毕业设计（论文）-水下物证打捞机器人自动收线器的设计及实现.docx

昆明理工大学 设计（论文）专用纸水下物证打捞机器人自动收线器的设计及实现全套设计加扣 3012250582学校： 昆 明 理 工 大 学 专业： 机械工程及自动化 班级： 2011 级 2 班 学生姓名： 指导教师： 教师单位： 机电工程学院 教师职称： 时间： 2015年6月 Design and implementation of the machine collect line automatically of the robot which salvage material evidence underwaterUniversity: Kunming University of Science and Technology Major: Mechanical Engineering and Automation Grade: Grade 2011 Class 2 Name: Advisor: Department: Faculty of Mechanical and Electronic Engineering Academic Title: Lecturer Date： June 2015 摘 要水下打捞机械手自动收线装置，对于整个水下打捞机械手装置来说是很重要的一部，其承担着将水下打捞机械手下放到水下，控制着机械手沉入水中的深度，将机械手提升到水面的整个工作过程。此外，还需要通过线缆将控制信号传递给机械手，同时将机械手反馈的信号传递给控制箱。通过运用无刷直流轮毂电机，减少了传动链，使自动收线设备的结构得到很大的简化，从而提高了设备的便携性，同时还采用了往复丝杠自动排线装置，能够将线缆回收后整齐的排列在卷筒上。在收线器引出线缆的末端，安装有一个定滑轮，可以将有排线架引起的线缆的摆动消除，从而提高机械手在水中的平稳性，增加了机械手的可控程度。此外，收线器的控制系统采用类自行车的控制方式，运用一只手就能操作将机械手提升、悬停和下方的整个工作过程。收线器上安装有导电滑环，可以将旋转中的卷筒上的线缆引出到监视控制箱上，控制箱上的线缆与收线器上的线缆通过航空插头连接，可以方便的实现收线器与控制箱上线缆的分离。最后通过ADAMS软件仿真，说明设计的结果是符合实际的要求的。关键词：水下打捞；自动收线器；无刷直流电机；同步带轮；导电滑环；ADAMS仿真AbstractThe automatic collect-line device which can put the salvage underwater manipulator into the water, control the depth of the manipulator submerged in the water, as well as lift the manipulator during the process of the whole work, is an important part of the salvage underwater manipulator. In addition, it is necessary to deliver pilot signal to the manipulator, and transfer manipulators feedback information to the control cabinet at the same time.It decreased transmission chains for simplifying the structure of automatic collect-line device and improving the portability of the device by utilizing the brushless direct current in-wheel motor, meanwhile, it adopted the reciprocating screw automatic wiring devices to arrange the cables on the reel fitly after withdrew them. A fixed pulley which can eliminate the cables swing caused by creel stand, thereby improved the stability of the manipulator and increased the manipulators controllable degree, was in the end of the take-up device. Beside, the