機械畢業(yè)設(shè)計（論文）-高空作業(yè)機器人設(shè)計【全套圖紙】

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1、 本科學生畢業(yè)設(shè)計 高空作業(yè)機器人設(shè)計 系部名稱：機電工程學院 專業(yè)班級：機械設(shè)計制造及其自動化 08-4 班 學生姓名： 指導教師： 職 稱： 二一二年六月 The Graduation Design for Bachelors Degree Structure Design of No Climbing Full- automatic High Altitude Wiring Robot Candidate: Guan Hong Specialty: Mechanical Design and Manufacturing full-automatic wiring; helical gea

2、ring; feed; screw driven 目 錄 摘要I AbstractII 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 齒輪齒條繞線機構(gòu)5 2.2 內(nèi)嚙合齒輪繞線機構(gòu)6 2.3 斜齒輪嚙合繞線機構(gòu)6 2.4 本章小結(jié)7 第 3 章 參數(shù)的確定及電機的選擇8 3.1 繞線機構(gòu)參數(shù)的確定8 3.2 進給機構(gòu)參數(shù)的確定11 3.3 抓線和導線握持機構(gòu)參數(shù)的確定13 3.3.1 抓線機構(gòu)參數(shù)確定13 3.3.2 導線握持

3、機構(gòu)參數(shù)的確定15 3.4 電機的選擇16 3.4.1 進給機構(gòu)電機的選擇16 3.4.2 握持機構(gòu)電機的選擇17 3.5 本章小結(jié)18 第 4 章 繞線機構(gòu)設(shè)計19 4.1 繞線機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計19 4.2 進給機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計20 4.3 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計20 4.4 本章小結(jié)22 第 5 章 抓取機構(gòu)的設(shè)計24 5.1 抓線機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計24 5.2 導線握持機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計24 5.3 本章小結(jié)25 第 6 章 實體機構(gòu)裝配26 6.1 實體機構(gòu)裝配26 6.2 本章小結(jié)29 結(jié)論30 參考文獻31 致謝32 1 第 1 章 緒 論 1.1 課題研究背景 裸高壓導線輸電線路的備用導線高空接線，其繞線軌跡

4、不規(guī)范、轉(zhuǎn)自線圈的線徑 粗、折彎力較大、折彎運動空間受限等，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，裸高壓導線輸電線路的備用導線高空接 線工作一直困擾著人們。無攀爬式全自動高空接線機器人的應(yīng)運而生，能夠代替工人 進行操作，避免了工作中潛在的各種危險，同時能夠提高工作效率，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

5、全自動高空接線機器人出現(xiàn)了， 它是為實現(xiàn)無攀爬式全自動高空接線而設(shè)計的機器人裝置。裸高壓導線輸電線路的備 用導線高空接線，其繞線軌跡不規(guī)范、轉(zhuǎn)子線圈的線徑粗、折彎力較大、折彎運動空 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)仿生學和機器人學的原理，運用常用的機械 運動機構(gòu)及其組合，實現(xiàn)高空握持導線、不規(guī)則的圓周繞線運動和橫向進給運動的全 新自動繞線機器人的研究。 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，越來越多的機器人代替人進行繁重、 危險的勞動，在一很多高度危險和繁重的工作中，都采用了機器人，它們的

6、高效率和 幾乎為零的風險是人類無法與之相比的優(yōu)勢。機器人技術(shù)的采用顯著減輕了工人的勞 動強度和工作負擔，大大改善了勞動條件，提高了勞動生產(chǎn)率和自動化水平。在高空 裸導線的接線中，以前都需要操作人員攀高接線，勞動強度大、安全性不可靠；而無 攀爬式全自動高空接線機器人能夠代替工人進行高空作業(yè)，避免了工作中潛在的各種 危險，同時提高了工作效率，并且減少了高壓輸電線路的電流損耗，也為低碳經(jīng)濟提 2 供了一個新的探索方案。該設(shè)計經(jīng)濟實用性高，具有光明的發(fā)展前景。 本設(shè)計是主要實現(xiàn)高空握持導線、不規(guī)則的圓周繞線運動和橫向進給運動的全新 自動繞線裝置具體設(shè)計要求如下： 導線直徑： 10mm 繞線直徑：2 m

7、m 繞線材料： 鋁 導線高度：20m 整機重量：7.5kg 完成繞線時間：1 分鐘左右 要求經(jīng)濟適用，效率高。 1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 本課題設(shè)計的無攀爬式全自動高空接線機器人主要實現(xiàn)高空握持導線、不規(guī)則的 圓周繞線運動和橫向進給運動，其主要結(jié)構(gòu)有：導線握持機構(gòu)和繞線機構(gòu)。 導線握持機構(gòu)采用機械手。機械手是在早期出現(xiàn)的古代機器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的， 機械手研究始于 20 世紀中期，隨著計算機和自動化技術(shù)的發(fā)展，特別是 1946 年第一 臺數(shù)字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格 的方向發(fā)展。同時，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進展，又為機器人和 機械手控制

8、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)了遙控機械手控制系 統(tǒng)和遙控機械手，1948 年又開發(fā)了機械式的主從機械手控制系統(tǒng)和機械手。 機械手控制系統(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) 機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié)，利 用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教 再現(xiàn)機器人控制系統(tǒng)。現(xiàn)有的機器人控制系統(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機械手鉚接機器人控制系統(tǒng)。作為機器人產(chǎn)品最

