机械毕业设计（论文）-集中空调管道自动清洁机器人设计（全套图纸）

装订线长 春 大 学 毕业设计（论文）纸第1 章 绪论1.1 设计题目、意义及要求本次设计题目是集中空调管道自动清洁设备设计（轮式结构）。随着社会的发展，人们的生活水平逐步提高，对办公室环境和家居环境要求的标准也越来越高，趋于舒适和环保。因此，中央空调逐步走入办公楼、商城、学校、医院、饭店及家庭等场所。空调给人们带来了工作环境和家居环境的舒适，改善了人们工作和生活的条件，但是如果只知道使用空调，而不定期对空调进行清洁，脏兮兮的空调是不能改善室内空气，给人们带来惬意的、舒适的、清新的空气。全套图纸，加153893706人的一生约有70%90%的时间是在室内度过的，室内空气环境是影响人们身体健康和生活工作质量的主要因素。中央空调系统主宰着楼宇中的空气新陈代谢，如果中央空调卫生状况不佳，不仅会影响出入这些场所的人们健康，还会导致人群感染和中毒。经权威部门测试，空调系统存在的感染菌有：好氧性夹膜细菌、好氧芽孢细菌、好氧硫细菌、厌氧硫酸盐还原菌、铁细菌、丝状型真菌、酵母真菌、担子型真菌。在封闭的空调环境中，因新风不足或冷空气被污染而产生疲劳、头昏、口干、胸闷、眼痒、嗜睡、易交叉感染病毒、烦躁、注意力不集中等到人体产生的病态建军筑综合症，俗称”空调病”。据了解，我国卫生部2004年对30个省、自治区、直辖市开展了公共场所集中空调通风系统卫生状况监督检查。在这次检查中，全国共抽检了60多个城市具备集中空调设施的937家公共场所，其中宾馆饭店540家，大型商场、超市397家，检测样品5600件。调查结果显示，接受检查的所有中央空调中，有90%以上达不到国家相关卫生标准。因此，空调管道的清洗问题不容忽视，但中央空调的清洗一直以来是 个难题。传统的人工清洗只能清洗部分换热面,过滤器,清洗效率低质量差,大部分管道无法清洗，并且工人工作危险性大、劳动量大。中央空调风管清洗设备主要是为替代人工，用于清洗黑暗、潮湿、结构复杂、人力无法触及的中央空调通风管道。中央空调的清洗技术国外早就有了，但是国内一直是空白。非典前上海曾有两家公司以每套100多万元人民币的价格进口过国外的清洗设备。但是由于我国中央空调的生产规格统一程度较低，各生产厂家的产品规格不尽相同，而国外的产品规格比较统一，使得国外进口的清洗设备对于国内很多中央空调来说并不适用。因此我国迫切需要进行中央空调管道清洗设备的研发，这是很有意义的。本设计要求达到指标：可清洁水平、垂直管道；水平最高行进速度 ： 1 m/s；垂直攀爬速度：100 mm/s；垂直攀爬载重：10 kg；回转半径 ： 0；机械手自由度 ：4；监视器回转速度 ： 20 / 秒；监视器水平回转范围 ： 360度；监视器俯仰回转范围 ： 240度；供电方式：电缆；具备自动故障诊断和报警功能。1.2 国外、国内研究概况空调清洁技术起源于60余年前，是随着中央空调技术同时诞生的。国外从20世纪70年代末80年代初开始重视中央空调的风道清洗，直到1990年前后中央空调清洗才得以普遍实施，并建立了相应行业及国家标准。目前在所有发达国家无一例外地实施了中央空调的清洗。风管清洗在国外是一个比较成熟的市场，其清洗机器人设备的研究和开发也相应地比较成熟。据统计，国际上生产清洗机器人的厂家不下20家，其中比较著名的有瑞典的Wintclean机器人（售价100万元），丹麦的Danduct机器人（售价80万元），加拿大的Airtox机器人（售价60万元），还有美国的Nikro、Vsi（售价均为40万元）等。这些国外管道机器人，其外形结构大同小异，性能也大致相当。空调管道机器人应具备的功能清扫管道灰尘、喷消毒药水、携带CCD摄象机和传感器单元等，因此机器人必须拥有的“器官”有移动载体、安装清洗工具的部件、CCD摄像系统和照明系统、通讯系统、操纵控制系统和其他一些辅助设备等。我国对中央空调风管清洗的重要性认识较晚，对中央空调风管清洗设备的研制起步也较晚。目前我国对集中式空调的管理尚属空白。据了解，有关清洁公共场所空调的规定和措施，只有卫生部在2003年6月发出的公共场所集中空调通风系统卫生规范的通知，这还是因为受非典的启示。该规范对公共场所的空调系统卫生提出了检测标准，并规定公共场所要定期更换或清洗空调通风系统的过滤器(网)、冷却塔等。在颁布公共场所集中空调通风系统卫生规范后，我国的中央空调风管清洗市场急速升温，全国各科研机构、企业单位纷纷投入到中央空调风管清洗设备的研究中,并取得了很好的成果。据报道,东华大学在该校的一项 “自主变位四履带足机器人行走机构”发明专利基础上，首先二次开发了一种具有自主知识产权的新型管道机器人行走机构，能很好地解决管道机器人适应非等径、变截面管道环境难题。