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中國地質大學長城學院 本 科 畢 業(yè) 設 計 題目 高壓線除冰機械人 系 別 工程技術系 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 學生姓名 李佰君 學 號 05208338 指導教師 楊義勇 職 稱 教授 2012年 05月 01日 本科畢業(yè)生畢業(yè)設計誠信承諾書 畢業(yè) 設計題目 除冰機器人機構、控制設計 學生姓名 李佰君 專業(yè) 機制 學號 05208338 指導老師 楊義勇 職稱 教授 所在系別 工程技術系 誠信承諾 本人慎重承諾和聲明： 我承諾在畢業(yè)論文（設計）活動中遵守學校有關規(guī)定，恪守學術規(guī)范，在本人的畢業(yè)論文中不剽竊、抄襲他人的學術觀點、思想和成果，不篡改研究數據，如有違規(guī)行為發(fā)生，我愿承擔一切責任，接受學校的處理。 學生（簽名）： 年 月 日 中國地質大學長城學院畢業(yè)設計任務書 學生姓名 李佰君 學號 05208338 班 級 08機制三班 指導教師 楊義勇 職稱 教授 單 位 中國地質大學 畢業(yè)設計（論文）題目 除冰機器人機構、控制設計 畢業(yè)設計主要內容和要求： 第一：設計除冰機器人的整個形狀布局以及各個零部件的大小尺寸，材料，結構。 第二：設計除冰機器人的控制系統(tǒng)。 第三：除冰機器人在線纜上行走的運動形式和動力裝置。 第四：模擬除冰機器人的運動仿真。 第五：除冰的機構在不同的冰層使整體除冰的效果保證最好。 主要參考資料： [1] 王肖然. 供電線路快速除冰方案[J ]. 發(fā)明與創(chuàng)新, 2008年6月。. [2] 李海，張吉等 .架空高壓輸電線除冰機器人設計[J ]. 中國科技信息，2010年第19期。 [3] 王超，魏世明，廖啟征. 高壓輸電線上除冰機器人的系統(tǒng)設計[J ].機械工程與自動化，2010 年2月。 [4] 繆思怡，孫煒，張海霞. 基于小波矩的高壓輸電線路除冰機器人障礙智能視覺識別方法[J ]，機器人，2010年5月 [5] 許馮平.關節(jié)式管外行走機器人運動學研究[j].機械傳動，2005，6（29）：22-24. [6] 張家梁等.氣動蠕動式纜索維護機器人的研制[j].機器人，2000，9：397-401. [7] 張家梁等.氣動管外爬升機構的研究[j].機械工程師，1997，7：7-8. [8] 周成武，董繼先.氣動爬纜機械手的研究和設計[j].陜西科技大學學報，2004，22：60-62. [9] 畢道欽等.氣動蠕動式管外爬行機器人的設計與實現[j].機械制造，2005，3：38-40. [10] 張家梁等.管外摩擦輪自爬升機構的研究[j].現代機械，1999，3：32-33. 畢業(yè)設計應完成的主要工作： 1.畢業(yè)設計任務書 2.畢業(yè)設計開題報告 3.畢業(yè)設計文獻綜述 4.畢業(yè)設計的翻譯文章及外文原文 5.畢業(yè)論文 6.相關圖紙 畢業(yè)設計進度安排： 序號 畢業(yè)設計各階段內容 時間安排 備注 1 查閱資料并撰寫畢業(yè)設計開題報告 2011.12.10-2011.12.20 2 指導教師審核開題報告,學生根據指導老師意見做進一步修改 2011.12.21-2011.12.22 3 系里組織開開題報告會 2011.12.21-2011.12.22 4 由指導老師指導查閱資料，并翻譯外文資料 2012.12.23-2011.12.31 5 撰寫文獻綜述，經指導老師審閱后著手畢業(yè)論文的寫作 2012.01.01-2012.01.20 6 開始編寫畢業(yè)設計工作計劃，進入畢業(yè)設計的撰寫 2012.01.21-2012.03.06 7 整改論文 2012.04.29-2012.04.30 8 畢業(yè)設計答辯 2012.05.05-2012.05.19 課題信息： 課題性質： 設計■ 論文□ ? 課題來源： 教學□ 科研■ 生產□ 其它□ 發(fā)出任務書日期： 2011.12.6 指導教師簽名： 年 月 日 教研室意見： 教研室主任簽名： 年 月 日 學生簽名： 中國地質大學長城學院畢業(yè)設計（論文）開題報告 學生姓名 李佰君 學號 05208338 專業(yè)班級 08機制三班 指導教師 楊義勇 職稱 教授 單 位 中國地質大學 課題性質 設計■ 論文□ 課題來源 科研■ 教學□ 生產□ 其它□ 畢業(yè)設計（論文）題目 除冰機器人機構、控制設計 研究的目的及其意義 隨著現代科學技術的發(fā)展，機器人越來越廣泛地應用在各行各業(yè)中。機器人的研究與應用水平己經成為一個國家經濟實力和科技發(fā)展水平的重要標志。我國自1987年實施國家“863“高技術研究發(fā)展計劃以來，就把智能機器人研究確立為自動化領域的主體之一。目前，開發(fā)輸電線路機器人代替人工作業(yè)以提高除冰效率和維護人員安全以成為國內外研究的熱點。然而在機器人研究領域并未出現與輸電鐵塔檢測相關的成熟方案，落后的人工檢測桿塔方法不僅危險性高，而且缺乏準確度，無法完全排除安全隱患。因此提出一款用于輸電鐵塔檢測的機器人代替人工作業(yè)，以提高其工作效率，安全性和準確性就具有較好的應用前景和實用意義。本論文因此討論一種安全有效的輸電鐵塔攀爬機構用于該類機器人的研究。 國家電網的快速建設，超高壓大容量輸電線路的應用也越來多，然而電網線路所覆蓋的地理環(huán)境極為復雜，常常經過人跡罕至的崇山峻嶺，這就給輸電線路維護上造成了很大的困難。特別是在寒冬臘月的時候，輸電鐵塔和輸電線路往往出現結冰現象，極易發(fā)生輸電鐵塔倒塌和輸電線路斷裂，給國家電力系統(tǒng)帶來極其嚴重的破壞，導致全國各地不同程度的大范圍長時間的停電，嚴重影響人們的日常生活和企業(yè)的正常安全生產，直接或間接的給國家和人民帶來無法估量的損失。目前已有各種類型的輸電線路除冰機器人出現，用于除去高壓輸電線上覆蓋的積冰，避免輸電線路發(fā)生斷裂。然而，無論是人工除冰還是機器人除冰都需要由電力人員爬上輸電鐵塔進行操作。因此輸電鐵塔在寒冷嚴酷的環(huán)境下是否出現了裂紋等安全隱患就關系到了維護人員和設備的安全問題。另外若輸電鐵塔出現隱患對于電網系統(tǒng)也是一個嚴重的威脅?；谏鲜銮闆r，就有必要設計一款針對于輸電鐵塔的檢測機器人用于輸電鐵塔的安全檢測維護，以解決人工上塔探傷時危險性高、準確性低、勞動強度大、工作效率低的問題。從而確保人員和設備安全，保證電網安全，在災害下挽救更多的國家財產，最大程度的減少損失。因此本論文在已發(fā)明的壁面攀爬檢測機器人的基礎上，提出一種用于輸電鐵塔檢測的機器人代替人工作業(yè)，以提高其工作效率，安全性和準確性。 研究現狀 目前，研究開發(fā)輸電線路檢測、除冰機器人已經成為了熱點。國外發(fā)達國家相對來說起步較早，例如在20世紀80年代末,日本、美國、加拿大等發(fā)達國家先后開展了高壓輸電線路巡檢機器人的研究工作。然而針對輸電鐵塔的檢測機器人研究并不成熟。但國外的壁面攀爬機器人發(fā)展技術相對成熟，一些壁面攀爬機器人已應用在清潔窗戶和墻面或用于檢測偵查。 如：1990年東京工業(yè)大學的広瀬茂男領導的研究小組在4足步行機器人的基礎上開發(fā)NINJA系列4足壁面移動機器人。其中NINJA-II實現了地面至壁面、壁面至天花板、壁面至相鄰壁面的移動過程，并對壁面移動機器人的特有步態(tài)——壁面步態(tài)（Wall Gait）和控制方法進行深入研究。其后，該研究小組于1996年又開發(fā)了適應高速公路路基大角度護坡作業(yè)的移動機器人TITAN VII，該機器人不僅實現了在土質護坡上行走的目標，還可完成打孔作業(yè)。上述步行式結構的壁面移動機器人具有越障能力強的特點，易于實現復雜的多組合面轉換功能，但控制比較復雜。 國內的機器人技術起步于上世紀80年代，技術水平較發(fā)達國家相對落后，在國家“863”高技術計劃的支持下，國內的機器人發(fā)展技術較快。哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學、上海交通大學在壁面移動機器人這一領域處于國內領先地位，許多科研單位也相繼推出了各自的壁面清洗機器人。針對我國核工業(yè)發(fā)展的需要，哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所自行設計并研制我國的第一臺用于檢查核廢液儲罐壁厚及焊縫的壁面爬行式遙控檢查機器人，填補了國內的空白。