PAGE\*Arabic2PAGE水下電動機(jī)械臂總體方案設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u2170水下電動機(jī)械臂總體方案設(shè)計(jì)案例 2311041.1水下機(jī)械臂技術(shù)指標(biāo) 2139541.2水下電動機(jī)械臂整體設(shè)計(jì) 2180311.1.1機(jī)械臂自由度選擇 272271.1.2機(jī)械臂整體模型建立 3150511.1.3機(jī)械臂材料選擇 5115701.1.4驅(qū)動方式及驅(qū)動電機(jī)選擇 686771.3關(guān)鍵零件的有限元分析 7針對此類機(jī)械而言,其整體架構(gòu)較為復(fù)雜，在對其進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中需要分析相對較多的因素，特別是在水環(huán)境中運(yùn)行時，防水方面的特性更是重中之重。本部分將結(jié)合相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)，對該機(jī)械展開綜合設(shè)計(jì)，其涉及到多個方面,比較典型的包括自由度、驅(qū)動方式等。最后，本文對多樣性的元件進(jìn)行分析，并對相關(guān)指標(biāo)展開校驗(yàn)。1.1水下機(jī)械臂技術(shù)指標(biāo)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)施的客觀需求，設(shè)計(jì)過程中所涉及到的各類指標(biāo)具體參考下表：表2-1設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)本文開發(fā)的機(jī)械比較輕小，其占據(jù)的空間不大，整體架構(gòu)復(fù)雜性低，成本控制在適宜的水平，對于常規(guī)的水下作業(yè)具有良好的適用性。1.2水下電動機(jī)械臂整體設(shè)計(jì)1.1.1機(jī)械臂自由度選擇在對該系統(tǒng)展開設(shè)計(jì)時，這個因素是非常重要的部分。此外,因?yàn)槠湮稽c(diǎn)和姿勢很大程度上是利用各個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)和配合實(shí)現(xiàn)的，所以其需要將自由度提升至適宜的水平,使執(zhí)行器能夠調(diào)整至目標(biāo)位點(diǎn),假如自由度相對較大，操作流程就愈加繁雜,控制標(biāo)準(zhǔn)就更加嚴(yán)苛。反之，如果其自由度相對較小，機(jī)器臂能夠完成的動作復(fù)雜性就較低,而且往往會受到其他因素的限制。如果操作難度相對較低，其必然會使維護(hù)工作的復(fù)雜性明顯降低。本研究開發(fā)的裝置重點(diǎn)應(yīng)用了ROV，如此就可以使其可靠的完成各項(xiàng)工作任務(wù)，同時，AUV可以結(jié)合接收的指令對目標(biāo)位點(diǎn)展開調(diào)節(jié)，使其表現(xiàn)出較為理想的自由度，一般情況下只需要確保常規(guī)的樣品采集能夠符合要求。然而，在較為繁雜的水環(huán)境中，我們應(yīng)防止AUV本體運(yùn)動姿態(tài)超過一定限度，從而最大化的降低本體所產(chǎn)生的能耗，所以該裝置的自由度應(yīng)控制在適宜水平。整體來講，本文將自由度設(shè)置為5，并配置了完善的手爪功能，從而使其具有良好的應(yīng)用價值。本研究開發(fā)的設(shè)備通過多個部分構(gòu)成，其中比較典型的包括旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、手爪等，重點(diǎn)涉及到底座回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)R1、手爪回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)R5等部分，詳情參考下圖。圖2-1機(jī)械臂自由度結(jié)構(gòu)簡圖1.1.2機(jī)械臂整體模型建立結(jié)合預(yù)設(shè)的參數(shù)，臂長的極大值為450mm，抓取目標(biāo)直徑的極大值為70mm。此后本文就可以通過專業(yè)工具完成標(biāo)準(zhǔn)化的建模，得到的模型具體參考下圖。該機(jī)械臂結(jié)構(gòu)通過多個部分構(gòu)成，其中比較典型的包括底座、腕部模塊等，各部分的轉(zhuǎn)動很大程度上通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的驅(qū)動。圖2-2機(jī)械臂裝配體三維模型該機(jī)械結(jié)構(gòu)在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)最大化的降低控制部分的復(fù)雜性，而從結(jié)構(gòu)的層面而言，我們可以選擇模塊化的設(shè)計(jì)方式，即所有關(guān)節(jié)模塊都通過特定的器件構(gòu)成，其中比較典型的包括電機(jī)、傳感裝置等，各部分在設(shè)計(jì)結(jié)束之后，只需要對各部分的銜接情況進(jìn)行分析。