畢業(yè)設計（論文）開題報告飛機表面清洗機器人結構設計與分析

附錄1燕 山 大 學本科畢業(yè)設計（論文）開題報告課題名稱：飛機表面清洗機器人結構設計與分析 學院（系）：機械工程系 年級專業(yè)：08級機電2班 學生姓名： 指導教師： 完成日期：2012年3月18日 附錄1飛機表面清洗機器人結構設計與分析一、 課題研究背景世界經(jīng)濟的繁榮，促進了航空運輸事業(yè)的飛速發(fā)展，飛機作為交通運輸?shù)闹饕ぞ哒l(fā)揮著越來越大的作用。飛機在日常使用中經(jīng)常接觸到各種各樣的污染物，如飛行時空氣中的風沙、灰塵，海上飛行時空氣中的鹽霧、酸霧等，不僅影響飛機外觀整潔，而且會造成機身腐蝕。因此飛機表面清洗作業(yè)己成為飛機保養(yǎng)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，它不但使飛機表面清潔美觀、有效地緩解和減輕腐蝕，而且可以清除蒙皮表面粘著的污染物對氣動特性帶來的不良影響，同時能保證起落架收放機構、舵軸頸部位和活動翼結合部位機構的正常運動，對提高機上電子設備的感應靈敏度也有一定好處。隨著城市現(xiàn)代化程度的提高，對飛機外觀質量和清潔度要求愈來愈高。國外民用飛機一般每隔l0日至15日必須定期清洗一次，我國軍用飛機推薦的清洗周期一般為較好地區(qū)90天、中等地區(qū)45天、惡劣地區(qū)15天、沿海地區(qū)7天。由于世界各國都在不斷裝備最新的客貨運輸飛機及軍用飛機，飛機數(shù)量不斷增加，這就使得飛機表面清洗成為一項繁重、耗時、耗資的工作。此外飛機表面的常規(guī)清洗看起來好象頗為簡單，實際卻是一個很重要、很復雜、技術性很強的工作，不當?shù)那逑捶椒〞︼w機造成新的腐蝕隱患。隨著科學技術的發(fā)展及社會的進步，飛機表面清洗的機械化、自動化問題越來越被人們所重視，飛機表面清洗設備已成為現(xiàn)代化機場不可或缺的機械設備。其原因是常規(guī)的手工刷洗方法不僅效率低，且難以滿足清洗質量要求。利用機械化飛機表面清洗設備不但可以節(jié)省勞動力，減輕工人勞動強度，提高清洗質量，而且節(jié)約了飛機地面停留時間，提高了經(jīng)濟效益。正因如此，許多大中城市的飛機場開始陸續(xù)引進飛機表面清洗設備，對飛機表面清洗設備的需求呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢。雖然目前飛機表面清洗設備是機場中的重要配套設備，然而自動化、智能化的飛機表面清洗設備一直沒有受到足夠的重視，這在很大范圍內制約了飛機表面清洗設備優(yōu)勢的發(fā)揮，使得飛機表面清洗工人的勞動強度和危險性仍然很大，清洗效率也滿足不了時代發(fā)展的要求。實現(xiàn)飛機表面清洗作業(yè)的自動化，用機器人來替代人工清洗操作，將會大大節(jié)約勞動力，降低工作人員的勞動強度，提高清洗效率，同時也降低飛機的非營運時間。所以開展機器人飛機表面清洗作業(yè)、提高飛機表面清洗作業(yè)的自動化水平，是目前急需解決的問題?；谶@種現(xiàn)狀，國外學者提出了飛機表面清洗設備機器人化的設想。其主體思想就是將機器人技術引入飛機表面清洗設備的自動控制中，使其具有機器人的功能，即在清洗飛機表面時，清洗設備能夠按照程序設定的軌跡和位置自動完成飛機表面清洗工作。