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除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì) 摘 要 如今對輸電線路實(shí)施除冰是防止冰災(zāi)的有效途徑，如何具體的除冰方法則應(yīng)用了除 冰機(jī)器人，除冰機(jī)器人造價低，工作效率高，安全可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)在線除冰作業(yè)，不影 響電力的輸送，是一項(xiàng)很有發(fā)展前景的課題。目前機(jī)器人在高壓輸電線路上的應(yīng)用主要 是線路巡檢。而對線路除冰的應(yīng)用還鮮有研究。本文對除冰機(jī)器人本體設(shè)計(jì)、越障規(guī)劃。 主要研究內(nèi)容如下。首先，在分析了輸電線路結(jié)構(gòu)和除冰作業(yè)要求的基礎(chǔ)上，指出現(xiàn)有 巡線機(jī)器人結(jié)構(gòu)運(yùn)用到除冰作業(yè)中的缺陷，設(shè)計(jì)了一種除冰機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)，并對其越 障的動作進(jìn)行了規(guī)劃。所選的減速器和電機(jī)仍能滿足要求，從而證明了除冰機(jī)器人的合 理性，為了保證電力系統(tǒng)的可靠性，提高高壓輸電線除冰的效率，減少損失，維護(hù)工人 的安全，開發(fā)一種可以替代或部分替代工人進(jìn)行除冰作業(yè)的新型設(shè)備一直是國內(nèi)外相關(guān) 研究的熱點(diǎn)。因此，研制安全有效的除冰機(jī)械以代替人進(jìn)行導(dǎo)線除冰具有較好的應(yīng)用前 景和實(shí)用意義。 關(guān)鍵詞：除冰機(jī)器人；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；電動機(jī)；越障規(guī)劃 Abstract Now on the transmission line icing is to prevent the implementation of ice disaster in an effective way, how specific deicing method is applied the deicing robot, deicing robot has the advantages of low cost, high work efficiency, safety and reliability, can realize online deicing operation, does not affect the transmission of electricity, is a promising subject. The current robot on HV power transmission lines is mainly applied to transmission line inspection. On line deicing application is little research. The deicing robot design, planning, negotiation dynamics analysis are studied. The main research contents are as follows. Firstly, on the analysis of the transmission line structure and deicing operation on the basis of the requirements of inspection robot for power transmission lines, design a kind of deicing robot body mechanism, and the obstacle of action planning. improve the high voltage transmission line deicing efficiency, reduce the loss, maintain the safety of workers, the development of a replacement or partial replacement workers were deicing operation of new equipment has been in the domestic and foreign related research. Therefore, the development of safe and effective deicing machine to replace the human to lead deicing and has better application prospect and practical significance Key words：Deicing robot; mechanism design; Motor; rigid-flexible coupling dynamics 目 錄 摘 要 .1 1 引言 .1 1.1 問題的提出及研究意義 .1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .1 1.3 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展史 .2 1.4 導(dǎo)線覆冰的原因 .3 2 高壓輸電線路的覆冰 .4 2.1 不規(guī)則覆冰和不同期脫冰 .4 2.2 除冰的方式方法 .4 2.3 輸電線路的抗冰 .5 3 除冰機(jī)器人機(jī)構(gòu) .7 3.1 除冰機(jī)器人種類 .7 3.1.1 線纜除冰機(jī)器人 .7 3.1.2 可跨躍障礙多分裂機(jī)器人 .8 3.1.3 電力設(shè)施的微波除冰裝置 .9 3.2 前端多環(huán)銑刀 .9 3.2.1 成型銑刀的結(jié)構(gòu)參數(shù) .10 3.2.2 成型銑刀截面的計(jì)算 .13 3.3 機(jī)械升降平臺 .14 3.3.1 升降平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式 .14 3.3.2 升降平臺零件設(shè)計(jì) .15 3.4 電機(jī)的選擇 .17 3.4.1 升降步進(jìn)電機(jī) .17 3.4.2 回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī) .19 4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .21 4.1 機(jī)器人的控制系統(tǒng) .21 4.2 基于運(yùn)動卡的控制系統(tǒng)的建立 .22 4.2.1 總體方案的確定 .22 4.2.2 機(jī)器人控制工作原理 .23 4.3 軟件編程語言的特點(diǎn) .24 4.4 指令系統(tǒng) .24 4.5 運(yùn)動控制程序運(yùn)行過程的簡介 .25 參考文獻(xiàn) .26 致 謝 .27 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 0 1 引言 1.1 問題的提出及研究意義 現(xiàn)如今西南的很多地方出現(xiàn)了連續(xù)的低溫雨雪冰凍天氣，并且遭受了很嚴(yán)重的冰雪 災(zāi)害。國家減災(zāi)委員會專家已定性為：“西南地區(qū)發(fā)生的冰雪災(zāi)害，是世界上比較大面 積、極端性氣候事件，影響的地區(qū)人口之多是世界罕見的” 。冰災(zāi)造成中心的城區(qū)正值春 節(jié)期間停電、停水很多天，交通、通訊、電視均出現(xiàn)不同程度的中斷，然而有些城市則 成為我國南方冰雪災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)。特別是電力系統(tǒng)遭受毀滅性重創(chuàng)，冰災(zāi)引起了倒 塔,現(xiàn)場調(diào)查了湖南冰災(zāi)期間大于 220kV 輸電線路的受損情況，發(fā)現(xiàn)倒塔線路覆冰厚度相 對集中，同時微地形和微氣象造成覆冰加重和覆冰的不均勻性，檔距、塔形等對線路倒 塔也存在影響。分析倒桿斷線的形式認(rèn)為覆冰太厚超過設(shè)計(jì)值、垂直荷載壓垮和不平衡 張力拉垮是造成線路倒塔。專家解說，高壓線高高的鋼塔在下雪天時，可以承受 2-3 倍的 重量。但如果下雨凇，可能會承受 10-20 倍的電線重量。