take-up devices control system adopted a control way which can operate the process of the whole work included lifting, hovering, laying down just by utilizing the manipulator.There was a conductive slip ring in the take-up device, it can draw the cables from the rotating reel to the monitoring control cabinet. The connecting between the cables of control cabinet and the cables of the take-up device by the aviation plug is convenient to separate the cables of control cabinet from the take-up device.Finally, It showed that the results accord with actual requirement by utilizing the ADAMS software to simulate.Key words: Salvage underwater; Machine collect line automatically; Brushless direct current in-wheel motor; Synchronous pulley; Conductive pulley; ADAMS simulation 目录第1章 绪论11.1 水下打捞机器人简介11.1.1 照明摄像系统21.1.2 水平移动推进系统31.1.3 移动方向控制系统31.1.4 机械手抓取系统41.2 自动收线器的国内外研究现状51.3 小结8第2章 自动收线器的方案设计92.1 拟解决的关键问题92.1.1 线缆引出92.1.2 排线装置92.1.3 自锁装置92.1.4 应急方案102.2 自动收线器的方案设计102.2.1 动力装置102.2.2 导线引出装置112.2.3 自锁装置122.2.4 排线装置132.2.5 应急装置162.3 方案确定162.3.1 自动收线器方案一172.3.2 自动收线器方案二182.4 方案评价192.5 小结20第3章 自动收线器设计说明213.1 电机及卷筒设计213.2 排线装置设计计算293.2.1 往复丝杠设计303.2.2 双向丝杆导向块设计333.2.3 同步带轮设计343.3 线缆排布393.4 自动收线器在SolidWorks中的三维模型413.5 自动收线器在ADAMS中的仿真43第4章 无刷直流电机控制474.1 无刷直流电机的正反转474.1.1 无刷直流电机正转474.1.2 无刷直流电机反转484.2 无刷直流电机控制原理494.2.1 三相半控电路494.2.2 三相星形联结全控电路534.2.3 三相三角形联结全控电路564.3 自动收线器控制系统584.4 自动收线器电源59第5章 结论61第6章 总结与体会62致谢64参考文献66附录A 外文原文68附录B 外文翻译69第III页第1章 绪论1.1 水下打捞机器人简介水下打捞机器人是用来发现并打捞犯罪嫌疑人丢弃在水中的作案工具，如刀具或者其它物证等。如图 11所示，水下打捞机械手、连接机械手和监视控制箱的线缆和监视控制箱这三部分共同构成了水下打捞机器人系统。使用水下打捞机器人时，首先需要将水下机械手通过连接线缆放入水中，并通过线缆与水上的监视器连接，线缆可以控制水下机械手放入水中的深度，在机械手上安装的摄像头能够看到水中的影像，并且可以通过线缆将画面实时传回到监视控制箱上，当发现可疑物时，即可通过监视控制箱上来操控机械手对其进行抓取，机械抓取到可疑物以后将机械手和可疑物一并收回。图 11水下打捞机器人的组成水下打捞机器人的关键部分水下打捞机械手由照明系统摄像系统、水平方向运行推进系统、移动方向控制系统、机械手抓取系统四部分组成，如图12所示，在使用过程中可以控制机械手在水平方向、移动方向上移动，这样更有利于搜寻到可疑物。图12 水下打捞机械手结构1.1.1 照明摄像系统照明摄像系统位于设备的底部，如图 13所示，由两只LED照明灯和一个摄像头组成，LED灯可在水下光线不好时开启，其中两只LED照明灯可以单独控制开关和亮度，方便搜寻时根据周围环境变化而变化。