磁吸附式核电筒体自动探伤车机构设计

总装閤AutoCAD閣帘453KB垃电机支撑座AutoCAB圉形93KB磁吸附式核电箇体自动探任车机初设计MicrosoftWord9..后车轮轴AutoCAD閤形92KB总装閤AutoCAD閣帘453KB垃电机支撑座AutoCAB圉形93KB磁吸附式核电箇体自动探任车机初设计MicrosoftWord9..后车轮轴AutoCAD閤形92KB前车轮轴，AutoCAD閣帘92KB涡轮轴AutoCAD飙92KB倍动鏗杆AutoCAD閤形89KB车轮釉套AutoCAB爱帘89KB设计说明书MicrosoftWord.899KB爬壁机器人是机器人的一种，也是属于极限作业机器人，主要应用在垂直壁面、球形体表面上，在搭载相应的设备后，完成壁面的清扫、探伤、喷漆、敷设管道等多种作业。研究爬壁机器人的目的是为了最终让其代替人类在石化企业、建筑行业、消防部门、造船等领域中的危险作业。它的研究和开发有着广阔的前景和良好的经济效益和社会效益，受到人们的重视。本文的研究目的是设计可靠性高、适应性强、控制简单、能够自主移动动避障、自动作业的爬壁机器人［71。研制罐体壁爬行机器人对企业的发展具有重大的意义，为了解决其若干关键技术问题，本文初步建立了爬壁机器人系统的结构形式，采用永磁轮吸附与可控磁吸盘吸附相结合的方式进行吸附控制，并对机器人的运动学、动力学问题进行分析和仿真，主要研究内容如下：研究磁吸附轮式爬壁机器人的整体结构，提出了磁性轮与磁性吸盘联合控制磁力的吸附方式，设计出罐体壁爬行机器人的总体结构。针对机器人在罐体底面及侧面典型危险位置进行了静力学和动力学分析，提出了磁力控制方案和差速转向控制方式，并建立了爬壁机器人的运动学模型［111。关键词：爬壁机器人，磁吸附，运动学模型1图纸汇总AutoCAL閤形DWG-166胡文献资料去车轮釉承座文献资料AutoCAD图形DWG92阳ABSTRACTThewall-climbingrobotisonekindofspecialrobotsforspecialassignmentswhichismainlyusedforclimbingtheverticalwallorsphericalwall.andtakingthecorrespondingdevicesforsuchfunctionsaswall-cleaning,testing,painting,pipeline-laying.Itisinthepurposeofreplacinghumanstoworkinsuchriskyenvironmentsaspetrochemicalenterprises,constructionindustry,thefiredepartment,ship-buildingindustryandsoon.Itsresearchanddevelopmentwillbringgoodeconomicbenefitsandsocialvalues.Inthispaper,thepurposeofthestudyistodesignahighlyreliableandwidelyapplicableclimbing-robotthatcanautomaticallymoveandavoidobstacles.Studyingtankwall-climbingrobotisgreatsignificancetothedevelopmentpetrochemicalenterprises.Inordertosolvesomekeytechnicalissues,thepaperestablishedthestructureofwall-climbingrobotsystem,adoptedtheadsorptioncontrolledwhichcombinepermanentmagneticwheeladsorptionwithcontrolledadsorptionplatemanner,andthenanalyzedandsimulatedtherobotkinematics,dynamics,themainresearchcontentsareasfollows:Studiedoverallstructureofwall-climbingrobotmagneticwheeladsorption,proposedtheadsorptionmethodwhichcombinedmagneticwheelandmagneticplate,designedtheoverallstructureofthetankwall-climbingrobot.Carriedoutstaticanddynamicmechanicalanalysisontypicaldangerouslocationoftankbottomandsidewhentherobotisworking,proposedmagneticcontrolprogramandestablishedkinematicsanddynamicsmodelsofwall-climbingrobot.Keywords:wall-climbingrobot,magneticadsorption,dynamicmodelTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1•绪论 1\o"CurrentDocument"1.1选题背景及其意义 1\o"CurrentDocument"1.2国内外研究现状与发展趋势景 2\o"CurrentDocument"1.3研究内容 6\o"CurrentDocument"2•总体方案确定 8\o"CurrentDocument"2.1方案选择 8\o"CurrentDocument"2.2移动方式实现 9\o"CurrentDocument"2.3最终方案确定 10\o"CurrentDocument"3探伤车主要部件的设计与校核 12\o"CurrentDocument"3.1车轮电机选型 12\o"CurrentDocument"3.2蜗轮蜗杆计算 14\o"CurrentDocument"3.3轴的设计与校核 19\o"CurrentDocument"3.4轴承使用寿命的计算 24\o"CurrentDocument"3.5滚珠丝杠副 25\o"CurrentDocument"4结论与展望 30\o"CurrentDocument"4.1课题总结 30\o"CurrentDocument"4.2课题展望 30参考文献 31致谢 321绪论在煤和石油等化石燃料日益枯竭的今天，化石燃料带来的环境问题日益突出的今天，寻找新型能源的要求势在必行，迫在眉睫，历数现阶段有潜力的新能源：水能，风能，太阳能，核能，地热，潮汐能等。而众多新型能源又各自受到各种缺陷与限制，只有核能因为具有资源丰富、清洁、核燃料能量密度高等诸多优点，未来将受到越来越广泛的应用，由于核燃料高度辐射，发展核电总是绕不开安全问题。自1951年12月美国实验增殖堆1号(EBR-1)首次利用核能发电以来，在60余年的核电发展史上，人类曾发生过前苏联切尔诺贝利核电站事故与日本福岛核泄漏两次严重事故，给当地带来了近乎毁灭的灾难。核燃料的高辐射注定了在检验核电筒体焊缝等安全问题时由人操作会带来巨大的人生安全，因此在核电发展中，若是以机器检测壁面的焊缝问题，可在最早时间内将安全情况传递给工作人员，及时进行一系列的措施来应对，大大降低了人的生命威胁概率。