管道清洁机器人毕业论文

目录1 绪 论 .11.1 本课题研究背景和研究意义 .11.2 国内外发展状况 .21.3 本设计的主要内容 .82 管道机器人总体设计 .92.1 管道机器人的总体结构设计 .92.1.1 移动方式选择 .92.1.2 传动方案的选择 .92.2 机器人变管径自适应性方案设计 .112.3 动力系统的设计计算 .152.3.1 管道机器人行驶阻力分析 .152.3.2 减速器的选择 .182.4 机器人的速度和驱动能力校核 .192.4.1 运动速度校核 .192.4.2 驱动能力校核 .193 链传动的设计计算 .203.1 链轮设计的初始条件 .203.2 链轮计算结果 .213.3 历史结果 .214 蜗轮蜗杆的设计计算 .234.1 蜗轮蜗杆基本参数设计 .234.1.1 普通蜗杆设计输入参数 .234.1.2 材料及热处理 .244.1.3 蜗杆蜗轮基本参数 .244.1.4 蜗轮精度 .254.1.5 强度刚度校核结果和参数 .264.1.6 自然通风散热计算 .264.2 蜗杆轴的结构设计 .274.2.1 轴的强度较核计算 .274.2.2 轴的结构设计 .314.2.3 键的校核 .325 过弯道能力和其他部件设计 .335.1 弹簧的设计 .335.2 过弯道能力的设计 .345.2.1 工作原理 .345.2.2 过弯道能力的几何量设计 .346 管道机器人建模与仿真分析 .387 总结和展望 .41参考文献 .43致 谢 .45华北科技学院毕业设计（论文）第 1 页 共 45 页1 绪 论1.1 本课题研究背景和研究意义用于石油、天然气乃至民用上下水等管道在传输液、气体过程中，因温度、压力不同及介质与管道之间的物理化学作用，常常会高温结焦，生成油垢、水垢，存留沉积物，腐蚀物等，使有效传输管径减少，效率下降，物耗、能耗增加，工艺流程中断，设备失效，发生安全事故。尽管通过添加化学剂，采用合理的工艺流程，进行水质处理措施可以在一定程度上改善这些情况，但要完全避免污垢的产生是不可能的。我国的管道清洗行业长期以来 80%采用的是化学方法以及手工清洗和机械清洗方法，成本高、效率低、污染环境等，远远不能满足现代社会日益增长的要求。探索和开发高效的清洗方法成为工业生产和人民生活的不可或缺的环节。利用行星磨头清洗是一种新的清洗方法。与化学清洗及手工、机械清洗相比，具有清洗质量好、效率高、适应性强、成本低等一系列优点，可达到返旧还新的效果。作为一种清洁、高效、对环境无污染的清洗技术，具有可观的经济和社会效益。随着经济的发展、人们生活水平的提高，人们对于食品卫生、健康的要求越来越高，环保意识越来越强，如何实现油烟管道高效率的清洗成了相关从业人员关注的问题。本课题的研究目的是设计一种应用于清洗油烟管道的机器人，解决单独靠人力很难完成，甚至不可能完成的油烟管道清洗任务。本课题的研究主要有以下意义:1、可提高机器人的清洗效率。现有油烟管道机器人由于机械执行机构只有一个自由度，清洗管道壁时，要通过不断调整机器人的位姿来实现，使操作变得复杂，清洗效率较低。2、可完成竖直油烟管道的清洗。宾馆饭店常常位于高层建筑物中，竖直烟道的清洗是管道清洗的重要任务。针对现有机器人不能用于竖直管道清洗的缺点，我们设计了链式履带行走、永磁吸附的机械行走机构，用于完成油烟管道的清洗爬壁任务。3、可改善当前清洗油烟管道工人的工作环境、降低工人的劳动强度、节约清洗成本、消除油烟管道清洗的卫生死角、提高管道使用寿命、提高油烟管道的清洗效率、减少火灾以及可避免化学清洗导致的污染和纯机械清洗对管道造成的损伤等。4、应用于其它领域。通过更换机械执行机构、作业工具等可实现空调管道的清扫、船体表面的清洗、检测、喷漆等任务。管道机器人的设计与运动仿真第 2 页 共 45 页现代工农业及日常生活中使用着大量管道，石油、天然气、化工等领域也应用了大量管道，这些管道大多埋于地下或海底，输送距离近千里，它们的泄漏会造成严重的环境污染，甚至引起火灾，多数管道安装环境人们不能直接到达或人们无法直接介入，另外，在一些工厂里有大量的通风管道，在某些餐厅或饭店里装有大量的油烟管道，这些管道或者架设在空中，或者管道内径很小，在做质量检测、故障诊断、清洗时比较困难。