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SJ003-1 2014 屆畢業(yè)設計（論文）開題報告 二級學院： 機電工程學院 班 級： 10機三 學 生： 把鵬程 學 號： 10010301 指導教師： 胡少剛 職 稱： 副教授 課題名稱 水下船舶清洗機器人結(jié)構(gòu)設計 課題類型 t 畢業(yè)設計　 　　　　□ 畢業(yè)論文 起止時間 開題報告 （畢業(yè)設計：含課題來源及現(xiàn)狀、設計要求、工作內(nèi)容、設計方案、技術路線、預期目標、時間安排及參考文獻等。字數(shù)為3000以上。） 一、課題來源及現(xiàn)狀 1.1課題來源 　　課題來源于常州太燁傳感科技有限公司。 船舶在長期的航行中，水下部分的船體表面會附有貝類、藻類生物及生出銹斑，嚴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，目前中國國內(nèi)對于這方面的研究還很少，對于壁面清洗機器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墻壁等，但是對于船舶清洗研究的卻是很少，主要是因為船舶清洗是在水下，設計時要考慮水的影響，密封性的要求，水下移動、吸附等問題，增大了設計的難度。據(jù)統(tǒng)計，世界上5萬噸以上的船占船舶總數(shù)的49.4%，這是一部分相當大的業(yè)務對象。而我國雖有大連造船新廠等幾家擁有20萬噸級以上的船塢，但還是與國外存在很大的差距，我國只有在修船效率上下功夫。 實現(xiàn)水下清刷作業(yè)的自動化，用機器人來替代人的操作，將會大大節(jié)約勞動力，降低潛水員的勞動強度，提高修船效率。法國、美國、日本等國家已開展了水下清刷設備的研究，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，提高我國在世界修船業(yè)中的地位，研制水下清洗機器人成為需要，水下船舶清洗機器人將大大提高船舶清洗的效率，減少工作量，減少工作強度，實現(xiàn)自動化清洗。該機器人的結(jié)構(gòu)主要分成兩部分：一部分是移動部分，另一部分是清洗部分。移動部分主要解決的問題是機器人在曲面上的移動，清洗部分的結(jié)構(gòu)設計利用清洗盤的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)清洗。 水下清刷作業(yè)由于可以在艦船錨泊或?？看a頭時直接進行，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，特別是大塢嚴重不足的問題。眾所周知，修船期長，船塢不足，缺少10噸以上的大塢是我國修船業(yè)發(fā)展的重要障礙。而船塢投資巨大，建設周期長，為了提高塢修能力，近年來用于塢修機械化的投資介巨大。 1．2水下清刷技術的國內(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，特別是在全球石油危機的影響下，船舶的水下清刷作業(yè)更是得到了廣泛的應用和發(fā)展。 水下清刷技術的發(fā)展分為三個階段。第一階段為手工操作階段，由潛水員下水進行清刷工作。第二階段為機械操作階段，由專用的清洗器、涂裝機等機械完成大型船舶的清刷任務，并具有較高的工作效率。第三階段為遙控機械或機器人作業(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較小船舶水下海生物的清洗，使用成形的氣動或液壓清洗器由潛水員來操作完成。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，另一方面是航運部門在石油危機、油價上漲的壓力下采取了縮減開支和降低油耗的措施。特別是船級社對船舶進塢間隔期的規(guī)定放寬，允許用水下檢驗代替兩年一次的中間檢驗，使得水下清刷技術的應用得到了多方認可。在此基礎上，為進一步適應海洋的惡劣環(huán)境和在低能見度的情況下工作，人們開始尋求自動化和機器人技術在水下的應用，并取得了很大的進步，在水下清刷作業(yè)方面已有較成功的設備被使用?，F(xiàn)在世界各地主要航線上都設有水下清刷維修站，如：美國東西海岸、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有水下維修站。在國外。機器人作業(yè)裝置已經(jīng)日趨成熟并走向?qū)嵱没?。目前常用的水下清刷設備有： 1．