高速過障超高壓巡線除冰機器人設計

高速過障超高壓巡線除冰機器人設計,高速,超高壓,除冰,機器人,設計 開題報告 系別 機械系 學生學號 學生姓名 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 年 級 09 指導教師 題目 高速過障超高壓巡線除冰機器人設計 一、選題依據(jù) 冰災對電力傳輸?shù)奈：υ谟?，電網(wǎng)覆冰嚴重時會斷線，倒桿塔導致大面積停電事故，且事故發(fā)生在嚴冬季節(jié)，大雪封山，公路結凍，難以搶修，造成長時間停電，隨著社會。科技在進步，利用除冰機器人來解決線路覆冰問題是目前輸電線除冰的發(fā)展趨勢。 二、本課題擬解決的問題 機器人需適應不同線路，在不損傷電線的情況下除掉覆蓋在線路上冰。 三、解決辦法或設計方案 1：過電流融冰法：在不停線路、母線系統(tǒng)運行下增加覆冰線路的電流，增大線路發(fā)熱，以實現(xiàn)保線融冰的目的。 2：利用直流電流加熱線路融冰。 3：高頻高壓激勵融冰法：高頻時冰是一種有損耗電介質，能直接引起發(fā)熱且集膚效應導致電流只在導體表面淺范圍內(nèi)流通，造成電路損耗發(fā)熱。 4：架空線路電磁力除冰：在線路額定電壓下短路，短路電流產(chǎn)生電磁力，導致電線相互撞擊，使覆冰脫落。 5：外力敲打除冰。 6：刀具切削的方法：一般用在可沿線行走的除冰裝置上，通過裝置帶的刀具對覆冰進行切削。 7：主動除冰法：在冰災形成之前采取一些主動裝置，如使用一些先進設備，材料等方法。 在條件允許的情況下，對電網(wǎng)線路進行改造，也是一種減少冰災破壞的方法。 本次設計，除冰方式采用：銑削+滾壓。 四、進度安排 1）調研、查資料、開題報告、文獻綜述； 2周 2）了解巡線除冰機器人的要求及工作要求； 1周 3）制定該機器人的總體設計方案，擬定該裝備的結構草圖； 1周 4）根據(jù)設計要求，在設計計算的基礎上選擇合適的傳動機構； 1周 5）繪制機器人行走、跨越障礙機構裝配圖； 4周 6）繪制機器人總裝配圖； 5周 7）編寫設計說明書（含中英文摘要） 1周 8）翻譯專業(yè)文獻。 9）準備答辯 1周 指導 教師 意見 指導教師（簽名） 年 月 日 系主任（簽章） 年 月 日 本科生畢業(yè)設計（論文）文獻綜述 題 目： 高速過障超高壓巡線除冰機器人設計 姓 名： 學 號： 系 別： 機械系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 年 級： 2009級 指導教師： （簽名） 年 月 日 文獻綜述 1、輸電線除冰機械人的設計概述 本課題研究的目的在于根據(jù)輸電線系統(tǒng)的除冰需要，研制一種簡單，實用的輸電線除冰機器人。它是一種用于，在山地，荒野，河流，湖泊等地理環(huán)境的輸電線路上清冰。它是適用于各種地貌，不會因為環(huán)境的改變而停止工作。它的前端是一滾刀和壓輪，先利用銑刀在覆冰中間銑出一弧形面，而其后的壓輪對覆冰進行擠壓達到除冰的目的。 2、輸電線除冰機械人的研究意義 輸電線路覆冰會經(jīng)常造成線路跳閘、斷線、倒桿、通信中斷等線路事故，嚴重影響了電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行，對國家經(jīng)濟造成了巨大損失。因此，為保證電網(wǎng)安全運行，減少工人因線路除冰而帶來的傷亡，設計一除冰機器人來解決這一問題就至關重要了。 3、輸電線除冰機械人的研究現(xiàn)狀 90年代末，國內(nèi)的一些研究機構和高等學校開始了巡線機器人的研究工作，并研制了多種機構的巡線樣機。1998年武漢大學的吳功平教授研制出了架空高壓線路的的巡線小車，從2002年開始，在國家“十五”863計劃的連續(xù)2次資助下，已經(jīng)研制成功了具有沿220KV的單分裂導程全程線路行駛和巡檢作業(yè)的巡線機器人樣機，他能夠跨越懸垂線夾，防震錘，耐張塔等幾乎所有障礙物，如圖 山東大學針對110KV的線路特點，于2005年成功研制了一種巡線機器人。該機器人的主體結構主要由垂直伸縮臂，柔性水平臂，驅動制動裝置，手掌開合裝置，電源箱和控制箱6部分組成，能夠方便的跨越防震錘，懸垂線夾這些較簡單的障礙物，但機身重量很重。如圖： 中國科學院沈陽自動化所于2006年成功研制了能在500KV的輸電線路上實現(xiàn)巡檢作業(yè)的機器人樣機，該機器人也采用雙臂懸掛機構，為了實現(xiàn)自動跨越障礙，該機器人還配備了攝像機來識別障礙物，定位機械手的位置。通過手臂的交替移動，能夠跨越防震錘，懸垂線夾等這類比較簡單的障礙物，如圖 山東電力研究院與加拿大魁北克水電研究院進行合作，對Linerover小車在能源動力。遠程通訊與控制、防水性能等方面做出了技術改進完善了機構的性能，但不具備越障能力，如圖 湖南大學在國家科技支撐計劃的資助下，聯(lián)合國防科技大學、武漢大學、和山東大學等多家單位研制開發(fā)了單體除冰機器人、可跨越障礙除冰的兩臂除冰機器人和三臂除冰機器人。分別如圖 1988年東京電力公司研制了光纖復合架空地線（OPGW）巡檢移動機器人。該機器人利用一對驅動輪和一對夾持輪沿地線爬行，能跨越地線上的防震錘、螺旋減震器等障礙物。遇到線塔時機器人采用仿人攀爬激勵，縣展開攜帶的弧形手臂，手臂兩端勾住線塔兩側的地線，構成一個導軌，然后本體順著導軌滑到線塔的另一側；待機器人家齒輪抱緊線塔另一側的地線后，將弧形手臂折疊收起，以備下次使用。機器人運動控制有粗略和精準定位兩種模式，粗略控制是吧線塔和地線的資料數(shù)據(jù)預先的編制好程序輸入機器人，劇此控制機器人的行走和越障；精確定位控制則根絕傳感器反饋的信息進行控制。機器人攜帶的損傷探測但愿采用渦流分析的方法探測光纖復合架空地線（OPGW）鎧裝層的損傷情況，并將損傷情況記錄到磁帶上。 美國TRC公司1989年研制了一臺懸臂自治巡線機器人原型。他能沿架空線長距離爬行、執(zhí)行電暈損耗、絕緣子、結合點、壓接頭等視覺檢查任務，對探測到的線路故障數(shù)據(jù)預處理后傳送給地面人員。當機器人遇到桿塔時，利用手臂采用仿人攀援的方法從側面越過桿塔，但結構龐大，不方便跨線和下限操作。 1990年日本法政大學的Hideo Nakamura等人開發(fā)了電器列車饋電電纜巡檢機器人。機器人采用多關節(jié)小車結構和“頭部決策，尾部跟隨”的放生控制體系，以10cm/秒的速度沿電纜平穩(wěn)爬行，并跨越分支線，絕緣子等障礙物。 泰國的S.Peungsungwal等人2001年設計了一臺能夠自給電的巡線機器人樣機，采用了電流互感器從電力線路上獲取感應電流作為機器人的工作電源，并初步實現(xiàn)了根據(jù)攝像機圖像判斷電力線上的絕緣子等障礙物的視覺導航功能，不過該試驗型巡線機器人僅能在兩線塔間電力線上爬行，沒有比跨障能力，遇到障礙物便自動停止前進。