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高压线巡检作业的机器人系统结构设计

发布时间:2021-12-24 09:53:02 人气:

  高压线路的巡视检查是高压线缆中一项高强度、高复杂的工作。目前,根据调查发现,我国对高压线缆的巡查普遍采用人工巡查,这种巡查方式不仅巡查效率较低、成本较高以及巡查的正确率低外,在巡查过程中还会出现不同情况的问题,比如,有些高压线缆排布在高山之上,人工巡查的可能性较小。所以,本文提出了高压线缆巡检机器人的结构设计,本文通过对高压线缆巡查机器人的结构设计,完成了对机器人的模拟仿真以及二维结构的设计。最后还对机器人中的主要零部件进行了校核分析,为高压线巡检机器人的物理样机的制造提供了理论依据。

高压线巡检作业的机器人系统结构设计(图1)

  1.1课题背景


  在目前我们国家,电力的输送大部分依靠高压线缆进行输送,关系到我们国家的经济的发展,现在的多部分地区采用高压输送方式进行线缆设备的搭接。其中,高压线缆一般是作为电力输出传送的总要手段,并且,高压线缆在装配运输中会长时间的在空气中工作。在线缆承受压力的同时还要经受住生态环境的影响,并且需要考虑到机器人以及高压线缆在环境中会出现老化等自然现象。因此,线路巡检在高压电力输出过程中是一种必不可少的工作,更是保证动力输出的以及做好有效预防的基本工作。高压线缆巡检就是通过对高压线缆在高空中的实际情况进行检查并把检查报告有效的进行传输,从而保证输配电线路安全和电力系统的稳定[1]。目前,对高压输电线路传统的巡检方式有高空巡检、陆地车辆巡检和人工检查式巡检等。


  高空巡检又称为空中巡检,目前这种巡检方式主要是运用高空直升飞机以及无线遥控飞机等方式进行对高压线线缆的检测,在检测过程中会利用无线相机或者无线检测仪等设备检测出高压线缆是否存在故障和缺陷等,并把这些信息通过无线传输的方式传送到人工处理中心。这种巡检方式一般要在天气晴朗的时候方可进行,所以这种巡检方式对天气要求特别高,并且在巡检的过程中,巡检距离也非常有限,因为一般的无线遥控飞机的有限距离都是有一定的范围,所以注定了这种高压线巡检方式的特殊性等,这种巡检方式在目前的情况很难作为主要的巡检方式。


  另外,陆地车辆检测以及人工方式的检测主要是针对平原地带的高压线缆的传送输出,对于多数的高压线缆输送地带,这两种巡检方式无法进行,所以在现有的巡检方式上这两种高压线缆巡检在使用范围上不大。


  最近几年,随着高科技的发展,机器人作业形式的不断出现,高压线巡检也有原先的传统方式有了进一步的发展,高压线巡检机器人也在各个领域不断的出现,并得到了很快的发展,高压线巡检机器人也为高压线缆检测方面提供了一个更好的发展方向[2]。


  高压线巡检机器人的出现对高压巡检是一次质的飞跃,不仅能够代替以往的高线线缆巡检方式,更是对高压巡检方面的先进性有了更进一步的发展。巡检机器人能够在高压线缆上带电工作,对于检测过程中经常出现的触电事故有了很大的变化。高压线缆巡检机器人能够适用于多种工作环境,并有一定的攀爬能力,有效的解决了高压线缆山区不同高度之间的检测。高压巡检机器人的出现能够减轻人工的作业强度以及提高工作效率,保证了高压线缆的巡检质量以及有效的保养水平,为增强高压线缆输送能力有了进一步的提高,为社会带来了更高的经济效益以及社会效益等。


  目前情况下,在机器人巡检的过程中一般机器人本身带有红外敏感的传感器,这种传感器对线缆故障比较明显。并且会把扫描结果传输到信号处理中心,工作人员利用接收到的信息进行对高压线缆的实际情况做出有效的判断。当高压线缆出现故障灯现象时,检测信号会出现局部的温升,在处理中心会有相应的结果出现,为后期的高压线缆的维修提供了有效的依据[3]。


  1.2发展状况的调查


  从上世纪80年代开始,日本、加拿大、美国、巴西等国家都进行了研究工作的检查机器人,并且在研究的过程中也取得了初步成效,其中两者之间的塔检机器人技术相对比较成熟,并有的还达到了产品化的程度。