隨后，哈爾濱工業(yè)大學又相繼研制出單吸盤真空吸附車輪行走式壁面攀爬機器人從國內外目前的研究成果來看，一般來說壁面移動機器人，不管其應用領域是什么，執(zhí)行什么任務，都必須具有兩個基本功能：壁面靜態(tài)定位功能和移動功能。因此可以按照這兩大基本功能進行分類。按吸附功能分，主要分為真空吸附、磁吸附兩類。真空吸附的承載能力受真空發(fā)生裝置所能達到的真空度和壁面環(huán)境的影響，通常承載能力不大。磁吸附法要求壁面必須是導磁材料，如鋼鐵表面等。這類機器人結構簡單，吸附力遠大于真空吸附。如推力式，仿壁虎足掌吸附等等，其中仿壁虎足是通過分子間的作用力來吸附的，能夠不受壁面材料和表面狀況的影響，代表了今后壁面移動機器人發(fā)展的方向，但目前僅處于初步研究階段，離實用還有很長一段的距離。按運動方式分，可以分為連續(xù)移動和交替移動兩大類。連續(xù)移動類機器人又可分為輪式和履帶式兩類。共同特點是使用輪子行走和轉向，運動連續(xù)，移動速度快。缺點是一般需要在平面上行走，越障能力不強，不能實現壁面過渡，與真空吸附配合使用時，由于吸盤跟著一起運動，存在泄漏，因而負載能力有限。履帶式更是結構復雜，轉向不如輪式靈活。交替移動類機器人通常有兩個或者多個吸盤，分為兩組，一組吸附于壁面，另一組向行進方向移動一段距離然后吸附，再讓前一組脫離吸附，往前移動。如此交替進行。其特點是越障能力比較強，負載能力也比較大。但移動速度緩慢。足式機器人，框架式機器人等均屬于此類。其中足式機器人的腿從兩條到八條甚至更多，每條腿都有多個自由度，因而需要很多的電機等驅動機，結構復雜，控制難度大。吸附方式與運動方式組合，可得各種機器人，如單吸盤輪式壁面機器人，足式磁吸附機器人等，需根據不同的使用場合選用吸附和移動方式。 研究內容： 第一：設計除冰機器人的控制系統(tǒng)。第二：除冰機器人在線纜上行走的運動形式和動力裝置。第三：模擬除冰機器人的運動仿真。第四：除冰的機構在不同的冰層使整體除冰的效果保證最好。 研究方案： 基于冰層強度和溫度的特殊環(huán)境下工作問題的考慮，在設計中應該選擇合適的材料，這種材料不但具有較好的強度和剛度，更重要的是，能在較冷的環(huán)境下能穩(wěn)定的工作而不至于是刀具損壞，從而達到較好的除冰效果，延長刀具的使用壽命，且具有較高的除冰效率。整體結構的設計也要盡量考慮合理安排動力的分配情況，在保證最好的除冰效果下，減少能量損失。同時要考慮機器本身對線纜造成的負擔。要選取合適的裝置功率，更加有效的提高除冰效率效率，而不至于使線纜因機器自身重量過大而造成破壞。在設計傳動裝置時也要對其功率和傳動比進行校核。 進度安排： 2011年12月21日-31日，在指導教師指導下查閱資料，結合畢業(yè)設計課題進行外文資料閱讀，并翻譯外文資料； 2012年1月1日-1月20日，向指導教師匯報開發(fā)設計進展、文獻閱讀情況，并撰寫文獻綜述。完成文獻綜述、外文翻譯的指導工作，將文獻綜述和外文翻譯定稿交與指導老師。經指導教師審閱通過后著手畢業(yè)設計的繪圖及設計說明的寫作。 2012年1月21日-3月6日，開始編寫畢業(yè)設計工作計劃，進入畢業(yè)設計的撰寫階段。在假期內利用電子郵件等方式與指導教師溝通，修改計劃和設計，指導教師填寫“指導記錄表”。進入畢業(yè)設計繪圖、實驗、實習等階段。 2012年3月8日前，接受學院、系對開題報告、文獻綜述、外文譯文的隨機抽查。提交畢業(yè)設計工作計劃，經指導教師審閱同意后實施。 2012年3月9日—3月31日，完成畢業(yè)設計雛形，并定期向指導教師匯報進度，聽取指導教師的意見和指導。 2012年4月1日—4月15日，進入中期檢查階段，根據檢查情況，填寫“中期檢查表”。 2012年4月17日前，根據《中國地質大學長城學院畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范》完成畢業(yè)設計的寫作。 參考文獻： [1] 王肖然. 供電線路快速除冰方案[J ]. 發(fā)明與創(chuàng)新, 2008年6月。. [2] 李海，張吉等 .架空高壓輸電線除冰機器人設計[J ]. 中國科技信息，2010年第19期。 [3] 王超，魏世明，廖啟征. 高壓輸電線上除冰機器人的系統(tǒng)設計[J ].機械工程與自動化，2010年2月。 [4] 繆思怡，孫煒，張海霞. 基于小波矩的高壓輸電線路除冰機器人障礙智能視覺識別方法[J ]，機器人，2010年5月 [5] 許馮平.關節(jié)式管外行走機器人運動學研究[j].機械傳動，2005，6（29）：22-24. [6] 張家梁等.氣動蠕動式纜索維護機器人的研制[j].機器人，2000，9：397-401. [7] 張家梁等.氣動管外爬升機構的研究[j].機械工程師，1997，7：7-8. [8] 周成武，董繼先.氣動爬纜機械手的研究和設計[j].陜西科技大學學報，2004，22：60-62. [9] 畢道欽等.氣動蠕動式管外爬行機器人的設計與實現[j].機械制造，2005，3：38-40. [10] 張家梁等.管外摩擦輪自爬升機構的研究[j].現代機械，1999，3：32-33. 指導教師意見： 指導教師簽名： 年 月 日 教研室意見： 審查結果： 同 意□ 不 同 意□ 教研室主任簽名： 年 月 日 中國地質大學長城學院 本科畢業(yè)設計（論文）文獻綜述 系 別： 工程技術系 專 　業(yè)：機械設計制造及其自動化 姓 名： 李佰君 學 號： 05208338 　 2012年5月1日 1 機械手研究的意義 隨著現代科學技術的發(fā)展，機械手的應用也越來越廣泛。在機械工業(yè)中，大量應用于鑄、鍛、焊、沖、熱處理、機械加工以及裝配等工種。在其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工種中也均有應用。在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下： (1)可以提高生產過程的自動化程度。 應用機械手有利于在自動生產線中實現材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換、以及機器的裝配等的自動化程度，從而提高勞動生產率，降低生產成本。 (2)可以改善勞動條件，避免人身事故。 在高溫、高壓、低溫、低壓、噪聲、臭味、有放射性物質的環(huán)境場合，用人手直接操作是很危險的甚至是不可能的。而應用機械手即可部分或者全部代替人完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。 (3)可以減少人力，并便于有節(jié)奏的生產。 應用機械手代替人手進行作業(yè)，這是直接減少人力的一個側面，同時應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一方面。因此，在自動化機床和綜合加工自動線上，目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確的控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的生產。 (4)用液壓系統(tǒng)來控制機械手，比一般的機械控制具有更好的穩(wěn)定性，并且控制的精確度更高。 (5)運用機械手可以實現連續(xù)的生產，而大大提高在生產線的工作的時間，從而能大幅提高勞動的生產率。 綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢 2 國內外發(fā)展現狀 專用機械手經過幾十年的發(fā)展，如今已進入了以通用機械手為標志的時代。通用機械手可以應用于更加多的場合，從而節(jié)約了不少的開發(fā)以及設計的成本。由于通用機械手的發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。通用機械手涉及的內容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎知識，而且還應用了一些電子技術、電視技術、通訊技術、計算技術、無線電控制、仿生學等，因此它是一項綜合性較強的技術。目前國內外對發(fā)展這一技術都很重視。幾十年來，這項技術的研究和發(fā)展一直比較活躍，設計在不斷的修改，品種在不斷的增加，應用領域在不斷的擴大。雖然在這方面相對于發(fā)達國家還有點落后，但是國內現在也越來越感覺到機械手的重要性，國家大力支持相關的設計及產品的開發(fā)。