图 13照明摄像系统1.1.2 水平移动推进系统水下机械手在水中的移动主要由监视控制箱上的按钮来控制，当在水下发现可疑物时，为使机械手能够准确的靠近可疑物，用手拉动线缆控制往往难以操作，因此在机械手的中部设计有水平方向运动推进系统，该系统由螺旋桨推进器和推进器电机两部分组成，如图 14所示，电机控制可实现正反转和快慢调节，从而实现水下打捞机械手能够以不同的速度前后运动去靠近可疑物体。图 14水下机械手水平移动推进系统1.1.3 移动方向控制系统利用电机的正反转可以实现机械手在一条直线上的前进和后退，为了让机械手还能够做到在相对于水平线垂直的方向上也能前进和后退，将推进系统设计成可以旋转90度，这样可以实现机械手可以在水平面上的前后左右四个方向上运动，可以更加容易的控制机械手在水里的运动，推进器的转向主要采用一个电机控制，用齿轮传动方式将电机的转动传递给推进器总成，为了更好的控制推进器的转向的角度，在推进器中设计一个行程开关，当推进系统旋转90度后，可以触发行程开关，将控制推进器旋转的电机断电，这样可以实现推进系统旋转的角度在合适的范围中，推进系统的转向控制系统设计如图 15所示。图 15推进器转向控制系统1.1.4 机械手抓取系统通过机械手上的摄像头发现可疑物体时，需要将可疑物品打捞上岸，为了可以方便的将可疑物体捕获，如图 16所示，水下打捞机械手设计有两套抓取机械手，由电机控制手爪的开合来抓取物体。由于被打捞的可疑物会存在各种各样的形状，为了能让各种形状物体都能够顺利的抓取，两套机械手可以分开单独控制。并且在手爪上设计有多个倒钩，可以使手爪抓到物体时不易脱落，在搜索阶段，让机械手收取，隐藏在外罩内，不会影响机械手的移动，当发现可疑物体，并且需要抓取物体时机械手才伸出外罩抓取物体，方便使用。图 16机械手抓取系统1.2 自动收线器的国内外研究现状如图 17所示，是岳阳大力神电磁机械有限公司生产的电缆卷筒，这是一种以涡卷弹簧作动力来源的电缆卷筒，需要使用电缆时，手动将电缆拉出来，拉出电缆的过程中，可将拉力转换成为涡卷弹簧的势能。电缆使用完毕，需要回收电缆时，缓慢释放涡卷弹簧势能，卷筒在弹簧力的作用下缓慢旋转，可以自动将电缆收回。这样的电缆卷筒具有供电简单，操作安全可靠的特点。而且采用涡卷弹簧作为动力来源，不会消耗电能。但是此类电缆卷筒没有自动排线装置，收线的过程中，需要手动干预才能将电缆整齐的排列在卷筒上。图 17 弹簧电缆卷筒示意图如图 18，CLQ系列磁力耦合式电缆卷筒是丹东万达电缆卷筒有限公司（原国营丹东建工机械厂）研制的电缆卷筒系列，该系列电缆卷筒由永磁耦合器、放缆阻尼器、集电箱和电缆卷盘组成。主要是用永磁耦合器作为同步差速调整机构，结构简单，收缆力矩大小调整极其方便，性能稳定可靠。收取电缆时，通过设备行走轮轴（或末级传动齿轮）输出动力，经永磁耦合器驱动卷筒收卷电缆，在收卷电缆过程中，永磁耦合器与卷筒之间不断进行差速打滑，确保卷缆线速度与设备移动速度同步。通过调整永磁耦合器工作磁块的数目，可以改变永磁耦合器输出力矩，调整电缆所受的张力。释放电缆时，利用单向离合装置，设备行走轮轴（或末级传动齿轮）输出动力不能传给永磁耦合器和卷筒，在电缆拉力作用下，卷筒克服放缆阻尼器的阻尼作用，同步缓缓放出电缆。这种电缆卷筒具有以下特点：（1）、卷筒与移动设备的同步性能稳定可靠；（2）、永磁耦合器安装于传动系统的末级，转速低，磨损小，无发热现象；（3）、收缆、放缆时，电缆张力大小调整方便，易于维护。图 18 CLQ系列磁力耦合式电缆卷筒如图 19所示是一种管道机器人的收线装置，收线时电动机提供动力，通过机械传动使卷线轴带动绞盘转动。排线时，卷线盘转动1圈，排线器正好行走1个线径的距离，保证了卷线盘上电缆之间没有间隙，排线整齐1。图 19管道机器人绞盘收线装置1.3 小结综上所述，水下打捞机器人传统的工作方式是由操作人员通过手动操作线缆，将水下打捞机械手放到水里，并通过放入线缆的长度来控制水下打捞机械手在水中的深度，根据水下打捞机械手的实际工作情况不断的调整下放到水里的线缆的实际长度，这样水下打捞机械手更能适应的实际中的工作。在实际工作条件下，由于机械手的重量较重，并且打捞工作基本是在船上进行，对于搜寻可疑物的时间可能会很长，这样打捞过程持续时间很长。船上摇晃的工作条件，加上长时间的体力负担，这样的工作环境会容易导致操作人员工作负担加重而导致难以顺利完成打捞任务。而目前现有的自动收线器没有符合水下打捞机械手使用的，且大多数为重型设备上使用，而上述的管道机器人使用的收线器导线引出装置，不能避免卷筒转动扭伤线缆，也不符合水下打捞机械手自动收线器的要求。由此可见在进行打捞的过程中，长时间的通过人工直接操控线缆来搜寻的方式并不可取。而水下物证打捞机器人自动收线器的设计就是为了能够通过自动控制的方式，方便的将水下打捞机械手方便的下放和提起，而减少操作人员的劳动负担。