基于多功能物料运输车机器人设计起升机构结构部分设计.docx
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基于多功能物料运输车机器人设计起升机构结构部分设计
目录
1引言……………………………………………………………………………………1
1.1项目的研究意义……………………………………………………………………1
1.2国外物料运输机械的发展趋势……………………………………………………2
1.3未来物料运输机械的发展趋势……………………………………………………2
1.4设计产品的目的……………………………………………………………………3
2总体方案设计…………………………………………………………………………4
2.1模型实物图…………………………………………………………………………4
2.2多功能物料运输车救援工作的优点………………………………………………4
2.3多功能物料运输车的功能与实用性能指标………………………………………4
2.3.1功能分析…………………………………………………………………………4
2.3.2实用性能指标……………………………………………………………………5
2.4底盘运动机构的设计………………………………………………………………6
2.5动力机构的设计……………………………………………………………………6
2.6传动机构设计………………………………………………………………………7
2.7蜗轮蜗杆传动机构…………………………………………………………………8
2.7.1蜗轮蜗杆传动机构的种类………………………………………………………8
2.7.2蜗轮蜗杆传动机构的区别………………………………………………………8
2.7.3采用圆弧圆柱蜗杆传动的优点…………………………………………………8
2.8多功能物料运输车执行机构的设计………………………………………………9
2.8.1前端提升机构设计………………………………………………………………9
2.8.2运输机构的设计…………………………………………………………………10
2.8.3起重机构的设计…………………………………………………………………10
2.8.3.1起重机械的工作特点…………………………………………………………10
2.8.3.2起重机械今后的发展方向……………………………………………………12
2.8.3.3起重机械的主要参数…………………………………………………………13
2.8.3.4起重机的工作机构……………………………………………………………16
2.8.3.4.1起升机构……………………………………………………………………16
2.8.3.4.2回转机构……………………………………………………………………18
3运动分析部分…………………………………………………………………………18
3.1蜗轮蜗杆传动(起重机回转机构部分)…………………………………………18
3.2蜗轮蜗杆传动(起重机起吊绳索部分)…………………………………………19
3.3起升机构受力分析…………………………………………………………………19
4改进部分……………………………………………………………………………20
4.1起升机构的改进……………………………………………………………………20
4.1.1影响起升机构的几个因素………………………………………………………20
4.1.2对影响起升机构因素的改进……………………………………………………21
4.2取物装置的改进……………………………………………………………………25
4.2.1取物装置的的种类………………………………………………………………25
4.2.2吊钩………………………………………………………………………………25
4.2.3取物装置的改进…………………………………………………………………26
