【《水下清扫机器人机械系统设计》14000字】

水下清扫机器人机械系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u30812水下清扫机器人机械系统设计 124365摘要 11646第一章绪论 2125381.1研究的目的和意义 2302371.2本设计的目的以及意义 410064第二章船体水下表面清理机器人总体方面的设计 6258762.1船体水下表面清理机器人设计要求 6322842.2船体水下表面清理机器人机械系统总体设计 6104262.2.1机械系统的设计原则 6168162.2.2行走机构的设计 7324002.2.3清扫机构的设计 931253第三章行走机构的设计 11217033.1行走机构的组成 11291533.3.1吸附机构 1151753.3.2传动机构 12319273.3.3承载机构 12244143.3.4张紧机构 137392.3.5推动机构 1356533.2行走机构在正常工作情况下受力的分析 146833.3行走机构减速器步进电机的选型 1611285第四章行走机构有限元分析 17320734.1引言 1742294.2清扫机器人行走机构的有限元分析 17134934.3清扫机构的电机承重板的有限元分析 1859334.4行走机构支架部分的有限元分析 2122034.4.1支撑抗倾覆机构的支架部分有限元分析 2261434.4.2支撑电机承重板的支架部分有限元分析 2429753第五章清扫机构的设计 28245885.1定力矩清扫刀具模块设计 28317385.2外围柔性毛刷清扫设计及整体清扫盘布局 30摘要由于这些船舶都需要很长一段时间地沿着大海航行，各种水生动植物都是在船身和壳体上的表面被附着，比如：藤壶类、藻植物、贝类等。这些被直接吸附到水下的船体和其表面的水生生物可能会直接导致轮船在其行驶途中的阻力变大，同时还会增加轮船在其行驶途中的油耗，并且还严重地污染环境。所以对于那些连接藤壶、藻类、贝壳等附着于船体上表面的各种水生动植物来说是当务之急。水下清扫机器人能够实现短期和暂时性清扫，成本低，而且能够在轮船上的行驶过程中对水下进行彻底清理，在我国的航海业中具有很好的发展前景。但是目前已有的水下清扫机器人存在这效率低下，清扫质量无法满足现实技术的要求，对于藤壶类、藻类等强力水下生物没有办法进行彻底的清扫。本文主要进而具体剖析了水下清扫机器人的机械系统设计，进行水下表面清理机器人清扫系统、行走机构的设计。对于其强度进行计算，同时对于关键结构进行有限元分析。关键词：水下表面清理机器人；清扫系统；行走机构；有限元分析第一章绪论1.1研究的目的和意义21世纪以来，我国东部沿海地区和全国各省市都高度重视了海洋和经济的建设与发展，从而促使了船舶工程师行业逐步飞速发展。由于这些船只需要很长一段时间在浩瀚大海中航行，各种水生微量化学生物都会附着在船身和壳体上，比如：藤壶类、藻类、贝类等。这些被直接吸附到水下的船体和其表面的水生微物质会直接导致整个轮船在其行驶途中的阻力变得更大，同时还会增加整个轮船在其行驶途中的油耗，并且还严重地污染了其环境。所以对于水生生物如藤壶类、藻植、贝壳等都是附着于船体上和地板表面的。近年来，水生生物附着在船体表面很大程度上影响着船主，每年清理船体的费用高达数百亿人民币。目前我国航运市场的形态非常严峻，由于石油和天然气价格居高不下，国际航运公司纷纷采取极端的航运减速措施，为了大大降低其成本，提高效率，降低能耗，这就大大增加了航运公司海洋生物设备的安装和对航运公司船舶的不利影响，同时海洋生物设备也可能会直接影响航运公司到其他航运公司的主机，降低了航运公司主机的性能和使用寿命，增加了航运公司的运行成本。研究结果表明，如果一艘船只在水下存放出微量生物附着品以后，航速降低，油耗增加。全球航运业将在燃油上大约每年要花费100亿美金。船体在水下被附着着一些水生生物一直是一个旧的问题，虽然目前水下的船体大多数都是采用了高防污油漆，但是经过长一段时间的低速降压航行后还是很难难免水下的水生生物会被附着。目前防止附着物主要用于水中涂料，此种涂料中虽然含有一种能够抑制其附着物正常生长的化学物质，但此种措施会污染了海洋环境，影响了海中正常生物的繁殖和生长，另外这种涂料还需要定期进行补油，也给人们带来了许多不便，如图1.1所示为常见的船体附作物。图1.1船体附作物目前主要对船体表面水生生物附着物清扫的方式有：码头清理、工程潜水员潜水清扫和水下机器人进行清扫。1）码头清理码头清扫技术是当前码头清扫中质量最高的一种手段，码头在清扫船体的同时，还可以对船体进行除锈补油涂刷等工序，这也是一个相比较而言更加全面的，在有效地清理了附着于船体上水生生物的情况下，也能够有效地保护船体。如图1.2所示。但当前，进行码头的清理费用比较大，并且很容易导致延误了航行。仅在比较长时间的航行后才被采取。