毕业设计（论文）-中央空调管道清洁机器人的设计

25 衢州学院衢州学院 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题题 目：目：中央空调管道清洁机器人的设计中央空调管道清洁机器人的设计 作作 者：者： 董董 海海 系系 （部）：（部）： 机械工程学院机械工程学院 专业班级：专业班级： 机械设计与制造机械设计与制造 08 级（级（2）班）班 指导教师：指导教师： 田田 敬敬 职职 称：称： 讲讲 师师 二零一一年一月十八日二零一一年一月十八日 I 中央空调管道清洁机器人的设计中央空调管道清洁机器人的设计 摘摘 要要 随着经济发展，人们的身心健康越来越受到重视。而污染的中央空调 日益成为危及人们身心的祸害根源。因此，中央空调尤其是中央空调管道 的检测与清洗越来越受到社会的重视。 本文首先阐述了中央空调管道清洗的背景与现状，结合国内外中央空 调清洁机器人的发展，阐明了本课题的研究背景和意义，简述了本文的组 织形式和研究内容。然后重点介绍了中央空调清洁机器人行走机构、清扫 机构和监视控制系统三大结构的设计与实现过程。同时，针对中央空调清 洁机器人清扫中央空调管道时存在的难点，本文深入探讨了机器人转弯与 安全行走的原理。 最后，本文对主要工作和研究内容进行了总结，并对今后的研究方向 做出了展望。 关键字关键字： 中央空调，机器人，旋转刷，电动机 I 目目 录录 中央空调管道清洁机器人的设计中央空调管道清洁机器人的设计I 摘摘 要要I 第一章第一章前前 言言1 1.1 课题的背景与意义 1 1.2 机器人的发展现状及趋势 1 1.2.1 国内领先水平的管道清洁机器人 2 1.2.2 中央空调管道清洁机器人发展趋势 3 1.3 本课题的设计任务 3 第二章第二章 中央空调管道机器人系统设计中央空调管道机器人系统设计5 2.1 工作原理及组成 5 2.2 机器人设计原则 6 2.3 整体方案选择 7 第三章第三章 行走机构设计行走机构设计9 3.1 机器人驱动机构 9 3.1.1 电机的选择 9 3.1.2 传动齿轮的设计 10 3.1.3 传动轴的设计 15 3.2 导向轮系统 18 3.2.1 导向轮系统原理 18 3.2.2 电机的选取 18 3.2.3 传动带的选择 19 3.2.4 导向轮的设计 21 第四章第四章 清扫机构清扫机构- 24 - 4.1 清扫方案确定 - 24 - II 4.2 旋转刷系统主要构件 - 25 - 4.3 构件的选择 - 25 - 4.3.1 气动马达的选择 - 25 - 4.3.2 旋转刷的设计 - 27 - 第五章第五章 监视控制系统监视控制系统- 28 - 5.1 摄像头的选择 - 28 - 5.2 摄像头的固定和调整 - 28 - 5.3 监视器 - 29 - 5.4 照明装置 - 29 - 5.5 灰尘收集装置 - 30 - 第六章第六章 结束语结束语- 31 - 参参 考考 文文 献献- 33 - 谢谢 辞辞- 34 - 机械工程学院毕业设计（论文） 1 第一章第一章 前前 言言 1.11.1 课题的背景与意义课题的背景与意义 在室内空气污染来源中,中央空调的污染物与日俱增。 2003 年 8 月份中国标准化研究院及卫生部共同起草了 GB19210-2003空调通风系统 清洗规模和卫生部 2003公共场所集中空调通风系统卫生规模 ，卫生部还于 2005 年提出了公共场所集中空调通风系统卫生管理办法 。 目前全国共有上百万台中央空调亟待清洗保养,空调清洗行业正在悄悄兴起。而国 内市场上尚无管道清洁机器人产品,本文设计的中央空调管道清洁机器人系统结构简单， 自动化程度高,适用范围广，成本较低,对促进我国中央空调管道清洗行业的发展、改善 室内空气质量、提高生活和健康水平等具有积极的意义。 1.21.2 机器人的发展现状及趋势机器人的发展现状及趋势 工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广， 作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越 来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大 型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，世 界机器人市场前景看好，从 20 世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的 良好势头。进入 20 世纪 90 年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在 10左 右。2004 年增长率达到创记录的 20。