毕业设计（论文）开题报告飞机表面清洗机器人结构设计与分析

附录1燕 山 大 学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：飞机表面清洗机器人结构设计与分析 学院（系）：机械工程系 年级专业：08级机电2班 学生姓名： 指导教师： 完成日期：2012年3月18日 附录1飞机表面清洗机器人结构设计与分析一、 课题研究背景世界经济的繁荣，促进了航空运输事业的飞速发展，飞机作为交通运输的主要工具正发挥着越来越大的作用。飞机在日常使用中经常接触到各种各样的污染物，如飞行时空气中的风沙、灰尘，海上飞行时空气中的盐雾、酸雾等，不仅影响飞机外观整洁，而且会造成机身腐蚀。因此飞机表面清洗作业己成为飞机保养过程中的一个重要环节，它不但使飞机表面清洁美观、有效地缓解和减轻腐蚀，而且可以清除蒙皮表面粘着的污染物对气动特性带来的不良影响，同时能保证起落架收放机构、舵轴颈部位和活动翼结合部位机构的正常运动，对提高机上电子设备的感应灵敏度也有一定好处。随着城市现代化程度的提高，对飞机外观质量和清洁度要求愈来愈高。国外民用飞机一般每隔l0日至15日必须定期清洗一次，我国军用飞机推荐的清洗周期一般为较好地区90天、中等地区45天、恶劣地区15天、沿海地区7天。由于世界各国都在不断装备最新的客货运输飞机及军用飞机，飞机数量不断增加，这就使得飞机表面清洗成为一项繁重、耗时、耗资的工作。此外飞机表面的常规清洗看起来好象颇为简单，实际却是一个很重要、很复杂、技术性很强的工作，不当的清洗方法会对飞机造成新的腐蚀隐患。随着科学技术的发展及社会的进步，飞机表面清洗的机械化、自动化问题越来越被人们所重视，飞机表面清洗设备已成为现代化机场不可或缺的机械设备。其原因是常规的手工刷洗方法不仅效率低，且难以满足清洗质量要求。利用机械化飞机表面清洗设备不但可以节省劳动力，减轻工人劳动强度，提高清洗质量，而且节约了飞机地面停留时间，提高了经济效益。正因如此，许多大中城市的飞机场开始陆续引进飞机表面清洗设备，对飞机表面清洗设备的需求呈现出不断增长的趋势。虽然目前飞机表面清洗设备是机场中的重要配套设备，然而自动化、智能化的飞机表面清洗设备一直没有受到足够的重视，这在很大范围内制约了飞机表面清洗设备优势的发挥，使得飞机表面清洗工人的劳动强度和危险性仍然很大，清洗效率也满足不了时代发展的要求。实现飞机表面清洗作业的自动化，用机器人来替代人工清洗操作，将会大大节约劳动力，降低工作人员的劳动强度，提高清洗效率，同时也降低飞机的非营运时间。所以开展机器人飞机表面清洗作业、提高飞机表面清洗作业的自动化水平，是目前急需解决的问题。基于这种现状，国外学者提出了飞机表面清洗设备机器人化的设想。其主体思想就是将机器人技术引入飞机表面清洗设备的自动控制中，使其具有机器人的功能，即在清洗飞机表面时，清洗设备能够按照程序设定的轨迹和位置自动完成飞机表面清洗工作。目前德国、美国、日本等国家已开展了飞机表面清洗机器人的研究工作，并做了一些有益的尝试，国外实践表明，采用机器人清洗飞机表面一般可提高劳动生产率一倍以上，节约水资源50以上，降低工程成本50左右。目前国内对此项技术的研究尚处于空白状态。近儿年来我国航空事业发展很快，国内几大航空公司已经接近或达到发达国家的水平。伴随着航空事业的迅速发展，飞机表面清洗机器人在我国将会有很大的应用市场。二、 国内外发展状况和研究成果飞机表面清洗技术的发展可以分为三个阶段。第一阶段为手工操作阶段，由工人进行清刷工作。第二阶段为机械辅助人工操作阶段，利用专用的清洗机械辅助人工完成大型飞机的清洗任务，工作效率有所提高。第三阶段为自动化清洗作业阶段，自动化机械为飞机表面清洗工作提供了良好的条件和保障。1、手工操作飞机表面清洗技术最早的飞机表面清洗是由工人手持单刷进行清洗作业的，如图1所示。图1 人工清洗飞机表面清洗大型飞机时主要是借助于高空作业车（如图2、图3所示）等设备进行人工清洗，工人劳动强度大、效率低。