【《水下清掃機器人機械系統設計》14000字】

水下清掃機器人機械系統設計目錄TOC\o"1-3"\h\u30812水下清掃機器人機械系統設計 124365摘要 11646第一章緒論 2125381.1研究的目的和意義 2302371.2本設計的目的以及意義 410064第二章船體水下表面清理機器人總體方面的設計 6258762.1船體水下表面清理機器人設計要求 6322842.2船體水下表面清理機器人機械系統總體設計 6104262.2.1機械系統的設計原則 6168162.2.2行走機構的設計 7324002.2.3清掃機構的設計 931253第三章行走機構的設計 11217033.1行走機構的組成 11291533.3.1吸附機構 1151753.3.2傳動機構 12319273.3.3承載機構 12244143.3.4張緊機構 137392.3.5推動機構 1356533.2行走機構在正常工作情況下受力的分析 146833.3行走機構減速器步進電機的選型 1611285第四章行走機構有限元分析 17320734.1引言 1742294.2清掃機器人行走機構的有限元分析 17134934.3清掃機構的電機承重板的有限元分析 1859334.4行走機構支架部分的有限元分析 2122034.4.1支撐抗傾覆機構的支架部分有限元分析 2261434.4.2支撐電機承重板的支架部分有限元分析 2429753第五章清掃機構的設計 28245885.1定力矩清掃刀具模塊設計 28317385.2外圍柔性毛刷清掃設計及整體清掃盤布局 30摘要由于這些船舶都需要很長一段時間地沿著大海航行，各種水生動植物都是在船身和殼體上的表面被附著，比如：藤壺類、藻植物、貝類等。這些被直接吸附到水下的船體和其表面的水生生物可能會直接導致輪船在其行駛途中的阻力變大，同時還會增加輪船在其行駛途中的油耗，并且還嚴重地污染環境。所以對于那些連接藤壺、藻類、貝殼等附著于船體上表面的各種水生動植物來說是當務之急。水下清掃機器人能夠實現短期和暫時性清掃，成本低，而且能夠在輪船上的行駛過程中對水下進行徹底清理，在我國的航海業中具有很好的發展前景。但是目前已有的水下清掃機器人存在這效率低下，清掃質量無法滿足現實技術的要求，對于藤壺類、藻類等強力水下生物沒有辦法進行徹底的清掃。本文主要進而具體剖析了水下清掃機器人的機械系統設計，進行水下表面清理機器人清掃系統、行走機構的設計。對于其強度進行計算，同時對于關鍵結構進行有限元分析。關鍵詞：水下表面清理機器人；清掃系統；行走機構；有限元分析第一章緒論1.1研究的目的和意義21世紀以來，我國東部沿海地區和全國各省市都高度重視了海洋和經濟的建設與發展，從而促使了船舶工程師行業逐步飛速發展。由于這些船只需要很長一段時間在浩瀚大海中航行，各種水生微量化學生物都會附著在船身和殼體上，比如：藤壺類、藻類、貝類等。這些被直接吸附到水下的船體和其表面的水生微物質會直接導致整個輪船在其行駛途中的阻力變得更大，同時還會增加整個輪船在其行駛途中的油耗，并且還嚴重地污染了其環境。所以對于水生生物如藤壺類、藻植、貝殼等都是附著于船體上和地板表面的。近年來，水生生物附著在船體表面很大程度上影響著船主，每年清理船體的費用高達數百億人民幣。目前我國航運市場的形態非常嚴峻，由于石油和天然氣價格居高不下，國際航運公司紛紛采取極端的航運減速措施，為了大大降低其成本，提高效率，降低能耗，這就大大增加了航運公司海洋生物設備的安裝和對航運公司船舶的不利影響，同時海洋生物設備也可能會直接影響航運公司到其他航運公司的主機，降低了航運公司主機的性能和使用壽命，增加了航運公司的運行成本。研究結果表明，如果一艘船只在水下存放出微量生物附著品以后，航速降低，油耗增加。全球航運業將在燃油上大約每年要花費100億美金。船體在水下被附著著一些水生生物一直是一個舊的問題，雖然目前水下的船體大多數都是采用了高防污油漆，但是經過長一段時間的低速降壓航行后還是很難難免水下的水生生物會被附著。