它能在地面位置，將獲取的數(shù)據(jù)和圖片資料儲存在數(shù)據(jù)記錄器中。地面工作人員可回放復查，進一步確定損傷情況。 4、高壓巡線除冰機械人的目標 設計一種適應各種環(huán)境，體積小，可以高速、高i校的除去覆蓋在電線上的冰，且能跨越障礙，并能進行可見光圖像掃描和線路運行狀態(tài)錄像。 參考文獻 [1]吳功平，肖曉輝，肖華等。架空高壓輸電線巡線機器人樣機研制[J]，電力系統(tǒng)自動化，第30卷，第13期，2006.7:237-240 [2]肖曉輝，史鐵林，杜娥。巡線機器人的動力學建模研究[J]，機械與電子，2004.11：44-47 [3]周風余，李貽斌，吳愛國等，高壓巡線機器人的設計與實現(xiàn)[J],機械科學與技術，第25卷第5期，2006.5:623-626. [4]邵威.輸電線除冰機器人結構設計及仿真。三峽大學碩士學位論文。2011.5 [5]王耀南，魏書寧，印峰，曹文明。輸電線路除冰機器人關鍵性綜述。機械工程學報，第47卷第23期，2011.12。 [6]張峰，郭銳，趙金龍等。輸電線路除冰技術及除冰機器人設計。 寧XX大學 畢業(yè)設計(論文) 超高壓巡線除冰機器人 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 年 月 日 誠 信 承 諾 我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)設計（論文）《超高壓巡線除冰機器人》均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。 承諾人（簽名）： 年 月 日 摘 要 本課程設計針對某企業(yè)的生產(chǎn)存在的加工技術問題，進行認真的分析，找出影響加工的主要因素(小四號，宋體，1.5倍行距，段前空0.5行。)　 摘要應在150~250字 （摘要與關鍵詞之間空一行） 關鍵詞：機械設計，機械設計，(關鍵詞數(shù)量為4~6個，每一關鍵詞之間用逗號分開，最后一個關鍵詞不用標點符號) III Abstract The abstract in English goes here. Abstract in English and that in Chinese presented on the previous page should agree. (英文摘要內(nèi)容, 用小四號Times New Romans字體，每段開頭縮進4個字符空格，英文摘要的內(nèi)容應與中文摘要相對應。) Key Words: Key words in English go here and should be separated by a comma, but no comma is allowed after the last key word （關鍵詞用小四號Times New Romans字體, 全部小寫，每一關鍵詞之間逗號分開，最后一個關鍵詞后不打標點符號） 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 第1章 緒論 1 1.1 課題研究意義 1 1.2 除冰機器人研究現(xiàn)狀 1 1.3除冰設備發(fā)展趨勢 3 1.4 課題要求 4 第2章 超高壓巡線除冰機器人總體方案設計 6 2.1 工作原理 6 2.2驅動方式選擇 6 2.3 傳動方式選擇 7 2.4 行走方式選擇 7 2.5 除冰方式選擇 7 第3章 繞線壓緊傳動機構設計 9 3.1電機的選擇 9 3.2 蝸桿傳動設計計算 9 3.2.1 選擇蝸桿、蝸輪材料 9 3.2.2 確定蝸桿頭數(shù)Z及蝸輪齒數(shù)Z 10 3.2.3 確定蝸桿蝸輪中心距a 10 3.2.4 蝸桿傳動幾何參數(shù)設計 11 3.2.5 環(huán)面蝸輪蝸桿校核計算 14 3.3 軸的設計 15 3.3.1 軸的材料選擇 15 3.3.2 軸的結構設計 16 3.3.3 軸承校核 18 第4章 機器人行走跨越障礙機構設計 20 第5章 其它機構設計 24 4.1銑刀機構 24 4.2機架機構 25 第6章 數(shù)控硬件電路設計 26 6.1硬件電路設計 27 6.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結構 27 6.1.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能 27 6.2關于各線路元件之間線路連接 28 6.3關于電路原理圖的一些說明 29 總結與展望 32 參考文獻 33 第1章 緒論 1.1 課題研究意義 輸電線路覆冰會經(jīng)常造成線路跳閘、斷線、倒桿、通信中斷等線路事故，嚴重影響了電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行，對國家經(jīng)濟造成了巨大損失。因此，為保證電網(wǎng)安全運行，減少工人因線路除冰而帶來的傷亡，設計一除冰機器人來解決這一問題就至關重要了。研制一種簡單，實用的輸電線除冰機器人。它是一種用于，在山地，荒野，河流，湖泊等地理環(huán)境的輸電線路上清冰。它是適用于各種地貌，不會因為環(huán)境的改變而停止工作。它的前端是一滾刀和壓輪，先利用銑刀在覆冰中間銑出一弧形面，而其后的壓輪對覆冰進行擠壓達到除冰的目的。本論文主要完成了輸電線除冰機的原理設計，方案選擇，機構的實現(xiàn)，各部分零件的設計與整機的裝配，并在此基礎上采用三維制圖軟件建立實體模型并進行虛擬裝配和運動仿真。 本課題研究的目的在于根據(jù)輸電線系統(tǒng)的除冰需要，研制一種簡單，實用的輸電線除冰機。輪式輸電線除冰機是一種用于，在山地，荒野，河流，湖泊等地理環(huán)境，不適合人工除冰的輸電線路上清冰。它是適用于各種地貌，不會因為環(huán)境的改變而停止工作。它的前端是一對用于除冰的對滾刀具，用于清除在電線結的冰。刀具的對滾通過齒輪傳動機構完成。輪式除冰機主體部分是行走機構。該設計采用壓輪推進方式, 機體上的兩個固定壓輪騎掛在輸電線上保持機體的平衡, 機體的重心位于輸電線下方, 這樣機體不會在行進過程中出現(xiàn)倒轉。兩個動壓輪分別與兩個固定壓輪配合, 當推動動壓輪時, 動壓輪向上抬升, 與固定壓輪配合從上下夾緊輸電線, 依靠壓輪與輸電線的摩擦獲得前進的動力。該設計的電力驅動分為兩個分支: 一部分直接傳至除冰機構, 供刀具除冰使用; 另一部分傳至動壓輪，實現(xiàn)小車的行走。 1.2 除冰機器人研究現(xiàn)狀 山東大學針對110KV的線路特點，于2005年成功研制了一種巡線機器人。