小型管道清洁机器人行走机构设计

1目 录1 引言31.1 论文背景、意义及要求31.2 国外、国内研究概况41.3 市场需求预测61.4 设计的重点与难点62 机器人行走机构的设计72.1 空调管道系统介绍及清洗原理 72.2 机器人移动载体方案设计82.2.1 总体方案设计82.2.2 传动方案的设计92.3 张紧机构的设计113. 具体设计计算123.1 移动载体传动计2算123.1.1 左右驱动轮传动计算123.1.2 后万向轮传动计算203.2 张紧启动系统的设计计算243.2.1 气缸的选择243.2.2 启动辅助元件和回路的选择设计263.3 传动齿轮蜗轮蜗杆的尺寸计算 273.4 轴的设计计算和校核273.5 轴承的寿命计算324 机器人转弯时的管道通过性分析334.1 管道机器人在水平直角弯管的通过性分析334.2 管道机器人在矩形管水平圆弧形弯头的通过性分析 355 结构设计3631 引言1.1 论文背景、意义及要求清洁机器人作为服务机器人领域中的一个新产品,尽管目前国内在这方面的研究开发方面已经取得一定的成果, 但是仍有许多关键技术问题需要解决或提高, 行走机构就是其中的一个比较重要的技术。有的可在房间内随机移动，但要求有一定的动力和对地面有足够大的摩擦。事实上，虽然有一些公司推出了一些样品或产品，但却不能达到满意程度：清洁效果不佳，遍历时间长。随着当今社会的发展，空调通风系统在日常生活中发挥着越来越重要的作用。中央空调系统主宰着楼宇中空气的新陈代谢，被称为“建筑物之肺” 。中央空调管道在长期使用中会积累许多灰尘、病菌及放射物等，这些有害物质在送风过程中便污染了空气，长期被人体吸入，就会危害大众的健康。因此人们在迫切要求提高生活质量的同时，要求提高工作居住场所及其他公共场所环境质量(特别是空气质量)的呼声也越来越急切。国外发达国家由于很早以前便应用了众多的中央空调系统，针对空气质量对人身健康的危害，国外民众有比较深刻的认识(1976 年美国费城的军团菌大爆发，事后认定其传染源就是该市某会场内的中央空调)。国外卫生机构相继出台了较为严密的中央空调使用及清洗法规，如:美国国家风管清洗协会制定的行业标准暖通空调系统的评估、清洗和修复标准) C ACR2002 版)和日本制定的日本风道清洗协会技术标准CI990 版)及芬兰新颁布的法律要求宾馆、饭店、洗衣房、工业加工产生粉尘物质的通风系统，每年清洁一次;医院、学校等每 5 年一次。类似的法律可以预见将在世界各地实施。目前发达国家均成立有中央空调风管清洗协会，如:国际通风卫生评议会(TCVH)、美国风道清洗协会(NADCA ) 、欧洲风道清洗协会(EVHA)、英国风道清洗协会(HVCA)旧本风道清洗协会(JADCA)等，国外的集中空调的风道清洗己经形成了一个巨大的产业。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。4当前，人们已认识到中央空调风管内的灰尘是传播病毒的载体， 重视了中央空调的清洗，但是结果不尽人意。原因有三：一是我国大多数中央空调普遍使用粗效过滤器，最多只能过滤空气中 40的可悬浮颗粒物，近 60的颗粒物进入中央空调，依然为病毒载体，当通风时，仍有可能产生交叉感染；二是目前人们只注重中央空调机组的清洗和水处理，殊不知风管面积远远大于机组面积，而中央空调系统内 95以上的藏尘量在风管内，水洗仅降低机体内 10水垢的产生；三是没有机器人参与清洗，人进入风管清洗又存在二次污染。 因此，加强中央空调通风管道的清洗，消除病毒的污染源，必须要求从事中央空调清洗的专业队伍技术先进，设备精良，这使管道清扫机器人步入了历史舞台。 国外从 20 世纪 70 年代末 80 年代初开始重视中央空调的风道清洗，同时，随着计算机、传感器、现代控制理论和技术的发展，为管道机器人的研究应用提供了技术保证。自从 1980 年丹达克林发明了世界上第一台风管清洗机器人直到 1990 年前后，国外的中央空调清洗得以普遍实施，并建立了相应行业及国家标准。 据调研，目前上海安装有中央空调系统的各类楼宇有 3000 多幢， 由于此类管道通常纵横交错，大管道由人来进行管道检测、维修工作不仅费时费力，而且不卫生。口径小、长度长的管道不仅人无法进去检查，而且清扫起来也不容易。因此，管道清扫机器人的出现是一种必然的趋势。 管道清扫机器人能轻松的爬入管道配合其他管道清洗设备将管道中的灰尘、尘螨，甚至昆虫尸体，死老鼠等垃圾一扫而空，最后还能对管道进行消毒。可适用于各种中央空调和除尘等管道的管道检测、清洗、消毒、喷漆等作业。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。