毕业设计说明书隧道清洁车除尘与安全.docx
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毕业设计说明书隧道清洁车除尘与安全
毕业设计说明书
隧道清洁车侧面除尘与安全装置设计
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隧道清洁车侧面除尘与安全装置设计
摘要：
为了实现机器代替人工自行完成隧道侧面除尘，本课题设计了用于隧道侧面除尘的机械手。
根据隧道侧面除尘工作的要求，提出了整体的设计方案，把整个除尘机械手分为三大部分：
一个是车载装置，二是机械手本体，三是吸尘装置。
车载装置完成整个装置的承载作用，承载着机械手本体部分和垃圾储存箱；机械手本体实现除尘动作，利用四杆机构完成沿隧道侧面轨迹做摆动，用位置传感器控制摇杆上的伺服电机，电机驱动齿轮齿条装置达到控制手臂的伸缩，完成更有效的除尘效果；吸尘装置作为对隧道墙壁的除尘工作。
整台机器结构简单，操作方便，能可靠平稳运行地代替人工达到满意的除尘效果。
关键词：
地铁隧道，除尘装置，蜗轮蜗杆升降机，机械手
Thedesignofthemanipulatoraboutdustingtothesideoftunnel
Abstract:
Inordertoachievethesubwaycompletionthatarobotcanclearbothsidesofatunnel’sdustinsteadofmanualwork,thissubjecthasdesignedtherobot.Accordingtotherequirements,theoveralldesignwasproposed.Thewholemanipulatorcanbedividedintothreeparts:
vehiclemounteddevice,robot,vacuumcleaner.Thevehiclemounteddeviceplaysaroleofloadcarryingcapacityinthewholedevise,includingrobotandgarbagestoragebox.Themanipulatorcancompletetheactionofclearingdust.TheCrank-rockermechanismswingsalongthetrackofthetunnelside,usingpositionsensortocontroltheservomotorwhichisonthejoystick.Themotordrivingtelescopicrackandpiniondevicecancontrolthestretchofarm,completingtheremovalofdustmoreeffectively.Vacuumcleanercancompletethejobofcleaningthedustoftunnelwall.Thewholemachinehassimplestructureanditiseasytooperate.Themovementisreliableandsteady.Itcanreplacetheartificialtoreachthesatisfiedeffectofcleaningdust.
Keywords:
Subwaytunnel,Dustcollectingequipment,Crank-rockermechanism,Manipulators
1绪论
1.1课题的背景及国内外现状
在现代的社会，由于城市化建设的飞速发展以及城市人口的快速增长，过量的人群活动在拥挤的城市区域，加上机动车和非机动车的大量购买造成了很大的堵塞和拥挤，使得城市里的交通充满了前所未有的压力。
