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高空作业
机器人
设计
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机械
毕业设计
论文
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说明书一份。38页，15000字。
开题报告一张。
图纸共15张，如下所示
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A0-零件图汇总第二部分.dwg
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0 毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题目 : 高空作业机器人设计 院 系 名 称 : 专 业 班 级 : 学 生 姓 名 : 导 师 姓 名 : 开 题 时 间 : 指导委员会 审查意见： 签字： 年 月 日 1 1 课题研究的目的和意义 计目的 高空作 业机器人设计是为实现无攀爬式全自动高空接线而设计的机器人装置。裸高压导线输电线路的备用导线高空接线，其绕线轨迹不规范、转子线圈的线径粗、折弯力较大、折弯运动空间受限等，给高空接线增加了难度，而多自由度的高空全自动绕线装置的研究是高空接线中亟待解决的瓶颈问题。本课题根据仿生学和机器人学的原理，运用常用的机械运动机构及其组合，实现高空握持导线、不规则的圆周绕线运动和横向进给运动的全新自动绕线机器人的研究。 计意义 机器人可以代替人进行繁重、危险的劳动，显著减轻了工人的劳动强度和工作负担，大大改善 了劳动条件，提高了劳动生产率和自动化水平。在高空裸导线的接线中，以前 都需要操作人员攀高接线，劳动强度大、安全性不可靠 ；而无攀爬式全自动高空接线机器人能够代替工人进行高空作业，避免了工作中潜在的各种危险，同时提高了工作效率，并且减少了高压输电线路的电流损耗，也为低碳经济提供了一个新的探索方案。该设计经济实用性高，具有光明的发展前景。 2 文献综述 状及分析 裸高压导线输电线路的高空接线工作，一直是困扰高空作业人员的棘手问题，由于其危险性极大，作业条件艰难，仅靠人力很难做到，所以都是借助高空作业车的帮 助来实现的。而高空作业车体积庞大且笨重，耗资巨大，而且在路况不好的地方很难行进，这就导致了很多地区的高空接线工作很难进行。近年来，越来越多的人致力于多自由度的高空全自动绕线装置的研究，试图找到一种简便、经济、安全、有效的方法，来解决这一难题。 在一切追求人性化的今天，越来越多繁重、危险和高难度的工作，开始采用机器人（包括机械手）来代替人类完成。无论在国外还是国内，高空接线这种工作都已经考虑运用机器人技术。人类的很多不足都能够通过机器人来弥补，这样不仅节省了人力，而且降低了风险，同时也让机器人得到充分的利用。 目前，无攀爬式全自动高空接线机器人还没有真正投入使用，但由于其显著的优越性，即 2 高效率、安全性高、经济性强等，正在被越来越多的专家学者研究试验，前景可观。 本课题设计的无攀爬式全自动高空接线机器人主要实现高空握持导线、不规则的圆周绕线运动和横向进给运动，其主要结构有： 1)握持导线机构 机械手是一种能模拟人的手臂动作，按预定程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置，主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分 类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。机械手按用途分为通用机械手和专用机械手两类；按驱动方式分，有气压传动机械手、液压传动机械手、机械传动机械手和电力传动机械手；按控制方式分为点位控制和连续轨迹控制机械手。 机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在 用液压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视， 当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置 . 本课题的机械手要能够满足 抓住引线、握住导线，并且手臂最好能够进行横向伸缩，而且要具有一定的承载能力，因为在绕线机构缠线过程中，机械手要支撑住整个机构，如果承载能力不够，会出现安全问题。 2)全自动绕线机构 该部分的主要功能是将导线和引线用绑线缠住，绕线机、齿轮齿条机构、行星齿轮机构等均能够实现绕线动作。 (1)绕线机： 3 绕线机 ，顾名思义 是把线状的物体缠绕到特定的工件上的机器 。 欧美绕线机以其加工精度高、质量稳定而在国际绕线机市场上占有重要地位。 