毕业设计（论文）-便携式绞盘机牵引越障工艺及装置设计（全套图纸三维）.pdf

1 分 类 号 密 级 毕业设计(论文) 便携式绞盘机牵引越障工艺及装置设计 所 在 学 院 机 械 与 电 气 工 程 学 院 专 业 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 班 级 11 机 自 x 班 姓 名 学 号 指 导 老 师 2015 年 3 月 31 日 II 摘 要 便携式越障机器人具有良好的运动性能，在室内环境中可以上下楼梯 ，跨越台阶， 在室外非结构地形中可以翻越障碍、跨越壕沟、自适应路面。通过加载不同的设备和仪 器，机器人可广泛用于救援、抢险、防爆、科考、军事等领域，其应用价值十分巨大 本文提出了一种 3 自由度便携式机器人设计方案。机器人整体结构分三段，采用模 块化设计，具有可拆装、维修方便等特点，设计完成的机器人与同类机器人相比较，从 机械结构上保证了在越障性能、跨沟性能、路面 自适应性能等方面更加具有优势。小型 地面移动机器人具有体积小巧、机动性高、环境适应能力强、承载能力突出等优点,而机 器人的小型化和越障能力的矛盾一直成为其实用化的制约条件,如何提高机器人的越障 性能成为近年来移动机器人基础研究的热点问题。本文以基于行星轮链接式车体结构的 新型越障机器人为研究对象,围绕机器人的结构设计的优化、 越障性能的分析及其机电系 统的设计展开了研究,具体研究工作如下: 分析了国内外小型移动机器人的研究设计及 其实用化程度的现状,针对基于行星轮系结构和链接式结构的运载平台分别进行了深入 的比较和讨论。 针对现有传统轮式、 腿式和履带式运动底盘的优缺点进行了分析,概况了 小型移动机器人未来发展趋势,确定了本文中新型越障机器人的研究背景和设计目标。 分析机器人驱动模块的设计方案,详细推导了其结构相关参数的优化过程。 综合现有运载 底盘的性能特点,提出了多种车体框架结构方案,并进行了比较、筛选和综合。最终确定 了以行星轮驱动模块为行走机构,以链接式结构为车体框架的机器人机构总体方案。 推 导行星轮链接式底盘在通过各种障碍时受力情况。对越障分析过程中机器人的相关参数 进行了详细的定义与说明,对分析的环境进行了合理、 有效的假设以简化计算过程。 分析 了机器人的轮触地条件、斜坡行驶和攀越台阶等障碍的约束条件。根据其动力和阻力的 相互制约情况,将单级台阶的越障过程细化为多个阶段进行详细的受力分析,确定越障高 度和多个车体结构参数之间的关系。 分析了越障过程中各种参数的耦合和矛盾,指出分析 过程中遇到的问题及其研究方向。 结合在 ADAMS 中虚拟模型的仿真实验结果,优化得 到样机的车体结构参数,并设计制作了机器人的机械系统。 通过仿真分析初步验证了上述 分析理论的正确性。 阐述了基于上述越障性能的要求,机器人所需要的控制系统的设计及 其具体的实现方案。 设计制作完成的新型越障机器人样机通过了一系列性能试验,得到 了样机达到的实际性能指标,并和设计指标进行了比较和分析。 试验结果表明新型越障机 III 器人达到了良好的越障性能,行星轮链接式底盘充分地集成了轮式和履带式底盘的优点 并成功避开了其各自的缺陷。 试验验证了理论分析及仿真的有效性,通过对试验结果进行 细致的分析与思考,找出了理论分析与设计过程中需要改进的地方,为下一步工作指明了 方向。 关键词：越障； 改进设计 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 IV AbstThe portable robot has good performance, can be up and down the stairs, step in the indoor environment, in outdoor unstructured terrain can climb over obstacles, crossing the ditch, adaptive road. By loading different equipment and instruments, the robot can be widely used for rescue, rescue, explosion protection, scientific research, military and other fields, its application value is huge This paper presents a 3 DOF portable robot design. The overall structure of the robot is divided into three sections, modular design, has the