除冰机器人机构、控制设计【输电线路实施除冰是防止冰灾】【含图纸】

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张家梁等.气动管外爬升机构的研究j.机械工程师，1997，7：7-8.8 周成武，董继先.气动爬缆机械手的研究和设计j.陕西科技大学学报，2004，22：60-62.9 毕道钦等.气动蠕动式管外爬行机器人的设计与实现j.机械制造，2005，3：38-40.10 张家梁等.管外摩擦轮自爬升机构的研究j.现代机械，1999，3：32-33.毕业设计应完成的主要工作：1.毕业设计任务书2.毕业设计开题报告3.毕业设计文献综述4.毕业设计的翻译文章及外文原文5.毕业论文6.相关图纸毕业设计进度安排：序号毕业设计各阶段内容时间安排备注1查阅资料并撰写毕业设计开题报告2011.12.10-2011.12.202指导教师审核开题报告,学生根据指导老师意见做进一步修改2011.12.21-2011.12.223系里组织开开题报告会2011.12.21-2011.12.224由指导老师指导查阅资料，并翻译外文资料2012.12.23-2011.12.315撰写文献综述，经指导老师审阅后着手毕业论文的写作2012.01.01-2012.01.206开始编写毕业设计工作计划，进入毕业设计的撰写2012.01.21-2012.03.067整改论文2012.04.29-2012.04.308毕业设计答辩2012.05.05-2012.05.19课题信息：课题性质： 设计 论文 课题来源： 教学 科研 生产 其它发出任务书日期： 2011.12.6 指导教师签名： 年 月 日教研室意见：教研室主任签名：年 月 日 学生签名：中国地质大学长城学院毕业设计（论文）开题报告学生姓名李佰君学号05208338专业班级08机制三班指导教师杨义勇职称教授单 位中国地质大学课题性质设计 论文课题来源科研 教学 生产 其它毕业设计（论文）题目 除冰机器人机构、控制设计研究的目的及其意义随着现代科学技术的发展，机器人越来越广泛地应用在各行各业中。机器人的研究与应用水平己经成为一个国家经济实力和科技发展水平的重要标志。我国自1987年实施国家“863“高技术研究发展计划以来，就把智能机器人研究确立为自动化领域的主体之一。目前，开发输电线路机器人代替人工作业以提高除冰效率和维护人员安全以成为国内外研究的热点。然而在机器人研究领域并未出现与输电铁塔检测相关的成熟方案，落后的人工检测杆塔方法不仅危险性高，而且缺乏准确度，无法完全排除安全隐患。因此提出一款用于输电铁塔检测的机器人代替人工作业，以提高其工作效率，安全性和准确性就具有较好的应用前景和实用意义。本论文因此讨论一种安全有效的输电铁塔攀爬机构用于该类机器人的研究。国家电网的快速建设，超高压大容量输电线路的应用也越来多，然而电网线路所覆盖的地理环境极为复杂，常常经过人迹罕至的崇山峻岭，这就给输电线路维护上造成了很大的困难。特别是在寒冬腊月的时候，输电铁塔和输电线路往往出现结冰现象，极易发生输电铁塔倒塌和输电线路断裂，给国家电力系统带来极其严重的破坏，导致全国各地不同程度的大范围长时间的停电，严重影响人们的日常生活和企业的正常安全生产，直接或间接的给国家和人民带来无法估量的损失。目前已有各种类型的输电线路除冰机器人出现，用于除去高压输电线上覆盖的积冰，避免输电线路发生断裂。然而，无论是人工除冰还是机器人除冰都需要由电力人员爬上输电铁塔进行操作。因此输电铁塔在寒冷严酷的环境下是否出现了裂纹等安全隐患就关系到了维护人员和设备的安全问题。另外若输电铁塔出现隐患对于电网系统也是一个严重的威胁。基于上述情况，就有必要设计一款针对于输电铁塔的检测机器人用于输电铁塔的安全检测维护，以解决人工上塔探伤时危险性高、准确性低、劳动强度大、工作效率低的问题。从而确保人员和设备安全，保证电网安全，在灾害下挽救更多的国家财产，最大程度的减少损失。因此本论文在已发明的壁面攀爬检测机器人的基础上，提出一种用于输电铁塔检测的机器人代替人工作业，以提高其工作效率，安全性和准确性。研究现状 目前，研究开发输电线路检测、除冰机器人已经成为了热点。国外发达国家相对来说起步较早，例如在20世纪80年代末,日本、美国、加拿大等发达国家先后开展了高压输电线路巡检机器人的研究工作。然而针对输电铁塔的检测机器人研究并不成熟。但国外的壁面攀爬机器人发展技术相对成熟，一些壁面攀爬机器人已应用在清洁窗户和墙面或用于检测侦查。 如：1990年东京工业大学的広瀬茂男领导的研究小组在4足步行机器人的基础上开发NINJA系列4足壁面移动机器人。其中NINJA-II实现了地面至壁面、壁面至天花板、壁面至相邻壁面的移动过程，并对壁面移动机器人的特有步态壁面步态（Wall Gait）和控制方法进行深入研究。其后，该研究小组于1996年又开发了适应高速公路路基大角度护坡作业的移动机器人TITAN VII，该机器人不仅实现了在土质护坡上行走的目标，还可完成打孔作业。上述步行式结构的壁面移动机器人具有越障能力强的特点，易于实现复杂的多组合面转换功能，但控制比较复杂。国内的机器人技术起步于上世纪80年代，技术水平较发达国家相对落后，在国家“863”高技术计划的支持下，国内的机器人发展技术较快。哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、上海交通大学在壁面移动机器人这一领域处于国内领先地位，许多科研单位也相继推出了各自的壁面清洗机器人。针对我国核工业发展的需要，哈尔滨工业大学机器人研究所自行设计并研制我国的第一台用于检查核废液储罐壁厚及焊缝的壁面爬行式遥控检查机器人，填补了国内的空白。随后，哈尔滨工业大学又相继研制出单吸盘真空吸附车轮行走式壁面攀爬机器人从国内外目前的研究成果来看，一般来说壁面移动机器人，不管其应用领域是什么，执行什么任务，都必须具有两个基本功能：壁面静态定位功能和移动功能。因此可以按照这两大基本功能进行分类。按吸附功能分，主要分为真空吸附、磁吸附两类。真空吸附的承载能力受真空发生装置所能达到的真空度和壁面环境的影响，通常承载能力不大。磁吸附法要求壁面必须是导磁材料，如钢铁表面等。这类机器人结构简单，吸附力远大于真空吸附。如推力式，仿壁虎足掌吸附等等，其中仿壁虎足是通过分子间的作用力来吸附的，能够不受壁面材料和表面状况的影响，代表了今后壁面移动机器人发展的方向，但目前仅处于初步研究阶段，离实用还有很长一段的距离。按运动方式分，可以分为连续移动和交替移动两大类。连续移动类机器人又可分为轮式和履带式两类。共同特点是使用轮子行走和转向，运动连续，移动速度快。缺点是一般需要在平面上行走，越障能力不强，不能实现壁面过渡，与真空吸附配合使用时，由于吸盘跟着一起运动，存在泄漏，因而负载能力有限。履带式更是结构复杂，转向不如轮式灵活。交替移动类机器人通常有两个或者多个吸盘，分为两组，一组吸附于壁面，另一组向行进方向移动一段距离然后吸附，再让前一组脱离吸附，往前移动。如此交替进行。其特点是越障能力比较强，负载能力也比较大。但移动速度缓慢。足式机器人，框架式机器人等均属于此类。其中足式机器人的腿从两条到八条甚至更多，每条腿都有多个自由度，因而需要很多的电机等驱动机，结构复杂，控制难度大。吸附方式与运动方式组合，可得各种机器人，如单吸盘轮式壁面机器人，足式磁吸附机器人等，需根据不同的使用场合选用吸附和移动方式。研究内容：第一：设计除冰机器人的控制系统。第二：除冰机器人在线缆上行走的运动形式和动力装置。第三：模拟除冰机器人的运动仿真。第四：除冰的机构在不同的冰层使整体除冰的效果保证最好。