【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(yīng)選用的是蝸輪材料 ，故 12160EZ MPa? 。 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸： 蝸 桿 ： 軸 向 齒 距 m mm??? ； 直 徑 系 數(shù) ? ； 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(dǎo)程角 39。 56F MPa? ? 。而與絲杠副相比，滾珠絲杠副具有以下特點(diǎn)： 機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，工藝難度大 ，成本高。 抬腿運(yùn)動中一對嚙合齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)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(guān)資料有 表 22 絲桿螺母副參數(shù) Table22 Wire rod nut pair parameters 公稱直徑 d 螺距 p 中徑 22dD? 大經(jīng) 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(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中，有兩處用到了滑動絲杠副，其一為機(jī)械手，其二為外吸盤處。 抬腿機(jī)構(gòu)： 11） 電機(jī)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(shè)計(jì)中，運(yùn)動機(jī)構(gòu)中軸承起到支撐作用，所以選 擇角接觸球軸承，它可以同時(shí)承受徑向及軸向載荷。 10000hLh? ， 各軸轉(zhuǎn)速為：轉(zhuǎn)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(zhuǎn)數(shù) 1n =3000 / minr ，2n =1000 / minr ， 3=273r/minn ； 由于本次設(shè)計(jì)中齒輪主要是傳遞轉(zhuǎn)矩，而軸向載荷很小，所以在計(jì)算式按純凈向載荷計(jì)算則 軸承當(dāng)量動載荷： prP f F? （公式 36） 式中 pf — 載荷系數(shù)； rF — 徑向載荷， N。 其 它要 素 的選擇 參照已有的其他類似的機(jī)械，并根據(jù)螺絲的受力特點(diǎn)進(jìn)行校核，證實(shí)螺絲選取合格 ；同理選擇了設(shè)計(jì)中的銷、墊圈。被 動紅外入侵探測器具有如下特點(diǎn) ：不需要在布防區(qū)域內(nèi)安裝任何裝備，可實(shí)現(xiàn) 遠(yuǎn)距離控制。將采用 3個(gè) 36V 和 1 個(gè) 12V 蓄電池串聯(lián)達(dá)到最高的 110V 額定電壓，再用這樣的 3組并聯(lián)實(shí)現(xiàn) 10A的額定電流要求 [18]。 【 17】 蓄電池 由于該機(jī)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(jī)器人內(nèi)，最大的電機(jī)要 110V 的電壓，最小的卻只有 ，電壓差距較大，只用一個(gè)蓄電池難以實(shí)現(xiàn)，而要是分別供電的話，充電時(shí)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(biāo)。同理經(jīng)過校核計(jì)算，的其它的初選軸承選取也合格。hL — 預(yù)期計(jì)算壽命。 30 由以上結(jié)果的可得，任意鍵的 強(qiáng)度p?均小于其許用強(qiáng)度p?????，即 pp???????。 根據(jù)中的連接軸的直徑，查機(jī) 械設(shè)計(jì)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(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動過 ? 角時(shí)，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(jì)算： 2LS ??? （公式 29） 式中 S— 螺母移動的軸向距離（ mm） ； L— 螺紋的導(dǎo)程（ mm） ； ? — 絲杠轉(zhuǎn)過的角度（ rad） 。滑動絲杠副具有如下特點(diǎn) 。 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(qiáng)度 : ? ?2 2121 .5 3F F A FKT YYd d m ????? （公式 27） 式中 2FAY — 齒形系數(shù) Y? — 螺旋角系數(shù) 當(dāng)量齒數(shù) 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(shù) 2 ? 螺旋角系數(shù) 1 6140Y? ?? ? ? （公式 28） 許用彎曲應(yīng)力 ? ? ? ?39。這時(shí) 1 a?由，圖 1118中的 39。 選擇材料： 由于此處蝸輪蝸桿起轉(zhuǎn)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(jī)械原理書表 101 得取標(biāo)準(zhǔn)值 圓整 n mmm ?，取分度圓直徑1 67mmd ?。 ? ，運(yùn)動和動力參數(shù)如下： 表 21 爬行系統(tǒng)數(shù)據(jù) Table21 Crawling system data 電機(jī)軸 Ⅱ 軸 Ⅲ 軸 工作機(jī) 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(jī)械設(shè)計(jì)書 表 101，選小齒輪調(diào)質(zhì)，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(shè)計(jì)書上圖 1018 查得壽命系數(shù)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(jī)械原理書 取 m=4，校核齒輪面接觸強(qiáng)度 區(qū)安全系數(shù) ?? ，工作壽命 3 36 5 16 17 52 0HLh? ? ? ?