城市路灯杆清洗装置设计（已改）.docx

城市路灯杆清洗装置设计摘要：随着科技的进步，机器人已经日趋广泛应用于工业生产和日常生活中。随着经济的增长，城镇中随之晶立起无数电线杆、路灯杆、大桥斜拉钢索等高层建筑。长期以来怎样绿色环保、高效、低成本的解决这些集实用性与美观性一体的杆状城市建筑的清洗、维护问题，一直是环保工作者们研究的一个课题。论文针对上述市政工程中需要大量爬杆作业的需求，研制出一种基于气动元件的爬杆机器人，该机器人有一定的载重能力，可广泛替代人工应用到市政爬杆作业中。在比较几类爬行机构的优劣的基础上，确定了机器人本体的大致结构，采用气动元件实现机器人的爬升运动，电机带动双向螺旋机构运动进行机器人手臂的夹紧。随后根据路灯杆的尺寸数据，设计估算出机器人的各零部件的尺寸与质量，据此，确定气缸和电机的型号。最后，对各个元件进行校核验算，设计出爬杆机器人。关键词：爬杆机器人；气缸；攀爬DesignofcleaningdeviceforstreetlamprodABSTRACTzWiththedevelopmentofthescienceandtechnology,roboticshavebecomemorewidelyusedinindustrialproductionanddailylife.Withthegrowthoftheeconomic,therearealotofhigh-risebuildingssuchasthepoles,theroadpolesandcable-stayedbridgesappearedinthenumerouscitiesandtowns.Howtosolvethecleaningandmaintenanceofthesesetswithgreenenvironmental,highlyefficientandlow-costmethodintegratingwiththeaestheticsandpracticability,whichissubjectofstudyforenviron-mentalprotectionworkersforalongtime.Inthispaper,akindofpneumaticpole-climbingrobotwasdesignedforsatisfyingthegreatdemandsonpole-climbingtasksincityplanningengineering.Therobothascertainloadcapacity.ltcanbewidelyusedincityplanningpole-climbingtasksinsteadofmanpower.Basedoncomparedthemeritsanddemeritsofseveralkindofcrawlingmechanism,wedeterminethegeneralstructureofrobotbody,adoptpneumaticcomponentsofclimbingrobot,motordrivetwo-wayspiralmovementmechanismmotionfortheclampingrobotarm.Thenaccordingtothesizeofreadingdata,designofrobotestimatethesizeofcomponentswithquality,accordingly,determinethecylinderandmotormodel.Finally,thetestofeachelement,climbbare-footedrobotisdesignedKeywords:pole-climbingrobotcylindersped目录1绪论31.1 论文研究的目的和意义31.2 国内外研究现状以及存在问题31.2.1 机器人的分类41.2.2 国内外研究现状41.2.3 目前存在的问题51.3 本论文的研究工作52爬杆机器人仿生结构分析研究72.1 仿生机器人概述72.2 总体方案分析82.2.1 