螺旋輪式管道機器人畢業(yè)論文

精品文檔 1歡迎下載1歡迎下載 學校代碼 11517 學 號 200806111105 畢業(yè)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計 題 目 管道機器人的機構(gòu)設(shè)計與仿真分析 學生姓名 張 海 紅 專業(yè)班級 機械設(shè)計制造及其自動化 0844 學 號 200806111105 系 部 機械工程系 指導(dǎo)教師 王新莉 教授 孟凱 助教 完成時間 2012 年 5 月 20 日 精品文檔 2歡迎下載2歡迎下載 河南工程學院論文版權(quán)使用授權(quán)書河南工程學院論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解河南工程學院關(guān)于收集 保存 使用學位論文的規(guī)定 同意 如下各項內(nèi)容 按照學校要求提交論文的印刷本和電子版本 學校有權(quán)保存論 文的印刷本和電子版 并采用影印 縮印 掃描 數(shù)字化或其它手段保存論文 學校有權(quán)提供目錄檢索以及提供本論文全文或者部分的閱覽服務(wù) 學校有權(quán)按 有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或者機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 在不以贏利為 目的的前提下 學校可以適當復(fù)制論文的部分或全部內(nèi)容用于學術(shù)活動 論文作者簽名 年 月 日 精品文檔 3歡迎下載3歡迎下載 河南工程學院畢業(yè)設(shè)計河南工程學院畢業(yè)設(shè)計 論文論文 原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的論文 是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下 進行研究工作所取 得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作 的 已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容 對本論文所涉及的研究工作做出 貢獻的其他個人和集體 均已在文中以明確方式標明 本學位論文原創(chuàng)性聲明的法 律責任由本人承擔 論文作者簽名 年 月 日 精品文檔 4歡迎下載4歡迎下載 河南工程學院 畢業(yè)設(shè)計 論文 任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計 論文 任務(wù)書 題目題目 管道機器人的機構(gòu)設(shè)計與仿真分析管道機器人的機構(gòu)設(shè)計與仿真分析 專業(yè)專業(yè) 機械設(shè)計制造及自動化機械設(shè)計制造及自動化 學號學號 200806111105200806111105 姓名姓名 張海紅張海紅 主要內(nèi)容 基本要求 主要參考資料等 主要內(nèi)容 基本要求 主要參考資料等 選題背景 選題背景 在核工業(yè) 石油天然氣 軍事裝備等領(lǐng)域中 管道作為一種有效的物料輸送手段而在核工業(yè) 石油天然氣 軍事裝備等領(lǐng)域中 管道作為一種有效的物料輸送手段而 得到廣泛應(yīng)用 為了提高管道壽命 防止泄露等事故的發(fā)生 管道機器人作為高效得到廣泛應(yīng)用 為了提高管道壽命 防止泄露等事故的發(fā)生 管道機器人作為高效 準確的故障診斷 檢測和維修手段應(yīng)運而生 廣泛地應(yīng)用于管到的探傷 補口 維準確的故障診斷 檢測和維修手段應(yīng)運而生 廣泛地應(yīng)用于管到的探傷 補口 維 修 焊接等諸多領(lǐng)域 修 焊接等諸多領(lǐng)域 主要內(nèi)容 主要內(nèi)容 設(shè)計一款管道機器人的機構(gòu) 對設(shè)計的機構(gòu)進行動力學分析 設(shè)計一款管道機器人的機構(gòu) 對設(shè)計的機構(gòu)進行動力學分析 基本要求 基本要求 建立三維模型 進行運動學分析 提交圖紙 設(shè)計說明書等相關(guān)資料 建立三維模型 進行運動學分析 提交圖紙 設(shè)計說明書等相關(guān)資料 主要參考資料 主要參考資料 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù) 機器人技術(shù)機器人技術(shù) 機構(gòu)設(shè)計機構(gòu)設(shè)計 單片機技術(shù)應(yīng)用單片機技術(shù)應(yīng)用 相關(guān)科研論文相關(guān)科研論文 1010 篇篇 完完 成成 期期 限 限 指指導(dǎo)導(dǎo)教教師師簽簽名名 專業(yè)負責人簽名 專業(yè)負責人簽名 精品文檔 5歡迎下載5歡迎下載 年年 月月 日日 精品文檔 6歡迎下載6歡迎下載 目 錄 中文摘要 英文摘要 1 前言 1 1 1 課題的背景與意義 1 1 2 機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 1 1 2 1 國內(nèi)外管道微型機器人的發(fā)展近況 2 1 2 2 商業(yè)領(lǐng)域的管道機器人 6 1 3 本課題的設(shè)計任務(wù) 9 1 4 論文的主要內(nèi)容 9 2 螺旋輪式管道機器人的總體方案設(shè)計 11 2 1 機器人管內(nèi)運動方式對比分析 11 2 1 1 輪式 11 2 1 2 蠕動式 12 2 2 螺旋輪式管道機器人的運動機理 14 2 2 1 機構(gòu)的原理 14 2 2 2 機器人設(shè)計要點 15 3 管道機器人行走機構(gòu)的分析與設(shè)計 16 3 1 旋轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 16 3 1 1 機構(gòu)運動受力分析 16 3 1 2 運動自由度分析 18 3 1 3 電機的選擇 18 3 2 電機連接軸的設(shè)計 20 精品文檔 7歡迎下載7歡迎下載 3 3 彈簧的設(shè)計與選擇 21 3 4 支撐輪和電機的固定方案 22 3 5 探測頭的定位方案 22 4 管道機器人在管中運動通過性分析 23 4 1 管道環(huán)境對機器人的幾何約束 23 5 監(jiān)視控制系統(tǒng) 25 5 1 探測頭的選擇 25 5 2 檢測系統(tǒng) 25 5 3 單片機控制系統(tǒng) 26 5 4 控制程序 27 5 