毕业设计（论文）-一种蠕动式管道机器人的机构设计(含全套CAD图纸)

优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763摘要在现代，无论是工业、农业还是国防领域中都有纵横交错的管道。如何保障这些管道系统的安全性和有效性，对于我困经济发展至关重要。管道机器人是工作在输送管道内，用于完成管道缺陷检测、修复等的智能装置，是保障管道安全的重要工具。由于管道内环境复杂，对管道机器人的设计要求驱动单元结构简单、驱动效率高，同时对复杂的管内环境具有自适应能力。因此研制具有结构简单、驱动效率高、具有管内环境自适应能力的管道机器人具有重要意义。该蠕动式管道机器人由三部分组成，包括一个伸缩模块和两个支撑夹紧模块。伸缩模块主要由主执行器和四组齿轮齿条构成，利用齿轮齿条的往复移动来实现机器人的行走；两个支撑夹紧模块结构上完全一样，通过曲柄滑块机构使机器人的脚与管壁压紧，从而产生机器人行走所需的静摩擦力。伸缩模块和支撑模块按一定的顺序循环工作，从而实现机器人在管道内的行走。本文首先通过分析国内外研究现况和现有管道机器的结构特点及原理提出自己的设计方案，接着从动作原理和运动特性、动力特性等角度分析了该机器人的结构及性能特点，让后对机器人各模块进行了详细设计与校核，最后采用PRO/E对该机器人进行了三维设计以及采用AUTOCAD绘图软件绘制了该机器人的装配图和主要零件图。关键字蠕动，管道，机器人，设计优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763ABSTRACTINMODERNTIMES,WHETHERINDUSTRIAL,AGRICULTURALORDEFENSEINBOTHPIPELINESCRISSCROSSHOWTOPROTECTTHESAFETYANDEFFECTIVENESSOFTHESEPIPINGSYSTEMS,ECONOMICDEVELOPMENTISESSENTIALFORMESLEEPYPIPELINEROBOTISWORKINGINTHEPIPELINEFORTHECOMPLETIONOFTHEPIPELINEDEFECTINSPECTION,REPAIR,ANDOTHERSMARTDEVICES,ISANIMPORTANTTOOLTOPROTECTTHESAFETYOFPIPELINESDUETOTHECOMPLEXITYOFTHEENVIRONMENTINTHEPIPELINE,THEPIPELINEROBOTDESIGNREQUIREMENTSDRIVINGASIMPLECELLSTRUCTURE,HIGHDRIVEEFFICIENCY,WHILETHEINNERTUBEENVIRONMENTSWITHCOMPLEXADAPTIVECAPACITYTHEREFORE,THEDEVELOPMENTOFASIMPLESTRUCTURE,HIGHDRIVEEFFICIENCY,ENVIRONMENTALADAPTIVEABILITYOFTHETUBEPIPEROBOTISIMPORTANTTHEPERISTALTICPIPEROBOTCONSISTSOFTHREEPARTS,INCLUDINGATELESCOPINGCLAMPMODULEANDTWOSUPPORTMODULESTELESCOPICMODULEISCOMPOSEDPRIMARILYOFFOURMAINACTUATORANDGEARRACK,THEGEARRACKTOACHIEVETHERECIPROCATINGMOVEMENTOFTHEWALKINGROBOTTWOSUPPORTINGSTRUCTURESARECOMPLETELYTHESAMEASTHECLAMPINGBLOCK,SLIDERCRANKMECHANISMOFTHEROBOTTHROUGHTHEFEETANDTHETUBEPRESSINGTHEWALLSTOPRODUCETHEREQUIREDSTATICFRICTIONWALKINGROBOTTELESCOPINGMODULEANDSUPPORTMODULECYCLEWORKACCORDINGTOACERTAINORDERTOACHIEVETHEROBOTTOWALKINTHEPIPELINEFIRSTLY,MAKETHEIROWNDESIGNSBYANALYZINGTHESTRUCTURALCHARACTERISTICSANDTHEPRINCIPLEOFSTATUSQUOANDEXISTINGDOMESTICPIPELINEMACHINES,THENFROMTHEACTIONPRINCIPLEANDMOTIONCHARACTERISTICS,DYNAMICCHARACTERISTICS,SUCHASPAPERANALYZESTHESTRUCTUREANDPERFORMANCECHARACTERISTICSOFTHEROBOT,SOTHATAFTEREACHMODULEISADETAILEDROBOTDESIGNANDVERIFICATION,FINALLYUSINGPRO/ETHEROBOTUSESATHREEDIMENSIONALDESIGNANDDRAWINGSOFTWAREAUTOCADDRAWINGTHEASSEMBLYDRAWINGOFTHEROBOTANDTHEMAINPARTSDIAGRAMKEYWORDSMOTILITY,PIPES,ROBOTICS,DESIGN优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111研究背景及意义112国内外研究概况113蠕动式管道机器人概述4第二章总体设计与特性分析621驱动方式的选择622结构方案设计6221蠕动方式选定6222支撑夹紧机构设计823总体方案确定824运动及动力学特性分析9241直线运动9242转弯运动11第三章各组成部分的设计1431性能参数的选定1432蠕动行走机构的设计14322伺服电机的选定14321运动及动力参数计算15323减速器的选定15323圆锥齿轮传动的设计16324齿轮齿条传动的设计19325传动轴的设计及轴上零件的选定22326机架的设计2533支撑夹紧机构设计26331伺服电机的选定26优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763332运动及动力参数选定26333减速器的选定26334曲柄滑块机构设计27335机架的设计3034机器人各模块基于PRO/E的三维设计30341蠕动行走模块30342上部支撑夹紧模块31343下部支撑夹紧模块31343机器人整体设计32第四章控制系统的设计3341控制系统组成33411蠕动式机器人控制系统33412核心器件的选择3342蠕动式机器人的具体控制方法35结论36参考文献37致谢38优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763第一章绪论11研究背景及意义随着社会的发展和人民生活水平的提高，空调和天然气管道以及各种输送管道的应用越来越多。在我国及世界各个国家内，由于地形的限制和土地资源的有限，在地下都埋设了很多的输送管道，例如天然气管道、石油管道等，在埋有管道的地面上面都已经建成了很多的建筑物、公路等，给管道的维修和维护造成了很大的困难。当这些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等问题时，人们普通的做法是挖开道路进行维修，有些时候如果不能准确判断泄露和堵塞的具体位置时，会浪费很多的时间和精力，同时降低了工作效率。随着机电一体化技术的发展，以及机器人技术的发展和管道测试等技术的进一步发展，相互之间的渗透程度越来越深，人们制造出各种各样的管道机器人来进行对各种管道的维修、维护和检测。管道机器人可以进入人们无法进入的管道中，完成一定的规定任务如检测管道的裂缝、清扫管道，这样的话，人们不再为了维修、维护管道时挖开道路，或是对空调等完全拆卸开，节省了大量的人力，物力和财力。目前的管道机器人都是以履带、轮子等实现在管道中的移动，这样有很多的缺点。例如目前的管道机器人都是为了专门的管道而设计的，通用性不好，举个例子，当轮式或是履带式的管道机器人在有一定的液体的管道中运动时，会发生滑动，使机器人在管道中不能行走，不能完成指定的任务。还有就是这些机器人的设计不能实现在倾斜的或是垂直的管道中行走，有些即使能在垂直的管道中行走但是不能适应有液体的管道，以上的原因大大的限制了管道机器人的工作范围。因此设计一种通用性更强，结构更紧凑，动作运行平稳，能够适应管道截面变化的新型管道机器人非常必要。研制该机器人的目的是为了帮助人们摆脱繁重的劳动和简单的重复劳动，以及替代人到危险环境中进行作业，因此机器人最早在汽车制造业和核工业领域得以应用。在自来水供应、煤气供应、飞机、潜艇、石油天然气、核发电站等环境中存在着大量人类无法进入的微细管道和危险区域。这些管道在经过一段时间的腐蚀和重压后，会出现裂纹、漏孔等现象。如果这些管道发生泄漏，将导致无法预计的损失和危害。为提高管道的寿命、防止泄漏等事故的发生，就必须对管道进行有效的检测维护，管道机器人为满足该需要而产生。12国内外研究概况优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763管道机器人的驱动源大致有以下几种微型电机、压电驱动、形状记忆合金（SMA）、气动驱动、磁致伸缩驱动、电磁转换驱动等。管道机器人按照驱动方式大致可以分为以下三种，如图11所示。1）自驱动（自带动力源）；2）利用流体推力；3）通过弹性杆外加推力；图11管道机器人的基本形式（1）自驱动管内机器人自驱动管内机器人包括图1所示的轮式、脚式、爬行式、蠕动式，还包括履带式等。1）轮式日本东芝公司于1997年研制了一台轮式管内移动机器人，前部带有一部微型CCD摄像机，能分辨管内异物并用微型机械手实现清理。胶管联接可过弯管，适应管径25MM；行走速度036M/MIN；自重16G。该机器人采用多轮驱动式为了增加牵引力，由于轮径太小，越障能力有限，而且结构复杂。2）脚式西门子公司WERNERNEUBAUER等人研制的微管道机器人有4、6、8支脚三种类型，可在各种类型的管里移动，其基本原理是利用腿推压管来支撑个体，多腿可以方便地在各种形状的弯管道内移动。3）蠕动式清华大学研制了一套小型蠕动机器人系统，其结构如图12，由1蠕动体和2、3、4电致伸缩位移器组成。蠕动体的蠕动变形形态由粘贴于柔性铰链部位的电阻应变实时感应，机器人的外形尺寸为1506146MM，重2KG，最大步距10M，行程40MM，运动精度02M。