贴附功能分析82.2.2 移动功能分析92.3 本章小结103爬杆机器人结构方案设计113.1 总体结构设计113.2 夹紧装置分析研究113.3 爬升动力系统分析研究113.4 爬杆机器人运动原理123.5 本章小结134主体尺寸参数的设计校核144.1 爬杆机器人各零部件尺寸设计144.1.1 贴附功能分析144.1.2 丝杠144.1.3 夹紧手臂154.1.4 电机164.1.5 估算上部分总质量164.1.6 气缸164.1.7 估算整体质量174.1.8 计算工作所需夹紧力174.1.9 电机的选择计算与定型174.2 滑动丝杠传动的设计计算及校核184.2.1 传动螺纹选择184.2.2 耐磨性计算及选材194.2.3 校核验算194.3 齿轮传动设计204.3.1 选定齿轮类型、精度、材料及齿数214.3.2 按齿面接触疲劳强度设计214.3.3 按齿根弯曲疲劳强度设计计算224.3.4 几何尺寸计算234.4 轴承选用234.4.1 直线轴承介绍244.4.2 直线轴承选择244.5 联轴器244.6 本章小结26结论27参考文献28致谢301绪论1.1 论文研究的目的和意义随着中国国民经济和提高人民生活水平的快速增长，全镇己竖立在城市众多的高层建筑中，各种实用和美观的市政和商业项目如两极发展，路灯杆、斜拉桥索、广告牌柱（图17）,他们是通常5-30米，有的甚至高达100米，墙漆、电镀、玻璃和钢结构，由于常年暴露在大气中，长时间暴露在风和雨将影响它的外观，在空气污染的同时，将混合这些城市建筑尤其是金属杆的损伤，使他们快速生锈，缩短其使用寿命，他需要定期的墙壁清洁和维护工作。图IT杆状城市建筑物为了保持清洁、美观，每年至少要清洗几次这些建筑物。目前，传统的清洗方法有手动清洗和高压水枪清洗方法。其中，吊篮上的清扫工人进行人工清扫进行高空作业，高空作业有很大的危险性，工作效率很低。化学剂使用的洗涤剂具有较强的毒副作用，对人体健康造成危害，对环境造成污染。高压水枪清洗能耗比较大，成本高，在使用高压水枪清洗时，它不能左右车辆，行人通行，会影响交通。其他如高空作业：杆状市建筑涂料、喷漆、检查、维护，电力系统，架设光缆维护工作主要是通过人工和大型设备上完成的，但他们有效率低，劳动强度大，能耗高，污染严重等负面问题。随着机器人技术的出现和发展和人们自我保护意识的增强，渴望用机器人代替人工操作，以高风险、自由人从危险而严酷的环境中，繁重的工作。研制可应用于实际中的爬柱清扫机器人具有重要意义。具有良好的经济效益和社会效益。采用爬杆机器人将大大降低清洗成本，改善工作环境，提高劳动生产率。本文针对一种新型设计，开发结构简单、经济、方便的圆柱市设施运行可配备清洗、爬杆机器人设备的维护，支持清洁，为了解决城市空间影响城市公共设施存在的美丽。1.2 国内外研究现状以及存在问题机器人是一个新的世纪，人类伟大的发明，是一种传统的机制，结合现代电子技术、计算机科学、控制论、机械产品、技术等多学科的综合性高新技术产品信息科学和传感器，这是一个仿人操作的自动化设备，高速运转，重复运行精度高，机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产和科学研究的根本性的变化，并将对人类的社会生活产生深远的影响。机器人产.业已成为应用最广泛、发展最快的高新技术产业之一。机器人作为高科技领域的一个重要分支，将成为第二十一世纪经济技术竞争的制高点。1.2.1 机器人的分类各种类型的机器人，从应用环境，机器人将被分为两类：工业机器人和特种机器人或分为两大类：工业机器人、仿生机器人的环境下制造业和非制造业的服务环境。仿生机器人是未来机器人领域的发展方向，根据仿生学角度可分为：蝗虫爬行机器人、蜘蛛爬行机器人、蛇形机器人、爬行机器人。根据驱动方式可分为：气动爬行机器人、电动爬行机器人和液压驱动爬行机器人。按行走方式可分为：轮式、履带式、爬行，多足型等。根据工作空间，机器人可分为管道爬行机器人、爬壁机器人、球形爬行机器人、陆地移动机器人、水下机器人、无人飞行器、空间机器人等。