  在1988年,东京电力公司已经制定了一个初步的自主越障能力的光纤复合架空地线(OPGW)巡检机器人[4]。当面对高压线电塔时,机器人使用它自己的背轨从塔的一侧,保持与地面平行,直到机器人抓取圆塔的另一边的路线,并将弯曲手臂折叠起来准备下一次使用。该公司研制的机器人的轨道在工作过程中就会达到100公斤重,所以,机器人在工作过程中会出现大量的能耗问题。并记录在磁带上的探测数据,由于存储容量有限,在所需距离从读数据的实际应用中得到了有限的线的完整检查段。


  日本的NTT公司,开发一个机器人由若干独立单元组成[5]。本机器人采用“头部决定、尾要遵循”等仿生控制方式,类似于一个像蛇一样的身体,其中左右对称,并由相互连接的小车相互组成,每个小车由两个马达组成,一个为驱动,另一个链接驱动是用来控制汽车的旋转关节等周围的关节旋转角度使用的;这个机器人本身带自锁机构及磁耦合的安全特性,永磁磁锁紧机构将牢牢锁在车里,所以这两个橡胶轮会紧紧的抱着高压线缆,实现了机器人本身的自锁性能。这种高压线巡检机器人利用自身携带的走线轮在高压线缆上能够来回的滚动行走。机器人在高压线缆上行走的过程中会遇见各种的障碍物,当机器人遇到障碍物时需要自动的实现自动的跨越障碍物功能等,此机器人的主要功能为利用磁力来完成机器人字体与母体的配合,从而完成机器人的自动跨越障碍物,当机器人当机器人跨越障碍物后会使得磁力器自动的打开,从而实现的整个机器人的跨越障碍物等。使得机器人为下一步的检测做好准备。这种机器人的缺点是驾驶的关节体比较多,在运行的过程中会出现卡死等现象,并且能源消耗比较高以及控制系统比较复杂。


  美国TRC公司开发的悬臂式巡检机器人[6]。主要是运用爬行的方式进行运动,并运用无线设备把高压线缆信息输送到地面。机器人本身所携带的设备可以执行相关任务的检查和对高压线缆中的老化损坏现象进行采集。另外,对线缆进行采集和检测到的故障数据经过预处理后会显示出直接的外观形式。当机器人遇到塔时,其也使用了一个方法,就是从侧面的人形爬塔处进行穿越等。


  日本生产的Sato的线缆巡检机器人也采用以上的行走方式来进行机器人的行走的,这中机器人能够实现外地远程的操作,远程控制等功能。沿高压线缆进行行走,机器人车辆检测设备检测到损坏的高压线缆程度和线缆的具体的准确位置,存储在数据记录器的数据和图像数据就会自动的进行更新。另外,一些工作人员可以根据机器人远程的输送结果来进行判断分析,从而实现找到高压线缆故障的地点,为后续的高压线缆的维修提供可靠的理论依据。不过,在机器人的设计过程中,设计人员没有考虑到高压线缆上固有的障碍物等,所以,这次设计的机器人自身没有自主跨越障碍物的功能,只能依靠人工的参与才能完成下一阶段的工作。在机器人检测完毕后会发出一定的信号,为工作人员提供信息来完成机器人的跨越障碍物的功能。方便后续的工作[7]。


  泰国设计出了一个自成一体的电气线缆检测机器人原型[8]。该机器人采用电流互感器获取感应电流作为动力输入部分,从而完成机器人在高压线缆上的爬行,作为一种工作动力性较强的机器人,本线缆检查机器人的作业时间比较长,并有效的解决了功率驱动的问题,在工作的过程中初步实现了电源线绝缘子等障碍物的准确定位,并确定了基于摄像头的视觉导航。然而,这种线缆检测机器人只能够运用于2条线塔之间的相互检测爬行,其本身并没有障碍物能力。


  联邦大学的米纳斯开发了一种通用性的检测机器人[9]。该机器人采用电缆车的形式进行高压线缆的检测施工,通过在机器人内部安装不同的设备,实现线路检测或线路安装以及拆除航空警示球等功能,但这种机器人也没有自主跨越障碍等功能,仅在两座塔之间进行线路操作,其应用的范围受到了极大的限制。