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达 43% 机械工程学院毕业设计（论文） 2 1.2.1 国内领先水平的管道清洁机器人 图 1-1 中央空调管道清洁机器人 技术参数 规格：380260180mm(长.宽.高) 重量：11.5kg 工作电压：36v 行走速度：800mm/min9800mm/min 无极变速 爬坡能力：不小于 40 度 越障碍能力：不小于 45mm 垃圾铲负重：2kg 照明：高亮度 LED 立体清扫能力：长摆臂水平摆动有效宽度达 1250mm，垂直摆动有效高度为 1000mm，短 摆臂水平摆动有效宽度达 800mm，垂直摆动有效高度为 800mm 特点： 采用双滚刷结构在摆臂与风管侧壁形成夹角时，保证将管道角部彻底清洗干净（采 用与管道垂直相切角度旋转毛刷的机构是不可能将角部清洗干净的） 。摆臂可以实现水 平和垂直摆动分别控制（速度为较适宜的往返 10 次/每分钟） ，可同步运动，亦可停在 摆臂行程当中的任意位置，以适应矩形风管和圆形风管的不同操作要求，实现真正的立 体清扫。 机械工程学院毕业设计（论文） 3 由软轴机提供的强大动力（550 瓦）既保证了毛刷大扭矩、高转速的工作要求，毛 刷旋转方向亦可随时调整（清扫管道底面时毛刷可将较大的颗粒粉尘抽扫到前方， 提高了清洗洁净度） 。 摄像机云台置于车体后部，广角镜头可全视角观察到一米处毛刷在最大摆动位置的 工作状态（视角 1.5 米） ，同时履带行走机构也始终在视线内，方便确定机器人工 作位置，清扫过程一览无余。 滚刷尺寸直径较大，厚度较小，只要车体能通过就能进行清洗工作，不会发生毛刷 与风管由于尺寸原因卡住的情况，清洗高度在 250mm 至 600mm 的管道时摆臂只需水 平摆动即可，一次行走就可完成方形或矩形管道的高效清洗。 为防止清洗较窄管道发生水平摆动行程不能到位有可能造成齿轮传动机构发生过载 而损坏，特殊设计了摆臂角度自适应机构。 一机多能，清扫机器人前端装配上垃圾清运铲，可以清理管道内的块状物体，装配 上标准软轴毛刷可方便地清扫圆形管道，装配上气鞭可以方便地对格栅式消声孔板 进行清洗，装配上气溶胶喷雾装置即可完成大截面管道全部空间的消毒工作。 1.2.2 中央空调管道清洁机器人发展趋势 国内有超过 500 万个各类中央空调需要清洗保养，而且每年正在以 10%的速度递增， 这些中央空调大部分运行了 20 年以上却从未清洗。随着我国经济的发展，人们对室内 空气质量所带来的危害越来越重视，尤其是 2003 年“非典”疫情的传播，已使人们对 中央空调带来的疾病隐患有了相当深刻的认识。为了保障公众健康，2006 年 3 月 1 日， 卫生部制定并实施了公共场所集中空调通风系统卫生管理办法 ，中央空调的卫生问 题得到了前所未有的关注，对空调管道进行定期清洗势在必行。 因此，中央空调清洗行业将成为中国一个新兴的有着巨大潜力的发展行业，对中央 空调清洁机器人的研究与开发更是具有一定的社会价值和商业价值。 1.31.3 本课题的设计任务本课题的设计任务 本次设计的任务是设计一个中央空调管道清洁机器人，要求机器人可以在管道内实 现前进、后退、按一定曲率半径回转及原地转向等动作，能高效地完成管道内的清污工 作。具体设计内容为： 机械工程学院毕业设计（论文） 4 （1）了解中央空调管道清洁机器人的基本构成及工作原理，熟悉其设计、生产的 基本知识。 （2）进行管道清洁机器人的总体方案设计及其零部件设计。 （3）设计原始参数： 1）机器人可以在管道内实现前进、后退、按一定的曲率半径回转及原地转向等动 作。 2）机器人的尺寸大小： 高度范围：170400mm 长度范围：310780mm 宽度范围：300800mm 3）机器人的运动速度为 412m/min 4）可以实现局部最大爬坡能力 5）管内越障 2mm 6）最大行程 150m 机械工程学院毕业设计（论文） 5 第二章第二章 中央空调管道机器人系统设计中央空调管道机器人系统设计 2.12.1 工作原理及组成工作原理及组成 本次设计的机器人（如图2-1）用于污染的中央空调管道的清洁，整体结构主要由 行 图2-1中央空调管道清洁机器人 走机构、清扫机构和监视控制系统三部分组成，行走机构又分为驱动机构、导向轮系统 两部分。驱动机构（如图2-2）所示，驱动方式为单电机驱动机器人前轴。在清扫之前， 通过调整支撑臂上的螺钉来调节两个导向轮（如图2-3）的横向距离，保证机器人处于 管道中央时导向轮两端距管道壁各有约20mm。清扫工程中，两导向轮分别以大小相同， 方向相反的速度旋转（其中左导向轮逆时针旋转，右导向轮顺时针旋转） ，其旋转速度 比机器人前进速度略大。如左边的导向轮碰到管道的左壁，则导向轮的切向摩擦力F向 机器人中心偏移，简化成牵引力F，及顺时针的扭矩M，迫使机器人右转。其左转的原理 相同。清洁工作主要由旋转刷系统完成，旋转刷装置是机器人清扫系统的核心工作部件 机械工程学院毕业设计（论文） 6 之一，旋转刷由气动马达驱动,与气动马达相连的刷杆采用伸缩式结构,可以进行长度调 节;旋转刷头可拆卸并且有不同的材料和尺寸系列,整个装置可以进行俯仰调整,从而保 证在管道都能彻底清扫到管道的边角和顶部。