該機器人的主體結構主要由垂直伸縮臂，柔性水平臂，驅動制動裝置，手掌開合裝置，電源箱和控制箱6部分組成，能夠方便的跨越防震錘，懸垂線夾這些較簡單的障礙物，但機身重量很重。如圖： 中國科學院沈陽自動化所于2006年成功研制了能在500KV的輸電線路上實現(xiàn)巡檢作業(yè)的機器人樣機，該機器人也采用雙臂懸掛機構，為了實現(xiàn)自動跨越障礙，該機器人還配備了攝像機來識別障礙物，定位機械手的位置。通過手臂的交替移動，能夠跨越防震錘，懸垂線夾等這類比較簡單的障礙物，如圖 山東電力研究院與加拿大魁北克水電研究院進行合作，對Linerover小車在能源動力。遠程通訊與控制、防水性能等方面做出了技術改進完善了機構的性能，但不具備越障能力，如圖 湖南大學在國家科技支撐計劃的資助下，聯(lián)合國防科技大學、武漢大學、和山東大學等多家單位研制開發(fā)了單體除冰機器人、可跨越障礙除冰的兩臂除冰機器人和三臂除冰機器人。分別如圖 1988年東京電力公司研制了光纖復合架空地線（OPGW）巡檢移動機器人。該機器人利用一對驅動輪和一對夾持輪沿地線爬行，能跨越地線上的防震錘、螺旋減震器等障礙物。遇到線塔時機器人采用仿人攀爬激勵，縣展開攜帶的弧形手臂，手臂兩端勾住線塔兩側的地線，構成一個導軌，然后本體順著導軌滑到線塔的另一側；待機器人家齒輪抱緊線塔另一側的地線后，將弧形手臂折疊收起，以備下次使用。機器人運動控制有粗略和精準定位兩種模式，粗略控制是吧線塔和地線的資料數(shù)據(jù)預先的編制好程序輸入機器人，劇此控制機器人的行走和越障；精確定位控制則根絕傳感器反饋的信息進行控制。機器人攜帶的損傷探測但愿采用渦流分析的方法探測光纖復合架空地線（OPGW）鎧裝層的損傷情況，并將損傷情況記錄到磁帶上。 美國TRC公司1989年研制了一臺懸臂自治巡線機器人原型。他能沿架空線長距離爬行、執(zhí)行電暈損耗、絕緣子、結合點、壓接頭等視覺檢查任務，對探測到的線路故障數(shù)據(jù)預處理后傳送給地面人員。當機器人遇到桿塔時，利用手臂采用仿人攀援的方法從側面越過桿塔，但結構龐大，不方便跨線和下限操作。 1990年日本法政大學的Hideo Nakamura等人開發(fā)了電器列車饋電電纜巡檢機器人。機器人采用多關節(jié)小車結構和“頭部決策，尾部跟隨”的放生控制體系，以10cm/秒的速度沿電纜平穩(wěn)爬行，并跨越分支線，絕緣子等障礙物。 泰國的S.Peungsungwal等人2001年設計了一臺能夠自給電的巡線機器人樣機，采用了電流互感器從電力線路上獲取感應電流作為機器人的工作電源，并初步實現(xiàn)了根據(jù)攝像機圖像判斷電力線上的絕緣子等障礙物的視覺導航功能，不過該試驗型巡線機器人僅能在兩線塔間電力線上爬行，沒有比跨障能力，遇到障礙物便自動停止前進。它能在地面位置，將獲取的數(shù)據(jù)和圖片資料儲存在數(shù)據(jù)記錄器中。地面工作人員可回放復查，進一步確定損傷情況。 1.3除冰設備發(fā)展趨勢 目前國內(nèi)和國外的除冰技術可歸納有3 0 余種，總體可分為： 1.大電流融冰法:主要包括過電流融冰法、短路電流融冰法和直流電流融冰法。此類方法也是目前工程中普遍采用的方案,在實際運用過程中積累了許多寶貴經(jīng)驗。 2.機械除冰法:滑輪刮鏟法是目前唯一可行的輸電線路除冰的機械方法,其過程是由地面工作人員拉動可以在線路上行走的滑輪達到鏟除覆冰的目的。但該方法并不適用于我國西部高海拔、地形復雜地區(qū)。 3.被動法:被動法就是依靠風、地球引力、隨機散射和溫度變化等脫冰的被動方法無需附加能量?，F(xiàn)已經(jīng)在輸電線路上得到應用的有平衡重量、線夾、除冰環(huán)、阻雪環(huán)、憎水憎冰涂料、風力錘等來減少輸電線路的覆冰,安裝防震錘等來減少導線的舞動。被動法有費用低的優(yōu)點,但不能阻止覆冰的形成,而且僅適用于特定的地區(qū)。 4.其他方法:除上述幾種方法外,還有利用電磁脈沖、氣動脈沖、電暈放電、電子凍結、碰撞前顆粒加熱和凍結等防冰除冰方法,但很多還處于理想或試驗階段。而最近國內(nèi)外比較熱門的機械除冰法主要通過除冰機器人來完成，目前國內(nèi)外設計的除冰機器人通常包括3部分：1.爬行機構 2.越障機構 3.除冰機構。并且向著小型化，實用化，可越障，智能化的方向發(fā)展。 1.4 課題要求 原始數(shù)據(jù)及技術要求： 1. 系統(tǒng)功能 巡線出兵機器人具有在架空地線上自動過防震錘，壓接管等線路障礙 可攜帶可見光攝像機 除冰方式：銑削+滾壓 適合嚴寒地帶除冰 巡檢機器人和地面控制器之間采用無線通訊方式，可接受，儲存 及顯示機器人發(fā)揮的數(shù)據(jù)及圖像資料 巡檢機器人既能由地面遙控，又可自動巡線。 對巡檢及其線路實現(xiàn)了計算機管理 并配有后臺軟件 2. 機構設計要求 不同型號的線路的適應性 不能造成線路損傷行走與越障的能力 質量輕體積小 總機不大于20KG 環(huán)境適應性（電磁屏蔽） 動力：油點供給 控制方案 采用遠程遙控與局部自主相結合的控制系統(tǒng)設計 工作要求 機器人的總體設計方案，繪制總裝圖 機器人行走，自動跨障機構設計，行走電機及油電電源系統(tǒng)的選型計算 壓緊機構自動張緊，松開 與安全控制設計 傳動件的強度計算或驗算，整機質量控制 傳動系統(tǒng)動態(tài)分析計算 機器人的運行模擬仿真 應用PROE CAD進行設計 33 第2章 超高壓巡線除冰機器人總體方案設計 2.1 工作原理 本設計采用四輪式結構布局，具有小型輕質，除冰效率高，安裝方便，適應環(huán)境能力強的特點。工作原理如圖2—1所示，輸電線除冰機工作時由行走電機推動機器行走，通過大齒輪帶動軸1轉動，現(xiàn)輸電線除冰機在電線上行走。工作電機通過輪轉動，驅動工作刀具做回轉運動。 能夠實現(xiàn)輪式輸電線除冰機功能的技術原理很多，但各有利有弊，具體分析如下： 2.2驅動方式選擇 1）小型柴油機驅動 柴油機驅動的優(yōu)點是馬力大，適應環(huán)境能力強。但重量和所占空間過大，驅動時會產(chǎn)生較大振動，容易引起輸電線舞動，不適用于在輸電上行走使用，另外對環(huán)境會產(chǎn)生污染，不環(huán)保。 2）電動機驅動 型號較多，選擇范圍廣。在質量和振動方面有著不可替代的優(yōu)勢。對環(huán)境無污染，可以滿足環(huán)護要求。 行走電機 減速機構 行走輪 除冰電機 減速機構 除冰刀具 圖2-2輸電線除冰組成框圖及運動傳遞路線 2.3 傳動方式選擇 1）帶傳動 抗拉強度較大，耐濕性好，廉價，可以傳送較大功率。但所需空間比較大，不適用于受空間限制要求中心距小以及急速反向傳動的場合。 2）鏈傳動 鏈傳動的制造與安裝精度要求較低，鏈輪齒受力情況較好，承載能力較大；有一定的緩沖與減震性能；中心距可大而結構輕便。