然后再在此基础上研制成功一种可用于矩形和圆形通风管道的清扫、视频检测、喷涂消毒的多功能管道清洗机器人产品。该机器人和家用的吸尘器差不多大小，四个脚上有四条履带，能够在9厘米高的台阶上上下下。它的最大的本领就是能顺畅自如地爬到中央空调的各个角落，甚至到各种形状的通风管道中清扫管道中的垃圾，并且通过视频系统清除各个角落里的细菌、病毒，喷涂各种消毒液。该机器人具有以下几个特点和优势：（1）行走机构具备自主管内越障和防倾覆功能，适应复杂的矩形管道或圆形管道环境清扫作业要求（国外产品大多仅适用于矩形管道，不具备管内越障功能）；(2) 管道清洗机器人能进入圆管260mm以上直径、矩形管道140mm以上高度的空调、除尘管道进行清洗（国外产品仅适用于300mm以上高度矩形管道）；(3) 机器人采用模块化结构设计和多电机驱动技术，结构简单、维护方便；(4) 机器人采用计算机图像处理技术，拍摄资料便于保存、播放、携带（国外产品大多采用录像机储存资料）。中国科学院兰州分院科研人员研制成功的清洁机器人样机是根据400毫米400毫米和500毫米500毫米空调通风管道设计的，具有在管道中行走、对管道内污染情况进行观察和对污染物进行清洁的功能。中国科学院兰州分院科技合作处工作人员介绍，国内自主研发的这种清洁机器人具有在管道内前进、后退和转弯等功能，行走速度在每分钟0.5米到1米之间；清洁系统主要是安装在机器人上、可在管道外部控制的清洁动力刷；电缆长度超过30米，不易损害，能够满足基本需要。同国外同类装置相比，该机器人具有尺寸小、成本低、行动灵活、操作可靠、清洁效率高和应用领域广等特点，并且在移动机构的驱动系统、主动控制臂系统、照明系统和清洁系统的设计上均有创新。国内在中央空调管道清洁设备方面的研究越来越多,并取得了一定的突破性成果。但是,包括以上所叙述的设备在内,目前国内研制出来的中央空调管道清洁设备还仅限于水平管道或有小坡度管道的清洗,至今还没有发现可用于垂直管道清洗的中央空调管道清洁设备。1.3 市场需求预测据介绍我国有超过500万个各类中央空调需清洗保养，而且每年正在以10%的速度递增，而这些中央空调大部分运行了20年以上却从未清洗。就目前而言无论从中央空调风道专业清洗服务公司来讲还是从国内外空调风道清洗机器人设备厂家来看，都不能应付这一庞大的清洗市场。从国内方面来说，国内空调管道清洗行业市场还未形成，空调风道清洗行业刚刚起步，国内几乎没有清洗公司能够具备一流的清洗服务队伍，满足各类客户需求，而设备生产厂家除了国外发达国家的成熟产品外，国内能够适应各类风道特点并且技术成熟，实用性强的清洗机器人设备厂家更是凤毛麟角。所以我国目前许多地区的中央空调通风管道清洗市场是一片空白！从国外方面来说，虽然国外厂家的机器人性能成熟，但是它是根据自身的中央空调风道的而制造的，但国外的中央空调风道是标准和规范的，而我国的中央空调风道是根据建筑面积设计安装的，各个风道不尽相同，生产规格统一程度较低，各生产厂家的产品规格不尽相同，属非标产品。使得国外进口的清洗设备对于国内很多中央空调来说并不适用，很大一部分不能对我国中央空调风道产生作用。从以上分析可以看出，我国的中央空调通风管道清洗市场是有很大潜力的，尤其是在2003年“非典”疫情传播后，人们对中央空调给人们带来的疾病隐患有了相当大的认识，国家相应地出台了强制性空调清洗的法规，使得风道清洗行业将成为中国一个新兴的有着巨大潜力的发展行业。开发适合我国中央空调管道清洗机器人产品有很大的经济价值。1.4 设计的重点和难点本次设计主要由三大主要部分的设计构成：（1）移动载体的设计，（2）撑紧装置的设计，（3）机械手的设计。对于管道机器人，移动载体的设计是一个重点。由于机器人工作于空间狭小的管道中，要求其移动载体具有很好的转弯能力。国内清洗市场的产品仅适于水平管道的清洗，而本设计要求机器人同时还要能清洗垂直管道。因此，怎样使中央空调管道清洁设备具有能攀爬垂直管道的能力并具有良好的转弯能力是该产品设计的一个重点也是难点。压紧装置和机械手的设计也是该课题的重点。压紧装置与移动载体相配合，使得机器人具有垂直上爬能力，因此，压紧装置的设计合理与否，直接关系到机器人的工作能力。机械手的设计关系到机器人的工作质量。机器人的工作管道截面面积小，同时机器人的垂直上爬是依靠摩擦力实现的，这对整机的空间尺寸大小和自身重量提出了严格限制。这要求机器人的各部件空间尺寸要尽量地小、质量要尽量地轻。这给机器人的结构设计提出了很大的难题。第2章 总体方案设计2.1 机器人移动载体方案设计2.1.1 总体方案设计机器人移动载体的设计是本次设计的难点之一。