無攀爬式全自動高空接線機器人結構設計,無攀爬式全自動高空接線機器人結構設計,攀爬,全自動,高空,接線,機器人,結構設計 畢業(yè)設計（論文）開題報告 設計（論文）題目: 無攀爬式全自動高空接線機器人結構設計 院 系 名 稱: 機電工程學院 專 業(yè) 班 級: 機械08-4班 學 生 姓 名: 關宏 導 師 姓 名: 劉喜平 開 題 時 間: 2012年2月27日 指導委員會審查意見： 簽字： 年 月 日 1 課題研究的目的和意義 1.1 設計目的 無攀爬式全自動高空接線機器人是為實現無攀爬式全自動高空接線而設計的機器人裝置。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。本課題根據仿生學和機器人學的原理，運用常用的機械運動機構及其組合，實現高空握持導線、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設計意義 機器人可以代替人進行繁重、危險的勞動，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，也為低碳經濟提供了一個新的探索方案。該設計經濟實用性高，具有光明的發(fā)展前景。 2 文獻綜述 2.1現狀及分析 裸高壓導線輸電線路的高空接線工作，一直是困擾高空作業(yè)人員的棘手問題，由于其危險性極大，作業(yè)條件艱難，僅靠人力很難做到，所以都是借助高空作業(yè)車的幫助來實現的。而高空作業(yè)車體積龐大且笨重，耗資巨大，而且在路況不好的地方很難行進，這就導致了很多地區(qū)的高空接線工作很難進行。近年來，越來越多的人致力于多自由度的高空全自動繞線裝置的研究，試圖找到一種簡便、經濟、安全、有效的方法，來解決這一難題。 在一切追求人性化的今天，越來越多繁重、危險和高難度的工作，開始采用機器人（包括機械手）來代替人類完成。無論在國外還是國內，高空接線這種工作都已經考慮運用機器人技術。人類的很多不足都能夠通過機器人來彌補，這樣不僅節(jié)省了人力，而且降低了風險，同時也讓機器人得到充分的利用。目前，無攀爬式全自動高空接線機器人還沒有真正投入使用，但由于其顯著的優(yōu)越性，即高效率、安全性高、經濟性強等，正在被越來越多的專家學者研究試驗，前景可觀。 本課題設計的無攀爬式全自動高空接線機器人主要實現高空握持導線、不規(guī)則的圓周繞線運動和橫向進給運動，其主要結構有： 1)握持導線機構 機械手是一種能模擬人的手臂動作，按預定程序、軌跡及其它要求，實現抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置，主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。機械手按用途分為通用機械手和專用機械手兩類；按驅動方式分，有氣壓傳動機械手、液壓傳動機械手、機械傳動機械手和電力傳動機械手；按控制方式分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手。 機械手的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用液壓傳動方式，來實現執(zhí)行機構的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置. 本課題的機械手要能夠滿足抓住引線、握住導線，并且手臂最好能夠進行橫向伸縮，而且要具有一定的承載能力，因為在繞線機構纏線過程中，機械手要支撐住整個機構，如果承載能力不夠，會出現安全問題。 2)全自動繞線機構 該部分的主要功能是將導線和引線用綁線纏住，繞線機、齒輪齒條機構、行星齒輪機構等均能夠實現繞線動作。 (1)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驗也可應付自如。目前歐洲生產的繞線機已經趨于自動化，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)展起來的新機種，為了適應高效率、高產量的要求，全自動機種一般都采用多頭聯動設計，國內的生產廠家大多都是參照了臺灣等地的進口機型的設計，采用可編程控制器作為設備的控制核心，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備，生產品質比較穩(wěn)定，非常適合產量要求高的加工場合。這種機型由于集成了數控、氣動、光控許多的新技術，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備的零部件采用了大量非標準件和定制件，所以一旦出現故障相對的維修過程將會很復雜，周期也會比較長。