目前防止附著物主要用于水中涂料，此種涂料中雖然含有一種能夠抑制其附著物正常生長的化學物質，但此種措施會污染了海洋環境，影響了海中正常生物的繁殖和生長，另外這種涂料還需要定期進行補油，也給人們帶來了許多不便，如圖1.1所示為常見的船體附作物。圖1.1船體附作物目前主要對船體表面水生生物附著物清掃的方式有：碼頭清理、工程潛水員潛水清掃和水下機器人進行清掃。1）碼頭清理碼頭清掃技術是當前碼頭清掃中質量最高的一種手段，碼頭在清掃船體的同時，還可以對船體進行除銹補油涂刷等工序，這也是一個相比較而言更加全面的，在有效地清理了附著于船體上水生生物的情況下，也能夠有效地保護船體。如圖1.2所示。但當前，進行碼頭的清理費用比較大，并且很容易導致延誤了航行。僅在比較長時間的航行后才被采取。不能滿足現代化航海服務行業的要求。圖1.2船塢清掃附作物2）人工潛水清掃人工潛水水下清洗系統主要包括船舶水下清洗系統和動力總成兩部分，該系統由清洗設備和高壓出液動力總成兩部分組成。動力系統主要包括柴油機、過濾器、柱塞泵等組成。過濾器與柱塞泵依次相互連接，高壓液體管的一端相互連接柱塞泵高壓液體進出口端相互連接，另外過濾器的一端相互連接清洗槍等裝置。高壓區域內設有安全閥及儲能裝置，動力總成可以向空化射流供給高壓海水。強空化的射流不但大大提高了殼體的清洗效率，而且有利于避免對殼體涂層的損傷，但必須手動操作，存在潛在的安全隱患，且效率低下。3）水下機器人清掃目前國內外出現有各種船體水下水上表面清潔船用機器人主要機型有兩種英國制的scamp體水下水上表面清潔船用機器人。水下流體清洗機的設備一般呈圓或橢圓形，外形平坦。由葉輪的動力作用系統產生巨大吸引力，向葉輪的各個工作面內部噴射大量清洗劑，動力由浸漬式柴油發動機葉輪驅動的雙渦輪油壓泵動機提供，頻率通過轉換器均勻地左右旋轉，清洗劑的帶寬約，清潔劑的效率大約百分為，操作由母船進行通過同軸電纜與操作平臺連接。清理機器人電源控制設備裝置于一個關閉的配電箱上。清洗式機器的前進、停滯或后退都是靠控制平臺或者潛水人員來控制。因為其直徑很大，所以無法在狹小的角落里進行使用。僅適合于大型曲率下水面船舶的艦艇，其中包括船體索、海水吸收盒、螺旋槳等很難被清洗的地方。而且潛水人員還需要經過沖洗劑和刷子來清除。這樣就無法有效地消除附著這些生物的水下微生物，并且會污染環境，所以還沒有被國內航海工業廣泛認可。因為我國還沒有自主知識產權潛水艇機器人還處于研發和普及階段，所以現有潛水艇機器人的清洗效率和清洗質量不能滿足要求。1.2本設計的目的以及意義當今有非常多的港口遠道而來的輪船提供清掃和維護等等服務。為此可以降低輪船的行駛阻力，從而可以提高輪船的航行速度，為此可以降低燃油的消耗。并且這些措施取得了非常不錯的經濟效果。但是因為碼頭的數量很有限，其中需要清洗的輪船的數量很多很多，所以這樣以來帶來了很多很多的問題。為船體水下表面清理被附著的水下生物時，應該盡量避免對輪船行駛中產生不好的影響。船體表面水下清理機器人可以在輪船行駛的過程中及時清潔水下船體，并且不必需要安排停止輪船運行進行清潔。但是由于目前已有的船體水下表面清理機器人的清掃效率比較差，并且沒有辦法對船體一些拐角處進行清理。但是船體主要的推進設備都是曲率很小的一部分，只能通過潛水員潛水進行清理。目前的船體水下表面清理機械人的優勢沒有辦法進行體現，這就是目前船體水下表面清理機器人無法普及的原因。本畢業設計將設計一種可以每個方向都可以移動的。并且可以針對不同的附著在水下船體表面的水下生物進行分等級清理的水下船體表面清掃機器人。從而可以實現水下全自動清掃。

