--PAGEI-墻面打磨機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u200241.1課題背景意義 2294831.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 49041.2.1國內(nèi)履帶式行進機構(gòu)設(shè)計發(fā)展現(xiàn)狀 4248341.2.2國外履帶式行進機構(gòu)設(shè)計研究現(xiàn)狀 5144201.3主要研究內(nèi)容 6206861.4研究方法 789591.5本章小結(jié) 7135082.1設(shè)計總方案 853372.2移動單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計 8269052.3本章小結(jié) 9124903.1履帶輪及履帶輪分析 10262613.2錐齒輪參數(shù) 11204923.3直齒輪的參數(shù) 1478893.4行走機構(gòu)的驅(qū)動電機功率的預(yù)算 15199573.5本章小結(jié) 15305674.1大小錐齒輪的設(shè)計和校核 16314614.2軸Ⅰ的設(shè)計和校核 19173084.3鍵的校核 24142924.4本章小結(jié) 25225975.1軟件介紹 2518115.2建立模型 26296935.3有限元基本概念 2710745.4有限元思想 28178945.5ANSYS軟件的簡介 2910875.6ANSYS軟件提供的分析類型 31285495.7對加載系統(tǒng)支撐架結(jié)構(gòu)進行有限元分析 32267965.7.1實體建模 326425.7.2有限元結(jié)果 33170455.7.3結(jié)果分析 34167125.8優(yōu)化設(shè)計 3444395.8.1實體建模 34250605.8.2有限元結(jié)果 35323855.8.3結(jié)果分析 35195995.9模態(tài)分析 36191135.9.1各階固有頻率和振型 36234895.9.2結(jié)果分析 371前言1.1課題背景意義本次課題設(shè)計了一種墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)設(shè)計。為此我們涉及到整套機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。其中包含驅(qū)動設(shè)計，傳動設(shè)計接待系統(tǒng)以及整個計價的系統(tǒng)設(shè)計，并對其重要零部件進行了分析,優(yōu)化設(shè)計[1]。運用的是三維數(shù)模軟件,對墻壁打磨機器人及履帶型行走機構(gòu)設(shè)計完成了三維建模的繪制設(shè)計,本次設(shè)計并利用了有限元分析元件對墻壁打磨機器人的履帶型行走機構(gòu)設(shè)計完成了重要零部件的解析設(shè)計。并對其開展了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。在經(jīng)過比較分析后,對關(guān)鍵零件開展了優(yōu)化設(shè)計[2-3]。并用繪圖軟件對其進行三維數(shù)模以及CAD的繪制。其自出現(xiàn)以來,已歷經(jīng)了數(shù)十年的迅猛發(fā)展,其應(yīng)用已廣泛涉及到了軍隊、醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)村、教學(xué)、文娛、仿生等甚至人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?并影響和推動著人們的文明進步和蓬勃發(fā)展。愈來愈多的科研單位、高校、中小企業(yè)都在深入研究自動化機器人。通常來講,自動化機器人按應(yīng)用目的只能粗略地劃分工業(yè)機器人和特殊自動化機器人,但因為特殊自動化機器人已經(jīng)具備了認知、分析、判斷、動作的基本能力,屬于高度自動化的高級自動化機器人,所以當(dāng)今世界的學(xué)者們也紛紛研制了新型具備特殊能力的工業(yè)機器人,而且特殊自動化機器人的蓬勃發(fā)展也日益走向了集團化、智能化[4-5]。地面移動機器人根據(jù)運動形式可分成帶輪、腿型、履帶式、步行型和復(fù)合型五類。圖1-1履帶式行進機構(gòu)的應(yīng)用其中,由于履帶式行進管理機構(gòu)具備了承載面積大、越野特性好、可以進行原地回轉(zhuǎn)、牽引時附著特性好、良好的自動恢復(fù)和越障能力強等諸多優(yōu)勢,并且可以很好地應(yīng)對地形的多變,履帶機構(gòu)也是履帶式行進機關(guān)在設(shè)計時必須充分考慮的主要問題,因此根據(jù)通常移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則,需要各種類自動機器人必須具備如下功能:①當(dāng)行進于較長路線上時,要保證更多的車速和較小的功率;②在復(fù)雜路況(如荒灘、沼澤、斜坡等)條件下,可以保證較好的通過能力:③在復(fù)雜環(huán)境中,可以躲避障礙物:④在狹窄空間內(nèi)可以完成轉(zhuǎn)向、掉頭等;⑤綜合工程設(shè)計成輪履結(jié)合式行走機器人等[8-11]。這種設(shè)計合理克服了傳統(tǒng)履帶式移動機器人的諸多缺點使其的應(yīng)用范圍更為廣闊。希望通過本次課題對墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)設(shè)計的設(shè)計。