如果仅限于地面移动，机器人的移动载体形式有车轮形、履带形、腿脚形、躯干形等四种形态。与其他移动机构相比，车轮形移动机构具有以下一些优点：高速稳定地移动、能量利用率高、机构和控制简单、能借鉴当今已积累的汽车技术与经验等。因此本设计采用轮式结构。按照车轮数目的不同，轮式载体可分为单轮至四轮及五轮以上等几种。其中单轮与两轮主要是用来进行直立稳定移动控制问题的基础研究，而不是着眼于机器人移动机构的实用化问题。如果单考虑平面移动的话，三轮机构已经可以了，但从加强移动过程中的稳定性角度来考虑，目前多数采用的是四轮机构。五轮以上的机构的提出，是因为它在装载重物时具有较大的稳定性，而且适用于台阶、阶梯等非平地状态的移动。因此，本设计采用四轮机构的移动载体。典型的四轮移动机构有如下几种：1) 两轮独立驱动方式如下图2-1所示：图2-1 两轮独立驱动 前后两个为辅助轮（万向轮），左右两轮为独立驱动轮，其自转中心与车体中心重合。它的转向不是通过操舵机构的动作，而是依靠左右两轮的差速实现的，当两轮以相反速度方向转动时，车体能饶自身中心自转，以便在狭窄场合改变方向。这种车轮布置方式在灵活性和稳定性上都是比较好的，由于没有操舵机构，因此该机构也比较简单，可以减轻重量，适合空调管道机器人要求体积小重量轻的要求。它的缺点是当遇到沟槽使得左右两驱动轮被架空时，由于驱动轮不着地不能产生动力，这样的话整个机器人便不能移动了。2) 汽车车轮配置方式见下图2-2所示： 图2-2 汽车车轮配置方式两个操舵轮需要同一个操舵机构来协调转向，此外后轮配有差动齿轮装置，增加了机构的复杂性。由于它的结构比较复杂，所以仅用于智能汽车等的研究方面，而在机器人的移动机构中不太采用。3) 全方位移动车方式（Omni Directional Vehicle,ODV）三轮车或四轮车基本是2自由度的，不能进行任意的定位和定向。ODV的提出就是为了实现机器人任意方向的运动而开发的，它的移动机构具有原地改变方向或以一定姿态角度移动等多种功能。这种ODV结构需要有转向操舵机构和多个离合器，因此，虽然其性能很优越，但机构很复杂，并不适合本设计对移动机构的要求。由于本设计的空调管道清洗机器人要求在管道中行走，对其自身的空间尺寸和自重提出了严格的限制。因此要求机器人的各部分结构要尽量简单。综合考虑上面的方案，结合本设计要求，本设计选用两轮独立驱动方式的移动载体。为了克服上述所提到的该机构的缺点，可以在后万向轮中安装一应急电机，同时在轮轴中安装一超越离合器，机器人正常时应急电机不工作，超越离合器处于超越状态，当遇到左右两个驱动轮被架空时，超越离合器处于啮合状态，应急电机工作。 2.1.2 传动方案设计由于齿轮传动具有结构紧凑、工作可靠、使用寿命长、效率高、传动比准确等优点，因此在考虑具体的传动方案时，应该选用齿轮传动。由于两电机独立驱动，两驱动轮的传动方案是一样的，下面以一轮为例来讨论。在查阅了大量资料之后同时考虑到机器人的水平行走速度和垂直行走速度，经过反复的计算，确定驱动轮的传动方案如下图2-3所示： 图2-3 驱动轮传动方案与为制造有半牙嵌离合器的齿轮。机器人水平行进时，其速度较高，牙嵌离合器啮合，传力路线为：电机齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮车轮；机器人垂直行走时速度较低，牙嵌离合器脱离啮合，传力路线为：电机齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮车轮。由于后万向轮电机仅在特殊情况下工作，对其传动要求并不很严格，再考虑到安装的难易程度，该传动选为蜗轮蜗杆传动，其传动比大、所采用的零件数目少、结构紧凑，其传动方案如下图2-4所示： 图2-4 后万向轮传动方案2.2 撑紧机构方案设计在设计撑紧机构的过程中，我首先从动力源开始考虑。按照动力源的不同，撑紧机构可分为两种：1) 电气撑紧动力由电机提供，考虑理由是电气驱动应用普遍、噪声小、提供动力大。在电机作为动力源的前提下，传动方案又有两种：A） 丝杠螺母传动如下图2-5：图2-5 丝杠螺母传动轮子固定在螺母上，电机带动丝杠转动，使得螺母连同轮子往上移动实现撑紧。这个方案的缺点是机构比较复杂，增加了载重。B）齿轮齿条传动如下图2-6：图2-6 齿轮齿条传动轮子固定在齿条上，通过电机带动齿轮转动，使得轮子连同齿条往上移动实现撑紧。这个方案的缺点除了结构复杂外还有摩擦很大。2) 气动撑紧由压缩空气驱动气缸提供动力，考虑理由是在所有的驱动方式中，气压驱动操作简单、成本低、易于编程，并且气动能很容易地保持输出压力不变。