【《船体水下表面清理机器人行走机构的设计案例概述》7500字】

船体水下表面清理机器人行走机构的设计案例概述目录TOC\o"1-3"\h\u23348船体水下表面清理机器人行走机构的设计案例概述 1273821.1行走机构的组成 1323541.1.1吸附机构 1200881.1.2传动机构 220061.1.3承载机构 2176091.1.4张紧机构 3248242.1.5推动机构 3104391.2行走机构在正常工作情况下受力的分析 4317341.3行走机构减速器步进电机的选型 617285第2章行走机构有限元分析 799052.1引言 761672.2清扫机器人行走机构的有限元分析 7229992.3清扫机构的电机承重板的有限元分析 8242402.4行走机构支架部分的有限元分析 1135942.2.1支撑抗倾覆机构的支架部分有限元分析 12127352.2.2支撑电机承重板的支架部分有限元分析 141.1行走机构的组成1.1.1吸附机构吸附行走机构一直都认为是整个船体表面船体表面水下清扫机器人行走机构的重中之重，因为我们首先做的一件重要事就是把它的吸附行走机构必须做到要直接地把它吸引起来到水下船体船身的运动表面，这样一个只有能够直接进行清洗的行走机器才可以能够直接完成水下运动船体船身表面的全部清理清洗工作。吸附传递机理的基本原理是：附着在链条上的永磁块（整体结构如下图1.1所示）和摆动磁轮（整体结构如下图1.2所示）作为吸附流体，吸附在齿轮整个躯干结构的表面上。电磁轮泵应直接安装在与各连杆相连的轴上，因为我们要充分考虑到电磁轮泵应直接安装在与各连杆相连的轴上。如果我们能把永磁场的永磁块直接接触到整个机身的表面，然后，当永磁场通过磁轮从整个机身表面分离时，在运动过程中，永磁场与机身表面可能会不断发生摩擦和碰撞，这不仅会导致机身内永磁场的铁块严重损坏，还会对机身造成损伤，经过多年的使用，整个机身的表面会在长时间后被高度腐蚀。因此，我们可以要求这些磁轮直接接触整个机身表面，而永磁轮的铁块不会直接接触整个机身表面，吸附力范围内的磁轮足够宽，同时也有效减少了壳体与整个壳体的磁块表面直接接触或碰撞对壳体造成的严重损伤，每个永磁轨道必须安装48个铁制永磁块，在由两个连接件连接的永磁波中间安装两个小型永磁翼，永磁铁必须严格选用，必须是世界上最著名的磁性材料，这样才能有效地保证，船舶自动清洗机器人具有足够的气动力和吸力将其移动到整艘船的内表面。图1.1永磁铁块图1.2磁轮1.1.2传动机构而与吸附机构相比，传动机构也非常重要，因为只有动力直接传递给清洗机器人，机器人才能运行和清洗。由于清洗机器人主要主动进行水下直接清洗，水下环境相对较差，以及其传动特点和性能，我们选择这种传动方式为链式传动，链式传动的主要目的是由传动链和其它链轮组成。齿轮的反向运动和链传动能量的有效传递可以通过单个驱动轮的不同驱动齿轮与每个驱动链之间的链节之间的啮合相互作用来实现。1.1.3承载机构支撑机构用来承载整个水下清洗机器人的重量，支撑机构不仅要承载运行机构的大部分重量，还要承载清洗机构的重量，因此支撑机构也更为重要，它应该成为整个清洗机器人的主要任务，在承载机构上有一个轴承（其结构图如图1.3所示）。它的主要功能是在整个飞行过程中清洁和移动机器人时，船体和飞机表面可能会出现一些障碍物。如果机器人通过它的路线，它将无法移动，路线可以被一些障碍物直接悬挂。如果没有痕迹，就是高度，如果很高，很可能整个机器人会因为储能不足而坠落。因此，具有较大承载力的车轮将有力地支撑整个履带，使整个履带不被每个障碍物抬得过高，从而可以大大降低机器人这种特殊情况的发生率。图1.3承载机构1.1.4张紧机构张紧机构的主要目的是避免电压的产生，由于传动链和传动链是通过传动连接到传动链上的，因此可以有效地防止张紧的产生传动链轮与传动链没有紧密接触，通过在夹紧操作中不断向前、向下移动夹紧机构的母亲（如下图1.4所示），实现夹紧机构的夹紧功能。图1.4张紧机构2.1.5推动机构推动装置的目的是为被清洁的机器人提供足够的移动动力，被清洁的机器人沿着大型水下覆盖物在其表面快速移动。