管道清洁机器人毕业设计论文

目录 21.1本课题研究背景和研究意义 21.2国内外发展状况 41.3本设计的主要内容 2管道机器人总体设计 2.1管道机器人的总体结构设计 2.1.1移动方式选择 2.1.2传动方案的选择 2.2机器人变管径自适应性方案设计 2.3动力系统的设计计算 222.3.1管道机器人行驶阻力分析 2.3.2减速器的选择 262.4机器人的速度和驱动能力校核 282.4.1运动速度校核 282.4.2驱动能力校核 3链传动的设计计算 3.1链轮设计的初始条件 293.2链轮计算结果 3.3历史结果 4蜗轮蜗杆的设计计算 华北科技学院毕业设计(论文)第1页共45页4.1蜗轮蜗杆基本参数设计 4.1.1普通蜗杆设计输入参数 4.1.2材料及热处理 4.1.3蜗杆蜗轮基本参数 4.1.4蜗轮精度 4.1.5强度刚度校核结果和参数 4.1.6自然通风散热计算 4.2蜗杆轴的结构设计 4.2.1轴的强度较核计算 4.2.2轴的结构设计 454.2.3键的校核 455过弯道能力和其他部件设计 475.1弹簧的设计 475.2过弯道能力的设计 485.2.1工作原理 485.2.2过弯道能力的几何量设计 496管道机器人建模与仿真分析 537总结和展望 参考文献 管道机器人的设计与运动仿真1.1本课题研究背景和研究意义温度、压力不同及介质与管道之间的物理化学作用，常常会高温结焦，生物耗、能耗增加，工艺流程中断，设备失效，发生安全事故。尽管通过添加化学剂，采用合理的工艺流程，进行水质处理措施可以在一定程度上改善这些情况，但要完全避免污垢的产生是不可能的。我国的管道清洗行业率低、污染环境等，远远不能满足现代社会日益增长的要求。探索和开发利用行星磨头清洗是一种新的清洗方法。与化学清洗及手工、机械清洗相比，具有清洗质量好、效率高、适应性强、成本低等一系列优点，可达到返旧还新的效果。作为一种清洁、高效、对环境无污染的清洗技术随着经济的发展、人们生活水平的提高，人们对于食品卫生、健康的要求越来越高，环保意识越来越强，如何实现油烟管道高效率的清洗成了本课题的研究目的是设计一种应用于清洗油烟管道的机器人，解决单独靠人力很难完成，甚至不可能完成的油烟管道清洗任务。本课题的研究华北科技学院毕业设计(论文)第3页共45页只有一个自由度，清洗管道壁时，要通过不断调整机器人的位姿来实现，直烟道的清洗是管道清洗的重要任务。针对现有机器人不能用于竖直管道清洗的缺点，我们设计了链式履带行走、永磁吸附的机械行走机构，用于3、可改善当前清洗油烟管道工人的工作环境、降低工人的劳动强度、节约清洗成本、消除油烟管道清洗的卫生死角、提高管道使用寿命、提高油烟管道的清洗效率、减少火灾以及可避免化学清洗导致的污染和纯机械现代工农业及日常生活中使用着大量管道，石油、天然气、化工等领域也应用了大量管道，这些管道大多埋于地下或海底，输送距离近千里，它们的泄漏会造成严重的环境污染，甚至引起火灾，多数管道安装环境人们不能直接到达或人们无法直接介入，另外，在一些工厂里有大量的通风管道，在某些餐厅或饭店里装有大量的油烟管道，这些管道或者架设在空中，或者管道内径很小，在做质量检测、故障诊断、清洗时比较困难。这管道机器人的迅速发展时期始于上个世纪80年代，它是一种可沿管道焊枪、刷子),其研究范畴属于特种机器人中的移动机器人范畴，能够完成管道机器人的设计与运动仿真在操作人员的遥控或者计算机的自动控制下完成管道的检测和维修、清扫等作业。检测作业项目包括防腐状况检测、对接管道焊缝质量、管道内腐1.2国内外发展状况走方式来进行清洗，无法根据管道的内部情况进行清洗参数的动态调整，管径的适应能力较差。为了解决这个问题，着眼于管道行走清洗机器人的研究开发，而在国内这方面研究尚少。为了较好地解决管道的清洗难题，开发和研制管道清洗机器人势在必行。本人设计管道清洗机器人是把行星磨头清洗技术与机器人技术结合起来，进行综合设计开发，因此它的深入德、法等发达国家在管道机器人技术方面做了大量工作，尤其是日本，在管道机器人的研究及开发中取得了领先的地位。法国的J.Vertut是较早从事管道机器人理论和样机研制的人，他于1978年研制了一种轮腿式管内机器人行走机构，成功地实现了机器人在管内的自主行走。该机构由2个行走轮及4个支腿组成，支腿由电机驱动，以适应不同管径的变化。美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出了世界上第一台工业机1-1,其研制的管道射流清洗机器人采用履带驱动方式，但管径适应能力较差，射流对中性差，清洗效果不理想。尽管常规管道机器人有的己经实用华北科技学院毕业设计(论文)第5页共45页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OPCR-OH'S管道清理机器人，如图1-2所示。图1-1stoneage公司管道清洗机器人管道机器人传感器可以检测到需要清理的障碍、发现管道终端，从而能够及时停止机器人的运动。