管道清潔機器人畢業(yè)設(shè)計論文

目錄 21.1本課題研究背景和研究意義 21.2國內(nèi)外發(fā)展狀況 41.3本設(shè)計的主要內(nèi)容 2管道機器人總體設(shè)計 2.1管道機器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1.1移動方式選擇 2.1.2傳動方案的選擇 2.2機器人變管徑自適應(yīng)性方案設(shè)計 2.3動力系統(tǒng)的設(shè)計計算 222.3.1管道機器人行駛阻力分析 2.3.2減速器的選擇 262.4機器人的速度和驅(qū)動能力校核 282.4.1運動速度校核 282.4.2驅(qū)動能力校核 3鏈傳動的設(shè)計計算 3.1鏈輪設(shè)計的初始條件 293.2鏈輪計算結(jié)果 3.3歷史結(jié)果 4蝸輪蝸桿的設(shè)計計算 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第1頁共45頁4.1蝸輪蝸桿基本參數(shù)設(shè)計 4.1.1普通蝸桿設(shè)計輸入?yún)?shù) 4.1.2材料及熱處理 4.1.3蝸桿蝸輪基本參數(shù) 4.1.4蝸輪精度 4.1.5強度剛度校核結(jié)果和參數(shù) 4.1.6自然通風(fēng)散熱計算 4.2蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.2.1軸的強度較核計算 4.2.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 454.2.3鍵的校核 455過彎道能力和其他部件設(shè)計 475.1彈簧的設(shè)計 475.2過彎道能力的設(shè)計 485.2.1工作原理 485.2.2過彎道能力的幾何量設(shè)計 496管道機器人建模與仿真分析 537總結(jié)和展望 參考文獻 管道機器人的設(shè)計與運動仿真1.1本課題研究背景和研究意義溫度、壓力不同及介質(zhì)與管道之間的物理化學(xué)作用，常常會高溫結(jié)焦，生物耗、能耗增加，工藝流程中斷，設(shè)備失效，發(fā)生安全事故。盡管通過添加化學(xué)劑，采用合理的工藝流程，進行水質(zhì)處理措施可以在一定程度上改善這些情況，但要完全避免污垢的產(chǎn)生是不可能的。我國的管道清洗行業(yè)率低、污染環(huán)境等，遠遠不能滿足現(xiàn)代社會日益增長的要求。探索和開發(fā)利用行星磨頭清洗是一種新的清洗方法。與化學(xué)清洗及手工、機械清洗相比，具有清洗質(zhì)量好、效率高、適應(yīng)性強、成本低等一系列優(yōu)點，可達到返舊還新的效果。作為一種清潔、高效、對環(huán)境無污染的清洗技術(shù)隨著經(jīng)濟的發(fā)展、人們生活水平的提高，人們對于食品衛(wèi)生、健康的要求越來越高，環(huán)保意識越來越強，如何實現(xiàn)油煙管道高效率的清洗成了本課題的研究目的是設(shè)計一種應(yīng)用于清洗油煙管道的機器人，解決單獨靠人力很難完成，甚至不可能完成的油煙管道清洗任務(wù)。本課題的研究華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第3頁共45頁只有一個自由度，清洗管道壁時，要通過不斷調(diào)整機器人的位姿來實現(xiàn)，直煙道的清洗是管道清洗的重要任務(wù)。針對現(xiàn)有機器人不能用于豎直管道清洗的缺點，我們設(shè)計了鏈式履帶行走、永磁吸附的機械行走機構(gòu)，用于3、可改善當前清洗油煙管道工人的工作環(huán)境、降低工人的勞動強度、節(jié)約清洗成本、消除油煙管道清洗的衛(wèi)生死角、提高管道使用壽命、提高油煙管道的清洗效率、減少火災(zāi)以及可避免化學(xué)清洗導(dǎo)致的污染和純機械現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)及日常生活中使用著大量管道，石油、天然氣、化工等領(lǐng)域也應(yīng)用了大量管道，這些管道大多埋于地下或海底，輸送距離近千里，它們的泄漏會造成嚴重的環(huán)境污染，甚至引起火災(zāi)，多數(shù)管道安裝環(huán)境人們不能直接到達或人們無法直接介入，另外，在一些工廠里有大量的通風(fēng)管道，在某些餐廳或飯店里裝有大量的油煙管道，這些管道或者架設(shè)在空中，或者管道內(nèi)徑很小，在做質(zhì)量檢測、故障診斷、清洗時比較困難。這管道機器人的迅速發(fā)展時期始于上個世紀80年代，它是一種可沿管道焊槍、刷子),其研究范疇屬于特種機器人中的移動機器人范疇，能夠完成管道機器人的設(shè)計與運動仿真在操作人員的遙控或者計算機的自動控制下完成管道的檢測和維修、清掃等作業(yè)。檢測作業(yè)項目包括防腐狀況檢測、對接管道焊縫質(zhì)量、管道內(nèi)腐1.2國內(nèi)外發(fā)展狀況走方式來進行清洗，無法根據(jù)管道的內(nèi)部情況進行清洗參數(shù)的動態(tài)調(diào)整，管徑的適應(yīng)能力較差。為了解決這個問題，著眼于管道行走清洗機器人的研究開發(fā)，而在國內(nèi)這方面研究尚少。為了較好地解決管道的清洗難題，開發(fā)和研制管道清洗機器人勢在必行。本人設(shè)計管道清洗機器人是把行星磨頭清洗技術(shù)與機器人技術(shù)結(jié)合起來，進行綜合設(shè)計開發(fā)，因此它的深入德、法等發(fā)達國家在管道機器人技術(shù)方面做了大量工作，尤其是日本，在管道機器人的研究及開發(fā)中取得了領(lǐng)先的地位。法國的J.Vertut是較早從事管道機器人理論和樣機研制的人，他于1978年研制了一種輪腿式管內(nèi)機器人行走機構(gòu)，成功地實現(xiàn)了機器人在管內(nèi)的自主行走。該機構(gòu)由2個行走輪及4個支腿組成，支腿由電機驅(qū)動，以適應(yīng)不同管徑的變化。美國是機器人的誕生地，早在1962年就研制出了世界上第一臺工業(yè)機1-1,其研制的管道射流清洗機器人采用履帶驅(qū)動方式，但管徑適應(yīng)能力較差，射流對中性差，清洗效果不理想。盡管常規(guī)管道機器人有的己經(jīng)實用華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第5頁共45頁美國佛羅里達大學(xué)電子及計算機工程學(xué)院智能機械設(shè)計實驗室研制的OPCR-OH'S管道清理機器人，如圖1-2所示。圖1-1stoneage公司管道清洗機器人管道機器人傳感器可以檢測到需要清理的障礙、發(fā)現(xiàn)管道終端，從而能夠及時停止機器人的運動。驅(qū)動部分主要有兩個功用是適當?shù)尿?qū)動運動；二是可以根據(jù)障礙物的尺寸來調(diào)節(jié)輪的角度，通過螺旋運動來清理障礙物。