而且這種繞線機多數形體巨大，適合大批量，高精度的工作要求場合，不是本設計的理想選擇。 (2)齒輪齒條機構： 齒輪齒條傳動將旋轉運動變?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，結構緊湊，能保證恒定傳動比。但是，這樣的機構可以反向驅動，也就是齒條做直線運動來帶動齒輪旋轉，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，齒輪齒條機構需要外加鎖緊裝置，因為齒輪齒條機構不能自鎖。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。 (3)行星齒輪機構： 行星齒輪機構有很多類型，其中最簡單的行星齒輪機構是由1個太陽輪、1個齒圈、1個行星架和支承在行星架上的幾個行星齒輪組成的，稱為1個行星排。行星齒輪機構中的太陽輪、齒圈及行星架有一個共同的固定軸線，行星齒輪支承在固定于行星架的行星齒輪軸上，并同時與太陽輪和齒圈嚙合。當行星齒輪機構運轉時，空套在行星架上的行星齒輪軸上的幾個行星齒輪一方面可以繞著自己的軸線旋轉，另一方面又可以隨著行星架一起繞著太陽輪回轉，就像天上行星的運動那樣，兼有自轉和公轉兩種運動狀態(tài)（將星齒輪的名稱即因此而來），在行星排中，具有固定軸線的太陽輪、齒圈和行星架稱為行星排的3個基本元件。行星齒輪機構可按不同的方式進行分類，按照齒輪的嚙合方式不同，行星齒輪機構可以分為外嚙合式和內嚙合式兩種。外嚙合式行星齒輪機構體積大，傳動效率低，故在汽車上已被淘汰；內嚙合式行星齒輪機構結構緊湊，傳動效率高，因而在自動變速器中被廣為使用。按照齒輪的排數不同，行星齒輪機構可以分為單排和多排兩種。多排行星齒輪機構是由幾個單排行星齒輪機構組成的。按照太陽輪和齒圈之間的行星齒輪組數的不同，行星齒輪機構可以分為單行星齒輪式和雙行星齒輪式兩種。 全自動繞線機構要用直徑為2mm的細線將直徑粗10mm的導線握在一起，然后用1分鐘左右的時間完成繞線過程。所以考慮到本設計要求經濟適用，效率高，優(yōu)先考慮行星齒輪機構和齒輪齒條機構，這兩種機構較繞線機相比，更符合設計要求，機構輕便，而且價格適宜，具有更強的實用性，更加大眾化。除此之外，帶傳動，四桿機構等也可以繞線，具體設計就要根據設計內容和要求而確定。 2.2初步可行性研究 無攀爬式全自動高空接線機器人的主要優(yōu)點： (1)經濟性：現在使用的高空作業(yè)車格價一般為幾百萬不等，經濟性低，需要使用者的經濟承受能力很強；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，而本設計可避免這一問題，安全性高。 (3)效率高：無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。 3 基本內容、擬解決的主要問題 3.1基本內容 本設計主要完成無攀爬式的高空遙控作業(yè)，實現高空握持導線、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。具體內容為用繞線直徑為2mm的鋁質綁線將直徑為10mm的引線和導線纏在一起，并完成導線的固定工作，繞線用時1分鐘左右。 3.1.1無攀爬式全自動高空接線機器人的擬實現工作流程 (1)用絕緣拉桿插入拉桿插孔后，送機器人接近引線，控制機器人右手抓住引線； (2)送機器人接近導線，控制機器人左右手同時握住導線； (3)控制機器人用嘴咬住導線和引線后，使綁線如舌頭一樣，勾住導線和引線，同時身體做繞導運動，將綁線纏在導線和引線上； (4)最后，用嘴咬斷多余綁線后，工作結束。 3.2 擬解決問題 (1)機器人手臂要能夠抓住引線，并握住導線。 (2)繞線機構將導線和引線纏在一起，在繞線結束之后，將綁線兩頭固定，保證其不會松動。 4 技術路線 通過查閱資料，明確設計目的，進行總體結構方案的擬定，經過對運動和動力參數的計算，進行繞線機構、握持機構、進給機構等的結構設計，然后進行總體裝配圖的繪制，最后，繪制主要零件工作圖，編寫設計說明書。 5 進度安排 2月27日～3月20日：分配任務，書寫開題報告； 3月21日～4月10日：查閱資料，進行設計分析； 4月11日～4月18日：擬定總體設計方案； 4月19日～5月3日： 運動和力學參數的計算； 5月4日～5月10日：繞線機構、握持機構、進給機構等結構設計 5月11日～5月30日：繪制無攀爬式全自動高空接線機器人總體裝配圖 6月1日～6月10日：繪制主要零件工作圖，編寫設計說明書； 6月11日～6月15日：完成設計，準備答辯。 6 主要參考文獻 [1] 殷玉楓．機械設計課程設計[S]．北京：機械工業(yè)出版社,2000. 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