4 1 H 橋式驅(qū)動電路 H bridged power amplifier 27 5 4 2 機器人與主控計算機的通訊 The com munication between the robot and master computer 28 6 行程的計算 29 7 應(yīng)用前景 29 結(jié)束語 31 致謝 32 參考文獻 33 精品文檔 I歡迎下載I歡迎下載I歡迎下載I歡迎下載I歡迎下載I歡迎下載 螺旋輪式管道機器人的機構(gòu)設(shè)計與仿真分析 摘 要 管道是人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中常用的一種運輸工具 石油的運輸 城市中廢水和 廢氣的排放 城鎮(zhèn)集體供暖中暖氣的輸送和空調(diào)的通風等等 都需要用到管道 但 管道并不能永久的保持有效性 如管道會出現(xiàn)老化 堵塞 破裂和附著細菌等現(xiàn)象 這就需要對管道進行檢測 探傷與定位 有時由于管道結(jié)構(gòu)的特殊性 使人們對管 道破損進行檢測與定位非常困難 最有效的方式就是利用管道機器人進入管道執(zhí)行 任務(wù) 所以管道機器人研制的根本意義在于 可以實現(xiàn)管道的無損維護 內(nèi)窺檢測 及破損定位等工作 提高管道檢測和清理的效率 本文綜合分析了國內(nèi)外油氣管道機器人近年來的發(fā)展情況 特別對油氣輸送管 道 油氣井和油田與石化企業(yè)中的各種管道機器人進行了分析 設(shè)計了一種螺旋輪 式管道機器人 并詳細說明了機器人的工作原理 結(jié)構(gòu)特點及發(fā)展過程 最后結(jié)合 我國石油工業(yè)發(fā)展的具體情況 給出了管道機器人在油氣輸送管道 油氣井及其他 管道中的應(yīng)用前景 關(guān)鍵詞 管道 檢測 機器人 變徑 螺旋輪式管道機器人的機構(gòu)設(shè)計與仿真分析 II SpiralSpiral RollerRoller PipelinePipeline RobotRobot MechanismMechanism DesignDesign AndAnd SimulationSimulation AnalysisAnalysis ABSTRACTABSTRACT The pipeline is a common means of transport in the people daily life oil transportation city waste water and exhaust emission of urban collective heating heating transmission and air conditioning ventilation etc require the use of pipeline But the pipes are not permanently maintain effectiveness such as pipeline will appear aging jam rupture and attachment of bacteria and other phenomena it is necessary to detect detection and location of pipeline Sometimes because of the special structure of the pipeline so that the piping detection and location is very difficult the most effective way is to use the pipeline robot into the pipeline to perform a task So design the pipe robot for fundamental significance lies in it can realize pipeline non destructive maintenance endoscopic detection and localization of damage and so on improving the pipeline detection and cleaning efficiency This paper analyzes the domestic and international oil and gas pipeline robot about the development in recent years especially for oil and gas pipelines oil and gas and oil and petrochemical companies in a variety of in pipe robot are analyzed Design of a spiral roller pipeline robot and a detailed description of the robot s working principle structure characteristics and development process Finally combined with 精品文檔 III歡迎下載III歡迎下載III歡迎下載III歡迎下載III歡迎下載III歡迎下載 the development of industry of our country oil situation gives the robot for pipeline in oil and gas pipelines oil and gas and other pipeline application prospect KEYWORDSKEYWORDS pipe testing robot variable diameter 螺旋輪式管道機器人的機構(gòu)設(shè)計與仿真分析 1 1 緒論 1 1 課題的背景與意義 工業(yè)管道系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于冶金 石油 化工及城市水暖供應(yīng)等領(lǐng)域 工業(yè)管 道的工作環(huán)境非常惡劣 容易發(fā)生腐蝕 疲勞破壞或使管道內(nèi)部潛在的缺陷發(fā)展成 破損而引起泄漏事故等 因此管道的監(jiān)測 診斷 清理和維護就成為保障管道系統(tǒng) 安全 暢通和高效運營的關(guān)鍵 管道的探查也就成了管道無損檢測技術(shù)應(yīng)用 發(fā)展 的重要方向之一 然而管道所處的環(huán)境往往受人力或人手不及所限 檢修難度很大 故通常對重要和不允許泄漏的管道采用定期或提前報廢的辦法 