1・1选题背景及其意义随着科学技术的日益发展与人类安全意识的不断提高，人们对生产安全的要求也越来越高，使得机器人在各个领域中都得到了广泛的应用和发展。以机器人代替人类从事各种危险、繁重、重复、单调及有毒有害的工作是当今社会发展的一个趋势。而爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分支，它能在壁面与顶部上灵活移动，并完成一定的极限任务。目前，国内外许多家科研机构都在这一领域展开了研制开发工作。总体概括起来，爬壁机器人主要用于以下几个方面：核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等工作；石化工业：对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐；建筑行业：喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面清洗、擦玻璃等；消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作；造船业：用于喷涂船体的内外壁等［16；而运用于核电筒体上的爬壁探伤仪，其本质就是爬壁机器人，它可在垂直壁面移动，完成壁面的焊缝探伤检测作业。核电是利用核能发电，一旦发生核泄漏，在壁面上进行探伤的工作人员会吸收到大量的核辐射，直接严重危害到人的生命。所以若是以机器检测壁面的焊缝问题，可在最早时间内将情况传递给工作人员，可及时进行一系列的措施来应对，因此大大降低了人的生命威胁概率。利用机器人技术进行罐体探伤作业安全可靠，而且效率高、可控性好。目前国内外已经研究、开发了各种爬壁机器人，用于施工、作业的机器人主要以磁吸附、真空吸附以及二者的复合吸附为主。可以攀爬垂直的玻璃墙幕、船体垂直壁面及储罐壁面等。负压或真空吸附对壁面的可吸附性具有一定要求，且存在高噪声等不利因素。对于绝大部分铁磁性金属结构来讲，永磁吸附是可靠性最高的工作方式，尤其是对于工作内壁凹凸不平事，难以利用负压吸附工作。永磁吸附相对于电磁吸附来讲吸附单元的重量要小得多，而且安全性不受电力供应意外的影响。机器人在大型作业面上工作时，需要携带电缆、管线、作业设备，并承受作业的反作用力，通常需要很大的吸附力。导致机器人的本体重量比较大，其中磁体是主要的重量部件。1・2国内外研究现状与发展趋势景作为移动机器人领域的一个重要分支，爬壁机器人把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来，可在垂直壁面上附着爬行，并能携带工具完成一定的作业任务，大大扩展了机器人的应用范围。为了在壁面工作环境中执行任务，爬壁机器人必须具有两个基本功能：一是壁面吸附功能和移动功能。按吸附方式来分，主要分为真空吸附和磁吸附两种方式。真空吸附又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式，具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凸凹不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低；磁吸附可分为永磁铁和电磁铁两种，要求壁面必须是导磁材料，但它的结构简单，吸附力远大于真空吸附方式，且对壁面的凹凸适应性强，不存在真空吸附漏气的问题，因而当壁面是导磁材料时优先选用磁吸附爬壁机器人。二是按移动方式来分，有车轮式、履带式和足脚式。车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难；履带式对壁面的适应性强，着地面积大、不易转弯;足脚式移动速度慢，但带载能力强［io。1.2.1国外爬壁机器人的研究现状国外爬墙机器人的研究状况主要有以下几个方面：1） 单吸盘真空吸附式爬墙机器人：这是利用单一真空（或机器人本身就是机壳就是密封装置）与壁面间形成一个真空室。这种形式的爬墙机器人可实现小型化、轻量化并结构简单易于控制。但是要求壁面有一定的平滑度，越障能力低。对于复杂壁面环境不适应，当遇到较大的沟槽或凹凸面时，吸盘内的负压难以维持，存在相对滑动，吸盘桾边磨损较为严重。2） 多吸盘真空吸附式爬墙机器人：出于单吸盘结构对壁面的适应能力较差，许多学者采用了多个真空吸盘，进行吸附力分散形式的爬墙机器人的研究，为多吸盘式壁面移动机器人的研制做出了有意义的探索和尝试。因此，在单吸盘爬墙机器人的基础上，多吸盘结构得到了迅速的发展。3） 磁吸附式爬墙机器人：只适用于导磁性材料构成的墙面，能产生较大的吸附力，且不受壁面凹凸或裂缝的限制。磁吸附式爬墙机器人可分为电磁体式和永磁体式两种，电磁体式机器人维吸附需要电能，但控制比较方便；永磁体式机器人不受断电的影响，使用中安全可靠。目前，研究的磁吸附式壁面移动机器人多为永磁体式。4）其他类型爬墙机器人：出于传统机器人的性能受到限制，例如，磁吸附式爬墙机器人受到壁面材料特性的限制，真空吸附式爬墙机器人受到壁面凹凸和多孔状况的限制。因此，人们研制出了一些其他形式的机器人，例如：飞行式、绳索牵动式和粘着剂吸附式等爬墙机器人［12。日本是世界上率先开展了壁面移动机器人研究工作的国家，1966年大阪府立大学工学部讲师西亮，设计了一种利用电风扇进气侧低压空气产生的负压进行吸附的壁面移动机器人的理想原型机。在1975年，已他又从实用角度考虑，研制出一种用单吸盘结构吸附，以轮子行走的第二代壁面攀爬机器人。1989年，日本东京工业大学的宏油茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人，吸盘与壁面之间有一个很小的倾斜角度，这样吸盘对壁面的吸力仍然很大，每个吸盘分别由一个电动机来驱动，与壁面线接触的吸盘旋转，爬壁机器人就随着向前移动,这种吸附机构的吸附力可以达到很大。日本应用技术研究所研制出了车轮式磁吸附爬壁机器人，它可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是：行走稳定速度快，最大速度可达9m/min，适用于各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。美国也是开展壁面移动机器人研究较早的国家。1989年，美国西雅图的HenryRSeemann在波音公司的资助下研制出一种真空吸附履带式爬壁机器人。其两条履带上各装有数个小吸附室，随着履带的移动，吸附室连续地成真空腔而使得履带贴紧壁面行走。最近几年，美国的研究小组真正揭示了壁虎在墙上爬行的秘密，这个秘密就是分子间的作用力一一范德华力。斯坦福大学教授马克•库特科斯基的研究小组开发一种具有粘性脚足的壁虎状机器人。“壁虎机器人”足底有数百万个极其微小的毛发，微小的聚合体毛垫能确保足底和墙壁接触面积大，进而使范德瓦尔斯粘性达到最大化。借助这些毛发，它就能令足底粘上壁面。除此之外，德国、西班牙、俄罗斯、英国、澳大利亚等国家都相继开展了壁面移动机器人研究。1990年以来，西班牙马德里CSIC大学工业自动化研究所研制出一种6足式爬壁机器人。该机器人为磁吸附式，具有较大的静载荷，目的是为了工业上的应用。1997年俄罗斯莫斯科机械力学研究所研制出的用于大型壁面和窗户清洗作业的爬壁机器人也采用单吸盘结构。该机器人利用风机产生真空负压来提供吸附力，吸盘腹部装有4个驱动轮，机器人可在壁面全方位移动。20世纪90年代初，英国朴次茅斯工艺学校研制了一种多足行走式的爬壁机器人，采用模块化设计。机器人由两个相似的模块组成，每个模块包括两个机械腿和腿部控制器。