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畢業(yè)設計（論文）任務書
I、畢業(yè)設計(論文)題目：
橋式起重機小車運行機構設計
II、畢 業(yè)設計(論文)使用的原始資料(數據)及設計技術要求：
1、主鉤起重量：250t、副鉤起重量50t；
2、大車運行速度：20m/min、小車運行速度：2m/min；
3、起重機跨距：20m；
4、起升機構采用電動葫蘆型式：
5、電動葫蘆運行速度 V2=15 m/min、起升速度 V1=8 m/min、起升高度H=40m；
6、工作級別：A3；
III、畢 業(yè)設計(論文)工作內容及完成時間：
1. 查閱文獻、熟悉課題、撰寫開題報告 第1周
2. 相關外文文獻（6000字符以上）閱讀與翻譯 第2周
3．運動及動力參數計算 第3周——第5周
4．總裝圖設計 第6周——第9周
5. 主要零、部件強度及選用計算 第10周——第13周
6. 繪制零、部件圖 第14周——第16周
7. 畢業(yè)論文 及答辯準備 第17周
Ⅳ 、主 要參考資料：
【1】孫桓等主編.機械原理.北京:高等教育出版社，2001
【2】濮良貴等主編.機械設計. 北京:高等教育出版社，2001
【3】 張質文、劉全德主編，起重運輸機械.北京：中國鐵道出版社，1983
【4】張質文主編. 起重機設計手冊. 北京: 中國鐵道出版社，2001
【5】范祖堯主編.現代機械設備設計手冊. 北京:機械工業(yè)出版社，1996
【6】徐灝主編.機械設計手冊（第四版）.北京.機械工業(yè)出版社.1991
【7】 胡宗武、樊迪民主編.起重機設計計算.北京：北京科技出版社，1988
【8】Shigley J E,Uicher J J.Theory of machines and mechanisms.New
York:McGraw-Hill Book Company,1980
航空工程 系 機械設計制造及其自動化 專業(yè) 0781052 班
學生（簽名）：
日期： 自 2011 年 2 月 23 日至 2011 年 月 日
指導教師（簽名）：
助理指導教師(并指出所負責的部分)：
機械設計 系（室）主任（簽名）：
橋式起重機小車運行機構設計
畢業(yè)設計開題報告
學 院
機械工程學院
專 業(yè)
機械工程及自動化
班級學號
學 生
指導教師
題 目
橋式起重機小車運行機構設計
1 綜述
1.1 概述
物料搬運成了人類生產活動的重要組成部分，距今已有五千多年的發(fā)展歷史。隨著生產規(guī)模的擴大，自動化程度的提高，作為物料搬運重要設備的起重機在現代化生產過程中應用越來越廣，作用愈來愈大，對起重機的要求也越來越高。起重機正經歷著一場巨大的變革。
大型化和專用化
1.2 國內外起重機的發(fā)展情況介紹
??? 由于工業(yè)生產規(guī)模的不斷擴大，生產效率日益提高，以及產品生產過程中物料裝卸搬運費用所占比例逐漸增加，促使大型或高速起重機的需求量不斷增長。起重量越來越大，工作速度越來越高，并對能耗和可靠性提出更高的要求。起重機已成為自動化生產流程中的重要環(huán)節(jié)。起重機不但要容易操作，容易維護，而且安全性要好，可靠性要高，要求具有優(yōu)異的耐久性、無故障性、維修性和使用經濟性。目前世界上最大的浮游起重機起重量達6，500t，最大的履帶起重機起重量達3，000t，最大的橋式起重機起重量為1，200t，集裝箱岸邊裝卸橋小車的最大運行速度已達350m/min，堆垛起重機最大運行速度是240m/min，垃圾處理用起重機的起升速度達100m/min 。
??? 工業(yè)生產方式和用戶需求的多樣性，使專用起重機的市場不斷擴大，品種也不斷更新，以特有的功能滿足特殊的需要，發(fā)揮出最佳的效用。例如冶金、核電、造紙、垃圾處理的專用起重機，防爆、防腐、絕緣起重機和鐵路、船舶、集裝箱專用起重機的功能不斷增加，性能不斷提高，適應性比以往更強。德國德馬格公司研制出一種飛機維修保養(yǎng)的專用起重機，在國際市場打開了銷路。這種起重機安裝在房屋結構上，跨度大、起升高度大、可過跨、停車精度高。在起重小車下面安裝有多節(jié)伸縮導管，與飛機維修平臺相連，并可作360度旋轉。通過大車和小車的位移、導管的升降與旋轉可使維修平臺到達飛機的任一部位，進行飛機的維護和修理，極為快捷方便。
1.3 國內外起重機發(fā)展具體表現以下幾個方面：
1.3.1 模塊化和組合化
??? 用模塊化設計代替?zhèn)鹘y(tǒng)的整機設計方法，將起重機上功能基本相同的構件、部件和零件制成有多種用途，有相同聯接要素和可互換的標準模塊，通過不同模塊的相互組合，形成不同類型和規(guī)格的起重機。對起重機進行改進，只需針對某幾個模塊。設計新型起重機，只需選用不同模塊重新進行組合?？墒箚渭∨可a的起重機改換成具有相當批量的模塊生產，實現高效率的專業(yè)化生產，企業(yè)的生產組織也可由產品管理變?yōu)槟K管理。達到改善整機性能，降低制造成本，提高通用化程度，用較少規(guī)格數的零部件組成多品種、多規(guī)格的系列產品，充分滿足用戶需求。
