飛機表面清洗機器人結構設計與分析畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 機械手共有5個自由度。在采集林木球果時，將機器人停放在距母樹3—5 m處，操縱機械手回轉馬達使機械手對準其中一棵母樹，然后單片機系統控制機械手大、小臂同時柔性升起達到一定高度，采集爪張開并擺動，對準要采集的樹枝，大小臂同時運動，使采集爪沿著樹枝生長方向趨近12m，然后采集爪的梳齒夾攏果枝，大小臂帶動采集抓爪按原路向后捋回，梳下枝上的球果，完成一次采摘，然后再重復上述動作；連捋數枝后，將球果倒入拖拉機后部的集果箱中。采集完一棵樹，再轉動機械手對準下一棵：試驗表明，這種球果采集機器人采集落葉松果是人工上樹采摘的3035倍。另外，更換不同齒距的梳齒則可用于各種林木球果的采集。這種機器人采摘林木球果時，對母樹破壞較小，采凈率高，對森林生態環境的保護及林業的可持續發展等方面都有重要的意義。●消防機器人[3940]圖121 消防機器人Fig．121 Fire robot公安部上海消防研究所、上海交通大學、上海市消防局經過3年的研究，聯合研制出我國第一臺消防機器人（如圖121所示），己通過國家“863”專家組驗收。該機器人可以行走、爬坡、跨障、噴射滅火，可以進行火場偵察。此次消防機器人的研制成功為我國消防部隊裝備自動化和智能化開辟了一個新途徑。1．5本文研究的主要內容從目前能夠檢索到的文獻中可以看出，關于飛機表面清洗機器人方面研究的報導還很少。一是目前國外對此方面的研究也處于起步階段，涉及到知識產權、技術封鎖等問題；二是由于研究的條件和環境所限，從事這項研究的群體還較小；三是這種超冗余機器人運動學的求解及控制比較復雜，技術實現存在一定困難。本論文以一種能夠清洗大部分機型的飛機表面清洗機器人為研究對象，采用現代汽車理論、機器人技術、計算機仿真技術、多剛體動力學理論，對飛機表面清洗機器人將進行以下幾個方面研究工作：論文系統綜述了國內外機器人技術、飛機表面清洗技術的研究狀況利發展趨勢，在國內首次對機器人化飛機表面清洗車及其相關技術的研究現狀和主要研究問題進行了深入分析，為飛機表面清洗機器人的進一步研究奠定了堅實的基礎。論文對飛機表面清洗機器人本體結構方案進行了研究和設計。主要對機器人載車、手臂機械結構、整機動力性能及穩定性等關鍵技術進行了系統的研究。飛機表面清洗機器人是飛機場重要的設備。而臂架系統是飛機表面清洗機器人重要的工作部件之一，要求臂架系統具有較高的整體剛度和強度、良好的工作適應性和可靠性。同時利用SolidWorks軟件對機器人手臂最危險工況下的結構強度進行了有限元分析，確保了機器人結構設計的合理性。可以說這項研究為機器人開辟了一個新的應用領域。本文主要針對飛機表面清洗機器人臂架系統、回轉機構等進行了設計，同時運用軟件對飛機表面清洗機器人的結構進行了建模、運動仿真和結構分析。利用SOLIDWORKS進行飛機表面清洗機器人的臂架、轉塔、支腿的設計,建立了飛機表面清洗機器人的模型，并進行虛擬裝配及運動仿真。建立的幾何模型為后續分析提供模型數據。利用SOLIDWORKS建立的幾何模型數據進行有限元分析，經過簡化建立有限元模型，對部分重要結構進行了結構分析，提高了結構的強度及合理性。