【《水下电动机械臂总体方案设计案例》3700字】

PAGE\*Arabic2PAGE水下电动机械臂总体方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u2170水下电动机械臂总体方案设计案例 2311041.1水下机械臂技术指标 2139541.2水下电动机械臂整体设计 2180311.1.1机械臂自由度选择 272271.1.2机械臂整体模型建立 3150511.1.3机械臂材料选择 5115701.1.4驱动方式及驱动电机选择 686771.3关键零件的有限元分析 7针对此类机械而言,其整体架构较为复杂，在对其进行设计的过程中需要分析相对较多的因素，特别是在水环境中运行时，防水方面的特性更是重中之重。本部分将结合相关的技术指标，对该机械展开综合设计，其涉及到多个方面,比较典型的包括自由度、驱动方式等。最后，本文对多样性的元件进行分析，并对相关指标展开校验。1.1水下机械臂技术指标结合项目实施的客观需求，设计过程中所涉及到的各类指标具体参考下表：表2-1设计技术指标本文开发的机械比较轻小，其占据的空间不大，整体架构复杂性低，成本控制在适宜的水平，对于常规的水下作业具有良好的适用性。1.2水下电动机械臂整体设计1.1.1机械臂自由度选择在对该系统展开设计时，这个因素是非常重要的部分。此外,因为其位点和姿势很大程度上是利用各个关节的协调和配合实现的，所以其需要将自由度提升至适宜的水平,使执行器能够调整至目标位点,假如自由度相对较大，操作流程就愈加繁杂,控制标准就更加严苛。反之，如果其自由度相对较小，机器臂能够完成的动作复杂性就较低,而且往往会受到其他因素的限制。如果操作难度相对较低，其必然会使维护工作的复杂性明显降低。本研究开发的装置重点应用了ROV，如此就可以使其可靠的完成各项工作任务，同时，AUV可以结合接收的指令对目标位点展开调节，使其表现出较为理想的自由度，一般情况下只需要确保常规的样品采集能够符合要求。然而，在较为繁杂的水环境中，我们应防止AUV本体运动姿态超过一定限度，从而最大化的降低本体所产生的能耗，所以该装置的自由度应控制在适宜水平。整体来讲，本文将自由度设置为5，并配置了完善的手爪功能，从而使其具有良好的应用价值。本研究开发的设备通过多个部分构成，其中比较典型的包括旋转关节、手爪等，重点涉及到底座回转关节R1、手爪回转关节R5等部分，详情参考下图。图2-1机械臂自由度结构简图1.1.2机械臂整体模型建立结合预设的参数，臂长的极大值为450mm，抓取目标直径的极大值为70mm。此后本文就可以通过专业工具完成标准化的建模，得到的模型具体参考下图。该机械臂结构通过多个部分构成，其中比较典型的包括底座、腕部模块等，各部分的转动很大程度上通过电机实现稳定的驱动。图2-2机械臂装配体三维模型该机械结构在进行设计的过程中，应最大化的降低控制部分的复杂性，而从结构的层面而言，我们可以选择模块化的设计方式，即所有关节模块都通过特定的器件构成，其中比较典型的包括电机、传感装置等，各部分在设计结束之后，只需要对各部分的衔接情况进行分析。此外，底座可以根据规范与ROV搭配应用，而最下层能够与指定的电机实现衔接，腕部模块等各个部分的连接一般利用电机轴进行稳定连接，另一侧主要利用轴承进行固定，腕部末端可以利用电机轴与指定模块进行衔接，从而使其回转自由度能够达到比较理想的水平。它的整体情况具体参考下图，电机能够对特定侧起到驱动的作用，两指能够实现高度同步的转动，从而实现多样性的动作，其开合角度很大程度上受到手爪电机转动的影响。图2-3手爪模块结构图1.1.3机械臂材料选择机械臂的材料选取与多种因素存在紧密关联，其中比较典型的包括工作环境、工作需求等，尤其是针对水下机械臂而言，其不但对稳定性、实用性存在较高要求，并且其必须体现良好的耐腐蚀性。该机械在水中作业的过程中，其往往会受到多种因素的影响，其中比较典型的包括附加质量力，浮力等，如果本体重量相对较小，那么它可以大幅度减小运动惯性，从而使水动力所产生的影响最大化的降低。所以，在对机械臂材料进行选型的过程中，我们必须考虑多样性的因素，其中比较典型的包括密度、耐腐蚀性等，当前来讲，应用较多的材料包括下述类型：1.错合金因为其表明存在一层氧化膜，如此就明显提升了其耐腐蚀性，所以它在水下设备的加工过程中应用较多，对于水下机械臂的制备具有良好的适用性。比如对于6061-T6号错合金来讲，其能够表现优良的功能特性，密度达到1.72g/cm3，相应的抗拉强度达到310MPa。1.不锈钢这种材料能够表现出比较理想的抗腐蚀性，本设计中可供选择的不锈钢主要包括两类，其分别为304和316不锈钢。