机械手-高空作业机器人设计.zip

0毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目设计（论文）题目:高空作业机器人设计 院 系 名 称:院 系 名 称:专 业 班 级:专 业 班 级:学 生 姓 名:学 生 姓 名:导 师 姓 名:导 师 姓 名:开 题 时 间:开 题 时 间:指导委员会审查意见：签字：年 月 日11 课题研究的目的和意义1.1 设计目的 高空作业机器人设计是为实现无攀爬式全自动高空接线而设计的机器人装置。裸高压导线输电线路的备用导线高空接线，其绕线轨迹不规范、转子线圈的线径粗、折弯力较大、折弯运动空间受限等，给高空接线增加了难度，而多自由度的高空全自动绕线装置的研究是高空接线中亟待解决的瓶颈问题。本课题根据仿生学和机器人学的原理，运用常用的机械运动机构及其组合，实现高空握持导线、不规则的圆周绕线运动和横向进给运动的全新自动绕线机器人的研究。1.2 设计意义 机器人可以代替人进行繁重、危险的劳动，显著减轻了工人的劳动强度和工作负担，大大改善了劳动条件，提高了劳动生产率和自动化水平。在高空裸导线的接线中，以前都需要操作人员攀高接线，劳动强度大、安全性不可靠；而无攀爬式全自动高空接线机器人能够代替工人进行高空作业，避免了工作中潜在的各种危险，同时提高了工作效率，并且减少了高压输电线路的电流损耗，也为低碳经济提供了一个新的探索方案。该设计经济实用性高，具有光明的发展前景。2 文献综述 2.1 现状及分析裸高压导线输电线路的高空接线工作，一直是困扰高空作业人员的棘手问题，由于其危险性极大，作业条件艰难，仅靠人力很难做到，所以都是借助高空作业车的帮助来实现的。而高空作业车体积庞大且笨重，耗资巨大，而且在路况不好的地方很难行进，这就导致了很多地区的高空接线工作很难进行。近年来，越来越多的人致力于多自由度的高空全自动绕线装置的研究，试图找到一种简便、经济、安全、有效的方法，来解决这一难题。在一切追求人性化的今天，越来越多繁重、危险和高难度的工作，开始采用机器人（包括机械手）来代替人类完成。无论在国外还是国内，高空接线这种工作都已经考虑运用机器人技术。人类的很多不足都能够通过机器人来弥补，这样不仅节省了人力，而且降低了风险，同时也让机器人得到充分的利用。目前，无攀爬式全自动高空接线机器人还没有真正投入使用，但由于其显著的优越性，即2高效率、安全性高、经济性强等，正在被越来越多的专家学者研究试验，前景可观。本课题设计的无攀爬式全自动高空接线机器人主要实现高空握持导线、不规则的圆周绕线运动和横向进给运动，其主要结构有：1)握持导线机构机械手是一种能模拟人的手臂动作，按预定程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置，主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。机械手按用途分为通用机械手和专用机械手两类；按驱动方式分，有气压传动机械手、液压传动机械手、机械传动机械手和电力传动机械手；按控制方式分为点位控制和连续轨迹控制机械手。机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下，采用液压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.本课题的机械手要能够满足抓住引线、握住导线，并且手臂最好能够进行横向伸缩，而且要具有一定的承载能力，因为在绕线机构缠线过程中，机械手要支撑住整个机构，如果承载能力不够，会出现安全问题。2)全自动绕线机构该部分的主要功能是将导线和引线用绑线缠住，绕线机、齿轮齿条机构、行星齿轮机构等均能够实现绕线动作。(1)绕线机：3绕线机，顾名思义是把线状的物体缠绕到特定的工件上的机器。欧美绕线机以其加工精度高、质量稳定而在国际绕线机市场上占有重要地位。欧美绕线机一般可绕 0.01-2mm 的线径，转动误差极小。绕线机用精密微机控制，以程序控制操作，这些程序极易掌握，人机对话简单，即使工作人员并无绕线工作的经验也可应付自如。