文献参考-水下船舶清洗机器人结构设计

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 . 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 .该机器人提出了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 . 过内外研究现状 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 内只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 2.1 图 2.1 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 2.2 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 2.3 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 2.4 图 2.4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 2.4(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 2.4(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 2.4(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 2.4(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 2.4(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 2.4(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 2.4(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 . 3） 图 2.5 机器人简图 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 . 其移动方式如下图， 图 2.6 图 2.6 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 2.7 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 . 比较以上几种移动方案，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，并且采用球连接来适应曲率不大的船体，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齿条来实现， 同时利用滑块和滑槽来实现移动 .如图 2.8所示，具体移动方案见 第三章 . 图 2.8 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，所以采用电磁吸附，通过通电与否来实现有 磁性还是没有磁性，从而完成移动 .而不能采用永磁吸附，永磁吸附不能使移动部分移动，所以只能利用电磁吸附 . 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 2.9 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 2.10 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，如下图样式： 图 2.11 移动部分设计 爬行机构设计 该爬行机构 借鉴了现存的很多爬行机构，在此基础上设计而成 .该机构采用内外三角形机构 ，每个三角板采用三个杆件支撑并且完成 吸附 .三个杆件成三角形分布，其中后两个杆件是固定住的，前面一个杆件 利用球连接 来适应曲面 ， 在移动距离不大得情况下可以适应在曲面上得移动， 并且前面的 杆件比后面得杆件要短，更适合曲面得移动 .