在機器人的發(fā)展以及機械手的設計上也取得了一定的成果，國內每年都將舉行機器人大賽，以增加研發(fā)單位的交流與合作。 (1)研制有更多自由度的液壓機械手，這樣機械手就可以變得更加的靈活，從而完成更加多的動作。 (2)研制帶有行走機構的機械手，這種機械手可以從一個工作地點移動到另一個工作地點。 (3)研制維修維護方便的通用機械手。 (4)研制能自動編制和自動改變程序的通用機械手。 (5)研制具有一定感觸和一定智力的智能機械手。這種機械手具有各種傳感裝置，并配有計算機。根據仿生學的理論，用計算機充當其大腦，使它進行思考和記憶。用聽筒和聲敏元件作為耳朵能聽，用揚聲器作為嘴能說話進行應答，用熱電偶和電阻應變儀作為觸覺和感觸。用滾輪或者雙足式機構腳來實現自動移位。這樣的智能機械手可以由人的特殊語言對其下達命令，布置任務，使自動化生產線成為智能化生產線。 (6)機械手的外觀達到美觀的要求，盡量用最簡單的結構和設備能完成更加多的動作． (7)研制具有柔性系統(tǒng)的通用機械手 目前，在國外廣泛應用的再現式通用機械手，雖然一般也都有記憶裝置，但其程序都是預先編好的，或由人在工作之前領動一次，而后機械手可以按領動的工作內容正確進行再現動作。如果把這種再現式通用機械手稱為第二代機械手的話，那么現在處于研制階段的智能機械手就是第三代了?，F在研究的機械手正在朝著一種可以存儲大量的程序的并且可以改變并重新寫入程序的方向發(fā)展，而且機械手具有比原來的更多的自由度?，F在國內具有越來越強的自主研發(fā)的單位，我相信在不久的將來，我國一定能夠趕上并將且超越發(fā)達國家在機械手乃至整個機械方面處于領先地位。 3夾持式手部結構 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內卡式(或內漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉型，二支點回轉型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指;同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型。回轉型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。 (一)具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。 (二)手指間應具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 (三)保證工件準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。 (四)具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，但應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。 (五)應考慮被抓取對象的要求 (1)抓取形狀 手指形狀應根據工件形狀而設計。如工件為圓柱形．則采用“V”形手指；圓球狀工件用圓弧形三指手指，方料用平面形手指，細絲工件用尖指勾形或細齒鉗爪手指?？傊畱鶕ぜ螤顏磉x定手指形狀。 (2)抓取部位 抓取部位的尺寸盡可能是不變的．若加工后尺寸有變化，手指應能適應尺寸變化的要求，否則不允許定為抓取部位。對于工件表面質量要求高的，抓取時盡量避開高質量表面或在手指上加軟質墊片(如橡皮．抱沫塑料．石棉襯墊等)，以防夾持時損壞工件。 (3)抓取數量 若用一對手指抓取多個工件，為了不發(fā)生個別工件的松動或脫落現象，在手指上可增加彈性襯墊，如橡皮、泡沫、塑料等 ，對于較長工件可采用雙指或多指抓取。 (六)應考慮手指的多用性 手指是專用性較強的部件，為適應小批量多品種工件的不同形狀和尺寸的要求，可制成組合式的手指，對于這種手指要求結構簡單，安裝維修方便，更換迅速和準確，以便擴大機械手的使用范圍。 4 控制系統(tǒng) 機器人手的控制系統(tǒng)決定哪些潛在的靈巧技能能夠被實際利用，這些技能都是由機械系統(tǒng)所提供的。如前所述，控制系統(tǒng)可分為控制計算機即硬件和控制算法即軟件?？刂葡到y(tǒng)必須滿足以下幾個的條件：必須要有足夠的輸入輸出端口。例如，一具有9 個自由度的低級手，其驅動器至少需要9 路模擬輸出端口，且要有9 路從角度編碼器的輸入端口。如再加上每個手指上的力傳感器、觸覺傳感器及物體狀態(tài)傳感器的話，則端口數量將增加幾倍。需具備對外部事件快速實時反應的能力。例如，當檢測到物體滑落時，能立即采取相應的措施。需具備較高的計算能力以應對一些不同的任務。如可以對多指及物體并執(zhí)行路徑規(guī)劃、坐標轉換及閉環(huán)控制系統(tǒng)等任務?？刂葡到y(tǒng)的體積要小，以便能夠將其直接集成到操作系統(tǒng)當中。在控制系統(tǒng)與驅動器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對傳感器來說，若沒有的話，很多的干擾信號將會干擾傳感器信號。 為了應對系統(tǒng)的要求，控制硬件一般分布在幾個專門的處理器中。如可通過一個簡單的微控制器處理很低端的輸入輸出接口（馬達和傳感器），因此控制器尺寸很小，能輕易地集成到操作系統(tǒng)中。但是較高水平的控制端口則需要較高的計算能力，且需要一個靈活實時操作系統(tǒng)的支持。這可以通過PC 機輕易地解決。因此，控制硬件常有一個非均勻的分布式計算機系統(tǒng)組成，它的一端是微控制器，而另一端則是一個功能強大的處理器。不同的計算單元則通過一個通信系統(tǒng)連接起來，比如總線系統(tǒng)。 機器人手的控制軟件是相當復雜的。必須要對手指進行實時及平行控制，同時還要計劃手指和物體的新的軌跡。因此，為了減少問題的復雜性，就有必要將此問題分成幾個子問題來處理。另一方面涉及軟件的開發(fā)。機器人手其實是一個研究項目，它的編程環(huán)境如用戶界面，編程工具和調試設施都必須十分強大和靈活。這些只能使用一個標準的操作系統(tǒng)才能得到滿足。在機械人中普遍使用的分層控制系統(tǒng)方法都經過了修剪，以滿足機械手的特殊控制要求。 參考文獻： [1] 張屹，邵威，高虹亮，羅成. 高壓輸電線路除冰機器人的機構設計[J].三學大學學報，2008.12，Vol.30 No.6：P69-72. 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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 錄 摘 要 .................................................................................1 1 引言 .................................................................................1 1.1 問題的提出及研究意義 ..............................................................1 1.2 國內外研究現狀 ....................................................................1 1.3 工業(yè)機器人的發(fā)展史 ................................................................2 1.4 導線覆冰的原因 ....................................................................3 2 高壓輸電線路的覆冰 ...................................................................4 2.1 不規(guī)則覆冰和不同期脫冰 ............................................................4 2.2 除冰的方式方法 ....................................................................4 2.3 輸電線路的抗冰 ....................................................................5 3 除冰機器人機構 .......................................................................7 3.1 除冰機器人種類 ....................................................................7 3.1.1 線纜除冰機器人 ...............................................................7 3.1.2 可跨躍障礙多分裂機器人 .......................................................8 3.1.3 電力設施的微波除冰裝置 .......................................................9 3.2 前端多環(huán)銑刀 ......................................................................9 3.2.1 成型銑刀的結構參數 ..........................................................10 3.2.2 成型銑刀截面的計算 ..........................................................13 3.3 機械升降平臺 .....................................................................14 3.3.1 升降平臺的機械結構形式 ......................................................14 3.3.2 升降平臺零件設計 ............................................................15 3.4 電機的選擇 .......................................................................17 3.4.1 升降步進電機 .................................................................17 3.4.2 回轉驅動電機 ................................................................19 4 控制系統(tǒng)的設計 ......................................................................21 4.1 機器人的控制系統(tǒng) .................................................................21 4.2 基于運動卡的控制系統(tǒng)的建立 .......................................................22 4.2.1 總體方案的確定 .................................................................22 4.2.2 機器人控制工作原理 .............................................................23 4.3 軟件編程語言的特點 ...............................................................24 4.4 指令系統(tǒng) .........................................................................24 4.5 運動控制程序運行過程的簡介 .......................................................25 參考文獻 ..............................................................................26 致 謝 ................................................................................27 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 0 1 引言 1.1 問題的提出及研究意義 現如今西南的很多地方出現了連續(xù)的低溫雨雪冰凍天氣，并且遭受了很嚴重的冰雪 災害。國家減災委員會專家已定性為：“西南地區(qū)發(fā)生的冰雪災害，是世界上比較大面 積、極端性氣候事件，影響的地區(qū)人口之多是世界罕見的” 。冰災造成中心的城區(qū)正值春 節(jié)期間停電、停水很多天，交通、通訊、電視均出現不同程度的中斷，然而有些城市則 成為我國南方冰雪災害最嚴重的地區(qū)。特別是電力系統(tǒng)遭受毀滅性重創(chuàng)，冰災引起了倒 塔,現場調查了湖南冰災期間大于 220kV 輸電線路的受損情況，發(fā)現倒塔線路覆冰厚度相 對集中，同時微地形和微氣象造成覆冰加重和覆冰的不均勻性，檔距、塔形等對線路倒 塔也存在影響。分析倒桿斷線的形式認為覆冰太厚超過設計值、垂直荷載壓垮和不平衡 張力拉垮是造成線路倒塔。專家解說，高壓線高高的鋼塔在下雪天時，可以承受 2-3 倍的 重量。但如果下雨凇，可能會承受 10-20 倍的電線重量。電線結冰，遇冷收縮，風吹引起 震蕩，就使電線不勝重荷而斷裂。 隨著我國經濟的高速發(fā)展，超高壓大容量輸電線很多，線路的穿越情況更加復雜， 如經過大面積的水庫、湖泊和崇山峻嶺，給線路維護帶來很多困難。而且在嚴冬及初春 季節(jié)，我國云貴高原一帶及兩湖地區(qū)常出現霧凇和雨凇現象，造成架空輸電線路覆冰， 使線路舞動、閃絡、燒傷，甚至斷線倒桿，使電網結構遭到破壞，安全運行受到嚴重威 脅。在緊急情況下，尋道員用帶電操作桿或其它類似的絕緣棒只能為很少的一部分覆冰 線路除冰，人工除冰有很高的危險性。所以一種新型的而且方便安全的除冰方式的研究 是迫在眉睫的。本次的設計題目就是關于高壓電線的除冰機構的設計，最后能有效的消 除冰雪天氣對輸電線的嚴重威脅，從而達到理想的效果。 1.2 國內外研究現狀 在國外，一些國家的地理與氣候情況與我國相似，甚至一些國家的情況更加惡劣， 為了保證電力系統(tǒng)的可靠性，這些國家為了提高高壓輸電線除冰的效率，減少不必要的 損失，維護工人的安全，開發(fā)了一種可以替代或部分替代工人進行除冰作業(yè)的新型設備。 這種新型的設備的研究一直是國內外相關領域的熱點。因此，研制安全有效的除冰機械 以代替人為操作進行除冰具有較好的實用意義。 而現如今全球氣候正經歷以變暖為主要特征的變化，氣候變暖導致“厄爾尼諾”和 “拉尼娜”等極端天氣氣候事件的頻率與強度明顯增加，因為輸電線路所處地質條件復 雜，容易遭受冰災等極端天氣的影響，所以國內外對已多次發(fā)生的輸電線路冰災事故進 行了相關的研究。在國內襲擊湖南的持續(xù)低溫、雨雪、冰凍天氣過程來臨之前，湖南溫 度偏高、空氣干燥。并且湖南東、南、西部三面環(huán)山，向中部、北部過渡為丘陵和平地， 冷空氣襲擊湖南后，湖南降溫迅速，加上湖南北低南高的地勢使逆溫層得以加強，地勢 陡增處南下冷空氣因推進受阻而徘徊駐留，隨著暖濕氣流不斷補充，易形成長時間降雨、 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 1 冰凍，形成持續(xù)的雨凇。由于降溫迅速，湘西高海拔山區(qū)和緯度較高的湘北地區(qū)地表氣 溫低，但降水主要集中在湘南、湘中、湘東，且停留時間較長，導致湘南、湘中、湘東 冰凍災害強于湘北和湘西高海拔山區(qū)。湖南電網冰凍災害是在大尺度天氣形勢控制下形 成的，拉尼娜現象起到推波助浪的作用，冰凍災害受損范圍與程度具有較強的微地形影 響特征。 1.3工業(yè)機器人的發(fā)展史 工業(yè)機器人的發(fā)展通?？