纜索機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書纜索檢測(cè)機(jī)器人爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)摘要纜索檢測(cè)機(jī)器人是特種機(jī)器人技術(shù)在斜拉橋纜索檢測(cè)方面的 應(yīng)用。自從1956年在瑞典建成世界上第一座斜拉橋以來，斜拉橋 就越來越受到世人的青睞。斜拉橋成為現(xiàn)代建筑的一道亮麗的風(fēng) 景。然而，針對(duì)目前斜拉橋的人工吊籃檢測(cè)的落后方式，如何高效 快速的進(jìn)行斜拉橋的纜索的檢測(cè)和維護(hù)成為人們急需解決的一個(gè)重 要問題。我們課題組這次所設(shè)計(jì)的纜索表面機(jī)器人分為三部分：檢測(cè) 部分、動(dòng)力部分和攜帶部分。這樣的設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)就是質(zhì)量輕， 便于安裝等。在設(shè)

2、計(jì)的過程中，我們要考慮多個(gè)問題，最重要的就 是小車輪子的自動(dòng)調(diào)節(jié)和 CCDfe撐架的手動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)于小車我采用 的是彈簧和螺栓雙重調(diào)節(jié)，對(duì)于 CC及撐，我所采用的是滑桿調(diào) 節(jié)。關(guān)鍵詞：斜拉橋纜索，攜帶機(jī)構(gòu)，纜索檢測(cè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)ABSTRACTThe cable robot developed in this paper is the first application of special robots to cables of cable-stayed bridges. Cable-stayed bridge which is more and mo

3、re popular in the world, since the first cable-stayed bridge was built in Sweden in 1956. The cable-stayed bridge has become one of the most beautiful scenes. Then, concerning the artificial maintenance method for cables, how efficient the cable stayed for the rapid detection and the maintenance of

4、the urgent need to resolve to become an important issue.We designed this discussion group on the cable robot is divided into three parts: detection of power and carrying some parts. This design is the biggest advantages of lightweight, easy to install, and so on. In the design process, we have to co

5、nsider a number of questions, the most important thing is the wheels of the car and automatically adjust the CCD MOUNTING manual adjustments. I use the car for the spring and bolt is a畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)double-conditioning, the CCD support, I have adopted the regulation is the slider.Keywor

6、ds : cable-stayed bridge cable, carrying bodies, CableDetection畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)目 錄 TOC o 1-5 h z .斜拉橋的發(fā)展 6.纜索可靠性問題8 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document .纜索的腐蝕及防護(hù)方法 10.緒 論16 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document .纜索機(jī)器人的設(shè)計(jì)意義 20 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document .纜索機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

7、方案 21機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 23機(jī)械結(jié)構(gòu)的說明 25 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 七、機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析27八、纜索機(jī)器人輻輪軸設(shè)計(jì) 35 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 九、軸承校核 43十、鍵的校核 45十一、控制流程 46十二、安全性的考慮 47十三、結(jié)論 49 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 致 謝 50參考文獻(xiàn) 51畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)一、斜拉橋的發(fā)展斜拉橋(cable-stayed bridge

8、 )是一種美觀的橋梁形式。其 結(jié)構(gòu)形式是由從索塔向下呈扇形散射的斜拉索拉住橋面主梁而構(gòu)成 的建筑物。由于斜拉橋美觀獨(dú)特的外觀，良好的跨越能力，以及其 較好的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性，在當(dāng)代橋梁工程界得到了越來越多的應(yīng) 用，扮演著重要的角色。世界上第一座現(xiàn)代斜拉橋是 1955年建于瑞典的Stromsund 橋，其主跨為182.6米，主梁由兩片板梁組成，門型框塔架，拉索 呈輻射型布置。從此以后，斜拉橋經(jīng)過了長足的發(fā)展。具有代表性 的橋梁包括，1957年德國建成的跨越萊茵河的杜塞爾多夫北橋，法 國1975年建成的Saint-Nazaire 橋，挪威1991年修建的Skarnsun det橋。自從上世紀(jì)90年代

9、以來，由于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的成熟以及 應(yīng)用于橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高強(qiáng)材料智能材料的引進(jìn)，施工方法的發(fā) 展，以及對(duì)橋梁耐久性的重視，斜拉橋的發(fā)展越來越快，跨度在不 斷的刷新。其中，在此發(fā)展過程中，扮演著分水嶺的角色的工程分 別在法國建于1994年的諾曼底大橋和在日本建于1999年的多多羅 大橋。盡管我國有著悠久的建橋歷史，如隋朝建造的敞肩石拱橋一趙 州橋。然而我國現(xiàn)代斜拉橋的建設(shè)在上世紀(jì)八十年代以前一直十分畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)滯后。我國建成的第一座現(xiàn)代斜拉橋是四川云陽橋，建于 1975 年，跨徑76米，結(jié)構(gòu)形式為雙塔雙索面混凝土斜拉橋。在我國 斜拉橋歷史上，具有代表性

10、的其它橋梁還包括：（1） 1993年在上 海建成的楊浦大橋，主跨602米，結(jié)構(gòu)形式為雙塔雙索面扇形布置 拉索的疊合梁斜拉橋；（2） 2000年建成的武漢白沙洲長江公路大 橋，主跨為618米，系雙塔雙索面混合橋梁；（3） 2002年建成的 湖北荊州長江公路大橋，主跨為 500米，雙塔雙索面扇形布置拉索 的預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋；（4）建成于2008年的杭州灣跨海大橋， 北航道橋?yàn)橹骺?48米的鉆石型雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，南航道 橋?yàn)橹骺?18米的A型單塔雙索面鋼箱梁斜拉橋；（5）建成于200 8年的潤揚(yáng)長江大橋，該橋的斜拉橋部分采用176+406+176米的三跨雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，共長 758

11、米；（6）建成于2008年的 蘇通大橋，該橋跨徑為1088米，是當(dāng)今世界跨徑最大的斜拉橋。斜拉橋以其優(yōu)美的外觀及良好的抗震性越來越得到橋梁設(shè)計(jì)師的青睞。自從1956年在瑞典建成曹姆松特斜拉橋以來，到 1993年 全世界已有300余座斜拉橋。我國自1975年在四川云陽建成第一 座斜拉橋之后，至今共建成40余座斜拉橋。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)二、拉索體系可靠性問題盡管斜拉橋有著諸多的良好性能，但是在過去的幾十年間也 暴露出不少問題。斜拉橋的纜索體系的腐蝕就是其中一個(gè)很重要的 問題。在過去的幾十年里，斜拉橋的纜索腐蝕嚴(yán)重的情況時(shí)常發(fā) 生，如MaraCaibo橋，在是使