优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763图12蠕动体结构示意图（2）利用管道流体压力利用管道流体压力对管道进行直接检测和清理技术的研究始于上世纪50年代，受当时的技术水平的限制，其主要的成果是无动力的管道清理设备PIG，此类设备依靠管内流体的压力差产生驱动力，随着管内流体的流动方向向前移动，并可携带多种传感器。但是PIG自身没有行走能力，其移动速度、检测区域不易控制。上海大学利用石油管道的石油高压研制成在役石油管道检测机器人如图13，该型机器人分成多节，利用与管道密封的橡胶环（皮碗），相当于活塞，在输油管内压力油作用下，推动检测机器人向前行走，主要由探头1、高压密封件2、电机仓3、电池仓4、仪器仓5、仪器仓6、万向节7、里程仓8、清管器9和皮碗10组成。图13利用管内流体压力的管道机器人（3）管外加推力日本东京科技学院利用外加推力研制成“螺旋原理”的微型机器人如图14。利用在管外的电机推动带有弹性的线推动驱动部件前进，该驱动部件可以越过小的台阶。图14管外加力的管道机器人优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或130413976313蠕动式管道机器人概述蠕动式机器人在柔软狭窄环境中有着轮式和足式机器人无法比拟的优势，并具有良好的稳定性和运动性能。因此，蠕动式机器人在太空探索，危险环境下作业，工业和城市管道检测以及医疗上的疾病诊断及微创手术等领域有着广泛的应用前景。（1）蠕动式机器人的优势1）稳定性在崎岖不平的地区运动时，轮式和足式机器人存在翻倒的危险。基底与机器人的接触点，形成一个凸多边形，当机器人系统的重心超出了由接触点构成的凸多边形的边线时，机器人就会摔倒。而驱动式机器人在大多数情况下的势能会处于较低的状态，因此，机器人因重心超出凸多边形边线而摔倒的问题几乎不存在，其运动的稳定性更好。2）穿越能力蠕动式机器人在理论上能够越过数倍于其高度的障碍，这对于轮式和足式机器人几乎是不可能的。很多运动系统采用轮式来获得足够的运动能力，但轮式机器人在松软的地面和柔软材料的表面上很难进行有效的运动；足式机器人在粗糙不平的表面上运动存在被卡住的危险。而蠕动式机器人在柔软或粗糙不平的表面上具有更好的运动能力，同时能够穿越有障碍物的环境，具有良好的穿越能力。3）牵引力牵引力是指加到运动系统上，驱动其向前运动的力。牵引力通常受运动系统的重量和摩擦系数的影响。轮式和足式机器人的重量分布较为集中，在松软的地面和柔软材料的表面上容易陷入其中。而蠕动式机器人的重量相对来说分布在更大的面积上，在机器人具有同等重量的情况下，蠕动式机器人在松软的表面上运动比轮式和足式机器人更有优势，能提供较大的牵引力。4）尺寸微型化相对于轮式和足式机器人，蠕动式机器人的驱动器和本体更适合采用智能材料，可以利用智能材料的特性来实现运动，其尺寸更易微型化，因此多数的蠕动机器人体形细长。对于细长狭窄的空间，蠕动式机器人更适合进入狭窄空间进行作业。（2）蠕动式机器人的应用2）工业管道检测在工业领域中存在着大量的狭小区域，如水管，天然气管道，输油管道等。很多工业运用管道镜来进行检测，但是这要求工厂需要修改设计，增加通道入口来放置管道镜。而蠕动式管道机器人可以通过运动到达需要检测的地点，节省了费用。具有现场检测和精确定位功能的高效蠕动式管道机器人不仅能够节省费用，更能减优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763少管道检测的时间，提高管道检测的效率。2）医疗领域蠕动式机器人因其在医疗领域的潜在应用价值而受到关注。微创手术减少了手术中大面积切开皮肤组织的需要。这将大大减轻给患者带来的严重不适及痛苦，减少对人体其它完好组织的伤害，缩短康复时间消除手术引起的副作用，降低医疗费用，减轻患者的生理痛苦和医疗人员手术操作时的心理压力。内窥镜就属于这类应用。3）危险环境中作业人类的活动有很多禁区，如辐射、高温、有毒、低压等环境，然而这样的地区却是必须要被经常检查以确保安全。另外，在一些意外灾害，如地震、爆炸、飓风、火灾等情况下，需要及时搜救被困人员，解救伤员。蠕动式机器人适合在狭窄的环境下作业，能够很好的在这些场合完成任务。在蠕动式机器人上安装生命传感器，进入受灾现场，能够减少大型挖掘设备对受伤人员带来的伤害，并提高救援效率。优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763第二章总体设计与特性分析21驱动方式的选择蠕动式管道机器人运动是简单的重复性运动，其主要运动形式只有“收缩一伸长”。蠕动式机器人的结构设计并不是十分困难，但是对蠕动式机器人的控制相对困难。因此，必须全面考虑机器人系统的组成。适合做蠕动式机器人的驱动方式有SMA驱动，压电驱动，电机驱动，电磁驱动和气动驱动等。表31为几种驱动方式的比较综合考虑到蠕动式管道机器人的结构和控制的简单和方便性，本次选用伺服电机驱动。22结构方案设计221蠕动方式选定（1）方案1曲柄滑块式蠕动方式曲柄滑块式蠕动方式，如下图优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763图21曲柄滑块式蠕动方式曲柄滑块机构容易实现，成本较低，不需要太多的加工。但是由于曲柄滑块机构有急回特性，使蠕动式管道机器人的速度很难控制，并且不能实现它的匀速运动。而且曲柄滑块机构占用的空间很大，不利于机器人向小型化发展。