1.2 国外、国内研究概况空调清洁技术起源于 60 余年前，是随着中央空调技术同时诞生的。国外从 20 世纪70 年代末 80 年代初开始重视中央空调的风道清洗，直到 1990 年前后中央空调清洗才得以普遍实施，并建立了相应行业及国家标准。目前在所有发达国家无一例外地实施了中央空调的清洗。风管清洗在国外是一个比较5成熟的市场，气清洗机器人设备的研究和开发业相应地比较成熟。据统计，国际上生产清洗机器人的厂家不下 20 家，其中比较著名的有瑞典的 Wintclean 机器人（售价 100 万元） ，丹麦的 Danduct 机器人（售价 80 万元） ，加拿大的 Airtox 机器人（售价 60 万元） ，还有美国的 Nikro、Vsi（售价均为 40 万元）等。这些国外管道机器人，其形状结构大同小异，性能也能大致相当。空调管道机器人应具备的功能有清扫管道灰尘、喷洒消毒药水、携带 CCD 摄像机和传感器单元等，因此机器人必须拥有的“器官”有移动载体、安装清洗工具的部件、CCD 摄像系统和照明系统、通讯系统、操纵控制系统和其他一些辅助设备等。我国对中央空调风管清洗的重要性认识比较晚，对中央空调风管设备的研制起步也比较晚。目前我国对集中式空调的管理尚属空白。据了解，有关清洁公共场所空调的规定和措施，只有卫生部在 2003 年 6 月发出的公共场所中央空调通风系统卫生规范的通知，这还是因为受非典的启示。该规范对场所的空调系统卫生提出了检测标准，并规定公共场所要定期更换或清洗空调通风系统的过滤器（网） 、冷却塔等。在颁布公共场所中央空调通风系统卫生规范后，我国的中央空调风管清洗市场迅速升温，全国各科研机构、企业单位纷纷投入到中央空调风管清洗设备的研制，并取得了很好的成果。据报道，东华大学在该校的一项“自主变位四履带足机器人行走机构”发明专利基础上，首先二次开发了一种具有自主知识产权的新型管道机器人行走机构，能很好的解决管道机器人适应非等径、变截面管道环境的难题。然后再在此基础上研制成功一种可用于矩形和圆形通风管道的清扫、视频检测、喷涂消毒的多功能清洗机器人产品。该机器人和家用的吸尘器差不多大小，四个脚上有四条履带，能够在 9 厘米高的台阶上下。它最大的本领就是能顺畅自如地爬到中央空调的各个角落，甚至到各种形状的通风管道中清扫管道中的垃圾，并且通过视频系统消除各个角落里的细菌、病毒，喷涂各种消毒液。该机器人具有以下几个特点和优势：1）行走机构具备自主管内障碍和防倾覆功能，适用复杂的矩形管道或者圆形管道环境清扫作业要求（国外产品大多仅适用圆形管道） ；2）管道清洗机器人能进入圆管 260mm 以上直径、矩形管道 140mm 以上高度的空调、除尘管道进行清洗；3）机器人采用模块化结构设计和多电机驱动技术，结构简单、维护方便；4）机器人采用计算机图像处理技术。拍摄资料便于保存、播放、携带（国外产品大多采用来录像机储存资料） 。中国科学院兰州分院科研人员研制成功的清洁机器人样机是根据 400 毫米400 毫米和 500 毫米500 毫米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6观察和对污染物进行清洁的功能。中国科学院兰州分院科技合作处工作人员介绍，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 0.5米到 1 米之间；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 30 米，不易损害，能够满足基本需要。同国外同类装置相比，该机器人具有尺寸小、成本低、行动灵活、操作可靠、清洁效率高和应用领域广等特点，并且在移动机构的驱动系统、主动控制臂系统、照明系统和清洁系统的设计上均有创新。国内在中央空调管道清洁设备方面的研究越来越多,并取得了一定的突破性成果。但是,包括以上所叙述的设备在内, 目前国内研制出来的中央空调管道清洁设备还仅限于水平管道或有小坡度管道的清洗,至今还没有发现可用于垂直管道清洗的中央空调管道清洁设备。1.3 市场需求预测据介绍我国有超过 500 万个各类中央空调需清洗保养，而且每年正在以 10%的速度递增，而这些中央空调大部分运行了 20 年以上却从未清洗。就目前而言无论从中央空调风道专业清洗服务公司来讲还是从国内外空调风道清洗机器人设备厂家来看，都不能应付这一庞大的清洗市场。 从国内方面来说，国内空调管道清洗行业市场还未形成，空调风道清洗行业刚刚起步，国内几乎没有清洗公司能够具备一流的清洗服务队伍，满足各类客户需求，而设备生产厂家除了国外发达国家的成熟产品外，国内能够适应各类风道特点并且技术成熟，实用性强的清洗机器人设备厂家更是凤毛麟角。所以我国目前许多地区的中央空调通风管道清洗市场是一片空白！