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2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
二級(jí)學(xué)院： 機(jī)電工程學(xué)院 班 級(jí)：
學(xué) 生： ? 學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師： 職 稱：
課題名稱
水下船舶清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
課題類型
t 畢業(yè)設(shè)計(jì) □ 畢業(yè)論文
課題內(nèi)容及其目標(biāo)(指標(biāo))要求
課題來(lái)源于常州太燁傳感科技有限公司。 船舶在長(zhǎng)期的航行中，水下部分的船體表面會(huì)附有貝類、藻類生物及生出銹斑，嚴(yán)重影響船舶的航行速度和使用壽命，還增加船舶的燃料消耗，所以定期清洗非常重要，人工清洗人員工作量大、難度大、效率低，目前中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于這方面的研究還很少，對(duì)于壁面清洗機(jī)器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墻壁等，但是對(duì)于船舶清洗研究的卻是很少，主要是因?yàn)榇扒逑词窃谒?，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮水的影響，密封性的要求，水下移動(dòng)、吸附等問題，增大了設(shè)計(jì)的難度。因此研制水下清洗機(jī)器人成為需要，水下船舶清洗機(jī)器人將大大提高船舶清洗的效率，減少工作量，減少工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗。該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要分成兩部分：一部分是移動(dòng)部分，另一部分是清洗部分。移動(dòng)部分主要解決的問題是機(jī)器人在曲面上的移動(dòng)，清洗部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用清洗盤的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)清洗。本課題主要內(nèi)容包括：國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)分析，總統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，水下船舶清洗機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝配圖零件圖的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
進(jìn)程安排
3-4周：進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，論文收集，熟悉課題，調(diào)查研究，收集資料，撰寫開題報(bào)告；
5-7周：總體方案擬定，功能原理設(shè)計(jì)，外文資料翻譯；
8-11周：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，總圖、部裝圖繪制；
12-13周：方案細(xì)化，總圖、部件圖審定、修改；
14-16周： 編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書；
17-18周： 提交修改畢業(yè)設(shè)計(jì)資料，準(zhǔn)備答辯。
指導(dǎo)教師： 胡少剛
2014年 1月 8日
系 主 任：
年 月 日
SJ003-1
2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
二級(jí)學(xué)院： 機(jī)電工程學(xué)院 班 級(jí)： 10機(jī)三
學(xué) 生： 把鵬程 學(xué) 號(hào)： 10010301
指導(dǎo)教師： 胡少剛 職 稱： 副教授
課題名稱
水下船舶清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
課題類型
t 畢業(yè)設(shè)計(jì) □ 畢業(yè)論文
起止時(shí)間
開題報(bào)告
（畢業(yè)設(shè)計(jì)：含課題來(lái)源及現(xiàn)狀、設(shè)計(jì)要求、工作內(nèi)容、設(shè)計(jì)方案、技術(shù)路線、預(yù)期目標(biāo)、時(shí)間安排及參考文獻(xiàn)等。字?jǐn)?shù)為3000以上。）
一、課題來(lái)源及現(xiàn)狀
1.1課題來(lái)源
課題來(lái)源于常州太燁傳感科技有限公司。 船舶在長(zhǎng)期的航行中，水下部分的船體表面會(huì)附有貝類、藻類生物及生出銹斑，嚴(yán)重影響船舶的航行速度和使用壽命，還增加船舶的燃料消耗，所以定期清洗非常重要，人工清洗人員工作量大、難度大、效率低，目前中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于這方面的研究還很少，對(duì)于壁面清洗機(jī)器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墻壁等，但是對(duì)于船舶清洗研究的卻是很少，主要是因?yàn)榇扒逑词窃谒拢O(shè)計(jì)時(shí)要考慮水的影響，密封性的要求，水下移動(dòng)、吸附等問題，增大了設(shè)計(jì)的難度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上5萬(wàn)噸以上的船占船舶總數(shù)的49.4%，這是一部分相當(dāng)大的業(yè)務(wù)對(duì)象。而我國(guó)雖有大連造船新廠等幾家擁有20萬(wàn)噸級(jí)以上的船塢，但還是與國(guó)外存在很大的差距，我國(guó)只有在修船效率上下功夫。
實(shí)現(xiàn)水下清刷作業(yè)的自動(dòng)化，用機(jī)器人來(lái)替代人的操作，將會(huì)大大節(jié)約勞動(dòng)力，降低潛水員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高修船效率。法國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家已開展了水下清刷設(shè)備的研究，但有的還是需要潛水員下水操作。為了提高修船效率、節(jié)約能源，提高我國(guó)在世界修船業(yè)中的地位，研制水下清洗機(jī)器人成為需要，水下船舶清洗機(jī)器人將大大提高船舶清洗的效率，減少工作量，減少工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗。該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要分成兩部分：一部分是移動(dòng)部分，另一部分是清洗部分。移動(dòng)部分主要解決的問題是機(jī)器人在曲面上的移動(dòng)，清洗部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用清洗盤的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)清洗。