論文對飛機表面清洗機器人運動學進行了研究。飛機表面清洗機器人屬于多冗余自由度空間機構，這就決定了手臂位姿具有不確定性。運動學設計是保證機器人在飛機表面進行平穩、有規律運動的關鍵技術。本文利用冗余度機器人運動學理論推導了飛機表面清洗機器人的運動學方程，計算了機器人運動方程的正解，推導了機器人的雅可比矩陣，對清洗機器人手臂進行了速度分析，為該機器人的工程應用提供了設計理論依據和基礎。本文運用了現代設計方法。并行設計提高了整車一次設計成功的概率，縮短了從設計到整車試制成功的周期，可為企業贏得市場和利潤。對全文進行了總結，并對今后的研究工作進行了展望。59第二章 飛機表面清洗機器人結構設計與分析第二章 飛機表面清洗機器人總體結構設計2．1引言飛機表面清洗機器人的主要任務是清除飛機表面所附著的污染物。機器人的工作面是飛機外表面，考慮到不同飛機表面曲率變化的差別，本章設計了以汽車底盤為載車、機器手作為執行機構的移動式飛機表面清洗機器人。在簡單介紹了飛機表面清洗機器人的結構和工作原理的基礎上，進一步對機器人總體結構、動力性能、穩定性進行了研究。進而對機器人手臂進行了結構設計及強度的有限元分析，并設計了機器人手臂的液壓驅動系統，為以后深入地研究機器人的運動學、軌跡規劃及控制打下基礎。2．2飛機表面清洗機器人結構組成及工作原理飛機表面清洗機器人由運輸平臺和安裝在其上的機器手組成，結構如圖21所示。運輸平臺選用標準汽車底盤，可以自主驅動：機器手由機器人手臂、液壓系統、計算機控制系統等組成；機器人手臂由回轉工作臺、第一臂架、第二臂架、第三臂架、第四臂架、第五臂架、清洗滾刷組成，第五臂架前后兩部分由腕關節聯結。圖2l飛機表面清洗機器人結構示意圖Fig．21 The structure of a aircraft’s surface cleaning robot該機器人共有13個自由度，包括1個整機移動自由度、9個計算機程序控制的關節回轉自由度、2個由接觸傳感器控制的滾刷位姿誤差自適應調節自由度、1個滾刷回轉的局部自由度。機器人的驅動系統采用了具有輸出功率大、精度高及響應速度快的液壓伺服驅動方式，控制系統采用計算機集中控制方式。工作時，計算機按照預先編好的程序，控制液壓系統驅動整個機器人可由回轉工作臺帶動機器人繞底座回轉，各手臂可以繞各自關節轉動，使機器人手臂帶動滾刷沿預定軌跡運動，實現清洗刷的移動和滾動。機器人擁有的冗余自由度，保證了機器人末端的清洗滾刷能到達機器人工作區間的任意點，并能夠自主、靈活的完成各種復雜軌跡的運動，實現了對不同類型飛機表面的自動清洗工作。 飛機表面清洗機器人臂架系統設計 臂架折疊方式 臂架折疊型式臂架系統主要由多節臂架、連桿、油缸、連接件鉸接而成的可折疊和展開的平面四連桿機構組成，根據各節臂架間轉動方向和順序的不同，臂架有多種折疊型式，如：R型、Z型（或M型）、綜合型等。各種折疊方式都有其獨到之處。R型結構緊湊；Z型臂架在打開和折疊時動作迅速；綜合型則兼有前兩者的優點。，為Z型，臂架在打開和折疊動作迅速。 Z型臂架折疊臂架可簡化為一個細長的懸臂梁，其主要載荷為自重。