液壓步進(jìn)式自爬柱工作平臺(tái)分析與設(shè)計(jì) （系 ）：機(jī)電學(xué)院 專 業(yè) ：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師 ： 2015 年 6 月 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 題 目 液壓步進(jìn)式自爬柱工作平臺(tái)分析 與設(shè)計(jì) 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制 造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 學(xué) 生 指 導(dǎo) 教 師 答 辯 日 期 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘 要 隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷完善，鐵路、公路橋梁的建設(shè)越來(lái)越多，這些橋梁立柱的建設(shè)、維護(hù)、檢測(cè)等過(guò)程中都需要一種能夠適應(yīng)梁柱結(jié)構(gòu)，能夠自主移動(dòng)的工作平臺(tái)。這些工作平臺(tái)的應(yīng)用，將工人從繁雜危險(xiǎn)的工作環(huán)境中解放出來(lái)，而且工作效率更高，當(dāng)今世界科 學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是液壓技術(shù)的發(fā)展為這一工作平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。 液壓技術(shù)具有功率重量比大，啟動(dòng)制動(dòng)迅速，容易實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，工作介質(zhì)有一定的彈性和吸振能力的特點(diǎn)，使得液壓傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可自潤(rùn)滑且易于散熱。 本文研究了一種用液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)沿著立柱的攀爬和下降，項(xiàng)目研究對(duì)象為一種能夠適應(yīng)大直徑水泥橋梁的步進(jìn)式自爬柱工作平臺(tái)。該工作平臺(tái)由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)上下兩組工作爪，能夠在混凝土柱上實(shí)現(xiàn)自主上升和下降。文章給出了整個(gè)機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)，對(duì)重點(diǎn)難點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了討論分析，進(jìn)行爬升機(jī)構(gòu)液壓動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)，選擇了液壓閥和液壓輔件，對(duì)重要零件閥塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，進(jìn)行自爬柱工作平臺(tái)整體系統(tǒng)的三維建模并運(yùn)用 行仿真分析。 關(guān)鍵詞 ：自爬柱工作平臺(tái)；總體設(shè)計(jì)；液壓系統(tǒng)；特性分析 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） of of of in of so on a to is to of is In s of In of of a to to a of a by a to as a to to of by a an in of of nd 爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 錄 摘 要 . I . 1 章 緒 論 . 1 題來(lái)源 . 1 究的目的與意義 . 1 內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 . 3 文研究的主 要內(nèi)容 . 7 第 2 章 工作平臺(tái)的總體設(shè)計(jì) . 8 爬柱平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 8 械臂的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 . 9 動(dòng)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 13 塞桿的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算 . 16 塞桿 的 強(qiáng)度計(jì)算 . 16 塞桿的彎曲穩(wěn)定性驗(yàn)算 . 16 章小結(jié) . 18 第 3 章 液壓部分的設(shè)計(jì) . 19 系統(tǒng)原理圖 . 19 壓泵選型 . 19 動(dòng)電機(jī)選型 . 20 磁換向閥選型 . 21 動(dòng)式溢流閥選型 . 22 向閥選型 . 23 速閥選型 . 24 箱設(shè)計(jì) . 