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气动 穿孔机 传动系统 设计 SW 三维 13 CAD

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任务书论文(设计)题目：气动穿孔机的传动系统设计工作日期：2017年12月18日 2018年05月25日1.选题依据:气动穿孔机应用于地下非开挖管道铺设工作，是现代社会发展的必由之路。此机器是高科技的最佳代表，是高智能的一项新兴技术，它是一种多学科综合起来，形成的一个全新产物，是当代科技研究的主要潮流及重要对象，是一种全新的发展趋势。非开挖机器可在不破坏地表的情况下完成各种复杂动作、可变换角度的地下穿孔作业，不影响交通，不污染环境。它在城市地下管线的铺设施工中具有很广的用途。2.论文要求(设计参数):（1）气动穿孔机的作用及国内外研究现状（2）气动穿孔机工作原理及工作特点分析（3）气动穿孔机的运动学分析，模型建立及计算分析（4）气动穿孔机本体结构设计（5）气动穿孔机的控制系统设计3.个人工作重点:（1）通过查阅资料，了解国内外关于气动穿孔机的发展状况、历程以及主要用到的 原理方法等。（2）利用气动穿孔机总体设计方案，掌握机器的设计原则、结构组成、工作原理等。（3）通过对气动穿孔机的运动学分析，模型建立及计算分析，掌握建模方法及运动 学相关的计算方法。（4）通过气动穿孔机的控制系统设计，掌握机器控制系统的设计方法。4.时间安排及应完成的工作:第1周：收集相关资料，了解国内外气动穿孔机的发展现状，学习并了解他们的设计方法，完成开题报告。第2周：收集相关资料，了解国内外气动穿孔机的发展现状，学习并了解他们的设计方法，完成开题报告。第3周：收集相关资料，了解国内外气动穿孔机的发展现状，学习并了解他们的设计方法，完成开题报告。第4周：查阅相关资料和一些学术期刊，确定气动打孔机总体方案设计，包括结构设计、 功能设计等。第5周：查阅相关资料和一些学术期刊，确定气动打孔机总体方案设计，包括结构设计、 功能设计等。第6周：学习气动穿孔机模型建立，并完成对运动学计算分析。第7周：学习气动穿孔机模型建立，并完成对运动学计算分析。 第8周：根据前几周的相关研究，完成气动穿孔机本体结构设计。 第9周：根据前几周的相关研究，完成气动穿孔机本体结构设计。第10周：完成气动穿孔机的控制系统设计；初步构建论文结构，并撰写出论文初稿。 第11周：完成气动穿孔机的控制系统设计；初步构建论文结构，并撰写出论文初稿。 第12周：完成论文撰写，并对论文进行修改。第13周：完成论文撰写，并对论文进行修改。第14周：总结论文，准备答辩。5.应阅读的基本文献:1王凤丽，徐宝富，王化更，于颖，宋蕴璞；DH气动穿孔机设计理论J；2005:44-48.2徐宝富，陆敏恂，石来德；地下穿孔技术在同济的研究与发展J；建筑机械；1999:122-124.3陈勇，陆敏恂，徐宝富；气动穿孔机启动问题J;建筑机械；2002:76-81.4朱波，张永高；地下气动穿孔机结构探索J；筑路机械与施工机械化；2003:23-27.5朱波，张永高；地下启动穿孔机结构设计J；机电工程技术；2003:156-159.6徐宝富，姚晔，石来德，陆敏恂；轨迹可控气动穿孔机理研究J；建筑机械；2001:104-111.7代丽华，王立中；穿孔机实现曲线穿孔机理研究J；煤矿机械；2008:198-201.8吕强，徐宝富；液动穿孔机的研究J；建筑机械；2003:52-57.9徐宝富，吕强；启动冲击式轨迹可控穿孔机曲线机理的研究J；液压与气动；2003:222-228.10陈勇，陆敏恂，徐宝富；新型气动穿孔机机理分析J；同济大学学报（自然科学版）；2003:165-170.11刘辉热；轧无缝钢管穿孔机主传动电机A;中国计量协会冶金分会；2010.12过于成，陆敏恂，徐宝富；气动穿孔机启动问题探索A；中国工程机械学会；2003.13颜纯文，马保松，朱文鉴；非开挖技术研究发展A；20082009.14霍伟编著。机器人动力学与控制M；高等教育出版社；2003:73-77.15胡跃明著。变结构控制理论与应用M；科学出版社；2003:131-139.16陈东辉，郭红霞，佟金；非开挖工作部件的仿生设计与实验研究A；农业机械化与新农村建设中国农业机械学会2006年学术年会论文集（上册）C；2006.17马传翔。单轮机器人运动机理及其控制方法的研究D；哈尔滨工业大学,2010.18李立志，陈明伟；上海城市地下水管线勘测及非开挖技术的发展A；现代测量技术与地理信息系统科技创新及产业发展研讨会论文集C;2009.19Pneumatic-spring percussion mechanism with a variable rptatory driveM; H Braun,R- Berger-EP-2010.指导教师签字：XX教研室主任意见：同意签字：XX 2017年12月14日教学指导分委会意见：同意签字：XX 2017年12月15日 学院公章进度检查表第-1周工作进展情况收集相关资料，初步了解气动穿孔机是什么机器，了解国内外气动穿孔机的发展现状，学习并了解他们的设计方法。整理搜集的气动穿孔机的相关资料，了解气动穿孔机的理论意义及其应用价值，以及目前研究的概况及发展趋势，完成开题报告并答辩。2018年03月16日指导教师意见填写工作进展，可以开始进行下一步的结构方案分析设计及论证指导教师(签字)：XX 2018年01月11日第 2周工作进展情况查阅相关资料和一些学术期刊，确定气动穿孔机的总体方案设计，包括其结构设计、功能设计、工作原理等。