结束语……………………………………………………………………………………30
致谢………………………………………………………………………………………32
1参考文献…………………………………………………………………………………33
对我们全国所有人来说,说到5月12号这一天,大家应该都不会忘记,我国遭遇了特大的自然灾害——汶川地震,房屋倒塌,许多人流离失所,那场景触目惊心。
根据灾难发生的时间,灾难救援可以分为灾前救援、灾时救援与灾后救援三个阶段[l]。
而灾害事故具有突发性、灾难性、破坏性等特点,因此三个阶段在灾难发生时通常没有明确的界限,但是各个阶段救援工作都面临着两个问题:
环境的复杂性和环境的危险性。
它的危害严重,以地震后灾区环境为例,地震后存在易二次倒塌建筑物的现场,施救人员无法深入进行侦察或施救,而人们又急于探知灾难现场的内部险情,但又不敢或无法接近或进入灾难现场,而且灾后灾区物资的匮乏是也是其中一个难题,因此物资的及时运输是灾后救援的一大重要工程。
1.1项目的研究意义
在世界各地,由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事故等原因,灾难经常发生。
在灾难救援中,救援人员只有非常短的时间(约48小时)用于在倒塌的废墟中寻找幸存者,否则发现幸存者的几率几乎为零。
在这种紧急而危险的环境下,多功能物料运输车可以为救援人员提供帮助。
因此,将具有自主智能的在危险和复杂的灾难环境下“搜索和营救”(SAR)幸存者,是起重运输机械学中的一个新兴而富有挑战性的领域[l]。
我国前段时间遇到的灾难汶川地震,不安全因素很多,房屋倒塌严重,还连带着许多小的余震等,灾害事故危害严重,伤害人员多。
各类灾害事故存在突发性、灾难性、破坏性等特点。
因此,研究废墟搜救新装备是一项紧迫任务。
目前,救灾方式只是根据事故的类型确定救灾的方案,一般救护人员无法进入危险区域,只能通过一些特殊设备进入灾区,然后再搜救遇险灾民。
这种方式危险性大,伤亡人数多,救灾周期长,往往效率低。
随着科技的发展,物料运输机械将被应用到废墟救灾领域。
物料运输车利用自身的优点,能迅速找到遇险灾民的位置,降低事故危害性,对提高救灾效率具有重大意义,具体表现为以下几点[19]:
第一多功能物料运输车具有灵活性好、机动性强的特点,有较好的爬坡和越障能力,能适应现场各种各样的地理环境。
比如,蛇形救灾机器人能适应任何的复杂环境,在矿井下能自由运动;
第二当多功能物料运输车顺利的越过障碍后,能迅速将物品运放到指定的位置。
以便遇险灾民更好的得到救助;
第三多功能物料运输车具有为遇险灾民投放小包食品、药物和通讯装置等辅助功能,并合理分配,能有效地减少遇险灾民的伤亡人数;
第四可以连续的执行乏味的搜索救援任务,而不会像人一样感到疲倦;
第五不怕火、浓烟等危险和有害条件。
世界各国都在不断加大物料运输机械的开发投入和研究力度,及时把微电子技术、自动化技术、人工智能技术、计算机技术、机器人技术以及新材料、新工艺等现代高新技术大量运用于物料运输机械的生产、制造等领域,使物料运输机械的技术含量越来越高,在未来发展方向上呈现出许多新的特点。
1.2国外物料运输机械的发展趋势
在国外,物料运输机械的发展迅速,技术日益成熟,并进入实用化阶段,日本、美国、英国等已开始装备使用[7]。
在灾难现场中,物料运输车应能迅速找到幸存者的位置。
起重运输机械作为后勤装备保障的重要组成部分,其信息化程度如何,将直接影响军需物资在起重、运输等环节的保障效能。
为此,世界各国都在现有物料运输机械的基础上,及时将全球定位技术、实时跟踪技术、计算机网络等信息技术用于物料运输机械上。
例如,在现代物料运输机械上,通过安装车载接收器、数字化定位跟踪仪、自诊断故障检测仪以及遥感器等信息装置,以实现对物料运输机械在日常作业、调度和管理上的实时、实地的动态控制[11]。
