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高空作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì).rar
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摘 要
在一切追求人性化的今天，越來越多繁重、危險(xiǎn)和高難度的工作，開始采用機(jī)器人（包括機(jī)械手）來代替人類完成。裸高壓導(dǎo)線輸電線路的高空接線工作，一直是困擾高空作業(yè)人員的棘手問題，由于其危險(xiǎn)性極大，作業(yè)條件艱難，僅靠人力很難做到，所以都是借助高空作業(yè)車的幫助來實(shí)現(xiàn)的。近年來，越來越多的人致力于多自由度的高空全自動(dòng)繞線裝置的研究，試圖找到一種簡便、經(jīng)濟(jì)、安全、有效的方法，來解決這一難題。因此，無攀爬式全自動(dòng)高空接線機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，該機(jī)器人通過實(shí)現(xiàn)高空握持導(dǎo)線、不規(guī)則的圓周繞線運(yùn)動(dòng)和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)等動(dòng)作，來完成繞線任務(wù)。通過對各種方案的對比，決定采用斜齒輪傳動(dòng)繞線，螺旋傳動(dòng)進(jìn)給來實(shí)現(xiàn)主要功能。
本設(shè)計(jì)構(gòu)思新穎，而且具有結(jié)構(gòu)輕便、經(jīng)濟(jì)適用、效率高、安全等顯著優(yōu)勢，順應(yīng)時(shí)代發(fā)展方向，具有很高的可行性，適用于各種工作場合。
關(guān)鍵詞：無攀爬式；自動(dòng)繞線；斜齒輪傳動(dòng)；進(jìn)給；螺旋傳動(dòng)
ABSTRACT
In this information era, more and more heavy, dangerous and difficult works are being done by robot, manipulator included. The connection of bare high-tension wire has always been troubled steeplejacks. It’s extremely dangerous, and the work condition is hard, so people have to get help from the aloft working car. In recent years, more and more people are concentrated on development of device of full-automatic high altitude wiring. They try to find a convenient, economical, safely and efficient program to solve this problem. Then the no climbing full-automatic high altitude wiring robot comes out. It accomplishes its task by holding wires in high attitude, coiling in circle irregularly and transverse feed. Through the comparison of several programs, the helical gearing and screw driven are used to wiring and feed, respectively.
This design has a novel idea, and it has advantage of light structure, economic and applicable, efficient and safely. It complies with the development of era and can work in any conditions.
Key words: no climbing; full-automatic wiring; helical gearing; feed; screw driven
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題研究背景 1
1.2 課題研究目的和意義 1
1.2.1 課題研究目的 1
1.2.2 課題研究意義 1
1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.4 發(fā)展前景展望 4
第2章 總體方案確定 5
2.1 齒輪齒條繞線機(jī)構(gòu) 5
2.2 內(nèi)嚙合齒輪繞線機(jī)構(gòu) 6
2.3 斜齒輪嚙合繞線機(jī)構(gòu) 6
2.4 本章小結(jié) 7
第3章 參數(shù)的確定及電機(jī)的選擇 8
3.1 繞線機(jī)構(gòu)參數(shù)的確定 8
3.2 進(jìn)給機(jī)構(gòu)參數(shù)的確定 11
