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高空作业机器人设计.rar
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摘 要
在一切追求人性化的今天，越来越多繁重、危险和高难度的工作，开始采用机器人（包括机械手）来代替人类完成。裸高压导线输电线路的高空接线工作，一直是困扰高空作业人员的棘手问题，由于其危险性极大，作业条件艰难，仅靠人力很难做到，所以都是借助高空作业车的帮助来实现的。近年来，越来越多的人致力于多自由度的高空全自动绕线装置的研究，试图找到一种简便、经济、安全、有效的方法，来解决这一难题。因此，无攀爬式全自动高空接线机器人应运而生，该机器人通过实现高空握持导线、不规则的圆周绕线运动和横向进给运动等动作，来完成绕线任务。通过对各种方案的对比，决定采用斜齿轮传动绕线，螺旋传动进给来实现主要功能。
本设计构思新颖，而且具有结构轻便、经济适用、效率高、安全等显著优势，顺应时代发展方向，具有很高的可行性，适用于各种工作场合。
关键词：无攀爬式；自动绕线；斜齿轮传动；进给；螺旋传动
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 录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题研究目的和意义 1
1.2.1 课题研究目的 1
1.2.2 课题研究意义 1
1.3 国内外发展现状 2
1.4 发展前景展望 4
第2章 总体方案确定 5
2.1 齿轮齿条绕线机构 5
2.2 内啮合齿轮绕线机构 6
2.3 斜齿轮啮合绕线机构 6
2.4 本章小结 7
第3章 参数的确定及电机的选择 8
3.1 绕线机构参数的确定 8
3.2 进给机构参数的确定 11
3.3 抓线和导线握持机构参数的确定 13
3.3.1 抓线机构参数确定 13
3.3.2 导线握持机构参数的确定 15
3.4 电机的选择 16
3.4.1 进给机构电机的选择 16
3.4.2 握持机构电机的选择 17
3.5 本章小结 18
第4章 绕线机构设计 19
4.1 绕线机构结构设计 19
4.2 进给机构结构设计 20
4.3 支架结构设计 20
4.4 本章小结 22
第5章 抓取机构的设计 24
5.1 抓线机构结构设计 24
5.2 导线握持机构结构设计 24
5.3 本章小结 25
第6章 实体机构装配 26
6.1 实体机构装配 26
6.2 本章小结 29
结论 30
参考文献 31
致谢 32
第1章 绪 论
1.1 课题研究背景
裸高压导线输电线路的备用导线高空接线，其绕线轨迹不规范、转自线圈的线径粗、折弯力较大、折弯运动空间受限等，给高空接线增加了难度，而多自由度的高空全自动绕线装置的研究是高空接线中亟待解决的瓶颈问题。而且高空绕线工作危险大、难度高，需借助高空作业车的帮助来完成，并且对工作环境的要求较高，在恶劣环境条件下无法正常工作，由于种种因素的限制，裸高压导线输电线路的备用导线高空接线工作一直困扰着人们。无攀爬式全自动高空接线机器人的应运而生，能够代替工人进行操作，避免了工作中潜在的各种危险，同时能够提高工作效率，并且减少了高压输电线路的电流损耗。
1.2 课题研究目的和意义
1.2.1 课题研究目的
针对传统接线工作中存在的各种弊端，无攀爬式全自动高空接线机器人出现了，它是为实现无攀爬式全自动高空接线而设计的机器人装置。裸高压导线输电线路的备用导线高空接线，其绕线轨迹不规范、转子线圈的线径粗、折弯力较大、折弯运动空间受限等，给高空接线增加了难度，而多自由度的高空全自动绕线装置的研究是高空接线中亟待解决的瓶颈问题。本课题根据仿生学和机器人学的原理，运用常用的机械运动机构及其组合，实现高空握持导线、不规则的圆周绕线运动和横向进给运动的全新自动绕线机器人的研究。
1.2.2 课题研究意义
在一切智慧化、人性化、高效率化的今天，越来越多的机器人代替人进行繁重、危险的劳动，在一很多高度危险和繁重的工作中，都采用了机器人，它们的高效率和几乎为零的风险是人类无法与之相比的优势。机器人技术的采用显著减轻了工人的劳动强度和工作负担，大大改善了劳动条件，提高了劳动生产率和自动化水平。在高空裸导线的接线中，以前都需要操作人员攀高接线，劳动强度大、安全性不可靠；而无攀爬式全自动高空接线机器人能够代替工人进行高空作业，避免了工作中潜在的各种危险，同时提高了工作效率，并且减少了高压输电线路的电流损耗，也为低碳经济提供了一个新的探索方案。该设计经济实用性高，具有光明的发展前景。
本设计是主要实现高空握持导线、不规则的圆周绕线运动和横向进给运动的全新自动绕线装置具体设计要求如下：
导线直径： 10mm
绕线直径：2 mm
绕线材料： 铝
导线高度：20m
整机重量：7.5kg
完成绕线时间：1分钟左右
要求经济适用，效率高。
1.3 国内外发展现状
本课题设计的无攀爬式全自动高空接线机器人主要实现高空握持导线、不规则的圆周绕线运动和横向进给运动，其主要结构有：导线握持机构和绕线机构。