  综上所述,举出了国外对高压线缆巡检的技术概括,目前主要表现在高压线缆巡检机器人的研制上。根据以上情况,本课题具有很好研究前景以及市场价值。


  与国外相比,我国的机器人行业发展比较缓慢,特别是对高压线缆检测机器人的研究更是不多,在是个司机90年代,我国内部高校以及研究组织展开了多机器人的研制工作,并对高压线缆巡检机器人做了特俗的研究,其中最为明显的为武汉大学以及山东大学,对高压线缆的研究起步最早,并初步制作出了属于国内的第一批高压线缆巡检机器人,并且此机器人具有很好的高空作业能力。但是,所研制的第一代机器人只能运用于简单的高压线缆检测等,不能够实现复杂情况下的信息传输等[10]。


  另外,中国科学研究院自动化研究所以及山东大学分别对高压线巡检机器人做了研究,并根据机器人的工作环境研制出了一种浮动臂结构的高压线巡检机器人,该巡检机器人能够自主的跨越障碍物,但是,这款机器人在总的质量上非常的庞大,需要消耗很大的动力才能完成工作,并且结构比较复杂,所以,这款机器人的应用市场不大,需要改进的方向很多,并存在作业过程中的危险性等[11]。


  经过以上调查发现,目前国内外高压线巡检机器人设计在一方面是对工作环境要求比较高,另一方是消耗能量比较大,不能够完成连续作业,对高压线缆的选择性比较大。整体而言,目前的高压线巡检机器人还存在很大的问题需要后期的完善以及解决。


  1.3本文的主要研究内容


  经过讨论,我们可以知道,高压线巡检机器人的设计已经是在作业过程中分厂重要,根据机器人的机构特点,以及工作环境的特殊性,本文的主要工作为:


  (1)本文的开题部分主要是现在高压线缆检测方面进行了分析,以及国内外目前情况下对高压线缆巡检上所做的现状,并找出了现实存在的问题,根据现实存在的问题进行了讨论,提出了本文所设计的机器人所需要解决的问题等。最后,还对本文所设计的机器人对现实生活中的经济意义进行了分析。


  (2)根据前人所设计的机器人的情况下,以及参照国内外现有的巡检机器人的结构,本文设计出了主要用于高压线缆巡检用的机器人,本机器人能够自动的完成高压线缆上障碍物的跨越等功能,并且,还对机器人的结构原理进行了分析,画出了机器人的主要的额结构原理图和总的装配图等。


  (3)由于本文所设计的机器人的工作环境比较复杂,结构比较特殊,所以,在机器人设计之前对机器人的总体方案进行了分析,并对机器人的所用的特殊结构进行了分析等。


  (4)另外,本文所设计的机器人在工作中需要大量的数据传输,所以机器人的可靠性要有所保证,所以,本文在设计时大多采用标准间,并对机器人选用轴承进行了选择分析,最后得出了可靠的结果。


  1.4本章小结


  本章主要介绍了高压线巡检机器人的概况,对本课题的背景做了简单的介绍,然后对高压线巡检机器人的研究现状作了分析,分析了目前机器人所存在的问题,并根据其问题引出了本文所研究的内容,最后,做出了本文所做的内容等。


  第2章巡检机器人结构的设计


  2.1机器人设计方案分析


  经过查阅质料,根据高压线缆的工作环境可以知道,所设计的机器人必须具有一定的爬坡能力,必须能够在高空作业,并且能够通过一定的障碍。所以,根据机器人的工作特性,本文设计的机器人采用缆车的形式悬挂于高压线缆上。但是,缆车的结构形式对跨越障碍能力较差,所以,本文设计的机器人需要利用母体和子体共同配合的形式进行高空作业[2]。


  要满足包括巡检机器人行走和有效的跨越障碍作业要求,以及包括各种高空作业任务,需要一个电线缆车在原有结构上的改进,改进的目的主要是为了增加使用多关节臂机构和夹持机构和其他辅助机构的刚度,参考[12]文献中提出了一个巡检机器人的设计,这个巡检机器人具有2个可以旋转的关节,该机构提供了一个手臂挂线后,各关节之间可以自由的运动,并完成关节之间的跨越障碍的要求。本文所设计的高压线缆巡检机器人基本上可以满足小障碍物的障碍,但在跨越障碍过程中,机器人的姿态还有一些不稳定。需要进一步的改进设计。另外本设计在机器人母体手臂的手腕处各自加了一个驱动电机。能够有效的改进的设计,可以提高整个巡检机器人在工作时的稳定性。


  本文的设计方案都是手臂采用摆臂式结构,机器人母体本身带有手臂结构,手臂的上端各有一个可以自由滑动的滚轮,滚轮下方有固定高压线缆的卡爪,卡爪可以自由的张开和闭合,当机器人作业过程中遇见障碍后,卡爪会自动打开,然后根据设计要求完成机器人的自动避开障碍等,机器人子体可以在母体内滑动,从而实现整个机器人的蔽障工作。


