鐵罐外壁爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+文檔】
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本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開題報告
論 文 題 目：鐵罐外壁爬行機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué) 院 ： 業(yè) 、 班 級 ： 姓 名： （職稱）：
年 1 月 2 日填
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報告要求
開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文
（設(shè)計(jì)）的有效保證。為了使這項(xiàng)工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。一、選題依據(jù)
1. 論文（設(shè)計(jì)）題目及研究領(lǐng)域；
2. 論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價值；
3. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢。二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容1.重點(diǎn)解決的問題；
2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）；
3. 本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果。三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排
1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）；
2. 論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃。四、文獻(xiàn)查閱及文獻(xiàn)綜述
學(xué)生應(yīng)根據(jù)所在學(xué)院及指導(dǎo)教師的要求閱讀一定量的文獻(xiàn)資料，并在此基礎(chǔ)上通過分析、研究、綜合，形成文獻(xiàn)綜述。必要時應(yīng)在調(diào)研、實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)的基礎(chǔ)上遞交相關(guān)的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。
五、其他要求
1. 開題報告應(yīng)在畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）工作開始后的前四周內(nèi)完成；
2. 開題報告必須經(jīng)學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會審查通過；
3. 開題報告不合格或沒有做開題報告的學(xué)生，須重做或補(bǔ)做合格后，方能繼續(xù)論文（設(shè)計(jì)）工作，否則不允許參加答辯；
4. 開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導(dǎo)教師；
5. 開題報告的內(nèi)容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張上，但封面需按統(tǒng)一格式打印）。
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一、選題依據(jù)
1. 論文（設(shè)計(jì)）題目
鐵罐外壁爬行機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2. 研究領(lǐng)域
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化—機(jī)械設(shè)計(jì)
3. 論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價值
壁面爬行機(jī)器人作為極限作業(yè)的一種特殊機(jī)器人，越來越受到人們的重視，原因是使用爬壁機(jī)器人不僅可以代替人進(jìn)行危險作業(yè)，而且可以把人們從惡劣的工作環(huán)境中解脫出來。在核工業(yè)、石化行業(yè)以及造船業(yè)等領(lǐng)域的某些特殊作業(yè)環(huán)境中，存在著一系列操作復(fù)雜、環(huán)境惡劣等嚴(yán)重限制人類作業(yè)的因素，因此，人們也更多地寄希望于爬壁機(jī)器人來對儲罐進(jìn)行視覺檢查、測厚及焊縫探傷、圓柱形大罐或球形罐的內(nèi)外壁面進(jìn)行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐、噴涂船艦體的內(nèi)、外壁等工作，從而達(dá)到完成作業(yè)同時也保護(hù)人類自身安全的雙重目的。
各石油化工企業(yè)都擁有大量的儲油、儲水罐，大部分直徑都在 20-50 m，甚至達(dá)100 m 的超大儲罐，高 10-20 m，為了延長使用壽命，需要對這些儲罐進(jìn)行定期除銹噴涂防腐工作，工作任務(wù)繁重。目前這些工作仍然以傳統(tǒng)的搭設(shè)腳手架作業(yè)方式為主， 但人工噴涂的質(zhì)量不易保證，涂料浪費(fèi)嚴(yán)重，另外儲罐內(nèi)可能殘存有害氣體，影響噴涂工人的身體健康。
為保護(hù)工人的身體健康，提高噴涂質(zhì)量，節(jié)約能源，提高勞動生產(chǎn)率等，本論文的研究圍繞在石油、石化的大型儲罐上實(shí)施機(jī)器人作業(yè)這一目標(biāo)，開展壁面爬行機(jī)器人平臺的研究，探索更加合適的機(jī)器人運(yùn)動形式，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和運(yùn)行效率，以便逐步實(shí)現(xiàn)替代人工作業(yè)的目的。
4. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢
壁面爬行機(jī)器人（簡稱爬壁機(jī)器人）是一種能夠在壁面爬行作業(yè)的特殊機(jī)器人， 它集機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、控制和信息技術(shù)等為一體，可以代替人進(jìn)行危險作業(yè)。近幾十年來，隨著科技的不斷進(jìn)步爬壁機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步，在各個行業(yè)中也得到了越來越廣泛的使用。
