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排水管道
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毕业设计说明书设计题目： 大型排水管道疏通机器人机械设计 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 35目 次1 绪论11.1 选题背景11.2 本课题研究意义11.3 研究内容22 排水管道机器人概述32.1 我国排水管道清淤现状32.2 国外管道机器人发展现状52.3 国内管道机器人的发展现状83 排水管道疏通机器人的总体设计113.1 排水管道疏通机器人工作环境113.2 管道机器人整体设计指标113.3 管道机器人系统组成113.4 管道机器人本体结构设计123.5 管道机器人移动方式的选择133.6 履带移动方式运动方式分析143.7 驱动方式的选择153.8 箱体结构的设计203.9 驱动轴设计213.10 从动轴设计243.11 轴承的校核263.12 清淤工具的设计273.13 其他附属装置的设计283.14 密封和防腐结构的设计293.15 控制系统设计29设计总结30致谢31参考资料321 绪论1.1 选题背景城市的排水系统是现代化社会不可缺少的重要基础设施，管道维护及疏通工作对城市经济发展具有十分重要的影响，排水工程也是城市水污染防治和城市排渍、排涝、防洪的骨干工程。我国排水管道大都埋于地下，由于我国国民经济的迅速发展和建设，环境保护及城市建设工作越来越受到市政部门的重视，人们的环保意识也日益提高。随着经济的发展以及建设世界级新型城市的需要，城市排水领域所暴露出的问题也突显出来。如果排水不好将影响居民日常生活，严重时会打乱整个城市的正常节奏。城市排水设施是维护城市正常生态功能的重要前提，也是保护城市水质资源和生活环境的重要措施，然而，我国的排水管道的疏通与清理工作还普遍处于人工作业的落后状态，不仅体力繁重，效率低，恶劣环境以及毒气、毒水给工人造成很大危害，甚至爆炸、死人等事故时有发生。传统的排水管道维护方式是依靠维修人员进入管道，用人工的方式进行清掏和检测工作。但是在很多情况下，人工检测方式存在很多缺点，例如管道内环境恶劣，充满了许多沼气等对人类有毒的气体，对人身安全造成很大的伤害；还有那些人体无法通过的管道，也就无法发现其中的破损；人工疏通效率低、速度慢，并且需要的时间长，准确率低等等。因此，研究制造一种排水管道的疏通检测机器人具有十分重要的意义，它既是建设现代化城市和加强环保的需要，也是广大市政管理、维修人员的迫切愿望。在这一应用领域进行一些实用的自动装置的研究，将带来长远的社会效益和经济效益，也具有十分重要的现实价值。1.2 本课题研究意义机器人是自动执行工作的机器设备，一台机器通过自己的动力和控制系统，以实现各种功能。社会和经济发展的快速发展不可避免的促使新技术的进步，机器人的出现提高社会生产和人类生活质量水平，并且使人类的劳动强度大大降低。让机器人做那些谁也不能做的危险工作。在现实生活中的一些工作会造成伤害，如高空作业，重物运输;还有一些高质量的工作要求，如汽车焊接，精密装配等很困难的工作，一些枯燥和重复劳动等。还有一些人类不能亲自到达的工作环境，有些工作是不适合做工作，在恶劣的环境中，这些都可以利用开始发挥作用的机器人，例如火山探险、深海勘探、空间探索等。服务型机器人可以认为你服务照顾，提供清洁和安全;水下机器人可以帮助打捞沉船;一些工程机器人还能够铺设电缆，开辟道路；农业机器人可以进行空中播种，施肥，还能够在一些地域进行自动化生产，代替人能吃苦耐劳的工作;军用机器人还可以排出地雷和炸弹的威胁，进行恐怖打击。这些机器人可以促进人类的生活，对人类发展做出贡献。城市排水管道疏通机器人的研制意义在于：可以实现排水管道的疏通、穿缆、检测及简单的清理工作，改善当前疏通管道时工人恶劣的工作环境，并且可以降低工人的劳动负担，并且可以保障工人的人身安全、提高排水管道疏通的效率。此外，还可应用于其它领域：（1）在恶劣的环境中作业，进行检测、疏通、修理等工作；（2）在海底管道中作业，进行管道检测，铺设海底光缆；（3）检查管道的腐蚀、破损以及接缝情况；（4）可以应用在辐射，高温，高压的管道上，减少对工作人员的伤害。1.3 研究内容通过分析比较国内外的参考文献，和实际资料，我们可以知道国内外的管道机器人大都采用有线和无线控制方式，结构上主要有轮式，履带式的本体结构，还有些采用蠕动式的本体结构。管道机器人需要适应复杂的管道环境，应配有各种图像传感系统以及各种传感器来进行运动调节。