25 要液壓輔件的選擇 . 26 路的尺寸 . 28 統(tǒng)發(fā)熱和溫升計(jì)算 . 29 塊的設(shè)計(jì) . 29 塊裝配體 . 30 源的設(shè)計(jì) . 31 裝配體的設(shè)計(jì) . 34 章小結(jié) . 35 第 4 章 系統(tǒng)的仿真分析 . 36 件的簡(jiǎn)要介紹 . 36 統(tǒng)模型的建立 . 37 統(tǒng)模型參數(shù)的設(shè)置 . 38 統(tǒng)模型的仿真結(jié)果 . 39 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 章小結(jié) . 43 結(jié) 論 . 44 參考文獻(xiàn) . 45 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明 . 48 致 謝 . 49 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒 論 題來(lái)源 本項(xiàng)目來(lái)源于中鐵建設(shè)集團(tuán)大 橋局的預(yù)研項(xiàng)目。 究的目的與意義 鐵路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈、國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施和大眾化的交通工具，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中起著重要的作用。但近年以來(lái)，隨著航空、海運(yùn)和公路等運(yùn)輸方式在我國(guó)迅速崛起和發(fā)展，鐵路運(yùn)輸也受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這種發(fā)展趨勢(shì)就促使鐵路必須進(jìn)行內(nèi)部體制改革以及運(yùn)輸手段的技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)一步加速鐵路的高速化、重載化和多式運(yùn)輸?shù)牧Ⅲw化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鐵路網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代化。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)鐵路取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)，然而“一車難求、一票難求”現(xiàn)象仍然十分突出。尤其進(jìn)入本世紀(jì)后，隨著 環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，專家們一致認(rèn)為，在交通運(yùn)輸各行業(yè)中，從單位運(yùn)量的能源消耗、對(duì)環(huán)境資源的占用、對(duì)環(huán)境質(zhì)量的保護(hù)、對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)以及運(yùn)營(yíng)安全等方面來(lái)綜合分析，鐵路的優(yōu)勢(shì)最為明顯。因此歐洲各發(fā)達(dá)國(guó)家在經(jīng)歷了一段曲折的道路之后，重新審視和調(diào)整其運(yùn)輸政策，把重點(diǎn)逐步移回鐵路，其策略中重要的一環(huán)是規(guī)劃和發(fā)展高速鐵路。專家們紛紛指出，發(fā)展 中國(guó)高速鐵路 勢(shì)在必行。高鐵將通過(guò)中國(guó)大部分地區(qū)，把中國(guó)變成一個(gè)“ 中國(guó)村 ”。大量數(shù)據(jù)表明，高鐵沿線已經(jīng)成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最活躍和最具潛力的地區(qū) 1。我們完全有理由樂(lè)觀地預(yù)見(jiàn)，高速鐵路在支撐區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展、優(yōu)化資源配置和產(chǎn)業(yè)布局、構(gòu)建高效綜合運(yùn)輸體系、降低社會(huì)物流成本、促進(jìn)城鎮(zhèn)一體化進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等方面，都將發(fā)揮巨大的作用 2。新一屆政府上臺(tái)以后，可以說(shuō)高鐵已經(jīng)上升為國(guó)家戰(zhàn)略，高鐵技術(shù)是我國(guó)自主創(chuàng)新的重要成果。加快高鐵網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是應(yīng)對(duì)國(guó)際金融危機(jī)的重要舉措，也是中國(guó)“走出去”最有希望取得更大成功的新領(lǐng)域。 我國(guó)現(xiàn)在是世界上高鐵系統(tǒng)技術(shù)最全、集成能力最強(qiáng)、運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)、運(yùn)行速度最高、在建規(guī)模最大的國(guó)家。