可以適應惡劣的工作環(huán)境。但是同樣，所需空間較大，不適用于受空間限制要求中心距小以及急速反向傳動的場合。 3）齒輪傳動 瞬時傳動比恒定；傳動比范圍大，可用于減速或增速；速度和傳遞功率的范圍大，可用于高速（v>40m/s）、中速和低速（v<25m/s）的傳動；功率可從小于1W到105kW；傳動效率高，一對高精度的漸開線圓柱齒輪，效率可達99%以上；結構緊湊，適用于近距離傳動。 4）蝸桿傳動 蝸桿傳動用于交錯軸間傳遞運動及動力。傳動比大，工作較平穩(wěn)，噪聲低，結構緊湊，可以自鎖；效率低，易發(fā)熱，蝸輪制造需要貴重的減摩性有色金屬。 鏈傳動和帶傳動雖然適應環(huán)境的能力比較強，但是所需傳動空間比較大，不適用于在輪式輸電線除冰車上使用。蝸桿傳動效率低，易發(fā)熱，環(huán)境適應性差。因此，綜合考慮各方面因素，減速方式選擇通過齒輪傳動機構來完成。 2.4 行走方式選擇 1）履帶式 履帶式行走機構廣泛用于工程機械、拖拉機等野外作業(yè)車輛。行走條件相對惡劣，該行走機構具有足夠的強度和剛度；具有良好的行進及轉向功能。但是履帶式行走機構特別笨重，不適于作為輸電線除冰車的行走機構。 2）輪式 輪式行走機構廣泛于汽車、火車、航空等各種交通工具，應用范圍極廣，可在大多數(shù)路況行走，適應能力較強。質量較輕，便于攜帶、裝配、更換。 3）液壓缸式 在同等功率情況下，液壓執(zhí)行元件體積小、重量輕、結構緊湊。液壓傳動的各種元件，可根據(jù)需要方便、靈活地來布置。液壓裝置工作比較平穩(wěn)，由于重量輕、慣性小、反應快，液壓裝置易于實現(xiàn)快速啟動、制動和頻繁的換向。液壓元件實險了標準化、系列化、通用化，便于設計、制造和使用。但是工作性能易受溫度變化的影響，因此不宜在很高或很低的溫度條件下工作。由于流體流動的阻力損失和泄漏較大，所以效率較低。如果處理不當，泄漏不僅污染場地，而且還可能引起火災和爆炸事故。 由于履帶式系統(tǒng)過于笨重，因此不適合在輸電線上行走；液壓系統(tǒng)過于復雜，也不適合用于輸電線除冰機上。因此輸電線除冰機的行走機構采用輪式行走機構。為了使輪式行走機構在輸電線上行走更加平穩(wěn)，在行走輪中部開通一個直徑為30mm的凹槽。 2.5 除冰方式選擇 1)加熱除冰 通過電阻加熱或噴火加熱，使覆冰融化，達到清除覆冰的目的。加熱除冰方法對環(huán)境沒有任何污染，清除效率高。但是這個方法耗能過多，不節(jié)能。 2)化學法除冰 依靠撒布化學藥劑固體顆?；蛞后w使冰雪融化為化學融冰, 其特點是除凈率高, 但這種方法成本高, 且容易對環(huán)境造成污染, 尤其是鈉鹽融雪劑對鋼筋混凝土結構有破壞作用, 易造成混凝土路面的表層脫落, 使電線質量受損而縮短其使用壽命, 對植被的損害也較嚴重。 3）振動除冰 振動式除冰法, 通過馬達帶動一具有一定重量的除冰錘上下往復的敲擊動作,當敲擊到覆冰上時，覆冰由于受到震動，與輸電線脫離。達到除冰的目的。此方法除冰效果明顯，效率較高，能耗少。但是由于震動會引起電線的舞動，有違除冰的本意。 4）對滾銑削除冰 對滾銑削式除冰工作裝置安裝在輸電線除冰機前端, 通過滾壓輪上的組合刀片, 依靠較高轉速把輸電線上的覆冰銑除。此方法工作效率高，清除效果好。 加熱方法耗能過多，輸電線除冰機不能攜帶過重的能源儲存裝置，因此加熱除冰法不適用?；瘜W法對環(huán)境污染大，對輸電線腐蝕比較大，不宜采用。振動除冰法容易使輸電線產(chǎn)生舞動，違背了清除覆冰的初衷。綜合來看，采用對滾銑削除冰法是最佳選擇。 5.行走輪同步行走方法與減震方法 行走輪是推動輸電線除冰機行走的主要零件,上端行走輪倒掛在電線上,主要目的是給除冰機提供一個拉力,使除冰機能掛在電線上。下端行走輪通過齒輪與電動機相連，負責推進除冰機行進。為了使輸電線除冰機推進更加平穩(wěn)，將下端兩行走輪通過鏈傳動連接在一起，實現(xiàn)下端兩行走輪同步。具體結構如圖2-3所示。此外，通過對滾刀具除冰機構的電線上可能依然會有小塊的覆冰。因此，行走輪還應該具有一定的越障能力。不會讓小塊覆冰成為行走輪推進除冰機行走的障礙。我們?yōu)榇嗽O計了一個減震機構。通過減震機構，行走輪可以輕易地越過小塊覆冰。具體結構如圖2-4。 綜合考慮：本設計采用電機驅動，齒輪傳動機構，輪式行走方式，對滾洗刀除冰方式。 第3章 繞線壓緊傳動機構設計 3.1電機的選擇 由于步進電機具有控制較容易，維修也較方便，而且控制為全數(shù)字化的優(yōu)點。根據(jù)設計要求及實際情況我們選擇步進電機，選擇參數(shù)為:額定電壓、輸出扭矩和電機轉速等。擬采用的57系列兩相混和式步進電機使用24V電壓，本系統(tǒng)提供的24V直流電源可以滿足步進電機的工作需要。輸出扭矩與傳送帶和支撐板的摩擦力有關，主要由板料的重量和傳送帶的摩擦系數(shù)來確定，此外，還與傳送帶與滾輪之間的滑動摩擦力的作用有關，但由于滑動摩擦系數(shù)很小，雖然傳送帶與滾輪之間的張緊力很大，因此而帶來的滑動摩擦力卻很小，故忽略不計。計算過程如下: 則由曲線可得:當n=30r/min時，f=100HZ。 根據(jù)計算結果我們選擇電機型號為：57BYJ250C 3.2 蝸桿傳動設計計算 3.2.1 選擇蝸桿、蝸輪材料 1.選擇蝸桿傳動的類型 采用準平行環(huán)面蝸桿傳動. 2.選擇蝸桿、蝸輪材料，確定許用應力 考慮蝸桿傳動中，傳遞的功率不大，速度只是中等，根據(jù)《機械零件課程設計》表5－2，蝸桿選用40Cr，因希望效率高些，耐磨性好故蝸桿螺旋齒面要求：調質HB265285.蝸輪選用鑄錫磷青銅ZQSn10-1，金屬模鑄造，為了節(jié)約貴重有色金屬，僅齒圈用錫磷青銅制造，輪芯用灰鑄鐵HT100制造 由《機械零件課程設計》表5－3查得蝸輪材料的許用接觸應力 [] =190 由《機械零件課程設計》表5－5查得蝸輪材料的許用彎 曲應力 []=44 3.2.2 確定蝸桿頭數(shù)Z及蝸輪齒數(shù)Z 由《機械零件課程設計》表5－6， 選取Z＝1 則Z＝Z·i＝1×50＝50 故取Z＝50 3.2.3 確定蝸桿蝸輪中心距a 1.確定蝸桿的計算功率 式中 K——使用場合系數(shù)，每天工作一小時,輕度震動 由《機械工程手冊》查得：K＝0.7； K——制造精度系數(shù)，取7級精度， 查得：K＝0.9； K——材料配對系數(shù)，齒面滑動速度 < 10 由《機械工程手冊》查得：K＝0.85。 代入數(shù)據(jù)得 ＝KW 以等于或略大于蝸桿計算功率所對應的中心距作為合理的選取值根據(jù)《機械工程手冊/傳動設計卷》（第二版）表2·5－22a，選取蝸桿的中心距：a＝100mm. a＝100mm 由于準平行二次包絡環(huán)面蝸桿為新型得蝸桿,它的優(yōu)點是:接觸面大,導程角,它的值穩(wěn)定且一定,則潤滑好,接. 