管道机器人是各种技术的融合，是机电一体化技术的很好反应，它包括控制技术，人机工程，传感器技术，以及人工智能技术。本文主要对排水管道机器人的本体结构进行设计，对排水管道及其人的工作环境，驱动方式的选择，本体结构设计，还有控制系统等进行了简要的分析和介绍。2 排水管道机器人概述2.1 我国排水管道清淤现状2.1.1 人工清淤法 工作人员在配备安全保护措施的情况下借助简单的工具进入沟渠的内部，然后进行清淤工作，并通过手推车将淤泥送到井口，达到一定的量后，然后用挖掘机将污泥挖出，但这些设备需要人工进入进行实地操作，并且只适用于人进入的管道，这种方法劳动量大，并且环境恶劣，对工人的人身安全无法做到很好的保障。2.1.2 水力清淤法水力清淤发分为高压水射流清淤法和水冲刷清淤法。高压水射流清淤方法如图2.1，是使用高压喷射车配备电动机，高压泵，大型水箱，水射流喷嘴等。操作是通过汽车的发动机驱动的高压泵，加压使水从喷射水头高速射出。然后依靠射流反应，产生的反作用力，使水射流喷嘴和软管在朝着相反与身体的方向运动，但还可以清洁管壁。当喷嘴达到一定的距离，电动绞盘将软管卷回，射水枪继续喷洒水，堵塞物和污泥被冲刷到管道检查井，然后由污泥抽取车辆将其运走。这种方法可以适用于不同直径的水管，但因为需要使用干净的水，所以成本较高。然而，为了降低成本，挖泥车通常有自己的污水净化设备，可以利用下水道中污水的优势。这疏通方法设备昂贵并且疏通的作业成本高，不适合中国国情。 图2.1 高压水射流清淤法水冲刷疏浚方法是进入管道检查井，能够挡水的设备。在其上游使用设备使污水管道堵塞，当水位达到一定高度后，打开水，使上游的水在管道形成水流清除淤泥。一旦足够数量的淤泥被冲走，设备向下游移动了一段距离。这种方法需要管道本身必须有一定的流量，污泥应不会太大，上游的水不能从其他的滑移流走，同时确保上游的水不能回流到附近的建筑物，其缺点是可能导致在上游管道的新沉积的生产。由于管道直径的大小的限制，整个装置的组成部分，必须在下水道组装，这种方法需要在管道中的大量的工作。污水排水管道通常是很容易聚集着硫化氢等有毒气体，以及爆炸性气体，水管检测人员下井检查时，应当采取适当的安全措施。2.1.3 绞车清淤法绞车疏浚方法如图2.2，是比较广泛使用的一种方法，这种方法，首先通过使用竹，竹一端系绳子，绳子绑清道工具的一端，需要通过管段清除淤泥。在两个管端，通过管道检查井上各设个绞车，绳索系着清工具，通过钢丝绳的另一端系在另一绞车。然后用绞车来回拉动绳子，通过工具将污物带到下游的检查井中，通过用清淤工具刮泥使管道畅通。绞车动力可以由人类手动，也可以是通过电机拉动，根据实际情况。这种方法适用于各种直径的下水管道，特别是较严重的管道堵塞，淤泥已非常密集，用强力水流疏通无效，采取这种做法效果很好。主要缺点是穿竹从井口到另一个井口需要手动完成，地下的工作环境是很糟糕。由于排水渠中的恶劣的工作条件，它是可能危及工人的健康，甚至危及工人的生命。因此，如果一个设备可以被用来取代人工去在下水管道中穿缆绳，这种方法是非常有效和可行的，虽然历史久远，但是目前最常用的管道疏通方法。图2.2 绞车清淤法2.1.4 通沟机清淤法钻杆通沟机清淤法如图2.3，是通过利用发动机动力旋转头，驱动钻杆旋转的钻头，通过管道检查井的中心，钻头向前钻，同时管内的淤泥材料清洗到另一个检查井。气动通沟机是通过压缩空气，将清淤器发送到另一个检查井，检查清除淤泥，然后用机尾绳通过绞车拉了回来，该清淤器将后面的叶片打开，将管内的杂物送到检查井底部。也有无动力通沟机，称为PIG，是上世纪七十年代国外研制和开发的疏通方法，如图所示。这种机器通过头部和尾部，在管内形成气流，产生压力差，从而形成动力，通过管内气流的压力差向前运动。其原理是类似活塞在汽缸内，也就是说，在作为一个缸的管道中运动，把拥有一定的弹性和硬度PIG作为活塞。 PIG外径稍比管道直径大，压入管在背后流体压力小于面前压力，由于有压力差的作用，PIG，克服管道内壁与通沟机之间的摩擦阻力运动，清除管道污垢，这种方法需要一个内壁光滑规则，不能有太多的污垢，因此在我国并不怎么使用。图2.3 无动力通沟机清淤法2.2 国外管道机器人发展现状2.2.1 MicroVGTV管道机器人MicroVGTV管道机器人能够根据不同的管径改变它的本体结构，以适应排水管道复杂的地形，如图2.4所示。它从传统的形状变成成一个三角形的结构，不仅可以适应各种弯曲泥泞的环境，还具有防水能力，在机器人的前方，安装有图形传感系统，能够清楚的将排水管道中的影像资料传到控制车中，通过分析可以了解堵塞状况。 这种机器人采用履带式的移动防水，能够很好的适应管道中淤泥环境，有较强的附着力，可以再泥泞的管道中自自由行走。