资源描述
除冰机器人的设计 摘 要 如今对输电线路实施除冰是防止冰灾的有效途径，如何具体的除冰方法则应用了除 冰机器人，除冰机器人造价低，工作效率高，安全可靠，能够实现在线除冰作业，不影 响电力的输送，是一项很有发展前景的课题。目前机器人在高压输电线路上的应用主要 是线路巡检。而对线路除冰的应用还鲜有研究。本文对除冰机器人本体设计、越障规划。 主要研究内容如下。首先，在分析了输电线路结构和除冰作业要求的基础上，指出现有 巡线机器人结构运用到除冰作业中的缺陷，设计了一种除冰机器人本体机构，并对其越 障的动作进行了规划。所选的减速器和电机仍能满足要求，从而证明了除冰机器人的合 理性，为了保证电力系统的可靠性，提高高压输电线除冰的效率，减少损失，维护工人 的安全，开发一种可以替代或部分替代工人进行除冰作业的新型设备一直是国内外相关 研究的热点。因此，研制安全有效的除冰机械以代替人进行导线除冰具有较好的应用前 景和实用意义。 关键词：除冰机器人；机构设计；电动机；越障规划 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 Abstract Now on the transmission line icing is to prevent the implementation of ice disaster in an effective way, how specific deicing method is applied the deicing robot, deicing robot has the advantages of low cost, high work efficiency, safety and reliability, can realize online deicing operation, does not affect the transmission of electricity, is a promising subject. The current robot on HV power transmission lines is mainly applied to transmission line inspection. On line deicing application is little research. The deicing robot design, planning, negotiation dynamics analysis are studied. The main research contents are as follows. Firstly, on the analysis of the transmission line structure and deicing operation on the basis of the requirements of inspection robot for power transmission lines, design a kind of deicing robot body mechanism, and the obstacle of action planning. improve the high voltage transmission line deicing efficiency, reduce the loss, maintain the safety of workers, the development of a replacement or partial replacement workers were deicing operation of new equipment has been in the domestic and foreign related research. Therefore, the development of safe and effective deicing machine to replace the human to lead deicing and has better application prospect and practical significance Key words：Deicing robot; mechanism design; Motor; rigid-flexible coupling dynamics 目 录 摘 要 .1 1 引言 .1 1.1 问题的提出及研究意义1 1.2 国内外研究现状1 1.3 工业机器人的发展史 2 1.4 导线覆冰的原因 3 2 高压输电线路的覆冰 .4 2.1 不规则覆冰和不同期脱冰4 2.2 除冰的方式方法 4 2.3 输电线路的抗冰 5 3 除冰机器人机构 .7 3.1 除冰机器人种类7 3.1.1 线缆除冰机器人 .7 3.1.2 可跨跃障碍多分裂机器人 .8 3.1.3 电力设施的微波除冰装置 .9 3.2 前端多环铣刀9 3.2.1 成型铣刀的结构参数 10 3.2.2 成型铣刀截面的计算 13 3.3 机械升降平台.14 3.3.1 升降平台的机械结构形式 14 3.3.2 升降平台零件设计 15 3.4 电机的选择 .17 3.4.1 升降步进电机 .17 3.4.2 回转驱动电机 19 4 控制系统的设计 21 4.1 机器人的控制系统.21 4.2 基于运动卡的控制系统的建立.22 4.2.1 总体方案的确定 .22 4.2.2 机器人控制工作原理.23 4.3 软件编程语言的特点.24 4.4 指令系统 .24 4.5 运动控制程序运行过程的简介 .25 参考文献 26 致 谢 27 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 1 1 引言 1.1 问题的提出及研究意义 现如今西南的很多地方出现了连续的低温雨雪冰冻天气，并且遭受了很严重的冰雪 灾害。