第二章船體水下表面清理機器人總體方面的設計2.1船體水下表面清理機器人設計要求船體水下表面清潔機器人的主要技術特點設計意圖之一是其處理船體模塊在水下地區處于一個能夠將一個清潔的船體模塊直接吸附到其他清潔的船體模塊的表面(其中這個模塊很有可能會涵蓋水下各種不同速度和曲率的船體)這樣一個條件下，就可以考慮通過其所具備的能夠承受到的清潔船體模塊，針對容易被船體除去的各類藻物水下生物以及藤壺、貝類等許多難以被船體除去的有力船體附著物，進行了一次整體的分級與清潔。它使用戶可以獨立自主地根據判別方向來自動地實現不同智能化的對船體進行清掃，另外還甚至可以由船上操作人員遠程控制地自動操控在船體附著物眾多或者主要是處在船體結構中的重要活動地點上來進行各種具有高度針對性的智能強力船體清掃。在進行研究和設計制訂一個船體水下表面清理機器人的功能設計方案時，就常常需要按照其基本功能、外觀及清潔的質量、效果等各個參數因素來分別做出一個相應的功能設置。理想狀態下船體水下表面清理機器人應該有如下的設計要求。在動態性能方面上應該在承載九到十六組清掃裝置的同時可以負載其他功能的模塊。并且可以耐受住水流的沖擊，以及船體的傾斜以及震動。其中船體水下表面清理機器人的運動要準確反映要快。運動機構能夠耐得住沖擊，且具有良好的防漏電保護裝置。在外形上應該最大尺寸應小于船體切線尺寸。并且可以適用于不同曲率的船體。2.2船體水下表面清理機器人機械系統總體設計2.2.1機械系統的設計原則船體水下表面清理機器人作為設計對象，其整體機械系統包括：行走機構以及清掃機構。展開來看，其行走機構由吸附機構、傳動機械、承載機械、張緊機械、驅動裝置等組成。行走機構通過內部的型材首尾交錯連接組成支撐清掃機構的整體架構，并通過便捷的模塊化接口，可以自由連接，拓展其清掃模塊。根據對水下清掃船體機器人的分析發現其設計的主要有一下幾條原則：①穩定性。這是產品生存的關鍵是其他功能的重要保證。也是設計的核心，這需要從設計一開始就考慮到。為此在設計時，必須從機構的基本原理、加工方法的實現等方面設定設計參數，處理策略等。②實用性。制定可靠、經濟合理的方案不僅降低了成本，而且是生產和未來工業化的主要方向之一。③通用性。關于功能，水處理機器人的要求更高。功能是產品進入市場的重要保證，也是產品優勢的重要指標。現有的水下船體清潔機器人，我們首先提出了通用性的概念，改進了其缺點和功能性。通過自由模塊集和連接，擴大應用范圍也是產品的特點.2.2.2行走機構的設計船體的表面和船體的表面水下清掃機器人主要目的就是在水下和船體的表面上進行一系列清掃操作，因此它們的行走和機構都必須是直接被吸附在船體表面的，所以怎么樣才可能做到讓這些清掃機器人直接被吸附在整個船體的表面上并且這樣它們就可以自由地在船體中行走又免遭水下的各種壓力以及接觸到焊縫等條件的干擾。，這個問題就需要我們進行一些關于解決。由于考慮到整個船體都是由具有一定的彎曲弧度，所以我們就要求具備了一個足夠的磁性和吸引力，這樣才能確保行走的機構以及清刷機器人自身都能夠很好地吸附在整個船體的外殼上，因此我們建議盡量選用永磁體機構來作為其他機構進行吸附，同時還可以考慮在履帶中間加設一個磁輪，從而保證它具備一個足夠的磁性與吸引能力，這就要求了清刷機器人能將其依附于整個飛行物和船體表面。在水下，主要目的是為了考慮檢測到一臺驅動機器人所要承受的驅動力矩是否具有包括重力、浮力、機器人和整個驅動船體船身表面的軸向摩擦力、水平驅動力以及一臺發電機的齒輪驅動力，因此，我們還可能需要重新設計一套運動力學計算模型，通過對清刷式驅動機器人在運動靜止和穩定動態兩種工作條件下所需要承受的摩擦力和驅動力矩之間的各種運動參數規律關系進行綜合分析，從而我們可以直接計算出來得出單一永磁體所運動需要的最低磁場或吸附力和最低驅動人在履帶上的行步和推進的發電機運動參數。鑒于目前考慮涉及到這種清刷式船體機器人主要用途是在水下的艦舶船體內部表面上來進行清刷工作，所以由于為了能夠使其機械結構盡可能簡單，因此對于船體行走式器械機構的主要機械結構組成部分及其組成主要包括：船體吸附式器械機構、傳動式器械機構、承載式器械機構、張緊式器械機構、驅動式器械機構等。其三維圖和二維圖分別定義為別如下面的圖2.1和2.2所示：圖2.SEQ圖\*ARABIC\s11清刷式機器人行走結構三維示意圖1.鏈輪2.多種連接方式鏈條3.