9、早的 實用機型（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以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境 下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部 門。 機械手控制系統(tǒng)經(jīng)歷了以下幾個階段：機械手完成放射源轉(zhuǎn)運年代、化工產(chǎn)品垛 3 機械手年代、工業(yè)用機械手興起和發(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)和中國等地域機械手及其控制系統(tǒng)也開始百花爭艷。尤其注塑機機械手， 發(fā)展更為迅猛，應(yīng)用非常普遍，其控

10、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。 機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按 適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制 和連續(xù)軌跡控制機械手等。 20 世紀 40 年代后期，美國在原子能實驗中，首先采用了機械手搬運放射性材料， 人在安全間操縱機械手進行各種操作和實驗。50 年代以后機械手逐步推廣到工業(yè)部 門，用于在高溫污染嚴重的地方取放工件和卸料，也作為機床的輔助裝置在自動機床、 自動生產(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)計的另一主要功能是繞線，而現(xiàn)今最常見的繞線裝置就

11、是繞線機。繞線機， 顧名思義是把線狀的物體纏繞到特定的工件上的機器。歐美繞線機以其加工精度高、 質(zhì)量穩(wěn)定而在國際繞線機市場上占有重要地位。 歐美繞線機一般可繞 0.01-2mm 的 線徑，轉(zhuǎn)動誤差極小。繞線機用精密微機控制，以程序控制操作，這些程序極易掌握， 人機對話簡單，即使工作人員并無繞線工作的經(jīng)驗也可應(yīng)付自如。目前歐洲生產(chǎn)的繞 線機已經(jīng)趨于自動化，而美國的繞線機介于自動和半自動之間，德國制造的外形比較 美觀，零件比較講究，但是造價高。隨著國際繞線機市場的蓬勃發(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?，F(xiàn)在主要是趨向自動化的發(fā) 展方向。 全自動繞線機是近幾年才發(fā)展

12、起來的新機種，為了適應(yīng)高效率、高產(chǎn)量的要求， 全自動機種一般都采用多頭聯(lián)動設(shè)計，國內(nèi)的生產(chǎn)廠家大多都是參照了臺灣等地的進 口機型的設(shè)計，采用可編程控制器作為設(shè)備的控制核心，配合機械手、氣動控制元件 和執(zhí)行附件來完成自動排線、自動纏腳、自動剪線、自動裝卸骨架等功能，這種機型 的生產(chǎn)效率極高，大大的降低了對人工的依賴，一個操作員工可以同時照看幾臺這樣 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。這種機型由于集成了 數(shù)控、氣動、光控許多的新技術(shù)，所以價格小則幾萬元高則十幾萬元，價格也使得許 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準件和 定制件，所以一旦出現(xiàn)故

13、障相對的維修過程將會很復雜，周期也會比較長。 能夠?qū)崿F(xiàn)繞線功能的機構(gòu)還有很多，例如齒輪齒條、齒輪傳動、槽輪機構(gòu)等，只 要能實現(xiàn)圓周運動，即可實現(xiàn)繞線功能。工作原理：槽輪是由圓銷的主動撥盤和具有 4 若干徑向槽輪及機架組成。當撥盤作等速連續(xù)轉(zhuǎn)動時，槽輪做反向或同向的單向間歇 運動，在圓銷未進入槽輪徑向時，槽輪上的內(nèi)凹鎖住撥銷，槽輪被主動撥盤的外凹鎖 住弧卡住，使槽輪停歇在確定的位置上不動。當撥盤上撥銷進入槽輪徑向槽時，鎖住 弧松開，撥銷驅(qū)動槽輪轉(zhuǎn)動，循環(huán)往復，時停時動，因此，槽輪機構(gòu)是一種間歇運動 機構(gòu)。應(yīng)用示例：機床自動轉(zhuǎn)為機構(gòu)，電影放映機卷片等。當放映卷片時，膠片上的 畫面依次在方框中停留，

14、以適應(yīng)人眼的視覺停留現(xiàn)象。槽輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，易加工， 工作可靠，轉(zhuǎn)角準確，機械效率高。但是其動程不可調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)角不能太小，槽輪在起 停時的角速度大，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)計的繞線部分，齒輪傳動是首選。 1.4 發(fā)展前景展望 無攀爬式全自動高空接線機器人的主要優(yōu)點： (1)經(jīng)濟性：現(xiàn)在使用的高空作業(yè)車格價一般為幾百萬不等，經(jīng)濟性低，需要使 用者的經(jīng)濟承受能力很強；而無攀爬式全自動高空接線機器人的價格在幾千元左右， 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)計可避免這一問題， 安全性高。 (3)效率高：無

15、攀爬式全自動高空接線機器人在繞線過程中的時間約為 1 分鐘， 而整個過程約為 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，實用性 強。 鑒于以上優(yōu)點，無攀爬式全自動高空接線機器人具有很高的可行性，發(fā)展前景廣 闊。 5 第 2 章 總體方案確定 2.1 齒輪齒條繞線機構(gòu) 現(xiàn)有使用較廣泛的繞線裝置是較大型的繞線機。繞線機，顧名思義是把線狀的物 體纏繞到特定的工件上的機器。歐美繞線機以其加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定而在國際繞線 機市場上占有重要地位。 歐美繞線機一般可繞 0.012mm 的線徑，轉(zhuǎn)動誤差極小。 繞線機用精密微機控制，以