国家减灾委员会专家已定性为：“西南地区发生的冰雪灾害，是世界上比较大面 积、极端性气候事件，影响的地区人口之多是世界罕见的” 。冰灾造成中心的城区正值春 节期间停电、停水很多天，交通、通讯、电视均出现不同程度的中断，然而有些城市则 成为我国南方冰雪灾害最严重的地区。特别是电力系统遭受毁灭性重创，冰灾引起了倒 塔,现场调查了湖南冰灾期间大于 220kV 输电线路的受损情况，发现倒塔线路覆冰厚度相 对集中，同时微地形和微气象造成覆冰加重和覆冰的不均匀性，档距、塔形等对线路倒 塔也存在影响。分析倒杆断线的形式认为覆冰太厚超过设计值、垂直荷载压垮和不平衡 张力拉垮是造成线路倒塔。专家解说，高压线高高的钢塔在下雪天时，可以承受 2-3 倍的 重量。但如果下雨凇，可能会承受 10-20 倍的电线重量。电线结冰，遇冷收缩，风吹引起 震荡，就使电线不胜重荷而断裂。 随着我国经济的高速发展，超高压大容量输电线很多，线路的穿越情况更加复杂， 如经过大面积的水库、湖泊和崇山峻岭，给线路维护带来很多困难。而且在严冬及初春 季节，我国云贵高原一带及两湖地区常出现雾凇和雨凇现象，造成架空输电线路覆冰， 使线路舞动、闪络、烧伤，甚至断线倒杆，使电网结构遭到破坏，安全运行受到严重威 胁。在紧急情况下，寻道员用带电操作杆或其它类似的绝缘棒只能为很少的一部分覆冰 线路除冰，人工除冰有很高的危险性。所以一种新型的而且方便安全的除冰方式的研究 是迫在眉睫的。本次的设计题目就是关于高压电线的除冰机构的设计，最后能有效的消 除冰雪天气对输电线的严重威胁，从而达到理想的效果。 1.2 国内外研究现状 在国外，一些国家的地理与气候情况与我国相似，甚至一些国家的情况更加恶劣， 为了保证电力系统的可靠性，这些国家为了提高高压输电线除冰的效率，减少不必要的 损失，维护工人的安全，开发了一种可以替代或部分替代工人进行除冰作业的新型设备。 这种新型的设备的研究一直是国内外相关领域的热点。因此，研制安全有效的除冰机械 以代替人为操作进行除冰具有较好的实用意义。 而现如今全球气候正经历以变暖为主要特征的变化，气候变暖导致“厄尔尼诺”和 “拉尼娜”等极端天气气候事件的频率与强度明显增加，因为输电线路所处地质条件复 杂，容易遭受冰灾等极端天气的影响，所以国内外对已多次发生的输电线路冰灾事故进 行了相关的研究。在国内袭击湖南的持续低温、雨雪、冰冻天气过程来临之前，湖南温 度偏高、空气干燥。并且湖南东、南、西部三面环山，向中部、北部过渡为丘陵和平地， 冷空气袭击湖南后，湖南降温迅速，加上湖南北低南高的地势使逆温层得以加强，地势 陡增处南下冷空气因推进受阻而徘徊驻留，随着暖湿气流不断补充，易形成长时间降雨、 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 2 冰冻，形成持续的雨凇。由于降温迅速，湘西高海拔山区和纬度较高的湘北地区地表气 温低，但降水主要集中在湘南、湘中、湘东，且停留时间较长，导致湘南、湘中、湘东 冰冻灾害强于湘北和湘西高海拔山区。湖南电网冰冻灾害是在大尺度天气形势控制下形 成的，拉尼娜现象起到推波助浪的作用，冰冻灾害受损范围与程度具有较强的微地形影 响特征。 1.3 工业机器人的发展史 工业机器人的发展通常可规划分为三代： 第一代工业机器人：通常是指目前国际上商品化与使用化的“可编程的工业机器人” ， 又称“示教再现工业机器人” ，即为了让工业机器人完成某项作业，首先由操作者将完成 该作业所需要的各种知识（如运动轨迹、作业条件、作业顺序和作业时间等） ，通过直接 或间接手段，对工业机器人进行“示教” ，工业机器人将这些知识记忆下来后，即可根据 “再现”指令，在一定精度范围内，忠实的重复再现各种被示教的动作。1962 年美国万 能自动化公司的第一台 Unimate 工业机器人在美国通用汽车公司投入使用，标志着第一 代工业机器人的诞生。 第二代工业机器人：通常是指具有某种智能（如触觉、力觉、视觉等）功能的“智 能机器人” 。即有传感器得到触觉、力觉和视觉等信息计算机处理后，控制机器人的操作 机完成相应的适当操作。1982 年美国通用汽车在装配线上为工业机器人装备了视觉系统， 从而宣布了新一代智能工业机器人的问世。 第三代工业机器人：即所谓的“只治式工业机器人” 。它不仅具有感知功能，而且还 有一定的决策及规划能力。第一代工业机器人目前仍处在实验室研究阶段。工业机器人 经历了诞生-成长-成熟期后，已成为制造业中不可缺少的核心装备，世界上有约 75 万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在个条生产线上，特种机器人作为机器人家族的 后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿人机器人、农业机器人、服务机器 人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途发特种机器人纷纷 面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。 但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用水平和国外比还有一定的距离， 如：可靠性低于国外产品；机器人应工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国 外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装 台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应 用户的要求， “一客户，一次重新设计” ，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、 供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的 关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进 程。