高鐵是中國(guó)技術(shù)創(chuàng)新的典范，是中國(guó)人用自己的方式建設(shè)的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，也是唯一具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的運(yùn)輸工具，需加快高鐵建設(shè)。隨著世界高速鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，高速列車的商業(yè)運(yùn)行速度迅速提高。旅行時(shí)間的節(jié)約，旅行條件的改善，旅行費(fèi)用的降低，再加上國(guó) 際社會(huì)對(duì)人們賴以生存哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 的地球環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，使得高速鐵路在世界范圍內(nèi)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的強(qiáng)勁勢(shì)頭。在最近閉幕的第三屆高速鐵路國(guó)際會(huì)議發(fā)出了一個(gè)明確信息，作為主要的公共交通工具之一，高速鐵路將在 21世紀(jì)獲得迅速發(fā)展。因此，歐洲、美洲、亞洲諸國(guó)和地區(qū)，正在計(jì)劃進(jìn)一步加快高速鐵路的建設(shè)。由此可見(jiàn)，更為密集的高速鐵路網(wǎng)目前看來(lái)前途一片光明。與世界許多國(guó)家相比，我國(guó)高速鐵路的發(fā)展有更加廣闊的空間。我國(guó)國(guó)土東西跨度 5400 公里，南北相距 5200 公里，這決定了中長(zhǎng)距離客貨運(yùn)量需求巨大，而鐵路是經(jīng)濟(jì)又快捷的交通運(yùn)輸方式，因此有很 大的發(fā)展?jié)摿?。另外，五次大提速帶?lái)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益有目共睹，充分證明了高速鐵路在我國(guó)有很強(qiáng)的生命力和很大的發(fā)展前途。中國(guó)高速鐵路的建設(shè)和發(fā)展，將會(huì)給國(guó)內(nèi)外鐵路建設(shè)者帶來(lái)巨大的商機(jī)，同時(shí)促進(jìn)世界和區(qū)域經(jīng)濟(jì)的提速和發(fā)展，為世界經(jīng)濟(jì)的騰飛做出巨大的貢獻(xiàn) 3。 但是隨著基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，鐵路、公路橋梁的建設(shè)越來(lái)越多，這些橋梁立柱的建設(shè)、維護(hù)、檢測(cè)等過(guò)程中都需要一種能夠適應(yīng)梁柱結(jié)構(gòu)，能夠自主移動(dòng)的工作平臺(tái)。橋梁檢測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，超聲波檢測(cè)、聲發(fā)射、雷達(dá)技術(shù)、激光技術(shù)、紅外熱成像等先進(jìn)方法己經(jīng)世界許多國(guó)家應(yīng)用來(lái)檢 測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)損傷。從上世紀(jì) 90年代開(kāi)始，傳感器和通信技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)橋梁無(wú)損檢測(cè)起到了推波助瀾的作用，橋梁無(wú)損檢測(cè)跨入了新的發(fā)展階段，重點(diǎn)向集成化、快速化和智能化的方向發(fā)展。近年來(lái)，相關(guān)的研究人員在橋梁的非破壞性評(píng)估方面做了許多深入研究，也提出了許多較為實(shí)用的方法。其中的一些技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了現(xiàn)代的橋梁檢測(cè)中，例如，利用磁漏攝動(dòng)法檢查混凝土、鋼筋和鋼索內(nèi)部的鋼筋利用雙波長(zhǎng)遠(yuǎn)紅外成像技術(shù)偵查橋梁混凝土部分的缺陷和損傷程度使用激光斑紋測(cè)量方法和全息干涉方法來(lái)衡量橋體表面的形態(tài)狀況；采用相干的激光雷達(dá)對(duì)橋梁下部的撓度進(jìn)行量度等。伴隨著振動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)的發(fā)展，依靠振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力模型修正的理論得到了充分的發(fā)展和應(yīng)用，這為橋梁結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)領(lǐng)域開(kāi)拓了新的道路。 高鐵為了減少阻力，保證運(yùn)行平穩(wěn)必須是建設(shè)在橋梁之上，所以橋梁安全檢測(cè)非常重要，自爬柱工作平臺(tái)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展以及人們自我安全保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，人們迫切希望能用自爬柱工作平臺(tái)代替人工進(jìn)行這些高空危險(xiǎn)作業(yè)，從而把人從危險(xiǎn)、惡劣、繁重的勞動(dòng)環(huán)境中解脫出來(lái)。