觸面大應直接根據(jù)“原始型”傳動蝸桿設計參數(shù)。 3.2.4 蝸桿傳動幾何參數(shù)設計 準平行二次包絡環(huán)面蝸桿的幾何參數(shù)和尺寸計算表 1.中心距：由《機械工程手冊/傳動設計卷》（第二版） 標準選取a=100mm 2.齒數(shù)比：u＝＝50 3.蝸輪齒數(shù)：由《機械工程手冊/傳動設計卷》（第二版） 選取 4.蝸桿頭數(shù)：由《機械工程手冊/傳動設計卷》（第二版） 選取 5.蝸桿齒頂圓直徑：《機械工程手冊/傳動設計卷》（第二版）表2.5－16 選取 =45mm 6.蝸輪輪緣寬度：《機械工程手冊/傳動設計卷》（第二版）表2.5－16 選取b=28mm 7.蝸輪齒距角：＝ 8.蝸桿包容蝸輪齒數(shù)：K＝=5 9.蝸輪齒寬包角之半：＝0.5（K－0.45）= 10.蝸桿齒寬：《機械工程手冊/傳動設計卷》（第二版）表2.5－16 選取 =53mm 11.蝸桿螺紋部分長度：《機械工程手冊/傳動設計卷》（第二版）表2.5－ 16，選取=59mm 12.蝸桿齒頂圓弧半徑：《機械工程手冊/傳動設計卷》（第二版）表2.5－ 16，選取R=82mm 13.成形圓半徑：《機械工程手冊/傳動設計卷》（第二版）表2.5－16 選取=65mm 14.蝸桿齒頂圓最大直徑：《機械工程手冊/傳動設計卷》（第二版）表 2.5－16，選取=53.8mm 15.蝸輪端面模數(shù)：m＝=mm 16.徑向間隙：=0.5104mm 17.齒頂高：h=0.75 m=2.233mm 18.齒根高：h= h+ C=2.7434mm 19.全齒高：h= h+ h=4.9764mm 20.蝸桿分度圓直徑：＝（0.624＋）a ＝40.534mm 21.蝸輪分度圓直徑：＝2a－＝159.466mm 22.蝸輪齒根圓直徑：d＝－2 h=153.9792mm 23.蝸桿齒根圓直徑：d＝－2 h=35.05， 判斷：因為=28.12mm,滿足要求 24.蝸輪喉圓直徑：d＝＋2 h=163.932mm 25.蝸輪齒根圓弧半徑：=82.475mm 26.蝸桿螺紋包角之半： == 27.蝸輪喉母圓半徑：= = =25.88mm 28.蝸輪外緣直徑：由作圖可得=164.95mm 29.蝸桿分度圓導程角：＝ = 30.蝸桿平均導程角：＝ 31.分度圓壓力角：= 32.蝸桿外徑處肩帶寬度： 取3mm 33.蝸桿螺紋兩端連接處直徑：=35mm 34.蝸輪分度圓齒厚： 數(shù)據(jù)帶入公式得 5.508mm 35.齒側隙：查表4-2-6得 36.蝸桿分度圓齒厚：=4.2984 37.蝸桿分度圓法向齒厚：=4.285 38.蝸輪分度圓法向齒厚：=5.49 39.蝸輪齒冠圓弧半徑：=19.2775 40.蝸桿測量齒頂高： =2.2035 41.蝸桿測量齒頂高： =2。185 3.2.5 環(huán)面蝸輪蝸桿校核計算 環(huán)面蝸桿傳動承載能力主要受蝸桿齒面膠合和蝸輪齒根剪切強度的限制。因而若許用傳動功率確定中心距，則然后校核蝸輪齒根剪切強度。 由于軸承變形增加了蝸桿軸向位移，使蝸輪承受的載荷集中在2－3個齒上。而且，由于蝸輪輪齒的變形，造成卸載，引起載荷沿齒高方向分布不均，使合力作用點向齒根方向偏移。 因而，蝸輪斷齒主要由于齒根剪切強度不足造成的 校核： 其中 —— 作用于蝸輪齒面上的及摩擦力影響的載荷; —— 蝸輪包容齒數(shù) —— 蝸桿與蝸輪嚙合齒間載荷分配系數(shù); ——蝸輪齒根受剪面積; 公式中各參數(shù)的計算 1.的計算 = ——作用在蝸輪輪齒上的圓周力， ——蝸桿喉部螺旋升角 ，4.5 —— 當量齒厚， 滑動速度 = =2.01m/s 根據(jù)滑動速度查機械設計手冊3－3－9得 將數(shù)據(jù)帶入公式得 =N 2.計算得 = 5 3.蝸輪齒根受剪面積 —— 蝸輪齒根圓齒厚； 由上可知 —— 蝸輪端面周節(jié)； —— 蝸輪理論半包角； —— 蝸輪分度圓齒厚所對中心角。 數(shù)據(jù)帶入公式得 =7.03mm 由上可得 對于錫青銅齒圈 取 查手冊取鑄錫磷青銅，砂模鑄造，抗拉強度=225MPa ， 則 < 3.3 軸的設計 3.3.1 軸的材料選擇 根據(jù)軸的常用材料及其主要力學性能，結合此處的實際的情況，所受載荷小而且轉速低所以三個軸均選擇用45鋼（調質）。軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。鋼軸的毛坯多數(shù)用軋制圓鋼和鍛件，有的則直接用圓鋼。 3.3.2 軸的結構設計 軸的結構設計包括定出軸的合理外形和全部結構尺寸。 軸的結構主要取決于以下因素：軸在機器中的安裝位置以及形式；軸上零件的類型，尺寸，數(shù)量以及和軸聯(lián)接的方法；載荷的性質，大小，方向以及分布情況；軸的加工工藝等。由于影響軸的結構因素較多，而且結構形式又要隨著具體情況的不同而不同，所以軸沒有標準的結構形式。設計時必須針對不同情況進行具體的分析。但是，不論何種具體條件，軸的結構都應該滿足：軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置；軸上的零件應便于裝拆和調整；軸應具有良好的制造工藝性等。 軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、圓螺母、軸端擋圈和軸承端蓋等來保證的。 軸肩　分為定位軸肩和非定位軸肩兩類，利用軸肩定位是最方便可靠的方法，但采用軸肩就必然會使軸的直徑加大，而且軸肩處將因截面突變而引起應力集中。另外，軸肩過多時也不利于加工。因此，軸肩定位多用于軸向力較大的場合。 套筒定位　結構簡單，定位可靠，軸上不需開槽﹑鉆孔和切制螺紋，因而不影響軸的疲勞強度，一般用于軸上兩個零件之間的定位。如兩零件的間距較大時，不宜采用套筒定位，以免增大套筒的質量及材料用量。因套筒與軸的配合較松，如軸的轉速較高時，也不宜采用套筒定位。 圓螺母　定位可承受大的軸向力，但軸上螺紋處有較大的應力集中，會降低軸的疲勞強度，故一般用于固定軸端的零件，有雙圓螺母和圓螺母與止動墊片兩種型式。當軸上兩零件間距離較大不宜使用套筒定位時，也常采用圓螺母定位。 軸承端蓋　用螺釘或榫槽與箱體聯(lián)接而使?jié)L動軸承的外圈得到軸向定位。在一般情況下，整個軸的軸向定位也常利用軸承端蓋來實現(xiàn)。 軸上零件的周向定位的目的是限制軸上零件與軸發(fā)生相對轉動。常用的周向定位零件有鍵﹑花鍵、銷﹑緊定螺釘以及過盈配合等，其中緊定螺釘只用在傳力不大之處 有配合要求的軸段，應盡量采用標準直徑。安裝標準件（如滾動軸承、聯(lián)軸器、密封圈等）部位的軸徑，應取為相應的標準值及所選配合的公差。 為了使齒輪、軸承等有配合要求的零件裝拆方便，并減少配合表面的擦傷，在配合軸段前應采用較小的直徑。