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 3 1.4 导线覆冰的原因 影响导线覆冰因素很多，主要包括：气象条件、地理及地形条件、海拔高度、导线 悬挂高度、导线直径、水滴直径、电场强度等。 按不同的分类方法，导线覆冰类型可分为： （1）按冰的表现特性分为：雨凇、雾凇、混合凇、积雪和白霜等；雨凇是过冷却的 降水碰到温度等于或低于 0的物体表面时所形成玻璃状的透明或无光泽的表面粗糙的冰 覆盖层，其密度较大。雾凇则分为两种：一种是粒状雾凇，即过冷却雾滴碰到冷的物体 后迅速结成粒状小冰块，其结构较为紧密；另一种是晶状雾凇，结构较松散，稍有震动 就有脱落。混合凇是过冷却水滴在导线的迎风面形成的雨凇和雾凇混合冻结的不透明或 半透明覆冰，黏附力较强。积雪为黏附在导线上的自然降雪，也有干、湿之分。干雪和 湿雪的密度较小，粘附力较弱。白霜是由于空气中潮湿的原因所凝结而成的，这对于导 线的威胁不是很大，但会增加输电线路的负载。冻雨覆冰形成的雨凇因密度大、附着力 强，对架空输电线路的危害最大，南方的电力冰灾则主要由该原因造成的。 （2）按冰的形成机理分为：降水覆冰、云中覆冰和升华覆冰。 （3）按冰在导线上的横截面形状分为：圆形或椭圆形覆冰、翼型覆冰和新月形等， 如图 1 所示。按冰在导线表面的增长过程可分为：干增长、湿增长。这种分类利于分析 导线覆冰的形成机理及形成过程中的热平衡及热传递。雾淞和干雪是干增长覆冰过程， 雨淞和湿雪是湿增长覆冰过程，而混合淞是介于二者间的一种覆冰过程。 图 1-1 导线覆冰截面图 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 4 2 高压输电线路的覆冰 2.1 不规则覆冰和不同期脱冰 在高压电线路覆冰时，导线因为承受过重的荷载，导致导线和覆冰重量产生的拉力 将通过导线、金具、绝缘子传递给杆塔，杆塔再传递给拉线，只要其中一个环节承受不 住拉力，就将出现倒杆和断线事故。相邻档线路不均匀覆冰或不同期脱冰都会产生张力 差，使导线在线夹内滑动，严重时将使导线外层铝线夹出口处全部断裂，造成线路的另 一侧发生颈缩，拥挤在线夹附近。不均匀覆冰的张力差是静荷载，而不同期脱冰为动荷 载，二者有所不同。其次，直线杆塔承受邻档的张力差，会使绝缘子串产生较大偏移， 碰撞横担而造成损伤。再次，当张力差达到一定程度后，导线将碰撞拉线，从而电气的 间隙将减小而烧断拉线，杆塔因失去拉线支持后倒塌。 还有一种特别的形式极为冰闪，他是污闪的一种特殊形式。在绝缘线路严重覆冰时， 大量伞形冰连接，导致泄漏的距离缩短，绝缘强度降低。在融冰过程中，冰体表面水膜 因溶解污秽中的电解质而形成导电水膜，使得绝缘子串的电压分布发生畸变，在融冰时 期常伴有大雾，使大气中的污秽微粒进一步增加融化冰水导电率，形成冰闪。冰闪的持 续电弧将烧伤绝缘子，绝缘强度降低。最后由于覆冰形状的不对称，改变了导线的空气 动力学特性。当风速达到一定的数值时，导线具有较好的空气动力性能，在风的激励下 产生低频高幅振荡。轻者发生闪络、跳闸，重者发生金具及绝缘子损坏，导线断股、断 线，杆塔倾斜、倒塌等电气事故。 2.2 除冰的方式方法 使用机械外力手工或自动强制使覆冰脱落的除冰方法，称为机械除冰方法。研制机 械除冰方法的历史远早于其他类型的除冰、防冰方法。机械法是针对输电线路的，滑轮 辗压铲刮法和强力振动法，在当时滑轮辗压铲刮法并达到了当时所需求的实用水平。 有一种人工的除冰方式是它需要线路操作者在现场执行。并且处理方法千变万化， 包括敲打、撞击等。当线路停电，可以触及到冰时，可采用手工除冰，从地面向导线、 避雷线抛掷短木棍将覆冰打掉，或用木棒、竹竿敲打。在线路带电时，应用与线路电压 等级相符的绝缘棒敲打。此外，也可用木制套圈套在导线上，用绳子顺着导线拉，以消 除覆冰，这种方法只是权宜之计，既不安全，又不十分有效，因此，很少有人推荐使用， 如果要用，就得为这种方法制定标准的操作规则。 为了能进一步的达到有高效而且安全的除冰方式，则由加拿大水电局研制的滑轮铲 刮技术。这种技术是一种由地面操作人员拉动滑轮在线路上行走而铲除导线覆冰的技术， 运用这种技术的除冰方法叫滑轮辗压铲刮法，滑轮辗压铲刮法已经在加拿大的使用了 50 多年，是目前唯一可行的输电线路除冰的机械方法。它由滑轮、牵引绳及涂漆的胶合板 或环氧树脂板等器件构成，加在滑轮上的力要足够让导线产生弯曲，这样，产生的应力 才能使冰破裂脱落。如果在板的两边固定一把锯齿刀，则除冰效果更好，但拉扯时注意 不要损伤导线、避雷线和绝缘子。滑轮铲刮法的最大优点是效果很快，且不需要特别的 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 5 设备和专家，简便易操作，耗能小，价格低廉，较为实用。但它也有缺点，那就是费时， 安全性能不完善，且受地形限制。据统计，要对一公里长导线进行滚压除冰约需 2 小时 的时间。 在以后由于科技的发展和进步。加拿大的魁北克水电局则发明了一种电缆除冰装置。 该装置包括一对导线，导线连接到电缆上，并沿电缆呈螺旋形缠绕，导线的一端连接到 一个能在导线内产生电磁脉冲的脉冲发生装置上，另一端连接在一起构成封闭电路，依 靠导线中电磁脉冲的通路，在导线之间产生推斥力，该推斥力振动导线，使导线上的覆 冰振碎脱落，由于要求外加振动源及振动会促使线缆疲劳，因而难以在工程实际中应用。 在随着电磁技术的发展，又研制出了基于机械振动与撞击原理的电磁力技术和电脉 冲技术是为飞行器除冰。但是，由于电磁力或电脉冲可以使导线产生强烈而又在控制范 围内的振动，所以二者也是架空线路易接受的除冰方法之一。最后这种电磁脉冲技术效 率高而且方便，这种方法将是输电线路除冰最易接受的方法。