從而造成了巨大人 力和物力損失 目前關(guān)于地下管道的質(zhì)檢 常采用工程量十分巨大的 開挖 抽檢 方法 但勞動強度大 效益低 而且由于隨機抽樣法經(jīng)常出現(xiàn)漏檢 因而準確率低 效果并不理想 并且往往會妨礙道路交通 因此開發(fā)適應(yīng)在管道這一特殊環(huán)境下工 作的特種管道機器人 使人脫離危險作業(yè)的生產(chǎn)第一線 減輕人的勞動強度 提高 生產(chǎn)效率 減少不必要的損失是機器人發(fā)展的一個必然方向 我國油氣管道大多是 在 6 0 7 0 年代建設(shè)的 迄今僅在役時間近 3 0 年 處于中老齡期和事故多發(fā)性 階段的長輸管線已逾 1 7 萬 k m 正面臨著道進入中老齡期 處于事故多發(fā)階段 油氣管道的檢測和評價的需求已日趨迫切 在核工業(yè) 石油天然氣 軍事裝備等領(lǐng)域中 管道作為一種有效的物料輸送手 段而得到廣泛應(yīng)用 為了提高管道壽命 防止泄漏等事故的發(fā)生 管道機器人作為 高效準確的故障診斷 檢測及維修手段應(yīng)運而生 廣泛地應(yīng)用于管道的探傷 補口 維修 焊接等諸多領(lǐng)域 1 2 機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 工業(yè)機器人是最典型的機電一體化數(shù)字化裝備 技術(shù)附加值很高 應(yīng)用范圍很 廣 作為先進制造業(yè)的支撐技術(shù)和 1 44 信息化社會的新興產(chǎn)業(yè) 將對未來生產(chǎn)和社 會發(fā)展起著越來越重要的作用 國外專家預(yù)測 機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車 計算機之后 出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè) 據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會 UNECE 和國際機器人聯(lián) 精品文檔 2歡迎下載2歡迎下載2歡迎下載2歡迎下載2歡迎下載2歡迎下載 合會 IFR 的統(tǒng)計 世界機器人市場前景看好 從 20 世紀下半葉起 世界機器人產(chǎn) 業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭 進入 20 世紀 90 年代 機器人產(chǎn)品發(fā)展速度加 快 年增長率平均在 10 左右 2004 年增長率達到創(chuàng)記錄的 20 其中 亞洲機 器人增長幅度最為突出 高達 43 1 2 1 國內(nèi)外管道微型機器人的發(fā)展近況 自驅(qū)動管內(nèi)機器人包括圖 1 1 所示的輪式 腳式 爬行式 蠕動式 還包括履 帶式等 輪式 自驅(qū)動 爬行式 自驅(qū)動 蠕動式 自驅(qū)動 腳式 自驅(qū)動 利用管內(nèi)流體壓力 通過彈性桿加推力 圖 1 1 管道機器人的基本形式 1 2 1 1 輪式 日本學者福田敏男 細貝英夫在 1986 年研制了可以通過 L 無圓弧過渡的管內(nèi) 移動機器人 該機器人行走機構(gòu)分別由頭部和本體兩部分組成 頭部和本體可相對 回轉(zhuǎn) 當機器人在直管內(nèi)行走時 本體上的電動機 M1 通過減速裝置帶動本體上的驅(qū) 動輪轉(zhuǎn)動 使機器人沿直管行走 當通過 90 度彎管時 電動機 M2 驅(qū)動頭部做姿態(tài) 精品文檔 3歡迎下載3歡迎下載3歡迎下載3歡迎下載3歡迎下載3歡迎下載 調(diào)整 同時驅(qū)動頭部履帶 引導(dǎo)機器人通過彎管 該機器人的技術(shù)指標為 適應(yīng)管 徑 50mm 行走速度 8 1mm s 轉(zhuǎn)彎性能 可以通過 90 度直角彎管 機器人重量 為 240g 機器人長度 76mm 日本東芝公司于 1997 年研制了一臺輪式管內(nèi)移動機 器人 前部帶有一部微型 CCD 攝像機 能分辨管內(nèi)異物并用微型機械手實現(xiàn)清理 膠管聯(lián)接可過彎管 適應(yīng)管徑 25mm 行走速度 0 36m min 自重 16g 該機器 人采用多輪驅(qū)動式為了增加牽引力 由于輪徑太小 越障能力有限 而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜 東京工業(yè)大學開發(fā)出基于螺旋輪式運動原理微型機器人 該機器人的本體由幾 個單元通過彈簧聯(lián)接而成 每個單元體上均勻分布有三只支撐臂 用螺旋彈簧將支 撐臂上的小輪緊壓在管道內(nèi)壁上 產(chǎn)生預(yù)壓力 小輪的軸線相對單元體的軸線傾斜 了一角度 通過軟軸將扭矩作用在單元體上使微型機器人移動 1 2 1 2 腳式 國內(nèi)的太原理工大學研制成功管內(nèi)腳式行走機器人如圖 1 2 該機器人可在管 內(nèi)雙向行走 自動隨管道彎度轉(zhuǎn)向 該機器人由撐腳機構(gòu) 牽引機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)構(gòu) 成 撐腳機構(gòu)由電機 16 小齒輪 15 齒圈及平面螺紋 14 滑桿 13 腳 靴 12 組成 牽引機構(gòu)由電機 1 螺桿 2 螺母 5 拔銷 4 拔桿 7 和支撐桿 9 組成 轉(zhuǎn)向機構(gòu)萬向節(jié) 21 組成 當電機 1 帶動螺桿轉(zhuǎn)動時 螺母受撥桿的約束不能轉(zhuǎn)動而沿螺桿軸向移動 固連其上的撥銷 4 撥動撥桿 7 順時針方向轉(zhuǎn)動 由于腳靴 12 鎖死在管壁上 支撐桿 9 不能向后運動 撥桿 7 通過銷 6 帶動支架 3 及其固連在 3 上的套筒 11 在筒體 10 內(nèi)向前滑動 同時通過萬向節(jié) 21 拖動機器人的后單元 此時后單元的腳 靴在抬起狀態(tài) 向前運動 整個機器人前進 當腳靴 12 處在抬起的位置時 撥 7 通過支承桿 9 推動筒體在套筒 11 上萬向節(jié)方向滑動 改變了腿的姿勢 精品文檔 4歡迎下載4歡迎下載4歡迎下載4歡迎下載4歡迎下載4歡迎下載 圖 1 2 腳式機器人結(jié)構(gòu)示意圖 1 2 1 3 蠕動式 上海交通大學研發(fā)了小口徑管道內(nèi)蠕動式移動機構(gòu)如圖 1 3 它是模仿昆蟲在 地面上爬行時蠕動前進與后退的動作設(shè)計的 其主要機構(gòu)由 1 撐腳機構(gòu) 2 氣缸 3 軟軸 4 彈簧片 5 法蘭盤組成 蠕動運動為 氣缸 2a 動作 氣 缸活塞左移 松開前撐腳 氣缸 2c 動作 