不能满足现代化航海服务行业的要求。图1.2船坞清扫附作物2）人工潜水清扫人工潜水水下清洗系统主要包括船舶水下清洗系统和动力总成两部分，该系统由清洗设备和高压出液动力总成两部分组成。动力系统主要包括柴油机、过滤器、柱塞泵等组成。过滤器与柱塞泵依次相互连接，高压液体管的一端相互连接柱塞泵高压液体进出口端相互连接，另外过滤器的一端相互连接清洗枪等装置。高压区域内设有安全阀及储能装置，动力总成可以向空化射流供给高压海水。强空化的射流不但大大提高了壳体的清洗效率，而且有利于避免对壳体涂层的损伤，但必须手动操作，存在潜在的安全隐患，且效率低下。3）水下机器人清扫目前国内外出现有各种船体水下水上表面清洁船用机器人主要机型有两种英国制的scamp体水下水上表面清洁船用机器人。水下流体清洗机的设备一般呈圆或椭圆形，外形平坦。由叶轮的动力作用系统产生巨大吸引力，向叶轮的各个工作面内部喷射大量清洗剂，动力由浸渍式柴油发动机叶轮驱动的双涡轮油压泵动机提供，频率通过转换器均匀地左右旋转，清洗剂的带宽约，清洁剂的效率大约百分为，操作由母船进行通过同轴电缆与操作平台连接。清理机器人电源控制设备装置于一个关闭的配电箱上。清洗式机器的前进、停滞或后退都是靠控制平台或者潜水人员来控制。因为其直径很大，所以无法在狭小的角落里进行使用。仅适合于大型曲率下水面船舶的舰艇，其中包括船体索、海水吸收盒、螺旋桨等很难被清洗的地方。而且潜水人员还需要经过冲洗剂和刷子来清除。这样就无法有效地消除附着这些生物的水下微生物，并且会污染环境，所以还没有被国内航海工业广泛认可。因为我国还没有自主知识产权潜水艇机器人还处于研发和普及阶段，所以现有潜水艇机器人的清洗效率和清洗质量不能满足要求。1.2本设计的目的以及意义当今有非常多的港口远道而来的轮船提供清扫和维护等等服务。为此可以降低轮船的行驶阻力，从而可以提高轮船的航行速度，为此可以降低燃油的消耗。并且这些措施取得了非常不错的经济效果。但是因为码头的数量很有限，其中需要清洗的轮船的数量很多很多，所以这样以来带来了很多很多的问题。为船体水下表面清理被附着的水下生物时，应该尽量避免对轮船行驶中产生不好的影响。船体表面水下清理机器人可以在轮船行驶的过程中及时清洁水下船体，并且不必需要安排停止轮船运行进行清洁。但是由于目前已有的船体水下表面清理机器人的清扫效率比较差，并且没有办法对船体一些拐角处进行清理。但是船体主要的推进设备都是曲率很小的一部分，只能通过潜水员潜水进行清理。目前的船体水下表面清理机械人的优势没有办法进行体现，这就是目前船体水下表面清理机器人无法普及的原因。本毕业设计将设计一种可以每个方向都可以移动的。并且可以针对不同的附着在水下船体表面的水下生物进行分等级清理的水下船体表面清扫机器人。从而可以实现水下全自动清扫。

第二章船体水下表面清理机器人总体方面的设计2.1船体水下表面清理机器人设计要求船体水下表面清洁机器人的主要技术特点设计意图之一是其处理船体模块在水下地区处于一个能够将一个清洁的船体模块直接吸附到其他清洁的船体模块的表面(其中这个模块很有可能会涵盖水下各种不同速度和曲率的船体)这样一个条件下，就可以考虑通过其所具备的能够承受到的清洁船体模块，针对容易被船体除去的各类藻物水下生物以及藤壶、贝类等许多难以被船体除去的有力船体附着物，进行了一次整体的分级与清洁。它使用户可以独立自主地根据判别方向来自动地实现不同智能化的对船体进行清扫，另外还甚至可以由船上操作人员远程控制地自动操控在船体附着物众多或者主要是处在船体结构中的重要活动地点上来进行各种具有高度针对性的智能强力船体清扫。在进行研究和设计制订一个船体水下表面清理机器人的功能设计方案时，就常常需要按照其基本功能、外观及清洁的质量、效果等各个参数因素来分别做出一个相应的功能设置。理想状态下船体水下表面清理机器人应该有如下的设计要求。在动态性能方面上应该在承载九到十六组清扫装置的同时可以负载其他功能的模块。并且可以耐受住水流的冲击，以及船体的倾斜以及震动。其中船体水下表面清理机器人的运动要准确反映要快。运动机构能够耐得住冲击，且具有良好的防漏电保护装置。在外形上应该最大尺寸应小于船体切线尺寸。并且可以适用于不同曲率的船体。2.2船体水下表面清理机器人机械系统总体设计2.2.1机械系统的设计原则船体水下表面清理机器人作为设计对象，其整体机械系统包括：行走机构以及清扫机构。展开来看，其行走机构由吸附机构、传动机械、承载机械、张紧机械、驱动装置等组成。行走机构通过内部的型材首尾交错连接组成支撑清扫机构的整体架构，并通过便捷的模块化接口，可以自由连接，拓展其清扫模块。根据对水下清扫船体机器人的分析发现其设计的主要有一下几条原则：①稳定性。这是产品生存的关键是其他功能的重要保证。也是设计的核心，这需要从设计一开始就考虑到。为此在设计时，必须从机构的基本原理、加工方法的实现等方面设定设计参数，处理策略等。②实用性。