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本科学生毕业设计 高空作业机器人设计 系部名称：机电工程学院 专业班级：机械设计制造及其自动化 08-4 班 学生姓名： 指导教师： 职 称： 二一二年六月 The Graduation Design for Bachelors Degree Structure Design of No Climbing Full- automatic High Altitude Wiring Robot Candidate: Guan Hong Specialty: Mechanical Design and Manufacturing full-automatic wiring; helical gearing; feed; screw driven 目 录 摘要I AbstractII 第 1 章 绪论1 1.1 课题研究背景1 1.2 课题研究目的和意义1 1.2.1 课题研究目的1 1.2.2 课题研究意义1 1.3 国内外发展现状2 1.4 发展前景展望4 第 2 章 总体方案确定5 2.1 齿轮齿条绕线机构5 2.2 内啮合齿轮绕线机构6 2.3 斜齿轮啮合绕线机构6 2.4 本章小结7 第 3 章 参数的确定及电机的选择8 3.1 绕线机构参数的确定8 3.2 进给机构参数的确定11 3.3 抓线和导线握持机构参数的确定13 3.3.1 抓线机构参数确定13 3.3.2 导线握持机构参数的确定15 3.4 电机的选择16 3.4.1 进给机构电机的选择16 3.4.2 握持机构电机的选择17 3.5 本章小结18 第 4 章 绕线机构设计19 4.1 绕线机构结构设计19 4.2 进给机构结构设计20 4.3 支架结构设计20 4.4 本章小结22 第 5 章 抓取机构的设计24 5.1 抓线机构结构设计24 5.2 导线握持机构结构设计24 5.3 本章小结25 第 6 章 实体机构装配26 6.1 实体机构装配26 6.2 本章小结29 结论30 参考文献31 致谢32 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题研究背景 裸高压导线输电线路的备用导线高空接线，其绕线轨迹不规范、转自线圈的线径 粗、折弯力较大、折弯运动空间受限等，给高空接线增加了难度，而多自由度的高空 全自动绕线装置的研究是高空接线中亟待解决的瓶颈问题。而且高空绕线工作危险大、 难度高，需借助高空作业车的帮助来完成，并且对工作环境的要求较高，在恶劣环境 条件下无法正常工作，由于种种因素的限制，裸高压导线输电线路的备用导线高空接 线工作一直困扰着人们。无攀爬式全自动高空接线机器人的应运而生，能够代替工人 进行操作，避免了工作中潜在的各种危险，同时能够提高工作效率，并且减少了高压 输电线路的电流损耗。 1.2 课题研究目的和意义 1.2.1 课题研究目的 针对传统接线工作中存在的各种弊端，无攀爬式全自动高空接线机器人出现了， 它是为实现无攀爬式全自动高空接线而设计的机器人装置。裸高压导线输电线路的备 用导线高空接线，其绕线轨迹不规范、转子线圈的线径粗、折弯力较大、折弯运动空 间受限等，给高空接线增加了难度，而多自由度的高空全自动绕线装置的研究是高空 接线中亟待解决的瓶颈问题。本课题根据仿生学和机器人学的原理，运用常用的机械 运动机构及其组合，实现高空握持导线、不规则的圆周绕线运动和横向进给运动的全 新自动绕线机器人的研究。 1.2.2 课题研究意义 在一切智慧化、人性化、高效率化的今天，越来越多的机器人代替人进行繁重、 危险的劳动，在一很多高度危险和繁重的工作中，都采用了机器人，它们的高效率和 几乎为零的风险是人类无法与之相比的优势。机器人技术的采用显著减轻了工人的劳 动强度和工作负担，大大改善了劳动条件，提高了劳动生产率和自动化水平。在高空 裸导线的接线中，以前都需要操作人员攀高接线，劳动强度大、安全性不可靠；而无 攀爬式全自动高空接线机器人能够代替工人进行高空作业，避免了工作中潜在的各种 危险，同时提高了工作效率，并且减少了高压输电线路的电流损耗，也为低碳经济提 2 供了一个新的探索方案。该设计经济实用性高，具有光明的发展前景。 本设计是主要实现高空握持导线、不规则的圆周绕线运动和横向进给运动的全新 自动绕线装置具体设计要求如下： 导线直径： 10mm 绕线直径：2 mm 绕线材料： 铝 导线高度：20m 整机重量：7.5kg 完成绕线时间：1 分钟左右 要求经济适用，效率高。 1.3 国内外发展现状 本课题设计的无攀爬式全自动高空接线机器人主要实现高空握持导线、不规则的 圆周绕线运动和横向进给运动，其主要结构有：导线握持机构和绕线机构。 