杆件的下方是电磁吸盘，当电 磁吸盘通电时产生磁力吸附在船体上，当断电时就不产生磁力，不再吸附，可以完成移动 .大三角板和小三角板得吸盘交替通电，当大三角板通电时，小三角板不通电，交替产生磁力，利用空隙完成吸附和移动 .小三角板和大三角板通过滑块连接，小三角板和滑块通过杆件连接，大三角板本身有一个 “工”字 型滑槽，滑块可以在滑槽里移动 .小三角板通过杆件与滑块相连，滑块与齿条相连，大三角板上面安装两个齿条 . 图 3.1 工作原理：本机构主要完成两个功能，一个是吸附，一个是移动 .吸附是靠电磁吸附，通 电时产生磁性，吸附在船体上，当不通电时，没有磁 性，从而可以沿船体移动 .首先先给大三角板的吸盘通电，从而产生磁性，大三角板吸附在船体上，这时小三角板的三个支架不通电，没有磁性，通过滑块的移动带动小三角板向前移动， 其滑块的移动是靠齿轮齿条来完成的 ， 当电机起动带动齿轮转动，通过齿轮的传动，带动轴转动，从而通过 齿轮转动带动齿条向前移动，齿条和滑块相连 ， 带动滑块沿导轨向前运动，当齿条运动一段距离后，电机反向转动 ， 同时小三角板固定不动， 这时大三角板的三个支撑吸盘不再通电没有磁性，齿轮和齿条作用，根据相对运动的原理，使得齿轮在齿条上面向前运动，从而带动箱体向前运动， 箱体和大三角板是固定在一起的，这样，大三角板也向前运动，当电机再次反向转动时，大三夹板的三个支撑吸盘又通电产生磁性吸附在船体上，小三角板的三个支撑不再通电，这样就可以使小三角板再此向前运动，如此循环前进， 完成机器人的 爬行 运动 . 该 移动机构不再利用汽缸驱动，而是利用电机驱动，巧妙得利用电机的正反转、齿轮齿条 的作用 来完成移动 -停止 -移动得工作循环， 机构相对简单， 方便可靠，容易实现预期得功能 . 齿轮传动机构 电机得选择 选择电机，要 综合考虑各个因素， 对于本机构在水下移动， 不方便携带大 型电机，也不方便把电机放在船上或其他地方，最好是把电机装在机器人本身里面， 所以选择的电机是小型直流电机， 这样就可以利用容量大一些得电池来完成供电， 同时考虑作业空间，如果选择大转速得电机，则还必须设计一个减速器，所需空间一定会变大，所以选择小型直流电机 并且自带减速器，这样就可以解决电源、空间问题 ，当然还要是电机能够正反转这样就可以实现齿轮和齿条的作用，这样就需要选择小型伺服电机 . 对于现在市场上买得小型直流电机，种类很多，并且配备多个减速比，可以选择适合所需要得电机与输出转速，本机构选择了 70ZW 的小型 直流电机， 经过减速器使 输出转速5r/min，功率 P=50W，输出转矩 T=250N mm. 传动齿轮设计 1 选择齿轮类型 、精度等级、材料和齿数 (1) 传动方案如图 选用直齿圆柱齿轮传动 图 3.2 (2) 移动部分主要靠齿轮来控制转速，对精度由一定的要求，转速不快，选择 8 级精度等级 (3) 材料选择 .小齿轮也是主动齿轮材料 40Cr，调质处理，硬度为 280HBS，大齿轮材料为45 钢，硬度为 240HBS，两者材料硬度差为 40HBS. (4) 选择小齿轮 的齿数为 1z =36，大齿轮的齿数为 2z =54， 传动比为 i=0.67 2 按齿面接触强度设计 由设计计算公式进行计算，即 3 211 )(1.32.2HEdtZuuKTd (3-1) (1)确定 公式中的各计算数值 1）试选择载荷系数 tK =1.3 2）计算小 齿轮传递的转矩 119550n PT (3-2) 查电机表 ，输出功率 P=50W 计算得 1T =250N mm 电机名牌上标注 T=250N mm 3） 查表选取齿宽系数 d =1 4）查表得材料的弹性影响 系数 EZ =189.8 21MPa 5)查表按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限 MPaH 6001lim ，大齿轮的疲劳强度极限MPaH 5502lim 6） 查表取接触疲劳寿命系数 1HNK =0.90； 2HNK =0.95 7)计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由式计算得 M P aM P aSK HNH 5406009.0 1lim11 （ 3-3） M P aM P aSK HNH 5.52255095.0 12lim22 （ 3-4） （ 2）计算 1）计算小齿轮分度圆直径 td1 ，代入 H 中较小的值 . 