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1、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
2、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-risebuildingssuchas
3、thepoles,theroadpolesandcable-stayedbridgesappearedinthenumerouscitiesandtowns.Howtosolvethecleaningandmaintenanceofthesesetswithgreenenvironmental,highlyefficientandlow-costmethodintegratingwiththeaestheticsandpracticability,whichissubjectofstudyforenviron-mentalprotectionworkersforalongtime.Inthis
4、paper,akindofpneumaticpole-climbingrobotwasdesignedforsatisfyingthegreatdemandsonpole-climbingtasksincityplanningengineering.Therobothascertainloadcapacity.ltcanbewidelyusedincityplanningpole-climbingtasksinsteadofmanpower.Basedoncomparedthemeritsanddemeritsofseveralkindofcrawlingmechanism,wedetermi
5、nethegeneralstructureofrobotbody,adoptpneumaticcomponentsofclimbingrobot,motordrivetwo-wayspiralmovementmechanismmotionfortheclampingrobotarm.Thenaccordingtothesizeofreadingdata,designofrobotestimatethesizeofcomponentswithquality,accordingly,determinethecylinderandmotormodel.Finally,thetestofeachele
6、ment,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.
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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、
12、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
13、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
14、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，
15、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
16、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
17、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
18、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
19、。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）仿生卜一11r5016+506015120(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
20、-2丝杠估算丝杠的质量：小杵夕t“ 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=5220,522050.5+28l3OO.3=l89cm2myw=VfwP=1897.85=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+2mfm+mk板+4Xm&+2xm木干=4000+21505.15+3202+495+2X885(4.6)
21、=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
22、(mm)：缸径：25MMrMlOx 1.25NNrM272PPrZG 1/8A:22B:15C：58D:37.7E:34L:1204.1.7估算整体质量M=2xm+2m=2 12362.3+24000=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。
23、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
24、+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
25、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，
26、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=0,690=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=7513Mp选择P=8Mp摩擦因
27、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=32-0.56=29mm,d3=d-2h3=32-2(3+0.5)=25mm。螺母高度H=Yd2=1.529=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=3.1432tan
28、8.250=14.57mmPdtanp,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：=0.25o=0.25360=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,l90=99Mpa许用切应力梯形螺纹螺牙根部宽度b：b=0.5P=0.56=3nm(4.D)梯形螺纹螺纹的工作高度H:Hl=0.5P=0.56=3nm(4.20)螺牙切应力的计算：丝杠FI(XX)(4.21)djtm3.14x0.025x
29、0.003x7.33螺母F100026.54帆(a22)匕乙乙)3.140.033O003x7.33丝杠弯曲应力的计算：丝杠3FH.3IO0.003：17379Mpa/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
30、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
31、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.620=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=
32、602601(300158)=0.561610o次N2=0.56161071.6=0.35110o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ffl5；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=0.459.37=23.748mm计算齿宽与齿高之比：模数m,=dZ=59.37120=2.9685mmSjh=2.25m,=2.252.9685=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.121.1X1.43=1.72计算模数：m=d1z1=60.8
