爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù)計(jì)算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u16636爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù)計(jì)算案例 [24]。圖3.6SAB30NBR-60M10-AG吸盤圖3.7SAB50NBR-60M10-AG吸盤1.3.5真空泵的選擇內(nèi)外框架共兩組吸盤，分別配備1個真空泵，選用調(diào)速微型真空泵VML系列。該系列真空泵具有低干擾功能，過載和過熱保護(hù)功能，體積小巧。此次選用VML900.8型號真空泵，設(shè)計(jì)參數(shù)如表3.3所示。表3.3VML900.8型號真空泵設(shè)計(jì)參數(shù)型號電壓（V）電流（mA）功率（W）峰值流量（L/min）平均流量（L/min）真空度（KPa）VML900.812<80<0.960.80.580其模型圖如圖3.8所示。圖3.8微型調(diào)速真空泵1.4液壓裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.4.1內(nèi)框架液壓裝置計(jì)算設(shè)計(jì)要求越障高度為10mm，設(shè)定安全高度為12mm，液壓缸在內(nèi)框架支撐機(jī)器人本體抬升時間為3s，當(dāng)內(nèi)框架不支持機(jī)器人本體時液壓缸快退速度v1=6mm∕s,在不支撐機(jī)器人本體快進(jìn)時，由于最終要將吸盤吸附在玻璃表面，故將快進(jìn)速度設(shè)定為v2=5mm∕s（1）工況分析①啟動階段F=FFfsfs—靜摩擦系數(shù)，一般取fsFnF=F②加速階段F=FFfd—動摩擦力，fd—動摩擦系數(shù)，一般取fdFFm—慣性阻力，F(xiàn)g—重力加速度，取g=10N∕Kg?t—為啟動或制動時間，設(shè)定?t=0.02s?v—為速度變化量，?v=12mm/3s所以由（3.17）得FF=③工進(jìn)階段F=F④制動階段F=F⑤快進(jìn)/退階段F=F各階段負(fù)載匯總?cè)绫?.4所示。表3.4內(nèi)框架液壓裝置各階段負(fù)載工況負(fù)載組成負(fù)載值推力F∕啟動F=10N11.1N加速F=4.1N4.6N工進(jìn)F=80.9N89.9N制動F=0.9N1N快進(jìn)/快退F=2.5N2.8N表中工作效率ηmax（2）確定液壓裝置的主要參數(shù)①執(zhí)行元件的工作壓力可按照最大負(fù)載來取。表3.5按最大負(fù)載選擇執(zhí)行件的工作壓力負(fù)載F∕KN<55～1010～2020～3030～50>50工作壓力P∕MPa﹤0.81.5～2.02.5～3.03.0～4.04.0～5.0>1.5最大負(fù)載Fmax再根據(jù)（GB/T2349-1980）選取P=0.63MPa。②由此可確定液壓缸的無桿腔的有效面積A=F液壓缸內(nèi)徑D=根據(jù)（GB/T2348-1993）取D=50mm。根據(jù)快進(jìn)和快退的速度比D可得d=20.41mm,根據(jù)（GB/T2348-1993）取d=22mm。故液壓缸無桿腔實(shí)際有效面積A1液壓缸有桿腔實(shí)際有效面積A2③壁厚的計(jì)算該值以液壓傳動裝置的重量液壓缸壁厚按壓在薄壁上的圓筒直徑計(jì)算，并可用以下公式δ≥Pδ—液壓缸壁厚（m）D—液壓缸內(nèi)徑（m）Py—實(shí)驗(yàn)壓力，一般取最大壓力的（1.25～1.5σ—缸筒材料的許用壓力，無縫鋼管為（100～110）(MPa)取Py=1.4P，δ≥即可驗(yàn)證液壓缸壁厚δ≥0.2mm。④液壓缸在各個不同工作過程的壓力和流量計(jì)算快進(jìn)階段：P1q1快退階段:P2q2工進(jìn)階段：p3q3=1.4.2外框架液壓裝置設(shè)計(jì)外框架液壓裝置和內(nèi)框架液壓裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算以及它們的工作流程均相似，唯一不同的是二者計(jì)算過程中涉及到的靜摩擦力計(jì)算中的Fn不同，內(nèi)框架液壓裝置計(jì)算中Fn1=501.4.3液壓缸的選擇在此設(shè)計(jì)中共使用到升降液壓缸8個，均采用CX系列薄型油缸，但由于是非標(biāo)準(zhǔn)性，所以需要訂購。該系列液壓缸工作可靠，直接安裝、無需任何配件，節(jié)省安裝空間。其規(guī)格參數(shù)如表3.6所示和實(shí)物圖如圖3.9所示。表3.6CX系列薄型油缸規(guī)格參數(shù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)工作壓力范圍3～140kgf/cm使用速度范圍8～100mm/Sec使用溫度范圍-10～+60°C使用流體液壓油運(yùn)動方式復(fù)動油缸本體材質(zhì)碳素鋼圖3.9CX系列薄型油缸實(shí)物圖1.4.4液壓動力單元液壓式傳動單元采用HS04-350直流式的微型液壓站，該微型液壓站，通過控制一臺直流電機(jī)在正反方向的旋轉(zhuǎn)，雙向進(jìn)行壓力的輸出。由于每個液壓缸單獨(dú)流量都很小，該液壓動力單元足夠?qū)崿F(xiàn)家用型窗戶玻璃清洗機(jī)器人整套液壓裝置的供給。具體參數(shù)如下表3.7所示。