清洗一架大型飞机，一个20人的清洗班组要耗时5h，人均挥刷近10000次以上。另外，由于飞机地面停留时间长，经济效益有所降低。图2 高空作业车 图3 高空作业平台2、机械化飞机表面清洗技术随着大型飞机的出现以及飞机数量迅速增加，纯粹手工清洗操作已经满足不了时代对飞机清洗的高效率、高质量的要求，从而出现了专门用于飞机表面清洗的专用飞机表面清洗车。目前各飞机场站应用的飞机表面清洗车，如图2、3所示，多数为利用升降平台或举高车改装而成。清洗时靠升降平台或举高车承载清洁工首先利用喷枪喷洗涤剂，然后用高压水枪冲洗，冲不掉的地方或飞机的关键部位用刷子擦去尘土及污物。清洗作业基本还属于手工作业，方法虽简便易行，但劳动强度大，并且清洗时存在着很大的危险隐患。首先，站在升降平台或举高车上的清洁工在高处作业具有一定危险性，另外飞机每一块蒙皮对水压的要求都不同，水枪喷射出的高压水，容易导致飞机电子仪器设备损坏。可见，常规清洗不仅效率低，且难以满足清洗质量，对飞机设备的安全性能也带来了一定的危害。随着飞机数最的增加，清洗作业也不断增加，为了减少劳动力、削减经费，开发全自动飞机表面清洗车显得越来越重要了。90年代初人们开始寻求自动化和机器人技术在飞机表面清洗这一行业上的应用，并取得了很大的进步，日本、美国，德国在90年代后期相继开发出了飞机表面清洗机器人。3、机器人飞机表面清洗技术(1)龙门式飞规表面清洗机器人1-3日本成田的新东京国际航空机场装备了计算机控制的龙门式飞机表面清洗机器人。装置在对应于飞机头部、机身前部、机身下部、机身后部、主翼、水平尾翼、垂直尾翼等位置处共安装了16台机器人，每台机器人手臂上安装了清洗刷，并在各个刷子的前端和清洗机器人各处安装了喷射水和清洗剂的喷嘴。清洗时飞机由牵引车拉入装置内，然后利用仪器将测得的飞机准确位置传给计算机，同时利用此数据微调清洗装置的方位开始按一定顺序自动清洗机体，机器人手臂达不到的地方或用机器人不易清洗的地方再由人工利用长刷进行清洗。利用该自动清洗机器人清洗一架巨型客机只需5名机务人员约100分钟就能完成。这种机器人由于采用了龙门式框架结构，装置近百米宽，对宽体大型客机的清洗非常适合，但对于一般的中小型客机的清洗就显得不太适合了。(2)立架式移动清洗机器人美国开发的SAAMS飞机表面清洗机器人主要由运输平台、竖直立架、带有6个自由度的可编程机器人三部分组成。(3)长臂式移动清洗机器人4-12德国汉萨航空公司委托普茨迈斯特公司经过近5年的开发，研制出了长臂式飞机表面清洗机器人，如图4所示。目前已在德国法兰克福机场上岗工作。该清洗机器人的主要组成部分有机械系统、计算机、组合传感器、机器人控制器及液压系统，其核心部件是AEG公司的IRC250机器人控制器和道尼尔公司的激光器。首先利用微机对航空公司的整个机队的飞机外形进行编程，并将飞机的机型数据输入计算机。工作时，机器人位于飞机的两侧，利用专用激光摄像机确定出机器人的精确工作位置，利用传感器得到飞机的三维轮廓，并将此信息送往计算机进行处理。计算机将机器人当前的位置与所存储的飞机的数图4 长臂式飞机表面清洗机器人据模型进行比较并由当前的位置计算出机器人的坐标。机器人开始清洗时，由装在车后部的AEG的IRC250机器人控制器控制清洗滚刷，按照预定程序沿着飞机表面做清洗运动。清洗机器人的机械操作臂有9个自由度，它的机械臂向上可伸33米高，向外可伸27米远，且清洗机器人可以走近飞机，所以它可以清洗任何类型的飞机。由于机器人的臂很长，它能覆盖所有类型飞机表面的85只有机身下面等少数机器入达不到的部位或用机器人清洗不经济的部位需要用手工补擦。为了提高效率，手工擦洗可与机器人擦洗同时进行。通过使用机器人不仅减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率，而且可以节省一半以上的水资源。例如，人工清洗一架波音747飞机需要100个工时，飞机在地面须停留10h，而机器人清洗仅需12个工时，飞机在地面停留23h。