2018年03月16日指导教师意见查阅资料期刊，确定气动穿孔机的总体方案设计，结构设计、功能设计、工作原理等。指导教师(签字)：XX 2018年03月29日第 4周工作进展情况学习气动穿孔机模型建立，并完成对运动学计算分析。 根据前几周的相关研究，完成气动穿孔机本体结构设计。2018年03月16日指导教师意见完成了运动学计算分析， 根据前面的相关研究，完成了气动穿孔机本体结构设计。指导教师(签字)：XX 2018年03月31日第 8周工作进展情况完成气动穿孔机的控制系统设计；初步构建论文结构，并撰写出论文初稿；画出三维装配图，二维装配图。2018年05月21日指导教师意见完成了气动穿孔机的控制系统设计，构建论文结构并撰写出论文初稿；画出了三维装配图，二维装配图。指导教师(签字)：XX 2018年05月22日第 10周工作进展情况完成论文撰写，并对论文进行修改；画出所有的零件图，并检查图纸。2018年05月21日指导教师意见撰写设计说明书并进行了修改；画出所有的零件图检查了图纸。指导教师(签字)：XX 2018年05月22日第 11周工作进展情况进行总结论文，准备答辩；找老师进行指导，并继续完善后续工作。2018年05月21日指导教师意见继续完善设计，总结修改设计说明书论文，准备参加答辩。指导教师(签字)：XX 2018年05月22日过程管理评价表评价内容具体要求总分评分工作态度态度认真，刻苦努力，作风严谨33遵守纪律自觉遵守学校有关规定，主动联系指导教师,接受指导33开题报告内容详实，符合规范要求54任务完成按时、圆满完成各项工作任务43过程管理评分合计13 过程管 理评语 XX同学在四年的学习，及本次毕业设计过程中，学习目标明确，态度端正、认真，学习、钻研刻苦努力，作风严谨踏实； 遵守校纪校规，能自觉遵守学校的理论学习及实践环节的各项规定，毕业设计过程中能主动联系指导教师，提出自己的想法，与老师讨论，接受指导意见； 选定题目后查阅资料，认真撰写、修改开题报告，提交的报告内容详实，符合毕设的规范性要求； 在考研复习，考试及面试等要占用较多的时间的情况下，按时、圆满完成了毕业设计的各项工作任务。指导教师签字:XX日期:2018-05-23指导教师评价表评价内容具体要求总分评分选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力54完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确；论文结构、撰写格式、图表等符合基本规108指导教师评分合计16 指导教 师评语 所选定的毕业设计题目，符合本专业的培养目标要求，具有一定的研究价值和实践意义，具有一定的开拓性、题目有一定的创新性，设计难度适宜，工作量饱满； XX同学具有较强的综合运用所学专业知识能力，科研能力较佳，中文表达能力与外语能力好，能熟练检索文献资料，计算机应用能力佳； 设计说明书文题相符，论述概念准确，分析、论证、计算、设计等正确合理，结论明确；设计说明书的结构及格式、插入的图表等符合基本规范要求。指导教师签字:XX日期:2018-05-23评阅人评价表评价内容具体要求总分评分选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满53能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力53完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确；论文结构、撰写格式、图表等符合基本规105评阅人评分合计11 评阅人 评语 本论文气动穿孔机的传动系统设计，首先介绍气动穿孔机的总体设计，研究了钻孔的原理和特点，其次建立了动力学分析模型，对穿孔机的旋转方位检测和旋转曲率进行半径分析，紧接着对气动穿孔机本体进行结构设计，最后对控制系统进行了设计。本论文具有一定的研究价值和理论意义，文题相符，相关概念较为准确，分析、论证、计算、设计、实验等较为合理，但仍有些不足：撰写格式不符合大连大学论文规范，应参考大连大学硕士学位论文规范改正，缺少国内外发展概述。评阅人签字：XX评阅人工作单位：机械工程学院日期：2018-05-23答辩纪录 学生姓名：XX专业班级：XX 毕业论文(设计)题目： 气动穿孔机的传动系统设计答辩时间：2018年05月 日 时 分 时 分答辩委员会(答 主任委员(组长)： XX辩小组)成员委员(组员)： XX答辩委员会(答辩小组)提出的问题和答辩情况问题1：尺寸直径为？回 答： 图中的尺寸直径为78mm。问题2：做什么用的？回 答： 在地下打孔，为了布置电缆的。问题3：总长度为？回 答： 总长度为1.4米。问题4：有转向机构吗？回 答： 按曲线行进的，有操作检测机构。问题5：可以转弯吗？回 答： 前端可36转，有个球形头。问题6：在石头里可以钻吗？回 答： 会根据材料改变前方材质。问题7：钻的动力何处来？回 答： 空气压缩机，拖着管线。问题8：靠什么检测？回 答： 未详细传感器，数字轮盘编码器，检测障碍物。问题9：很大障碍物，检测距离？回 答： 碰上以后检测。