纜索機器人-爬行機構(gòu)及其驅(qū)動裝置設(shè)計

畢業(yè)設(shè)計（論文）纜索檢測機器人-爬行機構(gòu)及其驅(qū)動裝置設(shè)計PAGEPAGE51畢業(yè)設(shè)計說明書纜索檢測機器人爬行機構(gòu)及其驅(qū)動裝置設(shè)計摘要纜索檢測機器人是特種機器人技術(shù)在斜拉橋纜索檢測方面的應(yīng)用。自從1956年在瑞典建成世界上第一座斜拉橋以來，斜拉橋就越來越受到世人的青睞。斜拉橋成為現(xiàn)代建筑的一道亮麗的風(fēng)景。然而，針對目前斜拉橋的人工吊籃檢測的落后方式，如何高效快速的進行斜拉橋的纜索的檢測和維護成為人們急需解決的一個重要問題。我們課題組這次所設(shè)計的纜索表面機器人分為三部分：檢測部分、動力部分和攜帶部分。這樣的設(shè)計的最大優(yōu)點就是質(zhì)量輕，便于安裝等。在設(shè)計的過程中，我們要考慮多個問題，最重要的就是小車輪子的自動調(diào)節(jié)和CCD支撐架的手動調(diào)節(jié)。對于小車我采用的是彈簧和螺栓雙重調(diào)節(jié)，對于CCD支撐，我所采用的是滑桿調(diào)節(jié)。關(guān)鍵詞：斜拉橋纜索，攜帶機構(gòu)，纜索檢測ABSTRACTThecablerobotdevelopedinthispaperisthefirstapplicationofspecialrobotstocablesofcable-stayedbridges.Cable-stayedbridgewhichismoreandmorepopularintheworld,sincethefirstcable-stayedbridgewasbuiltinSwedenin1956.Thecable-stayedbridgehasbecomeoneofthemostbeautifulscenes.Then,concerningtheartificialmaintenancemethodforcables,howefficientthecablestayedfortherapiddetectionandthemaintenanceoftheurgentneedtoresolvetobecomeanimportantissue.Wedesignedthisdiscussiongrouponthecablerobotisdividedintothreeparts:detectionofpowerandcarryingsomeparts.Thisdesignisthebiggestadvantagesoflightweight,easytoinstall,andsoon.Inthedesignprocess,wehavetoconsideranumberofquestions,themostimportantthingisthewheelsofthecarandautomaticallyadjusttheCCDMOUNTINGmanualadjustments.Iusethecarforthespringandboltisadouble-conditioning,theCCDsupport,Ihaveadoptedtheregulationistheslider.Keywords：cable-stayedbridgecable,carryingbodies,CableDetection目錄一．斜拉橋的發(fā)展……………………6二．纜索可靠性問題…………………8三．纜索的腐蝕及防護方法…………10四．緒論…………16五．纜索機器人的設(shè)計意義…………20六．纜索機器人總體設(shè)計方案………216.1機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計…………………236.2機械結(jié)構(gòu)的說明…………………25七、機構(gòu)的力學(xué)分析…………………27八、纜索機器人輥輪軸設(shè)計…………35九、軸承校核…………43十、鍵的校核…………45十一、控制流程………46十二、安全性的考慮…………………47十三、結(jié)論……………49致謝………………50參考文獻………………51一、斜拉橋的發(fā)展斜拉橋（cable-stayedbridge）是一種美觀的橋梁形式。其結(jié)構(gòu)形式是由從索塔向下呈扇形散射的斜拉索拉住橋面主梁而構(gòu)成的建筑物。由于斜拉橋美觀獨特的外觀，良好的跨越能力，以及其較好的空氣動力穩(wěn)定性，在當代橋梁工程界得到了越來越多的應(yīng)用，扮演著重要的角色。世界上第一座現(xiàn)代斜拉橋是1955年建于瑞典的Stromsund橋，其主跨為182.6米，主梁由兩片板梁組成，門型框塔架，拉索呈輻射型布置。從此以后，斜拉橋經(jīng)過了長足的發(fā)展。具有代表性的橋梁包括，1957年德國建成的跨越萊茵河的杜塞爾多夫北橋，法國1975年建成的Saint-Nazaire橋，挪威1991年修建的Skarnsundet橋。自從上世紀90年代以來，由于計算機輔助技術(shù)的成熟以及應(yīng)用于橋梁設(shè)計領(lǐng)域，高強材料智能材料的引進，施工方法的發(fā)展，以及對橋梁耐久性的重視，斜拉橋的發(fā)展越來越快，跨度在不斷的刷新。其中，在此發(fā)展過程中，扮演著分水嶺的角色的工程分別在法國建于1994年的諾曼底大橋和在日本建于1999年的多多羅大橋。