水下清刷作業(yè)由于可以在艦船錨泊或?？看a頭時(shí)直接進(jìn)行，一方面減少了船舶的停航損失，另一方面也使得船舶的燃油水泵大大地降低。這樣可以解決船塢不足，特別是大塢嚴(yán)重不足的問題。眾所周知，修船期長(zhǎng)，船塢不足，缺少10噸以上的大塢是我國(guó)修船業(yè)發(fā)展的重要障礙。而船塢投資巨大，建設(shè)周期長(zhǎng)，為了提高塢修能力，近年來(lái)用于塢修機(jī)械化的投資介巨大。
1．2水下清刷技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況
水下清刷作業(yè)具有減小船舶阻力、減少航速損失和節(jié)約燃料等優(yōu)點(diǎn)，特別是在全球石油危機(jī)的影響下，船舶的水下清刷作業(yè)更是得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。
水下清刷技術(shù)的發(fā)展分為三個(gè)階段。第一階段為手工操作階段，由潛水員下水進(jìn)行清刷工作。第二階段為機(jī)械操作階段，由專用的清洗器、涂裝機(jī)等機(jī)械完成大型船舶的清刷任務(wù)，并具有較高的工作效率。第三階段為遙控機(jī)械或機(jī)器人作業(yè)階段，為在惡劣的海洋環(huán)境下開展工作提供了保障。
手工操作最早用于對(duì)較小船舶水下海生物的清洗，使用成形的氣動(dòng)或液壓清洗器由潛水員來(lái)操作完成。隨著大型船舶特別是大型油輪的出現(xiàn)，手工操作不能滿足高效率和質(zhì)量上的要求，從而出現(xiàn)了較為大型的機(jī)械裝置。如多刷清掃器、刷污車等。這一階段的快速發(fā)展一方面是由于大塢的數(shù)量滿足不了修船的需求，另一方面是航運(yùn)部門在石油危機(jī)、油價(jià)上漲的壓力下采取了縮減開支和降低油耗的措施。特別是船級(jí)社對(duì)船舶進(jìn)塢間隔期的規(guī)定放寬，允許用水下檢驗(yàn)代替兩年一次的中間檢驗(yàn)，使得水下清刷技術(shù)的應(yīng)用得到了多方認(rèn)可。在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步適應(yīng)海洋的惡劣環(huán)境和在低能見度的情況下工作，人們開始尋求自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)在水下的應(yīng)用，并取得了很大的進(jìn)步，在水下清刷作業(yè)方面已有較成功的設(shè)備被使用?，F(xiàn)在世界各地主要航線上都設(shè)有水下清刷維修站，如：美國(guó)東西海岸、夏威夷、加勒比海、意大利、由路特丹開始的西北歐、波斯灣、新加坡及日本等地都設(shè)有水下維修站。在國(guó)外。機(jī)器人作業(yè)裝置已經(jīng)日趨成熟并走向?qū)嵱没Ｄ壳俺Ｓ玫乃虑逅⒃O(shè)備有：
1．手持單刷機(jī)械：其結(jié)構(gòu)是由液壓或氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)一個(gè)毛刷，毛刷質(zhì)地根據(jù)船體污損情況選擇。作業(yè)方式是由潛水員手持轉(zhuǎn)刷，利用轉(zhuǎn)刷產(chǎn)生的負(fù)壓使之緊貼船體，推動(dòng)其向前運(yùn)動(dòng)即可。擁有這類產(chǎn)品的有：法國(guó)斯塔拉公司及奧切培列特公司、美國(guó)海軍等，日本MACSEA清洗系統(tǒng)中也有此類裝置，它可適用于小型船舶及小艦艇。
2．行走多刷式水下清掃裝置：1966年，英國(guó)船舶研究計(jì)劃中引入了水下清刷及維護(hù)項(xiàng)目，即SCAMP(Ship Cleaning and Maintenance Platform)。采用了水下運(yùn)載工具的設(shè)計(jì)原理，使裝置緊貼于船舷殼板做垂直或水平爬行，控制箱在工作艇上，遙控操作。它的工作部分由3個(gè)轉(zhuǎn)刷，3個(gè)行走輪和1個(gè)中心推進(jìn)器構(gòu)成。動(dòng)力源是液壓或氣動(dòng)的。法國(guó)的BK型、瑞典的曲雷耳和澳大利亞的Australian型的結(jié)構(gòu)與其大體相同。
3．噴射式清刷裝置：是把高壓水清洗用于水下作業(yè)，特點(diǎn)是為使噴槍緊貼于工作面，必須有一個(gè)反向射流，即使用無(wú)座力型噴槍，但這樣會(huì)增加能量消耗。英國(guó)流體力學(xué)研究協(xié)會(huì)(BHRA)的研究表明，使用高壓噴水器進(jìn)行清洗可顯著地提高清洗速率。這種裝置一般適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體，如：海洋平臺(tái)、螺旋槳等的清洗。
4．遙控型清洗器及水下清洗器的微機(jī)控制：美國(guó)Butterworth公司七十年代初研制成功SCAMP-A型清洗器，對(duì)于寒冷海域及能見度低的水質(zhì)情況下進(jìn)行清掃優(yōu)點(diǎn)顯著，其運(yùn)動(dòng)精度低，在船體曲度變化大的部位仍需潛水員下水糾正。法國(guó)七十年代末到八十年代初研制了水下清掃機(jī)器人裝置，由計(jì)算機(jī)控制并取得了良好的效果。日本在這方面也開展了大量的研究，取得了成功經(jīng)驗(yàn)。
在國(guó)內(nèi)，水下清刷作業(yè)自1983年在湛江、廈門、天津、秦皇島、煙臺(tái)、大連等地建立了由救撈部門開展的業(yè)務(wù)以來(lái)，做了一定的工作，并引進(jìn)了幾臺(tái)設(shè)備，但實(shí)際應(yīng)用中存在著許多問題和困難，業(yè)務(wù)量較少。主要是在夏季水溫較高時(shí)和在海水可見度高的港口才可以使用，有很大的局限性。主要方式是潛水員水下手工作業(yè)，與國(guó)外的無(wú)潛水員遙控操作形成了鮮明的對(duì)比。
上海救撈局有關(guān)廠曾對(duì)進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行過研究，并仿制了單刷式清掃器，但效果不好，對(duì)于更高層次的產(chǎn)品研究則更少。目前我國(guó)船體表面的清理工作主要是在船塢里進(jìn)行噴砂和高壓水沖洗，如圖所示的是在船塢里對(duì)船體表面進(jìn)行噴砂處理，作業(yè)環(huán)境污染相當(dāng)嚴(yán)重。所以急需研制水下船體表面清刷機(jī)器人。
二、設(shè)計(jì)要求
課題設(shè)計(jì)中結(jié)合文獻(xiàn)分析,盡量提出多種結(jié)構(gòu)和控制部分的設(shè)計(jì)方案,分析比較,完善水下清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).
適當(dāng)建立模型,對(duì)于主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并運(yùn)用有限元分析法進(jìn)行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力和變形分析.