机械腿采用仿生学机构，模拟大型动物臂部肌肉的功能，为两节式，稳定性好,承载能力大,利于机器人的轻量化，并能跨越较大的障碍物［91。1.2.2国内爬壁机器人的研究现状自1988年以来，在国家“863”高技术计划的支持下，哈尔滨工业大学机器人研究所已经成功研制我国第一台壁面爬行遥控检测机器人。它采用负压吸附,全方位移动轮，用于核废液储存罐罐壁焊缝缺陷检测。该机器人采用的是单吸盘结构，弹簧气囊密封,保证了机器人具有较高爬行速度和可靠的附着能力。1995年研制成功金属管防腐用磁吸附爬壁机器人，采用永磁吸附结构，靠两条履带的正反转移动来实现转弯。该机器人可以为石化企业金属储料罐的外壁进行喷漆、喷砂，以及携带自动检测系统对罐壁涂层厚度进行检测。上海大学谈士力等人设计开发了面向球形存储罐检修的球面移动爬壁机器人，它采用真空吸附方式和腿足式移动机构，可以适应不同曲率半径的曲面，并可跨越300mm高的障碍。1996年以来，北京航空航天大学先后研制成功“吊篮式擦窗机器人”和“蓝天洁宝”等幕墙清洗机器人样机。其中，该吊篮式清洗机器人依靠楼顶上的安全吊索牵引移动，利用风机产生的负压使机器人贴附在壁面上。近年来，上海交通大学也开展了爬壁机器人的研究。设计了一种自身无行走机构而依靠壁面牵引实现机器人移动的壁面清洗机器人样机。机器人腹部的两个吸盘交替抬起和吸附可实现跨越水平窗框障碍运动［%1.2.3爬壁机器人的发展趋势驱动、传感、控制等硬软件技术的发展极大地推动了爬壁机器人技术的发展，实际应用的需求也对爬壁机器人的发展提出了挑战，爬壁机器人的发展趋势归结起来主要有以下几方面。新型吸附技术的发展。吸附技术决定了机器人的应用范围，目前应用比较成熟的吸附技术主要有磁吸附和真空吸附方式，都有很大的局限性，在很多情况下难以满足实际应用的要求。因此，开发和研究新型吸附技术是当前爬壁机器人领域的一个重要方向，其中，仿壁虎脚掌仿生粘性材料的发展是当前新型吸附技术发展趋势。爬壁机器人的任务由单一化向多功能化方向发展。过去所研制的爬壁机器人大多用于清洗、喷涂、检测等作业，作业任务往往只局限于单一的任务。而目前人们则希望爬壁机器人能够装备多种工具，在不同的场合进行工作，实现一机多用的功能。这样可以减小人类使用机器人的成本，有利于爬壁机器人的发展。小型化、微型化是当前爬壁机器人发展的趋势。在满足功能要求的前提下，体积小、质量轻的机器人可较小能耗，具有较高灵活性,可以承载更多的负荷，有利于实现爬壁机器人的多功能性，并且在某些特殊场合也需要机器人具有小的体积。各种微型驱动元件、控制元件及能源供应方式的发展，以及在纳米材料方面取得的进步，为小型化、微型化奠定了基础。由带缆作业向无缆化方向发展。带缆作业极大地限制了机器人的作业空间，所以，为了提高机器人的灵活性和扩大工作空间,无缆化成为现在和未来爬壁机器人的发展趋势。由简单远距离遥控向智能化方向发展。与人工智能相结合，使机器人在封闭环境中能够具有一定的自主决策能力，完成任务,并具有自我保护能力，是移动机器人发展的重要方向，也是爬壁移动机器人的重要发展方向。可重构是机器人适应能力的一项重要指标。为了使机器人能够应用于不同场合，根据任务需求，在不需要重新设计系统条件下，充分利用已有的机器人系统，应使机器人具有可重构性，即具有模块化结构。根据任务需求，可以把需要的模块直接连接起来组成新的机器人。此可以大大降低机器人的制造成本［14。具体到机器人结构设计上，由于传统爬壁机器人具有很多的不足之处(如对壁面的材料和形状适应性不强，跨越障碍物的能力弱，体积大，质量重等)，因此未来爬壁机器人的结构应该向着实用化的方向发展。(1)吸附方式吸附技术一直是爬壁机器人发展的一个瓶颈,它决定了机器人的应用范围。目前，吸附方式主要有真空负压吸附、磁吸附、螺旋桨推力及粘结剂等几种方式。由于目前应用比较成熟的吸附技术都有很大的局限性，在很多情况下难以满足实际应用的要求。因此，开发和研究新型吸附技术是当前爬壁机器人领域的一个重要方向。近年来，人们通过研究壁虎等爬行动物脚掌的吸附机理，制作出高分子合成的粘性材料，这些材料利用分子与分子之间的范德华力，在很小的接触面积上就可获得巨大的吸附力，而且具有吸附力与表面材料特性无关的优点。模仿壁虎等动物脚掌的仿生粘性材料的发展是当前新型吸附技术发展的热点。(2)移动方式在移动机器人中，轮式和履带式移动方式已获得广泛的应用，但是足式移动方式具有轮式和履带式所没有的优点。足式移动方式的机器人可以相对较容易地跨过比较大的障碍(如沟、坎等)，并且机器人的足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凸凹不平的地形适应能力更强。足式机器人的立足点是离散的，跟壁面接触的面积小，可以在可达到的范围内选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。正是由于足式结构多样、运动灵活，适应于各种形状的壁面上，而且能够跨越障碍物，因此足式结构将在爬壁机器人上有着较好的应用前景。(3)能源供应及驱动方式传统伺服电机因功率重量比低，必须安装在远离驱动的地方，而且电机高速运行后需有减速齿轮来降低速度，致使传动系统复杂，结构累赘，不能满足实用化的要求，为此需要研制利用功能材料构成的体积小、重量轻、高效率密度的新型电机。微特电机所组成的驱动伺服系统和位置速度传感系统是机器人关键部件，研制开发直接驱动、大力矩、小体积、重量轻、精度高、反应灵敏、工作可靠的各类微特电机是提高我国机器人的研究开发水平，满足国内机器人高性能微特电机的基础保障。因此微特电机在机器人应用的前景是非常乐观的，而且要求微特电机技术的发展，满足机器人智能化、可靠、灵活、长寿命的需要。因此爬壁机器人使用微特电机技术的发展趋势可归纳为朝高精度、高可靠性、直接驱动、新原理、新结构、机电一体化、超微化方向发展。综上所述，目前国内外对于爬壁机器人的研究正处于飞速发展水平，因其可在垂直陡壁或高空极限空间代替人进行危险作业，已被广泛地应用于清洗、消防、检测等多个行业。但爬壁机器人在吸附能力和运动灵活性上还存在一些问题。在实际的工程应用中，一般要求爬壁机器人携带一定重量的负载，这就要求它具备可靠、稳定而又足够大的吸附力。但这一要求得到满足的同时，其运动速度、越障能力、转向灵活性、壁面适应能力等必然会受到不同程度的限制。因此，为解决这一矛盾，需要寻找一种可以方便地控制其吸附力大小的吸附方式以及设计灵活轻便的移动机构。这是爬壁机器人在相当长一段时间所要面对的问题之一［⑸。1.2.4爬壁机器人面临难题（1） 吸附及密封技术：面对凹凸不平复杂的壁面完成探伤任务，要求吸附机构必须要产生一定的吸附力，使机器人能携带检测装置安全可靠地吸附在壁上。（2） 移动技术：移动机构要体积小，重量轻，转动灵活、移动速度快等，使机器人可以在壁面上移动，并可灵活自如地调节移动的速度和方向，具有较强的越障能力（例如：（壁上的凹坑、裂纹、腐蚀等）（3） 控制技术：必须保证信号通讯的实时性，可靠性。控制机器人的整体工作，进行检测、故障诊断和综合分析，实现机器人各个部分装置的协调配合Ml。1・3研究内容本课题名为磁吸附式核电筒体自动探伤车机构设计，其研究目标是对核电筒体壁面上的探伤作业提供可以代替人工进行作业的专用探伤机构，为了安全有效地工作，该探伤机构要保证爬行可靠、移动灵活、定位准确。在此基础上，要尽可能使其本体质量轻、体积小、操作方便。本课题将对机器人的吸附方式、移动方式、转向调节方式、驱动方式、传动机构以及执行机构进行研究。先后完成资料查阅、方案确定、零部件选择设计及计算、二维装配图与零件图绘制、编写说明书等工作。基于机器人的