第2章 自动收线器的方案设计自动收线器的基本功能是可以通过自动控制的方式来将打捞机械手放入到水中，并可以控制机械手在水中的深度，当发现可疑物体时，可以随着机械手需要移动的距离去调整线缆的长度，以便于机械手能够更快捷的将可疑物体抓住。这样可以缩短整个打捞的工作过程。2.1 拟解决的关键问题根据整个水下打捞机器人系统的实际工作需要，总结出在实际的工作情况下，对于自动收线器需要解决的关键问题如下。2.1.1 线缆引出自动收线器的卷筒在转动过程中，线缆的一端往下放或往上提，而另外一端需要连接到监视控制箱上。由于线缆是缠绕在卷筒上的，这样一端处于旋转状态，而另一端则是固定状态。如果直接将电缆接到监视控制箱上，在卷筒的转动过程中，就会不断的扭动电缆，反复的不断的使用就会造成对线缆的破坏。所谓线缆引出，就是要通过这样的一个装置，可以从旋转的设备上将线缆引出，以避免不断旋转的卷筒将线缆扭坏。2.1.2 排线装置自动收线器将机械手往上提的工作过程，线缆会自动缠绕在卷筒上，如果直接将线缆连接到卷筒上，线缆就会随意的排列在卷筒上，就会显得很凌乱，不利于下一个打捞工作，将机械手下放到水中。所以为了能够将线缆整齐的排列在卷筒上，在线缆和卷筒之间需要添加一个排线装置，在卷筒转过一圈之后，排线装置在的水平方向上的位移与线缆的直径相等时，排线装置就可以实现将收起的线缆整齐的排列到卷筒上2。2.1.3 自锁装置自动收线器在工作的过程中，通过线缆将机械手往下放或往上提的过程中，需要在某处停下时，电机停转，这样的情况下，卷筒依然承受机械手向下的拉力，在不加其他束缚的情况之下，卷筒会由于受到向下的拉力而旋转，这样机械手就不能停留在原位。所以需要自锁机构，当电机停转时，由于自锁机构的存在，不能由于机械手自重产生的下拉力将卷筒拖动。2.1.4 应急方案在自动收线器的工作过程中，由于工作环境的影响，可能会产生一些影响正常工作的状况，比如断电，为了能够让自动收线器在断电等突发状况下依然可以使用，就需要在自动收线器的设计上作充分的考虑，以适应各种突发状况。2.2 自动收线器的方案设计综上所述，将自动收线进行功能分解，如图 21所示。图 21自动收线器功能分解图2.2.1 动力装置由于自动收线器的使用大多数在野外，要求方便携带，而且现代的电池技术比较成熟，直流电源比较容易获取，所以对于自动收线器的动力来源，直流电机是首选。方案1:有刷直流电机有刷直流电机，具有转速高，调速方便并且可以实现无极调速等优点，并且经过较长时间的发展，普通直流电机的工作可靠。在有刷直流电机中，直流电是通过电刷和换向器流入电枢绕组。所以有刷直流电机中由于有电刷和换向器的存在，在工作过程中容易产生换向火花，而且电刷和换向器容易产生磨损，电磁干扰、噪声大，寿命不高。并且有刷直流电机在需要获得较高的力矩时，需要利用减速机构降低输出转速，才能输出较大的转矩，这样在设备中就必须加入减速器，所以的会导致整个设备的结构过于庞大，而导致携带不方便。并且由于自动收线器中的线缆需要传输控制机械手移动和摄像头数据，电机产生的电磁干扰可能会影响到线缆中传输的数据。方案2：无刷直流电机无刷直流电机是伴随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电机，它是现代电子技术、控制理论和电机技术相结合的产物3。无刷直流电机没有电刷和换向器，在工作过程中不会产生火花和电磁干扰，结构简单、体积小、质量也轻，长期使用无需更换电机上的零件4。直流电机中，将电机的结构做成外转子式，这样的电机称为轮毂电机5。轮毂电机无传动链，效率高，控制灵活能使传动结构得以根本简化6，并且电机在低速时能提供大转矩。电机具有较宽的调速范围。这样的机构可以将自动收线器的卷筒直接安装的电机上，减少使用传统直流电机而必须引入的减速机构，可以大大简化整个设备的复制程度，有利于方便携带。2.2.2 导线引出装置方案（1）：导电滑环导电滑环的主要作用是把静止设备上的信号传送到旋转设备上，导电滑环可以实现在两个相对旋转的设备上传递信号，被应用在光电测量、天文导航、光电搜索等设备上，也是尖端领域中各种精密转台、管道设备和离心机的关键器件7。由于设备在工作时需要整周不断的旋转，导电滑环的可以防止导线被扭坏，导电滑环的技术比较成熟，可以直接购买使用，并且结构简单，可以简化水下打捞机械手自动收线器的设计过程，降低制作成本，也可以让自动收线器的结构得到简化。2.2.3 自锁装置方案（1）：蜗杆传动机构对于蜗杆传动机构，当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反行程自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆8。如果使用有刷直流电机，那么在减速机构中使用蜗轮蜗杆机构减速，可以实现只有当电机转动时才能将机械手下放或提升。而不能由于受到机械手的重力导致电机转动。