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水轮机叶片坑内修复机器人机械臂的研制

作　者: 陈金金
导　师: 李丽荣
学　校: 青海大学
专　业: 材料学
关键词: 水轮机叶片汽蚀修复机器人机械臂样机试验
分类号: TV734.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

我国现有大中型水电站约300座，水电站在运行过程中水轮机叶片的汽蚀现象严重影响了发电效率，叶片的修复技术被广泛的应用。部分高校和科研机构对叶片修复机器人开展了大量的研究工作。目前现有的修复专用机器人的机械臂成本较高、结构复杂，结构的刚度和强度也不能完全满足坑内修复的需要。为更好地完成在机坑内进行叶片修复工作，确保机械臂结构刚度和操作灵活性，本文的任务是设计一种多关节机械臂，安装在已有的移动平台上，完成在机坑内对叶片汽蚀部位的磨削工作。本文依照机械设计原理、机器人设计原理进行了水轮机叶片修复机器人机械臂的结构设计，内容包括各关节的传动方式、直流电机型号、减速器、关节受力等的计算和选择。设计的机械臂具有四个主动关节和一个被动关节，主动关节应用转动和移动两种形式实现，被动关节利用弹簧机构实现，并利用CATIA软件对机械臂进行三维建模与运动仿真，对重要传动部件进行了强度校核。通过样机试验，机械臂满足设计和使用要求。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章引言  9-17
  1.1 课题研究背景和意义  9-11
  1.2 国内外发展现状与应用实例  11-15
    1.2.1 国内发展现状  11-14
    1.2.2 国外发展现状  14-15
  1.3 现有水轮机叶片修复机械臂存在的问题及对策  15
  1.4 论文研究内容  15-16
  1.5 论文结构安排  16-17
第2章磨削机械臂设计方法  17-22
  2.1 机械臂工作要求  17
  2.2 机械臂的设计思路和方法  17-19
    2.2.1 机械设计方法  17-18
    2.2.2 现代机械综合设计法的优势  18
    2.2.3 现代机械综合设计法的应用  18-19
  2.3 磨削机械臂的性能特征  19-20
  2.4 机械臂总体方案  20-21
    2.4.1 修磨叶片上焊缝时机械臂的动作分析  20-21
  2.5 本章小结  21-22
第3章磨削机器人机械臂的机构设计  22-43
  3.1 水轮机叶片修复机器人的组成  22-23
    3.1.1 操作机  22
    3.1.2 驱动装置  22-23
    3.1.3 控制系统  23
  3.2 磨削机器人机械臂的组成  23-24
  3.3 机械臂的结构设计  24-26
    3.3.1 机械臂自由度分析  24
    3.3.2 机械臂关节坐标形式选择  24-25
    3.3.3 传动方式选择  25-26
    3.3.4 关节构成方式选择  26
  3.4 机械臂大臂的结构设计  26-32
    3.4.1 大臂关节设计和自由度分析  26-27
    3.4.2 大臂各关节传动方式选择  27-28
    3.4.3 大臂各关节具体传动机构设计  28-32
      3.4.3.1 大臂左右摆动关节机构设计  28-29
      3.4.3.2 大臂上下升降关节机构设计  29
      3.4.3.3 大臂的前后伸缩运动机构的设计  29-32
  3.5 机械臂小臂结构设计  32-35
    3.5.1 小臂关节设计和自由度分析  32-35
      3.5.1.1 小臂上下升降关节设计  32-34
      3.5.1.2 小臂左右摆动关节设计  34-35
  3.6 机械臂小臂抗倾覆吸附装置和自适应结构的设计  35-38
    3.6.1 小臂抗倾覆吸附装置  35-36
    3.6.2 自适应弹簧装置  36-38
  3.7 末端（磨削轮）设计  38-42
    3.7.1 概述  38
    3.7.2 磨削结构的设计  38-39
    3.7.3 磨削轮参数设计  39-41
    3.7.4 磨削轮电机的选择  41-42
  3.8 支撑架的设计  42
  3.9 本章小结  42-43
第4章机械臂的尺寸设计、受力分析以及电机选择  43-61
  4.1 机械臂尺寸设计  43-45
    4.1.1 尺寸设计方法概述  43
    4.1.2 机械臂的尺寸范围  43
    4.1.3 机械臂大臂机构尺寸设计  43-45
  4.2 机械臂关节受力计算  45-48
  4.3 机械臂各关节驱动方式选择及驱动部件的选型  48-55
    4.3.1 驱动方式的选择  48-49
    4.3.2 机械臂驱动部件的选型  49-55
      4.3.2.1 机械臂大臂各关节电机参数的确定  49-54
      4.3.2.2 机械臂小臂电机参数选择  54-55
  4.4 机械臂关键部位强度校核  55-58
    4.4.1 蜗轮蜗杆传动机构受力分析  55-57
    4.4.2 蜗轮齿面接触疲劳强度验算  57
    4.4.3 蜗轮齿根弯曲疲劳强度验算  57-58
    4.4.4 蜗杆的刚度校核  58
  4.5 机械臂部分构件的材质选择  58-60
    4.5.1 选材原则  59
    4.5.2 不锈钢材料  59
    4.5.3 铝合金材料  59-60
  4.6 本章小结  60-61
第5章三维建模与样机试验  61-69
  5.1 CATIA 概述  61-62
  5.2 机械臂三维模型与样机  62-63
  5.3 机械臂样机试验  63-67
    5.3.1 试验平台简介和试验内容  64-67
  5.4 机械臂主要外形尺寸和各关节运动范围  67-68
  5.5 本章小结  68-69
结论  69-70
参考文献  70-74
致谢  74-75
作者简历  75

水轮机叶片坑内修复机器人机械臂的研制

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