動力傳動鏈輪承載鉸鏈結構4.張緊式鉸鏈結構5.永磁性復合鐵塊6.磁輪7.驅動機構圖2.2清刷機器人的行走機構二維圖船體表面船體表面水下清掃機器人的自動行走機構主要有兩部分一般是由兩條相同的步進履帶共同驅動組成，每條步進履帶由一個不同步進驅動電機同時進行驅動控制，工作時僅僅只需要將兩條步進履帶同時驅動運行，通過對兩個不同步進驅動電機之間的履帶轉速相同與不同，這樣便可以使我們就這樣可以輕松地同時實現各種清刷加工機器人的平行直線與橫向轉彎。行走主要指的是通過鏈輪和軸傳動的旋轉方式電機來自動進行，電機則主要是通過鏈輪旋轉來直接帶動機械履帶電機進行自動行走，從而最終達到了自動實現電機履帶的自動行走。在運動履帶上面它還安裝了具有永磁性的大型固態半導體塊和驅動磁輪，用來幫助實現永磁吸附等特殊功能。在清刷傳動機器人上面的張緊傳動機構設計是為了有效防止傳動鏈輪和清刷連接器受到的清刷鏈條不嚴格地互相發生接觸。2.2.3清掃機構的設計清掃機構是船體表面船體表面水下清掃機器人的核心，目前已有的清掃方式主要有：剛性清掃方式和柔性清掃方式。剛性清掃方式如圖2.3所示。圖2.3現有剛性清掃方式如圖2.3所示，通過快速旋轉外周剛性葉片2，敲擊棒輪或其他牢固的緊固部件，可以去除現有的剛性清掃方法。然而，由于外殼本身突出的焊接焊縫不能避免在損壞工具的同時破壞外殼，所以用戶是不能接受。如圖2.4所示的性清理方式，這種清理方式只能對于像藻類那樣比較容易清理的水生生物可以進行有效地清理。但是像藤壺和貝類等這樣堅固的物質是沒有辦法得到有效的清理，所以只能結合現有兩種清理方法的優點和缺點進行清洗。設計了船體表面船體表面水下清掃機器人的清掃機構。采用模塊設計理念，將設計細節融入局部設計。圖2.4現有柔性清掃方式清洗機構根據其功能分為三部分。外環柔性尼龍刷、內半徑一定扭矩掃描刷、傳動軸如圖2.5所示。圖2.5模塊化清掃刷盤外輪柔性刷在有容易脫落的緊固件時，可以簡單地去除藻類。隨著洗凈盤的前進，用簡單的刷子清洗藤壺的表面。然后，在舵一側用使扭矩固定的方法使舵相撞，從3個方面回避了舵和船體的剛性接觸。另一方面，固定轉矩工具根據刷子和殼體的接觸離外殼，有一定的間隙。另一方面，工具采用固定轉矩設計方法，如果對機殼造成沖擊，沖擊力大時，工具應提前一定程度，避免完全的剛性沖擊。最后，就工具材料而言，其強度在藤壺、軟體動物和其他堅固的附件和船體之間。多方面合作，提高清洗質量，基于流體力學分析，將內部光線結構設計成曲線形式。在清洗外殼時，清洗殘渣以自身負壓擠壓清洗區域，并將殼體的一部分粘接。這是完全的設計方案。

第三章行走機構的設計3.1行走機構的組成3.3.1吸附機構吸附行走機構一直都認為是整個船體表面船體表面水下清掃機器人行走機構的重中之重，因為我們首先做的一件重要事就是把它的吸附行走機構必須做到要直接地把它吸引起來到水下船體船身的運動表面，這樣一個只有能夠直接進行清洗的行走機器才可以能夠直接完成水下運動船體船身表面的全部清理清洗工作。吸附傳遞機理的基本原理是：附著在鏈條上的永磁塊（整體結構如下圖3.1所示）和擺動磁輪（整體結構如下圖3.2所示）作為吸附流體，吸附在齒輪整個軀干結構的表面上。電磁輪泵應直接安裝在與各連桿相連的軸上，因為我們要充分考慮到電磁輪泵應直接安裝在與各連桿相連的軸上。如果我們能把永磁場的永磁塊直接接觸到整個機身的表面，然后，當永磁場通過磁輪從整個機身表面分離時，在運動過程中，永磁場與機身表面可能會不斷發生摩擦和碰撞，這不僅會導致機身內永磁場的鐵塊嚴重損壞，還會對機身造成損傷，經過多年的使用，整個機身的表面會在長時間后被高度腐蝕。因此，我們可以要求這些磁輪直接接觸整個機身表面，而永磁輪的鐵塊不會直接接觸整個機身表面，吸附力范圍內的磁輪足夠寬，同時也有效減少了殼體與整個殼體的磁塊表面直接接觸或碰撞對殼體造成的嚴重損傷，每個永磁軌道必須安裝48個鐵制永磁塊，在由兩個連接件連接的永磁波中間安裝兩個小型永磁翼，永磁鐵必須嚴格選用，必須是世界上最著名的磁性材料，這樣才能有效地保證，船舶自動清洗機器人具有足夠的氣動力和吸力將其移動到整艘船的內表面。