驱动部分主要有两个功用是适当的驱动运动；二是可以根据障碍物的尺寸来调节轮的角度，通过螺旋运动来清理障碍物。OPCR共有三个驱动轮，每个轮均有两个微型电机控制，其中一个电机作为驱动，另一个电机改变轮的角度，这样在转弯的情况下机器人可以实现快速转弯。当管道机器人的设计与运动仿真图1-3美国RIGID(里奇)管道疏通机美国RIGID(里奇)管道疏通机如图1-3所示，其基本原理是利用机械装两端有接头可将多根软轴接在一起使用，从而可疏通较长距离的管道。用可以顺利通过180°弯道或连续180°返水弯管。图1-4所示EverstVit公司的管道检测机器人系列，采用轮式移动机构，这种移动机构在管道街头该车的9个电驱动装置能把整个机器联接起来，推出并转动工作部件、翻转摄像机用于观察修理过程，还能“指使”刷子去清洗应洗的部位。除此以外，为了使机器人能从竖孔中钻进横向管道，机器人自身可折弯，因而华北科技学院毕业设计(论文)第7页共45页机器人安装的轮子以0.3m/s的速度向前行驶，有大功率灯泡照明，摄像机通过向不同的方向旋转可以判断故障点。在发现故障点后机器人用一整套工具(铣刀、钻头、切割和清理工具)完成各道工序。机器人由操作师控1-6所示。它采用分段蠕虫状外形设计，使其具备了前所未有的灵活性，可以实现对排水管道的初步清理及检测。适用于大直径、淤积不严重、管路图1-5月球车(适应管径范围300-900mm)图1-6二十世纪80年代，计算机、传感器、现代控制理论和技术的发展为管内机器人的应用与研究提供了有力的技术支持，国外相继开发、研制了多代技术，开发了多种形式的管道机器人。例如，日木关西电力株式会社开发出了适用于o288mm～388mm管径、管长机器人，该机器人通过沿径向分布的履带在水平管和垂直管内自主行走，管道机器人的设计与运动仿真移动速度为5m/min。日本大阪燃气株式会社研制的内置磁铁轮式煤气管道检测机器人可沿直管和弯管行走，适于管径0150mm～600mm,行走速度5m/min,采用光缆通讯，但由于携带的蓄电池电能的限制，还不能实现较日本推出的“三藏法师”用于清洗、检测空调通风管道的超小型机器人，如图1-7所示，是被世界认可的风管清扫系统(具有美国、日本、欧洲多国专利),其特长为：图1-7中央空调风管清扫机器人日本和美国都是机器人发展较成熟的国家，对空调管道机器人的研究华北科技学院毕业设计(论文)第9页共45页也较成熟，上面介绍的日本管道机器人，体积小，能清洗任何形状的空调通风管道，不但可以做清扫任务，还可做检测任务。美国的管道机器人也已经开发出一系列的管道机器人。其他国家也研究了用于排水管道清理的机器人，但都有各自的优缺点，目前，这些机器人仍不能用于清洗油烟管我国对管道机器人的研究始于上个世纪八十年代末期，哈尔滨工业大学、上海交通大学、广州工业大学、东华大学、上海大学等高校和科研院所都做了这方面的工作，在理论上和应用上取得了很多进步。近几年来，用于空调管道清洗和检测的管道机器人如雨后春笋般的出现的市场在上，己初见规模。目前国内研究的管道机器人主要应用在以下4个方面：中科院兰州分院研发的清洁机器人样机是据400察和对污染物进行清洁的功能。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0.5m～1m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，电缆长度超制的通风管清扫机器人MDCR-I尺一寸为520mm×290mm×270mm是一种可在通风管内行走的移动机器人。自动升降的手臂装上刷头可以清扫不同规格的矩形、圆形通风管；装上喷枪可以对通风管进行消毒。同样，由于其功能中自动控制能力较强具有自动纠偏自主导航的功能，其尺寸相应较大是管道机器人的设计与运动仿真其应用范围的限制因素。其功能包括检测、清洗和消毒，如图1-8所示。东华大学研制的“自主变位四履带足机器人，如图1-9所示。它将履带与机体之间的固定摆臂变为可横向摆动的摆臂，改变左右摆臂的夹角以适应不同的圆管管径。这种管道机器人移动载体既适用于大口径管道，也适用可适用于矩形管和圆管，能轻松实图1-9自主变位四履带足机器人现直角矩形管转向和圆弧弯道行走，可胜任各种环境复杂的管道。因此清洗机器人在清洗过程中无须频繁改变入口位置，故能大大提高管道清洗机器人的作业效率。机器人采用多电机驱动技术，结构简单、可靠性好。该轮式行走机构、四轮驱动方式、以三相异步电机做原动机。该机器人在清淤时有打滑现象。哈尔滨工程大学的城市排水管道穿缆检测机器人，采用华北科技学院毕业设计(论文)第11页共45页密封式水下结构；移动速度为5～10m/min;负重能力大于10kg,如图1-10图1-10城市排水管道穿缆检测机器人图1-11PV-2300自走式管道检测机器人用于管道检测的机器人的产品也比较多，北京航天村技术研究所推出用左右独立全轮驱动，能在行走时进行倾斜补正；搭载的照相头有4倍聚管道机器人的设计与运动仿真图1-12烟道机器人如图1-12所示，是一款由武汉亚伯机电有限公司生产的烟道机器人，该机器人自身尺寸280mm×260mm×270mm,重量18kg,爬坡≤30°,采用高压射流清洗，电源220v,功率60w。