16、程控操作，這些程序極易掌握，人機對話簡單，即使工作 人員并無繞線工作的經(jīng)驗也可應(yīng)付自如。目前歐洲生產(chǎn)的繞線機已經(jīng)趨于自動化，而 美國的繞線機介于自動和半自動之間，德國制造的外形比較美觀，零件比較講究，但 是造價高。隨著國際繞線機市場的蓬勃發(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。現(xiàn)在主要是趨向自動化的發(fā)展方向。然而本設(shè)計課題， 要求結(jié)構(gòu)簡便，對重量有要求，大型的繞線機顯然不符合設(shè)計要求，因此，不考慮使 用繞線機。 圖 2.1 全自動十二軸繞線機 6 繞線主要是通過圓周運動實現(xiàn)，可以實現(xiàn)圓周運動的機構(gòu)有很多，本方案選擇齒 輪齒條傳動作為繞線機構(gòu)。齒輪齒條傳動將旋轉(zhuǎn)運動

17、變?yōu)橹本€運動，它的傳動功率大， 速度范圍廣，效率高，工作可靠，壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊，能保證恒定傳動比。但是，這 樣的機構(gòu)可以反向驅(qū)動，也就是齒條做直線運動來帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，適合大距離的傳動， 如機床導軌底下帶動拖板箱移動的就是齒輪齒條傳動，齒輪齒條機構(gòu)需要外加鎖緊裝 置，因為齒輪齒條機構(gòu)不能自鎖。而且它的制造及其安裝精度要求高，成本高，不適 于兩軸中心距過大的傳動及振動沖擊較大的場合。 在本設(shè)計方案中，齒條的上、下面均有輪齒，分別于兩個齒輪嚙合，其中上面的 齒輪負責繞線工作，而下面的齒輪則負責進給，下面的齒輪通過螺旋傳動橫向進給， 進而帶動上面的繞線齒輪在繞線的同時有橫向位移。在繞線之前，將引線抓過

18、來與導 線握在一起，隨后，將整個繞線裝置通過兩邊的對稱把手掛在高壓線上面，然后開始 繞線，繞線完成后，取下整個裝置。本設(shè)計存在的主要缺點之一就是，齒條的尺寸要 求很大，因為即使齒輪只轉(zhuǎn)動一圈，齒條的長度就是它的周長，該繞線機構(gòu)中，繞線 齒輪的周長大約為半米，這就意味著齒條的長度必須是半米的整數(shù)倍，而這一條件完 全違背了最初的設(shè)計目的，很難滿足結(jié)構(gòu)輕便這一基本要求。 2.2 內(nèi)嚙合齒輪繞線機構(gòu) 該方案繞線機構(gòu)采用的是內(nèi)嚙合的直齒圓柱齒輪，它的優(yōu)點是內(nèi)嚙合直齒圓柱齒 輪機構(gòu)是用于傳遞兩平行軸之間的運動和動力的齒輪機構(gòu)，它的主、從動齒之間轉(zhuǎn)向 相同，在同樣的傳動比情況下所占地位小，直齒圓柱齒輪省料，

19、經(jīng)濟比較便宜，且傳 動尺寸小，傳動比大，傳動比精確，工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度 和尺寸范圍大；缺點是成本高，不能遠距離傳動，制造和安裝精度要求高。當兩軸間 需要較大的傳動比時，如果只用一對齒輪傳動，由于兩輪齒數(shù)相差懸殊而使小齒輪易 于磨損，同時兩輪的尺寸相差較大時就可以采用內(nèi)嚙合的齒輪。可以用于減速器中、 電動滾筒中等。 進給運動時采用的是四桿機構(gòu)，他的示意圖相當于是曲柄滑塊機構(gòu)，曲柄滑塊機 構(gòu)的優(yōu)點是低副的移動副，滑塊可以左右或者上下往復運動，曲柄滑塊機構(gòu)廣泛應(yīng)用 于往復活塞式發(fā)動機壓縮機沖床等的機構(gòu)中。 抓線機構(gòu)也是采用的四桿機構(gòu)的原理。 2.3 斜齒輪嚙合繞線機構(gòu) 本方案

20、中，繞線部分采用斜齒輪嚙合傳動。與直齒輪傳動相比，斜齒輪有以下主 7 要優(yōu)點：重合度大，齒面接觸情況好，因此運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，承載能力高；無根切的最小齒 數(shù)較直齒輪少，故可使結(jié)構(gòu)更加緊湊；加工成本不高于直齒輪。主要缺點是運轉(zhuǎn)時會 產(chǎn)生軸向力，對傳動不利。無攀爬式全自動高空接線機器人工作時，線盒被安放在從 動齒輪上，隨著從動齒輪作圓周運動和橫向進給。 而進給采用的是滑動螺旋傳動。工作時，螺桿與齒輪旋和，同時連接著一個聯(lián)軸 器，聯(lián)軸器與進給桿相連，進給桿與架子相連，當螺桿轉(zhuǎn)動時，一方面與主動齒輪旋 和，同時主動齒輪又與從動齒輪嚙合，這樣完成繞線功能；而與聯(lián)軸器相連的進給桿 則帶動架子和主、從動齒輪進給。通

21、常所說的滑動螺旋傳動就是普通滑動螺旋傳動。 滑動螺旋通常采用梯形螺紋和鋸齒形螺紋，其中梯形螺紋應(yīng)用最廣，鋸齒形螺紋用于 單面受力。矩形螺紋由于工藝性較差強度較低等原因應(yīng)用很少;對于受力不大和精密 機構(gòu)的調(diào)整螺旋，有時也采用三角螺紋。螺旋傳動的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、承載能力大， 傳動平穩(wěn)、無噪聲，能實現(xiàn)自鎖要求，傳動精度高，故廣泛應(yīng)用于機床進給機構(gòu)、螺 旋起重機和螺旋壓力機中。缺點是，螺紋之間產(chǎn)生較大的相對滑動，摩擦磨損嚴重， 傳動效率低。 2.4 本章小結(jié) 通過查閱資料，并對幾種方案進行分析和比較優(yōu)缺點，排除了較不合理的方案之 后，決定選擇方案三作為最后方案，運用斜齒輪嚙合機構(gòu)繞線，滑動螺旋傳動進

