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s ve it it is It of is In “is is is to Its to An is a in to is to in A of is its a s is by B. of of R&D is of or of R&D is a of is of T to a be so be as In to a be to is of to it to of to in at is a of it of of is of is to to to in do a to to s a of of of to a of if be a is no of a be is to A to an be be or be of be is a a at It be if a be of of be to a of it is to in of by In is up to be It is is in of as be is a be to to if to be to is in to or to to is a a to or is to or to to is a be on 英文文献 翻译 学 生 姓 名： 学 院： 专业及班级 ： 学 号： 指导教师： 2011年 4月 25 日 机械工程英语 第 1课现代制造工程 也许你从来没有想过这个问题之前，但它是你周围的一切。它影响着你生活的一部分。是什么呢？在这种情况下， “它 ”是制造业。其实 “制造 ”是不是你周围的一切。而是人为制造的产品。现在看看你周围。名称有些事情你看到这些制造。椅子，笔记本电脑，蓝色牛仔裤，书籍，地板砖，黑板，灯泡，铅笔，眼镜，近周围的一切你是制造。 制造业是香港的重要的社会。这对于我们的经济。一个经济体是生产和销售的产品和服务体系。许多人工作在制造业。他们帮助生产的产品。他们用这些钱购买 他们赚的产品。人们购买的产品越多，越产品的生产。这让更多的人来工作。 制造业也是重要的另一种方式的经济。甲片的材料后，更是值得它被改变成一个有用的产品。这就是附加值。价值是增 加了生产过程。 二现代制造 一个制造业的资源需要三个基本类型：物质资源，人力资源，资本资源。 工业的七个关键要素是组织生产步骤：研究，开发，生产模具，生产计划与控制，质量控制，人事管理，制造，营销。 研发新产品，工艺或材料，旧技术的改进计划。 R D 是这么大，工业世界的重要组成部分，需要与不同的人才很多人。 生产工具是工业元素与这些工具有关。在 器和设备需要做出的产品。 生产计划与控制最重要的部分是路由，调度，调度，并规划布局。机械及设备，必须使生产安 排，可以进行顺利，没有浪费时间和精力。 质量控制可以被定义为那些活动，防止缺陷的文章。在尝试这种方式管理，以确保产品将可以接受的买家。 营销是让那些谁使他们对那些谁使用它们，有助于提供各种货物的权利给我们，在正确的方式和数额，时间及价格，产品的过程。 第 2课机械工程设计 机械工程设计是工程的主要部分，它涉 及的概念，设计，开发，改进和应用机器及各种机械设备。对于许多学生，机械工程设计是他们的第一个专业的工程课程之一。专业工程关注的是获得解决实际问题，工程师们能够设计出更好的解决实际问题。在机械工程设计中的大多数问题没有唯一正确的答案。因此，现代机械工程师能够产生显着更好的解决方案，以满足今天的需要。工程师必须使用现有的最佳科学信息的理解以及经验，良好的判断力。当考虑一个完整的机器，工程师都认为，要求和约束是相互关联的各个组成部分。现代工程师已越来越多地安全，生态，更广泛的考虑和整体有关 “生活质量 ”。 好的设 计需要尝试新的想法并愿意采取了一定的风险，因为他们知道如果新的观点并不工作中存在的方法可以恢复。因此，设计者必须要有耐心，因为没有时间和扩大的努力取得成功的保证。创建一个全新的设计，通常需要许多旧的和行之有效的方法，将重点放在一边。这并不容易，因为许多人抱着熟悉的想法，技巧和态度。设计工程师必须不断寻找方法来改进现有产品，必须决定哪些旧的，成熟的概念，应使用什么新的，未经试验的想法应该被纳入。 新的设计通常有 “错误 ”或之前，必须制定新设计出来的优良特性，可享有不可预见的问题。因此，有一个优越的产品的机会， 但只有在较高的风险。应该强调的是，如果设计不保证激进的新方法，这种方法不能申请的改变而而已。 在设计的开始阶段，创意应该允许繁荣没有大量的约束。尽管许多不切实际的想法可能发生时，通常很容易消除在设计的早期阶段，他们之前是由公司生产所需的细节。通过这种方式，创新的思想不是抑制。很多时候，一个以上的设计，开发，到那里他们可以相互比较点。