该机器人无法完成竖直油烟管道的清洗，且重量较重。由于喷杆只有一个上下摆动的自由度，因此，在清洗过程中，机器人要频繁的调整其与管壁的位姿来保证清洗效果，从而降低1.3本设计的主要内容目前管道机器人的驱动方式有自驱动(自带动力源)、利用流体推力、通过弹性杆外加推力三种方式。采用双步进电机驱动，通过谐波减速器将动力传递给行走装置。尽管自驱动管内机器人行走可以采用的轮式、脚式爬行式、蠕动式，履带式等多种形式，但本文则是对轮或管道机器人的研究，可以设计机构在一定的管径变化范围内，具有常封闭特性，增加了载本论文“管道机器人设计与运动仿真”的目标是研究一种用于管道内壁清洁的管道机器人，该机器人是用于作为携带作业工具进行管道清洗的移动载体和清洗管道的机械执行机构，要求其完成管道内壁的清洗和检测华北科技学院毕业设计(论文)第13页共45页管的几何约束尺寸，分析对变径机构的影响；建立轮壁接触点分析模型，并对驱动截面偏角与轴线偏移量做出详尽分析；基于所建立的弯管内轮壁接触点轨迹参数方程，通过分析弯管内驱动轮速比运动特点，提出采取简化控制方法的可行性及实用价值；建立弯管内机器人产生螺旋自转体运动管道清洗机器人应用于管道直径090mm～q125mm的管道中工作，作业管道机器人的设计与运动仿真环境要求整个结构的尺寸应尽可能的小并且具备一定的牵引力，整个设计内作业特点来设计出稳定运行，满足清洗性能要求的机器人。在进行清洗时候，要求系统必须保证喷头具备一定的对中性能，能适应不同的管径变化，对于在行进过程中，管内可能出现凸凹不平情况，机器人还应具备一定的越障能力。如果机器人在运动过程中产生旋转或由于重心偏移而使得机器人的轴线与管道的中心线产生偏转角，载体可能卡在管道内而无法取出，严重时不得不破坏管道取出机器人。对于大口径的管道机器人，由于其自重较大，如果支撑臂不具备自动定心性能，必定产生偏转角，其结果使机器人运动阻力增大，出现“卡死”现象。为了提高作业的可靠性，设在现有的管道机器人设计中，移动型本体结构，主要有履带式、支腿式、轮式结构以及蛇行、蠕动、变形运动等几种形式。如壁面爬行、水下推动等机构。蛇行、蠕动、变形运动乡适合于光滑的管壁、地面或水下。而且要保持履带的张紧，结构复杂，如图所示；支腿式对粗糙表面性能较好、带载能力强，但其控制系统、机械结构均复杂、移动行走速度慢；轮式移动方式速度快，转弯容易，对中性好，尤其是径向辐射轮式结构，能够保证机器人在运行过程中，其中心轴线与管道轴线保持一致，缺点是着华北科技学院毕业设计(论文)第15页共45页2.1.2传动方案的选择机器通常是由原电机、和工作机三部分所组成。传动系统是将原动机的运动和动力进行传递与分配的作用，可见，传动系统是机器的重要组成部分。传动系统的质量与成本在整台机器中占有很大比重。因此，在机器中传动系统设计的好坏，对整部机器的性能、成本以及整体尺寸的影响都结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、使用维护方便、工艺性和经济性好等要求。很显然，要同时满足这些要求肯定比较困难的，因此，要通过分析和比较多种传动方案，选择其中最能满足众多要求的合理传动方案，作为机器人常用的驱动方式有：液压驱动、气动驱动、电动驱动三种基本方式。电动驱动主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。液压与气动方式对环境要求较高，实现起来较复杂，而电机驱动结构简单，较易实现密封与调速控制。故在本设计中选用步进电机作为机器人本体的驱动动力；减速器选用行星齿轮减速器。驱动动力从电机经由减速器减速后，在满足管径自适应性的基础上，如何更好地将动力传递到主动轮上，是选择机器人传动方式过程中重点考虑的问题。结合管道机器人的结构布局方式的特点，在本设计中主要通过一套动力变换装置和同步链传动机构来实管道机器人的设计与运动仿真图2-1车轮端面图 刚好使得位于最上侧的轮处于与管壁相接触的临界状态，也就是说上轮与管壁间的接触压力刚好为零，所以机器人整体的驱动力绝大部分来自轮1和轮3,而且机器人本体的重心位置位于管道的轴线下方40mm左右(如图2-1所示),增强了机器人的稳定性。下面两轮所在支腿中心线与减速器输出轴线垂直，且两支腿中心线的夹角为120°,故需要动力变换装置来实现动力的分流。蜗杆传动是空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错的夹角可为任意值，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的齿数又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。在设计中蜗杆与两蜗轮之间的轴线夹角为90°,两蜗轮轴线之间的夹角为120°。