这样，使得人们出行受到干扰，浪费大量宝贵的时间，为了缓解这些问题。
城市发展了轨道交通系统，现如今最先进的行之有效的交通工具便是轻轨和地铁。
现在世界上大约有一二百个城市拥有地铁，线路总长已经超过了八千多公里。
英国伦敦市内的地铁总长408公里多。
东京的地铁达2000公里，年运输量超过了100亿次。
美国就纽约就有27条，长为443公里。
巴黎的轨道交通占有率为70%。
地铁有15条线路，199公里。
俄罗斯莫斯科有一个覆盖全市区的立体交叉地铁网，长度有三百千米，拥有一百四十多个车站。
每天运输量高达800多万次，位居世界之最。
我国随着经济的发展，城市化和工业化的进程正飞速不停地前进，市区的交通状况开始严重地制约我国城市高速发展的节奏。
据统计，我国拥有100万人口的城市有34个，拥有50到100万的人口的城市也达到了43个。
目前形式下，过量的城市人群拥挤在城市狭小的范围内，加上机动车和非机动车大量的购买，交通是一大问题。
为了缓解目前这种交通状况。
我国建设了很多地铁，地铁的建设提高了交通的运行效率。
吸引了人们的实用，促进城市发展，改善了公共交通环境。
然而，地铁的快速发展也带来了另一个问题：
那就是与地铁相对应的配套设备设计和制造问题。
我国的地铁研制工作还属于发展和普及的阶段，很多配套的设施还没形成标准化的设计和生产。
所以地铁隧道的除尘工作便成为一个很重要的问题。
隧道在列车长时间运行之后存在了大量灰尘，所以便要研究除尘设备。
1.2国内外的研究现状
1.2.1机械除尘技术
利用重力、离心力、惯性力等质量力来使含有灰尘的气流中的尘粒从气流中分离出来，进行收集尘粒。
（1）重力除尘技术
重力除尘的原理是利用尘粒与气体有不一样的比重，因为灰尘受重力的影响会自动从气体中掉落分离出来。
并在管道里增加扩大部分挡板来避免气流旋窝带起已经沉降的尘粒[1]。
（2）离心力除尘技术
离心力除尘技术是利用漩涡运动使里面的气流产生的离心力来清除气里的粉尘。
含有灰尘的气体进入除尘设备的外壳和排气管之后，形成的外旋流会使粉尘在离心力的作用下移向设备的内壁，并在外旋流的带动下转到除尘器下部，由排尘孔释放出去，净化后的气体形成上升的内流，并经过排气管排放出去[2]。
（3）惯性除尘技术
惯性除尘技术是利用尘埃和气体在运动中产生的不一样的惯性力，使粉从气体
中分离。
一般是在含有气流的前方设置障碍，使得气流迅速改变方向，但此时粉尘惯性力比气体的大的多，粉尘就会离开气流，得到干净的气体[2]。
1.2.2过滤除尘技术
过滤除尘技术就是利用过滤器把含尘的气体通过过滤材料，使得粉尘
分离出来。
过滤除尘技术有两种方式——内部过滤和表面过滤。
内部过滤是把松散孔多的材料（如金属绒、玻璃纤维、硅砂、煤粒等）用一定的体积填充在容器或者结构架里作为过滤层，净化含尘气体，尘粒被过滤材料收集起来。
粉尘经滤料过滤后受到的力在不同的除尘技术中最复杂，即使有很多种过滤分离表达的方程式，但还是不足以定量表达实际情况的除尘效率。
所以才说，除尘技术是科学和实践相结合的完美的产物。
1.2.3静电除尘技术
静电除尘技术是利用强电场使含尘气体发生电离，利用气体中粉尘带电荷的原理，通过设置设备中的正负极电板来吸附灰尘，达到净化空气的目的。
静电除尘技术分为平板式和管式。
按静电除尘的作用机理，可分为电晕放电、粒子荷电、尘粒收集和清灰这四个环节。
（1）电晕放电
把非常高的直流电压加到一对电极上，其中一个点极是细导线，另一电极是管状的或者板状的，电场强度在导线表面附近很强，并随远离导线的距离增大而大幅减弱。
在含有强电场的导线表面空间内，使得原有微量自由电子迅速增加到很高的速度，通过碰撞中性气体分子，释放外层电子形成新的自由电子和正离子。
这些电子接着又被加速到一定速度，再次引起气体分子碰撞电离。