考虑方案如下图2-7，由于气缸的活塞要求直线往复运动同时又要有轻微的圆弧摆动，因此气缸的安装方式为单耳尾座式。另外，气缸活塞杆承受的力应作用在杆轴线上，不允许有偏载，因此采用连杆机构既可避免活塞杆偏载也能起到增力的作用。图2-7 气动撑紧2.3 机械手方案设计2.3.1 自由度分配方案设计本设计要求的机械手自由度数为4。4自由度机械手的自由度分配方案很多，在进行本环节的设计时，一开始考虑了如下图2-8所示的方案：图2-8 机械手自由度分配方案1该方案机械手可以像人的手臂那样通过大臂和小臂关节的转动来实现手爪（对本设计是刷子）的移动来进行工作，而机器人本体可以静止。但该方案只能实现刷子的平动，不能很好地适应有倾斜面情况的清洗。为了克服这个缺点，经过与老师讨论，采用自由度分配如下图2-9所示的机械手臂。 图2-9 机械手自由度分配方案2该手臂腕关节可以转动，刷子装在手腕上实现转动很好地适应了斜面清洗的情况。刷子依靠机器人的前进后退来实现移动。2.3.2 关节传动方案设计 查阅了有关专业资料后确定本设计机械手关节采用“齿轮式机器人关节”，其结构紧凑简单。由于机器手关节要求具有自锁功能，因此再加一级蜗轮蜗杆传动，其传动方案如下图2-10： 图2-10 机械手关节传动方案第3章 具体设计计算3.1 移动载体传动计算3.1.1 左右驱动轮传动计算在前面的方案设计中已经对驱动轮的传动方案进行了讨论，经过反复的计算对比，我选轮子的尺寸为，即D=140mm，R=70mm。1）电机的选择A.电机类型的选择此电机用于驱动机器人行走机构，要求对速度和位移形成反馈，为便于控制，本设计选用直流伺服电机。B.选择电机的容量根据同类产品估计机器的重量为50Kg，g取9.8N/Kg，则。 机器水平行走机器水平行走时分配到每个轮子上的载荷为： 对驱动轮进行受力分析如下图3-1： 图3-1 车轮受力其中：为滚动摩阻，按照实心橡胶轮胎在优质路上时取，则： 为轮子与管道面之间的摩擦力，按照塑料与硬橡胶的摩擦取摩擦系数，则：则轮子行走过程中所受的阻力矩：工作机要求的功率 式中：由 取则：电机所需的输出的功率水平行走的动力传递路线：电机齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮车轮；式中：为轴承的传动效率，取为0.99；为齿轮啮合效率，取为0.97；为离合器效率，取为0.90。故有： 则有： 机器垂直行走机器垂直上爬时除了机器自重外还加上电缆等垂直攀爬载重10kg，故总重量为60kg。机器垂直上爬的理论功率。工作机要求的功率电机所需的功率：其中：垂直行走路线：电机齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮车轮故有：C.确定电动机转速由于单级圆柱齿轮传动传动比范围为15，则有：水平行走总传动比：，电机的转速范围：垂直行走总传动比：，电机的转速范围：查手册选直流伺服电机4040，其额定功率，额定转速，其技术参数如下表3-1：表3-1行走电机技术参数型号额定功率W额定力矩 Nm额定转速额定电流A转动惯量重 量Kg40-40400.095300031.91.1 2） 计算传动装置的总传动比和分配各级传动比水平行走总传动比：垂直行走总传动比：因为垂直行走的传动路线包括水平行走路线，所以可以先按水平行走计算，再加上两级传动成为垂直行走的传动路线。水平行走时平均分配传动比：，即：，则垂直行走时的传动比，其中，分别为齿轮7，8和齿轮9，10的传动比。因为，故有：，平均分配传动比：3） 计算传动装置的运动和动力参数A.水平行走各轴转速 各轴功率,B.垂直行走各轴转速由以上的计算可得: 各轴功率 各轴转矩由以上计算可以看出,机器人垂直行走时各轴的功率均比水平行走各轴功率大,故计算各轴扭矩时应以垂直行走时的功率计算.:轴(电机轴):轴: 轴:轴: 轴: 轴: 把以上的计算数据整理如下表3-2所示：表3-2 各轴计算数据轴（电机轴）轴轴轴轴轴（工作机轴）转速n（r/min）30001071.4382.64136.543.213.65功率P（W） 3634.5733.231.8830.629.4转矩T (Nm)0.11460.3080.8292.236.7620.57传动比i 2.82.82.83.163.164） 传动齿轮尺寸计算在该传动系统中虽然齿轮的位置、功能有所不同，并且材料也有所不同，但都是直齿圆柱齿轮传动，都采用的硬齿面，因此这些齿轮的计算方式是相同的。下面以高速级传动齿轮，为例说明齿轮尺寸计算的具体过程。A.选择齿轮材料、精度等级、齿轮齿数考虑到齿轮传递的功率和扭矩不大，并且机器人的设计要求机器人各部件在满足使用要求的前提下质量要轻，齿轮结构紧凑，所以考虑本级齿轮材料采用工程塑料。