如图2-1所示华北科技学院毕业设计(论文)第17页共45页由于设计的机器人具备在一定的管径变化范围内行走的能力，在管径发生变化的时候，主动轮与管道中心的距离也相应发生改变，在现有的相关管道机器人传动方案中，更多的是采用全齿轮传动方式，即动力经变换后，通过增加惰轮的方式，将动力传递到主动轮，虽然该方案的传动效率将动力传递到各支腿，因为空间尺寸关系，在两者之间增加一惰轮机构，再应用同步链将动力传送到主动轮1和轮3。同步带轮1与安装底座的连接轴同轴，故无论管径如何变化，两个同步链轮间的轴线距离保持不变，只2.2机器人变管径自适应性方案设计管道由于制作误差、使用过程中局部结垢、局部压力过大而产生变形以及内表面杂物的存在，管道机器人在碰到变形部位及杂物时，由于阻力而使支撑臂收缩，同时在驱动力的作用下通过变形部位，当再次达到管道正常段时，支撑臂能够在弹簧的作用下像伞一样张开，使机器人重新恢复原来的平稳状态。这个过程就是机器人的自适应过程。有了自适应性，机器人就能穿过一个个变形部位，以达到对管道进行有效清洗的目的，在本设计中，对于自适应性的设计主要包括两种方式：各支腿单独调整和支腿各支腿的单独调整方式。当机器人在行进过程中，其中的一个或多个管道机器人的设计与运动仿真支腿遇到障碍物(包括突起和凹陷)时，利用支腿内部的调整弹簧来改变支腿的长度使得支腿与管壁处于理想的接触状态，以满足稳定作业要求。同时调整弹簧也能起到一定的缓冲减震作用。该装置主要是针对相同管径或管径变化范围不是很大的情况下，当管径变化范围较大时，则应使用支目前管道机器人在适应不同管径的调节机构常用的有：蜗轮蜗杆调节方式，升降机调节方式、滚珠丝杠螺母副调节方式和弹簧压紧调节方式。比较研究了各种调节机构的优缺点，针对本课题的工程实际需要，并根据前后支腿的特性要求，在前支腿(即从动轮支腿)选用弹簧压紧调节方式，后支腿(即主动轮支腿)选用滚珠丝杠螺母副调节方式。这两种调节机构能保证机器人具有充裕并且稳定的牵引力，并且管径变化范围比较大，下(1)滚珠丝杠螺母副调节方式自适应方案。其具体设计如图2-2所示是滚珠丝杠螺母副调节方式示意图，其工作原理是：安装在轴套和丝杠螺母从而带动推杆运动，进而推动连杆AB绕支点A转动，使车轮撑开或者紧缩以达到适应不同的管径的目的。保证管道机器人以稳定的压紧力撑紧在管华北科技学院毕业设计(论文)第19页共45页道内壁上，使机器人具有充足且稳定的牵引力。压力传感器轴套图2-2滚珠丝杠螺母副调节方式下面分析滚珠丝杠螺母副调节方式的力学特性，如图所示，以固定支点A为坐标系的原点，建立如图所示的坐标系XOY,z,为连杆AB的长度，L₂是推杆CD的长度，L,是支点D到固定支点A之间的距离，a是推杆CD与水平方向之间的夹角，p是连杆AB与水平方向之间的夹角，凡为管道内壁作用在车轮上的压力即封闭力，F是滚珠丝杠螺母作用在推杆上的轴向推力，r是作用在滚珠丝杆轴上的有效扭矩。r。是电机轴的输出扭矩。在坐标系XOY中，由几何关系可得对上式两边分别取微分可得：第20页共45页将式代入上式并化简得：所采用的滚珠丝杠螺母副的导程记为P,g相对转角，则丝杠螺母的位移为：对上式等号两边分别取微分得：考虑滚珠丝杠螺母副，由虚位移原理可得：为滚珠丝杠和丝杠螺母之间的ZFδ+Tδn=0ZFδ+Tδn=0合并整合上两式得：华北科技学院毕业设计(论文)第21页共45页此式即为滚珠丝杠螺母副调节方式的力学特性。(2)弹簧压紧调节方式如图所示的是从动轮的弹簧压紧调节方式示意图，其工作原理与滚珠丝杠螺母副调节方式原理类似，只是在张紧力调整方面采用被动调整方式。当管径发生变化时，作用在从动轮上的压力变化，使得压紧弹簧产生伸缩：而带动推杆运动，进而推动连杆AB绕支点A转动，使车轮撑开或者紧缩以达到适应不同的管径的目的。与滚珠丝杠螺母副调节方式的主要区别就在于在压紧力的调节方面由调整电机的主动调整变为压紧弹簧的被动调整。故在弹簧压紧调节方武的力学特性如下：图2-3弹簧压紧调节方式选取其中的一个支承臂作为研究对象，其受力分析如图所示，由前述滚珠丝杠螺母副调节方式的分析可知，弹簧压紧调节方式的力学平衡方程 第22页共45页弹簧压紧力可表示为：f=k[x₀-(L-S₁-S₂)]f为弹簧的初始长度(mm),k为弹簧的弹性系数(N/mm)。从上边的式子可以看出，弹簧压紧力f只是位移函数，因此该机构具有负反馈作用，在一定的管径变化范围内，封闭力之和N变化不大。由此可见该机构具有常封闭特性，这样便增加了载体的稳定性和可靠性，同时由于弹簧压紧力f的回馈作用可使机构具有自适应调节的功能。2.3动力系统的设计计算2.3.1管道机器人行驶阻力分析在计算前，我们先设定我们所设计的机器人的行进速度是17.5mm/s。机器人在管道内进行清洗作业时，必须克服来自管道内表面的滚动摩擦阻力F,F,=fEN。式中，r是滚动摩擦因数，即轮子在一定条件下滚动所需要的推力。ZNg为机器人轮子负荷之和。也就是：式中p—机器人管内作业姿态角，华北科技学院毕业设计(论文)当姿态角分别为60°或者-60°时候，系统的阻力最大。