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高空作業機器人設計.rar
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摘 要
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。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人員的棘手問題，由于其危險性極大，作業條件艱難，僅靠人力很難做到，所以都是借助高空作業車的幫助來實現的。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。因此，無攀爬式全自動高空接線機器人應運而生，該機器人通過實現高空握持導線、不規則的圓周繞線運動和橫向進給運動等動作，來完成繞線任務。通過對各種方案的對比，決定采用斜齒輪傳動繞線，螺旋傳動進給來實現主要功能。
本設計構思新穎，而且具有結構輕便、經濟適用、效率高、安全等顯著優勢，順應時代發展方向，具有很高的可行性，適用于各種工作場合。
關鍵詞：無攀爬式；自動繞線；斜齒輪傳動；進給；螺旋傳動
ABSTRACT
In this information era, more and more heavy, dangerous and difficult works are being done by robot, manipulator included. The connection of bare high-tension wire has always been troubled steeplejacks. It’s extremely dangerous, and the work condition is hard, so people have to get help from the aloft working car. In recent years, more and more people are concentrated on development of device of full-automatic high altitude wiring. They try to find a convenient, economical, safely and efficient program to solve this problem. Then the no climbing full-automatic high altitude wiring robot comes out. It accomplishes its task by holding wires in high attitude, coiling in circle irregularly and transverse feed. Through the comparison of several programs, the helical gearing and screw driven are used to wiring and feed, respectively.
This design has a novel idea, and it has advantage of light structure, economic and applicable, efficient and safely. It complies with the development of era and can work in any conditions.
Key words: no climbing; full-automatic wiring; helical gearing; feed; screw driven
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題研究背景 1
1.2 課題研究目的和意義 1
1.2.1 課題研究目的 1
1.2.2 課題研究意義 1
1.3 國內外發展現狀 2
1.4 發展前景展望 4
第2章 總體方案確定 5
2.1 齒輪齒條繞線機構 5
2.2 內嚙合齒輪繞線機構 6
2.3 斜齒輪嚙合繞線機構 6
2.4 本章小結 7
第3章 參數的確定及電機的選擇 8
3.1 繞線機構參數的確定 8
3.2 進給機構參數的確定 11
3.3 抓線和導線握持機構參數的確定 13
3.3.1 抓線機構參數確定 13
3.3.2 導線握持機構參數的確定 15
3.4 電機的選擇 16
3.4.1 進給機構電機的選擇 16
3.4.2 握持機構電機的選擇 17
3.5 本章小結 18
第4章 繞線機構設計 19
4.1 繞線機構結構設計 19
4.2 進給機構結構設計 20
4.3 支架結構設計 20
4.4 本章小結 22
第5章 抓取機構的設計 24
5.1 抓線機構結構設計 24
5.2 導線握持機構結構設計 24
5.3 本章小結 25
第6章 實體機構裝配 26
6.1 實體機構裝配 26
6.2 本章小結 29
結論 30
參考文獻 31
致謝 32
第1章 緒 論
1.1 課題研究背景
裸高壓導線輸電線路的備用導線高空接線，其繞線軌跡不規范、轉自線圈的線徑粗、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。而且高空繞線工作危險大、難度高，需借助高空作業車的幫助來完成，并且對工作環境的要求較高，在惡劣環境條件下無法正常工作，由于種種因素的限制，裸高壓導線輸電線路的備用導線高空接線工作一直困擾著人們。無攀爬式全自動高空接線機器人的應運而生，能夠代替工人進行操作，避免了工作中潛在的各種危險，同時能夠提高工作效率，并且減少了高壓輸電線路的電流損耗。
1.2 課題研究目的和意義
1.2.1 課題研究目的