根据使用功能可分为：圆弧爬行机器人、检测、清洗爬壁机器人、爬行机器人、升降式爬壁机器人、医疗机器人、军用机器人、辅助机器人、爬行机器人、爬行机器人玩具等。根据不同的驱动方式和功能可以爬行机器人具有不同的结构和设计各种用途，如气动管道爬行机器人检测，电磁吸附多足爬行机器人、电焊弧光的爬壁机器人，每一种形式的机器人有各自的应用特点。1.22 国内外研究现状机器人是家庭的机器的一员，爬壁机器人因为克服重力的影响需要可靠地连接到登高面和自主移动，完成工作的具体情况，从不同的平面移动机器人、爬壁机器人是机器人的一个重要分支，机器人的运动表示形式是多种多样的。首先研究和研究最多的是爬壁机器人，适用于高层建筑、水电站等垂直墙体和大型球面的危险作业。对于管道外壁表面，车轮移动成型，可改变其形状，可用于石油化工企业水平管道的检查和诊断。国内外学者很早就对爬行机器人的研究工作，目前，国内外一些附件自动爬行机理提出了对主要电气机械式电动液压爬杆机器人的杆体表面，爬杆机器人、气动蠕动式爬杆机器人等。本实用新型涉及一种由电机驱动链轮、皮带轮和齿轮传动卡杆体在同一方向转动的电动机械履带。螺旋运动的爬壁机器人爬行运动是由车轮的安装位置确定，倾斜轮滚动方向与水平面，使车轮转动时形成的杆体是螺旋轨迹沿轨迹通过电机换向机构可上下移动来实现。电动机械爬壁机器人和螺旋运动爬壁机器人由电机驱动，带动滚筒压杆体。如果工作阻力和重力大于摩擦，它不能安全操作，并且机器人的整体结构更复杂。气动蠕动式爬杆机器人采用气缸驱动机制实现交替夹紧和移动过程中，气缸爬行运动时，循环下夹紧缸、上缸释放，升降油缸活塞杆，上升；上夹紧缸，下缸松动，升降气缸体上升，崛起的下部。如此反复，机器人可以爬行。气动蠕动式爬杆机器人的控制空气压力的上下运动，需要空气、气动控制系统，使设备成本高。国外东京大学的代表已经开发出一种关节式步行机器人，可水平或垂直直杆爬行，可跨法兰阻挡，平行杆，可绕T杆和L杆爬行。国内有一个典型的斜拉桥缆索涂装机器人研究所的气动蠕动式缆索机器人维修上海交通大学研究和发展各种电缆倾斜蠕变，可完成电缆的检查和清洁工作，并具有一定的智能性。清华大学研究设计的爬壁机器人采用重力锁定机构，该机器人通过重力压缩球滑块锁定在墙上的杆上，可以爬行小范围的变直径杆，但结构只能单向爬行。该机构可以提高爬升和返回，但需要添加一组气动控制设备。目前实现变直径杆爬行和返回，只能依靠气动爬行器来解决，其升降靠压力控制，设备成本高。电动机械管道爬行机器人，国内典型的陕西科技大学开发的爬杆机器人外。哈尔滨工程大学开发的沿桅杆或绳索爬行机器人，曲柄连杆机构作为传动机构连接，机器人是由两个类似圆套形双V型爪，一双槽凸轮、较链、压力传感器、连杆、嵌入在探测器和电机配件上滑。1.23 目前存在的问题爬行机器人并不少见，但一般来说，用于移动或多足摩擦表面采用腹部扭转这种机器人。更重要的是，普通的机器人，由于体积或动作的影响，不能在一些特殊的地方工作，如管道、墙壁等特殊用途的区域。从以上说明说明，国内外设计的各种机械履带都有一个缺陷：它们大多采用凸轮夹紧凸轮机构，是不是由于伸缩性，履带只能爬行一定直径的等径杆。目前，实现变径杆只能依靠气动蠕动爬行的爬虫来解决，它的兴衰是由气压控制，也需要空气、气动控制系统，使设备成本和维护成本较高。目前国内外对这种爬行机构的研究还不够深入。鉴于需要，绿色环保。因此，有必要制造一个气动设备取代繁琐和可变直径的爬杆使用简单机械结构的研究，在爬行的过程中，同时可以进行其他清洁能源来实现光杆和其他杆状城市建筑清洗操作设备。1.24 论文的研究工作首先查找资料文献，研究分析国内外各种爬杆机器人的结构方案找出它们的优缺点。提出爬杆机器人的设计方案并筛选满足本论文条件的爬杆机器人。本课题的思路以及研究过程如下：D分析爬杆机器人各种结构模型；2）建立爬杆机器人的结构模型；3）提出本论文爬行机器人的结构及设计方法、设计准则；4）完成爬杆机器人的结构设计各部件尺寸设计；5）零部件的校核计算;2爬杆机器人仿生结构分析研究2.1 仿生机器人概述仿生机器人是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。