在清扫过程中,利用气动马达吹出的高压 空气将扫落的灰尘吹向前方,便于抽风机抽出。设计的旋转刷头有四种材料系列:尼龙刷、 钢刷、不锈钢刷和铜刷。尼龙刷适用于所有材质的管道,不会对管道壁造成损伤;钢刷适 用于各种钢管;不锈钢刷适用于钛合金管道和铜镍合金管道;铜刷适用于材质为有色金属 的管道。清洁过程中，通过监视系统可以方便的对清扫情况进行实时监控，当出现清扫 效果不理想时可以操纵机器人后退再清扫一次。此外通过记录清扫过程，也可避免一些 经济问题。 目前全国共有上百万台中央空调亟待清洗保养,空调清洗行业正在悄悄兴起。而国 内市场上尚无管道清洁机器人产品,本文设计的中央空调管道清洁机器人系统结构简单, 自动化程度高,适用范围广,成本较低,对促进我国中央空调管道清洗行业的发展、改善 室内空气质量、提高生活和健康水平等具有积极的意义。 2.22.2 机器人设计原则机器人设计原则 （最小运动惯量原则）：由于机器人运动部件多，运动状态经常改变，必然产生冲 击和振动，采用最小运动惯量原则，可增加机器人运动平稳性，提高机器人动力学特性。 为此，在设计时应注意在满足强度和刚度的前提下，尽量减小运动部件的质量，并注意 运动部件对转轴的质心装配。 （尺度规划优化原则） ：当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺度优化以 选定最小的臂杆尺寸，这将有利于机器人刚度的提高，使运动惯量进一步降低。 （高强度材料选用原则）：由于操作机从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载 起作用的，选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的。 （刚度设计的原则）：机器人设计中，刚度是比强度更重要的问题，要使刚度最大， 必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸，提高支承刚度和接触刚度，合理地安排作用在臂 杆上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形。 （可靠性原则）：机器人因机构复杂、环节较多，可靠性问题显得尤为重要。一般 来说，元器件的可靠性应高于部件的可靠性，而部件的可靠性应高于整机的可靠性。可 以通过概率设计方法设计出可靠度满足要求的零件或结构，也可以通过系统可靠性综合 机械工程学院毕业设计（论文） 7 方法评定机器人系统的可靠性。 （工艺性原则）：机器人是一种高精度、高集成度的自动机械系统，良好的加工和 装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。仅有合理的结构设计而无良好的工艺性， 必然导致机器人性能的降低和成本的提高。 2.32.3 整体方案选择整体方案选择 本次设计的主要难题是机器人的前进后退及转向控制，为此两个比较成熟的方案： 方案一：双电机各驱动机器人两个前轮，工作人员通过摄像头观察机器人在管道中 的运行情况，适时调整两电机的速度，对机器人进项转向控制。 方案二：单电机驱动机器人的前轴，在机器人前方左右两端各安装一个导向轮系统， 两个导向轮的角度可调。清扫管道之前，调整两个导向轮之间的横向距离比管道宽度略 窄，以大小相同方向相反的转速与机器人驱动轮同时启停，导向轮转动线速度比驱动轮 线速度略大，当某一导向轮碰到管壁时，导向轮的切向力和电机的牵引力的合力会迫使 机器人转向，从而保证机器人始终运行在管道的中央并能完成自动转向。 相比较而言，方案一结构简单，控制灵活，但两电机的速度差的控制不好把握，两 电机启动的同步度不好控制，而且对工作人员的技术要求较高，工作人员的劳动强度较 大，机器人的自动化程度较低；方案二采用导向轮系统，在机械结构设计上是个创新， 提高了机器人的智能化，大大减轻了工作人员的工作量，只是结构设计及传动系统稍微 复杂一些。 综合考虑这两个方案的优缺点，我决定采用方案二。 另外本次设计采用轮式机构传输，轮外部采用橡胶制履带，工业橡胶与管道的摩擦 系数为 0.8，是普通塑料轮子与钢管摩擦系数的 5.8 倍，是铝合金轮子与钢管摩擦系数 的 4.7 倍。 机械工程学院毕业设计（论文） 8 图 2-2 驱动机构示意图 图 2-3 导向轮结构图 机械工程学院毕业设计（论文） 9 第三章第三章 行走机构设计行走机构设计 3.13.1 机器人驱动机构机器人驱动机构 驱动机构（如图 2-2）所示，根据任务书的要求机器人在管道中的前进速度为 4 12m/min，即速度在 0.0670.2m/s 之间。根据设计要求初步估计机器人小车的尺寸： 长 宽 高=200300300 3.1.1 电机的选择 （1）根据外形尺寸，估计机器人的总质量 M M=箱体质量+履带机构质量+机器人驱动机构质量+旋转刷系统质量+导向轮机构质量 +传输线质量+摄像头系统质量。