这个过程在短暂的时间里无限重复，便产生大量自由电子和正离子，这便是电离过程。
由于气体电离，在放电极周围就会产生明亮的光晕，并发出丝丝的气体爆裂声，这便称为电晕放电。
（2）粒子荷电
依据电荷具有异性相吸、同性排斥的原理，在气体电离之后形成的大量自由电子和正负粒子会向着异性电极运动，这运动便会使含尘气体中的尘粒吸附在上面，形成尘粒荷电。
（3）尘粒收集
尘粒搜集的过程就是让带点粒子在电场中获得加速的过程，使得负电荷的粒子会向着阳极电板运动，带有正电荷的粒子向着阴极移动。
（4）清灰
在电场的作用下俩极都会有很多灰尘沉积下来，所以要及时清理，防止影响电晕放电，一般是采取重锤撞击或者电磁装置抖动使得极板上的灰尘掉落在灰斗内。
1.3课题研究的目的和意义
地铁已经是一个人口聚集的公共场所，大城市里人们每天都乘坐着地铁，没有一个好的环境怎么能带给市民一个舒适的心情呢？
日复一日，年复一年。
因为地铁长时间运转，会带来很多灰尘影响到地铁环境，如果不及时清理，很有可能影响到地铁良好的运转，还会影响到乘客们所在候车厅的环境。
因此，地铁隧道的清理工作已经是一个非常重要，必须要做的工作，地铁如图1-1所示。
图1-1地铁
过去地铁大多采用人工吹扫作业的手段来进行操作，但是长时间之后发现，这样的方式工作环境太恶劣，工作效率也比较低、污染比较大大，所以对现在使用的吹扫工作方式要进行大大改进，本课题就是要研究一台工业机器人——除尘机械手，代替人工去实现地铁隧道侧面灰尘的自动清理。
2除尘机械手的设计的总体方案
2.1隧道清洁车侧面除尘与安全装置设计任务
利用本次设计，让我去了解开发设计机械产品需要哪些过程，加强我系统的运用所学的基础理论能力、巩固自身专业知识和各项技能素养，进一步的培养大学生设计、计算、分析和解决问题的能力，并会懂得如何总结、归纳，得到合理的结论，进行比较系统的机械工程训练，初步锻炼从事科学研究的工作能力，增强论文撰写和技术表述的基本能力。
奠定了基础的实际工作，来达到人培养人才的目的和要求。
课题任务是设计一台除尘机械手，代替人工做地铁隧道侧面灰尘的自动除尘工作。
其参照的原始数据和设计要求为：
（1）地铁隧道截面为圆形，其半径为4米，最高点为6.5米。
（2）手臂末段安装吸尘头，可以将机械手安装在专用的（或者改装的）车辆上,允许每单程清理半面隧道。
（3）车辆行驶的速度要求最低为15km/h。
（4）除尘机械手应能满足实际工作规范要求，保证作业精度。
（5）除尘机械手应运转平稳，工作可靠，结构简单，装卸方便，便于维修、调整。
（6）除尘机械手尽量采用通用件来降低制造成本。
（7）吸尘头与隧道内壁壁面的距离控制在四十厘米左右。
（8）选择适当的吸尘头,使得吸口能够照顾到应该清扫的面，且漏扫部分不能高于10%.
2.2隧道清洁车的设计思路
本课题要求设计一台结构简单，装卸方便，性能比较可靠，运转平稳的除尘机械手,代替人工执行地铁隧道侧面的除尘工作。
根据现场条件和作业要求,设计总体方案和除尘方式，确定对应的坐标点和自由度的数目，并选取适合的驱动力。
满足合理的方案，紧凑的结构，符合生产的要求，并且对配套设备（吸尘器和小车等）做出相应的修改要求。
通过实际调查研究研发现要利用吸尘的方式来完成除尘工作，所以考虑在机械手末端采用吸尘头作为执行器，它的运动轨迹应基本符合隧道侧面的形状，为一圆弧。
手臂可以根据隧道侧面结构进行自动调整之间的距离大小，与壁面垂直距离保持40毫米和60毫米之间；为了保证除尘的效果，吸尘器和垃圾储存箱用管道连通，把吸进的灰尘放置在垃圾存储箱里；吸尘头的运动轨迹总体上看为一螺旋线；机械手存在三个自由度：
一个转动自由度，两个移动自由度。
其中一个移动自由度，可以用小车来做沿隧道长度方向的移动来代替机械手本体的移动，所以机械手本身就只需要完成两个自由度。