目前在西方国家，机械宠物十分流行，另外，仿麻雀机器人可以担任环境监测的任务，具有广阔的开发前景。二十一世纪人类将进入老龄化社会，发展仿人机器人将弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题，并能开辟新的产业，创造新的就业机会。渤运动仿生地下运动仿生生命经过几百万年的进化，由于遗传和变异，已经形成了从执行、感知、控制、信息处理、组织到其他方面的优势和优势。本课题的仿生机器人和前提的存在是在长期的生物自然选择和进化后，实施、信息处理、环境适应的结构和功能、自学习等方面具有较高的合理性，科学性和进步性。非结构化和未知环境，复杂的微妙的艰巨任务和高精度，高灵活性，高可靠性和高智能的要求是客观的动态仿生机器人的提出和开发:物运动仿生L凝颜而碑I行运动仿生如仿生鞋眼等听觉仿生Th仿生编蝠耳等一感知（信息）仿生卜一"11r<<三H其他感生f单向导航仿生一f碰重韩定位等AYT一如仿生皮肤等图2T仿生机器人主要研究内容仿生机器人是机器人发展的最高阶段，它既是机器人研究的最初目的，也是机器人发展的最终目标之一。仿生机器人是模仿自然界外部形态和某些功能的机器人系统。从仿生学角度看，仿生机器人是仿生学技术的完美综合应用。在本质上，所谓的“仿生机器人”是指各种光、机、电、液等无机成分和有机功能体配合设置的运动机制和行为模式，认知与信息处理、模式的计算推理控制与协调、能量代谢和物质结构与先进的生活形态特征等方面可以在非结构化环境下的未知，灵活，可靠和准确，高效地完成复杂任务的机器人系统。人爬树时（如图2-2）,两脚夹紧树杆，两腿一蹬，两手抱住树杆上移，然后两手抱紧树杆，收腿提脚上移，一步步向上爬行，这就是本课题所研究的爬杆机器人在生物中找到的例子。图2-2爬树姿势2.2 总体方案分析欲使机器人在壁面上自由地移动，必须具备两种功能：贴附功能与移动功能。总的来说，贴附方式有吸附式和夹持式这两种，运动移动方式有轮式、履带式、腿式和蠕动式移动这四类。这些不同的方式可以进行多种组合，构成多种风格不同用途的爬壁机器人。221贴附功能分析吸附方式通过表面接触方式靠近壁面，夹持式通过点夹在杆上。真空吸附和吸附电磁吸附，真空吸附更多的使用，因为它不是在墙上的要求非常严格；电磁吸附能力，适应性强，但其应用范围较窄，栏壁含有电磁场可吸附铁、银、钻等材料。下面的表2-1是对各种贴附方式的优缺点做一个简单的比较。夹持式的贴附方式是运用机械手臂，由机械手的夹紧力产生的摩擦力使机械手夹紧在杆体上，这种方式的优点是能够适应任何壁面，对工作环境没什么特殊要求。吸附式有真空吸附和电磁吸附两种，真空吸附又分为使用真空泵吸附和喷射器吸附两种，电磁吸附方式大致有永磁体吸附和电磁体吸附两种，下面在表2T中列出做一些比较介绍。表2-1贴附方式的比较贴附方式概要特点夹持式机械手由夹紧力产生的摩擦力使机械手夹紧在杆体上能适应任何壁面吸附式真空吸附空泵真设置许多吸盘，由真空泵装置产生吸附力，使机器人吸附在壁面上可实现小型、轻量化，无需附加供气装置，但要求壁面有一定的平滑度喷射器在本体上安装喷嘴，由喷射器经喷嘴将压缩空气喷出，其周围形成真空，吸附在壁面上能效低、噪音大，且需要供气装置，但对壁面的适应能力强电磁吸附磁体永由永磁体产生吸附力，吸在壁面上吸附时不需要外部能量，但只适用于导磁性壁面的吸附磁体电电磁体通电将其吸附在壁面上吸附时需要电能，也只适用于导磁性壁面的吸附真空泵吸附是在吸盘上设置许多小的吸盘，由真空泵装置产生吸附力，是机器人吸附在壁面上，其特点是可以实现小型化、轻量化，但是对工作环境有一定要求，壁面必须有一定的平滑度。喷射器吸附是在机器人机构上安装喷嘴，由喷射器将空气压缩再经喷嘴喷出，使周围形成真空，从而吸附在壁面上，这种形式的机器人可以达到很高的真空度，对壁面的适应能力也很强，但是工作噪音大，能效低，而且需要供气装置。永磁体吸附的方式是由永磁体产生吸附力，吸在壁面上，吸附时不需要提供外部能源，但是只适用于导磁的壁面的吸附。