characteristics of convenient disassembly, repair, and similar robot robot design to complete the comparison, from the mechanical structure to ensure the obstacle performance, cross channel performance, the performance of pavement adaptive aspects of more advantages.By loading different equipment and instruments, the robot can be widely used for rescue, rescue, explosion protection, scientific research, military and other fields, its application value is hugeThis paper presents a 3 DOF portable robot design. The overall structure of the robot is divided into three sections, modular design, has the characteristics of convenient disassembly, repair, and similar robot robot design to complete the comparison, from the mechanical structure to ensure the obstacle performance, cross channel performance, the performance of pavement adaptive aspects of more advantages.By loading different equipment and instruments, the robot can be widely used for rescue, rescue, explosion protection, scientific research, military and other fields, its application value is hugeThis paper presents a 3 DOF portable robot design. The overall structure of the robot is divided into three sections, modular design, has the characteristics of convenient disassembly, repair, and similar robot robot design to complete the comparison, from the mechanical structure to ensure the obstacle performance, cross channel performance, the performance of pavement adaptive aspects of more advantages. Key Words: rice thresher threshing; improved design; V 目目 录录 摘 要 . II Abstract. IV 目 录 . V 第 1 章 绪论 . 1 第 2 章 越障总体方案确定 . 2 2.1 越障装置工作原理 . 2 2.2 越障总体设计 . 3 2.2.1 越障方案 . 4 2.2.2 越障的整机结构及选择 . 6 2.2.3 越障的工作流程 . 7 第 3 章 越障结构设计 . 9 3.1 越障原理 . 10 3.2 越障类型选择 . 11 第 4 章 传动件的选择 . 12 4.1 整机承载计算 . 13 4.1.1 轴承的选择 . 14 4.1.2 撑支架强度计算 . 16 4.2 销轴的设计计算 . 1 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2.1 轴的材料选择 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2.2 轴的最小直径确定 . 20 4.2.3 轴的结构设计 . 22 VI 4.2.4 轴的校核 . 