3 211 )(1.32.2HEdtZuuKTd = 3 2)5.522 8.189(5.1 5.21 2503.132.2 =13.5mm （ 3-5） 2）计算圆周速度 v.考虑到机器人的爬行状况，设定移动速度为 0.01m/s. 100060 11 ndv t 0.01m/s （ 3-6） 这样小齿轮分度圆直径 d=63.69mm td1 . 3）计算齿宽 b. td db 1 =63.69mm 4)计算齿宽与齿高之比 hb . 模数 tm =11zdt =1.77 （ 3-7） 齿高 h=2.25 tm =2.25X1.77=3.98 hb = 00.1698.3 69.63 （ 3-8） 5)计算载荷系数 根据 V=0.01m/s， 7 级精度，查表得动载系数 VK =1 直齿轮， 1 FH KK 查表得使用系数 AK =1 查表得 7 级精度等级， 小齿轮相对支撑非对称布置时， HK =1.423 由 hb = 00.1655.2 85.40 （ 3-9） 查表得 HK =1.3 故载荷系数 K= AK VK HK HK =1.85 （ 3-10） 6)按实际得载荷系数校正所得分度圆直径 311tt KKdd 71.64mm （ 3-11） 7)计算模数 m=11zd =1.99 （ 3-12） 3 按齿根弯曲强度设计 弯曲强度设计公式 3 211 )(2FSaFadYYzKTm （ 3-13） (1)确定公式里内得各计算数值 1）查表得小齿轮得弯曲疲劳强度为 1FE =500Mpa；大齿轮的弯曲疲劳强度为 2FE =380MPa 2)查表得弯曲疲劳寿命系数 1FNK =0.85； 2FNK =0.88 3）计算弯曲疲劳 许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由式计算 57.303 111 SK FEFNF Mpa （ 3-14） 86.238 222 SK FEFNF Mpa （ 3-15） 4)计算载荷系数 K. K= FFVA KKKK =1.512 （ 3-16） 5)查取齿形系数 1FY =2.65 2FY =2.236 6)查取应力校正系数 1SY =1.58 2SY =1.764 7)计算大小齿轮得 FFY并加以比较 . 11FFFYY =0.01379 （ 3-17） 22FFFYY =0.01644 （ 3-18） 大齿轮得数值大 . 2）设计计算 05.2)(23 21 1 F SaFad YYzKTm （ 3-19） 对比结果，由齿面接触疲劳强度计算得模数 m 小于由齿根弯曲疲劳强度计算得模数，由于齿轮模数得大小主要由齿根弯曲疲劳强度所决定得承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定得承载能，仅与齿轮直径由关，可取由弯曲疲劳强度计算所得得模数 2.05，并就近为标准值 m=2.5,按接触强度计算得分度圆直径 ,算出小齿轮齿数 3011 mdz （ 3-20） 取小齿轮齿数 1z =32 大齿轮齿数为 2z =54 这样设计出得齿轮传动，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 . 传动轴的设计 1、输出轴上得功率 P,转速 n 和转矩 若齿轮得传递效率为 0.97，则 P=P =48.5W （ 3-21） min/311 rinn （ 3-22） 于是 得小齿轮的转矩为 T=242.5 mmN （ 3-23） 2、轴的结 构设计 拟定轴上零件得装配方案， 轴上零件的装配方案如下图： 图 3.3 1）轴上零件的固定 .该轴的传动主要依靠齿轮来传动，轴上安装两个齿轮，其中右面 的齿轮为主动轴，中间的齿轮为从动齿轮 .轴上零件的定位，轴上零件的定位主要使用螺母和套筒来定位， 轴采用阶梯轴，齿轮与箱体之间利用螺钉锁紧套筒 轴向固定，轴的两端是利用 锁紧 螺母来轴向固定， 中间部分是齿轮，一边是阶梯轴轴向固定，另一边是利用螺钉锁紧挡圈周向固定， 轴的两端放在箱体上支撑，安装轴承 . 2）轴承的选择 .