目前欧洲生产的绕线机已经趋于自动化，而美国的绕线机介于自动和半自动之间，德国制造的外形比较美观，零件比较讲究，但是造价高。随着国际绕线机市场的蓬勃发展，相互间的竞争越来越激烈，各国的厂家都必须开发出新一代的绕线机。现在主要是趋向自动化的发展方向。全自动绕线机是近几年才发展起来的新机种，为了适应高效率、高产量的要求，全自动机种一般都采用多头联动设计，国内的生产厂家大多都是参照了台湾等地的进口机型的设计，采用可编程控制器作为设备的控制核心，配合机械手、气动控制元件和执行附件来完成自动排线、自动缠脚、自动剪线、自动装卸骨架等功能，这种机型的生产效率极高，大大的降低了对人工的依赖，一个操作员工可以同时照看几台这样的设备，生产品质比较稳定，非常适合产量要求高的加工场合。这种机型由于集成了数控、气动、光控许多的新技术，所以价格小则几万元高则十几万元，价格也使得许多的用户望而叹步，另外由于功能要求决定了该设备的零部件采用了大量非标准件和定制件，所以一旦出现故障相对的维修过程将会很复杂，周期也会比较长。而且这种绕线机多数形体巨大，适合大批量，高精度的工作要求场合，不是本设计的理想选择。(2)齿轮齿条机构：齿轮齿条传动将旋转运动变为直线运动，它的传动功率大，速度范围广，效率高，工作可靠，寿命长，结构紧凑，能保证恒定传动比。但是，这样的机构可以反向驱动，也就是齿条做直线运动来带动齿轮旋转，适合大距离的传动，如机床导轨底下带动拖板箱移动的就是齿轮齿条传动，齿轮齿条机构需要外加锁紧装置，因为齿轮齿条机构不能自锁。而且它的制造及其安装精度要求高，成本高，不适于两轴中心距过大的传动及振动冲击较大的场合。(3)行星齿轮机构：行星齿轮机构有很多类型，其中最简单的行星齿轮机构是由1个太阳轮、1个齿圈、1个行星架和支承在行星架上的几个行星齿轮组成的，称为1个行星排。行星齿轮机构中的太阳轮、齿圈及行星架有一个共同的固定轴线，行星齿轮支承在固定于行星架的行星齿轮轴上，并同时与太阳轮和齿圈啮合。当行星齿轮机构运转时，空套在行星架上的行星齿轮轴上的几个行星齿轮一方面可以绕着自己的轴4线旋转，另一方面又可以随着行星架一起绕着太阳轮回转，就像天上行星的运动那样，兼有自转和公转两种运动状态（将星齿轮的名称即因此而来），在行星排中，具有固定轴线的太阳轮、齿圈和行星架称为行星排的3个基本元件。行星齿轮机构可按不同的方式进行分类，按照齿轮的啮合方式不同，行星齿轮机构可以分为外啮合式和内啮合式两种。外啮合式行星齿轮机构体积大，传动效率低，故在汽车上已被淘汰；内啮合式行星齿轮机构结构紧凑，传动效率高，因而在自动变速器中被广为使用。按照齿轮的排数不同，行星齿轮机构可以分为单排和多排两种。多排行星齿轮机构是由几个单排行星齿轮机构组成的。按照太阳轮和齿圈之间的行星齿轮组数的不同，行星齿轮机构可以分为单行星齿轮式和双行星齿轮式两种。全自动绕线机构要用直径为2mm的细线将直径粗10mm的导线握在一起，然后用1分钟左右的时间完成绕线过程。所以考虑到本设计要求经济适用，效率高，优先考虑行星齿轮机构和齿轮齿条机构，这两种机构较绕线机相比，更符合设计要求，机构轻便，而且价格适宜，具有更强的实用性，更加大众化。除此之外，带传动，四杆机构等也可以绕线，具体设计就要根据设计内容和要求而确定。2.2 初步可行性研究无攀爬式全自动高空接线机器人的主要优点：(1)经济性：现在使用的高空作业车格价一般为几百万不等，经济性低，需要使用者的经济承受能力很强；而无攀爬式全自动高空接线机器人的价格在几千元左右，与前者相比，优越性一目了然。(2)安全性：高空作业安全一直是我国的重中之重，而本设计可避免这一问题，安全性高。(3)效率高：无攀爬式全自动高空接线机器人在绕线过程中的时间约为 1 分钟，而整个过程约为 2 分钟，与较传统的方法相比较，工作效率大大提高。(4)适用范围广：在何种环境均可工作，对工作条件没有特别高的要求，实用性强。鉴于以上优点，无攀爬式全自动高空接线机器人具有很高的可行性。3 基本内容、拟解决的主要问题3.1 基本内容本设计主要完成无攀爬式的高空遥控作业，实现高空握持导线、不规则的圆5周绕线运动和横向进给运动的全新自动绕线。