電線結(jié)冰，遇冷收縮，風(fēng)吹引起 震蕩，就使電線不勝重荷而斷裂。 隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，超高壓大容量輸電線很多，線路的穿越情況更加復(fù)雜， 如經(jīng)過大面積的水庫、湖泊和崇山峻嶺，給線路維護(hù)帶來很多困難。而且在嚴(yán)冬及初春 季節(jié)，我國云貴高原一帶及兩湖地區(qū)常出現(xiàn)霧凇和雨凇現(xiàn)象，造成架空輸電線路覆冰， 使線路舞動、閃絡(luò)、燒傷，甚至斷線倒桿，使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)遭到破壞，安全運(yùn)行受到嚴(yán)重威 脅。在緊急情況下，尋道員用帶電操作桿或其它類似的絕緣棒只能為很少的一部分覆冰 線路除冰，人工除冰有很高的危險性。所以一種新型的而且方便安全的除冰方式的研究 是迫在眉睫的。本次的設(shè)計(jì)題目就是關(guān)于高壓電線的除冰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最后能有效的消 除冰雪天氣對輸電線的嚴(yán)重威脅，從而達(dá)到理想的效果。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在國外，一些國家的地理與氣候情況與我國相似，甚至一些國家的情況更加惡劣， 為了保證電力系統(tǒng)的可靠性，這些國家為了提高高壓輸電線除冰的效率，減少不必要的 損失，維護(hù)工人的安全，開發(fā)了一種可以替代或部分替代工人進(jìn)行除冰作業(yè)的新型設(shè)備。 這種新型的設(shè)備的研究一直是國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。因此，研制安全有效的除冰機(jī)械 以代替人為操作進(jìn)行除冰具有較好的實(shí)用意義。 而現(xiàn)如今全球氣候正經(jīng)歷以變暖為主要特征的變化，氣候變暖導(dǎo)致“厄爾尼諾”和 “拉尼娜”等極端天氣氣候事件的頻率與強(qiáng)度明顯增加，因?yàn)檩旊娋€路所處地質(zhì)條件復(fù) 雜，容易遭受冰災(zāi)等極端天氣的影響，所以國內(nèi)外對已多次發(fā)生的輸電線路冰災(zāi)事故進(jìn) 行了相關(guān)的研究。在國內(nèi)襲擊湖南的持續(xù)低溫、雨雪、冰凍天氣過程來臨之前，湖南溫 度偏高、空氣干燥。并且湖南東、南、西部三面環(huán)山，向中部、北部過渡為丘陵和平地， 冷空氣襲擊湖南后，湖南降溫迅速，加上湖南北低南高的地勢使逆溫層得以加強(qiáng)，地勢 陡增處南下冷空氣因推進(jìn)受阻而徘徊駐留，隨著暖濕氣流不斷補(bǔ)充，易形成長時間降雨、 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 冰凍，形成持續(xù)的雨凇。由于降溫迅速，湘西高海拔山區(qū)和緯度較高的湘北地區(qū)地表氣 溫低，但降水主要集中在湘南、湘中、湘東，且停留時間較長，導(dǎo)致湘南、湘中、湘東 冰凍災(zāi)害強(qiáng)于湘北和湘西高海拔山區(qū)。湖南電網(wǎng)冰凍災(zāi)害是在大尺度天氣形勢控制下形 成的，拉尼娜現(xiàn)象起到推波助浪的作用，冰凍災(zāi)害受損范圍與程度具有較強(qiáng)的微地形影 響特征。 1.3工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展史 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展通常可規(guī)劃分為三代： 第一代工業(yè)機(jī)器人：通常是指目前國際上商品化與使用化的“可編程的工業(yè)機(jī)器人” ， 又稱“示教再現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人” ，即為了讓工業(yè)機(jī)器人完成某項(xiàng)作業(yè)，首先由操作者將完成 該作業(yè)所需要的各種知識（如運(yùn)動軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序和作業(yè)時間等） ，通過直接 或間接手段，對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行“示教” ，工業(yè)機(jī)器人將這些知識記憶下來后，即可根據(jù) “再現(xiàn)”指令，在一定精度范圍內(nèi)，忠實(shí)的重復(fù)再現(xiàn)各種被示教的動作。1962 年美國萬 能自動化公司的第一臺 Unimate 工業(yè)機(jī)器人在美國通用汽車公司投入使用，標(biāo)志著第一 代工業(yè)機(jī)器人的誕生。 第二代工業(yè)機(jī)器人：通常是指具有某種智能（如觸覺、力覺、視覺等）功能的“智 能機(jī)器人” 。即有傳感器得到觸覺、力覺和視覺等信息計(jì)算機(jī)處理后，控制機(jī)器人的操作 機(jī)完成相應(yīng)的適當(dāng)操作。1982 年美國通用汽車在裝配線上為工業(yè)機(jī)器人裝備了視覺系統(tǒng)， 從而宣布了新一代智能工業(yè)機(jī)器人的問世。 第三代工業(yè)機(jī)器人：即所謂的“只治式工業(yè)機(jī)器人” 。它不僅具有感知功能，而且還 有一定的決策及規(guī)劃能力。第一代工業(yè)機(jī)器人目前仍處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。工業(yè)機(jī)器人 經(jīng)歷了誕生-成長-成熟期后，已成為制造業(yè)中不可缺少的核心裝備，世界上有約 75 萬臺工業(yè)機(jī)器人正與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在個條生產(chǎn)線上，特種機(jī)器人作為機(jī)器人家族的 后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來居上之勢，仿人機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器 人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、娛樂機(jī)器人等各種用途發(fā)特種機(jī)器人紛紛 面世，而且正以飛快的速度向?qū)嵱没~進(jìn)。 但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用水平和國外比還有一定的距離， 如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國 外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約 200 臺，約占全球已安裝 臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng) 用戶的要求， “一客戶，一次重新設(shè)計(jì)” ，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、 供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的 關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn) 程。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 1.4導(dǎo)線覆冰的原因 影響導(dǎo)線覆冰因素很多，主要包括：氣象條件、地理及地形條件、海拔高度、導(dǎo)線 懸掛高度、導(dǎo)線直徑、水滴直徑、電場強(qiáng)度等。 按不同的分類方法，導(dǎo)線覆冰類型可分為： （1）按冰的表現(xiàn)特性分為：雨凇、霧凇、混合凇、積雪和白霜等；雨凇是過冷卻的 降水碰到溫度等于或低于 0的物體表面時所形成玻璃狀的透明或無光澤的表面粗糙的冰 覆蓋層，其密度較大。霧凇則分為兩種：一種是粒狀霧凇，即過冷卻霧滴碰到冷的物體 后迅速結(jié)成粒狀小冰塊，其結(jié)構(gòu)較為緊密；另一種是晶狀霧凇，結(jié)構(gòu)較松散，稍有震動 就有脫落。混合凇是過冷卻水滴在導(dǎo)線的迎風(fēng)面形成的雨凇和霧凇混合凍結(jié)的不透明或 半透明覆冰，黏附力較強(qiáng)。積雪為黏附在導(dǎo)線上的自然降雪，也有干、濕之分。干雪和 濕雪的密度較小，粘附力較弱。白霜是由于空氣中潮濕的原因所凝結(jié)而成的，這對于導(dǎo) 線的威脅不是很大，但會增加輸電線路的負(fù)載。