从国外方面来说，虽然国外厂家的机器人性能成熟，但是它是根据自身的中央空调风道的而制造的，但国外的中央空调风道是标准和规范的，而我国的中央空调风道是根据建筑面积设计安装的，各个风道不尽相同，生产规格统一程度较低，各生产厂家的产品规格不尽相同，属非标产品。使得国外进口的清洗设备对于国内很多中央空调来说并不适用，很大一部分不能对我国中央空调风道产生作用。 从以上分析可以看出，我国的中央空调通风管道清洗市场是有很大潜力的，尤其是在 2003 年“非典”疫情传播后，人们对中央空调给人们带来的疾病隐患有了相当大的认识，国家相应地出台了强制性空调清洗的法规，使得风道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。开发适合我国中央空调管道清洗机器人产品有很大的经济价值。1.4 设计的重点与难点本次设计主要设计行走机构及其张紧装置， 对于清洁机器人，移动载体的设计是一7个重点。由于机器人工作于空 间狭小的管道中，要求其移动载体具有很好的转弯能力。国内清洗市场的产品仅适于水平管道的清洗，而本设计要求机器人同时还要能清洗垂直管道。因此，怎样使中央空调管道清洁设备具有能攀爬垂直管道的能力并具有良好的转弯能力是该产品设计的一个重点也是难点。张紧装置的设计也是该课题的重点。张紧装置与移动载体相配合，使得机器人具有垂直上爬能力，因此，张紧装置的设计合理与否，直接关系到机器人的工作能力。2 机器人行走机构的设计2.1 空调管道系统介绍及清洗原理中央空调通风管道按截面形状分有圆管和方管，按管道轴线类型分有直管、 弯管（L 型弯管） 、T 型管和十字型管等，管径和接头没有规范，有较多的斜坡或台阶。在实际的空调通风管道中，使用方管比圆管要多，原因是方管在制作时高度比宽度小，所占去的高度比圆管要少， 并且方管安装方便，所以方管使用比例大。由于加工、使用等原因，实际使用的管道并不一定时理想的几何体，履带、 管道均有一定的弹性，在重力、外界挤压等力的作用下会产生变形。我们在研究管内行走机构动力学时，在不失实际意义的情况下假定：1. 管道具有理想的几何形状，接头和分叉都是理想的几何过度。2. 管道及机器人的履带变形可以忽略。管道清洁机器人的清扫原理：(1) 使用机器人进行风管内部检查；(2) 采用气囊封堵风口；(3) 机器人清扫风管内壁；(4) 使用集尘净化器吸收风管内的菌团和杂质； (5) 监视器观察风管内壁的清洗效果，并录像备案；(6) 恢复风口和工作区域。如图 2.1 所示： 图 2.1 中央空调通风管道清洗示意图82.2 机器人移动载体方案设计2.2.1 总体方案设计机器人移动载体的设计是本次设计的难点之一 如果仅限于地面移动，机器人的移动载体形式有车轮形、履带形、腿脚形、躯干形等四种形态。与其他移动机构相比，车轮形移动机构具有以下一些优点：高速稳定地移动、能量利用率高、机构和控制简单、能借鉴当今已积累的汽车技术与经验等。因此本设计采用轮式结构。按照车轮数目的不同，轮式载体可分为单轮至四轮及五轮以上等几种。其中单轮与两轮主要是用来进行直立稳定移动控制问题的基础研究，而不是着眼于机器人移动机构的实用化问题。如果单考虑平面移动的话，三轮机构已经可以了，但从加强移动过程中的稳定性角度来考虑，目前多数采用的是四轮机构。五轮以上的机构的提出，是因为它在装载重物时具有较大的稳定性，而且适用于台阶、阶梯等非平地状态的移动。因此，本设计采用四轮机构的移动载体。 典型的四轮移动机构有如下几种：1) 两轮独立驱动方式 如下图 2.2 所示：9图 2.2 驱动方式图前后两个为辅助轮（万向轮） ，左右两轮为独立驱动轮，其自转中心与车体中心重合。它的转向不是通过操舵机构的动作，而是依靠左右两轮的差速实现的，当两轮以相反速度方向转动时，车体能饶自身中心自转，以便在狭窄场合改变方向。这种车轮布置方式在灵活性和稳定性上都是比较好的，由于没有操舵机构，因此该机构也比较简单，可以减轻重量，适合空调管道机器人要求体积小重量轻的要求。它的缺点是当遇到沟槽使得左右两驱动轮被架空时，由于驱动轮不着地不能产生动力，这样的话整个机器人便不能移动了。2) 汽车车轮配置方式 如图 2.3 所示：图 2.3 车轮配置方式两个操舵轮需要同一个操舵机构来协调转向，此外后轮配有差动齿轮装置，增加了机构的复杂性。由于它的结构比较复杂，所以仅用于智能汽车等的研究方面，而在机器人的移动机构中不太采用。3) 全方位移动车方式三轮车或四轮车基本是 2 自由度的，不能进行任意的定位和定向。 ODV 的提出就是为了实现机器人任意方向的运动而开发的，它的移动机构具有原地改变方向或以一定姿态角度移动等多种功能。这种 ODV 结构需要有转向操舵机构和多个离合器，因此，虽然其性能很优越，但机构很 复杂，并不适合本设计对移动机构的要求。 