电磁体吸附方式是将电磁铁通电使其吸附在壁面上，与永磁体吸附方式不同的是这种方式需要电能，而且可以控制磁体的通电，也是只适用于导磁性壁面的吸附。2.22移动功能分析在移动机器人系统的设计中，首先要考虑机器人的使用，因为移动机器人的移动机构因用途不同而不同。此外，还要考虑工作环境、耐久性、稳定性、机动性、可控性、复杂性、生产规模和成本。作为一个爬杆机器人，根据现有的研究，有多种移动模式可供选择：轮式的移动速度快，容易实现转弯，控制也方便，但是与壁面的接触面积小，容易打滑，越障能力较差。履带式的接触面积大，承载能力大，移动速度相对其他方案快，对不同壁面的适应能力强，但是履带的结构复杂，机动性能差，工作时的磨损比较大。腿式的机构越障能力强，承载能力也大，机动性能比较好，拥有很强的壁面适应能力，但是结构十分复杂，因为是间歇运动故速度慢，关节和各个腿脚的控制复杂。蠕动式机构的承载能力大，运动平稳，适应各种环境的能力比较强，控制也简便，但是结构复杂，而且运动速度也比较慢。要求所要设计的这种爬行机器人，它的工作对象为各种型号的城市杆状建筑，要求有一定的承载能力、接触面积小、速度适中，适应能力强，能够跨越一般的障碍物。通过比较各种方案，决定使用一种气缸驱动爬杆机构设计方案，该方案能基本满足课题所设定的工作状况。在爬行机器人结构中这种爬行结构具有很多优点，可实现在运动方向上任意长的距离提升重物，较同功能的其它机构，能获得更大的锁紧力，从而可传送较重的物体，结构简单紧凑、运行平稳，控制简便，还可以根据使用要求，作各种变形设计。2.3本章小结本章主要谈及机器人的运动原理一仿生及攀爬中的若干问题。第一节简要的概述了一下仿生机器人的起源和发展以及它的一个主要研究内容，第二节对机器人的各种贴附方案和移动方案进行了详细的介绍和比较，并简要的介绍了下本论文所需要研究爬杆机器人在这方面的要求等。3爬杆机器人结构方案设计爬杆机器人的主要用途是作为杆上传送的载体，本体结构设计是爬行机器人的核心部分，要求承受一定的负载并能保持稳定的爬行动作。因此首要的目标是使机器人能够在较长的爬行距离内安全可靠的爬行，在此基础上，进一步的使机器人移动灵活，结构简单，操作方便，满足一定的技术性、经济性要求。3.1 总体结构设计本课题所设计机器人的运动方式其实是一种蠕动爬行，蠕动是一种周期性的动作，蠕动体的姿态呈现某种规律性的变化。我们所设计的爬杆机器人的本体部分主要由三个机械单元组成，分为上、下夹紧机构和传动机构，传动机构在中间分别与上、下夹紧机构相连接。上、下夹紧机构分别起着保持夹紧的作用，而躯干部分则起着上下推进的作用。3.2 夹紧装置分析研究根据移动机器人的运动特性，夹紧机构是关键，夹紧力所产生的机器人应该能够保证在夹紧杆单运动结束后，机器人在一个单一的工作保持稳定，夹紧-运动过程可以进行自由放松。考虑到工作环境和机器人系统的性质，有两种类型的夹紧：机械和气动。两种方式可以产生足够的夹紧力，各有其优点。气动夹紧装置，夹紧力调整方便，工作状态稳定可靠，但需要气源和气动控制系统的支持。对夹紧机构的要求是：能产生足够大的夹紧力、放松和夹紧收放自如、结构简单、运动可靠、质量轻。结合实际情况，选用机械夹紧装置，夹紧装置的主体是一个双向丝杠，由电机带动丝杠旋转，具有自锁功能的丝杠产生的轴向力带动两个机械手臂相对运动，从而实现对杆体的夹紧。3.3 爬升动力系统分析研究目前对于机器人的动力系统有多种不同的选择方案，可以采用液压驱动、气压驱动等不同的方式23-241。不同的动力系统适用不同的工作环境，按照具体的要求来选择合适的动力达到预定目标。表3-1为不同的驱动方式的性能对照表。表37驱动方式性能对照表项目技术要求动作速度稳定性驱动力环境要求控制距离经济性系统结构使用维护速度调整气压驱动较低较快较差中等适应性好中等便宜简单简单容易液压驱较高较慢良好最大不怕振短较贵稍复杂较高容易动动电气驱动较低慢很好较大一般短一般复杂简单困难液压驱动系统一般使用2T5MPa的油液驱动，能够产生很大的驱动力，但是其系统体积大，比较笨重，工作中有漏油的问题，而且维护起来比较麻烦，故不适合在本系统中使用。