制定可靠、经济合理的方案不仅降低了成本，而且是生产和未来工业化的主要方向之一。③通用性。关于功能，水处理机器人的要求更高。功能是产品进入市场的重要保证，也是产品优势的重要指标。现有的水下船体清洁机器人，我们首先提出了通用性的概念，改进了其缺点和功能性。通过自由模块集和连接，扩大应用范围也是产品的特点.2.2.2行走机构的设计船体的表面和船体的表面水下清扫机器人主要目的就是在水下和船体的表面上进行一系列清扫操作，因此它们的行走和机构都必须是直接被吸附在船体表面的，所以怎么样才可能做到让这些清扫机器人直接被吸附在整个船体的表面上并且这样它们就可以自由地在船体中行走又免遭水下的各种压力以及接触到焊缝等条件的干扰。，这个问题就需要我们进行一些关于解决。由于考虑到整个船体都是由具有一定的弯曲弧度，所以我们就要求具备了一个足够的磁性和吸引力，这样才能确保行走的机构以及清刷机器人自身都能够很好地吸附在整个船体的外壳上，因此我们建议尽量选用永磁体机构来作为其他机构进行吸附，同时还可以考虑在履带中间加设一个磁轮，从而保证它具备一个足够的磁性与吸引能力，这就要求了清刷机器人能将其依附于整个飞行物和船体表面。在水下，主要目的是为了考虑检测到一台驱动机器人所要承受的驱动力矩是否具有包括重力、浮力、机器人和整个驱动船体船身表面的轴向摩擦力、水平驱动力以及一台发电机的齿轮驱动力，因此，我们还可能需要重新设计一套运动力学计算模型，通过对清刷式驱动机器人在运动静止和稳定动态两种工作条件下所需要承受的摩擦力和驱动力矩之间的各种运动参数规律关系进行综合分析，从而我们可以直接计算出来得出单一永磁体所运动需要的最低磁场或吸附力和最低驱动人在履带上的行步和推进的发电机运动参数。鉴于目前考虑涉及到这种清刷式船体机器人主要用途是在水下的舰舶船体内部表面上来进行清刷工作，所以由于为了能够使其机械结构尽可能简单，因此对于船体行走式器械机构的主要机械结构组成部分及其组成主要包括：船体吸附式器械机构、传动式器械机构、承载式器械机构、张紧式器械机构、驱动式器械机构等。其三维图和二维图分别定义为别如下面的图2.1和2.2所示：图2.SEQ图\*ARABIC\s11清刷式机器人行走结构三维示意图1.链轮2.多种连接方式链条3.动力传动链轮承载铰链结构4.张紧式铰链结构5.永磁性复合铁块6.磁轮7.驱动机构图2.2清刷机器人的行走机构二维图船体表面船体表面水下清扫机器人的自动行走机构主要有两部分一般是由两条相同的步进履带共同驱动组成，每条步进履带由一个不同步进驱动电机同时进行驱动控制，工作时仅仅只需要将两条步进履带同时驱动运行，通过对两个不同步进驱动电机之间的履带转速相同与不同，这样便可以使我们就这样可以轻松地同时实现各种清刷加工机器人的平行直线与横向转弯。行走主要指的是通过链轮和轴传动的旋转方式电机来自动进行，电机则主要是通过链轮旋转来直接带动机械履带电机进行自动行走，从而最终达到了自动实现电机履带的自动行走。在运动履带上面它还安装了具有永磁性的大型固态半导体块和驱动磁轮，用来帮助实现永磁吸附等特殊功能。在清刷传动机器人上面的张紧传动机构设计是为了有效防止传动链轮和清刷连接器受到的清刷链条不严格地互相发生接触。2.2.3清扫机构的设计清扫机构是船体表面船体表面水下清扫机器人的核心，目前已有的清扫方式主要有：刚性清扫方式和柔性清扫方式。刚性清扫方式如图2.3所示。图2.3现有刚性清扫方式如图2.3所示，通过快速旋转外周刚性叶片2，敲击棒轮或其他牢固的紧固部件，可以去除现有的刚性清扫方法。然而，由于外壳本身突出的焊接焊缝不能避免在损坏工具的同时破坏外壳，所以用户是不能接受。如图2.4所示的性清理方式，这种清理方式只能对于像藻类那样比较容易清理的水生生物可以进行有效地清理。但是像藤壶和贝类等这样坚固的物质是没有办法得到有效的清理，所以只能结合现有两种清理方法的优点和缺点进行清洗。设计了船体表面船体表面水下清扫机器人的清扫机构。采用模块设计理念，将设计细节融入局部设计。图2.4现有柔性清扫方式清洗机构根据其功能分为三部分。外环柔性尼龙刷、内半径一定扭矩扫描刷、传动轴如图2.5所示。图2.5模块化清扫刷盘外轮柔性刷在有容易脱落的紧固件时，可以简单地去除藻类。随着洗净盘的前进，用简单的刷子清洗藤壶的表面。然后，在舵一侧用使扭矩固定的方法使舵相撞，从3个方面回避了舵和船体的刚性接触。另一方面，固定转矩工具根据刷子和壳体的接触离外壳，有一定的间隙。另一方面，工具采用固定转矩设计方法，如果对机壳造成冲击，冲击力大时，工具应提前一定程度，避免完全的刚性冲击。最后，就工具材料而言，其强度在藤壶、软体动物和其他坚固的附件和船体之间。多方面合作，提高清洗质量，基于流体力学分析，将内部光线结构设计成曲线形式。在清洗外壳时，清洗残渣以自身负压挤压清洗区域，并将壳体的一部分粘接。这是完全的设计方案。