梢?guī)劃分為三代： 第一代工業(yè)機器人：通常是指目前國際上商品化與使用化的“可編程的工業(yè)機器人” ， 又稱“示教再現工業(yè)機器人” ，即為了讓工業(yè)機器人完成某項作業(yè)，首先由操作者將完成 該作業(yè)所需要的各種知識（如運動軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序和作業(yè)時間等） ，通過直接 或間接手段，對工業(yè)機器人進行“示教” ，工業(yè)機器人將這些知識記憶下來后，即可根據 “再現”指令，在一定精度范圍內，忠實的重復再現各種被示教的動作。1962 年美國萬 能自動化公司的第一臺 Unimate 工業(yè)機器人在美國通用汽車公司投入使用，標志著第一 代工業(yè)機器人的誕生。 第二代工業(yè)機器人：通常是指具有某種智能（如觸覺、力覺、視覺等）功能的“智 能機器人” 。即有傳感器得到觸覺、力覺和視覺等信息計算機處理后，控制機器人的操作 機完成相應的適當操作。1982 年美國通用汽車在裝配線上為工業(yè)機器人裝備了視覺系統(tǒng)， 從而宣布了新一代智能工業(yè)機器人的問世。 第三代工業(yè)機器人：即所謂的“只治式工業(yè)機器人” 。它不僅具有感知功能，而且還 有一定的決策及規(guī)劃能力。第一代工業(yè)機器人目前仍處在實驗室研究階段。工業(yè)機器人 經歷了誕生---成長---成熟期后，已成為制造業(yè)中不可缺少的核心裝備，世界上有約 75 萬臺工業(yè)機器人正與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在個條生產線上，特種機器人作為機器人家族的 后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來居上之勢，仿人機器人、農業(yè)機器人、服務機器 人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、娛樂機器人等各種用途發(fā)特種機器人紛紛 面世，而且正以飛快的速度向實用化邁進。 但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用水平和國外比還有一定的距離， 如：可靠性低于國外產品；機器人應工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國 外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產工業(yè)機器人約 200 臺，約占全球已安裝 臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應 用戶的要求， “一客戶，一次重新設計” ，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、 供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的 關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O計，積極推進產業(yè)化進 程。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 2 1.4導線覆冰的原因 影響導線覆冰因素很多，主要包括：氣象條件、地理及地形條件、海拔高度、導線 懸掛高度、導線直徑、水滴直徑、電場強度等。 按不同的分類方法，導線覆冰類型可分為： （1）按冰的表現特性分為：雨凇、霧凇、混合凇、積雪和白霜等；雨凇是過冷卻的 降水碰到溫度等于或低于 0的物體表面時所形成玻璃狀的透明或無光澤的表面粗糙的冰 覆蓋層，其密度較大。霧凇則分為兩種：一種是粒狀霧凇，即過冷卻霧滴碰到冷的物體 后迅速結成粒狀小冰塊，其結構較為緊密；另一種是晶狀霧凇，結構較松散，稍有震動 就有脫落?；旌馅∈沁^冷卻水滴在導線的迎風面形成的雨凇和霧凇混合凍結的不透明或 半透明覆冰，黏附力較強。積雪為黏附在導線上的自然降雪，也有干、濕之分。干雪和 濕雪的密度較小，粘附力較弱。白霜是由于空氣中潮濕的原因所凝結而成的，這對于導 線的威脅不是很大，但會增加輸電線路的負載。凍雨覆冰形成的雨凇因密度大、附著力 強，對架空輸電線路的危害最大，南方的電力冰災則主要由該原因造成的。 （2）按冰的形成機理分為：降水覆冰、云中覆冰和升華覆冰。 （3）按冰在導線上的橫截面形狀分為：圓形或橢圓形覆冰、翼型覆冰和新月形等， 如圖 1 所示。按冰在導線表面的增長過程可分為：干增長、濕增長。這種分類利于分析 導線覆冰的形成機理及形成過程中的熱平衡及熱傳遞。霧淞和干雪是干增長覆冰過程， 雨淞和濕雪是濕增長覆冰過程，而混合淞是介于二者間的一種覆冰過程。 圖 1-1導線覆冰截面圖 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 3 2 高壓輸電線路的覆冰 2.1 不規(guī)則覆冰和不同期脫冰 在高壓電線路覆冰時，導線因為承受過重的荷載，導致導線和覆冰重量產生的拉力 將通過導線、金具、絕緣子傳遞給桿塔，桿塔再傳遞給拉線，只要其中一個環(huán)節(jié)承受不 住拉力，就將出現倒桿和斷線事故。相鄰檔線路不均勻覆冰或不同期脫冰都會產生張力 差，使導線在線夾內滑動，嚴重時將使導線外層鋁線夾出口處全部斷裂，造成線路的另 一側發(fā)生頸縮，擁擠在線夾附近。不均勻覆冰的張力差是靜荷載，而不同期脫冰為動荷 載，二者有所不同。其次，直線桿塔承受鄰檔的張力差，會使絕緣子串產生較大偏移， 碰撞橫擔而造成損傷。再次，當張力差達到一定程度后，導線將碰撞拉線，從而電氣的 間隙將減小而燒斷拉線，桿塔因失去拉線支持后倒塌。 還有一種特別的形式極為冰閃，他是污閃的一種特殊形式。在絕緣線路嚴重覆冰時， 大量傘形冰連接，導致泄漏的距離縮短，絕緣強度降低。在融冰過程中，冰體表面水膜 因溶解污穢中的電解質而形成導電水膜，使得絕緣子串的電壓分布發(fā)生畸變，在融冰時 期常伴有大霧，使大氣中的污穢微粒進一步增加融化冰水導電率，形成冰閃。冰閃的持 續(xù)電弧將燒傷絕緣子，絕緣強度降低。最后由于覆冰形狀的不對稱，改變了導線的空氣 動力學特性。當風速達到一定的數值時，導線具有較好的空氣動力性能，在風的激勵下 產生低頻高幅振蕩。輕者發(fā)生閃絡、跳閘，重者發(fā)生金具及絕緣子損壞，導線斷股、斷 線，桿塔傾斜、倒塌等電氣事故。 2.2除冰的方式方法 使用機械外力手工或自動強制使覆冰脫落的除冰方法，稱為機械除冰方法。研制機 械除冰方法的歷史遠早于其他類型的除冰、防冰方法。機械法是針對輸電線路的，滑輪 輾壓鏟刮法和強力振動法，在當時滑輪輾壓鏟刮法并達到了當時所需求的實用水平。 有一種人工的除冰方式是它需要線路操作者在現場執(zhí)行。并且處理方法千變萬化， 包括敲打、撞擊等。當線路停電，可以觸及到冰時，可采用手工除冰，從地面向導線、 避雷線拋擲短木棍將覆冰打掉，或用木棒、竹竿敲打。在線路帶電時，應用與線路電壓 等級相符的絕緣棒敲打。此外，也可用木制套圈套在導線上，用繩子順著導線拉，以消 除覆冰，這種方法只是權宜之計，既不安全，又不十分有效，因此，很少有人推薦使用， 如果要用，就得為這種方法制定標準的操作規(guī)則。 為了能進一步的達到有高效而且安全的除冰方式，則由加拿大水電局研制的滑輪鏟 刮技術。這種技術是一種由地面操作人員拉動滑輪在線路上行走而鏟除導線覆冰的技術， 運用這種技術的除冰方法叫滑輪輾壓鏟刮法，滑輪輾壓鏟刮法已經在加拿大的使用了 50 多年，是目前唯一可行的輸電線路除冰的機械方法。它由滑輪、牽引繩及涂漆的膠合板 或環(huán)氧樹脂板等器件構成，加在滑輪上的力要足夠讓導線產生彎曲，這樣，產生的應力 才能使冰破裂脫落。如果在板的兩邊固定一把鋸齒刀，則除冰效果更好，但拉扯時注意 不要損傷導線、避雷線和絕緣子。滑輪鏟刮法的最大優(yōu)點是效果很快，且不需要特別的 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 4 設備和專家，簡便易操作，耗能小，價格低廉，較為實用。但它也有缺點，那就是費時， 安全性能不完善，且受地形限制。據統(tǒng)計，要對一公里長導線進行滾壓除冰約需 2 小時 的時間。 在以后由于科技的發(fā)展和進步。加拿大的魁北克水電局則發(fā)明了一種電纜除冰裝置。 該裝置包括一對導線，導線連接到電纜上，并沿電纜呈螺旋形纏繞，導線的一端連接到 一個能在導線內產生電磁脈沖的脈沖發(fā)生裝置上，另一端連接在一起構成封閉電路，依 靠導線中電磁脈沖的通路，在導線之間產生推斥力，該推斥力振動導線，使導線上的覆 冰振碎脫落，由于要求外加振動源及振動會促使線纜疲勞，因而難以在工程實際中應用。 