手持單刷機械：其結(jié)構(gòu)是由液壓或氣動馬達帶動一個毛刷，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)生的負壓使之緊貼船體，推動其向前運動即可。擁有這類產(chǎn)品的有：法國斯塔拉公司及奧切培列特公司、美國海軍等，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，英國船舶研究計劃中引入了水下清刷及維護項目，即SCAMP(Ship Cleaning and Maintenance Platform)。采用了水下運載工具的設計原理，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個轉(zhuǎn)刷，3個行走輪和1個中心推進器構(gòu)成。動力源是液壓或氣動的。法國的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)，特點是為使噴槍緊貼于工作面，必須有一個反向射流，即使用無座力型噴槍，但這樣會增加能量消耗。英國流體力學研究協(xié)會(BHRA)的研究表明，使用高壓噴水器進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)復雜的物體，如：海洋平臺、螺旋槳等的清洗。 4．遙控型清洗器及水下清洗器的微機控制：美國Butterworth公司七十年代初研制成功SCAMP-A型清洗器，對于寒冷海域及能見度低的水質(zhì)情況下進行清掃優(yōu)點顯著，其運動精度低，在船體曲度變化大的部位仍需潛水員下水糾正。法國七十年代末到八十年代初研制了水下清掃機器人裝置，由計算機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。 在國內(nèi)，水下清刷作業(yè)自1983年在湛江、廈門、天津、秦皇島、煙臺、大連等地建立了由救撈部門開展的業(yè)務以來，做了一定的工作，并引進了幾臺設備，但實際應用中存在著許多問題和困難，業(yè)務量較少。主要是在夏季水溫較高時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)，與國外的無潛水員遙控操作形成了鮮明的對比。 上海救撈局有關廠曾對進口設備進行過研究，并仿制了單刷式清掃器，但效果不好，對于更高層次的產(chǎn)品研究則更少。目前我國船體表面的清理工作主要是在船塢里進行噴砂和高壓水沖洗，如圖所示的是在船塢里對船體表面進行噴砂處理，作業(yè)環(huán)境污染相當嚴重。所以急需研制水下船體表面清刷機器人。 二、設計要求 課題設計中結(jié)合文獻分析,盡量提出多種結(jié)構(gòu)和控制部分的設計方案,分析比較,完善水下清洗機器人結(jié)構(gòu)設計. 適當建立模型,對于主要結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計并運用有限元分析法進行關鍵結(jié)構(gòu)進行受力和變形分析. 三、工作內(nèi)容 　　水下船體清刷機器人的主要任務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器人的關鍵部件，是用來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器人的清刷效果。隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，帶來了遠洋運輸事業(yè)的飛速發(fā)展，船舶作為海上交通運輸?shù)闹饕ぞ哒l(fā)揮著越來越大的作用。但海水的強腐蝕性和海洋生物的強附著力，使得船體表面附著難以清除的貝類、銹皮和銹斑等，為了延長船舶的使用壽命，保證船舶的安全運行，船舶必須定期進塢進行檢驗。這就存在著修船期長，船塢不足的問題，同時也增加了船舶的非營運時間和燃油的消耗。所以開展船舶水下清刷作業(yè)，提高水下清刷作業(yè)的自動化水平，是目前急需解決的問題。本課題完成機器人的機構(gòu)設計，該機器人的結(jié)構(gòu)主要分成兩部分：一部分是移動部分，另一部分是清洗部分.移動部分主要解決的問題是機器人在曲面上的移動，現(xiàn)如今主要的移動機構(gòu)都只是適應機器人在平面上的移動，而在曲面上的移動卻研究的很少。該課題研究試圖提出利用球連接來適應曲面的移動，采用三個支撐點的結(jié)構(gòu)，其中兩個是固定的，而第三個是利用球連接，同時采用大小兩個三角吸盤，循環(huán)移動來實現(xiàn)機器人的移動，當然該機構(gòu)也不可避免的存在一些問題。.