蜗杆传动机构传动比大、结构紧凑、相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小，但是反行程自锁时传动效率较低、磨损严重，蜗杆传动机构常被用于两轴交错、传动比大、传动功率不大场合8。方案（2）：电磁离合器干式单片电磁离合器线圈通电时产生磁力，在电磁力的作用下，使衔铁的弹簧片产生变形，动盘与“衔铁”吸合在一起，离合器处于接合状态；线圈断电时，磁力消失，“衔铁”在弹簧片弹力的作用下弹回，离合器处于分离状态。如图 22所示，干片式电磁离合器高速响应、耐久性强、组装维护容易、动作容易，但是需要定期维护，当需要传递的扭矩增大时，需要选用的电磁离合器的体积也会变大9。图 22 电磁离合器结构图方案（3）：刹车装置在整个自动收线器中加入刹车装置，当需要水下打捞机械手在某个位置停留时，控制电机停转的同时，操作刹车装置，以外力迫使卷筒停转。需要将改变水下打捞机械手的位置，也就是将卷筒由停转状态转动起来，在松开刹车装置给卷筒施加的力，然后控制电机启动。但是刹车装置的设计需要将刹车装置的控制部分安装到控制电机的装置周围，以便于同时操控卷筒，同时还需要考虑刹车装置的设计是不是符合人体工程学的设计。2.2.4 排线装置方案(1)：单螺纹丝杠排线装置单螺纹丝杠排线装置，如图 23所示，卷筒轴上的锥齿轮通过万向联轴器带动导绳装置的输入锥齿轮1，拨叉4处于中间位置时锥齿轮2、3反向空转。拨叉固定在竖轴5与摆杆6固连，摆杆两端用串联的蝶形弹簧7压紧，拨叉在中间位置时牙嵌离合器9与两边锥齿轮2和3之间有相等的少量空隙，这样两个弹簧和摆杆6处于一直上。使用前调整好导向轮12与卷筒上的钢丝绳的相互位置关系，在使摆杆6朝一个方向偏离，这样就可以推动拨环8，同时带动离合器9，使其与锥齿轮2或者是锥齿轮3啮合，螺杆11受力转动，滑轮12就会在轴向移动。当滑轮12移动到最左端时，就会被挡板10挡住，收到的阻力就会增大，在因为锥齿轮2与离合器之间的斜面相互作用，克服弹簧反力使摆杆6（4）向左摆动，离合器就会脱开然后与另外一面的锥齿轮3啮合，由于锥齿轮的转动方向就会让螺杆11改变旋转方向，滑轮12的移动方向也会改变，直到滑轮走到另外一端的尽头，通过上述步奏，再改变滑轮的移动方向，这样不断的往复，就可以将钢丝绳整齐的排列在卷筒上10。此机构工作效率较高，但是结构复杂，不适合用于自动收线器上。图 23单螺纹丝杠排线装置图中：1、锥齿轮，2、锥齿轮，3、锥齿轮，4、拨叉，5、竖轴，6、摆杆，7、蝶形弹簧，8、拨环，9、离合器，10、挡板，11、螺杆，12、滑轮方案（2）：往复丝杆机构往复丝杆机构，如图 24所示，往复丝杠1上有中左、右旋相互交叉的螺旋槽，两螺旋槽首尾均用圆弧圆滑连接，螺旋槽中有一船型导向块3，导向块上连接有从动杆2，丝杠旋转时，从动杆2就可以被带动做往复运动，即可将线缆整齐的排列卷筒上。该机构的效率低，用于低速运动的设备上10。图 24往复丝杠图中：1、往复丝杆，2、从动件，3船型导向块在排线装置中，需要将卷筒部分的转动传递到排线装置的部分，由于整个收线器的工作过程中，卷筒的转速需要根据实际工作状况不断的改变，为了让在不同转速下依然可以将线缆整齐的排列在卷筒上，排线装置和卷筒部分需要保持严格的传动比，所以此传动部分可以选用的方案有，齿轮传动、链传动、带传动。其中齿轮传动具有效率高、结构紧凑、传动比稳定的特点，但是齿轮传动不适合传动距离过大的场合11。链传动的制造和安装精度要求较低，成本也低，链传动采用金属材料制造，可以在高温和潮湿的等恶劣环境中工作，但是链传动在运转时不能保持恒定的瞬时传动比，工作时有噪声。主要用于要求工作可靠，两传动轴相距较远，低速重载，工作环境恶劣的场合11。带传动是一种挠性传动，其中平带传动结构简单，传动效率高，带轮制造较为容易，在传动中心距较大的情况下应用较多，但是平带传动带轮和传动带之间存在相对滑动，在水下打捞机械手自动收线器的实际工作中就不能保证严格的传动比。同步带传动，通过传动带内表面等距分布的横向齿和带轮上的相应齿槽啮合来传动，这样在同步带轮传动中带轮和传动带之间就不会存在相对滑动，可以保证严格的传动比11。综上所述，对于排线装置中，需要将卷筒部分的运动传递到排线机构，同步带最合适。2.2.5 应急装置当电源出现故障发生断电、电源没电或者电机出现故障时。整个设备就无法继续使用。如果在设备使用过程中出现上述情况，水下打捞机器人自动收线器无继续正常工作，由于水下打捞机械手自动收线器是用于打捞犯罪嫌疑人留下来的可疑物，对于警方来说是在越短的时间内打捞到可疑物，越有利于破案，所以就算整个系统出现故障，正在进行的工作依然需要继续。所以在自动收线器中，需要保证当电源出现故障发生断电、电源没电或者电机出现故障时，整个设备可以运用手动的方式继续工作，以减少这样的情况出现导致的损失。