三、工作內(nèi)容
水下船體清刷機(jī)器人的主要任務(wù)是完成水下船體表面附著海生物的清除，其工作面是船體表面。水下清刷裝置是水下船體表面清刷機(jī)器人的關(guān)鍵部件，是用來(lái)完成水下船體表面清刷的作業(yè)工具。水下清刷裝置的好壞直接決定水下船體表面清刷機(jī)器人的清刷效果。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，帶來(lái)了遠(yuǎn)洋運(yùn)輸事業(yè)的飛速發(fā)展，船舶作為海上交通運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ哒l(fā)揮著越來(lái)越大的作用。但海水的強(qiáng)腐蝕性和海洋生物的強(qiáng)附著力，使得船體表面附著難以清除的貝類、銹皮和銹斑等，為了延長(zhǎng)船舶的使用壽命，保證船舶的安全運(yùn)行，船舶必須定期進(jìn)塢進(jìn)行檢驗(yàn)。這就存在著修船期長(zhǎng)，船塢不足的問題，同時(shí)也增加了船舶的非營(yíng)運(yùn)時(shí)間和燃油的消耗。所以開展船舶水下清刷作業(yè)，提高水下清刷作業(yè)的自動(dòng)化水平，是目前急需解決的問題。本課題完成機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要分成兩部分：一部分是移動(dòng)部分，另一部分是清洗部分.移動(dòng)部分主要解決的問題是機(jī)器人在曲面上的移動(dòng)，現(xiàn)如今主要的移動(dòng)機(jī)構(gòu)都只是適應(yīng)機(jī)器人在平面上的移動(dòng)，而在曲面上的移動(dòng)卻研究的很少。該課題研究試圖提出利用球連接來(lái)適應(yīng)曲面的移動(dòng)，采用三個(gè)支撐點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)是固定的，而第三個(gè)是利用球連接，同時(shí)采用大小兩個(gè)三角吸盤，循環(huán)移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)，當(dāng)然該機(jī)構(gòu)也不可避免的存在一些問題。.清洗部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用清洗盤的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)清洗。本次設(shè)計(jì)主要完成這兩部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)完成二維圖和運(yùn)動(dòng)仿真.
四、設(shè)計(jì)方案和技術(shù)路線
機(jī)器人要完成在船體表面的爬行，一方面通過電磁吸附吸附在船體上，同時(shí)機(jī)器人在船體上要完成移動(dòng)。
爬行部分主要解決兩個(gè)問題，一個(gè)問題是機(jī)器人在曲面的移動(dòng)，另一個(gè)問題是機(jī)器人在船體表面的吸附.
對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人現(xiàn)在的研究主要集中在平面里的移動(dòng)，例如清洗玻璃的機(jī)器人，在玻璃上爬行，清洗管道的機(jī)器人等等.下面是現(xiàn)在已經(jīng)存在的幾種機(jī)器人及其移動(dòng)方案：
多吸盤真空吸附式壁面清洗機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人用于清洗高空玻璃，傳統(tǒng)的清洗方法是靠升降平臺(tái)或吊籃承載清潔工進(jìn)行玻璃幕墻的清洗 ,雖簡(jiǎn)便易行,但勞動(dòng)強(qiáng)度大,工作效率又低 ,屬于高空極限作業(yè) ,對(duì)人身安全及玻璃壁面都有很大的危險(xiǎn)性.該機(jī)器人可以代替人工清洗.
考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中的一些特點(diǎn)以及對(duì)壁面清洗機(jī)器人的要求 ,該壁面清洗機(jī)器人多采用真空式吸附方式。另外，塢內(nèi)清刷也可在船塢里進(jìn)行船體表面的高壓水清洗和噴砂(丸)處理。
1．高壓水清洗
高壓水清洗是一種既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的表面處理手段，在工業(yè)和海洋工程中得到了廣泛的應(yīng)用。高壓水清洗對(duì)環(huán)境沒有灰塵產(chǎn)生，可以方便、快速而又經(jīng)濟(jì)回收清理物，而且舊涂膜表面清潔處理不用擔(dān)心引起涂膜受沖擊而裂開。但清洗船體表面的海洋附著物為海蝠等貝類時(shí)，清洗效果并不理想。
2．噴砂
噴砂是以壓縮空氣為動(dòng)力，將磨料以一定速度噴向被處理的船體表面，對(duì)船體表面產(chǎn)生沖擊和切削作用，以除去氧化皮、鐵銹和海洋污損物的一種有效的表面處理方法。絕大多數(shù)噴砂處理需要工人參與，噴砂的扶塵大、噪聲高還有一定的危險(xiǎn)性。
機(jī)器人系統(tǒng)可以采用由機(jī)械本體、清刷作業(yè)裝置和控制系統(tǒng)三部分組成的方案，其已有的系統(tǒng)方案見下圖：
其工作原理為：在船體甲板上放置有一個(gè)可自由移動(dòng)的運(yùn)載小車，它可使機(jī)器人自動(dòng)爬上或爬下船體表面，克服由于機(jī)器人具有的永久吸力帶來(lái)的放上取下的不便，并起到運(yùn)輸作用。小車上有控制柜、CRT顯示器、動(dòng)力源及卷?yè)P(yáng)裝置。動(dòng)力源為水下機(jī)器人的移動(dòng)和清刷作業(yè)提供動(dòng)力，卷?yè)P(yáng)裝置隨著機(jī)器人的上下移動(dòng)及時(shí)地收放保護(hù)纜繩，為機(jī)器人提供安全保障條件，同時(shí)為機(jī)器人輸送動(dòng)力和控制電纜。顯示器通過安裝在機(jī)器人本體上的攝像機(jī)，實(shí)時(shí)地顯示機(jī)器人的工作環(huán)境，便于操作者及時(shí)了解機(jī)器人的工作狀態(tài)。機(jī)器人從運(yùn)載小車爬上船體，先按從上至下的路徑移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)船的底部時(shí)，機(jī)器人旋轉(zhuǎn)180 ，然后再?gòu)南轮辽弦苿?dòng)。
五、預(yù)期目標(biāo)
1、完成機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使所設(shè)計(jì)的機(jī)器人達(dá)到所需要的使用功能，結(jié)構(gòu)科學(xué)合理。
2、設(shè)計(jì)對(duì)象的測(cè)試與性能評(píng)價(jià)符號(hào)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
3、通過畢業(yè)設(shè)計(jì)訓(xùn)練，提高設(shè)計(jì)計(jì)算繪圖能力，提升分析問題、解決問題能力。
六、時(shí)間安排
3-4周：進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，論文收集，熟悉課題，調(diào)查研究，收集資料，撰寫開題報(bào)告；
5-7周：總體方案擬定，功能原理設(shè)計(jì)，外文資料翻譯；
8-11周：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，總圖、部裝圖繪制；
12-13周：方案細(xì)化，總圖、部件圖審定、修改；
14-16周： 編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書；
17-18周： 提交修改畢業(yè)設(shè)計(jì)資料，準(zhǔn)備答辯。
七、參考文獻(xiàn)
1、王麗惠.水下船體表面清刷機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)研究.哈爾濱工程人學(xué)博士論文 2002.6
2、尹龍. 船體表面水下清刷機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究.哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2004.2