记录人： 2018年05月24日答辩委员会评价表评价内容具体要求总分评分自述总结思路清晰,语言表达准确,概念清楚,论点正确,分析归纳合理109答辩过程能够正确回答所提出的问题,基本概念清楚,有理论根据109选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确；论文结构、撰写格式、图表等符合基本规109能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语应用能力、文献资料检索能力、计算机应用能力109答辩委员会评分合计40 答辩委员会评语 XX同学在毕业设计工作期间，工作努力，态度认真，能遵守各项纪律，表现良好。 能按时、全面、独立地完成与毕业设计有关的各环节工作，具有一定的综合分析问题和解决问题的能力。 论文立论正确，理论分析得当，解决问题方案实用，结论正确。 论文使用的概念正确，语言表达准确，结构严谨，条理清楚。 论文中使用的图表，设计中的图纸在书写和制作时，能够执行国家相关标准，规范化较好。 具有一定的独立查阅文献资料及外语应用能力，原始数据搜集得当，实验或计算结论准确。 答辩过程中，能够简明和正确地阐述论文的主要内容，思路清晰，论点基本正确；回答问题准确，有应变力；有较好的语言表达能力。答辩成绩： 40答辩委员会主任：XX成绩评定 项目分类成绩评定过程管理评分13指导教师评分16评阅人评分11答辩委员会评分40总分80成绩等级B成绩等级按“A、B、C、D、F”记载成绩审核人签章： XX学院审核人签章： XX气动穿孔机的传动系统设计The design of transmission system of pneumatic perforating machine摘 要气动穿孔机在地下非开挖铺管中的应用是现代社会发展的必由之路。这台机器是高科技的最好代表。它是一种高智能的新技术。它是一种新产品，是一种新的发展方式。它在地下管线铺设中有着非常广泛的应用。因此，气动穿孔机具有很大的应用价值。气动穿孔机是一种能在土壤中行走的设备。气动穿孔机由计算机控制，在地表的一端土壤进入，并从地表另一端的指定位置穿出。其控制的目的是使机器按照设计的轨道向前移动，并且在任何时候改变方向，绕过障碍物或纠正偏差。本文主要论述了气动穿孔机的总体方案、各种型号的建立与分析、气动冲击功的计算、冲击头挤压效果的机理分析以及机械检测相关问题的研究。控制。介绍了气动穿孔机的现状，介绍了该机的工作条件和磨损情况。地面实验建立模型。对运动过程进行了分析。关键词：穿孔机；非开挖技术；气动冲击；轨迹可控II气动穿孔机的传动系统设计ABSTRACTThe application of pneumatic puncher to underground trenchless pipe laying is the only way for the development of modern society. This machine is the best representative of high technology. It is a new technology with high intelligence. It is a new product and a new way of development. It has a very wide application in the laying of underground pipelines. Therefore, pneumatic perforator has great application value.Pneumatic puncher is a kind of equipment that can walk in the soil. It is controlled by a computer and enters the soil at one end of the earth surface and penetrates from the specified location at the other end of the surface. The purpose of its control is to make the machine move forward according to the designed track, and to change direction at any time, to bypass obstacles or to correct deviations.This paper mainly discusses the overall plan of pneumatic piercer, the establishment and analysis of various models, the calculation of the pneumatic impact work, the mechanism analysis of the extrusion effect of the impact head and the research on the related problems of the machine detection and control. In this paper, the current situation of the pneumatic perforator is introduced, and the working conditions and the wear of the machine are introduced. Ground experiments to establish a model. The movement process is