盡管我國有著悠久的建橋歷史，如隋朝建造的敞肩石拱橋—趙州橋。然而我國現(xiàn)代斜拉橋的建設(shè)在上世紀八十年代以前一直十分滯后。我國建成的第一座現(xiàn)代斜拉橋是四川云陽橋，建于1975年，跨徑76米，結(jié)構(gòu)形式為雙塔雙索面混凝土斜拉橋。在我國斜拉橋歷史上，具有代表性的其它橋梁還包括：（1）1993年在上海建成的楊浦大橋，主跨602米，結(jié)構(gòu)形式為雙塔雙索面扇形布置拉索的疊合梁斜拉橋；（2）2000年建成的武漢白沙洲長江公路大橋，主跨為618米，系雙塔雙索面混合橋梁；（3）2002年建成的湖北荊州長江公路大橋，主跨為500米，雙塔雙索面扇形布置拉索的預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋；（4）建成于2008年的杭州灣跨海大橋，北航道橋為主跨448米的鉆石型雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，南航道橋為主跨318米的A型單塔雙索面鋼箱梁斜拉橋；（5）建成于2008年的潤揚長江大橋，該橋的斜拉橋部分采用176+406+176米的三跨雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，共長758米；（6）建成于2008年的蘇通大橋，該橋跨徑為1088米，是當今世界跨徑最大的斜拉橋。斜拉橋以其優(yōu)美的外觀及良好的抗震性越來越得到橋梁設(shè)計師的青睞。自從1956年在瑞典建成曹姆松特斜拉橋以來，到1993年全世界已有300余座斜拉橋。我國自1975年在四川云陽建成第一座斜拉橋之后，至今共建成40余座斜拉橋。二、拉索體系可靠性問題盡管斜拉橋有著諸多的良好性能，但是在過去的幾十年間也暴露出不少問題。斜拉橋的纜索體系的腐蝕就是其中一個很重要的問題。在過去的幾十年里，斜拉橋的纜索腐蝕嚴重的情況時常發(fā)生，如MaraCaibo橋，在是使用16年后進行換索，耗資5000萬美元，換索工期為兩年。德國漢堡的KolhbrandEstuary橋更是在運營僅三年進行了全部拉索的更換，耗資達6000萬美元，為原造價的四倍。同樣美國路易斯安娜州新奧爾良的魯林橋、阿根廷的扎拉特布拉什拉橋也進行過換索工作。國內(nèi)某橋梁拉索在不到9年就由于拉索PE護套老化，鋼絲銹蝕，斷裂而導(dǎo)致全部更換拉索。我國部分斜拉橋的拉索腐蝕情況橋名護套破損鋼絲銹蝕下貓頭滲（積）水錨具外部銹蝕其它病害上海恒豐路橋銹蝕輕微廣州海印橋斷索護套內(nèi)水泥漿不飽滿濟南黃河橋表面鍍鋅銹蝕犍為岷江橋開裂斷絲20根多段下錨頭滲水銹蝕洪水河橋開裂下錨頭積水云南三達地橋開裂斷絲17根多段下錨頭滲水銹蝕鋼絲墩頭開裂廣東九江橋開裂斷絲1/3銹蝕橋名護套破損鋼絲銹蝕下貓頭滲（積）水錨具外部銹蝕其它病害重慶石門橋開裂斷絲10根多段下錨頭滲水銹蝕三臺培江橋銹蝕廣東三水橋開裂下錨頭積水番禹大橋開裂斷絲銹蝕減震器壞銅陵大橋多段下錨頭滲水武漢月湖橋環(huán)形開裂珠海淇澳橋開裂銹蝕防水罩壞斜拉橋的拉索在環(huán)境還載荷的聯(lián)合作用下很容易退化，根據(jù)以前的工程經(jīng)驗，斜拉橋的拉索平均使用壽命僅為20年。如果保證斜拉橋的使用年限達到100年，則拉索至少要換4-5次左右，這意味著在斜拉橋的全壽命使用過程中，需要進行多次的換索工程，顯然這將造成極大的經(jīng)濟和資源浪費。就我國而言，在建和已建斜拉橋有100多座，其中迄今已有20多座斜拉橋發(fā)生了不同程度不同形式的拉索退化現(xiàn)象，上海的新五橋由于斷索而坍塌，三臺培江橋由于無法換索而被拆除，另外十座斜拉橋被迫換索。拉索換索工程費用常常占到總費用的50%以上，甚至超過初始的建橋費用。顯然，盡可能地延長拉索的使用壽命，可以達到節(jié)約養(yǎng)護維修經(jīng)費的目的。三．纜索的腐蝕機理及防護方法1.纜索體系的腐蝕原理大氣腐蝕機理纜索體系暴露在大氣當中，由于空氣中含有的水分、氧氣以及腐蝕介質(zhì)，而產(chǎn)生化學(xué)和電化學(xué)作用，而發(fā)生金屬腐蝕。這種大氣腐蝕是纜索鋼絲的金屬處在表面水膜（電解質(zhì)膜）層下的電化學(xué)腐蝕過程：該表面水膜當空氣中的相對濕度達到一定程度時，空氣中的水分在金屬表面吸附和凝聚而產(chǎn)生的，通常情況下，這種水膜中常常溶有具有腐蝕性的污染物；由于大氣環(huán)境中的鋼絲，金屬表面水膜很薄，氧氣容易達到陰極表面，而且氧的平衡電位高于氫，所以電化學(xué)腐蝕的原理是陽極為金屬腐蝕，而陰極為氧去極化作用。纜索體系鋼絲腐蝕種類對于纜索體系鋼絲的腐蝕主要可分為兩大類，即為均勻腐蝕和局部腐蝕；對于后者，則主要包括點腐蝕，裂縫腐蝕，應(yīng)力腐蝕，疲勞腐蝕。下面對各種腐蝕形態(tài)進行簡要介紹。均勻腐蝕：均勻腐蝕是纜索體系鋼絲最為常見的腐蝕形態(tài)，其特征是腐蝕分布于整個金屬表面，并以基本上相同的速度使鋼絲直徑逐漸減小。盡管均勻腐蝕能造成大量的金屬損失，但由于腐蝕發(fā)生的比較均勻，且速度穩(wěn)定，采取合理的防腐措施，就不會發(fā)生突然性的腐蝕事故，所以這類腐蝕并不可怕。點腐蝕：點腐蝕是在金屬構(gòu)件表面出現(xiàn)的個別孔坑或密集斑點的腐蝕。對于易鈍化的金屬，在有活性侵蝕離子與氧化劑共存的條件下，更容易發(fā)生點腐蝕。