此外，底座可以根據(jù)規(guī)范與ROV搭配應(yīng)用，而最下層能夠與指定的電機(jī)實(shí)現(xiàn)銜接，腕部模塊等各個部分的連接一般利用電機(jī)軸進(jìn)行穩(wěn)定連接，另一側(cè)主要利用軸承進(jìn)行固定，腕部末端可以利用電機(jī)軸與指定模塊進(jìn)行銜接，從而使其回轉(zhuǎn)自由度能夠達(dá)到比較理想的水平。它的整體情況具體參考下圖，電機(jī)能夠?qū)μ囟▊?cè)起到驅(qū)動的作用，兩指能夠?qū)崿F(xiàn)高度同步的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)多樣性的動作，其開合角度很大程度上受到手爪電機(jī)轉(zhuǎn)動的影響。圖2-3手爪模塊結(jié)構(gòu)圖1.1.3機(jī)械臂材料選擇機(jī)械臂的材料選取與多種因素存在緊密關(guān)聯(lián)，其中比較典型的包括工作環(huán)境、工作需求等，尤其是針對水下機(jī)械臂而言，其不但對穩(wěn)定性、實(shí)用性存在較高要求，并且其必須體現(xiàn)良好的耐腐蝕性。該機(jī)械在水中作業(yè)的過程中，其往往會受到多種因素的影響，其中比較典型的包括附加質(zhì)量力，浮力等，如果本體重量相對較小，那么它可以大幅度減小運(yùn)動慣性，從而使水動力所產(chǎn)生的影響最大化的降低。所以，在對機(jī)械臂材料進(jìn)行選型的過程中，我們必須考慮多樣性的因素，其中比較典型的包括密度、耐腐蝕性等，當(dāng)前來講，應(yīng)用較多的材料包括下述類型：1.錯合金因?yàn)槠浔砻鞔嬖谝粚友趸?，如此就明顯提升了其耐腐蝕性，所以它在水下設(shè)備的加工過程中應(yīng)用較多，對于水下機(jī)械臂的制備具有良好的適用性。比如對于6061-T6號錯合金來講，其能夠表現(xiàn)優(yōu)良的功能特性，密度達(dá)到1.72g/cm3，相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度達(dá)到310MPa。1.不銹鋼這種材料能夠表現(xiàn)出比較理想的抗腐蝕性，本設(shè)計(jì)中可供選擇的不銹鋼主要包括兩類，其分別為304和316不銹鋼。對于后者而言，其融合了一定Mo，如此就使其具有出眾的耐腐蝕性，在海水設(shè)備的制備中應(yīng)用較多，它的密度達(dá)到8.03g/cm3,而相應(yīng)的參數(shù)大約為620MPa。3.欽合金這種材料的指標(biāo)較為理想，能夠體現(xiàn)非常理想的化學(xué)性質(zhì)，因此它在諸多領(lǐng)域都表現(xiàn)出不可忽視的應(yīng)用價值。另外，這種材料的抗腐蝕性十分出眾，對于濕度較高的環(huán)境或者水環(huán)境具有良好的適用性。結(jié)合上述分析，我們可以發(fā)現(xiàn)此類材料對于水下機(jī)械臂十分適用，然而其價格相對較高，表現(xiàn)出的工藝性能不夠理想，無法實(shí)現(xiàn)有效推廣。本文開發(fā)的水下機(jī)械臂是非常典型的輕型機(jī)械臂，其空氣重量不超過3千克，對材料強(qiáng)度不存在嚴(yán)苛的要求。鋁合金與其他材料相比，其密度相對較低，加工難度不大，與鈦合金進(jìn)行對比，其經(jīng)濟(jì)性非常出眾。所以本設(shè)計(jì)主要選用6061-T6號招合金。1.1.4驅(qū)動方式及驅(qū)動電機(jī)選擇各類驅(qū)動方式都具有獨(dú)特的性質(zhì)，必須結(jié)合多方面的要素進(jìn)行考慮，其中比較典型的包括工作內(nèi)容，控制功能等，從而界定最為理想的驅(qū)動方法。本研究開發(fā)的機(jī)械體積較小，并且為了避免水資源受到污染，對位置精度進(jìn)行一定優(yōu)化，本研究重點(diǎn)采用電動驅(qū)動方式。在對其進(jìn)行具體選型的過程中，我們有必要對其驅(qū)動力矩進(jìn)行分析，因?yàn)楦麝P(guān)節(jié)的運(yùn)動速率不高，慣性力對關(guān)節(jié)模塊產(chǎn)生的影響不大，因此可以不作考慮，在這種情況下，本文重點(diǎn)對關(guān)節(jié)力矩展開分析，相應(yīng)的算術(shù)式為T=MｘL，在該式子中，M主要代表的是驅(qū)動的質(zhì)量，L在此處主要代表的是力臂，下文將大臂俯仰關(guān)節(jié)作為探討的實(shí)例，進(jìn)而對其核心參數(shù)進(jìn)行分析。對于俯仰關(guān)節(jié)而言，其實(shí)際承受的力矩相對較大，它能夠?qū)Χ鄠€部件發(fā)揮驅(qū)動作用，其中比較典型的包括大臂模塊、手爪等，而各部分的質(zhì)量可在材料屬性中進(jìn)行具體調(diào)試，即M大臂驅(qū)動＝M大臂+M小臂+M腕部+M手爪+M負(fù)載=2kg公式（2-1）驅(qū)動質(zhì)量的質(zhì)心能夠結(jié)合規(guī)范進(jìn)行測定，具體情況參考下圖，驅(qū)動力臂的極大值為L＝242mm。