12、用16年后進(jìn)行換索，耗資5000萬 美元，換索工期為兩年。德國漢堡的Kolhbrand Estuary橋更是在運(yùn)營僅三年進(jìn)行了全部拉索的更換，耗資達(dá)6000萬美元，為原造價(jià)的四倍。同樣美國路易斯安娜州新奧爾良的魯林橋、阿根廷的扎 拉特布拉什拉橋也進(jìn)行過換索工作。國內(nèi)某橋梁拉索在不到9年就由于拉索PE護(hù)套老化，鋼絲銹蝕，斷裂而導(dǎo)致全部更換拉索。我國部分斜拉橋的拉索腐蝕情況橋名護(hù)套破損鋼絲銹蝕下貓頭滲（積）水錨具外部銹蝕其它病害上海恒豐路橋銹蝕輕微廣州海印橋斷索護(hù)套內(nèi)水泥漿不飽滿濟(jì)南更河橋表面鍍鋅銹蝕犍為岷江橋開裂斷絲20根多段下錨頭滲水銹蝕洪水河橋開裂下錨頭積水右南二達(dá)地橋開裂斷絲17根多段下錨

13、頭滲水銹蝕鋼絲墩頭開裂）東九江橋開裂斷絲1/3銹蝕8橋名護(hù)套破損鋼絲銹蝕下貓頭滲（積）水錨具外部銹蝕其它病害重慶石門橋開裂斷絲10根多段下錨頭滲水銹蝕三臺(tái)培江橋銹蝕廣東三水橋開裂下錨頭積水番禹大橋開裂斷絲銹蝕減震器壞銅陵人橋多段下錨頭滲水武漢月湖橋環(huán)形開裂珠海淇澳橋開裂銹蝕防水罩壞畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)斜拉橋的拉索在環(huán)境還載荷的聯(lián)合作用下很容易退化，根據(jù)以前的工程經(jīng)驗(yàn)，斜拉橋的拉索平均使用壽命僅為 20年。如果保證 斜拉橋的使用年限達(dá)到100年，則拉索至少要換4-5次左右，這意 味著在斜拉橋的全壽命使用過程中，需要進(jìn)行多次的換索工程，顯 然這將造成極大的經(jīng)濟(jì)和

14、資源浪費(fèi)。就我國而言，在建和已建斜拉 橋有100多座，其中迄今已有20多座斜拉橋發(fā)生了不同程度不同 形式的拉索退化現(xiàn)象，上海的新五橋由于斷索而坍塌，三臺(tái)培江橋 由于無法換索而被拆除，另外十座斜拉橋被迫換索。拉索換索工程 費(fèi)用常常占到總費(fèi)用的50%以上，甚至超過初始的建橋費(fèi)用。顯 然，盡可能地延長拉索的使用壽命，可以達(dá)到節(jié)約養(yǎng)護(hù)維修經(jīng)費(fèi)的 目的。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)三.纜索的腐蝕機(jī)理及防護(hù)方法.纜索體系的腐蝕原理大氣腐蝕機(jī)理纜索體系暴露在大氣當(dāng)中，由于空氣中含有的水分、氧氣以及 腐蝕介質(zhì)，而產(chǎn)生化學(xué)和電化學(xué)作用，而發(fā)生金屬腐蝕。這種大氣 腐蝕是纜索鋼絲的金屬處

15、在表面水膜（電解質(zhì)膜）層下的電化學(xué)腐 蝕過程：該表面水膜當(dāng)空氣中的相對(duì)濕度達(dá)到一定程度時(shí)，空氣中 的水分在金屬表面吸附和凝聚而產(chǎn)生的，通常情況下，這種水膜中 常常溶有具有腐蝕性的污染物；由于大氣環(huán)境中的鋼絲，金屬表面 水膜很薄，氧氣容易達(dá)到陰極表面，而且氧的平衡電位高于氫，所 以電化學(xué)腐蝕的原理是陽極為金屬腐蝕，而陰極為氧去極化作用。纜索體系鋼絲腐蝕種類對(duì)于纜索體系鋼絲的腐蝕主要可分為兩大類，即為均勻腐蝕和 局部腐蝕；對(duì)于后者，則主要包括點(diǎn)腐蝕，裂縫腐蝕，應(yīng)力腐蝕， 疲勞腐蝕。下面對(duì)各種腐蝕形態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。均勻腐蝕：均勻腐蝕是纜索體系鋼絲最為常見的腐蝕形態(tài)，其 特征是腐蝕分布于整個(gè)金屬表面，

16、并以基本上相同的速度使鋼絲直 徑逐漸減小。盡管均勻腐蝕能造成大量的金屬損失，但由于腐蝕發(fā) 生的比較均勻，且速度穩(wěn)定，采取合理的防腐措施，就不會(huì)發(fā)生突10畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)然性的腐蝕事故，所以這類腐蝕并不可怕。點(diǎn)腐蝕：點(diǎn)腐蝕是在金屬構(gòu)件表面出現(xiàn)的個(gè)別孔坑或密集斑點(diǎn) 的腐蝕。對(duì)于易鈍化的金屬，在有活性侵蝕離子與氧化劑共存的條 件下，更容易發(fā)生點(diǎn)腐蝕。如不銹鋼、鋁和鋁合金等在含氯離子的 介子中，經(jīng)常發(fā)生點(diǎn)腐蝕，而在碳鋼表面的氧化皮或銹層有空隙的 情況下，在含氯離子的水中也會(huì)發(fā)生點(diǎn)腐蝕。點(diǎn)腐蝕的剖面形狀可分為半球形、橢圓形、環(huán)形、袋形、深窄 形或淺寬形，以及各種其

17、他復(fù)合形狀的?？p隙腐蝕：裂縫腐蝕是另一種普遍存在的，與點(diǎn)腐蝕很相似的 局部腐蝕。其產(chǎn)生的機(jī)制為，金屬與金屬、金屬與非金屬相連接時(shí) 表面存在裂縫，如果這些裂縫中含有腐蝕介質(zhì)時(shí)，會(huì)在金屬上誘發(fā) 局部腐蝕形態(tài)。發(fā)生這種腐蝕的條件是有適當(dāng)?shù)目p隙，這個(gè)縫隙必 須足夠?qū)?，使得腐蝕介質(zhì)能夠進(jìn)入縫隙中，同時(shí)縫隙又必須足夠窄 以使腐蝕介質(zhì)能夠滯留在縫隙內(nèi)；通常情況下，發(fā)生裂縫腐蝕最敏 感的裂縫寬度在0.025-0.1mm范圍內(nèi)?？p隙腐蝕與點(diǎn)腐蝕的相近之處在于：（1）兩者的腐蝕機(jī)理是 基本相同的；（2）其次是腐蝕的擴(kuò)展都是閉塞電磁作用，而腐蝕 是在縫隙內(nèi)的自催化酸化過程加速進(jìn)行的?？p隙腐蝕與點(diǎn)腐蝕的不 同之處在于