这样大大缩短了飞机的地面停留时间，增加了飞行营运时间，提高了经济效益。4、我国飞机清洗技术的发展方向目前我国飞机表面清洗技术，基本处于手工清洗操作阶段和利用专用的清洗机械辅助人工完成清洗工作阶段，在智能化清洗技术方面还处于空白阶段。根据我们对国内各民用、军用机场的调查表明，各机场都存在飞机品种繁多的特点，长臂式飞机表面清洗机器人是我国飞机表面清洗车的发展方向。同时，我国在壁面清洗机器人、船体表面清洗机器人研究方面以及高空作业长臂类机器人化机械研究方面取得的进展，为我国飞机表面清洗机器人化研究提供了有益的经验。(1)我国清洗机器人研究概况目前，我国清洗机器人研究主要集中在用于建筑物的外墙壁、玻璃幕墙清洗的爬壁机器人，如图5、6所示。哈尔滨工业大学13、上海大学14-15、上海交通大学16、北京航空航天大学17-18等单位在这方面的研究较多，并有产品研制成功。此类机器人起源于20世纪70年代的日本19-20，机器人主要依靠吸附力吸附在工作面上并移动。机器人按吸附功能分真空吸附、磁吸附和推力吸附三类。真空吸附机器人是通过真空泵装置，使吸盘内腔产生负压或由喷射器经喷嘴将压缩空气喷出，使周围形成真空，使机器人吸附在壁面上。它不受壁面材料的限制，但当壁面凹凸不平时。吸盘容易漏气，降低了吸附力和承载力，它产生的吸附力远小于磁吸附。磁吸附要求壁面必须是导磁材料，对壁面的凹凸适应性强，不存在漏气问题且结构简单。推力吸附是依靠螺旋桨或涵道风扇产生合适的推力，使机器人稳定可靠地吸附在壁面上。图5 壁面清洗机器人 图6 擦窗机器人(2)我国长臂类机器人化机械研究概况所谓机器人化机器是指在传统机械中引入机器人技术，使其具有机器人的功能。这一概念最早是由蒋新松院士提出来的。机器人化工程机械是工程机械的发展方向，工程机械的机器人化研究，不仅方便了工程机械作业装置的设计、分析、校核，而且也将成熟的机器人技术应用到工程机械中，对实现工程机械的自动化、提升工程机械技术水平和产品档次以及对扩展机器人应用领域无疑也具有十分重要的意义21-22。国外在工程机械机器人化方面开展了大量的研究和开发工作。如沥青路面铺设全自动施工系统、地下共同沟全自动施工系统、机器人化建筑机械等已成为当今国际自动化技术发展的一个重要方向。1994年日本在清除长崎火山爆发区火山土石流采取了无人化施工，施工所用的机械(挖掘机、推土机、装载机和自卸汽车等)都是在几千米外安全地带操纵的。欧洲由产、学、研组成的联合研究团体在政府资助下，在深入开展单体智能化技术研究的基础上，开始了机群智能化技术研究和开发，标志着工程机械智能化的研究又向前迈出了一大步。我国在工程机械智能化方面的研究还处于起步阶段。国家863计划先进制造与自动化技术领域专家委员会，关于机器人技术主题重点支持了工程机械机群智能化和单机智能化。对个别机种的机器人化机器的研究已经初步得到实际应用，这些成果极大地提高了我国工程机械在国内的竞争力，有的甚至已经走向了国际市场，下面仅就长臂类机器人化机械研究作以简单介绍。喷浆机器人23-29喷浆支护是现代建设施工中广泛采用的支护方法，施工中也存在一些待解决的问题，如人工喷浆时回弹造成的飞沙走石使工人不敢抬头睁眼，致使无法保持喷枪与受喷面的垂直度和最佳距离。这样不仅浪费材料，而且混凝土结构疏密不一，不能保证喷层的质量。另外对大断面隧道，人工喷浆需要搭脚手架，影响施工进度且费工费料。图7 大型喷浆机器人 图8 小型喷浆机器人国外从60年代开始采用机械手喷浆，山东科技大学机器人研究中心从1994年开始着手喷浆机器人的研制。2000年初第一台大型喷浆机器人已完成，并在济南高速公路的隧道施工、西安至合肥的铁路隧道施工中开始投入使用，机器人运转正常。该系列喷射混凝土机器人（如图7、8所示）在同类产品中居国际领先水平。隧道凿岩机器人30-34 图9 隧道凿岩机器人早期的液压凿岩设备全由人工操作，操作人员熟练程度的差异往往会导致严重的“超挖”或“欠挖”，对工程的成本和工期都会产生不利影响。