OPCR共有三個驅(qū)動輪，每個輪均有兩個微型電機控制，其中一個電機作為驅(qū)動，另一個電機改變輪的角度，這樣在轉(zhuǎn)彎的情況下機器人可以實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)彎。當管道機器人的設(shè)計與運動仿真圖1-3美國RIGID(里奇)管道疏通機美國RIGID(里奇)管道疏通機如圖1-3所示，其基本原理是利用機械裝兩端有接頭可將多根軟軸接在一起使用，從而可疏通較長距離的管道。用可以順利通過180°彎道或連續(xù)180°返水彎管。圖1-4所示EverstVit公司的管道檢測機器人系列，采用輪式移動機構(gòu)，這種移動機構(gòu)在管道街頭該車的9個電驅(qū)動裝置能把整個機器聯(lián)接起來，推出并轉(zhuǎn)動工作部件、翻轉(zhuǎn)攝像機用于觀察修理過程，還能“指使”刷子去清洗應(yīng)洗的部位。除此以外，為了使機器人能從豎孔中鉆進橫向管道，機器人自身可折彎，因而華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第7頁共45頁機器人安裝的輪子以0.3m/s的速度向前行駛，有大功率燈泡照明，攝像機通過向不同的方向旋轉(zhuǎn)可以判斷故障點。在發(fā)現(xiàn)故障點后機器人用一整套工具(銑刀、鉆頭、切割和清理工具)完成各道工序。機器人由操作師控1-6所示。它采用分段蠕蟲狀外形設(shè)計，使其具備了前所未有的靈活性，可以實現(xiàn)對排水管道的初步清理及檢測。適用于大直徑、淤積不嚴重、管路圖1-5月球車(適應(yīng)管徑范圍300-900mm)圖1-6二十世紀80年代，計算機、傳感器、現(xiàn)代控制理論和技術(shù)的發(fā)展為管內(nèi)機器人的應(yīng)用與研究提供了有力的技術(shù)支持，國外相繼開發(fā)、研制了多代技術(shù)，開發(fā)了多種形式的管道機器人。例如，日木關(guān)西電力株式會社開發(fā)出了適用于o288mm～388mm管徑、管長機器人，該機器人通過沿徑向分布的履帶在水平管和垂直管內(nèi)自主行走，管道機器人的設(shè)計與運動仿真移動速度為5m/min。日本大阪燃氣株式會社研制的內(nèi)置磁鐵輪式煤氣管道檢測機器人可沿直管和彎管行走，適于管徑0150mm～600mm,行走速度5m/min,采用光纜通訊，但由于攜帶的蓄電池電能的限制，還不能實現(xiàn)較日本推出的“三藏法師”用于清洗、檢測空調(diào)通風(fēng)管道的超小型機器人，如圖1-7所示，是被世界認可的風(fēng)管清掃系統(tǒng)(具有美國、日本、歐洲多國專利),其特長為：圖1-7中央空調(diào)風(fēng)管清掃機器人日本和美國都是機器人發(fā)展較成熟的國家，對空調(diào)管道機器人的研究華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第9頁共45頁也較成熟，上面介紹的日本管道機器人，體積小，能清洗任何形狀的空調(diào)通風(fēng)管道，不但可以做清掃任務(wù)，還可做檢測任務(wù)。美國的管道機器人也已經(jīng)開發(fā)出一系列的管道機器人。其他國家也研究了用于排水管道清理的機器人，但都有各自的優(yōu)缺點，目前，這些機器人仍不能用于清洗油煙管我國對管道機器人的研究始于上個世紀八十年代末期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州工業(yè)大學(xué)、東華大學(xué)、上海大學(xué)等高校和科研院所都做了這方面的工作，在理論上和應(yīng)用上取得了很多進步。近幾年來，用于空調(diào)管道清洗和檢測的管道機器人如雨后春筍般的出現(xiàn)的市場在上，己初見規(guī)模。目前國內(nèi)研究的管道機器人主要應(yīng)用在以下4個方面：中科院蘭州分院研發(fā)的清潔機器人樣機是據(jù)400察和對污染物進行清潔的功能。國內(nèi)自主研發(fā)的這種清潔機器人具有在管道內(nèi)前進、后退和轉(zhuǎn)彎等功能。行走速度在每分鐘0.5m～1m之間，清潔系統(tǒng)主要是安裝在機器人上、可在管道外部控制的清潔動力刷，電纜長度超制的通風(fēng)管清掃機器人MDCR-I尺一寸為520mm×290mm×270mm是一種可在通風(fēng)管內(nèi)行走的移動機器人。自動升降的手臂裝上刷頭可以清掃不同規(guī)格的矩形、圓形通風(fēng)管；裝上噴槍可以對通風(fēng)管進行消毒。同樣，由于其功能中自動控制能力較強具有自動糾偏自主導(dǎo)航的功能，其尺寸相應(yīng)較大是管道機器人的設(shè)計與運動仿真其應(yīng)用范圍的限制因素。其功能包括檢測、清洗和消毒，如圖1-8所示。東華大學(xué)研制的“自主變位四履帶足機器人，如圖1-9所示。它將履帶與機體之間的固定擺臂變?yōu)榭蓹M向擺動的擺臂，改變左右擺臂的夾角以適應(yīng)不同的圓管管徑。這種管道機器人移動載體既適用于大口徑管道，也適用可適用于矩形管和圓管，能輕松實圖1-9自主變位四履帶足機器人現(xiàn)直角矩形管轉(zhuǎn)向和圓弧彎道行走，可勝任各種環(huán)境復(fù)雜的管道。因此清洗機器人在清洗過程中無須頻繁改變?nèi)肟谖恢?，故能大大提高管道清洗機器人的作業(yè)效率。機器人采用多電機驅(qū)動技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好。該輪式行走機構(gòu)、四輪驅(qū)動方式、以三相異步電機做原動機。該機器人在清淤時有打滑現(xiàn)象。哈爾濱工程大學(xué)的城市排水管道穿纜檢測機器人，采用華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第11頁共45頁密封式水下結(jié)構(gòu)；移動速度為5～10m/min;負重能力大于10kg,如圖1-10圖1-10城市排水管道穿纜檢測機器人圖1-11PV-2300自走式管道檢測機器人用于管道檢測的機器人的產(chǎn)品也比較多，北京航天村技術(shù)研究所推出用左右獨立全輪驅(qū)動，能在行走時進行傾斜補正；搭載的照相頭有4倍聚管道機器人的設(shè)計與運動仿真圖1-12煙道機器人如圖1-12所示，是一款由武漢亞伯機電有限公司生產(chǎn)的煙道機器人，該機器人自身尺寸280mm×260mm×270mm,重量18kg,爬坡≤30°,采用高壓射流清洗，電源220v,功率60w。該機器人無法完成豎直油煙管道的清洗，且重量較重。由于噴桿只有一個上下擺動的自由度，因此，在清洗過程中，機器人要頻繁的調(diào)整其與管壁的位姿來保證清洗效果，從而降低1.3本設(shè)計的主要內(nèi)容目前管道機器人的驅(qū)動方式有自驅(qū)動(自帶動力源)、利用流體推力、通過彈性桿外加推力三種方式。采用雙步進電機驅(qū)動，通過諧波減速器將動力傳遞給行走裝置。