18、：（1）點(diǎn)腐蝕首先要生產(chǎn)點(diǎn)蝕核，而縫隙腐蝕則產(chǎn)生ii畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)與構(gòu)件金屬表面的狹小縫隙；（2）點(diǎn)腐蝕是通過腐蝕核成長形成 的點(diǎn)蝕孔，并逐漸形成閉塞電，然后才加速腐蝕的，而縫隙腐蝕由 于已具有縫隙，腐蝕一開始就能迅速形成閉塞電磁并開始加速腐 蝕；（3）縫隙腐蝕比點(diǎn)腐蝕更容易發(fā)生和擴(kuò)展外，兩者所形成的 形態(tài)也有所不同，通常情況下，點(diǎn)腐蝕的蝕孔一般窄而深，縫隙腐 蝕的蝕坑相對(duì)寬而淺。應(yīng)力腐蝕：鋼絲在受到拉伸應(yīng)力和腐蝕環(huán)境介質(zhì)的共同作用下 發(fā)生的腐蝕為應(yīng)力腐蝕。當(dāng)鋼絲受到應(yīng)力腐蝕時(shí)，有可能會(huì)在遠(yuǎn)小 于其材料屈服強(qiáng)度的情況下突然發(fā)生斷裂，沒有預(yù)兆，所以一旦發(fā)

19、 生應(yīng)力腐蝕的鋼絲，其危險(xiǎn)系數(shù)會(huì)極大增加。產(chǎn)生該腐蝕需要三個(gè) 基本條件：敏感的材料，特定的腐蝕環(huán)境，以及拉伸應(yīng)力（外力， 殘余應(yīng)力）。應(yīng)力腐蝕的失效形式表現(xiàn)為材料的脆性斷裂，即便是 塑性變形能力很高的材料在發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效后，其表現(xiàn)形式仍然 為脆性斷裂，斷口表面上會(huì)有腐蝕坑以及二次裂紋，同時(shí)能清晰的 觀察到塑性流變痕跡。疲勞腐蝕：金屬材料在疲勞載荷及腐蝕介質(zhì)的共同作用下所發(fā) 生的腐蝕失效稱為疲勞腐蝕。對(duì)于發(fā)生疲勞腐蝕的鋼絲，其失效的 應(yīng)力水平以及疲勞壽命會(huì)較該鋼絲在無腐蝕介質(zhì)條件下的純機(jī)械疲 勞低得多12畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì).纜索體系腐蝕機(jī)理斜拉橋拉索腐蝕機(jī)

20、理：對(duì)于早期的斜拉橋拉索，常常通過向PE管或鋼管中壓注水泥漿來進(jìn)行腐蝕防護(hù)，這是由于水泥的堿性對(duì) 鋼材提供積極的防腐作用。然而常常出現(xiàn)灌漿不滿的情況，以及水 泥漿沁水的現(xiàn)象。廣州的海印橋，就是由于管道壓降工藝未能保證 拉索頂部飽滿，使得水能直接接觸拉索鋼絲而發(fā)生腐蝕，最后發(fā)生 了 9號(hào)索斷裂事故，以及后來的15號(hào)索也有松斷現(xiàn)象。目前對(duì)于斜拉橋拉索，常常采用的防護(hù)方法為熱擠PE套管保護(hù)拉索鋼絲。這種防護(hù)方法，常常難以避免在拉索架設(shè)過程中出現(xiàn)PE套管被劃破的情況；同時(shí)，由于長時(shí)間的風(fēng)吹日曬，PE套管發(fā)生老化也會(huì)產(chǎn)生很多裂縫，即便 PE套管沒有出現(xiàn)施工期間的劃破 或者老化出現(xiàn)的裂縫，由于 PE套管并

21、不能完全保證氣密性，進(jìn)入 PE套管中的空氣在拉索內(nèi)外溫度變化時(shí)（內(nèi)熱外冷），會(huì)冷凝成液 態(tài)水。這些情況下都會(huì)對(duì)拉索內(nèi)的鋼絲產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，從而降低斜 拉橋拉索的可靠性。.纜索體系防護(hù)方法斜拉橋拉索防腐體系對(duì)斜拉橋拉索基材鋼絲的防護(hù)，主要方式是對(duì)高強(qiáng)度鋼絲表面 實(shí)施熱鍍鋅工藝或環(huán)氧材料涂層工藝，已達(dá)到在鋼絲表面形成一層13畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)致密的保護(hù)膜從而防止銹蝕的目的。對(duì)整個(gè)索體的保護(hù)，主要方式 是對(duì)鋼絲束和鋼絞線熱擠高密度聚乙烯（PB護(hù)套，或外套 PE管 防護(hù)，依靠PE材料氣密性、水密性、抗紫外線性能好的特點(diǎn)，達(dá) 到防護(hù)效果。目前斜拉橋的拉索體系主要有兩種

22、：（1）平行（半平行）鋼 絲索，（2）平行（半平行）鋼絞線索，這兩種不同體系的斜拉索 采用了各有特點(diǎn)的防腐方法，下面將對(duì)這兩種體系的構(gòu)造及防腐處 理方法進(jìn)行介紹。平行鋼絲索平行鋼絲索的防腐方法主要有以下幾種：（1）塑料罩套保護(hù)法；（2）套管壓漿法，采用聚乙烯管，鋼管，其間壓注水泥漿， 這種防護(hù)法曾經(jīng)應(yīng)用于平行鋼絲拉索中，現(xiàn)在主要應(yīng)用 于鋼絞線拉索防護(hù)中，平行鋼絲拉索一般不再采用。（3）直接擠壓HDP即套法，經(jīng)涂脂處理后按正六邊形或缺角 六邊形平行并攏定型捆扎并輕度紐絞成束后，加裹高強(qiáng) 度聚酯包帶和熱擠高溫聚乙烯塑料（簡(jiǎn)稱HDPE護(hù)套或染色PE護(hù)套。目前這種方法國內(nèi)外普遍應(yīng)用于平行鋼絲 拉索的防

23、護(hù)中14畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)平行（半平行）鋼絞線索該拉索的結(jié)構(gòu)體系由兩端的錨固段，隱埋在塔梁內(nèi)部的過 渡段和外露部分的中間段三部分組成。鋼絞線拉索的防護(hù)有兩 種方式：一種是有粘結(jié)剛性保護(hù)，即將整根拉索穿入一根外套 管中，外套管與鋼絞線之間壓注水泥漿，因其保護(hù)效果欠佳， 且換索不便，目前已經(jīng)很少使用；另一種是無粘結(jié)柔性保護(hù)， 通常是將每一根鋼絞線束外涂防銹油脂或鍍鋅或噴鋁后擠壓 PE護(hù)套，再將若干根帶有護(hù)套的鋼絞線束組成一根拉索，在 拉索外再套一層 HDPE（熱擠高密度聚乙烯塑料）套管形成無 粘結(jié)柔性拉索。鋼絞線拉索的防護(hù)按拉索的結(jié)構(gòu)可分為內(nèi)滲防 護(hù)與外裹防護(hù)

