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毕业设计(论文)一种船底清洗装置机器人结构设计 摘 要纵观整个地球,海洋的面积大约占70%,海洋的物产是相当丰富的,自然海上运输业也是大力发展,作为海上运输最重要的交通工具船来说,必定是一大重要关注的点。海上运输是现代物流的重要组成部分,但船舶长时间浸在海水中,船身表面不可避免地会附着一些海洋微生物及船体本身遇水后的产物,不定期及时清洗,堆积后很难消除且影响船舶的使用寿命。人工清洗费时又费力,因此船底清洗装置的制造迫在眉睫。本论文设计一款船底清洗装置,进行船舶表面的清洗。考虑到了船底清洗装置在水下的工作环境,在设计的时候,要涉及到机器人的密封,船舶表面的吸附,以及清洗装置的设计,而且如何移动、清洗都是需要好好去分析、研究的。该设备的研究很大程度上解决了航行归来船身的清理状况,不光降低了成本,船身没有附着物自然航行也就更加的快速。针对船底清洗机器人,分析所需要的零件,及设计原则与要求,在研究机器运行工作原理的基础上,设计任务方案。设计部分包括清洗,移动,控制方面,本片课题将着重介绍清洗方面的设计,且对所需要的零部件的进行选择与计算,通过对市场上已经存在的现有的机器人的分析,与本次所设计的成本与选材问题上来看是合理可运作的。同时通过此次对船底清洗装置机器人结构设计,也使我熟悉了机械产品的设计的过程,培养锻炼了我的设计、计算、分析和解决问题的能力。关键词:机器人;清洗;水下;船底AbstractThroughout the entire earth, the area of the ocean accounts for about 70%. The ocean s products are quite rich. The natural marine transportation industry is also vigorously developed. As the most important means of maritime transportation, the ship must be a major concern. Point. Maritime transportation is an important part of modern logistics, but when the ship is immersed in sea water for a long time, some marine microorganisms and products of the hull itself will inevitably adhere to the surface of the hull. Affect the service life of the ship. Manual cleaning is time-consuming and laborious, so the manufacture of ship bottom cleaning devices is imminent. This paper designs a ship bottom cleaning device to clean the surface of the ship. Considering the underwater working environment of the ship bottom cleaning device, the design involves the sealing of the robot, the adsorption of the ship surface, and the design of the cleaning device, and how to move and clean it needs to be analyzed and studied. The research of this equipment largely solves the cleaning situation of the returned hull, not only reduces the cost, but also makes the natural navigation faster withoutattachments. For the bottom cleaning robot, analyze the required parts, design principles and requirements, and design the task plan on the basis of studying the working principle of the machine operation. The design part includes cleaning, movement, and