analyzed.Key words: perforator; trenchless technology; pneumatic impact; trajectory controllable.III目录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1气动穿孔机未来的发展趋势12 气动穿孔机总体构成22.1 气动穿孔机的总体构成22.2 钻孔工作原理22.3 钻孔工作特点33 气动穿孔机的运动学分析43.1 运动模型的建立43.2气动穿孔机的旋转方位检测63.3 气动穿孔机转弯的曲率半径分析73.4气动冲击头挤压效应机理分析94 气动穿孔机本体设计134.1 穿孔机本体结构参数134.2 锥形钻头的设计选型134.3 气动转向机构144.4 气动冲击结构155 气动穿孔机的控制系统设计185.1 电磁阀输出驱动电路设计185.2 HMR3300数字罗盘的原理及其数据采集196设计总结20参考文献21致谢221 绪论1.1气动穿孔机未来的发展趋势 随着技术不断地进步以及气动穿孔机技术在钻井施工领域的广泛应用，气动冲击旋转钻进技术和气动冲击器的发展空间将会更加的广泛。启动穿孔的技术具体发展趋势则体现在：（1） 冲击器由小单次冲击功向大单次及复合次冲击功的方向不断发展；（2） 气动冲击器的适用深度朝着越来越深的方向发展，并且钻孔直径不断朝着越来越大的方向发展；（3） 将多个单体冲击器组成集束式冲击器用于大口径钻井;（4） 该技术可与多种钻井工艺相结合，其中包括反循环钻井工艺、套管钻井工艺和爆破技术。与反循环钻井工艺结合可解决大直径钻孔的排粉问题；然而当与套管钻井工艺相结合时，则能够解决松散、破碎底层的护壁问题；当与爆破技术相结合时，就可以方便解决大直径漂石、孤石地层钻进等难题；（5） 应用领域更加广泛。目前，已经发展到由小口径到大直径施工。例如，小口径的地质勘探孔到在复杂条件下的工程施工，以及对于大直径的基岩桩孔、石油钻进、海底取样钻进、水文水井、地热钻进、科学钻探等诸多问题都能够快速得到解决。（6） 为了满足多方位要求，钻孔方位也需要发生变化，目前，已经由垂直打孔向水平及定向可控方面拓宽，因此需研制可控方向的冲击器。（7） 贯通式潜孔垂反循环连续取芯钻进技术集钻进中连续获取岩矿芯、潜孔锤碎岩、流体介质反循环3项先进技术于一体的钻进技术，目前，具有非常广阔的发展前途，它也是其中一个潜孔锤钻井技术的发展方向。（8） 在设计过程中，采用计算机仿真和模拟潜孔锤来进行研究，计算机可以揭示和分析潜孔锤各结构参数、配气过程及主要因素对潜孔垂工作性能的影响规律，从而实现潜孔锤的辅助优化设计。同时，这也替代了传统的实验法、经验法和类比法，进而实现定量科学设计，达到及符合现代的设计要求。2 气动穿孔机总体构成2.1 气动穿孔机的总体构成气动穿孔机由很多部分共同构成，不同部分之间相互协调动作，相辅相成，此气动穿孔机主要可以分为本体部分，检测部分，转向部分，动力部分，供气部分，控制部分等。此次设计的气动穿孔机的整体简图如下图2.1所示。图2.1 气动穿孔机整体构成2.2 钻孔工作原理（1） 首先要仔细调查出已经铺设的地下管线分布情况。然后合理安排出地下钻孔路径。最后将钻孔信息输入到控制系统中，由控制系统实现实时监控；（2） 将入土支架调整至合适角度，然后把气动穿孔机架设在入土支架上面，从而可使穿孔机获得一定的入射角度；（3）由控制系统发出指令，安排调整出合理的气动穿孔机入射角以及气压等参数，使得气动穿孔机处于初始工作状态；（4）检查完毕后再启动空气压缩机，实现气动穿孔机土中穿孔作业；（5）气动穿孔机地下穿孔作业可以分为直线钻孔和曲线钻孔两种情况。直线钻孔是指在土中行进过程中，转向部分保持不变，从空气压缩机向冲击机构供一定的高压气，产生冲击运动，穿孔机的锥形钻头不断挤压周围土层，克服土层的摩擦阻力而向前钻进，从而形成直线轨迹。曲线钻孔是指当需要调整前进轨迹时或者当位移传感器输回的位移增量明显减少时，即表明气动穿孔机在土中作业时遇到了障碍物，此时需要把穿孔机回拽相应距离，由控制部分控制转向部分，使气动穿孔机的锥形钻头转过一定的角度，角度偏转完成后，穿孔机沿着偏转后的方向继续钻进，这个过程就实现了曲线钻进； （6）测试部分主要用于测试穿孔机本体部分姿态数据，也是钻进工作时需要最先开启和最后关闭的部分，测试部分会将监测数据反馈给控制系统，控制系统预期轨迹与实际运行轨迹的偏差值，不断调整穿孔机锥形钻头的角度，即不断地调整偏差、修正偏差，从而使实际轨迹与预期轨迹尽量符合。2.3 钻孔工作特点（1） 气动穿孔机以压缩空气作为动力源，依靠冲击活塞以一定的速度和频率冲击缸体产生动力，冲击活塞的动能转化成了冲击能，形成较大冲击力。锥形钻头依靠此冲击力克服土层的摩擦阻力，会不断挤压周围土壤沿着相应的轨迹钻进，会形成中空的洞以方便管道的拖入。要形成较大的冲击力，可以液压或气压方式两种形式进行驱动。这两种驱动方式均可以实现大功率进给，但采用液压驱动方式在机器出现故障时，液压的泄露会导致整个机器不能正常运行，气压驱动方式虽然噪声大，但是鉴于是在地下穿孔作业，因此经过综合考虑本次设计采选取气压驱动方式作为穿孔机钻进作业的动力。（2） 气动穿孔机在地下钻进中的方向是由转向机构控制的，使锥形钻头具有不同的旋转角，从而控制着穿孔机的轨迹。冲击部分是穿孔机的动力部分，为穿孔机提供地下前进的动力。转向机构和冲击机构相互协调动作，使得穿孔机在地下自行行走，可以更好完成在地下的直线运动和曲线运动的相互结合，运动的灵活性得到了提高。