欧美绕线机一般可绕 线径，转动误差极小。绕线机用精密微机控制，以程序控制操作，这些程序极易掌握，人机对话简单，即使工作人员并无绕线工作的经验也可应付自如。目前欧洲生产的绕线机已经趋于自动化，而美国的绕线机介于自动和半自动之间，德国制造的外形比较美观，零件比较讲究，但是造价高。随着国际绕线机市场的蓬勃发展，相互间的竞争越来越激烈，各国的厂家都必须开发出新一代的绕线机。现在主要 是趋向自动化的发展方向。 全自动 绕线机 是近几年才发展起来的新机种，为了适应高效率、高产量的要求，全自动机种一般都采用多头联动设计，国内的生产厂家大多都是参照了台湾等地的进口机型的设计，采用可编程控制器作为设备的控制核心，配合机械手、气动控制元件和执行附件来完成自动排线、自动缠脚、自动剪线、自动装卸骨架等功能，这种机型的生产效率极高，大大的降低了对人工的依赖，一个操作员工可以同时照看几台这样的设备，生产品质比较稳定，非常适合产量要求高 的加工场合。这种机型由于集成了数控、气动、光控许多的新技术，所以价格小则几万元高则十几万元，价格也使得许多的用户望而叹步，另外由于功能要求决定了该设备的零部件采用了大量非标准件和定制件，所以一旦出现故障相对的维修过程将会很复杂，周期也会比较长 。而且这种绕线机多数形体巨大，适合大批量，高精度的工作要求场合，不是本设计的理想选择。 (2)齿轮齿条机构： 齿轮齿条传动将旋转运动变为直线运动，它的传动功率大，速度范围广，效率高，工作可靠，寿命长，结构紧凑，能保证恒定传动比。但是，这样的机构可以反向驱动，也就是齿条做 直线运动来带动齿轮旋转，适合大距离的传动，如机床导轨底下带动拖板箱移动的就是齿轮齿条传动，齿轮齿条机构需要外加锁紧装置，因为齿轮齿条机构不能自锁。而且它的制造及其安装精度要求高，成本高，不适于两轴中心距过大的传动及振动冲击较大的场合。 (3)行星齿轮机构： 行星 齿轮 机构有很多类型，其中最简单的行星齿轮机构是由 1个 太阳轮 、 1个 齿圈 、 1个行星架和支承在行星架上的几个行星齿轮组成的，称为 1个行星排。行星齿轮机构中的太阳轮、齿圈及行星架有一个共同的固定 轴线 ，行星齿轮支承在固定于行星架的行星齿轮轴上，并同时与太阳轮和齿圈啮合。当行星齿轮机构运转时，空套在行星架上的行星齿轮轴上的几个行星齿轮一方面可以绕着自己的 4 轴线旋转，另一方面又可以随着行星架一起绕着太阳轮回转，就像天上 行星的运动 那样，兼有自转和公转两种运动状态（将星齿轮的名称即因此而来），在行星排中，具有固定轴线的太阳轮、齿圈和行星架称为行星排的 3个基本元件。行星齿轮机构可按不同的方式进行分类 ， 按照齿轮的啮合方式不同，行星齿轮机构可以分为外啮合式和内啮合式两种。外啮合式行星齿轮机构体积大，传动效率低，故在 汽车 上已被淘汰；内啮合式行星齿轮机构结构紧凑，传动效率高，因而在 自动变速器 中被广为使用。按照齿轮的排数不同，行星齿轮机构可以分为单排和多排两种。多排行星齿轮机构是由 几个单排行星齿轮机构组成的。按照太阳轮和齿圈之间的行星齿轮组数的不同，行星齿轮机构可以分为单行星齿轮式和双行星齿轮式两种。 全自动绕线机构要用直径为 20后用 1分钟左右的时间完成绕线过程。 所以考虑到本设计要求经济适用，效率高，优先考虑行星齿轮机构和齿轮齿条机构，这两种机构较绕线机相比，更符合设计要求，机构轻便，而且价格适宜，具有更强的实用性，更加大众化。除此之外，带传动，四杆机构等也可以绕线，具体设计就要根据设计内容和要求而确定。 步可行性研究 无攀爬式全自动 高空接线机器人的主要优点： (1)经济性：现在使用的高空作业车格价一般为几百万不等，经济性低，需要使用者的经济承受能力很强；而无攀爬式全自动高空接线机器人的价格在几千元左右，与前者相比，优越性一目了然。 (2)安全性：高空作业安全一直是我国的重中之重，而本设计可避免这一问题，安全性高。 (3)效率高：无攀爬式全自动高空接线机器人在绕线过程中的时间约为 1 分钟，而整个过程约为 2 分钟，与较传统的方法相比较，工作效率大大提 高。 (4)适用范围广：在何种环境均可工作，对工作条件没有特别高的要求，实用性强。 鉴于以上优 点， 无攀爬式全自动高空接线机器人具有很高的可行性。 3 基本内容、拟解决的主要问题 本内容 本设计主要完成无攀爬式的高空遥控作业 ， 实现高空握持导线、不规则的圆 5 周绕线运动和横向进给运动的全新自动绕线。具体内容为用绕线直径为 2铝质绑线将直径为 10引线和导线缠在一起，并完成导线的固定工作，绕线用时 1 分钟左右。 攀爬式全自动高空接线机器人 的拟实现工作流程 (1)用绝缘拉杆插入拉杆插孔后，送机器人接近引线，控制机器人右手抓住引线； (2)送机器人接近导线，控制机器人左右手同时握住导线； (3)控制机器人用嘴咬住导线和引线后，使绑线如舌头一样，勾住导线和引线，同时身体做绕导运动，将绑线缠在导线和引线上； (4)最后，用嘴咬断多余绑线后，工作结束。 