對未來墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)設(shè)計的設(shè)計提供可靠的技術(shù)依據(jù)，以及較高的經(jīng)濟效益價值和現(xiàn)實意義。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)履帶式行進機構(gòu)設(shè)計發(fā)展現(xiàn)狀對于履帶式行進機構(gòu)的研制,中國境內(nèi)開始的相對較晚,但是在各科學(xué)院所和高等學(xué)校的努力奮斗下,還是獲得了一定的進步。沈陽自動化研究院開發(fā)的CLIMBER工業(yè)機器人的移動機構(gòu)采用了復(fù)合裝置,這種結(jié)構(gòu)使,得它具備了越障、爬樓、跨越壤溝等性能,可以在斜坡面上自由運行,還可以實行倒翻自復(fù)位[12-13]北京理工大學(xué)開發(fā)的四履腿機器人,是一個多運動模塊的小型輪履腿綜合自動化機器人,它能夠完成輪式高速運動、以履帶或腿式超越阻礙的各種模式體育運動,使得該自動化機器人能夠很好的適應(yīng)大自然體育運動和跨越障礙物[14]。哈工大機器人研究院開發(fā)的模塊化可重構(gòu)微小型機器人,一個機器人能夠單獨工作,或者能夠把幾個微小型機器人重新組成的鏈形自動化機器人和環(huán)形機器人(4)。微小型機器人構(gòu)造簡單致密、厚度小、材質(zhì)少,鏈形機器人具備越障力量好的優(yōu)點,而環(huán)形機器人則具備高車速、道路適應(yīng)性強的優(yōu)點。北京航空航天大學(xué)的可重構(gòu)履腿自動化機器人,以及中國科學(xué)院沈陽自動化所的排爆自動機器人"靈蜥-HW"[14-16]、北京市博創(chuàng)興產(chǎn)科技公司開發(fā)的特種自動機器人PAPTOR-EOD,均是我們國內(nèi)履帶型行進機構(gòu)的杰作。圖1-2履帶式行進機構(gòu)的應(yīng)用總之,履帶式行進機構(gòu)現(xiàn)已在國內(nèi)受到了高度的關(guān)注,并有著相當(dāng)廣泛的科研實用價值和社會經(jīng)濟價值。履帶自動化機器人與其他種類的移動機器人有著獨特的作用與功效,通常適用于軍工、航空航天等嚴(yán)酷環(huán)境下,但同時也對傳感器、避障、通訊等方面有著較高的需求。其可以通過智能系統(tǒng)自主導(dǎo)航、避障,或自主完成某些工作。(3)通訊網(wǎng)絡(luò)化由于互聯(lián)網(wǎng)的全球發(fā)展趨勢,人們期望借助網(wǎng)絡(luò)對移動機器人實現(xiàn)遠程導(dǎo)航監(jiān)控,這甚至能夠讓作業(yè)人員遠在大洋彼岸對監(jiān)控人員的行動情況了如指掌,機器人的使用范圍,尤其是自重構(gòu)機器人對地形環(huán)境的適應(yīng)性更強,應(yīng)用的場景也更多,必然是履帶式行走機構(gòu)的發(fā)展方向。1.2.2國外履帶式行進機構(gòu)設(shè)計研究現(xiàn)狀國外的有些發(fā)達國家早在上世紀(jì)八十年代,就開始了履帶式行走機構(gòu)的系統(tǒng)研制,經(jīng)過幾年,的經(jīng)驗累積與總結(jié),已經(jīng)獲得了相當(dāng)豐碩的成果。美國iRobot有限公司的Packbot機器人,是目前當(dāng)今世界上正在進行作戰(zhàn)環(huán)境試驗的、最順利的戰(zhàn)斗自動化機器人之一[24]。這個工業(yè)機器人在伊拉克和阿富汗的戰(zhàn)爭上就已大顯身手,Packbot的最高航速為十四千米,每充一個電池就可以行駛十三千米里程,最大涉水深度也能夠超過三米。此外,日本國內(nèi)的URBOT、NUGV和talon等型號的自動化機器人,也都相當(dāng)有名!"。機器人的移動方法分三類,他們?yōu)?有輪、履帶式和腿型,其中有輪工業(yè)機器人較為常見,使用范圍最廣泛,且擁有加速速度快、轉(zhuǎn)動靈巧、互換性強和構(gòu)造簡便等優(yōu)勢,而針對于像壤溝、臺階、電梯等這樣等復(fù)雜工作環(huán)境,則以其適應(yīng)能力較差[25]。從機械構(gòu)造特點角度來看,最具有靈活性的是長腿型機器人,但是由于它的機器構(gòu)造比較復(fù)雜而且不好操控,要想其快速平穩(wěn)的運行,尚有不少難點要克服,履帶式步行結(jié)構(gòu)的機器人和有輪式,步行構(gòu)造的機器人一樣具有很大的環(huán)境條件自適應(yīng)性,尤其是地形自適應(yīng)性.在復(fù)雜地形、復(fù)雜自然環(huán)境條件下才能維持著較大的機動性,所以怎樣使履帶型機器人可以在復(fù)雜多變的自然環(huán)境中,維持著優(yōu)秀的運動特性是履帶型自動化機器人的一項重要研發(fā)方向,同時,由于其他機構(gòu)設(shè)計或控制因素等原因也是影響其運動特性的主要原因,在綜合考量了影響履帶機器人運動特性的多種原因下,給出了一種對履帶自動化機器人的改進方法,并研究了其運動學(xué)原理和動力學(xué)特點,為了進一步深入研究其移動結(jié)構(gòu)以及控制算法,對于提高其運動特性,改善對其在各種嚴(yán)酷自然環(huán)境的適應(yīng)性,以及為各種類履帶型自動化機器人的設(shè)計提出必要的借鑒意義,有著非常重大的意義。圖1-3履帶式行進機構(gòu)的應(yīng)用1.3主要研究內(nèi)容本次課題研究的墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)設(shè)計。