在隨著電磁技術的發(fā)展，又研制出了基于機械振動與撞擊原理的電磁力技術和電脈 沖技術是為飛行器除冰。但是，由于電磁力或電脈沖可以使導線產生強烈而又在控制范 圍內的振動，所以二者也是架空線路易接受的除冰方法之一。最后這種電磁脈沖技術效 率高而且方便，這種方法將是輸電線路除冰最易接受的方法。美國堪薩斯州的州立大學 也提出了電脈沖法除冰，即利用電容器組向線圈放電，由線圈產生強磁場，在置于線圈 附近的導電板(即目標物)上產生一個幅值高、持續(xù)時間短的機械力，使冰破裂而脫落， 但在線路融冰研究方面因技術不成熟和費用過高沒有達到預期的目的。 最后，另一種采用由電場或磁場力控制的柔韌性涂料機械方法仍處于設想階段。然 而，這些方法可作為驗證其典型除冰方法的實驗和研制的基礎。但是并沒有運用到實際 的除冰操作中，所以要尋找一種實用并且普及的除冰方式至關重要。 2.3輸電線路的抗冰 氣象要素是確定在一定區(qū)域內能否形成導線覆冰、形成什么種類的覆冰和形成多大 的導線覆冰的基本條件, 要有效地預防輸電線路覆冰, 應該搜集分析本地區(qū)歷年冰雪情 資料, 積極開展冰雪情觀測與預測工作。輸電線路覆冰是一種地域性很強的自然現象, 氣候起決定性的作用, 而且同一地區(qū)不同的微地形、微氣候差別也很大, 使得輸電線路 走廊的覆冰因素千差萬別。只有得到長期的詳細的氣象資料才能準確地把握輸電線走廊 的覆冰情況。 新建線路的抗冰設計對于新建的輸電線路, 要根據已掌握的氣象資料, 合理劃分冰 區(qū), 選取不同的設計冰厚進行線路設計, 力求做到確保線路安全運行而又不過分增加線 路的造價。輸電線路經過的各種地勢、微氣候及微地形的差別較大, 沿線冰雪情不會一 致, 故不能只采取一個冰厚設計值。為了確保重冰段的安全,應在搜集到的氣象資料的基 礎上, 結合線路所經過地區(qū)及周圍地形、地物情況、相對高差、路徑走向及覆冰時的風 速、風向、濕度等進行綜合分析, 合理劃分冰區(qū)和確定相應的冰厚設計值。新建線路在 路徑選擇上, 應力求避開嚴重覆冰段, 并做到線路應沿起伏不大的地形走線；線路應避 免橫跨埡口、風道和通過湖泊、水庫等易于覆冰的地帶；線路翻越山嶺時不應采取大檔 距、大高差； 線路沿山嶺通過時宜沿覆冰時的背風坡走線。當線路無法避開重冰區(qū)時， 應采取抗冰設計。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 5 已運行線路的抗冰害措施對于已運行的線路, 為加強其對覆冰災害的抵御能力，應 視具體情況區(qū)別對待。海拔較高的輸電線路, 翻越分水嶺及橫跨峽谷、風道、埡口等處 的路線應進行改造; 重冰區(qū)的輸電線路應重新以抗冰要求進行徹底改造, 方法參照新建 線路的抗冰設計; 對沒有明顯微氣候、微地形影響的大面積覆冰地區(qū), 不宜立即進行線 路改造, 可以考慮采用融冰措施來防治冰雪害。覆冰絕緣子防冰閃目前, 國內輸電線路 覆冰防護工作主要集中于防斷線、倒桿及防碰線短路等方面, 而絕緣子覆冰后的閃絡問 題也應該引起人們足夠的重視, 因為已有多起絕緣子冰閃事故發(fā)生。純冰的絕緣電阻很 高, 很難造成閃絡, 冰中混含導電雜質后, 覆冰絕緣子的閃絡電壓才會降低, 含水量較 多的雪也容易造成絕緣子的閃絡。要防止絕緣子的冰閃, 最簡單的辦法就是增大爬電距 離。另外, 可以從改善絕緣子傘裙的結構入手, 大小傘與等徑傘在相同條件下, 前者更 有利于防治冰閃, 適當調整絕緣子的外形結構, 使其在大雪天不易積雪, 積雪后不易發(fā) 生閃絡。絕緣子水平懸掛、V 型串、斜向懸掛等均是阻斷融冰水形成水簾的有效方法, 運行實踐表明,阻水簾是提高冰閃電壓的基本措施。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 6 3 除冰機器人機構 3.1 除冰機器人種類 3.1.1 線纜除冰機器人 圖 3-1除冰盾 該除冰機器人，由機架、除冰盾、電源、夾持機構和行走機構構成，除冰盾的結構 包括振動驅動裝置和在向前進方向的前端設有向盾牌，盾牌固定前伸出的若干根尖錐， 振動驅動裝置時機架上安裝振動偏心電機，安裝的振動偏心電機帶動除冰盾前后運動； 夾持機構包括起碼兩對夾持導輪和夾持的開啟閉合裝置構成，開啟閉合裝置時合頁結構， 沒對導輪分別安裝在一側合頁上，圍繞著合頁軸開啟閉合，采用夾持導輪，行走機構采 用行走電機和線纜驅動輪構成，電源采用蓄電池。 它包括主機，所述主機上連接柔性推動臂、懸掛導向臂，在柔性推動臂的前端連接 一顆開合點擊動力組，懸掛導向臂的前端連接一開合除冰工作頭，所述可開合除冰工作 頭的前端可弧線擺動的連接只少兩個正向除冰轉到組。如圖所示。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 7 3.1.2 可跨躍障礙多分裂機器人 圖 3-2 爬行裝置 該機器人包括：導線爬行裝置，用于所述高壓輸電線路爬行；旋轉除冰裝置，安裝 于所述導線爬行裝置，用于采用旋轉敲擊力去除導線上的覆冰；動力裝置，用于爬行裝 置和除冰裝置，提供驅動力；控制裝置，用于對所述導線的爬行以及對所述旋轉除冰裝 置的旋轉進行控制。該機器人不僅適用于單導線除冰更適用于多分裂導線的除冰，該機 器人通過傳感器感測障障礙物并實施有效避讓措施，尤其適合在諸多障礙的多分裂導線 上作長距離自主爬行。 由燃料發(fā)動機驅動的機器人，所述的除冰裝置還包括：旋轉除冰裝置，安裝于所述 導線行走機器人，用于利用旋轉敲擊力去除導線上的覆冰；動力裝置與所述旋轉除冰裝 置相耦合，用于驅動所述旋轉除冰裝置選裝；控制裝置，用于控制所述導線行走機器人 的移動以及所述動力裝置的運轉。本發(fā)明的高壓線路導線除冰裝置在導線行走機器人上 安裝旋轉敲擊棒、震動沖擊錐以及刮冰鏟，由這三個除冰裝置同時工作，通過橫向敲擊、 軸向沖擊、軸向擠壓有效的將導線上的覆冰去除。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 8 3.1.3 電力設施的微波除冰裝置 圖 3-3微波除冰裝置 該機器人由移動裝置、微波輻射融冰器和微波電極切冰刀組成。該裝置的除冰方法 采用微波輻射融冰和微波電極切冰兩種模式，通過兩種模式的有機結合和相互配合，應 對不同的覆冰狀態(tài)，對電力設施覆冰絕緣子進行除冰。 3.2 前端多環(huán)銑刀 所謂多環(huán)銑刀顧名思義，是由不同型號的鏟齒成形銑刀套在除冰系統(tǒng)里的工作輪系 當中，就形成了多環(huán)銑刀。這種銑刀是用于銑削工件成形表面的專用刀具。它的刃形是 根據工件廓形設計計算的，它具有較高的抗磨性，并能保證工件形狀和尺寸的互換性， 因此得到廣泛使用。成形銑刀按齒背形狀可分為鏟齒與尖齒兩種。 尖齒成形銑刀：尖齒成形銑刀齒數多，具有合理的后角，因而切削輕快、平穩(wěn)，加 工表面質量好，銑刀壽命高。但尖齒成形銑刀需要專用靠?；蛟跀悼毓ぞ吣ゴ采蟻碇啬?后面、刃磨工藝復雜。因此，刃形簡單的成形銑刀一般做成尖齒形。 鏟齒成形銑刀：齒背由徑向鏟削形成，使其具有成形刃后角。該刀具沿前刀面重磨 后能保證刃形不變，故在生產中一般采用鏟齒結構，只有在大批量生產中才采用尖齒結 構。在這里對于除冰機器人的重要的零部件，所采用的則是鏟齒銑刀，達到能高速的鏟 除電線上的冰雪。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 9 3.2.1 成型銑刀的結構參數 圖 3-4 成型銑刀結構 如圖 3-4 所示，成形銑刀齒形高度可取為 hh（12）mm，式中 h工件的 廓形高度。 銑刀寬度一般比工件廓形最大寬度大15mm ，并應采用標準系列尺寸。用銑刀切削 時，要求其刀桿直徑足夠大，以保證在銑削力作用下有足夠的強度和剛度。因此，銑刀 孔徑應按強度或剛度條件計算決定。在一般情況下，可根據銑削寬度和切削條件選取。 表3-5是根據生產經驗推薦的數值。 表3-5 成型銑刀內孔直徑 銑 刀 孔 徑銑 削 寬 度 一般切削 重切削 612 16 22 1225 22 27 2540 27 32 4060 32 40 60100 40 50 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 10 由于在除冰機器人的性能要求，銑刀必須有足夠的硬度。在保證銑刀孔徑足夠大和 銑刀刀體強度足夠的條件下，應選較小的銑刀外徑，以減小扭矩和減少高速鋼的消耗。 設計銑刀時，可首先用下式估算外徑，待確定了銑刀的其他有關參數后，再校驗銑 刀刀體強度。 0=（ 22.2） d + 2. 