研究方案：基于冰层强度和温度的特殊环境下工作问题的考虑，在设计中应该选择合适的材料，这种材料不但具有较好的强度和刚度，更重要的是，能在较冷的环境下能稳定的工作而不至于是刀具损坏，从而达到较好的除冰效果，延长刀具的使用寿命，且具有较高的除冰效率。整体结构的设计也要尽量考虑合理安排动力的分配情况，在保证最好的除冰效果下，减少能量损失。同时要考虑机器本身对线缆造成的负担。要选取合适的装置功率，更加有效的提高除冰效率效率，而不至于使线缆因机器自身重量过大而造成破坏。在设计传动装置时也要对其功率和传动比进行校核。进度安排：2011年12月21日-31日，在指导教师指导下查阅资料，结合毕业设计课题进行外文资料阅读，并翻译外文资料；2012年1月1日-1月20日，向指导教师汇报开发设计进展、文献阅读情况，并撰写文献综述。完成文献综述、外文翻译的指导工作，将文献综述和外文翻译定稿交与指导老师。经指导教师审阅通过后着手毕业设计的绘图及设计说明的写作。2012年1月21日-3月6日，开始编写毕业设计工作计划，进入毕业设计的撰写阶段。在假期内利用电子邮件等方式与指导教师沟通，修改计划和设计，指导教师填写“指导记录表”。进入毕业设计绘图、实验、实习等阶段。2012年3月8日前，接受学院、系对开题报告、文献综述、外文译文的随机抽查。提交毕业设计工作计划，经指导教师审阅同意后实施。2012年3月9日3月31日，完成毕业设计雏形，并定期向指导教师汇报进度，听取指导教师的意见和指导。2012年4月1日4月15日，进入中期检查阶段，根据检查情况，填写“中期检查表”。2012年4月17日前，根据中国地质大学长城学院毕业设计（论文）撰写规范完成毕业设计的写作。参考文献：1 王肖然. 供电线路快速除冰方案J . 发明与创新, 2008年6月。.2 李海，张吉等 .架空高压输电线除冰机器人设计J . 中国科技信息，2010年第19期。3 王超，魏世明，廖启征. 高压输电线上除冰机器人的系统设计J .机械工程与自动化，2010年2月。4 缪思怡，孙炜，张海霞. 基于小波矩的高压输电线路除冰机器人障碍智能视觉识别方法J ，机器人，2010年5月5 许冯平.关节式管外行走机器人运动学研究j.机械传动，2005，6（29）：22-24.6 张家梁等.气动蠕动式缆索维护机器人的研制j.机器人，2000，9：397-401.7 张家梁等.气动管外爬升机构的研究j.机械工程师，1997，7：7-8.8 周成武，董继先.气动爬缆机械手的研究和设计j.陕西科技大学学报，2004，22：60-62.9 毕道钦等.气动蠕动式管外爬行机器人的设计与实现j.机械制造，2005，3：38-40.10 张家梁等.管外摩擦轮自爬升机构的研究j.现代机械，1999，3：32-33.指导教师意见：指导教师签名：年 月 日教研室意见：审查结果： 同 意 不 同 意教研室主任签名：年 月 日中国地质大学长城学院本科毕业设计（论文）文献综述系 别： 工程技术系 专 业：机械设计制造及其自动化姓 名： 李佰君 学 号： 05208338 2012年5月1日1 机械手研究的意义随着现代科学技术的发展，机械手的应用也越来越广泛。在机械工业中，大量应用于铸、锻、焊、冲、热处理、机械加工以及装配等工种。在其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工种中也均有应用。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：(1)可以提高生产过程的自动化程度。应用机械手有利于在自动生产线中实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换、以及机器的装配等的自动化程度，从而提高劳动生产率，降低生产成本。(2)可以改善劳动条件，避免人身事故。在高温、高压、低温、低压、噪声、臭味、有放射性物质的环境场合，用人手直接操作是很危险的甚至是不可能的。而应用机械手即可部分或者全部代替人完成作业，使劳动条件得以改善。(3)可以减少人力，并便于有节奏的生产。应用机械手代替人手进行作业，这是直接减少人力的一个侧面，同时应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一方面。因此，在自动化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的生产。(4)用液压系统来控制机械手，比一般的机械控制具有更好的稳定性，并且控制的精确度更高。(5)运用机械手可以实现连续的生产，而大大提高在生产线的工作的时间，从而能大幅提高劳动的生产率。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势2 国内外发展现状专用机械手经过几十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时代。通用机械手可以应用于更加多的场合，从而节约了不少的开发以及设计的成本。由于通用机械手的发展，进而促进了智能机器人的研制。通用机械手涉及的内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用了一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学等，因此它是一项综合性较强的技术。目前国内外对发展这一技术都很重视。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种在不断的增加，应用领域在不断的扩大。虽然在这方面相对于发达国家还有点落后，但是国内现在也越来越感觉到机械手的重要性，国家大力支持相关的设计及产品的开发。在机器人的发展以及机械手的设计上也取得了一定的成果，国内每年都将举行机器人大赛，以增加研发单位的交流与合作。(1)研制有更多自由度的液压机械手，这样机械手就可以变得更加的灵活，从而完成更加多的动作。(2)研制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。(3)研制维修维护方便的通用机械手。(4)研制能自动编制和自动改变程序的通用机械手。(5)研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。这种机械手具有各种传感装置，并配有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当其大脑，使它进行思考和记忆。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答，用热电偶和电阻应变仪作为触觉和感触。用滚轮或者双足式机构脚来实现自动移位。这样的智能机械手可以由人的特殊语言对其下达命令，布置任务，使自动化生产线成为智能化生产线。(6)机械手的外观达到美观的要求，尽量用最简单的结构和设备能完成更加多的动作(7)研制具有柔性系统的通用机械手目前，在国外广泛应用的再现式通用机械手，虽然一般也都有记忆装置，但其程序都是预先编好的，或由人在工作之前领动一次，而后机械手可以按领动的工作内容正确进行再现动作。如果把这种再现式通用机械手称为第二代机械手的话，那么现在处于研制阶段的智能机械手就是第三代了。现在研究的机械手正在朝着一种可以存储大量的程序的并且可以改变并重新写入程序的方向发展，而且机械手具有比原来的更多的自由度。现在国内具有越来越强的自主研发的单位，我相信在不久的将来，我国一定能够赶上并将且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面处于领先地位。3夹持式手部结构夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。