一种支撑式管道检测机器人的设计含6张CAD图
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一种支撑式管道检测机器人的设计含6张CAD图,一种,支撑,管道,检测,机器人,设计,CAD
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一种支撑式管道检测机器人的设计Design of a supported pipeline inspection robot摘 要管道在输送过程中拥有非常重要的作用,因此管道的维护问题对于人们的生产生活也非常重要。然而由于管道内空间狭小,单凭人力无法到达,且人工检测需要较大的工作量,检测管道的效率也非常低,人工检测管道危险性也很高。所以研发一种管道检测的机器人对管道进行及时的监控、检测、反馈是很有必要的。为了满足对检测管径范围为250mm-350mm管道的需求,并且要使设计的机器人顺利越过以台阶为主的障碍管道和通过以弯道为主的无障碍管道。本论文主要完成了以下设计:首先,制作管道检查机器人整体的设计方案。分析管道,检测机器人的石油天然气管道中的环境,选择适当的行驶方法。分析管道内部的受力情况、管径大小、以及管道内部的机器人的运行情况,完成支撑式直径结构设计、行驶机构设计、检查机构设计。第二,对机器人进行静态分析,对管道检测机器人进行结构设计,尺寸计算,简要介绍了控制系统的原理。对主要零件进行设计计算,以及强度和刚度校核,对牵引部进行润滑选择。最后,通过solidworks软件,对结构的设计进行了建模关键词:管道检测;越障能力;过弯能力;结构设计AbstractPipeline plays a very important role in the transportation process, so the maintenance of pipeline is also very important for peoples production and life. However, due to the narrow space in the pipeline, it can not be reached by manpower alone, and manual detection requires a large amount of work, the efficiency of pipeline detection is also very low, and the risk of manual detection of pipeline is also very high. Therefore, it is necessary to develop a pipeline inspection robot to monitor, detect and feedback the pipeline in time.In order to meet the needs of the detection of pipe diameter range of 250mm-350mm, and make the designed robot smoothly cross the barrier pipe mainly by steps and the barrier free pipe mainly by curves. This paper mainly completed the following designSecondly, the static analysis of the robot is carried out, the structure design and the size calculation of the pipeline detection robot are carried out. The principle of the control system is introduced briefly. Design calculation of main parts, strength and rigidity check, lubrication selection of traction part.Finally, the structure design is modeled by SolidWorks software.Keywords: pipeline detection;obstacle surmounting ability;bending ability;structural designIII目 录第一章绪论11.1管道机器人研究背景及意义11.1.1管道检测机器人的背景11.1.2管道机器人的分类11.2国内外管道检测机器人的发展状况61.2.1国外发展状况61.2.2国内发展现状7第二章管道机器人系统的整体设计92.1管道机器人的特性分析92.2机器人运动方式的选择92.3管道检测机器人的总体结构102.4检测机构的结构112.4.1检测部分的内部结构112.4.2导向轮的结构122.4.3万向节122.5变径机构的原理及选择132.5.1蜗轮蜗杆的调节方式132.5.2滚珠丝杠螺母调节方式步进电机驱动142.5.4放大机构调节方式152.6过弯及越障系统的设计16第三章管道检测机器人零部件173.1车轮轴上各零部件以及定位的介绍以及定位173.2轴承的选型介绍183.3销轴的选型介绍183.4联轴器的选型设计193.5万向节的设计19第四章管道检测机器人的结构设计与计算204.1行走机构的设计204.1.1行走机构主要零件设计204.2变径机构的设计214.2.1四连杆机构的设计214.2.2弹簧的设计校核224.3管道检测机器人检测机构的设计244.3.1检测部分车轮轴的设计244.4驱动部分的设计294.4.1驱动电机的选型及减速器的设计294.5张紧机构的计算334.5.1滚珠丝杠的设计计算334.5.2张紧大齿轮的尺寸与强度计算364.6传动齿轮的设计计算404.7链条传动的设计47第五章管道检测机器人系统的设计49第六章管道检测机器人的防腐、密封以及对牵引部的润滑设计506.1防腐设计506.2密封设计516.3牵引部的润滑设计51第七章总结53致谢 55参考文献 57VI第一章绪论1.1管道机器人研究背景及意义1.1.1管道检测机器人的背景管道已经成为人们日常生活中一种必不可少的运输方式,包括远程运输油气管道、日常的供水、供暖管道、石化工厂输送天然气、石油等的管道。但是这些运输管道由于环境密封,且管内环境通常潮湿复杂,所以当这些管道年久失修时,通常会造成化学腐蚀;以及管道内部会产生结垢、裂纹、穿孔等故障,最后这将导致管道不能正常运行,从而对我们日常的油气运输造成一定的阻碍。检测管道缺陷对管道传输过程中没有泄漏,造成经济损失和环境损害尤为重要。