这是完全可能的是，最终设计将接受使用心得在被拒绝的设计，没有太多的整体表现为一个现有的承诺。 另一项重要的一点，应该承认的是，设计工程师必须能够与其他人交流意见，如果他们要纳 入。传达给其他人设计的最后，在设计过程中的重要一步。毫无疑问，许多伟大的设计，发明和创新工程已失去了人类仅仅是因为创始人是无法或不愿解释他们的成就给其他人。演讲是一个销售的工作。这位工程师，当提出一个新的解决方案，行政，管理或监督人，正试图出售或向他们证明这个解决方案是一个更好的。除非这是可以做到成功，获得的时间和精力花在解决方案已经在很大程度上浪费了。 管道清灰机器人的设计摘 要本设计内容为管道清灰机器人，主要对管道清灰机器人结构系统的设计，机器人的末端操作器即手指是可替换夹具，操作臂有四个自由度，可实现在工作空间范围内的物体的转移，旋转角可达360度，手爪一次可载荷5kg。操作臂的动力源为舵机，总共有5个舵机，它们分别控制腰部旋转，大臂、小臂、手腕的摆动，以及手爪张合，本文设计的管道清灰机器人可用于小工作空间内完成对小质量物体的转移工作达到管道清灰的目的，同时也可以做为搬运机器人使用。关键词：四自由度 ；操作臂；舵机 In pipe clearing ash robot designABSTRACTThis design content for pipeline cleaning robot, mainly of in pipe clearing ash robot system design, the robot end-effector which fingers are replaceable fixture, manipulator with four degrees of freedom, can be realized in work space objects within the range of shift, rotation angle can reach 360 degrees, the gripper once can load 5kg.The operating arm of the power source for the steering gear, a total of 5 steering gear, which respectively control the rotating arm, waist, arm, wrist swing, and the gripper opening and closing, this design of in pipe clearing ash robot can be used in small working space to complete small mass transfer work to achieve the pipeline cleaning purposes, while at the same time can be used as a carrying robot.Key words: four degrees of freedom; manipulator; servo4目 录第1章 概述41.1机器人概述41.2 管道机器人概述61.3 国内外管道机器人的发展61.3.1 国内管道机器人的发展61.3.2 国外管道机器人的发展81.4 机器人的发展前景10第2章 总体方案的制定及比较112.1 管道机器人的设计参数和技术指标112.2 总体结构的设计和比较11第3章 部件的设计和计算153.1 管道机器人工作量计算153.2 行走机构的设计和计算163.3 撑开机构和放大杆组的设计233.4 操作臂的设计24第4章 控制原理设计264.1 控制原理的分析和设计264.2 主要控制流程图27第5章 其它295.1 大小锥齿轮的设计和校核295.2 轴的设计和校核325.3 键的校核40谢 辞42参考文献43购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 I 管道清灰机器人的设计 摘 要 本设计内容为管道清灰机器人，主要对管道清灰机器人结构系统的设计，机器人的末端操作器即手指是可替换夹具，操作臂有四个自由度，可实现在工作空间范围内的物体的转移，旋转角可达 360 度，手爪一次可载荷 5 操作臂的动力源为舵机，总共有 5 个舵机，它们分别控制腰部旋转，大臂、小臂、手腕的摆动，以及手爪张合，本文设计的管道清灰机器人可用于小工作空间内完成对小质量物体的转移工作达到管道清灰的目的，同时也可以做为搬运机器人使用。 