盡管自驅(qū)動管內(nèi)機器人行走可以采用的輪式、腳式爬行式、蠕動式，履帶式等多種形式，但本文則是對輪或管道機器人的研究，可以設(shè)計機構(gòu)在一定的管徑變化范圍內(nèi)，具有常封閉特性，增加了載本論文“管道機器人設(shè)計與運動仿真”的目標是研究一種用于管道內(nèi)壁清潔的管道機器人，該機器人是用于作為攜帶作業(yè)工具進行管道清洗的移動載體和清洗管道的機械執(zhí)行機構(gòu)，要求其完成管道內(nèi)壁的清洗和檢測華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第13頁共45頁管的幾何約束尺寸，分析對變徑機構(gòu)的影響；建立輪壁接觸點分析模型，并對驅(qū)動截面偏角與軸線偏移量做出詳盡分析；基于所建立的彎管內(nèi)輪壁接觸點軌跡參數(shù)方程，通過分析彎管內(nèi)驅(qū)動輪速比運動特點，提出采取簡化控制方法的可行性及實用價值；建立彎管內(nèi)機器人產(chǎn)生螺旋自轉(zhuǎn)體運動管道清洗機器人應(yīng)用于管道直徑090mm～q125mm的管道中工作，作業(yè)管道機器人的設(shè)計與運動仿真環(huán)境要求整個結(jié)構(gòu)的尺寸應(yīng)盡可能的小并且具備一定的牽引力，整個設(shè)計內(nèi)作業(yè)特點來設(shè)計出穩(wěn)定運行，滿足清洗性能要求的機器人。在進行清洗時候，要求系統(tǒng)必須保證噴頭具備一定的對中性能，能適應(yīng)不同的管徑變化，對于在行進過程中，管內(nèi)可能出現(xiàn)凸凹不平情況，機器人還應(yīng)具備一定的越障能力。如果機器人在運動過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或由于重心偏移而使得機器人的軸線與管道的中心線產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，載體可能卡在管道內(nèi)而無法取出，嚴重時不得不破壞管道取出機器人。對于大口徑的管道機器人，由于其自重較大，如果支撐臂不具備自動定心性能，必定產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，其結(jié)果使機器人運動阻力增大，出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象。為了提高作業(yè)的可靠性，設(shè)在現(xiàn)有的管道機器人設(shè)計中，移動型本體結(jié)構(gòu)，主要有履帶式、支腿式、輪式結(jié)構(gòu)以及蛇行、蠕動、變形運動等幾種形式。如壁面爬行、水下推動等機構(gòu)。蛇行、蠕動、變形運動鄉(xiāng)適合于光滑的管壁、地面或水下。而且要保持履帶的張緊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖所示；支腿式對粗糙表面性能較好、帶載能力強，但其控制系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)均復(fù)雜、移動行走速度慢；輪式移動方式速度快，轉(zhuǎn)彎容易，對中性好，尤其是徑向輻射輪式結(jié)構(gòu)，能夠保證機器人在運行過程中，其中心軸線與管道軸線保持一致，缺點是著華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第15頁共45頁2.1.2傳動方案的選擇機器通常是由原電機、和工作機三部分所組成。傳動系統(tǒng)是將原動機的運動和動力進行傳遞與分配的作用，可見，傳動系統(tǒng)是機器的重要組成部分。傳動系統(tǒng)的質(zhì)量與成本在整臺機器中占有很大比重。因此，在機器中傳動系統(tǒng)設(shè)計的好壞，對整部機器的性能、成本以及整體尺寸的影響都結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、傳動效率高、使用維護方便、工藝性和經(jīng)濟性好等要求。很顯然，要同時滿足這些要求肯定比較困難的，因此，要通過分析和比較多種傳動方案，選擇其中最能滿足眾多要求的合理傳動方案，作為機器人常用的驅(qū)動方式有：液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動、電動驅(qū)動三種基本方式。電動驅(qū)動主要有步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機。液壓與氣動方式對環(huán)境要求較高，實現(xiàn)起來較復(fù)雜，而電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單，較易實現(xiàn)密封與調(diào)速控制。故在本設(shè)計中選用步進電機作為機器人本體的驅(qū)動動力；減速器選用行星齒輪減速器。驅(qū)動動力從電機經(jīng)由減速器減速后，在滿足管徑自適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，如何更好地將動力傳遞到主動輪上，是選擇機器人傳動方式過程中重點考慮的問題。結(jié)合管道機器人的結(jié)構(gòu)布局方式的特點，在本設(shè)計中主要通過一套動力變換裝置和同步鏈傳動機構(gòu)來實管道機器人的設(shè)計與運動仿真圖2-1車輪端面圖 剛好使得位于最上側(cè)的輪處于與管壁相接觸的臨界狀態(tài)，也就是說上輪與管壁間的接觸壓力剛好為零，所以機器人整體的驅(qū)動力絕大部分來自輪1和輪3,而且機器人本體的重心位置位于管道的軸線下方40mm左右(如圖2-1所示),增強了機器人的穩(wěn)定性。下面兩輪所在支腿中心線與減速器輸出軸線垂直，且兩支腿中心線的夾角為120°,故需要動力變換裝置來實現(xiàn)動力的分流。蝸桿傳動是空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動機構(gòu)，兩軸線交錯的夾角可為任意值，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪齒是逐漸進入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時嚙合的齒數(shù)又較多，故沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲低。在設(shè)計中蝸桿與兩蝸輪之間的軸線夾角為90°,兩蝸輪軸線之間的夾角為120°。如圖2-1所示華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第17頁共45頁由于設(shè)計的機器人具備在一定的管徑變化范圍內(nèi)行走的能力，在管徑發(fā)生變化的時候，主動輪與管道中心的距離也相應(yīng)發(fā)生改變，在現(xiàn)有的相關(guān)管道機器人傳動方案中，更多的是采用全齒輪傳動方式，即動力經(jīng)變換后，通過增加惰輪的方式，將動力傳遞到主動輪，雖然該方案的傳動效率將動力傳遞到各支腿，因為空間尺寸關(guān)系，在兩者之間增加一惰輪機構(gòu)，再應(yīng)用同步鏈將動力傳送到主動輪1和輪3。