具体内容为用绕线直径为 2mm 的铝质绑线将直径为 10mm 的引线和导线缠在一起，并完成导线的固定工作，绕线用时 1 分钟左右。3.1.1 无攀爬式全自动高空接线机器人的拟实现工作流程(1)用绝缘拉杆插入拉杆插孔后，送机器人接近引线，控制机器人右手抓住引线；(2)送机器人接近导线，控制机器人左右手同时握住导线；(3)控制机器人用嘴咬住导线和引线后，使绑线如舌头一样，勾住导线和引线，同时身体做绕导运动，将绑线缠在导线和引线上；(4)最后，用嘴咬断多余绑线后，工作结束。3.2 拟解决问题(1)机器人手臂要能够抓住引线，并握住导线。(2)绕线机构将导线和引线缠在一起，在绕线结束之后，将绑线两头固定，保证其不会松动。4 技术路线通过查阅资料，明确设计目的，进行总体结构方案的拟定，经过对运动和动力参数的计算，进行绕线机构、握持机构、进给机构等的结构设计，然后进行总体装配图的绘制，最后，绘制主要零件工作图，编写设计说明书。5 进度安排2 月 27 日3 月 20 日：分配任务，书写开题报告；3 月 21 日4 月 10 日：查阅资料，进行设计分析；4 月 11 日4 月 18 日：拟定总体设计方案；4 月 19 日5 月 3 日：运动和力学参数的计算；5 月 4 日5 月 10 日：绕线机构、握持机构、进给机构等结构设计5 月 11 日5 月 30 日：绘制无攀爬式全自动高空接线机器人总体装配图6 月 1 日6 月 10 日：绘制主要零件工作图，编写设计说明书；6 月 11 日6 月 15 日：完成设计，准备答辩。6 主要参考文献1 殷玉枫机械设计课程设计S北京：机械工业出版社,2000.62 郑江，许瑛机械设计S北京：北京大学出版社,1999.3 郭红星，宋敏机械设计基础M西安：西安电子科技大学出版社,1998.4 成大先机械设计手册 单行本 减（变）速器电机与电器S北京：化学工业出版社,1998.5 蒋文萍.移动机械手的设计与分析J.天津大学,2010.6 万海波.多自由度机械手运动性能及动力学分析J.河北工业大学，2007.7 杨可桢.机械设计基础（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.8 刘兵.移动机械手协调控制技术的研究J.河北工业大学，2009.9李亮.机械手对目标物体的抓取J.西华大学，2009.10 李娜.移动机械手路径规划与控制研究J.天津理工大学，2007.11 胡伟.机械手自动抓取钢卷系统的研究J.武汉理工大学，2009.12Yoshiyuki T,Kenichi M.High-response X-Y stem driven by in-parallel linear motors J.CIRPAnnals-Manufacturing Technology,2008,45(1):359362.13Developments in Belt Conveyor Technology，Malpighi Overland Conveyor CoJ，Inc.Presented at MINE 2004Las Vegas，NV，USA September 27，200914Chao C L,Neo u J.Model reference adaptive control of air-lubricated capstan drive for precision positioning J.Precision Engineering,2007,24(4):285290.15 TERSKO,JOHN.Emerging Technologies S.02/15/99,Vol.248 Issue 4,p18,1p,1 Color Photograph,1 Black and White Photograph16 Vita，Cory Michael1.Technical Feasibility of Baling Votive Grass for Use as Load-Bearing Walls.S.Oct2011,Vol.14 Issue 5,p931-940,10pI 本科学生毕业设计高空作业机器人设计系部名称：专业班级：学生姓名：指导教师：职 称：IIThe Graduation Design for Bachelors DegreeStructure Design of No Climbing Full-automatic High Altitude Wiring RobotIII摘 要在一切追求人性化的今天，越来越多繁重、危险和高难度的工作，开始采用机器人（包括机械手）来代替人类完成。