目前德國、美國、日本等國家已開展了飛機表面清洗機器人的研究工作，并做了一些有益的嘗試，國外實踐表明，采用機器人清洗飛機表面一般可提高勞動生產率一倍以上，節(jié)約水資源50以上，降低工程成本50左右。目前國內對此項技術的研究尚處于空白狀態(tài)。近兒年來我國航空事業(yè)發(fā)展很快，國內幾大航空公司已經(jīng)接近或達到發(fā)達國家的水平。伴隨著航空事業(yè)的迅速發(fā)展，飛機表面清洗機器人在我國將會有很大的應用市場。二、 國內外發(fā)展狀況和研究成果飛機表面清洗技術的發(fā)展可以分為三個階段。第一階段為手工操作階段，由工人進行清刷工作。第二階段為機械輔助人工操作階段，利用專用的清洗機械輔助人工完成大型飛機的清洗任務，工作效率有所提高。第三階段為自動化清洗作業(yè)階段，自動化機械為飛機表面清洗工作提供了良好的條件和保障。1、手工操作飛機表面清洗技術最早的飛機表面清洗是由工人手持單刷進行清洗作業(yè)的，如圖1所示。圖1 人工清洗飛機表面清洗大型飛機時主要是借助于高空作業(yè)車（如圖2、圖3所示）等設備進行人工清洗，工人勞動強度大、效率低。清洗一架大型飛機，一個20人的清洗班組要耗時5h，人均揮刷近10000次以上。另外，由于飛機地面停留時間長，經(jīng)濟效益有所降低。圖2 高空作業(yè)車 圖3 高空作業(yè)平臺2、機械化飛機表面清洗技術隨著大型飛機的出現(xiàn)以及飛機數(shù)量迅速增加，純粹手工清洗操作已經(jīng)滿足不了時代對飛機清洗的高效率、高質量的要求，從而出現(xiàn)了專門用于飛機表面清洗的專用飛機表面清洗車。目前各飛機場站應用的飛機表面清洗車，如圖2、3所示，多數(shù)為利用升降平臺或舉高車改裝而成。清洗時靠升降平臺或舉高車承載清潔工首先利用噴槍噴洗滌劑，然后用高壓水槍沖洗，沖不掉的地方或飛機的關鍵部位用刷子擦去塵土及污物。清洗作業(yè)基本還屬于手工作業(yè)，方法雖簡便易行，但勞動強度大，并且清洗時存在著很大的危險隱患。首先，站在升降平臺或舉高車上的清潔工在高處作業(yè)具有一定危險性，另外飛機每一塊蒙皮對水壓的要求都不同，水槍噴射出的高壓水，容易導致飛機電子儀器設備損壞。可見，常規(guī)清洗不僅效率低，且難以滿足清洗質量，對飛機設備的安全性能也帶來了一定的危害。隨著飛機數(shù)最的增加，清洗作業(yè)也不斷增加，為了減少勞動力、削減經(jīng)費，開發(fā)全自動飛機表面清洗車顯得越來越重要了。90年代初人們開始尋求自動化和機器人技術在飛機表面清洗這一行業(yè)上的應用，并取得了很大的進步，日本、美國，德國在90年代后期相繼開發(fā)出了飛機表面清洗機器人。3、機器人飛機表面清洗技術(1)龍門式飛規(guī)表面清洗機器人1-3日本成田的新東京國際航空機場裝備了計算機控制的龍門式飛機表面清洗機器人。裝置在對應于飛機頭部、機身前部、機身下部、機身后部、主翼、水平尾翼、垂直尾翼等位置處共安裝了16臺機器人，每臺機器人手臂上安裝了清洗刷，并在各個刷子的前端和清洗機器人各處安裝了噴射水和清洗劑的噴嘴。清洗時飛機由牽引車拉入裝置內，然后利用儀器將測得的飛機準確位置傳給計算機，同時利用此數(shù)據(jù)微調清洗裝置的方位開始按一定順序自動清洗機體，機器人手臂達不到的地方或用機器人不易清洗的地方再由人工利用長刷進行清洗。利用該自動清洗機器人清洗一架巨型客機只需5名機務人員約100分鐘就能完成。這種機器人由于采用了龍門式框架結構，裝置近百米寬，對寬體大型客機的清洗非常適合，但對于一般的中小型客機的清洗就顯得不太適合了。