【《爬壁机器人机械结构设计计算分析》15000字（论文）】

-[24]。图3.6SAB30NBR-60M10-AG吸盘图3.7SAB50NBR-60M10-AG吸盘3.3.5真空泵的选择内外框架共两组吸盘，分别配备1个真空泵，选用调速微型真空泵VML系列。该系列真空泵具有低干扰功能，过载和过热保护功能，体积小巧。此次选用VML900.8型号真空泵，设计参数如表3.3所示。表3.3VML900.8型号真空泵设计参数型号电压（V）电流（mA）功率（W）峰值流量（L/min）平均流量（L/min）真空度（KPa）VML900.812<80<0.960.80.580其模型图如图3.8所示。图3.8微型调速真空泵3.4液压装置结构设计3.4.1内框架液压装置计算设计要求越障高度为10mm，设定安全高度为12mm，液压缸在内框架支撑机器人本体抬升时间为3s，当内框架不支持机器人本体时液压缸快退速度v1=6mm∕s,在不支撑机器人本体快进时，由于最终要将吸盘吸附在玻璃表面，故将快进速度设定为v2=5mm∕s（1）工况分析①启动阶段F=FfsFfsfs—静摩擦系数，一般取fsFnF=FfS=f②加速阶段F=Ffd+FFfd—动摩擦力，fd—动摩擦系数，一般取fd≤0.05∼0.1FFm—惯性阻力，Fm=Fg—重力加速度，取g=10N∕Kg∆t—为启动或制动时间，设定∆t=0.02s∆v—为速度变化量，∆v=12mm/3s所以由（3.17）得FF=③工进阶段F=Ffd−F④制动阶段F=Ffd−F⑤快进/退阶段F=Ffd=2.5N各阶段负载汇总如表3.4所示。表3.4内框架液压装置各阶段负载工况负载组成负载值推力F∕启动F=10N11.1N加速F=4.1N4.6N工进F=80.9N89.9N制动F=0.9N1N快进/快退F=2.5N2.8N表中工作效率ηmax取0（2）确定液压装置的主要参数①执行元件的工作压力可按照最大负载来取。表3.5按最大负载选择执行件的工作压力负载F∕KN<55∼1010∼2020∼3030∼50>50工作压力P∕MPa﹤0.81.5∼2.02.5∼3.03.0∼4.04.0∼5.0>1.5最大负载Fmax再根据（GB/T2349-1980）选取P=0.63MPa。②由此可确定液压缸的无杆腔的有效面积A=FmaxP⋅η液压缸内径D=根据（GB/T2348-1993）取D=50mm。根据快进和快退的速度比D可得d=20.41mm,根据（GB/T2348-1993）取d=22mm。故液压缸无杆腔实际有效面积A1=π4液压缸有杆腔实际有效面积A2=π4③壁厚的计算该值以液压传动装置的重量液压缸壁厚按压在薄壁上的圆筒直径计算，并可用以下公式δ≥PyD2δ—液压缸壁厚（m）D—液压缸内径（m）Py—实验压力，一般取最大压力的（1.25∼1.5）倍（MPaσ—缸筒材料的许用压力，无缝钢管为（100∼110）(MPa)取Py=1.4P，δ≥即可验证液压缸壁厚δ≥0.2mm。④液压缸在各个不同工作过程的压力和流量计算快进阶段：P1=q1=快退阶段:P2=Fmq2=工进阶段：p3=Fmq3=v33.4.2外框架液压装置设计外框架液压装置和内框架液压装置的设计计算以及它们的工作流程均相似，唯一不同的是二者计算过程中涉及到的静摩擦力计算中的Fn不同，内框架液压装置计算中Fn1=50N3.4.3液压缸的选择在此设计中共使用到升降液压缸8个，均采用CX系列薄型油缸，但由于是非标准性，所以需要订购。该系列液压缸工作可靠，直接安装、无需任何配件，节省安装空间。其规格参数如表3.6所示和实物图如图3.9所示。表3.6CX系列薄型油缸规格参数项目设计数据工作压力范围3～140kgf/cm使用速度范围8～100mm/Sec使用温度范围-10～+60°C使用流体液压油运动方式复动油缸本体材质碳素钢图3.9CX系列薄型油缸实物图3.4.4液压动力单元液压式传动单元采用HS04-350直流式的微型液压站，该微型液压站，通过控制一台直流电机在正反方向的旋转，双向进行压力的输出。