通过查阅设计手册，本级齿轮材料选用聚碳酸脂（PC），其抗弯强度为130，齿面硬度4550HRC。机器人行走机构传动齿轮对载荷分布均匀性要求高，故选择齿轮精度为8-8-7。初选小齿轮齿数Z=20，则Z=iZ=2.820=56B.按齿根弯曲疲劳强度设计对闭式硬面齿轮传动，承载能力一般取决于齿根弯曲疲劳强度，故按弯曲强度设计，再校核其接触强度是否满足。齿根弯曲疲劳强度设计公式如下：确定式中各项数值：按载荷有轻微冲击，查得K=1.10, 初选载荷系数K=1.5；由公式= 得：=由公式 ,可得重合度系数再通过查表取：=0.5 =2.81 =1.56 =2.30 =1.72 由公式=60nj（按设备每天工作8小时，年限为10年），算得齿轮工作应力循环次数分别为：=60=6030001（830010）=4.3210=再由上面所求得的，查得：Y=0.87 , Y=0.89；按一般可靠度查表选择S=1.25；按齿轮材料聚碳酸脂（PC），查得其弯曲疲劳极限=130Mpa则有： =90.48MPa=92.56MPa=0.0484=0.0427 取=0.0484设计齿轮模数；将确定后的各项参数代入设计公式，求得：=0.388（mm）修正m： v=1.2（m/s）再经过查表得：=1.11 =1.18 =1.2；则 K=1.101.111.181.2=1.73m=0.388=0.41（mm） 为提高安全性和便于计算，按第一系列取标准模数 m=1mm则齿轮的主要几何尺寸如下：d= mz=120=20（mm） d= mz=156=56（mm）a=38（mm）b=（mm） 取B=10（mm） B=12（mm）C.校核齿面接触疲劳强度齿面接触疲劳强度校核公式：经过查表得： Z=30 ； Z=2.5 ； Z=0.88；按不允许出现点蚀，查得： Z=0.92 , Z=0.95 ；查出：；查表选取 则有：；将确定出的各项数值代入接触强度校核公式，得：因此齿轮的接触强度满足要求。根据同样的计算步骤可以计算出该传动方案中其他齿轮的各参数，现将计算结果列表如下表3-3：表3-3 行走传动齿轮计算结果齿数Z20562056205622701958分度圆直径d（mm）20 562056205627.587.527.587.5齿宽B（mm）1210121012107597模数m（mm）1111111.251.251.251.25 3.1.2 后万向轮传动计算1）电机的选择A.电机类型的选择由于传动性质与左右两驱动轮传动性质相同，因此这里的电机仍选用直流伺服电机。B.选择电机的容量轮子的直径选为70mm，即D=70mm，R=35mm，此时移动速度设为0.44m/s。这时分配到每个轮子上的载荷为： 滚动摩阻和摩擦力的计算与前同。即：则轮子行走过程中所受的阻力矩：工作机要求的功率 式中：由 取则：电机所需的输出的功率由传动方案图可知：式中：为蜗轮啮合效率，取为0.80。为轴承的传动效率，取为0.99；为齿轮啮合效率，取为0.97；故有： 则有：查阅新编非标准设备设计手册，选择直流伺服电机55SZ51,电机的技术参数如下表3-4所示：表3-4 后万向轮电机数据型号电压(V）电流(A)功率(W)转速(r/min)转矩(Ncm)电枢励磁电枢励磁2930009.1155SZ51 242.250.49 2）蜗轮蜗杆的计算由于蜗轮轴即为车轮轴，因此蜗轮转速即为轮子的转速，为120r/min，蜗杆轴为电机轴，转速为3000r/min，则传动比。A. 选择蜗轮、蜗杆材料，确定许用应力由于该传动作为应急传动，要求其要可靠，所以蜗杆材料选为40Cr，表面淬火，硬度4550HRC；由于该蜗轮蜗杆传动只是备用传动，并且转速不高，因此蜗轮材料为ZcuAl10Fe3Mn2,金属模铸造。应力循环次数N60nL=6012083005=8.6410查表得：=180MPa =100MPa 因此有：B. 选择，传动比，取，则C. 按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度设计公式为：查表得；由于，取；因载荷平稳，取 ；则载荷系数 ；初选 查表得：；将这些数据代入接触强度计算公式，求得：按接触强度要求，因此可以选取：m=1mm ,d=10mm, ，。中心距由于a=30mm不是标准推荐中心距，如选择标准中心距，蜗轮将变位。本设计不采用变位，取a=30mm不变。D. 验算初设参数蜗轮圆周速度原估计，选值，相符。滑动速度 原估计，选值，相符。所选涡轮材料为ZcuAl10Fe3Mn2合适。蜗杆传动效率 查表得，传动效率，初选吻合。