(2)立架式移動清洗機器人美國開發(fā)的SAAMS飛機表面清洗機器人主要由運輸平臺、豎直立架、帶有6個自由度的可編程機器人三部分組成。(3)長臂式移動清洗機器人4-12德國漢薩航空公司委托普茨邁斯特公司經(jīng)過近5年的開發(fā)，研制出了長臂式飛機表面清洗機器人，如圖4所示。目前已在德國法蘭克福機場上崗工作。該清洗機器人的主要組成部分有機械系統(tǒng)、計算機、組合傳感器、機器人控制器及液壓系統(tǒng)，其核心部件是AEG公司的IRC250機器人控制器和道尼爾公司的激光器。首先利用微機對航空公司的整個機隊的飛機外形進行編程，并將飛機的機型數(shù)據(jù)輸入計算機。工作時，機器人位于飛機的兩側，利用專用激光攝像機確定出機器人的精確工作位置，利用傳感器得到飛機的三維輪廓，并將此信息送往計算機進行處理。計算機將機器人當前的位置與所存儲的飛機的數(shù)圖4 長臂式飛機表面清洗機器人據(jù)模型進行比較并由當前的位置計算出機器人的坐標。機器人開始清洗時，由裝在車后部的AEG的IRC250機器人控制器控制清洗滾刷，按照預定程序沿著飛機表面做清洗運動。清洗機器人的機械操作臂有9個自由度，它的機械臂向上可伸33米高，向外可伸27米遠，且清洗機器人可以走近飛機，所以它可以清洗任何類型的飛機。由于機器人的臂很長，它能覆蓋所有類型飛機表面的85只有機身下面等少數(shù)機器入達不到的部位或用機器人清洗不經(jīng)濟的部位需要用手工補擦。為了提高效率，手工擦洗可與機器人擦洗同時進行。通過使用機器人不僅減輕了工人的勞動強度，提高了工作效率，而且可以節(jié)省一半以上的水資源。例如，人工清洗一架波音747飛機需要100個工時，飛機在地面須停留10h，而機器人清洗僅需12個工時，飛機在地面停留23h。這樣大大縮短了飛機的地面停留時間，增加了飛行營運時間，提高了經(jīng)濟效益。4、我國飛機清洗技術的發(fā)展方向目前我國飛機表面清洗技術，基本處于手工清洗操作階段和利用專用的清洗機械輔助人工完成清洗工作階段，在智能化清洗技術方面還處于空白階段。根據(jù)我們對國內各民用、軍用機場的調查表明，各機場都存在飛機品種繁多的特點，長臂式飛機表面清洗機器人是我國飛機表面清洗車的發(fā)展方向。同時，我國在壁面清洗機器人、船體表面清洗機器人研究方面以及高空作業(yè)長臂類機器人化機械研究方面取得的進展，為我國飛機表面清洗機器人化研究提供了有益的經(jīng)驗。(1)我國清洗機器人研究概況目前，我國清洗機器人研究主要集中在用于建筑物的外墻壁、玻璃幕墻清洗的爬壁機器人，如圖5、6所示。哈爾濱工業(yè)大學13、上海大學14-15、上海交通大學16、北京航空航天大學17-18等單位在這方面的研究較多，并有產品研制成功。此類機器人起源于20世紀70年代的日本19-20，機器人主要依靠吸附力吸附在工作面上并移動。機器人按吸附功能分真空吸附、磁吸附和推力吸附三類。真空吸附機器人是通過真空泵裝置，使吸盤內腔產生負壓或由噴射器經(jīng)噴嘴將壓縮空氣噴出，使周圍形成真空，使機器人吸附在壁面上。它不受壁面材料的限制，但當壁面凹凸不平時。吸盤容易漏氣，降低了吸附力和承載力，它產生的吸附力遠小于磁吸附。磁吸附要求壁面必須是導磁材料，對壁面的凹凸適應性強，不存在漏氣問題且結構簡單。推力吸附是依靠螺旋槳或涵道風扇產生合適的推力，使機器人穩(wěn)定可靠地吸附在壁面上。