导线握持机构采用机械手。机械手是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的， 机械手研究始于 20 世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是 1946 年第一 台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格 的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人和 机械手控制系统的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代 替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于 1947 年开发了遥控机械手控制系 统和遥控机械手，1948 年又开发了机械式的主从机械手控制系统和机械手。 机械手控制系统首先是从美国开始研制的。1954 年美国戴沃尔最早提出了工业 机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利 用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教 再现机器人控制系统。现有的机器人控制系统差不多都采用这种控制方式。1958 年 美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人控制系统。作为机器人产品最早的 实用机型（示教再现）是 1962 年美国 AMF 公司推出的“VERSTRAN”和 UNIMATION 公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人和相关控制系统主要由类似 人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境 下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部 门。 机械手控制系统经历了以下几个阶段：机械手完成放射源转运年代、化工产品垛 3 机械手年代、工业用机械手兴起和发展年代。随着汽车行业和塑胶行业的发展，西欧、 日本、苏联和中国等地域机械手及其控制系统也开始百花争艳。尤其注塑机机械手， 发展更为迅猛，应用非常普遍，其控制系统经过几十年的发展，现在已经趋于成熟和 完善。 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按 适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制 和连续轨迹控制机械手等。 20 世纪 40 年代后期，美国在原子能实验中，首先采用了机械手搬运放射性材料， 人在安全间操纵机械手进行各种操作和实验。50 年代以后机械手逐步推广到工业部 门，用于在高温污染严重的地方取放工件和卸料，也作为机床的辅助装置在自动机床、 自动生产线和加工中心中应用，完成上下料和从刀库中取放刀具并按国定程序更换刀 具等。 本设计的另一主要功能是绕线，而现今最常见的绕线装置就是绕线机。绕线机， 顾名思义是把线状的物体缠绕到特定的工件上的机器。欧美绕线机以其加工精度高、 质量稳定而在国际绕线机市场上占有重要地位。 欧美绕线机一般可绕 0.01-2mm 的 线径，转动误差极小。绕线机用精密微机控制，以程序控制操作，这些程序极易掌握， 人机对话简单，即使工作人员并无绕线工作的经验也可应付自如。目前欧洲生产的绕 线机已经趋于自动化，而美国的绕线机介于自动和半自动之间，德国制造的外形比较 美观，零件比较讲究，但是造价高。随着国际绕线机市场的蓬勃发展，相互间的竞争 越来越激烈，各国的厂家都必须开发出新一代的绕线机。现在主要是趋向自动化的发 展方向。 全自动绕线机是近几年才发展起来的新机种，为了适应高效率、高产量的要求， 全自动机种一般都采用多头联动设计，国内的生产厂家大多都是参照了台湾等地的进 口机型的设计，采用可编程控制器作为设备的控制核心，配合机械手、气动控制元件 和执行附件来完成自动排线、自动缠脚、自动剪线、自动装卸骨架等功能，这种机型 的生产效率极高，大大的降低了对人工的依赖，一个操作员工可以同时照看几台这样 的设备，生产品质比较稳定，非常适合产量要求高的加工场合。