如不銹鋼、鋁和鋁合金等在含氯離子的介子中，經(jīng)常發(fā)生點腐蝕，而在碳鋼表面的氧化皮或銹層有空隙的情況下，在含氯離子的水中也會發(fā)生點腐蝕。點腐蝕的剖面形狀可分為半球形、橢圓形、環(huán)形、袋形、深窄形或淺寬形，以及各種其他復(fù)合形狀的?？p隙腐蝕：裂縫腐蝕是另一種普遍存在的，與點腐蝕很相似的局部腐蝕。其產(chǎn)生的機制為，金屬與金屬、金屬與非金屬相連接時表面存在裂縫，如果這些裂縫中含有腐蝕介質(zhì)時，會在金屬上誘發(fā)局部腐蝕形態(tài)。發(fā)生這種腐蝕的條件是有適當?shù)目p隙，這個縫隙必須足夠?qū)?，使得腐蝕介質(zhì)能夠進入縫隙中，同時縫隙又必須足夠窄以使腐蝕介質(zhì)能夠滯留在縫隙內(nèi)；通常情況下，發(fā)生裂縫腐蝕最敏感的裂縫寬度在0.025-0.1mm范圍內(nèi)。縫隙腐蝕與點腐蝕的相近之處在于：（1）兩者的腐蝕機理是基本相同的；（2）其次是腐蝕的擴展都是閉塞電磁作用，而腐蝕是在縫隙內(nèi)的自催化酸化過程加速進行的?？p隙腐蝕與點腐蝕的不同之處在于：（1）點腐蝕首先要生產(chǎn)點蝕核，而縫隙腐蝕則產(chǎn)生與構(gòu)件金屬表面的狹小縫隙；（2）點腐蝕是通過腐蝕核成長形成的點蝕孔，并逐漸形成閉塞電，然后才加速腐蝕的，而縫隙腐蝕由于已具有縫隙，腐蝕一開始就能迅速形成閉塞電磁并開始加速腐蝕；（3）縫隙腐蝕比點腐蝕更容易發(fā)生和擴展外，兩者所形成的形態(tài)也有所不同，通常情況下，點腐蝕的蝕孔一般窄而深，縫隙腐蝕的蝕坑相對寬而淺。應(yīng)力腐蝕：鋼絲在受到拉伸應(yīng)力和腐蝕環(huán)境介質(zhì)的共同作用下發(fā)生的腐蝕為應(yīng)力腐蝕。當鋼絲受到應(yīng)力腐蝕時，有可能會在遠小于其材料屈服強度的情況下突然發(fā)生斷裂，沒有預(yù)兆，所以一旦發(fā)生應(yīng)力腐蝕的鋼絲，其危險系數(shù)會極大增加。產(chǎn)生該腐蝕需要三個基本條件：敏感的材料，特定的腐蝕環(huán)境，以及拉伸應(yīng)力（外力，殘余應(yīng)力）。應(yīng)力腐蝕的失效形式表現(xiàn)為材料的脆性斷裂，即便是塑性變形能力很高的材料在發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效后，其表現(xiàn)形式仍然為脆性斷裂，斷口表面上會有腐蝕坑以及二次裂紋，同時能清晰的觀察到塑性流變痕跡。疲勞腐蝕：金屬材料在疲勞載荷及腐蝕介質(zhì)的共同作用下所發(fā)生的腐蝕失效稱為疲勞腐蝕。對于發(fā)生疲勞腐蝕的鋼絲，其失效的應(yīng)力水平以及疲勞壽命會較該鋼絲在無腐蝕介質(zhì)條件下的純機械疲勞低得多。2.纜索體系腐蝕機理斜拉橋拉索腐蝕機理：對于早期的斜拉橋拉索，常常通過向PE管或鋼管中壓注水泥漿來進行腐蝕防護，這是由于水泥的堿性對鋼材提供積極的防腐作用。然而常常出現(xiàn)灌漿不滿的情況，以及水泥漿沁水的現(xiàn)象。廣州的海印橋，就是由于管道壓降工藝未能保證拉索頂部飽滿，使得水能直接接觸拉索鋼絲而發(fā)生腐蝕，最后發(fā)生了9號索斷裂事故，以及后來的15號索也有松斷現(xiàn)象。目前對于斜拉橋拉索，常常采用的防護方法為熱擠PE套管保護拉索鋼絲。這種防護方法，常常難以避免在拉索架設(shè)過程中出現(xiàn)PE套管被劃破的情況；同時，由于長時間的風(fēng)吹日曬，PE套管發(fā)生老化也會產(chǎn)生很多裂縫，即便PE套管沒有出現(xiàn)施工期間的劃破或者老化出現(xiàn)的裂縫，由于PE套管并不能完全保證氣密性，進入PE套管中的空氣在拉索內(nèi)外溫度變化時（內(nèi)熱外冷），會冷凝成液態(tài)水。這些情況下都會對拉索內(nèi)的鋼絲產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，從而降低斜拉橋拉索的可靠性。3.纜索體系防護方法斜拉橋拉索防腐體系對斜拉橋拉索基材鋼絲的防護，主要方式是對高強度鋼絲表面實施熱鍍鋅工藝或環(huán)氧材料涂層工藝，已達到在鋼絲表面形成一層致密的保護膜從而防止銹蝕的目的。對整個索體的保護，主要方式是對鋼絲束和鋼絞線熱擠高密度聚乙烯（PE）護套，或外套PE管防護，依靠PE材料氣密性、水密性、抗紫外線性能好的特點，達到防護效果。目前斜拉橋的拉索體系主要有兩種：（1）平行（半平行）鋼絲索，（2）平行（半平行）鋼絞線索，這兩種不同體系的斜拉索采用了各有特點的防腐方法，下面將對這兩種體系的構(gòu)造及防腐處理方法進行介紹。平行鋼絲索平行鋼絲索的防腐方法主要有以下幾種：塑料罩套保護法；套管壓漿法，采用聚乙烯管，鋼管，其間壓注水泥漿，這種防護法曾經(jīng)應(yīng)用于平行鋼絲拉索中，現(xiàn)在主要應(yīng)用于鋼絞線拉索防護中，平行鋼絲拉索一般不再采用。直接擠壓HDPE護套法，經(jīng)涂脂處理后按正六邊形或缺角六邊形平行并攏定型捆扎并輕度紐絞成束后，加裹高強度聚酯包帶和熱擠高溫聚乙烯塑料（簡稱HDPE）護套或染色PE護套。目前這種方法國內(nèi)外普遍應(yīng)用于平行鋼絲拉索的防護中。平行（半平行）鋼絞線索該拉索的結(jié)構(gòu)體系由兩端的錨固段，隱埋在塔梁內(nèi)部的過渡段和外露部分的中間段三部分組成。