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爬壁式機器人設計說明書(存儲版)

2025-04-08 17:45上一頁面

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【正文】 250??? =, 考慮與軸承配合影響,取 11 12 25d d mm?? , 13 22d mm? 對軸蝸輪軸: C取 118 22 D≥ 118 33 105??? =,考慮與軸承配合影響,取 14 152 2 , 2 0d m m d m m??。 有公式 26得 5 1 65AvK K K K?? ? ? ? ?; 應選用的是蝸輪材料 ,故 12160EZ MPa? 。 蝸桿與蝸輪的主要參數與幾何尺寸: 蝸 桿 : 軸 向 齒 距 m mm??? ; 直 徑 系 數 ? ; 齒 頂 圓 直 徑*11 2 28 2 1 33aad d h m? ? ? ? ? ? ?;齒根圓直徑 ? ?**1 2 2 2nad d h c m m m? ? ? ?;分度圓導程角 39。 56F MPa? ? 。而與絲杠副相比,滾珠絲杠副具有以下特點: 機構較復雜,工藝難度大 ,成本高。 抬腿運動中一對嚙合齒輪的設計計算結果: 傳動比 3i? , 1 25Z? , 2 3 25 75Z ? ? ? ,取 2m? ,中心 ? ?2 2 5 7 5 1002a m m????, 1150d mZ mm?? , 22150d mZ mm?? 對該滑動絲杠副,選取梯形螺紋,則 ?? ,而螺桿直徑? ?2 PFd ? ?? ,螺紋的工作高度 ? ,查得相關資料有 表 22 絲桿螺母副參數 Table22 Wire rod nut pair parameters 公稱直徑 d 螺距 p 中徑 22dD? 大經 4D 小徑 3d 1D 28 3 25 5 23 8 24 29 19 20 32 3 29 6 29 33 25 26 10 27 33 21 22 在該機器人的設計過程中,有兩處用到了滑動絲杠副,其一為機械手,其二為外吸盤處。 抬腿機構: 11) 電機齒輪鍵 6x 22mm, 12) 絲杠傳動輪鍵 10x 18mm。 軸承 件 的選擇 由于本次設計中,運動機構中軸承起到支撐作用,所以選 擇角接觸球軸承,它可以同時承受徑向及軸向載荷。 10000hLh? , 各軸轉速為:轉向部分 150 / minnr? ? , 7 5 0 / m in2nnr??? ??,2 5 0 / m in n3nnr????? ? ? ? 蝸 桿, n 5 / m in50nr??蝸 桿蝸 輪 ;平移齒輪轉數 1n =3000 / minr ,2n =1000 / minr , 3=273r/minn ; 由于本次設計中齒輪主要是傳遞轉矩,而軸向載荷很小,所以在計算式按純凈向載荷計算則 軸承當量動載荷: prP f F? (公式 36) 式中 pf — 載荷系數; rF — 徑向載荷, N。 其 它要 素 的選擇 參照已有的其他類似的機械,并根據螺絲的受力特點進行校核,證實螺絲選取合格 ;同理選擇了設計中的銷、墊圈。被 動紅外入侵探測器具有如下特點 :不需要在布防區(qū)域內安裝任何裝備,可實現 遠距離控制。將采用 3個 36V 和 1 個 12V 蓄電池串聯達到最高的 110V 額定電壓,再用這樣的 3組并聯實現 10A的額定電流要求 [18]。 【 17】 蓄電池 由于該機器人會沿著高層建筑的墻壁向上爬行,因此考慮采用蓄電池作為能量來源,而一般的蓄電池的額定電壓在 636V 之間,在該機器人內,最大的電機要 110V 的電壓,最小的卻只有 ,電壓差距較大,只用一個蓄電池難以實現,而要是分別供電的話,充電時又會碰到麻煩。被動紅外 入侵探測器采用熱釋電紅外探測元件來探測路動目標。同理經過校核計算,的其它的初選軸承選取也合格。hL — 預期計算壽命。 30 由以上結果的可得,任意鍵的 強度p?均小于其許用強度p?????,即 pp???????。 根據中的連接軸的直徑,查機 械設計書表 61,選取 鍵的 主要尺寸(鍵寬 b? h鍵 高、鍵的 公稱 長度 L)。 當絲杠轉動過 ? 