但这种结构的机器人结构复杂，制造困难，受到功率的限制，只能承载较轻的重量。由于结构尺寸较大，较适合大型管道，对于小直径管道不易通过。这种机器人运动灵活，目前，许多国家的科研人员在进行研究当中。(a) 常规形状的MicroVGYV(b) 变形后的MicroVGTV图2.4 履带式管道机器人MicroVGTV2.2.2 佛罗里达大学管道清理机器人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机器人主要由头部，驱动部分和控制部分组成，能够在狭窄的管径中自由运动。在机器人的前方装有感应设备，当遇到阻塞或者遇到大型障碍物时，能够立即终止机器人的前进。如图2.5所示。驱动系统有两方面的作用，它不仅能够控制机器人的运动，而且在遇到障碍时能够改变机器人的运动角度，并且通过自身的旋转运动来疏通管道的阻塞物。这种管道疏通机器人有三个驱动车轮，每个车轮有两个微电机控制，一个电机控制车轮的运动角度，另一个电机控制机器人向前运动，通过传感器和控制系统，机器人可以在弯管处迅速实现转弯运动，快速通过。机器人配有稳定性控制系统，能够在崎岖的管面内稳定的形式，防止倾覆、翻转的发生。图2.5 佛罗里达大学管道清理机器人2.2.3 俄罗斯管道机器人俄罗斯“月球车”系列的管道机器人如图2.6所示。这一系列的机器人有九个驱动电机，在前部携带检测和工作工具，工作时转动工具。这种机器人的摄像系统可以向后翻转，能够监控整个运动过程。此外，这种机器人可以弯曲身体竖直进入管道，它可以适应190-600毫米口径管道。图2.6 轮式管道机器人月球车机器人的机身是由不锈钢加工而成，拥有可靠的气密性和孔的同轴度。这种机器人采用轮式结构，以0.3米/秒的速度移动，前面装有大功率照明设备，在行走的同时，图像系统可以360度进行检测。发现故障点后，机器人的使用一套工具 - 铣刀，钻头，切割和清理工具来完成这一过程。机器人装有微型处理器和信息设备，能够由操控人员进行远程操作。这种机器性能优越，并且成本也很低，非常适合管道内的修复工作。2.2.4 蠕动式管道机器人日本某研究机构研制的管道机器人采用蠕动式的运动方式，能够像蠕虫一样在管道中行驶，如在图2.7所示。这种爬行机器人是使用扭动着腹部的摩擦表面，器人收缩前面的身体，然后通过拉动身体向在摩擦的作用下运动，然后扩大原来的收缩身体的前端。除了电机，驱动系统和蠕动机器人的智能控制部分，其余部分都由多个球形身体连接组成。每个球体的分为两层皮肤，里面是塑料薄片可以弯曲，电机工作时，他们将在前进的方向弯曲。外面布满了橡胶，在机器人移动时能够增加与管道的摩擦力。通过这样做伸展和收缩，机器人将能够成功地向前移动。 这种机械结构能够在狭窄的管径中运动，但是这种运动方式只能进行直线运动，不适于弯曲较多的管道，而且这种结构很难制造，控制不易，运动速度缓慢，难以满足实际情况的需要，只是研究使用，实际中很少用到。图2.7 蠕动式管道机器人2.3 国内管道机器人的发展现状国内研究管道机器人的时间较晚，从上世纪八十年代开始，国内目前对于管道机器人的研究刚刚起步，还在学习国外管道机器人的先进技术的时期。在近几年，由于我国铺设管道的增加以及管道的老化，国家对于管道问题越来越重视，在国家的大力支持下，国内一些大学在国家自然科学基金以及各省部委基金的资助下开始管道机器人的研究，例如：清华大学、上海交通大学、天津大学、哈尔滨工业大学，都在管道机器人的开发和研究上有了一定的成果，主要是以结构相对简单的轮式和履带式管道机器人的研究为主。2.3.1 清华大学管道机器人图2.8为清华大学研制的轮式管道疏通机器人。该管道疏通机器人在适合400 mm以上的管道进行清淤作业，车体的运动方式采用了轮式的移动机构，有四个车轮驱动，机器人的车体前方携带CCD摄像头。这种机器人在空载、干净的管道中运行时功率：350-400W平均速度：5.8m/min载体的推力：60kg平均速度：4.5m/min当淤泥沉积到管径的1/3处,机器能够平稳的运行，并且无打滑现象。图2.8 清华大学管道机器人2.3.2 上海交通大学管道机器人上海交通大学研制的管道机器人是履带式的机器人，他通过利用仿造履带式车辆行走原理，驱动方式采用带齿轮减速箱直流伺服电机驱动。机器人上还装有角度传感器，机器人可实现前进、后退、按一定曲率半径回转原地转向等动作，可在直管和大曲率半径的弯管内平稳运动。机器人机箱上方装有图像检测系统，CCD图像传感器，CCD图像传感器可以做上下运动，通过另一个直流伺服电机控制，以扩大检测范围。如图2.9所示。电机功率:5W；减速箱减速比:100；输出转速：030 rmin；最小管道直径: 120 m运动速度:一般为12mmin图2.9 上海交通大学管道机器人2.3.3 天津大学管道机器人天津大学研制出“PR-1型”管内移动机器人实验样机。