解决问题 (1)机器人手臂要能够抓住引线，并握住导线。 (2)绕线机构将导线和引线缠在一起，在绕线结束之后，将绑线两头固定，保证其不会松动。 4 技术路线 通过查阅资料，明确设计目的，进行总体结构方案的拟定，经过对运动 和动力参数的计算，进行 绕线机构、握持机构、进给机构等的结构设计，然后进行总体装配图的绘制，最后，绘制主要零件工作图，编写 设计说明书。 5 进度安排 2 月 27 日 3 月 20 日 ：分配任务，书写开题报告； 3 月 21 日 4 月 10 日： 查阅资料，进行设计分析； 4 月 11 日 4 月 18 日： 拟定总体设计方案； 4 月 19 日 5 月 3 日： 运动和力 学 参数的计算； 5 月 4 日 5 月 10 日： 绕线机构、握持机构、进给机构等结构设计 5 月 11 日 5 月 30 日： 绘制 无攀爬式全自动高空接线机器人 总体装配图 6 月 1 日 6 月 10 日： 绘制主要零件工作图，编写设计说明书； 6 月 11 日 6 月 15 日：完成设计，准备答辩。 6 主要参考文献 1 殷玉枫机械设计课程设计 S北京：机械工业出版社 ,2000. 6 2 郑江，许瑛机械设计 S北京：北京大学出版社 ,1999. 3 郭红星，宋敏机械设计基础 M西安：西安电子科技大学出版社 ,1998. 4 成大先机械设计手册 单行本 减（变）速器电机与电器 S北京：化学工业出版社 ,1998. 5 蒋文萍 J 2010. 6 万海波 J007. 7 杨可桢 . 机械设计基础（第五版） M. 北京：高等教育 出版社， 2006. 8 刘兵 J2009. 9李亮 J2009. 10 李娜 J2007. 11 胡伟 J2009. 12, . -Y by J. 2008, 45( 1) : 359 362. 13 oJ， 20047， 2009 14 L, u J. of J . 2007, 24( 4) :285 290. 15 S. 02/15/99, 248 , 1p, 1 1 16 se S. 14 , 10p I 本科学生毕业设计 高空作业机器人设计 系部名称： 专业班级 ： 学生姓名 ： 指导教师 ： 职 称 ： s o 要 在一切追求人性化的今天，越 来 越多繁重、危 险 和高 难 度的工作， 开始 采用机器人（包括 机械手） 来 代替人 类 完成。裸高 压导线输电线 路的高空接 线 工作，一直是困扰高空作 业 人 员 的棘手 问题， 由于其危 险 性极大，作 业条 件 艰难 ， 仅 靠人力很 难 做到，所以都是借助高空作 业车 的 帮 助 来实现 的。近年 来 ，越 来 越多的人致力于多自由度的高空全自 动绕线装 置的研究， 试图找 到一种 简 便、 经济 、安全、有效的方法， 来 解 决这 一 难题 。因此， 无 攀爬式全自 动 高空接 线 机器人 应运 而生， 该 机器人通 过实现 高空握持 导线 、不 规则 的 圆 周 绕线运动 和 横 向 进给运动 等 动 作， 来 完成 绕线 任 务 。通 过对各种方案的 对 比， 决定 采用斜 齿轮传动绕线 ，螺 旋传动进给来实现 主要功能。 本 设 计 构思新 颖 ，而且具有 结 构 轻 便、 经济 适用、效率高、安全等 显著优势 ， 顺应时 代 发 展方向，具有很高的可行性，适用于各种工 作场 合。 关键词 ： 无 攀爬式；自 动绕线 ；斜 齿轮传动 ； 进给 ；螺 旋传动 n by of Its is so to In on of of to a to no It by in in of to a it of It of in no 目 录 摘要 1章 绪论 1 题研究背景 1 题研究目的和意义 1 题研究目的 1 题 研究意义 1 内外发展现状 2 展前景展望 4 第 2章 总体方案确定 5 轮齿条绕线机构 5 啮合齿轮绕线机构 6 齿轮啮合绕线 机构 6 章小结 7 第 3章 参数的确定及电机的选择 8 线机构参数的确定 8 给机构参 数的确定 11 线和导线握持机构参数的确定 13 线机构参数确定 13 线握持机构参数的确定 15 机的选择 16 给机构电机的选择 16 持机构电机的选择 17 章小结 18 第 4章 绕线机构设计 19 线机构结构设计 19 给机构结构设计 20 架结构设计 20 章小结 22 第 5章 抓取机构的设计 24 线机构结构设计 24 线握持机构结构设计 24 章小结 25 第 6章 实体机构装配 26 体机构装配 26 章小结 29 结论 30 参考文献 31 致谢 32 1 第 1章 绪 论 题研 究背景 裸高 压导线输电线 路的 备 用 导线 高空接 线 ， 其绕线轨迹 不 规 范 、转自线 圈的 线径粗、折 弯力较 大、折 弯运动 空 间 受限等， 给 高空接 线 增加了 难 度，而多自由度的高空全自 动绕线装 置的研究是高空接 线 中亟待解 决 的瓶 颈问题 。