电动驱动是利用各种电机产生的力或力矩，直接或通过减速器直接驱动负载来获得机器人运动所需的要求。电气传动具有控制方便、精度高、响应快、使用方便、易于监测、传输和处理、效率高、对环境无污染等诸多优点，但是其动作速度慢，总体结构复杂，速度调整起来比较困难而且工作距离短，所以也没有选用电气驱动的方式。气压驱动使用压力通常在0.4-0.6MPa,最高可达IMPa。气压驱动响应速度快，结构简单，控制方便，价格便宜，使用维护起来相对液压驱动简单许多，综合上面各个方案的优缺点，考虑到经济性、可靠性等多个方面，选择气缸驱动的方式来实现机器人的上下攀爬运动。3.4 爬杆机器人运动原理爬杆机器人的总体结构如图3-1所示。结合图37可以看出，机器人的爬行动作原理可分为以下6步:1）下电机转动，带动下丝杠旋转，使手臂夹紧在圆柱杆上。2）上电机转动，带动上丝杠旋转，让上手臂松开。3）气缸向上推动，运动到指定位置后，停止运动保持。4）上电机转动，带动上丝杠旋转，让上手臂夹紧杆子。5）下电机转动，带动下丝杠旋转，使手臂松开圆柱杆。6）气缸收回，带动机器人下部分向上运动。上述为爬杆机器人的一个运动周期，每运行一个周期，机器人整体向上爬行一次，重复上面6个步骤就可以实现机器人机械手之间的协调动作和机器人整体的攀爬运动。3.6 5本章小结本章主要介绍了爬杆机器人的结构设计方案，第一节提出了机器人的大致总体结构构想，第二节对比分析了机械式和气、液压式夹紧装置，第三节对动力爬升系统进行了具体分析研究，第四节阐述了爬杆机器人的工作原理。4主体尺寸参数的设计校核4.1 爬杆机器人各零部件尺寸设计在估算零件质量的过程中，忽略小孔及倒角、圆角，对丝杠作光杆处理，尺寸按较大方向来选取。4.1.1 贴附功能分析为了减轻机器人的质量又能够达到工作所需要的强度，选用底板材料为铝合金,密度尸2.85的件，底板结构及尺寸如图4T所示：图47底板厚度为15mm,估算底板的质量叫,趣VS>50×16+×50×60×15120(kM3(4Dmx板斗底板XP=1200X2.85=3420g(4.2)4.1.2 丝杠要求所设计机构能够适应完成10-30Cln圆柱体的攀爬运动，经过设计计算初步将丝杠工作长度设计成150mm,直径32mm,两端长度各为40mm,直径20mm,丝杠材料选择调质45号钢，密度p=7.85gcm3，弹性模量为196206Gpa,丝杠结构如图4-2所示：图4-2丝杠估算丝杠的质量：小杵夕½t“ 7.85 3J4(g) ,8+3J4(专)×I5=7.85gcm3× 112cm3=885g(4. 3)4.1.3夹紧手臂手臂材料选择钢材，密度方7. 85gcm3;夹爪于手臂之间用螺钉连接，其结构如图4-3所示:图4-3手臂(4.4)(4. 5)Vf=5×22×0,5÷2×20×5×0.5+2×8×l3O×O.3=l89cm2myw=Vfw×P=189×7.85=1505.15g4.1.4 电机电机质量估算4000g。4.1.5 估算上部分总质量机器人上部分总质量：m=men+2×mfm+mk板+4Xm&+2xm木干=4000+2×1505.15+3202+4×95+2X885(4.6)=12362.3g还有齿轮以及一些小零件(螺栓、橡胶片、联轴器等)估取m=15kg.4.1.6 气缸根据所需的力来确定活塞杆的推力和拉力大小。应选择气缸，使气缸的输出力略有余量。如果选择小孔径，输出功率不够，气缸不能正常工作；但直径过大，不仅设备笨重，成木高，而且耗气量增加，造成能源浪费。下面是气缸理论力的计算公式：/;Pul)(4.7)气缸的工作效率为85%,则气缸理论输出力：IV)=I76.47V(4.8)设气源压力为0.5Mpa,则了.心二；,计算得出D=21.32mm:查机械设计手册，选择QM系列气缸，气缸直径为25Inn1,气缸的结构及安装尺寸如图4-4所示。