E. 验算齿根弯曲疲劳强度 齿根弯曲疲劳强度验算公式：=60.9 MPa 蜗轮当量齿数 ， 查得齿形系数 则可求得：,代入上式中可得：弯曲强度满足要求。F. 蜗杆、蜗轮几何尺寸计算蜗杆齿顶圆直径：=12mm （）蜗杆齿根圆直径：=7.8mm （=0.2）蜗杆齿宽： 取蜗轮喉圆直径： （），蜗轮齿根圆直径： 蜗轮咽喉母圆半径：3） 超越离合器的选择蜗轮与车轮轴之间应该安装一超越离合器，机器人正常时，超越离合器处于超越状态，当遇到左右两个驱动轮被架空时，超越离合器处于啮合状态，此时电机动力通过蜗杆蜗轮和超越离合器传递到车轮轴上，驱动车轮前进。选择超越离合器时应以计算出的车轮的扭矩作为主要指标，同时还应该考虑蜗轮直径和车轮轴的直径。通过互联网信息，我选择了洛阳高新超越机械有限公司的HFL冲压外圈滚针超越离合器，这种离合器是一种具有最小径向截面的外星轮式超越离合器。它由薄壁冲压外圈、塑料保持架、镶嵌于保持架中的金属异型弹簧和装于保持架兜孔中的滚针组成，滚针是锁紧原件。我选择的产品型号为HF1416，其扭矩为17.3Nm,极限转速为9500r/min 。3.2 撑紧气动系统的设计计算3.2.1 气缸的选择机器人垂直上爬时，对其各轮子进行受力分析，如下图3-2： 图3-2 垂直上爬轮子受力为机器人自重，50Kg;为垂直攀爬载重，10Kg。由力的平衡有等式：式中：；F为气缸的撑紧力所以代入可得：故有：代入数值可得： 所以：由于在气缸的使用中采用了2倍增力机构，因此气缸的实际推力为：由公式： 可得：式中：为气缸的静推力； D为气缸活塞的直径； P为气压；为载荷率。由于这里对气缸的动态参数要求低，且气缸的工作频率低，其载荷率取为0.85，取气压P为0.6MPa,则有：查阅手册选取广东肇庆方大气动有限公司生产的气缸内径为mm的10A-5系列气缸，该系列产品引进日本TAIYO株式会社技术，主要零部件用铝合金制造，重量轻，无给油润滑。其使用压力范围为（0.05-1.0）Mpa，使用温度范围为（-2580）。3.2.2气动辅助元件和回路的选择设计为实现气缸的来回动作，气动回路中必须有换向阀这里的换向阀应为两位三通换向阀，查阅手册，选择无锡市华通气动制造有限公司生产的PC系列二位四通直动式电磁阀，其技术规格如下表3-5：表3-5 二位四通直动式电磁阀技术规格型号工作介质工作压力/MPa额定流量/最高换向频率/Hz允许漏泄量/工作电压 /VPC24-1/2洁净压缩空气00.810110另外,在气缸的使用中，安装的气源进口处必须设置有气源调节装置，过滤器减压阀油雾器，在市场中把这三种装置做成一个组合件，即三联件，它在气动系统中起着过滤、调压及油雾化的作用。这里，我选择了无锡市华通气动制造有限公司生产的389系列三联件，其输入压力为1MPa,输出压力为0.6MPa。选择了上述气缸和各种阀后，便可以画出气动系统原理回路如下图3-3：图3-3 气动回路简图3.3 机械手的具体设计计算机械手摆动关节的转动速度定为 ,根据类比法估计重量：大臂：5Kg;小臂：5Kg。估计整臂的长度为350mm。3.3.1 电机的选择及传动比的分配机械手的自由度为4，故应该有4个关节电机。另外，机器人的清洗是依靠刷子的高速旋转实现的，因此还应该有一驱动刷子旋转的电机，因此本机械手共包括5个电机。这里的电机同样选为直流伺服电机。这里详细介绍大臂关节的摆动自由度电机的选择计算，其他电机只给出结果。近似设计：把手臂看作均质细长杆，其质心位于手臂中心则大臂关节所承受的最大力矩为：则大臂关节处的功率：电机所需输出功率 ： 由于电机的额定转速都很高，为了使结构简化，机械手的电机选用自带减速机的电机。查阅设计手册可知，SKY空心杯永磁直流伺服电机38SKY60.24.40.G.T.01的额定功率为18W，额定转速为4400r/min。减速机的减速比选为18，其效率为73%，则选用该电机与减速机组合时电机的最终所须的输出功率为，因此选择该电机合适。此时电机的输出转速。大齿轮的转速，则总传动比因此可以分配传动比为：齿轮级：4；涡轮级：12.22。