另外,为了在恶劣的灾区无法到达的地区救援时,欧美等发达国家开始在一些物料运输机械上加装自动探测器和一些智能型处理设备,并将红外技术、遥感技术、机器人技术、雷达技术进行综合集成,使物料运输机械在进行救援作业时一方面具有一定的自动判断、侦察和识别能力;另一方面还能自动生成作业方案和自动修改作业参数,所有作业程序都是自动完成的。
例如,美、英等国相继开发和研制出的智能型物料运输机械,一旦在物料运输作业过程中遇到危险物、爆炸物时,则会通过无线电控制技术,指令机器人对物料运输机械进行各类作业。
这些对灾后救援工作找到幸存者非常有利。
1.3未来物料运输机械的发展趋势
灾害事故的突发性、骤然性、不确定性等因素增多,这些都对物料运输机械的性能提出了更高的要求,尤其是速度性能已成为当今世界各国普遍追寻的目标。
目前,无论是桥、门式起重机,还是轮式物料运输机械,如各种军用搬运机械、装载机或挖掘机,在追求作业稳定性能的同时,也更关注起重、运输作业的速度性能。
例如军用装载机和挖掘机,其机动速度由原来不足45km/h,现已普遍提高到60km/h~70km/h,有的甚至更高。
如澳大利亚产的ADI型多功能起重车,最高时速可达100km/h;长距离行驶速度平均在80km/h。
这种高速化的设备,一方面能够满足部队快速编队行进的需要,另一方面还能满足在现代战争中大量军需物资补给、消耗的需要[12]。
除了这些,物料运输车还应具备多功能化,例如,由澳大利亚研制生产的ADI型多功能起重车,除了装有前置装货机和助耕机外,还可选装夯土机、大地螺丝钻、岩石破碎机、绞盘以及雪犁等工作装置,以完成各种军事野外工程和后勤保障任务。
美国山猫公司生产的多功能物料搬运车,除了能够在仓库、码头、岸滩等不同场地作业外,还能通过更换属具的方式,实现起重、运输、堆码垛、装卸载以及高空作业等多种功能。
再如,由法国曼尼妥公司为北约部队设计生产的多功能悬臂式维修起重机,既能在军港码头进行高、低空维修作业,也能在机动港和岸滩展开作业。
另外,统一起重运输机械底盘,做到一种底盘多种车型则是多功能化的另一种发展模式。
如美军的装甲型起重运输机械,大多采用主战坦克的底盘;车身则采用抗打击能力极强的防护材料,以实现起重运输机械在各种复杂战场环境下的保障能力和战场的生存能力。
这些朝着多功能化方向发展的军用起重运输机械,其作业适应能力和范围都将得到大幅度的提高[18]。
1.4设计产品的目的
我们都知道灾后道路毁坏,普通车辆难以进行正常运输,空投物资虽然能够及时准确的进行物资补给,但是代价高昂。
因此能不能有这样一种运输车?
它既能在崎岖的地形上正常运行,越过重重障碍物,而且又能方便快捷的将物资运送到需要的地区,以解燃眉之急。
因此本文设计了一款多功能物料运输车,多功能物料运输车的参与可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡,它们不但能够帮助工作人员执行救援工作,而且能够代替工作人员执行搜救任务,在灾难救援中起着重要的作用,其中我们设计的这款多功能物料运输车是根据目前市场上的履带式起重机进行改进的,我们都知道起重机是能在一定的范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械,又称为吊车,我们都知道吊车主要用是来吊运成件物品的,在配备适当吊具后也可吊运散状物料和液态物料,因此我们设计的这款多功能物料运输车将不仅仅在救灾上起到很大的作用[15],或许将来可以替代起重机进行作业,因此结合以上所述,我们知道该产品在灾害时非常实用,面对受灾人员,竭力救援,而且该产品容易推广使用,具有很好的市场前景!
而我在本次设计中主要负责的就是多功能物料运输车的起升机构部分,往下会加以具体说明。
2总体方案设计
2.1模型实物图
分析多功能物料运输车的功能结构,根据它的工作原理,来设计它的结构。