劉淑霞，趙炎正等.高樓壁面清洗機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)的研究.自動(dòng)化博覽. 1999
邵浩，趙言正等. 爬壁機(jī)器人在弧面上爬行時(shí)的吸附穩(wěn)定性分析.機(jī)器人 2000
在我國(guó)開展船舶水下維修的可行性．中船總平臺(tái)公司.1990
沈?yàn)槊?，潘渙渙等.水冷壁清掃檢測(cè)爬壁機(jī)器人.機(jī)器人. 1999
指導(dǎo)教師意見（對(duì)課題的深度、廣度及工作量的意見，設(shè)計(jì)的結(jié)果預(yù)測(cè)或論文的可行性評(píng)價(jià)）：
指導(dǎo)教師： 年 月 日
系部意見：
系主任： 年 月 日
注：開題報(bào)告作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一，應(yīng)在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，由學(xué)生填寫，經(jīng)導(dǎo)師簽署意見及系部審核后生效。
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 課題研究的目的和意義 1
1.3 現(xiàn)狀 2
第2章 總體方案設(shè)計(jì) 12
2.1 設(shè)計(jì)的基本要求 12
2.1.1 工藝范圍 12
2.1.2 進(jìn)給方案的選取 12
2.1.3 吸附結(jié)構(gòu) 13
第3章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 14
3.1 切削力的計(jì)算 14
3.2 絲杠螺母的設(shè)計(jì)與計(jì)算 14
3.2.1 強(qiáng)度驗(yàn)算 14
3.2.2 效率計(jì)算 15
3.2.3 剛度驗(yàn)算 15
3.2.4 穩(wěn)定性驗(yàn)算 16
3.3 電機(jī)的選擇 17
3.3.1 計(jì)算傳動(dòng)比 17
3.3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 18
3.3.3 所需傳動(dòng)力矩計(jì)算 18
3.3.4 電機(jī)的選擇 19
3.4 軸承的選用與校核 20
3.4.1 角接觸球軸承的選擇 20
3.4.2 深溝球軸承的選擇 21
結(jié)論 22
致謝 23
參考文獻(xiàn) 24
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- I -
第1章 緒論
1.1 課題背景
課題來(lái)源于常州太燁傳感科技有限公司。 船舶在長(zhǎng)期的航行中，水下部分的船體表面會(huì)附有貝類、藻類生物及生出銹斑，嚴(yán)重影響船舶的航行速度和使用壽命，還增加船舶的燃料消耗，所以定期清洗非常重要，人工清洗人員工作量大、難度大、效率低，目前中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于這方面的研究還很少，對(duì)于壁面清洗機(jī)器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墻壁等，但是對(duì)于船舶清洗研究的卻是很少，主要是因?yàn)榇扒逑词窃谒拢O(shè)計(jì)時(shí)要考慮水的影響，密封性的要求，水下移動(dòng)、吸附等問題，增大了設(shè)計(jì)的難度。因此研制水下清洗機(jī)器人成為需要，水下船舶清洗機(jī)器人將大大提高船舶清洗的效率，減少工作量，減少工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗。該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要分成兩部分：一部分是移動(dòng)部分，另一部分是清洗部分。移動(dòng)部分主要解決的問題是機(jī)器人在曲面上的移動(dòng)，清洗部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用清洗盤的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)清洗。本課題主要內(nèi)容包括：國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)分析，總統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，水下船舶清洗機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝配圖零件圖的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1.2 課題研究的目的和意義
船舶正常工作時(shí)總有一部分沉在水下，常年累月，在水下的船體表面會(huì)附著一些貝類、藻類等生物，嚴(yán)重影響船舶的航行速度和使用壽命，還增加了船舶的燃料消耗，所以每隔一段時(shí)間就要對(duì)船舶進(jìn)行清洗.但傳統(tǒng)的清洗方法是工人要潛入水里才能對(duì)船舶進(jìn)行清洗，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性，工作量大，難度大.因此研究水下清洗機(jī)器人成為必要.本設(shè)計(jì)的研究目的就是在于制造出一種在水下可以游動(dòng)并且可以吸附在船體上的清洗機(jī)器人.一方面機(jī)器人可以像魚類一樣在水下自由的游動(dòng);另一方面該機(jī)器人可以通過電磁吸附吸附在船體上并且通過移動(dòng)裝置在船體上爬行，同時(shí)進(jìn)行清洗.因此該機(jī)器人代替了人工潛入水下進(jìn)行清洗，減少了工人的工作量，減輕了工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了水下船舶清洗的自動(dòng)化，同時(shí)對(duì)于爬行機(jī)器人在曲面上的移動(dòng)提出了一種新的爬行方式，具有重要意義.。
1.3 現(xiàn)狀
目前中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于這方面的研究還很少，對(duì)于壁面清洗機(jī)器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墻壁等，但是對(duì)于船舶清洗研究的卻是很少，一方面船舶清洗是在水下，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮水的影響，密封性的要求，水下移動(dòng)、吸附等問題，增大了設(shè)計(jì)的難度，目前國(guó)內(nèi)有哈爾濱工業(yè)大學(xué)于 2003 年研制出了一種水下清洗機(jī)器人，采用履帶式移動(dòng)方式，吸附在船體上清洗船舶.國(guó)外一些國(guó)家也開始研究清洗機(jī)器人，主要是壁面清洗機(jī)器人的研究，都取得一些成績(jī)，但是在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和清洗功能的技術(shù)理論和實(shí)踐上仍需要經(jīng)歷一段成熟期.
對(duì)于清洗機(jī)器人的研究，尤其是水下清洗機(jī)器人，目前仍然是處于開始期，還有很多關(guān)鍵的技術(shù)需要解決，并且水下清洗機(jī)器人作為一種新的清洗概念和作業(yè)方式，還有很長(zhǎng)一段路要走，但是隨著中國(guó)航海事業(yè)的發(fā)展，船舶的排水量的增加，水下船舶部分的清洗也將是一項(xiàng)很繁重的任務(wù)，如果實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗，將大大提高效率，減輕工作量，所以水下清洗機(jī)器人有著很好的發(fā)展前景.
爬行方案
機(jī)器人要完成在船體表面的爬行，一方面通過電磁吸附吸附在船體上，同時(shí)機(jī)器人在船體上要完成移動(dòng).
爬行部分主要解決兩個(gè)問題，一個(gè)問題是機(jī)器人在曲面的移動(dòng)，另一個(gè)問題是機(jī)器人在船體表面的吸附.