预设为0.5,机器人重量为4.8kg,打捞最大质量300g,由于轮子手的是弹簧调节，则弹簧对轮子又很大的压力，由于我们采用的是型芯磨头切削，对车身的稳定性要求较其他更为严格，假设弹簧对轮子的压力是40x9.8N,2F=根据实际情况，我们设计主动轮半径，=50mm,总阻力矩为：ZM=ZFr=24×50.05=12.25Nm已经设过机器人行进速度为17.5mm/s,也就是1.05m/min,则主动轮转速应考虑机器人在管道内行进出现的在和突变情况，取安全系数为2,则电机的得：转速为1500r/min华北科技学院毕业设计(论文)第25页共45页表2-1YS系列电机技术参数型号额定功率额定电压额定频率同步转速效率功率因数/H₂或表2-1YS系列电机技术参数续管道机器人的设计与运动仿真额定频率/H₂同步转速效率)功率因数堵转转矩堵转电流最大转矩额定转矩额定电流额定转矩声功率极/dB(A)2.3.2减速器的选择在选择了电机型号之后，需要选择与之相应的减速器。在确定了减速器的类型后，减速器的选择关键在减速比的选择。1、考虑驱动能力时减速比的计算根据电机的相关资料，可知电机的额定转矩为0.9Nm,为满足机器人能正常行驶，则整个躯动系统电机的驱动力矩经传动系统减速增扭后，驱动力矩应大于等于机器人所受到的总的阻力矩，即应保证传动系统的传动2.考虑机器人最高运行速度传动比的计算华北科技学院毕业设计(论文)第27页共45页in≤i.≤ima第28页共45页2.4机器人的速度和驱动能力校核确定电机和减速器后，我们必须进行机器人的运动速度和驱动能力的校核，以确保机器人有足够驱动力的同时，能满足机器人的最高行走速度要求。2.4.1运动速度校核根据以上所选电机和减速器的性能指针，可知电机的额定转速r=0.05m,可以计算出机器人在确定电机和减速器后的最高车速v。虽然v大于预期设定速度，但是我们可以通过控制电机的转速使机器人低于此速度行驶，而且还有一定得速度储备，在机器人需要快速行进至工作位置的情况下，尽可能有较快的速度。2.4.2驱动能力校核根据电机的额定输出转矩为2.4Nm,传动比；为450,则机器人总的驱动力M=2.4×450=576≥ZM因为机器人总的驱动力矩大于其所受到的总的阻力矩，所以机器人能够有足够的动力起车，并有一定的动力储备。经过上述计算和校核，所选的施奈德BSH4552T伺服电机和GBX40行星齿轮减速器能够满足管道射流清洗机器人的性能要求，从而可以由其组成机器人的行驶驱动系统。华北科技学院毕业设计(论文)第29页共45页链轮设计的初始条件如图3-1所示表3-1初始条件名称数值单位传递功率小链轮转速平均转动比1;可大或小0.5%大链轮转速传动转类倾斜传动传动速度低速转动(v≤m/s)润滑条件由设计结果确定(推荐)中心距条件可调载荷性质平稳载荷原动机种类电动机或汽轮机弹紧装置张紧轮管道机器人的设计与运动仿真3.2链轮计算结果表3-2设计结果名称数值单位小链轮齿数大齿轮齿数张紧轮齿数平均传动比大链轮转速设计功率链条节距链号链条速度润滑方式粗定中心距链长节数链条长度理论中心距实际中心距有效圆周力作用于轴上的拉力滚子外径(最大值)链条排距内链板高(最大值)许用静强度安全系数静强度安全系数铰链比压油刷或油壶人工定期润滑m/s节mNN由上面我们得到链轮的基本尺寸：分度圆直径齿根圆直径3.3历史结果华北科技学院毕业设计(论文)第31页共45页表3-3表3-3历史结果名称符号数值单位公式说明小链齿轮数大齿轮参数ZZ00 ≥zx=9,z参照链述选取 连轮齿数应优先选取以下数列：z=zi通常z≤1202-150增大z,链条紧边的总拉力下降，多边形效应减小，磨损小，但尺寸重量增大当z和z为奇数而L,为偶数时，将有利于链条和链轮齿均匀磨损z,和z的选取应考虑z;增大时，节距(或总长)磨损伸长率许用值减少，链传动的麽损寿命降低，且传动尺寸大平均传动比设计功率链条节距iP₂P0,通常f≤7,推荐i=2~3.5,当v<2m/s.且载荷平稳时，i可达10mm根据设计功率P和小链轮转速n₁由功率图选用合适的节距Pn,n—小大轮的转速r/min,传劝比大时可采用二级或级以上传动P—传动功率KWK—工况系数K—小雄轮齿数蒸数K.多排链排数系数为使传动平稳，结构紧凑，特别在高速下，宜选用节距小的链条，速度高功率大时，可选用节距小的多排链，选用多排链时应注意脏污对误差影响管道机器人的设计与运动仿真4蜗轮蜗杆的设计计算为了方便计算选用电子版机械设计手册2.0计算：普通圆柱蜗杆传动设计结果报告在输入基本数据之前，我们要知道作用在蜗杆上的功率蜗杆的转矩应该是电动机额定转矩经减速器后的力矩，则：传递转矩T=Ti=2.47n=1500÷12=125r/min输入计算如下：4.1蜗轮蜗杆基本参数设计4.1.1普通蜗杆设计输入参数编入说计考数编入说计考数传递转矩(r/min)(N.m)确取说认消明原动机类别图4-1蜗杆设计参数1.传递功率P0.38(kw)8.传动比误差0.02华北科技学院毕业设计(论文)第33页共45页2.蜗杆转矩T12.49(n.m)4800(小时)稳))油6.理论传动比i7.实际传动比；20.004.1.2材料及热处理1.蜗杆材料牌号45(表面淬火)对涡轮蜗杆精度等级我们都选为8级得出：11.工作机载荷特性平13.