橋梁檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)也必將是借助自爬柱工作平臺(tái)來(lái)代替人力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。新型材料、機(jī)械電子 、傳感驅(qū)動(dòng)、計(jì)算機(jī)控制等硬、軟件技術(shù)的在快速發(fā)展的同時(shí)也強(qiáng)力帶動(dòng)了自爬柱工作平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展。能搭載工具實(shí)現(xiàn)特定需求的工作任務(wù)，這大大拓寬了自爬柱工作平臺(tái)的應(yīng)用場(chǎng)合和領(lǐng)域。開(kāi)發(fā)能在施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)用的自爬柱工作哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 平臺(tái)技術(shù)，將是很有意義的，必具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。自爬柱工作平臺(tái)的使用也將大大降低高層桿狀建筑的檢測(cè)成本，改善工人們的勞動(dòng)環(huán)境，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，這或?qū)?lái)檢測(cè)業(yè)的一次革命。這種自爬柱工作平臺(tái)的研制必將具有很大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和非常廣闊的應(yīng)用前景?？纱钶d檢測(cè)、維護(hù)設(shè)備的自爬柱工作平臺(tái)，也將有助于 解決當(dāng)前城鎮(zhèn)中存在的影響市容的公共設(shè)施的檢測(cè)、維護(hù)問(wèn)題 45。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 自爬柱工作平臺(tái)是機(jī)器人大家族中的一員，自爬柱工作平臺(tái)因?yàn)樾枰朔亓Φ淖饔枚煽康匾栏接谂郎砻嫔喜⒆灾饕苿?dòng)，完成特定條件下的作業(yè)，區(qū)別于平面移動(dòng)機(jī)器人，故自爬柱工作平臺(tái)是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要研究分支，從運(yùn)動(dòng)方式上來(lái)表征的一種機(jī)器人，形式是多種多樣的。爬行機(jī)器人并不少見(jiàn)，但是通常來(lái)說(shuō)，這類機(jī)器人大多采用多足來(lái)進(jìn)行移動(dòng)或是使用腹部的摩擦表層來(lái)左右扭動(dòng)前進(jìn)。更主要的是，平常的機(jī)器人，因?yàn)轶w積或行動(dòng)方式的影響，不能 到一些特殊的地方進(jìn)行工作，比如說(shuō)管道，壁面等等特種用途的領(lǐng)域。 爬升機(jī)器人與一般地面移動(dòng)機(jī)構(gòu)的最明顯不同是需克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移動(dòng)，完成特定條件下的作業(yè)。 最早開(kāi)始研究且研究最多的是爬壁機(jī)器人 67，適于高層建筑、水力發(fā)電大壩等垂直壁面 89和大球形表面上的危險(xiǎn)作業(yè)。對(duì)于管道外壁表面 10，已有車輪移動(dòng)形、姿態(tài)可變形、尺鑊形和多關(guān)節(jié)形機(jī)器人，用于石油、化工企業(yè)等多為水平管線上的檢查和診斷，且牽引力較小。 按行走方式可分為 :輪式履帶式、蠕動(dòng)式、多足式等。按工作空間來(lái)分可 分為 :管道爬行機(jī)器人、壁面爬行機(jī)器人、球面爬行機(jī)器人、陸地移動(dòng)機(jī)器人、水下機(jī)器人、無(wú)人飛機(jī)、空間機(jī)器人等。 按功能用途來(lái)分可分為 :焊弧爬行機(jī)器人、檢測(cè)爬行機(jī)器人、清洗爬行機(jī)器人、提升爬行機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、助殘機(jī)器人、巡線爬行機(jī)器人、玩具爬行機(jī)器人等。 國(guó)內(nèi)外的學(xué)者很早就對(duì)爬行機(jī)器人進(jìn)行研究工作，獲得了豐碩的成果。目前，國(guó)內(nèi)外提出的一些依附于桿體表面的自動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)主要有電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人、電動(dòng)液壓式爬桿機(jī)器人和氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人等。 電動(dòng)機(jī)械式爬行器是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鏈輪、帶輪、齒輪驅(qū)動(dòng)夾緊桿體 的前后輪向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠行走輪與桿體的摩擦力使爬升器沿桿體上升下降。