control. The topic of this film will focus on the design of cleaning, and the selection and calculation of the required parts. Through the analysis of existing robots already on the market, this From the point of view of cost and material selection, the design is reasonable and operable. At the same time, through the design of the structure of the ship bottom cleaning device robot, it also made me familiar with the design process of mechanical products, and cultivated my ability to design, calculate,analyzeandsolveproblems. Key Words: Robot; Cleaning; Underwater; Bulge南京工业大学浦江学院毕业设计(论文)1 绪论1.1 清洗机器人的概述经过长达半个世纪的发展,人们已经将代替人工劳动力的相关设备的研发与应用推向了全世界共同发展的珠穆朗,作为二十一世纪的科技发展的潮流,机器人、机器人的相关研究与发展已经到达了很高的水平,其应用早已渗透到了人们生活的方方面医学、产品加工、军事、居家、安全防护等等,目前机器人的应用,最多的应用方向在工厂生产与加工,自动化已经是全世界接下来的研究与发展方向。我国的机器人的研发,较先进行机器人研发的国家,存在着不小的差距,我国的相关从业者正在全力以赴的进行赶超,但是研发归研发,广泛的应用还存在的很大的难题,我国的大型企业逐步实现自动化基本毫无难度,拥有足够的资金与技术团队,但是小中型企业的自动化发展,受到资金和技术的影响,要么花重金去国外购买相关机器人设备,不过也只能替代工厂劳动力的百分之一,国内的相关机器人的制造厂家,由于制造精度,制造水平的约束,所生产说来的机器人设备只能应用于非高精度的生产领域,也就是我国的机器人制造厂家主要是服务于中低端的制造业企业。虽然如此,但也是最符合我国当前国情的的一种状态,后续还是有很长的路要走,也需要实现一步一步的转型。从20世纪开始,就有人对机器人进行初步的研究,目的是希望通过相关的设备去代替一部分人工操作比较反复比较费时的工作,从而有更多的时间精力去完成更多的工作,这就是机器人或者相关设备出现的初衷,也是如今人们对设备机器的相关定义,设备的出现是必然的趋势,越来越多的人在未进行相互沟通的情况下产生同样的想法。经过几十年的发展,全世界的技术人员的共同努力下,将机器人、机器人发展成为了一个产业、一个行业、一个值得长远研究并不断发展与时俱进,几百或者几千年都不会被取代不会被没落的产业。一些发达国家,研发出的机器人更加的智能化,机器人如今已不是最初代替人工操作的设备了,机器人已经能够实现太多人为无法从事、无法实现的相关工作以及帮助人们辅助人们去突破更多的极限。机器人是与时俱进的产物,电子科技、生物科技、仿真科技、高新材料、计算机技术均率先在先进的机器人上面得到了体现。因为机器人也可以称之为“智慧结晶”。我国目前对机器人的研究,也有一定的发展,不过由于起步较晚以及发展重心的问题,机器人的设计研发与国外发达国家率先研究机器人的进度上还有不小的差距,因为国内很多高新技术企业都是选择去国外购买先进高精度的机器人设备,这也造成国内机器人的研发得到不市场的支持,得不到充足的资金支持。不过我国一些机器人生产厂家,研发的相关机器人也能达到大部分国内公司的技术使用,现在我国正在实行智能化自动化发展,对于生产行业, 自动化发展需求的设备很多程度上都是由机器人构成。因为这能成为了机器人产业的发展动机,目前国家也开始对高新技术产业进行相关的政策扶植,相信不久的未来,我国的机器人产业水平能够成为世界一流水平,中国的很多技术研发,都已经成为了世界一流甚至世界之最,我们有足够的自信走到这一步,同学也需要更多的人,更多的技术人,参与其中,共同努力。在当今社会下的工业生产中是离不开机械制造与自动化的。由于机器人在工作的时候,它的每道工序过程都是分开的,所以有相关的配合的机器人加以辅助。在1950年左右开始有了机器人这个专用名词,当初的机器人还不是现在的机器人,没有现在的高科技,但是能够体现人类的脑袋还是非常聪明的,想到用机械的手臂代替人工来完成相关的工作,为以后的生活带来方便和进步,同时,机器人的发展水平也提高到了一定高的水平。在一九五八年的时候,美国生产出了第一台真正的机器人,然后在一九七零年的时候,德国开始进军机器人行业,开始大量着手这方面的制造和研究。