【机械毕业设计】高空作业机器人设计

本科学生毕业设计高空作业机器人设计系部名称：机电工程学院专业班级：机械设计制造及其自动化08-4班学生姓名：指导教师：职称：二○一二年六月

TheGraduationDesignforBachelor'sDegreeStructureDesignofNoClimbingFull-automaticHighAltitudeWiringRobotCandidate:Specialty:MechanicalDesignandManufacturing&AutomationClass:B08-4Supervisor:AssociateProfessorLiuXipingHeilongjiangInstituteofTechnology2012-06·HarbinPAGEII摘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

ABSTRACTInthisinformationera,moreandmoreheavy,dangerousanddifficultworksarebeingdonebyrobot,manipulatorincluded.Theconnectionofbarehigh-tensionwirehasalwaysbeentroubledsteeplejacks.It’sextremelydangerous,andtheworkconditionishard,sopeoplehavetogethelpfromthealoftworkingcar.Inrecentyears,moreandmorepeopleareconcentratedondevelopmentofdeviceoffull-automatichighaltitudewiring.Theytrytofindaconvenient,economical,safelyandefficientprogramtosolvethisproblem.Thenthenoclimbingfull-automatichighaltitudewiringrobotcomesout.Itaccomplishesitstaskbyholdingwiresinhighattitude,coilingincircleirregularlyandtransversefeed.Throughthecomparisonofseveralprograms,thehelicalgearingandscrewdrivenareusedtowiringandfeed,respectively.Thisdesignhasanovelidea,andithasadvantageoflightstructure,economicandapplicable,efficientandsafely.Itcomplieswiththedevelopmentoferaandcanworkinanyconditions.Keywords:noclimbing;full-automaticwiring;helicalgearing;feed;screwdriven目录摘要 IAbstract II第1章绪论 1HYPERLINK\l"_Toc326864660"1.1课题研究背景 11.2课题研究目的和意义 11.2.1课题研究目的 11.2.2课题研究意义 11.3国内外发展现状 21.4发展前景展望 4第2章总体方案确定 h52.1齿轮齿条绕线机构 52.2内啮合齿轮绕线机构 62.3斜齿轮啮合绕线机构 62.4本章小结 7第3章参数的确定及电机的选择 83.1绕线机构参数的确定 83.2进给机构参数的确定 113.3抓线和导线握持机构参数的确定 133.3.1抓线机构参数确定 133.3.2导线握持机构参数的确定 PAGEREF_Toc326864676\h153.4电机的选择 163.4.1进给机构电机的选择 163.4.2握持机构电机的选择 \h173.5本章小结 18第4章绕线机构设计 194.1绕线机构结构设计 194.2进给机构结构设计 204.3支架结构设计 204.4本章小结 22第5章抓取机构的设计 245.1抓线机构结构设计 PAGEREF_Toc326864687\h245.2导线握持机构结构设计 245.3本章小结 25第6章实体机构装配 26HYPERLINK\l"_Toc326864691"6.1实体机构装配 266.2本章小结 29结论 30参考文献 31致谢 32PAGE22第1章绪论1.1课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。1.2课题研究目的和意义1.2.1课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。1.2.2课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：10mm绕线直径：2mm绕线材料：铝导线高度：20m整机重量：7.5kg完成绕线时间：1分钟左右要求经济适用，效率高。1.3国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AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。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、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0.01-2mm的线径，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。1.4发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。

第2章总体方案确定2.1齿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0.01~2mm的线径，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2.1全自动十二轴绕线机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。2.2内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。2.3斜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。2.4本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。