氣缸活塞左移 撐緊后撐腳 氣缸 2b 動 作 氣缸活塞左移 使氣缸 2a 前進 氣缸 2a 動作 氣缸活塞左移 撐緊前撐腳 氣缸 2c 動作 氣缸活塞左移 松開后撐腳 氣缸 2b 動作 氣缸活塞右移 使氣缸 2c 前進 圖 1 3 利用空氣壓力的蠕動式機器人 清華大學研制了一套小型蠕動機器人系統(tǒng) 其機構(gòu)如圖 1 4 由 1 蠕動體和 2 3 4 電致伸縮微位移器組成 蠕動體的蠕動變形形態(tài)由粘貼于柔性鉸鏈部位的 電阻應(yīng)變實時感 機器人的外形尺寸為 150 x61x46mm 重 2kg 最大步距 10 m 行 程 40mm 運動精度 0 2 m 精品文檔 5歡迎下載5歡迎下載5歡迎下載5歡迎下載5歡迎下載5歡迎下載 圖 1 4 蠕動體結(jié)構(gòu)示意圖 西安交通大學以電致伸縮陶瓷微位移器做驅(qū)動器 電磁鐵機構(gòu)做可吸附于行走 表面的保持器 設(shè)計制作了蠕動式微動直線自行走機構(gòu)如圖 1 5 由簧片組 3 與左 右支架 1 6 聯(lián)接成一體 作為電致伸縮陶瓷微位移器 4 的載體 驅(qū)動器 4 的一端 與支架 1 的側(cè)面貼和 另一端與螺釘 5 的端面貼和 螺釘 5 為細牙螺紋 轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié) 螺釘 5 可對簧片組 3 施加必要的預(yù)緊力 并保證驅(qū)動器 4 的兩側(cè)面與承載體間無 間隙接觸 圖 1 5 自動行走機構(gòu)簡圖 1 2 1 4 利用管道流體壓力 利用管道流體壓力對管道進行直接檢測和清理技術(shù)的研究始于上世紀 50 年代 受當時的技術(shù)水平的限制 其主要的成果是無動力的管道清理設(shè)備 PIG 此類設(shè)備 依靠管內(nèi)流體的壓力差產(chǎn)生驅(qū)動力 隨著管內(nèi)流體的流動向前移動 并可攜帶多種 傳感器 但是 PIG 自身沒有行走能力 其移動速度 檢測區(qū)域不易控制 上海大學 利用石油管道的石油高壓研制成在役石油管道檢測機器人如圖 1 6 該型機器人分 成多節(jié) 利用與管道密封的橡膠環(huán) 皮碗 相當于活塞 在輸油管內(nèi)壓力油作用下 推動檢測機器人向前行走 主要由探頭 1 高壓密封件 2 電機倉 3 電池倉 4 儀 器倉 5 儀器倉 6 萬向節(jié) 7 里程倉 8 清管器 9 和皮碗 10 組成 精品文檔 6歡迎下載6歡迎下載6歡迎下載6歡迎下載6歡迎下載6歡迎下載 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 圖 1 6 利用管內(nèi)流體壓力管內(nèi)機器人 1 2 2 商業(yè)領(lǐng)域的管道機器人 1 2 2 11 2 2 1 北京某公司自行研制的管道內(nèi)爬行機構(gòu) 圖 1 7 管外加力的管道機器人 該管道內(nèi)窺儀針對工業(yè)設(shè)備中管道的檢測而設(shè)計 通過調(diào)節(jié)螺母帶動連桿運動 從而調(diào)節(jié)整個支架的直徑 具有中心定位 手動或自動爬行 直徑可調(diào)節(jié) 自動對 焦 電動變倍 置白光照明 周向 360 度掃查 軸向 90 度可手動調(diào)節(jié)等功能的自 動化內(nèi)窺儀 儀器采用高清晰度的彩色 CCD 鏡頭 支架全部采用不銹鋼制作而成 并且能與計算機相連進行圖象數(shù)字化處理 適用于工業(yè)設(shè)備中各種管道的內(nèi)部缺陷 和異物的檢查 1 2 2 2 美國公司研制的智能爬行系列 MagSteer 是一個智能爬行系統(tǒng) 它能出色的檢測有保溫層或無保溫層或無保溫 層管道內(nèi)部及外部缺陷 通過計算計遠程控制 爬行器可以自動爬行在有保溫層或 無保溫層的管道上 MagSteer 可以裝配橡膠輪子來檢測有保溫層或非磁性材料的管 道 也可以裝配強磁性的輪子檢測無保溫層的管道 精品文檔 7歡迎下載7歡迎下載7歡迎下載7歡迎下載7歡迎下載7歡迎下載 1 2 2 2 新型微笑管道機器人的運動原理 圖 1 8 所示為文獻所提出的機器人原始方案 經(jīng)過虛擬仿真和樣機試驗發(fā)現(xiàn)該 方案存在三個不足 1 支撐機構(gòu)完全是剛性結(jié)構(gòu) 當管徑有一定變化時 可能達不 到撐緊管壁的要求 2 保持機構(gòu)在管徑變化時不能起到有效的保持作用 當管徑小 于保持機構(gòu)尺寸時 它就會被 卡住 使整個機器人 癱瘓 3 驅(qū)動部分尺寸過 長 在過彎時明顯與管道發(fā)生 干涉 致使機器人被 卡死 1 8 原始方案 圖 1 9 改進方案 1 自調(diào)節(jié)支撐機構(gòu) 為解決原始方案中的剛性支撐問題 設(shè)計了如圖 1 9 所示的自調(diào)節(jié)支撐機構(gòu) 這種調(diào)節(jié)是一種硬調(diào)節(jié)和軟調(diào)節(jié)共同作用的混合調(diào)節(jié) 硬調(diào)節(jié)是主動調(diào)節(jié) 由計算 機通過程序控制電機正反轉(zhuǎn)時間 實現(xiàn)大范圍的調(diào)整 軟調(diào)節(jié)是被動調(diào)節(jié) 由圖 1 9 中的壓簧 1 和壓簧 2 完成 實現(xiàn)小范圍的調(diào)整 硬調(diào)節(jié)和軟調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)作用 使 該支撐機構(gòu)具有更好的徑向調(diào)節(jié)能力 從而使機器人具有更強的管徑適應(yīng)能力 由 于增加了軟調(diào)節(jié)單元 當管道徑向發(fā)生微小變化時 在主動徑向調(diào)節(jié)來不及響應(yīng)時 連桿系統(tǒng)可以帶動滑塊壓縮彈簧 以抵消管徑的變化 另外 增加了支撐輪設(shè)計 精品文檔 8歡迎下載8歡迎下載8歡迎下載8歡迎下載8歡迎下載8歡迎下載 這樣就避免了原始方案的支撐腿與管壁的直接接觸 不僅增大了與管壁間的摩擦力 提高了牽引能力 同時由于支撐輪的塑性變形增大了接觸面積 解決了原始方案點 接觸的問題 可以更好地適應(yīng)復(fù)雜的管道環(huán)境 支撐輪與銷軸間采用膠粘方式固定 因此工作時 支撐輪并不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動 它與管壁間產(chǎn)生滑動摩擦而非滾動摩擦 另外 在滑塊上裝有微型壓力傳感器 可以直接測量在撐緊過程中滑塊所受的合力 通過 換算就可以間接得到支撐輪與管壁問的正壓力 這不僅保證了支撐機構(gòu)以恒定壓力 撐緊在管壁上 