而且高空 绕线 工作危 险 大、难 度高，需借助高空作 业车 的 帮 助 来 完成，并且 对工 作 环 境的要求 较 高，在 恶 劣 环 境条 件下 无 法正常工作，由于种种因素的限制，裸高 压导线输电线 路的 备 用 导线 高空接线 工作一直困扰 着 人 们 。 无 攀爬式全自 动 高空接 线 机器人的 应运 而生，能 够 代替工 人进 行操 作，避免了工作中 潜 在的各种危 险 ，同 时 能 够提高 工作效率，并且 减 少了高 压输电线 路的 电 流 损 耗。 题研 究目的和意 义 题研究目的 针对传统 接 线 工作中存在的各种弊端， 无 攀爬式全自 动 高空接 线 机器人出 现了 ，它是 为实现无 攀爬式全自 动 高空接 线 而 设计 的机器人 装 置。裸高 压导线输电线 路的 备用 导线 高空接 线 ， 其绕线轨迹 不 规 范 、转 子 线 圈的 线径 粗、折 弯力较 大、折 弯运动 空间 受限等， 给 高空接 线 增加了 难 度，而多自由度的高空全自 动绕线装 置的研究是高空接 线 中亟待解 决 的瓶 颈问题 。本 课题 根据仿生 学 和机器人 学 的原理， 运 用常用的机械运动 机构及其 组 合， 实现 高空握持 导线 、不 规则 的 圆 周 绕线运动 和 横 向 进给运动 的全新自 动绕线 机器人的研究。 题研 究意 义 在一切智慧化、人性化、高效率化的今天，越 来 越多的机器人代替 人进 行繁重、危 险 的 劳动 ，在一很多高度危 险 和繁重的工作中，都采用了机器人，它 们 的高效率和几乎 为 零的 风险 是人 类无 法与之相比的 优势。 机器人技 术 的采用 显著减轻 了工人的 劳动强 度和工作 负担， 大大改善 了劳动条 件，提高 了劳动 生 产 率和自 动 化水平。在高空裸 导线 的接 线 中，以前都需要操作人 员 攀高接 线 ， 劳动强 度大、安全性不可靠；而 无攀爬式全自 动 高空接 线 机器人能 够 代替工 人进 行高空作 业 ，避免了工作中 潜 在的各种危 险 ，同 时 提高了工作效率，并且 减 少了高 压输电线 路的 电 流 损 耗，也 为 低 碳经济 提 2 供了一 个 新的探索方案。 该设计经济实 用性高，具有光明 的发 展前景。 本设计是主要实现高空握持导线、不规则的圆周绕线运动和横向进给运动的全新自动绕线装置具体设计要求如下： 导线直径： 10绕线直径： 2 线材料： 铝 导线高度： 20m 整机重量： 成绕线时间： 1 分钟左右 要求经济适用，效率高。 内外发展现状 本课题设计的无攀爬式全自动高空接线机器人主要 实现高空握持导线、不规则的圆周绕线运动和横向进给运动，其主要结构有：导线握持机构和绕线机构。 导线握持机构采用机械手。 机械手是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于 20 世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是 1946 年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人和机械手控制系统的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于 1947 年开发了遥控机械手控制系统和遥控机械手， 1948 年又开发了机械式的主从机械手控制系统和机械手。 机械手控制系统首先是从美国开始研制的。 1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人控制系统。现有的机器人控制系统差不多都采用这种控制方式。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人控制系统。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是 1962 年美国 司推出的 “ 司推出的 “这些工业机器人和相关控制系统主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 机械手控制系统经历了以下几个阶段：机械手完成放射源转运年代、化工产品垛机械手年代、工业用机械手兴起和发展年代 。 随着汽车行业和塑胶行业的发展，西欧、 3 日本、苏联和中国等地域机械手及其控制系统也开始百花争 艳。 尤其注塑机机械手，发展更为迅猛，应用 非常普遍，其控制系统经过几十年的发展，现在已经趋于成熟和完善。 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 20 世 纪 40 年代后期，美 国 在原子能 实验 中，首先采用了机械手搬 运 放射性材料，人在安全 间 操 纵 机械手 进 行各种操作和 实验 。 