关键词： 四自由度 ；操作臂；舵机 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 n of in of be in of 60 of a of in be in to to at be as a of 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 录 第 1 章 概述 . 7 器人概述 . 7 道机器人概述 . 9 内外管道机器人的发展 . 9 内管道机器人的发展 . 9 外管道机器人的发展 . 11 器人的发展前景 . 13 第 2 章 总体方案的制定及比较 . 14 道机器人的设计参数和技术指标 . 14 体结构的设计和比较 . 14 第 3 章 部件的设计和计算 . 18 道机器人工作量计算 . 18 走机构的设计和计算 . 19 开机构和放大杆 组的设计 . 26 作臂的设计 . 27 第 4 章 控制原理设计 . 29 制原理的分析和设计 . 29 要控制流程图 . 30 第 5 章 其它 . 32 小锥齿轮的设计和校核 . 32 的 设计 和校核 . 35 的校核 . 43 谢 辞 . 44 参考文献 . 45 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 V 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 7 第 1 章 概述 器人概述 机器人 920 年至 1930 年期间在捷克作家凯勒尔 *凯佩克（ 名为 罗莎姆的万能机器人 的幻想剧中，一些小的人造的和拟人的傀儡绝对地服从其主人的命令。这些傀儡被称为“机器人”。该单词起源于捷克语“ 意思是 “强制的劳动”。 机器人的组成与人类相似。举例说，人搬运某一物体的运动过程可用图（ a）所示的方块图来说明。首先，人听到外部的命令或用眼睛看到外部的指令，并由眼睛测量出距离。感受到这两种信息经过感觉神经送到大脑中，大脑经过分析计算，然后通过运动神经发出指令，手臂用最好的方式伸向物体，并将物体抓住，手上的感觉神经，感觉物体已经抓牢了，把信息传给大脑。大脑命令手抓起物体，同时指令脚移动到所要求到达的地点，最后放下物体。一般包括以下几个部分见图（ b）： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 8 当于人的大脑）； 当于 人的手）； 当于人的脚）； 当于人的口、耳、眼、鼻以及皮肤上的感觉神经）。 实际的机器人在不同的程度上具有两种特有的属性：对环境的通用性和自动适应性。通用性：具有完成各种任务以及以不同的方式完成相同的结构或机械能力。这意味着机器人的机械结构具有可变的机械形状。自动适应性： 是指一个机器人必须被设计成由其自己去完成任务，尽管难以预知，但却可以有限的知道在完成任务期间环境的变化，通过改变路径 、姿态等来处理所面对的问题，最终完成任务。为了对机器人进行分类，必须能够定义和区分不同的类型，因此根据不同的定义就有不同的分类方法。现在使用的有很多种。以下介绍日本工业机器人协会（ 分类方法： 第一类：手工操作装置：一种由操作人员操作的具有若干个自由度（ 装置； 第二类：固定程序的机器人：依照预定的不变的方法按部就班执行任务的操作装置，对任务的执行顺序很难进行修改； 第三类：可变程序的机器人：与第二类是同一种类型的操作装置，但其执行步骤可以修改； 第四类：再现式机器人：操作人员通过手动方式 引导或控制机器人完成任务，而机器人控制装置则记录其运动轨迹，需要时可以重新调出记录的轨迹信息，机器人就能以自动的方式完成任务； 第五类：数值控制机器人：由操作人员给机器人提供运动程序，而不是用手动方式教导机器人完成指定的作业任务； 第六类：智能机器人 :通过对环境变化的感知，改变其运动轨迹、姿态等措施圆满的完成任务。 机器人的诞生和机器人学的建立无疑是 20 世纪人类科学技术的重大成就。自 60 年代初机器人问世以来，作为 20 世纪人类最伟大发明之一的机器人技术，经历了近半个世纪的发展，已取得了长足的进步。特别是到了 20 世纪 90 年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 9 展，机器人技术也得到了飞速发展。除了用于工业生产中从事焊接、喷漆、搬运和装配等作业的工业机器人的水平不断提高之外，各种用于非制造业的特种、智能机器人系统也有了长足的进展。工业机器人在经历了诞生成长成熟期后，已成为现代先进制造业中必不可少的核心装备，当今世界上约有上百万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在各条战线上。