(一)具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(二)手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(三)保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。(五)应考虑被抓取对象的要求(1)抓取形状 手指形状应根据工件形状而设计。如工件为圆柱形则采用“V”形手指；圆球状工件用圆弧形三指手指，方料用平面形手指，细丝工件用尖指勾形或细齿钳爪手指。总之应根据工件形状来选定手指形状。(2)抓取部位 抓取部位的尺寸尽可能是不变的若加工后尺寸有变化，手指应能适应尺寸变化的要求，否则不允许定为抓取部位。对于工件表面质量要求高的，抓取时尽量避开高质量表面或在手指上加软质垫片(如橡皮抱沫塑料石棉衬垫等)，以防夹持时损坏工件。(3)抓取数量 若用一对手指抓取多个工件，为了不发生个别工件的松动或脱落现象，在手指上可增加弹性衬垫，如橡皮、泡沫、塑料等 ，对于较长工件可采用双指或多指抓取。(六)应考虑手指的多用性手指是专用性较强的部件，为适应小批量多品种工件的不同形状和尺寸的要求，可制成组合式的手指，对于这种手指要求结构简单，安装维修方便，更换迅速和准确，以便扩大机械手的使用范围。4 控制系统机器人手的控制系统决定哪些潜在的灵巧技能能够被实际利用，这些技能都是由机械系统所提供的。如前所述，控制系统可分为控制计算机即硬件和控制算法即软件。控制系统必须满足以下几个的条件：必须要有足够的输入输出端口。例如，一具有9 个自由度的低级手，其驱动器至少需要9 路模拟输出端口，且要有9 路从角度编码器的输入端口。如再加上每个手指上的力传感器、触觉传感器及物体状态传感器的话，则端口数量将增加几倍。需具备对外部事件快速实时反应的能力。例如，当检测到物体滑落时，能立即采取相应的措施。需具备较高的计算能力以应对一些不同的任务。如可以对多指及物体并执行路径规划、坐标转换及闭环控制系统等任务。控制系统的体积要小，以便能够将其直接集成到操作系统当中。在控制系统与驱动器及传感器之间必须要电气短接。特别是对传感器来说，若没有的话，很多的干扰信号将会干扰传感器信号。为了应对系统的要求，控制硬件一般分布在几个专门的处理器中。如可通过一个简单的微控制器处理很低端的输入输出接口（马达和传感器），因此控制器尺寸很小，能轻易地集成到操作系统中。但是较高水平的控制端口则需要较高的计算能力，且需要一个灵活实时操作系统的支持。这可以通过PC 机轻易地解决。因此，控制硬件常有一个非均匀的分布式计算机系统组成，它的一端是微控制器，而另一端则是一个功能强大的处理器。不同的计算单元则通过一个通信系统连接起来，比如总线系统。机器人手的控制软件是相当复杂的。必须要对手指进行实时及平行控制，同时还要计划手指和物体的新的轨迹。因此，为了减少问题的复杂性，就有必要将此问题分成几个子问题来处理。另一方面涉及软件的开发。机器人手其实是一个研究项目，它的编程环境如用户界面，编程工具和调试设施都必须十分强大和灵活。这些只能使用一个标准的操作系统才能得到满足。在机械人中普遍使用的分层控制系统方法都经过了修剪，以满足机械手的特殊控制要求。参考文献：1 张屹，邵威，高虹亮，罗成. 高压输电线路除冰机器人的机构设计J.三学大学学报，2008.12，Vol.30 No.6：P69-72.2 高虹亮，孟遂民，罗成，马小强.架空输电线路除冰机器人的结构设计J.电力建设，2009.3，Vol.30 No.3：P93-96.3 甘辰予，陈劲生.LEGO 智能除冰机器人的设计J.大众科技，2009.10，No.10.4 蒋正龙，陆佳政，雷红才，黄福勇. 湖南2008年冰灾引起的倒塔原因分析J.高电压技术，2008.11， Vol.34 No.11：P2468-2474.5 吴功平，肖晓晖，肖华，戴锦春，鲍务均，胡杰. 架空高压输电线路巡线机器人样机研制J.电力系 统自动化，2006.7.10，Vol.30 No.13：P90-107.6 张运楚，梁自泽，谭民. 架空电力线路巡线机器人的研究综述J.机器人， 2004.9，Vol.26 No.5:P467-473.7 许源 刘人玮 李军. 湖南电网防冻融冰体系改革之探讨J.2003,Vol.23 No.5:P24-27.8 李红旗，陈志高，于钦刚，李翔，陈懿夫. 输电线路机械除冰技术研究J.自然灾害对电力设施的影 响与应对研讨会2008.5,Vol.23 No.5:P24-279 李宁，周羽生，邝江华，彭琢. 输电线路除冰技术的研究J. 防灾科技学院学报,2008.9, V0110 No 3:P33-37.10 Serge Jourden. Deleer Installation at Lrvis Substation on Hydro Qurbecs High Voltage SystemJ.SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY，20099，Vol.3 No.1：P1-6.11 濮良贵，纪名刚. 机械设计M. 北京:高等教育出版社，2002. 12 张红先，李波，方针. 2008年湖南电网冰灾中技术措施的应用效果分析J. 湖南电力,2008,Vol.3 No.3:P10-1613 周良德，朱泗芳. 现代工程图学M. 湖南科学技术出版社，2002.14 濮良贵 ,纪明刚. 机械设计M. 北京：高等教育出版社，2006.15 杜蕴莹，邢军，王澄，叶勇，严行健. 南方覆冰灾害造成输电线路倒塔原16 李庆峰，苑峥，吴 穹，高剑，宿志一，周文俊. 全国输电线路覆冰情况调研及事故分析J. 电网技术，2008.5,Vol.32 No.9:P33-36.17 陆佳政。张红先，李波，方针. 2008年湖南电网冰灾中技术措施的应用效果分析J. 湖南电力， 2008,Vol.28 No.3:P10-16.18 何清，阮羚. 输电线路除(融)冰新技术分析及实施可行性研究J. 湖北电力2008.4, Vol.32 No.2:P42-44.19 马一民,白雪松. 浅谈输电线路除冰方法，R.报告地:北京，报告会主办单位：国网北京电力建设 研究院，2008.5.20 许树楷，赵杰. 电网冰灾案例及抗冰融冰技术综述J. 南方电网技 2008.4, Vol.2 No.2:P1-6.6除冰机器人的设计 摘 要 如今对输电线路实施除冰是防止冰灾的有效途径，如何具体的除冰方法则应用了除 冰机器人，除冰机器人造价低，工作效率高，安全可靠，能够实现在线除冰作业，不影 响电力的输送，是一项很有发展前景的课题。目前机器人在高压输电线路上的应用主要 是线路巡检。而对线路除冰的应用还鲜有研究。本文对除冰机器人本体设计、越障规划。 主要研究内容如下。首先，在分析了输电线路结构和除冰作业要求的基础上，指出现有 巡线机器人结构运用到除冰作业中的缺陷，设计了一种除冰机器人本体机构，并对其越 障的动作进行了规划。所选的减速器和电机仍能满足要求，从而证明了除冰机器人的合 理性，为了保证电力系统的可靠性，提高高压输电线除冰的效率，减少损失，维护工人 的安全，开发一种可以替代或部分替代工人进行除冰作业的新型设备一直是国内外相关 研究的热点。因此，研制安全有效的除冰机械以代替人进行导线除冰具有较好的应用前 景和实用意义。 