这种机型由于集成了 数控、气动、光控许多的新技术，所以价格小则几万元高则十几万元，价格也使得许 多的用户望而叹步，另外由于功能要求决定了该设备的零部件采用了大量非标准件和 定制件，所以一旦出现故障相对的维修过程将会很复杂，周期也会比较长。 能够实现绕线功能的机构还有很多，例如齿轮齿条、齿轮传动、槽轮机构等，只 要能实现圆周运动，即可实现绕线功能。工作原理：槽轮是由圆销的主动拨盘和具有 4 若干径向槽轮及机架组成。当拨盘作等速连续转动时，槽轮做反向或同向的单向间歇 运动，在圆销未进入槽轮径向时，槽轮上的内凹锁住拨销，槽轮被主动拨盘的外凹锁 住弧卡住，使槽轮停歇在确定的位置上不动。当拨盘上拨销进入槽轮径向槽时，锁住 弧松开，拨销驱动槽轮转动，循环往复，时停时动，因此，槽轮机构是一种间歇运动 机构。应用示例：机床自动转为机构，电影放映机卷片等。当放映卷片时，胶片上的 画面依次在方框中停留，以适应人眼的视觉停留现象。槽轮机构结构简单，易加工， 工作可靠，转角准确，机械效率高。但是其动程不可调节，转角不能太小，槽轮在起 停时的角速度大，有冲击，并随着转速的增加或槽轮数的减少而加剧，故不宜用于高 速场合。对于本设计的绕线部分，齿轮传动是首选。 1.4 发展前景展望 无攀爬式全自动高空接线机器人的主要优点： (1)经济性：现在使用的高空作业车格价一般为几百万不等，经济性低，需要使 用者的经济承受能力很强；而无攀爬式全自动高空接线机器人的价格在几千元左右， 与前者相比，优越性一目了然。 (2)安全性：高空作业安全一直是我国的重中之重，而本设计可避免这一问题， 安全性高。 (3)效率高：无攀爬式全自动高空接线机器人在绕线过程中的时间约为 1 分钟， 而整个过程约为 2 分钟，与较传统的方法相比较，工作效率大大提高。 (4)适用范围广：在何种环境均可工作，对工作条件没有特别高的要求，实用性 强。 鉴于以上优点，无攀爬式全自动高空接线机器人具有很高的可行性，发展前景广 阔。 5 第 2 章 总体方案确定 2.1 齿轮齿条绕线机构 现有使用较广泛的绕线装置是较大型的绕线机。绕线机，顾名思义是把线状的物 体缠绕到特定的工件上的机器。欧美绕线机以其加工精度高、质量稳定而在国际绕线 机市场上占有重要地位。 欧美绕线机一般可绕 0.012mm 的线径，转动误差极小。 绕线机用精密微机控制，以程控操作，这些程序极易掌握，人机对话简单，即使工作 人员并无绕线工作的经验也可应付自如。目前欧洲生产的绕线机已经趋于自动化，而 美国的绕线机介于自动和半自动之间，德国制造的外形比较美观，零件比较讲究，但 是造价高。随着国际绕线机市场的蓬勃发展，相互间的竞争越来越激烈，各国的厂家 都必须开发出新一代的绕线机。现在主要是趋向自动化的发展方向。然而本设计课题， 要求结构简便，对重量有要求，大型的绕线机显然不符合设计要求，因此，不考虑使 用绕线机。 图 2.1 全自动十二轴绕线机 6 绕线主要是通过圆周运动实现，可以实现圆周运动的机构有很多，本方案选择齿 轮齿条传动作为绕线机构。齿轮齿条传动将旋转运动变为直线运动，它的传动功率大， 速度范围广，效率高，工作可靠，寿命长，结构紧凑，能保证恒定传动比。但是，这 样的机构可以反向驱动，也就是齿条做直线运动来带动齿轮旋转，适合大距离的传动， 如机床导轨底下带动拖板箱移动的就是齿轮齿条传动，齿轮齿条机构需要外加锁紧装 置，因为齿轮齿条机构不能自锁。而且它的制造及其安装精度要求高，成本高，不适 于两轴中心距过大的传动及振动冲击较大的场合。 在本设计方案中，齿条的上、下面均有轮齿，分别于两个齿轮啮合，其中上面的 齿轮负责绕线工作，而下面的齿轮则负责进给，下面的齿轮通过螺旋传动横向进给， 进而带动上面的绕线齿轮在绕线的同时有横向位移。在绕线之前，将引线抓过来与导 线握在一起，随后，将整个绕线装置通过两边的对称把手挂在高压线上面，然后开始 绕线，绕线完成后，取下整个装置。本设计存在的主要缺点之一就是，齿条的尺寸要 求很大，因为即使齿轮只转动一圈，齿条的长度就是它的周长，该绕线机构中，绕线 齿轮的周长大约为半米，这就意味着齿条的长度必须是半米的整数倍，而这一条件完 全违背了最初的设计目的，很难满足结构轻便这一基本要求。 2.2 内啮合齿轮绕线机构 该方案绕线机构采用的是内啮合的直齿圆柱齿轮，它的优点是内啮合直齿圆柱齿 轮机构是用于传递两平行轴之间的运动和动力的齿轮机构，它的主、从动齿之间转向 相同，在同样的传动比情况下所占地位小，直齿圆柱齿轮省料，经济比较便宜，且传 动尺寸小，传动比大，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度 和尺寸范围大；缺点是成本高，不能远距离传动，制造和安装精度要求高。