一种称为步进发动机的电机驱动装置直接安装在履带的左右两侧脊上，一种称为步进发动机的发动机驱动装置直接安装在链轮的内侧，步进发动机的驱动特点是低排量和高性能，可作为该类自动行走机构使用，具有足够的转矩准备，节省了转矩运动空间，可由多个驱动器同时控制不同步进电机的驱动和运行，并可同时控制步进电机的各种驱动，以实现自动行走在正常情况下，它能提供所需的全部额定转矩和传动转矩，大大提高了电变流器的工作效果和经济可行性，由于左右两台发电机都能相互控制和控制，我们不仅可以同时控制两台电动发电机的控制速度，还可以直接对两台电动发电机的旋转齿轮进行差动控制，如下图1.5所示。图1.5驱动机构1.2行走机构在正常工作情况下受力的分析船体水下表面清理机器人的普遍清洁工作处理状态一般是广泛指沿着与清洁船舶船体表面相同平行高度的船体垂直线运动方向对车舶船体内部进行清洁，其船体前进方向高度应与船体水下表面清理机器人上所承载的船体重力运动方向大致保持高度垂直。同样，船体水下表面清理机器人与工业船舶船体表面之间所能形成的温度夹角随工作温度从左右到内发生变化，工作的身体状态又被我们划分成作为两种类的静态和一个动态，但是由于一个步进驱动电机的这个驱动力矩方式所在地的水平面与该处的身体受力影响分析方式所在地的水平面之间相当于垂直，所以一个步进驱动电机的这个驱动力矩对此处的身体受力并不是没有什么大的影响，这样便可以使得我们完全可以毫无疑问地用心去仔细考虑这个驱动机的力矩所产生给我们身体带来的受力影响，因此一个静态和一种动态在这个垂直平面上的两种受力分析方式都应该是相同的。一般在水下运动的这种状态下，我们主要应该考虑的就是如何防止船体表面船体表面水下清扫机器人出现严重滑落或者在某一点上升时发生了严重倾覆。因为它们都必须是沿着与其他船舶船体共享的任何一条船体直线运行方向，因而一般不会轻易出现船体滚动的异常情况，所以整个一般的船舶工作环境状态下的水清扫工和机器人仅仅只是需要分别考虑两种不会失效的工作形式。在这两种压力条件下，清扫器和机器人时所需要承受的机械力量主要因素包括：水对永磁性悬浮铁块的磁力和吸附力，清扫器和机器人时的流体重力，水的流体悬浮推动力，水对于船舶清扫器和机器人的摩擦阻力，履带和其他船舶齿轮壳体内层表面之间摩擦产生的机械摩擦力。一般在一定工作高压状态下的气体受力强度分析试验结果主要如下表见图1.6所示。图1.6行走机构一般工作状态下的受力图其中：——清扫清洁机器人的总运动承载力是重力(其中一般包括轴承抗重力倾覆的轴承机构)和漂浮力的量之和；——清扫机器人的轴在保持横向或相对垂直转动方向的两个位置之间有一个逆向夹角；——清扫清洁机器人的轴承重心力和高度；——左右两个各排各列履带围绕永磁性轴承铁块的电动磁场和吸附作用能力；——左右两个各排各列履带与轴承轮船壁之间的逆向摩擦力；——确定水流对于两个清扫清洁机器人的相互逆向转动作用力；——左右两个各排履带围绕轴承齿轮中心的转动距离。因为船体表面船体表面水下清扫机器人只是在一般工作的状态下才可能会同时发生两种情况的失效，因此我们就需要将这两种情况分别做出受力分析。防止下滑的受力分析防止永磁性铁块的电动磁吸附力即是永磁性铁块电动磁吸附力需要远远超过其水平或垂直行于船体表面上的重力与浮动作用之和所产生的一部分力，同时还需要促进履带与船体表面之间的摩擦力远远超过其水平或垂直行于船体表面上的重力与浮动作用之和所产生的一部分力。根据这样的分析，则我们可以说是为了使得清洁机器人不会因为发生打乱而滑落必要条件如下：(3-1)其中：(1)；(2)。所以我们可以根据以上不会发生打转或者滑落等情况的条件来计算得出电磁吸附能力的临界值。(3-2)防止倾覆的受力分析所以当我们的船体表面船体表面水下清扫机器人处于一般正常工作运行状态下的情况时候，由于各种外力所产生的压应和力矩，有很大的可能就会在C点上产生各种倾覆的现象，因此，我们必须做到严格控制各种外力，防止出现倾覆的情况。根据这样的设计要求，对C点进行取矩，得到的防止C点发生横向倾覆的条件是：(3-3)其中：；所以我们可以依靠以上不会发生电磁倾覆现象的条件来计算得出电磁吸附能力的临界值。(3-4)根据上面两种设计方法可用来估计防止水下清洁作业机器人的磁铁之吸附力F在一般水下工作环境状态下的临界点数值。(3-5)1.3行走机构减速器步进电机的选型根据以上这些受力分析，我们就能够根据计算得出来的临界值和条件，进行了相应的电动机选型。