瑞士的一家公司生产出了第一台用于喷漆的机器人。在最近的几年看来,机器人这一块的市场还是比较多的,并且有着相当高的经济效益,同时经过了多年来各国精英人士的研究和经验,机器人这一部分的制造开始趋向完美,同时收到了广大人民的喜爱和接受以及相关国家部门的全力支持。当今社会中的机器人臂是有着很高的实用价值的,各方面都是以前的机器人臂无法比拟的,而且随着时代的发展,机器人也开始出现了智能化,其中在机器人中运用高科技成果应用了一些三维画图知识,一些生物学方面的知识,一些有关电子学方面的知识等等,这些技术将机器人变得更加专业,更加符合高科技的生活水平,为机器人的发展又推进了新的一步。所以这样看来,这个国家的机器人行业发展的怎么样,这个国家的科技水平就发展的怎么样 。就目前中国在机器人行业的发展来看,虽然整体上的发展实力一般,但是这在国际上的比较来看还是比较靠后的。这方面也是没办法的,因为中国发展机器人行业这一块时间上是比较落后的,由此导致的中国的技术水平跟不上,这样对照下来,外国人就会就会坐地起价,卖给中国人的机器人都是以高价售卖的,就算这样,外国进口的机器人在中国的各大中型的和小型的工厂里面都很常见。因为为了能够高效率的进行工件的加工,这些厂家还是会花大额的经费来进行机器人的购买上。虽然我国也有一些专门研究和设计机器人的公司部门,但是他们的公司基本上都是和国外的公司一起合作开设的,他们都是直接从国外引入相关的技术知识,而且机器人中的最主要的零件也是进口的国外的,就算是有不同于国外的核心技术,它的大体构造还是大部分模仿的国外的,没有自主的研发属于中国自己的机器人核心,导致了如今中国机器人行业不是特别先进,技术停滞不前的场面。虽然有着种种的因素导致了现在的后果,但是可以相信,我国在机器人这一块的实力一定会达到国际最高水平之一,以及中国的生产机械加工的工厂都能够用上自己国家生产的更高科技的先进机器人,然后继续推动中国的制造业的发展。这种机器人是能够自动化的像人一样做出一些人为的动作,同时又是固定的统一动作,用来抓取相关的工件。它不仅能够代替人工进行操作,人力还是需要休息的,它不需要休息;而且能够在环境比较不适合人存在的地方进行工作。就因为这些特点,机器人是能够被广大机械制造厂普遍接受的。随着时代的发展,科技的进步,越来越多的机器人被运用到了许多领域如焊接技术和机床加工等等,都能够按照相应的程序完成相关的工作。外国人在机器人这一块主要是开始设计更高级智能的机器人机器人。比如周围温度的变化会让它和人一样做出不同的任务。这种机器人包含智能型机器人和工业型机器人这两大类。1.2 本课题研究的背景自人们发现,海上物资更加丰富之后,航海或是海上作业也就兴起了,由于大型船只是海上唯一的交通工具,自然会引起很大的重视。通常船只航海归来其底部船身会有堆积的污渍,这些都是海上的微生物或者是船本身自带的金属遇水生锈的产物,堆积在一起很难消除。所以船底清洗装置结构设计很重要,能够直接影响到整个船只的使用寿命,通常按照船厂的要求,对每艘船只都要进行按时清洗的,这样在远航时能够降低油耗的使用。图1.1 大型船舶通过对船只外部的清洁,能够有效地提升船只的运行速度,还能减少燃料的消耗,自然能够延长寿命。一般大型船厂都是依靠人力来进行清洗,很显然成本太高,对工人的工作强度要求也相对较高,所以并不是很适合用于大型船厂、大型船只的清洗。所以,才会根据人们的需求设计出船底清洗装置。1.3 国内外船底清洗技术的研究现状、目的及意义1.3.1本课题的研究现状船底清洗装置在中国还是很少见的,而且在这方面的研究并不多,主要的原因是其设计的清洗机器人的活动领域在水下,这就需要考虑材料的密封性能、防水性能、以及在水下如何吸附于船体外表面等,这些都是需要去多加实践的,也是本次设计的重点。在1962年的美国就已经研发并设计出一台船底清洁机器人,随后就有很多国家也开始研究工业机器人,发达国家在工业机器人方面的技术已经很成熟。制造业对精度要求变得越来越高,有些工序要求是非常高的,人工操作可能会犯错,有些工作环境或是场所是比较危险的,这些都需要用工业机器人代替人工操作,能避免一些危险。一些国家工业发展比较先进的,并且在这个方面已经投入了实际中使用。更多人都去研究机器人,因此此行业发展会更加迅速,很多人工就业较难的都可以利用机器人代替,因此现在很多企业都在研发工业机器人。从各项数据显示表明,日本在这方面发展较快,有许多出名的公司来研发机器人,世界上的机器人产业日本就占据了很大一部分。生活类的机器人主要是被美国占据。从核心处来讲,日本造出的机器人以及欧洲其他国家的机器人,不仅仅在技术方面十分成熟,在市场上也占据一定优势。而韩国则在服务器方面较为领先,虽然美国在机器人方面的技术很高,但其生产的机器人多数用于军事方面。我国开始从上个世界八十年代左右开始,我国政府以及国家都非常支持此行业,有了经济的支撑,我国在此行业的发展是相当迅速,逐渐市场也在一一向外扩大,中国现如今已经完全掌握了机器人技术的核心,能实现自主研发,目的在于要将其应用到更多行业中去,开发新的市场。