24、。內(nèi)滲防護(hù)是在鋼絞線的平行鋼絲之間填充塑膠 物質(zhì)，所用材料一般有防銹油脂，聚乙烯塑料泡沫和水泥漿或 環(huán)氧砂漿；外裹保護(hù)是在單股或單根拉索外表熱擠PE套管，外套金屬套管，預(yù)應(yīng)力套管等，外裹防護(hù)材料目前常用的是 HDPE套管，PE套管，鋁合金套管等，其中 HDPE套管應(yīng)用最 多。我國的潤揚(yáng)長江公路大橋斜拉橋部分的建設(shè)采用了平行鋼 絞線拉索體系。拉索由多股無粘結(jié)高強(qiáng)度平行鋼絞線組成，整 根拉索的防護(hù)共有三層，由單根鋼絞線外涂油脂并帶PE護(hù)套，拉索外層的HDPE卜防護(hù)套等組成。15畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)四,緒論截止至1999年上半年，我國從事機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品研

25、制、生產(chǎn)的單位有200余個(gè)，研制、生產(chǎn)的各類工業(yè)的機(jī)器人約有 50多種型號(hào)600臺(tái)，其中已用于生產(chǎn)的約占5/6。我國工業(yè)機(jī)器人 經(jīng)過20多年的發(fā)展，已在產(chǎn)業(yè)化的道路上邁開了步伐。1998年我國工業(yè)機(jī)器人及含工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化生產(chǎn)線和式程項(xiàng)目的產(chǎn)值和 銷售額已超過2億元。國家“836”高技術(shù)計(jì)劃已將中科院沈陽自動(dòng) 化所的機(jī)器人技術(shù)國家工程研究中心、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的博實(shí)公 司、國家機(jī)械工業(yè)局北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)工化研究所機(jī)器人中心、上 海交通大學(xué)的海泰公司、上海大學(xué)的機(jī)電一體工程中心和南開大學(xué) 的太陽公司等確立為智能機(jī)器人主題的六個(gè)產(chǎn)業(yè)化基地。一汽、二 汽、濟(jì)南第二機(jī)床廠、中國船舶工業(yè)總發(fā)及應(yīng)用成套的

26、大型依托企 業(yè)。國家機(jī)械工業(yè)局北京自動(dòng)化所從第1臺(tái)PJ-1噴涂機(jī)器人起，經(jīng)過“七五”、”八五”、”九五”攻關(guān)和十多年的開發(fā)應(yīng)用，已形成 PJ-1系列噴涂機(jī)器人、PM系列自動(dòng)噴涂機(jī)及龍門仿形噴涂機(jī)器人 產(chǎn)品大家族，并由單一噴涂機(jī)器人產(chǎn)品發(fā)展到弧焊、搬運(yùn)、碼垛、 裝箱等多種機(jī)器人產(chǎn)品系列；1998年10月及1999年6月兩次首家 舉辦多種工業(yè)機(jī)器人科技新成果展示會(huì)，吸引了上百家用戶；至 1999年上半年共為用戶裝備了 30多余工業(yè)機(jī)器檢自動(dòng)生產(chǎn)線和工16畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)作站，包括130多臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，其中95%Z上機(jī)器人整機(jī)是自主 開發(fā)的產(chǎn)品。汽車待業(yè)一些大

27、的企業(yè)已能開發(fā)工業(yè)機(jī)器人及成套應(yīng) 用工程進(jìn)行自我裝備，如一汽與中科院沈陽自動(dòng)化所聯(lián)合開發(fā)的用 于大型汽車復(fù)蓋件的沖壓正常運(yùn)行 2年，東風(fēng)汽車公司設(shè)備制造廠 開發(fā)了轎車缸體、缸蓋加工自動(dòng)線含 13臺(tái)襲門式機(jī)器人，也已用 于神龍汽車公司襄樊工廠。濟(jì)南第二機(jī)床廠開發(fā)的含上下料機(jī)器人 的高度自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線已出口創(chuàng)匯。上海徐浦大橋建成后采用了人工涂裝的方式，即由塔頂設(shè)立 定滑輪吊點(diǎn)。用卷揚(yáng)機(jī)經(jīng)鋼絲繩帶動(dòng)小車及載人和涂料的吊籃由人 在高空對(duì)全部纜索實(shí)行了涂裝，不僅效率低，而且安全性差成本 局。因此，利用特種機(jī)器人技術(shù)，開發(fā)一種自動(dòng)纜索爬升并能完成一定 作業(yè)任務(wù)的大傾斜度纜索機(jī)器人，是交通基礎(chǔ)建設(shè)與維護(hù)的

28、必然要 求，不僅給斜拉橋纜索的檢測(cè)和維護(hù)作業(yè)提供重要手段，而且也可 應(yīng)用與類似的斜拉結(jié)構(gòu)上。斜拉橋以其優(yōu)美的外觀及良好的抗震性越來越得到橋梁設(shè)計(jì)師的青睞。針對(duì)現(xiàn)代斜拉橋?qū)Π踩兔烙^的越來越高要求，提出用 大傾斜度纜索機(jī)器人進(jìn)行高空纜索檢測(cè)和維護(hù)的新方法。采用電17畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)摩擦輪壓緊使機(jī)器人沿纜索連續(xù)爬升或氣驅(qū)動(dòng)氣缸夾緊蠕動(dòng)爬升，利用隨帶的噴涂、磁檢測(cè)等裝置，實(shí)現(xiàn)了在役纜索的涂裝、 內(nèi)部檢測(cè)等作業(yè)，已在上海徐浦大橋上成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取 得滿意的效果。自從1956年在瑞典建成曹姆松特斜拉橋以來，到 1993年全世界已 有300余座斜拉橋。我國

29、自1975年在四川云陽建成第一座斜拉橋 之后，至今共建成40余座斜拉橋。斜拉橋的主要受力構(gòu)件是纜索，但其長期暴露在大氣之中，受到風(fēng) 吹、日曬、雨淋和環(huán)境污染的侵蝕，其表面會(huì)受到較嚴(yán)重的破壞， 這會(huì)對(duì)整座斜拉橋帶來不利的影響。因此，對(duì)纜索的有效維護(hù)是十 分必要的。斜拉橋以其獨(dú)特的構(gòu)型吸引著眾多的觀光者，為現(xiàn)代化 都市增添了一道亮麗的風(fēng)景線。但人們?cè)隗@嘆斜拉橋壯觀的同時(shí)， 也發(fā)現(xiàn)美中不足的是大多數(shù)斜拉橋的纜索都是黑色，色彩的單調(diào)影 響了斜拉橋的魅力。所以，近年來彩化斜拉橋成了許多橋梁專家追 求的目標(biāo)。目前，彩化斜拉橋的方法有三種，即彩色繞包、全材彩化及彩色涂 裝，其中彩色涂裝是最經(jīng)濟(jì)且柔性較大的方

