毕业设计(论文)-中央空调管道清洁机器人的设计.doc
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1、25 衢州学院衢州学院 毕业设计(论文)毕业设计(论文) 题题 目:目:中央空调管道清洁机器人的设计中央空调管道清洁机器人的设计 作作 者:者: 系系 (部):(部): 机械工程学院机械工程学院 专业班级:专业班级: 机械设计与制造机械设计与制造 08 级(级(2)班)班 指导教师:指导教师: 职职 称:称: 讲讲 师师 二零一一年一月十八日二零一一年一月十八日 I 中央空调管道清洁机器人的设计中央空调管道清洁机器人的设计 摘摘 要要 随着经济发展,人们的身心健康越来越受到重视。而污染的中央空调 日益成为危及人们身心的祸害根源。因此,中央空调尤其是中央空调管道 的检测与清洗越来越受到社会的重视
2、。 本文首先阐述了中央空调管道清洗的背景与现状,结合国内外中央空 调清洁机器人的发展,阐明了本课题的研究背景和意义,简述了本文的组 织形式和研究内容。然后重点介绍了中央空调清洁机器人行走机构、清扫 机构和监视控制系统三大结构的设计与实现过程。同时,针对中央空调清 洁机器人清扫中央空调管道时存在的难点,本文深入探讨了机器人转弯与 安全行走的原理。 最后,本文对主要工作和研究内容进行了总结,并对今后的研究方向 做出了展望。 关键字关键字: 中央空调,机器人,旋转刷,电动机 I 目目 录录 中央空调管道清洁机器人的设计中央空调管道清洁机器人的设计I 摘摘 要要I 第一章第一章前前 言言1 1.1 课
3、题的背景与意义 1 1.2 机器人的发展现状及趋势 1 1.2.1 国内领先水平的管道清洁机器人 2 1.2.2 中央空调管道清洁机器人发展趋势 3 1.3 本课题的设计任务 3 第二章第二章 中央空调管道机器人系统设计中央空调管道机器人系统设计5 2.1 工作原理及组成 5 2.2 机器人设计原则 6 2.3 整体方案选择 7 第三章第三章 行走机构设计行走机构设计9 3.1 机器人驱动机构 9 3.1.1 电机的选择 9 3.1.2 传动齿轮的设计 10 3.1.3 传动轴的设计 15 3.2 导向轮系统 18 3.2.1 导向轮系统原理 18 3.2.2 电机的选取 18 3.2.3 传
4、动带的选择 19 3.2.4 导向轮的设计 21 第四章第四章 清扫机构清扫机构- 24 - 4.1 清扫方案确定 - 24 - II 4.2 旋转刷系统主要构件 - 25 - 4.3 构件的选择 - 25 - 4.3.1 气动马达的选择 - 25 - 4.3.2 旋转刷的设计 - 27 - 第五章第五章 监视控制系统监视控制系统- 28 - 5.1 摄像头的选择 - 28 - 5.2 摄像头的固定和调整 - 28 - 5.3 监视器 - 29 - 5.4 照明装置 - 29 - 5.5 灰尘收集装置 - 30 - 第六章第六章 结束语结束语- 31 - 参参 考考 文文 献献- 33 - 谢
5、谢 辞辞- 34 - 机械工程学院毕业设计(论文) 1 第一章第一章 前前 言言 1.11.1 课题的背景与意义课题的背景与意义 在室内空气污染来源中,中央空调的污染物与日俱增。 2003 年 8 月份中国标准化研究院及卫生部共同起草了 GB19210-2003空调通风系统 清洗规模和卫生部 2003公共场所集中空调通风系统卫生规模 ,卫生部还于 2005 年提出了公共场所集中空调通风系统卫生管理办法 。 目前全国共有上百万台中央空调亟待清洗保养,空调清洗行业正在悄悄兴起。而国 内市场上尚无管道清洁机器人产品,本文设计的中央空调管道清洁机器人系统结构简单, 自动化程度高,适用范围广,成本较低,