在1995年的时候,我国经济发展大有提升,因此还研究设计出能在深海中探险的机器人,但是对其研究还不够深入,解析不够完整。虽然我国涉及此行业的时间不是很久,但发展较为全面,同时也在为这个行业招募更多的人才,这样才能制造研究出更先进更精确的机器人。缩小与其他国家的差距。大力发展我国经济,专心做好科学研究,要超越欧洲发达国家。国内早先对该类型机器人进行研发,是03年哈尔滨工业大学内部研究课题,也是首个制造出成型的机器人。相比较国内,国外这项技术很早就已研究上市,投入大规模的使用,特别是壁面清洗机器人,能够对高楼大厦上的玻璃、墙壁甚至地板都能够完成清洁,而且现在技术已经趋向于完善。图1.3 船底清洗装置原先国外是由美国军官对于海洋军舰的外表面进行清理,要求海洋机器人公司能够研究出能够清理船只外表面的微生物的设备。最终的目标也是为了节能,让船只能够行驶快速。图1.4 仿生水下船壳清洁系统地球上绝大多数的占地面积是被海洋所覆盖的,人口越来越多,土地的占地面积较少,且能源开发有限,因此很多人把目光放在了海洋领域。好比现在很多的天然气、可燃冰等,这些都是由海洋开采出来的。一般深海里的能源运输靠的就是大型船只,很显然耗能也相对较大,因此对于船只表面的清洗尤为重要,该设备的研发是大势所趋,迫在眉睫了。1.3.2本课题研究的目的众所周知,海水会存在一定的电化学腐蚀性,船只在运行过程中就会被腐蚀,由于大型船只通常都是金属船身,腐蚀后遇水会形成铁锈,从而粘上很多漂浮物,随着运行前进,越积越多。造成船身的体积随之变大,并且行驶的耗能也就越多,缩短了船只的使用寿命。由于过程中不可避免会被腐蚀,则必然会产生铁锈,引起漂浮物的吸附,这样随着在海里运行的时间吸附物会越来越多,则耗能也就越大。结合相关的资料对其表面粗糙度和运行耗能之间的关系进行分析,见图1.2。图1.2 船身的表面粗糙度伴随时间变化与燃料消耗量的关系运行船只的使用经济性是跟其浸在海水里的那部分船身的表面粗糙度有一定的联系。其表面粗糙度可以通过下面叙述的几个原因来进行分析:其一,本身运用的材料表面粗糙度值就偏大;其二,船只采用的是焊接形式,将每块板连接在一起,难免会有焊接不平的地方;其三,在船身表面会有涂层,质量较差,长时间与水碰撞容易脱落;其四,就是海洋微生物的附着。这四个原因中,最主要的也就是第四个,所以每次航海归来,都必须对大型船只进行清洗,这样对下次航海减少相应的阻力,提高了船只的寿命,并且降低了成本的使用,能够带来更高的效益。为此专门设计的船底清洗装置是很有必要的,一般人工进行清洗需要将船只停到港口的船坞上才能清洗到浸在水下部分的船身,但是船坞数量和清洗区域并不是很大,所以并不能同时进行几辆船只的清洗,而清洗机器人就能够在船只停靠在岸的时候,对浸在水下的船身进行清洗,不仅耗能较低,而且对其行驶的速度有很大的影响。机器人的研发不光解决了清洗的问题,降低了工人的劳动强度,还促进了航海行业机械自动化的进步。1.3.3本课题研究的意义众所周知,海水会存在一定的电化学腐蚀性,船只在运行过程中就会被腐蚀,由于大型船只通常都是金属船身,腐蚀后遇水会形成铁锈,从而粘上很多漂浮物,随着运行前进,越积越多。造成船身的体积随之变大,并且行驶的耗能也就越多,缩短了船只的使用寿命。这就是为什么水下清洁机器人的开发对船体表面的清洁的必要性。此外,能够对货轮在运行商务这块起到明显的经济效益,而且能够提高船速,增加利润。1.4 船底清洗的发展趋势现代工业技术很多都是朝着自动化、智能化发展,之后会有越来越多的机器人代替人工进行工作,会是未来的主流发展方向。船底清洗装置能够自主思维,在水中清洗时,对该清洗位置进行实时监控、观察并作出判断,哪些是需要完成清洗的,这样就能根据实际的表面堆积赃物的程度进行量化清洗,保证每次的清洗符合清洁标准。2 设计任务和方案的确定2.1 设计任务的确定(1)本次设计是需要完成能在水下对大型船只表面进行清洗的机器人;(2)根据现有的资料和大量调查,进行预估总体的设计,并且决定好研究的方向;(3)大致方向确定之后,需要对其零部件进行选择,并计算出具体尺寸;(4)船底清洗装置最主要的活动场所是在水下,自然对其密封是防水性能要着重考虑,进行大量的尝试、验证;(5)由于机器人是在水下活动,所以是依附着大型船只的表面进行移动,对其移动的设计需要多加实验;(6)水下信号相对没有水上好,所以控制机器人的清扫也是需要进行大量的实验的;(7)最终成型的设计总图和各部件之间的连接零件图,需要绘制出来。2.2 设计方案的确定2.2.1船底清洗装置清洗装置设计方案的确定对于船底清洗装置的清洗装置,我设想了两种方案,是根据常规的家用扫地机进行设计的:第一种是刷盘式:在机器人的内部安装有传动装置,工作时能够带动刷盘对船身进行清洗(图2.1),成本较低。第二种是超声波震荡式:船只在海里航行粘上的附着物,可以通过超声波将其震落,达到清洗的目的,工作环境复杂,操作成本较高。