为了提高隧道开挖水平，世界上几乎所有的发达国家都推出了隧道凿岩机器人。中南工业大学于1998年开始了隧道凿岩机器人工程样机的开发，现已完成样机研制，如图9所示。该机器人是双臂型机器人，只要操作者在电脑上输入工作界面面积和炮眼数目，机器人便自动设计钻孔的疏密布局，并可以在任何坚硬的岩石上打出所需要的炮眼。伐根清理机器人35-36伐根清理是高效地利用伐区剩余物和伐区林地更新造林的关键。为了解决伐根清理中存在着劳动强度大、作业安全性差、作业效率低等问题，东北林业大学研制了一种智能型伐根清理机器人，如图10所示。该机器人主要由行走机构、机械手、液压驱动系统和控制系统等组成。其中机械手安装在具有行走功能的回转平台上，由回转盘、大臂、小臂和旋切提拔装置组成。为 图10 伐根清理机器人能实现在各种不同坡度、地形进行清理伐根，机械手具有六个自由度。旋切提拔装置由万能切刀、提拔筒、四爪抓取机构等组成，在液压系统的驱动下可以实现各种俯仰、旋转、抓取动作。该机器人可在驾驶室内利用摄像镜头和显示器组成的实时监控系统对作业目标进行搜索，操作人员在机器人驾驶室内即可进行伐根清理作业。使用智能型伐根机器人促进人工更新造林、保护生态环境具有现实意义和广阔的应用前景。林木球果采集机器人37-38图11 林木球果采集机器人目前国内外研制了多种球果采集机，如升降机、树干振动机等，由于这些机械本身都存在着这样或那样韵缺点，所以没有被广泛应用。目前在林区仍靠人工上树手持专用工具来采摘林木球果，这样不仅工人劳动强度大，作业安全性差，生产率低，而且对母树损坏较多。为了解决这个问题，东北林业大学研制出了林木球果采集机器人，如图11所示。该机器人由机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成。其中机械手由回转盘、立柱、大臂、小臂和采集爪组成，整个机械手共有5个自由度。在采集林木球果时，将机器人停放在距母树35 m处，操纵机械手回转马达使机械手对准其中一棵母树，然后单片机系统控制机械手大、小臂同时柔性升起达到一定高度，采集爪张开并摆动，对准要采集的树枝，大小臂同时运动，使采集爪沿着树枝生长方向趋近1-2m，然后采集爪的梳齿夹拢果枝，大小臂带动采集抓爪按原路向后捋回，梳下枝上的球果，完成一次采摘，然后再重复上述动作；连捋数枝后，将球果倒入拖拉机后部的集果箱中。采集完一棵树，再转动机械手对准下一棵：试验表明，这种球果采集机器人采集落叶松果是人工上树采摘的30-35倍。另外，更换不同齿距的梳齿则可用于各种林木球果的采集。这种机器人采摘林木球果时，对母树破坏较小，采净率高，对森林生态环境的保护及林业的可持续发展等方面都有重要的意义。消防机器人39-40图12 消防机器人公安部上海消防研究所、上海交通大学、上海市消防局经过3年的研究，联合研制出我国第一台消防机器人（如图12所示），己通过国家“863”专家组验收。该机器人可以行走、爬坡、跨障、喷射灭火，可以进行火场侦察。此次消防机器人的研制成功为我国消防部队装备自动化和智能化开辟了一个新途径。三、 研究步骤，方法及措施针对以上关于飞机表面清洗机器人的巨大的实际意义，国内外研究成果以及国内研究发展方向的情况，通过对相关文献和研究成果的阅读与分析，对飞机表面清洗机器人将进行以下几个方面研究工作：（一）对飞机表面清洗机器人本体结构进行分析与研究。对机器人载车系统、机器人手臂机械结构及驱动系统等技术进行研究。完成飞机表面清洗机械人的总体设计，完成飞机表面清洗机械人底盘选择及各手臂以及手腕的结构设计 对于机器人来说其机械系统总体设计主要内容：确定基本参数、选择运动方式、手臂配置方式（构型）、驱动方式、机械结构设计等，具体如下：1 根据飞机表面清洗机器人工作任务和目的来确定机器人本体的基本结构、驱动和控制方式、自由度数目。2 根据飞机表面清洗机器人工作任务、工作场地的空间布置等来确定机器人的工作空间。