导线握持机构采用机械手。机械手是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人和机械手控制系统的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手控制系统和遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手控制系统和机械手。
机械手控制系统首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人控制系统。现有的机器人控制系统差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人控制系统。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人和相关控制系统主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手控制系统经历了以下几个阶段：机械手完成放射源转运年代、化工产品垛机械手年代、工业用机械手兴起和发展年代。随着汽车行业和塑胶行业的发展，西欧、日本、苏联和中国等地域机械手及其控制系统也开始百花争艳。尤其注塑机机械手，发展更为迅猛，应用非常普遍，其控制系统经过几十年的发展，现在已经趋于成熟和完善。
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用了机械手搬运放射性材料，人在安全间操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后机械手逐步推广到工业部门，用于在高温污染严重的地方取放工件和卸料，也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用，完成上下料和从刀库中取放刀具并按国定程序更换刀具等。
本设计的另一主要功能是绕线，而现今最常见的绕线装置就是绕线机。绕线机，顾名思义是把线状的物体缠绕到特定的工件上的机器。欧美绕线机以其加工精度高、质量稳定而在国际绕线机市场上占有重要地位。 欧美绕线机一般可绕0.01-2mm的线径，转动误差极小。绕线机用精密微机控制，以程序控制操作，这些程序极易掌握，人机对话简单，即使工作人员并无绕线工作的经验也可应付自如。目前欧洲生产的绕线机已经趋于自动化，而美国的绕线机介于自动和半自动之间，德国制造的外形比较美观，零件比较讲究，但是造价高。随着国际绕线机市场的蓬勃发展，相互间的竞争越来越激烈，各国的厂家都必须开发出新一代的绕线机。现在主要是趋向自动化的发展方向。
全自动绕线机是近几年才发展起来的新机种，为了适应高效率、高产量的要求，全自动机种一般都采用多头联动设计，国内的生产厂家大多都是参照了台湾等地的进口机型的设计，采用可编程控制器作为设备的控制核心，配合机械手、气动控制元件和执行附件来完成自动排线、自动缠脚、自动剪线、自动装卸骨架等功能，这种机型的生产效率极高，大大的降低了对人工的依赖，一个操作员工可以同时照看几台这样的设备，生产品质比较稳定，非常适合产量要求高的加工场合。这种机型由于集成了数控、气动、光控许多的新技术，所以价格小则几万元高则十几万元，价格也使得许多的用户望而叹步，另外由于功能要求决定了该设备的零部件采用了大量非标准件和定制件，所以一旦出现故障相对的维修过程将会很复杂，周期也会比较长。
能够实现绕线功能的机构还有很多，例如齿轮齿条、齿轮传动、槽轮机构等，只要能实现圆周运动，即可实现绕线功能。工作原理：槽轮是由圆销的主动拨盘和具有若干径向槽轮及机架组成。当拨盘作等速连续转动时，槽轮做反向或同向的单向间歇运动，在圆销未进入槽轮径向时，槽轮上的内凹锁住拨销，槽轮被主动拨盘的外凹锁住弧卡住，使槽轮停歇在确定的位置上不动。当拨盘上拨销进入槽轮径向槽时，锁住弧松开，拨销驱动槽轮转动，循环往复，时停时动，因此，槽轮机构是一种间歇运动机构。应用示例：机床自动转为机构，电影放映机卷片等。当放映卷片时，胶片上的画面依次在方框中停留，以适应人眼的视觉停留现象。槽轮机构结构简单，易加工，工作可靠，转角准确，机械效率高。但是其动程不可调节，转角不能太小，槽轮在起停时的角速度大，有冲击，并随着转速的增加或槽轮数的减少而加剧，故不宜用于高速场合。对于本设计的绕线部分，齿轮传动是首选。
1.4 发展前景展望
无攀爬式全自动高空接线机器人的主要优点：
(1)经济性：现在使用的高空作业车格价一般为几百万不等，经济性低，需要使用者的经济承受能力很强；而无攀爬式全自动高空接线机器人的价格在几千元左右，与前者相比，优越性一目了然。
(2)安全性：高空作业安全一直是我国的重中之重，而本设计可避免这一问题，安全性高。
(3)效率高：无攀爬式全自动高空接线机器人在绕线过程中的时间约为1分钟，而整个过程约为2分钟，与较传统的方法相比较，工作效率大大提高。
(4)适用范围广：在何种环境均可工作，对工作条件没有特别高的要求，实用性强。
鉴于以上优点，无攀爬式全自动高空接线机器人具有很高的可行性，发展前景广阔。
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