6、对促进我国中央空调管道清洗行业的发展、改善 室内空气质量、提高生活和健康水平等具有积极的意义。 1.21.2 机器人的发展现状及趋势机器人的发展现状及趋势 工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备,技术附加值很高,应用范围很广, 作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业,将对未来生产和社会发展起着越 来越重要的作用。国外专家预测,机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大 型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计,世 界机器人市场前景看好,从 20 世纪下半叶起,世界机器人产业一直保持着稳步增长的 良好势头。进入 20 世纪 90 年代,机
7、器人产品发展速度加快,年增长率平均在 10左 右。2004 年增长率达到创记录的 20。其中,亚洲机器人增长幅度最为突出,高达 43% 机械工程学院毕业设计(论文) 2 1.2.1 国内领先水平的管道清洁机器人 图 1-1 中央空调管道清洁机器人 技术参数 规格:380260180mm(长.宽.高) 重量:11.5kg 工作电压:36v 行走速度:800mm/min9800mm/min 无极变速 爬坡能力:不小于 40 度 越障碍能力:不小于 45mm 垃圾铲负重:2kg 照明:高亮度 LED 立体清扫能力:长摆臂水平摆动有效宽度达 1250mm,垂直摆动有效高度为 1000mm,短 摆臂水平
8、摆动有效宽度达 800mm,垂直摆动有效高度为 800mm 特点: 采用双滚刷结构在摆臂与风管侧壁形成夹角时,保证将管道角部彻底清洗干净(采 用与管道垂直相切角度旋转毛刷的机构是不可能将角部清洗干净的) 。摆臂可以实现水 平和垂直摆动分别控制(速度为较适宜的往返 10 次/每分钟) ,可同步运动,亦可停在 摆臂行程当中的任意位置,以适应矩形风管和圆形风管的不同操作要求,实现真正的立 体清扫。 机械工程学院毕业设计(论文) 3 由软轴机提供的强大动力(550 瓦)既保证了毛刷大扭矩、高转速的工作要求,毛 刷旋转方向亦可随时调整(清扫管道底面时毛刷可将较大的颗粒粉尘抽扫到前方, 提高了清洗洁净度)
9、 。 摄像机云台置于车体后部,广角镜头可全视角观察到一米处毛刷在最大摆动位置的 工作状态(视角 1.5 米) ,同时履带行走机构也始终在视线内,方便确定机器人工 作位置,清扫过程一览无余。 滚刷尺寸直径较大,厚度较小,只要车体能通过就能进行清洗工作,不会发生毛刷 与风管由于尺寸原因卡住的情况,清洗高度在 250mm 至 600mm 的管道时摆臂只需水 平摆动即可,一次行走就可完成方形或矩形管道的高效清洗。 为防止清洗较窄管道发生水平摆动行程不能到位有可能造成齿轮传动机构发生过载 而损坏,特殊设计了摆臂角度自适应机构。 一机多能,清扫机器人前端装配上垃圾清运铲,可以清理管道内的块状物体,装配 上
10、标准软轴毛刷可方便地清扫圆形管道,装配上气鞭可以方便地对格栅式消声孔板 进行清洗,装配上气溶胶喷雾装置即可完成大截面管道全部空间的消毒工作。 1.2.2 中央空调管道清洁机器人发展趋势 国内有超过 500 万个各类中央空调需要清洗保养,而且每年正在以 10%的速度递增, 这些中央空调大部分运行了 20 年以上却从未清洗。随着我国经济的发展,人们对室内 空气质量所带来的危害越来越重视,尤其是 2003 年“非典”疫情的传播,已使人们对 中央空调带来的疾病隐患有了相当深刻的认识。为了保障公众健康,2006 年 3 月 1 日, 卫生部制定并实施了公共场所集中空调通风系统卫生管理办法 ,中央空调的卫
11、生问 题得到了前所未有的关注,对空调管道进行定期清洗势在必行。 因此,中央空调清洗行业将成为中国一个新兴的有着巨大潜力的发展行业,对中央 空调清洁机器人的研究与开发更是具有一定的社会价值和商业价值。 1.31.3 本课题的设计任务本课题的设计任务 本次设计的任务是设计一个中央空调管道清洁机器人,要求机器人可以在管道内实 现前进、后退、按一定曲率半径回转及原地转向等动作,能高效地完成管道内的清污工 作。具体设计内容为: 机械工程学院毕业设计(论文) 4 (1)了解中央空调管道清洁机器人的基本构成及工作原理,熟悉其设计、生产的 基本知识。 (2)进行管道清洁机器人的总体方案设计及其零部件设计。 (