裸高压导线输电线路的高空接线工作，一直是困扰高空作业人员的棘手问题，由于其危险性极大，作业条件艰难，仅靠人力很难做到，所以都是借助高空作业车的帮助来实现的。近年来，越来越多的人致力于多自由度的高空全自动绕线装置的研究，试图找到一种简便、经济、安全、有效的方法，来解决这一难题。因此，无攀爬式全自动高空接线机器人应运而生，该机器人通过实现高空握持导线、不规则的圆周绕线运动和横向进给运动等动作，来完成绕线任务。通过对各种方案的对比，决定采用斜齿轮传动绕线，螺旋传动进给来实现主要功能。本设计构思新颖，而且具有结构轻便、经济适用、效率高、安全等显著优势，顺应时代发展方向，具有很高的可行性，适用于各种工作场合。关键词：无攀爬式；自动绕线；斜齿轮传动；进给；螺旋传动IVABSTRACTIn 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.Its 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 录摘要IAbstractII第 1 章 绪论11.1 课题研究背景11.2 课题研究目的和意义11.2.1 课题研究目的11.2.2 课题研究意义11.3 国内外发展现状21.4 发展前景展望4第 2 章 总体方案确定52.1 齿轮齿条绕线机构52.2 内啮合齿轮绕线机构62.3 斜齿轮啮合绕线机构62.4 本章小结7第 3 章 参数的确定及电机的选择83.1 绕线机构参数的确定83.2 进给机构参数的确定113.3 抓线和导线握持机构参数的确定133.3.1 抓线机构参数确定133.3.2 导线握持机构参数的确定153.4 电机的选择163.4.1 进给机构电机的选择163.4.2 握持机构电机的选择173.5 本章小结18第 4 章 绕线机构设计194.1 绕线机构结构设计194.2 进给机构结构设计204.3 支架结构设计204.4 本章小结22第 5 章 抓取机构的设计245.1 抓线机构结构设计245.2 导线握持机构结构设计245.3 本章小结25第 6 章 实体机构装配266.1 实体机构装配266.2 本章小结29结论30参考文献31致谢321第 1 章 绪 论1.1 课题研究背景裸高压导线输电线路的备用导线高空接线，其绕线轨迹不规范、转自线圈的线径粗、折弯力较大、折弯运动空间受限等，给高空接线增加了难度，而多自由度的高空全自动绕线装置的研究是高空接线中亟待解决的瓶颈问题。而且高空绕线工作危险大、难度高，需借助高空作业车的帮助来完成，并且对工作环境的要求较高，在恶劣环境条件下无法正常工作，由于种种因素的限制，裸高压导线输电线路的备用导线高空接线工作一直困扰着人们。无攀爬式全自动高空接线机器人的应运而生，能够代替工人进行操作，避免了工作中潜在的各种危险，同时能够提高工作效率，并且减少了高压输电线路的电流损耗。1.2 课题研究目的和意义1.2.1 课题研究目的 针对传统接线工作中存在的各种弊端，无攀爬式全自动高空接线机器人出现了，它是为实现无攀爬式全自动高空接线而设计的机器人装置。裸高压导线输电线路的备用导线高空接线，其绕线轨迹不规范、转子线圈的线径粗、折弯力较大、折弯运动空间受限等，给高空接线增加了难度，而多自由度的高空全自动绕线装置的研究是高空接线中亟待解决的瓶颈问题。本课题根据仿生学和机器人学的原理，运用常用的机械运动机构及其组合，实现高空握持导线、不规则的圆周绕线运动和横向进给运动的全新自动绕线机器人的研究。1.2.2 课题研究意义在一切智慧化、人性化、高效率化的今天，越来越多的机器人代替人进行繁重、危险的劳动，在一很多高度危险和繁重的工作中，都采用了机器人，它们的高效率和几乎为零的风险是人类无法与之相比的优势。