同時也對電機起過載保護的作用 2 柔性保持機構(gòu) 為滿足管道機器人 形封閉 力封閉 的設(shè)計要求 設(shè)計了柔性保持機構(gòu) 其 中保持輪軸線始終與管壁母線保持垂直 工作時 保持輪沿管壁滾動 當機器人在 不同直徑的管道內(nèi)運動時 壓簧的伸長和縮短帶動滑塊上下滑動 并通過連桿機構(gòu) 的作用 保持輪將始終貼緊管壁 達到 適應(yīng)不同管徑 的目的 這樣機器人在管 內(nèi)運動時 其中心線基本與管道的中心線保持一致 保證各單元與管壁的夾角在穩(wěn) 定運動的范圍內(nèi) 1 3 本課題的設(shè)計任務(wù) 本次設(shè)計的任務(wù)是設(shè)計一個螺旋輪式管道機器人 要求機器人可以在管道內(nèi)實 現(xiàn)前進 后退 按一定曲率半徑回轉(zhuǎn)動作 能高效地完成管道內(nèi)的探傷和定位工作 具體設(shè)計內(nèi)容為 1 了解螺旋輪式管道機器人的基本構(gòu)成及工作原理 熟悉其設(shè)計 生產(chǎn)的基 本知識 2 進行螺旋輪式管道機器人的總體方案設(shè)計及其零部件設(shè)計 3 設(shè)計原始參數(shù) 1 機器人可以在管道內(nèi)實現(xiàn)前進 后退 按一定的曲率半徑回轉(zhuǎn)向動作 2 機器人的適應(yīng)管徑 146 164mm 3 機器人的運動速度為 16r min 4 可以實現(xiàn)豎直管的前進后退 精品文檔 9歡迎下載9歡迎下載9歡迎下載9歡迎下載9歡迎下載9歡迎下載 1 4 論文的主要內(nèi)容 1 方案的確定 考慮課題所要求的變徑需要 擬訂幾個可行的變徑方案 并對 每個方案進行可行性分析 最終 經(jīng)過方案比較和各方面的綜合考慮 確定最佳方 案 2 材料的選擇 為了使管道機器人在管道內(nèi)更加靈活 所以采用鋁合金型鋼 6063 T4 合金 表 1 1 鋁合金型鋼 6063 T4 合金的特性 屬性數(shù)值單位 彈性模量 6 9e 010 牛頓 m2 泊松比 0 33 不適用 剪切模量 2 58e 010 牛頓 m2 密度 2700Kg m3 張力強度 170000000 牛頓 m2 X 壓縮強度牛頓 m2 屈服強度 90000000 牛頓 m2 熱膨脹系數(shù) 2 4e 005 k 熱導(dǎo)率 200w m k 比熱 900J kg k 材料阻尼比率不適用 鋁合金有如下優(yōu)點 鋁合金是純鋁加入一些合金元素制成的 如鋁 錳合金 鋁 銅合金 鋁 銅 鎂系硬鋁合金 鋁 鋅 鎂 銅系超硬鋁合金 鋁合金比純鋁具有更好的物理力 學性能 易加工 耐久性高 適用范圍廣 裝飾效果好 花色豐富 鋁合金分為防 銹鋁 硬鋁 超硬鋁等種類 各種類均有各自的使用范圍 并有各自的代號 以供 使用者選用 精品文檔 10歡迎下載10歡迎下載10歡迎下載10歡迎下載10歡迎下載10歡迎下載 鋁合金仍然保持了質(zhì)輕的特點 但機械性能明顯提高 鋁合金材料的應(yīng)用有以 下三個方面 一是作為受力構(gòu)件 二是作為門 窗 管 蓋 殼等材料 三是作為 裝飾和絕熱材料 利用鋁合金陽極氧化處理后可以進行著色的特點 制成各種裝飾 品 鋁合金板材 型材表面可以進行防腐 軋花 涂裝 印刷等二次加工 制成各 種裝飾板材 型材 作為裝飾材料 成本低 而且使用一種加工工藝可以大量生產(chǎn)同樣的零部件 這也是他的特點 之一 它的材料特性是輕 容易加工 以及在可耐強度方面不像碳素纖維有一個最大 受力范圍 也就是說 碳素纖維因為有纖維的特性所以在一定的纖維方向上受力能 力很強 但是在在別的方向上的受力就會很差 變得一層一層的 而鋁會慢慢變形 再損壞 還有就是鋁合金容易加工和具有高度的散熱性 此外 鋁合金的加工工藝多 種多樣 通用性較強 3 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 根據(jù)所確定的方案原理和管道檢測機器人在石油管道中 的工作情況 如 要克服 5mm 高的凸起 凹坑 要通過拐彎半徑為 R933mm 的彎道 還要保證超聲傳感器的探頭探測范圍覆蓋內(nèi)徑為 150mm 的管道環(huán)面等 設(shè)計出能 夠滿足實際要求的機械結(jié)構(gòu)形式和各個零件的具體尺寸 并繪制出變徑裝置的零件 圖 裝配圖 4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析 根據(jù)管道檢測機器人在石油管道中的工作情況 如在 5mm 高 的凸起 凹坑處以及在拐彎半徑為 R933mm 的彎道處 對設(shè)計出來的機械裝置進行受 力分析 優(yōu)化部分結(jié)構(gòu)參數(shù) 從而使超聲檢測裝置既能正常工作 5 基本尺寸的確定 使機構(gòu)滿足一定的幾何限制條件 6 繪制出變徑裝置的零件圖和裝配圖 并最終用 Solidworks 終繪制出該裝置 的三維實體模型 精品文檔 11歡迎下載11歡迎下載11歡迎下載11歡迎下載11歡迎下載11歡迎下載 2 2 螺旋輪式管道機器人的總體方案設(shè)計 2 1 機器人管內(nèi)運動方式對比分析 2 1 1 輪式 日本學者福田敏男 細貝英夫在 1986 年研制了可以通過 L 無圓弧過渡的管內(nèi) 移動機器人 該機器人行走機構(gòu)分別由頭部和本體兩部分組成 頭部和本體可相對 回轉(zhuǎn) 當機器人在直管內(nèi)行走時 本體上的電動機 M1 通過減速裝置帶動本體上的驅(qū) 動輪轉(zhuǎn)動 使機器人沿直管行走 當通過 90 度彎管時 電動機 M2 驅(qū)動頭部做姿態(tài) 調(diào)整 同時驅(qū)動頭部履帶 引導(dǎo)機器人通過彎管 該機器人的技術(shù)指標為 適應(yīng)管 徑 50mm 行走速度 8 1mm s 轉(zhuǎn)彎性能 可以通過 90 度直角彎管 機器人重量 為 240g 機器人長度 76mm 目前 輪式管道機器人是實際工程中應(yīng)用最多的一種 輪式管內(nèi)移動機器人行走 的基本原理是驅(qū)動輪靠彈簧力 液壓 氣動力 磁性力等壓緊在管道內(nèi)壁上以支承機 器人本體并產(chǎn)生一定的正壓力 由驅(qū)動輪與管壁之間的附著力產(chǎn)生機器人前后行走的 驅(qū)動力 以實現(xiàn)機器人的移動 輪式管道機器人的行走方式有 2 種 1 如果驅(qū)動輪軸線與管道軸線垂直 驅(qū)動輪沿管道母線滾動 機器人在管內(nèi)做平 移運動 此為輪式直進式管內(nèi)移動機器人 它的優(yōu)點是機器人行走時 不產(chǎn)生姿態(tài)旋轉(zhuǎn) 下面以上海交通大學研制的輪式管道機器人 圖 1 10 為例說明其工作原理 驅(qū)動電 機通過軸驅(qū)動與之相連接的蝸桿 