爬行方案
對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人現(xiàn)在的研究主要集中在平面里的移動(dòng)，例如清洗玻璃的機(jī)器人，在玻璃上爬行，清洗管道的機(jī)器人等等.下面是現(xiàn)在已經(jīng)存在的幾種機(jī)器人及其移動(dòng)方案：多吸盤真空吸附式壁面清洗機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人用于清洗高空玻璃，傳統(tǒng)的清洗方法是靠升降平臺(tái)或吊籃承載清潔工進(jìn)行玻璃幕墻的清洗 ,雖簡(jiǎn)便易行,但勞動(dòng)強(qiáng)度大,工作效率又低 ,屬于高空極限作業(yè) ,對(duì)人身安全及玻璃壁面都有很大的危險(xiǎn)性.該機(jī)器人可以代替人工清洗.
考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中的一些特點(diǎn)以及對(duì)壁面清洗機(jī)器人的要求 ,該壁面清洗機(jī)器人多采用真空式吸附方式.
下面是幾種移動(dòng)方案：
1）
圖1
圖 1 為機(jī)器人的本體機(jī)構(gòu)模型 ,它由 2 個(gè)外形 基本一樣的框架構(gòu)成.每個(gè)框架下有 3 條腿 ,各由提升氣缸組成 ,每條腿下部有 1 個(gè)吸盤組.氣缸伸縮時(shí) ,吸盤便接觸、脫離壁面. 下框架下部安裝有 1 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)氣缸 ,使得 2 個(gè)框架可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度.2 個(gè)框架中間有 1 個(gè)可以相對(duì)下框架旋轉(zhuǎn)的圓盤 ,圓盤上有 1 個(gè)氣缸和 2 個(gè)導(dǎo)軌.機(jī)器人可以沿著和2 個(gè)框架之間的導(dǎo)軌平行的方向做直線運(yùn)動(dòng).
圖2
運(yùn)動(dòng)初態(tài)如圖 2.2a 所示 ,運(yùn)動(dòng)開始上框架的腿部吸盤先脫離吸附 ,提升氣缸縮回 ,這就完成了機(jī)器人腿部的縮回.然后2框架之間的氣缸伸出 ,上框架便沿著軌道方向相對(duì)下框架運(yùn)動(dòng).運(yùn)動(dòng)到位后 ,上框架 3 提升氣缸伸出 ,吸盤吸附工作表面 ,如圖 2.2b.隨后下框架的吸盤松開 ,提升氣缸縮回 ,2 框架之間的氣缸縮回 ,下框架便沿著導(dǎo)軌方向靠攏上框架 ,直到恢復(fù)到如圖 2.2c 所示樣式.這樣便完成了1個(gè)工作循環(huán). 該機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)是利用汽缸，吸附是利用真空吸附.
2）
圖3
圖2.3所示是另一種移動(dòng)裝置，它由八個(gè)吸盤組成，外面有四個(gè)，里面有四個(gè)，并且里面四個(gè)吸盤可以通過支撐桿和滾珠絲杠移動(dòng)，其中吸盤是靠真空吸附.
圖4
圖4表示了爬壁機(jī)器人的直線行走過程.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使后足的立足點(diǎn)選擇在前足已用過的立足點(diǎn)上,從而減少對(duì)障礙的判斷次數(shù)以提高行走速度.圖 4(a)表示為機(jī)器人的初始狀態(tài),氣缸小行程伸出,吸盤處于全吸狀態(tài),滑塊處于中位;圖 4(b)表示外側(cè) 4個(gè)吸盤吸附不動(dòng)對(duì)內(nèi)側(cè) 4個(gè)吸盤進(jìn)行真空破壞,使其吸盤松開,內(nèi)側(cè)氣缸縮回;圖 4(c)表示前進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾珠絲杠上的滑塊前進(jìn),滑塊和內(nèi)框架一體隨之前進(jìn);圖4(d)表示內(nèi)側(cè)氣缸伸 出,內(nèi)側(cè) 4個(gè)吸盤與壁面接觸,產(chǎn)生真空吸附在壁面上圖 4(e)表示內(nèi)側(cè) 4個(gè)吸盤吸附不動(dòng),對(duì)外側(cè) 4個(gè)吸盤進(jìn)行真空破壞,使其松開,外側(cè)氣缸縮回;圖 4(f)表示前進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)滾珠絲杠前進(jìn),帶動(dòng)外框架隨之前進(jìn);圖 4(g)表示外側(cè)氣缸伸出,外側(cè) 4吸盤與壁面接觸,產(chǎn)生真空吸附在壁面上,此時(shí)內(nèi)外框架 8個(gè)吸盤全處于吸附狀態(tài),機(jī)器人開始下一運(yùn)動(dòng)循環(huán).以上是爬壁機(jī)器人的一個(gè)步進(jìn)過程,如此不斷循環(huán),就實(shí)現(xiàn)了爬壁機(jī)器人的連續(xù)前行.
圖5
該機(jī)器人主要由一個(gè)主體氣缸、兩個(gè)縱向吸盤提升氣缸、一個(gè)橫向吸盤提升氣缸、兩組橫向吸盤組以及兩組縱向吸盤組構(gòu)成.
圖6
圖6為多足爬壁機(jī)器人一個(gè)步距的行走流程圖.以向前運(yùn)動(dòng)為例, 初始狀態(tài)是機(jī)器人處于靜止的狀態(tài), 這時(shí)機(jī)器人可以通過攜帶的探頭對(duì)管壁進(jìn)行清掃和檢測(cè).機(jī)器人處于初始狀態(tài)時(shí), 橫向和縱向的真空吸盤都處于提供真空狀態(tài)下, 橫向吸盤提升氣缸處于縮回狀態(tài), 縱向吸盤提升氣缸處于伸出狀態(tài).當(dāng)縱向吸盤釋放真空, 縱向吸盤提升氣缸縮回時(shí), 橫向真空吸盤處于吸附狀態(tài), 此時(shí)主氣缸缸筒是固定的, 在壓縮空氣驅(qū)動(dòng)下, 活塞桿向前運(yùn)動(dòng)一定距離, 隨后縱向吸盤提升氣缸伸出, 縱向吸盤提供真空吸附; 當(dāng)橫向吸盤釋放真空, 橫向吸盤提升氣缸縮回時(shí), 縱向真空吸盤處于吸附狀態(tài), 此時(shí)主氣缸活塞桿是固定的, 在壓縮空氣驅(qū)動(dòng)下, 氣缸筒向前運(yùn)動(dòng)一定距離, 且橫向吸盤提升氣缸伸出, 橫向吸盤提供真空吸附, 完成一個(gè)行走過程.