磁吸附式核电筒体自动探伤车机构设计 7理的设计。7理的设计。2•总体方案确定2・1方案选择2.1.1吸附方式该探伤仪要想在垂直的壁面上运动，必须保证机构能够稳定吸附在壁面上，防止滑落、跌落、倾倒等不利因素的产生，因此要设计合理而可行的吸附机构。爬壁探伤仪现有的吸附方式主要分为真空吸附、磁吸附和推力吸附。由于筒体表面是导磁性材料，且凹凸不平，为了提高吸附力，选用磁吸附法。磁吸附方式又分为永磁吸附和电磁吸附。而采用磁吸附中的永磁体吸附比较安全可靠，即使突然断电，探伤仪也不会发生坠落现象，而电磁铁要实现吸附功能就要受到电源通断电的限制，另外永磁吸附可产生更强的吸附力。综合各方面因素考虑，选取永磁吸附方式。2.1.2移动方式爬壁探伤仪按移动功能分主要是足脚式、车轮式和履带式和框架式。车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难；履带式对壁面的适应性强，着地面积大，但结构复杂，不易转弯；足脚式吸附能力强，承载能力大，能跨越一定的障碍，但是移动速度慢，结构复杂，控制难度大；框架式结构简单，越障能力和带载能力均较强，但移动速度慢，有间歇性。车轮式设计简单方便，故采用车轮式。2.1.3驱动方式常用于探伤仪的驱动方式有液压式驱动、气压式驱动和电动式驱动。相对于电动式驱动气压驱动需要气源，稳定性差，携带负载有限，控制繁琐；液压传动构造复杂，运动速度慢，信号传递困难，并且由于采用磁盘吸附的行走方式，所以采用电机驱动的方式。电机驱动具有很多优点：电机体积小、重量轻，驱动反应快、控制性能好，正反转反应快。用于机器人控制方面的电机主要有步进电机和伺服电机。步进电机是将电磁脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。伺服电机是指在伺服系统中控制机械原件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类。而直流电机体积小、负载能力强、功率大、控制简单、易于调速等，所以选用直流步进电机的驱动方式。2.1.4传动机构由于直流电机的额定转速非常高（1500r/min以上），因此需要减速装置。常用的减速装置有齿轮传动和蜗轮蜗杆传动。为了防止爬壁机器人在竖直筒壁上静止时不会向下滚动，采用蜗轮蜗杆装置，它具有自锁功能，可以保证车轮被制动而不能绕自身轴线作自由转动。传动装置包括电动机、蜗轮蜗杆减速器、联轴器、轴、轴承等。磁吸附式核电筒体自动探伤车机构设计2.1.5执行机构探头的移动通过滚珠丝杠螺母调节方式。图2-1是探头调节方式原理图，其工作原理是压紧力调节电机陈云滚珠丝杠转动，丝杠螺母和紧力传感器以及轴套用螺栓固定在一起，连杆AB的一端和车轮轴铰接在一起，另一端铰接在固定支点A,推杆CD与连杆AB铰接在D点，另一端铰接在轴套上C点，轴套在圆周方向相对固定，因此滚珠丝杆的转动将带动丝杠螺母沿轴线方向在滚珠丝杠上来回滑动，从而带动推杆运动。进面推动连杆AB娆支点A转动，使探头达到升降高度的目的。/i图2-1探头调节方式原理图2・2移动方式实现探伤车在实现移动的情况下，还要考虑小车的速度调节、转向、后退等动作。本课题选用的是步进电机，步进电机是指在伺服系统中控制机械原件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。步进电机可使控制速度，位置精度比较准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。因此可以通过控制系统控制电机的转速，从而实现探伤车速度的变化。轮式移动机器人的转向方式有很多种，其中差动转向方式是最常用而且安全、可靠的一种方式。其原理是通过对驱动轮转速的控制来实现转向功能，控制简单，位姿准确。要探伤车实现后退功能可设计一个直流电机正反转电路。2・3最终方案确定2.3.1移动机构确定本课题研究的是一个磁吸附式核电筒体自动探伤车机构，基于爬壁机器人可以携带检测装置快速完成立式金属壁面的探伤任务，选择车轮式的结构。车轮式结构分为三轮式、四轮式和六轮式三种情况。根据实际作业的环境要求，爬壁机器人的本体设计要求质量轻、强度大、爬行稳定等特点。因此机器人本体设计选用磁性轮作为爬行机构，采用前两轮单独驱动的轮式结构，前两轮不共轴，后两轮共轴设计。探伤车通过控制系统控制电机转动，通过联轴器带动蜗杆转动，经过蜗轮蜗杆减速后传递到蜗轮轴，再经过联轴器带动后轮轴转动，从而实现后轮转动。探伤车移动机构如图2-2所示。图2-2探伤车移动机构2.3.2执行机构确定探头部分通过电机带动滚珠丝杠转动，从而实现丝杠螺母的直线运动，推杆一端固定在螺母上，螺母的直线运动使得探头会绕着支点做旋转运动，从而实现了探头位置的变化。执行机构设计如图2-3所示。