圖3.1永磁鐵塊圖3.2磁輪3.3.2傳動機構而與吸附機構相比，傳動機構也非常重要，因為只有動力直接傳遞給清洗機器人，機器人才能運行和清洗。由于清洗機器人主要主動進行水下直接清洗，水下環境相對較差，以及其傳動特點和性能，我們選擇這種傳動方式為鏈式傳動，鏈式傳動的主要目的是由傳動鏈和其它鏈輪組成。齒輪的反向運動和鏈傳動能量的有效傳遞可以通過單個驅動輪的不同驅動齒輪與每個驅動鏈之間的鏈節之間的嚙合相互作用來實現。3.3.3承載機構支撐機構用來承載整個水下清洗機器人的重量，支撐機構不僅要承載運行機構的大部分重量，還要承載清洗機構的重量，因此支撐機構也更為重要，它應該成為整個清洗機器人的主要任務，在承載機構上有一個軸承（其結構圖如圖3.3所示）。它的主要功能是在整個飛行過程中清潔和移動機器人時，船體和飛機表面可能會出現一些障礙物。如果機器人通過它的路線，它將無法移動，路線可以被一些障礙物直接懸掛。如果沒有痕跡，就是高度，如果很高，很可能整個機器人會因為儲能不足而墜落。因此，具有較大承載力的車輪將有力地支撐整個履帶，使整個履帶不被每個障礙物抬得過高，從而可以大大降低機器人這種特殊情況的發生率。圖3.3承載機構3.3.4張緊機構張緊機構的主要目的是避免電壓的產生，由于傳動鏈和傳動鏈是通過傳動連接到傳動鏈上的，因此可以有效地防止張緊的產生傳動鏈輪與傳動鏈沒有緊密接觸，通過在夾緊操作中不斷向前、向下移動夾緊機構的母親（如下圖3.4所示），實現夾緊機構的夾緊功能。圖3.4張緊機構2.3.5推動機構推動裝置的目的是為被清潔的機器人提供足夠的移動動力，被清潔的機器人沿著大型水下覆蓋物在其表面快速移動。一種稱為步進發動機的電機驅動裝置直接安裝在履帶的左右兩側脊上，一種稱為步進發動機的發動機驅動裝置直接安裝在鏈輪的內側，步進發動機的驅動特點是低排量和高性能，可作為該類自動行走機構使用，具有足夠的轉矩準備，節省了轉矩運動空間，可由多個驅動器同時控制不同步進電機的驅動和運行，并可同時控制步進電機的各種驅動，以實現自動行走在正常情況下，它能提供所需的全部額定轉矩和傳動轉矩，大大提高了電變流器的工作效果和經濟可行性，由于左右兩臺發電機都能相互控制和控制，我們不僅可以同時控制兩臺電動發電機的控制速度，還可以直接對兩臺電動發電機的旋轉齒輪進行差動控制，如下圖3.5所示。圖3.5驅動機構3.2行走機構在正常工作情況下受力的分析船體水下表面清理機器人的普遍清潔工作處理狀態一般是廣泛指沿著與清潔船舶船體表面相同平行高度的船體垂直線運動方向對車舶船體內部進行清潔，其船體前進方向高度應與船體水下表面清理機器人上所承載的船體重力運動方向大致保持高度垂直。同樣，船體水下表面清理機器人與工業船舶船體表面之間所能形成的溫度夾角隨工作溫度從左右到內發生變化，工作的身體狀態又被我們劃分成作為兩種類的靜態和一個動態，但是由于一個步進驅動電機的這個驅動力矩方式所在地的水平面與該處的身體受力影響分析方式所在地的水平面之間相當于垂直，所以一個步進驅動電機的這個驅動力矩對此處的身體受力并不是沒有什么大的影響，這樣便可以使得我們完全可以毫無疑問地用心去仔細考慮這個驅動機的力矩所產生給我們身體帶來的受力影響，因此一個靜態和一種動態在這個垂直平面上的兩種受力分析方式都應該是相同的。一般在水下運動的這種狀態下，我們主要應該考慮的就是如何防止船體表面船體表面水下清掃機器人出現嚴重滑落或者在某一點上升時發生了嚴重傾覆。因為它們都必須是沿著與其他船舶船體共享的任何一條船體直線運行方向，因而一般不會輕易出現船體滾動的異常情況，所以整個一般的船舶工作環境狀態下的水清掃工和機器人僅僅只是需要分別考慮兩種不會失效的工作形式。在這兩種壓力條件下，清掃器和機器人時所需要承受的機械力量主要因素包括：水對永磁性懸浮鐵塊的磁力和吸附力，清掃器和機器人時的流體重力，水的流體懸浮推動力，水對于船舶清掃器和機器人的摩擦阻力，履帶和其他船舶齒輪殼體內層表面之間摩擦產生的機械摩擦力。