4）目前國(guó)內(nèi)關(guān)于水下船舶清洗機(jī)器人的研究只有哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出一種水下清洗機(jī)器人，他們的移動(dòng)是靠履帶完成的，采用永磁吸附，雙履帶機(jī)構(gòu)，
圖7
機(jī)器人的吸附機(jī)能是由固定在履帶鏈條外翼板上的磁吸附塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的.由鏈條的鏈節(jié)數(shù)決定了每條履帶上每隔一個(gè)鏈節(jié)安裝一個(gè)磁塊,則履帶一周上均勻鑲嵌有21個(gè)橡膠封裝的永磁體塊.在履帶移動(dòng)的過程中,保證每條履帶上有8個(gè)磁塊與容器表面處于良好的吸附狀態(tài),并形成足夠的磁力將機(jī)器人吸附在容器表面上,實(shí)現(xiàn)吸附功能.在移動(dòng)的初始時(shí)刻,調(diào)整兩條履帶上的磁塊處于相同的狀態(tài),然后由伺服電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)力矩經(jīng)減速器減速后驅(qū)動(dòng)主動(dòng)鏈輪,進(jìn)而帶動(dòng)履帶表面的磁塊在容器表面上交替吸附,周而復(fù)始,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在容器表面上的移動(dòng).
吸附方案
吸附方式主要有兩種：真空吸附和磁吸附.
1、真空吸附裝置
真空吸附裝置也稱真空吸盤，在壁面移動(dòng)機(jī)器人中主要用于非磁性壁面上的作業(yè)，如墻壁、玻璃面、非磁性金屬壁面等.
真空吸盤是在利用吸盤內(nèi)的壓力與大氣壓之間的壓力差而實(shí)現(xiàn)吸附的，真空的產(chǎn)生可以通過真空泵、壓縮空氣或排風(fēng)機(jī)等.用真空泵或用壓縮空氣產(chǎn)生真空的吸盤，一般真空度較高.由排風(fēng)機(jī)產(chǎn)生真空的吸盤，一般真空度較低.
2、磁吸附裝置
磁吸附壁面移動(dòng)機(jī)器人用于鐵磁性壁面上的作業(yè).磁吸附裝置的吸附由電磁鐵、永磁鐵來(lái)產(chǎn)生.
電磁式吸附利用直流或交流磁鐵的磁場(chǎng)吸力把對(duì)象物吸住.當(dāng)切斷電流時(shí)，磁場(chǎng)消失，對(duì)象物即被釋放.本機(jī)構(gòu)就是利用電磁吸附，當(dāng)磁鐵不通電時(shí)，吸盤沒有吸力，當(dāng)通電時(shí)，吸盤具有吸力.先給大吸盤通電，具有磁性吸附在船體上，然后斷電，磁性消失，這時(shí)再給小吸盤通電，吸盤具有磁性，小吸盤吸附在船體上，循環(huán)吸附.于此同時(shí)移動(dòng)部分利用 間隙時(shí)間移動(dòng).
永磁吸附是利用永磁鐵來(lái)產(chǎn)生磁性吸附，永磁吸附所產(chǎn)生的磁性一直存在，所以移動(dòng)部分就一直在被吸附物體上，哈工大所研制的清洗機(jī)器人就是利用永磁吸附，利用雙履帶移動(dòng)方式，一直吸附在船體上移動(dòng). 本機(jī)構(gòu)是利用機(jī)器人的行走完成移動(dòng)，所以采用真空吸附
清洗方案
清洗方案的選擇，清洗的對(duì)象是船體表面，包括清洗船體表面附著的一些貝類、藻類等生物，需要一定的清洗力.同時(shí)考慮機(jī)器人的本身尺寸大少，清洗圓盤不易過大，并且驅(qū)動(dòng)要簡(jiǎn)單、可行.下面是現(xiàn)存的一些清洗工具：
1）公路圓盤洗
該清洗盤用于公路的清洗，主要清洗路面的塵土和垃圾，所以尺寸很大，所需力要求不大，轉(zhuǎn)速在100r/min左右，本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)容易設(shè)計(jì)，同時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)所需功能.
圖8
2）滾筒刷
滾筒刷尺寸小，清洗的力不大，靠滾動(dòng)來(lái)完成清洗，一般用于手動(dòng)，主要用于清洗玻
璃等比較光滑的表面，清洗力不是很大，并且是靠滾來(lái)完成的.
圖9
目前市場(chǎng)上主要有這兩種清洗設(shè)備，比較兩種設(shè)備，第一種要靠電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，第二種主要是靠手動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)清洗；兩種清洗都不需要很大的力，轉(zhuǎn)速不需要很快；第一種尺寸很大，主要清洗路面，所以尺寸比較大，第二種尺寸相對(duì)很小. 考慮以上特點(diǎn)，本機(jī)器人的清洗機(jī)構(gòu)選擇第一種，但是尺寸選擇變小，利用小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，考慮清洗的力矩及所需轉(zhuǎn)速，選擇轉(zhuǎn)速為40r/min，清洗面積大約為500平方毫米.對(duì)清洗盤的設(shè)計(jì)主要是選擇合適得材料、毛刷來(lái)清洗船體表面，船體表面的污染物對(duì)船體有一點(diǎn)的吸附力，普通的毛刷不容易將其刷下，容易變形，考慮這些因素，選擇鐵絲刷，鐵絲具有一定的硬度，不容易變形，現(xiàn)在市場(chǎng)上也可以買到。
第2章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)的基本要求
2.1.1 工藝范圍
船舶在長(zhǎng)期的航行中，水下部分的船體表面會(huì)附有貝類、藻類生物及生出銹斑，嚴(yán)重影響船舶的航行速度和使用壽命，還增加船舶的燃料消耗，所以定期清洗非常重要，人工清洗人員工作量大、難度大、效率低，目前中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于這方面的研究還很少，對(duì)于壁面清洗機(jī)器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墻壁等，但是對(duì)于船舶清洗研究的卻是很少，主要是因?yàn)榇扒逑词窃谒?，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮水的影響，密封性的要求，水下移動(dòng)、吸附等問題，增大了設(shè)計(jì)的難度。因此研制水下清洗機(jī)器人成為需要，水下船舶清洗機(jī)器人將大大提高船舶清洗的效率，減少工作量，減少工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗。該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要分成兩部分：一部分是移動(dòng)部分，另一部分是清洗部分。移動(dòng)部分主要解決的問題是機(jī)器人在曲面上的移動(dòng)，清洗部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用清洗盤的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)清洗。本課題主要內(nèi)容包括：國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)分析，總統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，水下船舶清洗機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝配圖零件圖的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2.1.2 進(jìn)給方案的選取