非制造业中的仿人性机器人、农业机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人、服务机器人等各种用途的特种机器人也正以飞快的速度向实用化迈进。 道机器人概述 20世纪 70年代以来 , 石油、化工、天然气及核工业等产业迅速发展 , 各种管道作为一种重要的物料输送设施 , 得到了广泛应用。由于腐蚀、重压等作用 , 管道不可避免地会出现漏孔、裂纹等现象。同时多数管道安装环境人们不能直接到达或不允许人们直接进入 , 为进行质量检测和故障诊断 , 采用传统的全面挖掘法、随机抽样法工程量大 , 准确率低 , 管道机器人就是为解决这一实际问 题产生的。它是由可沿管道内部或外部自动行走装置、携有一种或多种传感器及操作装置如：机械手、喷枪、焊枪、刷子。管 道机器人的工作空间是复杂、封闭的各种管道 , 包括水平直管、各角度弯管、斜坡管、垂直管以及变径管接口等 , 所以需要在操作人员的遥控操作或计算机自动控制下 , 进行一系列管道作业。管道机器人可完成的管道作业有以下几类： 装过程中的管内外质量检测。 涂、焊接、内部抛光等维护。 面腐蚀、裂缝破损等故障诊断。 救等其它用用途。 内外管道机器人的发展 内管道机器人的发展 国内在管道机器人方面的研究起步较晚 , 而且多数停留在实验室阶段。哈尔滨工业大学邓宗全教授在国家“ 863”计划课题“ X 射线检测实时成像管道机器人的研制”的支持下 , 开展了轮式行走方式的管道机器人研购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 10 制 , 实现了管内外机构同步运动作业无缆操作技术 , 并研制了链式和钢带式两种新型管外旋转机构。该系统由六大部分组成 (1)移动载体 (2)视觉定位 (3)收放线装置 (4)X 射线机 (5)检测控制，系统控制 (6)防护系统 1 2 3 4线控制 5 6线机 7 8 9 上海交通大学研发了小口径管道内蠕动式移动机构。它是模仿昆虫在地面上爬行时蠕动前进与后退的动作设计的。其主要机构由撑脚机构、三个气缸（前气缸、中气缸、后气缸）、软轴、弹簧片、法兰盘组成。针对微小空间、微小管道实时探测的要求，研制成电磁驱动微小型管道机器人样机。微小管道机器人由四个电磁驱动单元组成。其驱动机理模拟生物体的蠕动爬行。它是通过给线圈加一系列的时序脉冲进行控制，依次使各单元动作，达到蠕动爬行的运动。 西安交通大学设计制作了蠕动式微动直线自行走机构。这种行走机构以电 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 11 致伸缩微位移器做驱动器，以电磁铁机构作为可吸附于行走表面的保持器。 广州工业大学借用仿生学原理，研制成结构独特的，像蠕虫一样的微管道机器人的运动由电磁力驱动。机器人由前后两个电磁线圈和前后两个驱动器组成。当分别通电时，机器人的两个驱动器相互吸合收缩。当后电磁线圈断电时，后部突然放松，由此产生的推力将机器人前部 (前驱动器 )向前推进一段距离；反向运动依次类推。 外管道机器人的发展 国外关于燃气管道机器人的研究始于 20 世纪 40 年代 , 由于 70 年代的微电子技术、计算机技术、自动化技术的发 展 , 管道检测机器人技术于 90 年代初，得到了迅猛发展并接近于应用水平。 日本机器人的发展经过了 60 年代的摇篮期 , 70 年代的实用期 , 到 80年代进入普及提高期 , 开始在各个领域内广泛推广使用机器人。日本管道机器人众多 , 东京工业大学于 1993 年开始研究管道机器人 , 并且成功研制出 列的机器人，以下介绍 管道机器人，如图（ 1）所示： 其采用“电机 - 蜗轮蜗杆 - 驱动轮”的驱动方案 , 同时每个驱动轮都有一个倾斜角度测量轮 , 通过测量轮探测机器人的倾斜角度 , 并反 馈给电机从而保证管道机器人的驱动轮以垂直的姿态运动。该管道机器人系统通过像头实现信息的采集 , 整个系统采用拖缆控制方式 , 检测距离超过购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 12 100m。 美国是机器人的诞生地 , 早在 1962 年就研制出世界上第一台工业机器人 , 是世界上的机器人强国之一 , 其基础雄厚 , 技术先进 , 并有很多管道机器人产品。美国 司系列管道检测机器人 国外现有的已成型管道机器人。美国纽约煤气集团公司 (的卡内基梅隆大学机器人技术学院的 士在美国国家航空和宇宙航行局 (资助下于 2001 年开发了长距离、无缆方式的管道机器人系统 专门用于检测地下煤气管道的情况 , 如图 2 所示。 该管道机器人系列 有如下特征 : ( 1) 一次作业检测距离长 ,采用无缆方式 , 自带电池并且电池可以多次反复充电 , 使管道机器人具有良好的自推进能力。 ( 2) 可以在铸铁和钢质煤气管道中 , 低压和高压条件下工作。 (3) 管道机器人的彩色摄像头采用嵌入式“鱼眼”镜头 , 结构非常紧凑。 (4) 可以顺利通过 90的弯管接头和垂直管道。 ( 5) 与外部操作人员采用无线通讯方式。 ( 6)该管道机器人可以探测煤气管道内部是否水渗透、碎片堆积 ; 可以确定管道内部缺陷的确切位置并且定位相应的作业装置 ; 采用视频图像的形式准确地反映管道内部的状况条件。 德国工业机器人的总数占世界第三位 , 仅次于日本和美国。德国学者 人在德国教育部的资助下于 2000 年研制成功了多关节蠕虫式管道机器人系统 机器人由六节单元组成 , 其头部和尾部两个单元体完全相同 , 每个单元之间的节点由 3 个电动机驱动 , 使得 以抬起或者弯曲购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 13 机器人个体 , 从而可以轻松越过障碍物或实现拐弯运动 ,该管道机器人系统 有 21 个自由度 , 长度为 2m, 质量为 50采用无缆控制方式 , 统使用于直径为 300 600管道。加拿大 履带采用刚性支承结构 , 两履带的夹角可以调节 , 以适应不同的作业管径。两履带调节到平行位置时 , 可以在平地或矩形管道内行走。但这种刚性支承的双 履带式管内机器人行走机构的两履带夹角在行走过程中是无法改变的 , 因此不适应管径变化的作业场合。 研制的管道检测机器人系统只适用于 200管道 , 而且一次作业的检测距离不大于 500m; 采用四轮独立伺服驱动方案研制成管道检测机器人系统 该机器人系统只能实现对 200径的地下输水管道的检测 , 一次检测距离为 400m, 系统采用拖缆控制方式。 器人的发展前景 展望 21 世 纪 机 器 人 技 术 的 发 展 趋 势 ， 明 显 地 向 着 智 能 化（ 向发 展，包括机器人本身向智能机器人进化和实现机器人化（ 产系统。具体地说，传感型智能机器人发展较快，新型智能技术（如临场感、虚拟现实、记忆材料、多智能体系统以及人工神经网络和专家系统等）在机器人上得到开发与应用，采用模块化设计技术，进一步推动机器人工程，注意开发微型和小新机器人，重视研制行走机器人，研制应用于非结构环境下工作地非制造业机器人和服务机器人，开发敏捷制造系统，军用机器人将用于装配部队等。总的说来，虽然存在不少难关，甚至出现某些阴影，但新世纪机器人学的发展前景是十分光明和充满 希望。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 14 第 2 章 总体方案的制定及比较 道机器人的设计参数和技术指标 （ 1）管道机器人的工作环境 a管道为金属冶炼厂烟气输送管道，管道为圆管，管道直径为700000道底部每周可形成厚约 100烟灰堆积层； b烟灰密度 ； c管道中有水平、小于 30。倾斜， 3 倍管道直径弯曲三种形式； d管道底部每隔 50m 有一可自动打开的清洁，供机器人倾倒垃圾； （ 2）管道机器人的技术要求 a. 机器人必须小巧、灵活、拆卸方便； b生产能力高，每小时清洁能力应在 40m 左右； c机器人在工作过程中，其结构可适应应不同管径的变化情况； d机器人自动化程度高，控制方便灵活； 体结构的设计和比较 1）行走机构的设计 根据国内外的管道机器人的移动方式大致可分为六种： 活塞移动方式 滚轮移动方式 履带移动方式 足腿移动方式 蠕动移动方式 螺旋移动方式 其各有优缺点。以下分别介绍。 活塞移动式依靠其首尾两端管内流体形成的压差为驱动力，随着管内流体的流动向前运动，其原理类似于活塞在汽缸内的运动，即把管道看作汽缸， 把具有一定弹性和硬度的 作活塞。其缺点是：越障能力和拐弯能力差。 滚轮移动式优点是移动速度快，转弯容易，结构简单，易小型化，采用多轮方式时牵引力随轮数增加而增加。缺点是着地面积小，维持一定的附着力较困难，这使得结构复杂，越障能力有限。 履带移动式的优点是着地面积大，易产生较大的附着力，对路面的适应性强，牵引性能好，越障能力强。缺点是体积大不易小型化，拐弯半径大，结构复杂，还要保持履带的张紧。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 15 足腿移动式的优点是对粗糙路面适应性能较好，越障能力极强，可适应不同管径的变化。缺点是结构和控制复杂，行走速度慢。 蠕动移动式的优点是 适应微小管径，越障能力强。缺点是移动速度慢，控制复杂。 螺旋移动式的优点是有一定的越障能力，可适应不同管径的变化，可在垂直管道中行进。缺点是结构复杂，移动速度慢，驱动力要求高。 根据设计参数和技术要求，所要研制的管道机器人必须要有高可靠性，高效率。