美国堪萨斯州的州立大学 也提出了电脉冲法除冰，即利用电容器组向线圈放电，由线圈产生强磁场，在置于线圈 附近的导电板(即目标物)上产生一个幅值高、持续时间短的机械力，使冰破裂而脱落， 但在线路融冰研究方面因技术不成熟和费用过高没有达到预期的目的。 最后，另一种采用由电场或磁场力控制的柔韧性涂料机械方法仍处于设想阶段。然 而，这些方法可作为验证其典型除冰方法的实验和研制的基础。但是并没有运用到实际 的除冰操作中，所以要寻找一种实用并且普及的除冰方式至关重要。 2.3 输电线路的抗冰 气象要素是确定在一定区域内能否形成导线覆冰、形成什么种类的覆冰和形成多大 的导线覆冰的基本条件, 要有效地预防输电线路覆冰, 应该搜集分析本地区历年冰雪情 资料, 积极开展冰雪情观测与预测工作。输电线路覆冰是一种地域性很强的自然现象, 气候起决定性的作用, 而且同一地区不同的微地形、微气候差别也很大, 使得输电线路 走廊的覆冰因素千差万别。只有得到长期的详细的气象资料才能准确地把握输电线走廊 的覆冰情况。 新建线路的抗冰设计对于新建的输电线路, 要根据已掌握的气象资料, 合理划分冰 区, 选取不同的设计冰厚进行线路设计, 力求做到确保线路安全运行而又不过分增加线 路的造价。输电线路经过的各种地势、微气候及微地形的差别较大, 沿线冰雪情不会一 致, 故不能只采取一个冰厚设计值。为了确保重冰段的安全,应在搜集到的气象资料的基 础上, 结合线路所经过地区及周围地形、地物情况、相对高差、路径走向及覆冰时的风 速、风向、湿度等进行综合分析, 合理划分冰区和确定相应的冰厚设计值。新建线路在 路径选择上, 应力求避开严重覆冰段, 并做到线路应沿起伏不大的地形走线；线路应避 免横跨垭口、风道和通过湖泊、水库等易于覆冰的地带；线路翻越山岭时不应采取大档 距、大高差； 线路沿山岭通过时宜沿覆冰时的背风坡走线。当线路无法避开重冰区时， 应采取抗冰设计。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 6 已运行线路的抗冰害措施对于已运行的线路, 为加强其对覆冰灾害的抵御能力，应 视具体情况区别对待。海拔较高的输电线路, 翻越分水岭及横跨峡谷、风道、垭口等处 的路线应进行改造; 重冰区的输电线路应重新以抗冰要求进行彻底改造, 方法参照新建 线路的抗冰设计; 对没有明显微气候、微地形影响的大面积覆冰地区, 不宜立即进行线 路改造, 可以考虑采用融冰措施来防治冰雪害。覆冰绝缘子防冰闪目前, 国内输电线路 覆冰防护工作主要集中于防断线、倒杆及防碰线短路等方面, 而绝缘子覆冰后的闪络问 题也应该引起人们足够的重视, 因为已有多起绝缘子冰闪事故发生。纯冰的绝缘电阻很 高, 很难造成闪络, 冰中混含导电杂质后, 覆冰绝缘子的闪络电压才会降低, 含水量较 多的雪也容易造成绝缘子的闪络。要防止绝缘子的冰闪, 最简单的办法就是增大爬电距 离。另外, 可以从改善绝缘子伞裙的结构入手, 大小伞与等径伞在相同条件下, 前者更 有利于防治冰闪, 适当调整绝缘子的外形结构, 使其在大雪天不易积雪, 积雪后不易发 生闪络。绝缘子水平悬挂、V 型串、斜向悬挂等均是阻断融冰水形成水帘的有效方法, 运行实践表明,阻水帘是提高冰闪电压的基本措施。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 7 3 除冰机器人机构 3.1 除冰机器人种类 3.1.1 线缆除冰机器人 图 3-1 除冰盾 该除冰机器人，由机架、除冰盾、电源、夹持机构和行走机构构成，除冰盾的结构 包括振动驱动装置和在向前进方向的前端设有向盾牌，盾牌固定前伸出的若干根尖锥， 振动驱动装置时机架上安装振动偏心电机，安装的振动偏心电机带动除冰盾前后运动； 夹持机构包括起码两对夹持导轮和夹持的开启闭合装置构成，开启闭合装置时合页结构， 没对导轮分别安装在一侧合页上，围绕着合页轴开启闭合，采用夹持导轮，行走机构采 用行走电机和线缆驱动轮构成，电源采用蓄电池。 它包括主机，所述主机上连接柔性推动臂、悬挂导向臂，在柔性推动臂的前端连接 一颗开合点击动力组，悬挂导向臂的前端连接一开合除冰工作头，所述可开合除冰工作 头的前端可弧线摆动的连接只少两个正向除冰转到组。如图所示。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 8 3.1.2 可跨跃障碍多分裂机器人 图 3-2 爬行装置 该机器人包括：导线爬行装置，用于所述高压输电线路爬行；旋转除冰装置，安装 于所述导线爬行装置，用于采用旋转敲击力去除导线上的覆冰；动力装置，用于爬行装 置和除冰装置，提供驱动力；控制装置，用于对所述导线的爬行以及对所述旋转除冰装 置的旋转进行控制。该机器人不仅适用于单导线除冰更适用于多分裂导线的除冰，该机 器人通过传感器感测障障碍物并实施有效避让措施，尤其适合在诸多障碍的多分裂导线 上作长距离自主爬行。 由燃料发动机驱动的机器人，所述的除冰装置还包括：旋转除冰装置，安装于所述 导线行走机器人，用于利用旋转敲击力去除导线上的覆冰；动力装置与所述旋转除冰装 置相耦合，用于驱动所述旋转除冰装置选装；控制装置，用于控制所述导线行走机器人 的移动以及所述动力装置的运转。本发明的高压线路导线除冰装置在导线行走机器人上 安装旋转敲击棒、震动冲击锥以及刮冰铲，由这三个除冰装置同时工作，通过横向敲击、 轴向冲击、轴向挤压有效的将导线上的覆冰去除。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 9 3.1.3 电力设施的微波除冰装置 图 3-3 微波除冰装置 该机器人由移动装置、微波辐射融冰器和微波电极切冰刀组成。该装置的除冰方法 采用微波辐射融冰和微波电极切冰两种模式，通过两种模式的有机结合和相互配合，应 对不同的覆冰状态，对电力设施覆冰绝缘子进行除冰。 3.2 前端多环铣刀 所谓多环铣刀顾名思义，是由不同型号的铲齿成形铣刀套在除冰系统里的工作轮系 当中，就形成了多环铣刀。这种铣刀是用于铣削工件成形表面的专用刀具。