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SJ003-1
2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
二級(jí)學(xué)院： 機(jī)電工程學(xué)院 班 級(jí)： 10機(jī)三
學(xué) 生： 把鵬程 學(xué) 號(hào)： 10010301
指導(dǎo)教師： 胡少剛 職 稱(chēng)： 副教授
課題名稱(chēng)
水下船舶清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
課題類(lèi)型
t 畢業(yè)設(shè)計(jì) □ 畢業(yè)論文
起止時(shí)間
開(kāi)題報(bào)告
（畢業(yè)設(shè)計(jì)：含課題來(lái)源及現(xiàn)狀、設(shè)計(jì)要求、工作內(nèi)容、設(shè)計(jì)方案、技術(shù)路線、預(yù)期目標(biāo)、時(shí)間安排及參考文獻(xiàn)等。字?jǐn)?shù)為3000以上。）
一、課題來(lái)源及現(xiàn)狀
1.1課題來(lái)源
課題來(lái)源于常州太燁傳感科技有限公司。 船舶在長(zhǎng)期的航行中，水下部分的船體表面會(huì)附有貝類(lèi)、藻類(lèi)生物及生出銹斑，嚴(yán)重影響船舶的航行速度和使用壽命，還增加船舶的燃料消耗，所以定期清洗非常重要，人工清洗人員工作量大、難度大、效率低，目前中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于這方面的研究還很少，對(duì)于壁面清洗機(jī)器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墻壁等，但是對(duì)于船舶清洗研究的卻是很少，主要是因?yàn)榇扒逑词窃谒拢O(shè)計(jì)時(shí)要考慮水的影響，密封性的要求，水下移動(dòng)、吸附等問(wèn)題，增大了設(shè)計(jì)的難度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上5萬(wàn)噸以上的船占船舶總數(shù)的49.4%，這是一部分相當(dāng)大的業(yè)務(wù)對(duì)象。而我國(guó)雖有大連造船新廠等幾家擁有20萬(wàn)噸級(jí)以上的船塢，但還是與國(guó)外存在很大的差距，我國(guó)只有在修船效率上下功夫。
實(shí)現(xiàn)水下清刷作業(yè)的自動(dòng)化，用機(jī)器人來(lái)替代人的操作，將會(huì)大大節(jié)約勞動(dòng)力，降低潛水員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高修船效率。法國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家已開(kāi)展了水下清刷設(shè)備的研究，但有的還是需要潛水員下水操作。為了提高修船效率、節(jié)約能源，提高我國(guó)在世界修船業(yè)中的地位，研制水下清洗機(jī)器人成為需要，水下船舶清洗機(jī)器人將大大提高船舶清洗的效率，減少工作量，減少工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗。該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要分成兩部分：一部分是移動(dòng)部分，另一部分是清洗部分。移動(dòng)部分主要解決的問(wèn)題是機(jī)器人在曲面上的移動(dòng)，清洗部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用清洗盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)清洗。
水下清刷作業(yè)由于可以在艦船錨泊或?？看a頭時(shí)直接進(jìn)行，一方面減少了船舶的停航損失，另一方面也使得船舶的燃油水泵大大地降低。這樣可以解決船塢不足，特別是大塢嚴(yán)重不足的問(wèn)題。眾所周知，修船期長(zhǎng)，船塢不足，缺少10噸以上的大塢是我國(guó)修船業(yè)發(fā)展的重要障礙。而船塢投資巨大，建設(shè)周期長(zhǎng)，為了提高塢修能力，近年來(lái)用于塢修機(jī)械化的投資介巨大。
1．2水下清刷技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況
水下清刷作業(yè)具有減小船舶阻力、減少航速損失和節(jié)約燃料等優(yōu)點(diǎn)，特別是在全球石油危機(jī)的影響下，船舶的水下清刷作業(yè)更是得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。
水下清刷技術(shù)的發(fā)展分為三個(gè)階段。第一階段為手工操作階段，由潛水員下水進(jìn)行清刷工作。第二階段為機(jī)械操作階段，由專(zhuān)用的清洗器、涂裝機(jī)等機(jī)械完成大型船舶的清刷任務(wù)，并具有較高的工作效率。第三階段為遙控機(jī)械或機(jī)器人作業(yè)階段，為在惡劣的海洋環(huán)境下開(kāi)展工作提供了保障。