驱动部分采用螺旋轮式结构，可以直立行走，并且可以通过以下弯曲度较大的弯道。该机器人运用了“平面四点支撑”及“可变自由度机身行走机构”的概念，从而使得该装置在各项指标上均有所突破。国内其它高校和机构也先后对管道机器人进行了研究，但大多处于基础研究阶段，研究成果还不能满足实际生产生活需要。目前根据实际情况可以知道，目前我国基本上还处于人工疏通排水管道的状态，对于自动化程度比较高的高压射水流技术和自动化疏通机器人在我国大、中、小城市还无法得到普及和应用。我国的排水管道大多已经使用了很长时间，由于长时间使用，和维护较少，很多地方已经出现老化破损，对于高压射水以及机械疏通很容易造成管道的破坏。而且我国的排水管道大多管径小，不利于自动化机械的进入。因此，对于制造一种价格适中，自动化效率高，结构简单实用的管道疏通机器人具有很好的现实意义。虽然我国大部分还处于研制阶段，但具有很重要的社会价值和经济价值。3 排水管道疏通机器人的总体设计3.1 排水管道疏通机器人工作环境 我国的城市排水管道直径大概从3002000mm，井口内径一般为680mm，井底内径可达700mm，沉淤井深一般为300500mm, 井距约为50m，管道敷设基本水平，规定其坡度不大于10，实际为15,排水管道内多为淤泥，垃圾等一些杂物，设计的管道疏通机器人主要用于500mm以上管径排水管道的疏通检测工作。3.2 管道机器人整体设计指标管道本机器人整体设计指标如下：适应管径：500mm移动速度：29mmin；电源：采用有缆式控制，由控制车辆提供动力； 机器人重量约为：20kg；负重能力：5kg；作业能力：可以在200m以内的排水管道完成穿缆、检测、疏通任务。3.3 管道机器人系统组成大型排水管道疏通机器人主要由机械本体、疏通装置、控制装置和影像检测装置四部分组成，如图3.1所示，其工作过程为如下：将起重设备放在检查井附近，将排水管道疏通机器人竖直放到检查井中，然后水平送到排水管道的入口处，机器人开始清淤工作。在井口的附近停放有控制车辆，车上有车辆控制柜，CRT显示器，电源和收放线设备。车上还配有动力设备，可以为机器人的运动，控制系统和传感系统提供电力保障；车上配有线缆收放装置，可以随着机器人的前进随时调节线缆的长度，并且为排水管道疏通机器人提供动力和信号传输；在排水管道疏通机器人机体上安装有CCD图像传感器，能够提供排水管道中的图像信息，监视机器人的工作环境，方便控制人员及时调整机器人的运动状态。图3.1 排水管道疏通机器人工作框图3.4 管道机器人本体结构设计排水管道疏通机器人适用于200m以内的排水管道疏通、检测及穿缆工作。机器人整体结构要适应排水管狭窄的工作环境，要有位置调节机构，以适应恶劣的地形。由于机器人在排水管道污水中作业，必须解决机器人的水密性问题。因此机器人本体采用一体式箱体结构设计，驱动机构密封到箱体内，结构简单，密封方便。机器人选用步进电动机驱动，实行有缆控制，尾部牵着缆绳以备把淤泥拉出，内有电源线和信号线。机器人头部携带绞龙，采用螺旋式绞刀设计，可以粉碎管道中的堵塞物，并排出管道。为了适应恶劣的工作环境，选用履带式运动方式，与地面的接触面积大，越障能力强，负重能力强，左右轮差动运动，控制简单，运动平稳。本体结构如图3.2所示 。图3.2 排水管道疏通机器人本体结构俯视图3.5 管道机器人移动方式的选择机器人移动方式主要有蠕动式、足式、轮式、履带式等几种形式，每种移动方式的功用都有所不同。轮式移动方式是移动机器人中应用最广泛的移动方式，在平坦的地面上，用车轮方式移动十分稳定可靠，并且易于控制，制造。足式移动方式可以在高低不平的地面上运动，适应能力强，在崎岖的路面可以有很好的支点，还能够阻隔震动，但足式运动方式控制系统复杂，需要及时反馈周围的环境信息，制造成本高，并且不易于开发。履带式移动方式接触面积较大，对地面的压强小，与路面的黏着力也较强，因此能够在凹凸不平和松软地面上移动。对于排水管道的疏通环境，具有如下特点：（1)管道内环境未知，内部运动情况复杂多变;（2)管道内部空间狭窄，机器人需要携带的传感器对管道运动环境进行反馈，并对机器人在管内的运动姿态进行全面检测和调整；（3)机器人在管道内的运动具有不确定性，如爬坡或过障碍等。结合管道机器人的工作环境，选择履带式移动方式。履带式机构称为无限轨道方式，履带式移动机器人是轮式机构的扩展，其最大特征是将圆环状的无限轨道履带卷绕在多个车轮上，使车轮不直接与地面接触。适合在未知的路面上行走，因为履带本身起到给路面连续铺路的作用。履带式移动机器人具有以下特点：（1）支撑面积大，接地比压小，路面保持力强，适合于松软或泥泞地作业，下陷深度小，滚动阻力小，通过性能较好，能登上较高的台阶。