50 年代以后机械手逐步推 广 到 工业部门 ，用于在高 温 污染 严 重的地方取放工件和卸料，也作 为 机床 的辅 助 装 置在自 动 机床、自 动 生 产线 和加工中心中 应 用，完成上下料和 从 刀 库 中取放刀 具并按 国 定程序更 换 刀具等。 本设计的另一主要功能是绕线，而现今最常见的绕线装置就是绕线机。 绕线机 ，顾名思义 是把线状的物体缠绕到特定的工件上的机器 。欧美绕线机以其加工精度高、质量稳定而在国际绕线机市场上占有重要地位。 欧美绕线机一般可绕 线径，转动误差极小。绕线机用精密微机控制，以程序控制操作，这些程序极易掌握，人机对话简单，即使工作人员并无绕线工作的经验也可应付自如。目前欧洲生产的绕线机已经趋于自动化，而美国的绕线机介于自动和半自动之间，德国制造的外形比较美观，零件比较讲究，但是造价高。随着 国际绕线机市场的蓬勃发展，相互间的竞争越来越激烈，各国的厂家都必须开发出新一代的绕线机。现在主要是趋向自动化的发展方向。 全自动 绕线机 是近几年才发展起来的新机种，为了适应高效率、高产量的要求，全自动机种一般都采用多头联动设计，国内的生产厂家大多都是参照了台湾等地的进口机型的设计，采用可编程控制器作为设备的控制核心，配合机械手、气动控制元件和执行附件来完成自动排线、自动缠脚、自动剪线、自动装卸骨架等功能，这种机型的生产效率极高，大大的 降低了对人工的依赖，一个操作员工可以同时照看几台这样的设备，生产品质比较稳定，非常适合产量要求高的加工场合。这种机型由于集成了数控、气动、光控许多的新技术，所以价格小则几万元高则十几万元，价格也使得许多的用户望而叹步，另外由于功能要求决定了该设备的零部件采用了大量非标准件和定制件，所以一旦出现故障相对的维修过程将会很复杂，周期也会比较长 。 能够实现绕线功能的机构还有很多，例如齿轮齿条、齿轮传动、槽轮机构等，只要能实现圆周运动，即可实现绕线功能。工作原理：槽轮是由圆销的主动拨盘和具有若干径向槽轮及机架组成。当 拨盘作等速连续转动时，槽轮做反向或同向的单向间歇 4 运动，在圆销未进入槽轮径向时，槽轮上的内凹锁住拨销，槽轮被主动拨盘的外凹锁住弧卡住，使槽轮停歇在确定的位置上不动。当拨盘上拨销进入槽轮径向槽时，锁住弧松开，拨销驱动槽轮转动，循环往复，时停时动，因此，槽轮机构是一种间歇运动机构。应用示例：机床自动转为机构，电影放映机卷片等。当放映卷片时，胶片上的画面依次在方框中停留，以适应人眼的视觉停留现象。槽轮机构结构简单，易加工，工作可靠，转角准确，机械效率高。但是其动程不可调节，转角不能太小，槽轮在起停时的角速度大，有冲 击，并随着转速的增加或槽轮数的减少而加剧，故不宜用于高速场合。对于本设计的绕线部分，齿轮传动是首选。 展前景展望 无 攀爬式全自 动 高空接 线 机器人的主要优 点 ： (1)经济性 ： 现 在使用的高空作 业车 格价一般 为 几百万不等， 经济性 低，需要使用者的 经济承受 能力很 强 ；而 无 攀爬式全自 动 高空接 线 机器人的价格在几千元左右，与前者相比，优越性一目了然。 (2)安全性：高空作 业 安全一直是我 国 的重中之重，而本 设计 可避免 这 一 问题， 安全性高。 (3)效率高： 无 攀爬式全自 动 高空接 线 机器人在 绕线过 程中的 时间约为 1 分 钟 ，而整 个过 程 约为 2 分 钟 ，与 较传统 的方法相比 较 ，工作效率大大提高。 (4)适用范 围广 ：在何种 环 境均可工作， 对工 作 条 件 没 有特 别 高的要求， 实 用 性强 。 鉴 于以上优 点 ， 无 攀爬式全自 动 高空接 线 机器人具有很高的可行性 ，发 展前景 广阔。 5 第 2章 总体方案 确定 轮齿条绕线机构 现 有使用 较广泛 的 绕线装 置是 较 大型的 绕线 机。 绕线 机， 顾 名思 义 是 把线状 的物体 缠绕 到特定的工件上的机器。 欧美绕线 机以其加工精度高 、质 量 稳 定而在 国际绕线机市 场 上占有重要地位。 欧美绕线 机一般可 绕 线径 ， 转动误 差极小。 绕线 机用精密微机控制，以程 控操作， 这 些程序极易掌握，人机 对话简单 ，即使工作人员 并 无绕线 工作的 经验也可应 付自如。目前 欧 洲生 产 的 绕线 机已 经趋 于自 动 化，而美国 的 绕线 机介于自 动 和半自 动之间 ，德 国 制造的外形比 较 美 观 ，零件比 较讲 究，但是造价高。 随着国际绕线 机市 场的蓬 勃 发 展，相互 间 的 竞争 越 来 越激烈，各 国 的厂家都必 须开发 出新一代的 绕线 机。 现 在主要是 趋 向自 动 化 的发 展方向。然而本 设计课题，要求 结 构 简 便， 对重 量有要求，大型的 绕线机显 然不符合 设计 要求，因此，不考 虑 使用 绕线 机。 图 自动十二轴绕线机 6 绕线 主要是通 过圆 周 运动实现 ，可以 实现圆 周 运动 的机构有很多，本方 案选择齿轮齿条传动 作 为绕线 机构。 