机械手本身需要的两个自由度分别是一个手臂做来回摆动的自由度和一个是用于调节执行器与隧道内壁的垂直距离的移动自由度，如图2-1所示；吸尘器装置用于完成清理灰尘的工作，末端执行器装置了吸尘器的吸口部分；手臂上装一个障碍物感应器来调节伺服电机控制末端执行器躲过内壁的障碍物，机械手机架、垃圾储存箱和吸尘器等部件都安装在承载车上。
图2-1机械手自由度示意图
机械手本体的两个自由度有俩个控制方案，方案一：
利用气压液压控制机械手臂的伸缩、摆动。
方案二：
利用一个电动机提供动力源驱动手臂伸缩，再用一个电机控制转动部分。
但考虑到气压液压维修起来不如电动机方便，便选择了电机作为动力源作为驱动力。
2.3地铁隧道侧面除尘机械手的类型
机械手的基本功能是什么？
就是希望它可以按照人们的思维做出相应的工作，人们设定好位置和设计好驱动手部，它便可以通过环境自动改变动作来完成各种作业。
在空间内，一个物体在任意方向的移动都可以分解成空间三维坐标轴的三个方向的移动；当做出任意方向的转动时，都可以把它分解成空间三维坐标的三个方面的转动。
因此，在空间坐标内，任何一个物体都存在六个自由度。
沿空间三维坐标轴移动分量的总矢量便决定了空间物体位置的变化；沿空间三维坐标轴转动分量的矢量和决定着空间物体姿势的变化。
除尘机械手就相当于一个空间机构。
运动副一般是只有转动副和移动副两类。
通常来讲，一个运动链的自由度和手部运动的自由度在数量上是相等的，如图2-1，所示的RRP操作机，它的底座存在一个转动自由度，腰部存在一个移动的自由度，腕部存在一个转动的自由度，这些自由度目的是确定手部在空间的位置。
因此，由这几个部分所构成的机构，我们称之为操作机的位置机构[3]。
图2-2RRP坐标式机器人
地铁隧道侧面除尘机械手要实现自动的除尘工作就要有两个转动和一个移动这三个自由度，沿隧道长度方向的移动可由承载车来实现，所以机械手本身的两个自由度就需要去设计了，要从自身的结构得到[2]。
实现手臂在空间做特定的运动，我们有不同的运动类型，总体上分为下面的几种：
（1）三个运动互相垂直的直线运动的组合（PPP）；
（2）两个运动为直线和一个运动形式是转动（RPP）；（3）三个运动形式都是转动的组合（RRR），分别如下图所示：
图2-3PPP坐标式
图2-4RPP坐标式
图2-5RRR坐标式
1、小臂2、大臂3、立柱4、基座
地铁隧道除尘机械手实际上有三个自由度来完成的，两个移动自由度和一个转动自由度。
所以隧道的除尘机械手的类型可以归结为两个直线的运动和一个转动。
因此它的类型属于RPP型，如图2-3所示。
但是其中一个自由度靠承载小车来完成。
所以机械手本体需要两个自由度：
一个摆动（转动）和一个移动自由度（用来调整吸尘头与隧道截面垂直距离的大小）[3]。
2.4蜗轮蜗杆升降机的选取
平面连杆机构的主要特点是：
低副具有规矩的几何形状，便于加工设计；整个机构要能承受较大的载荷少不了低副的接连作用，比如说转动、移动、摆动以及一般的平面运动，都会受到较大载荷的冲击，所以低副是特别重要的。
连杆曲线具有不同的形状，可根据不同的需要来选择，可长距离的传动。
连杆机构的基本类型有:
曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构等。
要设计的机械手本体只需要两个自由度，包括一个转动自由度和一个移动自由度。
我们可以选择利用曲柄摇杆机构实现。
所有运动副是转动副的四杆机构都称为铰链四杆机构，铰链四杆机构是平面四杆机构的最基本的方式，如果组成转动副的两构件可以相对做圆周转动，便称其是周转副，如果不可以做整周转动的，便称其是摆转副。
铰链四杆机构由以下各构件组成：
连架杆：
与机架相连的构件；
连杆：
与机架没有相连，并做平面运动的构件；
机架：
机构中相对固定的构件；
曲柄：
与机架连接且能做整周转动的构件；
