隧道清洁车除尘与安全毕业设计说明书(编辑修改稿)

隧道清洁车除尘与安全毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

图 机械手本体的两个自由度有俩个 控制方案， 方案一 ：利用气压液压控制机械手臂的伸缩 、 摆动。 方案二 ：利用 一个 电动机提供动力源驱动手臂伸缩，再用一个电机控制转动部分。 但 考虑到气压液压维修起来不如电动机 方便 ，便选择了电机作为动力源作为驱动力。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2020 6 地铁隧道侧面除尘机械手的类型 机械手的基本功能是什么。 就是 希望它可以按照 人们 的思维做出相应的工作 ，人们 设定好位置和设计好驱动手部， 它便可以通过环境自 动 改变 动作来完成各种作业。 在空间 内，一个物体在任意方向的移动 都可以 分解成空间三维坐标轴的三个方向 的移动 ；当 做出任意方向的转动 时，都可以把 它分解成空间三维坐标的三个方面的转动。 因此，在空间 坐标内， 任何 一个物体都存在 六 个自由度。 沿空间三维 坐标轴 移动分量的总矢量便决定了 空间物体位置的变化；沿 空间三维坐标轴转动分量的矢量和决定 着空间物体姿势的变化。 除尘机械手 就 相当于 一个 空间机构。 运动副一般是只有转动副和移动副两类。 通常来讲，一个运动链的自由度和手部运动的自由度在数量上是相等的，如图 21，所示的 RRP 操作机，它的 底 座存在一个转动自由度，腰部存在一个移动的自由度，腕部存在一个转动的自由度，这些自由 度 目的是确定 手部在空间的位置。 因此，由这几个部分所构成的机构，我们称之为操作机的位置机构 [3]。 图 22 RRP 坐标式机器人 地铁隧道侧面除尘机械手要 实现自动的除尘工作就要有 两个 转动和 一个 移动 这三个自由度 ，沿隧道长度方向的移动可由承载车来实现，所以机械手本身的两 个自由 度就需要去 设计了，要 从 自身 的结 构得到 [2]。 实现手臂在空间做特定的运动，我们有不同的运动类型，总体上分为下面的几种：（ 1） 三个运动互相垂直的直线运动的组合（ PPP）；（ 2） 两个运动 为 直线和一个运动 形式是 转动（ RPP）；（ 3） 三个运动 形式 都是转动的 组合（ RRR） ，分别如下图所示： 隧道清洁车侧面除尘与安全装置设计 7 图 23 PPP 坐标式 图 24 RPP 坐标式 图 25 RRR 坐标式 小臂 大臂 立柱 基座 地铁隧道除尘机械手实际上有三个自由度来完成的，两个移动自由度和一个转动自由度。 所以隧道的除尘机械手的类型可以归结为两个直线的运动和一个转动。 因此它的类型属于 RPP 型，如图 23 所示。 但是其中一个自由度靠承载小车来完成。 所以机械手本体需要两个自由度：一个摆动（转动）和一个移动自由度（用来调整吸尘头与隧道截面垂直距离的大小） [3]。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2020 8 蜗 轮蜗杆升降机的选取 平面连杆机构的主要特点是：低副具有规矩的几何形状，便于加工设计；整个机构要能承受较大的载荷少不了 低副的接连作用，比如 说转动、移动、摆动以及一般的平面运动，都 会 受到较大载荷的冲击 ， 所以低副是特别重要的。 连杆曲线具有不同的形状，可根据不同 的 需要来选择，可长距离的传动。 连杆机构的基本类型有 :曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构等。 要设计的机械手本体只需要两个自由度，包括一个转动自由度和一个移动自由度。 我们可以选择利用曲柄摇杆机构实现。 所有运动副是转动副的四杆机构都称为铰链四杆机构，铰链四杆 机构 是平面四杆机构的最基本的方式，如果组成转动副的两构件可以相对做圆周转动，便称其是周转副，如果不可以做整周转动的，便称其是摆转副。 铰链四杆机构由以下各构件组成： 连架杆：与机架相连的构件； 连杆：与机架没有相连，并做平面运动的构件； 机架：机构中相对固定的构件； 曲柄：与机架连接且能做整周转动的构件； 摇杆：与机架相连且能做来回摆动的构件； 铰链四杆机构根据两连架杆运动状态可分为以下三种基本的类型： （ 1）曲柄摇杆机构 在铰链四杆机构中，若两个连架杆中一一杆为 曲柄 ，另一杆是只可以做往复的摆动的摇杆，则 称 该四杆机构为曲柄摇杆机构 [15]， 如图 25 所示。 图 26 曲柄摇杆机构 （ 2）双曲柄机构 在铰链四杆机构中 ， 若两个连架杆都是相对机架作 整周回转的曲柄 ，则 为双曲柄机构 [6]，如图 26 所示。 隧道清洁车侧面除尘与安全装置设计 9 图 27 双曲柄机构 （ 3）双摇杆机构 当铰链四杆机构中的两连架杆都是 摇杆时，称为双摇杆机构 [15]， 如图 27 所示。 