同步帶輪1與安裝底座的連接軸同軸，故無論管徑如何變化，兩個同步鏈輪間的軸線距離保持不變，只2.2機器人變管徑自適應(yīng)性方案設(shè)計管道由于制作誤差、使用過程中局部結(jié)垢、局部壓力過大而產(chǎn)生變形以及內(nèi)表面雜物的存在，管道機器人在碰到變形部位及雜物時，由于阻力而使支撐臂收縮，同時在驅(qū)動力的作用下通過變形部位，當再次達到管道正常段時，支撐臂能夠在彈簧的作用下像傘一樣張開，使機器人重新恢復(fù)原來的平穩(wěn)狀態(tài)。這個過程就是機器人的自適應(yīng)過程。有了自適應(yīng)性，機器人就能穿過一個個變形部位，以達到對管道進行有效清洗的目的，在本設(shè)計中，對于自適應(yīng)性的設(shè)計主要包括兩種方式：各支腿單獨調(diào)整和支腿各支腿的單獨調(diào)整方式。當機器人在行進過程中，其中的一個或多個管道機器人的設(shè)計與運動仿真支腿遇到障礙物(包括突起和凹陷)時，利用支腿內(nèi)部的調(diào)整彈簧來改變支腿的長度使得支腿與管壁處于理想的接觸狀態(tài)，以滿足穩(wěn)定作業(yè)要求。同時調(diào)整彈簧也能起到一定的緩沖減震作用。該裝置主要是針對相同管徑或管徑變化范圍不是很大的情況下，當管徑變化范圍較大時，則應(yīng)使用支目前管道機器人在適應(yīng)不同管徑的調(diào)節(jié)機構(gòu)常用的有：蝸輪蝸桿調(diào)節(jié)方式，升降機調(diào)節(jié)方式、滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式和彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式。比較研究了各種調(diào)節(jié)機構(gòu)的優(yōu)缺點，針對本課題的工程實際需要，并根據(jù)前后支腿的特性要求，在前支腿(即從動輪支腿)選用彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式，后支腿(即主動輪支腿)選用滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式。這兩種調(diào)節(jié)機構(gòu)能保證機器人具有充裕并且穩(wěn)定的牽引力，并且管徑變化范圍比較大，下(1)滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式自適應(yīng)方案。其具體設(shè)計如圖2-2所示是滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式示意圖，其工作原理是：安裝在軸套和絲杠螺母從而帶動推桿運動，進而推動連桿AB繞支點A轉(zhuǎn)動，使車輪撐開或者緊縮以達到適應(yīng)不同的管徑的目的。保證管道機器人以穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第19頁共45頁道內(nèi)壁上，使機器人具有充足且穩(wěn)定的牽引力。壓力傳感器軸套圖2-2滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式下面分析滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性，如圖所示，以固定支點A為坐標系的原點，建立如圖所示的坐標系XOY,z,為連桿AB的長度，L?是推桿CD的長度，L,是支點D到固定支點A之間的距離，a是推桿CD與水平方向之間的夾角，p是連桿AB與水平方向之間的夾角，凡為管道內(nèi)壁作用在車輪上的壓力即封閉力，F(xiàn)是滾珠絲杠螺母作用在推桿上的軸向推力，r是作用在滾珠絲桿軸上的有效扭矩。r。是電機軸的輸出扭矩。在坐標系XOY中，由幾何關(guān)系可得對上式兩邊分別取微分可得：第20頁共45頁將式代入上式并化簡得：所采用的滾珠絲杠螺母副的導(dǎo)程記為P,g相對轉(zhuǎn)角，則絲杠螺母的位移為：對上式等號兩邊分別取微分得：考慮滾珠絲杠螺母副，由虛位移原理可得：為滾珠絲杠和絲杠螺母之間的ZFδ+Tδn=0ZFδ+Tδn=0合并整合上兩式得：華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第21頁共45頁此式即為滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性。(2)彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式如圖所示的是從動輪的彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式示意圖，其工作原理與滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式原理類似，只是在張緊力調(diào)整方面采用被動調(diào)整方式。當管徑發(fā)生變化時，作用在從動輪上的壓力變化，使得壓緊彈簧產(chǎn)生伸縮：而帶動推桿運動，進而推動連桿AB繞支點A轉(zhuǎn)動，使車輪撐開或者緊縮以達到適應(yīng)不同的管徑的目的。與滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的主要區(qū)別就在于在壓緊力的調(diào)節(jié)方面由調(diào)整電機的主動調(diào)整變?yōu)閴壕o彈簧的被動調(diào)整。故在彈簧壓緊調(diào)節(jié)方武的力學(xué)特性如下：圖2-3彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式選取其中的一個支承臂作為研究對象，其受力分析如圖所示，由前述滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的分析可知，彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式的力學(xué)平衡方程 第22頁共45頁彈簧壓緊力可表示為：f=k[x?-(L-S?-S?)]f為彈簧的初始長度(mm),k為彈簧的彈性系數(shù)(N/mm)。從上邊的式子可以看出，彈簧壓緊力f只是位移函數(shù)，因此該機構(gòu)具有負反饋作用，在一定的管徑變化范圍內(nèi)，封閉力之和N變化不大。由此可見該機構(gòu)具有常封閉特性，這樣便增加了載體的穩(wěn)定性和可靠性，同時由于彈簧壓緊力f的回饋作用可使機構(gòu)具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能。