摇杆：
与机架相连且能做来回摆动的构件；
铰链四杆机构根据两连架杆运动状态可分为以下三种基本的类型：
（1）曲柄摇杆机构
在铰链四杆机构中，若两个连架杆中一一杆为曲柄，另一杆是只可以做往复的摆动的摇杆，则称该四杆机构为曲柄摇杆机构[15]，如图2-5所示。
图2-6曲柄摇杆机构
（2）双曲柄机构
在铰链四杆机构中，若两个连架杆都是相对机架作整周回转的曲柄，则为双曲柄机构[6]，如图2-6所示。
图2-7双曲柄机构
（3）双摇杆机构
当铰链四杆机构中的两连架杆都是摇杆时，称为双摇杆机构[15]，如图2-7所示。
图2-8双摇杆机构
在曲柄摇杆机构中，要使连架杆AB为曲柄，它一定要为四杆中的最短的杆，而且一定要满足最短杆与最长杆长度之和小于其余两杆长度之和。
考虑到通常的情形，可得出铰链四杆机构有曲柄的条件：
（1）最短杆和最长杆长度之和小于或者等于其他两杆长度之和[7]；
（2）最短杆是连架杆或者机架[6]。
2.4.1为何选取蜗轮蜗杆升降机
若选用曲柄摇杆机构，则四杆机构是一个费力杆，所以选择蜗轮蜗杆升降机，他体积小，重量轻，无噪音，可靠性高，寿命强，他能按照一定的程序准确地控制调整提升或者推进的高度，可用电机直接带动。
2.4.2蜗轮蜗杆升降机的选型
根据丝杠提升负荷和行程找出所需升降机的型号，再查提升力和提升速度表，校核提升速度满不满足要求。
如图2-9所示。
图2-9蜗轮蜗杆升降机及其参数
2.4.3机械手装置中的四杆机构的参数确定
AB代表曲柄，CD代表摇杆，AD代表机架，两个极限位置分别是CD、DM。
当AB转过一周时，铰链中心B的轨迹是以A为圆心的圆。
从图中可以看出在B经过B1、B2点时曲柄和连杆形成两次共线。
所以说，要使AB是曲柄，它必须要顺利地通过这两个共线位置,。
因此，我们能够利用这两个特殊位置来计算出它们的关系。
根据下面的一系列参数（结合上面的推导）：
摆杆
mm
其中CD和DM为两极限位置。
我们可以得出：
曲柄AB=1m
机架AD=1.6m
由于极限角度较大，我们采用相邻两杆相等的四杆机构来实现。
设定这些参数，可以形象地表达该曲柄摇杆机构的所有构件。
通过电机驱动曲柄AB做回转运动，这样就可以带动手臂CD在设定的两点之间来回摆动。
这样，电机只要做单方向转动就行了，这就是选用曲柄摇杆机构的特点[14]。
2.5机械手自由度的校核
一个构件在没有任何约束的条件下，相对于固定构件作平面运动时有三个自由度。
若组成机构的运动链有N个活动构件和一个固定构件，则动所有构件未组成运动副前活动构件相对于固定构件有3N个自由度，假如把这些构件用运动副连接而形成运动链之后，因为受运动副约束条件的限制，自由度就会减少。
把构件中每个构件相对于机架能独立运动的数目称为机构的自由度。
设这个运动链中共有Pl个低副和PH个高副，他们就会提供
个约束，故机构的自由度为：
（2-1）
隧道除尘机械手的结构示意图，如图2-9所示。
活动构件n=4,低副为PL=5，高副为PH=0，由上述公式求出机构自由度为：
除尘机械手机构主动件数目有2个，并且主动件数目等于机构的自由度数目，因此机构有确定的运动。
动力源应该有两个。
一个用来带动曲柄摇杆机构进行转动，曲柄的转动通过连接杆使得手臂可以来回摆动；另一个动力源是控制齿轮齿条的运动，来实现手臂的伸缩运动[8]。
3除尘机械手的运动及结构设计
3.1除尘机械手末端执行器运动轨迹的规划
机械手末端执行器装备一个吸尘头，吸尘头的轨迹是跟隧道截面类似的一个圆通过对隧道截面的计算，可以得到吸尘头大概的运动轨迹，已知隧道的高度、隧道路面的宽度，如图3-1所示：
已知:
m,
m,求：
根据勾股定理：
（3-1）
带入数据得：
mm
mm
图3-1隧道截面示意图
3.2除尘机械手的组成
该隧道侧面除尘机械手由三部分组成：
（1）车载装置