3探伤车主要部件的设计与校核3・1车轮电机选型小车受力分析：静止时可能出现两种危险情况，一是爬壁机器人在壁面上滑落；二是爬壁机器人在壁面上发生倾覆。爬壁车静态示意图如图3-1：图3-1爬壁车静态示意图其中：Ni为壁面对车轮的弹力；Fi为车轮收到的吸附力；fi为车轮所受的摩擦力；Gi为车轮部分所受的重力。小车静止时：EY=0 (3-1)f.—G二0i 1所以要保证小车不向下滑动，需满足f.沁if=|JN=|JF>Gi

G二2.5X9.8二24.5NiF羽2.7Ni其中：卩为橡胶与钢铁之间的静摩擦系数，取》=0.75(3-2)(3-2)ZM^0A2FxS-Gxh司i 总艺总竺二9.8N2S其中：S为前轮到后轮的垂直距离，h为车轮中心道壁面距离fi取两者中较大值，并且去安全系数n二1・5所以f二nx32.7二50N (3-3)因此要保证小车能安全停放在壁面上，需保证每个轮子受到到的吸附力不低于50N。设定机器人的行走速度为0.1m/s，车轮直径d=109mm,因此从车轮出来的转速n二0.1/T二①/2兀二v/2兀r二0.11*360/(2*3.14*0.15)*60二6.4rpm考虑机器人的总重量m=10kg，由于机器人行走时受到摩擦力作用，在此设定其摩擦系数卩二0.5，则所需力矩：M=卩mgr=0.5*7.5*10*0.1N-m=3.75N-m (3-4)基于上述计算得出以下两个关键数据：从车轮出来的转速：n=6.4rpm；所需提供的扭矩T=5.6N.m；电机功率计算：首先计算出电机负载功率，p=f*v=y*m*g*书0.5*7.5*i0*1w(3_5)经初步估计电机经减速箱的减速比不会很大因此将减速箱的传动效率设定为0.8,将中间机械结构的传动效率设定为0.5，因此这个传动结构的机械效率耳=0.8*0.5*=0.4由此根据电机功率传递不变原则，计算出电机功率p二p”/耳二37.5/0.32二117w卩"负载在此设定电机功率为150w。由于所选电机功率为150w且所选电机为直流有刷伺服电机，暂选定电机的额定电压为24V,基于此两项可选定RE40系列中订货号为：148867的电机；额定转速为693rpm，根据车轮出来转速可知总传动比i=693/6.4=109电机扭矩校核：考虑传动机构中的传动损耗，应有M=T*n*i=0.17*0.4*109=7.4Nm （3-6）额定转矩大于负载扭矩满足要求。综上所述，网上查得选取电机型号为：RE40系列中订货号为：148867的电机；总减速比为109,功率为150w。这个减速比为减速箱和中间齿轮这两者减速比之积。电机具体参数如下表3-1所示表3-1RE40电机参数电机参数单位额定电压下数值额定电压v24空载转速rpm7580空载电流mA137额定转速rpm6930额定转矩mNm170额定电流A5.77堵转扭矩mNm2280堵转电流A75.7最大效率%91额定转矩mNm630额定电流A8.37堵转扭矩mNm10600堵转电流A133最大效率%833.2蜗轮蜗杆计算3.2.1选择材料由于蜗杆传动功率较小，速度较小，故蜗杆用45钢；因需要效率高，耐磨性较高,故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为45—55HRC。涡轮用铸锡磷青铜ZCuSnlOPl,金属模铸造。由于涡轮尺寸较小，开采用整体浇铸式。3.2.2按齿面接触疲劳强度进行设计根据开式蜗杆传动设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距：I__(ZZ\2