图4-4气缸基本尺寸如下(mm)：缸径：25MMrMlOx 1.25NNrM27×2PPrZG 1/8A:22B:15C：58D:37.7E:34L:1204.1.7估算整体质量M=2xm+2×m=2× 12362.3+2×4000=32724.6g(4.9)估算选取M=36kgo4.1.8 计算工作所需夹紧力摩擦材料选择橡胶，橡胶对铸铁摩擦系数z360iom.;三0,8.2f=G,三-=180N.(4.10)N=!三=225nu0.8所以工作所需夹紧力为225N。4.1.9 电机的选择计算与定型电动机俗称马达，是一种将电能转化成机械能,并可再使用机械能产生动能，用来驱动其他装置的电气设备。它是将电能转变为机械能的一种机器。电机的工作通常是电机的旋转部分，这就是所谓的转子电机；有直线运动，称为直线电机。电动机可以提供范围广泛的功率，从兆瓦到千瓦级。该电机的使用和控制十分方便，自启动、加速、制动、逆变电源，能满足各种操作要求；电机工作效率高，无粉尘、异味，无环境污染，噪音小。由于其优点，广泛应用于工农业生产、交通运输、国防、商用及家用电器、医疗电气设备等方面。下面进行电机的计算选型，上文经过估算已近计算得出，工作所需的夹紧力为225N,则Fa1=N=225N=1I25NIan0.2计算工作所需电机转矩：必=0如“0892Nm22(4.11)(4.12)(4.13)根据转矩查相关机械手册，选取电机型号40YBOl电机+标准减速箱；电机额定转速为260rmin,额定转矩为1.3Nm,质量4kg;外形、尺寸如图4-5所示。4.2滑动丝杠传动的设计计算及校核螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转化为直线运动或将直线运动转化为回转运动，同时传递运动或动力。螺旋传动根据螺纹副的摩擦情况，可以分为三类：滑动螺旋，滚动螺旋和静压螺旋。滑动螺旋构造简单、加工方便、易于自锁、但摩擦大、效率低（一般为30%-40%）、磨损快，低速时可能爬行，定位精度和轴向刚度较差。静压螺旋实际上是采用静压流体润滑的滑动螺旋。静压螺旋传动效率可达99%,但结构复杂，需要供油系统。滚珠丝杠传动是滚动螺旋传动的一种，其运动平稳，传动效率高，精度也很高，但结构稍显复杂且价格较贵。综合起来看，本课题爬杆机器人的精度要求并不是很高，鉴于构造简单及经济性原则，选择滑动螺旋传动来实现。滑动螺杆传动的主要失效形式是螺纹磨损，因此螺杆的直径和螺母的高度通常取决于耐磨性。应力传递螺钉应检查螺钉的危险截面强度，青铜或铸铁螺母的调节螺钉，以及调节螺钉承受的载荷，应检查螺纹的抗剪强度和抗弯强度。自锁螺钉应检查其自锁。螺钉的精度应由精密导螺杆检查。当螺杆的压力、长度与直径之比非常大时，很容易产生侧向弯曲，应检查其稳定性，螺杆的长度越长，速度越快，横向振动的可能性越大，而且还检查临界转速。调整螺旋和部分传力螺旋要求自锁时，一般采用单头螺纹；为了提高传动效率以及要求较高的直线运动速度，可采用多头螺纹，以得到较大的螺纹升角和导程。4.21传动螺纹选择梯形螺纹工艺性好，切牙根强度高，对中性好，是最常用的传动螺纹，传动螺纹选用梯形螺纹，牙型为等腰梯形，牙型角=30°,高径比y=1.50(1)自锁性验算： 要求自锁时,4x10003.14xO.O2533.40.2x0.025(4.(15)(4.(16)(4. 17)(4. 18)r=0,6=0,6×90=54Mpa宁夏大学新华学院2016届本科毕业设计42.2耐磨性计算及选材丝杠材料选用45号钢，螺母材料同样也选用45钢。查表得，许用压力P=7513Mp¾选择P=8Mp摩擦因数为0.ll0J7,选择f三0.Q从耐磨观点计算所需的中径，0.8=27Jmm(4根据(GB/T5796.1-5796.31986)选择丝杠标准公称直径d=32mm.丝杠螺距P=6mm,牙顶间隙a=0.5mm,中径d2=d-0.5p=32-0.5×6=29mm,d3=d-2h3=32-2×(3+0.5)=25mm。螺母高度H=Yd2=1.5×29=43.5mm,圆整成整数为44mm。螺母旋合圈数n=HP=446=7.33,n10-12,满足条件。4.2.3校核验算当量摩擦角Pqldtan;p=arctan(fcos)o=arctan(0.12/cos15o)=8.25odtanp=3.14×32×tan8.250=14.57mmP<dtanp,符合自锁条件，可以实现自锁。