利用慧鱼模型组合包来组建多功能物料运输车的模型,如下图1所示就是慧鱼模型组建的多功能物料运输车的模型。
图1多功能物料运输车模型
2.2多功能物料运输车救援工作的优点
我们的多功能物料运输车救援工作中所具有的优势:
(1)具有灵活性好、机动性强的特点,有较好的爬坡和越障能力,能适应现场各种各样的地理环境;
(2)能迅速将物品运放到指定的位置;
(3)具有投放食品、药物等功能,并合理分配;
(4)可以连续执行乏味的搜索救援任务,而不会像人一样感到疲倦;
(5)不怕火、浓烟等危险和有害条件[6]。
2.3多功能物料运输车的功能与实用性能指标
2.3.1功能分析
目前我们现实生活中的履带式起重机只能进行挖土、夯土打桩等多种作业。
但因行走速度缓慢,功能单一等特点都被局限了。
它的转移工地需要其他车辆协助。
我们设计的多功能运输车采用了特殊设计,首先它利用履带式结构作为车子前进的主导力,通过电机的驱动使履带稳定运行前进,履带式运动系统在碎石堆上可以快速前进,遇到小的坡度和凹凸地时也可以轻松翻越,在遇到不能通过的障碍时还可以在很狭小的范围内完成转弯等动作。
运输车采用这种运动形式。
与其他运动形式相比,履带式运动系统具有较快的速度和较大的转距,它的技术比较成熟。
我们的储运结构则设计巧妙,底板利用蜗杆铰链机构合理结合在一起,它就是利用蜗杆传动实现底板的伸出缩进,储运门则是通过铰链机构平面与底板栓连在一起,实现底板伸出门开,底板缩回门关上。
就不需要用到救援人员亲自去开门卸货,安全又方便。
说到起落架机构也很巧妙,同样采用涡杆传动,同样的一个结构实现了不同的作用,靠电机的驱动使螺杆来回移动带动了轮子的收起和放下,让它在工作的时候撑在高的地方抬起前车身,利于越障,而在不工作的时候就自动收起。
车顶的起重机结构则用处不小,它利用涡轮杆的啮合传动来控制吊钩的吊速,它主要考虑的是结构紧凑及运行平稳在它正上方装有2只照明灯以便工作环境的需要,使之更符合救援的需要。
这个起吊机构属于起重机械的一种,属于循环、间歇运动式的性质。
它的一个工作循环包括取物装置从取物地把物品提起,然后水平移动到指定地点降下物品,接着进行反向运动,使取物装置返回原位,以便进行下一次循环。
2.3.2实用性能指标
我们的多功能救援车实用性还是很高的。
该机构基本实现越障功能,在救援地方的环境比我们想象的要复杂,底座的履带能够越过30mm以下垂直障碍(形状不规则的石头);因助力机构的关系,能够越过高于30mm~50mm的障碍;系统估计越障时间需10秒左右,运输机构额定承载1500g的重量;起重机构额定承吊1500g的重物。
样机的整体三维效果图如图2所示。
图2样机的整体三维效果图
2.4底盘运动机构的设计
底盘的主要功能为支撑、固定和连接其它四个功能装置,是多功能物料运与输车的移动及支撑部分,在底部采用两个红色9V大功率驱动电机通过小齿轮与大齿轮之间的啮合来实现左右链带的传动。
采用履带式的机构设计是为了更好的满足在震后灾区复杂的路面,因为它的履带表面接触面积大,自然受到的压强就会减小。
用轮子就容易沉受不住压力,导致爆胎。
而大电机可以实现有级调速,通过调节电机的快慢来实现转弯,底盘采用钢轴能很好的支撑起整个车身,这样转弯的时候强度就有足够的保障,不会出现驱动轴产生疲劳强度出现轴弯曲的现象。
其底座效果图如图3所示:
图3三维底盘效果图
2.5动力机构的设计
动力结构采用自带蓄电池和减速箱的驱动电机,驱动电机图如图4所示,其主要参数为下表1所示:
表1驱动电机的主要参数
型号
齿轮轴
圆轴
主要参数
60YR06GV22
60YR06DV22
输出功率KW
1.5
电压V
直流9V
电流A
0.11、0.1
额定转速r/min
600、750
起动转矩
19、20
额定转矩
25、20
运行电容
0.7
F/50V
图4驱动电图
底部的动力机构采用9V红色交流电机,它的结构小巧,动力强劲满足了我们带有运输救灾物资的动力,装在底座下面结构紧凑,匀称满足了动力的要求.