鋼絞線拉索的防護有兩種方式：一種是有粘結(jié)剛性保護，即將整根拉索穿入一根外套管中，外套管與鋼絞線之間壓注水泥漿，因其保護效果欠佳，且換索不便，目前已經(jīng)很少使用；另一種是無粘結(jié)柔性保護，通常是將每一根鋼絞線束外涂防銹油脂或鍍鋅或噴鋁后擠壓PE護套，再將若干根帶有護套的鋼絞線束組成一根拉索，在拉索外再套一層HDPE（熱擠高密度聚乙烯塑料）套管形成無粘結(jié)柔性拉索。鋼絞線拉索的防護按拉索的結(jié)構(gòu)可分為內(nèi)滲防護與外裹防護。內(nèi)滲防護是在鋼絞線的平行鋼絲之間填充塑膠物質(zhì)，所用材料一般有防銹油脂，聚乙烯塑料泡沫和水泥漿或環(huán)氧砂漿；外裹保護是在單股或單根拉索外表熱擠PE套管，外套金屬套管，預(yù)應(yīng)力套管等，外裹防護材料目前常用的是HDPE套管，PE套管，鋁合金套管等，其中HDPE套管應(yīng)用最多。我國的潤揚長江公路大橋斜拉橋部分的建設(shè)采用了平行鋼絞線拉索體系。拉索由多股無粘結(jié)高強度平行鋼絞線組成，整根拉索的防護共有三層，由單根鋼絞線外涂油脂并帶PE護套，拉索外層的HDPE外防護套等組成。緒論截止至1999年上半年，我國從事機器人及其相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品研制、生產(chǎn)的單位有200余個，研制、生產(chǎn)的各類工業(yè)的機器人約有50多種型號600臺，其中已用于生產(chǎn)的約占5/6。我國工業(yè)機器人經(jīng)過20多年的發(fā)展，已在產(chǎn)業(yè)化的道路上邁開了步伐。1998年我國工業(yè)機器人及含工業(yè)機器人的自動化生產(chǎn)線和式程項目的產(chǎn)值和銷售額已超過2億元。國家"836"高技術(shù)計劃已將中科院沈陽自動化所的機器人技術(shù)國家工程研究中心、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的博實公司、國家機械工業(yè)局北京機械工業(yè)自動工化研究所機器人中心、上海交通大學(xué)的海泰公司、上海大學(xué)的機電一體工程中心和南開大學(xué)的太陽公司等確立為智能機器人主題的六個產(chǎn)業(yè)化基地。一汽、二汽、濟南第二機床廠、中國船舶工業(yè)總發(fā)及應(yīng)用成套的大型依托企業(yè)。國家機械工業(yè)局北京自動化所從第1臺PJ-1噴涂機器人起，經(jīng)過"七五"、"八五"、"九五"攻關(guān)和十多年的開發(fā)應(yīng)用，已形成PJ-1系列噴涂機器人、PM系列自動噴涂機及龍門仿形噴涂機器人產(chǎn)品大家族，并由單一噴涂機器人產(chǎn)品發(fā)展到弧焊、搬運、碼垛、裝箱等多種機器人產(chǎn)品系列；1998年10月及1999年6月兩次首家舉辦多種工業(yè)機器人科技新成果展示會，吸引了上百家用戶；至1999年上半年共為用戶裝備了30多余工業(yè)機器檢自動生產(chǎn)線和工作站，包括130多臺工業(yè)機器人，其中95%以上機器人整機是自主開發(fā)的產(chǎn)品。汽車待業(yè)一些大的企業(yè)已能開發(fā)工業(yè)機器人及成套應(yīng)用工程進行自我裝備，如一汽與中科院沈陽自動化所聯(lián)合開發(fā)的用于大型汽車復(fù)蓋件的沖壓正常運行2年，東風(fēng)汽車公司設(shè)備制造廠開發(fā)了轎車缸體、缸蓋加工自動線含13臺襲門式機器人，也已用于神龍汽車公司襄樊工廠。濟南第二機床廠開發(fā)的含上下料機器人的高度自動化沖壓生產(chǎn)線已出口創(chuàng)匯。上海徐浦大橋建成后采用了人工涂裝的方式，即由塔頂設(shè)立定滑輪吊點。用卷揚機經(jīng)鋼絲繩帶動小車及載人和涂料的吊籃由人在高空對全部纜索實行了涂裝，不僅效率低，而且安全性差成本高。因此，利用特種機器人技術(shù)，開發(fā)一種自動纜索爬升并能完成一定作業(yè)任務(wù)的大傾斜度纜索機器人，是交通基礎(chǔ)建設(shè)與維護的必然要求，不僅給斜拉橋纜索的檢測和維護作業(yè)提供重要手段，而且也可應(yīng)用與類似的斜拉結(jié)構(gòu)上。斜拉橋以其優(yōu)美的外觀及良好的抗震性越來越得到橋梁設(shè)計師的青睞。針對現(xiàn)代斜拉橋?qū)Π踩兔烙^的越來越高要求，提出用大傾斜度纜索機器人進行高空纜索檢測和維護的新方法。采用電驅(qū)動摩擦輪壓緊使機器人沿纜索連續(xù)爬升或氣驅(qū)動氣缸夾緊蠕動爬升，利用隨帶的噴涂、磁檢測等裝置，實現(xiàn)了在役纜索的涂裝、內(nèi)部檢測等作業(yè)，已在上海徐浦大橋上成功進行了現(xiàn)場試驗，取得滿意的效果。自從1956年在瑞典建成曹姆松特斜拉橋以來，到1993年全世界已有300余座斜拉橋。我國自1975年在四川云陽建成第一座斜拉橋之后，至今共建成40余座斜拉橋。斜拉橋的主要受力構(gòu)件是纜索，但其長期暴露在大氣之中，受到風(fēng)吹、日曬、雨淋和環(huán)境污染的侵蝕，其表面會受到較嚴重的破壞，這會對整座斜拉橋帶來不利的影響。因此，對纜索的有效維護是十分必要的。斜拉橋以其獨特的構(gòu)型吸引著眾多的觀光者，為現(xiàn)代化都市增添了一道亮麗的風(fēng)景線。但人們在驚嘆斜拉橋壯觀的同時，也發(fā)現(xiàn)美中不足的是大多數(shù)斜拉橋的纜索都是黑色，色彩的單調(diào)影響了斜拉橋的魅力。所以，近年來彩化斜拉橋成了許多橋梁專家追求的目標。