它要求臂架強度大、剛性好、重量輕、因此，臂架的結構一般設計成四塊鋼板圍焊而成的箱型梁，材料選用高強度細晶粒合金結構鋼。 臂架的典型型式連桿一般為直桿或弓形的二力桿，也有三角結構的連桿。 連桿的幾種典型形式各節臂之間用液壓油缸支撐，油缸為臂架運動提供動力，它有壓力有推動活塞前后運動，從而驅動平面四連桿機構中的臂架繞鉸接軸轉動。缸體的進油口應設有液壓鎖，以防治液壓軟破裂時發生臂架墜落事故。1—端蓋；2—閥安裝板；3—缸筒；4—支撐環；5—密封圈；6—活塞；7—活塞桿；8—端蓋； 9—壓板；10—耳環 油缸的結構簡圖轉塔主要由轉臺、回轉機構、固定轉塔（連接架）和支撐結構等幾部分組成。轉塔安裝在汽車底盤中部，行駛時其載荷壓在汽車底盤上；而工作時，底盤輪胎離開地面，底盤掛在轉塔上。整個飛機表面清洗機器人（包括底盤、臂架系統和轉塔自身）的載荷由轉塔的四條支腿傳給地面。臂架系統安裝在轉塔上，轉塔為臂架提高一個穩固的底座，整個臂架可以在這個底座上旋轉，每節臂架還能繞各自的軸旋轉，轉塔的四個支腿直接支承在地面上。轉臺是由高強度鋼板焊接而成的結構件，作為臂架的基座，它上部用臂架連接套與臂架鉸接，下部用高強度螺栓與回轉支承相連，主要承受臂架載荷，同時可隨臂架一起在水平面內旋轉。 轉塔結構簡圖 回轉機構結構簡圖回轉機構集支承、旋轉和連接功能于一體，它由高強度螺栓、回轉支承、回轉減速機、主動齒輪和過渡齒輪（按強度取舍）組成。回轉減速機帶動主動齒輪，經過渡齒輪驅動回轉支承外圈，實現回轉支承內外圈之間的慢速旋轉。回轉支承的外圈與上部轉臺、內圈與下部固定轉塔用高強度螺栓相連，內外圈之間由交叉滾子（或鋼球）連接。因此，它上部連接的臂架、轉臺與固定轉塔之間即可實現低速旋轉，而臂架、轉臺的工作載荷通過回轉支承傳給固定轉塔。 固定轉塔結構固定轉塔是由高強度鋼板焊接而成的箱型受力結構件，是臂架、轉臺、回轉機構的底座。混凝土泵車行駛時主要承受上部的重力，而混凝土泵車泵送時主要承受整車的重力和臂架的傾翻力矩。同時高強度鋼板圍焊的空間，又可做液壓油箱或水箱。因此，它既要有足夠的強度和剛性，又要有良好的密封性。 固定轉塔結構簡圖支承結構的作用是將整車穩定地支承在地面上，直接承受整車的負載力矩和重量。，由四條支腿，多個油缸組成。其中四條支腿、前后支腿展開油缸、前支腿伸縮油缸和支撐油缸構成大型框架，將臂架的傾翻力矩，臂架系統的反作用力和整車的自重安全的由支腿傳入地面。支腿收攏時與底盤同寬，展開支撐時能保證足夠的支撐跨距。工作狀態下，飛機表面清洗機器人在工地上的占地空間和整車的支撐穩定性由負載力矩、結構重量、支撐寬度、結構力學性能、支撐地面狀況等因素決定。因此，它應具有合理的結構形式、足夠的力學性能和有效的支撐范圍，保證其承載能力和整車的抗傾翻能力，確保泵車工作時的安全穩定性。同時，應將支腿支撐在有足夠剛度的或用其它材料按一定要求墊好的地面上，且整車各個方向傾斜度不超過，為此，在混凝土泵車左右兩側各裝有一個水平儀來辨別傾斜度。 支撐結構簡圖第三章 臂架系統詳細設計第三章 臂架系統詳細設計為減輕臂架重量，提高臂架強度，剛度和穩定性是改善臂架性能的主要途徑。可采用高強度材料，合理選擇截面形狀，使臂架自重減小，充分利用材料，正確的設計計算方法往往帶來事半功倍的效果。