大体估计总重为 15kg。 （2）计算驱动机器人所需要的牵引力 F F=履带轮摩擦力+旋转刷摩擦力，据估计牵引力大小在 125N 左右 （3）电机的选取 小型减速电机具有结构紧凑、体积小、输出转速低、输出扭矩大等优点，比较符合 该机器人的设计准则，因此优先选用。 初选减速交流电机，型号：70YN15-2 的减速单相电容可逆电动机，生产厂家江苏 无锡红湖电机有限公司。电动机的性能参数如下： 输出功率：P=20W；电压：U=220V；频率：f=50HZ； 电流：I=0.35A；输出转速：20r/min；允许负载：F=5Nm 外形尺寸如（图 3-1）： 机械工程学院毕业设计（论文） 10 70X70 ?59 12233 3 15 图 3-1 驱动电机的外形尺寸 3.1.2 传动齿轮的设计 方案设计如下： 初选车轮直径 d=110mm，由车的前进速度 0.1m/s 得第二级齿轮转速： 2 /()0.29 /NVdr s 则传动比： u= 1 2 20 1.15 0.29 60 N N （1）选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1）由选定的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动 2）管道清洁机器人速度和扭矩不大，故选用 7 级精度（GB-10095-88） 3）材料选择：由参考书1表 10-1 选择大小齿轮皆为 40Cr 调制淬火硬度为 241- 256HBS 或 48-55HRC 选用小齿轮数和大齿轮数 1 Z 2 Z （3.1） 21 ZuZ 1 24Z 2 1.15 2427.6Z 机械工程学院毕业设计（论文） 11 取 2 28Z （2）按齿面接触强度设计 由参考书1设计计算公式（10-9a）进行试算，即 （3.2） 3 1 1 )( 1 32 . 2 H E d t t Z u uTK d 式中：.小齿轮分度圆直径； 1t d .载荷系数； t K .小齿轮传递的转矩； 1 T .齿宽系数； d .传动比；u 弹性影响系数； E Z 接触疲劳许用应力。 H 1)确定公式内的各计算数值 试选载荷系数1.3 t K 计算小齿轮传递转矩 54 111 95.5 10/1.91 10TP nN mmA 由参考书1表 10-7 选取齿宽系数0.5 d 由参考书1表 10-6 查德材料的弹性影响系数 2 1 8 .189 MPaZE 由参考书1图 10-21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮 1 limH 的接触疲劳强度极限。其中：=1090MPa，=1090MPa。 2 limH 1 limH 2 limH 由参考书1式 10-13 计算应力循环次数， 1 11 60 h n jL Nn 21/ NNu ，。 7 1 1.44 10N 7 2 1.25 10N 由参考书1图10-19查得接触疲劳寿命系数， 1 HN K 2 HN K =1.14，=1.14 1 HN K 2 HN K 计算接触疲劳许用应力 机械工程学院毕业设计（论文） 12 取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由参考书1式（10-12）得 11 lim 1 ()/ HHNH KS 1 (1.14 1090)/112.42.6 H MPa 22 lim 2 ()/ HHNH KS 2 (1.14 1090)/11242.6 H MPa 2）计算 计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值 1t d H =30 4 2 3 1 1.3 1.51 102.15189.8 2.32() 0.51.151242.6 t d 计算圆周速度 v 11/(60 1000) 3.14 30 20/(60 100)0.0314/ t vdnvm s 计算齿宽 b 已知 可得 1dt bd0.5 3015bmm 计算齿宽与齿高之比：已知模数，齿高/d h 11 /30/241.25 t mtdz 得：=15/2.8125=5.332.252.25 1.252.8125hmtmm/d h 计算载荷系数： 根据 v=0.314m/s，7 级精度，由参考书1图 10-8 查得动载系数1.0 V K 直齿轮，假设。