30、法。到目前為止，國內(nèi) 外對(duì)斜拉橋纜索進(jìn)行彩色涂裝主要采用兩種方法，一種是針對(duì)小型18畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)斜拉橋使用液壓升降平臺(tái)進(jìn)行纜索涂裝，另一種是利用預(yù)先裝好的 塔頂?shù)亩c(diǎn)，用鋼絲托動(dòng)吊籃搭載工作人員沿纜索進(jìn)行涂裝。前一 種方法的工作范圍十分有限，后一種方法是許多斜拉橋采用的普遍 方法，但采用人工方法進(jìn)行高空涂裝作業(yè)不僅效率低、成本高，而 且危險(xiǎn)性大，尤其是在風(fēng)雨天就更加危險(xiǎn)。為此，上海交通大學(xué)機(jī) 器人研究所于1997年與上海黃浦江大橋工程建設(shè)處合作研制了 一 臺(tái)斜拉橋纜索涂裝維護(hù)機(jī)器人樣機(jī)。該機(jī)器人系統(tǒng)由兩部分組成，一部分是機(jī)器人本體，一部分是機(jī)器 人小

31、車。機(jī)器人本體可以沿各種傾斜度的纜索爬升，在高空纜索上 自動(dòng)完成檢查、打磨、清洗、去靜電、底涂和面涂及一系列的維護(hù) 工作。機(jī)器人本體上裝有 CCD攝像機(jī)，可隨時(shí)監(jiān)視工作情況。另 一部分地面小車，用于安裝機(jī)器人本體并向機(jī)器人本體供應(yīng)水、涂 料，同時(shí)監(jiān)控機(jī)器人的高空工作情況。機(jī)器人具有以下功能：沿索爬升功能160機(jī)器人可沿任意傾斜度的纜索爬升，可爬升的纜索標(biāo)高為19畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)米，纜索傾斜度090（,可適應(yīng)的纜索直徑為90100毫米，機(jī)器 人爬升速度為8米/分。纜索檢測(cè)功能機(jī)器人上裝有鋼絲繩檢測(cè)系統(tǒng)，可沿纜索檢測(cè)鋼絲是否有斷 絲，以便及時(shí)更換纜索。纜索清

32、洗功能在機(jī)器人本體上配備有各種形狀的清洗刷和特定的水基清洗 液，可完成纜索去塵、脫脂和去聚乙烯表面靜電等工作。具有一定智能機(jī)器人具有良好的人機(jī)交互功能，在高空可以判斷是否到 頂、風(fēng)力大小等一些環(huán)境情況，并實(shí)施相應(yīng)的動(dòng)作。五.纜索檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)意義斜拉橋以其觀賞性好、承載能力強(qiáng)、跨越能力大、抗風(fēng)穩(wěn)定 性高、工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，成為公路、鐵路及城鎮(zhèn)道路建設(shè)中大 跨徑橋梁常用橋型之一，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。作為斜 拉橋的主要受力部件纜索因暴露在空氣中，長期受到風(fēng)吹、日曬、 雨淋及大氣中污染物的侵蝕，其表面的聚乙烯保護(hù)套會(huì)出現(xiàn)隆起、20畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

33、破裂等現(xiàn)象，甚至保護(hù)套內(nèi)的鋼絲束會(huì)出現(xiàn)生銹、斷絲等問題，嚴(yán) 重影響了斜拉橋的觀賞性并且給斜拉橋的安全埋下隱患。目前，纜 索維護(hù)作業(yè)基本使用人工吊籃方式，成本高、效率低、安全性差。 因此，研制纜索自動(dòng)化檢測(cè)機(jī)器人對(duì)纜索有效維護(hù)是十分必要的。 針對(duì)潛在的纜索維護(hù)市場(chǎng)，國內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)參與了纜索維護(hù)機(jī)器人 研究開發(fā)?，F(xiàn)有爬纜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式主要有摩擦輪連續(xù)滾動(dòng)式，夾緊蠕 動(dòng)式兩種。連續(xù)滾動(dòng)式機(jī)構(gòu)由于纜索的懸垂曲線、纜索風(fēng)振動(dòng)等外 界因素影響，摩擦輪的預(yù)緊力較難精確調(diào)整；過大，因摩擦消耗功 率就越多；過小，隨機(jī)的外部干擾會(huì)使夾緊力不足，爬升失效，多數(shù) 情況下為了提高可靠性只能犧牲能耗比。夾緊蠕動(dòng)式機(jī)構(gòu)對(duì)于

34、截面 尺寸有突變、表面情況惡劣的纜索具有較好的適應(yīng)能力，但爬升和 夾緊運(yùn)動(dòng)分別由2套機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)較復(fù)雜，浪費(fèi)了過多因夾緊所 耗的時(shí)間和能源。六、纜索機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案纜索機(jī)器人攜帶檢測(cè)工具在高空中完成對(duì)纜索的檢測(cè)修復(fù)，在 這種復(fù)雜危險(xiǎn)的情況下完成作業(yè)，就要求機(jī)器人系統(tǒng)盡可能的小型 化、輕量化，提高系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)環(huán)境的能力。為此提出機(jī)器21畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)人的性能指標(biāo)為：機(jī)器人總質(zhì)量小于20 kg ;機(jī)器人移動(dòng)速度不小于5m/min;纜索的最大傾斜角為90 ;纜索的直徑為100mm一種輪式橋梁纜索健康檢測(cè)機(jī)器人，包括輪式爬行機(jī)構(gòu)、 爬行機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制系

35、統(tǒng)兩部分組成。爬行機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制系統(tǒng)組成和工作原理：爬行機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制系統(tǒng)由控制箱、驅(qū)動(dòng)器、檢測(cè)裝置、通 訊模塊、電源及電機(jī)組成。檢測(cè)裝置的作用是檢測(cè)橋梁纜索外 表及內(nèi)部是否有損傷，可以是但不限于電渦流檢測(cè)系統(tǒng)、磁漏 檢測(cè)系統(tǒng)、超聲波檢測(cè)系統(tǒng)、照相/攝影系統(tǒng)。通訊模塊的作用是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人同地面人員或上位計(jì)算機(jī)的 聯(lián)絡(luò)，可以但不限于電磁通訊模塊、電力載波通訊模塊?？刂葡涫菣C(jī)器人的控制核心，由它實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行進(jìn)、纜索 檢測(cè)、通信、障礙物的檢測(cè)等任務(wù)，并采集和保存檢測(cè)的結(jié) 果。控制箱可以但 不限于計(jì)算機(jī)、控制板、障礙檢測(cè)組成。電源的作用是給整個(gè)系統(tǒng)提供所需要的個(gè)種交直流電源， 它包括供電電源和電源模塊兩部分

36、。供電電源可以是但不限于22畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)交流電源、直流電源、可充電電池。驅(qū)動(dòng)器的作用是將控制箱輸出的弱電信號(hào)經(jīng)過功率放大后 驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，可以但不限于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、交流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 器、直流伺服驅(qū)動(dòng)器、交流伺服驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由它經(jīng)減速器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)小 車運(yùn)動(dòng)，電機(jī)可以是但不限于直流電機(jī)、交流電機(jī)、直流伺服 電機(jī)、交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)。工作原理：控制箱中的計(jì)算機(jī)通過通訊模塊接受到操作人員的指令后，向控制板發(fā)出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)命令（前進(jìn)、停止或返回）控 制板則根據(jù)該命令通過驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。若運(yùn)動(dòng)中檢測(cè)到 障礙，則通過計(jì)算