??? 目前，德國、英國、法國、美國和日本的著名起重機公司都已采用起重機模塊化設計，并取得了顯著的效益。德國德馬格公司的標準起重機系列改用模塊化設計后，比單件設計的設計費用下降12%，生產成本下降45%，經濟效益十分可觀。德國德馬格公司還開發(fā)了一種KBK柔性組合式懸掛起重機，起重機的鋼結構由冷軋型軌組合而成，起重機運行線路可沿生產工藝流程任意布置，可有叉道、轉彎、過跨、變軌距。所有部件都可實現大批量生產，再根據用戶的不同需求和具體物料搬運路線在短時間內將各種部件組合搭配即成。這種起重機組合性非常好，操作方便，能充分利用空間，運行成本低。有手動、自動多種形式，還能組成懸掛系統(tǒng)、單梁懸掛起重機、雙梁懸掛起重機、懸臂起重機、輕型門式起重機及手動堆垛起重機，甚至能組成大型自動化物料搬運系統(tǒng)。
1.3.2 輕型化和多樣化
??? 有相當批量的起重機是在通用的場合使用，工作并不很繁重。這類起重機批量大、用途廣，考慮綜合效益，要求起重機盡量降低外形高度，簡化結構，減小自重和輪壓，也可使整個建筑物高度下降，建筑結構輕型化，降低造價。因此電動葫蘆橋式起重機和梁式起重機會有更快的發(fā)展，并將大部分取代中小噸位的一般用途橋式起重機。德國德馬格公司經過幾十年的開發(fā)和創(chuàng)新，已形成了一個輕型組合式的標準起重機系列。起重量為1-63噸，工作級別為A1-A7，整個系列由工字形和箱型單梁、懸掛箱形單梁、角形小車箱形單梁和箱形雙梁等多個品種組成。主梁與端梁相接以及起重小車的布置有多種型式，可適合不同建筑物及不同起吊高度的要求。根據用戶需要每種規(guī)格起重機都有三種單速及三種雙速供任意選擇，還可以選用變頻調速。操縱方式有地面手電門自行移動、手電門隨小車移動、手電門固定、無線遙控、司機室固定、司機室隨小車移動、司機室自行移動等七種選擇。大車及小車的供電有電纜小車導電、DVS系統(tǒng)兩種方式。如此多的選擇項，通過不同的組合，可搭配成百上千種起重機，充分滿足用戶不同的需求。這種起重機的另一最大優(yōu)點是輕型化，自重輕、輪壓輕、外形尺寸高度小，可大大降低廠房建筑物的建造成本，同時也可減小起重機的運行功率和運行成本。與通用產品相比較，起重量為10t，跨度22.5m，通用雙梁橋式起重機自重是24t，起重機軌面以上高度1876mm，起重機寬度5980mm; 德馬格起重機的自重只有8.7t，重量輕了176%，起重機軌面以上高度為920mm，降低了104%，起重機寬度為2980mm，外形尺寸減少了100%。
1.3.3 自動化和智能化
??? 起重機的更新和發(fā)展，在很大程度上取決于電氣傳動與控制的改進。將機械技術和電子技術相結合，將先進的計算機技術、微電子技術、電力電子技術、光纜技術、液壓技術、模糊控制技術應用到機械的驅動和控制系統(tǒng)，實現起重機的自動化和智能化。大型高效起重機的新一代電氣控制裝置已發(fā)展為全電子數字化控制系統(tǒng)。主要由全數字化控制驅動裝置、可編程序控制器、故障診斷及數據管理系統(tǒng)、數字化操縱給定檢測等設備組成。變壓變頻調速、射頻數據通訊、故障自診監(jiān)控、吊具防搖的模糊控制、激光查找起吊物重心、近場感應防碰撞技術、現場總線、載波通訊及控制、無接觸供電及三維條形碼技術等將廣泛得到應用。使起重機具有更高的柔性，以適合多批次少批量的柔性生產模式，提高單機綜合自動化水平。重點開發(fā)以微處理機為核心的高性能電氣傳動裝置，使起重機具有優(yōu)良的調速和靜動特性，可進行操作的自動控制、自動顯示與記錄，起重機運行的自動保護與自動檢測，特殊場合的遠距離遙控等，以適應自動化生產的需要。
例如采用激光裝置查找起吊物的重心位置，在取物裝置上裝有超聲波傳感器引導取物裝置自動抓取貨物。吊具自動防搖系統(tǒng)能在運行速度200m／min、加速度0.5m2／s的情況下很快使起吊物搖擺振幅減至幾個毫米。起重機可通過磁場變換器或激光達到高精度定位。起重機上安裝近場感應系統(tǒng)，可避免起重機之間的互相碰撞。起重機上還安裝了微機自診斷監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能提供大部分常規(guī)維護檢查內容，如齒輪箱油溫、油位，車輪軸承溫度，起重機的載荷、應力和振動情況，制動器摩擦襯片的壽命及溫度狀況等。
1.3.4 成套化和系統(tǒng)化
??? 在起重機單機自動化的基礎上，通過計算機把各種起重運輸機械組成一個物料搬運集成系統(tǒng)，通過中央控制室的控制，與生產設備有機結合，與生產系統(tǒng)協調配合。這類起重機自動化程度高，具有信息處理功能，可將傳感器檢測出來的各種信息實施存儲、運算、邏輯判斷、變換等處理加工，進而向執(zhí)行機構發(fā)出控制指令。這類起重機還具有較好的信息輸入、輸出接口，實現信息全部、準確、可靠地在整個物料搬運集成系統(tǒng)中的傳輸。起重機通過系統(tǒng)集成，能形成不同機種的最佳匹配和組合，取長補短，發(fā)揮最佳效用。目前重點發(fā)展的有工廠生產搬運自動化系統(tǒng)，柔性加工制造系統(tǒng)，商業(yè)貨物配送集散系統(tǒng)，集裝箱裝卸搬運系統(tǒng)，交通運輸和郵電部門行包貨物的自動分揀與搬運系統(tǒng)等。