蜗杆类型14.受载侧面3.蜗杆材料硬度管道机器人的设计与运动仿真4.1.3蜗杆蜗轮基本参数变位系数「对蜗杆进行磨削加工图4-2蜗杆蜗轮设计参数华北科技学院毕业设计(论文)第35页共45页1.蜗杆头数z12.蜗轮齿数z25.蜗杆分度圆直径dl7.蜗杆导程角γ8.蜗轮当量齿数Zv29.蜗轮变位系数x210.轴向齿形角ax221.蜗杆齿高hl4022.蜗杆齿顶圆直径dal3.15(mm)23.蜗杆齿根圆直径ar3.10(mm)24.渐开线蜗杆基圆直径dbl35.50(mm)25.渐开线蜗杆基圆导程角yb163.00(mm)26.蜗轮分度圆直径d210.06327.蜗轮喉圆直径da241.9028.蜗轮齿根圆直径df2-5.6329.蜗轮齿顶高ha220.287°30.蜗轮齿根高hf2管道机器人的设计与运动仿真12.齿顶高系数ha*13.顶隙系数c*32.蜗轮外圆直径de2≤33.蜗轮齿顶圆弧半径Ra214.蜗杆齿宽b1≥15.蜗轮齿宽b2≤16.是否磨削加工17.蜗杆轴向齿距px18.蜗杆齿顶高hal19.蜗杆顶隙cl20.蜗杆齿根高nfl4.1.4蜗轮精度65.00(mm)34.蜗轮齿根圆半径Rf224.00(mm)35.蜗杆轴向齿厚sx1下36.蜗杆法向齿厚sn19.90(mm)37.蜗轮分度圆齿厚s23.15(mm)38.蜗杆齿厚测量高度hal'0.63(mm)39.蜗杆节圆直径at3.78(mm)40.蜗轮节圆直径a2表4-1蜗轮精度第一组精度第37页共45页第一组精度88第一组精度88ff1.许用接触应力2.计算接触应力3.许用弯曲应力4.计算弯曲应力5.许用挠度值1.蜗杆圆周力Ft2.蜗杆轴向力Fx13.蜗杆径向力Fr14.蜗轮圆周力Ft25.蜗轮轴向力Fx215.动载荷系数Kv16.载荷分布系数Kp6.蜗轮径向力Fr2272.02(N)18.滑动速度影响系数Zvs8.滑动速度Vs0.24(m/s)20.齿形系数Ys9.蜗杆传动当量摩擦角pv3.72021.导程角系数Yp12.搅油损耗n20.9724.蜗杆两端支承点的跨度L8.70(W1m²°C)8.70(W1m²°C)2.散热的计算面积A0.57(m²)6.周围空气温度t23.冷却的箱壳表面积A10.40(m²7.损耗的功率Ps0.12(KW)华北科技学院毕业设计(论文)4.补充的箱壳表面积A20.13(KW)4.2蜗杆轴的结构设计8.能散出的功率Pc轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难度。因此，轴的结构设计是轴设计中的重要内容。轴的结构主要取决以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴的连接方法：载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构的因素较多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。设计时，必须针对不同情况进行具体的分析。但是，不论何种具体条件，轴的结构都应满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便以装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。轴的工作能力设计指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。而对刚度要求高的轴(如车床主轴)和受力大的细长轴，还应进行刚度计算，以防止工作时产生过大的弹性变形。对高速运转的轴，还应进行振动稳定性计算，以防止发生共振而破坏。下面根据上述原则对轴进行设计计算。管道机器人的设计与运动仿真第40页共45页4.2.1轴的强度较核计算进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并给当地选取其许用应力。对于仅仅(或主要)承受扭矩的轴(传动轴),应按扭转强度计算：对于只承受弯矩的轴(心轴),应按弯矩强度条件计算：对于既承受弯矩又承受扭矩的轴(转轴),应按弯扭合成强度条件进行计算，需要时还应按疲劳强度条件进行精确校核。此外，对于瞬时过载很大或应力循环不对称性较为严重的轴，还应按峰尖载荷校核其静强度，以免产生过量的塑性变形。下面介绍几种常用的计算方法。1.按扭矩强度条件计算这种方法是按轴所受的扭矩来计算轴的强度；如果还受有不大的弯矩时，则用降低许用扭矩切应力的方法予以考虑。在做轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径。对于不大重要的轴，也可作为最后计算结果。轴的扭转强度条件为T—轴所受的扭矩，N.mmp—轴传递的功率，功率a—计算截面处轴的直径，mm华北科技学院毕业设计(论文)[r,]一许用扭转切应力，MPa,见表4-2表4-2轴的几种材料的[r,]及a。值40Cr、35SiMn38SiMnMo、3Cr13[rr]/MPaA。