3.3 抓線和導(dǎo)線握持機(jī)構(gòu)參數(shù)的確定 13
3.3.1 抓線機(jī)構(gòu)參數(shù)確定 13
3.3.2 導(dǎo)線握持機(jī)構(gòu)參數(shù)的確定 15
3.4 電機(jī)的選擇 16
3.4.1 進(jìn)給機(jī)構(gòu)電機(jī)的選擇 16
3.4.2 握持機(jī)構(gòu)電機(jī)的選擇 17
3.5 本章小結(jié) 18
第4章 繞線機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
4.1 繞線機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
4.2 進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20
4.3 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20
4.4 本章小結(jié) 22
第5章 抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 24
5.1 抓線機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24
5.2 導(dǎo)線握持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24
5.3 本章小結(jié) 25
第6章 實(shí)體機(jī)構(gòu)裝配 26
6.1 實(shí)體機(jī)構(gòu)裝配 26
6.2 本章小結(jié) 29
結(jié)論 30
參考文獻(xiàn) 31
致謝 32
第1章 緒 論
1.1 課題研究背景
裸高壓導(dǎo)線輸電線路的備用導(dǎo)線高空接線，其繞線軌跡不規(guī)范、轉(zhuǎn)自線圈的線徑粗、折彎力較大、折彎運(yùn)動(dòng)空間受限等，給高空接線增加了難度，而多自由度的高空全自動(dòng)繞線裝置的研究是高空接線中亟待解決的瓶頸問題。而且高空繞線工作危險(xiǎn)大、難度高，需借助高空作業(yè)車的幫助來完成，并且對工作環(huán)境的要求較高，在惡劣環(huán)境條件下無法正常工作，由于種種因素的限制，裸高壓導(dǎo)線輸電線路的備用導(dǎo)線高空接線工作一直困擾著人們。無攀爬式全自動(dòng)高空接線機(jī)器人的應(yīng)運(yùn)而生，能夠代替工人進(jìn)行操作，避免了工作中潛在的各種危險(xiǎn)，同時(shí)能夠提高工作效率，并且減少了高壓輸電線路的電流損耗。
1.2 課題研究目的和意義
1.2.1 課題研究目的
針對傳統(tǒng)接線工作中存在的各種弊端，無攀爬式全自動(dòng)高空接線機(jī)器人出現(xiàn)了，它是為實(shí)現(xiàn)無攀爬式全自動(dòng)高空接線而設(shè)計(jì)的機(jī)器人裝置。裸高壓導(dǎo)線輸電線路的備用導(dǎo)線高空接線，其繞線軌跡不規(guī)范、轉(zhuǎn)子線圈的線徑粗、折彎力較大、折彎運(yùn)動(dòng)空間受限等，給高空接線增加了難度，而多自由度的高空全自動(dòng)繞線裝置的研究是高空接線中亟待解決的瓶頸問題。本課題根據(jù)仿生學(xué)和機(jī)器人學(xué)的原理，運(yùn)用常用的機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其組合，實(shí)現(xiàn)高空握持導(dǎo)線、不規(guī)則的圓周繞線運(yùn)動(dòng)和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的全新自動(dòng)繞線機(jī)器人的研究。
1.2.2 課題研究意義
在一切智慧化、人性化、高效率化的今天，越來越多的機(jī)器人代替人進(jìn)行繁重、危險(xiǎn)的勞動(dòng)，在一很多高度危險(xiǎn)和繁重的工作中，都采用了機(jī)器人，它們的高效率和幾乎為零的風(fēng)險(xiǎn)是人類無法與之相比的優(yōu)勢。機(jī)器人技術(shù)的采用顯著減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作負(fù)擔(dān)，大大改善了勞動(dòng)條件，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平。在高空裸導(dǎo)線的接線中，以前都需要操作人員攀高接線，勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性不可靠；而無攀爬式全自動(dòng)高空接線機(jī)器人能夠代替工人進(jìn)行高空作業(yè)，避免了工作中潛在的各種危險(xiǎn)，同時(shí)提高了工作效率，并且減少了高壓輸電線路的電流損耗，也為低碳經(jīng)濟(jì)提供了一個(gè)新的探索方案。該設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)實(shí)用性高，具有光明的發(fā)展前景。