??? 例如生產工程機械的美國卡特皮勒公司金屬結構廠購置了一條以橋式起重機為主的物料自動搬運系統(tǒng)，用于鋼板的噴丸處理、切割和入庫的自動裝卸搬運作業(yè)，比原先采用單機操作工作效率提高了65%。日本東芝浜川崎工廠用全自動橋式起重機組成的物料輸送系統(tǒng)來搬運柔性加工線上的夾具和工件，為機床運送毛坯或將加工好的零件送到下一工序或倉庫。這些在空間移動的起重機搬運系統(tǒng)代替了過去通常使用的自動導向搬運車，使車間的地面面積得到充分利用。
1.3.5 新型化和實用化
??? 結構方面采用薄壁型材和異形鋼、減少結構的拼接焊縫，提高抗疲勞性能。采用各種高強度低合金鋼新材料，提高承載能力，改善受力條件，減輕自重和增加外形美觀。橋式起重機的橋架結構型式大多采用箱形四梁結構，主梁與端梁采用高強度螺栓聯接，便于運輸與安裝。
??? 在機構方面進一步開發(fā)新型傳動零部件，簡化機構?！叭弦弧边\行機構是當今世界輕、中級起重機運行機構的主流，將電動機、減速器和制動器合為一體，具有結構緊湊、輕巧美觀、拆裝方便、調整簡單、運行平穩(wěn)、配套范圍大等優(yōu)點，國外已廣泛應用到各種起重機運行機構上。為使中小噸位的起重小車結構盡量簡化，同時降低起重機的尺寸高度，減小輪壓，國外已大量采用電動葫蘆作為起升機構。為了減輕自重，提高承載能力，改善加工制造條件，增加產品成品率，零部件盡量采用以焊代鑄，如減速器殼體、卷簡、滑輪等都用焊接結構。減速器齒輪都采用硬齒面，以減輕自重、減小體積、提高承載能力、增加使用壽命。液壓推桿盤式制動器的應用范圍也越來越大。此外，各機構采用的電動機都向高轉速發(fā)展，從而減小電機基座號，減輕重量與減小外形尺寸，并可配用制動力矩小的制動器。
??? 在電控方面開發(fā)性能好、成本低、可靠性高的調速系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，發(fā)展半自動和全自動操縱。采用機電儀液一體化技術，提高使用性能和可靠性，增加起重機的功能。今后會更加注重起重機的安全性，研制新型安全保護裝置。重視司機的工作條件，應用人體工程學設計司機室，降低司機的勞動強度。德國近年為解決起重機吊鉤的防擺控制，開發(fā)了模糊邏輯電路的控制技術，用神經信息和模糊技術來尋找開始加速的最佳時刻，將有經驗司機防擺實際操作的數據輸入系統(tǒng)，實現最優(yōu)控制。模糊控制方式能確定實施自動工作的控制指令，將人們主觀上的模糊量通過模糊集合進行數字化定量，再利用計算機實現像熟練司機一樣的自如操作，取得了更高的效率和安全性。模糊控制作為新的控制方法已引人注目。
2 方案論證
2.1 橋式起重機的特點和種類
起重機是從事起吊、空中搬運的一種設備。常見的起重機有： 橋式起重機門式起重機、塔式起重機、港口起重機、汽車起重機、履帶起重機和鐵路起重機等。
橋式起重機是機械制造工業(yè)和冶金工業(yè)用得最廣泛的一種起重機機械，橋式起重機又稱“行車”或“天車”，是橫架在固定跨間上空用來吊運各種物件的設備。橋式起重機的特點是它既不占地面面積，又不妨礙地面上的作業(yè)，而且以較少的物資材料和極為穩(wěn)定的形態(tài)把建筑物內各處都當作可能的作業(yè)范圍，進行高速、高效的服務，可以在起升高度和大、小車軌道所允許的空間內負擔任意位置的吊運工作。
此外，橋式起重機容易以廉價實現借助控制盤和操縱盤進行自動操縱、或半自動操縱、內裝電腦的程序操縱。設置在室內的起重機中，橋式起重機約占90%。
橋式起重機有很多類型。一般按以下方法進行分類。
根據橋架的結構不同，分為箱式結構，四珩架結構和腹板梁結構等，其中箱式結構用得最廣泛。
根據起吊裝置不同，分為吊鉤橋式起重機、電磁盤橋式起重機、抓斗橋式起重機。為了使吊鉤橋式起重機使用場合更廣泛，在吊鉤上附以可更換的電磁盤或馬達抓斗，以便作兩種或三種用途。
圖2-1 橋式起重機示意圖
2.2 橋式起重機的一般構造
橋式起重機構造：沿建筑物較長方向的兩壁設置的承軌梁，在梁上鋪設大車運行軌道，將裝有4個車輪（載荷大時裝有6個或8個車輪）的橋架跨在軌道上；裝有起升機構和運行機構的電動小車（cab）在橋架上運行。
大車軌道中心間的距離稱為跨度（span），在該軌道上運行的動作稱為大車運行。在橋架的中心或兩端裝有大車運行電動機，從電動機的水平軸引出動力，驅動半數的車輪。起升、小車運行及大車運行的速度，按工況和起重量的大小適當選定。一般來說，在起重量小和使用頻繁時，速度較高。
小車運行速度同大車運行的速度相比低得多，原因是小車運行距離接近建筑物的寬度，它不會太長，一般小于40m，而大車沿建筑物的長度方向運行，所以多數運行距離都是相當長的。
小型和低速的起重機，多數在地面上用按鈕進行操縱，而大型的高速的起重機，幾乎都坐在駕駛室內進行操作。
起重機5t以下的起重機，多半用帶有電動運行機構的電葫蘆代替電動小車。最近已有30t級的電葫蘆作為標準產品在市場上銷售。
當起重量超過20t時，一般起升速度比較低。只用單一的起升機構長時間處理小件貨物效率很低。因此在這種起重機上，一般并設一個副起升機構。
副起升也設在該小車上，但不用主起升電動機，而大型起重機的主梁，多數都采用單腹板梁、箱形梁等焊接結構。