根据上述两种方案的简述,第二种的优势在于能够将船只的表面清洗的很干净,但是整个的操作成本过高,不是很实用,所以,最终确定为第一种刷盘式清洗设备,不仅效果好,操作简单,成本也低,适合大量的投资使用。图2.1 水下清洗装置示意图2.2.2船底清洗装置移动方式设计方案的确定对于船底清洗装置的移动装置,我设想了三种方案,是根据壁式清洗机的移动装置进行设计。第一种是永磁吸附双履带式,该装置的驱动是根据内部带有的电动机进行供电,促使两边带有的无轨履带实现移动,由于其接触的面积相对较大,自然运行平稳,但是也有缺点,体积过大对其转弯有一定的影响,见图2.215。1.链条 2.永磁体块 3.主动轴 4.万向轮 5.减速器 6.交流伺服电机 7.联轴器 8.主动链轮 9.外侧板 10.张紧螺钉 11.从动链轮 12.支撑架 13.扛倾扛杆 14.从动轴图2.2 履带式吸附式结构图第二种是车轮式,顾名思义会由轮子进行移动,自然动力源还是单独的电动机,根据图2.3能够看出,整体结构相对简单,移动相对较灵活,能够转弯,轮子在床身行走其接触面积不大,自然容易滑落或是难进行吸附25。1.清洗刷具 2.前导向轮 3.车体 4.驱动轮 5.后万向轮 6.船体表面 7.控制单元 8.伺服马达及减速器图2.3 车轮式结构图第三种是步行吸附式,该装置不带有任何驱动,是纯机械式的,采用交替的结构循环,每个支脚都含有吸附石装置,自然移动不是很灵活,相对慢些,但是吸附在船身上的能力很平稳。通过上述所有的移动方式的简述分析,最终决定采用第一种方案,其能够平稳的吸附着船身进行移动,而且相对重心较低,能够携带其他有用的清洗工具进行对污垢的清除,履带最大的优势在于,能够根据船身的曲率进行翻越某些有坡度或是沟壑的位置,大大解放了人们的双手,并且清洗力度较高。2.2.3船底清洗装置控制系统的设计方案船底清洗装置是需要一定的智能化的,毕竟在水下,操作工人不一定能实时监控,所以在机器人表面需要设计传感器,在移动的过程中,传感器将感知到的信息传输到工控机中,再由其通过输出接口进行命令,对其余控制系统进行合理的控制,这样能够根据原先录入的清洗路线运行,并且完成效果较好,如图2.4。图2.4 控制方案系统图3 清洗装置及密封的设计3.1船底清洗装置清洗装置的设计3.1.1 船身表面维护的处理流程对于大型船只的外表面间的维护和定期的保养都相对较麻烦,不光要进行去除外层的吸附物和自身演变的铁锈,完成之后还需全部进行上色,也就是涂油漆。首先对整个表面进行去污,盘刷由电机进行驱动,从而达到清洗的效果。清洗完成的成果是跟最终对船身的维护有直接的影响,而且伴随着社会的发展,科技的不断创新,这类设备只会更加完善,更加符合大众的消费水平。图3.1 船体表面清洗流程图3.1.2 水下清洗装置的工作原理该装置首先就不应该是较高转速的装置,在水里进行移动而且需要吸附船身,所以整个转速设置在v=200r/min,下图是内部所有零件的安装简图:1.钢丝刷;2.滑杆;3.内套筒;4.滑键;5.轴承端盖;6.轴承;7.弹簧;8.支持架;9.外套筒;10.密封圈;11.法兰盘1;12.减速器;13.法兰盘2;14.密封罩;15.电机图3.2 水下清刷装置简图清洗装置是盘刷式,盘刷是采用的钢丝材质,由于是在水下并且是对铁锈等进行清洗,所以传统的机械不一定能够运行,需要电机进行驱动,并且配合着相应的移动,对整个船身进行清洗。3.1.3 柔性刷的作用钢丝刷也可以称之为柔性刷,是通过连接的内套筒进行运动。根据图3.3进行分析,内套筒和滑杆形成配合,并且内部设有弹簧,连接电机对传动起到相对的减速效果,这能够实现移动或是转弯时的清洗。柔性刷跟弹簧的刚度进行比较,前者较大,两者之间呈相对的形式,因此选择弹簧的刚度时,要求k40N/mm。1.钢丝刷;2.滑杆;3.螺钉;4.内套筒;5.轴承端盖;6.轴承;7.弹簧;8.外套筒图3.3 柔性刷简图3.2 船底清洗装置的密封着重分析一下其密封的能力,该设备内部设有电机,完成的是在水下进行清洗,所以设有动、静两种密封形式。根据内部各不见得的密封要求,控制箱、伺服电机等是需要进行静密封的,而伺服电机有些时候也是需要动密封的。静密封,密封的接触面积较大,且不易泄露,由于控制箱上。控制箱内装有控制设备,自然不能进水,而且箱体往往都是分为上下两个部分,两者接触处必然存在缝隙,那么就需要添加一个辅助元件,消除间隙,但也不是任何元件都能实现的,必须满足弹性较高,机械强度较好的条件。根据这两种条件,对相应的材料的进行排除、分析,最终确认材料为丁腈橡胶5080的橡胶垫,该橡胶垫弹性较高,挤压之后能够精确还原,并且越挤越紧,不管是内外都很难有东西泄露,用在此处,最适合不过。动密封,该类型在生活中相对较多,就拿常用的O形密封圈来看,整体结构简单、成本低廉、密封性好、种类较多、在各种领域都有其身影。因此,伺服电机既要实现静密封又要实现动密封,那么最终确定的密封材料为丁腈橡胶的O形圈。