  通过对机器人的设计方案分析和总结,本文的设计整体高压线缆巡检机器人的子体中设计了升降臂式结构,用一个升降装置来替代原来原有的装置结构,升降结构运用齿轮齿条来完成整个机械手爪的升降,从而完成机器人字体与高压线缆的接触或则分离,当高压线缆机器人作业工程中遇见障碍物时,升降装置会利用齿轮带动齿条运动使得机械手抓抓紧高压线缆,同时机器人的整个母体部分开始脱离高压线缆机器人,从而实现整个机器人跨越障碍物的功能[13]。


  巡检机器人利用母体手臂悬挂在线路上时,机器人母体的手臂可分布于高压线缆的两侧或单侧。机械手臂位于线缆两侧的方式主要是设计的机器人本身结构特点比较对称,其自身的稳定性能比较好,所以,在以往的机器人设计中大多数都是采用双侧对称方式设计,不过,双侧方式的设计也有自身的缺点,就是在机器人工作过程中,由于机器人本身的机构结构特点的原因,工作过程中会受到高压线路的影响。本文的设计方案采用单侧悬挂结构,机器人可选择悬挂在塔架的外侧,这样受塔架的影响就较小,有利于开展作业,如图2.1所示。如果在结构设计时遵循一定要求、保证结构稳定性的前提下,单侧悬挂的结构设计可以满足机器人线上作业的要求。


  图2-1本文设计巡检机器人方案简图


  2.2机器人结构设计的原则


  本文所设计的机器人均采用机械结构来组成,在进行机械结构的设计的同时需要符合一定的设计准则,符合设计准则则会对设计的结构帮助很大,对能源消耗很少等。合理的机器人结构设计应充分满足工作环境的需要,也要满足作业功能的需求。设计之前首先要考虑设计原则,所以以下是做好的基本的设计原则:


  第一,所有的设计都要运用于现实的生活中,也是由人操纵的,因此所设计的机器人必须能够满足人性化的设计,能够使用方便,操作简单,并不能出现危险性操作等。


  第二,在进行设计之前首先明确所设计的机器人的功能和所工作的环境条件,所设计的机器人结构应能准确无误地适用于所有环境情况下,特别是高压线缆机器人的工作环境比较复杂,所以,在设计之前更要考虑好所设计的机器人的工作环境问题。


  第三,对机器人进行设计时,要求对机器人结构设计简单化,因为高压线缆机器人属于高空作业,机器人的整体结构将会直接影响到整体装置的重量,优惠间接的对机器人的能耗上有一定的影响,所以,在进行机器人的设计时要考虑到机器人结构的简单化原则。


  第四,设计的机器人要求安全可靠,安全可靠对机器人的设计的要求有两个方面。功能可靠:所设计的机器人在作业的过程中其自身的功能要求稳定可靠,不能在进行工作时出现故障能,由于高压线缆巡检工作都是发生在高空作业,所以,一旦出现问题,机器人的维修将会带来很大的麻烦,所以,机器人本身的功能可靠性是一个必不可少的考虑因素。操作可靠:机器人在设计过程中要求操作简单可靠,主要体现在机器人的操作都是有人为的对机器人的采集信息进行分析判断,如果机器人本身的操作复杂的情况下将会给机器人的后续工作带来很大的麻烦。


  综上所述,在进行机器人整体结构设计之前,首先就要考虑到设计的准则,只有按照机器人结构设计准则进行对机器人整体结构的设计,才能有效的进行对机器人的整体结构的设计以及整体的三维仿真和二维图纸的设计等,设计的机器人整体结构才能满足设计要求的需要。下面将会对机器人的整体结构的设计进行分析,并对高压线巡检机器人的主要零部件进行而为设计等。


  2.3高压线巡检机器人整体设计


  本次设计的高压线缆巡检机器人主要运用与对高压线缆的故障检测等,需要完成机器人在高压线缆中的自主运行,自主前进并跨越高压线缆中的所有障碍。


  巡线机器人属于在特殊环境下完成操作与作业的特种作业机器人。根据高压线巡检机器人在线上作业及越障的要求分析,首先制定了巡检机器人的机构二维图,机器人本体具有两个对称的滑轮手臂,主要机器人的二位简图如图2.2所示。