（2）方案2齿轮齿条式蠕动方式齿轮齿条式蠕动方式，如下图图22齿轮齿条式蠕动方式齿轮齿条机构相对其他的机构来说最大的特点是能够实现匀速运动，同时刚度等条件容易达到规定的要求。成本也较低，只需要简单的啮合就能实现本设计的要求，而且占用的空间小，运动稳定。综合以上的方案评价和比较和各类因素，选择方案2的齿轮齿条式蠕动方式相对运行稳定，结构简单，容易实现，可以实现匀速运动。因此驱动方式选用齿轮齿条的形式，结构如下图示。优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763图23齿轮齿条式蠕动方式222支撑夹紧机构设计为适应管道截面的几何变形，需设计可适应不同截面大小的蠕动行走时的支撑夹紧机构，该机构必须能根据不同截面形状和大小自动调整支撑夹紧部件的长度。综合考虑蠕动式管道机器人的结构和控制的简单和方便性，本次选用曲柄滑块式支撑夹紧机构。曲柄滑块机构容易实现，成本较低，不需要太多的加工。曲柄滑块式支撑夹紧机构如下图优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763图24支撑夹紧机构23总体方案确定如图25所示，该蠕动式管道机器人由上部支撑夹紧机构、中间蠕动行走机构、下部支撑夹紧机构三部分组成。图25蠕动式管道机器人总体结构24运动及动力学特性分析241直线运动优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763（1）直线运动原理分析当机器人直行时，如图26中所示过程，首先下部夹紧机构与管道内壁夹紧，中间蠕动行走机构的四个齿轮同向同速转动带动齿条移动，此时上部夹紧机构、中间蠕动行走机构在齿条的作用下向前伸出到达极限位置时，上部夹紧机构与管道内壁夹紧，下部夹紧机构松开，中间蠕动行走机构的四个齿轮同向同速反转带动齿条移动，此时下部夹紧机构、中间蠕动行走机构在齿条的作用下向前收缩到达极限位置。这样一次蠕动行走循环完成，进入下一个蠕动行走循环。在蠕动行走过程中由于夹紧装置长度可根据不同管道截面形状和尺寸径变化因此可以适应不同截面形状和尺寸的管道。图26直线运动原理图27直线运动齿轮齿条状态（2）直线运动动力学分析直线运动时受力比较简单，腿部与管壁间的摩擦力提供机器人行走的驱动力，优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763极限情况为机器人沿管壁垂直向上运动时克服自身重力上升。此时齿轮与齿条的负载为G1或G2，所需要的腿部总摩擦力为G1G2，即满足下述力学方程）（下部模块上升时）（上部模块上升时）齿齿GF144图28直线运动动力学分析242转弯运动当机器人遇到T型或L型管道需要转弯时，如图27中所示过程，原理与直线运动类似，不过需要变向时机器人用于驱动齿条伸缩的两侧齿轮转速不同从而使机器人机身向需转弯的方向弯曲实现转弯。优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763图29转弯运动原理分析图210转弯运动齿轮齿条状态优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763图210转弯运动学分析几何关系满足其中SINCO1LBA）（）（）（CLBLASINOS11（XM，YM）坐标SIN2COS12SI11DLYDLXM）（）（）（XU，YU）坐标优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763COSSIN2COS1I2SIN11UUUUHDLYDLX）（）（）（优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763第三章各组成部分的设计31性能参数的选定通过对现在常用管道的截面形状、尺寸、管道布置等的统计与分析初步选定本次设计的蠕动式管道机器人性能参数如下行走速度10M/MIN自重10KG净载重5KG机身尺寸351MM155MM155MM自适应管道直径范围150MM400MM工作电压12V32蠕动行走机构的设计322伺服电机的选定（1）估算所需电机最大功率根据第二章的分析可以知道该机器人行走时所需最大功率出现在机器人满载5KG重物下克服重力沿竖直管道向上行走时，此时机器人克服重力做功。NGG31489510322MAX重重克SV/61IN/0WSMNVP/64MAXAX克需716093098齿条轴承锥齿联减，因此选定电机额定功率为30WW721609MAX需（2）电机转速的选定对于相同额定功率的伺服电机，转速越高后面所需的减速装置结构尺寸、重量越大，转速越底电机本身的结构尺寸、重量越大以及价格也越贵。但转速对减速装置结构尺寸和重量的影响相对较到，考虑到机器人的结构紧凑性，本次选定额定转速为500R/MIN的伺服电机综上述（1）、（2）蠕动行走机构选定额定功率为30W，额定转速为500R/MIN的伺服电机，型号为SG60ZYJ。优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763321运动及动力参数计算（1）总传动比的计算初步选定驱动齿条的齿轮分度圆直径为30MM，则齿轮转速为MIN/2106/314IN0RMDVN齿则总传动比为714I/5IW齿（2）传动比分配为保证传动系的结构紧凑性，采用与伺服电机配套连接的减速器直接减速，开式齿轮只做传递动力用，不用做减速。