22、給， 這樣進給和繞線共用一個電動機，可以減少一個電動機的使用，從減少重量和電動機 的角度看，都是很好的選擇。 8 第 3 章 參數(shù)的確定及電機的選擇 3.1 繞線機構(gòu)參數(shù)的確定 斜齒圓柱齒輪傳動 1. 選精度等級、材料及齒數(shù) 1) 材料：尼龍 2) 精度等級：7 級 3) 小齒輪（主動）齒數(shù)=19，大齒輪齒數(shù)=38 1 z 2 z 4) 選取螺旋角 初選 16O 2. 按齒面接觸強度設(shè)計 按參考文獻2中式（10-21）計算，即 （3.1） 1 22 1 3 1 () tHE d H k TZ Z u tu d (1) 確定公式中各計算數(shù)值 1) 試選 1.6 t K 2) 由參考文獻2中圖 1

23、0-30 選取區(qū)域系數(shù)2.410 H Z 3) 由參考文獻2中圖 10-26 查得 ，則 1 0.74 2 0.8 0.740.81.54 4) 許用接觸應(yīng)力 MPa （3.2） 12 5454 54 22 HH H 5) 小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩Nmm 1 60T 6) 選取齒寬系數(shù) 0.8 d 7) 由參考文獻2中表 10-6 查得材料的彈性影響系數(shù) 1 2 56.4 E ZMPa 齒數(shù)比 2 1 38 2 19 z u z (2) 計算 1) 小齒輪分度圓直徑 1t d 9 23 3 1 2 1.6 6032.410 56.4 ()4739.5413.33 0.8 1.54254 t d 2)

24、計算圓周速度 ms （3.3） 11 13.33 402110.08 0.035 60 100060 100060000 t d n V 3) 計算齒寬 b 及模數(shù) nt m mm （3.4） 1 0.8 13.3310.66 dt bd mm (3.5) 1 1 cos13.33 cos1612.81 0.67 1919 o t nt d m z mm (3.6)2.252.25 0.671.51 nt hm 13.44 11.27 1.9125 b h 4) 計算縱向重合度 (3.7) 1 0.318tan0.318 0.8 19 0.291.68 d z 5) 計算載荷系數(shù) K 查得使用

25、載荷系數(shù)1.00 A K 動載荷系數(shù)=1.00 V K 齒向載荷分布系數(shù)=1.244 H K 1.2 F K =1.4 HF KK 因此 （3.81.00 1.00 1.4 1.2441.74 AVHH KK K KK ） 6) 按實際的載荷系數(shù)校正算得的分度圓直徑，由式（10-10a）得 mm （3.9） 3 3 11 1.74 d =d13.3313.33 1.0313.73 1.6 t t K K 7) 計算模數(shù) n m mm （3.10） 1 1 cos13.73 0.96126 0.69 19 n d m z 3. 按齒根彎曲強度設(shè)計 由參考文獻2中式 （10-17） 10 （3.1

26、1） 1 3 2 1 2cos FSa n dF KTY Y Y m z (1) 確定計算參數(shù) 1) 計算載荷系數(shù) （3.12）1.00 1.00 1.4 1.21.68 AVFF KK K KK 2) 根據(jù)縱向重合度，從參考文獻2中圖 10-28 查得1.68 螺旋角影響系數(shù)0.86Y 3) 計算當量齒數(shù) （3.13） 1 1 3 19 21.35 cos0.89 V z Z 2 2 3 38 42.70 cos0.89 v z Z 4) 查取齒形系數(shù) 由參考文獻2中表 10-5 查得 ， 1 2.745 Fa Y 2 2.355 Fa Y 5) 查取應(yīng)力校正系數(shù) 由參考文獻2中表 10-5

27、 查得 ， 1 1.563 sa Y 2 1.675 sa Y 6) 計算大、小齒輪的，并加以比較（對于大、小齒輪 FaSa F Y Y MPa） 12 70 FF （3.14） 11 1 2.745 1.563 0.06129 70 FaSa F YY 22 2 2.355 1.675 0.05635 70 FaSa F YY 小齒輪的數(shù)值大 (2) 設(shè)計計算 2 3 2 2 1.68 60 0.67 0.96126 0.061290.3 0.8 191.54 n m 取4 n m 1 19z 2 38z 4. 幾何尺寸計算 11 (1) 計算中心距 mm (3.15) 12 ()(1938

28、) 4228 118.594 2cos2 0.961261.92252 n zz m a 將中心距圓整為 119mm (2) 按圓整后的中心距修正螺旋角 =1625 12 ()(1938) 4 arccos 2a2 118.60 n zz m 因為值無太大變化，故參數(shù)、等不必修正 K H Z (3) 計算大、小齒輪的分度圓直徑 mm （3.16） 1 1 19 4 79.06 cos0.96126 n z m d mm 2 2 38 4 158.13 cos0.96126 n z m d (4) 計算齒輪寬度 mm 1 0.8 79.0663.248 d bd 因為對齒輪強度要求不高，所以最后

29、取mm,mm 1 30B 2 25B 3.2 進給機構(gòu)參數(shù)的確定 進給機構(gòu)采用螺旋傳動，螺桿選擇,普通螺紋，螺距12dM1.5Pmm 設(shè)計計算 1. 耐磨性計算 螺紋工作面上的耐磨性條件為 （3.17） 22 FFFP PP Ad hud hH 令，則，代入式（3.17） ，整理后得 2 H d 2 Hd (3.18) 2 FP d hP 對于普通螺紋，接觸高度(=0.6495 mm) 3 4 hP 代入，有 2 0.86 F d P 在式（3.17）中，各參數(shù)值如下： 12 N75F mm 2 11.026d mm1.299H MPa =70P 因此，有 2 75 1.5 3.9 3.14