（3）穿孔机的转向部分实现了机器的转向，锥形钻头实现了转向之后，冲击机构的向前的冲击力方向就变成了沿着钻头头部所指的方向了 。（4）穿孔机的钻进过程采用计算机进行实时控制，对穿孔机在地下的运行姿态进行实时监测，通过传感器等传输给微机控制系统，则控制系统根据传输回来的数据向机器发出指令，控制、调整穿孔机在地下的运行轨迹。（5）完成地下轨迹可控钻孔后，在气动穿孔机机器本体的末端，用连接装置把要返回的机器与所需铺设的管道相连，最终即可完成管道的铺设工作。3 气动穿孔机的运动学分析3.1 运动模型的建立如果气动穿孔机是要在地下顺利地进行钻进作业，为了防止出现钻进作业过程中的动力不足以及该机器会由于被卡住了而不能在土壤中向前移动的这些问题的出现，因此穿孔机在地下的钻进过程必须要有足够的推动力来保证。本次论文所设计的机器是能够按照预定轨迹前进的气动穿孔机，为了确保在钻进过程中不会发生轨迹的偏移以及头部达到精确偏转，因此，即使该机器在没有任何需要的条件下，穿孔机的头部也需要保持一定的位姿。气动穿孔机的运动模型的建立，需要将机床的冲击机构，检测机构以及转向机构结合起来，将其看作是一个质量均匀的杆，而锥形钻头看作是一个独立的均质杆。这将简化复杂的运动分析过程，计算过程也将更加方便。由于气动穿孔机的运动是在三维空间中进行的，因此可以选择OXYZ坐标系来建立运动模型的空间。在本次设计中，用表示穿孔机的机器尾部到锥形钻头头部的的长度，质量用表示，而转动惯量则用进行表示，a表示的是偏转角，表示的是均质杆的长度，也就是转向机构与冲击机构的总长，由所学知识可知均质杆的质心位于该杆的形心，设其转动惯量用表示，该机器的头部位置可以用（x ，z，）来表示，各段质量中心分别（x，z）（i1,2）表示，而（i1,2）则表示了各线段与x轴之间的夹角，至于两端之间的相对转角则表示为：。由于气动穿孔机的锥形钻头是一个圆锥体，可将锥形钻头视为机械设计手册中的均质刚体。可知锥形钻头的体积计算公式为：在上式中，D字母表示了锥形钻头底面圆的半径。锥形钻头的质心坐标用（x11, y11, z11）表示，此坐标的计算公式为： x11=0l1(D2*l1-xl1)2sin(xsin)dxV=l4l1sin （3.2） y11=0 （3.3） z11=0l1(D2*l1-xl1)2sin(xcos)dx/V=l4l1cos （3.4）穿孔机的运动模型可用图3.1进行表示。图3.1 穿孔机运动模型通过上式的计算可以求出气动穿孔机锥形钻头、转向机构及冲击机构的速度。3.2气动穿孔机的旋转方位检测气动穿孔机在工作时，它会源源不断的对土壤进行冲击，同时克服土壤阻力，从而机器不断向前钻进形成长孔。轨迹可控气动穿孔机能够按照事先规划的轨迹进行地下钻孔作业，对于该机器的运行方位的测量原理可用下图1进行表示表示。穿孔机的实际位置则可以用x，y，z这三个坐标来进行表示。穿孔机在前进方向上相对于起始点的距离是用x坐标表示的，该机器在垂直方向上相对于起始点的距离是用y坐标进行表示，而其在水平方向上相对于起始点的距离可用z坐标表示的。气动穿孔机相对于x-z平面的夹角可以用P字母来进行表示，然而相对于x-y平面的夹角则可以用Q字母来进行表示。为了能够确定穿孔机在地下的准确位置，只需要对上述5个参数进行相应的计算即可，所以能够方便地进行轨迹的修正。气动穿孔机进行地下钻孔作业的方向需要通过它的工作头前部的斜面的方位来进行相应的控制，但是能够通过改变斜面的方位来实现对其运动轨迹修正的控制。为了研究能够方便地开展，本论文暂时不考虑z坐标的修正以及测量，地面相对于穿孔机的垂直距离、水平线相对于工作头斜面的夹角及前部斜面与该气动穿孔机主体的自身转角只要能够测量出来，也就是说可以通过改变角度P，Q，轨迹的修正就能够得以有效地实现。示意图3.23.3 气动穿孔机转弯的曲率半径分析穿孔机在地下进行钻孔作业的行进方式有两种不同的形式，具体行进方式是指直线行进及曲线行进。当由空气压缩机提供的压缩空气的功率保持恒定不变时，则该机器就能够以一定的速度在匀质土壤中的行进。机器在直线行进时是不需要考虑转弯的曲率半径的，但是在曲线行进时却不得不考虑穿孔机行进的曲率半径，这是因为机器以曲线行进时锥形钻头和后面的机器本体之间会存在一定的夹角。由前文所讲述的内容可知，锥形钻头均质杆和冲击机构均质杆夹角可以用a来表示，在这里我们设均质杆1穿孔机的锥形钻头长度为，均质杆2转向机构和冲击机构成度为，转向机构中的摆动气缸可以带动锥形钻头做旋转运动，曲率半径为，分析简图如图3.3所示。图3.3 穿孔机结构示意图通过所学的机械运动理论知识，我们可以知道：若物体是一个均质杆，那么它的质心和速度瞬心就是重合的，也就是都位于均质杆的形心处。因此，均质体的质心和速度瞬心的投影都位于Z轴上，设其与Z轴的交点为k。则线段ok=l，也就是整个机器在土壤中的转弯半径，可得： l=l2cosa+l1sina （3.14）可以设穿孔机的，锥形钻头的长度，且当锥形钻头与机器转向机构的偏转角度为12时，那么该穿孔机的转弯曲率半径就是：l=l2cosa+l1sina=1360cos123.14180+130sin(123.14180)=5762mm （3.15） 若当锥形钻头与转向机构的偏转角度是7时，穿孔机的转弯曲率半径就为：l=l2cosa+l1sina=1360cos73.14180+130sin(73.14180)=9756mm （3.16）3.4气动冲击头挤压效应机理分析（1）冲击头工作过程及结构简介 当穿孔机进行地下钻孔作业时，冲击活塞将会在高压气体的作用下，将会做冲击工作头的往复运动，会带动锥形钻头冲击土壤，然而土壤会在冲击力的作用下发生弹塑性的变形，进而会带动整个机器不断挤压土壤而向前钻进，在穿孔机钻进形成原始孔道后，再将管道拖入，这样管道的铺设工作即可完成。