2.3動力系統(tǒng)的設(shè)計計算2.3.1管道機器人行駛阻力分析在計算前，我們先設(shè)定我們所設(shè)計的機器人的行進速度是17.5mm/s。機器人在管道內(nèi)進行清洗作業(yè)時，必須克服來自管道內(nèi)表面的滾動摩擦阻力F,F,=fEN。式中，r是滾動摩擦因數(shù)，即輪子在一定條件下滾動所需要的推力。ZNg為機器人輪子負荷之和。也就是：式中p—機器人管內(nèi)作業(yè)姿態(tài)角，華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)當姿態(tài)角分別為60°或者-60°時候，系統(tǒng)的阻力最大。預(yù)設(shè)為0.5,機器人重量為4.8kg,打撈最大質(zhì)量300g,由于輪子手的是彈簧調(diào)節(jié)，則彈簧對輪子又很大的壓力，由于我們采用的是型芯磨頭切削，對車身的穩(wěn)定性要求較其他更為嚴格，假設(shè)彈簧對輪子的壓力是40x9.8N,2F=根據(jù)實際情況，我們設(shè)計主動輪半徑，=50mm,總阻力矩為：ZM=ZFr=24×50.05=12.25Nm已經(jīng)設(shè)過機器人行進速度為17.5mm/s,也就是1.05m/min,則主動輪轉(zhuǎn)速應(yīng)考慮機器人在管道內(nèi)行進出現(xiàn)的在和突變情況，取安全系數(shù)為2,則電機的得：轉(zhuǎn)速為1500r/min華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第25頁共45頁表2-1YS系列電機技術(shù)參數(shù)型號額定功率額定電壓額定頻率同步轉(zhuǎn)速效率功率因數(shù)/H?或表2-1YS系列電機技術(shù)參數(shù)續(xù)管道機器人的設(shè)計與運動仿真額定頻率/H?同步轉(zhuǎn)速效率)功率因數(shù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩堵轉(zhuǎn)電流最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩額定電流額定轉(zhuǎn)矩聲功率極/dB(A)2.3.2減速器的選擇在選擇了電機型號之后，需要選擇與之相應(yīng)的減速器。在確定了減速器的類型后，減速器的選擇關(guān)鍵在減速比的選擇。1、考慮驅(qū)動能力時減速比的計算根據(jù)電機的相關(guān)資料，可知電機的額定轉(zhuǎn)矩為0.9Nm,為滿足機器人能正常行駛，則整個軀動系統(tǒng)電機的驅(qū)動力矩經(jīng)傳動系統(tǒng)減速增扭后，驅(qū)動力矩應(yīng)大于等于機器人所受到的總的阻力矩，即應(yīng)保證傳動系統(tǒng)的傳動2.考慮機器人最高運行速度傳動比的計算華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第27頁共45頁in≤i.≤ima第28頁共45頁2.4機器人的速度和驅(qū)動能力校核確定電機和減速器后，我們必須進行機器人的運動速度和驅(qū)動能力的校核，以確保機器人有足夠驅(qū)動力的同時，能滿足機器人的最高行走速度要求。2.4.1運動速度校核根據(jù)以上所選電機和減速器的性能指針，可知電機的額定轉(zhuǎn)速r=0.05m,可以計算出機器人在確定電機和減速器后的最高車速v。雖然v大于預(yù)期設(shè)定速度，但是我們可以通過控制電機的轉(zhuǎn)速使機器人低于此速度行駛，而且還有一定得速度儲備，在機器人需要快速行進至工作位置的情況下，盡可能有較快的速度。2.4.2驅(qū)動能力校核根據(jù)電機的額定輸出轉(zhuǎn)矩為2.4Nm,傳動比；為450,則機器人總的驅(qū)動力M=2.4×450=576≥ZM因為機器人總的驅(qū)動力矩大于其所受到的總的阻力矩，所以機器人能夠有足夠的動力起車，并有一定的動力儲備。經(jīng)過上述計算和校核，所選的施奈德BSH4552T伺服電機和GBX40行星齒輪減速器能夠滿足管道射流清洗機器人的性能要求，從而可以由其組成機器人的行駛驅(qū)動系統(tǒng)。華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第29頁共45頁鏈輪設(shè)計的初始條件如圖3-1所示表3-1初始條件名稱數(shù)值單位傳遞功率小鏈輪轉(zhuǎn)速平均轉(zhuǎn)動比1;可大或小0.5%大鏈輪轉(zhuǎn)速傳動轉(zhuǎn)類傾斜傳動傳動速度低速轉(zhuǎn)動(v≤m/s)潤滑條件由設(shè)計結(jié)果確定(推薦)中心距條件可調(diào)載荷性質(zhì)平穩(wěn)載荷原動機種類電動機或汽輪機彈緊裝置張緊輪管道機器人的設(shè)計與運動仿真3.2鏈輪計算結(jié)果表3-2設(shè)計結(jié)果名稱數(shù)值單位小鏈輪齒數(shù)大齒輪齒數(shù)張緊輪齒數(shù)平均傳動比大鏈輪轉(zhuǎn)速設(shè)計功率鏈條節(jié)距鏈號鏈條速度潤滑方式粗定中心距鏈長節(jié)數(shù)鏈條長度理論中心距實際中心距有效圓周力作用于軸上的拉力滾子外徑(最大值)鏈條排距內(nèi)鏈板高(最大值)許用靜強度安全系數(shù)靜強度安全系數(shù)鉸鏈比壓油刷或油壺人工定期潤滑m/s節(jié)mNN由上面我們得到鏈輪的基本尺寸：分度圓直徑齒根圓直徑3.3歷史結(jié)果華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第31頁共45頁表3-3表3-3歷史結(jié)果名稱符號數(shù)值單位公式說明小鏈齒輪數(shù)大齒輪參數(shù)ZZ00 ≥zx=9,z參照鏈述選取 連輪齒數(shù)應(yīng)優(yōu)先選取以下數(shù)列：z=zi通常z≤1202-150增大z,鏈條緊邊的總拉力下降，多邊形效應(yīng)減小，磨損小，但尺寸重量增大當z和z為奇數(shù)而L,為偶數(shù)時，將有利于鏈條和鏈輪齒均勻磨損z,和z的選取應(yīng)考慮z;增大時，節(jié)距(或總長)磨損伸長率許用值減少，鏈傳動的麼損壽命降低，且傳動尺寸大平均傳動比設(shè)計功率鏈條節(jié)距iP?P0,通常f≤7,推薦i=2~3.5,當v<2m/s.且載荷平穩(wěn)時，i可達10mm根據(jù)設(shè)計功率P和小鏈輪轉(zhuǎn)速n?由功率圖選用合適的節(jié)距Pn,n—小大輪的轉(zhuǎn)速r/min,傳勸比大時可采用二級或級以上傳動P—傳動功率KWK—工況系數(shù)K—小雄輪齒數(shù)蒸數(shù)K.