在主梁兩側設有輕型水平梁，稱為副梁。它通過水平構件同主梁一起構成一個水平框架，這對因主梁在大車運行時產生的慣性力所引起的水平載荷，是一個十分堅固的結構。
此外，主副梁之間布置大車運行驅動電動機，與其相聯的減速機構、傳動軸、軸承等。在它們的上方鋪設走臺板，設立欄桿，以便檢修人員行走。
對箱形結構或殼體結構的主梁來說，因為其水平抗彎剛度大，所以多數都不帶副梁。
小車是用型鋼和鋼板制成一個構架，在上面設有主副起升用電動機、支持貨物用制動器及和它們相聯的減速齒輪機構，通過該機構驅動卷筒旋轉。必要時，在該機構上還設速度制動器，供調節(jié)下降速度用，在小車外側設有運行電動機，它經過齒輪減速減低速度并驅動車輪旋轉，使小車運行。
2.3 本次畢業(yè)設計的起重機介紹
橋式起重機的一般由主橋架、裝有升降機構和運行機構的小車、大車運行機構、操縱室、小車導電裝置、起重機總電源導電裝置等組成。
本次設計主要任務是250/50/10t+250/50/10t-20.0M水電站橋式起重機，安裝于豐滿水電站擴建工程廠房內，用于水輪發(fā)電機組及其附屬設備的安裝和檢修工作?？蛻粜枨箝_發(fā)設計相應的起重機的小車運行機構。
2.4 小車運行機構
小車又稱臺車，主要包括小車架、小車運行機構和 起升機構。小車架由鋼板焊接而成，其上裝置有小車運行機構、 起升機構、欄桿及卷揚限位開關，小車運行結構的兩端裝有緩沖器及限位開關。
小車運行機構分兩種：一種是減速器在中間，另一種的減速器在一側。圖2.2（a）中，小車運行機構是減速器位于小車中間，這種方式使小車減速器的輸出軸及傳動軸所承受的扭矩比較均勻。
圖2.2（b）所示的結構是減速器在小車一側，這種結構的特點是安裝和維修比較方便。小車的被動輪與大車被動輪一樣獨立運行。
圖2.2 小車運行機構
參考文獻
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12
橋式起重機小車運行機構設計
目 錄
摘要………………………………………………………………………4
ABSTRACT ………………………………………………………………5
0引言 …………………………………………………………………7
1起重機介紹 …………………………………………………………7
1.1起重機的定義………………………………………………………7
1.2起重機工作原理 …………………………………………………8
1.3起重機的類型及特點 ……………………………………………10
1.4起重機的發(fā)展狀況…………………………………………………11
1.4.1國內起重機機械發(fā)展狀況………………………………………11
1.5發(fā)展趨勢……………………………………………………………13
1.5.1模塊化和組合化…………………………………………………13
1.5.2大型化和專業(yè)化…………………………………………………14
1.5.3自動化和智能化…………………………………………………15
1.5.4成套化和系統(tǒng)化…………………………………………………16
1.5.5輕型化和多樣化…………………………………………………17
1.5.6新型化和實用化…………………………………………………18
2橋式起重機的介紹……………………………………………………19
2.1橋式起重機的分類…………………………………………………19
2.1.1通用橋式起重機 ………………………………………………19
2.1.2專用橋式起重機 ………………………………………………20
2.1.3電動葫蘆型橋式起重機 ………………………………………21
2.2橋式起重機的組成和特點 ………………………………………22
2.2.1橋式起重機小車 ………………………………………………23
2.2.2橋式起重機小車運行機構 ……………………………………28
2.3 我的畢業(yè)設計中的內容 …………………………………………28
2.3.1橋式起重機的主要參數 ………………………………………28
2.3.2這次設計中的橋式起重機的用途和結構特點 ………………29
3小車運行機構設計計算 …………………………………………31
3.1起重機小車運行機構的計算 ……………………………………31
3.1.1計算條件 ………………………………………………………31
3.1.2運行阻力的計算 ………………………………………………32
3.1.3電動機的選擇 …………………………………………………33
3.1.4打滑驗算 ………………………………………………………36
3.1.5減速器計算 …………………………………………………37
3.1.6制動器的選擇 …………………………………………………38
3.1.6.1制動慣性力矩Ma……………………………………………38
3.1.6.2最小靜阻力矩Mjmin…………………………………………39
3.1.7聯軸器的選擇 …………………………………………………39
3.1.7.1聯軸器傳遞扭矩的確定 ……………………………………39
3.1.8緩沖器的選擇 …………………………………………………40
3.2減速器的設計 ……………………………………………………41
3.2.1減速器各軸的傳遞功率、轉速、轉矩 ………………………41