随着穿孔机钻进技术的不断进步，冲击头的结构形式也发生了一些变化，从仅能够做直线运动的简单的楔状结构转变成能够实现按预定轨迹进行曲线运动的双稳头结构。事实上双稳头结构也就是人们通常所说的椎体结构，然而作为穿孔机主体的转动支撑的是后面作为内嵌结构的圆柱体，并且双稳头钻头的两侧分别装有大、小两个叶片，可用于扩大孔的直径，二者沿着椎体的轴线进行布置。双稳头结构能够保证穿孔机作直线运动和曲线运动两个稳定运动状态，其结构简图如下图所示：图3.4（2）冲击头挤压效应机理分析穿孔机的冲击头在进行钻孔作业时，机器在冲击头的作用下会产生大的冲击力，在钻进方向上的土壤将会受到剪切挤压破坏，这一部分土壤由于受到剪切挤压破坏而发生塑性变形，这将会逐渐地从中间向两边进行挤压，因此这部分受到挤压力作用的土壤会被压实而形成管状的状态。在这一钻进过程中，由于土壤产生了较大的塑性变形，因此土壤的径向应力就相应增大了，即比原来增大许多，即是说可应用弹塑性理论来进行相关计算，穿孔机在进行挤压作业过程中，冲击头前端土壤的径向应力发生了变化。在应用弹塑性理论来计算应力时，为了便于进行研究，我们做出如下假设：1）钻进作业中的土壤是各向同性的均匀的理想弹塑性材料；2）饱和软土是不可以继续进行压缩的；3）土壤符合一般准则，即摩尔一库仑强度准则；4）土壤的孔在扩张前土壤各面的有效应力均等。图3.5图3.6气动穿孔机在进行地下钻孔施工时，先进入土壤的是机器的头部，然后冲击机构的冲击，这样连续地对土壤进行冲击便会在被视为无限的土壤中钻出一个半径为R的孔道，因此，经过这种作用便会在孔道的四周形成一个应力变形区，也就是我们通常所说的应力影响区，其简图可用图2来进行表示。扩张应力用Pu进行表示，对于塑性区边界的径向位移可用Up来进行表示，塑性区的半径则用Rt表示，扩张半径也就是轨迹可控气动穿孔机的半径则可以用R来表示。因为为了研究的进行，所以需要在塑性区建立起应力平衡方程式，因此，我们需要在离孔扩张中心线的距离为处取一个单元体，该单体可用图3进行表示，但是又因为是将该孔道看作是无限长孔的扩张，所以主应力包括竖向应力、切向应力以及径向应力r这三个应力。这样，由图3所示径向应力的平衡条件可以得：（r+drd）（+d）ddz-ddz-dddz=0 （1）如果忽略掉高阶的微分部分，则能够得出以下应力平衡方程式： drd+-=0 （2）然而又因为在塑性变形区域必须满足摩尔一库伦破坏理论，则得到： r- 2=+2sin+cucos 其中，cu为土的不排水的抗剪强度，又因为饱和粘性土在不排水条件下土壤的内摩擦角=0，故上式可以变为： r-=2cu （3）由（2），（3）两式可得： dr=-2cud （4）考虑微分方程的解得（其中c为常数）： r=2culn+c （5）由弹性力学知识可知，在弹性区内，可以用b表示外半径，而内压用q来进行表示，从而这两个应力分量分别表示为： =qRt2b2-Rt2（1-b22） =qRt2b2-Rt2（1+b22）本节中所讲到的弹性区外半径b可以看作是处于无限大的，所以对上述两式取极限可以得到： r=-q（Rt)2 =q（Rt）2 （6）但是当在=Rt弹性区边界处时，上述的两式也会满足摩尔一库伦定律，与此同时，考虑到在弹塑性边界塑性区弹性区径向应力与径向应力是大小相等而方向是相反的，即可以得到： c=cu+2culnRt （7）把得到的（7）式带入（5）式可得在塑性区域内的任意一点的径向应力为： r cu =2ln（Rt）+1 （8）为了把塑性半径求出来，考虑到在塑性区边界上的位移，则有： up=1+ERtcu （9）式中的E代表了土的弹性模量，而则代表了土的泊松比。又因为假定塑性区的土是不可压缩的，从而能够得到：R2=Rt2-(Rt-up)2 （10）把所得到的（9）式带入（10）式中，并且略去高阶微量可得： RtR=E2(1+)cu （11）在公式（8）中，若令=R，并且将式（11）带入即可得出孔道的扩张应力Pu，用公式可以表示为： Pucu=ln(E2(1+)cu)+1 （12）4 气动穿孔机本体设计气动穿孔机最主要由转向机构，冲击机构这两部分构成。其结构简图如下图：图4.1 气动穿孔机本体结构简图4.1 穿孔机本体结构参数本体结构主要由冲击机构、转向机构、测试机构和锥形钻头等部分构成。其中，转向机构的作用是带动锥形钻头根据钻孔要求进行转向，主要包括摆动气缸，旋转马达等部分。利用空气压缩机作为动力的冲击机构，由气缸，活塞，配气杆芯，通孔，端盖等部分组成。现以外径为87mm的气动穿孔机为例来说明其主要的技术参数，则：（1） 规格87mmX1486mm（直径X长度）；质量约为15kg；（2） 供气压力：0.60.8MPa；（3） 冲击能：3755J；（4） 冲击频率325440次/min；（5） 前进速度0.41.5m/min；（6） 冲击气缸供气管的规格为26mm；转向机构的供气管规格为8mm.4.2 锥形钻头的设计选型气动冲击矛的种类有很多种，主要可以分为阶梯式冲击矛、螺纹式冲击矛和尖锥式冲击矛。螺纹式冲击矛的优点是具有很强的穿透能力，拥有很大的进给力，缺点是由于需要用到特殊的螺纹结构，如果钻孔时遇到的土质较硬，将会使轨迹发生偏移，会导致钻孔精度较低，将会与预定轨迹产生偏离；阶梯式冲击矛的优点是它的韧性很强，能够有效地将行进轨迹中遇到的岩石破碎，但是因为特殊的阶梯结构，所以并不适用于湿的土层，而且在推进力不大时会出现钻不动的状况，因此只有当推进力较大时用此种冲击矛进行破碎作业效果才比较可观。