（2）越野机动性好，爬坡、越沟等性能优于轮式移动机构。重心低、较稳定，并且能够原地旋转。（3）履带支撑面上有履带齿、不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。（4）结构复杂，重量大，运动惯性大。3.6 履带移动方式运动方式分析履带移动机构由于驱动位置的不同，履带内部受力的状况也不同。前轮驱动方式和后轮驱动方式的履带内张力分布如图3.3所示。其中图3.3(a)为前驱动方式，图3.3(b)为后驱动方式。(a) 前驱动（b）后驱动图3.3 采用不同驱动方式时履带的内张力分布To履带总预张力Fz主动轮上的牵引力Fzk为履带的内部牵引力Fz主动轮上的牵引力履带预加张力是尽量减小履带的振动、噪音和磨损等因素对履带在行驶过程中的影响，履带总预张力To包括预加动张力和预加静张力两部分。主动轮上的牵引力Fz是用来克服履带行动装置的内部阻力和外部阻力的。而履带的内部牵引力包括了所有作用于履带上的牵引力，即：Fzk=Fz+To如图3.3(a)所示的前驱动方式的主动轮较后驱动的磨损较少，这是由于履带在从排水管道管面到主动轮的过程中，履带上所夹杂的淤泥已经被冲刷了。但从图3.3(a)可以看出，在驱动电机安装在前轮时，大部分的履带在运动过程中需要承载很大的牵引力。随着履带行驶时间增加，将导致履带伸长，可能在履带车行驶的过程中，导致履带的脱落。而采用如图3.3(b)所示的后驱动方式，由于履带内部牵引力的高区段短，避免了主动轮前置时存在的问题。采用后轮驱动的方式有助于机器人适应各种不同环境的管道，增强了机器人的适应性。在机器人运动过程中，经过管道凹凸处时，前面的从动轮会在机器人主动轮的带动下，会使履带与管道表面更好的接触，从而保障机器人可以在排水管道中平稳的前进。3.7 驱动方式的选择驱动系统是机器人重要的组成部分，根据能量转化方式，将驱动方式分为液压驱动、气动驱动、电动驱动和新型驱动装置。除了应该充分考虑机器人的工作要求，如工作速度、最大搬运物重量、驱动功率、驱动平稳性、精度要求，除此之外，还应考虑到能否能够在较大的惯性负载条件下，提供足够的加速度以满足作业要求。由于管道尺寸的限制，根据排水管道的特点，液压系统驱动方式所占的体积较大，超出排水管道疏通机器人的尺寸要求，并且系统复杂，很难维修。气动系统控制精度较低，很难实现对机器人运动速度，运动位置的精确控制。但是从电机的可维护性、加速度、动态刚度、静态刚度、线性度、噪音等技术指标来看，电机驱动方式要比液压驱动方式和气压驱动方式更适合于机器人的驱动系统。目前，电气驱动被广泛应用在工业，制造业的各种机器设备中，是目前较为成熟的驱动方式。现阶段国内外的机器人中大部分都采用电气驱动方式。根据排水管道机器人的实际情况，我们选用电气驱动方式进行驱动。3.7.1 电气驱动的特点电气驱动是利用各种电动机产生力和力矩，直接或经过机械传动去驱动执行机构，以获得机器人的各种运动。因为省去了中间的能量转换过程，所以比液压及气压驱动效率高，使用方便且成本低。电气驱动大致可分为普通电机驱动、步进电机驱动和直线电机驱动三类。（1）普通电机驱动的特点 普通电机包括交流电机、直流电机及伺服电机。交流电机一般不能进行调速或难以进行无级调速，即使多速电动机，也只能进行有限的有级调速，但直流电源价格较高，因而限制了它在机器人上的应用。（2）步进电机驱动的特点步进电动驱动的速度和位移大小，可由电气控制系统发出的脉冲数加以控制。由于步进电机的位移量与脉冲数严格成正比，故步进电机驱动可以达到较高的重复定位精度。但是，步进电机速度不能太高，控制系统也比较复杂。（3）直线电机驱动的特点 直线电机驱动结构简单、成本低，其动作速度与行程主要取决于于定子与转子的长度。反接制动时，定位精度低，必须增设缓冲及定位机构。步进电机可分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。它具有高精度的定位、位置及速度控制、具定位保持力、动作灵敏、开回路控制不必依赖传感器定位、中低速时具备高转矩、高信赖性、小型、高功率等特征，使其具有广泛的应用。因此选用步进电动机进行驱动。3.7.2 步进电机的工作原理步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，它的的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，控制换相顺序，即通电控制脉冲必须严格按照一定顺序分别控制各相的通断。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。