一般在一定工作高壓狀態下的氣體受力強度分析試驗結果主要如下表見圖3.6所示。圖3.6行走機構一般工作狀態下的受力圖其中：——清掃清潔機器人的總運動承載力是重力(其中一般包括軸承抗重力傾覆的軸承機構)和漂浮力的量之和；——清掃機器人的軸在保持橫向或相對垂直轉動方向的兩個位置之間有一個逆向夾角；——清掃清潔機器人的軸承重心力和高度；——左右兩個各排各列履帶圍繞永磁性軸承鐵塊的電動磁場和吸附作用能力；——左右兩個各排各列履帶與軸承輪船壁之間的逆向摩擦力；——確定水流對于兩個清掃清潔機器人的相互逆向轉動作用力；——左右兩個各排履帶圍繞軸承齒輪中心的轉動距離。因為船體表面船體表面水下清掃機器人只是在一般工作的狀態下才可能會同時發生兩種情況的失效，因此我們就需要將這兩種情況分別做出受力分析。防止下滑的受力分析防止永磁性鐵塊的電動磁吸附力即是永磁性鐵塊電動磁吸附力需要遠遠超過其水平或垂直行于船體表面上的重力與浮動作用之和所產生的一部分力，同時還需要促進履帶與船體表面之間的摩擦力遠遠超過其水平或垂直行于船體表面上的重力與浮動作用之和所產生的一部分力。根據這樣的分析，則我們可以說是為了使得清潔機器人不會因為發生打亂而滑落必要條件如下：(3-1)其中：(1)；(2)。所以我們可以根據以上不會發生打轉或者滑落等情況的條件來計算得出電磁吸附能力的臨界值。(3-2)防止傾覆的受力分析所以當我們的船體表面船體表面水下清掃機器人處于一般正常工作運行狀態下的情況時候，由于各種外力所產生的壓應和力矩，有很大的可能就會在C點上產生各種傾覆的現象，因此，我們必須做到嚴格控制各種外力，防止出現傾覆的情況。根據這樣的設計要求，對C點進行取矩，得到的防止C點發生橫向傾覆的條件是：(3-3)其中：；所以我們可以依靠以上不會發生電磁傾覆現象的條件來計算得出電磁吸附能力的臨界值。(3-4)根據上面兩種設計方法可用來估計防止水下清潔作業機器人的磁鐵之吸附力F在一般水下工作環境狀態下的臨界點數值。(3-5)3.3行走機構減速器步進電機的選型根據以上這些受力分析，我們就能夠根據計算得出來的臨界值和條件，進行了相應的電動機選型。因為我們在設計時考慮到水下清掃機械系統機器人本身的整體和重量都是否會對它產生重要的作用和影響，所以，我們最好的方法就是盡量地選擇一臺體積小、重量輕、扭矩大的電機，同時，我也是在設計中選擇了一臺帶有傳動減速器的步進電機，這樣的步進電機和傳動減速器一起配置在一起，就有可能使整個機械系統的結構更加合理。根據以上公式：取，則我們可以求出M的臨界值公式為：因此，為了能夠滿足任何條件和情況下的需要，我們選用了帶減速器的步進電機，其類型分別是px86n006s0，電機的具體性能參數如圖3.1所示：表3.1電機的參數型號減速比最大輸出轉矩轉速重量效率級數PX86N006S01：650N/m3000RPM1.65kg90%1第四章行走機構有限元分析4.1引言清刷機器人所使用的工作環境一般都是在水下，為了使其能夠正常地在水下工作，必須保證其中重要的零件結構能夠滿足一定的強度，支撐其完成相應的工作，因此，本章通過對其重要零件的有限元進行分析，校核驗證其結構能夠滿足一定的強度和剛性要求。4.2清掃機器人行走機構的有限元分析水下的清潔機器人是在水中正常運行和工作時，由于承受到自身的巨大重力以及各種自然外力的影響，會導致讓水下的清潔機器人的某些結構必須要承載很多或者大部分的壓力，如果這些結構都出現了小裂紋、內部結構被破壞、變形超標甚至可能就是結構直接被報廢，那么這樣的情況對水下的清潔機器人來說都是非常不利的，這樣就會導致水下的清掃機器人需要同時去除和維護船只的表面的工作效率也大打折扣，甚至還有的是不可能正常工作，這樣的事件在我們看來都是絕對不容易允許的。為了盡量避免這種情況的發生，我們必須在建筑物的設計時候要做到充分考慮他的應力對于結構所產生的應力、應變和其他化學反應的影響，因此對某些主要結構物件進行有限元的分析便顯得特別重要。