尖锥式冲击矛的钻头是尖锥型，容易钻出比较光滑的孔壁，并且容易控制钻孔轨迹，而且尖锥式冲击矛的尖锥形钻头便于在土中进行钻进作业，不容易发生偏移。本次设计的穿孔机以压缩空气作为动力源，虽然气压冲击会产生比较大的噪声，但是考虑到是在地下进行施工作业，因此动力源可以选用冲击力大的气压方式，假设钻孔时土层中不会遇到坚硬的岩石，综合分析上述三种冲击矛的优点与缺点，本次设计的气动穿孔机的钻头可以选用尖锥式，即选用了尖锥式冲击矛。然而锥形钻头的型号也分为很多种，大体上可以分为：对成型锥形钻头和非对称型锥形钻头两种，对称型锥形钻头受力比较均匀，径向力在钻孔作业时受力均匀，比较适合用于直线钻进的情况。非对称型锥形钻头则因为不对称的自身结构，会在钻孔作业过程中节约冲击力，从而能够降低冲击力的损耗。4.3 气动转向机构4.3.1气动转向机构的本体结构气动穿孔机的转向机构主要由锥形钻头，端盖，摆动座，拉杆，气缸连接销，气缸固定座，马达连接轴，旋转马达等部分构成。图4.2 气动穿孔机转向机构简图4.3.2 气动转向机构的工作原理气动穿孔机的转向机构驱动锥形钻头运动，锥形钻头会形成两种基本的运动，分别是锥形钻头的转动及锥形钻头的摆动。气动转向机构主要由摆动气缸、摆动杆、传递芯、气缸固定座、马达连接轴、机构外壳体和旋转马达等组件构成。马达和摆动气缸通过轴座相连，摆动气缸和锥形钻头通过连杆相连接，马达旋转带动摆动气缸，通过摆动气缸的作用进而带动锥形钻头旋转，锥形钻头头部的摆动则是通过连杆机构的推动。由于气动穿孔机的锥形钻头在地下施工时，其头部的摆动需要相应的空间，因此当锥形钻头头部需要转动或者摆动时，需要先将机器往回拉一定距离，这样才能够留出动作所需的足够的动作空间。4.4 气动冲击结构4.4.1 气动冲击机构的构成气动冲击机构是该机器的动力源，由于其要为整个机器提供足够大的钻孔推进力，所以该机构足够的刚度要保证，气密性也要得到保证。气动穿孔机的冲击机构主要由活塞、冲击气缸、进气管道、气缸盖以及进气管接头等部件组成。此外，缸体需要由支撑环和活塞环来支撑，这样的结构才能确保其气密性。 冲击活塞上的通孔将冲击机构的前后空气腔相连接。该通孔的作用主要是进行气压的调节，但单个通孔并不能达到既定的任务目标。因此，仍然需要配气杆芯和通孔相互配合，由于通孔是在活塞上，因此活塞的初始位置可以通过调节活塞来调节。也就是说活塞的运动可以通过调节通孔的初始位置来控制，其实也就是控制整个活塞的位置。气缸、活塞、支承环、活塞环是由不同材料制成的。起密封作用的零部件用橡胶制做，动力部分和冲击部分是由合金材料制成的，因为其要受到较大的力的作用。支撑环的作用是支撑活塞。由于活塞是悬浮在气缸中的，所以能够防止因来回摩擦造成的机械损坏或空气泄漏。活塞环可在挤压条件下形成封闭通道。空气压缩机为气动穿孔机提供工作所需的动力，空气压缩机的输出的空气压力0.70.9MPa，实际上也就是工作压力。气动冲击机构有很多优点，而气动冲击机构的结构相对简单是其最突出的优点，而且后座力也小于其他动力机构，但是质量却不大，因此可以降低整机的重量。该机器的气动冲击机构的示意图如图4.2所示。图4.3 气动穿孔机的机构简图4.4.2 气动冲击机构的工作原理活塞冲击过程 根据前后气腔气压的大小和活塞的运动状况，可以将活塞的冲击过程划分为匀加速运动、变加速运动和减速撞击运动这三个运动阶段。（1） 匀加速运动过程（位移为的过程）。在位移内，具有一定压力的压缩气体能够直接通过进气孔道以进入活塞后气腔中，又因为后气腔中的气体是具有一定压力的，所以后气腔中的压缩空气的力将会对活塞产生推动作用，然而此时前气腔中的气体的压力与空气气压相同，即气体压力为常压，因此前后气腔的气压压力差会使活塞在冲击机构内做加速前进运动。（2） 变加速运动过程（位移为的过程）。当活塞做向前的匀加速运动一段位移后，活塞上的通孔一直处于被堵住的状态。此时，前气腔中的气体不能与外界进行气体交换，因此前气腔中的气体压力将随着活塞的不断向前运动不断增加，在短时间内将气体进行绝热压缩，由于气体压力的不断增加，不断增加压力的气体将会对活塞运动产生阻力作用，所以，这将会不断地减小活塞的加速度，直至加速度减小为零。（3） 减速撞击运动过程（位移为的过程）。随着活塞继续向前运动一段距离，将会使活塞上的通孔与后气腔联通时，此时，前气腔中的压缩气体的压力作为工作气体的压力，然而后气腔中的气体由于与空气相通过，压力就与压缩空气的压力相同。又因为冲击气缸前气腔的直径D大于活塞后气腔的直径d，根据力学相关知识，当前后气腔的气体压力一样而接触面积不相等时，则活塞受到的前后腔的推力是不相等的，因此活塞将会在前后气腔压力差的作用下进行减速运动，当活塞与活塞前面的端盖产生碰撞时意味着冲程运动过程结束。活塞回程过程 活塞回程运动过程能够看作与活塞冲程运动过程相反的过程，即分别为反向匀加速运动，反向变加速度运动以及冲击气缸盖后的减速运动。（1） 反向匀加速运动过程（位移为的过程）。当冲程运动阶段完成后，即活塞碰撞到前端盖后，活塞就会进行反向运动。同理，由于气缸的前气腔直径D大于活塞后气腔直径d，根据力学相关知识可以知道，气缸前后气腔气体的作用力大小是不同的，前气腔气体的作用力大于气缸后气腔气体的作用力，即是存在压力差，因此活塞会向作用力小的方向运动。（2） 反向变加速运动过程（位移为的过程）。