控制步进电机的转向，即给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，若按反序通电换相，则电机就反转。控制步进电机的速度，即给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步，两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。3.7.3 电机的选择移动行走机构几何尺寸设计计算:将移动行走机构归为底箱部分,底箱是整个机器人的基础,其中包括电机、驱动器、传感器、光电编码器等,设两个主动轮安装在底箱前部,差动驱动,主动轮与从动轮的厚度为40 mm,直径为120mm,两主动轮的间距为300 mm,从动轮到主动轮的最大距离为220mm。估算机器人的质量为20Kg，最大的行走速度为0.15m/s，则车轮的角速度为： （3-1）由于机器人在水中行走，必然会受到水的阻力，可将机器人简化为一个长方体，因此，机器人在水中的粘滞阻力为： （3-2）式中：CD阻力系数密度最大的行走速度A特征面积讨论负载及轴所受到的扭矩:启动后达到最大速度0.15m/s匀速前进,此时主动轮摩擦力和从动轮的摩擦力的关系如图3.4所示。图3.4 匀速时小车的受力关系 （3-3） 而 （3-4） 取=0.5得： 所以，主动轮受力为： 则平均每个轮受力及扭矩为： 1/2= 101.75N TL =101.750.06=6Nm 综上可知，选用南京华兴电机制造有限公司的两相混合式步进电机,型号为57BYG4501,其参数如表3.1所示。表3.1 步进电机57BYG4501参数表步距角相数驱动电压(V)相电流 (A)保持转矩(Nm)空载起动频率(步/秒)空载运行频率(千步 /秒)转动惯量(Kgcm2)相电感 (mH)重量 (Kg)0.9/1.82/4361.51.01200 200.32.41.0 电机尺寸分别为B = 57, d (H7) = 6. 35, L1 = 21, D1( h7) = 38. 1, h = 1. 6, h1 = 5. 5, L = 45, D2 = 66. 6, d1 = 5。通过电机的安装尺寸做一个支架将电机用螺钉固定在机器人底板上。若直接让步进电机驱动机器人仍无法满足要求，因此可在步进电机前安装一微型减速器，该公司生产的减速器类型如表3.2所示，外形如图3.5所示。表3.2 减速器类型电机类别常规减速比减速类型39，4BYGH1:5，1:10，1:30，1:50行星，齿轮57BYG，57BYGH1:3，1:5，1:10，1:15，1:20，1:25，1:30，1:50，1:100齿轮60BYGH1:3，1:5，1:10，1:15，1:20，1:25，1:30，1:50，1:100齿轮86BYG，86BYGH1:3，1:5，1:10，1:30，1:50，1:100行星110BYGH1:5，1:10，1:30，1:50，1:100行星图3.5 驱动电机 由表3.2可知，可选用57BYG系列，减速比为i=1：20的齿轮型减速器，则输出扭矩最大为： （3-5） 当机器人运行恒定时，取效率=0.75，则电机的输出功率为： （3-6） 以上均满足设计要求。3.8 箱体结构的设计箱体结构是固定的，连接驱动机构，传动机构和连接移动机构，并且由于在有水的环境中工作，应考虑箱体的密封问题。在机器人的箱体结构设计需要考虑的驱动系统，和运动机构的结构和大小。由于管道尺寸的限制，设计的箱体尽可能简单，尺寸不能太大，并且重量轻，在设计时还应该考虑机器人的工作环境，设计时箱体可以进行方便密封。排水管道疏通机器人的箱体设计成上下分离的箱体式结构，这种结构制造方便，便于安装，结构简单而且方便密封拆装。可以使箱体内部形成密闭空间，使箱体内电机、控制系统封闭在箱体内部，防止排水管道中污水的入侵，保障机器人安全行驶。箱体结构如图3.6所示。图3.6 排水管道疏通机器人箱体结构3.9 驱动轴设计 3.9.1 初步确定轴的最小直径 由前面计算可知 P1=40W，n1=fi=9r/min,T1=6.1Nm 初步估算轴的最小直径，材料40Cr，调质处理。取A0I=110，于是得： dminI=A0I （3-7） 最细处是安装小齿轮的地方，小齿轮直接与电动机连接，根据前面已经选好的电动机知道，电机的输出轴直径d=8mm，大齿轮与前轴配合连接。3.9.2 轴的结构设计 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度（1）为了满足大齿轮轴向定位的要求,VII轴段左端需要制出一轴肩,故取VII的直径；右端用螺母垫片锁紧定位,按轴端直径取垫片直径套筒与轴配合的轮毂孔长度l=25mm，为了保证轴端挡圈只压在齿轮上而不压在轴端上, 故VII的长度应比l略短一些,取。