30、11.026 0.6495 1.299 FP PMPaP d hH 強度足夠 2. 螺桿的強度計算 第四強度理論 （3.19） 2222 3()3() ca T FT AW 22 1 14 3() ca T F Ad 其中，F(xiàn)：螺桿受的軸向力，N A：螺紋段的危險截面面積 ，mm 2 1 4 Ad : 螺紋段的抗扭截面系數(shù) ，mm T W 3 1 1 164 T d WdA T：螺桿所受扭矩，Nmm ：螺桿材料的許用應(yīng)力，MPa ,(MPa） 300 其中，根據(jù)螺桿轉(zhuǎn)速,查得kgcm=60Nmm9550 p T n 40 min r n 0.6T 因此有 MPa300MPa 22 43 16

31、3600 56251 3.14 10.37610.376 ca 3. 螺桿的穩(wěn)定性計算 螺桿的穩(wěn)定性條件 (3.20) cr ecs F SS F ：螺桿穩(wěn)定性的計算安全系數(shù) ec S ：螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，取 s S3 s S ：螺桿的臨界載荷，N cr F 根據(jù)歐拉公式計算，即 cr F 13 （3.21 2 2 () cr EI F l ） 由參考文獻2中表 5-14 查得螺桿的長度系數(shù)0.5 mm240l 因,所以無需進行穩(wěn)定性校核 0.5 240 1040 12 s l i 3.3 抓線和導線握持機構(gòu)參數(shù)的確定 3.3.1 抓線機構(gòu)參數(shù)確定 （a） （b） 圖 3.1 抓手 如圖 3

32、.1 所示，抓手部分主要由兩部分驅(qū)動，其中圖（a）為抓線時抓手位置， 中間空間為高壓線所處空間，整個抓線過程中，抓手應(yīng)實現(xiàn)兩次分和，一次是抓住引 線，第二次是將引線和導線握在一起。圖（b）是推桿，即抓手的動力來源，推桿工 作時，兩個小圓環(huán)是拉手，通過將推桿上下移動，來使抓手實現(xiàn)抓線和松開線的動作。 本結(jié)構(gòu)的參數(shù)確定主要是根據(jù)高壓線的尺寸而定的。 14 （a） (b) 圖 3.2 抓手零件尺寸示意圖 如圖 3.2 所示，為抓手上部的零件尺寸參數(shù)。 15 （a） (b) 圖 3.3 抓手推桿部分零件尺寸示意圖 16 如圖 3.3（a）和 3.3（b）所示，為抓手推桿部分的尺寸參數(shù)。 3.3.2 導

33、線握持機構(gòu)參數(shù)的確定 圖 3.4 導線握持機構(gòu)的平面圖，從結(jié)構(gòu)可看出，導線握持機構(gòu)是典型的四桿機構(gòu)， 工作時，兩個相同的抓手將導線握在一起，其具體參數(shù)主要根據(jù)導線的尺寸而定，先 確定中間握住導線的橢圓形狀的尺寸，然后依其運動情況確定其他部位的尺寸，如連 桿，此處或可根據(jù)具體的運動仿真分析而定，運動仿真之后，機構(gòu)的運動軌跡表現(xiàn)清 晰，一目了然，運動范圍也可確定，由此，各部分的尺寸也就可相應(yīng)確定 (a) 17 (b) 圖 3.4 導線握持機構(gòu) 如圖所示，圖 3.4（a）為導線握持機構(gòu)的實體圖，而圖 3.4（b）為導線握持機構(gòu) 的尺寸參數(shù)示意圖，其基本參數(shù)在此圖中均有所體現(xiàn)。 3.4 電機的選擇 3

34、.4.1 進給機構(gòu)電機的選擇 進給機構(gòu)采用的是螺旋傳動，選取是的普通螺紋，根據(jù)機械設(shè)計課程設(shè)計 12M 手冊查得，螺距。在整個繞線過程中，計劃繞線 20 圈，因此，從動齒輪要1.5Pmm 相應(yīng)轉(zhuǎn)動 20 圈，根據(jù)傳動比，可得出主動齒輪轉(zhuǎn) 40 圈，而螺桿也就轉(zhuǎn)動 2 1 2 z i z 40 圈，因此，所選擇電機的轉(zhuǎn)速應(yīng)該大于等于。根據(jù)本設(shè)計對電機的特殊要40minr 求，在微型蝸輪蝸桿減速直流電機中進行選擇，由前面所求轉(zhuǎn)速，選擇 GW370-62 型 電動機，該電機的空載轉(zhuǎn)速為，額定轉(zhuǎn)速為，額定扭矩為，62minr45minr0.6kg cm 換算為，電源為 DC6v,外形尺寸（不含軸）是：

35、（mm） ，重量僅60N mm82 32 27 為。0.18kg 3.4.2 握持機構(gòu)電機的選擇 握持機構(gòu)采用四桿機構(gòu)，通過一根桿的進給運動，是抓手部分產(chǎn)生一定角度， 當角度達到一定程度時，便能夠?qū)⒏邏壕€扣住。二本部分結(jié)構(gòu)功能的實現(xiàn)主要是通 過驅(qū)動桿產(chǎn)生的位移，其位移量很小，所選擇的電動機為 WD-A-6 系列推桿，推桿的 空載速度為：,帶載后也完全可以完成本結(jié)構(gòu)的要求。該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電站、 5mm s 礦山、港口、冶金、輕工等系統(tǒng)中，也適合于具有相同工作環(huán)境和使用要求的其它行 業(yè)中，并具有滿足系統(tǒng)要求的程控、集控和就地控制的能力。安裝電動推桿時，應(yīng)考 慮現(xiàn)場手動操作、調(diào)試及維護方便的空間