当两轴间 需要较大的传动比时，如果只用一对齿轮传动，由于两轮齿数相差悬殊而使小齿轮易 于磨损，同时两轮的尺寸相差较大时就可以采用内啮合的齿轮。可以用于减速器中、 电动滚筒中等。 进给运动时采用的是四杆机构，他的示意图相当于是曲柄滑块机构，曲柄滑块机 构的优点是低副的移动副，滑块可以左右或者上下往复运动，曲柄滑块机构广泛应用 于往复活塞式发动机压缩机冲床等的机构中。 抓线机构也是采用的四杆机构的原理。 2.3 斜齿轮啮合绕线机构 本方案中，绕线部分采用斜齿轮啮合传动。与直齿轮传动相比，斜齿轮有以下主 7 要优点：重合度大，齿面接触情况好，因此运转平稳，承载能力高；无根切的最小齿 数较直齿轮少，故可使结构更加紧凑；加工成本不高于直齿轮。主要缺点是运转时会 产生轴向力，对传动不利。无攀爬式全自动高空接线机器人工作时，线盒被安放在从 动齿轮上，随着从动齿轮作圆周运动和横向进给。 而进给采用的是滑动螺旋传动。工作时，螺杆与齿轮旋和，同时连接着一个联轴 器，联轴器与进给杆相连，进给杆与架子相连，当螺杆转动时，一方面与主动齿轮旋 和，同时主动齿轮又与从动齿轮啮合，这样完成绕线功能；而与联轴器相连的进给杆 则带动架子和主、从动齿轮进给。通常所说的滑动螺旋传动就是普通滑动螺旋传动。 滑动螺旋通常采用梯形螺纹和锯齿形螺纹，其中梯形螺纹应用最广，锯齿形螺纹用于 单面受力。矩形螺纹由于工艺性较差强度较低等原因应用很少;对于受力不大和精密 机构的调整螺旋，有时也采用三角螺纹。螺旋传动的优点是：结构简单、承载能力大， 传动平稳、无噪声，能实现自锁要求，传动精度高，故广泛应用于机床进给机构、螺 旋起重机和螺旋压力机中。缺点是，螺纹之间产生较大的相对滑动，摩擦磨损严重， 传动效率低。 2.4 本章小结 通过查阅资料，并对几种方案进行分析和比较优缺点，排除了较不合理的方案之 后，决定选择方案三作为最后方案，运用斜齿轮啮合机构绕线，滑动螺旋传动进给， 这样进给和绕线共用一个电动机，可以减少一个电动机的使用，从减少重量和电动机 的角度看，都是很好的选择。 8 第 3 章 参数的确定及电机的选择 3.1 绕线机构参数的确定 斜齿圆柱齿轮传动 1. 选精度等级、材料及齿数 1) 材料：尼龙 2) 精度等级：7 级 3) 小齿轮（主动）齿数=19，大齿轮齿数=38 1 z 2 z 4) 选取螺旋角 初选 16O 2. 按齿面接触强度设计 按参考文献2中式（10-21）计算，即 （3.1） 1 22 1 3 1 () tHE d H k TZ Z u tu d (1) 确定公式中各计算数值 1) 试选 1.6 t K 2) 由参考文献2中图 10-30 选取区域系数2.410 H Z 3) 由参考文献2中图 10-26 查得 ，则 1 0.74 2 0.8 0.740.81.54 4) 许用接触应力 MPa （3.2） 12 5454 54 22 HH H 5) 小齿轮传递的转矩Nmm 1 60T 6) 选取齿宽系数 0.8 d 7) 由参考文献2中表 10-6 查得材料的弹性影响系数 1 2 56.4 E ZMPa 齿数比 2 1 38 2 19 z u z (2) 计算 1) 小齿轮分度圆直径 1t d 9 23 3 1 2 1.6 6032.410 56.4 ()4739.5413.33 0.8 1.54254 t d 2) 计算圆周速度 ms （3.3） 11 13.33 402110.08 0.035 60 100060 100060000 t d n V 3) 计算齿宽 b 及模数 nt m mm （3.4） 1 0.8 13.3310.66 dt bd mm (3.5) 1 1 cos13.33 cos1612.81 0.67 1919 o t nt d m z mm (3.6)2.252.25 0.671.51 nt hm 13.44 11.27 1.9125 b h 4) 计算纵向重合度 (3.7) 1 0.318tan0.318 0.8 19 0.291.68 d z 5) 计算载荷系数 K 查得使用载荷系数1.00 A K 动载荷系数=1.00 V K 齿向载荷分布系数=1.244 H K 1.2 F K =1.4 HF KK 因此 （3.81.00 1.00 1.4 1.2441.74 AVHH KK K KK ） 6) 按实际的载荷系数校正算得的分度圆直径，由式（10-10a）得 mm （3.9） 3 3 11 1.74 d =d13.3313.33 1.0313.73 1.6 t t K K 7) 计算模数 n m mm （3.10） 1 1 cos13.73 0.96126 0.69 19 n d m z 3. 