由于每个液压缸单独流量都很小，该液压动力单元足够实现家用型窗户玻璃清洗机器人整套液压装置的供给。具体参数如下表3.7所示。表3.7HS04-350直流微型液压站设计参数项目设计数据电压12V电流7A额定压力8MPa最大压力13MPa流量9Ml/s材料铝合金电机温控100°CHS04-350直流微型液压站实物图如图3.10所示。图3.10HS04-350直流微型液压站实物图3.4.5液压传动图液压传动图如图3.11所示。1外框架薄型液压缸2、三位四通电磁换向阀3、内框架薄型液压缸4、三位四通电磁换向阀5、动力源图3.11液压传动图3.5跨越障碍机构设计3.5.1丝杆螺母机构设计跨越障碍机构主要通过丝杆螺母机构的配合运动来实现爬壁机人内外框架的切换推送，设计要求为能够跨越宽度为50mm的障碍，即内框架板的行程为50mm，设定推送速度为30mm∕s，重复精度为0.05mm，总重量为8kg。（1）工况分析丝杆最大负载力F=Ft+FFt−Ffd−fd−动摩擦系数，一般取fd≤0.05~0.1F（2）螺纹的确定螺纹主要种类包括一般管类螺纹、管型板类三角螺纹、矩形三角螺纹、30°弧的锯齿型矩形螺纹，根据本次应用爬壁移动机器人的产品设计工艺要求，选取一般管类螺。（3）丝杆材料选择丝杆传动对于材料的磨损极大，根据设计需要,考虑到丝杆传动相对于螺母很难进行加工而昂贵，丝杆的传动硬度比螺母高，综上，丝杆采用45钢。（4）丝杆螺母参数由机械设计手册确定的基本参数如下表3.8所示。表3.8丝杆螺母相关参数项目参数螺纹大径D、d20mm螺纹中径D2、d218.375mm螺纹小径D1、d117.294mm螺距2.5mm螺纹长度60mm螺母高度10mm旋合长度9mm（5）轴向载荷计算Fymax=kFy=1.15×164N=188.6Nk−阻力系数，k=1⋅15Fy（6）旋转传动耐磨性计算滑动螺纹螺旋的耐磨性计算方法精确计算主要研究目标就是通过精确计算一个滑动的螺纹在某个工作水平面上所能够承受的螺纹压力值p，使其压力能够远远地要小于所有螺纹材料所能承受的许用螺纹压力P。p=FyPπd2P−螺纹工作时的表面实际均压强（MPa）P−许用压强（MPFyp−螺距（mm）d2ℎ−螺纹工作高度（mm）b−螺纹高度（mm）查表得：ℎ=0.5P,计算得：P=0.073MPa,显然满足要求。（7）丝杆螺母强度计算丝杆抗剪强度计算τ=Fyπd1bnd1n−旋合圈数,n=3.6τp−计算得：τ=0.59MPa丝杆抗弯强度计算σB=3Fyⅆ−σBP计算得σB=1.78MP3.5.2丝杆校核丝杆刚度校核丝杆材料许用应力σ=4Fyπd1T−转矩（NσP−经计算得σ=0.1953.6行走机构设计3.6.1全向轮和伺服电机的选型计算(1)机器人在行走工作时的负载机器人在行走工作时的负载主要有两部分，一部分是机器人自重，另一部分是真空吸附力。F=G+FP=80N+200N=280由机器人在清洗工作过程中全向轮需要需要承受的负载选用QL-08。(2)确定轮子与玻璃表面的摩擦力Ff=μF=0.4×280N=112N取μ=0.4，12Ff=12(3)电动机的驱动力矩M=12Ff∙LL=12D=38.1mm=0.0381mM=12Ff故选用HFmotor-3230伺服电机。2.6.2全向轮和伺服电机的选用通过计算结果选用QL-08全向轮，参数如表3.9所示，实物如图3.13所示。表3.9QL-08全向轮设计参数项目设计数据项目设计数据外径76.2（3"）宽度28轴承类型滚动轴承小轮材质橡胶轮毂材质铝合金轮毂表面处理双层高温烤漆连接方式平键/紧定螺钉典型中心孔5/6/8/10/12/15/16自重140g负载能力15KgHFmotor-3230伺服电机参数如表3.10所示，实物如图3.13所示。表3.10HFmotor-3230伺服电机设计参数项目单位设计数据额定功率W30额定电压V24空载电流A0.1额定电流A1.45额定扭矩Nm4.1堵转扭矩Nm27.8图3.12QL-08全向轮图3.13HFmotor系列伺服电机3.7电源机器人所用产品中最大电压为24V，最大使用电流7A，选用UES120DZ-SPAZ电源，输出电压：11.0-54.0V，输出电流：0.01-10.0A，功率：120W，体积小巧，质量轻盈，适用于家用型窗户玻璃清洗机器人的使用。