本文主要是對墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)設(shè)計的試驗研究,并對其工作原理、結(jié)構(gòu)特點等進行詳細的說明,對墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)設(shè)計的運動原理及作用效果進行了詳細的分析介紹，通過對其原理的分析與研究并計算出其相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)尺寸。,主要對如下內(nèi)容進行了研究：對墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)設(shè)計通過國內(nèi)外相關(guān)設(shè)備的分析。對比其結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。為本次設(shè)計的墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)設(shè)計的結(jié)構(gòu)提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。1.4研究方法在研究過程中主要采用了如下方法:(1)通過上網(wǎng)查詢相關(guān)文獻資料，對其文獻資料進行相關(guān)的部件的檢索。分析其國內(nèi)外優(yōu)秀文獻的結(jié)構(gòu)設(shè)計。(2)通過理論分析與實際相結(jié)合。通過設(shè)計分析對比市場上已有產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，進行詳細的分析介紹以及對照。分析分析其市場上現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點為設(shè)計打下出良好的基礎(chǔ)。(3)通過對其進行參數(shù)化建模。通過對其數(shù)學(xué)模型的分析與介紹。對比書，本次設(shè)計的墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)設(shè)計的干涉部位。并對其結(jié)構(gòu)進行詳細的優(yōu)化設(shè)計。1.5本章小結(jié)本章通過對國內(nèi)外墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)設(shè)計調(diào)研，了解到其具體應(yīng)用背景。通過對對國內(nèi)外墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)設(shè)計調(diào)研可以分析出其現(xiàn)有墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)設(shè)計的優(yōu)缺點，通過分析其主要的設(shè)計內(nèi)容以及主要應(yīng)用的設(shè)計方法技術(shù)路線等。掌握其核心的設(shè)計路線，并對其進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析?？偨Y(jié)歸納出其本次課題設(shè)計依據(jù)。

2方案設(shè)計2.1設(shè)計總方案圖2-1所示為本次課題設(shè)計的墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)。本次課題設(shè)計的墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)是由，移動單元，機架，傳感器，承載銜接板，電控系統(tǒng)，電源系統(tǒng)構(gòu)成。被此課題設(shè)計的墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)市為配合墻面打磨機器人設(shè)計的承載移動底盤，為模塊化設(shè)計，承載能力大通過型強，適合多種作業(yè)設(shè)備模塊化設(shè)計。由四組移動單元舉拖機架，機架內(nèi)設(shè)有電控系統(tǒng)和電源系統(tǒng)，傳感器位于整臺墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)前端，用來識別障礙物距離，以便做出響應(yīng)動作。承載銜接板用于銜接墻面打磨機器人，設(shè)有多功能卡槽，方便快捷安裝維護。圖2-1墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)2.2移動單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計由于考慮到電控及電池在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的擺放，所以我對其進行了電機內(nèi)部放置方案。且將驅(qū)動電機放放置在履帶內(nèi)部。采用錐齒輪進行換向，采用一個張緊調(diào)節(jié)輪對履帶進行調(diào)節(jié)，同時最后驅(qū)動履帶輪，如下圖2-2所示。圖2-2行走結(jié)構(gòu)示意圖1-軸01；2-電機；3-小錐齒輪；4-驅(qū)動帶輪；5-軸02；6-直齒輪01；7-直齒輪02；8-軸03；9-大錐齒輪；10-張緊調(diào)節(jié)輪；11-從動帶輪圖2-3墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)設(shè)計方案示意圖2.3本章小結(jié)本章是對墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)進行了詳細的闡述與分析。對其機械結(jié)構(gòu)大致概述了結(jié)構(gòu)的主要組成部分由傳動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和機架組成。

3驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計3.1履帶輪及履帶輪分析通過查閱機械手冊，確定同步帶主要參數(shù)如下：齒形：梯形齒距制式：模數(shù)制型號：m7節(jié)距：=21.991mm設(shè)計帶輪：（查機械設(shè)計手冊13-50）(1)初選帶輪的次數(shù)：；⑵選擇切削帶輪齒型的特殊工具類型—切出垂直齒廓的特殊工具；⑶齒槽角：2φ=2β=40°；⑷節(jié)距:=πm=QUOTEπ×7=21.98π×7=21.98mm；⑸節(jié)圓直徑:；⑹模數(shù)：；⑺齒側(cè)間隙：；=21.991mm；；2φ=40°；；；⑻名義徑向間隙：QUOTE；⑼徑向間隙：QUOTE；⑽外圓直徑：QUOTEmm（其中δ=1.750）；⑾外圓齒距：QUOTE；⑿外圓齒槽寬：；⒀齒槽深：；⒁齒槽底寬：；⒂齒根圓角半徑：；⒃；最后確定履帶的整體結(jié)構(gòu)采用同步帶來進行設(shè)計。⑴節(jié)距：=21.991；⑵齒形角：2β=40°；⑶齒根厚：σ=10.06；⑷齒高：=4.2；⑸帶高：；⑹齒頂厚：；⑺節(jié)頂距：δ=1.750；⑻帶寬：；；；=116.5mm；=21.529mm；=11.06mm；=8.036；；；；=21.991；2β=40°；σ=10.06；=4.2；；；δ=1.750；3.2錐齒輪參數(shù)一個運行設(shè)備里,錐齒輪的主要功能-換向,傳送動能。并且充分考慮到它全部在行走裝置之內(nèi),因此長度也受到限制。于是基于上述的原因,設(shè)計了大小錐齒輪的具體技術(shù)參數(shù)。齒輪類型為：直齒錐齒輪；大錐齒輪的次數(shù)；小錐齒輪的次數(shù)；大錐齒輪：⑴法向模數(shù)：；⑵齒數(shù)：；⑶法向齒形角：⑷分度圓直徑：（3-1）⑸分度圓錐角：（3-2）⑹齒頂圓直徑：（3-3）=75+2×1×2.5×=78.044mm⑺齒根圓直徑：（3-4）大錐齒輪：78.044mm71.347mm⑻錐距：（3-5）==47.253mm⑼齒頂角：=3°1′43″（3-6）⑽齒根角：=3°47′1″⑾頂圓錐角：=55°33′9″⑿根圓錐角：=48°44′25″⒀齒寬：b=25mm47.253mmb=25mm小錐齒輪：⑴法向模數(shù)：；⑵齒數(shù)：；⑶法向齒形角：⑷分度圓直徑：⑸分度圓錐角：⑹齒頂圓直徑：=61.467mm⑺齒根圓直徑：=52.54mm⑻錐距：=47.253mm⑼齒頂角：=3°1′43″3.3直齒輪的參數(shù)在找個行行進系統(tǒng)中直指紋的主要作用是用來傳動動力。同時行進機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和尺寸也限制了這個減少零部件的個數(shù)，同時也會降低整體成本。所以我選用兩個相同的齒輪進行匹配。=1、頂隙系數(shù)。齒數(shù)z=40，模數(shù)。其具體參數(shù)如下：⑴分度圓直徑：⑵齒頂高：⑶齒根高：=3.125；；；b=25mm；=100mm；=2.5；=3.125全齒高：=2.5+3.125=5.625齒頂圓直徑：=105mm齒根圓直徑：=93.75mm齒厚：齒根寬：中心距：頂隙：3.4行走機構(gòu)的驅(qū)動電機功率的預(yù)算本次設(shè)計的墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)擬定負載200KG?？紤]到除擬定負載外，本此課題設(shè)計的墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)還可以作為其他設(shè)備的移動底盤及一些未知因素的原因，我們設(shè)計載荷按照2.5倍過載計算。墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)的工作行程速度V為：V=1m/s∴W總=四組履帶的每組驅(qū)動電機不小于：W=÷4＝2500÷4=625W所以選擇電機功率為800W的SGMAH-08A伺服電機。3.5本章小結(jié)本章介紹了墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)設(shè)計確定的傳動方式為同步帶傳動，并根據(jù)設(shè)計要求所需的轉(zhuǎn)速設(shè)計了同步帶和同步帶輪，以及選定了電動機的類型。