它的刃形是 根据工件廓形设计计算的，它具有较高的抗磨性，并能保证工件形状和尺寸的互换性， 因此得到广泛使用。成形铣刀按齿背形状可分为铲齿与尖齿两种。 尖齿成形铣刀：尖齿成形铣刀齿数多，具有合理的后角，因而切削轻快、平稳，加 工表面质量好，铣刀寿命高。但尖齿成形铣刀需要专用靠模或在数控工具磨床上来重磨 后面、刃磨工艺复杂。因此，刃形简单的成形铣刀一般做成尖齿形。 铲齿成形铣刀：齿背由径向铲削形成，使其具有成形刃后角。该刀具沿前刀面重磨 后能保证刃形不变，故在生产中一般采用铲齿结构，只有在大批量生产中才采用尖齿结 构。在这里对于除冰机器人的重要的零部件，所采用的则是铲齿铣刀，达到能高速的铲 除电线上的冰雪。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 10 3.2.1 成型铣刀的结构参数 图 3-4 成型铣刀结构 如图 3-4 所示，成形铣刀齿形高度可取为 hh（12）mm，式中 h工件的 廓形高度。 铣刀宽度一般比工件廓形最大宽度大15mm ，并应采用标准系列尺寸。用铣刀切削 时，要求其刀杆直径足够大，以保证在铣削力作用下有足够的强度和刚度。因此，铣刀 孔径应按强度或刚度条件计算决定。在一般情况下，可根据铣削宽度和切削条件选取。 表3-5是根据生产经验推荐的数值。 表3-5 成型铣刀内孔直径 铣 刀 孔 径铣 削 宽 度 一般切削重切削 6121622 12252227 25402732 40603240 601004050 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 11 由于在除冰机器人的性能要求，铣刀必须有足够的硬度。在保证铣刀孔径足够大和 铣刀刀体强度足够的条件下，应选较小的铣刀外径，以减小扭矩和减少高速钢的消耗。 设计铣刀时，可首先用下式估算外径，待确定了铣刀的其他有关参数后，再校验铣 刀刀体强度。 0=（22.2）d + 2. 2h+（26）mm （3-1） 对于加强形式的容屑槽，铣刀外径可小些 0=（1.62）d+2h+（26）mm （3-2） 表 3-6 给出了铣刀直径的推荐值，它是按式（3-1）与式（3-2）计算的，并圆整为 5 的整数倍。 表 3-6 成型铣刀的外径 铣 刀 齿 形 高 度 h孔 径 d5681012151820222528303235 45557013 45505570 5055709016 4545505560657090 6565709011022 5555606570758090100115 7075809011013527 6565707580859095100115125135 85909510011013516032 757580859095100105110115125135145160 10511011011512513516040 9095100105110115120125130135140145150160 在保证刀齿强度和足够的重磨次数的条件下，应尽力取齿数多些，以便增加铣削的 平稳性。齿数 Zk与铣刀直径之间有如下关系。 Zkd/t (3-3) 式中 t铣刀的圆周齿距。粗加工时，可取 t（1.82.4）H （3- 4） 精加工时，可取 t（1.3 一 1.8）H (3-5) 式中 H容屑槽高度。H=hKr。式中： K刀齿铲削量 r容屑槽底半径，一 般为 13mm。 由于齿数 Zk未确定时 K 与 r 都不能确定，因此可按下式初步估算 H Hh0. 06d0（13）mm （3- 6） 将式（3-6）代入式（3-5）或式（3-4），再代入式（3-3），可求出 Zk ，也可根据 生产经验按铣刀外径的大小预选铣刀齿数，在设计计算出铣刀的其他结构参数后，再校 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 12 验所选齿数是否合理。表是根据生产经验推荐的铲齿成形铣刀的齿数。此表适用于平底 式容屑槽的不铲磨铣刀。对于加强式容屑槽，齿数可适当增加，对铲磨铣刀，齿数可适 当减少。 表 3-7 成型铣刀齿数 铣刀外径 d。(mm) 4040455055607580105110120130140150230 铣刀齿数 Zk 18161412111098 初定成形铣刀的各参数后，需校验刀体、刀齿强度是否足够。如果校验结果不符合 要求，应重新假设和计算，直到满意为止。 （1）校验刀齿强度：对于平底式容屑槽铣刀，可按下式计算齿根宽度 c。 c3(d02H)/4Zk （3-7） 要求 c /H0. 8 ，当不满足时，应减少铣刀齿数。对加强式槽底的成形铣刀，一般不 需进行此项校验。 （2）校验刀体强度：为保证刀体强度，要求 m(0. 30. 5) dm 可按下式计算 （d02H）/2 （3-8） 当不满足时，应增大铣刀外径。 刀齿齿根强度和刀体强度的校验亦可采用作图法进行，即按选定的铣刀结构参数直 接画出铣刀的端面投影图，由图直接观察并测量铣刀齿根宽度和刀体厚度 m 是否足够。 图 3-8 铣刀铲磨干涉 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 13 （1）按所设计的成形铣刀参数 d0、Zk 、H、 和作出成形铣刀刀齿的端面投影图， 可得 A、I、J 三点。从第一齿的顶点 A 沿径向取齿廓高度 h 得 G 点，从第二齿的顶点 J 沿径向取铲削量 K 得 B 点，取齿廓高度 h 得 E 点，从 A 点作直线 AO1，AO1与前刀面 AO 夹 角为 f ，又作 AB 两点连线的中垂线与直线 AO1交于 O1点，以 O1为圆心，O1A 为半径作 圆弧连 A 点和 B 点即得近似的齿顶铲背曲线；以 O1G 为半径画圆弧 GD，即为近似的齿底 铲背曲线。 （2）选轮系直径 Ds(2h+25+5) mm，式中为铣刀齿廓高度。一般 60Ds120。 （3）在上取一点，使/2 ，连；交于点，连接 FO1并 延长之，自 F 点在此延长线上截取 F02 = Ds/2, 得 02 点，以 02为圆心，Ds/2 为半径作 圆，即得轮系的外圆周，并切 GD 于 F 点。此时轮外圆周如在下一个刀齿 E 点的上方，则 轮系在铲磨时不会碰到下一个刀齿，如果在 E 点的下方，则铲磨时会碰到下一个刀齿， 即发生干涉。如发生干涉，需改变铣刀的一些参数，如减少齿数 Zk与铲削量或增大 等，需要重新设计。 3.2.2 成型铣刀截面的计算 在这种工作的情况下，工件法剖面截形就是铣刀的齿形。 铣刀有了前角以后，其刀齿在径向截面的齿形和前刀面上的齿形，就与工件法剖面 的截形不同了。设f为铣刀外圆处的纵向前角，当f较大（例如f50）时，铣刀径向 截面和前刀面上的齿形需进行修正计算。 为了能确定工件齿形和铣刀齿形的关系。在给定的工件齿形以后铣刀径向截面应具 有的齿形，即铲刀应具有的齿形，即样板应具有的齿形。 表3-9成型铣刀截面计算公式 序号计算项目符号计算公式计算精度 1 齿形点的横坐标 c b nc bb = 0.001 2（见图 419） f n f hR R sin arcsin= 0.00001 3 齿形点纵坐标 c h 2 = ZK nc K hh 0.001 铲齿成形铣刀需要设计两幅样板,一幅为检验铣刀刃形,其廓形与铣刀前刀面廓形相 同；另一幅为检验铲齿成形铣刀样板刃形，其廓形与铣刀轴向剖面廓形相同。 样板的设计方法与成形车刀样板相同。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 14 33 机械升降平台 3.3.1 升降平台的机械结构形式 根据升降机的平台尺寸，参考国内外同类产品的工艺参数可知，该升降机宜采用单 双叉机构形式：即有两个单叉机构升降台合并而成，有四个同步液压缸做同步运动，以 达到升降机升降的目的。其具体结构形式为：主要起支撑作用和运动转化形式的作用， 一方面支撑上顶板的载荷，一方面通过其铰接将液压缸的绳缩运动转化为平台的升降运 动，上顶板与载荷直接接触，将载荷转化为均布载荷，从而增强局部承载能力。下底架 主要起支撑和载荷传递作用，它不仅承担着整个升降机的重量，而且能将作用力传递到 地基上。通过这些机构的相互配合，实现升降机的稳定和可靠运行。 o3 o2 oo 4 2 6 3 5 1 图 3-10 升降台外形结构 两支架在 o 点铰接，支架 1 上下端分别固定在上、下板面上，通过活塞杆的伸缩和 铰接点 o 的作用实现货物的举升。 根据以上分析，升降机的运动过程可以叙述如下：支架 2、3 为升降机机构中的固定 支架，他们与底板的铰接点做不完整的圆周运动，支架 1、4 为活动支架，他们在液压缸 的作用下由最初的几乎水平状态逐渐向后来的倾斜位置运动，在通过支架之间的绞合点 带动 2、3 也不断向倾斜位置运动，以使升降机升降。 初态时，上写底板处于合闭状态，支架 1、2、3、4 可近似看作为水平状态，随着液 压油不断的输入到液压缸中，活塞杆外伸，将支架 2 顶起，支架 2 上升时，由于绞合点 o 的作用使支架 1 运动，1 与液压缸相连，从而液压缸也开始运动，通过一系列的相互运 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 15 动和作用，使上顶板上升，当上升到指定高度时，液压缸停止运动，载荷便达到指定高 度。 3.3.2 升降平台零件设计 根据升降台的工艺参数和他的基本运动机理来确定支架 1、2、3、4 的长度和截面形 状。之间的距离和液压缸的工作行程。 23 O O 设()，则 1、2、3、4 支架的长度可以确定为 h=2-x/2,(h15mm)即 23 O Ox01xm 支架和地板垂直时的高度应大于 15mm,这样才能保证其最大升降高度达到 15mm，其运动 过程中任意两个位置的示意图表示如下： N1 N M1 M O1 O B1B C1 C A 图 3-11 运动过程示意图 设支架 1、2 和 3、4 都在其中点处绞合，液压缸顶端与支架绞合点距离中点为 t ,根 据其水平位置的几何位置关系可得： 。 4 0 4 x t 下面根据几何关系求解上述最佳组合值： 初步分析：值范围为 ,取值偏小，则上顶板点承力过大，还会使支x01xx 23 ,O O 架的长度过长，造成受力情况不均匀。X 值偏小，则会使液压缸的行程偏大，并且会造成 整个机构受力情况不均匀。在该设计中，可以选择几个特殊值：=0.4, =0.6, =0.8，分xxx 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 16 别根据数学关系计算出 h 和 t。然后分析上下顶板的受力情况。选取最佳组合值便可以满 足设计要求。 （1）=0.4，支架长度为 h=2-x/2=1.8，=h/2=0.9x 2 O C 液压缸的行程设为 l,升降台上下顶板合并时，根据几何关系可得到：l+t=0.9 升降台完全升起时，有几何关系可得到： = （3- 222 1.80.9951.5 cos 2 1.8 0.995 222 (0.9)0.955(2 ) 2 (0.9) 2 tl tl 9） 联合上述方程求得： t=0.355m l=0.545m 即液压缸活塞杆与 2 杆绞合点与 2 杆中心距为 0.355m.活塞行程为 0.545m （2）=0.6，支架长度为=2-x/2=1.7，=h/2=0.85 液压缸的行程设为 l,升降台上下x 2 O C 顶板合并时，根据几何关系可得到：l+t=0.9 升降台完全升起时，有几何关系可得到： = （3- 222 1.70.81.5 cos 2 1.7 0.8 222 (0.85)0.8(2 ) 2 0.8 (0.85) tl t 10） 联合上述方程求得： t=0.32m l=0.53m 即液压缸活塞杆与 2 杆绞合点与 2 杆中心距为 0.32m.活塞行程为 0.53m。 （3）=0.8，支架长度为=2-x/2=1.6，=h/2=0.8，液压缸的行程设为 l,升降台上x 2 O C 下顶板合并时，根据几何关系可得到：l+t=0.9 升降台完全升起时，有几何关系可得到： = （3- 222 1.60.5571.5 cos 2 1.6 0.557 222 (0.8)0.557(2 ) 2 (0.8) 0.557 tl t 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 17 11） 联合上述方程求得： t=0.284m l=0.516m 即液压缸活塞杆与 2 杆绞合点与 2 杆中心距为 0.284m.活塞行程为 0.516m。 比较上述三种情况下的载荷分布状况，x 去小值，则升到顶端时，两相互绞合的支架 间的间距越大，而此时升降台的载荷为均布载荷，有材料力学理论可知，此时两支架中 点出所受到的弯曲应力为最大，可能会发生弯曲破坏，根据材料力学中提高梁的弯曲强 度的措施 max max M w 知，合理安排梁的受力情况，可以降低值，从而改善提高其承载能力。分析上述时 max M 梁的受力情况和载荷分布情况，可以选择第二种情况。 3.4 电机的选择 3.4.1 升降步进电机 除冰机器人升降用步进电机来驱动，通过丝杆传动来实现升降。初选步进电机： 75003BF 由前计算丝杆导程为，本设计升降速度选定为，06LmmS=35mm/s 所以丝杆转速 （3-0w =S/L =35/6 =5.833r/s=349.98(r/min) 12） 回转转矩： cgafMMM 式中： 升降相对丝杆的回转力矩 ； c M 升降相对丝杆的摩擦阻力矩 ； f M 升降在停止（制动）过程中相对与丝杆的惯性力矩 ； ga M 其中： （3- 0ga MJ t 13） 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 18 式中：升降启动或制动过程中角速度的变化量，也就是工作的角速度： ； 2 349.98( /min)349.9836.649(/ ) 60 rrad s t升降启动或制动的时间：本设计取为；0.3( )ts 升降时各部件对回转轴线的转动惯量， 0 J 2 ()kg m 其中：0SldJJJJ 式中：丝杆对其转动轴的转动惯量，sJ 2 ()kg m 其中： 43 7.810smJDL 式中：丝杆的公称直径由前计算得mD0.025( )mDm 丝杆的长度本设计取为 0.6(m)L 代入得： （3- 432 7.8 0.0250.45 100.00137()sJkg m 14） 升降电机与丝杆间的联轴器的转动惯量lJ 2 sJ =0.0018(kg)m 步进电机转子的转动惯量dJ 2 0.0001764()dJkg m 代入得： 2 00.00137 1.00180.00017640.00335()Sl d JJJJkg m 把以上代入得： 0ga MJ t 36.649 0.003350.409() 0.3 gaMN m 其中： ；/2m f MGfD 式中： G电机自重约为 200N f丝杆螺母副与丝杆间的摩擦系数 f=0.08 代入得： （3-/2200 0.08 0.025/20.2()m f MGfDN m 15） 得： 0.20.4090.609()cga f MMMN m 电机与丝杆直接联接所以 =1；i 所以 0.609()ipcMMN m 36.649(/ ) lp wwrad s 上式中：负载峰值转速（） ，如上计算 ：； lp w/rad s36.649(/ ) lp rad s 负载峰值力矩（） ，如上计算： lp MN m0.609()ipMN m 电动机的功率计算式： （3- lplp m M P 16） 上式中：计算系数，其中一般，本设计中取：；1.5 2.52 丝杆传动装置的效率，一般取，本设计中取：；0.7 0.90.8 代入以上数据得： 2 0.609 36.649/0.855.80 lplp m M PW 根据负载峰值力矩最大静转矩，选用步矩角为步进电机，其最大静转矩 lp M 375003BF 为 0.882，满足负载峰值力矩最大静转矩的要求。N m lp M 3.4.2 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 19 表 3-12 电机参数表 电机型号相数步距角 /（） 电 压 /V 最大静转矩 /Nm(Kgfcm) 最高空 载启动 频 率 /HZ 运行频 率 /HZ 转子转动惯量 10Kgm 52 分配 方式 质量 /Kg 75BF0033 330 0882（9） 125016000 1568三相 六拍 158 3.4.2 回转驱动电机 除冰机器人的旋转击棒安装在底座上与回转电机相连:设计选取为即旋10 /minr 转 1800的时间为 3s； 回转转矩： （3-cgafMMM 17） 式中： 整体相对底座回转轴的回转力矩 ； c M 整体相对底座回转轴的摩擦阻力矩 ； f M 底座在停止（制动）过程中相对与丝杆的惯性力矩 ； ga M 其中： ， （3- 0ga MJ t 18） 式中： 底座旋转在启动或制动过程中角速度的变化量，也就是工作角速度： ； 2 10( /min)101.047(/ ) 60 rrad s 底座旋转启动或制动的时间：本设计中；t0.3ts 与的转化系数：，本设计中取 f M ga M0.85 0.950.85 底座旋转轴线的转动惯量 0 J 2 ()kg m 222 01 12 23 3 222 2 111 332 111 15 0.415 0.420 0.9 332 9.7 Jmrm rm r kg m 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 20 式中：击棒的质量（kg） 1 m 底座的质量（kg） 2 m 机身的质量（kg） 3 m 其中：的转动惯量看作均匀圆柱体来计算；与相对应的长度（m） 。 