多排鏈排數(shù)系數(shù)為使傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，特別在高速下，宜選用節(jié)距小的鏈條，速度高功率大時，可選用節(jié)距小的多排鏈，選用多排鏈時應(yīng)注意臟污對誤差影響管道機器人的設(shè)計與運動仿真4蝸輪蝸桿的設(shè)計計算為了方便計算選用電子版機械設(shè)計手冊2.0計算：普通圓柱蝸桿傳動設(shè)計結(jié)果報告在輸入基本數(shù)據(jù)之前，我們要知道作用在蝸桿上的功率蝸桿的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該是電動機額定轉(zhuǎn)矩經(jīng)減速器后的力矩，則：傳遞轉(zhuǎn)矩T=Ti=2.47n=1500÷12=125r/min輸入計算如下：4.1蝸輪蝸桿基本參數(shù)設(shè)計4.1.1普通蝸桿設(shè)計輸入?yún)?shù)編入說計考數(shù)編入說計考數(shù)傳遞轉(zhuǎn)矩(r/min)(N.m)確取說認消明原動機類別圖4-1蝸桿設(shè)計參數(shù)1.傳遞功率P0.38(kw)8.傳動比誤差0.02華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第33頁共45頁2.蝸桿轉(zhuǎn)矩T12.49(n.m)4800(小時)穩(wěn)))油6.理論傳動比i7.實際傳動比；20.004.1.2材料及熱處理1.蝸桿材料牌號45(表面淬火)對渦輪蝸桿精度等級我們都選為8級得出：11.工作機載荷特性平13.蝸桿類型14.受載側(cè)面3.蝸桿材料硬度管道機器人的設(shè)計與運動仿真4.1.3蝸桿蝸輪基本參數(shù)變位系數(shù)「對蝸桿進行磨削加工圖4-2蝸桿蝸輪設(shè)計參數(shù)華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第35頁共45頁1.蝸桿頭數(shù)z12.蝸輪齒數(shù)z25.蝸桿分度圓直徑dl7.蝸桿導(dǎo)程角γ8.蝸輪當量齒數(shù)Zv29.蝸輪變位系數(shù)x210.軸向齒形角ax221.蝸桿齒高hl4022.蝸桿齒頂圓直徑dal3.15(mm)23.蝸桿齒根圓直徑ar3.10(mm)24.漸開線蝸桿基圓直徑dbl35.50(mm)25.漸開線蝸桿基圓導(dǎo)程角yb163.00(mm)26.蝸輪分度圓直徑d210.06327.蝸輪喉圓直徑da241.9028.蝸輪齒根圓直徑df2-5.6329.蝸輪齒頂高ha220.287°30.蝸輪齒根高hf2管道機器人的設(shè)計與運動仿真12.齒頂高系數(shù)ha*13.頂隙系數(shù)c*32.蝸輪外圓直徑de2≤33.蝸輪齒頂圓弧半徑Ra214.蝸桿齒寬b1≥15.蝸輪齒寬b2≤16.是否磨削加工17.蝸桿軸向齒距px18.蝸桿齒頂高hal19.蝸桿頂隙cl20.蝸桿齒根高nfl4.1.4蝸輪精度65.00(mm)34.蝸輪齒根圓半徑Rf224.00(mm)35.蝸桿軸向齒厚sx1下36.蝸桿法向齒厚sn19.90(mm)37.蝸輪分度圓齒厚s23.15(mm)38.蝸桿齒厚測量高度hal'0.63(mm)39.蝸桿節(jié)圓直徑at3.78(mm)40.蝸輪節(jié)圓直徑a2表4-1蝸輪精度第一組精度第37頁共45頁第一組精度88第一組精度88ff1.許用接觸應(yīng)力2.計算接觸應(yīng)力3.許用彎曲應(yīng)力4.計算彎曲應(yīng)力5.許用撓度值1.蝸桿圓周力Ft2.蝸桿軸向力Fx13.蝸桿徑向力Fr14.蝸輪圓周力Ft25.蝸輪軸向力Fx215.動載荷系數(shù)Kv16.載荷分布系數(shù)Kp6.蝸輪徑向力Fr2272.02(N)18.滑動速度影響系數(shù)Zvs8.滑動速度Vs0.24(m/s)20.齒形系數(shù)Ys9.蝸桿傳動當量摩擦角pv3.72021.導(dǎo)程角系數(shù)Yp12.攪油損耗n20.9724.蝸桿兩端支承點的跨度L8.70(W1m2°C)8.70(W1m2°C)2.散熱的計算面積A0.57(m2)6.周圍空氣溫度t23.冷卻的箱殼表面積A10.40(m27.損耗的功率Ps0.12(KW)華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)4.補充的箱殼表面積A20.13(KW)4.2蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計8.能散出的功率Pc軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，會影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難度。因此，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是軸設(shè)計中的重要內(nèi)容。軸的結(jié)構(gòu)主要取決以下因素：軸在機器中的安裝位置及形式；軸上安裝的零件的類型、尺寸、數(shù)量以及和軸的連接方法：載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況；軸的加工工藝等。由于影響軸的結(jié)構(gòu)的因素較多，且其結(jié)構(gòu)形式又要隨著具體情況的不同而異，所以軸沒有標準的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計時，必須針對不同情況進行具體的分析。但是，不論何種具體條件，軸的結(jié)構(gòu)都應(yīng)滿足：軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置；軸上的零件應(yīng)便以裝拆和調(diào)整；軸應(yīng)具有良好的制造工藝性等。軸的工作能力設(shè)計指的是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強度。這時只需對軸進行強度計算，以防止斷裂或塑性變形。而對剛度要求高的軸(如車床主軸)和受力大的細長軸，還應(yīng)進行剛度計算，以防止工作時產(chǎn)生過大的彈性變形。對高速運轉(zhuǎn)的軸，還應(yīng)進行振動穩(wěn)定性計算，以防止發(fā)生共振而破壞。下面根據(jù)上述原則對軸進行設(shè)計計算。管道機器人的設(shè)計與運動仿真第40頁共45頁4.2.1軸的強度較核計算進行軸的強度校核計算時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的計算方法，并給當?shù)剡x取其許用應(yīng)力。對于僅僅(或主要)承受扭矩的軸(傳動軸),應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強度計算：對于只承受彎矩的軸(心軸),應(yīng)按彎矩強度條件計算：對于既承受彎矩又承受扭矩的軸(轉(zhuǎn)軸),應(yīng)按彎扭合成強度條件進行計算，需要時還應(yīng)按疲勞強度條件進行精確校核。此外，對于瞬時過載很大或應(yīng)力循環(huán)不對稱性較為嚴重的軸，還應(yīng)按峰尖載荷校核其靜強度，以免產(chǎn)生過量的塑性變形。下面介紹幾種常用的計算方法。1.