应急装置的具体形式在不同的设备结构上确定，这样可以简化整个设备的设计过程。所以在自动收线器的基本结构确定以后，在其基本的结构上来设计应急装置部分。2.3 方案确定根据自动收线器在实际工作环境的实际情况，除去上述各种可选方案中明显不合理的方案，选用得到如表 21所示的可选方案。表 21 自动收线器方案列表方案一方案二方案三动力装置普通直流电机无刷轮毂电机有刷轮毂电机导线引出装置导电滑环自锁装置涡轮蜗杆装置电磁离合器刹车装置排线装置单丝杠排线往复丝杆排线装置传动齿轮传动链轮传动同步带传动应急装置根据表中所示的各个部分的可选方案可得，可以实现自动收线器功能的方案总数为： 其中由于单丝杠排线装置结构过于复杂，不适合自动收线器，故对于排线装置，采取往复丝杠来实现，综上所述可以得出以下两种方案：2.3.1 自动收线器方案一如图 25所示，在实际的操作过程中通过电动装置控制可以通过电缆将水下打捞设备提起或者下放，同时将电缆整齐的排列起来。另外，当电力系统出现故障的时候可以通过手柄操作来继续完成工作。轴9为电机驱动输入轴，正常工作情况下，电磁离合器通电，轴6与轴11连接，即通过传动链：轴9-蜗杆8-涡轮7-轴6-电磁离合器10-轴11-齿轮12-齿轮13-轴15-卷筒，将电机的运动传递到卷筒，卷筒转动即可将绕在卷筒上的绳提升或者放下。同时通过传动链：轴15-同步带轮主动轮16-同步带17-同步带轮从动轮18-往复丝杠19-排线装置20，可将卷筒的运动按照所需的传动比传递到排线装置20，并通过往复丝杠将旋转运动转化为排线装置的往复运动，从可以将电缆整齐的排列到卷筒上，设备有蜗轮蜗杆机构可实现自锁功能，即从动部分无法带动主动部分运动，在机器运转过程如发生故障，提升重物不会落下而发生事故。在本方案中，导电滑环可以安装在轴15上，导电滑环的转子部分可以随轴15的转动而转动，而将定子部分固定，这样就可以将线缆引出收线器。当电源出现故障发生断电、电源没电或者电机出现故障时等，此时还需继续完成任务。电磁离合器断电会将轴6和轴11分开，然后将手柄安装到轴3上，就可以使用手动的方式转动轴3，通过传动链：轴3-齿轮4-齿轮5-轴11-齿轮12-齿轮13-轴15-卷筒14，将重物提升或放下。同时通过传动链：轴15-同步带轮主动轮16-同步带17-同步带轮从动轮18-往复丝杠19-排线装置20，可将卷筒的运动按照所需的传动比传递到排线装置20，并通过往复丝杠将旋转运动转化为排线装置的往复运动，从可以将电缆整齐的排列到卷筒上。由于离合器已经将轴6和轴11分开，此时蜗轮蜗杆机构便不再能够实现阻止机器的反转，所以需要在轴3上设置一个棘轮机构2，在需要停止的时候将棘轮机构锁住，即可实现让重物停留在预定位置。图 25自动收线器方案1图中：1、手柄；2、棘轮机构；3、手动轴；4、齿轮；5、齿轮；6、轴；7、涡轮；8、蜗杆；9、蜗杆轴；10、电磁离合器；11、轴；12、齿轮；13、齿轮；14、卷筒；15、轴；16、同步带轮主动轮；17、同步带；18、同步带轮从动轮；19、往复丝杠；20、排线装置。2.3.2 自动收线器方案二本方案采用无刷轮毂直流电机，在电机到卷筒的传动过程中无传动链，可以减小能量在传动链中的损耗。所选用的电机上已经配备有刹车装置，可以在需要停止时启动刹车装置，同时电机断电，就可以实现将机械手停在预定的位置。这样可以减小收线器的结构，有利于方便携带。如图26，自动收线器需要工作时，电机转动直接带动安装在转子2上的卷筒1，同步带轮主动轮4安装在电机的转子3上，同步带轮从动轮6安装在往复丝杆轴7上。通过同步带轮传动，可将卷筒的运动按照所需的传动比传递到往复丝杆上，并通过往复丝杠将往复丝杆轴上的旋转运动转化为排线装置的往复运动，就可以将线缆整齐的排列到卷筒上。当电源出现故障发生断电、电源没电或者电机出现故障时，可以手动转动卷筒，将水下打捞机械手提起或下放，相对于方案1中存在的蜗杆传动机构的自锁，此方案的装置由于在电机与卷筒之间没有传动链，可以直接转动卷筒。在本方案中，导电滑环可以安装在轴15上，导电滑环的转子部分可以随轴15的转动而转动，而将定子部分固定，这样就可以将线缆引出收线器。图26自动收线器方案2图中：1、卷筒，2、电机转子，3、同步带，4、同步带主动轮，5、电机定子，6、同步带轮从动轮，7、往复丝杆轴2.4 方案评价机械运动方案的拟订和设计，最终要求通过分析比较以提供最优的方案。一个方案的优劣只有过系统综合评价来确定，根据实际需要对两个方案作出比较如下表所示，表中指标分别用“不好”、“不太好”、“较好”、“好”、“很好”五个等级表示，分别用0、0.25、0.5、0.75、1表示。根据表中的值得到优先选用方案二。