即齿条锥齿减II174（3）各轴参数计算各轴的转速输入锥齿轮轴；MIN/21067451RINM减圆柱齿轮轴；I/12I锥齿各轴的输入功率输入锥齿轮轴；WP526980301联减圆柱齿轮轴；45262锥齿各轴的输入转矩输入锥齿轮轴；MNNPT3821069011圆柱齿轮轴；45212323减速器的选定前述已选定减速比，为保证传动系的结构紧凑性，选用与伺服电机配74减I套连接的减速器，减速比为。1减优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763323圆锥齿轮传动的设计（1）选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数齿形角；顶隙系数；齿顶高系数；轴夹角。2002C1AH90根据课本表101，材料选择，大小齿轮材料均为45钢（调质），硬度均为280HBS。根据课本表108，选择7级精度。传动比U/12Z1节锥角，45ARCTNU45902不产生根切的最小齿数12121MINSIN/COHAZ选20，U201201Z21Z（2）按齿面接触疲劳强度设计2921TD321250UKTZRHE试选载荷系数15TK计算小齿轮传递的扭矩2383NM1T选取齿宽系数03R由课本表106查得材料弹性影响系数1289EZMPA由图1021D按齿面的硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限LIM160HMPA大齿轮的接触疲劳极限LIM250HA计算应力循环次数，81105436138460HJLNN81203/UN由图1019查得接触疲劳寿命系数，921HNK96HN计算接触疲劳许用应力MPASKHN56092/1LIM182LI2优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763试算小齿轮的分度圆直径,代入中的较小值得H292363MM1TD321250UKTZRE计算圆周速度VMM836501RTMD（3141593081062）/（601000）017M/S10/NV计算载荷系数齿轮的使用系数载荷状态轻微震动，查表102得12AK由图108查得动载系数11VK由表103查得齿间载荷分配系数10HF依据大齿轮两端支承，小齿轮悬臂布置，查表109得轴承系数117BEHK由公式121211714HKFBEH接触强度载荷系数12111014185AKVH按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径363389MM31/TTD351/8M/389/20195MM取标准值M20MMZ计算齿轮的相关参数M22040MM1DZM22040MM2904545/ARCTN1U21MDR381021确定并圆整齿宽BR03283848MM，圆整取10，RMB1021（3）校核齿根弯曲疲劳强度优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763确定弯曲强度载荷系数K19AKVF计算当量齿数/COS20/COS452831VZ1/COS20/COS4528322查表105得291，153，291，1531FAY1SA2FAY2SA计算弯曲疲劳许用应力由图1018查得弯曲疲劳寿命系数082，0821FNK2FN取安全系数13FS由图1020C查得齿轮的弯曲疲劳强度极限500MPA，380MPA1FN2FN按脉动循环变应力确定许用弯曲应力MPASKFNF4351/082/1122校核弯曲强度根据弯曲强度条件公式FRSAFFZBMYKT221503447MPAMPZBMYKTRSAFF3109851222211F332MPAARSAFF051622222F满足弯曲强度要求，所选参数合适。（4）数据整理名称符号公式直齿圆锥齿轮1直齿圆锥齿轮2齿数ZZ2020模数MM2传动比II1分度圆锥度，ARCTG111290。4545分度圆直径DZD4040优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763齿顶高AHMHA22齿根高FCF2424齿全高HFA4444齿顶圆直径AD，11OS2HDA2CA4283大端4283（大端）齿根圆直径F11MFF22S36613661齿距PP628628齿厚SS314314齿槽宽E2E314314顶隙CMC0404锥距R21D283283齿顶角A，1FA1FA854854齿根角FRHRCTGF2齿顶圆锥角A，11AA2299齿根圆锥角F，FF15401540齿宽BRB1010324齿轮齿条传动的设计（1）选精度等级、材料和齿数采用7级精度，选择齿轮材料为45（调质）硬度为240HBS，机器人转弯时齿条需弯曲因此选定齿条材料为能够弯曲的树脂材料。