2.6传动机构设计
多功能物料运输车的传动机构有多处,链传动是主要的动力执行机构,它是一种挠性机构,由链条和链轮(大齿轮和小齿轮)组成通过链轮轮齿与链条链节的啮合来传递运动和动力,它与摩擦型的带传动相比,链传动无弹性滑动和整体打滑现象,它能保持准确的平均传动比,传动效率高,而且它的制造与安装精度要求较低,成本也低,其主要特点低速重载,适应恶劣环境满足了我们的救灾需求。
该传动机构主要将动力传给多功能物料运输车的执行机构,由履带围绕在多个齿轮轴上组成履带轮,采样履带传动机构可以实现越障,爬坡的功能,采用履带行走,就像给多功能物料运输车铺了一道无限延长的轨道一样,使它能够平稳、迅速、安全地通过各种复杂路况。
由于接地面积大,所以增大了多功能物料运输车在松软、泥泞路面上的通过能力,增大接触面积,降低了下陷量。
由于履带板上有花纹并能安装履刺,所以在雨、雪、冰或上坡等路面上能牢牢地抓住地面,不会滑转。
除了底盘上的履带传动机构,还有是起吊装置处的蜗轮蜗杆传动机构是利用蜗轮蜗杆传动带动转盘使起重机吊钩实行360度的转动,以达到搬运货物的效果[13]。
具体如图5所示:
图5履带传动机构图
2.7蜗轮蜗杆传动机构
我们的起重机旋转机构采用了蜗轮蜗杆来实现转动工作。
这种传递方式在我们的现实生活中使用是十分广泛。
它的传动是通过两轴间的传递运动和动力的一种结构,两轴线之间的角度一般为90度,蜗杆在每旋转一周,蜗轮只转过一个齿距,就是说它有很大的传动比,同时蜗轮蜗杆在啮合时冲击载荷小,传动平稳,噪声小,符合钢丝绳慢慢滑动。
这些优点满足了我们带有一定高度的起重机的安全工作[3]。
2.7.1蜗轮蜗杆传动机构的种类
根据蜗杆形状的不同,蜗杆传动可以分为圆柱蜗杆传动,环面蜗杆传动和锥蜗杆传动等。
我们在这里采用的是圆柱蜗杆传动,而圆柱蜗杆传动又包括普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动两类[10]。
2.7.2蜗轮蜗杆传动机构的区别
圆弧圆柱蜗杆传动和普通圆柱蜗杆传动相似,只是齿廓形状有所区别。
圆弧圆柱蜗杆的螺旋面是用刃边为凸圆弧形的刀具切制的,而蜗轮是用范程法制制造的。
在中间平面上,蜗杆的轮廓为凹弧形,而与之相配合的轮廓为凸弧形。
所以,圆弧圆柱蜗杆传动时一种凹弧齿廓相啮合的传动,也是一种线接触的啮合传动。
其主要特点为:
效率高,一般可达90%以上;承载能力高,一般可较普通圆柱蜗杆传动高出50%~150%;体积小,质量小;结构紧凑。
这种传动已广泛用到冶金、矿山、化工、建筑、起重等机械设备的减速机构中[10]。
2.7.3采用圆弧圆柱蜗杆传动的优点
圆弧圆柱蜗杆传动和其他蜗杆传动一样,可以实现交错轴之间的传动,蜗杆能安装在蜗轮的上、下方或侧面。
它的主要特点有:
(1)传动比范围大,可实现1:
100的大传动比传动;
(2)蜗杆与蜗轮的齿廓呈凸凹啮合,接触线与相对滑动速度方向间的夹角大,有利于润滑10%~20%;
(3)当蜗杆主动时,啮合效率可达95%以上,比普通圆柱蜗杆传动的啮合效率提高10%~20%;
(4)传动的中心距难以调整,对中心距误差的敏感性较强。
在这我们选择圆弧圆柱蜗杆传动,而且圆弧圆柱蜗杆传动是一种新型的蜗杆传动。
实践证明,这种蜗杆传动比普通圆柱蜗杆传动的承载能力大,传动效率高,使用寿命长,因此圆弧圆柱蜗杆传动有逐渐代替普通圆柱蜗杆传动的趋势[10]。
2.8多功能物料运输车执行机构的设计
多功能物料运输车执行机构由越障机构、运输机构、起重机构、助力传动机构和运输传送机构五大部分组成,共同完成了越障运输救援功能。
2.8.1前端提升机构设计
前端提升机构主要为底座的履带式齿轮传动和助力传动,它可以通过起降式的升降机构支撑起前轮一个角度来满足越坡,使履带在越过直角坡时候不至于有死角。
助力机构采用螺杆机构,将车轮升起到达障碍物的高度,给链轮一个有利于前进的斜坡角度,从而达到越障的功能越过障碍之后就自动进行左转,它利用自生设计的助力机构可以进入更为复杂的地区,不致因为道路问题而出现救灾困难或延误问题,具体见图6。