按扭矩強度條件計算這種方法是按軸所受的扭矩來計算軸的強度；如果還受有不大的彎矩時，則用降低許用扭矩切應(yīng)力的方法予以考慮。在做軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通常用這種方法初步估算軸徑。對于不大重要的軸，也可作為最后計算結(jié)果。軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為T—軸所受的扭矩，N.mmp—軸傳遞的功率，功率a—計算截面處軸的直徑，mm華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)[r,]一許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa,見表4-2表4-2軸的幾種材料的[r,]及a。值40Cr、35SiMn38SiMnMo、3Cr13[rr]/MPaA。由上式可得軸的直徑查表4-2,對于空心軸，則,即空心軸的內(nèi)徑d,與外徑d之比，通常取p=0.5~0.6應(yīng)當指出，當軸截面上開有鍵槽時，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度的削弱。對于直徑d>100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大3%;有兩個鍵槽時，應(yīng)增大7%。對于直徑d≤100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大5%～7%;有兩個鍵槽時，應(yīng)增大10%15%。然后將軸徑圓整為標準直徑。應(yīng)當注意，這樣求出的直徑，只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑a。管道機器人的設(shè)計與運動仿真通過軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，軸上零件的位置，以及外載荷和反支力的作用位量均已確定，軸上的載荷(彎矩和扭矩)已可以求得，(1)做出軸的計算簡圖(即力學(xué)模型)(a)向心軸承(c)并列向心軸承(d)滑動軸承圖4-3軸的支反力作用點軸所受的載荷是從軸上零件傳出來的，計算時，常將軸上的分布載荷華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)簡化為集中，其作用點取為載荷分布段的中點。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度中點算起。通常把軸當作置于鉸鏈支座上的梁，反支力的作用點與軸承的類型和布置方式有關(guān)，可按圖4-3確定。圖b中的a值可查滾動軸承樣本手冊，圖d中的e值與滑動軸承的寬徑比B/b≤1時，取管道機器人的設(shè)計與運動仿真圖4-4軸的載荷分析圖在做計算簡圖時，應(yīng)先求出軸上受力零件的載荷(若為空間力系，應(yīng)把空間力分為圓周力、軸向力和徑向力，然后把他們?nèi)哭D(zhuǎn)化到軸上),并將其分解為水平分力和垂直分力，如圖4-4b所示。然后求出各支承處的水平反力r。和垂直反力。(軸向反力可表示在適當?shù)拿嫔?，圖4-4d是表示在垂直面上，圖4-4d是表示在垂直面上，故標以和)(2)做出彎矩圖根據(jù)上述簡圖，分別按水平面和垂直面計算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計算結(jié)果分別做出水平面上的彎矩M,圖(圖4-4c)和垂直面上的彎矩M。,圖(圖4-4e);然后按下式計算總彎矩并做出M圖(圖4-4f)。(3)做出扭矩圖如圖4-4g所示。σ=700MF華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第45頁共45頁根據(jù)公式初步計算軸直徑帶入數(shù)據(jù)得出d?11.2mm即軸的最小直徑為11.2,現(xiàn)在選擇a4.2.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)軸上面的定位要求，現(xiàn)在軸的基本參數(shù)如下圖所示.圖4-5軸的基本尺寸參數(shù)4.2.3鍵的校核選用A型普通鍵，軸鍵、輪轂的材料都用20鋼。b×h=6×6取L為20管道機器人的設(shè)計與運動仿真第46頁共45頁k—鍵與輪轂、鍵槽的接觸高度k=0.5h=31一鍵的工作長度：1=L-b=17mm;表4-3許用應(yīng)力參數(shù)應(yīng)力、許用壓力連接方式鍵或轂、軸的材料載荷性質(zhì)靜載荷輕微載荷沖擊所以此鍵符合要求.華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第47頁共45頁5過彎道能力和其他部件設(shè)計5.1彈簧的設(shè)計根據(jù)我們的設(shè)計情況，我們應(yīng)該選用圓柱螺旋壓縮彈簧。當此機器人在管道內(nèi)行走時受到的最大壓力為40KG,急彈簧的最大壓力為40x9.8=392N。其受力圖如圖5-1所示圖5-1圓柱螺旋壓縮彈簧受力圖1.根據(jù)條件選擇材料，并確定其許用應(yīng)力。因彈簧在一般在和條件下工作，可以按第3類彈簧來考慮，現(xiàn)選用碳現(xiàn)估計取彈簧直徑為3mm.2.根據(jù)強度條件計算彈簧鋼絲直徑現(xiàn)選取旋繞比c=6,由《機械設(shè)計》16.4得：根據(jù)《機械設(shè)計》武(16.12)得管道機器人的設(shè)計與運動仿真D?=D+d=18+3.2=21.2mmn=0.56×1570Mpa=879.2Mpa華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第49頁共45頁構(gòu)的兩節(jié)連接組成，每一節(jié)前后各有3組驅(qū)動輪，沿圓周方向兩兩間隔120性。輪子與管道壓力由彈簧的彈力來提供。機器人所需要的動力及控制電路外置并通過電纜連接到管內(nèi)機器人。管外設(shè)有控制平臺，通過電纜與管內(nèi)機器人連接，機器人頭部的清潔刷用來清潔管道內(nèi)壁，自帶的攝像裝置可將管內(nèi)圖像同步傳輸?shù)焦芡獾娘@示器5.2.2過彎道能力的幾何量設(shè)計目前大部分管道機器人可以輕松地通過水平直管及在傾斜度為30°以內(nèi)的上升管道內(nèi)爬動。對于彎道、直管、異徑管等管道，機器人的設(shè)計必須滿足管道的幾何條件限制，否則不可能成功通過這些管道。曲率半徑是這些管道機器人能通過能力主要的限制,在一定的曲率半徑下，太細長或者太粗短的機器人都容易在管道內(nèi)卡死，使之不能通過管道。本管道機器人針對內(nèi)徑0225mm的管道進行設(shè)計，并考慮直角彎道的情況，因此應(yīng)討論機器人在這類管道中所應(yīng)滿足的幾何條件限制，驗證所設(shè)計的幾何量尺寸是否滿足機器人通過管道直角彎頭所要求的幾何尺寸。