目前，彩化斜拉橋的方法有三種，即彩色繞包、全材彩化及彩色涂裝，其中彩色涂裝是最經(jīng)濟且柔性較大的方法。到目前為止，國內(nèi)外對斜拉橋纜索進行彩色涂裝主要采用兩種方法，一種是針對小型斜拉橋使用液壓升降平臺進行纜索涂裝，另一種是利用預(yù)先裝好的塔頂?shù)亩c，用鋼絲托動吊籃搭載工作人員沿纜索進行涂裝。前一種方法的工作范圍十分有限，后一種方法是許多斜拉橋采用的普遍方法，但采用人工方法進行高空涂裝作業(yè)不僅效率低、成本高，而且危險性大，尤其是在風(fēng)雨天就更加危險。為此，上海交通大學(xué)機器人研究所于1997年與上海黃浦江大橋工程建設(shè)處合作研制了一臺斜拉橋纜索涂裝維護機器人樣機。該機器人系統(tǒng)由兩部分組成，一部分是機器人本體，一部分是機器人小車。機器人本體可以沿各種傾斜度的纜索爬升，在高空纜索上自動完成檢查、打磨、清洗、去靜電、底涂和面涂及一系列的維護工作。機器人本體上裝有CCD攝像機，可隨時監(jiān)視工作情況。另一部分地面小車，用于安裝機器人本體并向機器人本體供應(yīng)水、涂料，同時監(jiān)控機器人的高空工作情況。機器人具有以下功能：沿索爬升功能機器人可沿任意傾斜度的纜索爬升，可爬升的纜索標高為160米，纜索傾斜度0～90(，可適應(yīng)的纜索直徑為90～100毫米，機器人爬升速度為8米/分。纜索檢測功能機器人上裝有鋼絲繩檢測系統(tǒng)，可沿纜索檢測鋼絲是否有斷絲，以便及時更換纜索。纜索清洗功能在機器人本體上配備有各種形狀的清洗刷和特定的水基清洗液，可完成纜索去塵、脫脂和去聚乙烯表面靜電等工作。具有一定智能機器人具有良好的人機交互功能，在高空可以判斷是否到頂、風(fēng)力大小等一些環(huán)境情況，并實施相應(yīng)的動作。五．纜索檢測機器人的設(shè)計意義斜拉橋以其觀賞性好、承載能力強、跨越能力大、抗風(fēng)穩(wěn)定性高、工程造價經(jīng)濟等優(yōu)點，成為公路、鐵路及城鎮(zhèn)道路建設(shè)中大跨徑橋梁常用橋型之一，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。作為斜拉橋的主要受力部件纜索因暴露在空氣中，長期受到風(fēng)吹、日曬、雨淋及大氣中污染物的侵蝕，其表面的聚乙烯保護套會出現(xiàn)隆起、破裂等現(xiàn)象，甚至保護套內(nèi)的鋼絲束會出現(xiàn)生銹、斷絲等問題，嚴重影響了斜拉橋的觀賞性并且給斜拉橋的安全埋下隱患。目前，纜索維護作業(yè)基本使用人工吊籃方式，成本高、效率低、安全性差。因此，研制纜索自動化檢測機器人對纜索有效維護是十分必要的。針對潛在的纜索維護市場,國內(nèi)外多家機構(gòu)參與了纜索維護機器人研究開發(fā)。現(xiàn)有爬纜機構(gòu)的運動方式主要有摩擦輪連續(xù)滾動式,夾緊蠕動式兩種。連續(xù)滾動式機構(gòu)由于纜索的懸垂曲線、纜索風(fēng)振動等外界因素影響,摩擦輪的預(yù)緊力較難精確調(diào)整;過大,因摩擦消耗功率就越多;過小,隨機的外部干擾會使夾緊力不足,爬升失效,多數(shù)情況下為了提高可靠性只能犧牲能耗比。夾緊蠕動式機構(gòu)對于截面尺寸有突變、表面情況惡劣的纜索具有較好的適應(yīng)能力,但爬升和夾緊運動分別由2套機構(gòu)實現(xiàn),運動較復(fù)雜,浪費了過多因夾緊所耗的時間和能源。六、纜索機器人總體設(shè)計方案纜索機器人攜帶檢測工具在高空中完成對纜索的檢測修復(fù)，在這種復(fù)雜危險的情況下完成作業(yè)，就要求機器人系統(tǒng)盡可能的小型化、輕量化，提高系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)環(huán)境的能力。為此提出機器人的性能指標為:機器人總質(zhì)量小于20kg；機器人移動速度不小于5m/min；纜索的最大傾斜角為90°；纜索的直徑為100mm。一種輪式橋梁纜索健康檢測機器人，包括輪式爬行機構(gòu)、爬行機構(gòu)自動控制系統(tǒng)兩部分組成。爬行機構(gòu)自動控制系統(tǒng)組成和工作原理：爬行機構(gòu)自動控制系統(tǒng)由控制箱、驅(qū)動器、檢測裝置、通訊模塊、電源及電機組成。檢測裝置的作用是檢測橋梁纜索外表及內(nèi)部是否有損傷，可以是但不限于電渦流檢測系統(tǒng)、磁漏檢測系統(tǒng)、超聲波檢測系統(tǒng)、照相/攝影系統(tǒng)。通訊模塊的作用是實現(xiàn)機器人同地面人員或上位計算機的聯(lián)絡(luò)，可以但不限于電磁通訊模塊、電力載波通訊模塊?？刂葡涫菣C器人的控制核心，由它實現(xiàn)機器人行進、纜索檢測、通信、障礙物的檢測等任務(wù)，并采集和保存檢測的結(jié)果?？刂葡淇梢缘幌抻谟嬎銠C、控制板、障礙檢測組成。電源的作用是給整個系統(tǒng)提供所需要的個種交直流電源，它包括供電電源和電源模塊兩部分。供電電源可以是但不限于交流電源、直流電源、可充電電池。驅(qū)動器的作用是將控制箱輸出的弱電信號經(jīng)過功率放大后驅(qū)動電機運動，可以但不限于直流電機驅(qū)動器、交流電機驅(qū)動器、直流伺服驅(qū)動器、交流伺服驅(qū)動器、步進電機驅(qū)動器。電機是系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，由它經(jīng)減速器、傳動機構(gòu)帶動小車運動，電機可以是但不限于直流電機、交流電機、直流伺服電機、交流伺服電機、步進電機。