相对地旋转一个预定的角度。2具有中间相对于所述下框架可旋转的圆盘上设有导向筒和盘2。和引导沿平行于运动方向的两条直线之间的帧中的机器人的帧。图2如图2.2A早期运动状态，运动从第1脚架吸盘吸附开始，提升油缸缩回，从而完成了机械手缩回腿。然后两个帧之间的圆筒沿框架导轨上延伸，将根据该帧的相对运动的方向。运动到位后，框架3升缸延伸吸盘工作表面的吸附，如图2.2B。然后松开下一个吸盘框架提升气缸缩回，缩回两个框架之间的气缸，该框架将靠拢沿导轨的框架，直到它被恢复到如图2.2C所示的图案。这样就完成工作的一个周期。驱动机器人使用气缸，采用真空吸附。 2） 图3图2.3是另一移动设备，它是由8吸盘，4以外组成，有四个和四个吸盘可以由滚珠丝杆，它是通过真空抽吸进行移动。 图4图4显示了爬壁机器人直线行走路线。后的结构设计的角度来看脚操纵已被用来选择在前脚的立足点，从而减少障碍，改善行走速度判定的数目。图4（a）表示机器人的初始状态，小冲程的气缸的伸长满吸盘状态，滑块处于中间位置；图4（b）表示外侧4吸杯的不里面的吸附夹头4真空破坏松开夹头移动，内筒缩回；图4（c）表示的前向驱动电机正转的滚珠螺杆滑动前进，沿着一个向前和内框架滑动；图4（d）表示的内伸出气缸内壁与所述侧壁上的卡盘，真空吸附在图4（e）的接触面4代表了吸附夹头4的内部不动，外4吸盘为真空断裂以释放外筒缩回；图4（f）表示在向前推进螺杆马达反向驱动向前沿外框架；图4（g）延伸的外筒，与墙壁上的吸盘，真空吸附接触外壁4，然后在里面和八个全吸盘框架之外的吸附状态，机器人开始下一个运动周期。以上是爬壁机器人步骤的过程，所以连续循环，实现了连续爬壁机器人前进。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是多足步行机器人爬步骤的壁的流程图。在向前运动，例如，在初始状态下是机器人的静止状态中，机器人可以执行的情况下在墙壁上的清洗探针和检测。当机器人处于初始状态时，在水平和垂直真空吸盘的真空状态提供，横向吸起升缸缩回状态，吸起升缸中被纵向延伸的状态时，真空吸盘纵向的释放，垂直吸提升油缸缩回，在主缸固定于圆筒的吸附状态的横向真空吸盘，压缩空气驱动活塞向前移动一个距离，然后沿纵向抽吸提升缸纵向延伸，以提供真空抽吸;当横向吸入真空抽吸提升缸横向收缩，在主缸的活塞杆固定在压缩空气，在气缸孔的向前移动的距离，并横向延伸的横向抽吸提升缸的吸附状态的纵向真空吸力释放提供真空吸力来完成行走过程。 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机器人的吸附性能被固定到外翼面板履带链块来实现磁吸附。由链节链确定每个轨道的每一链路上的数目，以安装一个磁块，然后每星期轨道上，即使在移动的轨迹的过程21橡胶密封永久磁铁块镶嵌，以确保在每个轨道上有8磁体与容器表面的吸附状态良好，并且机器人的容器表面上有足够的磁吸附，实现了在初始时间移动，来调整磁块上的相同状态的两个磁道的吸收特性，并输出通过齿轮减速机由驱动链轮驱动的驱动伺服电动机的力矩，从而使在所述容器的交替吸附循环的轨道面的磁块的表面上，所述机器人上移动来实现所述容器的表面上。 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82）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再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。2.1.4 清洗机构的设计清刷机器人作为一个载体，实现了吸附功能和移动功能后，还应具有作业功能，即能携带作业工具完成特定的作业任务。水下清刷装置是利用钢丝昴或喷射超高压水流，将附着在船体表面的海洋生物或锈蚀清洗掉。本论文研制的清刷机器人携带的作业工具是清洗刷具，清洗刷具是水下机器人常用的一种作业工具，通常安装在机器人的前都框架上，是三个做旋转运动的圆盘钢丝刷，在机器人载体的移动过程中，完成清刷作业，这种清洗刷具适用于清洗具有较大表面的物体。清洗刷具是与水下机器人本体配套使用的一种水下作业工具。在设计中需满足以下性能要求：(1) 尽量使机构体积小、重量轻、结构简单、工作可靠由于清洗刷具是安装在机器人本体上的，而机器人所能承受的负载，提供的动力及可供作业装置安装的空间都极为有限。因此，体积小、重量轻，结构简单是水下清洗刷具需要满足的基本要求。结构越简单，可能出现的故障就越少，从而可提高了装置的可靠性。(2) 选用的材料其有较强的耐海水腐蚀性能清洗刷具的工作环境是在海水里，海水中含有的氯离子具有较强的腐蚀性，清洗刷具受力后还会产生应力腐蚀等。受到腐蚀的工具会缩短整个装置的使用寿命，降低工作的可靠性，因此在选材方面要重点考虑材料的耐腐蚀性能的好坏。(3) 作业方式多样化清洗刷具与机器人本体连接部分的设计，要考虑便于装卸，这样可以在一个载体上更换不同的作业工具，实现其它作业功能。为了达到高效率的清刷效果，要求刷丝较硬且弹性好，刷丝材料选用了淬火不锈钢丝制成，刷丝直径为0.7mm，刷丝长度为2.3mm，刷丝分布比较稀疏的清刷效果好一些。为了保证清洗刷的强度，刷盘是用钢板制成的圆形盘具。为了保证履带在船体表面上的可靠吸附，在机器人移动的一个行程内要保证先清刷掉履带前端船体表面附着的海生物，所以根据履带的宽度确定刷盘半径。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（41）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1/21/3，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1.21.5，取=1.2；丝杠寿命，以106转为单位。由公式（42），（43），（44）可得：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（45）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（46）得：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: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、60m/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。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（47）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，0.750.85，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 1030，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
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