4三维造型4.1软件介绍随着近年来我国三维制造业的逐渐强大，制造水平飞速提高，进而引进了许许多多的三维模拟软件，比如说有proe、Solidworks、ug、CATIA、inventor等，它们能够做到让我们真实、直观的体验到所需要建立三维模型的大小和尺寸以及外观，学校四年以来，学校很有系统性的组织了我们对proe4.0的深入学习，利用此绘图软件绘制了许多在我大一的时候感觉很懵懂的三维零件，并且掌握了proe相关三维造型的基础绘图技术和本领，在此闲暇之余，根据三维软件相通性我学习了Solidworks三维绘图的应用软件。在本次毕业设计的爬壁机器人中，Solidworks对我零件的三维画图绘制提供了很大的帮助。Solidworks主要功能是一种基于可以以Windows系统作为平台而建立三维CAD设计和分析的一款热门软件。主要在三维方面的机械设计、工程方面的分析、所做的产品的数据管理方面有很深的造诣；在使用方面，操作较为灵活，运行速度较快，在整个设计中，过程相对proe来说比较简单便捷，设计者可以发挥更为广阔的思维境界更加有效地为设计的产品进行建模，做出更有创意的产品。4.2三维造型成果4.2.1部分零件图图4.1内框架板模型图4.2外框架板模型图4.3下端大齿轮模型图4.4全向轮装配模型图4.5吸盘模型图4.6液压缸模型4.2.2整体装配模型及简单运动仿真通过大量的设计以及计算，我们使用Solidworks三维软件完成了爬壁机器人的零件建模，对整个机器人进行了装配，如图4.7所示。并对其进行了简单的动画仿真，如图4.8所示。图4.7爬壁机器人整体装配图4.8爬壁机器人动画仿真

参考文献张曙.工业4.0和智能制造[J].机械设计与制造工程,2014(8):1-5.闫久江,赵西振,左干,等.爬壁机器人研究现状与技术应用分析[J].机械研究与应用,2015(03):52-54.王尧,冯伟东.清洗爬壁机器人国内外研究现状的综述[J].机械工程师,2015(3):144-146.程思敏,陈韦宇,丛培杰.爬壁机器人的研究现状[J].机电工程技术,2019(9):6-10.戴顺孝，顾晓月.特种服务机器人应用领域研究[J].机械制造，2010,48(12):1-3.付宜利,李志海.爬壁机器人的研究进展[J].机械设计,2008,25(4):1-5.邓三鹏,祁宇明,王仲民,等.高压水射流机器人发展现状与应用[C]//机器人产业链创新与发展及科技成果产业化推进科技论坛.中国产学研合作促进会科技成果转化专家委员会;中国科学院重庆绿色智能技术研究院,2014.王炎,姜有.喷砂喷漆用履带式磁吸附爬壁机器人[C]//全国智能机器人学术交流会暨第六届青年机器人学术研讨会.1996.洛阳圣瑞智能机器人有限公司.上海圣瑞磁吸附爬壁机器人爬壁机器人可以用在那些情况[OL].SchoeneichP,RochatF,NguyenTD,etal.TRIPILLAR:Miniaturemagneticcaterpillarclimbingrobotwithplanetransitionability[J].Robotica,2011,29(Pt.7):1075-1081.NishiA.Developmentofwall-climbingrobot[J].ComputerandElectricalEngineering,1996,22(2):123-149.JianZ,DongS,TsoSK.DevelopmentofaTrackedClimbingRobot[J].JournalofIntelligentandRoboticSystems,2002,35(4):427-443.HiroseS,KawabeK.CeilingWalkofQuadrupedWallClimbingRobotNINJA-II.1998.吕鑫,王从庆.一种爬壁机器人真空吸附性能分析与