（2）机械手装置（3）吸尘装置，如图3-2所示。
（1）车载装置：
用于装载机械手装置和吸尘装置的车辆设备，并沿着隧道方向移动作为机械手臂一个移动自由度，它也承载所有控制机械手的装置，此车如同地铁可以直接架在轨道上沿着地铁轨道进行移动。
（2）机械手装置：
机械手装置是隧道侧面除尘机械手的核心装置，由它来完成除尘动作的主要工作。
利用电机驱动曲柄摇杆机构中的曲柄转动带动连杆从而控制摇杆可以来回的摆动。
选用由伺服电机控制齿轮齿条的传动，去控制手臂伸缩，这样手臂就可以对隧道侧面进行除尘作业了。
手臂可以自行控制与隧道侧面之间的距离，达到吸尘器能良好工作的距离。
手臂上是装有位置感应器，来躲避隧道壁面上大的障碍物（如信号灯等）。
图3-2除尘装置示意图
（3）吸尘装置：
在机械手手臂的末端安装一个吸尘头进行完成收集灰尘和其他污垢的工作。
吸尘头装在机械手手臂末端，由手臂的摆动和来回伸缩控制适合的位置，垃圾储存箱、吸尘器坐落在承载小车上。
此外，吸尘器与垃圾存放箱通过软管相连接，这样吸尘器吸进灰尘后就可以直接装在灰尘存放箱。
装在手臂上的吸尘头的运动轨迹为螺旋线，因为隧道壁面的不平整性，怕会有死角处不能被除尘到位，
为了保证清洁的良好效果，我们需要控制好吸尘头半径的大小[11]。
3.3机械手手腕回转中心的确定
位于臂部的最前端就是腕部，臂部承载的动、静负荷都与它相牵连。
很明显臂部的结构、重量和运转特性都受到腕部的影响，所以对手腕回转中心位置的要求很重要，一定要保证使机构紧凑、总重量轻一些等特点。
腕部不仅连结除尘机械手的手臂，它还有连结和支承整个机架的作用，除了保证腕部具有足够的强度、刚度外，还要全面考虑，保证使整个机架有一个合理的布局。
由于隧道除尘的工作环境是非常恶劣的，隧道不仅相当宽而且也很高，因此在设计腕部时必须充分考虑在作业中可能存在的环境会对腕部产生不好的影响。
除尘机械手的手腕回转中心的位置影响着除尘范围的大小，也影响着机械手臂的伸缩量。
因为隧道截面的半径太大，为了确保手臂能够平稳地移动，手臂的伸缩量就要愈小愈好[12]。
图3-3机械手工作区域
根据垂直平分线定理知，连结C点和M点，做线段CM的垂直平分线，设定D点为机械手的手腕回转中心，如上图D点所示相距隧道截面圆心O为1米。
手臂在距C点和M点两处的长度一样并为最长的，在垂直平分线的长度是最短的。
这样，就可以保证手臂保持最小的伸缩量去作业，达到稳定运转的效果。
如图3-3所示：
通过下列的计算：
m
m
mm
可以得出：
mm
即：
两个极限位置分别是CD和DM处，手臂工作区域为图3-3的阴影部分。
4其它部件的设计与选型
按照调研成果和实际情况，利用吸尘方式完成除尘工作，即在该除尘机械手的末端安装吸尘头，它的运动轨迹应与隧道侧面圆形轨迹大致相符。
为保证除尘效果，吸尘器与垃圾存放箱连结在一起，吸尘器吸进的灰尘会储存在收集箱里。
末端执行器的运动轨迹正常情况下为一个螺旋轨迹。
机械手本体的两个自由度可以采用电动机来提供驱动力，一个作为转动动力，另外一个作为移动动力。
手臂通过位置传感器来实现自行调节距离。
当手臂末端执行器和隧道壁的垂直距离超出一定值或者遇到障碍物后，感应器便发出一个信号反馈给位置传感器，位置传感器控制伺服电机使得手臂自行缩回；手臂与墙面之间的距离小于设定的数值时，手臂便会自动伸长[10]。
4.1电机的应用选择
（1）电动机应用选择的原则和方法
选取电动机的基本原则首先考虑电动机的主要启动速度、承受过载能和调速性能、额定功率、额定转速和机构模式等方面能不能满足工作要求；再次是在这个前提下优先采用结构简单、运行可靠、便于维护的电动机。
选择电动机的方法和主要步骤是：
（a）根据电机对工作要求，选择
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