， j=1， n=環(huán)次數(shù) 86 0 6 0 2 7 2 .9 8 1 1 7 5 2 0 2 .8 7 10hN n jL? ? ? ? ? ? ?，由械設(shè)計(jì)書上圖 1019 查得壽命系數(shù) 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(shù) ； EZ— 彈性影響系數(shù) ； 1d — 對應(yīng)分度圓 直徑 ； ? — 泊松比 ； d? — 齒寬系數(shù) ； K— 載荷系數(shù)。此時(shí)內(nèi)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(jī)器的吸附狀態(tài)是有害的?！?摩擦系數(shù) 。這一點(diǎn)由機(jī)器人上處于吸附狀態(tài)的足來保證。 而總框架上的旋轉(zhuǎn)由電機(jī)（步進(jìn)電機(jī) ）經(jīng)兩級直齒輪減速 后帶動一蝸桿軸旋轉(zhuǎn)，與蝸桿嚙合的蝸輪（安裝于內(nèi)框間的中心軸上）隨之轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)中框和內(nèi)框架的相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。圖 c為本次設(shè)計(jì)采用的機(jī)構(gòu)，內(nèi)吸盤組集中驅(qū)動，外吸盤組分別驅(qū)動。 2 總體設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)任務(wù)分析 本款壁面移動機(jī)器人是為具有窗框結(jié)構(gòu)的粉墻、漆墻、水磨石強(qiáng)等類型避免的高層建筑的消防工作而研究設(shè)計(jì)的。實(shí)驗(yàn)證明，這種爬行機(jī)構(gòu)行走靈活，有一定的承載能力，對壁面適應(yīng)能力也較強(qiáng)，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(fù)載能力強(qiáng)；履帶式隊(duì)壁面的適應(yīng)性強(qiáng)，且著地面積大，但不易轉(zhuǎn)彎。 [2] 此外，正對在坡度很陡的外壁上進(jìn)行作業(yè)的高危險(xiǎn)性，一種能在避免上貼附并能移動進(jìn)行作業(yè)的爬壁機(jī)器人也受到關(guān)注，其需求的對象如：用于核電站路新內(nèi)壁上清除污染物的機(jī)器人 。 2 該機(jī)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(fù)壓吸盤在建筑物上自由移動。 噴射滅火機(jī)器人 ： 這種機(jī)器人于 1989 年研制成功，屬于遙控消防機(jī)器人的一種，用于在狹窄的通道和地下區(qū)域進(jìn)行滅火 。當(dāng)時(shí)舞廳內(nèi)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(jīng)過十幾個(gè)小時(shí)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(gè)電纜隧道內(nèi)發(fā)生 了一起火災(zāi)，消防隊(duì)員不得不在濃煙和高溫的危險(xiǎn)環(huán)境下在隧道內(nèi)滅火。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場時(shí)，為了撲滅火焰，噴嘴將水流轉(zhuǎn)變成高壓水霧噴向火焰。這種機(jī)器人能夠?qū)⑹軅藛T轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)壁面凸凹不平時(shí) ，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(jī)器人 優(yōu)缺點(diǎn)及各種爬壁機(jī)構(gòu)性能比較列表如下： 表 11 各類爬壁機(jī)器人優(yōu)缺點(diǎn)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(zhuǎn)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(shè)備，可達(dá)高真空，對壁面適應(yīng)性好 3 路帶式 著地面積大，對壁面適應(yīng)性強(qiáng)，行走速度快，負(fù)載能力大，但轉(zhuǎn)向不易，適于多吸盤結(jié)構(gòu) 可將吸盤布置于履帶上，個(gè)吸盤的真空度由噴射器產(chǎn)生， 對壁面適應(yīng)性強(qiáng)，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(shí)現(xiàn)多吸盤形式，但負(fù)載能力不大，無需供氣裝置 需供氣裝置，可實(shí)現(xiàn)多吸盤形式，間歇動作，真空度高，但噪聲大，負(fù)載能力小 表 12 各種爬壁機(jī)構(gòu) 性能比較 Table12 All sorts of climbing performance parison institutions 機(jī)械實(shí)施 控制實(shí)施 速度 運(yùn)動平穩(wěn)性 轉(zhuǎn)向性能 載重自重比 越障能力 壁面適應(yīng)性 壁面附設(shè)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(dú)立驅(qū)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(qū)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(jī)器人的研究和應(yīng)用比較突出，主要產(chǎn)品有車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人，步行式磁吸附爬壁機(jī)器人，吸盤式磁吸附爬壁機(jī)器人及履帶式磁吸附爬壁機(jī)器