3 m 123 , ,r r r 123 ,m mm 把以上数据代入得： （3- 0 1.047 9.733.853() 0.3 ga MJN m t 20） 33.853 39.827() 0.85 ga f M MN m 33.85339.82773.68() cgaf MMMN m 所以： 73.68 0.737() 100 c lp M MN m i 1.047 100104.7(/ ) lp irad s 上式中：负载峰值转速（） ，如上计算 ：； lp w/rad s104.7(/ ) lp rad s 负载峰值力矩（） ，如上计算： lp MN m0.737()ipMN m 电动机功率的计算公式式： 0.737 104.7 2192.910 0.8 lplp m M PW 式中： 步进电动机的功率（W） ； m P 负载峰值转速（） ，由前计算 ：； lp /rad s104.7(/ ) lp rad s 负载峰值力矩（） ，由前计算：=0.737（） ； lp MN m 1p MN m 计算系数，其中一般，本设计中取：；1.5 2.52 底座传动装置的效率，估算为。0.7 0.9 根据负载峰值力矩最大静转矩，选用步矩角为的步进电机 90BF003，其最大静转 lp M 3 矩为 1.96，满足要求。N m 表 3-13 电机参数表 电机型号相数步距角 /（） 电 压 最大静转矩 /Nm(Kgfcm) 最高空 载启动 运行频 率 转子转动惯量 10Kgm 52 分配 方 质量 /Kg 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 21 /V 频 率 /HZ /HZ 式 90BF0033 360 196（20） 15008000 1764三相 六拍 42 4 控制系统的设计 4.1 机器人的控制系统 工业机器人的控制技术是在传统机械系统的控制技术的基础上发展起来的，因此两 者之间并无根本的不同但工业机器人控制系统也有许多特殊之处。其特点如下，工业机 器人有若干个关节，典型工业机器人有五六个关节，每个关节由一个伺服系统控制，多 个关节的运动要求各个伺服系统协同工作。工业机器人的工作任务是要求操作机的手部 进行空间点位运动或连续轨迹运动，对工业机器人的运动控制，需要进行复杂的坐标变 换运算，以及矩阵函数的逆运算。工业机器人的数学模型是一个多变量、非线性和变参 数的复杂模型，各变量之间还存在着耦合，因此工业机器人的控制中经常使用前馈、补 偿、解耦和自适应等复杂控制技术。较高级的工业机器人要求对环境条件、控制指令进 行测定和分析，采用计算机建立庞大的信息库，用人工智能的方法进行控制、决策、管 理和操作，按照给定的要求，自动选择最佳控制规律。工业机器人的控制系统发基本要 求有，实现对工业机器人的位置、速度、加速度等控制功能，对于连续轨迹运动的工业 机器人还必须具有轨迹的规划与控制功能。方便的人-机交互功能，操作人员采用直接 指令代码对工业机器人进行作用指示。使用工业机器人具有作业知识的记忆、修正和工 作程序的跳转功能。具有对外部环境（包括作业条件）的检测和感觉功能。为使工业机 器人具有对外部状态变化的适应能力，工业机器人应能对诸如视觉、力觉、触觉等有关 信息进行测量、识别、判断、理解等功能。在自动化生产线中，工业机器人应用与其它 设备交换信息，协调工作的能力。 工业机器人控制系统可以从不同角度分类，如控制运动的方式不同，可为关节控制、 笛卡尔空间运动控制和自适应控制；按轨迹控制方式的不同，可分为点位控制和连续轨 迹控制；按速度控制方式的不同，可分为速度控制、加速度控制、力控制。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 22 程序控制系统：给每个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空 间轨迹。 自适应控制系统：当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累 而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模 型的参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。 人工智能系统：事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得的周围 状态信息，实时确定控制作用。当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经 验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整 非线性模型的参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动 改变。因而本系统是一种自适应控制系统。 4.2 基于运动卡的控制系统的建立 4.2.1 总体方案的确定 机器人控制系统是一种典型的多轴实时运动控制系统。传统的机器人控制系统基本 上是设计者基于自己的独立结构和生产目的而开发，它采用了专用计算机、专用机器人 语言、专用微处理器的封闭式体系结构。这种结构的控制器存在制造和使用成本高，开 发周期长，升级换代困难，无法添加系统的新功能等一系列缺点。该系统基于 TRIO 运动 控制卡的开放式结构机器人控制系统，采用 IPC+DSP 的结构来实现机器人的控制。这种 机器人控制系统采用开放式硬件、软件结构，可以根据需要方便地扩展功能，具有良好 的开放性和扩展性，能适应于不同类型机器人或机器人自动生产线。通过运动控制卡在 工业机器人控制系统中的应用，根据运动控制的相关理论和直流伺服电机的具有不易受 干扰、易于用微机实现数字控制、无积累误差等特性以及其动作迅速、反映快、维护简 单、可实现过载自动保护等特点作为相关背景的基础之上提出了基于 TRIO 运动控制卡的 自动化程度和定位精度均较高的工业机器人控制系统。这种机器人控制系统的重要特点 在于它采用通
展开阅读全文