因为我们在设计时考虑到水下清扫机械系统机器人本身的整体和重量都是否会对它产生重要的作用和影响，所以，我们最好的方法就是尽量地选择一台体积小、重量轻、扭矩大的电机，同时，我也是在设计中选择了一台带有传动减速器的步进电机，这样的步进电机和传动减速器一起配置在一起，就有可能使整个机械系统的结构更加合理。根据以上公式：取，则我们可以求出M的临界值公式为：因此，为了能够满足任何条件和情况下的需要，我们选用了带减速器的步进电机，其类型分别是px86n006s0，电机的具体性能参数如图1.1所示：表1.1电机的参数型号减速比最大输出转矩转速重量效率级数PX86N006S01：650N/m3000RPM1.65kg90%1第四章行走机构有限元分析2.1引言清刷机器人所使用的工作环境一般都是在水下，为了使其能够正常地在水下工作，必须保证其中重要的零件结构能够满足一定的强度，支撑其完成相应的工作，因此，本章通过对其重要零件的有限元进行分析，校核验证其结构能够满足一定的强度和刚性要求。2.2清扫机器人行走机构的有限元分析水下的清洁机器人是在水中正常运行和工作时，由于承受到自身的巨大重力以及各种自然外力的影响，会导致让水下的清洁机器人的某些结构必须要承载很多或者大部分的压力，如果这些结构都出现了小裂纹、内部结构被破坏、变形超标甚至可能就是结构直接被报废，那么这样的情况对水下的清洁机器人来说都是非常不利的，这样就会导致水下的清扫机器人需要同时去除和维护船只的表面的工作效率也大打折扣，甚至还有的是不可能正常工作，这样的事件在我们看来都是绝对不容易允许的。为了尽量避免这种情况的发生，我们必须在建筑物的设计时候要做到充分考虑他的应力对于结构所产生的应力、应变和其他化学反应的影响，因此对某些主要结构物件进行有限元的分析便显得特别重要。有限元分析法可以很容易地发现当前设计的尺寸和所选用的材质是否符合设计要求，如果没有完全达到要求则可以按照规定的要求来进行修正，直到达成规定的要求。水下清洁船和机器人的主要应用区域区别在于船体有两个主要位置，分别是作为柴油发动机船体承重板部分和船体支撑面板部分。电机的内部承重板直接负担着水下清刷传动机构的所有内部重量，因此它在水下平时能否正常工作进行电机承重清刷工作就直接地要取决于水下清洁清刷机器人。而架在支架上的部分则也就是直接承载着一台清刷电机的外部承重板以及其上的一台清刷器械机构的外部负荷负载重量，同时也就是承载着一台电机抗应力倾覆式清刷机构的内部负荷负载重量，因此架在支架上的部分也直接地会影响着清刷结构机器人的正常运行工作状态及其是否可靠，以及是否能够正常有效地工作进行。因此，必须针对这两个组成部分分别进行针对有限元素的分析，以便于及时确保灰尘清刷清理机器人的顺利正常运行。下面我们就有机会通过测试使用solidworks等软件对该两个部分的基本结构关系进行针对有限元素的分析。2.3清扫机构的电机承重板的有限元分析水下清洗机器人发动机承重板所需能够同时承担整个水下清洁机构的总体承载力，因而针对这些进行了分析说明尤为重要。因为我们需要把它们直接地固定到一个履带上面的一个支架位置，因此上面很有可能就会留出一些空，有了了可能就会产生一些应力比较集中的情况。同时，因为这块承重板上面也是一个需要安装一个清刷式机构的发动机的，因此，对于这个发动机释放出来的圆形孔道还是需要进行一定程度的探索和研究。现在从solidworks中直接导入到发动机承重板上的零部件结构图，如图2.1所示。图2.1电机承重板的零件图在对风力发动机的承重板零部件进行有限元分析时，必须要对其进行一系列的步骤，首先第一步便是需要向分析过的零部件增设夹具，使之能够被牢牢地固定。在风力发动机的承重模块中，因为它们都是直接固定在支架上面的，所以我们需要对其中8个小的圆孔来固定。固定好以后，我们就需要对风力发动机承重板上面的一个大圆形孔道施加一定的压力，按照上面的说明，我们最初应该承受到的压力是100N，其载荷结构图如下图2.2所示：图2.2电机承重板的载荷图施加了一定的载荷之后，就需要我们应该针对施加一定压力的计算机承重板来对其进行一个网格的划分，在我们要进行这个网格划分的同时，必须要特别注意，当我们的这个网格被划分得越细，那么所计算出来的结果就可能会更加准确，同样，这样相对于计算机的内存要求也可能会提高不少，计算时间也会更加的长。