机器人技术的采用显著减轻了工人的劳动强度和工作负担，大大改善了劳动条件，提高了劳动生产率和自动化水平。在高空裸导线的接线中，以前都需要操作人员攀高接线，劳动强度大、安全性不可靠；而无攀爬式全自动高空接线机器人能够代替工人进行高空作业，避免了工作中潜在的各种危险，同时提高了工作效率，并且减少了高压输电线路的电流损耗，也为低碳经济提2供了一个新的探索方案。该设计经济实用性高，具有光明的发展前景。本设计是主要实现高空握持导线、不规则的圆周绕线运动和横向进给运动的全新自动绕线装置具体设计要求如下：导线直径：10mm 绕线直径：2 mm绕线材料：铝导线高度：20m整机重量：7.5kg完成绕线时间：1 分钟左右要求经济适用，效率高。1.3 国内外发展现状本课题设计的无攀爬式全自动高空接线机器人主要实现高空握持导线、不规则的圆周绕线运动和横向进给运动，其主要结构有：导线握持机构和绕线机构。导线握持机构采用机械手。机械手是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于 20 世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是 1946 年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人和机械手控制系统的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于 1947 年开发了遥控机械手控制系统和遥控机械手，1948 年又开发了机械式的主从机械手控制系统和机械手。机械手控制系统首先是从美国开始研制的。1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人控制系统。现有的机器人控制系统差不多都采用这种控制方式。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人控制系统。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是 1962 年美国 AMF 公司推出的“VERSTRAN”和 UNIMATION 公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人和相关控制系统主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手控制系统经历了以下几个阶段：机械手完成放射源转运年代、化工产品垛机械手年代、工业用机械手兴起和发展年代。随着汽车行业和塑胶行业的发展，西欧、3日本、苏联和中国等地域机械手及其控制系统也开始百花争艳。尤其注塑机机械手，发展更为迅猛，应用非常普遍，其控制系统经过几十年的发展，现在已经趋于成熟和完善。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。20 世纪 40 年代后期，美国在原子能实验中，首先采用了机械手搬运放射性材料，人在安全间操纵机械手进行各种操作和实验。50 年代以后机械手逐步推广到工业部门，用于在高温污染严重的地方取放工件和卸料，也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用，完成上下料和从刀库中取放刀具并按国定程序更换刀具等。本设计的另一主要功能是绕线，而现今最常见的绕线装置就是绕线机。绕线机，顾名思义是把线状的物体缠绕到特定的工件上的机器。欧美绕线机以其加工精度高、质量稳定而在国际绕线机市场上占有重要地位。欧美绕线机一般可绕 0.01-2mm 的线径，转动误差极小。绕线机用精密微机控制，以程序控制操作，这些程序极易掌握，人机对话简单，即使工作人员并无绕线工作的经验也可应付自如。目前欧洲生产的绕线机已经趋于自动化，而美国的绕线机介于自动和半自动之间，德国制造的外形比较美观，零件比较讲究，但是造价高。随着国际绕线机市场的蓬勃发展，相互间的竞争越来越激烈，各国的厂家都必须开发出新一代的绕线机。