4關(guān)鍵部件設(shè)計校核4.1大小錐齒輪的設(shè)計和校核⑴確定齒輪類型、精度等級、材料和齒數(shù)選擇直齒圓錐齒輪8級精度齒輪，軟齒面驅(qū)動小齒輪的材質(zhì)為40Cr，經(jīng)過調(diào)制處理,堅固性為280HBS；大齒輪的材料為45鋼，調(diào)制處理HBS。初選小齒輪的齒數(shù)；大齒輪的齒數(shù)為。按齒面接觸疲勞強度設(shè)計計算（4-1）根據(jù)軸承布置方法和負荷的沖擊狀況,取K=1.8。查附件2(機械工程設(shè)計、機械設(shè)計基礎(chǔ)課程)得驅(qū)動小齒輪的最大接觸疲勞限值是：大齒輪的接觸疲勞極限為：計算接觸疲勞許用應(yīng)力：；計算小齒輪的分度圓直徑=53.856mm其中=36.1N.m（4-2）按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計計算（4-3）計算當(dāng)量齒數(shù)并查取齒形系數(shù)，兩齒輪的分度圓錐角依次為：當(dāng)量齒數(shù)為：小齒輪的彎曲疲勞極限為：大齒輪的彎曲疲勞極限為：53.856mm；；=36.1N.m；=；；；；；；計算彎曲疲勞許用應(yīng)力：大齒輪數(shù)值大，代入計算計算：==2.1635取m=2.5則：取，取；錐距為：=47.253mm（4-4）分度圓直徑為：分度圓錐角為：，2.1635齒寬：b=25mm4.2軸Ⅰ的設(shè)計和校核1.滿足扭轉(zhuǎn)強度條件，估算軸徑：（4-5）查機械設(shè)計（P362）表15-3可知=110。代入上面得值，計算可得：因軸上有一鍵槽，所以，取軸的最小直徑d=20mm。2.軸的結(jié)構(gòu)簡圖如圖4-1所示：圖4-1軸的設(shè)計簡圖3.按彎扭合成強度進行強度校核①做出軸的計算簡圖如圖4-2所示為根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸做出的受力簡圖。b=25mmd=20mm。圖4-2軸的受力簡圖②校核所需要的基本參數(shù)計算齒輪的嚙合力：A:直齒輪的齒輪嚙合力1.齒輪圓周力：=685.9N直齒輪：685.9N2.齒輪徑向力：B:錐齒輪的齒輪嚙合力齒輪圓周力：=914.533N齒輪徑向力：=202.634N齒輪軸向力：=264.078N求水平面的支反力圖如圖4-3:圖4-3水平面支反力圖計算得結(jié)果如下：錐齒輪：=914.533N=202.634N=264.078N對A點求矩：則有：=372.848N對B點求矩：則有：=-144.216N求垂直面內(nèi)的支反力，并作出彎矩圖受力分析如圖4-4所示：圖4-4垂直面支反力圖對A點求矩：則有：（其中）=-8.590N對D點求矩：則有：=-8.590N=-38.423N將上述圖4-3和圖4-4中確定的各值作為該軸的初始條件，施加在軸上，利用ANSYSWorkbench軟件的StaticStructure模塊進行有限元計算，得到的結(jié)果如圖4-5所示。圖4-5軸的變形云圖根據(jù)上述計算結(jié)果，軸上最大應(yīng)力集中在兩鍵的內(nèi)側(cè)，最大應(yīng)力24.87MPa，主要變形方式為軸的扭轉(zhuǎn)變形，最大變形量約為0.003mm。由于軸的材料為45鋼調(diào)制，屈服極限，該結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。4.3鍵的校核在整個設(shè)計流程中，因為平鍵的制造過程簡單，而且經(jīng)濟性也很高，所以所有設(shè)備在使用平鍵的情形下，均使用了平鍵。而平鍵的最重要破壞表現(xiàn)形式，是作業(yè)面被壓潰;在重大過載時，還可以出現(xiàn)鍵被的剪切應(yīng)力。但是，在通常情形下只按工作表面上的擠壓應(yīng)力大小采用強度校核運算。因為在軸一上的鍵其結(jié)構(gòu)尺度很小，受力也很大。所以在這里就僅校驗了該鍵，其他的可以不予與校驗。普通平鍵的強度條件：（4-6）其中 T傳遞扭矩：；鍵與輪轂鍵槽的接觸高度：鍵的工作長度，圓頭平鍵為：軸的直徑=42.47由于鍵的材料為45，同時其載荷性質(zhì)為輕微沖擊，查機械設(shè)計（P-106）表6-2可得：所以，鍵滿足要求。4.4本章小結(jié)本章主要對行走機構(gòu)履帶輪內(nèi)受力情況相對最危險的軸力學(xué)分析，并使用有限元軟件校核軸的強度，最終確認所設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)滿足墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。5三維建模及有限元優(yōu)化設(shè)計5.1軟件介紹Solidworks的設(shè)計軟件。是全球應(yīng)用最廣泛的三維設(shè)計軟件，它通過三維設(shè)計軟件與CAD技術(shù)的完美結(jié)合及其效果二次的開發(fā)。，可以使得在結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。我們通過對相關(guān)資料的檢索，書籍的查閱以及網(wǎng)上資源的分析?？梢粤私獾絪olidworks設(shè)計軟件是行業(yè)內(nèi)最為多的應(yīng)用設(shè)計軟件之一。從1999年開始至今，solidworks設(shè)計軟件已封閉，全球成為最大的三維軟件設(shè)計平臺。其良好的人機交互性能可以方便設(shè)計師在整個設(shè)計過程中對其結(jié)構(gòu)性能的分析理解應(yīng)用。其二維仿真軟件以及三維仿真軟件都使用，融入在solidworks設(shè)計軟件當(dāng)中。其有著豐富的擴展模塊和較高自由度的開發(fā)平臺，可為設(shè)計師提供二次開發(fā)，以方便其對進行結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中的便捷性操作。目前國內(nèi)外大小廠均采用solidworks進行設(shè)計軟件，其入門門檻低是其主要的特點。通過對其結(jié)構(gòu)分析，我們可以對其簡單的操作。通過對蛟山的分析，我們可以快速地掌握其整個三維空間打造以及建模的步驟。