工作原理：控制箱中的計算機通過通訊模塊接受到操作人員的指令后，向控制板發(fā)出機器人的運動命令（前進、停止或返回）控制板則根據(jù)該命令通過驅(qū)動器控制電機運動。若運動中檢測到障礙，則通過計算機向控制板發(fā)出返回命令。機器人運動時，計算機根據(jù)一定時序啟動檢測裝置對纜索進行檢測，檢測結(jié)果存在計算機中，同時經(jīng)過壓縮后通過通訊模塊發(fā)送給地面設(shè)施。6.1機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計根據(jù)上述性能指標設(shè)計出的機器人的總體機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。纜索機器人包括：線性驅(qū)動器、單排鏈輪、雙排鏈輪、鏈條、滾輪、活動開口、連接管、連接桿、平行板、電機、編碼器此結(jié)構(gòu)簡單、輕便，方便安裝，工作時可以輕易的安裝在纜索上，維護方便，方便拆裝，本裝置即可用于斜拉橋，也可以用在其他斜拉設(shè)備上。機器人的傳動為：伺服電機通過減速機經(jīng)由鍵及鏈輪、鏈條、鏈輪、鍵、軸傳動至滾輪，滾輪與纜索之間的摩擦力靠彈性推進裝置維持，其彈性值應(yīng)滿足條件：μN>G(摩擦系數(shù)取0.2，設(shè)備總重量為G，彈性力大小N)若加速度為a，則F=ma=μN(爬升力，m為設(shè)備總質(zhì)量，a設(shè)備爬升加速度，N為彈性推進裝置正壓力)6．2機械結(jié)構(gòu)的說明機器人結(jié)構(gòu)框架呈正六棱柱狀，整體分為上位體和下位體兩部分，并分別設(shè)置有夾緊和移動機構(gòu)，兩體間通過連接管、連接桿等支撐機構(gòu)相連。上位體和下位體至少有一個夾緊在纜索上，通過電動機驅(qū)動滾輪實現(xiàn)機器人在纜索上連續(xù)移動。正六棱柱的上下兩個平面的連接桿上均設(shè)有活動開口，通過打開或關(guān)閉活動開口就能方便、快捷地將機器人安裝到纜索上。滾輪和線性驅(qū)動器通過平行板相連接，線性驅(qū)動器提供預(yù)緊力使機器人附著在纜索上，這就為機器人在纜索上實現(xiàn)連續(xù)移動創(chuàng)造了條件。并且，線性驅(qū)動器的行程會根據(jù)纜索的不同直徑的要求進行實時調(diào)節(jié)，從而提高了機器人對不同直徑的纜索的適應(yīng)能力。機器人框架內(nèi)部均勻安裝3套爬行機構(gòu)，即3套爬升機構(gòu)之間呈120°等間距分布，每套爬行機構(gòu)的驅(qū)動力均由電機提供。因此，機器人采用三重驅(qū)動力，并通過鏈傳動使6只滾輪都成為主動輪，這樣就能減少纜索機器人在爬升運動過程中遇到的各種阻力，增強了爬升力，保證纜索機器人在大傾度的纜索上也能夠順利工作。這種分布方式還能使牽引力分散產(chǎn)生，提高了機器人的穩(wěn)定性，有利于對纜索的檢測。另外，爬行機構(gòu)通過安裝在減速器輸出軸上的編碼器測量電機的轉(zhuǎn)速，運用速度反饋控制方式實現(xiàn)3對滾輪的同步運動，進一步增強了機器人的穩(wěn)定性。七、機構(gòu)的動力學(xué)分析7.1機器人附著力的分析實現(xiàn)機器人在纜索上運動，需要線性驅(qū)動器提供機體對纜索的附著力。根據(jù)前文的分析，機器人的全部重力僅由安裝在下位體或上位體上的6只滾輪承載，此時，機體對纜索的附著力達到最大值。假設(shè)機器人處于靜止狀態(tài)，如圖2所示，對其中一只滾輪分析可得:G1cosθ+F1=N(1)f1=G1sinθ(2)f1=μ1N(3)由式(1)～式(3)可得:F1=G1（sinθ-μ1cosθ）/μ1(4)式中:F1———線性驅(qū)動器提供的附著力;G1———由6只滾輪承載全部重力時其中一只滾輪所分擔的重力;θ———纜索傾斜角度;μ1———最大靜摩擦因數(shù)。取滑動摩擦因數(shù)μ1=0.2；最大傾斜角θ=90°；每只輪子所承受的重力為G1=33.33N；則求得最大附著力F1=166.65N,為了保證機器人的穩(wěn)定性，取F1=250N。(該圖為圖2，圖中F1與N在同一直線上，沒有β角)7.2機器人向上運動時的動力學(xué)分析最大附著力保證機體緊附在纜索上，在電機的驅(qū)動下，機器人沿纜索向上爬升。在機器人啟動的一瞬間，向上爬升的加速度很大，此時需要的驅(qū)動力最大。在機器人向上爬升的過程中，機體的受力情況如圖3所示，對其進行受力分析為:F2－f2－G2sinθ=Ma(6)N=F1+G2cosθ(7)f2=μ2N(8)由式(6)～式(8)可以得出:F2=F1μ2+G2(μ2cosθ+sinθ)+M2a(9)M2=G2/g式中:F2———機器人向上爬升時電機的驅(qū)動力;μ2———滑動摩擦因數(shù);G2———一只滾輪所承載的重力;a———機器人啟動瞬間的加速度。驅(qū)動輪的橡膠表面與纜索表面的聚乙烯材料接觸，取滑動摩擦因數(shù)μ2=0.15；為了盡快達到最大工作速度，加速度a取值0.01m/s2;當纜索垂直地面時，機器人的重力全部集中在機器人的6只滾輪上，此時每只滾輪承載機器人的重力最大，所以，在θ=90°，M2=3.33kg，G2=33.33N，a=0.01m/s2時驅(qū)動力最大，即最大驅(qū)動力F2=70.86N，取F2=100N。