角時,螺母將沿著絲杠的軸向移動一段距離 S,其值可按下列公式計算: 2LS ??? (公式 29) 式中 S— 螺母移動的軸向距離( mm) ; L— 螺紋的導程( mm) ; ? — 絲杠轉過的角度( rad) ?;瑒咏z杠副具有如下特點 。 蝸輪分度圓直徑 22 5 3 2 .5 1 0 2 .5d m z m m? ? ? ?; 蝸輪 喉 圓直徑 *22 2 10 2. 5 2 1 2. 5 10 7. 5aad d h m m m? ? ? ? ? ? ? 蝸輪齒根圓直徑 *22 2 1 0 2 .5 2 1 2 .5 9 7 .5fad d h m m m? ? ? ? ? ? ? 蝸輪咽喉母圓半徑 22116 3 1 0 7 . 5 9 . 2 522gar a d m m? ? ? ? ? ? 校核齒根彎曲疲勞強度 : ? ?2 2121 .5 3F F A FKT YYd d m ????? (公式 27) 式中 2FAY — 齒形系數 Y? — 螺旋角系數 當量齒數 22 3353 5 3 . 5 4c o s c o s 5 . 1v zz ?? ? ? 從圖 1119中可查的齒形系數 2 ? 螺旋角系數 1 6140Y? ?? ? ? (公式 28) 許用彎曲應力 ? ? ? ?39。這時 1 a?由,圖 1118中的 39。 選擇材料: 由于此處蝸輪蝸桿起轉向作用,比較重要,故選我趕材料為 40Cr,表面淬火, 硬度4550HRC;渦輪齒圈材料為 ZcuSn10P1,金屬模鑄造。 有公式 20 得 1 33 2212 2 1 27Fa San FdK mmYYTm Z? ? ??? ? ? ? ??? ???, 由機械原理書表 101 得取標準值 圓整 n mmm ?,取分度圓直徑1 67mmd ?。 ? ,運動和動力參數如下: 表 21 爬行系統(tǒng)數據 Table21 Crawling system data 電機軸 Ⅱ 軸 Ⅲ 軸 工作機 軸 N(r/min) 3000 1000 273 273 P(kw) T(Nm) i 3 1 ? 第一級斜齒圓柱齒輪: 因是一般用途的齒輪傳動,齒輪材料選用 45 鋼,傳遞功率不大,選擇封閉式軟齒面齒輪傳動,參考機械設計書 表 101,選小齒輪調質,齒面硬度 217~255HBS,大齒輪正常,齒面硬度 162~217HBS, 其硬度差 30~50HBS,精度為 8級。 工作壽命 3 36 5 16 17 52 0HLh? ? ? ?, j=1 , n=86 0 6 0 2 7 3 1 1 7 5 2 0 2 .8 710hN n jL? ? ? ? ? ? ?, 由械設計書上圖 1018 查得壽命系數Kn= 圖 1020 查得 6 0 0 7 0 % 4 2 0FE MPa? ? ? ?, 則 由公式 10 得 ? ? 0 .9 0 4 2 0 2531 .5N FEF M P aSK ?? ?? ? ? 12 有公式 9得 2 2 4 5 2 .4 6 1 .6 5 0 .6 10 .6 3 5 2 5 3m ??? ? ? ?? 有機械原理書 取 m=4,校核齒輪面接觸強度 區(qū)安全系數 ?? ,工作壽命 3 36 5 16 17 52 0HLh? ? ? ?, j=1, n=環(huán)次數 86 0 6 0 2 7 2 .9 8 1 1 7 5 2 0 2 .8 7 10hN n jL? ? ? ? ? ? ?,由械設計書上圖 1019 查得壽命系數 Kn= 圖 1021 查得 90 0 70 % 63 0H MPa? ? ? ?, 則 則 由公式 10? ? 0 . 9 2 6 3 0 3 8 6 . 41 . 5N FEH M P aSK ?? ?? ? ? 311tHEHdK F ZZd ??? ? ??? (公式 12) 式中HZ— 區(qū)域系數 ; EZ— 彈性影響系數 ; 1d — 對應分度圓 直徑 ; ? — 泊松比 ; d? — 齒寬系數 ; K— 載荷系數。此時內吸盤處于吸附狀態(tài),外吸盤對壁面已有一定壓力但尚未吸附,這種壓力對機器的吸附狀態(tài)是有害的?!?摩擦系數 。這一點由機器人上處于吸附狀態(tài)的足來保證。 