36、，也必須考慮推桿自身的運動空間。其安裝 尺寸參見各規(guī)格推桿安裝尺寸圖表。電動推桿安裝完畢后應(yīng)對以下部分進行調(diào)整檢查 后，方能通電試運行：電氣線路是否符合電氣原理圖的要求，電源電壓及相序是否正 確；檢查各緊固件是否牢固可靠；轉(zhuǎn)動手柄軸檢查推桿行程控制機構(gòu)工作是否正常。 本部分電機分別分布在架子的兩側(cè)，工作是同時的，即要保證兩個抓手工作的同步性。 永磁直流電機的特點：電磁式直流電機原理相似，永磁直流電機唯一的區(qū)別就是 直流電機的磁通產(chǎn)生的方式不同。永磁直流電機的主要特點：首先永磁直線電機不需 要直流勵磁電源，可以有效的減少電源的耗電量，因此具有重要的經(jīng)濟價值。其次永 18 磁電機沒有勵磁繞組，這樣

37、就可以節(jié)省電機的用銅量，有效的減少電氣銅耗。特別是 在微型以及小容量的范圍內(nèi)，電機的重量、體積以及效率和成本都可以得到有效的改 善。但是永磁電機中的永磁材料的磁場是恒定的，永磁直流電機是以微型和小容量為 主。 圖 3.5 直動電機 3.5 本章小結(jié) 本章是參數(shù)的確定和電機的選擇，參數(shù)確定首先是根據(jù)實際情況，比如高壓線直 徑，來估算出大致需要多大尺寸的齒輪，然后在初選參數(shù)，進行計算，強度校核，進 而確定具體的參數(shù)，然后再對其他參數(shù)進行計算，所有數(shù)據(jù)校核并確定后，選擇合適 的電動。而四桿機構(gòu)等的參數(shù)確定，則要根據(jù)實際運動軌跡等因素，這些都是根據(jù)具 體情況而定，沒有特別標準的參照和理論依據(jù)，主要是根

38、據(jù)設(shè)計需求而定，靈活性比 較大。在電動機的選擇上，本設(shè)計較多采用了直動電動機，這是出于對結(jié)構(gòu)簡便和節(jié) 省原材料、重量的考慮。 19 第 4 章 繞線機構(gòu)設(shè)計 4.1 繞線機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計 主動齒輪上面只有四個減重孔，無其他特別結(jié)構(gòu)。 從動齒輪上面要有一個線盒，線盒是粘接在齒輪上面的，繞線時，隨著從動齒輪 的轉(zhuǎn)動，線盒中的鋁線被帶出，纏繞導線，可以在線盒外端出口處，加個彈簧片，該 彈簧片的作用是，當線盒經(jīng)過兩根高壓線時，沒有彈力作用，當鋁線纏住高壓線后， 相當于高壓線變粗了，這樣，當彈簧片與纏著鋁線的高壓線接觸后，即對其有個彈力 作用，起到緊線作用。線盒中鋁線的長度是一定的，這樣，能夠保證在繞線動作

39、完成 時，線盒內(nèi)沒有多余的殘留線，這也就減少了一個動作，即當繞線完成后，沒有剪線 的動作，減小了工作的難度。 圖 4.1 從動齒輪 本設(shè)計要求重量輕，因此，為了減輕重量，要使用輕質(zhì)材料，如塑料、尼龍等， 現(xiàn)選擇尼龍材料。尼龍，英文名稱 polyamide（簡稱 PA） ，是分子主鏈上含有重復酰 胺基團NHCO的熱塑性樹脂總稱。包括脂肪族 PA，脂肪芳香族 PA 和芳香族 PA。其中，脂肪族 PA 品種多，產(chǎn)量大，應(yīng)用廣泛，其命名由合成單體具體的碳原子 數(shù)而定。尼龍 1938 年在美國被成功的合成，是世界上出現(xiàn)的第一種合成纖維。尼龍 的出現(xiàn)使紡織品的面貌煥然一新，它的合成是合成纖維工業(yè)的重大突破

40、，同時也是高 20 分子化學的一個重要里程碑?，F(xiàn)在使用較廣泛的尼龍材料類型之一就是 MC 尼龍，它 是在常壓下，將熔融的原料已內(nèi)酰胺單體 C6H11NO 用堿性的物質(zhì)作催化劑，與活化 劑等助劑一起制成待聚單體，直接注入預(yù)熱到一定溫度的模具中，使物料在模具內(nèi)很 快地進行聚合反應(yīng)，凝結(jié)成堅韌的固體胚件，再經(jīng)過有關(guān)工藝處理，得到預(yù)定的制品。 MC 尼龍的特點：摩擦系數(shù)比鋼低 8.8 倍，比銅低 8.3 倍，而比重僅為銅的七分之一。 MC 尼龍可直接取代原銅不銹鋼、鋁合金等金屬制品。多年來我公司生產(chǎn)的 MC 尼龍 滑輪、滑塊、齒輪、蝸輪、托輪、支承輪、走輪、水泵葉輪、軸套、軸瓦、柱肖、活 賽閥體、擋膠