由上式可得轴的直径查表4-2,对于空心轴，则,即空心轴的内径d,与外径d之比，通常取p=0.5~0.6应当指出，当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱。对于直径d>100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大3%;有两个键槽时，应增大7%。对于直径d≤100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大5%～7%;有两个键槽时，应增大10%15%。然后将轴径圆整为标准直径。应当注意，这样求出的直径，只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径a。管道机器人的设计与运动仿真通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸，轴上零件的位置，以及外载荷和反支力的作用位量均已确定，轴上的载荷(弯矩和扭矩)已可以求得，(1)做出轴的计算简图(即力学模型)(a)向心轴承(c)并列向心轴承(d)滑动轴承图4-3轴的支反力作用点轴所受的载荷是从轴上零件传出来的，计算时，常将轴上的分布载荷华北科技学院毕业设计(论文)简化为集中，其作用点取为载荷分布段的中点。作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度中点算起。通常把轴当作置于铰链支座上的梁，反支力的作用点与轴承的类型和布置方式有关，可按图4-3确定。图b中的a值可查滚动轴承样本手册，图d中的e值与滑动轴承的宽径比B/b≤1时，取管道机器人的设计与运动仿真图4-4轴的载荷分析图在做计算简图时，应先求出轴上受力零件的载荷(若为空间力系，应把空间力分为圆周力、轴向力和径向力，然后把他们全部转化到轴上),并将其分解为水平分力和垂直分力，如图4-4b所示。然后求出各支承处的水平反力r。和垂直反力。(轴向反力可表示在适当的面上，图4-4d是表示在垂直面上，图4-4d是表示在垂直面上，故标以和)(2)做出弯矩图根据上述简图，分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别做出水平面上的弯矩M,图(图4-4c)和垂直面上的弯矩M。,图(图4-4e);然后按下式计算总弯矩并做出M图(图4-4f)。(3)做出扭矩图如图4-4g所示。σ=700MF华北科技学院毕业设计(论文)第45页共45页根据公式初步计算轴直径带入数据得出d₂11.2mm即轴的最小直径为11.2,现在选择a4.2.2轴的结构设计根据轴上面的定位要求，现在轴的基本参数如下图所示.图4-5轴的基本尺寸参数4.2.3键的校核选用A型普通键，轴键、轮毂的材料都用20钢。b×h=6×6取L为20管道机器人的设计与运动仿真第46页共45页k—键与轮毂、键槽的接触高度k=0.5h=31一键的工作长度：1=L-b=17mm;表4-3许用应力参数应力、许用压力连接方式键或毂、轴的材料载荷性质静载荷轻微载荷冲击所以此键符合要求.华北科技学院毕业设计(论文)第47页共45页5过弯道能力和其他部件设计5.1弹簧的设计根据我们的设计情况，我们应该选用圆柱螺旋压缩弹簧。当此机器人在管道内行走时受到的最大压力为40KG,急弹簧的最大压力为40x9.8=392N。其受力图如图5-1所示图5-1圆柱螺旋压缩弹簧受力图1.根据条件选择材料，并确定其许用应力。因弹簧在一般在和条件下工作，可以按第3类弹簧来考虑，现选用碳现估计取弹簧直径为3mm.2.根据强度条件计算弹簧钢丝直径现选取旋绕比c=6,由《机械设计》16.4得：根据《机械设计》武(16.12)得管道机器人的设计与运动仿真D₂=D+d=18+3.2=21.2mmn=0.56×1570Mpa=879.2Mpa华北科技学院毕业设计(论文)第49页共45页构的两节连接组成，每一节前后各有3组驱动轮，沿圆周方向两两间隔120性。轮子与管道压力由弹簧的弹力来提供。机器人所需要的动力及控制电路外置并通过电缆连接到管内机器人。管外设有控制平台，通过电缆与管内机器人连接，机器人头部的清洁刷用来清洁管道内壁，自带的摄像装置可将管内图像同步传输到管外的显示器5.2.2过弯道能力的几何量设计目前大部分管道机器人可以轻松地通过水平直管及在倾斜度为30°以内的上升管道内爬动。对于弯道、直管、异径管等管道，机器人的设计必须满足管道的几何条件限制，否则不可能成功通过这些管道。曲率半径是这些管道机器人能通过能力主要的限制,在一定的曲率半径下，太细长或者太粗短的机器人都容易在管道内卡死，使之不能通过管道。本管道机器人针对内径0225mm的管道进行设计，并考虑直角弯道的情况，因此应讨论机器人在这类管道中所应满足的几何条件限制，验证所设计的几何量尺寸是否满足机器人通过管道直角弯头所要求的几何尺寸。因为机器人整体所具有的两节机身几何量相同，所以只需要考虑单节机身的几个尺寸。