而總框架上的旋轉由電機(步進電機 )經兩級直齒輪減速 后帶動一蝸桿軸旋轉,與蝸桿嚙合的蝸輪(安裝于內框間的中心軸上)隨之轉動,從而實現中框和內框架的相對旋轉運動。圖 c為本次設計采用的機構,內吸盤組集中驅動,外吸盤組分別驅動。 2 總體設計 設計任務分析 本款壁面移動機器人是為具有窗框結構的粉墻、漆墻、水磨石強等類型避免的高層建筑的消防工作而研究設計的。實驗證明,這種爬行機構行走靈活,有一定的承載能力,對壁面適應能力也較強,可由于表面變化不劇烈的各種垂直壁面上的多種 作業(yè)。車輪式移動速度快, 控制靈活,但維持一定的吸附力較困難; 腿 足式移動 速度慢,但負載能力強;履帶式隊壁面的適應性強,且著地面積大,但不易轉彎。 [2] 此外,正對在坡度很陡的外壁上進行作業(yè)的高危險性,一種能在避免上貼附并能移動進行作業(yè)的爬壁機器人也受到關注,其需求的對象如:用于核電站路新內壁上清除污染物的機器人 。 2 該機器人能沿著從建筑物頂部放下來的鋼絲繩自己用絞車向上提升,然后它可以利用負壓吸盤在建筑物上自由移動。 噴射滅火機器人 : 這種機器人于 1989 年研制成功,屬于遙控消防機器人的一種,用于在狹窄的通道和地下區(qū)域進行滅火 。當時舞廳內有200人左右,大部分逃生,但有19人因一氧化碳中毒窒息死 亡。經過十幾個小時的緊張救援,長春市天元商廈火情得到控制。 1984 年 11月,在日本東京的一個電纜隧道內發(fā)生 了一起火災,消防隊員不得不在濃煙和高溫的危險環(huán)境下在隧道內滅火。當機器人到達火災現場時,為了撲滅火焰,噴嘴將水流轉變成高壓水霧噴向火焰。這種機器人能夠將受傷人員轉移到安全地帶。按吸附功能分類:真空吸附和磁吸附兩種形式:真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結構形式,具有不受壁面材料限制的優(yōu)點,但當壁面凸凹不平時 ,容易使吸盤漏氣,從而使吸附力下降,承載能力降低;磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種,電磁體式維持吸附力需要電力,但控制較方便。針對真空吸附方式,將各類爬壁機器人 優(yōu)缺點及各種爬壁機構性能比較列表如下: 表 11 各類爬壁機器人優(yōu)缺點比較 Table11 All kinds of climbing robot advantages and disadvantages 真空泵 噴射器 車輪式 移動速度快,轉向方便,著地面小,無須加供氣裝置 ,但要求壁面有一定光滑度,越障能力低 移動速度快,控制方便,維持吸附力較困難,能力低,噪音大,徐供氣設備,可達高真空,對壁面適應性好 3 路帶式 著地面積大,對壁面適應性強,行走速度快,負載能力大,但轉向不易,適于多吸盤結構 可將吸盤布置于履帶上,個吸盤的真空度由噴射器產生, 對壁面適應性強,越障能力大,需供氣裝置 足腿式 能跨臺階,但動作是間歇的,速度不快,可以實現多吸盤形式,但負載能力不大,無需供氣裝置 需供氣裝置,可實現多吸盤形式,間歇動作,真空度高,但噪聲大,負載能力小 表 12 各種爬壁機構 性能比較 Table12 All sorts of climbing performance parison institutions 機械實施 控制實施 速度 運動平穩(wěn)性 轉向性能 載重自重比 越障能力 壁面適應性 壁面附設要求 偏心扭擺式 B A C D C B B C 無 多層框架式 B B B C A A B B 無 特種履帶式 D C B B C B C C 無 獨立驅動足式 C D D B A D A A 無 輪式及其變形 B A B B B C C D 無 輪驅動規(guī)行式 B A A A 無 A D D 有 索吊軌行式 A A A A 無 A 無 D 有 *A→ D(高分→低分) 4 目前,在外國,特別是日本,爬壁式機器人的研究和應用比較突出,主要產品有車輪式磁吸附爬壁機器人,步行式磁吸附爬壁機器人,吸盤式磁吸附爬壁機器人及履帶式磁吸附爬壁機器
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