3.2.2高速級齒輪的計算 ……………………………………………42
3.2.3中速級齒輪的計算 ……………………………………………47
3.2.4低速級齒輪的計算 ……………………………………………52
3.2.5齒輪的結構形式 ………………………………………………57
3.2.6減速器箱體及附件 ……………………………………………57
3.2.6.1減速器箱體的設計 …………………………………………57
3.2.6.2減速器附件設計 ……………………………………………58
4結論……………………………………………………………………59
5設計總結………………………………………………………………60
6參考文獻………………………………………………………………61
7英文資料………………………………………………………………62
8譯文……………………………………………………………………72
9原文說明………………………………………………………………85
摘 要
起重機的出現大大提高了人們的勞動效率，以前需要許多人花長時間才能搬動的大型物件現在用起重機就能輕易達到效果，尤其是在小范圍的搬動過程中起重機的作用是相當明顯的。在工廠的廠房內搬運大型零件或重型裝置橋式起重機是不可獲缺的。
橋式起重機小車主要包括起升機構、小車架、小車運行機構、吊具等部分。其中的小車運行機構主要由減速器、主動輪組、從動輪組、傳動軸和一些連接件組成。
此次設計的橋式起重機是水電站橋式起重機，安裝于豐滿水電站擴建工程廠房內，用于水輪發(fā)電機組及其附屬設備的安裝和檢修工作。水電站內設備一般都是大中型設備，對橋式起重機的載荷要求較高，所以對減速器性能要求較高。
關鍵詞：橋式起重機，小車運行機構，減速器，
Design of the bridge type hoist crane Car movement organization
ABSTRACT
The invention of crane has greatly increased people’s work efficiency.People can use crane to handle with huge articles,which used to be taken a long time to do, especially in a small area.The bridge type hoist crane is required to handle with huge accessory or huge device.
The bridge type hoist crane car consists of protmoted organization，the car frame，the car movement organization，hoisting mechanisms and so on. Its operation structure is composed of reducer，the driving wheel group，the driven wheel group，the transmission shaft and some connect fitting. The core of this structure is the design of the reducer.
This bridge type hoist crane is be used to the hydroelectric power station. It is installed in the expanded workshop of Fengman water and electricity station.It is used to installing,examining and repairing the water-turbine generator set and its accessorial equipments.the equipments in the water and electricity station are large or medium-size. These equipments have a high request on the load of bridge type hoist crane , so they also have a high request on the capability of the reducer.
Key words: bridge type hoist,,the reducer
6
橋式起重機小車運行機構設計
譯 文
摘 要
本文提出了自動機械衛(wèi)星（RS）雙機械手協調運動的規(guī)劃設計?；谖⒅亓Νh(huán)境下RS運動特性的分析，兩個機械手分為主機械手和從機械手。接著介紹了雙機械手RS協調運動的四種模式：穩(wěn)定功能、平衡功能、調整功能和協作運轉。還介紹了雙機械手的運動規(guī)劃算法。最后，給出了微重力環(huán)境下，RS俘獲目標實驗模型的四種協調運動的計算機仿真結果。仿真試驗顯示本文所提出的運動模型和規(guī)劃算法是非常有效的。
關鍵詞：自動機械衛(wèi)星、運動規(guī)劃、雙機械手協調運動、構位空間、微重力環(huán)境