清洗部分的結(jié)構(gòu)設計利用清洗盤的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)清洗。本次設計主要完成這兩部分的結(jié)構(gòu)設計，利用直流電機驅(qū)動，同時完成二維圖和運動仿真. 四、設計方案和技術路線 　　機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，同時機器人在船體上要完成移動。 　　爬行部分主要解決兩個問題，一個問題是機器人在曲面的移動，另一個問題是機器人在船體表面的吸附. 　　對于移動機器人現(xiàn)在的研究主要集中在平面里的移動，例如清洗玻璃的機器人，在玻璃上爬行，清洗管道的機器人等等.下面是現(xiàn)在已經(jīng)存在的幾種機器人及其移動方案： 多吸盤真空吸附式壁面清洗機器人系統(tǒng)，該機器人用于清洗高空玻璃，傳統(tǒng)的清洗方法是靠升降平臺或吊籃承載清潔工進行玻璃幕墻的清洗 ,雖簡便易行,但勞動強度大,工作效率又低 ,屬于高空極限作業(yè) ,對人身安全及玻璃壁面都有很大的危險性.該機器人可以代替人工清洗. 　　　考慮到現(xiàn)場實際中的一些特點以及對壁面清洗機器人的要求 ,該壁面清洗機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)濟的表面處理手段，在工業(yè)和海洋工程中得到了廣泛的應用。高壓水清洗對環(huán)境沒有灰塵產(chǎn)生，可以方便、快速而又經(jīng)濟回收清理物，而且舊涂膜表面清潔處理不用擔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，清洗效果并不理想。 2．噴砂 　　噴砂是以壓縮空氣為動力，將磨料以一定速度噴向被處理的船體表面，對船體表面產(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性。 機器人系統(tǒng)可以采用由機械本體、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可自由移動的運載小車，它可使機器人自動爬上或爬下船體表面，克服由于機器人具有的永久吸力帶來的放上取下的不便，并起到運輸作用。小車上有控制柜、CRT顯示器、動力源及卷揚裝置。動力源為水下機器人的移動和清刷作業(yè)提供動力，卷揚裝置隨著機器人的上下移動及時地收放保護纜繩，為機器人提供安全保障條件，同時為機器人輸送動力和控制電纜。顯示器通過安裝在機器人本體上的攝像機，實時地顯示機器人的工作環(huán)境，便于操作者及時了解機器人的工作狀態(tài)。機器人從運載小車爬上船體，先按從上至下的路徑移動，當?shù)竭_船的底部時，機器人旋轉(zhuǎn)180 ，然后再從下至上移動。 五、預期目標 1、完成機器人的結(jié)構(gòu)設計，使所設計的機器人達到所需要的使用功能，結(jié)構(gòu)科學合理。 2、設計對象的測試與性能評價符號相關標準要求。 3、通過畢業(yè)設計訓練，提高設計計算繪圖能力，提升分析問題、解決問題能力。 六、時間安排 3-4周：進行文獻檢索，論文收集，熟悉課題，調(diào)查研究，收集資料，撰寫開題報告； 5-7周：總體方案擬定，功能原理設計，外文資料翻譯； 8-11周：機械結(jié)構(gòu)設計，總圖、部裝圖繪制； 12-13周：方案細化，總圖、部件圖審定、修改； 14-16周： 編寫設計計算說明書； 17-18周： 提交修改畢業(yè)設計資料，準備答辯。 七、參考文獻 1、王麗惠.水下船體表面清刷機器人及相關技術研究.哈爾濱工程人學博士論文 2002.6 2、尹龍. 船體表面水下清刷機器人關鍵技術研究.哈爾濱工程大學碩士學位論文 2004.2 劉淑霞，趙炎正等.高樓壁面清洗機器人及相關技術的研究.自動化博覽. 1999 邵浩，趙言正等. 爬壁機器人在弧面上爬行時的吸附穩(wěn)定性分析.機器人 2000 在我國開展船舶水下維修的可行性．中船總平臺公司.1990 沈為民，潘渙渙等.水冷壁清掃檢測爬壁機器人.機器人. 1999 指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見，設計的結(jié)果預測或論文的可行性評價）： 指導教師：　　　　　　　　年 月 日 系部意見： 系主任： 年 月 日 注：開題報告作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一，應在導師的指導下，由學生填寫，經(jīng)導師簽署意見及系部審核后生效。