a>3KTi~ep确定作用在涡轮上的转矩T2按zi二2估取效率耳二0.8，则P P打 0567X08T=9.55x106t二9.55x106一二9.55x106 二217.59N•m(3-7)TOC\o"1-5"\h\z2 n n/i 3002 2 /15确定载荷系数K因为工作载荷不稳定，取载荷不均系数Kp=1.3；由《机械设计》(西北工业大学编)表11—5选取使用系数K二1.15；由于转速不高，冲击不大,可取动载系数K=1.05；A v则：K=KKK二1.15x1.3X1.05二1.5698ABv确定弹性影响系数ZE由于铸锡磷青铜ZCuSn10P1涡轮与45钢蜗杆相配，取1Z=160MPa2E确定接触系数Zp先假设蜗杆分度圆直径4和传动中心距a的比值d二0.35a从图11—18知Z=2.9P确定许用接触应力匚丿

根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSnlOPl,金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，可以从表11—7中差得涡轮的基本许用应力t］二268MPa。H应力循环次数(3-8)(3-9)(3-10)N二60jnL=60xlx300x10000二1.8x107(3-8)(3-9)(3-10)2h 10寿命系数'107K=8 二0.9292HN1.8X107则t]=K 1=0.9292x268=249MPaH HN H计算中心距I (160x29、2a>J1.5698x217.59x =10.5894\ I249丿考虑制作工艺性，将中心距a取为40mm>10.5894mm根据表11一2中心距a为40mm，取m=1，蜗杆分度圆直径d】=18mmTOC\o"1-5"\h\zd18 r这时= =0.45，从图11—18中可查接触系数Z=2.60；\o"CurrentDocument"a40 P由于Z'<Z，因此以上计算结果可用。P P3.2.3 蜗杆涡轮的主要参数和几何尺寸蜗杆轴向齿距zpP=nm=3.14x2=6.28mma直径系数q=11.2齿顶圆直径d=d+2h=22.4+2x2=26.4mma1 1 a1齿根圆直径d=d—2h=22.4—2x1.2x2=17.6mmf1 1 f1分度圆导程角

丫=10。07'29〃蜗杆轴向齿厚蜗杆齿宽x3.14x22丫=10。07'29〃蜗杆轴向齿厚蜗杆齿宽x3.14x223.14mmb>11+0.06Z=11+0.06x29=12.74mm12涡轮涡轮齿数z=29；变位系数x=-0.1；22验算传动比=29=14.52这时传动比误差为15—14.5=3%，允许;涡轮分度圆直径d=mz22=2x29=58mm涡轮喉圆直径d=d+2ha2 2 a2=58+2x2=62mm涡轮齿根圆直径d=d—2h=58—2x1.2x2=53.2mmTOC\o"1-5"\h\zf2 2f2涡轮咽喉母圆半径1 1=a——d=40一一x62=9mm2a2 23.2.4校核齿根弯曲强度(3-11)=竺竺YY轟］