0 介紹
隨著空間技術的發(fā)展，諸如構造和修理人造衛(wèi)星和航天飛機等的航天員艙外活動越來越多。但是，航天員艙外活動非常危險并且費用昂貴，因此使用空間機器人來代替宇航員的需要變得日益急迫。這種機器人可以在太空中自由飛行，因此命名為自由飛行空間機器人。自動機械衛(wèi)星就是自由飛行空間機器人的非常重要的一類，它由人造衛(wèi)星和安裝在人造衛(wèi)星上的機械手組成。
空間機器人需要多機械手來在微重力環(huán)境下進行復雜的操作，雙機械手RS是多機械手系統(tǒng)中重要的一員，并且雙機械手的研究是多機械手研究的基礎。為了增加機械手的功能并降低它們之間的意外干擾，應該研究RS多機械手的協調運動。多機械手的協調運動包括協調任務、協調動作和協調控制。盡管在[1，2]中提出了有關多機械手RS的動力學和協調控制，但是多機械手RS協調運動規(guī)劃的相關研究還是非常有限。
一般機器人的運動規(guī)劃問題是在給定環(huán)境和任務下，尋找無碰撞自動運動路徑和軌道。運動規(guī)劃有多種方法，例如構位空間方法、人工位場方法和拓撲方法。由于RS在空間微重力環(huán)境中缺乏固定基礎，空間機械手的運動將擾亂其基礎人造衛(wèi)星的位置和姿態(tài)，并改變RS機械手的工作空間。直接采取帶有固定基礎的地面機器人的運動規(guī)劃方法 ，以及規(guī)劃路徑和軌道是非常危險的，對RS有可能是錯誤的。因此，對微重力環(huán)境下RS運動特性的研究是非常重要的。
1 微重力環(huán)境下RS的運動特性
這里討論的RS由人造衛(wèi)星主體和k空間機械手組成。假設沒有外力和外部扭力施加在該系統(tǒng)上，并且RS可以在微重力環(huán)境中自由飛行或飄浮。機械手的每一處接點都是由扭力控制器控制的旋轉接點。整個系統(tǒng)的能量守恒。
如果第j個空間機械手具有nj個旋轉連接，則系統(tǒng)可以被看作是由N1個鏈接（N＝n1+n2+…+nk）組成的多鏈接自由飛行（飄?。┫到y(tǒng)。研究人造衛(wèi)星的姿態(tài)時，要在衛(wèi)星主體上建立協調系統(tǒng)。如果Ω和Φ分別是RS衛(wèi)星姿態(tài)角矢量和空間機械手接點角矢量，它們分別為3-D和N-D矢量。衛(wèi)星姿態(tài)的極小改變δΩ可以表示為機械手極小運動δΦ的函數 δΩ＝G(Φ) δΦ………………………………………………………(1)
此處，G是一個 3×N的擾動靈敏度矩陣。δΩ定義為瞬時擾動。G的奇異值分解給出了衛(wèi)星最大干擾和最小干擾的方向和數量。如果Φ的變化量ΔΦ使衛(wèi)星姿態(tài)的變化量為ΔΩ，在公式（1）的數值積分將給出一個新的公式：ΔΩ＝F(Φ, ΔΦ) ………………………………… (2)
公式（2）表達的方程由一個不能顯式表達的數值積分得到。這需要對G重復進行數值積分的大量的計算。
2 雙機械手RS地面模型及其C-空間量子化
為了研究RS自主控制技術，首先建立一個RS地面試驗臺，通過空氣軸承來模擬微重力環(huán)境。RS試驗模型可以在試驗臺中自由地飛行。該試驗模型。
如圖2.1所示。
圖2.1雙機械手RS地面試驗模型
假設機械手有N個接點組成，且它們的角度為Φi，i=1，2，…,N。當機械手的基礎固定時，矢量Φ=（Φ1，Φ2…,ΦN）組成機械手的C空間。對于微重力環(huán)境下的RS試驗模型來說，需要其他一些參數來決定RS的相對位置，例如Ω，人造衛(wèi)星姿態(tài)角矢量。用Ψ=(Ψ1, Ψ2)和Θ=(Θ1, Θ2)和表示兩個機械手的接點角矢量。這里Φ=(Ψ,Θ)，RS模型的相對位置由(Ω, Ψ1, Ψ2, Θ1, Θ2)來確定，其中Ψ1, Ψ2,Θ1,Θ2的值可以相互獨立。任何接點的運動都會影響Ω的值：ΔΩ=F(Ψ,Θ, ΔΨ, ΔΘ)。
其中，F為公式（2）定義的函數。Ψ（或Θ）的變化會影響衛(wèi)星的姿態(tài)以及衛(wèi)星姿態(tài)矢量Ω的變化，從而導致機械手位置的變化。盡管干擾使控制問題變得復雜，但是依然有可能利用動態(tài)干擾來簡化航天任務。例如，通過機械手的運動，可以將衛(wèi)星姿態(tài)和另一個機械手的位置變動到需要的相對方位上。
由于高維和復雜的動態(tài)控制問題，RS相對位置之間的關系很難用顯式表達。本文提出了C空間量子化方法，即將每個接點角Φi平均地分成Ni個點，如下公式（4）所示：
Φ(i, j)＝Φi’＋（Φi”－ Φi’）·j/（Ni－1）
i＝1,2,3,4. j＝0，1，…，Ni－1 Φi∈[Φi’,Φi”] (4)
因此，機械手的角矢量（Φ1，Φ2，Φ3，Φ4）量化為N1×N2×N3×N4點。定義這些點為參考節(jié)點（C-節(jié)點），并記C-節(jié)點為（a1，a2，a3，a4），ai∈[1, Ni],其中，ai 為正整數，i=1,2,3,4。對Ω也進行同樣的過程。所有的C-節(jié)點及任意兩個相鄰節(jié)點的鏈接組成了RS量子化C-空間中的一個參考節(jié)點網絡(CNN)。