由参考书1表 10-3 查得/100/ at K F bN mm1.1 HaFa KK 由参考书1表 10-2 查得使用系数1.0 A K 由参考书1表 10-4 查得 7 级精度，小齿轮相对支承非对称布置时： 223 1.120.18 (1 0.6)0.23 10 Hdd Kd 将数据代入后得： 1.244 H K 由参考书1图 10-13 查得则有载荷系数1.15 F K 1.3684 AVHH KK K KK 按实际载荷系数校正所得的分度圆直径由参考书1式（10-10a）得： =30 =30.517 1 3 11 (/) t ddK Vt 1 3 1.3684 () 1.3 机械工程学院毕业设计（论文） 13 计算模数 m 11 /30.517/241.272mdzmm (3)按齿根弯曲强度设计： 由参考书1式（10-5）得弯曲强度计算公式： （3.3） 1 3 2 2 () FaSa dF Y YKT m z 式中：m.代表齿轮模数 k.代表载荷系数 小齿轮传递的转矩 1 T 齿宽系数 d 1)确定公式内各计算数值 由参考书1图 10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 1 590 FE MPa 大齿轮弯曲疲劳强度极限 2 590 FE MPa 由参考书1图 10-18 查得弯曲疲劳寿命系数： 1 0.97 FN K 2 0.98 FN K 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由参考书1式 10-12 得 111 /0.97 590/1.4408.79 FFNFE KSMPa 222 /0.98 590/1.4413 FFNFE KSMPa 计算载荷系数 K 1.00 1.00 1.1 1.151.266 AVHH KK K KK 查得齿形系数 由参考书1表 10-5 查得： 1 2.50 Fa Y 2 2.62 Fa Y 查得应力校正系数 机械工程学院毕业设计（论文） 14 由参考书1表 10-5 查得： 1 1.55 Sa Y 2 1.59 Sa Y 计算大小齿轮的并加以比较 FaSa F Y Y 11 1 2.80 1.55/408.790.01062 FaSa F Y Y 22 2 2.72 1.57/424.30.01009 FaSa F YY 可知小齿轮的数值大。 2）设计计算 对此计算结果，由于齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于齿根弯曲疲劳强度的计 算模数的数值，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿 面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿面直径（即模数与齿数的乘积）有关，可 取由弯曲强度所算得的模数 1.213，可就近圆正为 1.3，按接触强度算得的分度圆直径 ，算出小齿轮齿数取 20，大齿轮齿数mmd517.30 1 34.20/ 11 mdZ 。25 2 . 242021 . 1 12 ZuZ 这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强 度，并做到了结构紧凑，避免浪费。 （4）计算几何尺寸 1）计算分度圆直径： mmmZd263 . 120 11 mmmZd 5 . 32 22 2）计算中心距 mmdda25.292/ )3426(2/ )( 21 3）计算齿轮宽度 15305 . 0 1 db d 取mmBmmb70,15 12 （5）演算： 机械工程学院毕业设计（论文） 15 NdTFt33.127330/1091 . 1 2/2 4 11 ，合适。mmNmmNbFK tA 10089.8415/33.12731/ 通过以上方案设计初选车轮直径 d=110mm，第二级齿轮转速 N =0.29r/s，传动比 2 u=1.15。 3.1.3 传动轴的设计 （1）求出输出轴上的功率 P 转速 n 和转矩 T 已知：传递功率， 转速 n=0.29r/s kwwP0194 . 0 4 . 1997 . 0 20 扭矩 T=9550000mmNnP 10648 7 . 10647 6029 . 0 0194 . 0 9550000/ （2）求作用在齿轮上的力 因已知低速级大齿轮的分度圆直径为 5 . 32253 . 1 22 Zmd t 圆周力NdTFt26.655 5 . 32 10648 2/2 2 径向力NFF ta 5 . 23820tan26.655tan （3）初步确定轴的最小直径： 先按参考书1 式（15.2）初步估算轴的最小直径选轴的材料,由参考书1表（15- 1）选 35SiMn 调质处理，毛坯直径此种材料的机械特性mm100800 b 570 s 硬度 299-286HBS。355 1 205 1 根据参考书1表（15-3）取 A100 0 则24 . 7 ) 4 . 17/0194 . 0 (100)/( 3 1 3 1 0min nTAd 又轴端安装车轮需用键槽应扩大 7%-8% 故）=7.83，圆正为 8mm。%81 (24 . 7 min d 轴的具体尺寸设计见（图 3-2） 。 