表 22 自动收线器方案评价表性能指标评价方案一方案二特点评分特点评分经济型一般0.5一般0.5结构较为简单0.5简单0.75整体加工容易0.75容易0.75安装难度容易0.75容易0.75便携性较好0.5好0.75使用难度容易0.5容易0.5动力性能较好0.75好0.5后期维护较少0.75少0.5紧凑程度好0.75很好1合计5.756.02.5 小结方案一结构较为复杂，需要经常进行维护，如传动机构的维护，电磁离合器的维护，但是由于有刷直流电机的成本较低，在整个设备的成本也会较低。方案二在电机与卷筒的传递之间没有传动链，所以整个设备的效率高，结构紧凑，有利于携带进行外出作业，而且无刷直流电机寿命长，由于没有电刷和换向器，不会产生换向火花和电磁干扰，无需经常对电机进行维护，但是无刷直流电机的成本较高，且无刷直流电机的控制方式较为复杂。所以方案一的优势主要在于电机成本的优势，但是随着近年来技术的成熟，无刷直流电机也得到了普遍的应用，而且相对方案二，方案一在设备结构的复杂性、传动链冗长，也进一步消弱其制造在成本上的优势。所以对于自动收线器的方案，选用方案二的设计。第3章 自动收线器设计说明3.1 电机及卷筒设计假设卷筒上的绕线方式如图31所示，卷筒直径为，绕上第1层线缆后卷筒直径为，绕上第2层为，依次第N层为。如图所示，将线缆在卷筒上绕一层的圈记为m，则m=L/d。则有：第1层缠绕在卷筒上的线缆的长度为： （31）第2层缠绕在卷筒上的线缆的长度为：（32）第n层缠绕在卷筒上的线缆的长度为：（33）图 32卷筒示意图那么总的线缆的长度：（34）也即是：（35）排线的过程中，线缆的运动规律为一螺旋线。线缆在张紧力和挡板反作用力的综合作用下，实际的排线情况如图3-3所示12，线缆层与层之间的叠加方式在换向处如图 34所示，三角形的三边等于线缆的直径，所以三角形为正三角形，所以k1为线缆的半径，根据图中的几何关系，每一层的尽头距离挡板的k值也等于线缆的半径，如果k值过大了则不利于线缆的紧密排列，所以根据几何关系，当：(36)第23页 图 33卷筒排线示意图图 34线缆叠加示意图为卷筒的宽度，为线缆的直径，L与d的关系构成式3-6关系式，可以让线缆紧密的排列在卷筒上。由于，则 (37)根据实际大小取，取，则由式3-5可以得到需要绕的层数，取。所以: (38)(39)根据机械手的实际重量，加上所打捞的物体，以及线缆的自重，收线器的最大负载为，又有打捞工作大部分在水里进行，在水里机械手的重量会由于浮力的作用而减小，在水里的重量会远远小于实际的25Kg的重量，但是在收线器是放置在船上或码头上工作，所以会有在水面的一个过程，所以依然按照最大重量为25Kg计算。在工作过程中，由于提升速度过快会导致难以发现要搜寻的目标，同时还会造成打捞机械手的抖动。收线器的转速不宜过快，取收线器的转速 (310)将收线器的受力简化为下图所示：图 35卷筒受力示意图由上述可得到 (311)则需要卷筒产生的扭矩T=FR(312)才能刚好克服机械手的重力将其往上提，由于在转动过程中R值会随着线缆放出的长度的改变而改变，所以T也是一个随时改变的量，其中在所有的线缆都绕在卷筒上时，R有最大值：(313)T在此时有最大值：(314)所有的线缆都放下，剩余最后一圈时，R有最小值： (315)T在此时有最小值：(316)卷筒转动过程中，线缆的运动速度: (317)同理在D值为、时，v分辨有最大值和最小值分别为：(318)则驱动卷筒轴所需的功率：(319)此外，由于传动装置会有功率损耗，记整个传动链之间的总效率为，这需要原动机输出的总功率： (320)根据图中的方案，电机滚动轴承，由于排线装置及其传动只占动力输出的一部分，但是这部分的值难以计算，将排线装置消耗的动力用效率损耗的方式计入总功率中，将其记为。这样：(321)则电机的总功率为：(322)根据调查，市面上的小型直流无刷电机功率普遍在100W以上，其功率完全满足设备工作的需要，所以根据市面上现有的无刷直流电机，选择电机较小的一种，其外形图纸如图 36所示。图 36 所用电机外形图根据电机的外形，设计两块连接垫片用螺钉安装在电机的两侧，再将卷筒安装在两块垫片中间，用螺栓连接，这样就可以将电机个卷筒连接在一起，如图37所示。螺钉选用十字H型槽盘头螺钉，大小为M6，性能等级为4.8，M6的小径为d1=4.917mm，电机的一侧螺钉的安装方式为6个螺钉均布在直径为120mm的圆上，卷筒上所用的也是6个螺钉均布在直径为145mm的圆上，所以卷筒上螺钉的数量为6个，电机上螺钉的为12个，由电机的工为作方式可知，螺栓的主要受力方式是受到剪切。图37 卷筒与电机连接选用螺栓性能等级为4.8，则其屈服极限为 选用螺纹连接的安全系数 螺栓杆的许用剪切应力为 （323）根据式3-14可得提升机械手最大的扭矩37NM，则螺钉所受到的扭矩为 卷筒上M6的螺钉为6颗，螺钉距离中心位置的距离为D1=72.5mm，螺钉的危险截面为其小径的截面其直径则卷筒上每颗螺钉所受到的剪切力为：螺栓杆的剪切强度条件为所以卷筒上螺定的强度满足使用。