針對傳統接線工作中存在的各種弊端，無攀爬式全自動高空接線機器人出現了，它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。
1.2.2 課題研究意義
在一切智慧化、人性化、高效率化的今天，越來越多的機器人代替人進行繁重、危險的勞動，在一很多高度危險和繁重的工作中，都采用了機器人，它們的高效率和幾乎為零的風險是人類無法與之相比的優勢。機器人技術的采用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，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，具有光明的發展前景。
本設計是主要實現高空握持導線、不規則的圓周繞線運動和橫向進給運動的全新自動繞線裝置具體設計要求如下：
導線直徑： 10mm
繞線直徑：2 mm
繞線材料： 鋁
導線高度：20m
整機重量：7.5kg
完成繞線時間：1分鐘左右
要求經濟適用，效率高。
1.3 國內外發展現狀
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、不規則的圓周繞線運動和橫向進給運動，其主要結構有：導線握持機構和繞線機構。
導線握持機構采用機械手。機械手是在早期出現的古代機器人基礎上發展起來的，機械手研究始于20世紀中期，隨著計算機和自動化技術的發展，特別是1946年第一臺數字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格的方向發展。同時，大批量生產的迫切需求推動了自動化技術的進展，又為機器人和機械手控制系統的開發奠定了基礎。另一方面，核能技術的研究要求某些操作機械代替人處理放射性物質。在這一需求背景下，美國于1947年開發了遙控機械手控制系統和遙控機械手，1948年又開發了機械式的主從機械手控制系統和機械手。
機械手控制系統首先是從美國開始研制的。1954年美國戴沃爾最早提出了工業機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術控制機器人的關節，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現動作的記錄和再現。這就是所謂的示教再現機器人控制系統�，F有的機器人控制系統差不多都采用這種控制方式。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手鉚接機器人控制系統。作為機器人產品最早的實用機型（示教再現）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業機器人和相關控制系統主要由類似人的手和臂組成它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
機械手控制系統經歷了以下幾個階段：機械手完成放射源轉運年代、化工產品垛機械手年代、工業用機械手興起和發展年代。隨著汽車行業和塑膠行業的發展，西歐、日本、蘇聯和中國等地域機械手及其控制系統也開始百花爭艷。尤其注塑機機械手，發展更為迅猛，應用非常普遍，其控制系統經過幾十年的發展，現在已經趨于成熟和完善。
機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續軌跡控制機械手等。
20世紀40年代后期，美國在原子能實驗中，首先采用了機械手搬運放射性材料，人在安全間操縱機械手進行各種操作和實驗。50年代以后機械手逐步推廣到工業部門，用于在高溫污染嚴重的地方取放工件和卸料，也作為機床的輔助裝置在自動機床、自動生產線和加工中心中應用，完成上下料和從刀庫中取放刀具并按國定程序更換刀具等。
本設計的另一主要功能是繞線，而現今最常見的繞線裝置就是繞線機。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展，相互間的競爭越來越激烈，各國的廠家都必須開發出新一代的繞線機。現在主要是趨向自動化的發展方向。
全自動繞線機是近幾年才發展起來的新機種，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。
能夠實現繞線功能的機構還有很多，例如齒輪齒條、齒輪傳動、槽輪機構等，只要能實現圓周運動，即可實現繞線功能。工作原理：槽輪是由圓銷的主動撥盤和具有若干徑向槽輪及機架組成。當撥盤作等速連續轉動時，槽輪做反向或同向的單向間歇運動，在圓銷未進入槽輪徑向時，槽輪上的內凹鎖住撥銷，槽輪被主動撥盤的外凹鎖住弧卡住，使槽輪停歇在確定的位置上不動。當撥盤上撥銷進入槽輪徑向槽時，鎖住弧松開，撥銷驅動槽輪轉動，循環往復，時停時動，因此，槽輪機構是一種間歇運動機構。應用示例：機床自動轉為機構，電影放映機卷片等。當放映卷片時，膠片上的畫面依次在方框中停留，以適應人眼的視覺停留現象。槽輪機構結構簡單，易加工，工作可靠，轉角準確，機械效率高。但是其動程不可調節，轉角不能太小，槽輪在起停時的角速度大，有沖擊，并隨著轉速的增加或槽輪數的減少而加劇，故不宜用于高速場合。對于本設計的繞線部分，齒輪傳動是首選。
1.4 發展前景展望
無攀爬式全自動高空接線機器人的主要優點：
(1)經濟性：現在使用的高空作業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，優越性一目了然。
(2)安全性：高空作業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，與較傳統的方法相比較，工作效率大大提高。
(4)適用范圍廣：在何種環境均可工作，對工作條件沒有特別高的要求，實用性強。
鑒于以上優點，無攀爬式全自動高空接線機器人具有很高的可行性，發展前景廣闊。
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