蝸桿驅(qū)動沿圓周方向成 120 均勻分布的 3 個蝸輪 蝸輪又通過鏈輪和鏈條帶動機器人本體的車輪轉(zhuǎn)動 實現(xiàn)機器人本體在管道內(nèi)的前進 或后退 車輪與管道壁面之間的正壓力由調(diào)節(jié)部分提供 調(diào)節(jié)電機驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動 絲 杠螺母將在絲杠上來回軸向移動 并帶動推桿通過鏈 使搖桿轉(zhuǎn)動 從而實現(xiàn)預(yù)緊力的調(diào)節(jié) 精品文檔 12歡迎下載12歡迎下載12歡迎下載12歡迎下載12歡迎下載12歡迎下載 1 蝸桿 2 驅(qū)動電機 3 驅(qū)動電機安裝座 4 調(diào)整電機 5 鉸鏈 6 推桿 7 絲杠螺母 8 絲杠 9 蝸桿 10 蝸輪 11 鏈條 12 車輪 圖 1 10 驅(qū)動機構(gòu)原理圖 2 1 2 蠕動式 清華大學研制了一套小型蠕動機器人系統(tǒng) 其機構(gòu)如圖 2 1 由 1 蠕動體和 2 3 4 電致伸縮微位移器組成 蠕動體的蠕動變形形態(tài)由粘貼于柔性鉸鏈部位的 電阻應(yīng)變實時感 機器人的外形尺寸為 150 x61x46mm 重 2kg 最大步距 10 m 行 程 40mm 運動精度 0 2 m 走效率高 能以一定的速度平穩(wěn)地運動 通過一些結(jié)構(gòu) 設(shè)計 可以適應(yīng)一定的管徑變化 圖 2 1 蠕動體結(jié)構(gòu)示意圖 蠕動式驅(qū)動是基于仿生學原理 參考蚯蚓 毛蟲等生物的運動而實現(xiàn)的 首先 尾部支撐 身體伸長帶動頭部向前運動 然后 頭部支撐 身體收縮帶動尾部向前 運動 如此循環(huán)實現(xiàn)機器人的行走 蠕動式驅(qū)動的優(yōu)點在于可適用管徑及曲率的變 化 但是 蠕動式機構(gòu)運動是間歇式的 速度波動大 不容易實現(xiàn)和傳感器的集成 實現(xiàn)蠕動的方法復(fù)雜 附帶的元件多 如氣動蠕動 就需要外接多根導(dǎo)氣管 精品文檔 13歡迎下載13歡迎下載13歡迎下載13歡迎下載13歡迎下載13歡迎下載 1988 年 Ikuta 等引用蚯蚓運動的原理開發(fā)出了蠕動機器人 后來隨著蠕動機 器人技術(shù)的不斷完善 其開始向大型化發(fā)展 目前已可在 200 300 mm 的管道內(nèi)應(yīng)用 蠕動式管道機器人主要由蠕動部分 頭部 尾部組成 如圖 2 2 所示 前部和尾部 支撐分別裝有超越離合鎖死裝置 實現(xiàn)單向運動自鎖 中間蠕動部分提供機器人運 動的動力 對于蠕動動力機構(gòu) 目前有很多實現(xiàn)形式 如上海大學利用氣壓伸縮驅(qū) 動 上海交通大學利用形狀記憶合金伸縮驅(qū)動 昆明理工大學利用電磁吸合驅(qū)動 下面以電磁驅(qū)動的蠕動式管道機器人為例 分析蠕動式管道機器人的運動機理 蠕動式管道機器人的運動原理如圖 2 2 所示 一個動作循環(huán)分為 3 個步驟 1 當初始狀態(tài)時 電磁鐵失電 彈簧處于自由狀態(tài) 故頭部與尾部分離 2 當電磁鐵通電時 磁鐵與線圈吸合 安裝在頭部上的超越單向行走方式使頭 部原位不動 尾部由于電磁吸力的作用向前移動 3 斷開電源 電磁力作用消失 彈簧促使磁鐵與線圈分開 安裝在尾部上的超 越單向行走方式使尾部原位不動 頭部由于彈簧力的作用向前移動 至此 機器人回到了初始狀態(tài) 機器人前進了一步 蠕動機器人優(yōu)點是可在細小的微型管道中行走 但由于速度的間斷性和緩慢性 阻礙了它的發(fā)展 圖 2 2 蠕動機器人的運動原理 綜合輪式驅(qū)動 履帶式驅(qū)動 腿式驅(qū)動 電磁式驅(qū)動等不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點 以 及簡單性和實用性特點 最后確定采用輪式驅(qū)動結(jié)構(gòu) 輪式驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單 容 易實現(xiàn) 行走效率高 能以一定的速度平穩(wěn)地運動 通過一些結(jié)構(gòu)的設(shè)計 可以適 應(yīng)一定的管徑變化 通過控制軸向尺寸 采取適當?shù)慕Y(jié)構(gòu) 可以實現(xiàn)在彎管中行走 而且輪式驅(qū)動控制方便 可以方便地和各種傳感器 速度傳感器 壓力傳感器等 集成 常見的輪式驅(qū)動機構(gòu)有直進輪式驅(qū)動和螺旋輪式推進兩種方式 由于螺旋式 精品文檔 14歡迎下載14歡迎下載14歡迎下載14歡迎下載14歡迎下載14歡迎下載 推進機構(gòu)具有諸多優(yōu)點 前進速度快 驅(qū)動力大 對管徑大小和管道形狀變化的適 應(yīng)性較強 控制方便 機構(gòu)的管內(nèi)穩(wěn)定性好 因此我們最終確定采用螺旋輪式驅(qū)動 的方案 該方案采用了分節(jié)式螺旋驅(qū)動輪式結(jié)構(gòu) 管道檢測機器人基本結(jié)構(gòu)由前后 兩部分螺旋驅(qū)動部分和中間的超聲波探測部分構(gòu)成 2 2 螺旋輪式管道機器人的運動機理 2 2 1 機構(gòu)的原理 如圖 2 3 螺旋機構(gòu)由驅(qū)動電機 1 2 旋轉(zhuǎn)體 1 2 和支撐體 1 2 組成 三組驅(qū)動輪均勻分布于旋轉(zhuǎn)體上 且與管壁呈一定的傾斜角 隨著電機的轉(zhuǎn)動 驅(qū)動電機 1 2 帶動旋轉(zhuǎn)體 1 2 轉(zhuǎn)動 使驅(qū)動輪沿管壁作螺旋運動 保持機 構(gòu)沿管道中心軸線移動 改變施加于電機的電流極性 可改變機器人的移動方向 從而使機器人在管內(nèi)進退自如 電機采用內(nèi)嵌式安裝在支撐體 1 2 上 支撐體 1 2 通過彈簧 萬向聯(lián)結(jié)接頭與無損檢測傳感器相聯(lián)結(jié) 旋轉(zhuǎn)體 1 和支撐體 1 2 的輪腿上裝有彈性機構(gòu) 使得機械本體有較好的越障能力 腿輪與本體之間 有滑塊連接 靠螺釘固定 調(diào)節(jié)滑塊位置 腿輪可以伸縮 使得管道檢測機器人有 一定的管徑適應(yīng)能力 1 旋轉(zhuǎn)輪 2 彈簧 3 輪軸 4 支撐輪 5 電機托蓋 6 萬向節(jié)聯(lián)軸器 7 探測倉 8 旋轉(zhuǎn)電 機 9 探測頭 10 萬向節(jié)聯(lián)軸器 11 電機托蓋 12 支撐輪 13 旋轉(zhuǎn)輪 14 小輪支撐 體 15 小輪 16 螺釘 圖 2 3 油管檢測機器人的檢測本體結(jié)構(gòu) 精品文檔 15歡迎下載15歡迎下載15歡迎下載15歡迎下載15歡迎下載15歡迎下載 