对于电机上的螺钉，虽然螺钉距离中心位置的距离小于卷筒上的螺钉距离中心位置的距离，但是电机上的螺钉数目是卷筒上的两倍，所以电机上的每一颗螺钉所受剪切应力要小于卷筒上上的螺钉，所以电机上的螺钉的强度也满足使用要求。3.2 排线装置设计计算如图 38，排线机构的工作过程为：卷筒轴转动，轴3上的同步带轮机构带动往复丝杆轴5转动，通过往复丝杆实现将排线架的来回运动，将线缆均匀的排列在卷筒上，在层间排线时，线缆的运动规律为一螺旋线，如图所示。线圈匝间的法向螺距为，由几何关系分析和速度分析可得：当卷筒旋转一周，排线机构移动的距离应当等于，带轮之间的传动比为，丝杆的导程为，则： (324)可以满足在卷筒转动时，经过传动机构可将线缆整齐的排列到卷筒上。图 38排线机构运动简图图中：1、卷筒，2、主动带轮，3、主动轴，4、同步带，5、从动轴，6、从动轮3.2.1 往复丝杠设计线缆直径 ，线缆的运动规律为一螺旋线，在图 38中，当卷筒旋转一圈时线缆在每层的排线中增加一个法向距离，而：（325）由式3-23，可得：（326）取，这样可以得到丝杆的导程为，双向丝杆上的牙型为44的矩形，其直径为20mm。在排线的过程中，排线装置上引导的线和卷筒轴垂直，这样的话，在各种不稳定因素影响下，线圈与线圈之间没有约束易出现间隙。如果排线装置上引导的线相对滞后于卷筒上的线圈，也即是排线装置上引导的线缆跟竖直方向成一个夹角，这样的话线缆上所受到的张力在水平方向上会有一个分力，可以挤压已经绕在卷筒上的线缆，从而使线匝致密整齐地排列13。图 39卷筒收线方式示意图卷筒可以绕上线缆的有效长度L=76mm，为了能够实现在排线装置上引导的线跟竖直方向成一个夹角，需要将往复丝杠的长度超出卷筒绕线缆部分的长度增加一定的长度，如图 310所示，在刚好绕完一层线缆时，排线架上的线还在A点，而卷筒的上的线缆已经到D点，这之后线缆会受到卷筒边上的力，使下一层线缆依然能够反向排布。卷筒再旋转一圈，线缆绕过一周以后第二次到达D点，线缆开始下一层的第一圈排布，排线架走过了8mm的距离。此时，让排线架上的线缆走到B点，。为了能够让在反向增大，卷筒再转一周到达D1点，排线架需要继续往前走到达C点，这样排线架又走过了8mm，即，到达往复丝杆的端点C，并在此时往回走，经过上述步骤能够实现在排线装置上引导的线缆跟竖直方向成一个夹角，并且。图 310排线机构换向时运动图如图 310，根据几何关系可知，P点为线段OM的中点，即则（327）而所以这样往复丝杠上需要加工出螺纹的长度值： 3.2.2 双向丝杆导向块设计导向块在丝杆的螺旋槽中运动，应当将丝杆的螺旋槽作为导向块的设计基础。导向块呈船型。如图 311所示，导向块的底部的圆弧直径等于丝杆小径即R=6mm，h=R/4。导向块在丝杆的螺旋槽中运动过程中，运动到两条螺旋槽的交叉口时，如果导向块的长度过短，可能会出现导向块运动到反向的螺旋槽中，使得排线架由正向运动变成方向运动，这样就会导致卷筒上的线缆排列混乱。所以导向块的长度必须大于两条螺旋槽交叉处距离14，根据丝杆的尺寸可取：导向块的宽度应小于螺旋槽的宽度0.15-0.3mm，为了方便计算取B=4mm，在实际中这一差值，用加工时的公差值来保证。导向块两侧的圆弧半径为：图 311 导向块导向块的侧面由圆弧构成，在丝杠上两个螺旋槽换向处外侧曲线的曲率半径必须要大于滑块两侧的圆弧半径才能让导向块顺利的运动。导向块在排线机构中工作条件恶劣，所以选用材料应考虑其具有良好的耐磨性、强度、和韧性，所以导向块的材料一般选用碳钢和锡青合金，为了减少磨损，导向块的材料不能个丝杆的材料选择一样的，所以导向块的的材料选用锡青合金14。3.2.3 同步带轮设计同步带轮选用周节制，槽型为L型，查到同步带轮的节距，带轮的轮齿齿廓如图 312所示，带轮的轮齿齿廓的基本尺寸及极限差如表31，确定带轮的基本宽度为14mm15。为了便于计算，将带轮传递的功率计为，同步带轮传递的实际功率远远小于100W这样的假设所设计出来的同步带轮是符合实际运作的。取工况系数 ，则设计功率:图 312 同步带轮轮齿齿廓图 表31带轮的轮齿齿廓的基本尺寸及极限偏差 mm同步带轮的之间的传动比，小带轮的齿数初定为，大带轮的齿数则为这样可以得到小带轮的节圆直径：同步带的速度：大带轮的节圆直径：初设中心距为： 初定带轮的长度：则根据文献16中的表13-1-53，选取最靠近740.23mm的值为760mm。即：相对应的同步带齿数：为了减少整个装置结构的复杂程度，同步带轮的中心距采用不可调的结构，则实际中心距： （328）（329）其中为小带轮包角，其值通过计算出式（3-29）的值，然后查找文献16中的表13-1-72可得到的值。则查表的到：则由式(3-28)可得