本設(shè)計(jì)是主要實(shí)現(xiàn)高空握持導(dǎo)線、不規(guī)則的圓周繞線運(yùn)動(dòng)和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的全新自動(dòng)繞線裝置具體設(shè)計(jì)要求如下：
導(dǎo)線直徑： 10mm
繞線直徑：2 mm
繞線材料： 鋁
導(dǎo)線高度：20m
整機(jī)重量：7.5kg
完成繞線時(shí)間：1分鐘左右
要求經(jīng)濟(jì)適用，效率高。
1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
本課題設(shè)計(jì)的無攀爬式全自動(dòng)高空接線機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)高空握持導(dǎo)線、不規(guī)則的圓周繞線運(yùn)動(dòng)和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其主要結(jié)構(gòu)有：導(dǎo)線握持機(jī)構(gòu)和繞線機(jī)構(gòu)。
導(dǎo)線握持機(jī)構(gòu)采用機(jī)械手。機(jī)械手是在早期出現(xiàn)的古代機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，機(jī)械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問世以來，計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。同時(shí)，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展，又為機(jī)器人和機(jī)械手控制系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國于1947年開發(fā)了遙控機(jī)械手控制系統(tǒng)和遙控機(jī)械手，1948年又開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手控制系統(tǒng)和機(jī)械手。
機(jī)械手控制系統(tǒng)首先是從美國開始研制的。1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請了專利。該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人控制系統(tǒng)。現(xiàn)有的機(jī)器人控制系統(tǒng)差不多都采用這種控制方式。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手鉚接機(jī)器人控制系統(tǒng)。作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機(jī)器人和相關(guān)控制系統(tǒng)主要由類似人的手和臂組成它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
機(jī)械手控制系統(tǒng)經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：機(jī)械手完成放射源轉(zhuǎn)運(yùn)年代、化工產(chǎn)品垛機(jī)械手年代、工業(yè)用機(jī)械手興起和發(fā)展年代。隨著汽車行業(yè)和塑膠行業(yè)的發(fā)展，西歐、日本、蘇聯(lián)和中國等地域機(jī)械手及其控制系統(tǒng)也開始百花爭艷。尤其注塑機(jī)機(jī)械手，發(fā)展更為迅猛，應(yīng)用非常普遍，其控制系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)趨于成熟和完善。
機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。
20世紀(jì)40年代后期，美國在原子能實(shí)驗(yàn)中，首先采用了機(jī)械手搬運(yùn)放射性材料，人在安全間操縱機(jī)械手進(jìn)行各種操作和實(shí)驗(yàn)。50年代以后機(jī)械手逐步推廣到工業(yè)部門，用于在高溫污染嚴(yán)重的地方取放工件和卸料，也作為機(jī)床的輔助裝置在自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線和加工中心中應(yīng)用，完成上下料和從刀庫中取放刀具并按國定程序更換刀具等。
本設(shè)計(jì)的另一主要功能是繞線，而現(xiàn)今最常見的繞線裝置就是繞線機(jī)。繞線機(jī)，顧名思義是把線狀的物體纏繞到特定的工件上的機(jī)器。歐美繞線機(jī)以其加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定而在國際繞線機(jī)市場上占有重要地位。 歐美繞線機(jī)一般可繞0.01-2mm的線徑，轉(zhuǎn)動(dòng)誤差極小。繞線機(jī)用精密微機(jī)控制，以程序控制操作，這些程序極易掌握，人機(jī)對話簡單，即使工作人員并無繞線工作的經(jīng)驗(yàn)也可應(yīng)付自如。目前歐洲生產(chǎn)的繞線機(jī)已經(jīng)趨于自動(dòng)化，而美國的繞線機(jī)介于自動(dòng)和半自動(dòng)之間，德國制造的外形比較美觀，零件比較講究，但是造價(jià)高。隨著國際繞線機(jī)市場的蓬勃發(fā)展，相互間的競爭越來越激烈，各國的廠家都必須開發(fā)出新一代的繞線機(jī)。現(xiàn)在主要是趨向自動(dòng)化的發(fā)展方向。