第三章行走机构的设计3.1行走机构的组成3.3.1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3.1所示）和摆动磁轮（整体结构如下图3.2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3.1永磁铁块图3.2磁轮3.3.2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。3.3.3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3.3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3.3承载机构3.3.4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3.4所示），实现夹紧机构的夹紧功能。图3.4张紧机构2.3.5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3.5所示。图3.5驱动机构3.2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3.6所示。图3.6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)3.3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3.1所示：表3.1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4.1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。4.2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。4.3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4.1所示。图4.1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4.2所示：图4.2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4.3所示：图4.3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4.4电机承重板的应力图图4.5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。4.4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。4.4.1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4.6所示：图4.6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4.7所示：图4.7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4.8所示：图4.8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4.9和图4.10所示：图4.9承载抗倾覆机构的支架部分应力图图4.10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。4.4.2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solidworks中可以导入到承载式发动机主轴承重板支撑部分的零件示意图，支架部分的零件图如图4.11所示：图4.11承载电机承重板的支架部分零件图同样的，为了能够促使我们对承载式发动机的主轴和承重板支架部件的结构进行有限元分析，也就需要对此进行一系列的步骤：首先必须根据需要对其进行一些可以添加的夹具，使其可以得到稳定。对于此类部件，将会采用一个螺栓紧紧地把它固定在一个承载机构上面，所以我们要做到的就是选择紧紧地把它固定在它下面的三个小圆形洞。在对它们进行了一次稳压后，就需要重新添加一次压力。对于压力的增加就需要仔细地考虑它的数值和作用位置。增加的力量的大小是为整个清刷机构和它的电动机承重板的1/4，而它们相互作用的位置便是支架上面的全部。载荷示意图如下图4.12所示：图4.12承载电机承重板的支架部分载荷图在添加好所有的载荷后就要将它们进行一个网格划分。网格所划分的示意图如下图4.13所示：图4.13承载电机承重板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。经过对有限元的分析，得到的应力和变形图公