所以采用上述行走机构的移动方式的组合来实现行走，这样可利用其综合优点避免单一移动方式的缺点。由于管道存在不同的弯管，这就要求机器人的行走机构有一定的拐弯能力和越障能力。所以，设计了一种如下页图所示的可伸缩的三只履带腿式（三只腿成 120分布）组合行走机构，其特点 是：移动速度快、转弯比较容易、有较大牵引力、对粗糙路面适应性好、越障能力强；同时，可伸缩性使得机器人对变径管道有较好的自适应性。如下图： 2）操作机构的设计 根据管道机器人的操作对象是一些堆积的灰尘，并且灰尘在管道底部购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 16 （ 2）操作机构的设计 根据管道机器人的操作对象是一些堆积的灰尘，并且灰尘在管道底部堆积，同时成疏松状，所以操作机构有以下两种方案： 借鉴挖掘机的工作原理。利用铲斗铲起灰尘，然后行走到管道底部的垃圾开口，倾倒灰尘。这种方案简单，可靠；但是由于管道直径的限制，其铲 斗的容积比较小，同时垃圾开口每隔 50m 才有一个开口，其大部分时间都在行走上，所以机器人的工作效率很低。 借鉴吸尘器的工作原理。利用带有操作臂的吸尘器的吸头，灰尘通过吸尘管道到主体内部，设计箱体的容积比较大，最后，移动到垃圾开口处倾倒垃圾，从而减少在往返的次数来提高工作效率。 所以采用具有两个自由度的机械臂，臂末端附上吸尘器头，臂上附上塑料软管，软管最终以主体的垃圾箱密封连接。 3）撑开机构的设计 由于管径的变化，需要撑开机构来适应管径的变化。在本机器人设计中，采用滚珠丝杠螺母副来和放大杆组来实现。其机构简 图如下图所示： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 17 1 基 座 2 放大杆组 3 撑开杆 4 丝 杠 5 丝杠螺母 6 行走机构 当丝杠 4 旋转时，丝杠螺母 5 在丝杠上左右移动，从而拉动撑开杆 3，撑开杆 3 铰接在放大杆组 2 上，从而改变其倾角来适应管径的变化。 （ 4）最终方案的确定 根据以上的分析和比较，最后得出最终方案。 设计的管道清洁机器人包括以下五部分： 行走装置 （为整个行走提供动力）； 撑开杆组 （适应管径的变化）； 操作臂装置（操作臂包括吸尘器的操作部分和倾倒垃圾部分）； 信号采集装置（为控制提供信号和图像）； 控制装置（控制管道清洁机器人行走和动作）。 18 第 3 章 部件的设计和计算 道机器人工作量计算 由于管道直径是变化的，变化范围为（ 7001000通过计算当管道直径为 1000，且堆积相对底部为 100图下图所示；每50m 最大的工作量 其中 h=100d=1000 R=d/2=1000/2=500 a=0000 2 2 2 25 0 0 4 0 0 3 0 0b R a mm a r c t a n ( / ) a r c t a n ( 3 0 0 / 4 0 0 ) 3 6 . 8 7 22922123 6 0 22 3 6 . 8 7 15 0 0 2 4 0 0 3 0 03 6 0 24 . 0 8 8 1 0s R a 由于每隔 50m 才有一开口，所以总的工作量： 4 3 9 35 0 1 04 . 0 8 8 1 0 5 0 1 0 2 . 0 4 1 0l m l m m 又因为烟灰的密度为 33 g 9 3 6 33 . 5 2 . 0 4 1 0 1 0 7 . 1 5 1 0 7 . 1 5 1 0m V g k g h=100 d=1000=500 300b 0s 3935 0 1 02 . 0 4 1 0l m mV m m 33 g 37 1 0m 19 走机构的设计和计算 （ 1）行走机 构 的 驱动电 机功率的 预 算 预 取管道 清洁 机器人的容 积为 33 5 3 5 3 5 4 2 8 7 5 c 容 5m 3 . 5 4 2 8 7 5 1 . 5 0 1 0 g 1 5 0 k m g 1 5 0 9 . 8 1 4 7 0 . 6 管道机器人在装满的情况下，受力图如左图所示：其中预取： 212 c o s 6 0 F G F 21F G F =00 =于履带是三组；成 120分布；受到的是摩擦阻力 ; 212F F F 驱 （其中是橡胶与钢之间的摩擦系数） =2 400 =管道机器人的工作行程速度 V 为 ： V=s 3 3 1 2 . 9 6 0 . 5 1 6 5 6 . 4 8W F V W 驱总 （ 有效功率） 由于是三组履带，所以每个履带的驱 动电机至少为： W= 3 3=以，选取电机的功率为 800W;同时电机要能变速，才能在管道内转弯；所以选择伺服电机，最终选择 服电机（安川公司）。 