螺旋運(yùn)動(dòng)爬升機(jī)器人的爬行動(dòng)作是由輪子的安裝位置決定的，輪子滾動(dòng)方向與水平面成一定角度，這樣輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 它在桿體上形成的是螺旋軌跡，沿此軌跡通過(guò)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)該機(jī)構(gòu)便可實(shí)現(xiàn)上升和下降運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人和螺旋線運(yùn)動(dòng)爬桿機(jī)器人都是以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾輪壓緊桿體，依靠此摩擦力帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人沿桿體上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全運(yùn)作，且機(jī)器人總體機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人用氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交替夾緊和移動(dòng)，其向上爬行時(shí)氣缸動(dòng) 作一個(gè)周期的過(guò)程為下部汽缸夾緊，上部汽缸松開(kāi)，提升汽缸活塞桿伸出，上部上升 ;上部汽缸夾緊，下部汽缸松開(kāi)，提升氣缸體上升，下部上升。如此反復(fù)，機(jī)器人就可以連續(xù)爬行。對(duì)于氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人，其上升和下降運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)由氣壓控制，需要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控制系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本較高。國(guó)外有代表性的有東京大學(xué)研制的關(guān)節(jié)型行走機(jī)器人，可沿水平或垂直的直桿爬行，能跨越法蘭、平行桿 11，并可繞 型桿爬行。 國(guó)內(nèi)比較典型的有上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所研究開(kāi)發(fā)的一種斜拉橋纜索涂裝維護(hù)用氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬纜機(jī)器人 12，如圖 1 示。圖 1動(dòng)氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬纜機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理圖 此外還有浙江大學(xué)陳俊龍教授設(shè)計(jì)的氣動(dòng)爬桿機(jī)器人 13，如圖 1示。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 （ a） 底部與上部分離狀態(tài) （ b） 底部與上部結(jié)合狀態(tài) 圖 1動(dòng)爬桿機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理圖 如圖 a 所示，爬桿機(jī)器人分上部 10 和底部 1 兩個(gè)部分 21 攀升循環(huán)在上部 10和底部 1上，各裝有一對(duì)套在直桿上的爪子 (機(jī)器人可在地而上方便地作水平移動(dòng)，使兩爪輕套在桿子上 )，每對(duì)爪子由一固定爪和活動(dòng)爪組成，固定爪 13 和 15 分別固定安裝在上部 10 和底部 1 上，依靠活動(dòng)爪的壓緊和松開(kāi)實(shí)現(xiàn)對(duì)直桿的抱緊和松開(kāi)。而活動(dòng)爪 12 和 14 的緊松則由各自的氣缸實(shí)現(xiàn)，如圖中的上夾氣缸 11和下夾氣缸 16 攀升運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力由升降氣缸 6 提供，升降氣缸 26 的缸體固定在底部 1 上，而球頭活塞桿 7 的球頭則安裝在上部 10 上。當(dāng)上夾氣缸 11 松開(kāi)，下夾氣缸 16 夾緊時(shí)，升降氣缸 6 下腔進(jìn)氣，上腔排氣，則活塞和球頭活塞桿 7 推動(dòng)上部 10 沿著導(dǎo)柱 8 向上移動(dòng)，到達(dá)行程終了位置時(shí)，上夾氣缸 11 夾緊，然后下夾氣缸 16 松開(kāi)，即上爪緊，下爪松，與此同時(shí)，升降氣缸 6 上腔進(jìn)氣，下腔排氣，從而使升降氣缸的缸體連同安裝的底部 1 一起沿著導(dǎo)柱 8 上升到與上部 10 相合 l 下 完成攀升的一個(gè)循環(huán)。接著可進(jìn)行下，通過(guò)兩個(gè)部分的有規(guī)律的分離和合攏實(shí)現(xiàn)升降。 