现在主要是趋向自动化的发展方向。全自动绕线机是近几年才发展起来的新机种，为了适应高效率、高产量的要求，全自动机种一般都采用多头联动设计，国内的生产厂家大多都是参照了台湾等地的进口机型的设计，采用可编程控制器作为设备的控制核心，配合机械手、气动控制元件和执行附件来完成自动排线、自动缠脚、自动剪线、自动装卸骨架等功能，这种机型的生产效率极高，大大的降低了对人工的依赖，一个操作员工可以同时照看几台这样的设备，生产品质比较稳定，非常适合产量要求高的加工场合。这种机型由于集成了数控、气动、光控许多的新技术，所以价格小则几万元高则十几万元，价格也使得许多的用户望而叹步，另外由于功能要求决定了该设备的零部件采用了大量非标准件和定制件，所以一旦出现故障相对的维修过程将会很复杂，周期也会比较长。能够实现绕线功能的机构还有很多，例如齿轮齿条、齿轮传动、槽轮机构等，只要能实现圆周运动，即可实现绕线功能。工作原理：槽轮是由圆销的主动拨盘和具有若干径向槽轮及机架组成。当拨盘作等速连续转动时，槽轮做反向或同向的单向间歇4运动，在圆销未进入槽轮径向时，槽轮上的内凹锁住拨销，槽轮被主动拨盘的外凹锁住弧卡住，使槽轮停歇在确定的位置上不动。当拨盘上拨销进入槽轮径向槽时，锁住弧松开，拨销驱动槽轮转动，循环往复，时停时动，因此，槽轮机构是一种间歇运动机构。应用示例：机床自动转为机构，电影放映机卷片等。当放映卷片时，胶片上的画面依次在方框中停留，以适应人眼的视觉停留现象。槽轮机构结构简单，易加工，工作可靠，转角准确，机械效率高。但是其动程不可调节，转角不能太小，槽轮在起停时的角速度大，有冲击，并随着转速的增加或槽轮数的减少而加剧，故不宜用于高速场合。对于本设计的绕线部分，齿轮传动是首选。1.4 发展前景展望无攀爬式全自动高空接线机器人的主要优点：(1)经济性：现在使用的高空作业车格价一般为几百万不等，经济性低，需要使用者的经济承受能力很强；而无攀爬式全自动高空接线机器人的价格在几千元左右，与前者相比，优越性一目了然。(2)安全性：高空作业安全一直是我国的重中之重，而本设计可避免这一问题，安全性高。(3)效率高：无攀爬式全自动高空接线机器人在绕线过程中的时间约为 1 分钟，而整个过程约为 2 分钟，与较传统的方法相比较，工作效率大大提高。(4)适用范围广：在何种环境均可工作，对工作条件没有特别高的要求，实用性强。鉴于以上优点，无攀爬式全自动高空接线机器人具有很高的可行性，发展前景广阔。5第 2 章 总体方案确定2.1 齿轮齿条绕线机构现有使用较广泛的绕线装置是较大型的绕线机。绕线机，顾名思义是把线状的物体缠绕到特定的工件上的机器。欧美绕线机以其加工精度高、质量稳定而在国际绕线机市场上占有重要地位。欧美绕线机一般可绕 0.012mm 的线径，转动误差极小。绕线机用精密微机控制，以程控操作，这些程序极易掌握，人机对话简单，即使工作人员并无绕线工作的经验也可应付自如。目前欧洲生产的绕线机已经趋于自动化，而美国的绕线机介于自动和半自动之间，德国制造的外形比较美观，零件比较讲究，但是造价高。随着国际绕线机市场的蓬勃发展，相互间的竞争越来越激烈，各国的厂家都必须开发出新一代的绕线机。现在主要是趋向自动化的发展方向。然而本设计课题，要求结构简便，对重量有要求，大型的绕线机显然不符合设计要求，因此，不考虑使用绕线机。图 2.1 全自动十二轴绕线机6绕线主要是通过圆周运动实现，可以实现圆周运动的机构有很多，本方案选择齿轮齿条传动作为绕线机构。齿轮齿条传动将旋转运动变为直线运动，它的传动功率大，速度范围广，效率高，工作可靠，寿命长，结构紧凑，能保证恒定传动比。但是，这样的机构可以反向驱动，也就是齿条做直线运动来带动齿轮旋转，适合大距离的传动，如机床导轨底下带动拖板箱移动的就是齿轮齿条传动，齿轮齿条机构需要外加锁紧装置，因为齿轮齿条机构不能自锁。而且它的制造及其安装精度要求高，成本高，不适于两轴中心距过大的传动及振动冲击较大的场合。在本设计方案中，齿条的上、下面均有轮齿，分别于两个齿轮啮合，其中上面的齿轮负责绕线工作，而下面的齿轮则负责进给，下面的齿轮通过螺旋传动横向进给，进而带动上面的绕线齿轮在绕线的同时有横向位移。