圖5 壁面清洗機器人 圖6 擦窗機器人(2)我國長臂類機器人化機械研究概況所謂機器人化機器是指在傳統(tǒng)機械中引入機器人技術，使其具有機器人的功能。這一概念最早是由蔣新松院士提出來的。機器人化工程機械是工程機械的發(fā)展方向，工程機械的機器人化研究，不僅方便了工程機械作業(yè)裝置的設計、分析、校核，而且也將成熟的機器人技術應用到工程機械中，對實現(xiàn)工程機械的自動化、提升工程機械技術水平和產品檔次以及對擴展機器人應用領域無疑也具有十分重要的意義21-22。國外在工程機械機器人化方面開展了大量的研究和開發(fā)工作。如瀝青路面鋪設全自動施工系統(tǒng)、地下共同溝全自動施工系統(tǒng)、機器人化建筑機械等已成為當今國際自動化技術發(fā)展的一個重要方向。1994年日本在清除長崎火山爆發(fā)區(qū)火山土石流采取了無人化施工，施工所用的機械(挖掘機、推土機、裝載機和自卸汽車等)都是在幾千米外安全地帶操縱的。歐洲由產、學、研組成的聯(lián)合研究團體在政府資助下，在深入開展單體智能化技術研究的基礎上，開始了機群智能化技術研究和開發(fā)，標志著工程機械智能化的研究又向前邁出了一大步。我國在工程機械智能化方面的研究還處于起步階段。國家863計劃先進制造與自動化技術領域專家委員會，關于機器人技術主題重點支持了工程機械機群智能化和單機智能化。對個別機種的機器人化機器的研究已經(jīng)初步得到實際應用，這些成果極大地提高了我國工程機械在國內的競爭力，有的甚至已經(jīng)走向了國際市場，下面僅就長臂類機器人化機械研究作以簡單介紹。噴漿機器人23-29噴漿支護是現(xiàn)代建設施工中廣泛采用的支護方法，施工中也存在一些待解決的問題，如人工噴漿時回彈造成的飛沙走石使工人不敢抬頭睜眼，致使無法保持噴槍與受噴面的垂直度和最佳距離。這樣不僅浪費材料，而且混凝土結構疏密不一，不能保證噴層的質量。另外對大斷面隧道，人工噴漿需要搭腳手架，影響施工進度且費工費料。圖7 大型噴漿機器人 圖8 小型噴漿機器人國外從60年代開始采用機械手噴漿，山東科技大學機器人研究中心從1994年開始著手噴漿機器人的研制。2000年初第一臺大型噴漿機器人已完成，并在濟南高速公路的隧道施工、西安至合肥的鐵路隧道施工中開始投入使用，機器人運轉正常。該系列噴射混凝土機器人（如圖7、8所示）在同類產品中居國際領先水平。隧道鑿巖機器人30-34 圖9 隧道鑿巖機器人早期的液壓鑿巖設備全由人工操作，操作人員熟練程度的差異往往會導致嚴重的“超挖”或“欠挖”，對工程的成本和工期都會產生不利影響。為了提高隧道開挖水平，世界上幾乎所有的發(fā)達國家都推出了隧道鑿巖機器人。中南工業(yè)大學于1998年開始了隧道鑿巖機器人工程樣機的開發(fā)，現(xiàn)已完成樣機研制，如圖9所示。該機器人是雙臂型機器人，只要操作者在電腦上輸入工作界面面積和炮眼數(shù)目，機器人便自動設計鉆孔的疏密布局，并可以在任何堅硬的巖石上打出所需要的炮眼。伐根清理機器人35-36伐根清理是高效地利用伐區(qū)剩余物和伐區(qū)林地更新造林的關鍵。為了解決伐根清理中存在著勞動強度大、作業(yè)安全性差、作業(yè)效率低等問題，東北林業(yè)大學研制了一種智能型伐根清理機器人，如圖10所示。該機器人主要由行走機構、機械手、液壓驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。其中機械手安裝在具有行走功能的回轉平臺上，由回轉盤、大臂、小臂和旋切提拔裝置組成。