这促使了管道机器人的诞生。管道机器人的迅速发展时期始于上个世纪 80 年代，它是一种可沿管道内部或外部自动行走，具有一种或多种传感器的操作机械(如机械手、喷枪、焊枪、刷子)，其研究范畴属于特种机器人中的移动机器人范畴，能够完成在管道这个特定的极限环境中作业，通常能携带各种探测仪器和作业装置，在操作人员的遥控或者计算机的自动控制下完成管道的检测和维修、清扫等作业。检测作业项目包括防腐状况检测、对接管道焊缝质量、管道内腐蚀程度、防腐层厚度、管壁缺陷等检测;维修项目包括清扫、补口、焊接等。1.2 国内外发展状况目前在管道清洗过程中，清洗设备绝大部分是采用无动力缆绳拖拉行走方式来进行清洗，无法根据管道的内部情况进行清洗参数的动态调整，管径的适应能力较差。为了解决这个问题，着眼于管道行走清洗机器人的研究开发，而在国内这方面研究尚少。为了较好地解决管道的清洗难题，开发和研制管道清洗机器人势在必行。本人设计管道清洗机器人是把行星磨头清洗技术与机器人技术结合起来，进行综合设计开发，因此它的深入研究也将推动管道清洗技术的发展。随着管道机器人技术的发展，其应用越来越广泛。目前，日、美、英、德、法等发达国家在管道机器人技术方面做了大量工作，尤其是日本，在管道机器人的研究及开发中取得了领先的地位。法国的 J. Vertut 是较早从事管道机器人理论和样机研制的人，他于 1978 年研制了一种轮腿式管内机器人行走机构，成功地实现了机器人在管内的自主行走。该机构由 2 个行走轮及 4 个支腿组成，支腿由电机驱动，以适应不同管径的变化。美国是机器人的诞生地，早在 1962 年就研制出了世界上第一台工业机器人。在清洗机器人方面，美国的 Stoneage 公司进行了相关的研究。如图 1-1，其研制的管道射流清洗机器人采用履带驱动方式，但管径适应能力较差，射流对中性差，清洗效果不华北科技学院毕业设计（论文）第 3 页 共 45 页理想。尽管常规管道机器人有的己经实用化了，但还存在着很多问题。例如，能源供给、可靠性等问题。2002 年由美国佛罗里达大学电子及计算机工程学院智能机械设计实验室研制的 OPCR-OH S 管道清理机器人，如图 1-2 所示。图 1-1 stoneage 公司管道清洗机器人 图 1-2 OHS 管道机器人OPCR 由三个部分组成:头部、驱动部分、稳定性控制部分。头部安装有传感器可以检测到需要清理的障碍、发现管道终端，从而能够及时停止机器人的运动。驱动部分主要有两个功用是适当的驱动运动；二是可以根据障碍物的尺寸来调节轮的角度，通过螺旋运动来清理障碍物。OPCR 共有三个驱动轮，每个轮均有两个微型电机控制，其中一个电机作为驱动，另一个电机改变轮的角度，这样在转弯的情况下机器人可以实现快速转弯。当驱动部分难以控制 OPCR 稳定的处在管道轴线中心线时，稳定性控制部分这时就会起作用了。它是由四个在管道内部的延长支架组成。图 1-3 美国 RIGID(里奇)管道疏通机 图 1-4 EverstVit 公司管道检测机器人美国 RIGID(里奇)管道疏通机如图 1-3 所示，其基本原理是利用机械装置带动软轴(弹簧软管)旋转深入管道进行管道疏通。软轴大多为分段结构，两端有接头可将多根软轴接在一起使用，从而可疏通较长距离的管道。用于排水管道疏通的疏通机一般作业直径范围 100mm250mm 之间，最大疏通距离一般为 50m。根据疏通管道的直径配备管道机器人的设计与运动仿真第 4 页 共 45 页不同的钻具(刀头)进行管道疏通。软轴采用 65Mn 特质弹簧钢丝为原材料经特殊工艺加下而成，坚固而有韧性，可以顺利通过 180弯道或连续 180返水弯管。图 1-4 所示EverstVit 公司的管道检测机器人系列，采用轮式移动机构，这种移动机构在管道街头部分或者管道里污垢沉积较多时就不能行走自如。俄罗斯“塔里斯”公司的“月球车” ，如图 1-5 所示，即机器人维修车。该车的 9个电驱动装置能把整个机器联接起来，推出并转动工作部件、翻转摄像机用于观察修理过程，还能“指使”刷子去清洗应洗的部位。