342875容 m 150 2F= F=s W= 2）行走机构结构设计 确定行走机构 20 由于管道直径最小时， D=700时总体方案中已经确定采用 3 组履带，相对来说比较狭小；所以行走机构尺寸不能太大。 首先，确定履带的宽度。由于履带的宽度较小，那么它的工作所提供的驱动力就会减小；而其宽度太大时，所受到的阻力就会很大。通过作图的方法，取履带的宽度 为： =150 其次 ，确定履带的长度。履带的长度越长其转弯的灵活性就会受到影响。所以，履带的长度不能太长。所以其长度 L 为： L=580 最后，确定履带的高度。履带的高度受到管道直径的限制，同时还受到撑开杆组的影响；由于撑开杆组要能在 =7001000围内变化，所以杆长要达到给定的范围。通过对撑开杆组的设计，后最终确定高度 H=175 确定行走机构的结构 由于外形尺寸的限制，电机内置在履带组中，同时采用锥齿轮来换向，最后驱动履带轮。其结构图如下图所示： 50=580=175确定行走机构中的履带轮和履带轮 采用同步带的结构来设计履带。以下是同步带传动的优点： 1. 适用于两轴中心距较大传动，承载能力较大。 2. 带具有良好的弹性，可以缓冲、吸振，传动平稳，噪声小。 3. 结构简单，制造和维护较为方便，价格低廉。 首先，确定同步带的主要参数：（查机械设计手册 13 齿 形：梯 形 齿距制式：模数制 型 号： 距：次，设计带 轮：（查机械设计手册 13 (1)初选带轮的次数： 17z ； 选择切削带轮齿形的刀具类型 切出直线齿廓的特别刀具； 21 齿槽角： 2 =2 =40； 节 距 : m= 7 节圆直径： 7 1 7 1 1 9d m z m m ； 模 数： 7m ； 齿侧间隙： 1； 17z 2=40 119d 7m 1名 义径 向 间 隙：0 ； 径 向 间 隙：0 0 . 4 1 . 3 7 0 . 4 7 3 . 8 3 6e e m ； 外 圆 直 径 ：0 2 1 2 0 2 1 . 7 5 0 1 1 6 . 5 中 = 外 圆齿 距：00( ) / 3 . 1 4 1 1 6 . 5 1 7 2 1 . 5 2 9p d z m m ； 外 圆齿 槽 宽 ：0 1 0 . 0 6 1 1 1 . 0 6mb s c m m ； 齿 槽深： 4 . 2 3 . 8 3 6 8 . 0 3 6h e ； 齿 槽底 宽 ： 7； 齿 根 圆 角半 径 ： 0 . 2 5 0 . 2 5 7 1 . 7 5 ； 0 . 2 5 0 . 2 5 7 1 . 7 5 ； 最后， 设计 履 带 ：（ 查 机械 设计 手 册 13 由于采用同步 带 的 结构来设计 履 带 ，同 时 履 带 用于特殊的工作 环 境，所以不能完全采用同步 带 的 参数 ，根据具体的 结构 尺寸 设计 履 带 。 节 距： 齿 形角： 2 =40； 齿 根厚： = 齿 高： 带 高： ； 齿顶 厚： 7 节顶 距： = 带 宽 ： 115sb 0 0d=0p=0b=22 7 2=40 = 7 =115sb 确定大小 锥齿轮参数 （ 详细 的 设计过 程 见 第五章） 整 个 行走装置里， 锥齿轮 的主要作用 ， 传递动 力。同 时 考 虑 到其完全在行走装置 内 部，尺寸受到限制。根据以上的因素， 设计 大小 锥齿轮 的具体 参数 。 根据 总 体 结构设计图 ，采用 轴 交角 90 。 齿轮类 型 为 ：直 齿锥齿轮 、 齿 形制 为 12369 1990,齿 形角 为 20、 齿顶 高系 数 *、 顶 隙系 数 * 。（ 查 机械 设计 手 册 14 大 锥齿轮 的次 数1 30z ;小 锥齿轮 的次 数2 23z 。大小 锥齿轮 的具体 参数 分 别 如下： （ 查 机械 设计 手 册 14 大 锥齿轮 ： 法向模 数 ： 齿 数 ： 30z ； 法向 齿 形角： 20分度 圆 直 径 ： 3 0 2 . 5 7 5d m z m m 分度 圆锥 角：11230c o t c o t 5 2 3 1 2 6 23za r c a r 齿顶圆 直 径 ： *12 c o d h m =75+2 1 2 31 26 =齿根圆直径： *12 ( ) c o d h c m 大锥齿轮： 30z 2075d 1 5 2 3 1 2 6 m =75（ 1+ 2 31 26 = 23 锥 距：221212 s i n 2m z mR z z = 222 0 2 32 = 齿顶角： *a r c ta n = 1 2 3=3 1 43 齿 根角 ： *()a r c t a n c = (1 0 . 2 ) 2 . 5a r c t a . 