根据常规的动密封进行分析选择,查出相关表格如表3.1:表3.1 动密封比较表组合密封0形圈密封迷宫密封机械密封磁流体密封尺寸小、摩擦力小,适用于高压低速回转轴的密封结构比较简单、成本低,用于往复的动密封。与运动部件没有摩擦接触允许具有某些泄露的有控制的间隙密封适用于高速旋转轴的密封密封端面垂直于旋转轴线蜜蜂可靠摩擦力小适用于旋转轴的动密封密封性能优异,摩擦磨损小。适用于旋转轴的密封,适用于用作高性能的气体密封。结合所需完成的密封,最终选择O形和组合密封的形式在此次设计中。所选密封罩示意图3.4。图3.4 密封罩示意图3.3 船底清洗装置吸附磁铁的设计上文有介绍采用的是履带式移动装置,在履带的内部设有吸附装置,能够贴合船身进行移动,通过操作人员对其进行录入移动路线,再由盘式刷进行清洗船身各处的污垢。履带式每一节都会装有一个吸附设备,也就是磁铁,根据所选的履带的带节能够确定最终的吸附磁铁,由于清洗的是相对较大的船只表面,所以每条履带的长度不会太短,那么所需的吸附磁铁的个数确定范围在24个左右,而且磁铁外部会裹上橡胶对其密封,为了保护其吸附性和移动性。整个设备的移动每一次都至少要有8个磁铁吸附在船体表面,这样能够保证稳定的运行,并且吸附力度大些,能够支撑其不滑落。整个移动过程中,两条履带之间要同步进行,而且能够对浸没在水下的船体完成所有的清洗能力。3.4 船底清洗装置的连接管与主要零部件的连接的法兰盘通过了查阅资料我愿用了三种材质碳钢法兰,平焊法兰和橡胶街头法兰,由于我们关于计算成本与校核,以及对市场的其他机器人做的大量对比我选用了碳钢法兰,也就是用了比较老款材料1cr18ni9ti双法兰盘示意图3.5。图3.5 1cr18ni9ti双法兰盘示意图这一章节主要是对该类型的装置整个的工作原理进行了分析,介绍了为什么使用柔性刷的缘由,对主要部件的密封性能都详细进行了分析,然后是如何进行吸附与连接也做了简述,整个设计也就完成了一大半。 4 船底清洗装置机器人磁吸附系统的设计4.1 磁吸附系统的分析与确定履带式磁吸附系统是磁吸附机器人中一个比较重要的系统设计,它能够使机器人在垂直壁面和天棚壁面上进行作业。履带式磁吸附系统作为一种自动机械装置,它已经越来越受到人们的重视,目前主要应用于石化、建筑、消防、造船等领域。同时,镶嵌在履带上的永磁体磁吸附系统的设计是水下船底表面清洗机器人(后面简称清洗机器人)实现在船体表面吸附功能的关键.。设计的目的是根据具体情况,设计合理的磁路结构,满足清洗机器人的吸附要求,充分发挥永磁体的性能,减小清洗机器人的体积,提高清洗机器人的负重能力,便于清洗机器人的驱动。磁吸附系统产生磁吸附力,使清洗机器人吸附在船体表面。磁吸附力是磁吸附系统设计时最基本的参数,磁吸附力的大小必须既要保证能吸附住,又要不能过大以免造成功率浪费。履带式磁吸附系统采用双履带永磁吸附结构,在履带一周上安装有数十个永磁吸附块,其中的一部分紧紧地吸附在壁面上,并形成一定的吸附力,通过履带(由链条和永磁块组成)使机器人贴附在船壁面上,机器人在船壁面上的移动靠履带来完成。移动时,履带的旋转使最后的吸附块脱离船表面,同时还使最前面的一个吸附块吸附在船底表面,这样周而复始,就实现了船底清洗机器人在船底表面上的爬行。船底清洗机器人通过履带实现移动和负重承载两大功能,机器人承载能力的大小直接受磁块吸附力的大小影响。同样,吸力的精确计算对于机器人的力学分析、运动学分析和驱动电机的选型等具有重要的意义。4.2磁吸附单元结构及工作原理船底清洗机器人采用永磁吸附方式,它不仅克服了空气吸附力小的缺点,而且吸附力也很可靠。另外,为了使机器人在完成作业时易于脱离工作表面,在机器人的履带中设计了一种结构29,通过手动操作将磁铁中的磁回路切断,从而消去机器人与工件表面间的磁吸力,操作方便可靠。如图4.1,机器人在工作时,磁吸附块处于磁吸附状态,吸附单元与钢铁工件表面足够接近,磁通几乎完全经工件闭合,气隙b中磁感应强度达到最大值,磁吸力也最大;工作结束之后,将永磁体旋转90,磁吸附块处于磁短路状态,磁通主要通过两侧铁轭闭合,气隙b中磁感应强度减小到最弱,磁吸力最小,机器人就可以很方便地从工作表面上取下来。磁吸附块中的永磁体材料为钕铁硼系列中的Nd15Fe77B8,采用径向磁化,它具有较高的内禀矫顽力和较好的抗老化退磁性能,可以保证系统长期稳定地工作。其性能见表4.130。磁吸附状态 磁短路状态 1.隔磁气隙口 2.永磁体 3.铁轭 4.气隙b 5.工件图4.1 磁吸附单元表4.1 钕铁硼性能参数剩余磁感应强度(T)1.25磁感矫顽力b Hc(kAm)796.0内察矫顽力n Hc(kAm)875.6磁能积(BH)m (kJm3)286.5磁感温度系数20-100-0.126密度 (g/cm3)7.4居里点 Tc ()312工作温度 T ()804.3磁吸附力的计算根据磁能公式 Em=18BgHgVg=18BgHgSgLg (4-1)式中: Em为磁场能;Bg为工作气隙磁感应强度;Hg为工作气隙的磁场强度;Sg为工作气隙截面积;Lg为工作气隙长度。