2 2 2 機器人設(shè)計要點 第一 輪式驅(qū)動控制方便 可以方便地和各種傳感器 速度傳感器 壓力傳感 器等 集成 對稱機構(gòu) 雙電機安裝方式可以使機器人前進速度快 驅(qū)動力大 控 制方便 機構(gòu)的管內(nèi)穩(wěn)定性好 第二 管道檢測機器人采用三節(jié)對稱結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點 1 兩驅(qū)動電機分擔機器人所需的驅(qū)動力 可以降低電機的外形尺寸 節(jié)省 軸向安裝空間 2 轉(zhuǎn)彎時分別控制兩電機的轉(zhuǎn)動 可以減小轉(zhuǎn)彎時驅(qū)動內(nèi)耗 增加靈活性 3 增加爬垂直管道的驅(qū)動力 4 前后兩部分驅(qū)動 可以盡量縮短軸向尺寸 減小轉(zhuǎn)彎半徑 第三 彈簧自定心作用 彈簧力的大小要考慮行走輪與管壁之間要有足夠的正壓力 使電機能夠有較大 的功率輸出 使行走機構(gòu)拖動力最大 同時 還要考慮保證機器人能夠在彈簧力的作 用下不會因其重力作用而明顯地偏離管道中心 由于彈簧機械性能及參數(shù)變化該機 構(gòu)設(shè)計上有調(diào)正環(huán)節(jié) 以使 3 個彈簧拉力基本平衡自定心 當機器人放入管內(nèi)后 彈簧力的大小仍可由外面的軸桿來調(diào)節(jié) 通過理論分析與比較 螺旋輪式管內(nèi)行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊 雙電機對稱機構(gòu)提供 的拖動力大 并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 靈活 電機的是一種理想的管內(nèi)行走機器人載體 可 以進行工業(yè)的應(yīng)用和推廣 精品文檔 16歡迎下載16歡迎下載16歡迎下載16歡迎下載16歡迎下載16歡迎下載 3 3 管道機器人行走機構(gòu)的分析與設(shè)計 3 1 旋轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖 3 1 旋轉(zhuǎn)輪零件圖 旋轉(zhuǎn)輪盤選擇兩盤相扣結(jié)構(gòu) 使機構(gòu)更加靈活 支撐滾動輪的支撐軸 設(shè)計一 個凸起卡在一個盤內(nèi) 既可以防止其在盤內(nèi)軸向旋轉(zhuǎn) 又不影響適應(yīng)不同管徑 變 徑范圍 146mm 164mm 3 1 1 機構(gòu)運動受力分析 管道內(nèi)機器人其移動機構(gòu)的主要任務(wù)是攜帶探測 修補或維護所需的設(shè)備 如 CCD 傳感器 渦流傳感器或復(fù)雜的微操作手等 這就要求移動機構(gòu)有一定的負載能 力 該機器人的供電方式為拖纜供電 隨著機器人在管道內(nèi)部行走的距離的加大 拖動電纜也就越長 這樣電纜與管壁的摩擦力也就加大 所以要求機器人的移動機 構(gòu)有一定的帶載能力 當檢測不同的管道時 管道內(nèi)徑可能是在一定范圍內(nèi)變化的 這種變化也會影響到移動機構(gòu)負載能力的變化 一般情況下 在不使機器人打滑的 同時 管徑增大時 撐緊機構(gòu)施加到車輪上的正壓力減小 從而摩擦力減小 負載 減小 電機所需的驅(qū)動力降低 反之在管徑變小時 撐緊機構(gòu)施加到車輪上的正壓 力增大 從而摩擦力增大 負載增大 電機所需的驅(qū)動力降低 因此有必要將機構(gòu) 的負載能力 或說軸向輸出牽引力 作為一個重要的指標來分析 由前面的分析可 知 移動機構(gòu)在管道中行走時 要實現(xiàn)力封閉及驅(qū)動行走 下面分析移動機構(gòu)在管 精品文檔 17歡迎下載17歡迎下載17歡迎下載17歡迎下載17歡迎下載17歡迎下載 道中行走時的受力情況 對管道檢測機器人受力分析時 只考慮機器人在垂直管道上升時的情況 因為 對管道檢測機器人在垂直管道中上升過程中受到的負載最大 如果爬垂直管道時機 器人的承受負載能力能夠滿足要求 那么 管道機器人本體在水平或者坡度管道時 負載能力必定能夠達到要求 機械平臺共有 6 組 12 個驅(qū)動輪和 6 組 12 個支撐輪 為了使計算出的負載能力有一定的安全系數(shù) 所以只考慮 12 個驅(qū)動輪的負載能力 來平衡機械本體的負載 以螺旋驅(qū)動部分的受力為例 如圖 3 2 假設(shè)處在理想狀 態(tài)下 每個橡膠驅(qū)動輪的受力狀態(tài)相同 因此取一個車輪作為隔離體 對其進行受力 分析 受力圖如圖 3 2 圖 3 2 力學分析原理 分析可知 整個移動機構(gòu)是依靠電機驅(qū)動 驅(qū)動輪緊緊壓著管壁 驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動 時與管壁之間產(chǎn)生純滾動 依靠管壁對驅(qū)動輪的摩擦力作用而實現(xiàn)行走的 因此 機器人在管道內(nèi)部的前進 后退 啟停 加減速等動作只需控制電機的正反轉(zhuǎn) 啟 停和調(diào)整電機電壓大小來實現(xiàn) 得出及機器人的最大載荷 W max 12 N f F sin 由 MAZ 0 F y 0 可得 F N R f1 R f2 r 帶入可得 W max 12 N f N R f1R f2r sin 3 1 1 1 受力分析時的一些假設(shè)條件 因為管道機器人的實際受力情況比較復(fù)雜 為了簡化分析和計算 所以對管道 機器人的移動機構(gòu)的受力情況 先做一些假設(shè) 以滿足分析的需要 下面是一些假 設(shè)條件 1 移動機構(gòu)是在直管中運動 忽略管道的內(nèi)徑的不均勻性 精品文檔 18歡迎下載18歡迎下載18歡迎下載18歡迎下載18歡迎下載18歡迎下載 2 管道機器人的移動機構(gòu)的車輪在管道內(nèi)作純滾動 而忽略掉零件加工中的 誤差而導(dǎo)致的機構(gòu)其他形式的運動 3 整個移動機構(gòu)作勻速運動 不考慮其慣性力的影響 4 移動機構(gòu)移動時共有六個輪子與管道內(nèi)壁接觸 假設(shè)每個輪子的封閉力都 相同 5 忽略一切損失 6 負載無波動 7 分析時采用標量 當所求值為負時表示實際方向與圖示方向相反 3 1 2 運動自由度分析 移動機構(gòu)自由度的設(shè)計與其要完成的任務(wù)是相關(guān)的 往往采用完成任務(wù)時所需 的最小自由度數(shù) 本設(shè)計任務(wù)中對移動機構(gòu)的自由度要求是能夠在管道的約束下沿 管道的軸線方向移動 且不能作沿管道軸心線的旋轉(zhuǎn)運動 即只要求是一個單自由 度移動機構(gòu) 由上一節(jié)的分析可知 