因为轴承同时承受径向力和轴向力，故选择单列 圆锥滚子轴承 .根据工作要求选择 30204， 0 组游隙，公差等级 0 级，其尺寸是 mmmmmmTDd 163720 ，采用 一对圆锥滚子轴承，面对面安装， 轴承的固定一端是利用箱盖来固定，一端是利用套筒来固定，利用轴承把轴所受的力传递到箱体上 . 3）轴上零件的周向定位 不完全 齿轮与轴之间采用键平键连接，根据轴的直径选择平键 mmmmhb 66 ， 键槽用键槽铣刀加工，长 20mm，同时保证了齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮与轴之间的配合为 67nH ； 大齿轮 与轴之间也是利用平键连接，同样选择 mmmmhb 66 ， 长为20mm， 配合为 67nH ；圆锥滚子轴承与轴之间采用过度配合来保证，配合为 67kH . 3、求作用在齿轮上的力 因已知低速级大齿轮得分度圆直径为 mmmzd 135545.222 （ 3-24） 而 NdTFt 59.32 2 （ 3-25） NFF tr 31.120t a n （ 3-26） 大齿轮的转矩为 T= mmN5.242 ， 以后每个齿轮按 21 T 计算，则 轴 中间 部分的齿轮受力比较大，转矩 为 2T mmNT 25.121215.2422 （ 3-27） 从而计算 各个齿轮处得圆周力 NdTFt 04.460 25.12122 222 （ 3-28） 径向力如下 NFF tr 47.120t a n22 （ 3-29） 图 3.4 利用理论力学知识求出 两个支点处的力 ADRACFABF rrr 221 （ 3-30） ADRACFABF ttt 221 （ 3-31） rrrr RRFF 2121 （ 3-32） tttt RRFF 2121 （ 3-33） aR1 =2.56N aR2 =2.11N rR1 =2.16N rR2 =0.61N 对于该轴得校核采用有限元分析 对该轴进行校核 ，分析该轴的受力情况，分析应力分布，变形情况，如下图： 图 3.5 图 3.6 通过有限元分析之后 ，观察该轴的变行图 3.5，从图中可以看出该轴的变形 量主要集中在轴的中间部分，因为该轴在中间部分是一个 齿轮 ， 齿轮根齿条作用，会有一个阻力转矩，这样就使得该轴在中间部分的变形比较大，最大变形量达到 3.631 510 mm，分析轴的右边，轴的右边是一个齿轮传动，承受一个转矩，可以看出该轴在该齿轮处变形也有一定的变形， 再 看轴的左端，轴的左端基本没有变形，主要是因为轴的左端基本没有力的作用 ，只是通过轴承安装在箱体上。 . 观察该轴的应力分布图 3.6，可以看出 该轴的 应力分布比较广泛，尤其是轴的右端齿轮处，应力比较大，最大应力为 3.311 110 2/mmN ， 最小应力为 2.256 610 2/mmN ， 从中间轴分开 ， 该轴两端都有应力分布，但是应力相对较小，同样在轴的左端因为不受力的作用，所以该处基本没有应力， 可以满足该轴的设计要求 . 齿轮齿条机构 1、齿条机构 1）模数、齿数的选择 模数选择 m=2.5 齿数选择 z=12 ，压力角 a=20 齿顶高 ha=ha*m=1x2.5=2.5mm (3-34) 齿根高 hf=（ ha*+c*） m=3.125mm (3-35) 齿高 h=ha+hf=2.5+3.125=5.625mm (3-36) 齿距 p=3.14m=7.85mm 图 3.7 2)齿条的移动 齿条的 移动速度选择 v=10mm/s ， 齿条前进的距离为 35mm. 2、齿轮的设计 中间齿轮设计时考虑齿轮齿条的作用，及其所承受的转矩，齿轮材料选择 40Cr （ 1）按齿面接触强度设计 3 211 )(1.32.2HEdtZuuKTd (3-37) 1)确定 公式中的各计算数值 1）试选择载荷系数 tK =1.3 2）计算小 齿轮传递的转矩 按转矩减半来计算得 1T =125N mm 3） 查表选取齿宽系数 d =1 4）查表得材料的弹性影响系数 EZ =189.8 21MPa 5)查表按齿面硬度查的齿轮的接触疲劳强度极限 MPaH 6001lim 6） 查表取接触疲劳寿命系数 1HNK =0.90； 7)计算接触疲劳许用应力 取失 效概率为 1%，安全系数 S=1，由式计算得 M P aM P aSK HNH 5406009.0 1lim11 (3-38) （ 2）计算 1）计算小齿轮分度圆直径 td1 ，传动比按 1： 1 计算，代入 H 中较小的值 . 