10由于本设计的空调管道清洗机器人要求在管道中行走，对其自身的空间尺寸和自重提出了严格的限制。因此要求机器人的各部分结构要尽量简单。综合考虑上面的方案，结合本设计要求，本设计选用两轮独立驱动方式的移动载体。为了克服上述所提到的该机构的缺点，可以在后万向轮中安装一应急电机，同时在轮轴中安装一超越离合器，机器人正常时应急电机不工作，超越离合器处于超越状态，当遇到左右两个驱动轮被架空时，超越离合器处于啮合状态，应急电机工作。2.2.2 传动方案的设计由于齿轮传动具有结构紧凑、工作可靠、使用寿命长、效率高、传动比准确等优点，因此在考虑具体的传动方案时，应该选用齿轮传动。由于两电机独立驱动，两驱动轮的传动方案是一样的，下面以一轮为例来讨论。 在查阅了大量资料之后同时考虑到机器人的水平行走速度和垂直行走速度，经过反复的计算，确定驱动轮的传动方案如图 2.4 所示：图 2.4 驱动轮传动方案图Z7与 Z 10为制造有半牙嵌离合器的齿轮。机器人水平行进时，其速度较高，牙嵌离合器啮合，传力路线为：电机齿轮 Z1 齿轮 Z 2齿轮 Z 3齿轮 Z 4齿轮 Z5齿轮Z6 齿轮 Z7 齿轮 Z10 车轮；机器人垂直行走时速度较低，牙嵌离合器脱离啮合，传力路线为：电机齿轮 Z1 齿轮 Z 2齿轮 Z 3齿轮 Z 4齿轮 Z5齿轮 Z6 齿轮 Z7 齿轮 Z8 齿轮 Z9 齿轮 Z10 车轮。由于后万向轮电机仅在特殊情况下工作，对其传动要求并不很严格，再考虑到安装的难易程度，该传动选为蜗轮蜗杆传动，11其传动比大、所采用的零件数目少、结构紧凑，其传动方案如图 2.5 所示：图 2.5 后万向轮传动方案2.3 张紧机构方案设计在设计张紧机构的过程中，我首先从动力源开始考虑。按照动力源的不同，张紧机构可分为两种：1) 电气张紧 动力由电机提供，考虑理由是电气驱动应用普遍、噪声小、提供动力大。 在电机作为动力源的前提下，传动方案又有两种：A） 丝杠螺母传动 如图 2.6：图 2.6 丝杆螺母传动轮子固定在螺母上，电机带动丝杠转动，使得螺母连同轮子往上移动实现撑紧。这个方案的缺点是机构比较复杂，增加了载重。B） 齿轮齿条传动 如下图 2.7：12图 2.7 齿轮齿条传动轮子固定在齿条上，通过电机带动齿轮转动，使得轮子连同齿条往上移动实现张紧。这个方案的缺点除了结构复杂外还有摩擦很大。2) 气动张紧 由压缩空气驱动气缸提供动力，考虑理由是在所有的驱动方式中，气压驱动操作简单、成本低、易于编程，并且气动能很容易地保持输出压力不变。 考虑方案如图 2.8：图 2.8 气压驱动由于气缸的活塞要求直线往复运动同时又要有轻微的圆弧摆动，因此气缸的安装方式为单耳尾座式。另外，气缸活塞杆承受的力应作用在杆轴线上，不允许有偏载，因此采用连杆机构既可避免活塞杆偏载也能起到增力的作用。3. 具体设计计算3.1 移动载体传动计算133.1.1 左右驱动轮传动计算在前面的方案设计中已经对驱动轮的传动方案进行了讨论，经过反复的计算对比，我选轮子的尺寸为 140mm，即 D=140mm，R=70mm。1） 电机的选择A 电机类型的选择此电机用于驱动机器人行走机构，要求对速度和位移形成反馈，为便于控制，本设计选用直流伺服电机。B 选择电机的容量根据同类产品估计机器的重量为 30Kg ，g 取 9.8N/Kg ，则 G=309.8=294N。 机器水平行走机器水平行走时分配到每个轮子上的载荷为：F= 129473.5GN对驱动轮进行受力分析如图 3.1：图 3.1 驱动轮受力其中：设载体为 5 kg，则 FN=59.8N+73.5N=122.5NMf为滚动摩阻，M f= NF按照实心橡胶轮胎在优质路上时取 =1mm，则：Mf= N=1122.5=122.5（Nmm）=0.1225（Nm）Ff 为轮子与管道面之间的摩擦力， NfFu按照塑料与硬橡胶的摩擦取摩擦系数 u=0.1，则：=0.112.25=12.25（N）NfFu14则轮子行走过程中所受的阻力矩： 312.570.1250.98()WfTfRMNm工作机要求的功率 9WTnP式中： 0.98WTNm由 1236.5(/min)20.7VVnrRR取 .7W则：30.9816.52()57WTPW电机所需的输出的功率 dP水平行走的动力传递路线：电机齿轮 Z1 齿轮 Z 2齿轮 Z 3齿轮 Z 4齿轮 Z5齿轮 Z6 齿轮 Z7 齿轮 Z8 齿轮 Z9 齿轮 Z10 车轮。43rgl式中： 为轴承的传动效率，取为 0.99；r为齿轮啮合效率，取为 0.97；g为离合器效率，取为 0.90.l故有： =43rgl430.9.70.9则有： 25.().WdP 机器垂直行走机器垂直上爬时除了机器自重外还加上电缆等垂直攀爬载重 10kg，故总重量为40kg。 