  图2-2高压线缆巡检机器人二维简图


  本文所设计的巡检机器人的整体结构由机器人母体、驱动滚轮移动、字体手臂升降、手臂抓紧、卡爪、驱动电机、行星轮减速器等部分组成,共9个运动铰接、9个电机驱动,为多关节双臂轮爪式的对称结构,本文所设计的高压线巡检机器人的基本构型如表2.1所示。


  表2-1高压线巡检机器人的基本构型


  机构运动方式运动个数驱动方式


  轮爪机构


  母、子体机构


  控制箱


  滚轮转动


  手爪开合


  母体移动


  母体转动


  字体升降


  字体移动


  控制箱移动1×2


  1×2


  1×2


  1×2


  1×2


  1×2


  1


  电机直接驱动


  电机直接带动


  电机直接驱动


  电机直接驱动


  齿轮齿条


  丝杠螺母


  母体同时移动


  本文所设计的高压线巡检机器人进行了三维的设计,并在虚拟软件中进行了虚拟装配等,具体的装配结果和在三维软件中的模拟仿真如图2.3所示,在这里,机器人三维模型只是显示出了机器人中主要的零部件,不是所有的零部件的仿真。主要是对机器人的主要模块进行了仿真装配,并没有对所有零部件进行仿真。仿真结果如下。


  图2-3高压线巡检机器人的三维实体模型


  2.4高压线巡检机器人主要零部件设计


  2.4.1机器人移动滚轮的设计


  高压线缆机器人的滚轮设计,由于机器人在高空作业,注定了机器人与高压线缆的接触采用吊篮滚轮式接触,由于滚轮不仅要承受机器人母体的所有重量还要承受机器人子体的重量,所以在进行滚轮设计时要考虑到滚轮链接强度的设计,要满足足够的设计原则,才能保证整个机器人在高压线缆上稳定的工作。


  本文所设计的机器人滚轮部分主要由滚轮、驱动电机,固定底座,线缆固定卡爪等组成,其中机器人滚轮部分主要零部件的三维设计以及二维尺寸结构设计如图2.5所示。其中,如图所示,本文所设计的机器人走线轮的材料主要采用尼龙材料,由于尼龙材料不能能够满足强度以及本身质量的要求,还可以有效的解决了机器人本身与高压线缆之间的隔绝作用,避免了机器人在作业过程中受到高压电力的干扰。每个滚轮的正下方均采用一个塑料尼龙卡爪来固定线缆,尼龙卡爪由伺服电机来控制其上下转动,当需要固定机器人和高压线缆时,伺服电机带动卡爪向上转动,从而实现巡检机器人的整体的固定。


  图2-4巡检机器人驱动滚轮三维设计


  图2-5巡检机器人驱动滚轮的设计


  2.4.2机器人子体手爪的设计


  根据高压线巡检机器人的工作条件复杂,经常在高山以及坡度比较大的地方作业,所以,在机器人行走的过程中会出现打滑、倒退等现象,为了防止这种现象都的发生,本文所设计的机器人特意设计了机械卡爪用于机器人的辅助爬坡功能,机械卡爪不仅在机器人爬坡时能够辅助攀爬功能,其主要的目的为当机器人遇见绝缘子或者障碍物等情况下,运用机械卡爪攀升抓住高压线缆,然后运用滚轴丝杆带动巡检机器人的肢体部分向障碍物的另一侧运转,然后实现机器人的子体部分的跨越障碍物的功能,最后利用驱动电机,使得巡检机器人的母体部分进行旋转脱离开高压线缆的干扰,然后运用滚轴丝杠复位动作实现整个机器人母体的归位动作,从而实现巡检机器人的整体的跨越障碍物的功能。


  手爪部分主要由机械手爪、驱动电机、传动轴、固定螺栓、丝杠、固定底座、外壳等部件组成,如图2.6示,由驱动电机带动丝杠转动,丝杠驱动螺母与齿条作直线运动,齿条与齿轮啮合带动手爪开合轴转动,以实现手爪的开合。


  图2-6机器人子体手爪的设计


  2.4.3机器人子体升降装置的设计


  机器人子体升降机构主要由子体升降装置外壳、升降导向杆、齿轮齿条机构及其驱动电机构成,由电机驱动齿轮转动实现齿条及其连接件的升降,配合其它运动机构实现线路障碍的跨越。


  所有机器人的子体部分由铝合金机构组成,焊接成为一个子体结构框架,将驱动电机固定在固定支架顶部,齿条固定在子体框架的中间部位,通过齿轮齿条结构带动整个子体的上下移动,从而实现机器人手爪的升降,齿条在具有自己的固定滑道,在与固定框架配合时,进行一定的润滑。整体的子体升降装置的设计如图2.7所示。