图 28 双摇杆机构 在曲柄摇杆机构中，要使连架杆 A B 为曲柄，它一定要 为 四 杆中的最短的杆，而且一定要满足最短杆与最长杆长度之和小于其余两杆长度之和。 考虑到通常的情形，可得出铰链四杆机构有曲柄的条件： （ 1）最短杆 和最长杆长度之和 小于 或者等于其他 两杆 长度之和 [7]； （ 2）最短杆是连架杆 或者机架 [6]。 为何选取蜗轮蜗杆升降机 若 选用 曲柄摇杆机构， 则四杆机构是一个费力杆，所以选择蜗轮蜗杆升降机，他体积小，重量轻，无噪音，可靠性高，寿命强，他能按照一定的程序准确地控制调整提升或者推进的高度，可用电机直接带动。 蜗轮蜗杆升降机的选型 根据丝杠提升负荷和行程找出所 需升降机的型号，再查提升力和提升速度表，校核提升速度满不满足要求。 如图 29 所示。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2020 10 隧道清洁车侧面除尘与安全装置设计 11 图 29 蜗轮蜗杆升降机及其参数 型号根据图形选择。 丝杠行程已知提升负荷为。 ，查表米的工字钢10SWmm1 00 m i ,LKNFV 机械手装置中的 四杆 机构的参数确定 AB 代表曲柄， CD 代表摇杆， AD 代表机架，两个极限位置分别是 CD、 DM。 当 AB 转过一周时，铰链中心 B 的轨迹是以 A 为圆心的圆。 从图中可 以看出 在 B 经过 B B2 点时曲柄和连杆形成两次共线。 所以说，要使 AB 是曲柄，它必须要顺利地通过这两个共线位置 ,。 因此，我们能够利用这两个特殊位置来计算 出 它们的关系。 根据下面的一系列参数（结合上面 的推导）：  15OCD  158CDM 摆杆 3700CD mm 其中 CD 和 DM 为两极限位置。 我们可以得出： 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2020 12 曲柄 AB = 1m 机架 AD = 由于极限角度较大，我们采用相邻两杆相等的四杆机构来实现。 设定这些 参数 ，可以形象地表达该曲柄摇杆机构的 所有构件。 通过电机驱动曲柄 AB 做回转运动 ， 这样 就 可以带动手臂 CD 在 设定的 两点之间 来回摆动。 这样，电机只要做单方向转动就 行了 ，这就是选用曲柄摇杆机构的特点 [14]。 机械手自由度的校核 一个构件在没有任何约束的条件下，相对于固定构件作平面运动时有三个自由度。 若组成机构的运动链有 N 个活动构件和一个固定构件，则动所有构件未组成运动副前活动构件相对于固定构件有 3N 个自由度，假如把这些构件用运动副连接而形成运动链之后，因为受运动副约束条件的限制，自由度就会减少。 把构件中每个构件相对于机架能独立运动的数目称为机构的自由度。 设这个运动链中共有 Pl 个低副和 PH 个高副，他们就会提供 )2( HL PP  个约束，故机构的自由度为： HL ppnF  23 (21) 隧道除尘机械手的结构示意图，如图 29 所示。 活动构件 n=4 ,低副为 PL=5 ，高副为 PH=0，由上述公式求出机构自由度为： 25243 F 除尘机械手机构主动件数目有 2 个，并且主动件数目等于机构的自由度数目，因此机构有确定的运动。 动力源应该有两个。 一个用来带动曲柄摇杆机构进行转动，曲柄的 转动 通过 连接杆 使得 手臂可以来回摆动；另一个动力源是控制齿轮齿条的运动，来实现手臂的伸缩运动 [8]。 隧道清洁车侧面除尘与安全装置设计 13 3 除尘 机械手的运动 及 结构设计 除尘机械手末端执行器运动轨迹的规划 机械手末端执行器装备一个吸尘头，吸尘头 的轨迹是跟隧道截面类似的一个圆通过对 隧道截面的计算 ，可以 得到吸尘头大概的运动轨迹， 已知隧道的高度、隧道路面的宽度，如图 31 所示： 已知 : H m , 8D m , 求： L 根据勾股定理： 2)2( DH 22 )2()2( DL  (31) 带入数据得： 222 )28()2()(  L 6240L mm 31002/ L mm 图 31 隧道截面示意图 除尘机械手的组成 该隧道侧面除尘机械手由三部分组成：（ 1） 车载装置（ 2） 机械手装置（ 3）吸盐城工学院本科生毕业设计说明书 2020 14 尘装置，如图 32 所示。 （ 1）车载装置：用于装载机械手装置和吸尘装置的 车辆设备 ，并 沿着隧道方向移动作为机械手臂 一个移动 自由度 ， 它 也 承载 所有控制机械手的装置，此车如同地铁可以直接架在轨道上沿着地铁轨道进行移动。 （ 2）机械手装置：机械手装置是隧道侧面除尘机械手的核心装置，由它来完成除尘动作的主要工作。 利用电机驱动曲柄摇杆机构 中 的 曲柄 转动带动连杆从而控制摇杆可以来回的摆动。 选用由伺 服电机控制齿轮齿条的传动，去 控。