為了使與軸作過盈配合的零件易于裝配，相配軸段的壓入端應制出錐度；或在同一軸段的兩個部位上采用不同的尺寸公差。 確定各軸段長度時，應盡可能使結構緊湊，同時還要保證零件所需的裝配或調整空間。軸的各段長度主要是根據(jù)各零件與軸配合部分的軸向尺寸和相鄰零件間必要的空隙來確定的。為了保證軸向定位可靠，與齒輪和聯(lián)軸器等零件相配合部分的軸段長度一般應比輪轂長度短2～3mm。 結合以上設計準則設計各個軸的結構尺寸如下： （1） 軸Ⅰ的設計 1） 求作用在軸Ⅰ上齒輪1的力 因為 ，故 (3-22) （） (3-23) 由此可見，軸所承受的力很小。 (3-24) 2） 初步確定軸的最小直徑 根據(jù)機械設計手冊查得，取=112,于是得 (3-25) 考慮到需要開鍵槽以及加工工藝，故取。顯然，軸的最小直徑是安裝車輪處，即。 3）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 ①為了滿足車輪的軸向定位要求，車輪外用M10的螺母定位；內(nèi)用套筒定位。 ②初步選擇滾動軸承。因軸承同時承受的徑向和軸向力均很小，故選用深溝球軸承。參照工作要求并根據(jù)，參照國家標準GB/T 276-1994,由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0組基本游隙組、標準精度級的單列深溝球軸承6004，其尺寸為，由于不需要安裝擋油環(huán)，所以軸承內(nèi)用套筒定位，套筒用行走輪定位；外用軸承錐形套筒定位。軸承安裝在下車體外殼上，其周向定位是借助過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。 ③由于軸上零件比較少。所以不需要軸肩。因此設計成長度為130mm的光軸，需要在指定位置開鍵槽。軸的兩端分別有10mm的螺紋。 ④軸上零件的周向定位 齒輪、車輪與軸的周向定位均采用平鍵聯(lián)接。按由手冊查得平鍵截面（摘自GB/T 1095-2003），鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為5mm（摘自GB/T 1096-2003）。 同時為了保證齒輪與軸的配合有良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為H7/n6；同樣車輪與與軸的聯(lián)接，選用B型平鍵，車輪與軸的配合為H7/k6. ⑧由機械設計手冊得，M10螺紋倒角為2×45°；M27螺紋倒角為1×45°；各軸肩處的圓角半徑取R1。 3 提高軸強度的措施 (1) 合理布置軸上零件以減小軸的載荷； (2) 改進軸的結構以減小應力集中的影響； 軸通常是在變應力條件下工作的,軸的截面尺寸發(fā)生突變處要產(chǎn)生應力集中,軸的疲勞破壞往往在此發(fā)生。為了提高軸的疲勞強度，應盡量減少應力集中源和降低應力集中程度。為此軸肩處應采用較大的過渡圓角半徑r來降低應力集中。但對定位軸肩，還必須保證零件得到可靠的定位。當靠軸肩定位的零件的圓角半徑很小時，為了增大軸肩處的圓角半徑，可采用內(nèi)凹圓角或加裝隔離環(huán)。 (3)改進軸上零件的結構以減小軸的載荷； (4)改進軸的表面質量以提高軸的疲勞強度； 軸的表面粗糙度和表面強化處理方法也會對軸的疲勞強度產(chǎn)生影響。軸的表面愈粗糙，疲勞強度也愈低。因此，應合理減小軸的表面及圓角處的加工粗糙度值。 表面強化處理的方法有：表面高頻淬火等熱處理；表面滲碳、氰化、氮化等化學熱處理；碾壓、噴丸等強化處理。通過碾壓、噴丸進行表面強化處理時可使軸的表層產(chǎn)生預壓應力，從而提高軸的抗疲勞能力。 各個軸均采用淬火處理。 4 軸的結構工藝性 軸的結構工藝性是指軸的結構形式應便于加工和裝配軸上零件，并且生產(chǎn)率高，成本低。一般地說,軸的結構越簡單,工藝性越好。因此,在滿足使用要求的前提下,軸的結構形式應盡量簡化。 為了便于裝配零件并去掉毛刺，軸端應制出45°的倒角；需要磨削加工的軸段，應留有砂輪越程槽；需要切制螺紋的軸段，應留有退刀槽。它們的尺寸可參看標準或手冊。 為減少加工了減少裝夾工件的時間，在同一軸上，不同軸段的鍵槽應布置（或投影）在軸的同一母線上。為了刀具種類和提高勞動生產(chǎn)率，軸上直徑相近的圓角、倒角、鍵槽寬度、砂輪越程槽寬度和退刀槽寬度等應盡可能采用相同的尺寸。 3.3.3 軸承校核 滾動軸承的構成：包括：內(nèi)圈、外圈、滾動體、保持架,內(nèi)圈用來和軸頸裝配，外圈用來和軸承座孔裝配。通常是內(nèi)圈隨軸頸回轉，外圈固定，但也可以用于外圈回轉而內(nèi)圈不動，或是內(nèi)、外圈同時回轉的場合。當內(nèi)、外圈相對轉動時，滾動體即在內(nèi)、外圈的滾道內(nèi)滾動。保持架的作用主要是均勻地隔開滾動體。 選擇軸承的主要考慮因素是極限轉速、要求的確良壽命和載荷能力，其它的因素則有助于確定軸承類型、結構、尺寸及公差等級和游隙工求的最終方案。類型選擇，各類滾動軸承具有不同的特性，適用于各種機械的不同使用情況。選擇軸承類型時，通常應考慮下列因素。一般情況下：對承受推力載荷時選用推力軸承、角接觸軸承，對高速應用場合通常使用球軸承，承受重的徑向載荷時，則選用滾子軸承。總之，選用人員應從不同生產(chǎn)廠家、眾多的軸承產(chǎn)品中，選用合適的類型。軸承所占機械的空間和位置?在機械設計中，一般先確定軸的尺寸，然后，根據(jù)軸的尺寸選擇滾動軸承。通常是小軸選用球軸承，大軸選用滾子軸承。但是，當軸承在機器的直徑方向受到限制時，則選用滾針軸承、特輕和超輕系列的球或滾子軸承；當軸承在機器的軸向位置受到限制時，可選用窄的或特窄系列的球或滾子軸承。軸承所受載荷的大小、方向和性質?載荷是選用軸承的最主要因素。滾子軸承用于承受較重的載荷，球軸承用于承受較輕的或中等載荷，滲碳鋼制造或貝氏體淬火的軸承，可承受沖擊與振動載荷。在載荷的作用方向方面，承受純徑向載荷時，可選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承或滾針軸承。承受較小的純軸向載荷時，可選用推力球軸承；承受較大的純軸向載荷時，可選用推力滾子軸承。當軸承承受徑向和軸向聯(lián)合載荷時，一般選用角接觸球軸承或圓錐滾子軸承。對于懸臂支撐結構，常采用圓錐滾子軸承或角接觸球軸承，且成對使用。 滾動軸承類型選擇應注意的問題: 1、考慮軸承的承受載荷情況 方向：受徑向力時，用向心軸承；受軸向力時，用推力軸承；徑向力和周向力聯(lián)合作用時，用向心推力軸承； 大小：受到較大載荷時，可用滾子軸承，或尺寸系列較大的軸承；受到較小載荷時，可用球軸承，或尺寸系列較小的軸承 2、考慮對軸承尺寸的限制 當對軸承的徑向尺寸嚴格限制時，可選用滾針軸承； 3、考慮軸承的轉速 一般來講，球軸承比滾子軸承能適應更高的轉速，輕系列的軸承比重系列的軸承能適應更高的轉速；此外，各類推力軸承的極限轉速很低，不易用于高轉速的情況。 