2002 年，日本的三菱重工集團(tuán)研發(fā)出一種輪式永磁吸附爬壁作業(yè)機(jī)器人。該機(jī)器人具有多種用途，可以攜帶噴槍、刷子和攝像頭等完成噴涂、清洗和檢測工作。噴涂機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)器人的尾部，由夾持器和噴槍組成，機(jī)器人的運(yùn)動路徑就是噴涂軌跡， 爬壁機(jī)器人直線行走形成一字形噴涂軌跡。
1998 年，哈工大研制成功了一種爬壁噴涂機(jī)器人，采用永磁吸附、履帶驅(qū)動方式，它是專門為石油化工行業(yè)的大型儲罐設(shè)計(jì)的，移動速度 2-8 m/min，負(fù)重大于 30kg，
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攜帶噴涂工具可完成罐壁噴砂除銹、噴涂防腐、測厚等工作。
2006 年，山東科技大學(xué)機(jī)器人研究中心，針對大型儲罐的除銹噴涂設(shè)計(jì)出一種新型油罐噴砂/噴涂設(shè)備。該設(shè)備安裝有與油罐輪廓線相似的對稱布置的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上對稱布置兩個機(jī)器人，其機(jī)械手具有俯仰、伸縮和噴槍劃圓功能，作業(yè)時，導(dǎo)軌帶動兩個噴涂機(jī)器人沿油罐周向運(yùn)動，半圈后，由鋼絲繩牽引軸向上升 150-200mm，再反向周向噴涂，如此反復(fù)動作完成油罐的壁面涂裝作業(yè)，形成螺旋線周向軌跡，涂層質(zhì)量較好。
2011 年，山東科技大學(xué)機(jī)器人研究中心針對船舶造修業(yè)的除銹噴涂作業(yè)研究出另外一種噴涂機(jī)器人。它有移動底座、水平移動導(dǎo)軌、豎直移動導(dǎo)軌、柱坐標(biāo)移動裝置及噴槍機(jī)構(gòu)組成，可以實(shí)現(xiàn)船艙內(nèi)各個平面和曲面的噴涂作業(yè)。移動機(jī)器人到達(dá)指定位置，噴槍一方面繞自身旋轉(zhuǎn)畫圓，另一方面沿水平導(dǎo)軌移動，形成螺旋線直線噴槍軌跡，涂層質(zhì)量較均勻。
二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容
1. 重點(diǎn)解決的問題
(1) 鐵罐外壁爬行機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)機(jī)爬行機(jī)的工作需求確定高效的工作方式， 工作原理并選擇和設(shè)計(jì)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用理論知識進(jìn)行設(shè)計(jì)及計(jì)算爬行機(jī)的工作特性，控制參數(shù)，最終得出設(shè)計(jì)結(jié)果。
(2) 分析鐵罐外壁爬行機(jī)運(yùn)動方式
2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）
(1) 查閱資料，了解做研究課題的研究意義、研究概況和發(fā)展趨勢； (2)利用現(xiàn)有的研究成果及理論知識進(jìn)行創(chuàng)新，做出總體方案設(shè)計(jì)； (3)設(shè)計(jì)計(jì)算爬行機(jī)的運(yùn)動方式，確定各個機(jī)械元件的型號尺寸； (4)進(jìn)行爬行機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
3. 本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果
通過學(xué)習(xí)及查閱有關(guān)資料掌握鐵罐外壁爬行機(jī)的工作原理以及其機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì), 了解現(xiàn)在鐵罐爬壁機(jī)的發(fā)展趨勢、相關(guān)技術(shù)的對比及市場前景。通過自主設(shè)計(jì)并選擇最合理的方案設(shè)計(jì)能夠得到以下結(jié)果：
(1) 鐵罐外壁爬行機(jī)工作原理及總體方案設(shè)計(jì)； (2)主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（裝配圖、零件圖） (3)設(shè)計(jì)說明書；
(4)鐵罐外壁爬行機(jī)相關(guān)的一篇外文翻譯（2000 字以上）。
三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排
1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）；
設(shè)計(jì)參數(shù)：爬壁機(jī)外形尺寸大約為 600mm×800mm×600mm，自重 10~30kg，負(fù)載重量 10~20kg，爬行速度為 80~200mm/s，清洗速度為 2~3m2/min。
技術(shù)路線：
a.查閱資料，了解做研究課題的研究意義、研究概況和發(fā)展趨勢； b.制定出鐵罐外壁爬行機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)；
c.對鐵罐外壁爬行機(jī)仿真方案的具體部分進(jìn)行理論計(jì)算； d.進(jìn)行鐵罐外壁爬行機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);
e.利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)對方案進(jìn)行校核。
2. 論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃
第一周至第三周：審題、查找資料、寫出文獻(xiàn)綜述。第四周：開題報告。
第五周至第六周：完成系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。
第七周至第八周：完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)草圖，進(jìn)行運(yùn)動參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算。 第九周至第十周：對鐵罐外壁爬行機(jī)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)、完善。第十一周至第十二周：完成所有的裝配圖和零件圖。
第十三周：總體完善，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，完善畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。第十四周：制作 PPT，打印相關(guān)文件，準(zhǔn)備答辯。
四、需要閱讀的參考文獻(xiàn)
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[15] 何富君,李浩,張瑞杰,張靈聰.儲罐爬壁機(jī)器人的噴漆機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及 ADAMS 仿真[J].制造業(yè)自動化,2013,35(21):107-110.