Solidworks設(shè)計軟件實習(xí)windows平臺的第1款三維設(shè)計軟件，其應(yīng)用發(fā)展規(guī)律完全符合于現(xiàn)在的機械設(shè)計，軟件行業(yè)虛準(zhǔn)要求其內(nèi)部向，有cad及CAD模塊可以廣泛地應(yīng)用于在市場各個環(huán)節(jié)充分占領(lǐng)各個市場份額。所有的words設(shè)計軟件包含安全許可證28萬分。這也使得solidworks三維設(shè)計軟件培養(yǎng)了一批高質(zhì)量高素質(zhì)的專業(yè)公司。有許多大學(xué)及科技公司對其進行了二次開發(fā)，使得軟件完全符合其現(xiàn)在的發(fā)展生活需求以及結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的高端需求。目前薩拉沃克斯是設(shè)計軟件，涵蓋了有國防食品，機車以及模具，電子醫(yī)療產(chǎn)業(yè)。以及醫(yī)療行業(yè)，電子信息技術(shù)行業(yè)日銷產(chǎn)品以及離散型制造和各級各種科研方向的領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。為此本次設(shè)計的墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)，對其進行了三維建模分析。通過對其三維空間的打造以及布零部件建模，可以良好的檢查其干涉部位，并及時對其進行修補完善優(yōu)化處理。其內(nèi)部具有較高自由度的設(shè)計。完全符合本次設(shè)計的仿真皮膚機器人的需求，以及對其運動學(xué)的分析。5.2建立模型先對各個重要零部件進行設(shè)計，完成之后對其他零部件進行設(shè)計，最后進行裝配。圖5-1部件建模展示圖5-2部件建模展示圖5-3裝配體建模展示5.3有限元基本概念近些年來計算機技術(shù)也有所進展,促進了有限元法的進步。有限元法是現(xiàn)在主要數(shù)值方法,隨著計算機科學(xué)的進展,此方法得以迅速發(fā)展起來。它以彈性理論為基礎(chǔ),不同于經(jīng)典的分析方法。有限元法將受限元法中的單個連續(xù)體理想化,將幾個有限元連接到有限個分割的有限元結(jié)構(gòu)和節(jié)點配置得非常靈活,能夠滿足每一種復(fù)雜的幾何構(gòu)造和不同的工作要求是各種各樣的單位,可以分為直線、平面、實體或稱一維的單位,以及二次元和三角,節(jié)點通常設(shè)在單位的邊上,單位可以通過與節(jié)點的聯(lián)接承受相應(yīng)的負載,形成一組有限元[17]。在此基礎(chǔ)上,假設(shè)各個單元之間都有一種基本的位移函數(shù)來近似位移分布,并運用了虛位移原理,亦即利用節(jié)點力和構(gòu)件位移的關(guān)系,來達到單元之間的力均衡[18]。通過收集了物質(zhì)內(nèi)部的特征關(guān)系,形成了關(guān)于整個物質(zhì)的平衡方程在考慮了極限條件關(guān)系的基礎(chǔ)上,通過求解方程得到節(jié)點位移,并確定每個單元的電壓單元,最接近的是離解的精確值，通過求解方程得到節(jié)點位移，并確定每個單元的電壓單元，最接近的是離解的精確值。5.4有限元思想（1）離散化方法這一步稱為單元素劃分法,它的節(jié)點連接離散的單位,一般而言,單位劃分得越細,對形狀描述也越精確,即更貼近于實際形狀結(jié)果和實際狀況相符[19]。（2）特性分析在有限元方法中,若假設(shè)節(jié)點的移動實質(zhì)上是未知的能量,則稱之為移動法。如果節(jié)點力基本上是未知量，并且解壓縮方法可以促進計算機的自動化，并且是有限元方法中最常見的方法[20]。位移法，位移、載荷、負載等都表現(xiàn)為在離散對象或結(jié)構(gòu)對象之后的節(jié)點偏移,然后是近似于原始函數(shù)偏移的近似方法,在一般的有限元分析方法中又可以叫做偏移模式或移位函數(shù)的最簡單方法。移動等效節(jié)點d作用于小區(qū)邊界。嘿嘿。必須將作用于構(gòu)件的所有力量置換成同等的接合力。（3）單元裝配利用機構(gòu)力的平衡狀態(tài)和周邊狀態(tài)，按原結(jié)構(gòu)重新連接單元，形成完整的有限元方程。如果k是整個結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；Q是節(jié)點位移矩陣；F是加載數(shù)組。（4）求解未知節(jié)點位移在計算位移的過程中，一般選用進行有限元的分析的位移。通過對其有限元的分析以及位移的計算，有些軟件有限元軟件可以自己可以自行分析及位移的大小。以各種模態(tài)下的分量大小。5.5ANSYS軟件的簡介ANSYS是美國公司對先進軟件有限組件的廣泛分析。它是世界上增長最快的計算機輔助工程(光光軟件)。它可以與大多數(shù)計算機輔助設(shè)計方案(加拿大、印度)聯(lián)系起來，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換。在中國核工業(yè)、鐵道、石化、空間、機械制造業(yè)、電力、汽車和運輸、軍事防御、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工業(yè)、地質(zhì)學(xué)和采礦、水保護、日常家用電器和其他領(lǐng)域，廣泛使用。ANSYS是世界上最受歡迎的具有強大和實用功能的有限要素分析方案。