手工操作最早用于對(duì)較小船舶水下海生物的清洗，使用成形的氣動(dòng)或液壓清洗器由潛水員來(lái)操作完成。隨著大型船舶特別是大型油輪的出現(xiàn)，手工操作不能滿足高效率和質(zhì)量上的要求，從而出現(xiàn)了較為大型的機(jī)械裝置。如多刷清掃器、刷污車(chē)等。這一階段的快速發(fā)展一方面是由于大塢的數(shù)量滿足不了修船的需求，另一方面是航運(yùn)部門(mén)在石油危機(jī)、油價(jià)上漲的壓力下采取了縮減開(kāi)支和降低油耗的措施。特別是船級(jí)社對(duì)船舶進(jìn)塢間隔期的規(guī)定放寬，允許用水下檢驗(yàn)代替兩年一次的中間檢驗(yàn)，使得水下清刷技術(shù)的應(yīng)用得到了多方認(rèn)可。在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步適應(yīng)海洋的惡劣環(huán)境和在低能見(jiàn)度的情況下工作，人們開(kāi)始尋求自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)在水下的應(yīng)用，并取得了很大的進(jìn)步，在水下清刷作業(yè)方面已有較成功的設(shè)備被使用。現(xiàn)在世界各地主要航線上都設(shè)有水下清刷維修站，如：美國(guó)東西海岸、夏威夷、加勒比海、意大利、由路特丹開(kāi)始的西北歐、波斯灣、新加坡及日本等地都設(shè)有水下維修站。在國(guó)外。機(jī)器人作業(yè)裝置已經(jīng)日趨成熟并走向?qū)嵱没?。目前常用的水下清刷設(shè)備有：
1．手持單刷機(jī)械：其結(jié)構(gòu)是由液壓或氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)一個(gè)毛刷，毛刷質(zhì)地根據(jù)船體污損情況選擇。作業(yè)方式是由潛水員手持轉(zhuǎn)刷，利用轉(zhuǎn)刷產(chǎn)生的負(fù)壓使之緊貼船體，推動(dòng)其向前運(yùn)動(dòng)即可。擁有這類(lèi)產(chǎn)品的有：法國(guó)斯塔拉公司及奧切培列特公司、美國(guó)海軍等，日本MACSEA清洗系統(tǒng)中也有此類(lèi)裝置，它可適用于小型船舶及小艦艇。
2．行走多刷式水下清掃裝置：1966年，英國(guó)船舶研究計(jì)劃中引入了水下清刷及維護(hù)項(xiàng)目，即SCAMP(Ship Cleaning and Maintenance Platform)。采用了水下運(yùn)載工具的設(shè)計(jì)原理，使裝置緊貼于船舷殼板做垂直或水平爬行，控制箱在工作艇上，遙控操作。它的工作部分由3個(gè)轉(zhuǎn)刷，3個(gè)行走輪和1個(gè)中心推進(jìn)器構(gòu)成。動(dòng)力源是液壓或氣動(dòng)的。法國(guó)的BK型、瑞典的曲雷耳和澳大利亞的Australian型的結(jié)構(gòu)與其大體相同。
3．噴射式清刷裝置：是把高壓水清洗用于水下作業(yè)，特點(diǎn)是為使噴槍緊貼于工作面，必須有一個(gè)反向射流，即使用無(wú)座力型噴槍?zhuān)@樣會(huì)增加能量消耗。英國(guó)流體力學(xué)研究協(xié)會(huì)(BHRA)的研究表明，使用高壓噴水器進(jìn)行清洗可顯著地提高清洗速率。這種裝置一般適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體，如：海洋平臺(tái)、螺旋槳等的清洗。
4．遙控型清洗器及水下清洗器的微機(jī)控制：美國(guó)Butterworth公司七十年代初研制成功SCAMP-A型清洗器，對(duì)于寒冷海域及能見(jiàn)度低的水質(zhì)情況下進(jìn)行清掃優(yōu)點(diǎn)顯著，其運(yùn)動(dòng)精度低，在船體曲度變化大的部位仍需潛水員下水糾正。法國(guó)七十年代末到八十年代初研制了水下清掃機(jī)器人裝置，由計(jì)算機(jī)控制并取得了良好的效果。日本在這方面也開(kāi)展了大量的研究，取得了成功經(jīng)驗(yàn)。
在國(guó)內(nèi)，水下清刷作業(yè)自1983年在湛江、廈門(mén)、天津、秦皇島、煙臺(tái)、大連等地建立了由救撈部門(mén)開(kāi)展的業(yè)務(wù)以來(lái)，做了一定的工作，并引進(jìn)了幾臺(tái)設(shè)備，但實(shí)際應(yīng)用中存在著許多問(wèn)題和困難，業(yè)務(wù)量較少。主要是在夏季水溫較高時(shí)和在海水可見(jiàn)度高的港口才可以使用，有很大的局限性。主要方式是潛水員水下手工作業(yè)，與國(guó)外的無(wú)潛水員遙控操作形成了鮮明的對(duì)比。
上海救撈局有關(guān)廠曾對(duì)進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行過(guò)研究，并仿制了單刷式清掃器，但效果不好，對(duì)于更高層次的產(chǎn)品研究則更少。目前我國(guó)船體表面的清理工作主要是在船塢里進(jìn)行噴砂和高壓水沖洗，如圖所示的是在船塢里對(duì)船體表面進(jìn)行噴砂處理，作業(yè)環(huán)境污染相當(dāng)嚴(yán)重。所以急需研制水下船體表面清刷機(jī)器人。
二、設(shè)計(jì)要求
課題設(shè)計(jì)中結(jié)合文獻(xiàn)分析,盡量提出多種結(jié)構(gòu)和控制部分的設(shè)計(jì)方案,分析比較,完善水下清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).