在所設(shè)計的雙電機驅(qū)動直進式移動機構(gòu)中 電 機殼體與機架固連 電機座的反力在電機內(nèi)部被平衡掉 驅(qū)動輪僅受平面力系的作 用 只能作沿軸線方向的運動而不會產(chǎn)生沿管道軸心線的轉(zhuǎn)動 即整個移動機構(gòu)是 一個單自由度移動機構(gòu) 3 1 3 電機的選擇 12Fsin G G mg 2 9 8 19 6 12F 75 4 N 提供的牽引力至少 75 4N T 75 4 0 082 6 18Nm 每個電機提供轉(zhuǎn)矩 3 09Nm 1 根據(jù)外形尺寸 估計機器人的總質(zhì)量 M M 各個零件的質(zhì)量總和 大體估計總質(zhì)量為 2kg 精品文檔 19歡迎下載19歡迎下載19歡迎下載19歡迎下載19歡迎下載19歡迎下載 2 計算驅(qū)動機器人所需要的牽引力 F F 履帶輪摩擦力 旋轉(zhuǎn)刷摩擦力 據(jù)估計牽引力大小在 75 4N 左右 3 電機的選取 由于所需的負載轉(zhuǎn)矩小 并且轉(zhuǎn)速不宜太大 故選擇帶減速裝置的電機 P T w 3 09 2 16 60 5 2kw 即每個電機需要提供 2 6kw 的功率 JBY37 540 減速電機 實體圖 3 4 基本尺寸 3 5 考慮到在油管里 由于油管內(nèi)的壓力和摩擦力 選擇如下參數(shù)的電機 3 2 電機連接軸的設(shè)計 圖 3 6 電機連接軸 精品文檔 20歡迎下載20歡迎下載20歡迎下載20歡迎下載20歡迎下載20歡迎下載 表 3 3 電機選擇參數(shù) 電 壓 空載負載堵轉(zhuǎn) 減速 比 減速 箱長 重量 轉(zhuǎn)速電流轉(zhuǎn)速電流扭矩功率扭矩電流約 V rpm minArpm minA Kg c m WKg cmA 1 00mm g 4640 153710 3381016 2519250 2900 152320 3481311019250 1540 151230 35816118 822258 970 1577 60 3781813022258 660 15530 39822143 7524263 510 15610 310825156 2524263 320 15260 31283019024263 220 15180 3148351131 226 5268 12 170 15140 3158381168 726 5268 轉(zhuǎn)速電流轉(zhuǎn)速電流扭矩功率扭矩電流 9280 37240 64121026 2519250 5800 34640 66121521019250 3080 32460 691220218 822258 24 200 3160 62112552270 26 5 275 表 3 1 選擇電機參數(shù) 電壓 24V 轉(zhuǎn)速 16r min 功率 12w 電流 0 6A 減速比 27 體長 26 5mm 額定力矩 21Nm 重量 275g 精品文檔 21歡迎下載21歡迎下載21歡迎下載21歡迎下載21歡迎下載21歡迎下載 采用鍵連接 使結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定 第一 鍵連接的作用 鍵連接是通過鍵實現(xiàn)軸與軸向零件間的周向固定以傳遞運動 和轉(zhuǎn)矩 其中有些類型還可以實現(xiàn)軸向固定和傳遞軸向力 有些類型并能實現(xiàn)軸向 動連接 普通平鍵用途最廣 因為其結(jié)構(gòu)簡單 拆裝方便 對中性好 適合高速 承受變載 沖擊的場合 第二 鍵連接的裝配工藝要點 1 裝配前應(yīng)檢查鍵的直線度 鍵槽對軸心線的對稱度和平行度 2 普通平鍵的兩側(cè)面與軸鍵槽的配合一般有間隙 重載荷 沖擊 雙向使用 時 須有過盈 鍵兩端圓弧應(yīng)無干涉 鍵端與軸槽應(yīng)留 0 10mm 的間隙 3 普通平鍵的底面與鍵槽底面應(yīng)貼實 4 半圓鍵的半徑應(yīng)稍小于軸槽半徑 其他要求與一般平鍵相同 第三 鍵的選擇和鍵聯(lián)接的強度計算 1 鍵的選擇 鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個方面 選擇鍵連接類型時 一般需考慮 傳遞轉(zhuǎn)矩大小 軸上零件沿軸向是否有移動及移動距離大小 對中性要求和鍵在軸 上的位置等因素 并結(jié)合各種鍵連接的特點加以分析選擇 鍵的截面尺寸 鍵寬 b 和鍵高 h 按軸的直徑 d 由標準中選定 鍵的長度 L 可根據(jù)輪轂的長度確定 可 取鍵長等于或略短于輪轂的寬度 導(dǎo)向平鍵應(yīng)按輪轂的長度及滑動距離而定 鍵的 長度還須符合標準規(guī)定的長度系列 2 平鍵連接的強度計算 平鍵連接的可能失效形式有 較弱零件工作面被壓潰 靜連接 磨損 動連接 鍵的剪斷 一般極少出現(xiàn) 因此 對于普通平鍵連接只需進行擠壓強度計算 而對 于導(dǎo)向平鍵或滑鍵連接需進行耐磨性的條件性計算 3 3 彈簧的設(shè)計與選擇 拉伸彈簧是直進輪式管道機器人的關(guān)鍵部件 如果拉伸彈簧的拉力不夠 不能 保證每組輪軸機構(gòu)都能被拉開使車輪擠壓在石油管道內(nèi)壁 這樣不能保證機器人能 精品文檔 22歡迎下載22歡迎下載22歡迎下載22歡迎下載22歡迎下載22歡迎下載 夠平穩(wěn)行駛 如果拉伸彈簧的拉力太大 雖能保證機構(gòu)都能被拉開并擠壓在石油管 道內(nèi)壁 但擠壓在石油管道內(nèi)壁的壓力過大 使得直進輪式管道機器人運動阻力過 大 這對電機要求也會相應(yīng)提高 因此 拉伸彈簧的設(shè)計是一個關(guān)鍵問題 需要選 擇合適的參數(shù) 不僅要機構(gòu)平穩(wěn)行駛 而且要盡量減小整個行走機構(gòu)的運動阻力 降低對電機功率要求 F 75 4N F 12 6 3N 故此彈簧所受力為 6 3N 經(jīng)查表得 1 彈簧中徑為 8mm 2 壓縮彈簧有效圈數(shù)為 10mm 3 壓縮彈簧的自由高度 H0 16mm 4 圓柱螺旋彈簧極限應(yīng)力與極限載荷 工作極限應(yīng)力 j 1 67 p 5 端部并緊磨平 d 0 的情況下 機器人通過彎管時需考慮 兩種情況 機器人的兩個端面在彎管的直邊部分 見圖 4 2 機器人的兩個 精品文檔 25歡迎下載25歡迎下載25歡迎下載25歡迎下載25歡迎下載25歡迎下載 端面在彎管的彎曲部分 見圖 4 2 a b 圖 4 2 機器人處于彎管時的幾何約束 當機器人的兩個端面在彎管的直邊部分時 機器人的直徑和長度應(yīng)滿足下式 0 d R D 2 C O S a 2 R D 2 L max R D 2 C S C a 2 R D 2 d c o t a 2 當機器人的兩個端