下降循環(huán)的機(jī)理與攀升循環(huán)基本相同，只是下降第一步，即機(jī)器人在桿子的規(guī)定高度上，其上部 10 和底部 1 相合，開(kāi)始 下降時(shí)，先使上爪緊，然后使下爪松，同時(shí)使升降氣缸 6 的下腔進(jìn)氣，上腔排氣，這樣升降氣缸 6 的缸體連同安裝在一起的底部 1 實(shí)現(xiàn)下降，到達(dá)行程終了位置，先使下爪緊，然后上爪松，同時(shí)使升哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 降氣缸上腔進(jìn)氣，下腔排氣，從而使球頭活塞 桿 7 與其安裝在一起的上部 10 一起下降，直到上部 10 與底部 1 再次相合，完成了一個(gè)下降循環(huán)。機(jī)器人模仿人的動(dòng)作一步一步下降，直至到達(dá)地面。 類似此類機(jī)器人還有日本為林業(yè)公司研發(fā)的爬樹(shù)機(jī)器人，如圖，西班牙 2006年研發(fā)的爬柱機(jī)器人，伊朗研發(fā)的爬桿機(jī)器人。 圖 1本 為林業(yè)公司 圖 1班牙 研發(fā)的爬 圖 1朗研發(fā)的爬桿機(jī)器人 研發(fā)的爬樹(shù)機(jī)器人 柱機(jī)器人 下圖為天津大學(xué)研發(fā)的一款爬柱機(jī)器人原理和實(shí)物。 圖 1津大學(xué)研發(fā)的爬柱機(jī)器人原理圖 圖 1津大學(xué)研發(fā)的爬柱機(jī)器人實(shí)物 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 文研究的主要內(nèi)容 內(nèi)容主要包括如下幾個(gè)方面： （ 1）進(jìn)行自爬柱工作平臺(tái)爬升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)； （ 2）進(jìn)行爬升機(jī)構(gòu)液壓動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)； （ 3）進(jìn)行自爬柱工作平臺(tái)整體系統(tǒng)的建模與仿真； （ 4）伺服作動(dòng)器、工作 平臺(tái)的設(shè)計(jì)，并繪制圖紙。 研究目標(biāo)：本項(xiàng)目研究對(duì)象為一種能夠適應(yīng)大直徑水泥橋梁的步進(jìn)式自爬柱工作平臺(tái)。該工作平臺(tái)由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)上下兩組工作爪，能夠在混凝土柱上實(shí)現(xiàn)自主上升和下降。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第 2 章 工作平臺(tái)的總體設(shè)計(jì) 爬柱平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本文研究的主要內(nèi)容是針對(duì)鐵路橋梁建設(shè)中常規(guī)的圓形立柱的爬柱工作平臺(tái)的研究，圓形立柱取直徑為 1000升速度為 1m/計(jì)手爪所在機(jī)械臂為螺旋線狀，導(dǎo)程為 600圓柱 半徑為 510設(shè)工作平臺(tái)自重加承載質(zhì)量一共 600膠與水泥的摩擦系數(shù)為 機(jī)械臂相交點(diǎn)所在的圓柱平面中心為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，手爪繞水泥柱的角度為 120 度，高度為 200手爪受力一個(gè)豎直向上為摩擦力，一個(gè)背離所在平面圓心向外，考慮上下手爪變形一致，故有所受摩擦力相等，且方向相同。 液壓步進(jìn)式自爬柱工作平臺(tái)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下所示。 圖 2爬柱工作平臺(tái)原理 工作平臺(tái)上部 1,2 號(hào)兩液壓缸聯(lián)動(dòng)，下部 3,4 號(hào)兩液壓缸聯(lián)動(dòng)，主要起抓緊立柱的作用， 5 號(hào)液壓缸主要起攀 爬的作用。在下手爪攀爬過(guò)程中， 1,2 號(hào)液壓缸伸開(kāi)，上手爪抱緊立柱， 3,4 號(hào)液壓缸縮回，下部手爪則松開(kāi)， 5 號(hào)液壓缸縮回。在上手爪攀爬的過(guò)程中， 1,2 號(hào)液壓缸縮回，上手爪松開(kāi)， 3,4 號(hào)液壓缸伸長(zhǎng)，下哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 部手爪則抱緊立柱， 5 同時(shí)號(hào)液壓缸伸開(kāi)。進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)，上下兩手爪同時(shí)抓緊。 圖 2看手爪所在位置示意圖 圖 2標(biāo)示意圖 進(jìn)行受力分析 14 u( 21 ) 20 F = 21 得出 21 =4900N， f =u 1F =4900=1470N， 5880F N， F 為舉升主液壓缸作用在交點(diǎn)處的力 。 械臂的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 設(shè)計(jì)機(jī)械臂的橫截面形狀為正方形，且邊長(zhǎng)為 50在受到水泥柱對(duì)機(jī)械臂的作用力之后，機(jī)械臂受到扭矩和彎矩作用，對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行強(qiáng)度與剛度計(jì)算 15如下。 