（2）初步选择滚动轴承，因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承，参照工作要求并根据 ,由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的单列深沟球轴承61904型。参数为dDB=20379，故，lI=21.75，右端采用主体定位。（3）已知=9mm，为使套筒压紧齿轮，取=28mm，考虑到与轴的配合，取=41mm。（4）取车轮与箱壁之间相距为11mm，取滚动轴承距箱内壁距离为8mm，则=11+8+12+9+9=49mm。（5）轴上零件的周向定位，斜齿轮、联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按连接处的直径，由参考资料查得平键的结构尺寸键宽b键高h健长l分别为：（大齿轮）；（车轮）（单位mm）。同时保证了齿轮和轴的良好的对中性所以选择轮毂和轴的配合为 ，滚动轴承与轴的同向定位为过渡配合来保证，此处轴的尺寸公差为。（6）确定圆角及倒角，取轴端倒角为1.545，各处轴肩圆角半径均为1mm。3.9.3 求轴上载荷 （1）Y方向上： （3-8） （2）Z方向上： （3-9） （3）总弯矩： （4）轴的载荷分布图为图3.7 驱动轴的载荷分布图从轴的结构图以及弯矩和扭矩图可以看出齿轮截面处是危险截面。现将计算出的危险截面的MY，MZ及M总的值列于表3.3： 表3.3 驱动轴所受载荷、弯矩与扭矩载荷水平面 Y垂直面 Z支持力F弯矩M总弯矩M1=167.87Nmm同理：M2=126.22Nmm扭矩TT1=6.8Nm3.9.4 按弯曲合成应力校核强度 从轴的结构弯矩扭矩图中可以看出C截面是轴的危险截面，C截面上所有数据上步中均已算出根据参考资料以及轴单向旋转扭转切应力为脉动循环变应力强度校核 （3-10）小于材料强度极限故40Cr合格。3.9.5 轴的工作图图3.8 驱动轴工作图3.10 从动轴设计3.10.1 初步确定轴的最小直径 由前面计算可知 P1=40W，n1=fi=9r/min,T1=6.1Nm 初步估算轴的最小直径，材料40Cr，调质处理。，取A0I=110，于是得： dminI=A0I （3-11）3.10.2 求轴上载荷 （1）Y方向上： （3-12） （2）Z方向上： （3-13） （3）总弯矩： （4）轴的载荷分布图为图3.9 从动轴载荷分布从轴的结构图以及弯矩和扭矩图可以看出齿轮截面处是危险截面。现将计算出的危险截面的MY，MZ及M总的值如表3.4所示。表3.4 从动轴所受载荷、弯矩与扭矩载荷水平面 Y垂直面 Z支持力F弯矩M总弯矩M1=1167.87Nmm同理：M2=1126.22Nmm扭矩TT1=6.8Nm3.10.3 按弯曲合成应力校核强度 从轴的结构弯矩扭矩图中可以看出B截面是轴的危险截面B截面上所有数据上步中均已算出根据参考资料以及轴单向旋转扭转切应力为脉动循环变应力强度校核 （3-14）小于材料强度极限故40Cr合格。3.10.4 轴的工作图图3.10 从动轴工作图3.11 轴承的校核3.11.1 选型 选用深沟球轴承61904，额定动载荷为，额定静载荷为。3.11.2 计算径向力 ， （3-15）3.11.3 计算轴向力 （3-16） 已知有参考资料查的61904轴承e=0.37，Y=1.6，所以=1.78N，所以。3.11.4 计算当量载荷 因，所以X=0.4，Y=1.6， 。 （3-17） 因 所以X=1，Y=0， （3-18）3.11.5 验算轴承寿命 因为P1P2,因此只需校核轴承2 （3-19） 满足寿命要求。3.11.6 轴承结构图图3.11 轴承结构图3.12 清淤工具的设计若排水管堵塞计较严重，需要专业的清淤工具进行疏通，为了排水管道机器人可以顺利通过阻塞的管道，完成穿缆和疏通任务，在机器人的本体前方设计螺旋叶片，采用螺旋式绞刀设计，可以粉碎管道中的堵塞物，并排出管道。螺旋绞刀由电机带动旋转轴做旋转运动。机器人螺旋绞刀选用步进电动机驱动，做旋转运动，将排水管道堵塞区域打通后，尾部牵着清淤板将阻塞物拉到两侧的检查井中，然后由污泥车将检查井中的淤泥等杂物抽出并运输。 电机选用南京华兴电机制造有限公司的两相混合式步进电机,型号为57BYG4503,其参数如表3.5所示。