在绕线之前，将引线抓过来与导线握在一起，随后，将整个绕线装置通过两边的对称把手挂在高压线上面，然后开始绕线，绕线完成后，取下整个装置。本设计存在的主要缺点之一就是，齿条的尺寸要求很大，因为即使齿轮只转动一圈，齿条的长度就是它的周长，该绕线机构中，绕线齿轮的周长大约为半米，这就意味着齿条的长度必须是半米的整数倍，而这一条件完全违背了最初的设计目的，很难满足结构轻便这一基本要求。2.2 内啮合齿轮绕线机构该方案绕线机构采用的是内啮合的直齿圆柱齿轮，它的优点是内啮合直齿圆柱齿轮机构是用于传递两平行轴之间的运动和动力的齿轮机构，它的主、从动齿之间转向相同，在同样的传动比情况下所占地位小，直齿圆柱齿轮省料，经济比较便宜，且传动尺寸小，传动比大，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大；缺点是成本高，不能远距离传动，制造和安装精度要求高。当两轴间需要较大的传动比时，如果只用一对齿轮传动，由于两轮齿数相差悬殊而使小齿轮易于磨损，同时两轮的尺寸相差较大时就可以采用内啮合的齿轮。可以用于减速器中、电动滚筒中等。进给运动时采用的是四杆机构，他的示意图相当于是曲柄滑块机构，曲柄滑块机构的优点是低副的移动副，滑块可以左右或者上下往复运动，曲柄滑块机构广泛应用于往复活塞式发动机压缩机冲床等的机构中。抓线机构也是采用的四杆机构的原理。2.3 斜齿轮啮合绕线机构本方案中，绕线部分采用斜齿轮啮合传动。与直齿轮传动相比，斜齿轮有以下主7要优点：重合度大，齿面接触情况好，因此运转平稳，承载能力高；无根切的最小齿数较直齿轮少，故可使结构更加紧凑；加工成本不高于直齿轮。主要缺点是运转时会产生轴向力，对传动不利。无攀爬式全自动高空接线机器人工作时，线盒被安放在从动齿轮上，随着从动齿轮作圆周运动和横向进给。而进给采用的是滑动螺旋传动。工作时，螺杆与齿轮旋和，同时连接着一个联轴器，联轴器与进给杆相连，进给杆与架子相连，当螺杆转动时，一方面与主动齿轮旋和，同时主动齿轮又与从动齿轮啮合，这样完成绕线功能；而与联轴器相连的进给杆则带动架子和主、从动齿轮进给。通常所说的滑动螺旋传动就是普通滑动螺旋传动。滑动螺旋通常采用梯形螺纹和锯齿形螺纹，其中梯形螺纹应用最广，锯齿形螺纹用于单面受力。矩形螺纹由于工艺性较差强度较低等原因应用很少;对于受力不大和精密机构的调整螺旋，有时也采用三角螺纹。螺旋传动的优点是：结构简单、承载能力大，传动平稳、无噪声，能实现自锁要求，传动精度高，故广泛应用于机床进给机构、螺旋起重机和螺旋压力机中。缺点是，螺纹之间产生较大的相对滑动，摩擦磨损严重，传动效率低。2.4 本章小结通过查阅资料，并对几种方案进行分析和比较优缺点，排除了较不合理的方案之后，决定选择方案三作为最后方案，运用斜齿轮啮合机构绕线，滑动螺旋传动进给，这样进给和绕线共用一个电动机，可以减少一个电动机的使用，从减少重量和电动机的角度看，都是很好的选择。8第 3 章 参数的确定及电机的选择3.1 绕线机构参数的确定斜齿圆柱齿轮传动1.选精度等级、材料及齿数1)材料：尼龙2)精度等级：7 级3)小齿轮（主动）齿数1z=19，大齿轮齿数2z=384)选取螺旋角 初选16O 2.按齿面接触强度设计按参考文献2中式（10-21）计算，即 122131()tHEdHk TZ Zutud （3.1）(1)确定公式中各计算数值1)试选1.6tK 2)由参考文献2中图 10-30 选取区域系数2.410HZ3)由参考文献2中图 10-26 查得 10.74，20.8，则 0.740.81.544)许用接触应力 1254545422HHHMPa （3.2）5)小齿轮传递的转矩160T Nmm6)选取齿宽系数 0.8d7)由参考文献2中表 10-6 查得材料的弹性影响系数1256.4EZMPa齿数比2138219zuz(2)计算1)小齿轮分度圆直径 1td23312 1.6 6032.410 56.4()4739.5413.330.8 1.54254td2)计算圆周速度91113.33 402110.080.03560 100060 