適當(dāng)建立模型,對(duì)于主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并運(yùn)用有限元分析法進(jìn)行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力和變形分析.
三、工作內(nèi)容
水下船體清刷機(jī)器人的主要任務(wù)是完成水下船體表面附著海生物的清除，其工作面是船體表面。水下清刷裝置是水下船體表面清刷機(jī)器人的關(guān)鍵部件，是用來(lái)完成水下船體表面清刷的作業(yè)工具。水下清刷裝置的好壞直接決定水下船體表面清刷機(jī)器人的清刷效果。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，帶來(lái)了遠(yuǎn)洋運(yùn)輸事業(yè)的飛速發(fā)展，船舶作為海上交通運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ哒l(fā)揮著越來(lái)越大的作用。但海水的強(qiáng)腐蝕性和海洋生物的強(qiáng)附著力，使得船體表面附著難以清除的貝類(lèi)、銹皮和銹斑等，為了延長(zhǎng)船舶的使用壽命，保證船舶的安全運(yùn)行，船舶必須定期進(jìn)塢進(jìn)行檢驗(yàn)。這就存在著修船期長(zhǎng)，船塢不足的問(wèn)題，同時(shí)也增加了船舶的非營(yíng)運(yùn)時(shí)間和燃油的消耗。所以開(kāi)展船舶水下清刷作業(yè)，提高水下清刷作業(yè)的自動(dòng)化水平，是目前急需解決的問(wèn)題。本課題完成機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要分成兩部分：一部分是移動(dòng)部分，另一部分是清洗部分.移動(dòng)部分主要解決的問(wèn)題是機(jī)器人在曲面上的移動(dòng)，現(xiàn)如今主要的移動(dòng)機(jī)構(gòu)都只是適應(yīng)機(jī)器人在平面上的移動(dòng)，而在曲面上的移動(dòng)卻研究的很少。該課題研究試圖提出利用球連接來(lái)適應(yīng)曲面的移動(dòng)，采用三個(gè)支撐點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)是固定的，而第三個(gè)是利用球連接，同時(shí)采用大小兩個(gè)三角吸盤(pán)，循環(huán)移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)，當(dāng)然該機(jī)構(gòu)也不可避免的存在一些問(wèn)題。.清洗部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用清洗盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)清洗。本次設(shè)計(jì)主要完成這兩部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)完成二維圖和運(yùn)動(dòng)仿真.
四、設(shè)計(jì)方案和技術(shù)路線
機(jī)器人要完成在船體表面的爬行，一方面通過(guò)電磁吸附吸附在船體上，同時(shí)機(jī)器人在船體上要完成移動(dòng)。
爬行部分主要解決兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)問(wèn)題是機(jī)器人在曲面的移動(dòng)，另一個(gè)問(wèn)題是機(jī)器人在船體表面的吸附.
對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人現(xiàn)在的研究主要集中在平面里的移動(dòng)，例如清洗玻璃的機(jī)器人，在玻璃上爬行，清洗管道的機(jī)器人等等.下面是現(xiàn)在已經(jīng)存在的幾種機(jī)器人及其移動(dòng)方案：
多吸盤(pán)真空吸附式壁面清洗機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人用于清洗高空玻璃，傳統(tǒng)的清洗方法是靠升降平臺(tái)或吊籃承載清潔工進(jìn)行玻璃幕墻的清洗 ,雖簡(jiǎn)便易行,但勞動(dòng)強(qiáng)度大,工作效率又低 ,屬于高空極限作業(yè) ,對(duì)人身安全及玻璃壁面都有很大的危險(xiǎn)性.該機(jī)器人可以代替人工清洗.