凍雨覆冰形成的雨凇因密度大、附著力 強(qiáng)，對架空輸電線路的危害最大，南方的電力冰災(zāi)則主要由該原因造成的。 （2）按冰的形成機(jī)理分為：降水覆冰、云中覆冰和升華覆冰。 （3）按冰在導(dǎo)線上的橫截面形狀分為：圓形或橢圓形覆冰、翼型覆冰和新月形等， 如圖 1 所示。按冰在導(dǎo)線表面的增長過程可分為：干增長、濕增長。這種分類利于分析 導(dǎo)線覆冰的形成機(jī)理及形成過程中的熱平衡及熱傳遞。霧淞和干雪是干增長覆冰過程， 雨淞和濕雪是濕增長覆冰過程，而混合淞是介于二者間的一種覆冰過程。 圖 1-1導(dǎo)線覆冰截面圖 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 2 高壓輸電線路的覆冰 2.1 不規(guī)則覆冰和不同期脫冰 在高壓電線路覆冰時，導(dǎo)線因?yàn)槌惺苓^重的荷載，導(dǎo)致導(dǎo)線和覆冰重量產(chǎn)生的拉力 將通過導(dǎo)線、金具、絕緣子傳遞給桿塔，桿塔再傳遞給拉線，只要其中一個環(huán)節(jié)承受不 住拉力，就將出現(xiàn)倒桿和斷線事故。相鄰檔線路不均勻覆冰或不同期脫冰都會產(chǎn)生張力 差，使導(dǎo)線在線夾內(nèi)滑動，嚴(yán)重時將使導(dǎo)線外層鋁線夾出口處全部斷裂，造成線路的另 一側(cè)發(fā)生頸縮，擁擠在線夾附近。不均勻覆冰的張力差是靜荷載，而不同期脫冰為動荷 載，二者有所不同。其次，直線桿塔承受鄰檔的張力差，會使絕緣子串產(chǎn)生較大偏移， 碰撞橫擔(dān)而造成損傷。再次，當(dāng)張力差達(dá)到一定程度后，導(dǎo)線將碰撞拉線，從而電氣的 間隙將減小而燒斷拉線，桿塔因失去拉線支持后倒塌。 還有一種特別的形式極為冰閃，他是污閃的一種特殊形式。在絕緣線路嚴(yán)重覆冰時， 大量傘形冰連接，導(dǎo)致泄漏的距離縮短，絕緣強(qiáng)度降低。在融冰過程中，冰體表面水膜 因溶解污穢中的電解質(zhì)而形成導(dǎo)電水膜，使得絕緣子串的電壓分布發(fā)生畸變，在融冰時 期常伴有大霧，使大氣中的污穢微粒進(jìn)一步增加融化冰水導(dǎo)電率，形成冰閃。冰閃的持 續(xù)電弧將燒傷絕緣子，絕緣強(qiáng)度降低。最后由于覆冰形狀的不對稱，改變了導(dǎo)線的空氣 動力學(xué)特性。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定的數(shù)值時，導(dǎo)線具有較好的空氣動力性能，在風(fēng)的激勵下 產(chǎn)生低頻高幅振蕩。輕者發(fā)生閃絡(luò)、跳閘，重者發(fā)生金具及絕緣子損壞，導(dǎo)線斷股、斷 線，桿塔傾斜、倒塌等電氣事故。 2.2除冰的方式方法 使用機(jī)械外力手工或自動強(qiáng)制使覆冰脫落的除冰方法，稱為機(jī)械除冰方法。研制機(jī) 械除冰方法的歷史遠(yuǎn)早于其他類型的除冰、防冰方法。機(jī)械法是針對輸電線路的，滑輪 輾壓鏟刮法和強(qiáng)力振動法，在當(dāng)時滑輪輾壓鏟刮法并達(dá)到了當(dāng)時所需求的實(shí)用水平。 有一種人工的除冰方式是它需要線路操作者在現(xiàn)場執(zhí)行。并且處理方法千變?nèi)f化， 包括敲打、撞擊等。當(dāng)線路停電，可以觸及到冰時，可采用手工除冰，從地面向?qū)Ь€、 避雷線拋擲短木棍將覆冰打掉，或用木棒、竹竿敲打。在線路帶電時，應(yīng)用與線路電壓 等級相符的絕緣棒敲打。此外，也可用木制套圈套在導(dǎo)線上，用繩子順著導(dǎo)線拉，以消 除覆冰，這種方法只是權(quán)宜之計(jì)，既不安全，又不十分有效，因此，很少有人推薦使用， 如果要用，就得為這種方法制定標(biāo)準(zhǔn)的操作規(guī)則。 為了能進(jìn)一步的達(dá)到有高效而且安全的除冰方式，則由加拿大水電局研制的滑輪鏟 刮技術(shù)。這種技術(shù)是一種由地面操作人員拉動滑輪在線路上行走而鏟除導(dǎo)線覆冰的技術(shù)， 運(yùn)用這種技術(shù)的除冰方法叫滑輪輾壓鏟刮法，滑輪輾壓鏟刮法已經(jīng)在加拿大的使用了 50 多年，是目前唯一可行的輸電線路除冰的機(jī)械方法。它由滑輪、牽引繩及涂漆的膠合板 或環(huán)氧樹脂板等器件構(gòu)成，加在滑輪上的力要足夠讓導(dǎo)線產(chǎn)生彎曲，這樣，產(chǎn)生的應(yīng)力 才能使冰破裂脫落。如果在板的兩邊固定一把鋸齒刀，則除冰效果更好，但拉扯時注意 不要損傷導(dǎo)線、避雷線和絕緣子?；嗙P刮法的最大優(yōu)點(diǎn)是效果很快，且不需要特別的 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 設(shè)備和專家，簡便易操作，耗能小，價格低廉，較為實(shí)用。但它也有缺點(diǎn)，那就是費(fèi)時， 安全性能不完善，且受地形限制。據(jù)統(tǒng)計(jì)，要對一公里長導(dǎo)線進(jìn)行滾壓除冰約需 2 小時 的時間。 在以后由于科技的發(fā)展和進(jìn)步。加拿大的魁北克水電局則發(fā)明了一種電纜除冰裝置。 該裝置包括一對導(dǎo)線，導(dǎo)線連接到電纜上，并沿電纜呈螺旋形纏繞，導(dǎo)線的一端連接到 一個能在導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生電磁脈沖的脈沖發(fā)生裝置上，另一端連接在一起構(gòu)成封閉電路，依 靠導(dǎo)線中電磁脈沖的通路，在導(dǎo)線之間產(chǎn)生推斥力，該推斥力振動導(dǎo)線，使導(dǎo)線上的覆 冰振碎脫落，由于要求外加振動源及振動會促使線纜疲勞，因而難以在工程實(shí)際中應(yīng)用。 在隨著電磁技術(shù)的發(fā)展，又研制出了基于機(jī)械振動與撞擊原理的電磁力技術(shù)和電脈 沖技術(shù)是為飛行器除冰。但是，由于電磁力或電脈沖可以使導(dǎo)線產(chǎn)生強(qiáng)烈而又在控制范 圍內(nèi)的振動，所以二者也是架空線路易接受的除冰方法之一。最后這種電磁脈沖技術(shù)效 率高而且方便，這種方法將是輸電線路除冰最易接受的方法。美國堪薩斯州的州立大學(xué) 也提出了電脈沖法除冰，即利用電容器組向線圈放電，由線圈產(chǎn)生強(qiáng)磁場，在置于線圈 附近的導(dǎo)電板(即目標(biāo)物)上產(chǎn)生一個幅值高、持續(xù)時間短的機(jī)械力，使冰破裂而脫落， 但在線路融冰研究方面因技術(shù)不成熟和費(fèi)用過高沒有達(dá)到預(yù)期的目的。 最后，另一種采用由電場或磁場力控制的柔韌性涂料機(jī)械方法仍處于設(shè)想階段。然 而，這些方法可作為驗(yàn)證其典型除冰方法的實(shí)驗(yàn)和研制的基礎(chǔ)。但是并沒有運(yùn)用到實(shí)際 的除冰操作中，所以要尋找一種實(shí)用并且普及的除冰方式至關(guān)重要。 2.3輸電線路的抗冰 氣象要素是確定在一定區(qū)域內(nèi)能否形成導(dǎo)線覆冰、形成什么種類的覆冰和形成多大 的導(dǎo)線覆冰的基本條件, 要有效地預(yù)防輸電線路覆冰, 應(yīng)該搜集分析本地區(qū)歷年冰雪情 資料, 積極開展冰雪情觀測與預(yù)測工作。輸電線路覆冰是一種地域性很強(qiáng)的自然現(xiàn)象, 氣候起決定性的作用, 而且同一地區(qū)不同的微地形、微氣候差別也很大, 使得輸電線路 走廊的覆冰因素千差萬別。只有得到長期的詳細(xì)的氣象資料才能準(zhǔn)確地把握輸電線走廊 的覆冰情況。 新建線路的抗冰設(shè)計(jì)對于新建的輸電線路, 要根據(jù)已掌握的氣象資料, 合理劃分冰 區(qū), 選取不同的設(shè)計(jì)冰厚進(jìn)行線路設(shè)計(jì), 力求做到確保線路安全運(yùn)行而又不過分增加線 路的造價。輸電線路經(jīng)過的各種地勢、微氣候及微地形的差別較大, 沿線冰雪情不會一 致, 故不能只采取一個冰厚設(shè)計(jì)值。為了確保重冰段的安全,應(yīng)在搜集到的氣象資料的基 礎(chǔ)上, 結(jié)合線路所經(jīng)過地區(qū)及周圍地形、地物情況、相對高差、路徑走向及覆冰時的風(fēng) 速、風(fēng)向、濕度等進(jìn)行綜合分析, 合理劃分冰區(qū)和確定相應(yīng)的冰厚設(shè)計(jì)值。新建線路在 路徑選擇上, 應(yīng)力求避開嚴(yán)重覆冰段, 并做到線路應(yīng)沿起伏不大的地形走線；線路應(yīng)避 免橫跨埡口、風(fēng)道和通過湖泊、水庫等易于覆冰的地帶；線路翻越山嶺時不應(yīng)采取大檔 距、大高差； 線路沿山嶺通過時宜沿覆冰時的背風(fēng)坡走線。當(dāng)線路無法避開重冰區(qū)時， 應(yīng)采取抗冰設(shè)計(jì)。