机械手臂其他电机的计算类似，现把计算结果列表如下表3-6： 表3-6 机械手电机数据大臂Z向和X向旋转电机小臂Z向旋转电机手腕电机刷子旋转电机型号38SKY60.24.40.G.T.0128SKY41.27.80.G.T.0128SKY41.27.80.G.T.0128SKY41.27.80.G.T.01额定功率P(W) 187.37.37.3额定电压V(v)24272727减速机减速比i183010018额定输出转速n(r/min)244.4216.71083613.3.2传动齿轮、蜗轮蜗杆的尺寸计算这部分齿轮和蜗轮蜗杆的计算步骤与行走载体的齿轮和蜗轮蜗杆传动计算步骤相类似，这里只给出计算结果如下表3-7和表3-8所示：表3-8小臂关节Z向转动传动齿轮和蜗轮蜗杆数据齿轮蜗杆蜗轮齿数Z1872224分度圆直径d18721448模数m1122表3-7大臂关节Z向和X向转动传动齿轮和蜗轮蜗杆数据齿轮蜗杆蜗轮齿数Z1957228分度圆直径d19571035模数m111.251.25：3.4 轴的设计、计算与校核本设计中的轴大部分都是以心轴的形式存在的，即只承受弯矩而不承受扭矩，但输出轴既承受弯矩也承受扭矩，因此这里只讨论行走载体的输出轴的设计校核过程。1） 初估轴径一般按照许用扭转剪应力的方法估算轴径，估算公式为： mm主轴采用40Cr，C取98107，这里取100则对输出轴：2） 轴的结构设计在最小轴径的基础上，根据轴上零件的位置、类型、尺寸，以及定位、定位方式和载荷情况，我们就可以设计阶梯轴的轴向尺寸和形状，对于要与例如轴承等标准零件配合的部分，应采用标准的轴径，其他部分的轴径和轴肩尺寸，只要略高于前端轴径即可。在进行机构的具体设计时，考虑到具体的结构定位问题，把轴和轴做成是同一根轴，对于其是否满足强度要求可以通过下面对轴的强度校核来说明。经过具体的设计，行走载体输出轴的结构如下图3-4：图3-4 行走载体输出轴的结构2） 轴的校核由于机器人水平行走和垂直行走要求不同的传力路线，这里以垂直行走的传力路线校核轴的强度。对输出轴进行受力分析，如下图3-5所示：图3-5 输出轴受力分析其中： ； 由于齿轮6和齿轮7为通过轴承空套在轴上，因此其切向力和对轴的弯扭不产生影响，只需考虑径向力和。另外，是通过两端的深沟球轴承作用在轴上的，而由于离轴端很近，可认为其直接作用在轴端。经过以上分析，可把轴简化为下图3-6：图3-6 轴的简化图图中： 把其受力分解为水平和垂直两个方向：水平方向受力如图3-7所示： 图3-7 水平方向受力图求得支反力：， 作出其剪力图和弯矩图如下图3-8： 图3-8 水平方向剪力图和弯矩图垂直方向受力如图3-9所示： 图3-9 水平方向受力图求得支反力：， 作出其剪力图和弯矩图3-10如下：图3-10 垂直方向剪力图和弯矩图从弯矩图上可以看出，轴的危险截面为、截面，求得各截面的合成弯矩如下：按弯扭合成校核轴的强度：对、截面，由于其半径相同，只需校核截面即可：对截面：，由于截面带有键槽，查得此时的抗弯截面系数，代入数值得：所以 对截面，其只受弯矩的作用，故有：输出轴材料采用40Cr，其许用弯曲应力MPa ,由此可见，该轴的几个危险截面满足强度要求。3.5 轴承的寿命计算这里计算输出轴上的角接触球轴承的寿命。（1）计算轴承所受的径向载荷和由前面轴的校核计算已知：水平支反力，垂直支反力，求得合成支反力：（2）计算轴承的轴向载荷和由于成对安装两个同一型号的角接触轴承可按双列轴承进行寿命计算，其基本额定动载荷和当量动载荷均应取双列轴承的数值，查得内径为17mm的双列角接触球轴承的,。轴承内部派生轴向力S=eR，其中e为判断系数，其值由的大小来确定，先估取e=0.4，则有：；因为，所以轴承1“放松”，轴承2“压紧”因此 求得，代入公式再次计算得：；同理由轴向载荷判断比较知轴承1“放松”、轴承2“压紧”，故有： N （3）计算轴承的当量动载荷和因为 查表得径向载荷系数和轴向载荷系数为： 轴承1 ，；轴承2 ，（选公称接触角的角接触球轴承，其动载荷系数按深沟球轴承取）因轴承在运转中无冲击或只有轻微冲击，查得，取。则： （4）计算轴承寿命因为，故应以计算轴承的寿命：第4章 结构设计设计工作是一个反复进行不断修改寻优的过程。在结构设计的过程中，要考虑结构是否满足强度要求、刚度要求、装配的精度要求、确保各个零件的可装配性外，尽量使结构紧凑和便于安装。在进行机器人设计的过程中，我把机器人的设计分为三大主要部分：移动载体、撑紧装置和机械手，采用模块化设计方法。模块化设计是机构设计的发展趋势，具有便于安装和维修更换零部件的优点。把机器人的移动本体、撑紧机构和机械手分别独立加工装配，然后组装在一起。这样对于各个部件的维修和更换是很方便的。行走载体主要包括一系列减速齿轮，为了使结构紧凑，同一轴上的两个齿轮做成一个整体，轴承外圈依靠过盈装在齿轮组合体上，依靠内圈与轴肩实现轴承定位。支撑轴固定不动，只承受弯矩作用。考虑到管道内壁不会严格是平面，故在撑紧机构的设计中，轮子与增力连杆之间设有球铰，使得机器人在管道内壁有轻微倾斜的情况下仍能保证撑紧轮同时与管壁接触。撑紧机构与行走本体的连接是通过下壳体气缸座和气缸尾部的连接与增力连杆和上壳体的连接装配在一起的。在机械手的设计中、，同样是把同轴上的齿轮与蜗轮做成一体的惰轮。