关键词：除冰机器人；机构设计；电动机；越障规划 Abstract Now on the transmission line icing is to prevent the implementation of ice disaster in an effective way, how specific deicing method is applied the deicing robot, deicing robot has the advantages of low cost, high work efficiency, safety and reliability, can realize online deicing operation, does not affect the transmission of electricity, is a promising subject. 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 录 摘 要 .1 1 引言 .1 1.1 问题的提出及研究意义 .1 1.2 国内外研究现状 .1 1.3 工业机器人的发展史 .2 1.4 导线覆冰的原因 .3 2 高压输电线路的覆冰 .4 2.1 不规则覆冰和不同期脱冰 .4 2.2 除冰的方式方法 .4 2.3 输电线路的抗冰 .5 3 除冰机器人机构 .7 3.1 除冰机器人种类 .7 3.1.1 线缆除冰机器人 .7 3.1.2 可跨跃障碍多分裂机器人 .8 3.1.3 电力设施的微波除冰装置 .9 3.2 前端多环铣刀 .9 3.2.1 成型铣刀的结构参数 .10 3.2.2 成型铣刀截面的计算 .13 3.3 机械升降平台 .14 3.3.1 升降平台的机械结构形式 .14 3.3.2 升降平台零件设计 .15 3.4 电机的选择 .17 3.4.1 升降步进电机 .17 3.4.2 回转驱动电机 .19 4 控制系统的设计 .21 4.1 机器人的控制系统 .21 4.2 基于运动卡的控制系统的建立 .22 4.2.1 总体方案的确定 .22 4.2.2 机器人控制工作原理 .23 4.3 软件编程语言的特点 .24 4.4 指令系统 .24 4.5 运动控制程序运行过程的简介 .25 参考文献 .26 致 谢 .27 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 0 1 引言 1.1 问题的提出及研究意义 现如今西南的很多地方出现了连续的低温雨雪冰冻天气，并且遭受了很严重的冰雪 灾害。国家减灾委员会专家已定性为：“西南地区发生的冰雪灾害，是世界上比较大面 积、极端性气候事件，影响的地区人口之多是世界罕见的” 。冰灾造成中心的城区正值春 节期间停电、停水很多天，交通、通讯、电视均出现不同程度的中断，然而有些城市则 成为我国南方冰雪灾害最严重的地区。特别是电力系统遭受毁灭性重创，冰灾引起了倒 塔,现场调查了湖南冰灾期间大于 220kV 输电线路的受损情况，发现倒塔线路覆冰厚度相 对集中，同时微地形和微气象造成覆冰加重和覆冰的不均匀性，档距、塔形等对线路倒 塔也存在影响。分析倒杆断线的形式认为覆冰太厚超过设计值、垂直荷载压垮和不平衡 张力拉垮是造成线路倒塔。专家解说，高压线高高的钢塔在下雪天时，可以承受 2-3 倍的 重量。但如果下雨凇，可能会承受 10-20 倍的电线重量。电线结冰，遇冷收缩，风吹引起 震荡，就使电线不胜重荷而断裂。 随着我国经济的高速发展，超高压大容量输电线很多，线路的穿越情况更加复杂， 如经过大面积的水库、湖泊和崇山峻岭，给线路维护带来很多困难。而且在严冬及初春 季节，我国云贵高原一带及两湖地区常出现雾凇和雨凇现象，造成架空输电线路覆冰， 使线路舞动、闪络、烧伤，甚至断线倒杆，使电网结构遭到破坏，安全运行受到严重威 胁。在紧急情况下，寻道员用带电操作杆或其它类似的绝缘棒只能为很少的一部分覆冰 线路除冰，人工除冰有很高的危险性。所以一种新型的而且方便安全的除冰方式的研究 是迫在眉睫的。本次的设计题目就是关于高压电线的除冰机构的设计，最后能有效的消 除冰雪天气对输电线的严重威胁，从而达到理想的效果。 1.2 国内外研究现状 在国外，一些国家的地理与气候情况与我国相似，甚至一些国家的情况更加恶劣， 为了保证电力系统的可靠性，这些国家为了提高高压输电线除冰的效率，减少不必要的 损失，维护工人的安全，开发了一种可以替代或部分替代工人进行除冰作业的新型设备。 这种新型的设备的研究一直是国内外相关领域的热点。因此，研制安全有效的除冰机械 以代替人为操作进行除冰具有较好的实用意义。 而现如今全球气候正经历以变暖为主要特征的变化，气候变暖导致“厄尔尼诺”和 “拉尼娜”等极端天气气候事件的频率与强度明显增加，因为输电线路所处地质条件复 杂，容易遭受冰灾等极端天气的影响，所以国内外对已多次发生的输电线路冰灾事故进 行了相关的研究。在国内袭击湖南的持续低温、雨雪、冰冻天气过程来临之前，湖南温 度偏高、空气干燥。并且湖南东、南、西部三面环山，向中部、北部过渡为丘陵和平地， 冷空气袭击湖南后，湖南降温迅速，加上湖南北低南高的地势使逆温层得以加强，地势 陡增处南下冷空气因推进受阻而徘徊驻留，随着暖湿气流不断补充，易形成长时间降雨、 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 1 冰冻，形成持续的雨凇。由于降温迅速，湘西高海拔山区和纬度较高的湘北地区地表气 温低，但降水主要集中在湘南、湘中、湘东，且停留时间较长，导致湘南、湘中、湘东 冰冻灾害强于湘北和湘西高海拔山区。湖南电网冰冻灾害是在大尺度天气形势控制下形 成的，拉尼娜现象起到推波助浪的作用，冰冻灾害受损范围与程度具有较强的微地形影 响特征。 1.3工业机器人的发展史 工业机器人的发展通常可规划分为三代： 第一代工业机器人：通常是指目前国际上商品化与使用化的“可编程的工业机器人” ， 又称“示教再现工业机器人” ，即为了让工业机器人完成某项作业，首先由操作者将完成 该作业所需要的各种知识（如运动轨迹、作业条件、作业顺序和作业时间等） ，通过直接 或间接手段，对工业机器人进行“示教” ，工业机器人将这些知识记忆下来后，即可根据 “再现”指令，在一定精度范围内，忠实的重复再现各种被示教的动作。1962 年美国万 能自动化公司的第一台 Unimate 工业机器人在美国通用汽车公司投入使用，标志着第一 代工业机器人的诞生。 第二代工业机器人：通常是指具有某种智能（如触觉、力觉、视觉等）功能的“智 能机器人” 。即有传感器得到触觉、力觉和视觉等信息计算机处理后，控制机器人的操作 机完成相应的适当操作。1982 年美国通用汽车在装配线上为工业机器人装备了视觉系统， 从而宣布了新一代智能工业机器人的问世。 第三代工业机器人：即所谓的“只治式工业机器人” 。它不仅具有感知功能，而且还 有一定的决策及规划能力。第一代工业机器人目前仍处在实验室研究阶段。工业机器人 经历了诞生-成长-成熟期后，已成为制造业中不可缺少的核心装备，世界上有约 75 万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在个条生产线上，特种机器人作为机器人家族的 后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿人机器人、农业机器人、服务机器 人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途发特种机器人纷纷 面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。 