但是管道多深埋于地下,采用人工开挖检测的方法非常费时费力,所以为了节省人力,以及可以精确的得知管道内部的情况如何,加上我国科技的发展,研发、优化一种可以检测管道内部环境的机器人迫在眉睫,经过各种科学家以及教授研发团队的不懈努力,我国对于管道检测机器人技术已经有了一定的了解。我们所要设计的配管检测机器人主要是为了监测、检修管道内部是否存在腐蚀、破损等一系列可能会对人们生产生活以及威胁人类安全的隐患。故该机器人要及时的检测管道内部以及外部的环境、以及要自如的行走。因此要设计相应的管道机器人的结构,来满足我们对管道机器人的工作需要,除此之外,管道检测机器人的系统设计也是非常关键的,例如,CCD相机的位置和姿势传感器、超声波传感器、视频监视系统、管道清扫装置、管道接口焊接装置、防腐喷雾装置等操作装置)是通过操作者的远程操作而运行的电气机械一体化装置。1.1.2管道机器人的分类管道机器人在工作的时能够在管道内行走,并且可以完成对管道内待测的参数检查。管道检测机器人主要由以下几个部分组成:1.行走机构;2.电力控制系统;3.动力单元;4.通讯系统;5.检测部分(传感器、摄像单元等)。管道机器人可通过有线或无线的方式与上位机建立连接,因此即使工作人员距离机器人较远,仍然能够通过操作上位机控制机器人在管道内的动作,完成行走检测维修等功能。同时可以输出实时的监控视频,及时反映出管道内的环境图像,从而辅助找出管道内部故障的原因,方便后期的维修解决。管道机器人的使用,有效的解决了人工检测存在的不足之处,不但减轻了工作人员的工作强度,而且更是进一步的提高了检测的精度,是对机器人技术的一项成功的实践。管道机器人的工作检修能力日益增强,已经可以逐步接替更为广泛的检修任务,因此未来管道机器人的应用会更加广阔。机器人的工作环境决定了机器人的行走方式,从而决定了机器人行走机构的设计。工作在陆地表面的机器人,大多采用轮式作为其行走机构。除了陆地表面环境以外的其他所有表面环境,如管道外边面、管道内壁,称之为特殊工作环境。通常在管到中设计机器人我们一般采取以下结构:履带式、步进式、轮式、多腿式、蠕动式等移动结构,这些结构各自运用在于不同的管道环境中。1.轮式管道机器人车轮式的行走机构具有几千年的历史,然而凭借其简单的结构组成、方便迅速的移动形式、平稳高效的运动性能以及可靠地连续运动能力,至今在机器人的设计研发中依然有着极为广泛的运用。管道轮式机器人主要驱动车轮压紧管道内壁而产生的正压力来保证行走的稳定,其压力一般来自车体自身重量或其他部件提供的外力(如弹簧、液压或气压缸、电磁铁等)。按照车轮结构的不同,轮式管道机器人可分为2种:一种是一般轮式检测机器人,另一种是内支撑轮式检测机器人。(1)一般轮式如图1-1所示的管道检测机器人,该机器人选择一般轮式作为行进结构,一般轮式的结构驱动能力强劲,但是在杂物较多的管道中行走时,缺乏一定的越障和避障能力,因此对于不同管道的适应性,该机器人的适应性较差。图1-1Everst VIT系列管道检测机器人(2)内支撑轮式此类管道机器人大多适合工作于圆形管道,行走机构通常由三组互成钝角的车轮支撑在管道内壁。但是此行走机构一般无法很好地通过不同管径的管道,且过弯能力尚有不足。图 1-3为来自韩国的Roh G.,Ryew M 等人设计的管道机器人。这款机器人中的由万向节是用来将其分为前后两个部分成为一个整体,在每个部节上,都有3组驱动车轮,车轮靠连杆撑开来支撑在管壁上。这款机器人可以通过调节连杆机构来使车轮适应特殊管道,故适应能力较强。图1-2内支撑轮式管道机器人日本研究人员研发了一种螺旋式的管道机器人,该机器人由10多个部分构成,图1-3为该机器人的单个的部分,每一个部分都是由弹簧连接而的,因为弹簧有一定的预压缩力。机器人车轮相对的部件轴线所形成的角度,可以通过扭矩让机器人前进。机器人的驱动部分为三个靠弹簧压紧在管壁的轮子,弹簧力的存在使其可以适应不同的管径。该多连体的机器人结构在转弯、垂直爬行时有显著地效果。图1-3螺旋式的管道机器2.履带式管内机器人按照行走机构的不同,履带式管道机器人包括一般履带式及其派生机构的管道机器人。 (1)一般履带式管道机器人 该机器人的行走主要由控制两条履带的运动方向和转动速度来控制,以实现转弯、前后行走等功能。图1-4普通履带式管道行走机器人该机器人与一般的轮式的机器人相比双履带移动机构,更适应崎岖的工作路面,但不适合在圆形管道内工作。(2)变位履带式移动机构 该机构可以在不同管道大小当中自由行走,这是因为采用这种机构履带的结构类型或其所处的方位都可以改变。如图1-5所示,为通过履带来带动的机器人,通过对履带的夹角进行微调来符合管道的大小。要使机器人在平滑地面或是在矩形的管道中行走,则可将该机器人中的履带调节到平行位置。图1-5变位履带式管道机器人3.其它类型管内机器人大多数的管道机器人的行走机构都是轮式或者履带式,但各种机构的机器人都有其优点和不足,在一般形式的行走机构使用不方便时,其他种类的行走机构便可以发挥他们的独特优势,较为常见的有蠕动式机器人、多足式机器人、步进式机器人等。蠕动式的管道行走机器人凭借其超强的密封能力以及更小的体积,是小型管道的理想机器人。然而,蠕动式机器人一般是靠整体的收缩、前部带动后部行进,致使间歇性的爬行,工作效率较轮式和履带式机器人来说较为低下,且在内部有杂物的管道内不能很好地避障行走。故而其只在某些特殊坏境中应用,不能大范围的推广。图1-6所示为一种蠕动式管内机器人机构,由美国斯坦福大学研制。图1- 6蠕动式管道机器人还有一种管道内行走机器人,是靠着其行走部的自锁和关节处机构的变化完成行走功能的。但是这种机器人行走机构太过复杂,稳定系较差,且控制比较困难,故应用不是很广泛。1.2国内外管道检测机器人的发展状况1.2.1国外发展状况在国外对管道检测机器人的研究要较早一些,20世纪中期,美利坚、德国等国家都开始了对管道机器人的研究,由此出现了一种新的装置,此装置无需动力对此驱动,90年代初管道机器人得到了进一步的发展。70年代,工业发展前景看好,随着石油、天然气等以及管道运输的发展,引发了管道检查机器人的研究。这有利于管道内部的维护。 法国J.VRERTT教授于1978年提出了环足式管内步行机构的模型IPRIV。他首先开始了管内机器人理论和样机的研究。80年代,日本的福田敏男、细贝英实、冈田德次等人十分好用,美国等国家研究、探索的检测管道的机器人,因此研发出了各种结构的管内检查机器人。 天然气管道检查机器人MRI SPECT系列由韩国成均馆大学的HyoukR.C.等参与设计。美国和德国所研究的管道检测机器人研发水平已经很高了。(1)德国管道机器人MAKRO德国新设计的一种机器人,其特点是前后的单元体都相同,被称为六关节管道机器,最中心的部位有两对相同的单元体,电机推动单元体运行,一共有21个自由度,这可以实现机器人自如的行走、转弯以及越过台阶等障碍、,也能在较小的管道中通过。(2)美国ROVVER管道检测机器人该机器人检测系统的模块化设计可以让机器人更好的适应不同的环境、管径不同的管道、并且具有良好的操作性能、越障性能。