ddm Fa20H(3-11)12当量齿数z 29z=—2—= =2951v2COS3Y (cos10。07'29〃)3根据z=29.51，v2从图11—19中可知齿形系数根据z=29.51，v2Fa2磁吸附式核电筒体自动探伤车机构设计螺旋角系数Y二1 =1-10上二0.927；0 140。 140许用弯曲应力山].KF FN从表11—8中查得由ZCuSn10P1制造的涡轮的基本许用弯曲应力L1二56MPa。F弯曲强度是满足的。3.2.5验算效率"KFN:10691.8x107二0.7253L弯曲强度是满足的。3.2.5验算效率"KFN:10691.8x107二0.7253LF]=56x0-7253MP-40.61 Pa1.53x1.5698x217.5918x58x2x2.7x0.927坠0.627皿Pa<耳=(0.95〜0.96)严丫tan0+申v(3-12)已知丫二10。07'29〃=10.1。;p二arctanf;f与相对滑动速度v有关。v vv Sndn 3.14x18x300v= ^-1 =s60x1000cosY 60x1000xcos10.1。=0.287m/s从表11—18中用插值法差得f=0.075、p=3.5。；v v耳=0.96严n10.1。tan10.1°+3.5°)=0.7068与原估计值接近，不用反算。3.2.6精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从GB/T1008398圆柱蜗杆、涡轮精度中选择8级精度，侧隙种类为f,标注为8f。后由有关手册查得要求的公差项目和粗糙度，此处从略。3・3轴的设计与校核3.3.1轴的材料选取选取45钢，调制处理，参数如下:硬度为HBS=220抗拉强度极限o=650MPaB屈服强度极限O=360MPas弯曲疲劳极限O=270MPa-1剪切疲劳极限t=155MPa-1许用弯应力[o]=60MPa-13.3.2初步估计轴的最小直径n轴上的转速n功率p由以上机械装置的运动和动力参数计算部分可知22n=47.7r/min；p=0.75kw22取A=110d=A3：L=10mmmin 0\：n'2输出轴的最小直径显然是安装联轴器处的直径dI-II•为了使所选的轴的直径dI-II与联轴器的孔径相适应，故需要同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩TCa=KaT2，查表14-1，考虑到转矩变化小，故取KA=1-5则T=KT=1.5x1307.2=1906800N-mmca A2按照计算转矩T应小于联轴器公称转矩的条件。查机械设计手册(软件版)R2.0,ca选HL5型弹性套柱销连轴器，半联轴器孔的直径d=20mm，长度L=100mm,半联轴I器与轴配合的毂孔长度L=75mm。故取d =18mm1 I-II3.3.3根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度(1)选取d=20mm,l=75mm。因I-II轴右端需要制出一个I-u I-u定位轴肩，故取d =25mm-III初选滚动轴承。因轴承只受径向力的作用，，故选用深沟球轴承，参照工作要求，由轴知其工作要求并根据d =25mm，选取单列圆锥滚子轴承n-m33015型，由机械设计手册(软件版)R2.0查得轴承参数：轴承直径：d=10mm轴承宽度：B=10mm，D=18mm所以d=d =10mmIII-IV V-VI右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。取33215型轴承的定位轴肩高度h=3mm,因此，取d =10mmVI-VII3.3.4计算过程图3-2轴的计算简图1)根据轴上的结构图作出轴的计算简图。确定轴承的支点位置大致在轴承宽度中间。故L=75mm L=15mmL=35mm1 2 3因此作为简支梁的支点跨距

L+L=35mm+15mm=50mm.TOC\o"1-5"\h\z2 3计算支反力：作用在轴上的=5120N(3-13)厂2T2x1307.2x=5120N(3-13)F= 2=—td 420F=Ftana=1263.8Nr t水平面方向》MB=0F -120-F-65=0NH4 tF=2369NNH4YF=0F二F-F 二6220N-3369N二1851NNH3 t NH4垂直面方向LMB=0,F-120-F-65=0,NV4 r故F=826NNV4LF=0F二F-F 二2263.8N-1226N二837.8NNV3 rNV42)计算弯距水平面弯距M=FxL=3369x55=185295N-mmCV4 NV4 3垂直面弯矩M二F二L二1037.8x65二67457N-mmCV3 NV3 2

M=FxL=1226x55=67430N-mmTOC\o"1-5"\h\zCV4 NV4 3合成弯矩M=、M2+M2 =197190N-mm\o"CurrentDocument"C1 CH CV3>M=、•M2 +M2 =197190N-mm\o"CurrentDocument"C2 CH CV4根据轴的计算简图做出轴的弯距图和扭距图。可看出c截面为最危险截面，现将计算出的截面C处的"v、MH及M的值列于下表3：表3-2轴截面参数载荷水平面H垂直面V支反力F=2851NNH3F=3369NNH4F=1037.8NNV3F =1226NNV4弯距MM=185295N-mmHM =67457N.mmeV3M =67430N.mmeV4总弯距M=197190N.mm1M=197190N.mm2扭距TT=1307.2N・m3.3.5按弯扭合成应力校核轴的硬度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯距和扭距的截面（即危险截面C）的强度。根据课本式15—5及上表中的值，并扭转切应力为脉动循环变应力，取a=0.6，轴的计算应力oca■Me2+oca■Me2+(aT)2

Wv1972+(0.6x1307)2x10000.1x853MPa=13.166MPa(3-14)已由前面查得许用弯应力[o—1]=60MPa因o<[o—1]，故安全。ea3.3.6精确校核轴的疲劳强度1）判断危险截面截面a,ii,mb只受扭矩作用，虽然键槽、轴肩及过渡配合所引起应力集中均

将削弱轴的疲劳强度，但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕地确定的，所以截面A,II,IILB均无需校核。从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面和IV和V处的过盈配合引起的应力集中最严重；从受载的情况看，截面C上的应力最大。截面IV的应力集中的影响和截面V的相近，但截面V不受扭距作用，同时轴径也较大，故可不必作强度校核。截面C上虽然应力最大，但应力集中不大（过盈配合及槽引起的应力集中均在两端），而且这里轴的直径最大，故截面C不必校核。因而只需校核截面IV的右侧即可，因为IV的左侧是个轴环直径比较大，故可不必校核。2）截面IV右侧抗弯截面系数W=O.ld3=0.1x853=61412.5mm3抗扭截面系数WT=0.2d3=0.2x853=122825mm3弯矩M及弯曲应力为:M=197190x —M=197190x —=100112N・mm30970.055一MPa=1.63MPa61412.5截面上的扭矩截面上的扭转切力:T

—1-

WT过盈配合处的k./e。的值，由课本附表T

—1-

WT过盈配合处的k./e。的值，由课本附表3-8用插入法求出，并取k/&=0.8k/&，k/&=2.20TT CC CC则k/£=0.8x2.20=1.76TT轴按磨削加工，由课本附图3-4查得表面质量系数p=p=0.92TOC\o"1-5"\h\zC T故得综合系数值为：\o"CurrentDocument"k=乞+丄-1=2.20+丄-1=2.29