定義8種C-節(jié)點的相鄰關系，即RS實驗模型的標準運動。對每個具有8種標準運動的C-節(jié)點計算ΔΩ以建立一個標準基。在標準基中，基左邊為向量（a1，a2，a3，a4）和一種標準運動，基右邊為ΔΩ的值。則RS的C-空間就轉化成了一個運動標準基，它刻劃了RS的運動。在這個規(guī)劃中，我們可以從標準基中獲得ΔΩ的值而無須進行大量計算。因此，這種方法可以支持運動規(guī)劃運行得更快。
3 機械手協調方案
兩個機械手可以平等地工作來實現相同的目標，如共同抓住目標；或不平等地工作，如一個機械手完成需要的操作，另一個在某些方面協助第一個完成操作。為了分析雙機械手協調模式，我們提出了相對概念：主機械手和從機械手。
定義
主機械手（M-機械手）：完成主操作任務的機械手叫做主機械手。
從機械手（A-機械手）：幫助主機械手完成主操作任務的機械手叫做從機械手。
A-機械手的協助功能一般是擾亂衛(wèi)星主體的姿態(tài)。它的影響包括維持衛(wèi)星穩(wěn)定或相對穩(wěn)定，以及使衛(wèi)星主體變換到需要的姿態(tài)或位置。前一個降低M-機械手運動所造成的干擾；后一個通過制造干擾，使主體變換到需要的姿態(tài)。
通過上述分析，我們定義四種RS雙機械手協調運動模式。
穩(wěn)定功能：A-機械手通過抓取空間中的某些固定結構來穩(wěn)定衛(wèi)星主體。
平衡功能：A-機械手通過移動來使衛(wèi)星免受M-機械手的干擾。
調整功能：A-機械手通過移動來干擾衛(wèi)星的姿態(tài)，來修正M-機械手的操作位置或工作空間。
協作運轉：兩個機械手同時地平等地進行空間操作。
對于RS試驗模型，四種協調運作模式通常更形象地表示為：Ψ和Θ分別表示M-機械手的角矢量和A-機械手接點的角矢量；Ω表示主體姿態(tài)矢量。
穩(wěn)定功能：Δθ＝0，ΔΩ＝0，規(guī)劃運動路徑Ψ。
平衡功能：運動路徑Ψ給定，保持Ω不變或在某一特定范圍內變動，規(guī)劃運動路徑θ。
調整功能：運動路徑Ψ給定，Ω的初始值Ωi和最終值Ωj給定，規(guī)劃運動路徑θ。
協作運轉：操作任務給定，規(guī)劃運動路徑Ψ和θ。
4 協調運動規(guī)劃算法
首先，給定協調運動模式的一般算法。然后，討論每種協調運動模式下的特殊問題。
算法
第一步 建立RS運動標準基：
1) 在定義域內將Φj平均地分成Ni個點，i=1,2,3,4。
2) 構造C-節(jié)點，表示為（a1，a2，a3，a4）。
3) 對每個節(jié)點和八種標準運動，計算ΔΩ并根據（a1，a2，a3，a4）的地址存儲在內存中。
4) 構造CNN，即RS的運動標準基。
第二步 設計目標函數f(n)。f(n)由特定的協調運動模式決定。
第三步 確定符合初始狀態(tài)的節(jié)點n0并計算f(n0)，令n0為表示為n-當前的當前節(jié)點。
第四步 確定符合目標狀態(tài)的節(jié)點和函數值。
第五步 用A-臨近（n-當前）表示n-當前臨近節(jié)點的集合，并選擇使f值最小的節(jié)點為擴展節(jié)點。在堆棧中保存n-當前并令新的節(jié)點為n-當前。
第六步 如果得到了目標節(jié)點或目標函數的最終值，轉至第七步。如果經過了L步驟，沒有得到最優(yōu)值，則放棄LT節(jié)點并標記路徑。返回第五步。
第七步 將C-節(jié)點序列翻譯為RS操作手的接點角。
第九步 結束。
這里，f(n)是啟發(fā)式搜索中估計函數。采用A*算法， f(n)＝g(n)＋h(n)，n為n-當前節(jié)點，g(n)是初始節(jié)點n0和n節(jié)點之間的 代價，h(n)是節(jié)點n和目標節(jié)點之間代價的估計。
四種協調運動模式的C-節(jié)點之間的代價d定義如下。對于穩(wěn)定功能，d表示兩個相對位置下M-機械手末端效應器之間的距離；對于平衡功能和調整功能，d表示兩種狀態(tài)下，衛(wèi)星姿態(tài)角度之差；對于協調操作，d由目標和兩個操作手末端效應器之間的距離之和決定。
5 計算機仿真
仿真試驗在IBM PC 386上進行，RS運動規(guī)劃和圖形仿真使用C語言來進行編程。
RS模型的主操作是捕獲目標并避免與工作空間中的障礙物發(fā)生碰撞。四種協調運動模式下的計算機仿真結果如圖5.1－圖5.2所示。
計算機仿真顯示RS雙機械手協調運動規(guī)劃模式和算法是合理而有效的。3-D RS模型的運動規(guī)劃和計算機仿真是作者的未來研究工作。
圖5.1 調整功能 圖5.2 協調操作
參考書目
[1].Yoshida K, Umctani Y. Dual-arm Coordination in Space Free-flying Robot. In Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, U.S.A., 1991, 1516-1521.
[2].Papadopoulos E. Dubowsky S. Coordinated Manipulator/Spacecraft Motion Control for Space Robotics System. In. Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, U.S.A., 1696-1701.