活塞继续向后端盖方向移动，此时通孔随着活塞一同向后方移动，当运动了一段位移后，将会把活塞上的通孔堵死，此时，活塞中前气腔中的气体处于密封状态。此时前气腔跟后气腔中的气体压力一样，都约为0.70.9MPa，前后气腔中气体压力虽然是一样的，但是由于前气腔中的气体是绝热压缩过程，气体会绝热膨胀，然而后气腔中的气体则是正常的工作压力气体，并不是绝热膨胀的气体，所以做的是负功，通过比较正功与负功绝对值的大小，可以判断出活塞向后端盖方向不断移动，在移动的过程中，虽然活塞的加速度不断降低，但是速度却在逐渐增加，因此是变加速运动过程。（3） 减速回撞运动过程（位移为的过程）。随着活塞不断向后端盖方向移动，通孔也会伴随着活塞一同移动，当活塞通气孔被堵住时，此时，后气腔中的气体又被密封，且气体压力就是工作气体的压力，即约为0.70.9MPa。前气腔中的气体通过气体通道直接与外界气体相联通，此时的压力是大气压力的压力差，活塞会不断地进行缓慢的运动，直到它碰撞到了活塞盖的后端。因此，当不断地通入有一定气压的压缩气体时，活塞就会连续不断地做着前后往复运动，事实上这个往复运动就是活塞的冲程运动和活塞的回程运动。5 气动穿孔机的控制系统设计通过计算机控制系统来控制气动穿孔机，能够使其单独完成整个流程的运行，这样就能够保障实现穿孔机的人为操作和控制。所以，进一步改善了它的可靠程度和实用程度。 我们通常理解的上位机，即所谓的PC工控机，实质上是一种能够显示穿孔机运行状态的控制辅助系统。可以通过这一系统，成功地实现人机交互界面，而且能够完成穿孔机对施工路径的规划、环境和设置任务初始值的输入等功能。它处于地面上，能够增加整个机器的协调感。然而所谓的下位机其实就是控制器，在穿孔机的控制及其结构的设计方面，指导思想一直是真实可靠、小体积、轻重量，主要由测试穿孔机锥形钻头角度的编码器电路、直流电源模块、一个接近传感器的机器以及数字罗盘测量控制电路板及其内部的一个重要组成部分构成。只有通过控制系统的控制，穿孔机才能按照施工要求的预定轨迹按时按量完成穿孔作业。穿孔机之所以能够按照预定的轨迹实现穿孔作业，是因为能够通过数字罗盘传感器接收到的实时反馈信号。穿孔机运行过程中的反馈信号是通过上位机获得，然而也需要严格控制穿孔机穿孔作业的实时姿态和转向机构，当然要实现这种控制需要由下位机来实现。5.1 电磁阀输出驱动电路设计在穿孔机控制系统控制的影响机制的整平作用下，两个双向电磁阀将会发挥作用。这种控制系统的使用范围很广，它的控制效果也得到了极大地认可。它作为一种可靠的控制元件，其特点是以可控硅来输出。因为晶闸管的控制由微弱电流实现，这是其特有的输出特性，因此，当遇到较大的电流值时，只需要较少的功率就能够实现控制作用。此外，晶体管电路是用它来实现触发的，触发信号通过光耦隔离，然后加入晶闸管上。各个领域也在广泛地使用晶体管。我们知道光电耦合器的工作需要一个接收光源的装置，而本次设计的监测机构所采用的光源接收装置是选择光电晶体管。触发信号在还没有加入之前时，该装置处于断开状态的是光电耦合器中的发光二极管和光电晶体管。与此同时，输入一个低电平给另一个电磁铁的驱动电路中的光耦的3脚，光耦在这时候并不会导电，晶闸管会处在关闭的状态下，电磁不能够得到电。单片机输出低电平时是在P1.0的状态，但是却会在P1.1时输出高电平，从而将实现气缸中的活塞的运动。5.2 HMR3300数字罗盘的原理及其数据采集5.2.1 HMR3300数字罗盘的原理为了能够有效地测量运动中的物体的倾斜、航向和横滚这三个参数，因此霍尼韦尔国际公司开发出了一个固态数字罗盘。此装置可以用来检测机器人的实时姿态。霍尼韦尔国际公司开发的这个固态数字罗盘主要组成部分包括：三个加速度计和三个磁场计。5.2.2 数字罗盘的数据采集在HMR3300数字罗盘串行数据的形式中，通常我们会选择输出时其串行数据形式为有4根外部接线的方式，要用这四根外接线中的一根与电源+12V上的接口相联接，电源地的三根线再选用两根线来接，最后一根则用来与PC机的串口相连。数字罗盘的数据采集状况介绍如下：（1）我们在编写程序的时候，PC机接收到的缓冲区中的数据会事先被读入，可以通过使用MSComm控件来对HMR3300数字罗盘测得的数据进行检测。我们进行串口访问时一般采用计算机或者单片机这两种形式。此外，MSComm能够很好地管理计算机串口的通信。是因为运用了支持应用程序对串行接口进行访问的VC+6.0提供的ActiveX控件MSComm的存在，所以串行通信功能得到了更好地发挥。它利用的控件也非常简单，只需要将你所需要的属性设置好，其次再调试好输出特性，最后发送需要接收的数据时，此装置就会自动做出相应处理。（2） 在接收缓冲区的时候，PC机很可能会得到许多种数据，我们只需要在当前姿态接收到的有效数据中选择一组合适的数据即可。（3） 在进行第二次操作之后，就能够又得到一组有效数据，这些数据分别代表实际测量航向、俯仰角，但是需要注意的是：根据逗号和空间特征能够将其分为三串代表。（4） 在很多种控件中要选择曲线控件来进行，因为用此种控件能够实时地显示出三个浮点型数据，同时也需要将其显示在控制系统界面上，其目的主要是为了更好地监控机器人的位置与姿态。在实行一系列地操作后，为了便于对数据进行分析以及便于对系统进行改进，因此需要将之前所采集到的数据储存在指定的文件中。6设计总结设计用于地下非发展管道铺设工作的气动穿孔机是现代社会发展的必由之路。用于非开挖的气动穿孔机能够在不破坏地面的情况下，一样可以完成各种复杂的运动及角度的地下钻孔施工。因此交通不会受到影响，也不会产生对环境的污染，对施工地附近居民正常的生活带来的影响较小。最后