齿轮齿条传动将 旋 转运动变为 直 线运动 ，它的 传动 功率大，速度范 围广 ，效率高，工作可靠， 寿命长 ， 结 构 紧凑 ，能保 证 恒定 传动 比。但是， 这样 的机构可以反向 驱动 ，也就是 齿条 做直 线运动来带动齿轮 旋 转 ，适合大距离的 传动 ，如机床 导轨 底下 带动 拖板箱移 动 的就是 齿轮齿条传动 ， 齿轮齿条 机构需要外加 锁紧装置，因 为齿轮齿条 机构不能自 锁 。而且它的制造及其安 装 精度要求高，成本高，不适于 两轴 中心距 过 大的 传动 及振 动冲击较 大 的场 合。 在本 设计 方案中， 齿条 的上、下面均有 轮齿 ，分 别 于 两个齿轮啮 合，其中上面的齿轮负责绕线 工作，而下面的 齿轮则负责进给 ，下面的 齿轮通过 螺 旋传动横 向 进给 ，进 而 带动 上面的 绕线齿轮 在 绕线 的同 时 有 横 向位移。在 绕线 之前， 将 引 线 抓 过来 与 导线 握在一起， 随 后， 将 整 个绕线装 置通 过两边 的 对称 把手挂在高 压线上面 ，然后 开始绕线 ， 绕线 完成后，取 下整 个装 置。本 设计 存在的主要缺 点 之一就是， 齿条 的尺寸要求很大，因 为 即使 齿轮只转动 一圈， 齿条 的 长 度就是它的周 长 ， 该绕线 机构中， 绕线齿轮 的周 长大约为半 米， 这就 意味 着齿条 的 长 度必 须 是半米的整 数 倍，而 这 一 条 件完全 违 背了最初的 设计 目的，很 难满 足 结 构 轻 便 这 一基本要求。 啮合齿轮绕线机构 该方案绕线机构采用的是内啮合的直齿圆柱齿轮，它的优点是内啮合直齿圆柱齿轮机构是用于传递两平行轴之间的运动和动力的齿轮机构，它的主、从动齿之间转向相同，在同样的传动比情况下所占地位小，直齿圆柱齿轮省料，经济比较便宜，且传动尺寸小 ，传动比大，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大；缺点是成本高，不能远距离传动，制造和安装精度要求高。当两轴间需要较大的传动比时，如果只用一对齿轮传动，由于两轮齿数相差悬殊而使小齿轮易于磨损，同时两轮的尺寸相差较大时就可以采用内啮合的齿轮。可以用于减速器中、电动滚筒中等。 进给运动时采用的是四杆机构，他的示意图相当于是曲柄滑块机构，曲柄滑块机构的优点是低副的移动副，滑块可以左右或者上下往复运动，曲柄滑块机构广泛应用于往复活塞式发动机压缩机冲床等的机构中。 抓线机构也是采用的 四杆机构的原理。 齿轮啮合绕线机构 本方案中， 绕线 部分采用斜 齿轮啮 合 传动 。与直 齿轮传动 相比，斜 齿轮 有以下主 7 要优 点 ：重合度大， 齿面 接触情 况 好，因此 运转 平 稳 ，承 载 能力高； 无根 切的最小 齿数较 直 齿轮 少，故可使 结 构更加 紧凑 ；加工成本不高于直 齿轮。 主要缺 点 是 运转时会产 生 轴 向力， 对传动不 利。 无 攀爬式全自 动 高空接 线 机器人工作 时 ， 线盒 被安放在 从动齿轮上 ， 随着从动齿轮 作 圆 周 运动 和 横 向 进给 。 而 进给 采用的是滑 动 螺 旋传动 。工作时，螺杆与齿轮旋和，同时连接着一个联轴器，联轴器与进给杆相连，进给杆与架子相连，当螺杆转动时，一 方面与主动齿轮旋和，同时主动齿轮又与从动齿轮啮合，这样完成绕线功能；而与联轴器相连的进给杆则带动架子和主、从动齿轮进给。通常所 说 的滑 动 螺 旋传动 就是普通滑 动 螺 旋传动 。滑 动 螺旋通常采用梯形螺 纹 和 锯齿形螺纹 ，其中梯形螺 纹应 用最 广 ， 锯齿形螺纹 用于单 面受力。矩形螺 纹 由于 工艺 性 较 差 强 度 较 低等原因 应 用很少 ;对 于受力不大和精密机构的 调 整螺旋，有 时 也采用三角螺 纹 。螺 旋传动 的优 点 是： 结 构 简单 、承 载 能力大，传动 平 稳、无 噪 声 ，能 实现 自 锁 要求， 传动 精度高，故 广泛应 用于机 床进给 机构、螺旋起重机和螺 旋压力 机中。缺 点 是，螺 纹之间产 生 较 大的 相 对 滑 动 ，摩擦磨 损严 重，传动 效率低。 章小 结 通过查阅资料，并对几种方案进行分析和比较优缺点，排除了较不合理的方案之后，决定选择方案三作为最后方案，运用斜齿轮啮合机构绕线，滑动螺旋传动进给，这样进给和绕线共用一个电动机，可以减少一个电动机的使用，从减少重量和电动机的角度看，都是很好的选择。 8 第 3章 参数 的确定及 电 机的 选择 线机构参数的确定 斜 齿圆 柱 齿轮传动 1. 选 精度等 级 、材料 及齿数 1) 材料：尼 龙 2) 精度等 级： 7 级 3) 小齿轮（主动）齿数 1z =19，大齿轮齿数 2z =38 4) 选取螺旋角 初选 16O 2. 按齿面接触强度设计 按参考文献 2中式 （ 10计算，即 12 2131 ()t （ (1) 确定公式中各计算数值 1) 试选 2) 由参考文献 2中图 10取区域系数 3) 由参考文献 2中图 10得 1 ，2 ，则 0 . 7 4 0 . 