其网格划分的图如图2.3所示：图2.3电机承重板的网格划分图网格分割完之后便可对发动机的承重板进行有限元分析。在开始进行物理运算之前，我们必须首先要正确地选择一种零件的材质，这里我们需要选择304不锈钢，它的弹性模量公式是，泊松比系数为0.29。经过对有限元的分析，得到的应力与变形图结构如下表所示：图2.4电机承重板的应力图图2.5电机承重板的位移图由最高屈服应力强度曲线效果图我们应该能够非常清楚地得知，所用碳钢部件材料304不锈钢的最高屈服强度极限最高屈服应力为206.8mpa，电机零部件承重板的最高屈服应力极限值并没有完全达到一个远远超过其他材料的屈服应力强度极限的最高屈服应力，强度的要求应该已经远远超出了它能够完全得到满足。由总高程位移测量的曲线长度图我们可知，电机和工业承重板在总高程位移测量曲线上的长度约为0.001818mm，并且它们应该会经常出现在一个大型电机机械承重机在板上所经常需要的一个受力较大的小圆孔外侧，但是这个位移长度大小相对于一个大型电机机械承重板的位移长度来说整体而言，其中的位移数值也应该是非常小的。由本文的数据分析设计结果我们已经可以清楚地明显看到，电动机车的承重和踏板结构的高强性和运动刚度已经能够完全满足该机电工程的基本设计技术需要。2.4行走机构支架部分的有限元分析水下倾覆清扫清刷机器人的整体支架部分同样不仅需要同时承担整个水下倾覆清刷机的工作器械机构和整个发动机内部承重板的支撑负荷，同时它们也同样需要同时承担整个抗水下倾覆清刷工作器械机构的支撑负荷，因此我们通常需要对这两个组成部分的整体支架支撑部分结构进行一个有限元素的分析。因为我们需要把一台电动机的整个承重板和一个整体式的清刷清洗装置全部安放到电机支架的部分上面，因此上面支架可能内部会显得有一些空，有时用了了就会很可能会导致使其内部产生一些机械应力比较集中的特殊情况。而且由于应力比较集中的那一部分最容易直接导致玻璃出现这种问题，所以在这一点上我们还是需要格外地多加注意。2.2.1支撑抗倾覆机构的支架部分有限元分析现在从solidworks中可以导入一个承载耐力和倾覆性能的机构支架部件的结构图，支架部分的结构图如下表2.6所示：图2.6承载抗倾覆机构的支架部分零件图为了更好地使得我们能够有效地对那些承受耐抗倾覆的结构支架和结构部分进行有限元的分析，要求我们需要做一系列步骤：首先我们必须根据需要对其支架部分进行加工并安装好夹具，使之牢固。对于此类的零件，将会选择采用一个螺栓被直接地固定到一个承载的机构上面，所以我们可以选择直接采用来固定它下面的三个圆洞。在对它们的位置进行了一次固定后，就需要给它们增设一定的压力。对于增大的压力需要认真地考察它的参数和作用位。它所需要增设和添加的动力尺寸是为整个清刷机构和它的电动支架承重板1/4，而它所需要起到的地点也正是它所需要固定到支架上面的一部分。载荷曲线图显示如下表2.7所示：图2.7承载抗倾覆机构的支架部分载荷图添加好的载荷后就要对其进行网格划分。。网格划分图如下图2.8所示：图2.8承载抗倾覆机构的支架部分网格图网格分析工作做好之后便可对支架上的部分进行有限元分析。在开始进行物理运算之前，我们必须首先要正确地选择一种零件的材质，这里我们需要选择304不锈钢，它的弹性模量公式是，泊松比系数为0.29。经过对有限元的计算分析，得到的有限元应力和变形图公式为：其中图2.9和图2.10所示：图2.9承载抗倾覆机构的支架部分应力图图2.10承载抗倾覆机构的支架部分位移图由应力曲线图我们可知，所用结构材料304不锈钢的屈服极限应力系数约为206.8mpa，承载耐受抗倾覆性能的机构支架部件的最高应力系数值并没有完全超过其屈服极限的应力，强度应力系数是远远能够满足的。由总体位移曲线图我们可知，承载耐受抗倾覆性能的支撑部分在主梁上的最高位移范围约为0.0009839mm，并且出现在最上面的圆孔的外侧，但是这相对于支架部分的整体来说数值是非常小的。由分析结果可得出，承载抗倾覆机构的支架部分结构的强度和刚度满足设计要求。2.2.2支撑电机承重板的支架部分有限元分析支撑式电动机承重板的支架结构部分完全地承载着整个清刷机构以及它们所承重的电动机主体1/4。现在从solidwork