37、機(jī)向控制板發(fā)出返回命令。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)， 計(jì)算機(jī)根據(jù)一定時(shí)序啟動(dòng)檢測(cè)裝置對(duì)纜索進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果 存在計(jì)算機(jī)中，同時(shí)經(jīng)過壓縮后通過通訊模塊發(fā)送給地面設(shè) 施。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)根據(jù)上述性能指標(biāo)設(shè)計(jì)出的機(jī)器人的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。纜索機(jī)器人包括：線性驅(qū)動(dòng)器、單排鏈輪、雙排鏈輪、23畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)鏈條、滾輪、活動(dòng)開口、連接管、連接桿、平行板、電機(jī)、編碼器1纜索;2線性驅(qū)動(dòng)器;3單排鏈輪;4雙排鏈輪;5鏈條;6滾輪；7活動(dòng)開口；8連接管加連接桿平行板；II電機(jī)；12編碼器(a)主視圖此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便，方便安裝，工作時(shí)可以輕易的安裝在 纜索上，維護(hù)方便，方便拆裝，

38、本裝置即可用于斜拉橋，也可 以用在其他斜拉設(shè)備上。24畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)（10俯視圖圖1纜索機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)機(jī)器人的傳動(dòng)為：伺服電機(jī)通過減速機(jī)經(jīng)由鍵及鏈輪、鏈條、鏈輪、鍵、軸傳動(dòng)至滾輪，滾輪與纜索之間的摩擦力靠彈性推進(jìn)裝置維持，具彈性值應(yīng)滿足條件：W N G（摩擦系數(shù)取0.2 ,設(shè)備總重量為G,彈性力大小N）若加速度為a,則F=ma=t N（爬升力，m為設(shè)備總質(zhì)量，a設(shè)備爬升加速度，N為彈性推進(jìn)裝置正壓力）6. 2機(jī)械結(jié)構(gòu)的說明25畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)框架呈正六棱柱狀，整體分為上位體和下位體兩 部分，并分別設(shè)置有

39、夾緊和移動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩體間通過連接管、連接桿 等支撐機(jī)構(gòu)相連。上位體和下位體至少有一個(gè)夾緊在纜索上，通過 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在纜索上連續(xù)移動(dòng)。正六棱柱的上下兩 個(gè)平面的連接桿上均設(shè)有活動(dòng)開口，通過打開或關(guān)閉活動(dòng)開口就能 方便、快捷地將機(jī)器人安裝到纜索上。滾輪和線性驅(qū)動(dòng)器通過平行 板相連接，線性驅(qū)動(dòng)器提供預(yù)緊力使機(jī)器人附著在纜索上，這就為 機(jī)器人在纜索上實(shí)現(xiàn)連續(xù)移動(dòng)創(chuàng)造了條件。并且，線性驅(qū)動(dòng)器的行 程會(huì)根據(jù)纜索的不同直徑的要求進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而提高了機(jī)器人 對(duì)不同直徑的纜索的適應(yīng)能力。機(jī)器人框架內(nèi)部均勻安裝3套爬行機(jī)構(gòu)，即3套爬升機(jī)構(gòu)之 間呈120等間距分布，每套爬行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力均由電機(jī)提供。

40、因 此，機(jī)器人采用三重驅(qū)動(dòng)力，并通過鏈傳動(dòng)使 6只滾輪都成為主動(dòng) 輪，這樣就能減少纜索機(jī)器人在爬升運(yùn)動(dòng)過程中遇到的各種阻力， 增強(qiáng)了爬升力，保證纜索機(jī)器人在大傾度的纜索上也能夠順利工 作。這種分布方式還能使?fàn)恳Ψ稚a(chǎn)生，提高了機(jī)器人的穩(wěn)定 性，有利于對(duì)纜索的檢測(cè)。另外，爬行機(jī)構(gòu)通過安裝在減速器輸出 軸上的編碼器測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，運(yùn)用速度反饋控制方式實(shí)現(xiàn)3對(duì)滾輪的同步運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步增強(qiáng)了機(jī)器人的穩(wěn)定性。26畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)七、機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析7.1機(jī)器人附著力的分析實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在纜索上運(yùn)動(dòng)，需要線性驅(qū)動(dòng)器提供機(jī)體對(duì)纜索的附著力。根據(jù)前文的分析，機(jī)器人的全部重力

41、僅由安裝在下位體或上位體上的6只滾輪承載，此時(shí)，機(jī)體對(duì)纜索的附著力達(dá)到最大值。假設(shè)機(jī)器人處于靜止?fàn)顟B(tài)，如圖 2所示，對(duì)其中一只滾輪分析可得： TOC o 1-5 h z G1 cos 0 + F1 = N( 1)fl = G1 sin 0( 2)f1 = p1N( 3)由式(1) 式(3) 可得：F1= G1 (sin 0 - 1 cos 0 ) /1( 4)式中：F1線性驅(qū)動(dòng)器提供的附著力；G1由6只滾輪承載全部重力時(shí)其中一只滾輪所分擔(dān)的重力；9纜索傾斜角度；M 1最大靜摩擦因數(shù)。取滑動(dòng)摩擦因數(shù)w 1 = 0.2 ;最大傾斜角0 =90 ;每只輪子所承受的重力為G1=33.33N則求得最大附

42、著力F1 = 166.65N,為了保證27畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)機(jī)器人的穩(wěn)定性，取F1 =250N。/ /2/Z/7/?/圖3 纜索機(jī)器人附著力的分析(該圖為圖2,圖中F1與N在同一直線上，沒有 B角)7.2 機(jī)器人向上運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)分析最大附著力保證機(jī)體緊附在纜索上，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，機(jī)器人 沿纜索向上爬升。在機(jī)器人啟動(dòng)的一瞬間，向上爬升的加速度很 大，此時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)力最大。在機(jī)器人向上爬升的過程中，機(jī)體的 受力情況如圖3所示，對(duì)其進(jìn)行受力分析為： TOC o 1-5 h z F2 - f2 G2 sin 0 = Ma( 6)N = F1 + G2 cos 0

43、( 7)f2 = p 2 N( 8)由式(6)式(8)可以得出：F2 = F1 2 2+ G2( 22 cos 0 + sin 0 ) + M2 a ( 9)28畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)M2 = G2 /g式中：F2機(jī)器人向上爬升時(shí)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力；2滑動(dòng)摩擦因數(shù)；G2-只滾輪所承載的重力；a機(jī)器人啟動(dòng)瞬間的加速度。驅(qū)動(dòng)輪的橡膠表面與纜索表面的聚乙烯材料接觸，取滑動(dòng)摩擦 因數(shù)2 = 0.15 ;為了盡快達(dá)到最大工作速度，加速度 a取值 0.01 m/s2 ;當(dāng)纜索垂直地面時(shí)，機(jī)器人的重力全部集中在機(jī)器人的6只滾輪上，此時(shí)每只滾輪承載機(jī)器人的重力最大，所以，在 0=9