3 211 )(1.32.2HEdtZuuKTd = 3 2)600 8.189(121 1253.132.2 =7.41mm （ 3-39） 2）计算圆周速度 v.考虑到机器人的爬行状况，设定移动速度为 0.01m/s. 100060 11 ndv t 0.01m/s （ 3-40） 这样小齿轮分度圆直径 d=63.69mm td1 . 3）计算齿宽 b. td db 1 =63.69mm 4)计算齿宽与齿高之比 hb . 模数 tm =11zdt =1.77 （ 3-41） 齿高 h=2.25 tm =2.25X1.77=3.98 hb = 00.1698.3 69.63 （ 3-42） 5)计算载荷系数 根据 V=0.01m/s， 7 级精度，查表得动载系数 VK =1 直齿轮， 1 FH KK 查表得使用系数 AK =1 查表得 7 级精度等级，齿轮相对支撑非对称布置时， HK =1.423 由 hb = 00.1655.2 85.40 （ 3-43） 查表得 HK =1.3 故载荷系数 K= AK VK HK HK =1.85 （ 3-44） 6)按实际得载荷系数校正所得分度圆直径 311tt KKdd 71.64mm （ 3-45） 7)计算模数 m=11zd =1.99 （ 3-46） 3 按齿根弯曲强 度设计 弯曲强度设计公式 3 211 )(2FSaFadYYzKTm （ 3-47） (1)确定公式里内得各计算数值 1）查表得齿轮得弯曲疲劳强度为 1FE =500Mpa； 2)查表得弯曲疲劳寿命系数 1FNK =0.85； 3）计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由式计算 57.303 111 SK FEFNF Mpa （ 3-48） 4)计算载荷系数 K. K= FFVA KKKK =1.512 （ 3-49） 5)查取齿形系数 1FY =2.65 6)查取应力校正系数 1SY =1.58 7)计算大小齿轮得 FFY并加以比较 . 11FFFYY =0.01379 （ 3-50） （ 3-29） 大齿轮得数值大 . 2）设计计算 05.2)(23 21 1 F SaFad YYzKTm （ 3-51） 对比结果，由齿面接触疲劳强度计算得模数 m 小于由齿根弯曲疲劳强度计算得模数，由于齿轮模数得大小主要由齿根弯曲疲劳强度所决定得承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定得承载能，仅与齿轮直径由关，可取由弯曲疲劳强度计算所得得模数 2.05，并就近为标准值 m=2.5,按接触强度计算得分度圆直径 ,算出齿轮齿数 mdz 1125 （ 3-52） 取齿轮齿数 1z =24 这样设计出得齿轮传动，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 . 移动部分越障分析 关于移动部分越障能力的分析，因为清洗机器人需要吸附在船体上才能进行清洗，而船体表面是曲面，具有一定的曲率，并且会附着一定的藻类、贝类等，所以需要机器人具有一定的越障能力，为了适应机器人在 船体表面上 爬行， 本机构设计了三个支撑来，并且前面一个支撑设计成球连接，球连接可以转动 ，所以可以使机器人在曲率不大的曲面上移动， 为了进一部分析移动机构能否适应在曲面上的移动及其考虑曲面 曲率 ，下面讨论机器人的移动部分在 具有一定曲率的曲面上的移动能力，下面将曲面分成两种情况来分析：一种是凹的情况，一种是凸的情况 . 在凹曲面上移动 机器人在凹曲面上的移动， 机器人在凹曲面上的移动，假如机器人移动的距离过大而曲面的曲率半径过小，则机器人将不能在其曲面上移动，下面分析该机器人所适应的曲面 . 图 3.8 下面将机器人简化模型，可以看处机器人依靠三个支撑移动在完成爬行运动，并且前面的支撑 是利用球连接来适应曲面， 球面副具有三个自由度，当碰到障碍时可以摆动一段距离，不和壁面相碰撞，但是球连接上面的部分却不能摆动，这样当碰到障碍时就不能移动，这时就不能向前爬行，但是机器人每次移动的距离有限，这样 移动机器人所适应的曲面就会有一定的局限，下面分析机器人所适应的具有最小曲率的曲面 . 