23 结论 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致 谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 1 第 1 章 绪论 越障的发展方向高科技化的方向发展，制造的适用性强的越障是发展 的市场，不同地区开发的其他越障很有前途的。根据这个，相应的制造的 高性能越障国外的收获机的发展概况。这个越障一次性完成越障，越障， 分离和装袋作业。这个桌子的小型、轻、操作，通过柔软性和适应性很好， 漂亮地解决了大中型越障丘陵，山和水田越难以障难题。越障试验机适用 的航空公司，石油化工、机械制造、金属材料及产品、电线电缆、塑料胶 带，纸品和彩色印刷包装、胶带，箱包手袋、纤维、食品、医药等行业。 可测试各种材料及产品、半成品的绑架，压，弯曲，削减等的物理性能， 购买各种治具拉，压缩，拥有，压，弯曲，有时，剥离，粘着力等，剪试 验。越障考试轴越障载荷测量材料特性的试验方法。利用越障考试得到的 数据确认材料的弹性极限，有弹性率，比例极限，面积减小量，越障强度、 屈服点，屈服强度和其他越障性能指标。高温下进行的，所以越障实验数 据可以得到蠕变。金属越障考试的顺序请参照 ASTM E - 8 标准。塑料越障 试验方法参照 ASTM D - 638 标准，D - 2289 基准（高应变率）和 D - 882 基准 （芯片材） 。 ASTM D - 2343 标准规定适用的玻璃纤维的越障试验方法； ASTM D - 897 规格规定适用的粘合剂越障试验方法； ASTM D - 412 规格规 定的硬质库姆越障试验方法。一点准备试样。刻线机原始标的范围内，所 以周线円（或小钢冲衝時），从标准的分等长的 10 格。用卡尺考试件原始 标内的两端和中间两个相互垂直方向各一次测量的直径，取其算术平均值 作为该处断面直径选用，并且 3 处断面直径的最小值计算试制品的原始的 结论 2 第 2 章 总体方案确定 2.1 越障工作原理 车轮采用杠杆原理，由于齿轮的啮合点始终位于远离轴线的地方,在遇 到障碍物后，车轮静止，动力源驱动齿轮转动,而此时的动力臂大于阻力臂, 比普通车轮有更大的力矩,同时后轮给以驱动力,车轮将会容易攀升，越障成 功。 越障 参考文献 3 越障机在各种环境中适应能力强，承载能力突出等优点，越障的小型化和 越障能力的矛盾了一直实用化的限制条件，如何越障机的性能提高了越障 近年来移动越障机的基础研究热点问题。本文车身构造基行星轮连杆式的 新型越障越障机为研究对象，越障机的结构设计的优化问题，越障性能的 分析和那个机电系统的设计研究，具体的研究活动如下：分析国内外的小 型移动的越障机的研究设计和实用化程度的现状来说，行星轮系基结构和 链接式结构的搭载的平台的各自进行了深入的比较。现有的对传统轮式， 腿式和履带式运动底盘的优点和缺点分析，概况小型移动的越障机的未来 发展趋势，本文越障新型越障机的研究背景和设计目标。分析越障机驱动 模块的设计方案，其结构推导详细参数的优化过程。综合现有搭载底盘的 性能特性，提出了车身结构的方案进行了多种框架，筛选和综合。最终决 定好的星轮驱动组件行走机构，连杆式结构框架的车身越障机机关总体方 案。推导行星轮连杆式底盘种种障碍接受力情况。 2.2 越障总体设计 这种设计是一个小稻田根据南方丘陵区越障是小而设计，结合越障可以完成越障， 越障，分离和装袋操作。本机体积小，重量轻，操作灵活，通过良好的和适应性，在山 上大，中型越障更好的解决方案，山脉和越障越障难的问题，双季稻区南部，泥脚不深 更大的超过 20 厘米就可以正常越障稻田。 致谢 4 2.2.1 越障方案 越障机在各种环境中适应能力强，承载能力突出等优点，越障的小型化和越障能力 的矛盾了一直实用化的限制条件，如何越障机的性能提高了越障近年来移动越障机的基 础研究热点问题。本文车身构造基行星轮连杆式的新型越障越障机为研究对象，越障机 的结构设计的优化问题，越障性能的分析和那个机电系统的设计研究，具体的研究活动 如下：分析国内外的小型移动的越障机的研究设计和实用化程度的现状来说，行星轮系 基结构和链接式结构的搭载的平台的各自进行了深入的比较。现有的对传统轮式，腿式 和履带式运动底盘的优点和缺点分析，概况小型移动的越障机的未来发展趋势，本文越 障新型越障机的研究背景和设计目标。分析越障机驱动模块的设计方案，其结构推导详 细参数的优化过程。综合现有搭载底盘的性能特性，提出了车身结构的方案进行了多种 框架，筛选和综合。最终决定好的星轮驱动组件行走机构，连杆式结构框架的车身越障 机机关总体方案。推导行星轮连杆式底盘种种障碍接受力情况。越障分析过程中的越障 机的参数进行详细的定义和说明，分析的环境合理有效的假设，简化计算过程。分析了 越障机的轮尝试条件的斜面，行车和攀越楼梯等的障碍的限制条件。其原动力和抵抗的 相互制约的情况下，单级的细分化越障过程详细的分析力阶段，确定越障高度和很多的 车身结构参数之间的关系。