41、板、皮帶輪、轉(zhuǎn)動輪、棒材、管材、板材等，不僅較好地取代了相應(yīng)的 金屬品，而且使用戶降低了成本，延長了整機及零件的使用壽命，經(jīng)濟效益有顯著提 高。MC 尼龍又分為很多種，其中有一種 MC901 （藍色） ，這種改性尼龍 6 有醒目 的蘭色，比普通澆鑄尼龍的韌性高，柔性好，耐疲勞，證明是齒輪，齒條和傳動齒輪 的理想材料。MC 尼龍的應(yīng)用范圍越來越廣，效果也越來越顯著，人們從不認識到認 識，從試用到應(yīng)用，逐步認識到 MC 尼龍應(yīng)用的卓越性、重要性，MC 尼龍已取得了 重大的經(jīng)濟效益。 4.2 進給機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計 進給機構(gòu)采用滑動螺旋傳動，整個繞線過程中，要纏繞 20 圈，因此從動齒輪轉(zhuǎn) 動 20 圈，

42、螺桿也轉(zhuǎn)動 40 圈。目前我國常用的螺桿材料有 45 號鋼、40Cr、氨化鋼、 38CrMOAl，高溫合金等。而為了滿足設(shè)計要求，本設(shè)計中螺桿不采用金屬材料，現(xiàn) 在有尼龍材料的螺桿被使用，當強度要求不高，又需要減輕重量時，尼龍螺桿便是一 種很好的選擇。 4.3 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計 由于本裝置是要進行高空作業(yè)，須由操作人員舉至高壓線處，因此，對重量有極 高的要求，所以不僅在材料的選擇上，在機構(gòu)設(shè)計時，也要盡量減輕重量，無論是支 撐一對齒輪的小架子，還是機構(gòu)的整體架子，都要盡可能多的減重。 1. 小架子結(jié)構(gòu)設(shè)計 小架子的設(shè)計目的是要保證繞線時，機構(gòu)不會搖晃，即保證平衡，同時，支撐著 大齒輪。螺桿被安置在

43、和高壓線在一條直線上，這樣，就要求架子能夠保持兩邊平衡， 因此，架子既能起到支撐作用，又能保持整體平衡。設(shè)計時，高壓線所在的豎直平面 相當于架子的對稱中心，架子的結(jié)構(gòu)要完全對稱，才能使機構(gòu)穩(wěn)定，繞線時，小架子 的移動和主動齒輪是完全一致的，沒有相對位移，這是因為在小齒輪和架子之間有個 21 類似套筒的東西，它與主動齒輪用鍵連接，同時用卡環(huán)固定，使軸向固定，這樣，當 套筒進給時，帶動架子和主動齒輪同時運動，而且鍵連接使得主動齒輪隨之轉(zhuǎn)動，與 從動齒輪嚙合繞線。套筒狀物體內(nèi)部有螺紋，這是保證進給的必要條件。小架子與從 動齒輪接觸處有一個支撐從動齒輪的約圓筒，圓筒與從動齒輪邊緣處有一個圓柱 3 4

44、銷，防止齒輪軸向竄動。在該圓筒上與進給方向相反的一方邊緣處，安裝有一個 “V”型彈簧片，當齒輪繞線時，從齒輪進入的高壓線是約為長徑 20mm、小徑 10mm 的橢圓，繞線的鋁線直徑為 2mm，所以從彈簧片處離開時，長徑和小徑各增 加了 4mm 左右，這樣，彈簧片的彈力就給了高壓線一個夾緊力，使得纏繞在高壓線 上面的鋁線不會松動，起到了緊線的作用。在小架子的一側(cè)外部，安裝著進給機構(gòu)的 電動機,該電動機的尺寸（不算軸）為：(mm)。小架子偏底部的位置有兩 82 32 27 個孔，分別與兩根平衡桿配合，此處為間隙配合，因為小架子與平衡桿有相對位移， 要沿著其軌跡進給。 圖 4.2 小架子 2. 大架

45、子結(jié)構(gòu)設(shè)計 大架子的主要功能是當機構(gòu)繞線時，將整個機構(gòu)掛在高壓線上，減輕操作人員的 勞動強度。大架子的兩邊對稱布置著兩個完全相同的四桿機構(gòu)，該四桿機構(gòu)由一個直 動推桿驅(qū)動，在繞線前后，四桿機構(gòu)通過其中一個桿的直線位移，使掛線處發(fā)生角度 22 變化，進而實現(xiàn)掛線、松開線兩次動作。兩個四桿機構(gòu)的動作是同步進行的，四桿機 構(gòu)的電機（即直動推桿）也安裝在架子外側(cè)，并且四桿機構(gòu)在外側(cè)都有擋板，防止其 發(fā)生空間位移，四桿兩邊各有一個實心圓柱體，該圓柱體起到限位作用，使得四桿的 原動桿的運動軌跡不能脫離兩個圓柱實體，同時，因為在掛住高壓線之后，幾乎重量 都由兩邊的四桿機構(gòu)承受著，所以，對四桿機構(gòu)的剛度要求很

46、大，因此，為了增加強 度，在四桿的原動桿和圓柱實體處，連接著滑塊，該滑塊剛度很大，可隨著四桿的移 動而自由滑動。從減輕重量的角度考慮，架子的兩側(cè)和底部都有設(shè)置減重成分，即在 不影響其結(jié)構(gòu)強度的前提下，可在部分位置去除材料，這樣，可大大減輕重量。架子 上方兩邊各有一個類似滑道的結(jié)構(gòu)，因為當操作人員在下方舉著機構(gòu)時，無法很準確 地將高壓線線對準架子中心線部位，加了這一結(jié)構(gòu)后，可以讓架子接近高壓線后，先 將高壓線引進滑道，隨后，順著滑道，把高壓線帶進準確位置，這樣對于抓手抓線也 有很大幫助。大架子同樣有兩個插桿孔，與兩根平衡桿配合，不過此處應(yīng)為過盈配合， 因為要求固定桿與大架子相對靜止，無相對位移。