2 5 3=3 47 1 顶圆锥 角 ： = 52 3126 +3 1 43 =55 33 9 根圆锥 角 ： = 52 3126 47 1 =48 44 25 齿 宽： b=25 5 3 3 9 a 4 8 4 4 2 5 f b=25锥齿轮 ： 法向模数： ； 齿 数： 23z ； 法向齿形角： 20分度圆直径： 2 3 2 . 5 5 7 . 5d m z m m 分度圆锥角：11230c o t c o t 3 7 2 8 3 4 23za r c a r 24 齿顶圆直径： *12 c o d h m = 1 7 28 34 =齿根圆直径： *12 ( ) c o d h c m = 1+ 7 28 34 =锥 距：221212 s i n 2m z mR z z = 222 0 2 32 =齿顶角： *a r c ta n = 1 2 3=3 1 43 小锥齿轮： 23z 20 d 37 2834 1 43a 齿根角： *()a r c t a n c = (1 0 . 2 ) 2 . 5a r c t a . 2 5 3=3 47 1 25 顶圆锥角： = 37 2834 +3 1 43 = 41 3017 根圆锥角： = 37 2834 47 1 = 33 4133 齿 宽 ： b=25确定直齿轮的参数（详细的设计过程见第五章） 在整个行走装置中，直 齿轮的作用，主要是传递动力。根据行走机构的结构和尺寸限制，同时为了减少零件的个数和降低成本，才用两个完全相同的直齿轮，齿顶高系数 *、顶隙系数 * 。齿数 z=40， 。其具体参数如下： 分度圆直径：1 2 . 5 4 0 1 0 0d m z m m 齿 顶 高： * 1 2 . 5 2 . 5h m 齿 根 高： *()h c m(1 0 ) 2 = 47 1f a 41 3017 f 33 4133b=25d=100mm .5 全 齿 高：h h=齿顶圆直径：112d h=100+2 105齿根圆直径：112d h=100齿 厚： / 2 3 . 1 4 2 . 5 2 3 . 9 2 7 齿 根 宽： / 2 3 . 1 4 2 . 5 2 3 . 9 2 7 中 心 距： 100a d 26 顶 隙： * 0 . 2 5 2 . 5 0 . 6 2 5c c m 开机构和放大杆 组的设计 (图 a) (图 b) 27 撑开机构采用丝杠螺母和放大杆组的结合，来适应管径的变化。通过作图法来模拟最小（图 a）、最大管径（图 b）时的情况（在 ，按比例 1： 1）如上页图所示： h 105 9 3 fd m m 100a 最后量出各杆件的 长 度： 撑 开 杆杆 长 ： 200cl 放大杆放大杆杆长： 300fl 由于在其之上 安装了压力弹簧，其实际杆长为 330 380 铰 接 处 的位置： 在放大杆 组 90 。 作臂的设计 (图 c) 28 操作臂包括吸尘器的操作臂和拉开卸料门的杆件机构。 吸尘器操作臂的设计 由于管道的管径是变化的，同时灰尘主要分布在管道底部，所以要求操作臂要能够适应管径的变化，不仅要在最小管径是能工作，也要在管径最大是也能正常的工作。根据这些要求，设计了具有两个平面自由度的杆件机构来实现。其结构如图（ c）所示：其各个杆件的参数见零件图。其驱动电机采用 直流伺服电机。功率为 120W。 卸料门的拉 开杆件的设计 当垃圾箱装满时，重量能达到 时电机的驱动功率 120W，驱动力较小；所以，在设计时采用“死点”的结构来实现卸料门的开合。 工作原理：当卸料门闭合式，连杆处于死点位置即位置 1，这是无论在卸料门上施加多大的力，卸料门也不会打开；当灰尘装满时，驱动电机通电，让连杆 转动，从而破坏死点的状态，在灰尘的重力和连杆的拉力下，卸料门打开即位置 2。当灰尘倾倒完后，连杆逆向转动，推动连杆向上移动从而使卸料门闭合，从而回到位置 1。 其结构简图见图（ d）所示： 各个杆件的长度，根据具体的结构尺寸，采用 作图法计算出杆件的长度。其尺寸参数如下： 连杆0连杆50连 杆20050209 第 4 章 控制原理设计 制原理的分析和设计 我们拟将两对光电传感器（记为 和 ）分别置于本管道清洁机器人前后两侧从而在前进或后退时都可以检测行进前方有无障碍物从而实现转弯。见下面示意图： 将一对超声波测距传感器 (记为 别置于本管道清洁机器人车体前后适当位置，用来检测其前进或后退时管径的变化情况，以使 另外， 将一个光电传感器 (记为 于吸尘装置下方适当位置，用来检测下方管壁上的灰尘是否已清洁干净；又将一个压力传感器（记为 于垃圾箱底板适当位置，用来检测垃圾箱是否已经装满，从而使本管道情节机器人停止继续清灰尘转而倒垃圾。另外一个超声波传感器 (记为 于装灰尘的垃圾箱下方适当位置，在垃圾箱装满后通过检测前方一
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