机械工程学院毕业设计（论文） 16 图 3-2 齿轮轴 （4）按弯矩合成应力校核轴的强度 1）计算各力的大小 由估算的车的重量和阻力得 ,。NFF NHNH 5 . 43 21 NFF NVNV 5 . 27 21 NFF NVNV 89 . 4 43 由力矩平衡得 ，NFt 2 . 139NFF tr 23.4520tan 2）画弯矩,扭矩图（如图 3-3）所示。 3）校核轴的强度 已知轴的弯矩和扭矩后，可针对某些危险截面做弯矩合成强度校核计算。按第三强 度理论计算应力，其公式为。 22 4 ca 通常由弯矩所产生的弯曲应力是对称循环变应力，而由扭矩所产生的扭转切应力 则常不是对称循环便应力。为了考虑两者循环特性不同的影响，引入折合系数，则 计算应力为 （式中） 22 )(4 ca 1 机械工程学院毕业设计（论文） 17 PNH1 PNV1 PNV2 PNV4 PNV3 PNH4 PNH3 PNH2 Fr Ft 1435.5N.mm 1608.41N.mm 907.5N.mm 1305N.mm 3043.91N.mm 234.3N.mm 907.5N.mm 234.3N.mm 图 3-3 轴弯矩、扭矩图 对于直径为 d 的圆周，弯曲应力，扭转切应力，将和代入WM / T WT / 上式，则轴的弯矩合成强度条件为 （3.4） 1 22 22 )( ) 2 (4)( W TM W T W M W ca 式中：轴的计算应力，单位为 MPa ca M轴所受的弯矩，单位为 Nmm T轴所受的扭矩，单位为 Nmm W轴的抗弯截面系数，单位为 mm ，计算公式见参考书1表 15-4 3 对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，其值可按参考书1表 15-1 选用 1 机械工程学院毕业设计（论文） 18 经计算得。故经校核该设计可用。7095 . 2 1 ca 前轴和后轴相比除没有齿轮外可选用相同的尺寸，因为后轴承受了主要的弯矩力矩， 轴经校核符合要求，前轴也应符合要求。 4）轴承的选择 由于滚动轴承与滑动轴承相比，具有摩擦阻力矩较小；径向有隙较小、运转精 度较高；结构紧凑简单等优点，而轴承主要须传递径向载荷，所以选用应用广泛的深 沟球轴承。 根据轴径选取型号：两对型号为 100 的深沟球轴承。 3.23.2 导向轮系统导向轮系统 3.2.1 导向轮系统原理 为控制机器人在管道中前进方向，在机器人前方左右两端各安装一个导向轮。在 清扫之前，调整支撑臂上的螺钉来控制两个导向轮的横向距离，保证机器人处于管道中 央时导向轮两端距管道壁各有约 20mm。清扫工程中，两导向轮分别以大小相同，方向 相反的速度旋转（其中左导向轮逆时针旋转，右导向轮顺时针旋转） ，其旋转速度比机 器人前进速度略大（如图 3-4） 。如左边的导向轮碰到管道的左壁，则导向轮的切向摩 擦力 F 向机器人中心偏移，简化成牵引力 F，及顺时针的扭矩 M，迫使机器人右转。其 左转的原理相同。在此处可以仿照汽车的机构后轮采用差动装置，这样可以更方便的 实现转弯。但考虑到这样会使结构更复杂，同时增加车重，会带来一系列的问题。最重 要的是，设计的机器人质量较轻，并且行进速度不高。这样完全可以旨在导向轮的辅助 作用下即可实现转弯。 3.2.2 电机的选取 因已知导向轮输出线速度比驱动轮线速度 0.1m/s 稍大，暂定 0.12m/s，导向轮直 径暂定 66mm，带的传动比为 2，则电机的输出转速为 86.86r/min。 在此选用小型交流减速电机，因为它结构紧凑，体积小，价格低，且购买方便。通 过网上查询并对它的输出转距，输出转速，以及安装尺寸进行比较，再次用北京台立伟 成机电有限公司的电机，型号为 2IK6A-C。电动机的性能参数和尺寸如表 3-1： 机械工程学院毕业设计（论文） 19 表 3-1 电机性能参数 输出功率 P电压 U 频率 f电流 I输出转速 N允许负载 T 6W220V50Hz0.25A50r/min1.4Nm 图 3-4 机器人在管道中前进示意图 3.2.3 传动带的选择 3.2.3.1 传动方案的确定 由于驱动电机与导向轮是远距离传动，所以采用传动带，并且带传动具有结构简单， 传动平稳，能缓冲吸振，且造价低廉，不需要润滑，维护容易等特点。 平带虽然结构简单，但是尺寸较大，最小尺寸系列的平带的最小带轮直径为 112mm，所以不合适。 虽然轻型 V 带系列，尺寸小，传动功率大，但是它适合传动中高速转速，即小带轮 转速在 1005000r/min 之间。而所设计的减速电机输出转速为 50r/min，虽然传递功 率并不大，但是由于转速太低，带所传递的力就很大，那么所选带的型号就大，根数也 多，所以也不合适。 机械工程学院毕业设计（论文） 20 因此选择了圆弧齿同步带（HTD）,它能在低速下传递较大功率，预紧力小，结构紧 凑，而且它的耐磨性好，工作时噪音小，不需要润滑，可用于有粉尘的恶劣环境，已在 食品、汽车、纺织、制药、印刷、造纸等行业得到广泛应用。 