对于后者而言，其融合了一定Mo，如此就使其具有出众的耐腐蚀性，在海水设备的制备中应用较多，它的密度达到8.03g/cm3,而相应的参数大约为620MPa。3.钦合金这种材料的指标较为理想，能够体现非常理想的化学性质，因此它在诸多领域都表现出不可忽视的应用价值。另外，这种材料的抗腐蚀性十分出众，对于湿度较高的环境或者水环境具有良好的适用性。结合上述分析，我们可以发现此类材料对于水下机械臂十分适用，然而其价格相对较高，表现出的工艺性能不够理想，无法实现有效推广。本文开发的水下机械臂是非常典型的轻型机械臂，其空气重量不超过3千克，对材料强度不存在严苛的要求。铝合金与其他材料相比，其密度相对较低，加工难度不大，与钛合金进行对比，其经济性非常出众。所以本设计主要选用6061-T6号招合金。1.1.4驱动方式及驱动电机选择各类驱动方式都具有独特的性质，必须结合多方面的要素进行考虑，其中比较典型的包括工作内容，控制功能等，从而界定最为理想的驱动方法。本研究开发的机械体积较小，并且为了避免水资源受到污染，对位置精度进行一定优化，本研究重点采用电动驱动方式。在对其进行具体选型的过程中，我们有必要对其驱动力矩进行分析，因为各关节的运动速率不高，惯性力对关节模块产生的影响不大，因此可以不作考虑，在这种情况下，本文重点对关节力矩展开分析，相应的算术式为T=MｘL，在该式子中，M主要代表的是驱动的质量，L在此处主要代表的是力臂，下文将大臂俯仰关节作为探讨的实例，进而对其核心参数进行分析。对于俯仰关节而言，其实际承受的力矩相对较大，它能够对多个部件发挥驱动作用，其中比较典型的包括大臂模块、手爪等，而各部分的质量可在材料属性中进行具体调试，即M大臂驱动＝M大臂+M小臂+M腕部+M手爪+M负载=2kg公式（2-1）驱动质量的质心能够结合规范进行测定，具体情况参考下图，驱动力臂的极大值为L＝242mm。结合T＝MｘL进行分析，该关节核心参数的极大值为T=48.4kg.cm结合上述方法我们可以推出其他构件的各项指标，其重点涉及到驱动质量、最大驱动力矩等方面，具体情况参考下表。表2-2各关节的最大驱动力矩计算值为了能够优化其经济性，并最大化的降低其复杂程度，在确保位置精度得到保证的条件下，其总体成本应最大化的降低，而舵机是一类功能特性十分出众的驱动电机，其整体架构具体参考结构图2-5，它通过多个部分构成，其中比较典型的包括齿轮组、壳体等，不但能够实现稳定的输出，而且其占用的空间不大，结构稳定，并且能够表现优良的防水特性，可以良好的适应水下环境。所以，为了有效降低各主要构件的驱动质量，我们有必要选用舵机驱动的模式。图2-5舵机组成和内部结构示意图针对大臂俯仰关节而言，其驱动力矩的极大值应进行合理的设置，为确保其安全余量符合要求，结合现阶段的舵机标准，其转矩可以设置为60kg.cm。针对小臂俯仰关节来讲，为了使零件能够符合相关的力矩标准，舵机在一般情况下应该选用同型号，根据相关规范，我们可以将其型号界定为DG-2030号，其他参数符合标准。1.3关键零件的有限元分析对于此类方法而言，其重点是对物理系统负载情况进行分析，并结合实际要求建立完善的仿真系统，在进行设计的过程中，通过该方法能够对机械，电磁等各个层面展开仿真分析，无需在样品加工结束之后再进行分析。这样不但明显提升了设计效率，并且让时间成本获得良好的控制。伴随科技的进步，有限元法在诸多工程设计中广泛应用，其重点涉及到汽车、机械制造等多个方面。通过Solidworks对目标机械进行三维建模之后，我们可以在特定的模块内对其展开研究。如果这种有限元分析的结果不能够达到要求的时候就需要回到原来建模的模块中对原来的模型进行修改，然后再次进行检查进行分析，从而使得分析的结果达到要求。这种方法的优势是不需要再次借助其他的分析软件，而是在这一个软件中就可以完成设计、分析以及优化的结果，通过这种方式能够使得零件的设计效率得到大大的提升，也使得设计的软件结果能够更加满足预先的模型要求。另外要注意的一点是材料强度的问题，如果材料强度不足是会引发很多问题的。举例来说，如果材料强度不够，在机械臂的大臂和机械臂大臂链接关节在高负载的情况下，是非常容易发生变形，甚至是垮塌的。所以在机械臂的整体结构设计完成后，必须采用有限元分析的方法对机械臂的关键材料的强度进行分析，确保材料强度是符合要求的。这部分连接关节的整体情况具体参考下图，此时可根据要求对其展开研究，首先，对连接孔添加扭矩的极大值T=48.4kg.cm，继而对其连接孔参数展开标准化的校验，其应力情况具体参考图2-9，通过该图我们能够发