47、安裝時，在大架子固定螺桿的孔上 方，各有一個向上逐漸變大的孔道，而在螺桿進入架子處，該孔道直徑最大，這樣， 只需將螺桿從最大直徑處插入，之后，便會順著孔道落至指定位置，便于安裝。 圖 4.3 大架子 4.4 本章小結(jié) 在本部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，考慮到經(jīng)濟因素和節(jié)能環(huán)保，將進給機構(gòu)和繞線機構(gòu)設(shè) 計成共用一個電動機。該電動機工作時，既要帶動主動齒輪轉(zhuǎn)動，主動齒輪又與從動 23 齒輪嚙合，進而從動齒輪進行繞線動作，又要實現(xiàn)進給，這就增加了機構(gòu)的難度。設(shè) 計時，用一個套筒狀結(jié)構(gòu)解決這一難題，該結(jié)構(gòu)將繞線和進給實現(xiàn)在一個電動機上， 借助卡環(huán)和鍵這些標準件的幫助，實現(xiàn)了這兩個功能的結(jié)合。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計節(jié)約了

48、能源、減少重量，而且操作方便，尤其是在共用一個電動機這一點上面，充分詮釋了 設(shè)計初衷。 24 第 5 章 抓取機構(gòu)的設(shè)計 5.1 抓線機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計 如圖所示為抓線機構(gòu)的機構(gòu)，該機構(gòu)有一個細長空管，里面有一根拉桿，動力通 過這根拉桿由操作人員的手傳向上面的抓線部分。該結(jié)構(gòu)主要部分是拉桿和抓手，拉 桿上推時，將抓手之間的角度變大，這樣，手張開一個曲線，將懸著的引線帶進手指 之間，然后拉桿向下拉，這時，手指向抓住的高壓線抓緊，將其握住，將機構(gòu)送至固 定高壓線處時，再次向上推拉桿，這時，手指再次張開，將兩根高壓線同時握在手里， 將其抓緊。然后送整個支架上去，進行繞線工作。 （a） （b） （c） 圖

49、5.1 抓線機構(gòu) 5.2 導線握持機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計 導線握持部分采用的是四桿機構(gòu)。四桿機構(gòu)的主要優(yōu)點是：連桿機構(gòu)為低副，運 動副為面接觸，壓強小，承載能力大，耐沖擊；運動副元素的幾何形狀多為平面或圓 柱面，便于加工制造；連桿曲線可以滿足不同運動軌跡的設(shè)計要求。主要缺點有：運 動積累誤差較大，因而影響傳動精度；由于慣性力不好平衡，因而不適于應(yīng)用在高速 傳動；設(shè)計方法相對復雜。在本設(shè)計中，當握線機構(gòu)不工作時，四桿的握持部分是張 開的，有一定角度，當整個機構(gòu)被送至高壓線處時，直動電機將推桿向上推，同時， 25 握持部分的角度逐漸變小，直至為零，此時，四桿機構(gòu)將高壓線緊緊握住，動作完成， 架子兩邊的把手同

50、時抓線、松線。在抓手的外側(cè)，有一個擋板固定，而且發(fā)生角度變 化處的推桿也有兩個小圓柱與之接觸，這樣就很好的保證了其穩(wěn)定性。而且，握持部 分的內(nèi)部空間，即與高壓線接觸處，是設(shè)計成橢圓形的，這樣當高壓線被握住時，由 于接觸緊湊，而且整個該裝置有重力作用，會對高壓線產(chǎn)生作用力，迫使兩根高壓線 成豎直排列，避免其晃動，更加便于纏線。 （a） (b) 圖 5.2 導線握持機構(gòu) 5.3 本章小結(jié) 本部分的設(shè)計主要是抓線、握線部分結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于高壓線引線是懸在空中的， 沒有固定裝置，因此，要對其施力必須先將其抓緊，然后才能使之與固定的高壓線匯 合，并用準備好的鋁線纏繞。這一設(shè)計要求的滿足主要借助于四桿機構(gòu)，

51、四桿機構(gòu)便 于安裝制造，而且容易實現(xiàn)運動軌跡的復雜性，是首選機構(gòu)。 26 第 6 章 實體機構(gòu)裝配 6.1 實體機構(gòu)裝配 由于 CAD 技術(shù)的快速發(fā)展，迅速而準確地進行輪廓設(shè)計早已經(jīng)成為可能，這一 技術(shù)將設(shè)計者從復雜且繁重的計算和艱巨的繪圖工作中解救出來，但是，CAD 技術(shù) 局限于二維平面圖，缺乏立體感，不能很好的表達特別復雜的機構(gòu)。因此三維軟件的 使用越來越受歡迎，人們在有了基礎(chǔ)設(shè)計理念之后，即可利用三維軟件生成實體，通 過分析比較，再進行實體裝配，最后，通過運動仿真，來確定最終機構(gòu)。這樣，就避 免了空泛和抽象的想象，將實體表現(xiàn)出來更加形象。例如 pro/e 畫圖軟件，即可精確、 快速的完成機構(gòu)的三維實體造型，并且通過對機構(gòu)進行運動仿真，大大的簡化了機構(gòu) 的設(shè)計開發(fā)過程，并提高了設(shè)計的準確性。 實體裝配時