按齿根弯曲强度设计 由参考文献2中式 （10-17） 10 （3.11） 1 3 2 1 2cos FSa n dF KTY Y Y m z (1) 确定计算参数 1) 计算载荷系数 （3.12）1.00 1.00 1.4 1.21.68 AVFF KK K KK 2) 根据纵向重合度，从参考文献2中图 10-28 查得1.68 螺旋角影响系数0.86Y 3) 计算当量齿数 （3.13） 1 1 3 19 21.35 cos0.89 V z Z 2 2 3 38 42.70 cos0.89 v z Z 4) 查取齿形系数 由参考文献2中表 10-5 查得 ， 1 2.745 Fa Y 2 2.355 Fa Y 5) 查取应力校正系数 由参考文献2中表 10-5 查得 ， 1 1.563 sa Y 2 1.675 sa Y 6) 计算大、小齿轮的，并加以比较（对于大、小齿轮 FaSa F Y Y MPa） 12 70 FF （3.14） 11 1 2.745 1.563 0.06129 70 FaSa F YY 22 2 2.355 1.675 0.05635 70 FaSa F YY 小齿轮的数值大 (2) 设计计算 2 3 2 2 1.68 60 0.67 0.96126 0.061290.3 0.8 191.54 n m 取4 n m 1 19z 2 38z 4. 几何尺寸计算 11 (1) 计算中心距 mm (3.15) 12 ()(1938) 4228 118.594 2cos2 0.961261.92252 n zz m a 将中心距圆整为 119mm (2) 按圆整后的中心距修正螺旋角 =1625 12 ()(1938) 4 arccos 2a2 118.60 n zz m 因为值无太大变化，故参数、等不必修正 K H Z (3) 计算大、小齿轮的分度圆直径 mm （3.16） 1 1 19 4 79.06 cos0.96126 n z m d mm 2 2 38 4 158.13 cos0.96126 n z m d (4) 计算齿轮宽度 mm 1 0.8 79.0663.248 d bd 因为对齿轮强度要求不高，所以最后取mm,mm 1 30B 2 25B 3.2 进给机构参数的确定 进给机构采用螺旋传动，螺杆选择,普通螺纹，螺距12dM1.5Pmm 设计计算 1. 耐磨性计算 螺纹工作面上的耐磨性条件为 （3.17） 22 FFFP PP Ad hud hH 令，则，代入式（3.17） ，整理后得 2 H d 2 Hd (3.18) 2 FP d hP 对于普通螺纹，接触高度(=0.6495 mm) 3 4 hP 代入，有 2 0.86 F d P 在式（3.17）中，各参数值如下： 12 N75F mm 2 11.026d mm1.299H MPa =70P 因此，有 2 75 1.5 3.9 3.14 11.026 0.6495 1.299 FP PMPaP d hH 强度足够 2. 螺杆的强度计算 第四强度理论 （3.19） 2222 3()3() ca T FT AW 22 1 14 3() ca T F Ad 其中，F：螺杆受的轴向力，N A：螺纹段的危险截面面积 ，mm 2 1 4 Ad : 螺纹段的抗扭截面系数 ，mm T W 3 1 1 164 T d WdA T：螺杆所受扭矩，Nmm ：螺杆材料的许用应力，MPa ,(MPa） 300 其中，根据螺杆转速,查得kgcm=60Nmm9550 p T n 40 min r n 0.6T 因此有 MPa300MPa 22 43 16 3600 56251 3.14 10.37610.376 ca 3. 螺杆的稳定性计算 螺杆的稳定性条件 (3.20) cr ecs F SS F ：螺杆稳定性的计算安全系数 ec S ：螺杆稳定性安全系数，取 s S3 s S ：螺杆的临界载荷，N cr F 根据欧拉公式计算，即 cr F 13 （3.21 2 2 () cr EI F l ） 由参考文献2中表 5-14 查得螺杆的长度系数0.5 mm240l 因,所以无需进行稳定性校核 0.5 240 1040 12 s l i 3.3 抓线和导线握持机构参数的确定 3.3.1 抓线机构参数确定 （a） （b） 图 3.1 抓手 如图 3.1 所示，抓手部分主要由两部分驱动，其中图（a）为抓线时抓手位置， 中间空间为高压线所处空间，整个抓线过程中，抓手应实现两次分和，一次是抓住引 线，第二次是将引线和导线握在一起。图（b）是推杆，即抓手的动力来源，推杆工 作时，两个小圆环是拉手，通过将推杆上下移动，来使抓手实现抓线和松开线的动作。 本结构的参数确定主要是根据高压线的尺寸而定的。 