44、0 , M2 =3.33kg, G2 =33.33N, a = 0.01 m/s2 時(shí)驅(qū)動(dòng)力最 大，即最大驅(qū)動(dòng)力F2 =70.86N,取F2 =100N。設(shè)此時(shí)的工作速度 為5.0m/min ,所以可求得電機(jī)的功率為：廣鐘P = A 6017式中：v機(jī)器人移動(dòng)的速度；刀鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)效率，取值 85%;K電機(jī)功率儲(chǔ)備系數(shù)，一般為1.11.25,這里取值1.25。所以求得電機(jī)功率P =12.25W,選用電機(jī)功率20W29畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)圖5 纜索機(jī)器人爬升過程的動(dòng)力學(xué)分析(該圖為圖3圖中F1與N在同一直線上，沒有B角)此時(shí)機(jī)器人工作的速度最小，電機(jī)轉(zhuǎn)矩最大，

45、最大轉(zhuǎn)矩 TOC o 1-5 h z TN = 9. 55 P/n( 11)式中：n電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r /min 。滾輪半徑R = 35mm故有單排鏈輪的轉(zhuǎn)速n1為：n1 = v/2 兀 R( 12)求得 n1 =22.75r/min ,根據(jù)鏈傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性：n/n1= z1/z( 13)式中：z雙排鏈輪齒數(shù)；z1單排鏈輪齒數(shù)。30畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)z = 16 , z1 = 21 ,所以，n =29.9r /min ,最大轉(zhuǎn)矩 TN =8.3N - m根據(jù)上述分析，擬選用博山金鑫減速電機(jī)廠生產(chǎn)的型號(hào)為J-SZ（ZYT）PX系列直流減速電機(jī)，編碼器選用西安新敏

46、電子科技有 限公司生產(chǎn)的型號(hào)為IHU5208的光電編碼器。7.3 機(jī)器人向下運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)分析機(jī)器人在向上爬升的過程中，完成對(duì)纜索的檢測(cè)維護(hù)，當(dāng)機(jī) 器人運(yùn)動(dòng)到纜索的頂點(diǎn)，就需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行安全回收。在對(duì)機(jī)器 人回收過程中，要求機(jī)器人能夠平穩(wěn)、勻速下滑。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)纜 索頂端，控制電機(jī)通過反轉(zhuǎn)從高空返回地面，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能和故障回 收，設(shè)計(jì)了基于反電動(dòng)勢(shì)理論的回收方法。反電動(dòng)勢(shì)下降分析原理當(dāng)機(jī)構(gòu)斷電下滑時(shí)，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作，機(jī)器人本體相當(dāng)于 原動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電樞旋轉(zhuǎn).在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩（T ）必須與發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（Tm ）及空載損耗轉(zhuǎn)矩（To）相平衡.可以 采用調(diào)節(jié)電阻（Rb）改變電流

47、（ia ）的方法來控制電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而控 制機(jī)構(gòu)的下降速度.此處僅考慮穩(wěn)定狀態(tài)，忽略電機(jī)電樞產(chǎn)生的內(nèi) 部摩擦等非線性情況的影響.根據(jù)圖 4可得：31畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)Uk=ElR + La/&)Ea =| Im K仲般._ 七% 品+凡 Q) (4)式中，UR為滑動(dòng)變阻器電壓(V), Ra為電樞電阻(。)，La為電 樞電感(H), Rb為可變電阻，ia為電樞電流(A) , Tm為電磁轉(zhuǎn)矩 (N. m), 0為磁極的磁通(wb),所 為與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) (V-s / rad) , Ea為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(V) , n為電機(jī)轉(zhuǎn)速(r /min).機(jī)構(gòu)下降時(shí)的驅(qū)動(dòng)力

48、矩為：T =-丁。I.式中，rl為主動(dòng)輪半徑(m), Ff為纜索作用機(jī)構(gòu)的總摩擦力(N) , To為電機(jī)摩擦轉(zhuǎn)矩(N. m), M為機(jī)構(gòu)自重及負(fù)重(kg)。當(dāng)機(jī)構(gòu)沿纜索勻速下滑時(shí)：由式(1)(5)得出下降速度vl(m/s):_ 門(Mgsin8一尸.一 丁口(& 4) 271rlV 沅-一. 砒(19)此處，i為齒輪箱減速比。32畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)圖2下降機(jī)構(gòu)電路原理圖當(dāng)軸上的機(jī)械負(fù)載發(fā)生變化時(shí)（即纜索傾角發(fā)生變化），電動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)速、電動(dòng)勢(shì)、電流及電磁轉(zhuǎn)矩將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)負(fù)載的 變化，達(dá)到并保持新的平衡.為保證機(jī)器人勻速下滑，可根據(jù)調(diào)整 阻值Rb改變

49、電磁轉(zhuǎn)矩來適應(yīng)機(jī)構(gòu)的不同重量、纜索的不同傾角等 情況，為滿足傾斜不同角度纜索的視頻檢測(cè)要求，根據(jù)式 （19）,初 步選取2O Q、40Q和6三檔大功率電阻串入控制電路調(diào)節(jié)下滑 速度。7.3.2、下滑過程中對(duì)機(jī)器人的動(dòng)力分析如圖5所示33畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)圖6 纜索機(jī)器人下降過程的動(dòng)力學(xué)分析 TOC o 1-5 h z F3 = f3 -G2sin 0( 15)N = F1+ G2cos 0( 16)f3 = p2N( 17)由式(15) 式(17) 可得：F3 = F1( p 2 cos B sin B ) + G2( 2 cos 0 - sin 0 )

50、( 18)式中：F3機(jī)器人向下爬行時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力。34畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)八、纜索機(jī)器人輻輪軸設(shè)計(jì)1.軸徑的確定在立軸初步設(shè)計(jì)時(shí)，由于軸的各結(jié)構(gòu)尺寸（軸徑、軸的總長、 軸的支承裝置及各零件尺寸等）均未知，而這些結(jié)構(gòu)尺寸又與軸徑 有關(guān)，而軸徑可按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度確定軸端直徑。實(shí)心軸軸徑d3 3d=17.2 ,.: ; （mm）（4-3）空心軸軸徑d式中N-軸傳遞的功率（KW ;t-軸所傳遞的扭距（N，m） ；n-軸的工作轉(zhuǎn)速（r/min ）;k-許用扭轉(zhuǎn)男應(yīng)力（N/mm2）；A-受軸材料和載荷而定的系數(shù)；a-空心軸的內(nèi)徑a與外徑d之比。當(dāng)軸截面上有一個(gè)鍵梢時(shí)，應(yīng)將求得的