從相交點(diǎn)到機(jī)械臂末端的長(zhǎng)度有螺旋線長(zhǎng)度公式： L =)( 22 式中： D 為基圓的直徑， D =1020 d 為導(dǎo)程 ， d =600 可以計(jì)算出兩機(jī)械臂相交點(diǎn)到機(jī)械爪作用點(diǎn)所在位置的距離為： 221 l m (2(2（ 2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 到液壓缸力作用點(diǎn)的位置為12 21= 對(duì)機(jī)械臂手爪到交點(diǎn)這一段進(jìn)行受力分析，對(duì)交點(diǎn) 10 進(jìn)行力矩平衡分析，受力如圖所示，有方程： 0230co 0 02260s i F 4F =1633N， 4F 即為液壓缸活塞對(duì)機(jī)械臂的作用力，方向豎直向上。 圖 2械臂受力圖 圖 2械臂受力分析圖 （ 2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 2械臂彎矩圖 圖 2械臂扭矩圖 分別作出彎矩和扭矩作用圖如上所示，并有： m a xm a xm a x (2哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 =662121 =448矩為： T=147047N。 根據(jù)形變應(yīng)變能理論 16（第四強(qiáng)度理論）： m a a 4r = 4 4 8 22 5 鋼的許用應(yīng)力強(qiáng)度至少為 600故此機(jī)械臂的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求 。 剛度計(jì)算，剛度要求為單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)角 均不得超過(guò)許用的單 位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)角（ m ）。 3 =47 29 = m410 ， 故剛度也滿足設(shè)計(jì)要求。 橡膠的抗壓強(qiáng)度為 20了防止橡膠壓潰 17，則有至少需要的橡膠面積：A=1F =622102014 7049 00 =256據(jù)機(jī)械臂的長(zhǎng)度不變，且一個(gè)導(dǎo)程的螺旋線長(zhǎng)度為： L= )( 22 當(dāng) D=1020d =600，與 D=1010求 1d 。 L= 21222 )d1d = 則有導(dǎo)程長(zhǎng)度變長(zhǎng)，且有機(jī)械手爪上升后的高度為 1h =1 =壓缸處的原始高度為 2h =1 =有活塞桿的活動(dòng)范圍為 h =002(2（ 2 （ 2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 對(duì)于抱爪的結(jié)構(gòu)有兩種方案，如圖所示，第一種方案單獨(dú)制造手爪結(jié)構(gòu)，用螺紋結(jié)構(gòu)把手爪與機(jī)械臂聯(lián)接，此種方案削弱了機(jī)械臂的強(qiáng)度，且受力集中，容易變形。 圖 2一種方案抱爪結(jié)構(gòu) 圖 2一種方案抱爪裝配圖 第二種方案，在手臂處加工出 60 度工形凹槽，在其中插入一定厚度的高強(qiáng)度橡膠條，這樣，既改善了受力均勻，又不削弱手臂的強(qiáng)度，且容易更換橡膠條，所以最終選擇這種方案。 圖 2二種方案的抱爪結(jié)構(gòu) 圖 2二種方案抱爪裝配圖 動(dòng)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 主液壓缸的運(yùn)動(dòng)可以分為六大部分循環(huán)，按照實(shí)際的運(yùn)動(dòng)過(guò)程依次設(shè)計(jì)為 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 上手爪夾緊時(shí)間 1t =4s， 下手爪松開(kāi)時(shí)間 2t =4s， 下手爪上升時(shí)間3t=7s， 下手爪夾緊時(shí)間 4t =4s， 上手爪松開(kāi)時(shí)間5t=4s， 上手爪上升時(shí)間6t=7s。 液壓缸按其結(jié)構(gòu)形式，可以分為活塞缸、柱塞缸兩類 181920。根據(jù)行程短的特點(diǎn)，選擇采用活塞缸?？紤]到單桿活塞缸即可滿足要求，故選擇雙作用單桿活塞缸，活塞作雙向運(yùn)動(dòng)，架體移動(dòng)范圍是活塞 (或缸筒 )有效行程的兩倍，并產(chǎn)生不同的推、拉力。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖如下。 圖 2桿活塞桿 圖中： 塞無(wú)桿側(cè)有效面積 ( 塞有桿側(cè)有效面積 ( D：活塞直徑 (缸筒內(nèi)徑 )( d：活塞桿直徑 (。 選擇液壓系統(tǒng)的工作壓力為 5液壓缸的面積為： 1 211 4 1D =閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 21，選擇液壓缸的內(nèi)徑尺寸為 D m=25 活塞桿的活動(dòng)范圍為 擇 選擇小液壓缸的活塞 2d =4夾緊時(shí)有 1t =3s， 故有： 111 = m/s (2（ 2 （ 2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 1211 4 v = =開(kāi)時(shí)有5t=3s，故有： 2222213 v = 221 43 p 足小于 5要求。 