中國應(yīng)用軟件應(yīng)用應(yīng)用軟件有限部件分析以及教育軟件標(biāo)準(zhǔn),ANSYS有限元應(yīng)用軟件是一種多用途的有限元電腦設(shè)計程序,可以來處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)、流體、能源、電磁場,以及碰撞等問題。分割自適應(yīng)網(wǎng)格4種方法。擴展網(wǎng)格能夠使二維網(wǎng)格擴展至三維空間網(wǎng)格。而圖形網(wǎng)格容許使用者把幾何模型分解成更簡潔的組成部分。選用了恰當(dāng)?shù)膯卧獙傩院途W(wǎng)格尺寸控制可以得到圖形網(wǎng)格。ANSYS程序的免費電源適配器功能強大,能夠直接區(qū)分復(fù)雜的型號,從而減少了網(wǎng)絡(luò)大小不一致的問題,在用戶對不同的汽車零部件進行切割和組裝時,生物醫(yī)學(xué)工程、橋梁、建筑、電子、大型機器、微計算機、體育器材等。可以由用戶通過命令編程自動得到有限元網(wǎng)格,并對網(wǎng)格的偏差作出分析和評估。之后再進行重新定義、分類并估計掩模尺寸,最后估計的偏差等于用戶定義數(shù)或用戶定義數(shù)ANSYS軟件主要由三部分組成。預(yù)處理模塊可以提供使用實體模型和網(wǎng)格規(guī)劃的強大工具,并且使用者也能夠很方便地創(chuàng)建有限元模型。實體建模在從上至下的基本實體結(jié)構(gòu)中,用戶可以把建模中最高的元件(例如,球、棱鏡)界定為主要元件,同時編程也自行界定了有關(guān)級別、線和關(guān)鍵點。用戶可以通過這個高級原語進行構(gòu)建幾何學(xué)建模,包含了二維圓、矩形、三角塊、球體、圓錐和柱。采用自上而下或自下而上的模式,使用人員可通過布爾運算編譯記錄,"建立"實體模型。ANSYS給出了完全的布爾運算,包括加法和減法。一旦為您建立了一個更復(fù)雜的實體模型,線性、曲面、體積、以及原語的大量建模運算都將大大減少。ANSYS程序中還進行了繪制、展開、旋轉(zhuǎn)、移動、展開實體模型的原始語言的可能性。作為一種附加功能,它還包括了拉動和轉(zhuǎn)動的弓、切線結(jié)構(gòu)、曲面和主體,以及自動生產(chǎn)線面的交叉,自動迷彩,自動生成,自動移動,自動恢復(fù),自動刪除等,在下面進行實體模型設(shè)計時,用戶可以在圖形的最底層創(chuàng)建模型,即先定義關(guān)鍵點,再定義相應(yīng)的線面體ANSYS所提供的結(jié)構(gòu)動力分析方法主要包括暫態(tài)動力分析方法、模態(tài)分析、簡諧反應(yīng)分析方法、以及隨機振動反應(yīng)分析方法。結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析方法也有助于判斷負載的時間變化規(guī)律,對結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的影響。從靜態(tài)視角出發(fā),動態(tài)分析考察了力負載隨時間改變,衰減程度和慣性因素的影響。分割網(wǎng)格線ANSYS為編程帶來了舒適、高效的CAD建模及網(wǎng)格分割功能。網(wǎng)絡(luò)分割分為放大網(wǎng)格、分割圖像網(wǎng)格、分割自由網(wǎng)格、分割自適應(yīng)網(wǎng)格4種方法。擴展網(wǎng)格能夠使二維網(wǎng)格擴展至三維空間網(wǎng)格。而圖形網(wǎng)格容許使用者把幾何模型分解成更簡潔的組成部分。選用了恰當(dāng)?shù)膯卧獙傩院途W(wǎng)格尺寸控制可以得到圖形網(wǎng)格。ANSYS程序的免費電源適配器功能強大,能夠直接區(qū)分復(fù)雜的型號,從而減少了網(wǎng)絡(luò)大小不一致的問題,在用戶對不同的汽車零部件進行切割和組裝時,可以由用戶通過命令編程自動得到有限元網(wǎng)格,并對網(wǎng)格的偏差作出分析和評估。之后再進行重新定義、分類并估計掩模尺寸,最后估計的偏差等于用戶定義數(shù)或用戶定義數(shù)。分析計算模塊分析與運算模型涉及構(gòu)造分析方法(直線分析方法和非線性分析、高度非線性分析)、流體力學(xué)研究分析方法、電磁場技術(shù)分析方法、聲場分析方法、壓電材料分析、物理場耦合分析方法,能夠仿真各種物理介質(zhì)的作用,以優(yōu)化靈敏度分析與解析效果。后處理模塊后處理模型能夠采用彩色輪廓顯示、梯度顯示、矢量圖示、粒子流圖示、三維幻燈片展示、透明半透明顯示等方法表示計算結(jié)果,或以圖形或曲線的形式表示并傳遞計算結(jié)果。該軟件提供了一百多個設(shè)備類型,來模擬不同的建筑結(jié)構(gòu)與材料工程。軟件的版本不同。你可以用到各種計算機設(shè)備,從電腦到大型電腦。5.6ANSYS軟件提供的分析類型結(jié)構(gòu)靜力分析靜力分析特別適合于處理慣性和衰減等對結(jié)構(gòu)沒有明顯影響的問題,運用外來力處理位移、應(yīng)力、應(yīng)力的問題。ANSYS程序中的靜力特性分析方法不但能夠?qū)崿F(xiàn)線性分析,還能夠?qū)崿F(xiàn)塑性、蠕變、膨脹、大變形、高負荷、接觸分析等的非線性分析方法。ANSYS所提供的結(jié)構(gòu)動力分析方法主要包括暫態(tài)動力分析方法、模態(tài)分析、簡諧反應(yīng)分析方法、以及隨機振動反應(yīng)分析方法。結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析方法也有助于判斷負載的時間變化規(guī)律,對結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的影響。