初选齿轮齿数，201Z（2）按齿面接触疲劳强度设计由设计计算公式进行试算，即3211HEDTTZUTKD由于本传动为齿轮齿条传动，传动比近似无穷大，所以1U1确定公式各计算数值优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763试选载荷系数31TK计算齿轮传递的转矩MNT2选取齿宽系数50D由表63查得材料的弹性影响系数2/189MPAZE由图614按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限H501LIM由式611计算应力循环次数8110728320660HJLNN由图616查得接触疲劳强度寿命系数91NZ计算接触疲劳强度许用应力取失效概率为1，安全系数为S1，由式1012得MPASZHN5069201LIM1试算齿轮分度圆直径TDMDT621508915023131计算圆周速度SNDVT/20461计算齿宽BTD80251模数MZMTNT01齿高432/810/432852HBHNT，计算载荷系数K根据，7级精度，查得动载荷系数SMV/10VK假设，由表查得NBFTA01FH优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763由于齿条需经常弯曲，选定使用系数51AK由表查得，29351HK261F故载荷系数962305HVA按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式可得MDTT82431/962/331ZM084（3）按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为321FSDNYZKT确定公式内的计算数值由图615查得齿轮的弯曲疲劳强度极限MPAFE3801由图616查得弯曲疲劳寿命系数1NZ920N计算弯曲疲劳许用应力，取失效概率为1，安全系数为S13PASZFENF25731801计算载荷系数912601FVAK查取齿形系数由表64查得821AY查取应力校正系数由表64查得5S计算齿轮的，FSAY0168725781FSAY计算模数MM3106872933对比计算结果，由齿根弯曲疲劳强度计算的模数大于由齿面接触疲劳强度计算的模数，可取有弯曲强度算得的模数131MM，并圆整为标准值取M15MM优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763（4）几何尺寸计算计算分度圆直径MZD305121计算齿宽宽度DB151序号名称符号计算公式及参数选择1齿数Z202模数M15MM3分度圆直径21DM304齿顶高AH515齿根高F876全齿高HM357顶隙C08齿顶圆直径21D9齿根圆直径43F25610齿宽BM1325传动轴的设计及轴上零件的选定轴上的功率P2,转速N2和转矩T2，W641IN/10RMNT21（1）初步确定轴的最小直径先按式初步估算轴的最小直径。选取轴的材料45钢，调质处理。根3DCN据机械设计表113，取，于是得12MD96210431该处开有键槽故轴径加大1015，且最小直径显然是安装齿轮处的直径，1D优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763由于计算轴径比较小，键槽对小轴径轴的强度削弱比较大，因此该处轴径适当加大，取；。MD12L01（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度（A）为了满足大带轮的轴向定位的要求2轴段左端需制出轴肩，轴肩高度轴肩高度，取故取2段的直径，长度。DH07MH840MD14ML402（B）初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力较小，故选用深沟球轴承。根据，查机械设计手册选取0基本游隙组，标准精度级的深沟球轴承M126003，故，。D13L23（C）齿轮处由于齿轮分度圆直径，故采用齿轮与轴分开采用键连接的31D形式，齿轮宽度B15MM，故取。ML42（3）轴上零件的周向定位查机械设计表，联接大带轮的平键截面。MLHB124（4）强度校核计算（A）求作用在轴上的力已知高速级齿轮的分度圆直径为52，根据机械设计（轴的设计计算DM部分未作说明皆查此书）式1014，则NFNTGDTANTRT075320147323（B）求轴上的载荷首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。在确定轴承支点位置时，从手册中查取A值。对于6003型深沟球轴承，由手册中查得A8MM。因此，轴的支撑跨距为L168MM。根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构图以及弯矩和扭矩图可以看出截面C是轴的危险截面。先计算出截面C处的MH、MV及M的值列于下表。载荷水平面H垂直面V优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763支反力F，NH143FH162，NFNV137FV162C截面弯矩MMLN8532MMLA532总弯矩NMVH680122MAX扭矩T图31轴的轴力、弯矩和扭矩图（C）按弯扭合成应力校核轴的强度根据式155及上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力，取，轴60的计算应力优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763MPAWTMCA317120683222已选定轴的材料为45CR，调质处理。由表151查得。因此0P1，故安全。1CA（4）键的选择采用圆头普通平键A型（GB/T10961979）连接，联接齿的平键截面，。