2h+（ 26）mm （3-1） 對于加強形式的容屑槽，銑刀外徑可小些 0=（ 1.62） d+2h+（26）mm （3-2） 表 3-6 給出了銑刀直徑的推薦值，它是按式（3-1）與式（3-2）計算的，并圓整為 5 的整數倍。 表 3-6成型銑刀的外徑 銑 刀 齒 形 高 度 h孔 徑 d 5 6 8 10 12 15 18 20 22 25 28 30 32 35 45 55 70 13 45 50 55 70 50 55 70 90 16 45 45 50 55 60 65 70 90 65 65 70 90 110 22 55 55 60 65 70 75 80 90 100 115 70 75 80 90 110 135 27 65 65 70 75 80 85 90 95 100 115 125 135 85 90 95 100 110 135 160 32 75 75 80 85 90 95 100 105 110 115 125 135 145 160 105 110 110 115 125 135 160 40 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 160 在保證刀齒強度和足夠的重磨次數的條件下，應盡力取齒數多些，以便增加銑削的 平穩(wěn)性。齒數 Zk與銑刀直徑之間有如下關系。 Zkd/t (3-3) 式中 t銑刀的圓周齒距。粗加工時，可取 t（1.82.4） H （3- 4） 精加工時，可取 t（1.3 一 1.8）H (3-5) 式中 H容屑槽高度。H=hKr。式中： K刀齒鏟削量 r容屑槽底半徑，一 般為 13mm。 由于齒數 Zk未確定時 K 與 r 都不能確定，因此可按下式初步估算 H Hh0. 06d0（13）mm （3- 6） 將式（3-6）代入式（3-5）或式（3-4），再代入式（3-3），可求出 Zk ，也可根據 生產經驗按銑刀外徑的大小預選銑刀齒數，在設計計算出銑刀的其他結構參數后，再校 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 11 驗所選齒數是否合理。表是根據生產經驗推薦的鏟齒成形銑刀的齒數。此表適用于平底 式容屑槽的不鏟磨銑刀。對于加強式容屑槽，齒數可適當增加，對鏟磨銑刀，齒數可適 當減少。 表 3-7 成型銑刀齒數 銑刀外徑 d。(mm) 40 4045 5055 6075 80105 110120 130140 150230 銑刀齒數 Zk 18 16 14 12 11 10 9 8 初定成形銑刀的各參數后，需校驗刀體、刀齒強度是否足夠。如果校驗結果不符合 要求，應重新假設和計算，直到滿意為止。 （1）校驗刀齒強度：對于平底式容屑槽銑刀，可按下式計算齒根寬度 c。 c3(d02H)/4Z k （3-7） 要求 c /H0. 8 ，當不滿足時，應減少銑刀齒數。對加強式槽底的成形銑刀，一般不 需進行此項校驗。 （2）校驗刀體強度：為保證刀體強度，要求 m(0. 30. 5) dm 可按下式計算 （d 02H）/2 （3-8） 當不滿足時，應增大銑刀外徑。 刀齒齒根強度和刀體強度的校驗亦可采用作圖法進行，即按選定的銑刀結構參數直 接畫出銑刀的端面投影圖，由圖直接觀察并測量銑刀齒根寬度和刀體厚度 m 是否足夠。 圖 3-8銑刀鏟磨干涉 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 12 （1）按所設計的成形銑刀參數 d0、 Zk 、H、 和 作出成形銑刀刀齒的端面投影圖， 可得 A、I、J 三點。從第一齒的頂點 A 沿徑向取齒廓高度 h 得 G 點，從第二齒的頂點 J 沿徑向取鏟削量 K 得 B 點，取齒廓高度 h 得 E 點，從 A 點作直線 AO1，AO 1與前刀面 AO 夾 角為 f ，又作 AB 兩點連線的中垂線與直線 AO1交于 O1點，以 O1為圓心，O 1A 為半徑作 圓弧連 A 點和 B 點即得近似的齒頂鏟背曲線；以 O1G 為半徑畫圓弧 GD，即為近似的齒底 鏟背曲線。 （2）選輪系直徑 Ds(2h+25+5) mm，式中為銑刀齒廓高度。一般 60Ds120。 （3）在上取一點，使/2，連；交于點，連接 FO1并 延長之，自 F 點在此延長線上截取 F02 = Ds/2, 得 02 點，以 02為圓心，Ds/2 為半徑作 圓，即得輪系的外圓周，并切 GD 于 F 點。此時輪外圓周如在下一個刀齒 E 點的上方，則 輪系在鏟磨時不會碰到下一個刀齒，如果在 E 點的下方，則鏟磨時會碰到下一個刀齒， 即發(fā)生干涉。如發(fā)生干涉，需改變銑刀的一些參數，如減少齒數 Zk與鏟削量或增大 等，需要重新設計。 3.2.2 成型銑刀截面的計算 在這種工作的情況下，工件法剖面截形就是銑刀的齒形。 銑刀有了前角以后，其刀齒在徑向截面的齒形和前刀面上的齒形，就與工件法剖面 的截形不同了。設 f為銑刀外圓處的縱向前角，當 f較大（例如 f50）時，銑刀徑向 截面和前刀面上的齒形需進行修正計算。 為了能確定工件齒形和銑刀齒形的關系。在給定的工件齒形以后銑刀徑向截面應具 有的齒形，即鏟刀應具有的齒形，即樣板應具有的齒形。 表3-9成型銑刀截面計算公式 序號 計算項目 符號 計算公式 計算精度 1 齒形點的橫坐標 cbnc=0.001 2 （見圖 419）fnhRsiar0.00001 3 齒形點縱坐標 ch2ZKnc 0.001 鏟齒成形銑刀需要設計兩幅樣板,一幅為檢驗銑刀刃形,其廓形與銑刀前刀面廓形相 同；另一幅為檢驗鏟齒成形銑刀樣板刃形，其廓形與銑刀軸向剖面廓形相同。 樣板的設計方法與成形車刀樣板相同。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 13 33 機械升降平臺 3.3.1 升降平臺的機械結構形式 根據升降機的平臺尺寸，參考國內外同類產品的工藝參數可知，該升降機宜采用單 雙叉機構形式：即有兩個單叉機構升降臺合并而成，有四個同步液壓缸做同步運動，以 達到升降機升降的目的。其具體結構形式為：主要起支撐作用和運動轉化形式的作用， 一方面支撐上頂板的載荷，一方面通過其鉸接將液壓缸的繩縮運動轉化為平臺的升降運 動，上頂板與載荷直接接觸，將載荷轉化為均布載荷，從而增強局部承載能力。下底架 主要起支撐和載荷傳遞作用，它不僅承擔著整個升降機的重量，而且能將作用力傳遞到 地基上。通過這些機構的相互配合，實現升降機的穩(wěn)定和可靠運行。 o324651 圖 3-10 升降臺外形結構 兩支架在 o 點鉸接，支架 1 上下端分別固定在上、下板面上，通過活塞桿的伸縮和 鉸接點 o 的作用實現貨物的舉升。 根據以上分析，升降機的運動過程可以敘述如下：支架 2、3 為升降機機構中的固定 支架，他們與底板的鉸接點做不完整的圓周運動，支架 1、4 為活動支架，他們在液壓缸 的作用下由最初的幾乎水平狀態(tài)逐漸向后來的傾斜位置運動，在通過支架之間的絞合點 帶動 2、3 也不斷向傾斜位置運動，以使升降機升降。 初態(tài)時，上寫底板處于合閉狀態(tài)，支架 1、2、3、4 可近似看作為水平狀態(tài)，隨著液 壓油不斷的輸入到液壓缸中，活塞桿外伸，將支架 2 頂起，支架 2 上升時，由于絞合點 o 的作用使支架 1 運動，1 與液壓缸相連，從而液壓缸也開始運動，通過一系列的相互運 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 14 動和作用，使上頂板上升，當上升到指定高度時，液壓缸停止運動，載荷便達到指定高 度。 3.3.2 升降平臺零件設計 根據升降臺的工藝參數和他的基本運動機理來確定支架 1、2、3、4 的長度和截面形 狀。 之間的距離和液壓缸的工作行程。23O 設 ( )，則 1、2 、3、4 支架的長度可以確定為 h=2-x/2,(h 15mm)即x0m 支架和地板垂直時的高度應大于 15mm,這樣才能保證其最大升降高度達到 15mm，其運動 過程中任意兩個位置的示意圖表示如下： NMO B1CA 圖 3-11 運動過程示意圖 設支架 1、2 和 3、4 都在其中點處絞合，液壓缸頂端與支架絞合點距離中點為 t ,根 據其水平位置的幾何位置關系可得： 。40 xt 下面根據幾何關系求解上述最佳組合值： 初步分析： 值范圍為 ,取值偏小，則上頂板 點承力過大，還會使支x1x23,O 架的長度過長，造成受力情況不均勻。X 值偏小，則會使液壓缸的行程偏大，并且會造成 整個機構受力情況不均勻。在該設計中，可以選擇幾個特殊值： =0.4, =0.6, =0.8，分xx 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 15 別根據數學關系計算出 h 和 t。