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附：文獻(xiàn)綜述或報告一、引言
鐵罐外壁爬行機(jī)有著很大的發(fā)展前景,國內(nèi)外也有不少組織進(jìn)行研究。爬壁機(jī)器人作為移動機(jī)器人領(lǐng)域一個重要組成部分，由于豎直壁面爬行時，機(jī)器人受重力作用需可靠的吸附力保證機(jī)器人的安全吸附，這使得機(jī)器人的壁面運(yùn)動能力有所降低，尤其是機(jī)器人的壁面過渡問題成為爬壁機(jī)器人完成大型豎直壁面檢測任務(wù) 的一大難題?，F(xiàn)如今有很多爬壁機(jī)的研究成果：將移動機(jī)構(gòu)( 車輪、履帶、腿等) 與將它吸附在壁面上的吸附機(jī)構(gòu)( 磁鐵、吸盤等，根據(jù)使用環(huán)境選擇) 組合起來實(shí)現(xiàn)的，它將地面移動技術(shù)拓展到垂直空間上，充實(shí)了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。
二、課題國內(nèi)外現(xiàn)狀
文獻(xiàn)[6][11]做的是船舶除銹爬壁機(jī)器人，除銹爬壁機(jī)器人集高壓水、真空回收、氣源、電氣信號等為一體，通過防護(hù)吊墜保障機(jī)器人爬壁作業(yè)。
機(jī)器人采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，利用間隙式永磁吸附和真空吸附相結(jié)合的方式吸附于船舶壁面。除誘爬壁機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)包括移動裝置、吸附裝置Ｗ及除鎊作業(yè)機(jī)構(gòu)裝置，其主體結(jié)構(gòu)框架如圖 1.1
圖 1.1 除繡爬壁機(jī)器人主體框架示意圖
履帶式爬壁機(jī)器人在轉(zhuǎn)向時由于履帶存在橫向摩擦力導(dǎo)致驅(qū)動力矩大，轉(zhuǎn)向困難，因此分析爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)向動力學(xué)并計(jì)算機(jī)器人轉(zhuǎn)向時的驅(qū)動力矩至關(guān)重要。爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)向是通過兩側(cè)驅(qū)動輪差速運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的，爬壁機(jī)器人的轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn)向速度也是由兩側(cè)驅(qū)動輪的運(yùn)動速度決定的。
文獻(xiàn)[15][16]對儲罐爬壁機(jī)器人提出了基于爬壁機(jī)器人平臺的 Z 字型噴涂軌跡的實(shí)現(xiàn)方法，在噴涂機(jī)構(gòu)上采用了可轉(zhuǎn)換方位的噴槍導(dǎo)軌，通過噴槍導(dǎo)軌的方位變換以及與機(jī)器人速度的配合實(shí)現(xiàn)了相互平行的噴涂軌跡，使涂面重疊區(qū)更加合理，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的噴涂效果。以及提出了自上而下的儲罐表面涂裝軌跡規(guī)劃；根據(jù)待施工面的幾何形狀將其劃分為矩形平面和邊角平面，并進(jìn)行了噴槍軌跡規(guī)劃，進(jìn)一步提高了機(jī)器人的施工效率。
為了實(shí)現(xiàn)工作軌跡及噴涂工藝要求，噴涂機(jī)器人應(yīng)具有 6 個自由度，以實(shí)現(xiàn)噴槍高度調(diào)節(jié)、噴涂行程轉(zhuǎn)換、噴涂速度調(diào)節(jié)、噴射角度調(diào)節(jié)、噴槍間距調(diào)節(jié)功能。分別由移動座垂直升降機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、水平移動機(jī)構(gòu)、噴槍座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及噴槍間距調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，另外爬壁機(jī)器人提供連續(xù)直線運(yùn)動。爬壁噴涂機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1.2 所示。
圖 1.2 爬壁噴涂機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)圖