3.2.3.2 带的尺寸设计 由参考书2中表 36.1-71 同步带传动的设计计算过程如下： （1）设计功率 Pd Pd=KAP=1.0 0.006kw=0.006kw, 其中工况系数 KA=1.0 2)选带型和节距 Pb 根据设计功率 Pb 和小带轮转速 n1=50r/min, 由参考书2图 36.1-22 选带型 5M 节 距 Pb=5mm 3)小带轮齿数 Z1 和节圆直径 dP1 由 Z1（由参考书2表 36.1-81 查得） ，选取 Z1=1512min Z dP = 1 b PZ1 mmmm89.23 515 4)确定大齿轮齿数 Z2 和节圆直径 dP2 Z =iZ2 2 1 mmmm PZ dP b 77.47 530 ,3015 2 2 5)带速 v smVsmsm ndP v/40/00625 . 0 / 1000060 5089.23 1000060 max 11 6)初定轴间距 a0 a =182mm 0 7)带长 L 及其齿数 Z 0 0 2 12 2100 4 )dPdP( ) dPdP( 2 2 a aL mm 1824 )89.2377.47( )77.4789.23( 2 1822 2 mm29.477 机械工程学院毕业设计（论文） 21 查表取标准节线长 480mm,齿数 Z=30 8）实际轴间距 a 当轴间距不可调整时， 根据已知条件：a=可算出,97.377 2 cos2 1 12 dPdP 3 . 57180 12 1 a dPdP = 3 . 57 182 89.2377.47 180 =172.48 9）带宽 bs 已知各种带型的基准宽度如表 3.2 所示： 表 3-2 各种带型的基准宽度 带型 3M 5M8M 14M20M b 0S 5 92040 115 因所选带型为 5M，则基准宽度 b=9mm 0S 由参考书2公式 36.1-7 计算得，bs=9mm 3.2.4 导向轮的设计 3.2.4.1 带轮的结构和尺寸 由由参考书2表 36.1-90 知圆弧齿同步带带轮尺寸如（表 3-3）：（单位：mm） 25 表 3-3 圆弧齿同步带带轮尺寸 项目符号 5M 节圆直径 dP d59.44 2 2 b P PZ 外圆直径 da d=d-2a=43.45 2a2P 齿槽弧半径 R 1.5605 . 0 齿槽深 h g 2.16 0 08 . 0 齿槽角 2 14 齿顶圆角半径 r1 0.48 05 . 0 0 齿 形 尺 寸 节顶距 2a 1.14 为了方便加工，导向轮应该是简单的圆柱形。同时为了增大摩擦力，适当增大其高 度（15mm）及直径（5mm） ，加工好之后再在导向轮外面缠上一层工业橡胶。 3.2.4.2 传动轴的设计 为了减轻尺寸及重量，可以选择轴的材料选用 40Cr。 （1）初选轴径 由于轴为传动轴，主要受转距，受很小的弯矩，所以利用根据按转距计算轴径的计 算公式，由参考书2中表 20-10 知： 对于实心轴： d （3.5） 3 N P A 式中： P轴的输出功率 N轴的转速 A与轴材料及其相应的许用扭剪应力有关的设计系数，选取 A=1058（由 参考书2表 20-11 查得） ，计算得：d。取 d=14mm（由下面轴承安装尺寸mm525 . 6 dmin=12.4mm 求得） （2）结构设计 由于传动轴较短，带轮尺寸很小，带轮的轴向及周向固定很不方便，所以决定将带 轮、导向轮及轴作成一体，如图 3-5。 机械工程学院毕业设计（论文） - 23 - 图 3-5 传动轴尺寸 3.2.4.3 轴承选择 根据轴径 d选取轴承号为 6000 的深沟球轴承，其中轴承内圈通过轴向mm525 . 6 固定，轴向固定通过与轴过盈配合。外圈与轴承孔过盈配合进行轴向固定，轴向固定通 过端盖实现。 机械工程学院毕业设计（论文） - 24 - 第四章第四章 清扫机构清扫机构 清洁工作主要由旋转刷系统完成，旋转刷装置是机器人清扫机构的核心工作部件之 一，旋转刷由气动马达驱动,与气动马达相连的刷杆采用伸缩式结构,可以进行长度调节;旋 转刷头可拆卸并且有不同的材料和尺寸系列,整个装置可以进行俯仰调整,从而保证在管 道都能彻底清扫到管道的边角和顶部。在清扫过程中,利用气动马达吹出的高压空气将 扫落的灰尘吹向前方,便于抽风机抽出。设计的旋转刷头有四种材料系列:尼龙刷、钢刷、 不锈钢刷和铜刷。尼龙刷适用于所有材质的管道,不会对管道壁造成损伤;钢刷适用于各 种钢管;不锈钢刷适用于钛合金管道和铜镍合金管道;铜刷适用于材质为有色金属的管道。 此外应注意的一个问题是：旋转刷在转动时，管道上部的灰尘会在旋转刷的的带动下飞 向前方，而管道下方的灰尘则会飞向机器人本身。为此可以在机器人的下部安装一台吹 风机将灰尘吹向前方，但考虑到这样会使机器人的重量加大，这样会带来一系列问题， 比如：会增大驱动气动马达的功率，从而加大了车重和车的尺寸，这样做。是得不偿失 的，因此我决定在管道的另一端装上灰尘收集装置（即一个大的抽风机） ，这样就可以 将灰尘都吸走。