机器垂直上爬的理论功率 409.813.2()PW工作机要求的功率 2.()W15电机所需的功率： WdP其中： 0.1 3.65(/min)27WVnrR垂直行走路线：电机齿轮 Z1 齿轮 Z 2齿轮 Z 3齿轮 Z 4齿轮 Z5齿轮 Z6 齿轮 Z7 齿轮 Z8 齿轮 Z9 齿轮 Z10 车轮。550.70.8rg故有： 2436().1dPWC.确定电动机转速由于单级圆柱齿轮传动传动比范围为 15，则有： 水平行走总传动比： ,电机的转速范围：3152136.5(1-125)=136.5-17062(r/min)垂直行走总传动比： ，电机的转速范围：56136.5(1-15625)=136.5-213281(r/min)查手册选直流伺服电机 110SN002，其额定功率 Ped=40W，额定转速 n=3000r/min其技术参数如下表 1型 号额定功率W额定力矩Nm额定转速min-1额定电流A转动惯量10-5kgm2重 量Kg110SN002 40 0.095 3000 3 1.9 1.1表 2-12） 计算传动装置的总传动比和分配各级传动比 水平行走总传动比水平行走传动比： Wn30216.5i总垂直行走总传动比： .i总因为垂直行走的传动路线包括水平行16走路线，所以可以先按水平行走计算，再加上两级传动成为垂直行走的传动路线。水平行走时平均分配传动比 ，即：32.8i123456ii2.8则垂直行走时的传动比 ，其中 ， 分别为齿轮 7，8 和齿轮7910i， ，总 总 78， 90，9，10 的传动比。因为 =22，故有： =10，平均分配传动比：总 1i， ，= = =3.1678i， 10，3） 计算传动装置的运动和动力参数A. 水平行走 各轴转速n =nW=3000r/min n = 13071.4r/min2.8I107.4382.6/miII r.n.5r/inIIV136./iIr 各轴功率，d25.IP（ W） 25.309.724.3()IIrgPWrg4.309.7II（ ）r .4IVI ()rg2.20IPW B. 垂直行走 各轴转速n =nW=3000r/min n = 13071.4r/min2.8I107.4382.6/miII r17382.64n1.5r/minIIV./iIr 各轴功率 36()IdPW0.974.5I（ ）4532()I3.2.1.8IVP1809706()W.6.2.4VI 各轴转矩由以上计算可以看出,机器人垂直行走时各轴的功率均比水平行走各轴功率大,故计算各轴扭矩时应以垂直行走时的功率计算.:I 轴（电机轴）：3610950.46()dIWPTNmnII 轴：34.7.8()1II III 轴：3.20950.29()86IIPTNmnIV 轴：31.()5IVIV V 轴：30.6950.7()42VPTNmnVI 轴：39.150.5()IIV4) 传动齿轮尺寸计算在该传动系统中虽然齿轮的位置、功能有所不同，并且材料也有所不同，但都是直齿圆柱齿轮传动，都采用的硬齿面，因此18这些齿轮的计算方式是相同的。下面以高速级传动齿轮 Z1，Z 2为例说明齿轮尺寸计算的具体过程。A. 选择齿轮材料、精度等级、齿轮齿数考虑到齿轮传递的功率和扭矩不大，并且机器人的设计要求机器人各部件在满足使用要求的前提下质量要轻，齿轮结构紧凑，所以考虑本级齿轮材料采用工程塑料。通过查阅设计手册，本级齿轮材料选用聚碳酸脂（PC） ，其抗弯强度为 130 MPa，齿面硬度 4550HRC。机器人行走机构传动齿轮对载荷分布均匀性要求高，故选择齿轮精度为 8-8-7。 初选小齿轮齿数 Z1 =20，则 Z 2 =i 1 Z 1 =2.820=56B. 按齿根弯曲疲劳强度设计对闭式硬面齿轮传动，承载能力一般取决于齿根弯曲疲劳强度，故按弯曲强度设计，再校核其接触强度是否满足。齿根弯曲疲劳强度设计公式如下：12gFaSdPKTYmZ确定式中各项数值;按载荷有轻微冲击，查得 KA=1.10,初选载荷系数 Kf=1.5T1=TI=114.6Nmm有公式 得：12.83cosaZ12 1. .832cos01.656 由公式 可得重合度系数0.75.aY.0.25.2.16再通过查表取： 0.5d128FaY1.56SaY.32719有公式 N=60njLk（按设备每天工作 8 小时，年限为 10 年） ，算得齿轮工作应力循环次数分别为： 9160301(30)4.3210kNnjL9924.548i再由上面所求的 N1,N2查得： , 2.30172.456FaY20.89NY按一般可靠度查表选择 SFmin=1.25；按齿轮材料聚碳酸脂（PC） ，查得其弯曲疲劳极限 lim1li230FMpa则有： lim11n30.879.425FNYpaSli22mn.6F1.81560.489FaY2.372.Fa取 设计齿轮模数：10.48FaY将确定后的各项参数代入设计公式，求得： 1332 21.54.607.480.3()tFaStdKTYm mZ修正 ： t 1.31.2(/)60tmznv s再经过查表得： ；.VK1.8K.