C£P 0.92C C

k1 1k=t+ -1=1.76+ -1=1.85tsp 0.92T T又由课本§3—1及§3—2得炭钢得特性系数申=0.1〜0.2,a取申=0.1a申=0.05〜申=0.1〜0.2,a取申=0.1a申=0.05〜0.1,T取申=0.05T所以轴在截面“的右侧的安全系数为255OS=OKo+屮o2.29x1.078+0.1x0oa=103.30S=T-1tKT+屮TTO Tm=1.85x5.60/^0.05x5.60/2“ScaV'S2+S2a t103.30x26.32 二25.505>S=1.6.103.302+26.322(因计算精度较低，材料不够均匀，故选取s=1.6)故该轴在截面R右侧的强度也是足够的。因无大的瞬时过载及严重的应力循环不对称性，故可略去静强度校核。3.4轴承使用寿命的计算轴承为6008深沟球轴承，查手册得C=17KN轴承工作时间为：h=2x8x8x365=46720h(1)求两轴承的径向载荷F'和F'r5 r6F'=：F2+f2=<228.752+628.482=668.82Nr5 r5H r5V\o"CurrentDocument"F'=-F2+f2»438.952+12@6=128.4Nr6 'r6H r6V由于低速级为圆柱直齿轮传动，故轴承不受轴向力求当量动载荷P5和P6取载荷系数fp=1.2，则轴承当量动载荷为：P=fF'=802.58Npr5P=fF'=1540.08Npr6由于P6>P5,则取P6计算:106(C60nP(3-15))(3-15))3h=232777h>46720h106 J7X1000x(60x96.30 1540.08所以低速轴轴承选择满足寿命要求。3.5滚珠丝杠副3.5.1进给滚珠丝杠副的轴向刚度进给滚珠丝杠副轴向刚度表示滚珠丝杠副及其支承部件抵抗其轴向弹性变形的能力。用弹簧常数K表示，按下式计算1K二F/61 （3-15）1点+盒+金+盒式中K——进给滚珠丝杠副传动系统轴向刚度，400N/Pm1F——施加于进给丝杠的轴向负载，8.93N61——进给滚珠丝杠副轴向弹性位移，1.82》mK 丝杠轴向刚度，61.35N/》mSK——螺母组件轴向刚度，320N/PmNK——支承轴承轴向刚度，43.26N/PmBK口——螺母支架及轴承支架轴向刚度，298.6N/》mH（1）丝杠轴向刚度计算丝杠的轴向刚度因安装方式不同而不同。双推一支承安装丝杠的轴向刚度采用双推一支承方式安装丝杠时，丝杠的轴向刚度随载荷作用点至双推支承真个间隔变化而改变。其最小刚度K按下式计算SK日=驴X10-"式中A—丝杠的断面积，60mm2斗（d为螺纹小径，10mm）E—丝杠材料的弹性模量，对于钢材E=2.07X105MPaLa一载荷作用点距双推支承的最大间隔，40mm附图a为日本精机生产的标准滚珠丝杠双推一支承安装时的轴向刚度图。u-」z.YR壬JD-一軍■--!亠S:1II:I弄111u-」z.YR壬JD-一軍■--!亠S:1II:I弄111z耳凭杵冃点毛艰推艺呎為M：叫的肖需用5钿I1=：垃推"壬啦克承点间的距寓灯门取堆-71惟图3-3滚珠丝杠轴向刚度图-£-.•辽互曲L,1划双推一双推安装丝杠的轴向刚度采用双推一双推安装丝杠时，其轴向刚度计算公式为X10~3式中L一两双推支承端间隔，40mm由上式可以看出，丝杠采用双推一双推方式安装时，刚度也是变化的，且在处轴向刚度值最小，其最小值附图b为日本精机生产的标准滚珠丝杠双推一双推安装时的轴向刚度图。3.5.2螺母的刚度螺母刚度实为螺母组件的刚度，包括滚珠和丝杠、螺母螺纹滚道的轴向刚度。

根据赫兹接触理论，滚珠和螺纹滚道间的轴向弹性变形量6N按下式计算亍=F-X10~El心" y-: (pm) (3-16)式中a——滚珠的接触角，(30°)F——轴向载荷，8.93Nd 滚珠直径，3mm0Z——每圈有效载荷滚珠数Z=nDm/（dcos屮）=90

Dm 螺母公称直径，10mm（P——螺旋升角，（90°）1）进给滚珠丝杠副为单螺母时，假如轴向工作载荷即是30%动额定载荷C,其刚度aDm 螺母公称直径，10mm（P——螺旋升角，（90°）1）进给滚珠丝杠副为单螺母时，假如轴向工作载荷即是30%动额定载荷C,其刚度aKn=0.8K]（K〔为产品样本尺寸表中给出的刚度值）；假如轴向载荷不即是30%动额定载荷C时，其轴向刚度按下式计算aL..'30.3（\2）带预压载荷的双螺母轴向刚度当预压载荷Fao=0.1Ca时，其刚度Kn按下式计算K/0.8KN 1当Fao主0.1C时，刚度Kn计算公式为No.式中Fa 预压载荷，450N3.5.3支承轴承的刚度KB不加预压载荷时，轴承轴向刚度按下式计算Kb=F/8b式中F——轴向载荷，320NSB——轴承轴向弹性位移量，&35pmB施加预压载荷时，轴承轴向刚度计算公式为K=3Fao/SaoB式中Fa——轴向预压载荷，346NSao——在预压载荷作用下，轴向弹性位移,各种轴承的轴向弹性位移量SB计算公式如下:①自动调心滚珠轴承心=i.'rH2；0.QtQ-\血已 1②圆锥滚柱轴承③止推滚珠轴承卩”01Q2l.;39.51pm（30。）Q——加于轴承一个转动体上的载荷，560Nd0 轴承转动体的直径，10mml——轴承滚柱的有效接触长度，30mmZ——轴承转动体个数1螺母及轴承支承部件的刚度KH螺母支架的刚度，已在螺母刚度计算时乘以系数0.8计进。轴承安装部件的刚度可通过采用高刚度支承部件解决。2进给滚珠丝杠副的扭转刚度影响进给滚珠丝杠副扭转变形的主要因素是丝杠。下面仅就丝杠的扭转刚度进行讨论。丝杠的扭转刚度是指丝杠抵抗扭转变形的能力，其计算公式为丸