从而解决了以上的问题。 4.14.1 清扫方案确定清扫方案确定 为了提高清扫的质量，系统可以采用左右摆动或上下摆动。当采用上下摆动时，可 以采用四杆机构、凸轮机构或不完全齿。 当采用左右摆动时，则须在支撑杆上加上一个支杆，并须用球铰链联接，结构较复 杂。同时在支撑杆上钻孔安装铰链会对杆产生削弱。此外如想改变旋转刷系统的高度也 不易实现，故不采用此结构。 此两种方案设计出来的旋转刷系统结构都比较复杂，鉴于目前所学知识限制，我设 计了一个比较简单的清扫方案，即在气动马达的驱动下旋转刷实现转动，对管道进行清 洗。 机械工程学院毕业设计（论文） - 25 - 4.24.2 旋转刷系统主要构件旋转刷系统主要构件 旋转刷系统的主要构件有气动马达、旋转刷、支架、夹具、螺管等。结构简图如 图 4-1 所示： 图 4-1 旋转刷系统简图 4.34.3 构件的选择构件的选择 4.3.1 气动马达的选择 气动马达是以压缩空气为工作介质的原动机，它是采用压缩气体的膨胀作用，把压 力能转换为机械能的动力装置。 各类型式的气马达尽管结构不同，工作原理有区别，但大多数气马达具有以下特点： （1）可以无级调速。只要控制进气阀或排气阀的开度，即控制压缩空气的流量， 就能调节马达的输出功率和转速。便可达到调节转速和功率的目的。 （2）能够正转也能反转。大多数气马达只要简单地用操纵阀来改变马达进、排气 方向，即能实现气马达输出轴的正转和反转，并且可以瞬时换向。在正反向转换时，冲 击很小。气马达换向工作的一个主要优点是它具有几乎在瞬时可升到全速的能力。叶片 式气马达可在一转半的时间内升至全速；活塞式气马达可以在不到一秒的时间内升至全 速。利用操纵阀改变进气方向，便可实现正反转。实现正反转的时间短，速度快，冲击 性小，而且不需卸负荷。 （3）工作安全，不受振动、高温、电磁、辐射等影响，适用于恶劣的工作环境， 在易燃、易爆、高温、振动、潮湿、粉尘等不利条件下均能正常工作。 机械工程学院毕业设计（论文） - 26 - （4）有过载保护作用，不会因过载而发生故障。过载时，马达只是转速降低或停 止，当过载解除，立即可以重新正常运转，并不产生机件损坏等故障。可以长时间满载 连续运转，温升较小。 （5）具有较高的起动力矩，可以直接带载荷起动。起动、停止均迅速。可以带负 荷启动。启动、停止迅速。 （6）功率范围及转速范围较宽。功率小至几百瓦，大至几万瓦；转速可从零一直 到每分钟万转。 （7）操纵方便，维护检修较容易 气马达具有结构简单，体积小，重量轻，马力大， 操纵容易，维修方便。 （8）使用空气作为介质，无供应上的困难，用过的空气不需处理，放到大气中无 污染 压缩空气可以集中供应，远距离输送 由于气马达具有以上诸多特点，故它可在潮湿、高温、高粉尘等恶劣的环境下工 作。除被用于矿山机械中的凿岩、钻采、装载等设备中作动力外，船舶、冶金、化工、 造纸等行业也广泛地采用。 因为气动马达结构比较简单，使用气动马达可以使机器人旋转刷结构简化，经过选 择比较，我决定选取叶片式气动马达。叶片式气动马达的优点： （1）保证迅速的启动； （2）非常简单的调节输出扭矩和转速； （3）过载停转不会被损坏； （4）设计简单，长寿命，低价格； （5） 瞬时逆转； （6）可以无油操作 经过网上查询，我决定选取温州博泰机械制造有限公司生产的气动马达，他们生产 的气动马达主要有以下几种型号: 机械工程学院毕业设计（论文） - 27 - 表 4-1 气动马达型号 型 号 最大功率 (Hp) 最大功率 时扭矩 （N.m) 停止转矩 （N.m） 启动扭矩 （N.m） 额定转速 （rpm） 耗气量 (L/m3) 重 量 （Kg) TMY0050.050.180.350.301960600.95 TMY0100.100.360.730.6319601301.8 TMY0400.402.04.03.2414004203.2 TMY0600.603.06.15.1514006404.2 TMY1501.507.514.612.51400200010.4 TMY2502.508.917.314.81400300012.8 VAM1501.503.556.95.9296022004.9 VAM3603.609.017.515.3296056009.6 经过选择，我决定采用 TMY010 型号的气动马达，其三维立体图如图 4-2 所示。 图 4-2 气动马达 4.3.2 旋转刷的设计 设计的清扫刷的示意图如图 4-3 所示。 图 4-3 清扫刷的示意图 图中表示了清扫刷的左右两半部分，中间空的地方是连接气动马达的。其中，刷子 的两个端面部分的刷毛做成弧状是为了能够更彻底的清扫，此外，在两端刷子对应气动 马达伸出轴上圆周的位置可设计出对应的安装开口销的销钉口以实现旋转刷与气动马达 的连接。 机械工程学院毕业设计（论文） - 28 - 第五章第五章 监视控制系统监视控制系统 5.15.1 摄像头的选