全自動(dòng)繞線機(jī)是近幾年才發(fā)展起來的新機(jī)種，為了適應(yīng)高效率、高產(chǎn)量的要求，全自動(dòng)機(jī)種一般都采用多頭聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，國內(nèi)的生產(chǎn)廠家大多都是參照了臺(tái)灣等地的進(jìn)口機(jī)型的設(shè)計(jì)，采用可編程控制器作為設(shè)備的控制核心，配合機(jī)械手、氣動(dòng)控制元件和執(zhí)行附件來完成自動(dòng)排線、自動(dòng)纏腳、自動(dòng)剪線、自動(dòng)裝卸骨架等功能，這種機(jī)型的生產(chǎn)效率極高，大大的降低了對人工的依賴，一個(gè)操作員工可以同時(shí)照看幾臺(tái)這樣的設(shè)備，生產(chǎn)品質(zhì)比較穩(wěn)定，非常適合產(chǎn)量要求高的加工場合。這種機(jī)型由于集成了數(shù)控、氣動(dòng)、光控許多的新技術(shù)，所以價(jià)格小則幾萬元高則十幾萬元，價(jià)格也使得許多的用戶望而嘆步，另外由于功能要求決定了該設(shè)備的零部件采用了大量非標(biāo)準(zhǔn)件和定制件，所以一旦出現(xiàn)故障相對的維修過程將會(huì)很復(fù)雜，周期也會(huì)比較長。
能夠?qū)崿F(xiàn)繞線功能的機(jī)構(gòu)還有很多，例如齒輪齒條、齒輪傳動(dòng)、槽輪機(jī)構(gòu)等，只要能實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)繞線功能。工作原理：槽輪是由圓銷的主動(dòng)撥盤和具有若干徑向槽輪及機(jī)架組成。當(dāng)撥盤作等速連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，槽輪做反向或同向的單向間歇運(yùn)動(dòng)，在圓銷未進(jìn)入槽輪徑向時(shí)，槽輪上的內(nèi)凹鎖住撥銷，槽輪被主動(dòng)撥盤的外凹鎖住弧卡住，使槽輪停歇在確定的位置上不動(dòng)。當(dāng)撥盤上撥銷進(jìn)入槽輪徑向槽時(shí)，鎖住弧松開，撥銷驅(qū)動(dòng)槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，循環(huán)往復(fù)，時(shí)停時(shí)動(dòng)，因此，槽輪機(jī)構(gòu)是一種間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。應(yīng)用示例：機(jī)床自動(dòng)轉(zhuǎn)為機(jī)構(gòu)，電影放映機(jī)卷片等。當(dāng)放映卷片時(shí)，膠片上的畫面依次在方框中停留，以適應(yīng)人眼的視覺停留現(xiàn)象。槽輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，易加工，工作可靠，轉(zhuǎn)角準(zhǔn)確，機(jī)械效率高。但是其動(dòng)程不可調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)角不能太小，槽輪在起停時(shí)的角速度大，有沖擊，并隨著轉(zhuǎn)速的增加或槽輪數(shù)的減少而加劇，故不宜用于高速場合。對于本設(shè)計(jì)的繞線部分，齒輪傳動(dòng)是首選。
1.4 發(fā)展前景展望
無攀爬式全自動(dòng)高空接線機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)：
(1)經(jīng)濟(jì)性：現(xiàn)在使用的高空作業(yè)車格價(jià)一般為幾百萬不等，經(jīng)濟(jì)性低，需要使用者的經(jīng)濟(jì)承受能力很強(qiáng)；而無攀爬式全自動(dòng)高空接線機(jī)器人的價(jià)格在幾千元左右，與前者相比，優(yōu)越性一目了然。
(2)安全性：高空作業(yè)安全一直是我國的重中之重，而本設(shè)計(jì)可避免這一問題，安全性高。
(3)效率高：無攀爬式全自動(dòng)高空接線機(jī)器人在繞線過程中的時(shí)間約為1分鐘，而整個(gè)過程約為2分鐘，與較傳統(tǒng)的方法相比較，工作效率大大提高。
(4)適用范圍廣：在何種環(huán)境均可工作，對工作條件沒有特別高的要求，實(shí)用性強(qiáng)。
鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，無攀爬式全自動(dòng)高空接線機(jī)器人具有很高的可行性，發(fā)展前景廣闊。
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