比較現(xiàn)有移動(dòng)方案，可以看出移動(dòng)的實(shí)現(xiàn)主要都是依靠?jī)蓚€(gè)相似的機(jī)構(gòu)分別移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，而驅(qū)動(dòng)大多是利用汽缸來(lái)驅(qū)動(dòng).哈工大的水下清洗機(jī)器人的移動(dòng)是靠雙履帶來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，利用永磁吸附，一直緊貼在船體上移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)利用電機(jī)驅(qū)動(dòng).除哈工大的水下機(jī)器人外，其他機(jī)器人的移動(dòng)主要是適應(yīng)平面移動(dòng)，而對(duì)于在曲面上的移動(dòng)涉及的比較少，本機(jī)器人的移動(dòng)參考以上幾種機(jī)器人的移動(dòng)方式加已改進(jìn)，具有一定的適應(yīng)性.移動(dòng)方案也是采用兩個(gè)相似的機(jī)構(gòu)，循環(huán)前進(jìn)，驅(qū)動(dòng)是利用電機(jī)帶動(dòng)齒輪在通過絲杠螺母來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)連個(gè)相似機(jī)構(gòu)的前后運(yùn)動(dòng).如圖10所示，
2.1.3 吸附結(jié)構(gòu)
真空吸附裝置也稱真空吸盤，在壁面移動(dòng)機(jī)器人中主要用于非磁性壁面上的作業(yè)，如墻壁、玻璃面、非磁性金屬壁面等. 本機(jī)構(gòu)用真空吸盤，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需油缸的伸出和縮進(jìn)，完成吸附工作。
第3章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 切削力的計(jì)算
查表所得進(jìn)的力為從《設(shè)計(jì)手冊(cè)》中可得知，在一般徑向載荷：
軸向載荷：
?。?,
3.2 絲杠螺母的設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.2.1 強(qiáng)度驗(yàn)算
綜合絲杠的軸向工作負(fù)載采用下面公式計(jì)算：
（4-1）
查《設(shè)計(jì)手冊(cè)》知：
——顛覆力矩影響系數(shù)，采用雙三角形導(dǎo)軌時(shí)，取=1.2；
——當(dāng)量摩擦因數(shù)，三角形導(dǎo)軌時(shí)，取=0.1；
——導(dǎo)軌承受的重力，估計(jì)重為80kg，故
由公式（4—1）得：
計(jì)算最大動(dòng)載荷Ca：
（4-2）
其中，為壽命值，為當(dāng)量轉(zhuǎn)速，可由下列公式計(jì)算：
（4-3）
（4-4）
式中 ——絲杠推薦壽命，h；查《設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7-55得，壽命；
——滾珠絲杠導(dǎo)程，mm；初選=10mm；
——最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的1/2~1/3，此處取1/2，=7.6；
——負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7-53得按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取1.2~1.5，取=1.2；
——絲杠壽命，以106轉(zhuǎn)為單位。
由公式（4—2），（4—3），（4—4）可得：
=23.2KN
根據(jù)額定最大動(dòng)載荷，選擇滾珠絲杠型號(hào)，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7-61，選用FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)反向器雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副，其型號(hào)為FD4010-4-P2，公稱直徑，絲杠導(dǎo)程為10mm，額定動(dòng)載荷為40KN，大于23.2KN。滿足強(qiáng)度要求。
3.2.2 效率計(jì)算
根據(jù)機(jī)械原理公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：
（4-5）
式中 ——摩擦角， ；
——螺旋升角，可由下列公式計(jì)算：
其中，=32mm為絲杠公稱直徑，=10mm為絲杠導(dǎo)程。
由公式（4—5）得：。
3.2.3 剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠在軸向力作用下產(chǎn)生拉伸或壓縮，在扭矩的作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)，這將引起絲杠導(dǎo)程的變化，從而影響其傳動(dòng)精度及定位精度，因此滾珠絲杠應(yīng)驗(yàn)算滿載時(shí)的變形量。
滾珠絲杠在軸向力作用下的變形量為：
（4-6）
式中 ——工作負(fù)載,N；；
——滾珠絲杠的導(dǎo)程,mm；=10mm；
——絲杠材料的彈性模量,N/mm2；；
——滾珠絲杠內(nèi)徑截面積,mm2。
絲杠滾珠直徑：
滾道半徑：
偏心距：
滾珠絲杠內(nèi)徑：
滾珠絲杠截面積：
由公式（4—6）得：mm
因扭矩M引起的導(dǎo)程變形量很小，可忽略，即，
所以絲杠長(zhǎng)度為1000mm時(shí)，導(dǎo)程變形總誤差為:
μm/m
對(duì)絲杠精度等級(jí)為：1、2、3、4、5級(jí)，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7-22，絲杠每1m長(zhǎng)度上允許的變形量不大于5、10、15、30、60μm/m，對(duì)不滿足剛度要求時(shí)，可采取預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)，加大絲杠直徑等措施。本設(shè)計(jì)采用4級(jí)精度，，故剛度足夠。
3.2.4 穩(wěn)定性驗(yàn)算
進(jìn)給行程較長(zhǎng)受力較大，為提高剛度減小機(jī)床自身的誤差，采用兩端軸向固定的支撐方式，如圖4-1所示：絲杠螺紋部分長(zhǎng)度，等于工作臺(tái)最大行程加螺母長(zhǎng)度加兩端余程。工作臺(tái)行程為=650mm，螺母長(zhǎng)度為150mm，查表3.7-25，導(dǎo)程為10mm時(shí)，余程為40mm，因此絲杠螺紋部分長(zhǎng)度mm。
絲杠支撐跨距，應(yīng)略大于，取為=1100mm
其中 ——核算壓桿穩(wěn)定性的支承距離,mm；
——核算臨界轉(zhuǎn)速的支承距離,mm。
查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7-45及表3.7-61得:
圖4-1 絲杠兩端固定支撐方式
為工作行程加絲杠螺母尺寸的一半再加上固定端支撐距離的一半，
為游動(dòng)端支撐距離的一半加上工作行程加上絲杠螺母的一半，得：,
臨界轉(zhuǎn)速校核：
高速的長(zhǎng)絲杠有可能發(fā)生共振，需驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速：
式中 ——絲杠絲杠支承方式系數(shù)，根據(jù)《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7-37，取3.927；
——受壓面直徑，
其當(dāng)量轉(zhuǎn)速為，故，值均滿足規(guī)定條件，因而絲杠不會(huì)發(fā)生共振和失穩(wěn)。
3.3 電機(jī)的選擇
3.3.1 計(jì)算傳動(dòng)比
閉環(huán)傳動(dòng)比： （4-7）
式中 ——電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速,r/min；=2000r/min；
——工作臺(tái)最大進(jìn)給速度,mm/min；
=7.6m/min=7600mm/min；
——絲杠導(dǎo)程,mm；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選大些,選=10mm。
由公式（4—7）得：
取，根據(jù)傳動(dòng)功率，已知v=7.6m/s。擬訂減速齒輪副的齒數(shù)，，模數(shù)mm。
故可取齒輪為：=20， =50，=20°， ，
其分度圓直徑：
中心距：。齒輪經(jīng)校核,滿足要求。
3.3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
式中 ——絲杠的長(zhǎng)度。