  图2-7子体升降装置的设计


  2.4.4机器人子体移动装置的设计


  机器人子体移动部分整体结构与子体升降部分类似,由子体移动外壳及端盖、电机、移动导向杆、丝杠螺母等机构等组成,分为左右两个移动装置,如图2.8所示,由丝杠的回转运动转化为机器人子体的左右平移,通过调节滚轴丝杠的间距配合其它机构来跨越防震锤、垂线夹等障碍。其中,外壳和端盖的设计材料可以考虑用铝合金,不仅坚固而且减轻了机器人本体的重量。


  本文设计的机器人移动装,由于本装置在机器人跨越障碍物的同时要承受机器人的母体或者子体的所有重量,所以,选用的滚轴丝杠需要结构江都满足设计要求,另外,为了满足机器人在工作过程中的稳定性,所以选择在机器人的前后两端各选择已对滚轴丝杠来完成作业,这样不仅增加了机器人的整体刚度,更提高了整个机器人的工作稳定性。


  图2-8机器人子体移动装置的设计


  2.5本章小结


  本章对所设计的高压线巡检机器人做了分析,首先分析了机器人的设计方案,然后根据机器人设计原则进行了对巡检机器人的整体分析,运用cad以及三维软件对巡检机器人做了整体的设计并进行了介绍。


  第3章巡检机器人滚轴丝杠的设计计算


  3.1滚轴丝杠的摩擦力预算


  根据本文所设计的高压线巡检机器人的结构特性以及母体与子体之间的采用面接触摩擦运行,首先根据预算,分析两个面的摩擦力预算,首先,底面的摩擦力,机器人自己移动的侧面的摩擦力为=1350N,移动部件的全部质量m=28kg(所受重力W=280N),查表得机器人的原有的预紧紧固力为,取导轨动摩擦系数。


  则:


  (3-1)


  计算在机器人运行状态下的导轨摩擦力和


  (3-2)


  (3-3)


  3.2滚珠丝杠螺母副的轴向负载力以及传动比计算


  计算最大轴向负载力


  (3-4)


  计算最小轴向负载力


  (3-5)


  由于机器人在运动过程中运动惯量很小,所以按最小惯量条件,查得可以直接采用1级传动,传动比可以分别取i1=3。根据结构需要,确定各传动齿轮的齿数分别为、,模数m=2,齿宽b=25mm。


  3.3滚珠丝杠动载荷力以及直径的计算


  根据一般机器人的使用年限预设巡检机器人的工作时间来估算滚珠丝杠预期的额定动载荷。


  假设机器人的预期工作时间,滚珠丝杠的当量载荷,查表得载荷系数;查表可得,初步选择滚珠丝杠的精度等级为3级精度,取精度系数;查表得可靠性系数。取滚珠丝杠的当量转速,已知,滚珠丝杠的基本导程,则


  (3-6)


  所有的丝杠传动都是有固定的定位精度要求,并且可以根据定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。


  查表可得机器人设计中的进给系统的定位精度为40,重复定位精度为16,则有


  (3-7)


  取上述计算结果的较小值,即。


  可以根据计算值估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径


  根据机器人在工作过程中会出现稍微的机械振动,所以为了保证滚珠丝杠传动的平稳,保证滚轴丝杠的安装方式拟采用一端固定、一端游动支承方式,滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为


  L=行程+安全行程+2×余程+螺母长度+支承


  ≈(1.2~1.4)行程+(25~30)L0


  取L=(1.4×2000+30×6)mm=2980mm


  (3-8)


  在估算了丝杠的直径之后要进一步确定滚珠丝杠螺母副的型号,螺母的型号要和丝杠完全能够配合。


  根据以上计算所得的、、和结构的需要,初步选择的滚轴丝杠螺母的型号为:FF型内循环螺母,型号为FF3212-5,其公称直径、基本导程、额定动载荷和螺纹底径如下:


  (3-9)


  3.4对螺母副承载能力的校核


  已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径,已知滚珠丝杠螺母副的最大受压长度,丝杠水平安装时,取,查表得,则有


  (3-10)


  设计的巡检机器人进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为,远小于其临界压缩载荷的值,故满足要求。


  滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度,其弹性模量


  ,密度,重力加速度


  滚珠丝杠的最小惯性矩为


  (3-11)


  滚珠丝杠的最小截面积为


  (3-12)


  取,查表得,则有


  (3-13)