12、3)设计原始参数: 1)机器人可以在管道内实现前进、后退、按一定的曲率半径回转及原地转向等动 作。 2)机器人的尺寸大小: 高度范围:170400mm 长度范围:310780mm 宽度范围:300800mm 3)机器人的运动速度为 412m/min 4)可以实现局部最大爬坡能力 5)管内越障 2mm 6)最大行程 150m 机械工程学院毕业设计(论文) 5 第二章第二章 中央空调管道机器人系统设计中央空调管道机器人系统设计 2.12.1 工作原理及组成工作原理及组成 本次设计的机器人(如图2-1)用于污染的中央空调管道的清洁,整体结构主要由 行 图2-1中央空调管道清洁机器人 走机构、清扫机构
13、和监视控制系统三部分组成,行走机构又分为驱动机构、导向轮系统 两部分。驱动机构(如图2-2)所示,驱动方式为单电机驱动机器人前轴。在清扫之前, 通过调整支撑臂上的螺钉来调节两个导向轮(如图2-3)的横向距离,保证机器人处于 管道中央时导向轮两端距管道壁各有约20mm。清扫工程中,两导向轮分别以大小相同, 方向相反的速度旋转(其中左导向轮逆时针旋转,右导向轮顺时针旋转) ,其旋转速度 比机器人前进速度略大。如左边的导向轮碰到管道的左壁,则导向轮的切向摩擦力F向 机器人中心偏移,简化成牵引力F,及顺时针的扭矩M,迫使机器人右转。其左转的原理 相同。清洁工作主要由旋转刷系统完成,旋转刷装置是机器人清
14、扫系统的核心工作部件 机械工程学院毕业设计(论文) 6 之一,旋转刷由气动马达驱动,与气动马达相连的刷杆采用伸缩式结构,可以进行长度调 节;旋转刷头可拆卸并且有不同的材料和尺寸系列,整个装置可以进行俯仰调整,从而保 证在管道都能彻底清扫到管道的边角和顶部。在清扫过程中,利用气动马达吹出的高压 空气将扫落的灰尘吹向前方,便于抽风机抽出。设计的旋转刷头有四种材料系列:尼龙刷、 钢刷、不锈钢刷和铜刷。尼龙刷适用于所有材质的管道,不会对管道壁造成损伤;钢刷适 用于各种钢管;不锈钢刷适用于钛合金管道和铜镍合金管道;铜刷适用于材质为有色金属 的管道。清洁过程中,通过监视系统可以方便的对清扫情况进行实时监控
15、,当出现清扫 效果不理想时可以操纵机器人后退再清扫一次。此外通过记录清扫过程,也可避免一些 经济问题。 目前全国共有上百万台中央空调亟待清洗保养,空调清洗行业正在悄悄兴起。而国 内市场上尚无管道清洁机器人产品,本文设计的中央空调管道清洁机器人系统结构简单, 自动化程度高,适用范围广,成本较低,对促进我国中央空调管道清洗行业的发展、改善 室内空气质量、提高生活和健康水平等具有积极的意义。 2.22.2 机器人设计原则机器人设计原则 (最小运动惯量原则):由于机器人运动部件多,运动状态经常改变,必然产生冲 击和振动,采用最小运动惯量原则,可增加机器人运动平稳性,提高机器人动力学特性。 为此,在设计
16、时应注意在满足强度和刚度的前提下,尽量减小运动部件的质量,并注意 运动部件对转轴的质心装配。 (尺度规划优化原则) :当设计要求满足一定工作空间要求时,通过尺度优化以 选定最小的臂杆尺寸,这将有利于机器人刚度的提高,使运动惯量进一步降低。 (高强度材料选用原则):由于操作机从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载 起作用的,选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的。 (刚度设计的原则):机器人设计中,刚度是比强度更重要的问题,要使刚度最大, 必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸,提高支承刚度和接触刚度,合理地安排作用在臂 杆上的力和力矩,尽量减少杆件的弯曲变形。 (可靠性原则):机器人因机构复杂
17、、环节较多,可靠性问题显得尤为重要。一般 来说,元器件的可靠性应高于部件的可靠性,而部件的可靠性应高于整机的可靠性。可 以通过概率设计方法设计出可靠度满足要求的零件或结构,也可以通过系统可靠性综合 机械工程学院毕业设计(论文) 7 方法评定机器人系统的可靠性。 (工艺性原则):机器人是一种高精度、高集成度的自动机械系统,良好的加工和 装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。仅有合理的结构设计而无良好的工艺性, 必然导致机器人性能的降低和成本的提高。 2.32.3 整体方案选择整体方案选择 本次设计的主要难题是机器人的前进后退及转向控制,为此两个比较成熟的方案: 方案一:双电机各驱动机器人两个前