劉宏，生于1967年7月25日，分別在東北科技大學和哈爾濱工程大學獲得理學士學位和理碩士學位，他的導師為蔡鶴皋和洪炳熔教授。他的研究方向包括機器人技術和自主控制。
計算機數控機床的安全和維護
1 計算機數控機床的安全操作注意事項
在金屬切削操作中安全性一直是特別受關注的．由于計算機數控設備自動化程度高并且速度快，所以它是一個危險源。為了防止人員傷害和對設備的損壞，必須找出存在危險的根源，且操作人員必須提高警惕。主要的 潛在危險包括：旋轉部件，如主軸、主軸內的刀具、卡盤、卡盤內工件、帶著刀具的轉塔刀架以及旋轉的夾具裝置；運動部件，如加工中心的工作臺、車床拖板、尾架頂尖，多工序旋轉托盤；程序錯誤，例如G00代碼的不正確使用而引起坐標值錯誤，產生意想不到的快速移動；設置或改變偏移值時出錯，可能導致刀具與工件或刀具與機床之間的碰撞；隨意地更改已驗證的程序，也會引起機床產生危險動作。為了減少或避免危險，盡量遵循以下保護措施。
(1) 使用機床制造商提供的機器原有保護罩。
(2) 帶上安全眼鏡、手套，穿上合適的衣服和鞋。
(3) 不熟悉機床操作前不要開動機床。
(4) 運動程序之前，確認零件已被正確夾緊。
(5) 驗證一個程序時，遵循下列安全步驟：
2 啟用機床鎖定功能運行程序，檢查程序中的語法錯誤 和幾何軌跡。
2 使用RAPID OVERRIDE快速倍率開關降低速度或空運行程序。
2 采用單程序段執(zhí)行來確認程序中的每一行。
2 刀具切削時，用FEED OVERRIDE進給倍率開關減慢進給速率，防止超負荷切削。
(6) 禁止用手處理切屑以及用切屑鉤子弄斷長而卷曲的切屑。編制不同的切屑狀態(tài)程序以便更好地控制切屑。如果要徹底清除切屑，應當關閉機床。
(7) 如果懷疑刀片在編程的切屑狀態(tài)下有可能折斷時，可選擇一個更厚的刀片及減少進給或切屑深度。
(8) 盡可能保持刀具懸出短些，因為它可能成為一個導致刀片折斷的振動源。
(9) 當頂尖支撐一個大零件時，確保中心孔足夠大足以支撐和夾住零件。
(10) 換刀、查找刀片或清理切屑時關閉機床。
(11) 替換已磨損或損壞的刀具和刀片。
(12) 列出現行刀具的偏移良清單，從機床上取下刀具，清除（設置為0）刀偏。
(13) 在未得到主管許可的情況下不得擅自更改程序。
(14) 如果你有任何與安全有關的擔憂，立即通知你的技術指 導和主管。
2 日常維護
2.1 外觀檢查
(1) 伺服電動機、探測器或數控主單元上的機床用油（切削 油，潤滑油）或者滲漏情況檢查。
(2) 可移動部件的電纜上有無損傷或電纜絞后合情況檢查。
(3) 過濾器堵塞情況檢查。
(4) 控制面板的門是否打開檢查。
(5) 外部環(huán)境震動檢查。
(6) 數控裝置單元是否放置在有灰塵的位置。
(7) 引起高頻的某物體是否位于控制單元附近。
2.2 檢查控制單元內部
檢查以下故障是否被排除：
（1） 電纜連接器松動
（2） 裝配螺釘松動
（3） 固定放大器螺釘松動
（4） 冷卻風扇工作異常
（5） 電纜損傷
（6） 印刷電路板插入不正確
2.3 故障診斷和維修
當發(fā)生運行故障時，應找出原因以便采取適當的措施排除。為此，應執(zhí)行下列檢查：
2.3.1 檢查故障發(fā)生狀態(tài) 檢查下列幾個方面：
(1) 故障出現時間？
(2) 在何種操作過程中出現故障？
(3) 什么故障？
(4) 故障何時發(fā)生？
即故障發(fā)生時的具體時間。
(5) 在何種操作過程中發(fā)生故障？何種運行方式？
a) 對于某項自動操作…程序號，序列號，程序內容？
b) 對于手動操作…模式？
c) 什么操作步驟？
d) 前一步和后一步操作？
e) 設置/顯示的單元屏幕是什么？
f) 是否發(fā)生在輸入輸出操作過程中？
g) 機床系統(tǒng)狀態(tài)如何？
h) 是否發(fā)生在換刀過程中？
i) 受控制的軸跟蹤檢測情況如何？
(6) 發(fā)生了什么故障？
(7) 設置/顯示的單元屏幕上警告監(jiān)測的報警內容。
(8) 運用顯示警報診斷屏幕來檢查報告內容。
(9) 驅動放大器狀態(tài)顯示什么？
(10) 根據驅動放大器狀態(tài)顯示檢查報告內容。
(11) 加工順序報警顯示表示什么？
(12) CRT顯示屏幕是否正常？
(13) 控制軸是否在跟蹤？
(14) 故障頻率
(15) 什么時候故障發(fā)生？頻率怎樣？（另一臺機床的操作過程中故障是否出現？）
(16) 如果頻率很小或者在另一臺機床的操作過程中出現故障，那么，故障的原因可能是供電電壓的干擾。在這種情況下，檢查a.供應電源是否正常（在另一臺機床的操作過程中是否發(fā)生瞬時壓降？）b.采取措施抗干擾。
(17) 是否發(fā)生在特殊工作模式？
(18) 什么時候達到最高行程？
(19) 同一類工作的頻率是多少？
(20) 當執(zhí)行相同操作是故障是否發(fā)生？（重復性檢查）
(21) 改變狀態(tài)（進給倍率，程序內容，加工順序等等）。
(22) 是否發(fā)生相同的故障？
原文說明
原文說明的內容是：提出了自動機械衛(wèi)星（RS）雙機械手協調運動的規(guī)劃設計。接著介紹了雙機械手RS協調運動的四種模式。還介紹了雙機械手的運動規(guī)劃算法。最后，給出了微重力環(huán)境下，RS俘獲目標實驗模型的四種協調運動的計算機仿真結果。仿真試驗顯示本文所提出的運動模型和規(guī)劃算法是非常有效的。另一篇是介紹計算機數控機床的安全和維護。
題名：《自動機械衛(wèi)星雙機械手協調運動的規(guī)劃設計》
《計算機數控機床的安全和維護》
作者：劉宏 洪炳熔 蔡鶴皋
蔣忠理
來源：高校出版社《自動機械衛(wèi)星機械手》
機械工業(yè)出版社《機電與數控專業(yè)英語》
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