14 （a） (b) 图 3.2 抓手零件尺寸示意图 如图 3.2 所示，为抓手上部的零件尺寸参数。 15 （a） (b) 图 3.3 抓手推杆部分零件尺寸示意图 16 如图 3.3（a）和 3.3（b）所示，为抓手推杆部分的尺寸参数。 3.3.2 导线握持机构参数的确定 图 3.4 导线握持机构的平面图，从结构可看出，导线握持机构是典型的四杆机构， 工作时，两个相同的抓手将导线握在一起，其具体参数主要根据导线的尺寸而定，先 确定中间握住导线的椭圆形状的尺寸，然后依其运动情况确定其他部位的尺寸，如连 杆，此处或可根据具体的运动仿真分析而定，运动仿真之后，机构的运动轨迹表现清 晰，一目了然，运动范围也可确定，由此，各部分的尺寸也就可相应确定 (a) 17 (b) 图 3.4 导线握持机构 如图所示，图 3.4（a）为导线握持机构的实体图，而图 3.4（b）为导线握持机构 的尺寸参数示意图，其基本参数在此图中均有所体现。 3.4 电机的选择 3.4.1 进给机构电机的选择 进给机构采用的是螺旋传动，选取是的普通螺纹，根据机械设计课程设计 12M 手册查得，螺距。在整个绕线过程中，计划绕线 20 圈，因此，从动齿轮要1.5Pmm 相应转动 20 圈，根据传动比，可得出主动齿轮转 40 圈，而螺杆也就转动 2 1 2 z i z 40 圈，因此，所选择电机的转速应该大于等于。根据本设计对电机的特殊要40minr 求，在微型蜗轮蜗杆减速直流电机中进行选择，由前面所求转速，选择 GW370-62 型 电动机，该电机的空载转速为，额定转速为，额定扭矩为，62minr45minr0.6kg cm 换算为，电源为 DC6v,外形尺寸（不含轴）是：（mm） ，重量仅60N mm82 32 27 为。0.18kg 3.4.2 握持机构电机的选择 握持机构采用四杆机构，通过一根杆的进给运动，是抓手部分产生一定角度， 当角度达到一定程度时，便能够将将高压线扣住。二本部分结构功能的实现主要是通 过驱动杆产生的位移，其位移量很小，所选择的电动机为 WD-A-6 系列推杆，推杆的 空载速度为：,带载后也完全可以完成本结构的要求。该产品广泛应用于电站、 5mm s 矿山、港口、冶金、轻工等系统中，也适合于具有相同工作环境和使用要求的其它行 业中，并具有满足系统要求的程控、集控和就地控制的能力。安装电动推杆时，应考 虑现场手动操作、调试及维护方便的空间，也必须考虑推杆自身的运动空间。其安装 尺寸参见各规格推杆安装尺寸图表。电动推杆安装完毕后应对以下部分进行调整检查 后，方能通电试运行：电气线路是否符合电气原理图的要求，电源电压及相序是否正 确；检查各紧固件是否牢固可靠；转动手柄轴检查推杆行程控制机构工作是否正常。 本部分电机分别分布在架子的两侧，工作是同时的，即要保证两个抓手工作的同步性。 永磁直流电机的特点：电磁式直流电机原理相似，永磁直流电机唯一的区别就是 直流电机的磁通产生的方式不同。永磁直流电机的主要特点：首先永磁直线电机不需 要直流励磁电源，可以有效的减少电源的耗电量，因此具有重要的经济价值。其次永 18 磁电机没有励磁绕组，这样就可以节省电机的用铜量，有效的减少电气铜耗。特别是 在微型以及小容量的范围内，电机的重量、体积以及效率和成本都可以得到有效的改 善。但是永磁电机中的永磁材料的磁场是恒定的，永磁直流电机是以微型和小容量为 主。 图 3.5 直动电机 3.5 本章小结 本章是参数的确定和电机的选择，参数确定首先是根据实际情况，比如高压线直 径，来估算出大致需要多大尺寸的齿轮，然后在初选参数，进行计算，强度校核，进 而确定具体的参数，然后再对其他参数进行计算，所有数据校核并确定后，选择合适 的电动。而四杆机构等的参数确定，则要根据实际运动轨迹等因素，这些都是根据具 体情况而定，没有特别标准的参照和理论依据，主要是根据设计需求而定，灵活性比 较大。在电动机的选择上，本设计较多采用了直动电动机，这是出于对结构简便和节 省原材料、重量的考虑。 19 第 4 章 绕线机构设计 4.1 绕线机构结构设计 主动齿轮上面只有四个减重孔，无其他特别结构。 从动齿轮上面要有一个线盒，线盒是粘接在齿轮上面的，绕线时，随着从动齿轮 的转动，线盒中的铝线被带出，缠绕导线，可以在线盒外端出口处，加个弹簧片，该 弹簧片的作用是，当线盒经过两根高压线时，没有弹力作用，当铝线缠住高压线后， 相当于高压线变粗了，这样，当弹簧片与缠着铝线的高压线接触后，即对其有个弹力 作用，起到紧线作用。线盒中铝线的长度是一定的，这样，能够保证在绕线动作完成 时，线盒内没有多余的残留线，这也就减少了一个动作，即当绕线完成后，没有剪线 的动作，减小了工作的难度。 