第3章参数的确定及电机的选择3.1绕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=19，大齿轮齿数=384)选取螺旋角初选β＝16\O2.按齿面接触强度设计按参考文献[2]中式（10-21）计算，即（3.1）(1)确定公式中各计算数值1)试选2)由参考文献[2]中图10-30选取区域系数3)由参考文献[2]中图10-26查得，，则4)许用接触应力MPa（3.2）5)小齿轮传递的转矩N·mm6)选取齿宽系数7)由参考文献[2]中表10-6查得材料的弹性影响系数齿数比(2)计算1)小齿轮分度圆直径2)计算圆周速度m／s（3.3）3)计算齿宽b及模数mm（3.4）mm(3.5)mm(3.6)4)计算纵向重合度(3.7)5)计算载荷系数K查得使用载荷系数动载荷系数齿向载荷分布系数因此（3.8）6)按实际的载荷系数校正算得的分度圆直径，由式（10-10a）得mm（3.9）7)计算模数mm（3.10）3.按齿根弯曲强度设计由参考文献[2]中式（10-17）（3.11）(1)确定计算参数1)计算载荷系数（3.12）2)根据纵向重合度，从参考文献[2]中图10-28查得螺旋角影响系数3)计算当量齿数（3.13）4)查取齿形系数由参考文献[2]中表10-5查得，5)查取应力校正系数由参考文献[2]中表10-5查得，6)计算大、小齿轮的，并加以比较（对于大、小齿轮MPa）（3.14）小齿轮的数值大(2)设计计算取4.几何尺寸计算(1)计算中心距mm(3.15)将中心距圆整为119mm(2)按圆整后的中心距修正螺旋角=16°25′因为值无太大变化，故参数、、等不必修正(3)计算大、小齿轮的分度圆直径mm（3.16）mm(4)计算齿轮宽度mm因为对齿轮强度要求不高，所以最后取mm,mm3.2进给机构参数的确定进给机构采用螺旋传动，螺杆选择,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（3.17）令，则，代入式（3.17），整理后得(3.18)对于普通螺纹，接触高度(=0.6495mm)代入，有在式（3.17）中，各参数值如下：NmmmmMPa因此，有强度足够2.螺杆的强度计算第四强度理论（3.19）其中，F：螺杆受的轴向力，NA：螺纹段的危险截面面积，mm²:螺纹段的抗扭截面系数，mm³T：螺杆所受扭矩，N·mm：螺杆材料的许用应力，MPa,(MPa）其中，，根据螺杆转速,查得kg·cm=60N·mm因此有MPa＜300MPa3.螺杆的稳定性计算螺杆的稳定性条件(3.20)：螺杆稳定性的计算安全系数：螺杆稳定性安全系数，取：螺杆的临界载荷，N根据欧拉公式计算，即（3.21）由参考文献[2]中表5-14查得螺杆的长度系数mm因,所以无需进行稳定性校核3.3抓线和导线握持机构参数的确定3.3.1抓线机构参数确定（a）（b）图3.1抓手如图3.1所示，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。（a）(b)图3.2抓手零件尺寸示意图如图3.2所示，为抓手上部的零件尺寸参数。（a）(b)图3.3抓手推杆部分零件尺寸示意图如图3.3（a）和3.3（b）所示，为抓手推杆部分的尺寸参数。

(a)(b)(c)（d）(e)图6.1抓线手各零件实体图绕线部分装配(a)爆炸图(b)总装1（c）总装2图6.2机构整体装配图如图6.2示，（a）图为爆炸图，清晰地表现了各个单一零件在未装配时的状态，（b）图为将各个零件装配到一起时的整体效果，而图（c）为从另一角度观看到的整体效果。6.2本章小结本章是实体设计的最后部分，从最初的参数选择、确定以及结构设计、点机选择等，都是为这一部分的基础，实体装配可以说是对前面工作的一个检验过程，也是对运动仿真的铺垫，在实体装配过程中，若零件之间的配合有什么问题，都能够准确的表现出来，尤其是要进行运动仿真时，若机构间存在任何问题，都会对运动仿真产生不利影响，阻碍其顺利进行，因此，实体装配极为重要。

结论本设计的题目为无攀爬式全自动高空接线机器人的设计，由题目可知，该设计以全自动为中心，即在无人操作的前提下完成主要功能，如抓线、绕线、进给等动作，它主要是针对目前高空作业的高难度、危险性大等弊端而设计的，具有传统接线方法无法比拟的优势。本设计主要完成的有绕线机构、抓线机构和进给机构的结构设计，并且要保证经济性、高效率，而且由于工作前要由操作人员举至高压线处，因此，对重量有要求。绕线机构采用的是斜齿轮啮合传动，进给部分运用滑动螺旋传动，而抓线部分是四杆机构。由于本设计要求重量在7.5kg以内，因此，材料的选择尤为重要，不能选择重型材料，可优先选择塑料、尼龙等轻质材料。总体看来，本设计较为合理，能够满足低碳经济、效率高等设计初衷。不过由于其尺寸结构特殊，很多零部件不能选择标准件，需要特别订做。本设计的一个主要缺点是抓引线时，还需人借助杆才能实现，这一方面应该加以改进，试图找到一种全自动的、无需借助人力来完成的机构。这一结构可以应用传感器技术，进一步完善，从而研发出一种更加智能化、自动化的抓线机械手。而绕线部分和进给机构虽然能够完成要求的功能，但是不够新颖，缺乏创新意识，应该加以优化；整体结构上，不够美观，很多细节还有待完善。这些在以后的设计工作中，应该得到改善和解决。

参考文献[1]郑甲红，朱建儒，刘喜平.机械原理[M].北京：机械工业出版社，2006.[2]殷玉枫.机械设计课程设计[S].北京:机械工业出版社,2000.[3]濮良贵刚设计[M].北京:北京大学出版社,1999.[/r/