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 已運(yùn)行線路的抗冰害措施對于已運(yùn)行的線路, 為加強(qiáng)其對覆冰災(zāi)害的抵御能力，應(yīng) 視具體情況區(qū)別對待。海拔較高的輸電線路, 翻越分水嶺及橫跨峽谷、風(fēng)道、埡口等處 的路線應(yīng)進(jìn)行改造; 重冰區(qū)的輸電線路應(yīng)重新以抗冰要求進(jìn)行徹底改造, 方法參照新建 線路的抗冰設(shè)計(jì); 對沒有明顯微氣候、微地形影響的大面積覆冰地區(qū), 不宜立即進(jìn)行線 路改造, 可以考慮采用融冰措施來防治冰雪害。覆冰絕緣子防冰閃目前, 國內(nèi)輸電線路 覆冰防護(hù)工作主要集中于防斷線、倒桿及防碰線短路等方面, 而絕緣子覆冰后的閃絡(luò)問 題也應(yīng)該引起人們足夠的重視, 因?yàn)橐延卸嗥鸾^緣子冰閃事故發(fā)生。純冰的絕緣電阻很 高, 很難造成閃絡(luò), 冰中混含導(dǎo)電雜質(zhì)后, 覆冰絕緣子的閃絡(luò)電壓才會降低, 含水量較 多的雪也容易造成絕緣子的閃絡(luò)。要防止絕緣子的冰閃, 最簡單的辦法就是增大爬電距 離。另外, 可以從改善絕緣子傘裙的結(jié)構(gòu)入手, 大小傘與等徑傘在相同條件下, 前者更 有利于防治冰閃, 適當(dāng)調(diào)整絕緣子的外形結(jié)構(gòu), 使其在大雪天不易積雪, 積雪后不易發(fā) 生閃絡(luò)。絕緣子水平懸掛、V 型串、斜向懸掛等均是阻斷融冰水形成水簾的有效方法, 運(yùn)行實(shí)踐表明,阻水簾是提高冰閃電壓的基本措施。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 3 除冰機(jī)器人機(jī)構(gòu) 3.1 除冰機(jī)器人種類 3.1.1 線纜除冰機(jī)器人 圖 3-1除冰盾 該除冰機(jī)器人，由機(jī)架、除冰盾、電源、夾持機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)構(gòu)成，除冰盾的結(jié)構(gòu) 包括振動驅(qū)動裝置和在向前進(jìn)方向的前端設(shè)有向盾牌，盾牌固定前伸出的若干根尖錐， 振動驅(qū)動裝置時機(jī)架上安裝振動偏心電機(jī)，安裝的振動偏心電機(jī)帶動除冰盾前后運(yùn)動； 夾持機(jī)構(gòu)包括起碼兩對夾持導(dǎo)輪和夾持的開啟閉合裝置構(gòu)成，開啟閉合裝置時合頁結(jié)構(gòu)， 沒對導(dǎo)輪分別安裝在一側(cè)合頁上，圍繞著合頁軸開啟閉合，采用夾持導(dǎo)輪，行走機(jī)構(gòu)采 用行走電機(jī)和線纜驅(qū)動輪構(gòu)成，電源采用蓄電池。 它包括主機(jī)，所述主機(jī)上連接柔性推動臂、懸掛導(dǎo)向臂，在柔性推動臂的前端連接 一顆開合點(diǎn)擊動力組，懸掛導(dǎo)向臂的前端連接一開合除冰工作頭，所述可開合除冰工作 頭的前端可弧線擺動的連接只少兩個正向除冰轉(zhuǎn)到組。如圖所示。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 3.1.2 可跨躍障礙多分裂機(jī)器人 圖 3-2 爬行裝置 該機(jī)器人包括：導(dǎo)線爬行裝置，用于所述高壓輸電線路爬行；旋轉(zhuǎn)除冰裝置，安裝 于所述導(dǎo)線爬行裝置，用于采用旋轉(zhuǎn)敲擊力去除導(dǎo)線上的覆冰；動力裝置，用于爬行裝 置和除冰裝置，提供驅(qū)動力；控制裝置，用于對所述導(dǎo)線的爬行以及對所述旋轉(zhuǎn)除冰裝 置的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。該機(jī)器人不僅適用于單導(dǎo)線除冰更適用于多分裂導(dǎo)線的除冰，該機(jī) 器人通過傳感器感測障障礙物并實(shí)施有效避讓措施，尤其適合在諸多障礙的多分裂導(dǎo)線 上作長距離自主爬行。 由燃料發(fā)動機(jī)驅(qū)動的機(jī)器人，所述的除冰裝置還包括：旋轉(zhuǎn)除冰裝置，安裝于所述 導(dǎo)線行走機(jī)器人，用于利用旋轉(zhuǎn)敲擊力去除導(dǎo)線上的覆冰；動力裝置與所述旋轉(zhuǎn)除冰裝 置相耦合，用于驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)除冰裝置選裝；控制裝置，用于控制所述導(dǎo)線行走機(jī)器人 的移動以及所述動力裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)。本發(fā)明的高壓線路導(dǎo)線除冰裝置在導(dǎo)線行走機(jī)器人上 安裝旋轉(zhuǎn)敲擊棒、震動沖擊錐以及刮冰鏟，由這三個除冰裝置同時工作，通過橫向敲擊、 軸向沖擊、軸向擠壓有效的將導(dǎo)線上的覆冰去除。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 3.1.3 電力設(shè)施的微波除冰裝置 圖 3-3微波除冰裝置 該機(jī)器人由移動裝置、微波輻射融冰器和微波電極切冰刀組成。該裝置的除冰方法 采用微波輻射融冰和微波電極切冰兩種模式，通過兩種模式的有機(jī)結(jié)合和相互配合，應(yīng) 對不同的覆冰狀態(tài)，對電力設(shè)施覆冰絕緣子進(jìn)行除冰。 3.2 前端多環(huán)銑刀 所謂多環(huán)銑刀顧名思義，是由不同型號的鏟齒成形銑刀套在除冰系統(tǒng)里的工作輪系 當(dāng)中，就形成了多環(huán)銑刀。這種銑刀是用于銑削工件成形表面的專用刀具。它的刃形是 根據(jù)工件廓形設(shè)計(jì)計(jì)算的，它具有較高的抗磨性，并能保證工件形狀和尺寸的互換性， 因此得到廣泛使用。成形銑刀按齒背形狀可分為鏟齒與尖齒兩種。 尖齒成形銑刀：尖齒成形銑刀齒數(shù)多，具有合理的后角，因而切削輕快、平穩(wěn)，加 工表面質(zhì)量好，銑刀壽命高。但尖齒成形銑刀需要專用靠模或在數(shù)控工具磨床上來重磨 后面、刃磨工藝復(fù)雜。因此，刃形簡單的成形銑刀一般做成尖齒形。 鏟齒成形銑刀：齒背由徑向鏟削形成，使其具有成形刃后角。該刀具沿前刀面重磨 后能保證刃形不變，故在生產(chǎn)中一般采用鏟齒結(jié)構(gòu)，只有在大批量生產(chǎn)中才采用尖齒結(jié) 構(gòu)。在這里對于除冰機(jī)器人的重要的零部件，所采用的則是鏟齒銑刀，達(dá)到能高速的鏟 除電線上的冰雪。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 3.2.1 成型銑刀的結(jié)構(gòu)參數(shù) 圖 3-4 成型銑刀結(jié)構(gòu) 如圖 3-4 所示，成形銑刀齒形高度可取為 hh（12）mm，式中 h工件的 廓形高度。 銑刀寬度一般比工件廓形最大寬度大15mm ，并應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸。用銑刀切削 時，要求其刀桿直徑足夠大，以保證在銑削力作用下有足夠的強(qiáng)度和剛度。因此，銑刀 孔徑應(yīng)按強(qiáng)度或剛度條件計(jì)算決定。在一般情況下，可根據(jù)銑削寬度和切削條件選取。 表3-5是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)推薦的數(shù)值。 表3-5 成型銑刀內(nèi)孔直徑 銑 刀 孔 徑銑 削 寬 度 一般切削 重切削 612 16 22 1225 22 27 2540 27 32 4060 32 40 60100 40 50 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 由于在除冰機(jī)器人的性能要求，銑刀必須有足夠的硬度。在保證銑刀孔徑足夠大和 銑刀刀體強(qiáng)度足夠的條件下，應(yīng)選較小的銑刀外徑，以減小扭矩和減少高速鋼的消耗。 設(shè)計(jì)銑刀時，可首先用下式估算外徑，待確定了銑刀的其他有關(guān)參數(shù)后，再校驗(yàn)銑 刀刀體強(qiáng)度。 0=（ 22.2） d + 2. 2h+（ 26）mm （3-1） 對于加強(qiáng)形式的容屑槽，銑刀外徑可小些 0=（ 1.62） d+2h+（26）mm （3-2） 表 3-6 給出了銑刀直徑的推薦值，它是按式（3-1）與式（3-2）計(jì)算的，并圓整為 5 的整數(shù)倍。 