  本机器人的进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为166.67r/m,远小于其临界转速,故满足要求。


  滚珠丝杠螺母副额定寿命的校核,滚珠丝杠的额定动载荷,已知其轴向载荷,滚珠丝杠的转速,运转条件系数,则有


  (3-14)


  本机器人的设计经过精确的设计之后,滚珠丝杠螺母副的总工作寿命,故满足要求。


  3.5本章小结


  本章对高压线巡检机器人子体运动中所运用的滚轴丝杠进行了设计计算,首先计算了滚轴丝杠所承受的载荷,然后根据载荷对滚轴丝杠的传动比以及选用的滚轴丝杠的直径进行计算,最后对滚轴丝杠的螺母进行校核计算,从而保证了本文设计的合理性。


  第4章巡检机器人选用轴承的设计计算


  4.1概述


  根据高压线巡检机器人的工作条件环境以及所设计的机器人的结构特性,所以要对所设计的机器人的轴承进行设计计算,特别是机器人的横向移动时要运用滚轴丝杠来完成动作,所以,在滚轴丝杠传动的过程中会给机器人的整体带来一定的横向力,所以根据本次设计的要求选取国外生产的FAG型号轴承为本次设计所用轴承。


  4.2轴承的类型选择


  通过本次设计的高压线巡检机器人的受力分析可知:轴承在滚轴丝杠的工作过程中,既受径向载荷又受轴向载荷。因此,本次设计必须选用角接触球轴承。


  由于本次设计的滚轴丝杠传动,所以对轴承要求相对来说比较高,以选择国外的FAG型号轴承作为本次设计所选轴承。


  主轴前端支撑用角接触球FAG轴承XCB7013C.T.P4S。


  4.3轴承游隙等级的选择


  轴承的设计也会间接的影响到所设计的机器人的整个轴的刚度和平稳性,所以,在设计的对轴承的游离间隙要设计的比较完成,不然会直接影响到机器人在巡检过程中的可靠性等。为了使得滚轴丝杠在工作过程中避免出现大的振动,所以滚轴丝杠采用两支承方式,且前端为主要支承,后端为辅助支承。但是传动的同轴度要求较高,制造装配较复杂。滚轴丝杠也应消除间隙或预紧,且辅助支承必须选用较大游隙的轴承。因此,前轴承选游隙并预紧,辅助支承选用游隙。


  4.4轴承的计算


  根据条件,轴承预计寿命


  Lh5×365×8=14600(4-1)


  1.输入轴的轴承设计计算


  (1)初步计算当量动载荷P


  因该轴承在此工作条件下只受到Fr径向力作用,所以:


  P=Fr=628.20N(4-2)


  (2)求轴承应有的径向基本额定载荷值


  (4-3)


  (3)选择轴承型号


  查课本《机械设计》,选择:


  6208轴承Cr=29.5KN


  由课本式11-3有


  (4-4)


  经过计算可以得到:此轴承合格


  4.5轴承装置的设计


  在进行轴承的计算之后,还需要对整个机器人中所有轴承的装配做一下分析,轴承的装配过程以及装配尺寸等也会影响到机器人后续的工作等,所以,要对轴承的装配过程和轴承的润滑等做简单的介绍。


  4.5.1轴承的配置


  经过查阅质料,在一般的设计过程中,轴承的配置装配中一般是由支点支撑来进行装配配置的,由于本文所设计的高压线巡检机器人的结构主要运用轴承的地方为滚轴丝杠处,所以,本文所设计的结构轴承的装配简单,不需要考虑轴承的几种支撑方式,运用简单的装配关系就能够满足整体的设计需要。


  在本文所设计的机器人中轴承的支撑方式采用单支点双向固定方式来固定。由于机器人中滚轴丝杠的两点跨度比较大,并且在机器人作业过程中机器人子体和母体之间存在着相互脱离的情况,所以,轴承的固定方式必须采用双支点固定,这种固定使得滚轴丝杠在工作中比较牢靠,不易产生倾斜、弯曲等现象。


  4.5.2轴承的配合


  配合的目的是使轴承内圈或外圈牢固地与轴或外壳固定,以免在相互配合面上出现不利的轴向滑动。这种不利的轴向滑动(称做蠕变)会引起异常发热、配合面磨损(进而使磨损铁粉侵入轴承内部)以及振动等问题,使轴承不能充分发挥作用。因此对于轴承来说,由于承受负荷旋转,一般必须让套圈带上过盈使之牢固地与轴或外壳固定。