假设机器人移动到一个位置 固定住 ，如图 3.9 前一个状态，现在分析该机器人爬行时所示适应曲面的曲率，根据移动部分设计可知，每次机器人将前进 35mm，当机器人前进35mm 时，如图 3.9 后一个状态，假设机器人在前一个状态 前后脚分别落在 A、 B 处， 当机器人前进 35mm 时，球连接可以摆动，所以可以适应曲面，但是球连接上面部分 EF 段却是固定不动的，所以当曲率 半径过小时就会碰到 壁 面，从而不能前进，假设刚刚碰到船体，如图 C 点位置，这是可以根据 C、 A、 B 三点的位置确定一个圆，从而求出曲率半径R=119.92mm，如图曲线 2；当曲率变大时，即曲率半径变小的情况时，如曲线 3 所示，这时当机器人前进 35mm 时，机器人前面将碰到 壁面 ，机器人将不能前进，甚至毁坏；当曲 率变小时，即曲率半径变大的情况，如曲线 1 所示，这时当机器人请进 35mm 时，不会碰到 壁面 ，这样机器人将正常前进，满足设计要求 . 综上所述，当曲率半径 R119.92mm 时机器人可以向前运动； 当曲率半径 R119.92mm 时 机器人移动时将碰到壁面，这时机器人将碰到壁面，不满足条件 . 当曲率半径 R=119.92mm 时机机器人刚好碰到壁面，这是机器人移动的临界位置 . 图 3.9 在凸曲面上移动 下面分析一下当机器人在凸面上移动时，所需要满足的曲率半径 . 当机器人在凸面上移动是主要的问题是曲率过大致使机器人前进时壁面碰到机器人下面 移动部分小三角板的底面，如图所示 ， 下面分析一下机器人在凸曲面上的移动 . 首先假设机器人前面支撑的球连接达到极限位置，能够转到 180，这时该机器人的分布如下，从图中可以看出，对于小三角板的球连接假设可以达到极限位置 A、 B，这时可以生成小三角板前面球连接部分的可能的曲线 2，同样，对于大三角板的球连接假设可以达到极限位置 C、 D，这时就可以生成可能的曲线 1.当机器人沿着壁面向前爬行的时候，大、小三角板的后面的支撑当爬到位置时是暂时固定不动的，这说明 O 点可以看成暂时固定的点，而对于另外两个点则不同，因为有球连接的原 因，所以他们的位置会在曲线 1，曲线 2 上，这样可以适应具有一定曲率的壁面 . 要想确定当机器人在凸面上爬行的时候所能适应曲面的曲率，则应该确定三个点的位置 .首先， O 点可以看成是一个固定的点，这样就只需要选择另外两个点来判断曲面的曲率，两外两个点分别在曲线 1 和曲线 2 上，这样只要找到最小的曲率半径就可以了 .从下图可以看出，分别选择了一些特殊的点，其中最小的曲率半径为 R=60.8404mm，这已经比机器人 在过凹壁面时要小的多 . 图 3.10 综上分析，可以看出该机器人在适应曲面的 可以适应曲率比较大的曲面 ，考虑该机器人的作业对象船舶，船舶的外表面的相对来说曲率半径很大，曲率小，利用该机器人来清洗船舶，已经足够满足条件 . 清洗部分设计 电机传动方案设计 电机的选择 ， 与移动部分相似 ， 电源要求携带方便，并且不能利用 方便利用电线托线，所以要求最好是利用蓄电池来提供电源 ， 同时考虑 作业空间， 本机构要求设计得箱体尺寸尽可能小，并且同时要求重量要轻，不宜选择大的电机，该机器人又 在水下作业， 要具有一定得灵活性，所以 仍然选择小型直流电机， 并且自带减速器，这样就减小了减速器得空间按， 尽可能得减小 整个机构得体积 . 考虑以上因素，并且考虑现在市场上可以买到的减速器，选择 60JB52 型小型直流电机 .电机的输出转速有多种，考虑清洗盘得转动，以及所需要得力选择输出转速 r=40r/min，输出功率 P=24W， 输出转矩 5.88N m. 齿轮机构设计 1、选择齿轮的类型、精度等级，材料及齿数 在该处设计两个齿轮是为了改变电机输出轴的转向 ，所选电机自带减速器，所以设计相对简单 .齿轮选择直齿圆柱齿轮，精 度等级选择 7 级精度，材料选择 45 钢，表面硬度为 240HBS，传动比 1： 1 ，齿数定为 2021 zz . 2 按齿面接触强度设计 由设计计算公式进行计算，即 3 211 )(1.32.2HEdtZuuKTd （ 4-1） (1)确定 公式中的各计算数值 1）试选择载荷系数