表 3-6成型銑刀的外徑 銑 刀 齒 形 高 度 h孔 徑 d 5 6 8 10 12 15 18 20 22 25 28 30 32 35 45 55 70 13 45 50 55 70 50 55 70 90 16 45 45 50 55 60 65 70 90 65 65 70 90 110 22 55 55 60 65 70 75 80 90 100 115 70 75 80 90 110 135 27 65 65 70 75 80 85 90 95 100 115 125 135 85 90 95 100 110 135 160 32 75 75 80 85 90 95 100 105 110 115 125 135 145 160 105 110 110 115 125 135 160 40 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 160 在保證刀齒強(qiáng)度和足夠的重磨次數(shù)的條件下，應(yīng)盡力取齒數(shù)多些，以便增加銑削的 平穩(wěn)性。齒數(shù) Zk與銑刀直徑之間有如下關(guān)系。 Zkd/t (3-3) 式中 t銑刀的圓周齒距。粗加工時，可取 t（1.82.4） H （3- 4） 精加工時，可取 t（1.3 一 1.8）H (3-5) 式中 H容屑槽高度。H=hKr。式中： K刀齒鏟削量 r容屑槽底半徑，一 般為 13mm。 由于齒數(shù) Zk未確定時 K 與 r 都不能確定，因此可按下式初步估算 H Hh0. 06d0（13）mm （3- 6） 將式（3-6）代入式（3-5）或式（3-4），再代入式（3-3），可求出 Zk ，也可根據(jù) 生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)按銑刀外徑的大小預(yù)選銑刀齒數(shù)，在設(shè)計(jì)計(jì)算出銑刀的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)后，再校 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 驗(yàn)所選齒數(shù)是否合理。表是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)推薦的鏟齒成形銑刀的齒數(shù)。此表適用于平底 式容屑槽的不鏟磨銑刀。對于加強(qiáng)式容屑槽，齒數(shù)可適當(dāng)增加，對鏟磨銑刀，齒數(shù)可適 當(dāng)減少。 表 3-7 成型銑刀齒數(shù) 銑刀外徑 d。(mm) 40 4045 5055 6075 80105 110120 130140 150230 銑刀齒數(shù) Zk 18 16 14 12 11 10 9 8 初定成形銑刀的各參數(shù)后，需校驗(yàn)刀體、刀齒強(qiáng)度是否足夠。如果校驗(yàn)結(jié)果不符合 要求，應(yīng)重新假設(shè)和計(jì)算，直到滿意為止。 （1）校驗(yàn)刀齒強(qiáng)度：對于平底式容屑槽銑刀，可按下式計(jì)算齒根寬度 c。 c3(d02H)/4Z k （3-7） 要求 c /H0. 8 ，當(dāng)不滿足時，應(yīng)減少銑刀齒數(shù)。對加強(qiáng)式槽底的成形銑刀，一般不 需進(jìn)行此項(xiàng)校驗(yàn)。 （2）校驗(yàn)刀體強(qiáng)度：為保證刀體強(qiáng)度，要求 m(0. 30. 5) dm 可按下式計(jì)算 （d 02H）/2 （3-8） 當(dāng)不滿足時，應(yīng)增大銑刀外徑。 刀齒齒根強(qiáng)度和刀體強(qiáng)度的校驗(yàn)亦可采用作圖法進(jìn)行，即按選定的銑刀結(jié)構(gòu)參數(shù)直 接畫出銑刀的端面投影圖，由圖直接觀察并測量銑刀齒根寬度和刀體厚度 m 是否足夠。 圖 3-8銑刀鏟磨干涉 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 （1）按所設(shè)計(jì)的成形銑刀參數(shù) d0、 Zk 、H、 和 作出成形銑刀刀齒的端面投影圖， 可得 A、I、J 三點(diǎn)。從第一齒的頂點(diǎn) A 沿徑向取齒廓高度 h 得 G 點(diǎn)，從第二齒的頂點(diǎn) J 沿徑向取鏟削量 K 得 B 點(diǎn)，取齒廓高度 h 得 E 點(diǎn)，從 A 點(diǎn)作直線 AO1，AO 1與前刀面 AO 夾 角為 f ，又作 AB 兩點(diǎn)連線的中垂線與直線 AO1交于 O1點(diǎn)，以 O1為圓心，O 1A 為半徑作 圓弧連 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)即得近似的齒頂鏟背曲線；以 O1G 為半徑畫圓弧 GD，即為近似的齒底 鏟背曲線。 （2）選輪系直徑 Ds(2h+25+5) mm，式中為銑刀齒廓高度。一般 60Ds120。 （3）在上取一點(diǎn)，使/2，連；交于點(diǎn)，連接 FO1并 延長之，自 F 點(diǎn)在此延長線上截取 F02 = Ds/2, 得 02 點(diǎn)，以 02為圓心，Ds/2 為半徑作 圓，即得輪系的外圓周，并切 GD 于 F 點(diǎn)。此時輪外圓周如在下一個刀齒 E 點(diǎn)的上方，則 輪系在鏟磨時不會碰到下一個刀齒，如果在 E 點(diǎn)的下方，則鏟磨時會碰到下一個刀齒， 即發(fā)生干涉。如發(fā)生干涉，需改變銑刀的一些參數(shù)，如減少齒數(shù) Zk與鏟削量或增大 等，需要重新設(shè)計(jì)。 3.2.2 成型銑刀截面的計(jì)算 在這種工作的情況下，工件法剖面截形就是銑刀的齒形。 銑刀有了前角以后，其刀齒在徑向截面的齒形和前刀面上的齒形，就與工件法剖面 的截形不同了。設(shè) f為銑刀外圓處的縱向前角，當(dāng) f較大（例如 f50）時，銑刀徑向 截面和前刀面上的齒形需進(jìn)行修正計(jì)算。 為了能確定工件齒形和銑刀齒形的關(guān)系。在給定的工件齒形以后銑刀徑向截面應(yīng)具 有的齒形，即鏟刀應(yīng)具有的齒形，即樣板應(yīng)具有的齒形。 表3-9成型銑刀截面計(jì)算公式 序號 計(jì)算項(xiàng)目 符號 計(jì)算公式 計(jì)算精度 1 齒形點(diǎn)的橫坐標(biāo) cbnc=0.001 2 （見圖 419）fnhRsiar0.00001 3 齒形點(diǎn)縱坐標(biāo) ch2ZKnc 0.001 鏟齒成形銑刀需要設(shè)計(jì)兩幅樣板,一幅為檢驗(yàn)銑刀刃形,其廓形與銑刀前刀面廓形相 同；另一幅為檢驗(yàn)鏟齒成形銑刀樣板刃形，其廓形與銑刀軸向剖面廓形相同。 樣板的設(shè)計(jì)方法與成形車刀樣板相同。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 33 機(jī)械升降平臺 3.3.1 升降平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式 根據(jù)升降機(jī)的平臺尺寸，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的工藝參數(shù)可知，該升降機(jī)宜采用單 雙叉機(jī)構(gòu)形式：即有兩個單叉機(jī)構(gòu)升降臺合并而成，有四個同步液壓缸做同步運(yùn)動，以 達(dá)到升降機(jī)升降的目的。其具體結(jié)構(gòu)形式為：主要起支撐作用和運(yùn)動轉(zhuǎn)化形式的作用， 一方面支撐上頂板的載荷，一方面通過其鉸接將液壓缸的繩縮運(yùn)動轉(zhuǎn)化為平臺的升降運(yùn) 動，上頂板與載荷直接接觸，將載荷轉(zhuǎn)化為均布載荷，從而增強(qiáng)局部承載能力。下底架 主要起支撐和載荷傳遞作用，它不僅承擔(dān)著整個升降機(jī)的重量，而且能將作用力傳遞到 地基上。通過這些機(jī)構(gòu)的相互配合，實(shí)現(xiàn)升降機(jī)的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行。 o324651 圖 3-10 升降臺外形結(jié)構(gòu) 兩支架在 o 點(diǎn)鉸接，支架 1 上下端分別固定在上、下板面上，通過活塞桿的伸縮和 鉸接點(diǎn) o 的作用實(shí)現(xiàn)貨物的舉升。 根據(jù)以上分析，升降機(jī)的運(yùn)動過程可以敘述如下：支架 2、3 為升降機(jī)機(jī)構(gòu)中的固定 支架，他們與底板的鉸接點(diǎn)做不完整的圓周運(yùn)動，支架 1、4 為活動支架，他們在液壓缸 的作用下由最初的幾乎水平狀態(tài)逐漸向后來的傾斜位置運(yùn)動，在通過支架之間的絞合點(diǎn) 帶動 2、3 也不斷向傾斜位置運(yùn)動，以使升降機(jī)升降。 