8 1 . 5 4 4) 许用接触应力 12 5 4 5 4 5422 （ 5) 小齿轮传递的转矩1 60TN ) 选取齿宽系数 7) 由参考文献 2中表 10得材料的弹性影响系数 125 6 P a齿数比2138 219zu z (2) 计算 1) 小齿轮分度圆直径 131 2 1 . 6 6 0 3 2 . 4 1 0 5 6 . 4( ) 4 7 3 9 . 5 4 1 3 . 3 30 . 8 1 . 5 4 2 5 4 2) 计算圆周速度 9 11 1 3 . 3 3 4 0 2 1 1 0 . 0 8 0 . 0 3 56 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0 6 0 0 0 0 m s （ 3) 计算齿宽 b 及模数 . 8 1 3 . 3 3 1 0 . 6 6 （ 11c o s 1 3 . 3 3 c o s 1 6 1 2 . 8 1 0 . 6 71 9 1 9 (2 . 2 5 2 . 2 5 0 . 6 7 1 . 5 1 (1 3 . 4 4 1 1 . 2 71 . 9 1 2 5b h 4) 计算纵向重合度10 . 3 1 8 t a n 0 . 3 1 8 0 . 8 1 9 0 . 2 9 1 . 6 8d z (5) 计算载荷系数 K 查得使用载荷系数 动载荷系数 = =1 因此 1 . 0 0 1 . 0 0 1 . 4 1 . 2 4 4 1 . 7 4A V H K K K （ 6) 按实际的载荷系数校正算得的分度圆直径，由式（ 10 3311 1 . 7 4d = d 1 3 . 3 3 1 3 . 3 3 1 . 0 3 1 3 . 7 31 . 6 （ 7) 计算模数o s 1 3 . 7 3 0 . 9 6 1 2 60 . 6 919z （ 3. 按齿根弯曲强度设计 由参考文献 2中式 （ 10 13 212 c o s F S an Y z （ (1) 确定计算参数 1) 计算载荷系数 1 . 0 0 1 . 0 0 1 . 4 1 . 2 1 . 6 8A V F K K K （ 10 2) 根据纵向重合度 ，从参考文献 2中图 10得 螺旋角影响系数 3) 计算当量齿数 11 3 19 2 1 . 3 5c o s 0 . 8 9V （ 22 3 38 4 2 . 7 0c o s 0 . 8 9v 4) 查取齿形系数 由参考文献 2中表 10得 1 ，2 5) 查取应力校正系数 由参考文献 2中表 10得 1 ，2 6) 计算大、小齿轮的 并加以比较（对于大、小齿轮 1270 111 2 . 7 4 5 1 . 5 6 3 0 . 0 6 1 2 970F a S （ 222 2 . 3 5 5 1 . 6 7 5 0 . 0 5 6 3 570F a S 小齿轮的数值大 (2) 设计计算 23 22 1 . 6 8 6 0 0 . 6 7 0 . 9 6 1 2 6 0 . 0 6 1 2 9 0 . 30 . 8 1 9 1 . 5 4 取 41 19z 2 38z 4. 几何尺寸计算 (1) 计算中心距 12() ( 1 9 3 8 ) 4 2 2 8 1 1 8 . 5 9 42 c o s 2 0 . 9 6 1 2 6 1 . 9 2 2 5 2nz z (将中心距圆整为 1192) 按圆整后的中心距修正螺旋角 12() ( 1 9 3 8 ) 4a r c c o s 2 a 2 1 1 8 . 6 0nz z m =16 25 11 因为 值无太大变化，故参数、 K、(3) 计算大、小齿轮的分度圆直径 11 1 9 4 7 9 . 0 6c o s 0 . 9 6 1 2 6 （ 22 3 8 4 1 5 8 . 1 3c o s 0 . 9 6 1 2 6 4) 计算齿轮宽度 1 0 . 8 7 9 . 0 6 6 3 . 2 4 8 因为对齿轮强度要求不高，所以最后取1 30B 25B 给机构参数的确定 进给机构采用螺旋传动，螺杆选择 12,普通螺纹，螺距 设计计算 1. 耐磨性计算 螺纹工作面上的耐磨性条件为 22F F F d h u d h H （ 令2H d ，则2，代入式（ 整理后得 2 (对于普通螺纹，接触高度 34=代入，有 2 0 在式（ ，各参数值如下： 75F N 2 =70P 此，有 27 5 1 . 5 3 . 93 . 1 4 1 1 . 0 2 6 0 . 6 4 9 5 1 . 2 9 9 P a Pd h H 12 强度足够 2. 螺杆的强度计算 第四强度理论 2 2 2 23 ( ) 3 ( ) （ 221143 ( ) 其中， F：螺杆受的轴向力， N A：螺纹段的危险截面面积 214， 螺纹段的抗扭截面系数 3 111 6 4T dW d A， T：螺杆所受扭矩， N ：螺杆材料的许用应力， (300 其中， 9550根据螺杆转速 40 ,查得 kg0N此有 224 3 1 6 3 6 0 05 6 2 5 13 . 