其中管道机器人的短轴对于机器人检测系统跨过障碍时非常轻松;采用六轮驱动方式,因其中间轮在爬行器掉头时悬空1.2.2国内发展现状中国的前人在对管道检测机器人的探索方面已经努力了好几十年了,包括中国科学院沈阳自动化研究所、清华大学等高校都对该机器人进行研究。对管道检测机器人的研究,以前大多都是研究轮支撑结构,之后才开始研究使用传统的轮式移动机器人来对管道进行检测和维修。其中最重要的一点是设计其运动学模型轮式清污机器人是在三维的管道中工作的,因此,我们需要建立的运动学模型与常规平面上移动的带车轮移动机器人的运动学模型十分不一样。在建立运动模型之前,必须考虑约束的所有方面,再分析轮式移动机器人的控制输入与机器人位姿坐标变化之间的关系。随着我国科学技术的发展,机器人市场的出现,机器人系统的持续改善,机器人技术的持续发展,使中国对机器人技术的研究开发增加了投资。因此我国在机器人研究和应用开发领域取得了巨大成功。下表所示为我国所研发设计的几款机器人表1-1我国研发的机器人介绍邓宗全教授设计了一种三轮腿式的管道机器人上海交通大学使用SMA材料研发了一款管道蠕动机器人广东工业大学研制的能源自给式机器人原理该管道机器人可以自主的调节轮腿的开合,并通过电机带动滚珠丝杠的方式来调节,在驱动系统方面,该机器人选用的是三轴差速器的设计原理机器人形状为正方形,边长为35mm,由12根蠕动的元件组成,重量0大约为19.5g。通过控制机器人12根蠕动元件,有12个自由度,该机器人可以轻易的完成全方位的运动,通常在L型和T型管道中使用该机器人原理管道机器人的牵引部分的设计借助了雨伞的形状,以此来通过流体介质作用在伞面上,为该机器人提供推力。管道机器人的速度,可以通过调节管道截面上伞面的投影面积来实现作用可以使机器人自主的适应不同的管径,该管道机器人适应管径的范围增大,提高了管道机器人的自适应能力。局限该机器人的运行速度受到了很大的限制,该机器人的速度为15mm/min,而且它的控制较为复杂作用可以借助流体的推力进行运动,也可以将能量转化为电能,并将其储存起来(当机器人停在管道的某一位置时,发电机开始工作,开始储能)68第二章管道机器人系统的整体设计2.1管道机器人的特性分析本次管道检测机器人适用于管径为250-350mm的石油天然气管道,考虑到管道环境通常有包括台阶、凹槽、斜坡等障碍,另外,弯管多,弯道半径小,而且根据马达驱动和安装尺寸等,配管检测机器人有很大的限制。 配管检测机器人在管道内部稳定,可靠的运转停止,行驶时,必须满足形状的封闭,力量的关闭,充分的驱动力等3个条件。这次的设计对机器人的动作要求很高。要能够顺利越过以台阶为主的障碍管道和顺利通过以弯道为主的无障碍管道。因此,在设计时要注意以下几点:(1)负载性能强;(2)过弯能力好;(3)有一定的越障能力、且柔韧性好。2.2机器人运动方式的选择在不同类型的管道中运行时,我们需要根据管道选取不同类型的机器人的驱动方式,图2-1所示为常见的管道检测机器人的行驶方式,现根据各运动方式的优缺点进行比较选择。图2- Error! Main Document Only.管道机器人驱动方式履带式机器人控制方式简单,驱动力大,越障性能良好,很适合作为管道机器人的驱动方式,但受其结构特点的影响,很难减小履带式机器人的体积,故管径较小的管道中不适合选取履带式机器人;蠕动式机器人依附于径向变化来实现行走,能提供较大的驱动力,但本身行进效率和通过障碍的能力能力较差,无法在敷设有电缆的管道内行走;螺旋式机器人在管道内行走能够提供稳定可靠地动力,驱动力十足,且控制简单,是常用的管道机器人,但其对管道内环境要求很高,不适合石油天然气管道。多足式机器人体积小巧,控制灵活,适合于小型管道,但其结构较多,驱动力不高,制作经费会比较高,故不能大批投入制造。对比上述驱动方式,轮式驱动机器人运动可靠,运动效率高,能提供较大的驱动力,且结构简单,可以做到机器人的小型化,研发成本相对较低,能够有效减少成本,便于规模生产。机器人由3组互相呈120的支撑轮支撑,对中性好,前进平稳,再对其进行机构改进就能够在不同大小的管道中行走,通过设计合理的沿轴方向尺寸,选取合理的结构,便可以提高机器人的过弯能力。故本方案采用轮式驱动作为机器人运动方式。2.3管道检测机器人的总体结构本课题设计地管道检测机器人基本机械结构由圆柱形主体模块,头部检测模块,前进模块,动力驱动模块。设计的整体效果图如图所示。图2- 2设计整体效果图它的运动过程如下:首先由电机驱动后排的轮子转动从而可以驱动整个装置运动,为了使装置可以提供运动的动力,我们又在驱动轮的前面设计了一排轮子,它的主要作用是在丝杆的带动下可以使装置向前前进。装置最前面的是装置的检测部分,它主要作用是通过视镜来观察管内情况是否正常从而可以给工作人员正确的情报,进而决定下一步的工作。2.4检测机构的结构检测部分的建模如图图2- 3检测部分的建模2.4.1检测部分的内部结构它主要的部件有,反射镜、齿轮、步进电机、超声波探头等。主要的功能如下:步进电机:它的主要作用就是带动齿轮转动从而可以使反射镜也随之转动进而可观察管道内部的损伤情况。从而工作人员可以做出相应的判断和解决方案。超声波探头:它的作用就是发射信号,并收集反馈的信号来确定管道机器人所在的位置及是否管道内有损伤。反射镜:它的作用就是充当检测机器人的眼睛来观察管道内的情况来做出判断。齿轮:它的作用主要就是动力的传动,将步进电机提供的动力传递到反射镜等地方。在检测部分的外侧加导向轮,以保证管道机器人可以平稳运行如图所示。图2- 4检测部分的导向轮2.4.2导向轮的结构图2-5导向轮导向轮有段支撑杆上部为空心,用来放置弹簧,通过弹簧的拉伸和压缩来实现导向轮对管径的适应。2.4.3万向节万向节的主要作用是连接检测部分和后面主体结构,还可以实现管道机器人在管道内的转弯。它的结构如图所示。图2-6万向节2.5变径机构的原理及选择变径机构对于管道检测机器人的作用:(1))可以增大机器人对管内壁的压力,以此来提高该机器人的牵引力;(2)可以适应不同的管径需求、以及管道内的几何约束;(3)变径机构还可以更好的使管道机器人越过障碍。本次设计整体方案要求管道检测机器人要适应管径为250-350mm的石油天然气管道,所以需要设计一套能够自动适应管径大小的变径机构。以下为几种变径机构:2.5.1蜗轮蜗杆的调节方式图2-7为工作时蜗轮、蜗杆调整的结构示意图。其原理是电机驱动蜗杆,然后驱动蜗杆。连杆AB的一段与蜗杆刚性联接成一个整体,另一端与轮轴联接,使车轮由于蜗杆的转动而变大或变小,以达到不同直径工作的目的。图2- 7蜗轮蜗杆调节方式2.5.2滚珠丝杠螺母调节方式步进电机驱动图2-8所示是该机构调节方式的结构简图,滚珠丝杠是由步进电机来驱动的,螺母与连杆铰接,组成一套曲柄滑块机构。曲柄的末端连接机器人的驱动车轮,丝杠螺母沿着丝杠直线运动,使得曲柄带动车轮做往复的摆动,以此实现机器人行走机构的变径效果,来适应不同的管道直径。螺母上固定有压力传感器,可以间接的检测车轮与管壁的正压力,实时进行调整。