分析了越障过程中各种参数的结合和矛盾，分析过程中遇到 的问题和研究方向。结合虚拟的模型的模拟实验结果得到，优化原型的车身结构参数设 计制作越障机的机械系统。模拟分析初步验证了上述的分析的理论的正确性。叙述了上 述越障性能要求，越障机必须的控制系统的设计及其具体实现方案。设计制作完成的新 型越障越障机原型系列性能的试验，得到的实际业绩指标的原型，设计达成指标的比较 分析。考试的结果越障，达到了新型越障机良好的越障性能，行星轮连杆式底盘充分的 集成轮式和履带式底盘的长处和成功避开了各自的缺陷。试验验证的理论的分析和模拟 的有效性，测试结果的详细分析，找出与想法的理论的分析和设计过程中需要改进的地 方，下面的工作，指明了方向。 整机形式为：悬挂式、全喂入 割台形式为：带搅龙输送器式卧式割台 越障形式为：轴流式 参考文献 5 2.2.2 越障的整机结构及选择 越障台悬挂在框架悬架，后悬架越障的柴油，配置在左侧越障中间槽的前方，前部 和后部端部连接到切割台和越障部。有关资产负债割台，割台被放置到合适的档位。为 收获后留越障设备布局， 风选设置在右侧， 而粮袋放置在右侧的越障部背面的平衡越障。 由柴油机，柴油后动力输出轴提供动力的收获部分提供整体前进的动力。 2.2.3 越障的工作流程 车轮采用杠杆原理，由于齿轮的啮合点始终位于远离轴线的地方,在遇到障碍物后， 车轮静止，动力源驱动齿轮转动,而此时的动力臂大于阻力臂,比普通车轮有更大的力矩, 同时后轮给以驱动力,车轮将会容易攀升，越障成功。 防倒退原理： 车体在翻越障碍时，棘轮机构在工作，能有效的防止车轮的回转;如果需要车轮的 回转，可以解除棘轮机构工作状态。 致谢 6 第 3 章 越障结构设计 3.1 越障原理 小型地面移动机器人小，机动性高，体积环境适应能力强，承载能力突出等优点， 机器人的小型化和越障能力的矛盾了一直实用化的限制条件，如何机器人的性能提高了 越障近年来移动机器人的基础研究热点问题。本文车身构造基行星轮连杆式的新型越障 机器人为研究对象，机器人的结构设计的优化问题，越障性能的分析和那个机电系统的 设计研究，具体的研究活动如下：分析国内外的小型移动的机器人的研究设计和实用化 程度的现状来说，行星轮系基结构和链接式结构的搭载的平台的各自进行了深入的比 较。现有的对传统轮式，腿式和履带式运动底盘的优点和缺点分析，概况小型移动的机 器人的未来发展趋势，本文越障新型机器人的研究背景和设计目标。分析机器人驱动模 块的设计方案，其结构推导详细参数的优化过程。综合现有搭载底盘的性能特性，提出 了车身结构的方案进行了多种框架， 筛选和综合。 最终决定好的星轮驱动组件行走机构， 连杆式结构框架的车身机器人机关总体方案。推导行星轮连杆式底盘种种障碍接受力情 况。越障分析过程中的机器人的参数进行详细的定义和说明，分析的环境合理有效的假 设，简化计算过程。分析了机器人的轮尝试条件的斜面，行车和攀越楼梯等的障碍的限 制条件。其原动力和抵抗的相互制约的情况下，单级的细分化越障过程详细的分析力阶 段，确定越障高度和很多的车身结构参数之间的关系。在移动系统设计过程中，工况环 境既移动系统可通过的典型地形环境必须考虑。典型的地形包括台阶障碍、地形凸起、 壕沟、松软土壤、随机波动路面、平整路面、不等高、上下坡等，具体环境又有差别， 如月球表面主要覆盖着一层由岩石碎块、角砾状石片、砂和灰土等组成，又如由表面硬 质成分构成的随机波动路面，易于下陷的松软土层。大多情况下，要下以上各种综合工 况下工作，同时考虑温度、湿度、尘土等对性能的影响 ，将引起部件发热、构件卡死、 磨擦磨损、密封失效等问题。 参考文献 7 分析了越障过程中各种参数的结合和矛盾，分析过程中遇到的问题和研究方向。结 合 ADAMS 虚拟的模型的模拟实验结果得到， 优化原型的车身结构参数设计制作机器人 的机械系统。模拟分析初步验证了上述的分析的理论的正确性。叙述了上述越障性能要 求，机器人必须的控制系统的设计及其具体实现方案。设计制作完成的新型越障机器人 原型系列性能的试验，得到的实际业绩指标的原型，设计达成指标的比较分析。考试的 结果越障，达到了新型机器人良好的越障性能，行星轮连杆式底盘充分的集成轮式和履 带式底盘的长处和成功避开了各自的缺陷。试验验证的理论的分析和模拟的有效性，测 试结果的详细分析，找出与想法的理论的分析和设计过程中需要改进的地方，下面的工 作，指明了方向。 1）冲击越障：对对方越障元素冲击作用秒杀头和越障。较高的冲击速度，越障越强， 但也越大裂解速率。 2）摩擦越障：由组件和障碍之间，以及障碍和障碍越障障碍越障离去之间的摩擦。越 障间隙的大小是至关重要的。 3）梳刷越障：障碍越障由拉力越障部件进行。 4）滚动越障：打越障通过施加压力的元素进行粮食。