  配合的选择一般按下述原则进行:


  根据作用于轴承的负荷方向、性质及内外圈的哪一方旋转,则各套圈所承受的负荷可分为旋转负荷、静止负荷或不定向负荷。承受旋转负荷及不定向负荷的套圈应取静配合(过盈配合),承受静止负荷的套圈,可取过渡配合或动配合(游隙配合)。轴承负荷大或承受振动、冲击负荷时,其过盈须增大。采用空心轴、薄壁轴承箱或轻合金、塑料制轴承箱时,也须增大过盈量。要求保持高旋转时,须采用高精度轴承,并提高轴及轴承箱的尺寸精度,避免过盈过大。如果过盈太大,可能使轴或轴承箱的几何形状精度影响轴承套圈的几何形状,从而损害轴承的旋转精度。


  非分离型轴承(例如深沟球轴承)内外圈都采用静配合,则轴承安装、拆卸极为不便,最好将内外圈的某一方采用动配合。所以本次设计的外圈为过硬配合,轴承内圈采用动配合,负荷性质的影响轴承负荷根据其性质可分为内圈旋转负荷、外圈旋转负荷及不定向负荷。


  4.5.3轴承的润滑


  在轴承完成装配以及完全配合后需要考虑轴承后期润滑等问题,由于轴承在工作过程中属于直接接触的滑动方式,所以在运行一段时间之后会出现轴承内经、外径、滚珠会出现划痕等失效现象,所以,必须考虑轴承的润滑形式。合理的轴承润滑会减小轴承工作过程中的摩擦力减小工作阻力,并且会对巡检机器人在工作过程中的振动现象会有很好的作用,根据巡检机器人的工作形式,长期在高空作业,并且工作环境比较复杂,所以本文所采用的轴承的润滑方式为:脂润滑。


  脂润滑在轴承的工作过程中有很多优点,其中油脂会成固态装存在于轴承的内部,不容易外漏并且对轴承的密封性要求较低,非常符合本文所设计的高压线巡检机器人。


  表4.1使用于脂润滑和油润滑的植界限(表值)


  轴承类型脂润滑油润滑


  油浴滴油循环油(喷油)油雾


  深沟球轴承16 25 40 60>60


  调心球轴承16 25 40 50


  角接触球轴承16 25 40 60>60


  圆锥滚子轴承10 16 23 30


  调心滚子轴承8 12 20 25


  推力球轴承4 6 12 15


  4.5.4轴承的密封


  为了使轴承保持良好的润滑条件和正常的工作环境,充分发挥轴承的工作性能,延长使用寿命,对滚动轴承必须具有适宜的密封,以防止润滑剂的泄漏和灰尘、水气或其他污物的侵入。


  轴承的密封可分为自带密封和外加密封两类。所谓轴承自带密封就是把轴承本身制造成具有密封性能装置的。如轴承带防尘盖、密封圈等。这种密封占用空间很小,安装拆卸方便,造价也比较低。


  自带密封又分为非接触式与接触式两种。


  (1)非接触式密封


  非接触式密封就是密封件与其相对运动的零件不接触,且有适当间隙的密封。这种形式的密封,在工作中几乎不产生摩擦热,没有磨损,特别适用于高速和高温场合。非接触式密封常用的有间隙式,迷宫式和垫圈式等各种不同结构形式,分别应用于不同场合。非接触式密封的间隙以尽可能小为佳。


  (2)接触式密封


  接触式密封就是密封与其相对运动的零件相接触且没有间隙的密封。这种密封由于密封件与配合件直接接触,在工作中摩擦较大,发热量亦大,易造成润滑不良,接触面易摩损,从而导致密封效果与性能下降。因此,它只适用于中、低速的工作条件。接触式密封常用的有毛毡密封、皮碗密封等结构形式,应用于不同场合。


  由以上理论本次设计主要采用非接触式密封,优点在于在工作中几乎不产生摩擦热,没有磨损,特别适用于高速和高温场合。前端轴承受力较大,且要求较高故采用间隙密封加一个甩油环密封可靠。后端轴承要求稍低一点儿,选用曲路密封。曲路密封是由旋转的和固定的密封零件之间拼合成的曲折的缝隙所形成的。缝隙中加入润滑脂,可以增加密封效果。根据部件的结构曲路是布置为轴向的.采用轴向曲路时,端盖应为剖分式,当轴因温度变化而伸缩或采用调心轴承感作支承时,都有旋转片与固定片相接触的可能.根据实际情况本次设计采用接触式密封。



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