图2- 8滚珠丝杠螺母调节方式2.5.4放大机构调节方式如图2-9是该机构的调节方式简图,放大机构是由连杆机构组成的,由图可知连杆EF中F点受水平向右的力时,整个放大机构的连杆位置会产生变化,因此会使连杆CD上与D点相连的驱动轮压紧在管壁上,以此来适应不同的管径。与此同时如果F点的受力方向改变时,驱动轮也会在竖直方向上发生相应的变化。图2- 9放大机构调节方式综合参考上述方案,本方案最终采用可动环和四连杆机构,通过可动环来带动四连杆的运动,从而使四连杆的伸缩,实现机器人适应不同管径。2.6过弯及越障系统的设计通常管道可分为障碍管和无障碍管。障碍物管常见的运动障碍中以楼梯障碍为中心。 无障碍管分为直管和弯管。因此,配管检测机器人的配管内的运动需求主要可以顺利地越过(1)以楼梯为中心的障碍物配管,(2)可以通过以绕道为中心的无障碍配管考虑到管道检测机器人越过台阶等障碍和转弯等特殊情况,驱动部分电机采用三个电机分别驱动;变径机构中使用弹簧使设计本身具有一定的越障能力,并且用万向节来实现机器人在管道内的转弯。第三章管道检测机器人零部件零部件对于机器人的性能是非常重要的存在,零部件的好与坏通常决定了该机器的寿命,更换周期,灵敏度等。3.1车轮轴上各零部件以及定位的介绍以及定位轴的形态设计涵盖适当的轴的外表和轴的所有整体的外形尺寸。轴的在结构上多半依赖于(1)机器的轴装设所在位置和方式;(2)连接轴上部件的大小、种类、总数和和轴连接的方法;(3)轴上负荷的分布状况及其负荷的大小、朝向等;(4)轴的研磨工序等该轴的在结构上应兼顾下列提议:(1)安装在轴和轴上的部件需要正确的作业位置;(2)安装在轴上的部件在安装和调整上很方便;(3)轴需要更好的制造工序性轮轴上安装了端盖、轴承、轴承座、轴承、定位块、垫圈、轴端挡板。左端装轴承及其端盖,右端装轴承端盖。轴的部件遭受力的话会相对地运转。其中相对的运动包括轴向和朝向的运动,我们不仅要对轴进行灵活或公转的要求,而且对轴的部件要有轴向和朝向的定位必须进行运转,确保正确的作业位置。1.部件的轴方向定位轴部件的轴方向定位的保证是由轴肩、衬套、轴端挡泥板、轴承端盖、螺母等部件决定的。轴肩的定位是最安全精确的方法,但是选用轴肩的定位的话轴的直径会变大。另外,轴肩的位置由于断面突然变异,应力集中,如果轴肩过多,对加工也没有作用。套筒定位结构比较简单、定位可靠,不影响轴的疲劳强度,一般用于轴上两个零件之间的定位。轴承端盖将螺钉和箱体连接起来,连接箱体,将滚轮轴承的外围定为轴向。在一般情况下,整体轴的定位由轴承端盖组成。此次车轮轴我们也选用了轴承端盖来进行轴向定位。2.零件的周向定位周向定位最主要的调节作用是约束轴上部件和轴的相对旋转。销和紧固螺钉是常用的圆周方向固定部件。我们选用螺钉来实现其的周向定位。3.提高轴的强度制约轴强度的部分有许多。譬如轴的部件和轴相互之间的构造、工艺和部件的装载配置等。因此,在设计轴的整个过程中,必须考量增强轴的负荷能力,减少轴的尺寸和机械的准确度;为此,我们对轴的负荷作如下权衡: 1)轴上的部件要恰当配置;(2)改善轴件的结构;(3)在结构上改善轴,减少应力集中;(4)提高轴的表面质量。3.2轴承的选型介绍鉴于摩擦特性各有不同,轴承可以归为滑动轴承和滚动轴承。滚轮轴承早已规范化,在普通机械中广泛传播使用。主要是通过主要部件之间的碰撞接触来承托旋转部件。旋转轴承工作时所需力量的矩小,转动效率高。阅轴承的相关资料,选择深沟球滚动轴承,考虑到长期使用管道内存在积灰尘土,轴承需要密封,为减小空间,选择带防尘盖型的轴承,且选择轴承配有止动挡边可更好地做轴向固定。此次我们选用的滚动轴承代号为61096:(1)06表示该轴承内径d=30mm;(2)9表示该轴承的直径系代号;(3)1表示轴承的宽度系列;(4)6代表轴承代号深沟球轴承3.3销轴的选型介绍机器人变径机构为铰接的四连杆块机构,销轴装配后与关节轴承焊接,。查阅机械设计手册,铰接处需选用销轴连接。则根据设计尺寸,查阅手册,参考GB/T 882-2000,选择B型销轴。其中曲柄与前盘铰接处选择公称直径d=4mm,长度L=32mm的销轴,即销轴 GB/T 882 432;连杆与弹簧轴的铰接处选择公称直径d=4mm,长度L=24mm的销轴,即GB/T 882 424;曲柄与连杆铰接处选择d=4mm,L=22mm的销轴,即GB/T 882 422。3.4联轴器的选型设计联轴器是机械驱动器中惯用的组件,多半用来连结轴和轴,传达动作和扭矩。联轴器连接了2轴。用联轴器连接的两轴,当机器在运转过程中,2轴是不能离开的;当机器停止运行时,才能够将两轴拆下(先拆除联轴器)。由于制作及配备上的偏差、负荷后的卷曲形变及温度波动的冲击,联轴器连接的2轴多半不保证对中性,因此在联轴器设计时实行结构上各异的举措,以此来调适较大区域的相对位移性能。3.5万向节的设计3节式的车体之间采用可以360转动的万向节连接,可以有效的保证机器人车体的过弯性能。其中,万向节前叉与一法兰盘连在一起,通过螺栓螺母与前车体连接;万向节后叉开12mm孔,与连接轴配合,使用M3紧定螺钉进行轴向固定。中间采用十字轴,其原理为:中间的十字轴传递动力,使一个转动叉带动另一个转动,且十字轴又能起到控制转动叉的转动方向的作用,使其可以在任一方向转动。第四章管道检测机器人的结构设计与计算4.1行走机构的设计由2.2可知,本次设计选取轮式驱动结构。前进装置主要用于:(1)在驱动轮的带动下转动从而使管道检测机器人前进;(2)自适应不同的管径,使运动更加平稳。4.1.1行走机构主要零件设计(1)可动环可动环的作用是在电机的驱动下使丝杠运动进而带动可动环前后运动,可动环与前进轮所在的四连杆机构相连从而可以使前进轮实现扩张收缩实现整个装置向前的蠕动。建模模型如图所示。图4- 1可动环(2)齿轮齿轮的作用是传动,在这里就是将电机的动力通过一个大齿轮和三个小齿轮传递到丝杠上进而使丝杠可以转动。(3)电机电机的作用就是提供动力,在前进部分只需一个电机,通过齿轮将一个电机的动力均匀地分配给前进轮。电机的模型如图所示。图4- 2行走机构处的电机(4)丝杠丝杠的作用就是将从电机传过来的转动转换成前后的平动。从而带动可动环的前后运动,进而可以实现管道检测机器人收缩和扩张,也就可以使装置前进后退了。4.2变径机构的设计管道检测机器人需要适应管径为250-350mm的石油天然气管道,选用的是可动环来带动四连杆来实现变径。其中导向轮支撑杆中安装弹簧,通过弹簧的拉伸与压缩也可实现导向轮对管道内径的适应。4.2.1四连杆机构的设计由2.4可知本次变径机构选取放大机构的机构调节方式,因为放大机构所占据的空间很小,且伸缩两少,容易设计。连杆机构中的原动件在运动时都会经过连杆,因为连杆与机架不是直接相连的。其中的低副几乎是杆体中的面式触动副,并且其压力很小,承载能力大,并且润滑好,破损小,加工装配方便。连杆机构中的低副都是密封的形状,这有助于确保工作时的准确度。