文獻(xiàn)[7]參考了國內(nèi)外不同的爬壁機(jī)器人的技術(shù)基礎(chǔ)上，主要對爬壁機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)，密閉的吸附機(jī)構(gòu)，以及對不同的葉輪進(jìn)行仿真，來實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人能夠穩(wěn)定的吸附在壁面上并且可以在其上進(jìn)行移動的操作。其中主要包括機(jī)器人的總體機(jī)構(gòu)，運(yùn)動系統(tǒng)，吸附系統(tǒng)，驅(qū)動電路，上位機(jī)軟件等機(jī)器人的部件從上到下依次分別是：高速無刷電機(jī)，葉輪的支撐機(jī)構(gòu)，葉輪，機(jī)器人的殼體，最下面是有刷電機(jī)和驅(qū)動輪。機(jī)器人采用的是單吸盤負(fù)壓吸附方式，通過四輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)讓機(jī)器人在壁面平穩(wěn)運(yùn)動， 毛刷式的密封機(jī)構(gòu)保證機(jī)器人的氣體不會泄露，使其吸附可靠。高速無刷電機(jī)在機(jī)器人的殼體外面，從而可以減少對電機(jī)的負(fù)載，對機(jī)器人的傾覆力矩有降低的作用，同時可以減少對吸出的氣體的阻擋，提高機(jī)器人的性能和效率。
文獻(xiàn)[1]罐體爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，所實(shí)現(xiàn)的功能如下：①實(shí)現(xiàn)爬行機(jī)構(gòu)前后滑塊組件抬腿、落腿；②按需要調(diào)節(jié)爬壁機(jī)器人爬行動作速度；③電磁鐵協(xié)調(diào)抬腿、落腿動作按周期性工作，為機(jī)身提供吸附力；④前行或后退過程能主動避障；
⑤打磨電機(jī)按路徑打磨壁銹。
罐體爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)采用施耐德一體化驅(qū)動方式，機(jī)器人本體控制部分主要由４臺直行電機(jī)、一臺轉(zhuǎn)向電機(jī)、一臺打磨電機(jī)、遠(yuǎn)程Ｉ／Ｏ模塊以及吸附電磁鐵組成。
圖 1.3 爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
文獻(xiàn)[13]內(nèi)壁清潔機(jī)器人的機(jī)器人單元是基于飛思卡爾 MC9S12XS12 單片機(jī)機(jī)制的四輪磁力吸附式爬壁機(jī)器人，能夠執(zhí)行前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等動作，并具有對儲油罐壁的清潔和監(jiān)測的功能；遙控器單元主要功能是控制機(jī)器人單元動作，并對視頻采集器以及清洗機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制；上位機(jī)單元采用 Visul Basic6.0 編寫完成，其主要功能是接收來自視頻采集器的數(shù)據(jù)并將儲油罐內(nèi)的圖像顯示在電腦屏幕上，而且能計(jì)算機(jī)器人的位置坐標(biāo)，對機(jī)器人定位并顯示其行進(jìn)路線，便于快速確定檢測缺陷的位置
三、發(fā)展趨勢
爬壁機(jī)器人由于其作業(yè)環(huán)境的特殊性，己經(jīng)成為機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。而爬壁機(jī)器人以其綠色環(huán)保、解放人力等優(yōu)點(diǎn)，在船舶壁面除銹、大型儲罐清理等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。一般來說，爬壁機(jī)器人工作量很大，自動化改進(jìn)需求迫切，但在壁面定位、路徑規(guī)劃、自動控制等方面的研究還不滿足應(yīng)用要求。除繡爬壁機(jī)器人工作過程中的變負(fù)載特性，給其運(yùn)動控制帶來了困難。
目前爬壁機(jī)器人不同的研究方向主要?dú)w結(jié)于吸附方式與運(yùn)動形式上兩點(diǎn)。根據(jù)上述研究現(xiàn)狀，大多數(shù)研究者是根據(jù)使用用途選用吸附方式，如在玻璃或光滑壁面上工作時，主要采用真空吸附或者仿生吸附，在鋼制壁面上主要采用磁力吸附，主要包括永磁吸附和電磁吸附; 而在復(fù)雜壁面上或者是彎曲壁面上大多采用混合吸附方式，目前爬壁機(jī)器人的吸附方式主要有真空吸附 磁力吸附、仿生吸附、靜電吸附、推力吸附、機(jī)械吸附。
四、存在問題
爬壁機(jī)器人經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展，取得了一定的成績，但是從產(chǎn)業(yè)化或者是從研究應(yīng)用來講，還有很大的差距，總體來看爬壁機(jī)器人技術(shù)還存在一些難以克服的問題:
(1) 工業(yè)應(yīng)用與樣機(jī)驗(yàn)證的差距。
(2) 運(yùn)動靈活性與吸附穩(wěn)定性之間的矛盾。(3) 仿生研究與功能性的背道而馳。
指導(dǎo)教師評閱意見（對選題情況、研究內(nèi)容、工作安排、文獻(xiàn)綜述等方面進(jìn)行評閱）
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意 教研室主任意見
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學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會意見
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