然后分析上下頂板的受力情況。選取最佳組合值便可以滿 足設計要求。 （1） =0.4，支架長度為 h=2-x/2=1.8， =h/2=0.9x 2OC 液壓缸的行程設為 l,升降臺上下頂板合并時，根據幾何關系可得到： l+t=0.9 升降臺完全升起時，有幾何關系可得到： = （3- 221.80951.cos22(0.9).5()tlt 9） 聯合上述方程求得： t=0.355m l=0.545m 即液壓缸活塞桿與 2 桿絞合點與 2 桿中心距為 0.355m.活塞行程為 0.545m （2） =0.6，支架長度為=2-x/2=1.7， =h/2=0.85 液壓缸的行程設為 l,升降臺上下x 2OC 頂板合并時，根據幾何關系可得到：l+t=0.9 升降臺完全升起時，有幾何關系可得到： = （3- 221.708.5cos22(0.8).()5tlt 10） 聯合上述方程求得： t=0.32m l=0.53m 即液壓缸活塞桿與 2 桿絞合點與 2 桿中心距為 0.32m.活塞行程為 0.53m。 （3） =0.8，支架長度為=2-x/2=1.6， =h/2=0.8，液壓缸的行程設為 l,升降臺上xOC 下頂板合并時，根據幾何關系可得到：l+t=0.9 升降臺完全升起時，有幾何關系可得到： = （3- 221.60571.cos22(0.8).57()0tl 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 16 11） 聯合上述方程求得： t=0.284m l=0.516m 即液壓缸活塞桿與 2 桿絞合點與 2 桿中心距為 0.284m.活塞行程為 0.516m。 比較上述三種情況下的載荷分布狀況，x 去小值，則升到頂端時，兩相互絞合的支架 間的間距越大，而此時升降臺的載荷為均布載荷，有材料力學理論可知，此時兩支架中 點出所受到的彎曲應力為最大，可能會發(fā)生彎曲破壞，根據材料力學中提高梁的彎曲強 度的措施 maxaxMw 知，合理安排梁的受力情況，可以降低 值，從而改善提高其承載能力。分析上述時 梁的受力情況和載荷分布情況，可以選擇第二種情況。 3.4電機的選擇 3.4.1升降步進電機 除冰機器人升降用步進電機來驅動，通過絲桿傳動來實現升降。初選步進電機：7503BF 由前計算絲桿導程為 ，本設計升降速度選定為 ，06LmS=35m/s 所以絲桿轉速 （3-0w=S/L356 .8r/s49.(rin) 12） 回轉轉矩： cgafM 式中： 升降相對絲桿的回轉力矩 ；cM 升降相對絲桿的摩擦阻力矩 ；f 升降在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ；ga 其中： （3-0gaMJt 13） 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 17 式中： 升降啟動或制動過程中角速度的變化量，也就是工作的角速度： ；2349.8(/min)349.836.49(/)0r rads t升降啟動或制動的時間：本設計取為 ；()ts 升降時各部件對回轉軸線的轉動慣量 ，0J 2kg 其中： SldJ 式中： 絲桿對其轉動軸的轉動慣量 ，s 2() 其中： 437.81mDL 式中： 絲桿的公稱直徑由前計算得 0.5(mD 絲桿的長度本設計取為 0.6(m) 代入得： （3-4327.8025.1.7()sJ kgm 14） 升降電機與絲桿間的聯軸器的轉動慣量lJ sJ=0.18 步進電機轉子的轉動慣量d 2.64()dJ 代入得： 200.137.807.35SldJ kg 把以上代入 得： 0gaMt.953ga Nm 其中： ；/2mfGD 式中： G電機自重約為 200N f絲桿螺母副與絲桿間的摩擦系數 f=0.08 代入得： （3-/20.85/0.2()mf 15） 得： .49.6cgafMN 電機與絲桿直接聯接所以 =1；i 所以 0.()pcm 3/lwrads 上式中： 負載峰值轉速（ ） ，如上計算 ： ；lp 36.49(/)lprads 負載峰值力矩（ ） ，如上計算：l N 0iMNm 電動機的功率計算式： （3- lpmP 16） 上式中： 計算系數，其中一般 ，本設計中取： ；1.522 絲桿傳動裝置的效率，一般取 ，本設計中?。?；0.790.8 代入以上數據得： 0.693.4/85.lpmMPW 根據負載峰值力矩 最大靜轉矩，選用步矩角為 步進電機 ，其最大靜轉矩lp3BF 為 0.882 ，滿足負載峰值力矩 最大靜轉矩的要求。N lp 3.4.2 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 18 表 3-12 電機參數表 電機型號 相數 步距角 /（） 電 壓 /V 最大靜轉矩 /Nm(Kgfcm) 最高空 載啟動 頻 率 /HZ 運行頻 率 /HZ 轉子轉動慣量 10 Kgm52 分配 方式 質量 /Kg 75BF003 3 3 30 0882（9） 1250 16000 1568 三相 六拍 158 3.4.2 回轉驅動電機 除冰機器人的旋轉擊棒安裝在底座上與回轉電機相連:設計選取為 即旋10/minr 轉 1800的時間為 3s； 回轉轉矩： （3-cgafM 17） 式中： 整體相對底座回轉軸的回轉力矩 ；c 整體相對底座回轉軸的摩擦阻力矩 ；f 底座在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ；ga 其中： ， （3-0gaMJt 18） 式中： 底座旋轉在啟動或制動過程中角速度的變化量，也就是工作角速度： ；210(/min)1.047(/)6rrads 底座旋轉啟動或制動的時間：本設計中 ；t .3t 與 的轉化系數： ，本設計中取fMga .8590.85 底座旋轉軸線的轉動慣量0J 2()kg 2201322213 5.450.40.99.7Jmrrkg 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 19 式中： 擊棒的質量（kg）1m 底座的質量（kg） 2 機身的質量（ kg） 3 其中： 的轉動慣量看作均勻圓柱體來計算； 與 相對應的長度（m） 。123,r123, 把以上數據代入得： （3-01.4793.85()gaMJNmt 20）3.85.27()0gaf.39.8.6()cgaf Nm 所以： 7.6()1lpMNmi.04.7/l rads 上式中： 負載峰值轉速（ ） ，如上計算 ： ；lpw/s104.7(/)lprads 負載峰值力矩（ ） ，如上計算：l 3iMNm 電動機功率的計算公式式： .7.292.08lpmPW 式中： 步進電動機的功率（W） ； mP 負載峰值轉速（ ） ，由前計算 ： ；lp/rads14.7(/)lprads 負載峰值力矩（ ） ，由前計算： =0.737（ ） ；lMNMNm 計算系數，其中一般 ，本設計中取： ；1.52 2 底座傳動裝置的效率，估算為 。0.79 根據負載峰值力矩 最大靜轉矩，選用步矩角為 的步進電機 90BF003，其最大靜轉lp3 矩為 1.96 ，滿足要求。Nm 表 3-13 電機參數表 電機型號 相數 步距角 /（） 電 壓 最大靜轉矩 /Nm(Kgfcm) 最高空 載啟動 運行頻 率 轉子轉動慣量 10 Kgm52 分配 方 質量 /Kg 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 20 /V 頻 率 /HZ /HZ 式 90BF003 3 3 60 196（20） 1500 8000 1764 三相 六拍 42 4 控制系統(tǒng)的設計 4.1 機器人的控制系統(tǒng) 工業(yè)機器人的控制技術是在傳統(tǒng)機械系統(tǒng)的控制技術的基礎上發(fā)展起來的，因此兩 者之間并無根本的不同但工業(yè)機器人控制系統(tǒng)也有許多特殊之處。其特點如下，工業(yè)機 器人有若干個關節(jié)，典型工業(yè)機器人有五六個關節(jié)，每個關節(jié)由一個伺服系統(tǒng)控制，多 個關節(jié)的運動要求各個伺服系統(tǒng)協(xié)同工作。工業(yè)機器人的工作任務是要求操作機的手部 進行空間點位運動或連續(xù)軌跡運動，對工業(yè)機器人的運動控制，需要進行復雜的坐標變 換運算，以及矩陣函數的逆運算。工業(yè)機器人的數學模型是一個多變量、非線性和變參 數的復雜模型，各變量之間還存在著耦合，因此工業(yè)機器人的控制中經常使用