在这种情况下，力作用在障碍主 要沿晶面的法向力。 5 ） 振 动 越 障 ： 由 越 障 元 件 用 于 施 加 高 频 振 动 进 行 障 碍 越 障 。 越障是的几种方法在长期的生产实践过程中总结而来去壳大米储存。如果裸存储，则存 储时间短。米粒脆，易折断。因此，本设计采用梳刷越障，主要针对与越障完成补充两 者。 3.2 越障类型选择 1.本车采用了杠杆原理、定轴齿轮啮合传动，显著提高了车辆的越障能力。 2.棘轮机构有效的排除了车轮在越障时可能后退的危险。 3.后轮的驱动力有助于越障。 4. 作用力偏离轴线，延长力臂，增强越障的能力 5.本车可用于轮椅改造，无人消防车改造，灾害救援车改装，爬楼梯工具改造以及搬运 车改造工程。应用前景本车能有效的实现越障功能功能。它在越障方面卓越的性能，使 其可用于轮椅改造，无人消防车改造，灾害救援车改装，爬楼梯工具改造以及搬运车改 造工程。本车改变以往普通轮系无法有效越障的缺点。在火灾、水灾、地震、矿难等灾 害发生时，能高效的抢救人民生命和财产。综上分析，这种产品具有潜力巨大的市场前 景和较高的使用价值，适于推广应用。 致谢 8 第 4 章 传动件的选择 4.1 整机承载计算 4.1.1 轴承的选择 越障在工作时，在运转稳定性较好（保障越障滚筒运转稳定性的条件：有足够的转 动惯量；发动机有足够的储备功率和较灵敏的调速器）的条件下，其功率总耗用 N 由两 部分组成：一部分用于克服滚筒空转而消耗的功率 k N （占总功率消耗的 5%-7%），一 部分用于克服越障阻力而消耗的功率 t N （占总功率消耗的 93%-95%），所以 越障 的功率消耗为： N = k N + t N （kW ） (4) 1)其中空转功率消耗: k N =A+ 3 B 式中 ： A 系数，A为克服轴承及越障的摩擦阻力的功率消耗 ， 3 10)3 . 0-2 . 0( =A B系数， 3 B为克服滚筒转动时的空气迎风阻力而消耗的功率， 6 1068 . 0 -48 . 0 =）（B. 2)其中越障功率消耗 t N :这个过程比较复杂，越障首先是以较低的速度进入越障入 口处， 与高速旋转的越障滚筒接触， 然后被拖入越障间隙进行越障， 既有梳刷也有打击， 研究的依据是动量守恒定律： 参考文献 9 冲量转换为动量： mvtP=，tmm=/ （5) )1 (1000/ 2 FvmNt= m 单位时间喂入的障碍量； F 综合搓擦系数，0.7-0.8； v滚筒的切向速度，15m / s。 将数据代入 N = k N + t N 得： N= 0.52+1.5=2.02（kw） 4.1.2 撑支架强度计算 越障消耗的功率由下式可求得： )(/kwNQN pss = (6) 其中： s Q 单位时间进入越障的脱出物质量（skg / ）； p N 单位脱出物质量筛所需的功率 （skgkw/） ， 上筛： 0.4-0.5， 下筛： 0.25-0.3； 选别能力系数，0.8-0.9。 代入数据可得消耗的功率： =/ pss NQN1.75（kw） 致谢 10 4.2 销轴的设计计算 越障在工作时，越障轴的转速很高，而且传递的扭矩很大，综合考虑，轴的材料选 择45钢调质处理，硬度为195-290HBS，其接触疲劳强度极限Mpa H 620-550 lim =，弯 曲疲劳极限取Mpa FE 480-410 lim =。 4.2.1 轴的最小直径确定 由公式mmnPCd 3 / (17) 其中 P该轴传递的功率，kw； n该轴的转速，min/r； C指轴的材料和承载情况确定常数。 已知 P=2.02kw，min/650rn =，查机械设计手册 21可得 C=128，代入上式可得 mmd45.18 选mmd20=。 4.2.2 轴的结构设计 为了便于轴上零件的拆卸， 经常把轴做成阶梯形。 轴的直径从轴端逐渐向中间增大， 可依次将齿轮和带轮等从轴的上端装拆，为了使轴上的零件便于安装，轴端及各轴的端 部应有倒角。轴上磨削的轴段应有砂轮越程槽，车制螺纹轴段应有退刀槽。 各段轴的直径，如有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径，安装轴承、齿轮等标 准件的轴径，应符合各标准件的内径系列规定。采用的套筒、螺母、轴端挡圈作轴向固 定时， 应把装零件的轴段长度做的比零件轮毂短mm32， 以确保螺母等紧靠零件端面。 参考文献 11 越障轴结构初定如图7所示： 4.2.3 轴的校核 轴上载荷的计算 求轴承上的支反力 垂直面内：NFNV917 1 = NFNV314 2 = 水平面内：NFNH2518 1= NFNH863 2 = 画受力简图与弯矩图，如图 8 所示： 据第四强度理论且忽略键槽影响 MPaWM70/ 1 = )32/75 . 0 ( 322 dWTMM=+=， 6 9.2