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）

长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 1 页 装 订 线 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 设计题目、意义及要求设计题目、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。 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 2 页 装 订 线 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 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 3 页 装 订 线 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。 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 4 页 装 订 线 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。 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 5 页 装 订 线 第第 2 章章 总体方案设计总体方案设计 2.1 机器人移动载体方案设计机器人移动载体方案设计 2.1.1 总体方案设计总体方案设计 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： 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 6 页 装 订 线 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。 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 7 页 装 订 线 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 7 Z 与 10 Z 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 1 Z 齿轮 2 Z 齿轮 3 Z 齿轮 4 Z 齿轮 5 Z 齿轮 6 Z 齿轮 7 Z 齿轮 10 Z 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 1 Z 齿轮 2 Z 齿轮 3 Z 齿轮 4 Z 齿轮 5 Z 齿轮 6 Z 齿轮 7 Z 齿轮 8 Z 齿轮 9 Z 齿轮 10 Z 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： 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 8 页 装 订 线 图 2- 4 后万向轮传动方案 2.2 撑紧机构方案设计撑紧机构方案设计 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： 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 9 页 装 订 线 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 机械手方案设计机械手方案设计 2.3.1 自由度分配方案设计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 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 10 页 装 订 线 （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 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 11 页 装 订 线 第第 3 章章 具体设计计算具体设计计算 3.1 移动载体传动计算移动载体传动计算 3.1.1 左右驱动轮传动计算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mm140，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NG4908 . 950=。 1 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： NGF 5 . 122490 4 1 4 1 = 对驱动轮进行受力分析如下图 3- 1： 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 12 页 装 订 线 图 3- 1 车轮受力 其中： f M 为滚动摩阻， Nf FM= 按照实心橡胶轮胎在优质路上时取mm1=，则： )(1225 . 0 )( 5 . 122 5 . 1221mNmmNFM Nf = f 为轮子与管道面之间的摩擦力， N Ff= 按照塑料与硬橡胶的摩擦取摩擦系数1 . 0=，则： )(25.12 5 . 1221 . 0NFf N = 则轮子行走过程中所受的阻力矩： )(98 . 0 1225 . 0 107025.12 3 mNMRfT fW =+=+= 工作机要求的功率 w ww W nT P 9550 = 式中：mNTw98 . 0 = 由 min)/( 5 . 136 07 . 0 2 1 2 2r R V nn R V ww = = 取7 . 0= w 则：)(20 7 . 09550 10 5 . 13698 . 0 9550 3 W nT P w ww W = = 电机所需的输出的功率 w d P P= 水平行走的动力传递路线： 电机齿轮 1 Z 齿轮 2 Z 齿轮 3 Z 齿轮 4 Z 齿轮 5 Z 齿轮 6 Z 齿轮 7 Z 齿轮 10 Z 车轮； lgr 34 = 式中： r 为轴承的传动效率，取为 0.99； g 为齿轮啮合效率，取为 0.97； l 为离合器效率，取为 0.90。 故有： 79 . 0 9 . 097 . 0 99 . 0 3434 = lgr 则有：)( 3 . 25 79 . 0 20 W P P w d = 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 13 页 装 订 线 2 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)( 8 . 581 . 08 . 960 WP=。 工作机要求的功率)( 4 . 29 8 . 58 2 1 2 1 WPPw= 电机所需的功率： w d P P= 其中：min)/(65.13 07 . 0 2 1 . 0 2 r R V nw= = 垂直行走路线：电机齿轮 1 Z 齿轮 2 Z 齿轮 3 Z 齿轮 4 Z 齿轮 5 Z 齿轮 6 Z 齿轮 7 Z 齿轮 8 Z 齿轮 9 Z 齿轮 10 Z 车轮 817 . 0 97 . 0 99 . 0 5555 = gr 故有：)(36 817 . 0 4 . 29 WPd= 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：125151 33 =，电机的转速范围： min)/(17062 5 . 136)1251 ( 5 . 136r= 垂直行走总传动比：15625151 55 =，电机的转速范围： min)/(213281 5 . 136)156251 ( 5 . 136r= 查手册选直流伺服电机 4040，其额定功率WPed40=，额定转速 min/3000rn=，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 1 min 额定电流 A 转 动 惯 量 25 10mkg 重 量 Kg 40- 40 40 0.095 3000 3 1.9 1.1 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：22 5 . 136 3000 = w n n i 总 垂直行走总传动比：220 65.13 3000 = w n n i 总 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， 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 14 页 装 订 线 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：8 . 222 3 =i，即：8 . 2 563412 =iii，则垂直 行走时的传动比 10,98 ,7 iiii 总总 =，其中 8.7 i ， 10, 9 i分别为齿轮 7，8 和齿轮 9， 10 的传动比。因为22= 总 i，故有：10 10,98 ,7 =ii，平均分配传动比： 16 . 3 10 10, 98 ,7 =ii 3） 计算传动装置的运动和动力参数 A.水平行走 1 各轴转速 min/3000rnn w = min/ 4 . 1071 8 . 2 3000 r n n n = min/64.382 8 . 2 4 . 1071 r n n n = min/ 5 . 136 8 . 2 64.382 r n n n = min/ 5 . 