但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用水平和国外比还有一定的距离， 如：可靠性低于国外产品；机器人应工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国 外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装 台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应 用户的要求， “一客户，一次重新设计” ，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、 供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的 关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进 程。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 2 1.4导线覆冰的原因 影响导线覆冰因素很多，主要包括：气象条件、地理及地形条件、海拔高度、导线 悬挂高度、导线直径、水滴直径、电场强度等。 按不同的分类方法，导线覆冰类型可分为： （1）按冰的表现特性分为：雨凇、雾凇、混合凇、积雪和白霜等；雨凇是过冷却的 降水碰到温度等于或低于 0的物体表面时所形成玻璃状的透明或无光泽的表面粗糙的冰 覆盖层，其密度较大。雾凇则分为两种：一种是粒状雾凇，即过冷却雾滴碰到冷的物体 后迅速结成粒状小冰块，其结构较为紧密；另一种是晶状雾凇，结构较松散，稍有震动 就有脱落。混合凇是过冷却水滴在导线的迎风面形成的雨凇和雾凇混合冻结的不透明或 半透明覆冰，黏附力较强。积雪为黏附在导线上的自然降雪，也有干、湿之分。干雪和 湿雪的密度较小，粘附力较弱。白霜是由于空气中潮湿的原因所凝结而成的，这对于导 线的威胁不是很大，但会增加输电线路的负载。冻雨覆冰形成的雨凇因密度大、附着力 强，对架空输电线路的危害最大，南方的电力冰灾则主要由该原因造成的。 （2）按冰的形成机理分为：降水覆冰、云中覆冰和升华覆冰。 （3）按冰在导线上的横截面形状分为：圆形或椭圆形覆冰、翼型覆冰和新月形等， 如图 1 所示。按冰在导线表面的增长过程可分为：干增长、湿增长。这种分类利于分析 导线覆冰的形成机理及形成过程中的热平衡及热传递。雾淞和干雪是干增长覆冰过程， 雨淞和湿雪是湿增长覆冰过程，而混合淞是介于二者间的一种覆冰过程。 图 1-1导线覆冰截面图 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 3 2 高压输电线路的覆冰 2.1 不规则覆冰和不同期脱冰 在高压电线路覆冰时，导线因为承受过重的荷载，导致导线和覆冰重量产生的拉力 将通过导线、金具、绝缘子传递给杆塔，杆塔再传递给拉线，只要其中一个环节承受不 住拉力，就将出现倒杆和断线事故。相邻档线路不均匀覆冰或不同期脱冰都会产生张力 差，使导线在线夹内滑动，严重时将使导线外层铝线夹出口处全部断裂，造成线路的另 一侧发生颈缩，拥挤在线夹附近。不均匀覆冰的张力差是静荷载，而不同期脱冰为动荷 载，二者有所不同。其次，直线杆塔承受邻档的张力差，会使绝缘子串产生较大偏移， 碰撞横担而造成损伤。再次，当张力差达到一定程度后，导线将碰撞拉线，从而电气的 间隙将减小而烧断拉线，杆塔因失去拉线支持后倒塌。 还有一种特别的形式极为冰闪，他是污闪的一种特殊形式。在绝缘线路严重覆冰时， 大量伞形冰连接，导致泄漏的距离缩短，绝缘强度降低。在融冰过程中，冰体表面水膜 因溶解污秽中的电解质而形成导电水膜，使得绝缘子串的电压分布发生畸变，在融冰时 期常伴有大雾，使大气中的污秽微粒进一步增加融化冰水导电率，形成冰闪。冰闪的持 续电弧将烧伤绝缘子，绝缘强度降低。最后由于覆冰形状的不对称，改变了导线的空气 动力学特性。当风速达到一定的数值时，导线具有较好的空气动力性能，在风的激励下 产生低频高幅振荡。轻者发生闪络、跳闸，重者发生金具及绝缘子损坏，导线断股、断 线，杆塔倾斜、倒塌等电气事故。 2.2除冰的方式方法 使用机械外力手工或自动强制使覆冰脱落的除冰方法，称为机械除冰方法。研制机 械除冰方法的历史远早于其他类型的除冰、防冰方法。机械法是针对输电线路的，滑轮 辗压铲刮法和强力振动法，在当时滑轮辗压铲刮法并达到了当时所需求的实用水平。 有一种人工的除冰方式是它需要线路操作者在现场执行。并且处理方法千变万化， 包括敲打、撞击等。当线路停电，可以触及到冰时，可采用手工除冰，从地面向导线、 避雷线抛掷短木棍将覆冰打掉，或用木棒、竹竿敲打。在线路带电时，应用与线路电压 等级相符的绝缘棒敲打。此外，也可用木制套圈套在导线上，用绳子顺着导线拉，以消 除覆冰，这种方法只是权宜之计，既不安全，又不十分有效，因此，很少有人推荐使用， 如果要用，就得为这种方法制定标准的操作规则。 为了能进一步的达到有高效而且安全的除冰方式，则由加拿大水电局研制的滑轮铲 刮技术。这种技术是一种由地面操作人员拉动滑轮在线路上行走而铲除导线覆冰的技术， 运用这种技术的除冰方法叫滑轮辗压铲刮法，滑轮辗压铲刮法已经在加拿大的使用了 50 多年，是目前唯一可行的输电线路除冰的机械方法。它由滑轮、牵引绳及涂漆的胶合板 或环氧树脂板等器件构成，加在滑轮上的力要足够让导线产生弯曲，这样，产生的应力 才能使冰破裂脱落。如果在板的两边固定一把锯齿刀，则除冰效果更好，但拉扯时注意 不要损伤导线、避雷线和绝缘子。滑轮铲刮法的最大优点是效果很快，且不需要特别的 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 4 设备和专家，简便易操作，耗能小，价格低廉，较为实用。但它也有缺点，那就是费时， 安全性能不完善，且受地形限制。据统计，要对一公里长导线进行滚压除冰约需 2 小时 的时间。 在以后由于科技的发展和进步。加拿大的魁北克水电局则发明了一种电缆除冰装置。 该装置包括一对导线，导线连接到电缆上，并沿电缆呈螺旋形缠绕，导线的一端连接到 一个能在导线内产生电磁脉冲的脉冲发生装置上，另一端连接在一起构成封闭电路，依 靠导线中电磁脉冲的通路，在导线之间产生推斥力，该推斥力振动导线，使导线上的覆 冰振碎脱落，由于要求外加振动源及振动会促使线缆疲劳，因而难以在工程实际中应用。 在随着电磁技术的发展，又研制出了基于机械振动与撞击原理的电磁力技术和电脉 冲技术是为飞行器除冰。但是，由于电磁力或电脉冲可以使导线产生强烈而又在控制范 围内的振动，所以二者也是架空线路易接受的除冰方法之一。最后这种电磁脉冲技术效 率高而且方便，这种方法将是输电线路除冰最易接受的方法。美国堪萨斯州的州立大学 也提出了电脉冲法除冰，即利用电容器组向线圈放电，由线圈产生强磁场，在置于线圈 附近的导电板(即目标物)上产生一个幅值高、持续时间短的机械力，使冰破裂而脱落， 但在线路融冰研究方面因技术不成熟和费用过高没有达到预期的目的。 最后，另一种采用由电场或磁场力控制的柔韧性涂料机械方法仍处于设想阶段。然 而，这些方法可作为验证其典型除冰方法的实验和研制的基础。但是并没有运用到实际 的除冰操作中，所以要寻找一种实用并且普及的除冰方式至关重要。 2.3输电线路的抗冰 气象要素是确定在一定区域内能否形成导线覆冰、形成什么种类的覆冰和形成多大 的导线覆冰的基本条件, 要有效地预防输电线路覆冰, 应该搜集分析本地区历年冰雪情 资料, 积极开展冰雪情观测与预测工作。输电线路覆冰是一种地域性很强的自然现象, 气候起决定性的作用, 而且同一地区不同的微地形、微气候差别也很大, 使得输电线路 走廊的覆冰因素千差万别。只有得到长期的详细的气象资料才能准确地把握输电线走廊 的覆冰情况。 