從靜態(tài)視角出發(fā),動態(tài)分析考察了力負載隨時間改變,衰減程度和慣性因素的影響。結(jié)構(gòu)非線性分析ANSYS程序能夠處理各種材料不確定性、幾何尺寸不確定性、構(gòu)造不確定性等靜止和臨時的不確定性提問。動力分析動力分析常使用ANSYS軟件進行，該程序可用于大型柔性體的運動分析。能夠分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運動特性，并由此確定產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)荷載和變形。熱分析這個程序包括三種主要的傳熱類型。傳遞、對流、輻射。這三種傳熱類型都可以分析溫度恒定和過程變化,熱分析中還具有了模擬材料的凝固與熔化過程的溫相轉(zhuǎn)換分析能力和熱量與結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的熱耦合分析能力。電磁場分析一般用來研究電磁性問題,如電容器、渦流、電感、電場分配、流量密度、電力線功率分配、壓力、運動效應(yīng)、電路和系統(tǒng)功率損失等。另外,也可用作電磁閥、磁鐵等檢查設(shè)備的設(shè)計和分析。ANSYS的流體模塊也能夠提供流體力學(xué)數(shù)據(jù)分析。壓電的分析它用于分析結(jié)構(gòu)2D或3D，對交流（AC）、直流（DC）簡單說明和分析了已實現(xiàn)的ANSYS中處理和后處理基礎(chǔ)模塊的使用、用戶界面設(shè)計和信息存儲架構(gòu)、ANSYS文件、使用的基礎(chǔ)模塊、耦合與約束函數(shù)、處理方法、程序設(shè)計和程序設(shè)計，對網(wǎng)絡(luò)連接方案進行控制和綜合，為本軟件的未來應(yīng)用做準(zhǔn)備。5.7對加載系統(tǒng)支撐架結(jié)構(gòu)進行有限元分析實體建模建立加載系統(tǒng)支撐架結(jié)構(gòu)的三維實體模型。材料為Q235,彈性模量E=210×10E9,密度7.85g/cm3圖5-4三維模型圖5-5網(wǎng)格劃分有限元結(jié)果通過對本次墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)設(shè)計有限元分析結(jié)果應(yīng)力云圖，我們可以看到如下應(yīng)力云圖。圖5-6應(yīng)力云圖圖5-7位移云圖結(jié)果分析從分析來看支撐板應(yīng)力為大小為61.9MPa,取安全系數(shù)為1.5，滿足強度。且有重新選擇材料的空間。減輕其質(zhì)量。優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計5.8.1實體建模我們對支撐板重新仿真，跟換材料為6061鋁合金，其質(zhì)量遠低于Q235。重新進行建模分析。圖5-8三維模型圖5-9網(wǎng)格劃分5.8.2有限元結(jié)果通過對本次墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)設(shè)計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，我們對其進行了有效研究，分析如圖，下所示是優(yōu)化完的結(jié)果。圖5-10應(yīng)力云圖圖5-11位移云圖結(jié)果分析如圖，在支撐架處產(chǎn)生了最大等效應(yīng)力，大小為74.32MPa,取安全系數(shù)為1.5，則強度滿足要求小于許用應(yīng)力，剛度滿足要求。5.9模態(tài)分析其末端分析測試的其固有頻率與外界載荷無關(guān)?？傮w而言，情況等級最高的加權(quán)數(shù)大大低于較低的加權(quán)數(shù)，因此，有條件分析的主要優(yōu)勢是，動態(tài)特征可以簡單而準(zhǔn)確地反映復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其運動方程或自由自由度較低，從而大大減少衡量、分析和計算的工作量。模態(tài)分析是研究加載系統(tǒng)支撐架結(jié)構(gòu)動態(tài)性能的重要手段。各階固有頻率和振型從母代分析角度，我們可以看到其一階頻率明顯大于二級頻率能量逐級遞減，所以我們只采取了前四級頻率進行了詳細的分析。圖5-12支撐部件一階模態(tài)振型圖圖5-13支撐部件二階模態(tài)振型圖圖5-14支撐部件三階模態(tài)振型圖圖5-15支撐部件四階模態(tài)振型圖結(jié)果分析通過本次對墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)中支撐梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析可知其自振為上圖所示，通過模態(tài)分析得出前4階振型，可知其自振頻率，在其設(shè)計其他部件時，應(yīng)避開其自震頻率，防止其共振引起的極端反應(yīng)，而所選電機工作頻率為362HZ，滿足安全需求。另外在模塊化應(yīng)用的過程中也要同時考慮這個問題，所以通過本次對墻面打磨機器人履帶式行進機構(gòu)中支撐梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，我們可知其自身數(shù)據(jù)，方便與其他設(shè)備配合使用以及后期進行升級。

參考文獻[1]邢智慧.一種履帶式機器人底盤方案設(shè)計[J].冶金管理,2021(7):2.[2]鮑樹國.解析履帶式移動機器人底盤機