齿轮与轴的配合为，滚动轴MLHB124MPAP1076HR承与轴的周向定位是过渡配合保证的，此外选轴的直径尺寸公差为。M校核键联接的强度键、轴材料都是钢，由机械设计查得键联接的许用挤压力为MPAP120键的工作长度MBL10241，合适PPADLKT431825131（5）轴上轴承的计算查的预计寿命30000H查表得轴承的基本额定动载荷C408KN温度系数1（假定工作时温度100度）TF载荷系数12P3对球轴承由上面轴的力学分析可得NFAR0753由，可得径向载荷系数MAX014625RF1X轴向载荷系数0Y故其当量动载荷取最大值P537N00537KN优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763轴承的预期寿命30000H610THPFCLNP610573H因此滚动轴承的设计合理。326机架的设计机架部分的主要功能为连接伺服电机组件、圆锥齿轮组、齿轮齿条组，保证机器人稳定工作。因此该处的机架主要起连接作用。这里设计该机架的关键是配合伺服电机组件、圆锥齿轮组、齿轮齿条组等的结构及尺寸，因此此处采用PRO/E三维设计软件进行结构配比和优化设计。设计原则为在保证伺服电机组件、圆锥齿轮组、齿轮齿条组等有效连接的基础上尽量实现结构紧凑化和轻量化。为保证机架的轻量化，机架选用铝合金材料。33支撑夹紧机构设计331伺服电机的选定（1）夹紧伺服电机的选定该伺服电机主要用于驱动支持夹紧机构的曲柄动作使得机器人支撑用的腿可以压紧在管道内壁上以提供行走时的附着力。同蠕动行走驱动电机的选定，该处选定额定功率为30W，额定转速为200R/MIN的伺服电机，型号为SG80ZYJ。（2）回转伺服电机的选定该伺服电机主要用于驱动上部模块回转以适应不同的管道形状及尺，驱动负载很小，只需克服构件本身的摩擦阻力，因此该处只需选用小功率的伺服电机。该处回转要求转速低。综合考虑回转伺服电机选定额定功率为10W，额定转速为150R/MIN的伺服电机，型号为SG20ZYJ。332运动及动力参数选定支撑夹紧机构性能参数选定如下腿部滑块滑行速度V100MM/S回转转速N30/S腿部滑块行程125MM（由于该机器人自适应管道直径范围为150MM400MM）腿部滑块单行行程各曲柄旋转角度60333减速器的选定根据上述选定的支撑夹紧机构性能参数可知曲柄轴转速优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763MIN/8/410256RSN齿所需减速器的减速比为25IN/8RNIW齿同样，为保证传动系的结构紧凑性，选用与伺服电机配套连接的减速器，减速比为。25减I334曲柄滑块机构设计（1）曲柄滑块机构的运动分析曲柄滑块机构的运动简图如图2所示，0点表示曲轴的旋转中心，A点表示连杆与曲柄的连接点，B点表示连杆与滑块的连接点，OA表示曲柄半径R，AB表示连杆长度。当OA以角速度作旋转运动时，B点则以速度V作直线运动。图32曲柄滑块机构运动简图A滑块位移图32为对心的曲柄滑块机构的运动关系简图。（所谓对心，是指滑块和连杆的连结点B的运动轨迹位于曲柄旋转中心O和连结点的连线上。）滑块的位移和曲柄转角之间的关系可表达为COSSRLL而INI令L优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763而SINI2COS1IN整理得21IR由于一般小于1，普通的曲柄滑块机构，一般在0306范围内，故上述公式可进行简化。根号部分可用泰勒级数展开略去高阶项得2211SINSIN上述公式变为COCO4SR图33曲柄滑块机构的运动关系简图式中滑块位移，从下死点算起，向上方向为正，以下均相同；S曲柄半径；R曲柄转角，从下死点算起，与曲柄旋转方向相反为正，以下均相同；连杆系数，（其中是连杆长度，当连杆长度可调时，取最短时数值。LR）利用余弦定理可得优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763，令SLR2COS2CRS则式可写成C1CO2滑块速度2SINIRDTSV由于，TSII式中滑块速度，向下方向为正；下同。V曲柄角速度；2N曲柄转速，亦即滑块行程次数。N滑块加速度2COS2SINI2RRDTDT式中滑块加速度，向下方向为正，下同。参数确定由上述分析，结合运动关系简图可知，当；时；0S时018S2R625MM2HR取50则ML16（2）曲柄滑块机构的受力分析A连杆及导轨受力优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763图34曲柄滑块机构受力简图考虑B点力的平衡得，COSPATGQ由前推导得知，远小于03，远小于。因此可认为SINI517，故上二式可写成，1CSSNTGPABSINQ其中PAB连杆作用力Q导轨作用力P工件变形力曲柄转角连杆系数335机架的设计机架部分的主要功能为支撑在管道内行走的管道机器人，使支撑腿能紧密的贴在管道壁面，产生足够的附着力，带动管道机器人往前行走。为了适应不同直径管道的检测，管道检测机器人通常需要具备管径适应调整的机架机构，即主要有两个作用在不同直径的管道中能张开或收缩，改变机器人的外径尺寸，使机器人能在各种直径的管道中行走作业；可以提供附加正压力增加机器人的支撑腿部与管道内壁间的压力，改善机器人的牵引性能，提高管内移动检测距离。