大液壓缸的面積為： 36 101 7 8 8 0 液壓缸的長(zhǎng)度為 l 500 24 得出 選擇 D 40 采用活塞桿的直徑為 大液壓缸上爪上升的速度為 m/s 322 4 v = 0 5 5 =足小于 5要求。 下手爪上升的速度為 m/s 224224 v L/ 2 （ 2 （ 2 （ 2 （ 2 （ 2 （ 2 （ 2 （ 2 （ 2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 塞桿的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算 塞桿 的 強(qiáng)度計(jì)算 22 依據(jù)新編液壓工程手冊(cè)式 23. 3知 : 610 s 式中： F：液壓缸的最大工作推力 (或拉力 )； s：材料的屈服強(qiáng)度 (本設(shè)計(jì)中按 45 號(hào)鋼設(shè)計(jì)， s340 ( 全系數(shù)一般取 2設(shè)計(jì)中取 4； d ：活塞桿直徑 (m)。 58802102 663 83 d 足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。 16332102 6642 42 d 足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。 塞桿的彎曲穩(wěn)定性驗(yàn)算 活塞桿通常是細(xì)長(zhǎng)桿體，因此活塞桿的彎曲計(jì)算一般可按“歐拉公式”進(jìn)行 計(jì)算?；钊麠U彎曲失穩(wěn)臨界負(fù)荷按下式計(jì)算： 2262 10 在彎曲失穩(wěn)臨界負(fù)荷塞桿將縱向彎曲。因此，活塞桿最大工作負(fù) 荷 F 應(yīng)按下式驗(yàn)證：式中： E ：活塞桿材料的彈性模數(shù) (鋼材取 310210 ( J ：活塞桿橫截慣性知 (圓截面 84431 dJ 94422 dJ K ：安裝及導(dǎo)向系數(shù) (見(jiàn)表 23. 3，本設(shè)計(jì)中取 1K ； 全系數(shù)，一般取 5.3 (2（ 2 （ 2 （ 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 裝距 (見(jiàn)表 23. 3，本設(shè)計(jì)中取 L m。 422832226121 (N) 441 F=5880(N)， 故大活塞桿的彎曲穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。 4226932226222 (N) 342 ) 633(N) 小活塞桿的彎曲穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。 最后得出液壓缸的參數(shù)有下表： 表 2別 活塞直徑（ 活塞桿直徑 (活塞行程 (大液壓缸 40 28 500 小液壓缸 25 14 100 為了在爬行的時(shí)候節(jié)省空間，選擇優(yōu)瑞納斯液壓缸 23，該液壓缸出力大且平穩(wěn)，可用于各種重型機(jī)械，且液壓缸與手爪用連接頭連接，連接頭與液壓缸端部用螺紋結(jié)構(gòu)連接，具體連接如圖所示，下圖分別為 型圖。 圖 2液壓缸和抱爪連接結(jié)構(gòu)處 圖 2液壓缸和抱爪連接結(jié)構(gòu)處 （ 2 （ 2 （ 2 （ 2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 連接頭與銷連接的兩端分別用卡環(huán)固定，使機(jī)械臂固定在銷上，避免發(fā)生亂竄。 章小結(jié) 本章確定了機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的校核，討論了重點(diǎn)連接部位手爪抱緊部分與液壓缸和機(jī)械臂的連接部分，這是總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，并分別建模。選擇優(yōu)瑞納斯液壓缸，并對(duì)活塞桿進(jìn)行了強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算，證明了選擇是合理的，根據(jù)計(jì)算出的液壓缸行程，確定了大液壓缸和小液壓缸的流量和壓力，這為后續(xù)的 液壓部分的設(shè)計(jì)和仿真奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)設(shè)計(jì)出整個(gè)機(jī)械平臺(tái)的結(jié)構(gòu)。 圖 2板機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 第 3 章 液壓部分的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)原理 圖 圖 3壓原理圖 由圖 3知，本液壓系統(tǒng)分為 3 部分，分別為油源部分，液壓閥塊部分，液壓執(zhí)行元件部分。液壓油流經(jīng)液壓泵后進(jìn)入單向 閥，再流過(guò)電磁換向閥，在這里，通過(guò)信號(hào)源控制 3 個(gè)電磁換向閥控制液壓執(zhí)行元件。如圖所示， a 部分為主液壓缸，也即控制提升液壓缸部分， b 部分為控制上手爪抓緊的電磁換向閥和液壓缸， c 部分為控制下手爪抓緊的電磁換向閥和液壓缸，在任意時(shí)刻只有一個(gè)換向閥處于供油狀態(tài) 。 壓泵選型 液壓缸在工作循環(huán)中的最大工作壓力約為 5取油路上的壓力損失為1液壓泵