表3.5 步进电机57BYG4503参数表步距角相数驱动电压(V)相电流 (A)保持转矩(Nm)空载起动频率(步/秒)空载运行频率(千步 /秒)转动惯量(Kgcm2)相电感 (mH)重量 (Kg)0.9/1.82/4361.51.51200 200.32.41.0电机尺寸分别为B = 57, d (H7) = 6. 35, L1 = 21, D1( h7) = 38. 1, h = 1. 6, h1 = 5. 5, L = 67, D2 = 66. 6, d1 = 5。通过电机的安装尺寸做一个支架将电机用螺钉固定在机器人底板上。若直接让步进电机驱动机器人仍无法满足要求，因此可在步进电机前安装一微型减速器，该公司生产的减速器类型如表3.2所示。 由表3.2可知，可选用57BYG系列，减速比为i=1:20的齿轮型减速器，输出扭矩最大为： 符合设计要求。3.13 其他附属装置的设计排水管疏通机器人需要配有起吊设备，在进入管道前需要由起吊装置将机器人由检查井的井口输送到排水管道的入口处。排水管道疏通机器人应该配有图像传输装置，传感装置，便于检查排水管道内的环境。在控制车辆中安装显示器实时监控机器人的运行状况。机器人配有穿缆装置，可以进行穿缆作业，为了使机器人行走与电缆收放同步，还带有一个可伸缩的电线设备。排水管道机器人本体结构与外界的控制车相连，由外部运载小车通过线缆提供电源，控制装置，并且配有卷缆设备。机器人的前端配有螺旋叶片，可以疏通堵塞的管道，并且后面可以携带线缆，完成穿缆工作。然后在线缆上安装清淤板，利用外部绞车，让清淤板来回通过管道，将管道中的污泥及杂物刮到两端的检查井中，利用污泥车将污泥抽离。3.14 密封和防腐结构的设计排水管道疏通机器人由于在排水管道的环境中工作，不同于地面上运行，排水管道中有大量的污水存在，应该考虑机器人的密封和防腐的问题。将控制设备等精密部件放在专门设计的箱体内，并且周围加上密封件，我们常用的密封件固定式O型密封圈，O型圈在密封上被广泛应用于各种设备中，是很好的密封材料。排水管道疏通机器人的电机可以直接采用防水电机，控制电缆可采用圆柱橄榄形橡胶密封。机器人长期在排水管道环境中工作，由于城市排放的生活污水，工业废水、管道内淤积的各种腐烂物质等，构成了一个力学因素和电化学因素共同作用的腐蚀环境，使得机器人在排水管道中容易发生化学、电化学腐蚀。若是忽略下水管道中对机器人的腐蚀作用，排水管道疏通机器人的使用时间将大大缩短，并且很容易发生各种故障，使工作效率和质量大大降低。因此在选择材料时, 要对机器人的金属表面进行二次喷涂一些防腐镀膜等,也可涂覆耐腐蚀的涂层材料，要优先考虑选用耐水腐蚀的合金材料,如不锈钢;非金属防水腐蚀材料,如特种尼龙,丁腈橡胶等。3.15 控制系统设计对排水管道疏通机器人的控制主要集中在对驱动步进电机和绞刀的步进电机的控制。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。由于步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。在此，采用使用较为广泛的51单片机AT89C51（晶振频率为12MHZ）对南京华兴电机制造有限公司生产的57BYG4501、57BYG4503步进电机（步距角0.90/1.80，额定电压36V）进行控制。通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过控制芯片驱动步进电机，可实现调速和正反转。设计总结本文在了解我国排水管道疏通现状的基础上，分析国内外城市排水管道疏通、清淤等方面的发展情况和技术现状，并查阅国内外关于排水管道机器人的研究资料，并在此基础上，针对排水管道疏通机器人在排水管道内的作业情况，确定总体方案设计，确定机器人的驱动形式和行走方式，设计机器人的本体结构，预计通过此次毕业设计完成大型排水管道疏通机器人的机械结构的设计，通过采用自动化的排水管道疏通方式，提高排水管道疏通效率，改善工人的作业环境。大型排水管道疏通机器人选用履带式运动方式，与地面的接触面积大，越障能力好，负重能力强，左右轮差动运动，控制简单，运动平稳，能够适应恶劣的工作环境。根据实际应用环境，优化管道机器人的结构布局，机器人本体采用一体式箱体结构设计，并加以密封，防止污水的进入。机器人选用步进电动机驱动，采用有缆控制的方式，内有电源线和信号线。机器人头部携带绞龙，采用螺旋式绞刀设计，可以粉碎管道中的堵塞物，并排出管道。尾部牵着缆绳，配有清淤板，以备把淤泥拉出。机器人由机械本体、控制系统、收放线装置及可视系统四部分组成。地面上放置运载小车，车上配有控制柜、显示器、动力源、收放线装置以及抽污设备等附属装置。通过这次毕业设计，我从中获得
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