除此以外，为了使机器人能从竖孔中钻进横向管道，机器人自身可折弯，因而可在直径 190mm600mm 的管道中工作。机器人的机身是一整块不锈钢加工出来的，只有这样才能达到轮子所必需的孔的同轴度和可靠的密封性要求。机器人安装的轮子以 0.3 m/s 的速度向前行驶，有大功率灯泡照明，摄像机通过向不同的方向旋转可以判断故障点。在发现故障点后机器人用一整套工具(铣刀、钻头、切割和清理工具)完成各道工序。机器人由操作师控制，操作师的指令将传给机器人内安装的微处理系统。德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。2000 年德国研制成功世界第一个链式污水管道检查机器人MAKRO 管道机器人，如图 1-6 所示。它采用分段蠕虫状外形设计，使其具备了前所未有的灵活性，可以实现对排水管道的初步清理及检测。适用于大直径、淤积不严重、管路复杂的排水管道。MAKRO 的缺点是密封性不好，不宜在过分潮湿的环境中长时间工作。图 1-5 月球车（适应管径范围 300-900mm） 图 1-6 MAKRO 管道机器人二十世纪 80 年代，计算机、传感器、现代控制理论和技术的发展为管内机器人的应用与研究提供了有力的技术支持，国外相继开发、研制了多种类型的管内检测移动机器人。日木吸取法、美等国的研究成果和应用现代技术，开发了多种形式的管道机器人。例如，日木关西电力株式会社开发出了适用于 288mm388mm 管径、管长 1000m华北科技学院毕业设计（论文）第 5 页 共 45 页的海水管道检查用履带式机器人，该机器人通过沿径向分布的履带在水平管和垂直管内自主行走，移动速度为 5m/min。日本大阪燃气株式会社研制的内置磁铁轮式煤气管道检测机器人可沿直管和弯管行走，适于管径 150mm600mm，行走速度 5m/min，采用光缆通讯，但由于携带的蓄电池电能的限制，还不能实现较远的行走。日本推出的“三藏法师”用于清洗、检测空调通风管道的超小型机器人，如图 1-7所示，是被世界认可的风管清扫系统(具有美国、日本、欧洲多国专利)，其特长为:1、使用新开发的多功能超小型机器人，可有效的对各式各样的风管进行污染诊断和清扫。2、不管风管是何种形状，即使是过滤器也无法除去的微细粉尘和细菌也可彻底清除，有效的防止空气污染。3、风管内的污染诊断由机载摄像头进行记录，装备有在无电源场所也能自由行走的机能。图 1-7 中央空调风管清扫机器人目前，日本、美国等发达国家在管道机器人技术方面做了大量工作，尤其是日本在管道机器人的研究及开发领域中取得了领先的地位。日本和美国都是机器人发展较成熟的国家，对空调管道机器人的研究也较成熟，上面介绍的日本管道机器人，体积小，能清洗任何形状的空调通风管道，不但可以做清扫任务，还可做检测任务。美国的管道机器人也已经开发出一系列的管道机器人。其他国家也研究了用于排水管道清理的机器人，但都有各自的优缺点，目前，这些机器人仍不能用于清洗油烟管道的顽固油垢。我国对管道机器人的研究始于上个世纪八十年代末期，哈尔滨工业大学、上海交通大学、广州工业大学、东华大学、上海大学等高校和科研院所都做了这方面的工作，在理论上和应用上取得了很多进步。近几年来，用于空调管道清洗和检测的管道机器管道机器人的设计与运动仿真第 6 页 共 45 页人如雨后春笋般的出现的市场在上，己初见规模。目前国内研究的管道机器人主要应用在以下 4 个方面:1、空调通风管道清洗机器人中科院兰州分院研发的清洁机器人样机是据 400mm400mm 和 500mm500mm 空调通风管道设计的，具有在管道中行走、对管道内污染情况进行观察和对污染物进行清洁的功能。国内自主研发的这种清洁机器人具有在管道内前进、后退和转弯等功能。行走速度在每分钟 0.5m1m 之间，清洁系统主要是安装在机器人上、可在管道外部控制的清洁动力刷，电缆长度超过 30m，不易损坏，能够满足基本需要。但该机器人体积较大，对于常见的 250mm 风管，机器人尺寸限制了其应用，而且行走速度过慢。清华大学研制的通风管清扫机器人 MDCR-I 尺一寸为 520mm290mm270mm 是一种可在通风管内行走的移动机器人。