惰轮在轴上转动而轴固定。机械手与行走本体是通过螺钉连接在一起的。第5章 控制部分设计在当今，电气控制主要指计算机控制。计算机控制系统是伴随着计算机技术的发展而发展起来的。由于计算机控制具有控制灵活、控制精度高、抗干扰能力强、可靠性高、有良好的柔性并能实现多个系统的协调控制、没有参数漂移等优点，因此，越来越多的控制系统采用计算机控制。目前，在机电一体化产品中，多数是以计算机为核心构成控制系统。计算机控制系统具有如下的特点：（1）具有完善的输入输出通道，包括模拟量输入输出和数字量或开关量输入输出通道等，这是计算机有效地发挥其控制功能的重要保证。（2）具有实时控制功能即具有完善的中断系统、实时时钟及高速控制通道，以保证对被控对象及参数的变化及一些紧急情况做出迅速响应，并能实现实时进行计算机与被控对象之间的信息交换。（3）可靠性高，对环境的适应性强，以保证生产现场的应用要求。（4）具有一系列丰富、完善的软件系统。计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。工业控制机包括硬件和软件两部分，硬件包括主板机、内部总线和外部总线、人机接口、系统支持板、磁盘系统、通信接口和输入输出通道；软件包括系统软件、支撑软件和应用软件。生产过程包括被控对象、执行机构、电气开关等装置。在本控制部分的设计中，为集中空调管道清洗机器人设计一套控制系统，并主要指硬件部分。 5.1 测控系统总体方案制订常见的机器人控制有两种方式：（1）集中控制；（2）分散控制。集中控制是由一台主机控制一个机器人系统。主机负责全部控制系统工作，包括机器人的运动学分析、路径规划及控制算法等。各个关节的驱动和控制是通过一个接口卡直接和集中控制计算机相连的，能够实现在线编程、友好交互，系统具有简单、搭接方便等优点。分散控制是指系统具有一个主处理器同时还有多个分处理器。主处理器负责总体的控制，分处理器各关节的控制。分散系统提供了一个开放、实时、精确的机器人控制系统，多用于要求较高、运算量较大的机器人控制系统。综合考虑这两种控制方式，本机器人应该采用分散控制方式控制，采用分散控制方式还能提高系统控制的可靠性。伺服系统是所有机电一体化设备的核心，它是指以位移，速度，加速度，力和力矩等作为被控量的一种自动控制系统。它包括开环，全闭环和半闭环等伺服系统。开环系统没有位置检测反馈装置，结构简单，成本低但其精度不足，用于精度速度要求不高的场合。闭环系统具有检测装置，稳定性好，具有较高的性能比，被广泛应用于机电一体化设备。在这次设计的集中空调管道清洗机器人设备中，所用到的电机有如下几个：行走载体两个电机；后万向轮一个电机；机械手大臂关节Z向和X向旋转各一个电机；小臂的Z向旋转一电机；手腕旋转一电机；刷子转动一个电机还有摄像头的水平旋转和垂直旋转各一个电机。另外，在设备中还有一电磁换向阀和一电磁铁，在考虑控制系统的总体方案时这些都应该作为被控对象。由于后万轮电机只是作为应急电机而存在，对其速度控制的要求并不高；而其他电机均应有速度控制方面的要求，因此，除了后万向轮外，所有电机均应接成反馈控制，采用光电编码器作为反馈元件，其反馈量由光电编码器给出。直流伺服电机的控制理论成熟，它需要一个功率放大环节，多采用PWM脉宽调制式H型功放，把来自前一级子控系统的的信号放大以驱动电机。光电编码器的输出需要接回子控系统中作为电机的反馈信号。电磁铁线圈也应由功放模块驱动。根据以上论述，可拟定控制系统总体框图如下图5-1所示。 5.2 测控系统硬件模块的设计在前面制订出控制系统总体框图的基础上，下面的工作就是根据具体的设计要求选定各模块内的芯片以及各元件。驱动直流电机的功率放大器种类较多，常用的元件有晶闸管，电力晶闸管（GRT），功率场效应晶体管（Power MOSFET），绝缘栅双级晶体管（IGBT），等等。由它们构成各种功率放大电路，目前以脉冲宽度调制放大线路（PWM）应用最为广泛。使直流电机实现（PWM）脉冲宽度调速，必须有脉冲宽度调制线路，它的输入信号为直流电压，输出为频率固定、脉冲宽度一定、脉冲宽度与成线性关系的方脉冲串。它的基本组成是电压比较器和一个产生固定频率的三角波发生器，后者输出的三角波电压作为参考电压，它与输直流信号在电压比较器输入端迭加，从而完成脉冲调制。在计算机控制系统中，主控制器CPU是核心元件，目前应用广泛的是MCS51系列单片机，在编码器输入、PWM输出模块中采用了89C51单片机。现把其主要引脚介绍如下：1.控制信号引脚（1）RST/Vpd （复位信号/备用电源） RST是复位信号输入端，此脚出现两个机器周期高电平信号时，将使单片机复位。