在连杆机构中,连杆上的点的轨迹会根据各部件的相对长度而变化形状,因此棒形曲线多样,可以满足特定作业的需要。我们选用一个连杆机制,是因为四连杆机构结构简单,而且该结构也可以很容易地改变运动的传递方向、放大行程、增力和远距离驱动器。4.2.2弹簧的设计校核(1)弹簧的设计计算考虑弹簧的工作条件,可以按照第类弹簧来考虑(受变载荷作用次数在103105 及冲击载荷),现选用碳素弹簧钢丝SM型。连杆机架轴作为弹簧的导杆使用,同时可以保证弹簧的稳定性。根据车体设计尺寸,轴的外径D为8mm,查阅机械设计手册,导杆与弹簧之间的间隙c=1mm,故初取弹簧中径D=10mm,估取弹簧钢丝直径为1.2mm,查表暂选B=2160Mpa,则可知,许用切应力:=0.4B 式(4- 1)=0.42220=864MPa2.根据强度条件计算弹簧钢丝直径旋绕比C=8.3,则得弹簧曲度系数:K=4C-14C-4+0.615C 式(4- 2)1.17则试算弹簧丝直径:d1.6P2KC 式(4- 3)=1.636.21.178.3864=1.02mm所算得的结果与估算值很接近,故弹簧钢丝的标准直径为1.2mm,D=10mm,为标准值,合适。一般圆柱螺旋弹簧的主要重要尺寸有:外径D2、中径D、内径D1、节距P、螺旋升角以及弹簧丝直径d。可知,它们之间的关系是 =arctanPD 式(4- 4) 取p=0.28D=2.8mm,可得,=5.453.已知弹簧刚度,可知弹簧圈数n,自由高度H0弹簧刚度: KF=P2-P1h 式(4- 5)=36-320 =1.65 N/mm查表取切变模量G=82000 Mpa,则弹簧圈数为n=Gd48D3KF 式(4- 6)=12.88查表,取有效圈数n=13.5圈,此时弹簧的刚度为KF=12.881.6513.5=1.57N/mm自由高度H0:H0=np+1.5d 式(4- 7)=39.6mm取H0=40mm4.验算最大轴向变形量:max=8FmaxC3nGd 式(4- 8)=8368.3313.5820001.2=23.63mm最小载荷时高度:H1=H0-P1KF 式(4- 9)=38.03mm最大载荷时高度:H2=H0-P2KF 式(4- 10)=16.9mm4.3管道检测机器人检测机构的设计检测机构的内部结构已在2.4中介绍过,管道检测机器人需要检测石油管道内是否有破损、温度异常等情况,通过步进电机带动齿轮转动,从而使反射镜转动,来检测管道内的情况;安装超声波探头,实时进行发射、收集反馈信号,并且及时反馈给工作人员该机器人所在位置处管道是否有破损。4.3.1检测部分车轮轴的设计轴上装有圆柱齿轮,自左到右各轴端长度分别为:28mm、12mm、4.8mm,25.52,13.6mm,13.68mm,轴径分别为32.44mm、23.51mm、26.77mm、31.63mm、35.67mm、14.56mm。现进行轴的受力分析与校核。 轴的功率、转速P1=33.33w=0.033kw n1=18r/min 确定轴的最小轴径选取轴的材料为45钢,调质处理,根据表,取A0 = 103,得:d1=A03P1n1 式(4- 11)=10330.03318=11.6mm故各处轴端均能满足最小轴径的要求。 轴结构设计图图4- 3轴的结构图车轮轴为对称设计,13.68mm轴段安装有d2=13.5mm的圆柱齿轮,由于传递的扭矩及转速都较小,故此处采用过盈配合;31.63mm轴段处对称安装有两个的深沟球轴承,轴上安有定位块、轴承座、端盖、销轴等,靠轴末端安装轴端挡板作为轴向固定。 轴的受力分析和校核1) 做轴的受力简图(图3-15(a)2) 计算轴的支反力首先计算圆柱齿轮的受力:Ft=2Td 式(4- 12)=0.09Nm0.013m=6.9NFr=Fttancos 式(4- 13)=6.9tan20cos60=1.25NFa=Fttansin 式(4- 14)=6.9tan20sin60=2.17N水平方向上,由受力平衡:Fa=FNH1+FNH2 式(4- 15)则,FNH1=FNH2=1.08N垂直轴的方向上,由受力平衡:FN1+FN2=Fr+FNV1+FNV2 式(4- 16)其中,FN1、FN2分别为驱动轮对轴的压力,大小等于管壁对轮的压力,取最小管径时FN1=FN2=30N。以左侧轴承处为支点,由力矩平衡,可以得出:FN1L1+FrL2+FNV2L3=FN2L4 式(4- 17)其中,L1、L2、L3、L4分别为左侧车轮、齿轮啮合点、右侧轴承、右侧车轮到左侧轴承(支点)的距离,取:L1=14.5mm,L2=5mm,L3=15mm,L4=29.5mm得出:FNV2=29.58NFNV1=29.17N在垂直于纸面的平面内,由受力平衡:FNM1+FNV2=Ft 式(4- 18)对齿轮啮合点由力矩平衡可得出:FNM2L5=FNM1L2 式(4- 19)其中,L5为右侧轴承到齿轮啮合点的距离,取为10mm。得出:FNM1=4.6NFNM2=2.3N3) 计算轴的弯矩并作出弯矩图1.垂直弯矩MV:左侧轴承处弯矩MV1:MV1=FN1L1 式(4- 20)=3014.5=435Nmm锥齿轮处弯矩MV2:MV2=435-30-29.175=430.85Nmm右侧轴承处弯矩MV3:MV3=430.85+(1.25-0.83)10=435Nmm右侧车轮处弯矩MV4:MV4=435-29.58+0.4214.5=0Nmm2.水平弯矩MH圆柱齿轮处弯矩MH1:MH1=FNM1L2 式(4- 21)=4.65=23Nmm3.分别作出弯矩图如图4-54.作出合成弯矩图如图4-5圆柱齿轮处的合成弯矩M1:M1=MH12+MV22 式(4- 22)=430.61Nmm图4-4轴的受力分析图图4-5轴的强度校核 校核轴的强度可知危险截面为左右两侧安装轴承处,按照合成弯矩校核此处刚度,抗弯截面系数为:W=d332 式(4- 23)=12.27mm3ca=MW 式(4- 24)=35.4MPa-1=70Mpa故车轮轴满足强度要求。4.4驱动部分的设计管道检测机器人中最为重要的一部分是驱动部分,因为它决定了管道检测机器人是否可以正常的工作。4.4.1驱动电机的选型及减速器的设计为了达到管道检测及故障定位的目的,机器人的行进速度不宜过快,必须保证机器人可以有效检测到现场环境及设备的工作状况,并且能够在发现问题时快速做出反应。驱动部分的零件主要有:三个驱动电机、用于传动的齿轮、传递动力的链条、驱动轮、可动环。(1)驱动电机驱动部分的电机我们采用了三个电机分别驱动,主要是考虑到在管道检测机器人在转弯等特殊情况下,三组轮的速度可能不一样,这样用三个电机可以根据具体的管内情况来控制每个电机的转速,从而达到平稳运动的目的。从电机到驱动轮的动力传动我们采用了齿轮和链条传动。齿轮传动主要是改变电机的动力方向,而链条的传动主要是将动力传动到驱动轮上来驱动轮子转动从而实现管道机器人的前进问题。由已知条件可知运动速度为0.05m/s,轮胎半径按25mm计算,可以得出所需转速为:n=60vd 式(4- 25)=38.22rmin正因为管道环境复杂,故检测机器人的工作条件也是非常复杂的,在此简化为两种理想条件。