1 4 1 0 . 3 7 6 1 0 . 3 7 6 300. 螺杆的稳定性计算 螺杆的稳定性条件 (杆稳定性的计算安全系数 杆稳定性安全系数，取 3杆的临界载荷， N 22()（ 参考文献 2中表 5得螺杆的长度系数 240l 13 因 0 . 5 2 4 0 1 0 4 012s ,所以无需进行稳定性校核 线和导线握持机构参数的确定 线机构参数确定 （ a） （ b） 图 手 如图 示，抓手部分主要由两部分驱动，其中图 （ a） 为抓线时抓手位置，中间空间为高压线所处空间，整个抓线过程中，抓手应实现两次分和，一次是抓住引线，第二次是将引线和导线握在一起。图 （ b） 是推杆，即抓手的动力来源，推杆工作时，两个小圆环是拉手，通过将推杆上下移动，来使抓手实现抓线和松开线的动作。本结构的参数确定主要是根据高压 线的尺寸而定的。 14 （ a） (b) 图 手零件尺寸示意图 如图 示，为抓手上部的零件尺寸参数。 15 （ a） (b) 图 手推杆部分零件尺寸示意图 如图 a）和 b）所示，为抓手推杆部分的尺寸参数。 线握持机构参数的确定 图 线握持机构的平面图，从结构可看出，导线握持机构是典型的四杆机构，工作时，两个相同的抓手将导线握在一起，其具体参数主要根据导线的尺寸而定，先确定中间握住导线的椭圆形状的尺寸，然后依其运动情况确定其他部位的尺寸，如连杆，此处或可根据具体的运动仿真分析而定，运动仿真之后，机构的运动轨迹表现清晰，一目了然，运动范围也可确定，由此，各部分的尺寸也就可相应确定 16 (a) (b) 图 如图所示，图 a） 为导线握持机构的实体图，而图 b） 为导线握持机构的尺寸参数示意图，其基本参数在此图中均有所体现。 机的选择 给机构电机的选择 进给机构采用的是螺旋传动，选取是 12M 的普通螺纹，根据机械设计课程设计手册查得，螺距 。在整个绕线过程 中，计划绕线 20圈，因此，从动齿轮要相应转动 20 圈，根据传动比212zi z，可得出主动齿轮转 40 圈，而螺杆也就转动 40圈，因此，所选择电机的转速应该大于等于 40 根据本设计对电机的特殊要求，在微型蜗轮蜗杆减速直流电机中进行选择，由前面所求转速，选择 电动机，该电机的空载转速为 62 额定转速为 45 额定扭 矩为 ，换算为 60N ，电源为 形尺寸（不含轴）是： 82 32 27 （ 17 持机构电机的选择 握持机构采用四杆机构，通过一根杆的进给运动，是抓手部分产生一定角度，当角度达到一定程度时，便能够将将高压线扣住。二本部分结构功能的实现主要是通过驱动杆产生的位移，其位移量很小，所选择的电动机 为 列推杆，推杆的空载速度为： 5带载后也完全可以完成本结构的要求。该产品广泛应用于电站、矿山、港口、冶金、轻工等系统中，也适合于具有相同工作环境和使用要求的其它行业中，并具有满足系统要求的程控、集控和就地控制的能力。安装电动推杆时，应考虑现场手动操作、调试及维护方便的空间，也必须考虑推杆自身的运动空间。其安装尺寸参见各规格推杆安装尺寸图表。电动推杆安装完毕后应对以下部分进行调整检查后，方能通电试运行：电气线路是否符合电气原理图的要求，电源电压 及相序是否正确；检查各紧固件是否牢固可靠；转动手柄轴检查推杆行程控制机构工作是否正常。本部分电机分别分布在架子的两侧，工作是同时的，即要保证两个抓手工作的同步性。永磁直流 电机 的特点 ： 电磁式直流 电机 原理相似，永磁直流电机唯一的区别就是 直流电机的磁通产生的方式不同。永磁直流电机的主要特点：首先永磁 直线 电机不需要直流励磁电源，可以有效的减少电源的耗电量，因 此具有重要的经济价值。其次永磁 电机 没有励磁绕组，这样就可以节省电机的用铜量，有效的减少电气铜耗。特别是在微型以及小容量的范围内，电机的重量、体积以及效率和成本都可以得到有效的改善。但是永磁 电机 中的永磁材料的磁场是恒定的，永磁直流电机是以微型和小容量为主。 图 动电机 18 章小结 本章是参数的确定和电机的选择，参数确定首先是根据实际情况，比如高压线 直径，来估算出大致需要多大尺寸的齿轮，然后在初选参数，进行计算，强度校核，进而确定具体的参数，然后再对其他参数进行计算，所有数据校核并确定后，选择合适的电动。而四杆机构等的参数确定，则要根据实际运动轨迹等因素，这些都是根据具体情况而定，没有特别标准的参照和理论依据，主要是根据设计需求而定，灵活性比较大。在电动机的选择上，本设计较多采用了直动电动机，这是出于对结构简便和节省原材料、重量的考虑。 19 第 4章 绕线 机构 设计 线机构结构设计 主动齿轮上面只有四个减重孔，无其他特别结构。 从动齿轮上面要有一 个线盒，线盒是粘接在齿轮上面的，绕线时，随着从动齿轮
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