結(jié)合T＝MｘL進(jìn)行分析，該關(guān)節(jié)核心參數(shù)的極大值為T=48.4kg.cm結(jié)合上述方法我們可以推出其他構(gòu)件的各項(xiàng)指標(biāo)，其重點(diǎn)涉及到驅(qū)動質(zhì)量、最大驅(qū)動力矩等方面，具體情況參考下表。表2-2各關(guān)節(jié)的最大驅(qū)動力矩計(jì)算值為了能夠優(yōu)化其經(jīng)濟(jì)性，并最大化的降低其復(fù)雜程度，在確保位置精度得到保證的條件下，其總體成本應(yīng)最大化的降低，而舵機(jī)是一類功能特性十分出眾的驅(qū)動電機(jī)，其整體架構(gòu)具體參考結(jié)構(gòu)圖2-5，它通過多個部分構(gòu)成，其中比較典型的包括齒輪組、殼體等，不但能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的輸出，而且其占用的空間不大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并且能夠表現(xiàn)優(yōu)良的防水特性，可以良好的適應(yīng)水下環(huán)境。所以，為了有效降低各主要構(gòu)件的驅(qū)動質(zhì)量，我們有必要選用舵機(jī)驅(qū)動的模式。圖2-5舵機(jī)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖針對大臂俯仰關(guān)節(jié)而言，其驅(qū)動力矩的極大值應(yīng)進(jìn)行合理的設(shè)置，為確保其安全余量符合要求，結(jié)合現(xiàn)階段的舵機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，其轉(zhuǎn)矩可以設(shè)置為60kg.cm。針對小臂俯仰關(guān)節(jié)來講，為了使零件能夠符合相關(guān)的力矩標(biāo)準(zhǔn)，舵機(jī)在一般情況下應(yīng)該選用同型號，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，我們可以將其型號界定為DG-2030號，其他參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)。1.3關(guān)鍵零件的有限元分析對于此類方法而言，其重點(diǎn)是對物理系統(tǒng)負(fù)載情況進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際要求建立完善的仿真系統(tǒng)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，通過該方法能夠?qū)C(jī)械，電磁等各個層面展開仿真分析，無需在樣品加工結(jié)束之后再進(jìn)行分析。這樣不但明顯提升了設(shè)計(jì)效率，并且讓時間成本獲得良好的控制。伴隨科技的進(jìn)步，有限元法在諸多工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用，其重點(diǎn)涉及到汽車、機(jī)械制造等多個方面。通過Solidworks對目標(biāo)機(jī)械進(jìn)行三維建模之后，我們可以在特定的模塊內(nèi)對其展開研究。如果這種有限元分析的結(jié)果不能夠達(dá)到要求的時候就需要回到原來建模的模塊中對原來的模型進(jìn)行修改，然后再次進(jìn)行檢查進(jìn)行分析，從而使得分析的結(jié)果達(dá)到要求。這種方法的優(yōu)勢是不需要再次借助其他的分析軟件，而是在這一個軟件中就可以完成設(shè)計(jì)、分析以及優(yōu)化的結(jié)果，通過這種方式能夠使得零件的設(shè)計(jì)效率得到大大的提升，也使得設(shè)計(jì)的軟件結(jié)果能夠更加滿足預(yù)先的模型要求。另外要注意的一點(diǎn)是材料強(qiáng)度的問題，如果材料強(qiáng)度不足是會引發(fā)很多問題的。舉例來說，如果材料強(qiáng)度不夠，在機(jī)械臂的大臂和機(jī)械臂大臂鏈接關(guān)節(jié)在高負(fù)載的情況下，是非常容易發(fā)生變形，甚至是垮塌的。所以在機(jī)械臂的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，必須采用有限元分析的方法對機(jī)械臂的關(guān)鍵材料的強(qiáng)度進(jìn)行分析，確保材料強(qiáng)度是符合要求的。這部分連接關(guān)節(jié)的整體情況具體參考下圖，此時可根據(jù)要求對其展開研究，首先，對連接孔添加扭矩的極大值T=48.4kg.cm，繼而對其連接孔參數(shù)展開標(biāo)準(zhǔn)化的校驗(yàn)，其應(yīng)力情況具體參考圖2-9，通過該圖我們能夠發(fā)