根据能量守恒定律,可以得出作用于磁极面的吸引力F为: F=18BgHgSg=18Bg2Sg (4-2)间隙中的磁感应强度Bg近似等于永磁体中的磁感应强度Bm,于是有:F=18Bm2Sg (4-3)根据机器人力学分析,可以知道清洗机器人吸附在船体表面上的最小吸附力为 120 N。根据公式(4-3)以及链条的尺寸,考虑到磁吸附系统封装后磁吸附力要衰减,所以初选3种尺寸规格的磁吸附系统:30 mm 20 mm 20 mm、26 mm 30 mm 30mm、20 mm20 mm20 mm,经过封装试验后,再最后确定磁吸附系统的尺寸。 在设计中,我们进行了磁吸附力与空气间隙关系的实验,如图4.2所示,可以看出磁吸附力F随着工作间隙Lg的平方值而衰减。这是因为存在空气间隙的磁路结构是开路,在开路情况下,磁路的两端存在自由磁极,由此产生一个退磁场。这个退磁场的方向和材料内的磁感应强度的方向正好相反,这就对材料施加了一个反向磁场,从而降低了磁吸附系统的吸附力。所以为了保证磁性履带在船体表面的可靠吸附,不仅要有合适的磁吸附力产生,工作间隙的大小也是很关键的。气隙太大将会显著削弱磁吸附力,导致清洗机器人和船体表面脱离而不能正常工作。图4.2 间隙变化和磁吸附力的关系曲线4.4履带平面力学分析由于机器人的两个履带各自由一个电机进行驱动,因此我们只就单个履带进行分析。如图4.3,在平面直线运动中,吸附于工件上的磁块是静止不动的,机器人只受到前后两个处于脱离状态的磁块的作用,它们对机器人形成的转矩分别为:M1=F1l1 (4-4)M2=F2l2 (4-5)式中,F1和F2是磁块转角为1、2时对工件的磁吸力,l1和l2为F1、F2分别与前后轮中心线的水平距离。图4.3 平面运动力学分析则整个履带受到的阻力矩为:M=M2-M1 (4-6)在转向运动中,吸附于工件上的每个磁块跟随机器人本体一起进行转向运动,磁块相对于履带向后运动的同时,先是沿其中心与机器人瞬心的连线向瞬心方向移动,当到达履带的中心位置O1(O2)后又开始向远离瞬心的方向运动,直到与工件开始产生脱离。本文设计的机器人为轮履复合式移动机构31,机器人重量完全由4个轮子支撑,履带只受到均匀分布的磁吸附力的作用,轮子与钢板工件为线接触,接触面积和履带与钢板的接触面相比小得多,因而滑动摩擦力主要是由磁块与工件的吸附力引起的。转向过程中,外履带处于驱动状态,内履带处于制动状态,外履带驱动力矩会增加,主要用来克服内履带产生的摩擦阻力矩,并且在试验中发现,内履带的驱动力矩反而会减小,这是由于内履带受到外履带的推动作用而引起的。如图4.4,内履带每个磁块受到的滑动摩擦力为F,由于当磁块到达履带中点时的相对滑动速度为 零,所以可以认为内履带的瞬时转动中心为履带中点O2,则所有磁块形成的摩擦阻力矩为:Mf=i=1nFli=i=1nNfli (4-7)式中,n为吸附于工件上的磁块数目;N为磁块吸附力;f为滑动摩擦系数;li为磁块的转动力臂。外履带相应的驱动力矩为: M=MfBR (4-8)式中,B为内、外侧履带的距离;R为链轮半径。为防止链条断裂后机器人从工件上跌落下来,本机器人的减速机构采用蜗轮蜗杆传动,使其具有自锁功能,则在转向运动中电机增加的输出扭矩应为: T=Mi=MfBiR (4-9)式中,i为传动比;为传动效率。本机器人的驱动系统采用日本Panasonic公司的MINAS A系列交流伺服电机和驱动器,该电机额定转速3000rm,额定转矩为064Nm,我们通过转矩监视输出的方式测定了机器人在直线和转向运动中电机的转矩,表4.2为右轮转矩输出(左轮转矩同)。从测试结果可以得出:当内、外履带转向相同,速度不同时,外侧电机转矩增大,内侧电机转矩减小,当内、外履带转向相反时,机器人做打转运动,两履带都位于机器人瞬心的外侧,内外电机转矩同时增加,并且转矩增加的测量结果与式(4-9)的计算结果相符;无论机器人进行直线运动还是转向运动,电机的转矩都有一定的波动,这是由前后两个处于脱离状态的磁块共同作用产生的阻力矩M引起的。另外,机器人机构本身始终存在着一定的摩擦阻力矩Mo。表4.2 机器人平面运动转矩输出4.5 磁路结构的封装 由于机器人的工作环境是在海水里,永磁体不加保护会受到海水腐蚀。同时稀土钕铁硼是高 矫顽力材料,产生的磁吸附力较大,机器人在移动过程中永磁体和船体表面的反复吸合和脱离会与船体频繁发生碰撞,N35永磁体是烧结体,韧性较差易脆裂,所以必须对磁吸附系统采取保护措施。综合考虑,决定对磁路结构进行橡胶封装,一方面可以隔离海水,防止磁路结构腐蚀;另一方面可以缓冲磁吸附系统与船体的碰撞;此外橡胶层还可以增大履带移动时的滑动摩擦系数,防止清洗机器人运动过程中打滑。橡胶封装需要解决的问题是用哪种橡胶封装比较合适,采用何种封装结构,封装后磁吸附力的衰减情况是怎样的.。4.5.1 选择橡胶 在橡胶封装试验中,分别选用了天然橡胶、氯丁胶和顺丁胶作了对比试验,实验表明3种胶对磁吸附结构的磁性能的影响基本是一致的,这表明选择何种橡胶都是一样的。