3 根据飞机表面清洗机器人的工作任务来对飞机表面清洗机器人进行动作规划、制定各自由度的工作节拍、分配各动作时间，初步确定各自由度的运动速度。4 根据飞机表面清洗机器人的工作空间，初步确定机器人各部分（各臂）的长度尺寸。5 对飞机表面清洗机器人初步受力分析，根据受力分析结果及各关节的运动速度，选择各关节驱动部件的基本参数（电动机和减速器的选型计算），对于速度较低的可以对机器人进行静力分析。6 根据工作要求确定飞机表面清洗机器人的定位精度。定位精度取决于飞机表面清洗机器人的定位方式、运动速度、控制方式、飞机表面清洗机器人手臂的刚度等。7 根据技术要求等确定各部件的材料和结构及加工工艺；然后验算各构件的机械强度、驱动功率和给出最大负载重量，验算飞机表面清洗机器人各关键部件使用寿命。初步确定各部件的机械结构。8 把飞机表面清洗机器人机械系统总体设计编写成文，并绘制系统总图、简图。（二）对机械人手臂进行三维实体建模及运动学仿真对飞机表面清洗机器人运动学进行研究。使用Solidworks软件绘制飞机表面清洗机器人的三维实体模型，对其进行运动学仿真分析。利用机器人理论建立飞机表面清洗机器人的运动学方程，对机器人运动方程的正解进行求解。（三）关键零部件的有限元分析使用Solidworks软件的有限元功能对机器人进行静力和动态力分析，利用有限元法对机器人手臂进行强度分析，合理地研制飞机表面清洗机器人本体结构的原理样机。（四）编写设计说明书。四、 研究工作进度1、第1-10天，收集资料，调研，整理资料完成文献综述。2、第11-20天，确定机器人的总体设计方案，简略三维图，完成开题报告和第一次考核答辩PPT。3、第21-23天，确定机器人本体的基本结构、驱动和控制方式、自由度数目。4、第24-25天，确定机器人的工作空间，初步确定各臂长度。5、第26-28天，对飞机表面清洗机器人进行动作规划、制定各自由度的工作节拍、分配各动作时间，初步确定各自由度的运动速度。6、第29-31天，初步受力分析，选择各关节驱动部件的基本参数，对速度较低的部件进行静力分析。7、第32-34天，确定飞机表面清洗机器人的定位精度。8、第35-36天，确定各部件的材料和结构及加工工艺。9、第37-39天，验算各构件的机械强度、驱动功率和给出最大负载重量，验算关键部件使用寿命。10、第40天，初步确定各部件的机械结构。11、第41-47天，把飞机表面清洗机器人机械系统总体设计编写成文，并绘制系统总图、简图。12、第48-50天，完成PPT，准备第二次考核答辩。13、第51-55天，对机械人手臂进行三维实体建模。14、第56-60天，运动学仿真。15、第61-65天，关键零部件的有限元分析。16、第66-68天，绘制工程图。17、第69-72天，撰写论文，翻译外文资料。18、第73-85天，弥补不足，查漏补缺，准备最后答辩。 五、 主要参考文献1 王俊玲自动清洗飞机的机器人系统J，机器人技术与应用，2002，(12)：252 宋健智能控制超越世界的目标J，中国自动化学会通讯，1999.104：73 谈大龙，世纪之交机器人的研究动向与前景J，科技成果纵横，1997，(1)：23-254 未注自动清洗飞机的机器人系统J，机器人技术与应用，1997，(3)：265 Chirikjian S，Burdick J w Design and Experiments With a 30 DOF RobotJ,Proceedings of IEEE international Conference Robotics and Automation，1993，(3)：113一1196 FedericmarquetA new redundant parallel mechanism modelingcontrol and first 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