設(shè)此時的工作速度為5.0m/min，所以可求得電機的功率為:（10）式中:v———機器人移動的速度;η———鏈傳動的傳動效率，取值85%;K———電機功率儲備系數(shù)，一般為1.1～1.25，這里取值1.25。所以求得電機功率P=12.25W，選用電機功率20W。(該圖為圖3圖中F1與N在同一直線上，沒有β角)此時機器人工作的速度最小，電機轉(zhuǎn)矩最大，最大轉(zhuǎn)矩:TN=9.55P/n(11)式中:n———電機的轉(zhuǎn)速，r/min。滾輪半徑R=35mm，故有單排鏈輪的轉(zhuǎn)速n1為:n1=v/2πR(12)求得n1=22.75r/min，根據(jù)鏈傳動的運動特性:n/n1=z1/z(13)式中:z———雙排鏈輪齒數(shù)；z1———單排鏈輪齒數(shù)。z=16，z1=21，所以，n=29.9r/min，最大轉(zhuǎn)矩TN=8.3N·m。根據(jù)上述分析，擬選用博山金鑫減速電機廠生產(chǎn)的型號為J－SZ(ZYT)－PX系列直流減速電機，編碼器選用西安新敏電子科技有限公司生產(chǎn)的型號為IHU－5208的光電編碼器。7.3機器人向下運動時的動力學(xué)分析機器人在向上爬升的過程中，完成對纜索的檢測維護，當機器人運動到纜索的頂點，就需要對機器人進行安全回收。在對機器人回收過程中，要求機器人能夠平穩(wěn)、勻速下滑。當機器人到達纜索頂端，控制電機通過反轉(zhuǎn)從高空返回地面，為實現(xiàn)節(jié)能和故障回收，設(shè)計了基于反電動勢理論的回收方法。7.3.1、反電動勢下降分析原理當機構(gòu)斷電下滑時，電機作為發(fā)電機工作，機器人本體相當于原動機，帶動主動輪驅(qū)動電樞旋轉(zhuǎn)．在勻速轉(zhuǎn)動時，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩(T)必須與發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩(Tm)及空載損耗轉(zhuǎn)矩(To)相平衡．可以采用調(diào)節(jié)電阻(Rb)改變電流(ia)的方法來控制電磁轉(zhuǎn)矩，進而控制機構(gòu)的下降速度．此處僅考慮穩(wěn)定狀態(tài)，忽略電機電樞產(chǎn)生的內(nèi)部摩擦等非線性情況的影響．根據(jù)圖4可得：式中，UR為滑動變阻器電壓(V)，Ra為電樞電阻()，La為電樞電感(H)，Rb為可變電阻，ia為電樞電流(A)，Tm為電磁轉(zhuǎn)矩(N．m)，為磁極的磁通(wb)，為與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)(V-s／rad)，Ea為感應(yīng)電動勢(V)，n為電機轉(zhuǎn)速(r／min)．機構(gòu)下降時的驅(qū)動力矩為：（18）式中，rl為主動輪半徑(m)，F(xiàn)f為纜索作用機構(gòu)的總摩擦力(N)，To為電機摩擦轉(zhuǎn)矩(N．m)，M為機構(gòu)自重及負重(kg)。當機構(gòu)沿纜索勻速下滑時：由式(1)～(5)得出下降速度vl(m／s)：（19）此處，i為齒輪箱減速比。當軸上的機械負載發(fā)生變化時(即纜索傾角發(fā)生變化)，電動機的轉(zhuǎn)速、電動勢、電流及電磁轉(zhuǎn)矩將自動進行調(diào)整，以適應(yīng)負載的變化，達到并保持新的平衡．為保證機器人勻速下滑，可根據(jù)調(diào)整阻值Rb改變電磁轉(zhuǎn)矩來適應(yīng)機構(gòu)的不同重量、纜索的不同傾角等情況，為滿足傾斜不同角度纜索的視頻檢測要求，根據(jù)式(19)，初步選取2O、40和6O三檔大功率電阻串入控制電路調(diào)節(jié)下滑速度。7.3.2、下滑過程中對機器人的動力分析如圖5所示F3=f3－G2sinθ(15)N=F1+G2cosθ(16)f3=μ2N(17)由式(15)～式(17)可得:F3=F1(μ2cosβ－sinβ)+G2(μ2cosθ－sinθ)(18)式中:F3———機器人向下爬行時電機驅(qū)動力。八、纜索機器人輥輪軸設(shè)計1．軸徑的確定在立軸初步設(shè)計時，由于軸的各結(jié)構(gòu)尺寸（軸徑、軸的總長、軸的支承裝置及各零件尺寸等）均未知，而這些結(jié)構(gòu)尺寸又與軸徑有關(guān)，而軸徑可按扭轉(zhuǎn)強度確定軸端直徑。實心軸軸徑(mm)(4-3)空心軸軸徑（mm）（4-4）式中N--軸傳遞的功率（KW）；T軸所傳遞的扭距（Nm）；n軸的工作轉(zhuǎn)速（r/min）；許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力（N/）；A受軸材料和載荷而定的系數(shù)；a空心軸的內(nèi)徑與外徑之比。當軸截面上有一個鍵槽時，應(yīng)將求得的軸徑增大4%～5%；若有2個鍵槽時，應(yīng)增大7%～10%。軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)和形狀取決與許多因素，可根據(jù)軸上安裝零件的類型、尺寸及其配置，載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況，軸承的類型與尺寸，軸的裝配工藝要求和加工等，進行軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計。