表3.7HS04-350直流微型液壓站設(shè)計(jì)參數(shù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)電壓12V電流7A額定壓力8MPa最大壓力13MPa流量9Ml/s材料鋁合金電機(jī)溫控100°CHS04-350直流微型液壓站實(shí)物圖如圖3.10所示。圖3.10HS04-350直流微型液壓站實(shí)物圖1.4.5液壓傳動圖液壓傳動圖如圖3.11所示。1外框架薄型液壓缸2、三位四通電磁換向閥3、內(nèi)框架薄型液壓缸4、三位四通電磁換向閥5、動力源圖3.11液壓傳動圖1.5跨越障礙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1.5.1絲桿螺母機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)跨越障礙機(jī)構(gòu)主要通過絲桿螺母機(jī)構(gòu)的配合運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)人內(nèi)外框架的切換推送，設(shè)計(jì)要求為能夠跨越寬度為50mm的障礙，即內(nèi)框架板的行程為50mm，設(shè)定推送速度為30mm∕s，重復(fù)精度為0.05mm，總重量為8kg。（1）工況分析絲桿最大負(fù)載力F=FFt?Ffd?fd?動摩擦系數(shù)，一般取fdF（2）螺紋的確定螺紋主要種類包括一般管類螺紋、管型板類三角螺紋、矩形三角螺紋、30°弧的鋸齒型矩形螺紋，根據(jù)本次應(yīng)用爬壁移動機(jī)器人的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝要求，選取一般管類螺。（3）絲桿材料選擇絲桿傳動對于材料的磨損極大，根據(jù)設(shè)計(jì)需要,考慮到絲桿傳動相對于螺母很難進(jìn)行加工而昂貴，絲桿的傳動硬度比螺母高，綜上，絲桿采用45鋼。（4）絲桿螺母參數(shù)由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊確定的基本參數(shù)如下表3.8所示。表3.8絲桿螺母相關(guān)參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)螺紋大徑D、d20mm螺紋中徑D2、d218.375mm螺紋小徑D1、d117.294mm螺距2.5mm螺紋長度60mm螺母高度10mm旋合長度9mm（5）軸向載荷計(jì)算Fymaxk?阻力系數(shù)，k=1?15Fy（6）旋轉(zhuǎn)傳動耐磨性計(jì)算滑動螺紋螺旋的耐磨性計(jì)算方法精確計(jì)算主要研究目標(biāo)就是通過精確計(jì)算一個滑動的螺紋在某個工作水平面上所能夠承受的螺紋壓力值p，使其壓力能夠遠(yuǎn)遠(yuǎn)地要小于所有螺紋材料所能承受的許用螺紋壓力P。p=FP?螺紋工作時的表面實(shí)際均壓強(qiáng)（MPa）P?Fyp?螺距（mm）d2??螺紋工作高度（mm）b?螺紋高度（mm）查表得：?=0.5P,計(jì)算得：P=0.073MPa,顯然滿足要求。（7）絲桿螺母強(qiáng)度計(jì)算絲桿抗剪強(qiáng)度計(jì)算τ=Fd1n?旋合圈數(shù),n=3.6τp?計(jì)算得：τ=0.59MPa絲桿抗彎強(qiáng)度計(jì)算σBσBP計(jì)算得σB1.5.2絲桿校核絲桿剛度校核絲桿材料許用應(yīng)力σ=4T?轉(zhuǎn)矩（NσP?經(jīng)計(jì)算得σ=0.1951.6行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1.6.1全向輪和伺服電機(jī)的選型計(jì)算(1)機(jī)器人在行走工作時的負(fù)載機(jī)器人在行走工作時的負(fù)載主要有兩部分，一部分是機(jī)器人自重，另一部分是真空吸附力。F=G+F由機(jī)器人在清洗工作過程中全向輪需要需要承受的負(fù)載選用QL-08。(2)確定輪子與玻璃表面的摩擦力Ff取μ=0.4，1(3)電動機(jī)的驅(qū)動力矩M=1L=1M=12故選用HFmotor-3230伺服電機(jī)。1.6.2全向輪和伺服電機(jī)的選用通過計(jì)算結(jié)果選用QL-08全向輪，參數(shù)如表3.9所示，實(shí)物如圖3.13所示。表3.9QL-08全向輪設(shè)計(jì)參數(shù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)外徑76.2（3"）寬度28軸承類型滾動軸承小輪材質(zhì)橡膠輪轂材質(zhì)鋁合金輪轂表面處理雙層高溫烤漆連接方式平鍵/緊定螺釘?shù)湫椭行目?/6/8/10/12/15/16自重140g負(fù)載能力15KgHFmotor-3230伺服電機(jī)參數(shù)如表3.10所示，實(shí)物如圖3.13所示。表3.10HFmotor-3230伺服電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)項(xiàng)目單位設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)額定功率W30額定電壓V24空載電流A0.1額定電流A1.45額定扭矩Nm4.1堵轉(zhuǎn)扭矩N