新建线路的抗冰设计对于新建的输电线路, 要根据已掌握的气象资料, 合理划分冰 区, 选取不同的设计冰厚进行线路设计, 力求做到确保线路安全运行而又不过分增加线 路的造价。输电线路经过的各种地势、微气候及微地形的差别较大, 沿线冰雪情不会一 致, 故不能只采取一个冰厚设计值。为了确保重冰段的安全,应在搜集到的气象资料的基 础上, 结合线路所经过地区及周围地形、地物情况、相对高差、路径走向及覆冰时的风 速、风向、湿度等进行综合分析, 合理划分冰区和确定相应的冰厚设计值。新建线路在 路径选择上, 应力求避开严重覆冰段, 并做到线路应沿起伏不大的地形走线；线路应避 免横跨垭口、风道和通过湖泊、水库等易于覆冰的地带；线路翻越山岭时不应采取大档 距、大高差； 线路沿山岭通过时宜沿覆冰时的背风坡走线。当线路无法避开重冰区时， 应采取抗冰设计。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 5 已运行线路的抗冰害措施对于已运行的线路, 为加强其对覆冰灾害的抵御能力，应 视具体情况区别对待。海拔较高的输电线路, 翻越分水岭及横跨峡谷、风道、垭口等处 的路线应进行改造; 重冰区的输电线路应重新以抗冰要求进行彻底改造, 方法参照新建 线路的抗冰设计; 对没有明显微气候、微地形影响的大面积覆冰地区, 不宜立即进行线 路改造, 可以考虑采用融冰措施来防治冰雪害。覆冰绝缘子防冰闪目前, 国内输电线路 覆冰防护工作主要集中于防断线、倒杆及防碰线短路等方面, 而绝缘子覆冰后的闪络问 题也应该引起人们足够的重视, 因为已有多起绝缘子冰闪事故发生。纯冰的绝缘电阻很 高, 很难造成闪络, 冰中混含导电杂质后, 覆冰绝缘子的闪络电压才会降低, 含水量较 多的雪也容易造成绝缘子的闪络。要防止绝缘子的冰闪, 最简单的办法就是增大爬电距 离。另外, 可以从改善绝缘子伞裙的结构入手, 大小伞与等径伞在相同条件下, 前者更 有利于防治冰闪, 适当调整绝缘子的外形结构, 使其在大雪天不易积雪, 积雪后不易发 生闪络。绝缘子水平悬挂、V 型串、斜向悬挂等均是阻断融冰水形成水帘的有效方法, 运行实践表明,阻水帘是提高冰闪电压的基本措施。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 6 3 除冰机器人机构 3.1 除冰机器人种类 3.1.1 线缆除冰机器人 图 3-1除冰盾 该除冰机器人，由机架、除冰盾、电源、夹持机构和行走机构构成，除冰盾的结构 包括振动驱动装置和在向前进方向的前端设有向盾牌，盾牌固定前伸出的若干根尖锥， 振动驱动装置时机架上安装振动偏心电机，安装的振动偏心电机带动除冰盾前后运动； 夹持机构包括起码两对夹持导轮和夹持的开启闭合装置构成，开启闭合装置时合页结构， 没对导轮分别安装在一侧合页上，围绕着合页轴开启闭合，采用夹持导轮，行走机构采 用行走电机和线缆驱动轮构成，电源采用蓄电池。 它包括主机，所述主机上连接柔性推动臂、悬挂导向臂，在柔性推动臂的前端连接 一颗开合点击动力组，悬挂导向臂的前端连接一开合除冰工作头，所述可开合除冰工作 头的前端可弧线摆动的连接只少两个正向除冰转到组。如图所示。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 7 3.1.2 可跨跃障碍多分裂机器人 图 3-2 爬行装置 该机器人包括：导线爬行装置，用于所述高压输电线路爬行；旋转除冰装置，安装 于所述导线爬行装置，用于采用旋转敲击力去除导线上的覆冰；动力装置，用于爬行装 置和除冰装置，提供驱动力；控制装置，用于对所述导线的爬行以及对所述旋转除冰装 置的旋转进行控制。该机器人不仅适用于单导线除冰更适用于多分裂导线的除冰，该机 器人通过传感器感测障障碍物并实施有效避让措施，尤其适合在诸多障碍的多分裂导线 上作长距离自主爬行。 由燃料发动机驱动的机器人，所述的除冰装置还包括：旋转除冰装置，安装于所述 导线行走机器人，用于利用旋转敲击力去除导线上的覆冰；动力装置与所述旋转除冰装 置相耦合，用于驱动所述旋转除冰装置选装；控制装置，用于控制所述导线行走机器人 的移动以及所述动力装置的运转。本发明的高压线路导线除冰装置在导线行走机器人上 安装旋转敲击棒、震动冲击锥以及刮冰铲，由这三个除冰装置同时工作，通过横向敲击、 轴向冲击、轴向挤压有效的将导线上的覆冰去除。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 8 3.1.3 电力设施的微波除冰装置 图 3-3微波除冰装置 该机器人由移动装置、微波辐射融冰器和微波电极切冰刀组成。该装置的除冰方法 采用微波辐射融冰和微波电极切冰两种模式，通过两种模式的有机结合和相互配合，应 对不同的覆冰状态，对电力设施覆冰绝缘子进行除冰。 3.2 前端多环铣刀 所谓多环铣刀顾名思义，是由不同型号的铲齿成形铣刀套在除冰系统里的工作轮系 当中，就形成了多环铣刀。这种铣刀是用于铣削工件成形表面的专用刀具。它的刃形是 根据工件廓形设计计算的，它具有较高的抗磨性，并能保证工件形状和尺寸的互换性， 因此得到广泛使用。成形铣刀按齿背形状可分为铲齿与尖齿两种。 尖齿成形铣刀：尖齿成形铣刀齿数多，具有合理的后角，因而切削轻快、平稳，加 工表面质量好，铣刀寿命高。但尖齿成形铣刀需要专用靠模或在数控工具磨床上来重磨 后面、刃磨工艺复杂。因此，刃形简单的成形铣刀一般做成尖齿形。 铲齿成形铣刀：齿背由径向铲削形成，使其具有成形刃后角。该刀具沿前刀面重磨 后能保证刃形不变，故在生产中一般采用铲齿结构，只有在大批量生产中才采用尖齿结 构。在这里对于除冰机器人的重要的零部件，所采用的则是铲齿铣刀，达到能高速的铲 除电线上的冰雪。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 9 3.2.1 成型铣刀的结构参数 图 3-4 成型铣刀结构 如图 3-4 所示，成形铣刀齿形高度可取为 hh（12）mm，式中 h工件的 廓形高度。 铣刀宽度一般比工件廓形最大宽度大15mm ，并应采用标准系列尺寸。用铣刀切削 时，要求其刀杆直径足够大，以保证在铣削力作用下有足够的强度和刚度。因此，铣刀 孔径应按强度或刚度条件计算决定。在一般情况下，可根据铣削宽度和切削条件选取。 表3-5是根据生产经验推荐的数值。 表3-5 成型铣刀内孔直径 铣 刀 孔 径铣 削 宽 度 一般切削 重切削 612 16 22 1225 22 27 2540 27 32 4060 32 40 60100 40 50 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 10 由于在除冰机器人的性能要求，铣刀必须有足够的硬度。在保证铣刀孔径足够大和 铣刀刀体强度足够的条件下，应选较小的铣刀外径，以减小扭矩和减少高速钢的消耗。 设计铣刀时，可首先用下式估算外径，待确定了铣刀的其他有关参数后，再校验铣 刀刀体强度。 0=（ 22.2） d + 2. 2h+（ 26）mm （3-1） 对于加强形式的容屑槽，铣刀外径可小些 0=（ 1.62） d+2h+（26）mm （3-2） 表 3-6 给出了铣刀直径的推荐值，它是按式（3-1）与式（3-2）计算的，并圆整为 5 的整数倍。 表 3-6成型铣刀的外径 铣 刀 齿 形 高 度 h孔 径 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 在保证刀齿强度和足够的重磨次数的条件下，应尽力取齿数多些，以便增加铣削的 平稳性。齿数 Zk与铣刀直径之间有如下关系。 Zkd/t (3-3) 式中 t铣刀的圆周齿距。