臂架有多種截面形式，其中矩形截面是由翼緣板和和腹板焊接而成的[10]。于其它截面相比，矩形截面的制造工藝簡單，具有較好的抗彎能力和抗扭強度。圖（a）的截面型式較好，整個臂架應力流暢，無明顯力流阻滯和應力集中，而且重量較輕。 臂架箱型結構泵車臂架鋼板采用瑞典SSAB公司的WELDOX960鋼板WELDOX系列鋼板是瑞典SSAB鋼鐵公司開發生產的超高強度鋼，集高強度與可焊性、長壽命于一身，WELDOX960作為新一代低合金高強鋼，具有細晶粒超潔凈度、高均勻性、高強度、高韌性和良好綜合性能的新材料。在國內得到了較快的發展應用，主要應用范圍：壓力鋼管、采礦設備礦用自卸車體和汽車起重機、橋梁、鐵路、帆船龍骨、大的拱梁、斗鏟的頂邊的框架和主要的高韌性部件等領域。重量的減輕，減少了產品的總重量。3．焊接選取瑞典生產的EDFK 1000高強焊絲，設計了WELDOX960高強鋼的混合氣體保護焊工藝，在預熱、焊接線能量、層間溫度的條件下進行多道焊接。WELDOX高強度結構鋼板的合金含量低，碳當量低，從而可用任何普通的電弧焊方法，就可將其焊在普通結構鋼板上。在焊接WELDOX板時，其目標是：在焊接接頭處獲得適當的強度和良好的韌性。國際焊接學會推薦的碳當量公式為：隨著碳當量的增加，鋼材的焊接性能會變差，當值大于時，冷裂紋的敏感性將增大，焊接時需采取預熱、后熱等系列工藝措施。當焊接結構鋼時，盡量減少冷裂紋的出現（氫裂或延期裂紋）至關重要。產生裂紋出現的主要原因是在有應力出現的焊口有氫氣存在。工程機械的工作工況大多需要承受動載荷及重載荷，對焊縫的要求除強度指標外，還要求有較高的韌性。對于焊縫強度的選擇問題，長期以來其高強鋼的焊接大多采用“等強度匹配”，但對于諸如WELDOX系列鋼板，高強鋼，除考慮強度外，還必須考慮焊接區的韌性和裂紋敏感性。就焊縫金屬而言，強度越高，可達到的韌性水平往往越低，甚至低于木材的韌性水平。因此，在特殊情況下，對焊縫金屬強度要求可低于母材，或剛度很大的焊接結構，為了減少焊接冷裂紋傾向，可選擇比母材強度低一些的焊接材料。預熱預熱對平頭焊縫和根部焊道最為重要。焊接過程中和焊接后的溫度越高，則氫氣越容易溢出；鋼板越厚，預熱的必要性越大，以補償厚板更快的冷卻速度，而且厚板的碳當量值更高；對被剛性固定的工件焊接時，預熱也是必要的；對于不同鋼種的鋼焊接在一起時或焊接材料的碳當量比母材高，預熱溫度由碳當量最高的母材或焊接材料決定。當板厚大于時，必須分多層焊接，第一層用ER491進行打底焊，第二層焊滿，焊接層間溫度控制在之間，焊接速度，電流,電壓,送絲速度為。預處理所有焊縫焊前必須保證焊道干燥、清潔，除掉其中表面的油、水、銹和防銹漆，預熱后必須用鋼刷清理焊縫區域以清除積碳。焊絲，坡口及坡口周圍范圍內必須清理干凈，不得有影響焊接質量的鐵銹、油污、水和涂料等異物。對于重要的焊縫，在焊縫兩端應設置尺寸合適的引弧板和引出板時，應注意防止在引弧和收弧處產生焊接缺陷。焊后熱處理WELDOX只有在設計規則有特殊要求時方進行焊后熱處理。避免裂紋出現的方法有：焊前預熱母體材料：確保焊接面的清潔與干燥；選擇含氫量小的焊料；通過良好的焊接順序與