有限元分析法可以很容易地發現當前設計的尺寸和所選用的材質是否符合設計要求，如果沒有完全達到要求則可以按照規定的要求來進行修正，直到達成規定的要求。水下清潔船和機器人的主要應用區域區別在于船體有兩個主要位置，分別是作為柴油發動機船體承重板部分和船體支撐面板部分。電機的內部承重板直接負擔著水下清刷傳動機構的所有內部重量，因此它在水下平時能否正常工作進行電機承重清刷工作就直接地要取決于水下清潔清刷機器人。而架在支架上的部分則也就是直接承載著一臺清刷電機的外部承重板以及其上的一臺清刷器械機構的外部負荷負載重量，同時也就是承載著一臺電機抗應力傾覆式清刷機構的內部負荷負載重量，因此架在支架上的部分也直接地會影響著清刷結構機器人的正常運行工作狀態及其是否可靠，以及是否能夠正常有效地工作進行。因此，必須針對這兩個組成部分分別進行針對有限元素的分析，以便于及時確保灰塵清刷清理機器人的順利正常運行。下面我們就有機會通過測試使用solidworks等軟件對該兩個部分的基本結構關系進行針對有限元素的分析。4.3清掃機構的電機承重板的有限元分析水下清洗機器人發動機承重板所需能夠同時承擔整個水下清潔機構的總體承載力，因而針對這些進行了分析說明尤為重要。因為我們需要把它們直接地固定到一個履帶上面的一個支架位置，因此上面很有可能就會留出一些空，有了了可能就會產生一些應力比較集中的情況。同時，因為這塊承重板上面也是一個需要安裝一個清刷式機構的發動機的，因此，對于這個發動機釋放出來的圓形孔道還是需要進行一定程度的探索和研究。現在從solidworks中直接導入到發動機承重板上的零部件結構圖，如圖4.1所示。圖4.1電機承重板的零件圖在對風力發動機的承重板零部件進行有限元分析時，必須要對其進行一系列的步驟，首先第一步便是需要向分析過的零部件增設夾具，使之能夠被牢牢地固定。在風力發動機的承重模塊中，因為它們都是直接固定在支架上面的，所以我們需要對其中8個小的圓孔來固定。固定好以后，我們就需要對風力發動機承重板上面的一個大圓形孔道施加一定的壓力，按照上面的說明，我們最初應該承受到的壓力是100N，其載荷結構圖如下圖4.2所示：圖4.2電機承重板的載荷圖施加了一定的載荷之后，就需要我們應該針對施加一定壓力的計算機承重板來對其進行一個網格的劃分，在我們要進行這個網格劃分的同時，必須要特別注意，當我們的這個網格被劃分得越細，那么所計算出來的結果就可能會更加準確，同樣，這樣相對于計算機的內存要求也可能會提高不少，計算時間也會更加的長。其網格劃分的圖如圖4.3所示：圖4.3電機承重板的網格劃分圖網格分割完之后便可對發動機的承重板進行有限元分析。在開始進行物理運算之前，我們必須首先要正確地選擇一種零件的材質，這里我們需要選擇304不銹鋼，它的彈性模量公式是，泊松比系數為0.29。經過對有限元的分析，得到的應力與變形圖結構如下表所示：圖4.4電機承重板的應力圖圖4.5電機承重板的位移圖由最高屈服應力強度曲線效果圖我們應該能夠非常清楚地得知，所用碳鋼部件材料304不銹鋼的最高屈服強度極限最高屈服應力為206.8mpa，電機零部件承重板的最高屈服應力極限值并沒有完全達到一個遠遠超過其他材料的屈服應力強度極限的最高屈服應力，強度的要求應該已經遠遠超出了它能夠完全得到滿足。由總高程位移測量的曲線長度圖我們可知，電機和工業承重板在總高程位移測量曲線上的長度約為0.001818mm，并且它們應該會經常出現在一個大型電機機械承重機在板上所經常需要的一個受力較大的小圓孔外側，但是這個位移長度大小相對于一個大型電機機械承重板的位移長度來說整體而言，其中的位移數值也應該是非常小的。由本文的數據分析設計結果我們已經可以清楚地明顯看到，電動機車的承重和踏板結構的高強性和運動剛度已經能夠完全滿足該機電工程的基本設計技術需要。4.4行走機構支架部分的有限元分析水下傾覆清掃清刷機器人的整體支架部分同樣不僅需要同時承擔整個水下傾覆清刷機的工作器械機構和整個發動機內部承重板的支撐負荷，同時它們也同樣需要同時承擔整個抗水下傾覆清刷工作器械機構的支撐負荷，因此我們通常需要對這兩個組成部分的整體支架支撐部分結構進行一個有限元素的分析。