图 4.1 从动齿轮 本设计要求重量轻，因此，为了减轻重量，要使用轻质材料，如塑料、尼龙等， 现选择尼龙材料。尼龙，英文名称 polyamide（简称 PA） ，是分子主链上含有重复酰 胺基团NHCO的热塑性树脂总称。包括脂肪族 PA，脂肪芳香族 PA 和芳香族 PA。其中，脂肪族 PA 品种多，产量大，应用广泛，其命名由合成单体具体的碳原子 数而定。尼龙 1938 年在美国被成功的合成，是世界上出现的第一种合成纤维。尼龙 的出现使纺织品的面貌焕然一新，它的合成是合成纤维工业的重大突破，同时也是高 20 分子化学的一个重要里程碑。现在使用较广泛的尼龙材料类型之一就是 MC 尼龙，它 是在常压下，将熔融的原料已内酰胺单体 C6H11NO 用碱性的物质作催化剂，与活化 剂等助剂一起制成待聚单体，直接注入预热到一定温度的模具中，使物料在模具内很 快地进行聚合反应，凝结成坚韧的固体胚件，再经过有关工艺处理，得到预定的制品。 MC 尼龙的特点：摩擦系数比钢低 8.8 倍，比铜低 8.3 倍，而比重仅为铜的七分之一。 MC 尼龙可直接取代原铜不锈钢、铝合金等金属制品。多年来我公司生产的 MC 尼龙 滑轮、滑块、齿轮、蜗轮、托轮、支承轮、走轮、水泵叶轮、轴套、轴瓦、柱肖、活 赛阀体、挡胶板、皮带轮、转动轮、棒材、管材、板材等，不仅较好地取代了相应的 金属品，而且使用户降低了成本，延长了整机及零件的使用寿命，经济效益有显著提 高。MC 尼龙又分为很多种，其中有一种 MC901 （蓝色） ，这种改性尼龙 6 有醒目 的兰色，比普通浇铸尼龙的韧性高，柔性好，耐疲劳，证明是齿轮，齿条和传动齿轮 的理想材料。MC 尼龙的应用范围越来越广，效果也越来越显著，人们从不认识到认 识，从试用到应用，逐步认识到 MC 尼龙应用的卓越性、重要性，MC 尼龙已取得了 重大的经济效益。 4.2 进给机构结构设计 进给机构采用滑动螺旋传动，整个绕线过程中，要缠绕 20 圈，因此从动齿轮转 动 20 圈，螺杆也转动 40 圈。目前我国常用的螺杆材料有 45 号钢、40Cr、氨化钢、 38CrMOAl，高温合金等。而为了满足设计要求，本设计中螺杆不采用金属材料，现 在有尼龙材料的螺杆被使用，当强度要求不高，又需要减轻重量时，尼龙螺杆便是一 种很好的选择。 4.3 支架结构设计 由于本装置是要进行高空作业，须由操作人员举至高压线处，因此，对重量有极 高的要求，所以不仅在材料的选择上，在机构设计时，也要尽量减轻重量，无论是支 撑一对齿轮的小架子，还是机构的整体架子，都要尽可能多的减重。 1. 小架子结构设计 小架子的设计目的是要保证绕线时，机构不会摇晃，即保证平衡，同时，支撑着 大齿轮。螺杆被安置在和高压线在一条直线上，这样，就要求架子能够保持两边平衡， 因此，架子既能起到支撑作用，又能保持整体平衡。设计时，高压线所在的竖直平面 相当于架子的对称中心，架子的结构要完全对称，才能使机构稳定，绕线时，小架子 的移动和主动齿轮是完全一致的，没有相对位移，这是因为在小齿轮和架子之间有个 21 类似套筒的东西，它与主动齿轮用键连接，同时用卡环固定，使轴向固定，这样，当 套筒进给时，带动架子和主动齿轮同时运动，而且键连接使得主动齿轮随之转动，与 从动齿轮啮合绕线。套筒状物体内部有螺纹，这是保证进给的必要条件。小架子与从 动齿轮接触处有一个支撑从动齿轮的约圆筒，圆筒与从动齿轮边缘处有一个圆柱 3 4 销，防止齿轮轴向窜动。在该圆筒上与进给方向相反的一方边缘处，安装有一个 “V”型弹簧片，当齿轮绕线时，从齿轮进入的高压线是约为长径 20mm、小径 10mm 的椭圆，绕线的铝线直径为 2mm，所以从弹簧片处离开时，长径和小径各增 加了 4mm 左右，这样，弹簧片的弹力就给了高压线一个夹紧力，使得缠绕在高压线 上面的铝线不会松动，起到了紧线的作用。在小架子的一侧外部，安装着进给机构的 电动机,该电动机的尺寸（不算轴）为：(mm)。小架子偏底部的位置有两 82 32 27 个孔，分别与两根平衡杆配合，此处为间隙配合，因为小架子与平衡杆有相对位移， 要沿着其轨迹进给。 图 4.2 小架子 2. 大架子结构设计 大架子的主要功能是当机构绕线时，将整个机构挂在高压线上，减轻操作人员的 劳动强度。大架子的两边对称布置着两个完全相同的四杆机构，该四杆机构由一个直 动推杆驱动，在绕线前后，四杆机构通过其中一个杆的直线位移，使挂线处发生角度 22 变化，进而实现挂线、松开线两次动作。两个四杆机构的动作是同步进行的，四杆机 构的电机（即直动推杆）也安装在架子外侧，并且四杆机构在外侧都有挡板，防止其 发生空间位移，四杆两边各有一个实心圆柱体，该圆柱体起到限位作用，使得四杆的 原动杆的运动轨迹不能脱离两个圆柱实体，同时，因为在挂住高压线之后，几乎重量 都由两边的四杆机构承受着，所以，对四杆机构的刚度要求很大，因此，为了增加强 度，在四杆的原动杆和圆柱实体处，连接着滑块，该滑块刚度很大，可随着四杆的移 动而自由滑动。