则 .0217333.7.8.4()15ttmm为提高安全性和便于计算，按第一系列取 标准模数 m=1mm 20则齿轮的主要几何尺寸如下：1120()dmzm22156()dmzm()5638()a取 .5()b 20()B1()BC. 校核齿面接触疲劳强度 齿面接触疲劳强度校核公式：12H HKTuZbd经过查表得： ； ; 30EMPa.5H0.8Z按不允许出现点蚀，查得： ， ；1092N295N查出： ； lim1li24H查表选出 则有：liSlim110.923681HNZMPaSli22m4.50H将确定出的各项数值带入接触强度校核公式，得： 12 21.734.68302.580HEKTuZbd1HMPa因此齿轮的接触强度满足要求。根据同样的计算步骤可以计算出该传动方案中其他齿轮的各参数，现将计算结果列表如下表 3-2：1Z234Z56Z78Z910Z齿数 Z 20 56 20 56 20 56 22 70 19 58分度圆直径 20 56 20 56 20 56 27.5 87.5 27.5 87.521d（mm）齿宽B（mm）12 10 12 10 12 10 7 5 9 7模数m(mm)1 1 1 1 1 1 1.25 1.25 1.25 1.25表 3-23.1.2 后万向轮传动计算1）电机的选择A电机类型的选择由于传动性质与左右两驱动轮传动性质相同，因此这里的电机仍选用直流伺服电机C 选择电机的容量轮子的直径选为 70mm，即 D=70mm，R=35mm，此时移动速度设为 0.44m/s。这时分配到每个轮子上的载荷为：1490252FGN滚动摩阻 Mf 和摩擦力 f 的计算与前同。即：14()fNMm 0.25.FuN则轮子行走过程中所受的阻力矩：34.10.2451.0()WfTfRNm工作机要求的功率 95WTnP式中： 1.02wTNm由 .422(/)10(/min)035VVnrsrRR取 则有：0.7w2231.02519.8959.7WwTnPW电机所需的输出的功率 WdP由传动方案图可知：wrg式中： 为涡轮啮合效率，取为 0.80.w为轴承的传动效率，取为 0.99；r为齿轮啮合的效率，取为 0.97；g故有： 0.89.70.68wrg则有： 125.().76dPW查阅新编非标准设备设计手册 ，选择直流伺服电机 55SZ51，电机的技术参数如表3-3 所示：电压(V)电流(A)型号电枢 励磁 电枢 励磁功率(W)转速（r/min）转矩(Ncm)55SZ51 24 2.25 0.49 29 3000 9.11表 3-32）涡轮蜗杆的计算由于涡轮轴即为车轮轴，因此涡轮转速即为轮子的转速，为 120r/min，涡轮轴为电机轴，转速为 3000r/min，则传动比为 30251iA选择涡轮蜗杆材料，确定许用应力由于该传动作为应急传动，要求其要可靠，所以蜗杆材料为 40Cr，表面淬火，硬度4550HRC；由于该涡轮蜗杆传动只是备用传动，并且转速不高，因为涡轮材料为ZcuA110Fe3Mn2,金属模铸造。23应力循环次数 7260120835.6410hNnL查表得： 8OHMPaOFMPa因此有：7788210108137.5.46NHOHOHZ Pa699 72 60.9.FFY MB选择 ,1Z2传动比 i=25，取 =2,则 =i =225=5012Z1C.按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度设计公式为：22129EHZmdKT查表得 ;0.8A由于 ，取 ；21/Vs1.V因载荷平稳， 取 ；K则载荷系数 =0.88;初选0.81AV0.78=1102.5Nmm21.05wTNm查表得： ；EZMPa将这些数据带入接触强度计算公式，求得： 2 22 312 15990.82. 4.037.EHmdKT mZ按接触强度要求， ，因此可以选取：214.md1112,0,50,0729dqm中心距 2()3aqz24由于 a=30mm 不是标准推荐中心距，如选择标准中心距，涡轮将变位。本设计不采用变位，取 a=30mm 不变。D 演算初设参数涡轮圆周速度 225012.34/6016dnv ms原估计 ，选 值，相符。