因為我們需要把一臺電動機的整個承重板和一個整體式的清刷清洗裝置全部安放到電機支架的部分上面，因此上面支架可能內部會顯得有一些空，有時用了了就會很可能會導致使其內部產生一些機械應力比較集中的特殊情況。而且由于應力比較集中的那一部分最容易直接導致玻璃出現這種問題，所以在這一點上我們還是需要格外地多加注意。4.4.1支撐抗傾覆機構的支架部分有限元分析現在從solidworks中可以導入一個承載耐力和傾覆性能的機構支架部件的結構圖，支架部分的結構圖如下表4.6所示：圖4.6承載抗傾覆機構的支架部分零件圖為了更好地使得我們能夠有效地對那些承受耐抗傾覆的結構支架和結構部分進行有限元的分析，要求我們需要做一系列步驟：首先我們必須根據需要對其支架部分進行加工并安裝好夾具，使之牢固。對于此類的零件，將會選擇采用一個螺栓被直接地固定到一個承載的機構上面，所以我們可以選擇直接采用來固定它下面的三個圓洞。在對它們的位置進行了一次固定后，就需要給它們增設一定的壓力。對于增大的壓力需要認真地考察它的參數和作用位。它所需要增設和添加的動力尺寸是為整個清刷機構和它的電動支架承重板1/4，而它所需要起到的地點也正是它所需要固定到支架上面的一部分。載荷曲線圖顯示如下表4.7所示：圖4.7承載抗傾覆機構的支架部分載荷圖添加好的載荷后就要對其進行網格劃分。。網格劃分圖如下圖4.8所示：圖4.8承載抗傾覆機構的支架部分網格圖網格分析工作做好之后便可對支架上的部分進行有限元分析。在開始進行物理運算之前，我們必須首先要正確地選擇一種零件的材質，這里我們需要選擇304不銹鋼，它的彈性模量公式是，泊松比系數為0.29。經過對有限元的計算分析，得到的有限元應力和變形圖公式為：其中圖4.9和圖4.10所示：圖4.9承載抗傾覆機構的支架部分應力圖圖4.10承載抗傾覆機構的支架部分位移圖由應力曲線圖我們可知，所用結構材料304不銹鋼的屈服極限應力系數約為206.8mpa，承載耐受抗傾覆性能的機構支架部件的最高應力系數值并沒有完全超過其屈服極限的應力，強度應力系數是遠遠能夠滿足的。由總體位移曲線圖我們可知，承載耐受抗傾覆性能的支撐部分在主梁上的最高位移范圍約為0.0009839mm，并且出現在最上面的圓孔的外側，但是這相對于支架部分的整體來說數值是非常小的。由分析結果可得出，承載抗傾覆機構的支架部分結構的強度和剛度滿足設計要求。4.4.2支撐電機承重板的支架部分有限元分析支撐式電動機承重板的支架結構部分完全地承載著整個清刷機構以及它們所承重的電動機主體1/4。現在從solidworks中可以導入到承載式發動機主軸承重板支撐部分的零件示意圖，支架部分的零件圖如圖4.11所示：圖4.11承載電機承重板的支架部分零件圖同樣的，為了能夠促使我們對承載式發動機的主軸和承重板支架部件的結構進行有限元分析，也就需要對此進行一系列的步驟：首先必須根據需要對其進行一些可以添加的夾具，使其可以得到穩定。對于此類部件，將會采用一個螺栓緊緊地把它固定在一個承載機構上面，所以我們要做到的就是選擇緊緊地把它固定在它下面的三個小圓形洞。在對它們進行了一次穩壓后，就需要重新添加一次壓力。對于壓力的增加就需要仔細地考慮它的數值和作用位置。增加的力量的大小是為整個清刷機構和它的電動機承重板的1/4，而它們相互作用的位置便是支架上面的全部。載荷示意圖如下圖4.12所示：圖4.12承載電機承重板的支架部分載荷圖在添加好所有的載荷后就要將它們進行一個網格劃分。網格所劃分的示意圖如下圖4.13所示：圖4.13承載電機承重板的支架部分網格圖網格分析工作做好之后便可對支架上的部分進行有限元分析。在開始進行物理運算之前，我們必須首先要正確地選擇一種零件的材質，這里我們需要選擇304不銹鋼，它的彈性模量公式是，泊松比系數為0.29。經過對有限元的分析，得到的應力和變形圖公