条件1:机器人爬行坡度=15;摩擦系数=0.75;运动速度v=0.05ms;机器人行走在15的坡上,其靠电机驱动力克服重力分力和摩擦力(滚动摩擦)的作用。同时为了保证轮子能够紧紧压住轨道,不发生打滑,其主动轮在斜坡上可以承受的最大静摩擦力必须大于机器人重力沿斜坡向下的分力。图4-6驱动轮爬坡受力示意图Gsin15Gcos15F=f+Gsinf=NN=Gcos 式(4- 26)式中:G 机器人的重力,N;F 根据机器人在最小管径为250mm的石油天然气管道中行驶时,最小牵引力为F=300N经整理得:F=mgcos+mgsin式(4- 27)Pmin=FV式(4- 28)Pmin=3000.05=15W管道检测机器人所选的行走机构车轮直径变化范围为200-300mm,运动速度v=0.05m/s行走机构轮胎转速:n1=60v2r1 式(4- 29)=600.0523.140.1=4.77rpmn2=60v2r2 式(4- 30)=600.0520.15=3.18rpm所需的扭矩:T1=9550Pn 式(4- 31)=95500.00754.7715.02Nm T2=9550Pn 式(4- 32)=95500.00753.1822.52Nm条件2:若我们考虑管道检测机器人最坏的运动情况-即垂直向上行走题目中所要求能够提供的动力最小为300N行走机构提供的驱动力至少需要平衡掉其自身的重力(含安全系数),即m=200kg,为了安全起见,在计算驱动力时我们按2000N进行计算故单个轮子的牵引力:f=20003=666.7N其中轮胎半径:=25mm轮胎的转矩:T=666.670.025m=16.67Nm所以我们选择二合一的电机减速机,其输出静转矩大于17 Nm即可考虑到从电机到链条的传动方向的问题,我们设计的电机的模型如图所示图4-7电机的模型(2)传动齿轮传动齿轮的作用就是将驱动电机输出的动力传递到链条上。(3)传递动力的链条我们在此运用了链条传动,主要是考虑了一下几个方面:全部用齿轮传动的话效率可能不高;用齿轮传动我们设计的圆柱主体的内部空间可能太过于拥挤;从电机到驱动轮的距离远若采用齿轮传动外部空间的规划也是个问题。综合以上几点的考虑我们选择了用链式传动将齿轮中的里传递到驱动轮上。链条的建模如图所示。图4-8链条的建模图(4)驱动轮结构驱动轮结构由俩小部分组成即用于伸缩的四连杆机构和轮子。四连杆机构与可动环连接实行四连杆的伸缩。轮子的设计由于用链条带动所以在两个轮子之间留有一定的空间用于安装链条及链条齿轮。具体结构如图所示。图4-9驱动轮结构(5)可动环可动环的作用是在电机的驱动下使丝杠运动进而带动可动环前后运动,可动环与前进轮所在的四连杆机构相连从而可以使前进轮实现扩张收缩实现整个装置向前的蠕动4.5张紧机构的计算4.5.1滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠是一种非常常见的传动元件,主要用于将回转运动转化为直线运动、或将扭矩转换成轴向反覆作用力。其特点是精度高、可逆性强、效率高;滚珠丝杠的主要参数为:公称直径与导程。为安全起见,设备(包括拖拽线)按m=200kg计算,安全系数约为3倍(即计算重量约为支撑机器人实际总重量72.204kg的三倍),使用时能充分保证在垂直管道行走不掉落。f=Fn式(4- 33)3f=mg式(4- 34)管道正压力与丝杠螺母的驱动力受力分析如图所示, 图4-10管道正压力与丝杠螺母的驱动力受力分析可得关系式:Fncos=Fcos 即Fn=coscosF在变径机构在直径不断变大过程中,越来越大,越来越小,即Fn是越来越小的。在极限位置正压力最小,此时仍应满足不掉落。此时,=39,=51滚珠丝杠推力与扭矩的关系:T小齿轮=FL2式(4- 35)大齿轮与小齿轮的功率关系:T小齿轮=9550P小齿轮n小齿轮式(4- 36)T大齿轮=9550P大齿轮n大齿轮式(4- 37)3P小齿轮K=P大齿轮式(4- 38)大小齿轮传动比:Z大齿轮Z小齿轮=n小齿轮n大齿轮式(4- 39)以上公式中:f单组支撑轮及驱动轮的摩擦力,N车轮与管道的摩擦系数,给定0.75Fn单组支撑轮及驱动轮的正压力,Nm机器人总重,按200kg计算(安全系数约为3倍)g重力加速度,按g=10 m/s2F单个丝杠螺母的推力,N滚珠丝杠传动效率,为保险起见,按0.9计算L丝杠导程,给定3.78mmT小齿轮小齿轮扭矩,NmT大齿轮小齿轮扭矩,NmP小齿轮小齿轮功率,WP大齿轮大齿轮功率,Wn小齿轮小齿轮转速,r/minn大齿轮大齿轮转速,r/minZ小齿轮小齿轮齿数, 13Z大齿轮大齿轮齿数, 55k大小齿轮传递不均匀系数,一般经验按1.1取值。由以上各式可以求得:丝杠螺母最小推力 F=719.808 NT小齿轮=4.81NT大齿轮=67.155Nm由此可得:张紧装置可以选择静转矩大于 67.155Nm 的步进电机即可4.5.2张紧大齿轮的尺寸与强度计算1.传动外齿:尺寸计算:大齿轮:模数m=2,齿数z=55,ha*=0.8,c*=0.2分度圆直径 d1= mz 式(4- 40)=110齿根圆直径 da=d-2ha*m 式(4- 41)=110-2x0.8x2=106.8齿顶圆直径df=d+2ha*m-2c*m 式(4- 42)=110+2x0.8x2-2x0.2x2=112.4跨齿数:k=z180+0.5=2055180+0.5=6.61 取跨齿数为7公法线长度:W=mcosk-0.5+zinv 查表 inv=0.0149044 可求得:W=39.918 查表确定公法线上下偏差强度计算:传递扭矩T大齿轮=67.155Nm分度圆上的圆周力: Ft=2000T大齿轮d1=1221N齿面接触应力:H=Ftd1bu+1uKZHZEZ式(4- 43)其中: K=KAKVKK=1.51.121.21=2.016 u=z大齿轮z小齿轮=5513=4.23 齿宽 b=8 查表得:ZH=2.5 材料为钢对钢,查表得: ZE=60.6=1.88-3.21Z1+1Z2cos 式(4- 44)=1.576Z=0.82 求得:H=239.48 MpaH 式(4- 45)=700MPa小于42CrMo许用接触应力,安全。齿根弯曲应力:F=FtbmKYF1YY式(4- 46)其中:查表 YF1=2.7 Y=0.71 Y=1求得:F=294.9 Mpa F 式(4- 47)=400MPa小于42CrMo许用弯曲应力,安全2.张紧大齿轮渐开线花键的计算:花键选择30渐开线花键,尺寸均由GB/T 3478.2和GB/T 3478.6 查表得到进行强度计算:计算方法按照 GB/T 17855齿面接触强度:H=Whw式(4- 48)W=FtZlcos式(4- 49)Ft=2000TD式(4- 50)键齿工作高度:hw=(Dee-Dii)2式(4- 51)代入数值可求得:W=134 N/mmH=148.8 MPa H=700MPa值较小,安全。