初態(tài)時，上寫底板處于合閉狀態(tài)，支架 1、2、3、4 可近似看作為水平狀態(tài)，隨著液 壓油不斷的輸入到液壓缸中，活塞桿外伸，將支架 2 頂起，支架 2 上升時，由于絞合點(diǎn) o 的作用使支架 1 運(yùn)動，1 與液壓缸相連，從而液壓缸也開始運(yùn)動，通過一系列的相互運(yùn) 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 動和作用，使上頂板上升，當(dāng)上升到指定高度時，液壓缸停止運(yùn)動，載荷便達(dá)到指定高 度。 3.3.2 升降平臺零件設(shè)計(jì) 根據(jù)升降臺的工藝參數(shù)和他的基本運(yùn)動機(jī)理來確定支架 1、2、3、4 的長度和截面形 狀。 之間的距離和液壓缸的工作行程。23O 設(shè) ( )，則 1、2 、3、4 支架的長度可以確定為 h=2-x/2,(h 15mm)即x0m 支架和地板垂直時的高度應(yīng)大于 15mm,這樣才能保證其最大升降高度達(dá)到 15mm，其運(yùn)動 過程中任意兩個位置的示意圖表示如下： NMO B1CA 圖 3-11 運(yùn)動過程示意圖 設(shè)支架 1、2 和 3、4 都在其中點(diǎn)處絞合，液壓缸頂端與支架絞合點(diǎn)距離中點(diǎn)為 t ,根 據(jù)其水平位置的幾何位置關(guān)系可得： 。40 xt 下面根據(jù)幾何關(guān)系求解上述最佳組合值： 初步分析： 值范圍為 ,取值偏小，則上頂板 點(diǎn)承力過大，還會使支x1x23,O 架的長度過長，造成受力情況不均勻。X 值偏小，則會使液壓缸的行程偏大，并且會造成 整個機(jī)構(gòu)受力情況不均勻。在該設(shè)計(jì)中，可以選擇幾個特殊值： =0.4, =0.6, =0.8，分xx 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 別根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算出 h 和 t。然后分析上下頂板的受力情況。選取最佳組合值便可以滿 足設(shè)計(jì)要求。 （1） =0.4，支架長度為 h=2-x/2=1.8， =h/2=0.9x 2OC 液壓缸的行程設(shè)為 l,升降臺上下頂板合并時，根據(jù)幾何關(guān)系可得到： l+t=0.9 升降臺完全升起時，有幾何關(guān)系可得到： = （3- 221.80951.cos22(0.9).5()tlt 9） 聯(lián)合上述方程求得： t=0.355m l=0.545m 即液壓缸活塞桿與 2 桿絞合點(diǎn)與 2 桿中心距為 0.355m.活塞行程為 0.545m （2） =0.6，支架長度為=2-x/2=1.7， =h/2=0.85 液壓缸的行程設(shè)為 l,升降臺上下x 2OC 頂板合并時，根據(jù)幾何關(guān)系可得到：l+t=0.9 升降臺完全升起時，有幾何關(guān)系可得到： = （3- 221.708.5cos22(0.8).()5tlt 10） 聯(lián)合上述方程求得： t=0.32m l=0.53m 即液壓缸活塞桿與 2 桿絞合點(diǎn)與 2 桿中心距為 0.32m.活塞行程為 0.53m。 （3） =0.8，支架長度為=2-x/2=1.6， =h/2=0.8，液壓缸的行程設(shè)為 l,升降臺上xOC 下頂板合并時，根據(jù)幾何關(guān)系可得到：l+t=0.9 升降臺完全升起時，有幾何關(guān)系可得到： = （3- 221.60571.cos22(0.8).57()0tl 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 11） 聯(lián)合上述方程求得： t=0.284m l=0.516m 即液壓缸活塞桿與 2 桿絞合點(diǎn)與 2 桿中心距為 0.284m.活塞行程為 0.516m。 比較上述三種情況下的載荷分布狀況，x 去小值，則升到頂端時，兩相互絞合的支架 間的間距越大，而此時升降臺的載荷為均布載荷，有材料力學(xué)理論可知，此時兩支架中 點(diǎn)出所受到的彎曲應(yīng)力為最大，可能會發(fā)生彎曲破壞，根據(jù)材料力學(xué)中提高梁的彎曲強(qiáng) 度的措施 maxaxMw 知，合理安排梁的受力情況，可以降低 值，從而改善提高其承載能力。分析上述時 梁的受力情況和載荷分布情況，可以選擇第二種情況。 3.4電機(jī)的選擇 3.4.1升降步進(jìn)電機(jī) 除冰機(jī)器人升降用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動，通過絲桿傳動來實(shí)現(xiàn)升降。初選步進(jìn)電機(jī)：7503BF 由前計(jì)算絲桿導(dǎo)程為 ，本設(shè)計(jì)升降速度選定為 ，06LmS=35m/s 所以絲桿轉(zhuǎn)速 （3-0w=S/L356 .8r/s49.(rin) 12） 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： cgafM 式中： 升降相對絲桿的回轉(zhuǎn)力矩 ；cM 升降相對絲桿的摩擦阻力矩 ；f 升降在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ；ga 其中： （3-0gaMJt 13） 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 式中： 升降啟動或制動過程中角速度的變化量，也就是工作的角速度： ；2349.8(/min)349.836.49(/)0r rads t升降啟動或制動的時間：本設(shè)計(jì)取為 ；()ts 升降時各部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 ，0J 2kg 其中： SldJ 式中： 絲桿對其轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動慣量 ，s 2() 其中： 437.81mDL 式中： 絲桿的公稱直徑由前計(jì)算得 0.5(mD 絲桿的長度本設(shè)計(jì)取為 0.6(m) 代入得： （3-4327.8025.1.7()sJ kgm 14） 升降電機(jī)與絲桿間的聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量lJ sJ=0.18 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量d 2.64()dJ 代入得： 200.137.807.35SldJ kg 把以上代入 得： 0gaMt.953ga Nm 其中： ；/2mfGD 式中： G電機(jī)自重約為 200N f絲桿螺母副與絲桿間的摩擦系數(shù) f=0.08 代入得： （3-/20.85/0.2()mf 15） 得： .49.6cgafMN 電機(jī)與絲桿直接聯(lián)接所以 =1；i 所以 0.()pcm 3/lwrads 上式中： 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（ ） ，如上計(jì)算 ： ；lp 36.49(/)lprads 負(fù)載峰值力矩（ ） ，如上計(jì)算：l N 0iMNm 電動機(jī)的功率計(jì)算式： （3- lpmP 16） 上式中： 計(jì)算系數(shù)，其中一般 ，本設(shè)計(jì)中?。?；1.522 絲桿傳動裝置的效率，一般取 ，本設(shè)計(jì)中取： ；0.790.8 代入以上數(shù)據(jù)得： 0.693.4/85.lpmMPW 根據(jù)負(fù)載峰值力矩 最大靜轉(zhuǎn)矩，選用步矩角為 步進(jìn)電機(jī) ，其最大靜轉(zhuǎn)矩lp3BF 為 0.882 ，滿足負(fù)載峰值力矩 最大靜轉(zhuǎn)矩的要求。