由于氯丁胶具有以下优点:1)和金属结合性比较好;2)耐磨性比较好;3)耐水性比较好,所以选用了氯丁胶。4.5.2 封装结构 经过工艺比较,选择了图4.4所示的封装结构,图中翼板取代链条的链板,连接板包裹住磁吸附系统,然后将整个系统进行橡胶封装,再将磁吸附系统与翼板用螺栓固定在一起后,便可将磁吸附结构与链条连成一体。图4.4 磁路封装结构图4.5.3 封装后的磁吸附力的变化情况 选用3种规格的磁路结构,尺寸分别为30 mm 20 mm20 mm、26 mm20 mm 20 mm、20 mm 20 mm20 mm,改变封装磁路的氯丁胶厚度,用测力计测量封装后的磁吸附系统与厚 8 mm的铁板之间的吸附力,磁吸附系统封装不同厚度的氯丁胶后的吸附力对比情况见表4.3,从表4.3可以看出封装后磁吸附力明显衰减,大约与厚度成平方关系,这与空气间隙基本相同。由此实验并综合考虑橡胶封装层的强度,最后确定橡胶封装的厚度为2 mm。从表4.3可以看出26 mm20 mm20 mm 规格的磁吸附系统在橡胶包层为2 mm的情况下磁吸附力是比较合适的。故最后选用此种规格的磁吸附系统。 表4.3 磁路结构封装不同厚度氯丁胶后的吸附力对比 N 4.6 水下环境对磁吸附系统的影响由于封装氯丁胶后的磁路结构是在水下工作的,为了比较磁路结构在空气和水中产生的磁吸 附力有何不同,进行了以下对比实验,实验步骤如下:厚度为6 mm的铁板在空气中用测力计测量磁吸附系统对其吸引力,然后将铁板和磁吸附系统共同放入水中,用测力计再次测量磁吸附系统的吸引力,每次测量共做5次,然后取平均值,实验结果记录于表4.4。 从实验结果可以看出,磁路结构在空气和水2种不同介质中产生的磁力基本是相同的,主要是由于空气和水的相对磁导率比较接近,可近似为1,所以可认为磁吸附系统在水中和在空气中的磁吸附力基本没有变化,因此可忽略水介质对磁吸附力的影响。 表4.4 磁路结构在空气和水中产生的吸附力对比 N4.7 船底清洗装置吸附磁铁的设计在机器人驱动电机转矩的测定中可以得出,在直线运动中,机器人受到本身机构内部摩擦力和前后两个磁块的共同作用;在转向运动中,外履带电机转矩增加,内履带电机转矩减小。在充分考虑了价格、最小吸附力等各种因素研制的磁吸附系统,经样机试验证明该吸附系统具有体积小、吸附性好、防护性能强的优点,很适用我们这种壁面移动机器人的研制。因此在本文船底清洗装置机器人结构设计中采用的是履带式移动装置,在履带的内部设有吸附装置,能够贴合船身进行移动,通过操作人员对其进行录入移动路线,再由盘式刷进行清洗船身各处的污垢。履带式每一节都会装有一个吸附设备,也就是磁铁,根据所选的履带的带节能够确定最终的吸附磁铁,由于清洗的是相对较大的船只表面,所以每条履带的长度不会太短,那么所需的吸附磁铁的个数确定范围在24个左右,而且磁铁外部会裹上橡胶对其密封,为了保护其吸附性和移动性。整个设备的移动每一次都至少要有8个磁铁吸附在船体表面,这样能够保证稳定的运行,并且吸附力度大些,能够支撑其不滑落。整个移动过程中,两条履带之间要同步进行,而且能够对浸没在水下的船体完成所有的清洗能力。5 主要零部件的设计与计算4.1 设计原则的确定(1)根据使用者的需求对该设备进行设计。该设计最大的功用是解放人们的双手,降低人的劳动强度,所以通过使用者提出的要求,能够更加符合、贴切,而且完成的设备质量要高,物美价廉。(2)无论做何事,最重要的就是安全性。该设备最主要的工作环境是在水下,而且海水内存在很多矿物质,遇金属容易产生腐蚀,会对整个设备产生极大的危害,而且工作的面积先对较大,也就是说工作的强度较大,对机器设备的使用寿命有一定的影响。所以在进行设计各部件之间的尺寸或是各项材料时,需要经过精密的计算,材料一般推荐防腐蚀性较高的材质,并且不能过于重,对其选择相对较好。根据上述的设计原则,结合现有的资料进行分析,最终确定其清洗装置为型水刷。4.2 设计要求的确定整个设计的机器人,最主要的就是其清洗的能力,船底清洗装置质量的判断也是根据清洗能力来进行的,因此清洗装置的重要性可见一斑,设计的该装置必须满足下列所有的要求,才符合此次设计:(1)整个设备重点活动区域在水下,设计不能过于繁琐,操作简单,没有太大的技术含量,装置是根据内部人工输入的路线进行移动的,控制系统是采用的无线连接,无论是不是熟练操作的员工都能轻易的上手;(2)整个设备体积不易过大,若是设计的体积过大,吸附力度就相对需要的大些,那么对其在清洗过程中的移动就相对笨拙,而且完成清洗的时间也就大大加长;(3)前文有提到该设备需要每个装置材料具有一定的耐腐蚀性,海水内隐藏了很多的物质,长时间浸泡在水里会被腐蚀,所以工作设备对其腐蚀性能要求较高,会对设备的使用寿命有一定的影响;(4)船底清

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