因為機器人整體所具有的兩節(jié)機身幾何量相同，所以只需要考慮單節(jié)機身的幾個尺寸。管道機器人的設(shè)計與運動仿真圖5-2單節(jié)機身的簡化圖。對于圓形截面管道的直角彎頭，機器人最有可能被卡死的位置是在機又可分為兩種極限姿態(tài)位置，以下簡稱位置1和位置2。與圓形管道軸線成45°夾角的傾斜截面是橢圓，由于機器人整體結(jié)構(gòu)的對稱性，單節(jié)機身縱向視圖可簡化為橢圓的內(nèi)接正三角形，于是可以通過計算橢圓內(nèi)接正三角在圖5-3和圖5-4中，GH為單節(jié)機身的中心軸線，各已知的尺寸分別華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第51頁共45頁圖5-3姿勢位置1圖5-4姿勢位置2建立如圖5-5所示的直角坐標系，設(shè)橢圓的長軸長為2a,短軸長為2bc由AB=2a=141mm,得a=70mm;由CD=2b=100mm,得b=50mm。所以橢圓圖5-5橢圓內(nèi)接最大正三角形設(shè)內(nèi)接三角形AEF的邊上為21,則EG=1,AG=√31。將y=,代入橢圓方程管道機器人的設(shè)計與運動仿真得所以可得由且AG-oG=a,取l=49,則AG=85mm,AE=98mm所以正三角形的內(nèi)接圓半徑得。取，=28mm4、驗算位置1和位置2的相關(guān)尺寸(1)驗算位置1的相關(guān)尺寸取OE=190mm。又CG=r=28mm,GH=240mm,EF=CG=28mm,EF=AH=AG-GH=85-28=57mm,EF=AH=AG-GH=√31-r=85-28=57mm因為oF大于支座的等效半徑20mm,所以此位置下機身可以通過直角彎道。(2)驗算位置2的相關(guān)尺寸華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)萬向節(jié)萬向節(jié)保持機構(gòu)QG=√2QR=122mmOG=OR+RG=86+125=211mm又因為oF減去內(nèi)圓半徑得86.5mm,即86.5mm>20mm,所以此位置下機身受阻，可以通過直角拐彎。6管道機器人建模與仿真分析1.機器人的本體結(jié)構(gòu)管道機器人整體三維實體模型如圖6-1所示，整體由螺旋頭、驅(qū)動電上。由于彈簧的可伸縮性，使得管道檢測機器人有一定的管徑適應(yīng)能力。圖6-1機器人總體結(jié)構(gòu)2.虛擬樣機建模管道機器人的設(shè)計與運動仿真N圖6-2機器人分別在直管和彎管內(nèi)的運動情況利用機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件ADAMS建立起螺旋式微小型管道機器人的仿真模型。模型完成之后，建立起管道機器人各部分參數(shù)化模型，在驅(qū)動輪和導(dǎo)向輪上施加徑向力v,、n,,運動仿真如圖6-1所示。3.仿真設(shè)計研究利用ADAMs/view的參數(shù)化分析功能可以分析設(shè)計參數(shù)的變化對樣機性能的影響。在設(shè)計研究過程中通過對驅(qū)動輪軸線與管壁之間的夾角、輪子直徑等關(guān)鍵設(shè)計變量在一定范圍內(nèi)取若干值，然后自動地進行一系列的傾角θ/()圖6-3牽引力隨驅(qū)動輪傾角變化曲線華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第55頁共45頁N芟a/(mm·o-)驅(qū)動輪直徑D?/mm圖6-4牽引力隨驅(qū)動直徑變化曲線為了測試機器人的牽引力，在保持架與管道之間創(chuàng)建了一個彈簧。由理論分析可知：螺旋頭驅(qū)動的管道機器人牽引力的大小直接與驅(qū)動輪位置參數(shù)0、驅(qū)動輪的尺寸參數(shù)R有關(guān)。因此，分別以驅(qū)動輪軸線與管道軸線的夾角和驅(qū)動輪的直徑為設(shè)計變量，對機器人的牽引力進行設(shè)計仿真研究當驅(qū)動輪的傾角從6°變化到10°時，由仿真結(jié)果得知，牽引力的大小由11.851N變化到6.900N,它隨著驅(qū)動輪傾角的增大而減小，如圖6-3所示。同樣，在驅(qū)動輪的傾角固定在8°時，由圖6-4可知，驅(qū)動輪的直徑從時，牽引力的大小由6.901N變化到10.168N,它隨著驅(qū)動輪直徑的增大而增大。圖6-5移動速度隨驅(qū)動直徑變化曲線管道機器人的設(shè)計與運動仿真傾角θ/()圖6-4移動速度隨傾角變化曲線同樣以驅(qū)動輪軸線與管道軸線的夾角和驅(qū)動輪的直徑為設(shè)計變量，對機器本文研究了適用于微小管道的螺旋式驅(qū)動檢測機器人，從理論上分析計算了螺旋式微小型管道機器人的承載能力、移動速度和尺寸約束。采用虛擬樣機技術(shù)構(gòu)建了機器人的參數(shù)化模型，通過對不同參數(shù)的設(shè)置，得到了不同條件下管道機器人的負載和運動特性仿真曲線，驗證了參數(shù)選擇和華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)第57頁共45頁7總結(jié)和展望本論文在研究了國內(nèi)外管道機器人技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種全新的用于清洗的管道機器人。此種機器人可在自主動力的驅(qū)動下，進入地下管道，利用行星磨頭對其進行清洗、維護。而本論文則是對輪式管道機器人(1)對管道機器人變管徑自適應(yīng)性方案分析比較，設(shè)計出具有變徑范圍大，結(jié)構(gòu)簡單的各支腿單獨調(diào)整和支腿整體調(diào)整組合方案，并對變徑過程的傳遞關(guān)系進行了詳細的分析計算，所設(shè)計機構(gòu)在一定的管徑變化范圍內(nèi)，具有常封閉特性，增加了載體的穩(wěn)定性和可靠性，機構(gòu)具有自適應(yīng)調(diào)液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動、電動驅(qū)動三種基本方式。液壓與氣動方式對環(huán)境要求較高，實現(xiàn)起來較復(fù)雜，而電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單，較易實現(xiàn)密封與調(diào)速控制。故在本設(shè)計中選用步進電機作為機器人本體的驅(qū)動動力：減速器選用行星齒輪減速器。驅(qū)動動力從電機經(jīng)由減速器減速后，在滿足管徑自適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，如何更好地將動力傳遞到主動輪上，是選擇機器人傳動方式過程中重點考慮的問題。再結(jié)合徑向管道清洗機器人的結(jié)構(gòu)布局方式的特對機器人過彎道能力的幾何量設(shè)計，目前大部分管道機器人可以輕松地通過水平直管及在傾斜度為30°以內(nèi)的上升管道內(nèi)爬動。曲率半徑是這些管