N lp 3.4.2 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 表 3-12 電機(jī)參數(shù)表 電機(jī)型號 相數(shù) 步距角 /（） 電 壓 /V 最大靜轉(zhuǎn)矩 /Nm(Kgfcm) 最高空 載啟動 頻 率 /HZ 運(yùn)行頻 率 /HZ 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 10 Kgm52 分配 方式 質(zhì)量 /Kg 75BF003 3 3 30 0882（9） 1250 16000 1568 三相 六拍 158 3.4.2 回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī) 除冰機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)擊棒安裝在底座上與回轉(zhuǎn)電機(jī)相連:設(shè)計(jì)選取為 即旋10/minr 轉(zhuǎn) 1800的時間為 3s； 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： （3-cgafM 17） 式中： 整體相對底座回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)力矩 ；c 整體相對底座回轉(zhuǎn)軸的摩擦阻力矩 ；f 底座在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ；ga 其中： ， （3-0gaMJt 18） 式中： 底座旋轉(zhuǎn)在啟動或制動過程中角速度的變化量，也就是工作角速度： ；210(/min)1.047(/)6rrads 底座旋轉(zhuǎn)啟動或制動的時間：本設(shè)計(jì)中 ；t .3t 與 的轉(zhuǎn)化系數(shù)： ，本設(shè)計(jì)中取fMga .8590.85 底座旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量0J 2()kg 2201322213 5.450.40.99.7Jmrrkg 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 式中： 擊棒的質(zhì)量（kg）1m 底座的質(zhì)量（kg） 2 機(jī)身的質(zhì)量（ kg） 3 其中： 的轉(zhuǎn)動慣量看作均勻圓柱體來計(jì)算； 與 相對應(yīng)的長度（m） 。123,r123, 把以上數(shù)據(jù)代入得： （3-01.4793.85()gaMJNmt 20）3.85.27()0gaf.39.8.6()cgaf Nm 所以： 7.6()1lpMNmi.04.7/l rads 上式中： 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（ ） ，如上計(jì)算 ： ；lpw/s104.7(/)lprads 負(fù)載峰值力矩（ ） ，如上計(jì)算：l 3iMNm 電動機(jī)功率的計(jì)算公式式： .7.292.08lpmPW 式中： 步進(jìn)電動機(jī)的功率（W） ； mP 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（ ） ，由前計(jì)算 ： ；lp/rads14.7(/)lprads 負(fù)載峰值力矩（ ） ，由前計(jì)算： =0.737（ ） ；lMNMNm 計(jì)算系數(shù)，其中一般 ，本設(shè)計(jì)中?。?；1.52 2 底座傳動裝置的效率，估算為 。0.79 根據(jù)負(fù)載峰值力矩 最大靜轉(zhuǎn)矩，選用步矩角為 的步進(jìn)電機(jī) 90BF003，其最大靜轉(zhuǎn)lp3 矩為 1.96 ，滿足要求。Nm 表 3-13 電機(jī)參數(shù)表 電機(jī)型號 相數(shù) 步距角 /（） 電 壓 最大靜轉(zhuǎn)矩 /Nm(Kgfcm) 最高空 載啟動 運(yùn)行頻 率 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 10 Kgm52 分配 方 質(zhì)量 /Kg 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 /V 頻 率 /HZ /HZ 式 90BF003 3 3 60 196（20） 1500 8000 1764 三相 六拍 42 4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 工業(yè)機(jī)器人的控制技術(shù)是在傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此兩 者之間并無根本的不同但工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)也有許多特殊之處。其特點(diǎn)如下，工業(yè)機(jī) 器人有若干個關(guān)節(jié)，典型工業(yè)機(jī)器人有五六個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)由一個伺服系統(tǒng)控制，多 個關(guān)節(jié)的運(yùn)動要求各個伺服系統(tǒng)協(xié)同工作。工業(yè)機(jī)器人的工作任務(wù)是要求操作機(jī)的手部 進(jìn)行空間點(diǎn)位運(yùn)動或連續(xù)軌跡運(yùn)動，對工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動控制，需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變 換運(yùn)算，以及矩陣函數(shù)的逆運(yùn)算。工業(yè)機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型是一個多變量、非線性和變參 數(shù)的復(fù)雜模型，各變量之間還存在著耦合，因此工業(yè)機(jī)器人的控制中經(jīng)常使用前饋、補(bǔ) 償、解耦和自適應(yīng)等復(fù)雜控制技術(shù)。較高級的工業(yè)機(jī)器人要求對環(huán)境條件、控制指令進(jìn) 行測定和分析，采用計(jì)算機(jī)建立龐大的信息庫，用人工智能的方法進(jìn)行控制、決策、管 理和操作，按照給定的要求，自動選擇最佳控制規(guī)律。工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)發(fā)基本要 求有，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人的位置、速度、加速度等控制功能，對于連續(xù)軌跡運(yùn)動的工業(yè) 機(jī)器人還必須具有軌跡的規(guī)劃與控制功能。方便的人-機(jī)交互功能，操作人員采用直接 指令代碼對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行作用指示。使用工業(yè)機(jī)器人具有作業(yè)知識的記憶、修正和工 作程序的跳轉(zhuǎn)功能。具有對外部環(huán)境（包括作業(yè)條件）的檢測和感覺功能。為使工業(yè)機(jī) 器人具有對外部狀態(tài)變化的適應(yīng)能力，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)能對諸如視覺、力覺、觸覺等有關(guān) 信息進(jìn)行測量、識別、判斷、理解等功能。在自動化生產(chǎn)線中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與其它 設(shè)備交換信息，協(xié)調(diào)工作的能力。 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)可以從不同角度分類，如控制運(yùn)動的方式不同，可為關(guān)節(jié)控制、 笛卡爾空間運(yùn)動控制和自適應(yīng)控制；按軌跡控制方式的不同，可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌 跡控制；按速度控制方式的不同，可分為速度控制、加速度控制、力控制。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 程序控制系統(tǒng)：給每個自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機(jī)器人就可實(shí)現(xiàn)要求的空 間軌跡。 自適應(yīng)控制系統(tǒng)：當(dāng)外界條件變化時，為保證所要求的品質(zhì)或?yàn)榱穗S著經(jīng)驗(yàn)的積累 而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模 型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時間和條件自動改變。 人工智能系統(tǒng)：事先無法編制運(yùn)動程序，而是要求在運(yùn)動過程中根據(jù)所獲得的周圍 狀態(tài)信息，實(shí)時確定控制作用。