為 圖10 伐根清理機器人能實現(xiàn)在各種不同坡度、地形進行清理伐根，機械手具有六個自由度。旋切提拔裝置由萬能切刀、提拔筒、四爪抓取機構等組成，在液壓系統(tǒng)的驅動下可以實現(xiàn)各種俯仰、旋轉、抓取動作。該機器人可在駕駛室內利用攝像鏡頭和顯示器組成的實時監(jiān)控系統(tǒng)對作業(yè)目標進行搜索，操作人員在機器人駕駛室內即可進行伐根清理作業(yè)。使用智能型伐根機器人促進人工更新造林、保護生態(tài)環(huán)境具有現(xiàn)實意義和廣闊的應用前景。林木球果采集機器人37-38圖11 林木球果采集機器人目前國內外研制了多種球果采集機，如升降機、樹干振動機等，由于這些機械本身都存在著這樣或那樣韻缺點，所以沒有被廣泛應用。目前在林區(qū)仍靠人工上樹手持專用工具來采摘林木球果，這樣不僅工人勞動強度大，作業(yè)安全性差，生產率低，而且對母樹損壞較多。為了解決這個問題，東北林業(yè)大學研制出了林木球果采集機器人，如圖11所示。該機器人由機械手、行走機構、液壓驅動系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)組成。其中機械手由回轉盤、立柱、大臂、小臂和采集爪組成，整個機械手共有5個自由度。在采集林木球果時，將機器人停放在距母樹35 m處，操縱機械手回轉馬達使機械手對準其中一棵母樹，然后單片機系統(tǒng)控制機械手大、小臂同時柔性升起達到一定高度，采集爪張開并擺動，對準要采集的樹枝，大小臂同時運動，使采集爪沿著樹枝生長方向趨近1-2m，然后采集爪的梳齒夾攏果枝，大小臂帶動采集抓爪按原路向后捋回，梳下枝上的球果，完成一次采摘，然后再重復上述動作；連捋數(shù)枝后，將球果倒入拖拉機后部的集果箱中。采集完一棵樹，再轉動機械手對準下一棵：試驗表明，這種球果采集機器人采集落葉松果是人工上樹采摘的30-35倍。另外，更換不同齒距的梳齒則可用于各種林木球果的采集。這種機器人采摘林木球果時，對母樹破壞較小，采凈率高，對森林生態(tài)環(huán)境的保護及林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展等方面都有重要的意義。消防機器人39-40圖12 消防機器人公安部上海消防研究所、上海交通大學、上海市消防局經(jīng)過3年的研究，聯(lián)合研制出我國第一臺消防機器人（如圖12所示），己通過國家“863”專家組驗收。該機器人可以行走、爬坡、跨障、噴射滅火，可以進行火場偵察。此次消防機器人的研制成功為我國消防部隊裝備自動化和智能化開辟了一個新途徑。三、 研究步驟，方法及措施針對以上關于飛機表面清洗機器人的巨大的實際意義，國內外研究成果以及國內研究發(fā)展方向的情況，通過對相關文獻和研究成果的閱讀與分析，對飛機表面清洗機器人將進行以下幾個方面研究工作：（一）對飛機表面清洗機器人本體結構進行分析與研究。對機器人載車系統(tǒng)、機器人手臂機械結構及驅動系統(tǒng)等技術進行研究。完成飛機表面清洗機械人的總體設計，完成飛機表面清洗機械人底盤選擇及各手臂以及手腕的結構設計 對于機器人來說其機械系統(tǒng)總體設計主要內容：確定基本參數(shù)、選擇運動方式、手臂配置方式（構型）、驅動方式、機械結構設計等，具體如下：1 根據(jù)飛機表面清洗機器人工作任務和目的來確定機器人本體的基本結構、驅動和控制方式、自由度數(shù)目。