管道机器人的设计与运动仿真图5-2单节机身的简化图。对于圆形截面管道的直角弯头，机器人最有可能被卡死的位置是在机又可分为两种极限姿态位置，以下简称位置1和位置2。与圆形管道轴线成45°夹角的倾斜截面是椭圆，由于机器人整体结构的对称性，单节机身纵向视图可简化为椭圆的内接正三角形，于是可以通过计算椭圆内接正三角在图5-3和图5-4中，GH为单节机身的中心轴线，各已知的尺寸分别华北科技学院毕业设计(论文)第51页共45页图5-3姿势位置1图5-4姿势位置2建立如图5-5所示的直角坐标系，设椭圆的长轴长为2a,短轴长为2bc由AB=2a=141mm,得a=70mm;由CD=2b=100mm,得b=50mm。所以椭圆图5-5椭圆内接最大正三角形设内接三角形AEF的边上为21,则EG=1,AG=√31。将y=,代入椭圆方程管道机器人的设计与运动仿真得所以可得由且AG-oG=a,取l=49,则AG=85mm,AE=98mm所以正三角形的内接圆半径得。取，=28mm4、验算位置1和位置2的相关尺寸(1)验算位置1的相关尺寸取OE=190mm。又CG=r=28mm,GH=240mm,EF=CG=28mm,EF=AH=AG-GH=85-28=57mm,EF=AH=AG-GH=√31-r=85-28=57mm因为oF大于支座的等效半径20mm,所以此位置下机身可以通过直角弯道。(2)验算位置2的相关尺寸华北科技学院毕业设计(论文)万向节万向节保持机构QG=√2QR=122mmOG=OR+RG=86+125=211mm又因为oF减去内圆半径得86.5mm,即86.5mm>20mm,所以此位置下机身受阻，可以通过直角拐弯。6管道机器人建模与仿真分析1.机器人的本体结构管道机器人整体三维实体模型如图6-1所示，整体由螺旋头、驱动电上。由于弹簧的可伸缩性，使得管道检测机器人有一定的管径适应能力。图6-1机器人总体结构2.虚拟样机建模管道机器人的设计与运动仿真N图6-2机器人分别在直管和弯管内的运动情况利用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS建立起螺旋式微小型管道机器人的仿真模型。模型完成之后，建立起管道机器人各部分参数化模型，在驱动轮和导向轮上施加径向力v,、n,,运动仿真如图6-1所示。3.仿真设计研究利用ADAMs/view的参数化分析功能可以分析设计参数的变化对样机性能的影响。在设计研究过程中通过对驱动轮轴线与管壁之间的夹角、轮子直径等关键设计变量在一定范围内取若干值，然后自动地进行一系列的倾角θ/()图6-3牵引力随驱动轮倾角变化曲线华北科技学院毕业设计(论文)第55页共45页N芟a/(mm·o-)驱动轮直径D₁/mm图6-4牵引力随驱动直径变化曲线为了测试机器人的牵引力，在保持架与管道之间创建了一个弹簧。由理论分析可知：螺旋头驱动的管道机器人牵引力的大小直接与驱动轮位置参数0、驱动轮的尺寸参数R有关。因此，分别以驱动轮轴线与管道轴线的夹角和驱动轮的直径为设计变量，对机器人的牵引力进行设计仿真研究当驱动轮的倾角从6°变化到10°时，由仿真结果得知，牵引力的大小由11.851N变化到6.900N,它随着驱动轮倾角的增大而减小，如图6-3所示。同样，在驱动轮的倾角固定在8°时，由图6-4可知，驱动轮的直径从时，牵引力的大小由6.901N变化到10.168N,它随着驱动轮直径的增大而增大。图6-5移动速度随驱动直径变化曲线管道机器人的设计与运动仿真倾角θ/()图6-4移动速度随倾角变化曲线同样以驱动轮轴线与管道轴线的夹角和驱动轮的直径为设计变量，对机器本文研究了适用于微小管道的螺旋式驱动检测机器人，从理论上分析计算了螺旋式微小型管道机器人的承载能力、移动速度和尺寸约束。采用虚拟样机技术构建了机器人的参数化模型，通过对不同参数的设置，得到了不同条件下管道机器人的负载和运动特性仿真曲线，验证了参数选择和华北科技学院毕业设计(论文)第57页共45页7总结和展望本论文在研究了国内外管道机器人技术的基础上，提出了一种全新的用于清洗的管道机器人。此种机器人可在自主动力的驱动下，进入地下管道，利用行星磨头对其进行清洗、维护。而本论文则是对轮式管道机器人(1)对管道机器人变管径自适应性方案分析比较，设计出具有变径范围大，结构简单的各支腿单独调整和支腿整体调整组合方案，并对变径过程的传递关系进行了详细的分析计算，所设计机构在一定的管径变化范围内，具有常封闭特性，增加了载体的稳定性和可靠性，机构具有自适应调液压驱动、气动驱动、电动驱动三种基本方式。液压与气动方式对环境要求较高，实现起来较复杂，而电机驱动结构简单，较易实现密封与调速控制。故在本设计中选用步进电机作为机器人本体的驱动动力：减速器选用行星齿轮减速器。驱动动力从电机经由减速器减速后，在满足管径自适应性的基础上，如何更好地将动力传递到主动轮上，是选择机器人传动方式过程中重点考虑的问题。再结合径向管道清洗机器人的结构布局方式的特对机器人过弯道能力的几何量设计，目前大部分管道机器人可以轻松地通过水平直管及在倾斜度为30°以内的上升管道内爬动。曲率半径是这些管