4、考慮對軸承的調心性要求 調心球軸承和調心滾子軸承均能滿足一定的調心要求（即：軸心線與軸承座孔心線可適當偏轉），而圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、滾針軸承滿足調心要求的能力幾乎為零 根據(jù)各個軸承的特點以及選用原則，可以肯定我們初步選定的型號6004深溝球軸承滿足要求。 由于軸1所承載的載荷最大，且軸1的轉速最大，故軸1上的軸承最危險。若此軸承壽命滿足要求，則其它軸承亦可滿足要求。所選6004深溝球軸承的基本額定動載荷C為9.38kN假設鏈傳動的效率為0.9。 (3-26) (3-27) 顯然，軸承壽命滿足要求。 第4章 機器人行走跨越障礙機構設計 前面兩個側向小輪為主動輪，后面?zhèn)认蛐≥喞脧椈僧a(chǎn)生一定柔性，實現(xiàn)快速越障。 輛綠色小輪為支撐輪，支撐輪下部設有防墜落安全裝置，前端的小輪同時輾壓導線上的冰，達到二次除冰。 彈簧力可調節(jié)，實現(xiàn)自動越障 支撐輪越障情況，合理設計小輪現(xiàn)狀 側向輪越障情況 第5章 其它機構設計 4.1銑刀機構 銑冰刀前方有金屬檢測接近開關，當檢測到防震錘時，電磁鐵動作，帶動特殊契形塊驅動銑刀軸上臺 契形塊 電磁鐵 銑冰刀 由于步進電機具有控制較容易，維修也較方便，而且控制為全數(shù)字化的優(yōu)點。根據(jù)設計要求及實際情況我們選擇步進電機，選擇參數(shù)為:額定電壓、輸出扭矩和電機轉速等。擬采用的57系列兩相混和式步進電機使用24V電壓，本系統(tǒng)提供的24V直流電源可以滿足步進電機的工作需要。輸出扭矩與傳送帶和支撐板的摩擦力有關，主要由板料的重量和傳送帶的摩擦系數(shù)來確定，此外，還與傳送帶與滾輪之間的滑動摩擦力的作用有關，但由于滑動摩擦系數(shù)很小，雖然傳送帶與滾輪之間的張緊力很大，因此而帶來的滑動摩擦力卻很小，故忽略不計。計算過程如下: 則由曲線可得:當n=30r/min時，f=100HZ。 根據(jù)計算結果我們選擇電機型號為：57BYJ250C 第6章 數(shù)控硬件電路設計 對機床控制進行調整。任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成，在處理信息方面，軟件和硬件對要完成的任務是等價的，硬件處理速度快，線路復雜，軟件設計靈活，適應性強，但速度較慢。隨著高性能微處理器的誕生，現(xiàn)代數(shù)控已越來越傾向于軟件控制。 數(shù)控系統(tǒng)最核心的控制是位置控制，最重要的運算是插補運算，最主要的數(shù)據(jù)處理是刀具補償。位置控制的實質就是位置負反饋，即指令位置和實際位置進行比較，用位置偏差進行控制；插補運算就是根據(jù)加工程序所確定的坐標點，通過一定的運算法則實時獲得位置指令；刀具補償就是要解決編程軌跡和刀具中心不相符的矛盾。 6.1硬件電路設計 6.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結構 數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)其使用單片機結構的劃分，一般可分為單微處理器和多微處理器結構兩大類。單微處理器數(shù)控系統(tǒng)由于結構簡單，價格便宜，在一些標準型數(shù)控系統(tǒng)中應用廣泛。多微處理器數(shù)控系統(tǒng)可以滿足當今數(shù)控機床高速度、高精度和許多復雜功能的要求，代表當今數(shù)控發(fā)展的水平。根據(jù)設計任務要求，本設計將采用較經(jīng)濟的單微處理器數(shù)控結構，對于一般切削加工而言，其速度和精度已能滿足實際要求。 數(shù)控機床單微處理器硬件結構電路概括起來有以下幾個部分組成： （1）中央處理單元CPU； （2）總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線； （3）存儲器，包括只讀可編程存儲器和隨機讀寫存儲器； （4）輸入輸出接口電路； （5）外圍設備，如鍵盤、顯示器及光電編碼器等。 6.1.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能 根據(jù)設計要求，確定數(shù)控系統(tǒng)應具有以下功能： 讀取鍵盤輸入數(shù)據(jù)； 讀取操作面板開關及按鈕信號； 控制縱向、橫向電動機驅動； 控制主軸正轉、反轉與停止； (10) 控制交流變頻器； (11) 控制冷卻泵啟停； (12) 可與PC進行串行通信。 本次設計在采用8031作為主控芯片,采用兩片2764程序存儲器之外還擴展了一片6264數(shù)據(jù)存儲器,用一片74LS373鎖存P0口傳遞低8位地址,地址譯碼采用74LS138C3~8譯碼器;采用全地址碼,采用二個8155芯片,完成對執(zhí)行元件的控制。此外,還設有越界報警急停處理電路. 6.2關于各線路元件之間線路連接 8031芯片的P 和P用來傳送外部存儲器的地址和數(shù)據(jù), P口送的是8位地址, P口傳送低八位地址和數(shù)據(jù),故采用74LS373地址鎖存器,鎖存低八位地址,ALE作為首選通信號,當ALE為高電位,鎖存器的輸入輸出速度,即輸入的低八位地址在輸出端出現(xiàn),此時不需鎖存,當ALE從高電平變?yōu)榈碗娖?出現(xiàn)下降沿時,低八位地址在輸出端出現(xiàn),此時不需鎖存,當ACE這樣POD共組成16位地址,2764和6264芯片都是8KB,需要13根地址線, A~A低8位安74L373芯片的輸出,A~A按8031芯片的P~P系統(tǒng)采用全地址譯碼,兩片2764新片選信號CE分別按74LS138譯碼器的和,系統(tǒng)復位以后程序從0000H~開始執(zhí)行,6264芯片的片選信號CE地址按74LS138的,單片機的擴展系統(tǒng)允許程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址,8031芯片控制信號PSEN按2764的OE引腳,讀寫控制信號WR和RD分別按6264芯片內(nèi)部沿有ROM,始終要選片外程序存儲器,故按EA地址 由于8031只有P口和P口的部分能提供用戶作I/O接口使用,不能滿足輸入輸出口的需要,因此比喻擴展輸入輸出擴展電路.系統(tǒng)擴展3片8155可編程I/O接口芯片,8155(1)的片選信號按74LS138的端74LS138譯碼器有3個輸入A B C 分別按8031的 P P P8個輸出,低電平有效. 