粗加工时，可取 t（1.82.4） H （3- 4） 精加工时，可取 t（1.3 一 1.8）H (3-5) 式中 H容屑槽高度。H=hKr。式中： K刀齿铲削量 r容屑槽底半径，一 般为 13mm。 由于齿数 Zk未确定时 K 与 r 都不能确定，因此可按下式初步估算 H Hh0. 06d0（13）mm （3- 6） 将式（3-6）代入式（3-5）或式（3-4），再代入式（3-3），可求出 Zk ，也可根据 生产经验按铣刀外径的大小预选铣刀齿数，在设计计算出铣刀的其他结构参数后，再校 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 11 验所选齿数是否合理。表是根据生产经验推荐的铲齿成形铣刀的齿数。此表适用于平底 式容屑槽的不铲磨铣刀。对于加强式容屑槽，齿数可适当增加，对铲磨铣刀，齿数可适 当减少。 表 3-7 成型铣刀齿数 铣刀外径 d。(mm) 40 4045 5055 6075 80105 110120 130140 150230 铣刀齿数 Zk 18 16 14 12 11 10 9 8 初定成形铣刀的各参数后，需校验刀体、刀齿强度是否足够。如果校验结果不符合 要求，应重新假设和计算，直到满意为止。 （1）校验刀齿强度：对于平底式容屑槽铣刀，可按下式计算齿根宽度 c。 c3(d02H)/4Z k （3-7） 要求 c /H0. 8 ，当不满足时，应减少铣刀齿数。对加强式槽底的成形铣刀，一般不 需进行此项校验。 （2）校验刀体强度：为保证刀体强度，要求 m(0. 30. 5) dm 可按下式计算 （d 02H）/2 （3-8） 当不满足时，应增大铣刀外径。 刀齿齿根强度和刀体强度的校验亦可采用作图法进行，即按选定的铣刀结构参数直 接画出铣刀的端面投影图，由图直接观察并测量铣刀齿根宽度和刀体厚度 m 是否足够。 图 3-8铣刀铲磨干涉 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 12 （1）按所设计的成形铣刀参数 d0、 Zk 、H、 和 作出成形铣刀刀齿的端面投影图， 可得 A、I、J 三点。从第一齿的顶点 A 沿径向取齿廓高度 h 得 G 点，从第二齿的顶点 J 沿径向取铲削量 K 得 B 点，取齿廓高度 h 得 E 点，从 A 点作直线 AO1，AO 1与前刀面 AO 夹 角为 f ，又作 AB 两点连线的中垂线与直线 AO1交于 O1点，以 O1为圆心，O 1A 为半径作 圆弧连 A 点和 B 点即得近似的齿顶铲背曲线；以 O1G 为半径画圆弧 GD，即为近似的齿底 铲背曲线。 （2）选轮系直径 Ds(2h+25+5) mm，式中为铣刀齿廓高度。一般 60Ds120。 （3）在上取一点，使/2，连；交于点，连接 FO1并 延长之，自 F 点在此延长线上截取 F02 = Ds/2, 得 02 点，以 02为圆心，Ds/2 为半径作 圆，即得轮系的外圆周，并切 GD 于 F 点。此时轮外圆周如在下一个刀齿 E 点的上方，则 轮系在铲磨时不会碰到下一个刀齿，如果在 E 点的下方，则铲磨时会碰到下一个刀齿， 即发生干涉。如发生干涉，需改变铣刀的一些参数，如减少齿数 Zk与铲削量或增大 等，需要重新设计。 3.2.2 成型铣刀截面的计算 在这种工作的情况下，工件法剖面截形就是铣刀的齿形。 铣刀有了前角以后，其刀齿在径向截面的齿形和前刀面上的齿形，就与工件法剖面 的截形不同了。设 f为铣刀外圆处的纵向前角，当 f较大（例如 f50）时，铣刀径向 截面和前刀面上的齿形需进行修正计算。 为了能确定工件齿形和铣刀齿形的关系。在给定的工件齿形以后铣刀径向截面应具 有的齿形，即铲刀应具有的齿形，即样板应具有的齿形。 表3-9成型铣刀截面计算公式 序号 计算项目 符号 计算公式 计算精度 1 齿形点的横坐标 cbnc=0.001 2 （见图 419）fnhRsiar0.00001 3 齿形点纵坐标 ch2ZKnc 0.001 铲齿成形铣刀需要设计两幅样板,一幅为检验铣刀刃形,其廓形与铣刀前刀面廓形相 同；另一幅为检验铲齿成形铣刀样板刃形，其廓形与铣刀轴向剖面廓形相同。 样板的设计方法与成形车刀样板相同。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 13 33 机械升降平台 3.3.1 升降平台的机械结构形式 根据升降机的平台尺寸，参考国内外同类产品的工艺参数可知，该升降机宜采用单 双叉机构形式：即有两个单叉机构升降台合并而成，有四个同步液压缸做同步运动，以 达到升降机升降的目的。其具体结构形式为：主要起支撑作用和运动转化形式的作用， 一方面支撑上顶板的载荷，一方面通过其铰接将液压缸的绳缩运动转化为平台的升降运 动，上顶板与载荷直接接触，将载荷转化为均布载荷，从而增强局部承载能力。下底架 主要起支撑和载荷传递作用，它不仅承担着整个升降机的重量，而且能将作用力传递到 地基上。通过这些机构的相互配合，实现升降机的稳定和可靠运行。 o324651 图 3-10 升降台外形结构 两支架在 o 点铰接，支架 1 上下端分别固定在上、下板面上，通过活塞杆的伸缩和 铰接点 o 的作用实现货物的举升。 根据以上分析，升降机的运动过程可以叙述如下：支架 2、3 为升降机机构中的固定 支架，他们与底板的铰接点做不完整的圆周运动，支架 1、4 为活动支架，他们在液压缸 的作用下由最初的几乎水平状态逐渐向后来的倾斜位置运动，在通过支架之间的绞合点 带动 2、3 也不断向倾斜位置运动，以使升降机升降。 初态时，上写底板处于合闭状态，支架 1、2、3、4 可近似看作为水平状态，随着液 压油不断的输入到液压缸中，活塞杆外伸，将支架 2 顶起，支架 2 上升时，由于绞合点 o 的作用使支架 1 运动，1 与液压缸相连，从而液压缸也开始运动，通过一系列的相互运 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 14 动和作用，使上顶板上升，当上升到指定高度时，液压缸停止运动，载荷便达到指定高 度。 3.3.2 升降平台零件设计 根据升降台的工艺参数和他的基本运动机理来确定支架 1、2、3、4 的长度和截面形 状。 之间的距离和液压缸的工作行程。23O 设 ( )，则 1、2 、3、4 支架的长度可以确定为 h=2-x/2,(h 15mm)即x0m 支架和地板垂直时的高度应大于 15mm,这样才能保证其最大升降高度达到 15mm，其运动 过程中任意两个位置的示意图表示如下： NMO B1CA 图 3-11 运动过程示意图 设支架 1、2 和 3、4 都在其中点处绞合，液压缸顶端与支架绞合点距离中点为 t ,根 据其水平位置的几何位置关系可得： 。40 xt 下面根据几何关系求解上述最佳组合值： 初步分析： 值范围为 ,取值偏小，则上顶板 点承力过大，还会使支x1x23,O 架的长度过长，造成受力情况不均匀。X 值偏小，则会使液压缸的行程偏大，并且会造成 整个机构受力情况不均匀。在该设计中，可以选择几个特殊值： =0.4, =0.6, =0.8，分xx 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 15 别根据数学关系计算出 h 和 t。然后分析上下顶板的受力情况。选取最佳组合值便可以满 足设计要求。 （1） =0.4，支架长度为 h=2-x/2=1.8， =h/2=0.9x 2OC 液压缸的行程设为 l,升降台上下顶板合并时，根据几何关系可得到： l+t=0.9 升降台完全升起时，有几何关系可得到： = （3- 221.80951.cos22(0.9).5()tlt 9） 联合上述方程求得： t=0.355m l=0.545m 即液压缸活塞杆与 2 杆绞合点与 2 杆中心距为 0.355m.