齿根弯曲强度:F=6hWcosSFn2式(4- 52)SFn=DFesin360SD+inv-invarccosDcosDFe2式(4- 53)h=(Dee-Die)2式(4- 54)其中:DFe渐开线起始圆直径,可以查表得到DFe=11压力角,=30,S分度圆弦齿厚,S=m2=1.571代入数值可求得:F=36.2 MPaF 式(4- 55)=400MPa满足强度要求。4.6传动齿轮的设计计算机械传动中的最为重要的传动之一就是齿轮传动。其传动有以下特点:(1)传动效率高;(2)其结构较为紧凑,所需的空间尺寸很小;(3)若使用维护良好的齿轮传动,工作非常可靠,可长达一二十年;(4)传动比平稳。前面所选电机功率P=FV=666.70.05W=33.33W,电机减速机输出轴转速选择n=16r/min1.选择齿轮类型、精度等级、材料及齿轮(1)选用标准直齿圆柱齿轮传动,压力角取为=20,齿数比u=3.2(2)选用7级精度(3)材料选择。查表得,选择小齿轮的材料为40Cr(调质),齿面硬度280HBW;大齿轮材料为45钢(调制),齿面硬度240HBW(4)初选小齿轮齿数Z1=24,大齿轮齿数Z2=3.224=76.8,取Z2=772.按齿面接触强度设计(1)计算小齿轮分度圆直径,即d1t32KHtT1d u+1uZHZEZH2式(4- 56)1) 确定公式中的各参数值i. 试选KHt=1.3ii. 小齿轮传递的转矩T1T1=9.55Pn1 式(4- 57)=9.5533.3316=19.89Nmiii. 由表选取齿宽系数d=1iv. 计算区域系数ZHZH=2cossin 式(4- 58)=2cos20sin20=2.5v. 由表查得材料的弹性影响系数ZE=189MPa12vi. 计算接触疲劳强度用重合度系数Za1=arcosZ1cosZ1+2ha* 式(4- 59)=arcos24cos2024+21=29.841a2=arcosZ2cosZ2+2ha*=arcos77cos2077+21=23.666=Z1tana1-tan+Z2tana2-tan2 式(4- 60)=24tan29.841-tan20+77tan23.666-tan202=1.711Z=4-3 式(4- 61)=4-1.7113=0.873vii. 计算接触疲劳许用应力H由机械设计图10-21c查得小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为Hlim1=600MPa,Hlim2=600MPa计算应力循环次数:N1=60n1jLh 式(4- 62)=601612825015=5.76107N2=N1u 式(4- 63)=5.761077724=1.795107由机械设计图10-19查得取解除疲劳寿命系数KHN1=0.93, KHN2=0.96取失效概率为1%,安全系数S=1,算得:H1=KHN1Hlim1S=0.936001MPa=558MPaH2=KHN2Hlim2S=0.965501MPa=528Pa取H1和H2中较小者作为该齿轮副的接触疲劳需用应力,即H=H2=528MPa2) 计算小齿轮分度圆直径:d1t32KHtT1d u+1uZHZEZH2式(4- 64)=321.319.8910317724+177242.5189.80.8735282=27.69mm(2)调整小齿轮分度圆直径i. 圆周速度vv=d1tn1601000 式(4- 65)=27.6916601000=0.03m/sii. 齿宽bb=dd1=127.69mm=27.69mm2)计算实际载荷系数KHi. 由表10-2查得使用系数KA=1ii. 根据v=0.03m/s、7级精度,由图10-8查得动载系数Kv=1.02iii. 齿间载荷分配系数KHFt1=2T1d1t 式(4- 66)=219.8910334.69=1.147103N查表10-3得齿间载荷分配系数KH=1.1iv. 由表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮相对支撑非对称分布式的齿向载荷分布系数KH=1.313由此,得到实际载荷系数KH=KAKVKHKH 式(4- 67)=11.021.11.313=1.473) 算得按实际载荷系数算得的分度圆直径:d1H=d1t3KHKHt 式(4- 68)=34.6931.471.3=29.009mm及相应的齿轮模数mH=d1HZ11.209mm3.按齿根弯曲疲劳强度设计(1)试算模数,即mt32KFtT1YdZ12YFaYSaF式(4- 69)1) 确定公式中的各参数值i. 试选KFt=1.3ii. 计算弯曲疲劳强度用重合度系数Y=0.25+0.75=0.688计算YFaYSaF由表10-5查得齿形系数YFa1=2.65,YFa2=2.23;应力修正系数Ysa1=1.58,Ysa2=1.76由图得小齿轮和大齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为Fim1=500MPa,Fim2=320MPa由图查得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.85, KFN2=0.88取弯曲疲劳安全系数S=1.4,可得F1=KFN1Fim1S=304MPaF2=KFN2Fim2S=201MPaYFa1YSa1F1=2.651.58304=2.651.58304=0.0138YFa2YSa2F2=2.231.76201=0.0195因为大齿轮的YFa2YSa2F2大于小齿轮YFa1YSa1F1,所以取YFaYSaF=YFa2YSa2F2=0.01952) 试算模数:mt32KFtT1YdZ12YFaYSaF 式(4- 70)=321.319.891030.68812420.0195=1.064(3)调整齿轮模数1)计算实际载荷系数前的数据准备i. 圆周速度vd1=m1z1=1.06424=25.53v=d1n1601000 式(4- 71)=25.531660000=0.021m/sii. 齿宽bb=dd1=125.53=25.53mmiii. 齿宽比b/hh=2h*+c*mt 式(4- 72)=(21+0.25)1.064=2.394bh=25.532.394=10.6643)计算实际载荷系数KFi. 根据v=0.021m/s,7级精度,由图查得动载荷系数Kv=1.1由Ft=2T1d1=219.8910325.53=1.558103,KAFt1b=11.55810325.53=61.026N/mm100N,查表得齿间载荷分配系数KF=1.1ii. 由表得插值法得KH=1.058,结合b/h=10.664查图可得,KF=1.267,故载荷系数为:KF=KAKVKFKH=11.11.11.267=1.5333)按实际载荷系数算得的齿轮模数:mF=mt3KFKFt式(4- 73)=1.06431.5531.3=1.129及相应的小齿轮分度圆直径d1F=mFZ1=1.06424=25.536mm对比计算结果,由齿面接触疲劳强度所计算的模数mH和小齿轮分度圆直径d1H分别大于齿根弯曲疲劳强度计算的模数mF和小齿轮分度圆直径d1F。