从减轻重量的角度考虑，架子的两侧和底部都有设置减重成分，即在 不影响其结构强度的前提下，可在部分位置去除材料，这样，可大大减轻重量。架子 上方两边各有一个类似滑道的结构，因为当操作人员在下方举着机构时，无法很准确 地将高压线线对准架子中心线部位，加了这一结构后，可以让架子接近高压线后，先 将高压线引进滑道，随后，顺着滑道，把高压线带进准确位置，这样对于抓手抓线也 有很大帮助。大架子同样有两个插杆孔，与两根平衡杆配合，不过此处应为过盈配合， 因为要求固定杆与大架子相对静止，无相对位移。安装时，在大架子固定螺杆的孔上 方，各有一个向上逐渐变大的孔道，而在螺杆进入架子处，该孔道直径最大，这样， 只需将螺杆从最大直径处插入，之后，便会顺着孔道落至指定位置，便于安装。 图 4.3 大架子 4.4 本章小结 在本部分结构的设计中，考虑到经济因素和节能环保，将进给机构和绕线机构设 计成共用一个电动机。该电动机工作时，既要带动主动齿轮转动，主动齿轮又与从动 23 齿轮啮合，进而从动齿轮进行绕线动作，又要实现进给，这就增加了机构的难度。设 计时，用一个套筒状结构解决这一难题，该结构将绕线和进给实现在一个电动机上， 借助卡环和键这些标准件的帮助，实现了这两个功能的结合。这样的结构设计节约了 能源、减少重量，而且操作方便，尤其是在共用一个电动机这一点上面，充分诠释了 设计初衷。 24 第 5 章 抓取机构的设计 5.1 抓线机构结构设计 如图所示为抓线机构的机构，该机构有一个细长空管，里面有一根拉杆，动力通 过这根拉杆由操作人员的手传向上面的抓线部分。该结构主要部分是拉杆和抓手，拉 杆上推时，将抓手之间的角度变大，这样，手张开一个曲线，将悬着的引线带进手指 之间，然后拉杆向下拉，这时，手指向抓住的高压线抓紧，将其握住，将机构送至固 定高压线处时，再次向上推拉杆，这时，手指再次张开，将两根高压线同时握在手里， 将其抓紧。然后送整个支架上去，进行绕线工作。 （a） （b） （c） 图 5.1 抓线机构 5.2 导线握持机构结构设计 导线握持部分采用的是四杆机构。四杆机构的主要优点是：连杆机构为低副，运 动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击；运动副元素的几何形状多为平面或圆 柱面，便于加工制造；连杆曲线可以满足不同运动轨迹的设计要求。主要缺点有：运 动积累误差较大，因而影响传动精度；由于惯性力不好平衡，因而不适于应用在高速 传动；设计方法相对复杂。在本设计中，当握线机构不工作时，四杆的握持部分是张 开的，有一定角度，当整个机构被送至高压线处时，直动电机将推杆向上推，同时， 25 握持部分的角度逐渐变小，直至为零，此时，四杆机构将高压线紧紧握住，动作完成， 架子两边的把手同时抓线、松线。在抓手的外侧，有一个挡板固定，而且发生角度变 化处的推杆也有两个小圆柱与之接触，这样就很好的保证了其稳定性。而且，握持部 分的内部空间，即与高压线接触处，是设计成椭圆形的，这样当高压线被握住时，由 于接触紧凑，而且整个该装置有重力作用，会对高压线产生作用力，迫使两根高压线 成竖直排列，避免其晃动，更加便于缠线。 （a） (b) 图 5.2 导线握持机构 5.3 本章小结 本部分的设计主要是抓线、握线部分结构设计。由于高压线引线是悬在空中的， 没有固定装置，因此，要对其施力必须先将其抓紧，然后才能使之与固定的高压线汇 合，并用准备好的铝线缠绕。这一设计要求的满足主要借助于四杆机构，四杆机构便 于安装制造，而且容易实现运动轨迹的复杂性，是首选机构。 26 第 6 章 实体机构装配 6.1 实体机构装配 由于 CAD 技术的快速发展，迅速而准确地进行轮廓设计早已经成为可能，这一 技术将设计者从复杂且繁重的计算和艰巨的绘图工作中解救出来，但是，CAD 技术 局限于二维平面图，缺乏立体感，不能很好的表达特别复杂的机构。因此三维软件的 使用越来越受欢迎，人们在有了基础设计理念之后，即可利用三维软件生成实体，通 过分析比较，再进行实体装配，最后，通过运动仿真，来确定最终机构。这样，就避 免了空泛和抽象的想象，将实体表现出来更加形象。例如 pro/e 画图软件，即可精确、 快速的完成机构的三维实体造型，并且通过对机构进行运动仿真，大大的简化了机构 的设计开发过程，并提高了设计的准确性。 实体装配时
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