自动升降的手臂装上刷头可以清扫不同规格的矩形、圆形通风管；装上喷枪可以对通风管进行消毒。同样，由于其功能中自动控制能力较强具有自动纠偏自主导航的功能，其尺寸相应较大是其应用范围的限制因素。其功能包括检测、清洗和消毒，如图 1-8 所示。东华大学研制的“自主变位四履带足机器人，如图1-9 所示。它将履带与机体之间的固定摆臂变为可横向摆动的摆臂，改变左右摆臂的夹角以适应不同的圆管管径。这种管道机器人移动载体既适用于大口径管道，也适用于小口径管道，能跨越管内的阶梯管、锥形管接口、变截面形状管接口，可适用于矩形管和圆管，能轻松实 图 1-8 MDCR-I 图 1-9 自主变位四履带足机器人现直角矩形管转向和圆弧弯道行走，可胜任各种环境复杂的管道。因此清洗机器人在清洗过程中无须频繁改变入口位置，故能大大提高管道清洗机器人的作业效率。机器人采用多电机驱动技术，结构简单、可靠性好。该机器人的优点在于对不同管径、管华北科技学院毕业设计（论文）第 7 页 共 45 页形的风管适应性很强。2、下水道自动清淤机器人清华大学研制的下水自动清淤机器人适合 400mm 的管道。载体采用了轮式行走机构、四轮驱动方式、以三相异步电机做原动机。该机器人在清淤时有打滑现象。哈尔滨工程大学的城市排水管道穿缆检测机器人，采用了履带式行走机构，用于城市排水管道的疏通、检测，可检测直径大于 500mm 的排水管道。驱动系统为直流伺服电机驱动。移动机构为差动式双宽履带，密封式水下结构；移动速度为 510m/min；负重能力大于 10kg，如图 1-10 所示。图 1-10 城市排水管道穿缆检测机器人 图 1-11 PV-2300 自走式管道检测机器人3、管道检测机器人用于管道检测的机器人的产品也比较多，北京航天村技术研究所推出的几款管道检测机器人，其中一款 PV-2300 彩色 TV 自走式管道检测机器人，如图 1-11 所示。其主要技术指标如下:采用长距离行走的自走车，一般能行走 500m；采用小口径用自走车，能应用于管径为 200mm 管道：自走车采用左右独立全轮驱动，能在行走时进行倾斜补正；搭载的照相头有 4 倍聚集缩放功能；电缆细、重量轻和张力大。4、油烟管道机器人管道机器人的设计与运动仿真第 8 页 共 45 页图 1-12 烟道机器人如图 1-12 所示，是一款由武汉亚伯机电有限公司生产的烟道机器人，该机器人自身尺寸 280mm260mm270mm，重量 18kg，爬坡30，采用高压射流清洗，电源220v，功率 60w。该机器人无法完成竖直油烟管道的清洗，且重量较重。由于喷杆只有一个上下摆动的自由度，因此，在清洗过程中，机器人要频繁的调整其与管壁的位姿来保证清洗效果，从而降低了清洗效率。1.3 本设计的主要内容目前管道机器人的驱动方式有自驱动（自带动力源） 、利用流体推力、通过弹性杆外加推力三种方式。采用双步进电机驱动，通过谐波减速器将动力传递给行走装置。尽管自驱动管内机器人行走可以采用的轮式、脚式爬行式、蠕动式，履带式等多种形式，但本文则是对轮式管道机器人的研究，可以设计机构在一定的管径变化范围内，具有常封闭特性，增加了载体的稳定性和可靠性，机构具有自适应调节的功能。本论文“管道机器人设计与运动仿真”的目标是研究一种用于管道内壁清洁的管道机器人，该机器人是用于作为携带作业工具进行管道清洗的移动载体和清洗管道的机械执行机构，要求其完成管道内壁的清洗和检测任务。本文的主要研究内容是:1、管道机器人的总体设计。根据机器人的作业环境特点确定管道机器人的总体结构，并对机器人的行走机构进行合理设计，要求其可靠、高效率完成水平和竖直油烟管道的清洗任务。2、弯管独立轮式驱动转向特性。根据机器人的结构特点，推导出过弯管的几何约束尺寸，分析对变径机构的影响；建立轮壁接触点分析模型，并对驱动截面偏角与轴线偏移量做出详尽分析；基于所建立的弯管内轮壁接触点轨迹参数方程，通过分析弯管内驱动轮速比运动特点，提出采取简化控制方法的可行性及实用价值；建立弯管内华北科技学院毕业设计（论文）第 9 页 共 45 页机器人产生螺旋自转体运动的力学模型，并进一步确定出进入弯管时的最佳初始姿态。3、机器人移动机构驱动特性的研究。建立评价几何变径