21/msVK滑动速度 ，所选涡轮材料 ZcuAl10Fe3Mn2 合适。.341.78/2/in06svs蜗杆传动效率 查表得1(.95)29v1780.2.6vtg传动效率 初选 吻合。(.95).1.790.80.78E 验算齿根弯曲疲劳强度验算公式：21.660.FaFFKTYMPamdz蜗轮当量齿数 ，查得齿形系数2335.851cosV2.3FaY则可求得： ，带入上市中可得：10.9Y2.608526.360.9F FMPaPa 弯曲强度满足要求F 蜗杆、涡轮几何尺寸计算蜗杆齿根圆直径： *1127.8ffadhdcm*0.2c蜗杆齿宽： 取12.5.5015bmz1bm蜗轮喉圆直径： *222aaax2x蜗轮齿根圆直径： 47.6ffdhdc蜗轮咽喉母圆半径： 225304agrm254） 超越离合器的选择蜗轮与车轮轴之间应该安装一超越离合器，机器人正常时，超越离合器处于超越状态，当遇到左右两个驱动轮被架空时超越离合器处于啮合状态，此时电机动力通过蜗杆蜗轮和超越离合器传递到车轮轴上，驱动车轮前进。选择超越离合器时应该以计算出的车轮的扭矩 Tw作为主要指标，同时还应该考虑蜗轮直径和车轴的直径。通过查阅相关信息，选择洛阳高新超越机械有限公司的 HFL 冲压外圈滚针超越离合器，这种离合器是一种具有最小径向截面的外星轮式超越离合器。它由薄壁冲压外圈、塑料保持架、镶嵌于保持架中的金属异型弹簧和装于保持架兜孔中的滚针组成，滚针是锁紧原件。我选择的产品型号为 HF1416，其扭矩为 17.3Nm，极限转速为 9500r/min。3.2 张紧启动系统的设计计算3.2.1 气缸的选择机器人垂直上爬时，对其各轮子进行受力分析，如图 3.2：图 3.2 机器人垂直上升轮子受力G 为机器人自重，50Kg；G1 为垂直攀爬载重，10Kg。由力的平衡有等式： 12143fG式中： 112; 2; ;3fNfFNF F 为气缸的张紧力26所以代入可得： 1143FG故有： 12G代入数值可得： 0.509.8所以：F=2940(N)由于在汽缸的使用中采用了 2 倍增力机构，因此汽缸的实际推力为：194017()2FN有公式: 可得：1DP 14FDP式中： 为气缸的静推力；1FD 为气缸活塞的直径；P 为气压；为载荷率。由于这里对气缸的动态参数要求低，且气缸的工作频率低，其载荷率 取为 0.85，取气压 P 为 0.6MPa，则有： 1641704 .6.85FDm查阅手册选取广东肇庆方大气动有限公司生产的气缸内径为 的 10A-5 系列气63m缸，该系列产品引进日本 TAIYO 株式会社技术，主要零部件用铝合金制造，重量轻，无给油润滑。其使用压力范围为（0.05-1.0）MPa，使用温度范围为（-25-80）。3.2.2 启动辅助元件和回路的选择设计为实现汽缸的来回动作，气动回路中必须有换向阀，这里的换向阀应为两位三通换向阀，查阅手册，选择无锡市华通气动制造有限公司生产的 PC 系列二位四通直动式电磁阀，其技术规格如下表 3-4：型号 工作介质 工作压力/MPa额定流量/ 31mh最高换向频率/Hz允许泄漏量/ 31minc工作压力/VPC24-1/2 洁净压缩 0-0.8 10 4011027空气表 3-4另外，在气缸的使用中，安装的气源进口必须设置有气源调节装置，过滤器-减压阀-油雾器，在市场中吧这三种装置做成一个组合件，即三联件，它在气动系统中起着过滤、调压及油雾的作用。这里，我们选择了无锡市华通气动制造有限公司生产的 389 系列三联件，其输出压力为 1MPa，输出压力为 0.6MPa。选择了上述气缸和各种阀后，便可以画出气动系统原理回路如图：图 3.3 气动系统原理3.3 传动齿轮蜗轮蜗杆的尺寸计算这部分齿轮和蜗轮蜗杆的计算步骤与行走载体的齿轮和蜗轮蜗杆传动计算步骤相类似，这里只给出计算结果如下表 3-6 和 3-7齿轮 蜗轮蜗杆1Z23Z4齿轮 Z 18 72 2 24分度圆直径 d 18 72 14 48模数 m 1 1 2 2表 3-628齿轮 蜗轮蜗杆1Z 23Z 4齿轮 Z 19 57 2 28分度圆直径 d 19 57 10 35模数 m 1 1 1.25 1.25表 3-73.4 轴的设计计算和校核本设计中的轴大部分都是以心轴的形式存在的，即只承受弯矩而不承受扭矩，但输出轴既承受弯矩也承受扭矩，因此这里只讨论行走载体的输出轴的设计校核过程。1） 初估轴颈一般按照许用扭转剪切应力的方法估算轴径，估算公式为：3PdCmn主轴采用 40Cr，C 取 98107，这里取 100则对输出轴：33329.410102.965VIdmn2） 轴的结构设计在最小轴径的基础上，根据轴上零件的位置类型尺寸，以及定位定位方式和载荷情况，我们就可以设计阶梯轴的轴向尺寸和形状，对于要与例如轴承等标准零件配合的部分，应采用标准的轴径，其他部分的轴径和轴肩尺寸，只要略高于前端轴径即可。