2 根據(jù)飛機表面清洗機器人工作任務、工作場地的空間布置等來確定機器人的工作空間。3 根據(jù)飛機表面清洗機器人的工作任務來對飛機表面清洗機器人進行動作規(guī)劃、制定各自由度的工作節(jié)拍、分配各動作時間，初步確定各自由度的運動速度。4 根據(jù)飛機表面清洗機器人的工作空間，初步確定機器人各部分（各臂）的長度尺寸。5 對飛機表面清洗機器人初步受力分析，根據(jù)受力分析結果及各關節(jié)的運動速度，選擇各關節(jié)驅動部件的基本參數(shù)（電動機和減速器的選型計算），對于速度較低的可以對機器人進行靜力分析。6 根據(jù)工作要求確定飛機表面清洗機器人的定位精度。定位精度取決于飛機表面清洗機器人的定位方式、運動速度、控制方式、飛機表面清洗機器人手臂的剛度等。7 根據(jù)技術要求等確定各部件的材料和結構及加工工藝；然后驗算各構件的機械強度、驅動功率和給出最大負載重量，驗算飛機表面清洗機器人各關鍵部件使用壽命。初步確定各部件的機械結構。8 把飛機表面清洗機器人機械系統(tǒng)總體設計編寫成文，并繪制系統(tǒng)總圖、簡圖。（二）對機械人手臂進行三維實體建模及運動學仿真對飛機表面清洗機器人運動學進行研究。使用Solidworks軟件繪制飛機表面清洗機器人的三維實體模型，對其進行運動學仿真分析。利用機器人理論建立飛機表面清洗機器人的運動學方程，對機器人運動方程的正解進行求解。（三）關鍵零部件的有限元分析使用Solidworks軟件的有限元功能對機器人進行靜力和動態(tài)力分析，利用有限元法對機器人手臂進行強度分析，合理地研制飛機表面清洗機器人本體結構的原理樣機。（四）編寫設計說明書。四、 研究工作進度1、第1-10天，收集資料，調研，整理資料完成文獻綜述。2、第11-20天，確定機器人的總體設計方案，簡略三維圖，完成開題報告和第一次考核答辯PPT。3、第21-23天，確定機器人本體的基本結構、驅動和控制方式、自由度數(shù)目。4、第24-25天，確定機器人的工作空間，初步確定各臂長度。5、第26-28天，對飛機表面清洗機器人進行動作規(guī)劃、制定各自由度的工作節(jié)拍、分配各動作時間，初步確定各自由度的運動速度。6、第29-31天，初步受力分析，選擇各關節(jié)驅動部件的基本參數(shù)，對速度較低的部件進行靜力分析。7、第32-34天，確定飛機表面清洗機器人的定位精度。8、第35-36天，確定各部件的材料和結構及加工工藝。9、第37-39天，驗算各構件的機械強度、驅動功率和給出最大負載重量，驗算關鍵部件使用壽命。10、第40天，初步確定各部件的機械結構。11、第41-47天，把飛機表面清洗機器人機械系統(tǒng)總體設計編寫成文，并繪制系統(tǒng)總圖、簡圖。12、第48-50天，完成PPT，準備第二次考核答辯。13、第51-55天，對機械人手臂進行三維實體建模。14、第56-60天，運動學仿真。15、第61-65天，關鍵零部件的有限元分析。16、第66-68天，繪制工程圖。17、第69-72天，撰寫論文，翻譯外文資料。18、第73-85天，彌補不足，查漏補缺，準備最后答辯。 五、 主要參考文獻1 王俊玲自動清洗飛機的機器人系統(tǒng)J，機器人技術與應用，2002，(12)：252 宋健智能控制超越世界的目標J，中國自動化學會通訊，1999.104：73 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