136 rnn = 2 各轴功率 )( 3 .25WPP d =,)( 3 . 2497 . 0 99 . 0 3 . 25WPP gr =, )( 3 . 2397 . 0 99 . 0 3 . 24WPP gr =, )( 4 . 2297 . 0 99 . 0 3 . 23WPP gr = )(2090 . 0 97 . 0 4 . 22WPP gr = B.垂直行走 1 各轴转速 由以上的计算可得: min)/(3000 rn=min)/( 4 . 1071rn=min)/(64.382rn=min)/( 5 . 136r n= min)/( 2 . 43 16 . 3 r n n = min)/(65.13 16 . 3 r n n = 2 各轴功率 )(36 WPP d =)(57.3497 . 0 99 . 0 36WP =)( 2 . 3397 . 0 99 . 0 57.34WP= )(88.3197 . 0 99 . 0 2 . 33W P= )( 6 . 3097 . 0 99 . 0 88.31W P = )( 4 . 2997 . 0 99 . 0 6 . 30W P = 3 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):)(1146 . 0 3000 1036 95509550 3 mN n P T w d = = 轴: )(308 . 0 4 . 1071 1057.34 95509550 3 mN n P T = = 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 15 页 装 订 线 轴:)(829 . 0 64.382 10 2 . 33 95509550 3 mN n P T = = 轴: )(23 . 2 5 . 136 1088.31 95509550 3 mN n P T = = 轴: )(76 . 6 2 . 43 10 6 . 30 95509550 3 mN n P T = = 轴: )(57.20 6 . 13 10 4 . 29 95509550 3 mN n P T = = 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） 3000 1071.4 382.64 136.5 43.2 13.65 功率 P（W） 36 34.57 33.2 31.88 30.6 29.4 转矩 T (Nm) 0.1146 0.308 0.829 2.23 6.76 20.57 传动比 i 2.8 2.8 2.8 3.16 3.16 4） 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 1 Z ， 2 Z 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 130MPa，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 Z1=20，则 Z2=i 1 Z1=2.820=56 B.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 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 16 页 装 订 线 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： 3 2 1 1 2 m F SaFa d YY Z YKT 确定式中各项数值： 按载荷有轻微冲击，查得 K A=1.10, 初选载荷系数 Kt=1.5； mmNTT 6 . 114 1 = 由公式 =cos 11 2 . 388 . 1 21 + ZZ 得： =66 . 1 0cos 56 1 20 1 2 . 388 . 1 cos 11 2 . 388 . 1 21 =+=+ o ZZ 由公式 75 . 0 25 . 0 +=Y,可得重合度系数7 . 0 66 . 1 75 . 0 25 . 0 75 . 0 25 . 0 =+=+=Y 再通过查表取： d =0.5 1Fa Y=2.81 1Sa Y=1.56 2Fa Y=2.30 2Sa Y=1.72 由公式N=60nj h L （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： 1 N =60 h jLn1=6030001（830010）=4.3210 9 2 N = 9 9 1 1054 . 1 8 . 2 1032 . 4 = = i N 再由上面所求得的 1 N ， 2 N 查得：Y 1N =0.87 , Y 2N =0.89； 按一般可靠度查表选择 S minF =1.25； 按齿轮材料聚碳酸脂（PC） ，查得其弯曲疲劳极限 1limF = 2limF =130Mpa 则有： 1F = min 11lim F NF S Y = 25 . 1 87 . 0 130 =90.48MPa 2F = min 22lim F NF S Y = 25 . 1 89 . 0 130 =92.56MPa 11 1 FaSa F YY = 48.90 56 . 1 81 . 2 =0.0484 22 2 FaSa F YY = 56.92 72 . 1 30. 2 =0.0427 取 11 1 FaSa F YY =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： 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 17 页 装 订 线 3 2 1 1 t 2 m F SaFa d t YY Z YTK =3 2 0484. 0 205 . 0 7 . 0 6 . 1145 . 12 =0.388（mm） 修正 mt： v= 100060 11 nzmt = 100060 300020388 . 0 14 . 3 =1.2（m/s） 再经过查表得： V K =1.11 K =1.18 K =1.2； 则 K= A K V K K K =1.101.111.181.2=1.73 m=3 t t K K m=0.3883 5 . 1 73 . 1 =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： d1= mz1=120=20（mm） d2= mz2=156=56（mm） a=() 21 2 zz m +=()5620 2 1 +=38（mm） b= 1 d d =10205 . 0=（mm） 取 B2=10（mm） B1=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： u u bd KT ZZZ HEH 12 2 1 1 = H 经过查表得： ZE=30MPa ； ZH=2.5 ； Z=0.88； 按不允许出现点蚀，查得： Z 1N =0.92 , Z 2N =0.95 ； 查出：MPa HH 400 2lim1lim =； 查表选取 1 lim = H S 则有： MPa S Z H NH H 368 1 92 . 0 400 lim 11lim 1 = =； MPa S Z H NH H 380 1 95 . 0 400 lim 22lim 2 = = 将确定出的各项数值代入接触强度校核公式，得： 1 22 1 1 25 8 . 2 8 . 3 2010 6 . 11473 . 1 2 88.5 . 230 12 H HEH Mpa u u bd KT ZZZ = 查表得径向载荷系数和轴向载荷系数为： 轴承 1 1 1 =X，0 1= Y； 轴承 2 56 . 0 2 =X，2 . 1 2 =Y 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 30 页 装 订 线 （选公称接触角 o 5=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2 . 10 . 1= p f，取0 . 1= p f。 则： ()()( 6 . 35817 .12170 6 . 358110 . 1 11111 NAYRXfP p =+=+= ()()(52.32607 .12172 . 1321356. 00 . 1 22222 NAYRXfP p =+=+= （4）计算轴承寿命 因为 21 PP，故应以 1 P 计算轴承的寿命： )( 3 . 72758 6 . 3581 1014 60 10 60 10 3 36 3 1 6 h nP C n Lh= = 第第 4 章章 结结构设计构设计 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 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 31 页 装 订 线 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。 第第 5 章章 控制部分设计控制部分设计 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。 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 32 页 装 订 线 （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 长 春 大 学 毕业设计 （论文） 纸 共 38 页 第 33 页 装 订 线 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