工作臺(tái)，工件等折算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
=
式中 ——工作臺(tái)重量，取=80kg；
齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
絲杠傳動(dòng)時(shí)，一級(jí)齒輪降速時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
3.3.3 所需傳動(dòng)力矩計(jì)算
所需力矩：
式中 ——空載啟動(dòng)時(shí)，折算到電機(jī)軸上的加速力矩；
——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩，；
——由絲杠預(yù)緊引起的折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加摩擦力, ；
采用滾珠絲杠時(shí)：
最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：
式中 ——折算到電機(jī)軸上的總慣量，kg.m2；
——系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，=25ms；
——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；當(dāng)時(shí)計(jì)算時(shí)計(jì)算；
摩擦力矩：
式中 ——導(dǎo)軌摩擦力,N；等于橫向進(jìn)給系統(tǒng)重力乘以摩擦系數(shù)；
——絲杠螺距，mm；
——降速比；
——傳動(dòng)鏈總效率，＝0.75～0.85，取＝0.8。
附加摩擦力矩：
式中 ——滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率一般，取；
——最大軸向負(fù)載，N；
切削力矩：
對(duì)數(shù)控機(jī)床而言，因?yàn)閯?dòng)態(tài)性能要求較高，所以電動(dòng)機(jī)力矩主要是用來(lái)產(chǎn)生加速度的，而負(fù)載力矩占的比重很小，一般都小于電動(dòng)機(jī)力矩的 10％～30％，所以按：
計(jì)算。
3.3.4 電機(jī)的選擇
選擇電動(dòng)機(jī)，要使快速空載啟動(dòng)力矩小于電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，即，為電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的最大值，即峰值轉(zhuǎn)矩，一般，其中為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，λ為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)過載系數(shù)(交流伺服電機(jī)λ=1.5~2) 。
故選擇FANUC交流伺服電機(jī)S—1.0其最高轉(zhuǎn)速為2000r/min，最大轉(zhuǎn)矩16 ，額定轉(zhuǎn)矩2.0，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為，重量為4.5kg。交流伺服電機(jī)的電機(jī)慣量與負(fù)載慣量的匹配關(guān)系：
式中 ——負(fù)載慣量折算到電機(jī)軸上的總和，
——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，
滿足慣量匹配。
3.4 軸承的選用與校核
3.4.1 角接觸球軸承的選擇
進(jìn)給系統(tǒng)承受軸向力和徑向力，并且承受軸向力不大，可選用角接觸球軸承。根據(jù)軸的尺寸，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.8-50，選用7006C GB/T292-94 角接觸球軸承，其基本參數(shù)見表4-1所示。
表4-1 7006C角接觸球軸承的基本參數(shù)
d(mm)
D(mm)
B(mm)
Cr(kN)
Cor(kN)
極限轉(zhuǎn)速（r/min）
脂潤(rùn)滑
油潤(rùn)滑
30
55
13
16.2
11.5
9500
14000
軸承壽命校核計(jì)算：
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》，滾動(dòng)軸承壽命的校核條件為：
（4-8）式中 ——軸承應(yīng)具有的基本額定動(dòng)載荷，N；
——軸承所受的載荷，N；
（4-9），
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表13-5，得：
，其中e為判斷系數(shù)。
故取。
由公式（4—9）得：
式中 ——軸承的轉(zhuǎn)速，r/min；等于絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速r/min；
——軸承預(yù)期計(jì)算壽命，h；h；
——壽命指數(shù)，對(duì)于球軸承。
由公式（4—8）得：
NkN
因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中選用軸承基本額定動(dòng)載荷為16.2kN，所以滿足要求。
3.4.2 深溝球軸承的選擇
深溝球軸承用在游動(dòng)端，故承的軸向力可以忽略，因此只考慮其徑向力。根據(jù)軸的尺寸，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.8-44，選用6306深溝球軸承，如表4-2所示。
表4-2 6306深溝球觸球軸承的基本參數(shù)
d(mm)
D(mm)
B(mm)
Cr(kN)
Cor(kN)
極限轉(zhuǎn)速（r/min）
脂潤(rùn)滑
油潤(rùn)滑
30
72
19
27.0
15.2
9000
12000
游動(dòng)端徑向力，根據(jù)公式（4-9）X=1,Y=0, N, ,,同上，故由公式（4-8）得，軸承承受的基本動(dòng)載荷為：
本設(shè)計(jì)選用的軸承基本額定動(dòng)載荷為15.8kN，所以滿足使用要求。
結(jié)論
經(jīng)過本學(xué)期大量時(shí)間的悉心研究和查閱大量相關(guān)的資料,終于完成了對(duì)本機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
通過這次設(shè)計(jì)所學(xué)到的知識(shí)和總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)是深刻的,它使我認(rèn)識(shí)到了基礎(chǔ)知識(shí)的重要性,綜合設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)知識(shí)的堆積、創(chuàng)新的過程。此外,在設(shè)計(jì)中要始終保持嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度,仔細(xì)做好每一步,這對(duì)我們今后步入社會(huì),踏上工作崗位從事具體研究有重要意義。
致謝
本次設(shè)計(jì)是在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)與嚴(yán)格要求下完成的。從論文的選題、方案的設(shè)計(jì)、具體的繪圖到論文撰寫的每個(gè)環(huán)節(jié),都凝聚了胡老師的心血和汗水。特別是他多次詢問設(shè)計(jì)進(jìn)程,并為我細(xì)心講解,幫助我開拓思路,精心點(diǎn)撥,熱忱鼓勵(lì)。他嚴(yán)格的教學(xué)態(tài)度,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神,精益求精的工作作風(fēng)都深深地感染和激勵(lì)著我。
再次,我還要感謝和我一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)們,有了你們的幫助和支持,才使得我按時(shí)完成設(shè)計(jì)。
謝謝老師和同學(xué)們!
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