活塞行程为 0.545m （2） =0.6，支架长度为=2-x/2=1.7， =h/2=0.85 液压缸的行程设为 l,升降台上下x 2OC 顶板合并时，根据几何关系可得到：l+t=0.9 升降台完全升起时，有几何关系可得到： = （3- 221.708.5cos22(0.8).()5tlt 10） 联合上述方程求得： t=0.32m l=0.53m 即液压缸活塞杆与 2 杆绞合点与 2 杆中心距为 0.32m.活塞行程为 0.53m。 （3） =0.8，支架长度为=2-x/2=1.6， =h/2=0.8，液压缸的行程设为 l,升降台上xOC 下顶板合并时，根据几何关系可得到：l+t=0.9 升降台完全升起时，有几何关系可得到： = （3- 221.60571.cos22(0.8).57()0tl 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 16 11） 联合上述方程求得： t=0.284m l=0.516m 即液压缸活塞杆与 2 杆绞合点与 2 杆中心距为 0.284m.活塞行程为 0.516m。 比较上述三种情况下的载荷分布状况，x 去小值，则升到顶端时，两相互绞合的支架 间的间距越大，而此时升降台的载荷为均布载荷，有材料力学理论可知，此时两支架中 点出所受到的弯曲应力为最大，可能会发生弯曲破坏，根据材料力学中提高梁的弯曲强 度的措施 maxaxMw 知，合理安排梁的受力情况，可以降低 值，从而改善提高其承载能力。分析上述时 梁的受力情况和载荷分布情况，可以选择第二种情况。 3.4电机的选择 3.4.1升降步进电机 除冰机器人升降用步进电机来驱动，通过丝杆传动来实现升降。初选步进电机：7503BF 由前计算丝杆导程为 ，本设计升降速度选定为 ，06LmS=35m/s 所以丝杆转速 （3-0w=S/L356 .8r/s49.(rin) 12） 回转转矩： cgafM 式中： 升降相对丝杆的回转力矩 ；cM 升降相对丝杆的摩擦阻力矩 ；f 升降在停止（制动）过程中相对与丝杆的惯性力矩 ；ga 其中： （3-0gaMJt 13） 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 17 式中： 升降启动或制动过程中角速度的变化量，也就是工作的角速度： ；2349.8(/min)349.836.49(/)0r rads t升降启动或制动的时间：本设计取为 ；()ts 升降时各部件对回转轴线的转动惯量 ，0J 2kg 其中： SldJ 式中： 丝杆对其转动轴的转动惯量 ，s 2() 其中： 437.81mDL 式中： 丝杆的公称直径由前计算得 0.5(mD 丝杆的长度本设计取为 0.6(m) 代入得： （3-4327.8025.1.7()sJ kgm 14） 升降电机与丝杆间的联轴器的转动惯量lJ sJ=0.18 步进电机转子的转动惯量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电机自重约为 200N f丝杆螺母副与丝杆间的摩擦系数 f=0.08 代入得： （3-/20.85/0.2()mf 15） 得： .49.6cgafMN 电机与丝杆直接联接所以 =1；i 所以 0.()pcm 3/lwrads 上式中： 负载峰值转速（ ） ，如上计算 ： ；lp 36.49(/)lprads 负载峰值力矩（ ） ，如上计算：l N 0iMNm 电动机的功率计算式： （3- lpmP 16） 上式中： 计算系数，其中一般 ，本设计中取： ；1.522 丝杆传动装置的效率，一般取 ，本设计中取： ；0.790.8 代入以上数据得： 0.693.4/85.lpmMPW 根据负载峰值力矩 最大静转矩，选用步矩角为 步进电机 ，其最大静转矩lp3BF 为 0.882 ，满足负载峰值力矩 最大静转矩的要求。N lp 3.4.2 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 18 表 3-12 电机参数表 电机型号 相数 步距角 /（） 电 压 /V 最大静转矩 /Nm(Kgfcm) 最高空 载启动 频 率 /HZ 运行频 率 /HZ 转子转动惯量 10 Kgm52 分配 方式 质量 /Kg 75BF003 3 3 30 0882（9） 1250 16000 1568 三相 六拍 158 3.4.2 回转驱动电机 除冰机器人的旋转击棒安装在底座上与回转电机相连:设计选取为 即旋10/minr 转 1800的时间为 3s； 回转转矩： （3-cgafM 17） 式中： 整体相对底座回转轴的回转力矩 ；c 整体相对底座回转轴的摩擦阻力矩 ；f 底座在停止（制动）过程中相对与丝杆的惯性力矩 ；ga 其中： ， （3-0gaMJt 18） 式中： 底座旋转在启动或制动过程中角速度的变化量，也就是工作角速度： ；210(/min)1.047(/)6rrads 底座旋转启动或制动的时间：本设计中 ；t .3t 与 的转化系数： ，本设计中取fMga .8590.85 底座旋转轴线的转动惯量0J 2()kg 2201322213 5.450.40.99.7Jmrrkg 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 19 式中： 击棒的质量（kg）1m 底座的质量（kg） 2 机身的质量（ kg） 3 其中： 的转动惯量看作均匀圆柱体来计算； 与 相对应的长度（m） 。123,r123, 把以上数据代入得： （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： 负载峰值转速（ ） ，如上计算 ： ；lpw/s104.7(/)lprads 负载峰值力矩（ ） ，如上计算：l 3iMNm 电动机功率的计算公式式： .7.292.08lpmPW 式中： 步进电动机的功率（W） ； mP 负载峰值转速（ ） ，由前计算 ： ；lp/rads14.7(/)lprads 负载峰值力矩（ ） ，由前计算： =0.737（ ） ；lMNMNm 计算系数，其中一般 ，本设计中取： ；1.52 2 底座传动装置的效率，估算为 。0.79 根据负载峰值力矩 最大静转矩，选用步矩角为 的步进电机 90BF003，其最大静转lp3 矩为 1.96 ，满足要求。Nm 表 3-13 电机参数表 电机型号 相数 步距角 /（） 电 压 最大静转矩 /Nm(Kgfcm) 最高空 载启动 运行频 率 转子转动惯量 10 Kgm52 分配 方 质量 /Kg 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 20 /V 频 率 /HZ /HZ 式 90BF003 3 3 60 196（20） 1500 8000 1764 三相 六拍 42 4 控制系统的设计 4.1 机器人的控制系统 工业机器人的控制技术是在传统机械系统的控制技术的基础上发展起来的，因此两 者之间并无根本的不同但工业机器人控制系统也有许多特殊之处。其特点如下，工业机 器人有若干个关节，典型工业机器人有五六个关节，每个关节由一个伺服系统控制，多 个关节的运动要求各个伺服系统协同工作。工业机器人的工作任务是要求操作机的手部 进行空间点位运动或连续轨迹运动，对工业机器人的运动控制，需要进行复杂的坐标变 换运算，以及矩阵函数的逆运算。工业机器人的数学模型是一个多变量、非线性和变参 数的复杂模型，各变量之间还存在着耦合，因此工业机器人的控制中经常使用