图6前端提升机构图
2.8.2运输机构的设计
运输机构是我们多功能物料运输车的一大特色,一般的运输机构都是物品送到目的地,然后打开车门,由人工卸货,而我们所设计结构是通过螺杆传动将救灾物资分给灾民,在推出救灾物资的同时,利用铰链机构带动门推开,将救灾物资推出,当推出救灾物资以后再利用螺杆传动和铰链机构将门关上。
它实现开门出货自动化。
这个运输机构主要保证灾民能够第一时间得到良好的救助,避免因为灾后受伤而带来伤口感染,当然我们这个运输箱不单单是运输医药用品,还可以运输生活用品等等,确保灾民得到最好的照顾。
具体如图7所示。
图7运输结构图
2.8.3起重机构的设计
起重机构主要为越障机构做辅助,因为灾后的道路是非常恶劣的,甚至于越障功能达到了他的极限,越不过去,但是如果另选一条道路又比较费时的时候,有时候还受到条件的不允许。
因而我们可以利用起重机把大型石头一类的障碍物用吊机通过绑在钢丝绳等一类辅助工具上来把重物搬开,从而避免了道路堵塞的问题,起重机构采用了蜗轮蜗杆啮合传动,采用这种传动的方式我们组要考虑了它的特点传动比大,结构紧凑,最主要的是运行平稳,成本低,效率高。
为了更好搬开重物的同时,不给后来的救灾车辆造成麻烦,所以采用了360度旋转,位置堆放可以由我们自己控制。
具体见图8。
图8起重机构图
2.8.3.1起重机械的工作特点
起重机是以间歇、重复的工作方式,通过起重吊钩或其他吊具起升、下降,或升降与运移物料的机械设备。
它在搬运物料时,经历上料、运送、卸料及返回原处的过程,工作范围较大[11]。
起重机械通常具有庞大和比较复杂的机构,能完成一个起升运动、一个或几个水平运动。
所吊运的重物多种多样,载荷是变化的。
有的重物重达几百吨乃至上千吨,有的物体长达几十米,形状很不规则。
大多数起重机械,需要在较大的范围内运行,有的要装设轨道和车轮,有的要装设轮胎或履带在地面上行走(如汽车吊、履带吊等),还有的需要在钢丝绳上行走(如客运、货运架空索道),活动空间较大,一旦造成事故影响的面积也较大。
有些起重机械,需要直接载运人员在导轨、平台或钢丝绳上做升降运动(如电梯、升降平台等),其可靠性直接影响人身安全。
起重机械的工作特点如下:
(1)吊物一般具有很大的质量和很高的势能,被搬运的物料个大体重(一般物料均几吨重以上)、种类繁多、形态各异(包括成件、散料、液体、固液混合等物料),起重搬运过程是重物在高空中的悬吊运动。
(2)起重作业时多种运动的组合,起重机的金属机构、传动机构和控制装置等机构组成多维,大量结构复杂、运动各异的金属机构给作业安全带来了潜在的危险。
速度多变的可动零部件,形成起重机械的危险点多且分散的特点,给安全防护增加难度。
(3)作业范围大,金属结构横跨车间或作业场地,高居其他设备、设施和施工人群之上,起重机带载可以部分或整体在较大范围内移动运行,使危险的影响范围加大。
(4)多人配合的群体作业,起重作业的程序是地面司索工捆绑吊物、挂钩;起重司机操纵起重机将物料吊起,按地面指挥,通过空间运行,将吊物放到指定位置摘钩、卸料。
每一次吊运循环,都必须是多人合作完成,无论哪个环节出问题,都可能发生意外。
(5)作业条件复杂多变,在车间内,地面设备多,人员集中;在室内,受气候、气象条件和场地限制的影响,特别是流动式起重机还涉及地形和周围环境等多因素的影响。
(6)暴露的、活动的零部件较多,在起重作业现场,大量机构与作业人员直接接触(如吊钩、钢丝绳等),容易对人身安全造成伤害。
总之,重物在空间的吊运、起重机的多机构组合运动、庞大金属结构整机移动性,以及大范围、多环节的群体运作,使起重作业的安全问题尤其突出。
2.8.3.2起重机械今后的发展方向
近年来随着建设工程规模的不断扩大,起重安装工程量越来越大,尤其是现代化大型石油、化工、冶炼、电站、大型室内体育馆以及高层建筑的安装作业逐年增多。
因此,对大功率的工程起重机需要量日益增加,
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