對應輸出A B C DE 000至111 8種現(xiàn)合.其中對應A B C 為111.74LS138有3個使能端,其中2個為低電平使能端,另一個為高電平使能端.只有當使能端均處于有效電平是,輸出才能產(chǎn)生,否則輸出才能處在高電平無效. I/O接口芯片與外設的聯(lián)接是這樣安排的.8155芯片PA作為顯示器段選信號, 輸出PA~P為顯示器的位選信號,輸出PC0~PC4 5根線是鍵盤輸入.8155芯片的20個引腳按8031芯片的P2.0,因此使用8155的I/O口時P2.0為高電平.8155(2),按X Z 向直流電機硬件環(huán)形分配器為輸出,系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼,各存儲器及I/O接口芯片.X向Z向直流電機硬件環(huán)形分配器采用YB0153-2相5相10拍方式工作,故 均按+5V,時鐘輸入端CP按8155芯片的TIME007用以決定脈沖分配器是如脈沖的頻率,為實現(xiàn)插補時不同的進給的速度,可給8155芯片定時/計數(shù)器中設置不同的常數(shù). 6.3關于電路原理圖的一些說明 在此電路圖中,還有其他功能電路,如報警電路,急停電路,復位電路,隔離電路,功效電路等,此外還有對自動回轉刀架,螺紋加工進行控制. 1、 復位電路 通常8031的復位有自動復位,和人工按鈕復位兩種,下面將分別顯示電路結構 （A）(A)上電復位電路 （B）開關復位電路 2、時鐘電路 時鐘電路如圖所示,XTAL和XTAL2為內(nèi)振蕩電路輸入線,這兩個端口用來外接石英晶體和微調電器,用來聯(lián)接8031片內(nèi)OSC的定時反饋回路. 3、 光電隔離電路 在直流電機驅動電路,脈沖分配器輸出的信號經(jīng)過放大后,控制直流電機的勵磁繞組.由于直流電機需要的驅動電壓數(shù)高,電流也較大,如果將I/O口輸出信號直接與功率放大電路相連,將引起電路干擾,輕則影響計數(shù)機程序的正常運行,重則導致接口電路的破壞.因此一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路,實行數(shù)控隔離使用最多的是光電耦合器.如下圖 光電耦合器是以發(fā)光二級管和光敏二級管組成,為輸入信號的輸入端時,發(fā)光二級管導通激發(fā)紅外光,受光三極管照射后,由于光敏效應產(chǎn)生光電流。通過輸出端輸出，從而實現(xiàn)了以光為信號的輸出，輸入端與輸出端在電器繪出一種光隔離輸出電路，當開關斷開，發(fā)光二級管不通，光敏三級管截止，輸出+5V高電平，當閉合，發(fā)光二級管導通，激勵輸出三級管導通。適當選擇電阻R，可使輸出三級管飽和，輸出0.3左右的TTL低電平。 隨著運行頻率的增高，直流電機輸出力矩C帶動負載的能力，這一產(chǎn)生的原因，作為功率放大器負載的直流電機是電感負載。當改變通電時，電流從零逐漸增大，產(chǎn)生感應電動勢使電流按指數(shù)規(guī)律上升。 4、鍵盤顯示 本次設計中，采用PC~~~PC 作為掃描口信號反向放大器按顯示器公共級，8031P口作為片選數(shù)據(jù)口。8155的PB~~PB作為行線輸入。基本工作原理如下： 鍵盤顯示口電路圖 當鍵松開時，測試信號為 1，鍵閉合，測試信號為0 ，當測試信號為1 則禁止，不能對鍵進行識別。 鍵盤是由若干個按鍵組成的開關陣列， 圖中行線通過電阻接+5V，當鍵盤上沿有閉和時，所有行線和列線都以斷開，行線PC~PCX是4根行線，PA0~PA7Ss是6 根列線，在行線與列線交叉點上安裝有鍵，PA口的6 根列線按一定的時間間隔輪流輸出低電平。當掃描到某一列線上時，若無鍵按下，則行線都是高電平；若有一鍵按下時，交叉點上對應的行線變?yōu)榈碗娖?。這個低電平信號被計算機捕獲后，根據(jù)此間對應的行線和列線的位置，計算機可以判斷出鍵值，完成控制。 5、越界報警電路 X，Z方向的越界和急停信號經(jīng)過門引入8031的P中斷原LNT，采用硬件申請中斷軟件查詢的方法。這樣無論哪個方向都能引起中斷，當X，Z等一越界，則相應的紅燈亮報警。 總結與展望 歷時多月的畢業(yè)設計接近尾聲了，我基本上圓滿完成了課題研究任務。此時回想過去的日子，感慨頗深。我基本上是按照我初定的計劃來開展的。設計過程也如我所料，遇到不少的問題。 在查閱資料學習階段，我認真閱讀了從各處借來的關于設計的書籍資料，重新溫習了我們以前所學過的《機械制圖》、《機械設計基礎》等相關課程，還常去閱覽室，查閱了大量的電氣控制、電路基礎等多方面的資料。經(jīng)過這一階段的學習，我對數(shù)控車床工作原理、相關電路知識及其電液控制方面有了大體的認識，這為接下來最主要的具體設計階段打下堅實的基礎。 具體設計階段是最主要，最重要，最艱難的階段。萬事開頭難，這一階段的第一個難點就是總體方案的確定。我是在深入了解了設計的原理意義的基礎上，認真研究以往的設計方案，再比較現(xiàn)在有車床數(shù)控化設計思路方法后，最終確定自己的設計方案的。我本以為總體方案確定后，接下來的設計應該就不難了，但真正的設計過程中的困難超出我的所料。不管是具體零部件分析選擇和計算校核，還是工作圖的繪制，我都遇到不少問題，充分暴露以往學習的知識缺漏，自己獨立解決實際問題能力的不足。幸好在此過程中常得到多位老師的指導、多位同學的幫助，讓我基本上解決了問題，完成了這一階段的設計。 最后的修階段。首先我自己先認真檢查修一遍自己的設計，包括裝配圖、電氣原理圖。然后交給指導老師，請他幫我檢查。指導老師經(jīng)過詳細的檢查后對我的設計給予詳細的、全面的批評指正和修建議。我根據(jù)指導老師的修建議，進行第二輪的修，修完后再請老師過目指導，直到指導老師認為基本沒什么錯誤為止。這一階段指導老師的點睛之筆是我設計不斷完善的關鍵，在此表示衷心的感謝！ 參考文獻 [1] 成大先.機械設計手冊(單行本)機械傳動[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004 [2] 濮良貴,紀名剛.機械設計(第七版)[M].北京:高等教育出版社,2001 [3] 劉鴻義.材料力學(第三版 上、下冊)[M].北京:高等教育出版社,1991 [4] 章日晉.機械零件的結構設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1981 [5]楊靖波，李正，等.2008年電網(wǎng)冰災覆冰及倒塔特征分析［J］.電網(wǎng)與水力發(fā)電進展，2008，24(4):04-08. 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