當(dāng)外界條件變化時，為保證所要求的品質(zhì)或?yàn)榱穗S著經(jīng) 驗(yàn)的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整 非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時間和條件自動 改變。因而本系統(tǒng)是一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。 4.2 基于運(yùn)動卡的控制系統(tǒng)的建立 4.2.1總體方案的確定 機(jī)器人控制系統(tǒng)是一種典型的多軸實(shí)時運(yùn)動控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)基本 上是設(shè)計(jì)者基于自己的獨(dú)立結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)目的而開發(fā)，它采用了專用計(jì)算機(jī)、專用機(jī)器人 語言、專用微處理器的封閉式體系結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的控制器存在制造和使用成本高，開 發(fā)周期長，升級換代困難，無法添加系統(tǒng)的新功能等一系列缺點(diǎn)。該系統(tǒng)基于 TRIO 運(yùn)動 控制卡的開放式結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制系統(tǒng)，采用 IPC+DSP 的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制。這種 機(jī)器人控制系統(tǒng)采用開放式硬件、軟件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要方便地?cái)U(kuò)展功能，具有良好 的開放性和擴(kuò)展性，能適應(yīng)于不同類型機(jī)器人或機(jī)器人自動生產(chǎn)線。通過運(yùn)動控制卡在 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，根據(jù)運(yùn)動控制的相關(guān)理論和直流伺服電機(jī)的具有不易受 干擾、易于用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制、無積累誤差等特性以及其動作迅速、反映快、維護(hù)簡 單、可實(shí)現(xiàn)過載自動保護(hù)等特點(diǎn)作為相關(guān)背景的基礎(chǔ)之上提出了基于 TRIO 運(yùn)動控制卡的 自動化程度和定位精度均較高的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)。這種機(jī)器人控制系統(tǒng)的重要特點(diǎn) 在于它采用通用個人計(jì)算機(jī)加 DSP多控制回路的開放式體系結(jié)構(gòu)以及它的網(wǎng)絡(luò)控制特 性。 目前，由于高起動轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣量的交、直流伺服電動機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中得 到廣泛應(yīng)用一般負(fù)載 1000N（相當(dāng) 100kg）以下的工業(yè)機(jī)器人大多采用電伺服驅(qū)動系統(tǒng)。 所采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動電動機(jī)主要是 AC 伺服電動機(jī)。其中，交流伺服電動機(jī)、直流伺服電動 機(jī)、直流驅(qū)動電動機(jī)（DD）均采用位置閉環(huán)控制，一般應(yīng)用于高精度、高速度的機(jī)器人 驅(qū)動系統(tǒng)中。利用運(yùn)動控制卡（運(yùn)動控制和邏輯算法有機(jī)的結(jié)合，輕松實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動形 式的運(yùn)動控制器）對機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行控制能夠有效地提高整個機(jī)器人系統(tǒng)的性能及 開發(fā)效率。由于機(jī)器人需要精確的控制和精準(zhǔn)的定位，采用合適的直流電機(jī)調(diào)速器和光 電軸角編碼器即能滿足要求。 由于所選用的硬件設(shè)備都是市場上成熟的，綜上所述，本設(shè)計(jì)題目的理論基礎(chǔ)、整 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 體的構(gòu)想和所實(shí)施的方案是切實(shí)可行的，在老師的指導(dǎo)下，借鑒相關(guān)書籍，通過通過自 己的學(xué)習(xí)，能夠達(dá)到本次設(shè)計(jì)的要求。 該系統(tǒng)主要由個人 PC、PCI208 系列 TRIO 運(yùn)動控制卡、運(yùn)動卡外接線板、ZK4 系列 直流電機(jī)調(diào)速器、光電軸角編碼器、系統(tǒng)工作狀態(tài)檢測輸入行程開關(guān)等組成。TRIO 運(yùn)動 控制卡通過對直流電機(jī)調(diào)速器發(fā)出模擬電壓信號對直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)上速、角位移、 正、反轉(zhuǎn)等進(jìn)行控制，從而外控制輸出電機(jī)驅(qū)動；且還在系統(tǒng)中采用光電軸角編碼器對 電機(jī)的參數(shù)運(yùn)行狀態(tài)以及程序的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行反饋；另外還設(shè)置行程開關(guān)對電機(jī)的行程 位置進(jìn)行控制。 機(jī)器人具有三個自由度（即：RRP大臂回旋、仰角、小臂伸縮三個運(yùn)動）和一個爪 開合動作，采用全電機(jī)驅(qū)動控制。機(jī)器人本體由機(jī)身、大臂、小臂、手找等組成。機(jī)身 固定在機(jī)械小車上；大臂可以繞著機(jī)身在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；小臂在絲桿的傳動 下，可以前后進(jìn)行伸縮。在大臂和小臂的共同作用下，機(jī)械手的手爪能夠接近要抓的物 體。當(dāng)物體被控制在手爪的控制范圍內(nèi)時，手爪夾緊物體，然后通過大臂的旋轉(zhuǎn)和小臂 的伸縮運(yùn)動，最終將物體置于規(guī)定的位置。 4.2.2 機(jī)器人控制工作原理 機(jī)器人具有三個自由度（即：RRP大臂回旋、仰角、小臂伸縮三個運(yùn)動）和一個爪 開合動作，采用全電機(jī)驅(qū)動控制。機(jī)器人本體由機(jī)身、大臂、小臂、手找等組成。機(jī)身 固定在機(jī)械小車上；大臂可以繞著機(jī)身在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；小臂在絲桿的傳動 下，可以前后進(jìn)行伸縮。在大臂和小臂的共同作用下，機(jī)械手的手爪能夠接近要抓的物 體。當(dāng)物體被控制在手爪的控制范圍內(nèi)時，手爪夾緊物體，然后通過大臂的旋轉(zhuǎn)和小臂 的伸縮運(yùn)動，最終將物體置于規(guī)定的位置。 機(jī)器人大臂回旋運(yùn)動和大臂仰角運(yùn)動均采用直流電動機(jī)、諧波減速器傳動，PWM 脈寬 調(diào)速器控制，可實(shí)現(xiàn) 202000mm/Min 無級調(diào)速控制。 手爪開合采用連桿及螺旋機(jī)構(gòu)，同步電機(jī)驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)簡單，無調(diào)速器，電路控制 方便。由于在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了諧波減速器、滾珠絲桿、滾珠直線導(dǎo)軌等精密傳動 裝置，機(jī)器人手爪定位可達(dá)到較高的精度。 機(jī)器人大臂回旋運(yùn)動和大臂仰角運(yùn)動均采用直流電動機(jī) M1 和 M2 控制，小臂伸縮采 用直流電動機(jī) M3 控制，手爪的開合由單相交流電動機(jī) M4 控制，每個電動機(jī)均由兩個中 間繼電器控制其正、反轉(zhuǎn)。首先是各運(yùn)動軸分別復(fù)位，電動機(jī)