18、轮,工作人员通过摄像头观察机器人在管道中 的运行情况,适时调整两电机的速度,对机器人进项转向控制。 方案二:单电机驱动机器人的前轴,在机器人前方左右两端各安装一个导向轮系统, 两个导向轮的角度可调。清扫管道之前,调整两个导向轮之间的横向距离比管道宽度略 窄,以大小相同方向相反的转速与机器人驱动轮同时启停,导向轮转动线速度比驱动轮 线速度略大,当某一导向轮碰到管壁时,导向轮的切向力和电机的牵引力的合力会迫使 机器人转向,从而保证机器人始终运行在管道的中央并能完成自动转向。 相比较而言,方案一结构简单,控制灵活,但两电机的速度差的控制不好把握,两 电机启动的同步度不好控制,而且对工作人员的技术要求
19、较高,工作人员的劳动强度较 大,机器人的自动化程度较低;方案二采用导向轮系统,在机械结构设计上是个创新, 提高了机器人的智能化,大大减轻了工作人员的工作量,只是结构设计及传动系统稍微 复杂一些。 综合考虑这两个方案的优缺点,我决定采用方案二。 另外本次设计采用轮式机构传输,轮外部采用橡胶制履带,工业橡胶与管道的摩擦 系数为 0.8,是普通塑料轮子与钢管摩擦系数的 5.8 倍,是铝合金轮子与钢管摩擦系数 的 4.7 倍。 机械工程学院毕业设计(论文) 8 图 2-2 驱动机构示意图 图 2-3 导向轮结构图 机械工程学院毕业设计(论文) 9 第三章第三章 行走机构设计行走机构设计 3.13.1
20、机器人驱动机构机器人驱动机构 驱动机构(如图 2-2)所示,根据任务书的要求机器人在管道中的前进速度为 4 12m/min,即速度在 0.0670.2m/s 之间。根据设计要求初步估计机器人小车的尺寸: 长 宽 高=200300300 3.1.1 电机的选择 (1)根据外形尺寸,估计机器人的总质量 M M=箱体质量+履带机构质量+机器人驱动机构质量+旋转刷系统质量+导向轮机构质量 +传输线质量+摄像头系统质量。大体估计总重为 15kg。 (2)计算驱动机器人所需要的牵引力 F F=履带轮摩擦力+旋转刷摩擦力,据估计牵引力大小在 125N 左右 (3)电机的选取 小型减速电机具有结构紧凑、体积小
21、、输出转速低、输出扭矩大等优点,比较符合 该机器人的设计准则,因此优先选用。 初选减速交流电机,型号:70YN15-2 的减速单相电容可逆电动机,生产厂家江苏 无锡红湖电机有限公司。电动机的性能参数如下: 输出功率:P=20W;电压:U=220V;频率:f=50HZ; 电流:I=0.35A;输出转速:20r/min;允许负载:F=5Nm 外形尺寸如(图 3-1): 机械工程学院毕业设计(论文) 10 70X70 ?59 12233 3 15 图 3-1 驱动电机的外形尺寸 3.1.2 传动齿轮的设计 方案设计如下: 初选车轮直径 d=110mm,由车的前进速度 0.1m/s 得第二级齿轮转速:
22、 2 /()0.29 /NVdr s 则传动比: u= 1 2 20 1.15 0.29 60 N N (1)选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1)由选定的传动方案,选用直齿圆柱齿轮传动 2)管道清洁机器人速度和扭矩不大,故选用 7 级精度(GB-10095-88) 3)材料选择:由参考书1表 10-1 选择大小齿轮皆为 40Cr 调制淬火硬度为 241- 256HBS 或 48-55HRC 选用小齿轮数和大齿轮数 1 Z 2 Z (3.1) 21 ZuZ 1 24Z 2 1.15 2427.6Z 机械工程学院毕业设计(论文) 11 取 2 28Z (2)按齿面接触强度设计 由参考书1设计计
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