零件在軸上的定位與固定方法有：（1）軸向定位；（2）周向定位。輥軸上常用的定位方法有：（1）軸肩、軸環(huán)式；（2）套筒式；（3）平鍵固定式等。各軸段的長度主要根據(jù)軸上零件的轂長或軸上的零件配合部分的長度確定。另外，也要根據(jù)機體及軸承蓋等零件有關(guān)。本設(shè)計中，綜合考慮機體、軸承座等因素的影響。軸的具體設(shè)計尺寸如下圖所示：圖4-13．軸的強度計算圖4-2輥軸上受力與支點反力（a）輥軸上受力簡圖；（b）輥軸上垂直平面受力；（c）輥軸上水平平面受力；P——鏈條拉力；——輥輪徑向力；——輥輪圓周力圖4-3輥軸上受力與彎矩圖、當量彎矩圖（a）輥軸上垂直面受力；（b）輥軸上垂直面彎距圖；（c）輥軸上水平面上受力；（d）輥軸上水平面彎距圖；（e）輥軸上合成彎距圖；（f）輥軸上扭矩圖；（g）輥軸上當量彎矩圖A.軸的受力分析(見圖4-2)a.畫軸的受力簡圖(見圖4-2a)b.計算支承反力在水平面上(4-5)(4-6)在垂直面上(4-7)c.畫彎矩圖（見圖4-3）在水平面上，a—a剖面右側(cè)(4-8)a—a剖面左側(cè)(4-9)在垂直面上(4-10)合成彎矩，a--a剖面右側(cè)(4-11)a--a剖面左側(cè)(4-12)d．畫轉(zhuǎn)矩圖（見圖4-3）轉(zhuǎn)矩(4-13)B.判斷危險剖面顯然，由圖中a—a截面處合成彎矩最大、扭矩為T，該截面左側(cè)可能是危險剖面；b—b截面處合成彎矩不是最大，但該截面左側(cè)軸徑小于a—a截面處軸徑，故b—b截面左側(cè)也可能是危險剖面。若從疲勞強度角度考慮，a—a、b—b截面處均有應(yīng)力集中，且b—b截面處應(yīng)力集中更嚴重，故a—a截面左側(cè)和b—b截面左、右側(cè)均有可能是疲勞破壞危險剖面。C.軸的彎扭合成強度校核查得a．a(chǎn)—a截面左側(cè)(4-14)(4-15)b．b—b截面左側(cè)(4-16)b—b截面處合成彎矩：(4-17)D.軸的疲勞強度安全系數(shù)校核查得。a.a—a截面左側(cè)(4-18)查得由附表10-4絕對尺寸系數(shù)；軸經(jīng)過磨削加工表面質(zhì)量系數(shù)則彎曲應(yīng)力(4-19)應(yīng)力幅平均應(yīng)力Mpa切應(yīng)力(4-20)安全系數(shù)(4-21)(4-22)(4-23)查得許用安全系數(shù)顯然S>>,故a—a剖面安全。b.b—b截面右側(cè)抗彎截面系數(shù)(4-14)抗扭截面系數(shù)(4-18)彎曲應(yīng)力(4-19)切應(yīng)力(4-20)查得過盈配合引起的有效應(yīng)力集中系數(shù)。又。則(4-21)(4-22)(4-23)顯然，故b—b截面右側(cè)安全。c.b—b截面左側(cè)b—b截面左右側(cè)的彎矩、扭矩相同。彎曲應(yīng)力(4-19)切應(yīng)力(4-20)，查得圓角引起的有效應(yīng)力集中系數(shù)，查得絕對尺寸系數(shù)。則(4-21)(4-22)(4-23)顯然，故b—b截面左側(cè)安全。以上計算表明：軸的彎扭合成強度和疲勞強度是足夠的。九、軸承的校核高速級軸的軸承的校核初步選滾動軸承：因軸承受有徑向力和軸向力作用，選用深溝球軸承dⅡ—Ⅲ=40mm.選取0組游隙，標準的深溝球軸承6208-2Z，基本尺寸d*D*T=40*80*18mm.軸承的受力分析FrFtFV1Fv2FH1`F垂直面內(nèi)軸的受力水平面內(nèi)的受力齒輪減速器高速級傳遞的轉(zhuǎn)矩：T軸承的垂直面的支座反力分別為：F4.59N；F29.39N；所處軸承的水平面的支座反力分別為F=57.60N；F=35.75N；根據(jù)受力分析及實際情況，選擇深溝球軸承。軸承型號為：6208-2Z2、軸承受徑向力分析軸承輕微沖擊或無沖擊，查表13-6得沖擊載荷系數(shù)：軸承A受的徑向力F=57.81N；軸承B受的徑向力：F=57.81N；；3、軸承壽命計算與校核因：，則按軸承B來計算軸承壽命。L3.0510H實際工作需要的時間為L=24*300*20=144000h，故所選軸承滿足壽命要求。十、鍵的選擇與校核1、根據(jù)軸的直徑選擇鍵根據(jù)條件選取的鍵型號規(guī)格如下：圓頭普通平鍵（C型）b=12mmh=8mmL=75mm2、校核鍵的承載能力因為：鍵受到的轉(zhuǎn)距T1=147.3N·m鍵的材料為鋼，輕微沖擊，[]為100~120Mp，取[]=110Mp鍵的校核公式：（k=0.5hl=L-bd為軸的直徑）所以：鍵的強度校核：≤[]十一、控制流程針對以上分析研制的爬升機器人,我們采用PLC控制。主電機周期性正反轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)向的切換信號由兩個限位開關(guān)提供。當機器人接近纜索頂端時,安裝在上板的行程開關(guān)發(fā)出信號,PLC發(fā)出主電機停轉(zhuǎn)、放松機構(gòu)運動的指令,同時,機器人轉(zhuǎn)入下滑行程。為了保證機器人高速、有效、安全地在纜索上來回移動，即設(shè)計該機器人先以一定的加速度上升到5m/s以上，并維持一定的速度上升到離頂部適當?shù)木嚯x開始減速到頂端；下降時，先以一定的