51、軸徑增大4%-5%若有2個(gè)鍵梢時(shí)，應(yīng)增大7唳10%.軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)和形狀取決與許多因素，可根據(jù)軸上安裝零件的類35畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)型、尺寸及其配置，載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況，軸承的 類型與尺寸，軸的裝配工藝要求和加工等，進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè) 計(jì)。零件在軸上的定位與固定方法有：（1）軸向定位；（2）周向 定位。輻軸上常用的定位方法有：（1）軸肩、軸環(huán)式；（2）套筒 式；（3）平鍵固定式等。各軸段的長度主要根據(jù)軸上零件的轂長或軸上的零件配合部分 的長度確定。另外，也要根據(jù)機(jī)體及軸承蓋等零件有關(guān)。本設(shè)計(jì) 中，綜合考慮機(jī)體、軸承座等因素的影響。軸

52、的具體設(shè)計(jì)尺寸如下 圖所示：圖4-1.軸的強(qiáng)度計(jì)算36畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)圖4-2 輻軸上受力與支點(diǎn)反力（a）輻軸上受力簡(jiǎn)圖；（b）輻軸上垂直平面受力；（c）輻軸上 水平平面受力；P鏈條拉力；Fr 輻輪彳5向力；Ft 輻輪圓周力Ljo37畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）c)纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)(f圖4-3 輻軸上受力與彎矩圖、當(dāng)量彎矩圖（a）輻軸上垂直面受力；（b）輻軸上垂直面彎距圖；（c）輯軸 上水平面上受力；（d）輻軸上水平面彎距圖；（e）輯軸上 合成彎距圖；（f）輻軸上扭矩圖；（g）輻軸上當(dāng)量彎矩圖A.軸的受力分析（見圖4-2）38畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

53、纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)a.畫軸的受力簡(jiǎn)圖（見圖4-2a）b,計(jì)算支承反力在水平面上FR1HFi P(li I2 I3)250 26 200 92M=NI2 li52FR2H = Fr P -FR1H =450-479N = -29N在垂直面上FtFriv =Fr2V =50N2c,畫彎矩圖(見圖4-3)在水平面上，a-a剖面右側(cè)MaH =FR1H l2 =479 26 =12454N mmaa剖面左側(cè)MaH =P l3 = 200 40 = 8000N mm在垂直面上MaV = MaV 二 FR1V l2 =50 26-1300N mm合成彎矩，a-a剖面右側(cè)Ma = M 2

54、aH M 2av 124542 13002 N mm=12522N mma-a剖面左側(cè)M a =、； M 2aH M 2av = 80002 13002 N mm = 8105N mm：479N(4-5)(4-6)(4-7)(4-8)(4-9)(4-10)(4-11)(4-12)d.畫轉(zhuǎn)矩圖（見圖4-3）39畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩 t =Ft d =100 竺 N mm = 2250N mm (4-13) 22B.判斷危險(xiǎn)剖面顯然，由圖中aa截面處合成彎矩最大、扭矩為 T,該截面左 側(cè)可能是危險(xiǎn)剖面；b-b截面處合成彎矩不是最大，但該截面左側(cè) 軸徑小于aa

55、截面處軸徑，故bb截面左側(cè)也可能是危險(xiǎn)剖面。若從疲勞強(qiáng)度角度考慮，aa、bb截面處均有應(yīng)力集中，且b- b截面處應(yīng)力集中更嚴(yán)重，故aa截面左側(cè)和bb截面左、右側(cè) 均有可能是疲勞破壞危險(xiǎn)剖面。C.軸的彎扭合成強(qiáng)度校核查得 k1=b! =60Pa, b0 J =100MPa,a =些=0.6bbb01100a a截面左側(cè)3 bt(d -t2)-3 6M3M(20-3)”33W=0.1d3 -()= 0.1父203 (L mm3 = 670mm32d2 M 20_(4-14)M2 +(T)2J125222 +(0.6黑2250)2 1Vm 仃e =-MPa =18.8MPa S，故a a剖面安全。3

56、333W =0.1d =0.1 20 mm -800mm(4-14)WT =0.2d3 = 0.2 203mm3 =1 6 0mm3(4-18)41畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)彎曲應(yīng)力MbP a7.8M P a(4-19)=7.8M P a二m =0切應(yīng)力WT2250M P a=1 4M P a 1600(4-20)T 1.4T = MPa =0.7MPa22查得過盈配合引起的有效應(yīng)力集中系數(shù)K.=2.6L.89。又 = 0.81、e/0.7& PH。、,。=。2 中=0.1。S；二300267.8 0.2 0= 31.2(4-21)1.0 0.811551.890

57、.7 0.1 0.71.0 0.76= 85.6(4-22)Sc2S231.2 85.6 :29.3-31.22 85.62(4-23)顯然S aa S】，故b-b截面右側(cè)安全。c.b b截面左側(cè)WT U0.2d3 -0.2 203mm3 -1600mm3b b截面左右側(cè)的彎矩、扭矩相同。彎曲應(yīng)力Mb W6261 mMPa =3 9MPa1600(4-19)= 3.9MPa切應(yīng)力WT222 M P 41 4M P a 1600(4-20)D-dt 1.41=M P a 0.7M P a22=2 -r- 0 . 02查得圓角引起的有效應(yīng)力集中系數(shù)Ko=1.4& Kt = 1.36,查得絕對(duì)尺寸系

58、數(shù)42畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)名仃=0.8& %=0.78。又 P=1.0、中仃= 0.2、中工= 0.1。則3001.48= 43.2(4-21)1.0 0.833.9 0.2 0二 a mS.=1.361.0 0.78155二 120(4-22)0.7 0.1 0.7S；:SS 二2s 2120 43.22_ _ 2,12043.2= 40.6(4-23)顯然SS，故bb截面左側(cè)安全。以上計(jì)算表明：軸的彎扭合成強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度是足夠的九、軸承的校核（一）高速級(jí)軸的軸承的校核初步選滾動(dòng)軸承：因軸承受有徑向力和軸向力作用，選用深溝 球軸承ch-w=40mm選取0組

59、游隙，標(biāo)準(zhǔn)的深溝球軸承 6208-2Z, 基本尺寸 d*D*T=40*80*18mm 3.1、軸承的受力分析43畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）纜索檢測(cè)機(jī)器人-爬行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)FrFtFhIF H2FviF V2垂直面內(nèi)軸的受力水平面內(nèi)的受力齒輪減速器高速級(jí)傳遞的轉(zhuǎn)矩：= 1984N.MM軸承的垂直面的支座反力分別為：Fvi = 4.59N; Fv2 = 29.39N;所處軸承的水平面的支座反力分別為Fhi=57.60N; Fh2 =35.75N;根據(jù)受力分析及實(shí)際情況，選擇深溝球軸承。軸承型號(hào)為：6208-2Z2、軸承受徑向力分析軸承輕微沖擊或無沖擊，查表13-6得沖擊載荷系數(shù)：力二12軸承 A 受的徑向力 Fr1=vFH12 + Fv12 = v57.602 + 4.952 = 57.81N；軸承 B 受的徑向力：Fr2 =Fh22+Fv22 = J29.392+35.752 =57.81N;3、軸承壽命計(jì)算與校核因：PiP2,則按軸承B來計(jì)算軸承壽命。106