因此此处采用PRO/E三维设计软件进行结构配比和优化设计。为保证机架的轻量化，机架选用铝合金材料。优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或130413976334机器人各模块基于PRO/E的三维设计341蠕动行走模块图35蠕动行走模块三维模型342上部支撑夹紧模块优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763图36上部支撑夹紧模块三维模型343下部支撑夹紧模块图37下部支撑夹紧模块三维模型343机器人整体设计优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763图38蠕动式管道机器人三维模型第四章控制系统的设计优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或130413976341控制系统组成411蠕动式机器人控制系统机器人的控制系统主要由AVRATMEGAL6L单片机，L298N芯片，WYK30582直流稳压稳流电源等组成，机器人控制电路原理图如图42所示。ATMEGAL6L内部的定时器计数器以相位频率可调模式可产生4通道PWM信号。三极管起开关和放大作用，基极输入的是从AVR单片机输出的PWM信号。PWM信号为高电平时，三极管导通，SMA驱动器处于通电加热状态；PWM信号为低电平时，三极管截止，SMA驱动器处于断电冷却状态。单片机按照机器人的运动机制所要求的时序输出不同占空比的控制信号，SMA驱动器中就会通过对应的脉冲电流，机器人将会按照设计的运动机制进行运动。412核心器件的选择1AVR单片机概述单片机是整个机器人系统控制电路的核心，主要负责对机器人提供合适的电流和时序。高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，一直是衡量单片机性能的重要指标，因此选择适合应用的单片机显的尤为重要。早期单片机由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，采用较高分频系数对时钟分频，使得指优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763令周期长，执行速度慢。ATMEL公司推出的AVR单片机，彻底打破这种就设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机CISC追求指令完备的做法，采用精简指令集MSC，取指周期短，实现流水作业，故可高速执行指令。AVR系列单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置FLASH的RISCREDUCEDINSTRUCTIONSETCPU精简指令集高速8位单片机M84们。AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆32个寄存器文件和单体高速输入输出的方案即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑。提高了指令执行速度1MIPSMHZ，克服了瓶颈现象，增强了功能同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故AVR单片机在软硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。AVR单片机内嵌高质量的FLASH程序存储器，片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并可像MCS51单片机那样扩展外部RAM；IO线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入输出、可设定初始高阻输入、驱动能力强可省去功率驱动器件等特性增强性的高速同异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验侦错、两级接收缓冲等功能，提高了通信的可靠性，串口功能大大超过MCS5196单片机的串口，加之AVR单片机高速，中断服务时间，具备AVR高档单片机MEGA系列的全部性能和特点，成为AVR高档单片机中内部接口丰富、功能齐全、性能价格比较好的品种，因此本文选择了AVR单片机中的中档产品AVRATMEGAL6进行开发，片载的16KB的FLASH完全满足了对程序的要求。2ATMEGAL6特性介绍ATMEGAL6是ATMEL公司在2002年第一季度推出的款单片机。在AVR家族中，ATMEGAL6是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVRRISC结构的8位单片机。AVR单片机的核心是将32个工作寄存器和丰富的指令集连接在一起，所有的工作寄存器都与ALU算术逻辑单元直接相连，实现了在一个时钟周期内执行的一条指令同时访问读写两个独立寄存器的操作。这种结构提高了代码效率，使得大部分指令执行时间仅为一个时钟周期。运行速度比普通CISC单片机高出10倍。它的特点如下1高性能，低功耗的8位AVR微控制器；2先进的RISC指令结构，功能强大的指令，多数为单时钟周期指令；3非易失性程序和数据存储器16K字节的在线可编