100060000td nVms （3.3）3)计算齿宽 b 及模数ntm 10.8 13.3310.66dtbdmm （3.4）11cos13.33 cos1612.810.671919otntdmzmm (3.5)2.252.25 0.671.51nthmmm (3.6)13.4411.271.9125bh4)计算纵向重合度10.318tan0.318 0.8 19 0.291.68dz (3.7)5)计算载荷系数 K 查得使用载荷系数1.00AK 动载荷系数=1.00VK 齿向载荷分布系数=1.244HK 1.2FK =1.4HFKK 因此 1.00 1.00 1.4 1.2441.74AVHHKK K KK （3.8）6)按实际的载荷系数校正算得的分度圆直径，由式（10-10a）得33111.74d=d13.3313.33 1.0313.731.6ttKKmm （3.9）7)计算模数nm 11cos13.73 0.961260.6919ndmzmm （3.10）3.按齿根弯曲强度设计由参考文献2中式（10-17）13212cosFSandFKTYY Ymz （3.11）(1)确定计算参数1)计算载荷系数1.00 1.00 1.4 1.21.68AVFFKK K KK （3.12）102)根据纵向重合度1.68，从参考文献2中图 10-28 查得螺旋角影响系数0.86Y3)计算当量齿数1131921.35cos0.89VzZ （3.13）2233842.70cos0.89vzZ4)查取齿形系数 由参考文献2中表 10-5 查得 12.745FaY，22.355FaY5)查取应力校正系数 由参考文献2中表 10-5 查得 11.563saY，21.675saY6)计 算 大、小 齿 轮 的FaSaFY Y，并 加 以 比 较（对 于 大、小 齿 轮1270FFMPa）1112.745 1.5630.0612970FaSaFYY （3.14）2222.355 1.6750.0563570FaSaFYY小齿轮的数值大(2)设计计算2322 1.68 60 0.67 0.961260.061290.30.8 191.54nm 取4nm 119z 238z 4.几何尺寸计算(1)计算中心距12()(1938)4228118.5942cos2 0.961261.92252nzz mamm (3.15)将中心距圆整为 119mm(2)按圆整后的中心距修正螺旋角1112()(1938)4arccos2a2 118.60nzz m=1625因为值无太大变化，故参数、K、HZ等不必修正(3)计算大、小齿轮的分度圆直径 1119 479.06cos0.96126nz mdmm （3.16）2238 4158.13cos0.96126nz mdmm(4)计算齿轮宽度10.8 79.0663.248dbdmm因为对齿轮强度要求不高，所以最后取130B mm,225B mm3.2 进给机构参数的确定进给机构采用螺旋传动，螺杆选择12dM,普通螺纹，螺距1.5Pmm设计计算1.耐磨性计算螺纹工作面上的耐磨性条件为 22FFFPPPAd hud hH （3.17）令2Hd，则2Hd，代入式（3.17），整理后得 2FPdhP (3.18)对于普通螺纹，接触高度34hP(=0.6495 mm)代入，有 20.86FdP在式（3.17）中，各参数值如下：75F N211.026d mm1.299H mm=70PMPa因此，有12 275 1.53.93.14 11.026 0.6495 1.299FPPMPaPd hH强度足够2.螺杆的强度计算 第四强度理论 22223()3()caTFTAW （3.19）221143()caTFAd其中，F：螺杆受的轴向力，N A：螺纹段的危险截面面积 214Ad，mm TW:螺纹段的抗扭截面系数 311164TdWdA，mm T：螺杆所受扭矩，Nmm ：螺杆材料的许用应力，MPa,(300MPa）其中，9550pTn，根据螺杆转速40minrn,查得0.6T kgcm=60Nmm因此有2243 16 3600562513.14 10.37