齿轮模数的大小由齿根弯曲疲劳强度决定,而齿轮直径的大小主要取决与齿面接触疲劳强度,所以取通过弯曲疲劳强度算得的模数1.209mm,并就近圆整为标准值m=2mm,按接触疲劳强度计算求得d1=29.009mm,算得小齿轮的齿数Z1=d1m=29.0092=14.5取Z1=15,则大齿轮齿数Z2=uZ1=3.215=28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,并做到结构紧凑。4.几何尺寸计算(1)计算分度圆直径d1=Z1m=30mmd1=Z1m=56mm(2)齿顶圆直径da1=Z1+2ha*m 式(4- 74)=15+212=30mmda2=Z2+2ha*m 式(4- 75)=28+212=58mm(3)齿根圆直径df1=Z1-2ha*-2C*m 式(4- 76)=15-21-20.252=26mmdf2=Z2-2ha*-2C*m 式(4- 77)=28-21-20.252=54mm(4) 中心距a=d1+d22=43mm 以上为传动齿轮的设计,设计该齿轮是因为管道检测机器人运动速度为0.05m/s,其运动速度很小,在设计了电机减速机之后,通过传动齿轮再一次降低速度,传动齿轮再通过链条把速度传给车轮,通过电机电机减速机、传动齿轮、链条多次传动来达到运动速度的要求。4.7链条传动的设计链条传动是柔性传动,与传动带比起并无弹性滑移和整体滑移,因此能够维持正确的平均传动比,传动运行效率高;由于不是像带子那般紧贴,作用于轴的径向阻力微小,而且在相同状况下,链条驱动的整体外形尺寸较小,结构更集中,管道中环境比较湿润链条移动能量在高温和潮湿的环境中工作。链条传动多半用于工作精确、两轴分开、低速负荷、工作环境不好等的情况下。链条根据用处归为传动链、运输链和起重链。链条根据用处归为传动链、运输链和起重链。该管道检测机器人采用链条,所以我们选择了传动链动。其中滚子链经常被用于传动系统的低速水平。而且,链条速度少于15m/s的情况下,我们选择的是链条。第五章管道检测机器人系统的设计我们对管道检测机器人进行了结构设计之后,其系统的设计也是非常重要的;其中控制系统又是其整个系统中最重要的部分之一。控制系统的作用有:(1)可以收集传感器、湿度传感器等各种测量数据,以此感知到管道中的环境和机器人的运行状态,然后再传输给上层控制软件中,把图像传给上级为;(2)上机位向控制系统发出指令后,再传输给执行部件,并完成一系列操作,如关于机器人的行走、驱动机构的运转、云台系统的旋转等。其控制系统的原理如图:图5-Error! Main Document Only.控制系统的原理图本设计考虑到论文的完整性,对其控制系统的原理进行了介绍,但主要用于其结构设计,所以我们对系统只进行简单的介绍。第六章管道检测机器人的防腐、密封以及对牵引部的润滑设计6.1防腐设计石油、天然气管道中有很多淤积的化学残留、以及石油残留,由于构成了多个因素作用的锈蚀状况,管道检测机器人在管道内极易发生化学腐蚀。所以要对机器人进行防腐设计:(1)材料选择;(2)表面处理关于机器人材料方面的选择如下表6-1所示表6-1零部件的材料选择零件材料特点箱体、基座盖、摄像头盖子、升降臂、轮毂等超硬铝合金材料抗腐蚀性的合金材料输出轴以及转动齿轮不锈钢材料强度高、切削加工性良好、耐腐蚀螺丝、螺栓、螺钉等固定连接件管道检查机器人的车轮橡胶材料优良的物理机械性能,耐磨、耐油性、耐老化其中对于采用超硬铝合金的零部件,我们对其进行阳极化处理。在电解质溶液中,施加阳极电流,可在铝合金表面形成氧化膜以此来保护材料不受腐蚀,极大的提高了该材料的耐腐蚀性和硬度等。6.2密封设计由于管道中会有液体、以及积水等,在设计管道检测机器人的同时也要考虑到该机器人在作业过程中是否防水,以及防水性能要求。密封的方法主要分为动密封与静密封两种。我们对于机器人的静止部位选择静密封,对于机器人中有相对运动的部位选择动密封。机器人在运动过程中通常会伴随有摩擦、磨损等情况,因此对于动密封的要求更高;对此在对机器人的输出轴进行密封时要考虑:密封材料要耐磨损、耐腐蚀;材料密封性要求高,使用寿命时间长。6.3牵引部的润滑设计管道检测机器人还要对其牵引部进行润滑设计。润滑是非常重要的,因为良好的润滑可以起到缓和冲击,减轻工作时所带来的摩擦,以及可以延长链条的使用寿命等的作用。我们所采取的润滑方式为滴油润滑,在单排链上,一般采取每分钟滴油为5至20滴,如果速度高的时候,那么就需要取最大值来进行滴油,我们选取润滑油时通常推荐采用粘度等级为32,46,68的全损耗系统用油,对于开式以及重载低速传动的时候,我们可以在润滑油里面加入二硫化钼,二硫化钨等等一系列添加剂。添加剂的加入可以进一步提高油的品质以及油的使用性能,在润滑油中加入添加剂可以提高其自身的油性以及极压性,这样做的目的是为了即使它在非常不好的环境下都能够保持有效的工作状态,另外也能使得润滑剂的老化变质现象推迟,使得它的寿命得以延长,最重要的一点是,它的加入,也能够改善润滑剂的物理性能,例如,可以使得凝点降低以及泡沫消除黏度提高等等。而对于在不便使用润滑油的地方的时候,也可以换一种方法,使用润滑脂,但是这样做有一个确定,那就是需要定期的清洗和定期的更换润滑脂来保证润滑力度。此外,为了保证工作人员的安全,以防工作人员在无意之中碰到链传动装置中的运动的部件而受到伤害,我们还需要用到防护罩,增加防护罩可以将其封闭,防护罩还有一个作用是,它可以将链传动与自然中的灰尘隔开,用来维持正常的润滑状态,甚至可以延长润滑剂的使用时间,减少滴润滑油的次数。第七章总结1设计内容的总结随着城市建设的快速发展、以及经济的迅速增加,管道检测机器人在石油天然气管道中的作用越来越重要,所以对管道检测机器人的结构设计以及近一步的优化是十分必要的。而针对管道的检测工作,传统的人力检测费时耗力,本毕业设计研发一款新型的管道检测机器人,可代替人力进行管道内部的巡检,期望能够提高效率减少管道检测的成本,本论文进行了以下设计:(1) 介绍了管道检测机器人的背景和设计意义,描述了国内外对管道检测机器人的研究,根据本课题对于要求的越障和过弯能力,进而对本方案的机器人提出了具体的要求;(2) 对比不同的方案,最终确定了选择支撑式的行走机构;采用弹簧+四连杆机构使机器人适应250mm350mm不同规格的管径;对管道机器人主要组成结构的分析与建模:进行了检测部分的分析建模,支撑部分的分析与建模,动力部分的分析与建模,前进部分的分析与建模; (3) 对管道机器人分析建模过程进行典型问题分析:主要有如何前进的问题,动力传动的问题,自适应管径的问题;(4) 设计了机器人的机械结构并作
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