在进行机构的具体设计时，考虑到具体的结构定位问题，把 IV 轴和 VI 轴做成是同一根轴，对于其是否满足强度要求可以通过下面对轴的强度校核来说明。经过具体的设计，行走载体输出轴的结构图 3.4 所示：29图 3.4 行走机构输出轴3） 轴的校核由于机器人水平行走和垂直行走要求不同的传力路线，这里以垂直行走的传力路线校核轴的强度。对输出轴进行受力分析，如图 3.5图 3.5 输出轴受力分析其中： 56320.892.ftTNmFd6.3.17rtgatg7262.5tTNdm71059rtFgatg 926.74.65tTd101.20178.9rtgaNtgN 3012940735NFN.f由于齿轮 6 和齿轮 7 为通过轴承空套在轴上，因此其切向力 和 对轴的弯矩不产6tF7t生影响，只需考虑径向力 和 。另外， 是通过两端的深沟球轴承作用在轴上的，6rF7r6rF而由于 离轴端很近，可认为其直接作用在轴端，经过以上分析，可把轴简化为图 3.66rF图 3.6 受力简化图图中： 1049.687.521.2tMFdNmN7.53r65923.40.rF把其中受力分解为水平和垂直两个方向：水平方向受力如图 3.7 所示：图 3.7 水平受力求得支反力： , 1364.5RN295.7RN作出其剪力图和弯矩图如下图 3.831图 3.8 剪力图弯矩图垂直方向受力如图 3.9 所示：图 3.9 垂直方向受力图求得支反力： ， 1356RN2306.4RN作出其剪力图和弯矩如图 3.10：图 3.10 垂直方向剪力图 弯矩图从弯矩图上可以看出，轴的危险截面为截面，求得各截面的合成弯矩如下：3222640659()IMNm7873I2213.41()I59.IV Nm按弯矩合成校核轴的强度：对截面，由于其半径相同，只需校核 I 截面即可：2 2226590.15360.7caIMTMPaW对截面: ,由于截面带有键槽，查得此时的抗弯截面系数22()caIT，代入数值得：232btd234.513.12W所以 220.61568.9caIMTMPa对截面，其只受弯矩的作用，故有：33182.4.57.0caIVWd输出轴材料采用 40Cr，其许用弯曲应力 ，由此可见，该轴的几个危10hPa险截面满足强度要求。3.5 轴承的寿命计算这里计算输出轴上的角接触球轴承的寿命。(1) 计算轴承所受的径向载荷 R1和 R2由前面轴的校核计算已知：水平支反力 , 1364.5HN295.7HRN垂直支反力 ， V3064V求得合成支反力：22211.53581.6HVRN3322295.7306.413HVRN(2) 计算轴承的轴向载荷 A1和 A2由于成对安装两个同一型号的角接触处可按双列轴承的数值，查得内径为 17mm 的双列角接触球轴承的 C=14KN,Co=8.65KN。轴承内部派生轴向力 S=eR，其中 e 为判断系数，其值有 的大小来确定，先估取0ACe=0.4，则有：110.4.358.6142.()SRN22因为 ,所以轴承 1“放松” ，轴承 2“压紧”1因此 2143.6()ASN求得 ，代入公式在此计算得：12304.60.785C120.34e1.1.2.()SeR234094N同理由轴向载荷判断比较知轴承 1“放松” 、轴承 2“压紧” ，故有：1217.AS(3) 计算轴承的当量动载荷 P1和 P2因为 1eR22.038e查表得径向载荷系数和轴向载荷系数为：轴承 1 , ;X1Y轴承 2 , 0.562.(选公称接触角 a=5的角接触球轴承，其动载荷系数按深沟球轴承取)因为 ,故应以 计算轴承的寿命：12P134361047258.()58.hLhn4 机器人转弯时的管道通过性分析机器人在直线方管中能通过的最小管道尺寸：438mm(宽)294mm(高)而确定机器人的弯道通过性是十分重要的，因为管道机器人在管道弯道行走时，如管道环境和机器人尺寸不适应，可能会产生卡住现象，造成机器人在管道内进退两难。因此机器人要能安全通过弯道，必须充分考虑管道的通过性。4.1 管道机器人在水平直角弯管的通过性分析如下图：图 4.1 普通垂直相交管道情况管道机器人在直角弯管中行进的状态如图 3.12 所示。设管道宽度一端为 a，另一端 b，机器人长 l，如图所示正通过矩形管直角弯道。以图中 O 点为原点，建立图示坐标系，设机器人的一边始终沿着管道外侧运动，即 B 点始终在 x 轴上，C 点始终在 Y 轴上，保证最大限度地利用管道空间。在 BC 连线从 x 轴运动到 Y 轴的过程中，A 点到 BC 线段最短距离就是该弯角所能允许的最大机器入宽度，由此可判定机线段最短距离就是该