(2)丝杠强度校核验算：在当金应力S=J)'+)5,时,丝杠强度通过。查表计算得，许用拉应力：=0.25×o=0.25×360=90Mpa7-吟的(7.小)WIooOXtan(8.25.3.7«)=3.4.4o,丝杠强度验算通过。(3)螺母螺牙强度校核验算：查机械手册得，许用弯曲应力：o=l.l×=l,l×90=99Mpa许用切应力梯形螺纹螺牙根部宽度b：b=0.5P=0.5×6=3nm(4.D)梯形螺纹螺纹的工作高度H:Hl=0.5P=0.5×6=3nm(4.20)螺牙切应力的计算：丝杠FI(XX)(4.21)djtm3.14x0.025x0.003x7.33螺母F100026.54帆(a22)匕乙乙)3.140.033×O003x7.33丝杠弯曲应力的计算：丝杠3FH.3×IO0.003：17379Mpa/T一J-(4.23)3.I4xO.O25xO.TO32x7.33螺母3lOOOO3l36bMpa(4.24)3.I4xO.O33xO.OO32x733丝杠切应力Hn螺母切应力日Il丝杠弯曲应力。4Wol螺母弯曲应力4o:螺母螺牙强度校核通过。(4)稳定性校核计算细长比4查机械手册得，长度系数U=0.5(4. 25)4l4O.55O入40,符合要求，故无需校核丝杠的稳定性。4.3齿轮传动设计齿轮传动是利用主、从动轮直接传递运动和动力的装置。齿轮传动是利用两齿轮轮齿啮合传动和机械传动的运动。根据齿轮轴的相对位置、圆柱齿轮传动的平行轴、锥齿轮传动与交错轴斜齿轮传动的交点。木实用新型结构紧凑，效率高，使用寿命长。齿轮传动是各种机械传动中应用最广泛的一种，它可以用来传输相对短距离的两个轴之间的运动和动力。齿轮传动的特点是：齿轮传动平稳，传动比准确，工作可靠，效率高，寿命长，使用功率大，速度快，尺寸范围大。如传动功率由小到数十万千瓦；速度可达300米/秒；齿轮直径从几亳米到超过和20米。但齿轮需要特殊的齿轮制造，啮合传动会产生噪声。4. 3.1选定齿轮类型、精度、材料及齿数(1)按工作要求，选用直齿圆柱齿轮传动。(2)大小齿轮的材料选用40Cr,表面淬火，表面硬度为HRC48-55。(3)因为表面淬火，轮齿变形小，采用七级精度。(4)试选小齿轮齿数z=20,z2=uz1=l.6×20=32o4.3.2按齿面接触疲劳强度设计根据设计公式进行试算，即“2告等.俺J确定上式中个参数试选载荷系数K,=L6;小齿轮传递的扭矩为T=2xl(Nmm查表，选齿宽系数=0.4;g表，得弹性影响系f(Z=189.8Mpa;按齿面硬度中间值HRC52,查得大、小齿轮的接触疲劳强度极限为：Onliml=Olim2=1170Mpa重合度系数Z,断面重合度：=M-3.32(WW)cosOF.S2产岁.0909计算应力循环次数：N1=60n,jL=60×260×1×(300×15×8)=0.5616×10o次N2=0.5616×1071.6=0.351×10o次查图，得接触疲劳寿命系数：K=0.92,KN2=0.90;计算接触疲劳许用应力：取安全系数S=I,则ffl«5；Z«野空.1076.4Mpr1I0.95l7()可”：=4；=UlL5M”计算;(4. 26)(4.(27)(4.(28)(4. 29)(4. 30)(4. 31)(4. 32)设计公式中带入。.中较小的值,得©=59.37mm计算小齿轮分度圆圆周速度:8.09njJrdUnl_3.14x5937x26060x10060x100计算齿宽:b=d=0.4×59.37=23.748mm计算齿宽与齿高之比：模数m,=dZ=59.37120=2.9685mmSjh=2.25m,=2.25×2.9685=6.68mmhh=23.7486.683.6计算载荷系数：查图，由v=8.09ms,7级精度，得K,=1.12;查表，得Km=K7a=l.l,K4=1,Km=1.43,Kp=1.37;故，载荷系数：K=K4KKmKp=Ixl.12×1.1X1.43=1.72计算模数：m=d1z1=60.8