考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中的一些特點(diǎn)以及對(duì)壁面清洗機(jī)器人的要求 ,該壁面清洗機(jī)器人多采用真空式吸附方式。另外，塢內(nèi)清刷也可在船塢里進(jìn)行船體表面的高壓水清洗和噴砂(丸)處理。
1．高壓水清洗
高壓水清洗是一種既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的表面處理手段，在工業(yè)和海洋工程中得到了廣泛的應(yīng)用。高壓水清洗對(duì)環(huán)境沒(méi)有灰塵產(chǎn)生，可以方便、快速而又經(jīng)濟(jì)回收清理物，而且舊涂膜表面清潔處理不用擔(dān)心引起涂膜受沖擊而裂開(kāi)。但清洗船體表面的海洋附著物為海蝠等貝類(lèi)時(shí)，清洗效果并不理想。
2．噴砂
噴砂是以壓縮空氣為動(dòng)力，將磨料以一定速度噴向被處理的船體表面，對(duì)船體表面產(chǎn)生沖擊和切削作用，以除去氧化皮、鐵銹和海洋污損物的一種有效的表面處理方法。絕大多數(shù)噴砂處理需要工人參與，噴砂的扶塵大、噪聲高還有一定的危險(xiǎn)性。
機(jī)器人系統(tǒng)可以采用由機(jī)械本體、清刷作業(yè)裝置和控制系統(tǒng)三部分組成的方案，其已有的系統(tǒng)方案見(jiàn)下圖：
其工作原理為：在船體甲板上放置有一個(gè)可自由移動(dòng)的運(yùn)載小車(chē)，它可使機(jī)器人自動(dòng)爬上或爬下船體表面，克服由于機(jī)器人具有的永久吸力帶來(lái)的放上取下的不便，并起到運(yùn)輸作用。小車(chē)上有控制柜、CRT顯示器、動(dòng)力源及卷?yè)P(yáng)裝置。動(dòng)力源為水下機(jī)器人的移動(dòng)和清刷作業(yè)提供動(dòng)力，卷?yè)P(yáng)裝置隨著機(jī)器人的上下移動(dòng)及時(shí)地收放保護(hù)纜繩，為機(jī)器人提供安全保障條件，同時(shí)為機(jī)器人輸送動(dòng)力和控制電纜。顯示器通過(guò)安裝在機(jī)器人本體上的攝像機(jī)，實(shí)時(shí)地顯示機(jī)器人的工作環(huán)境，便于操作者及時(shí)了解機(jī)器人的工作狀態(tài)。機(jī)器人從運(yùn)載小車(chē)爬上船體，先按從上至下的路徑移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)船的底部時(shí)，機(jī)器人旋轉(zhuǎn)180 ，然后再?gòu)南轮辽弦苿?dòng)。
五、預(yù)期目標(biāo)
1、完成機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使所設(shè)計(jì)的機(jī)器人達(dá)到所需要的使用功能，結(jié)構(gòu)科學(xué)合理。
2、設(shè)計(jì)對(duì)象的測(cè)試與性能評(píng)價(jià)符號(hào)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
3、通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)訓(xùn)練，提高設(shè)計(jì)計(jì)算繪圖能力，提升分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力。
六、時(shí)間安排
3-4周：進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，論文收集，熟悉課題，調(diào)查研究，收集資料，撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告；
5-7周：總體方案擬定，功能原理設(shè)計(jì)，外文資料翻譯；
8-11周：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，總圖、部裝圖繪制；
12-13周：方案細(xì)化，總圖、部件圖審定、修改；
14-16周： 編寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)；
17-18周： 提交修改畢業(yè)設(shè)計(jì)資料，準(zhǔn)備答辯。
七、參考文獻(xiàn)
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2、尹龍. 船體表面水下清刷機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究.哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2004.2
劉淑霞，趙炎正等.高樓壁面清洗機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)的研究.自動(dòng)化博覽. 1999
邵浩，趙言正等. 爬壁機(jī)器人在弧面上爬行時(shí)的吸附穩(wěn)定性分析.機(jī)器人 2000
在我國(guó)開(kāi)展船舶水下維修的可行性．中船總平臺(tái)公司.1990
沈?yàn)槊瘢藴o渙等.水冷壁清掃檢測(cè)爬壁機(jī)器人.機(jī)器人. 1999
指導(dǎo)教師意見(jiàn)（對(duì)課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)，設(shè)計(jì)的結(jié)果預(yù)測(cè)或論文的可行性評(píng)價(jià)）：
指導(dǎo)教師： 年 月 日
系部意見(jiàn)：
系主任： 年 月 日
注：開(kāi)題報(bào)告作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一，應(yīng)在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，由學(xué)生填寫(xiě)，經(jīng)導(dǎo)師簽署意見(jiàn)及系部審核后生效。