【《管道巡检机器人三维建模与有限元分析案例》4400字】

管道巡检机器人三维建模与有限元分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u17950管道巡检机器人三维建模与有限元分析案例 120107第1章管道巡检机器人三维建模与有限元分析 152871.1三维建模 1160251.1.1三维建模方法 1155261.1.2驱动单元的三维建模 2155571.1.3检测单元的三维建模 3173441.1.4控制单元的三维建模 3302631.1.5总装配图的三维建模 4123681.2有限元分析 4221411.2.1有限元分析步骤 4193901.2.2主要零部件分析 517678第2章控制系统设计 7237002.1管道巡检机器人控制系统形式 780852.2控制系统硬件设计 8158782.2.1PLC控制原理图 8245142.2.2PLC控制程序设计 10105182.2.3PLC控制程序仿真 12第1章管道巡检机器人三维建模与有限元分析通过对驱动、检测、控制单元受力情况以及关键零部件的设计计算，基本确定管道巡检机器人的零件尺寸，可以开始对机器人进行三维建模。在本次设计中，首先计算出相关零件的尺寸并校核强度，建模过程采用Solidwork软件，对所有零部件进行三维建模。可以实现较为复杂的装配体建造，并可以将核心零件模型导入ansys软件中直接进行有限元分析。1.1三维建模三维建模是整个设计项目中极其重要的一部分，在确定零件的基本尺寸后，才能进行设计方案的进一步研究，包括控制系统的设计和关键零件的有限元分系以及运动仿真。1.1.1三维建模方法在本次研究设计中，三维建模采用基于特征建模的思路。其意思是用更高纬度、更具工程意义的三维特征来描述零件。其优势在于：（1）特征建模着眼于更好的表达产品，从最终用户的体验、生产准备、工程项目合作的难易出发，自上而下的设计建模，可以保证最终产品更具人性化，使用感更好。（2）有助于推动整个行业加工流程的规范化和标准化，在最初就考虑加工可能存在的问题，保证机械结构的工艺性更好。（3）有助于协调加工中各个部门的沟通，使得后期产品优化升级改进更为简易。1.1.2驱动单元的三维建模驱动单元主要由驱动单元外壳，电池，支撑腿构成等零件装配而成。采用6只对称支撑腿的结构，来平衡驱动单元的动力，且前后各放置一个支撑腿，增大驱动力。支撑式驱动主要有以下优点：（1）支撑式驱动单元，通过支撑腿的收起展开，获得很强的越障能力，以应对管道内多种多样的障碍物。（2）支撑腿处的恒力弹簧，可以跟随管径调整伸展度，以适应各种复杂的环境与管径。（3）前后各一个驱动单元的设计，可以增强整个机械结构的稳定性和爬坡能力。图4-1支撑式驱动单元1.1.3检测单元的三维建模检测单元由机械硬盘、红外摄像头、超声波检测器等装配而成。是管道巡检机器人的核心组成部分，是其他部分主要服务的单元，用以检测管道内的各种情况，并采集存储信息。图4-2检测单元1.1.4控制单元的三维建模控制单元使用西门子S7-224PLC型芯片对驱动单元和检测单元进行控制，其结构示意图如图4-3所示。图4-3控制单元1.1.5总装配图的三维建模总装配使用Bottom-up的装配方法，由小到大逐步完成装配。在从左至右的装配过程中，由小零件搭载成基本单元，最终由四个基本单元组成总装配体，两个驱动单元带动中间部分的检测单元和控制单元行动，在管道中完成作业。图4-4总装配图1.2有限元分析有限元分析是基于材料力学分析迅速发展起来的一种新兴的现代分析方法。他通过将零件整体离散为细小单元的组合体，细小单元的特性按照刚体考虑，从而使一个连续不可计算的问题变成离散可计算的问题1.2.1有限元分析步骤本次设计采用ansys软件对主要零部件进行有限元分析，保证各结构在机器人作业过程中有足够的强度，分析步骤如下：（1）确定零件结构，列出分析方案。（2）将需要分析的零件离散并确定零件的单元类型和材料种类。（3）建立材料模型。（4）约束材料自由度并施加载荷。（5）划分零件网格。（6）进行分析。1.2.2主要零部件分析通过ansys软件对关键的零部件进行有限元分析，同时进行应力应变云图，可以保证管道巡检机器人的各零件能正常工作。（1）橡胶轮橡胶轮主要承载机身的全部压力，受车身重量的影响对橡胶轮下表面施加120N的压力，分析其应力应变云图，从图中可以看出最大应力为112.42N/m2应变为2.810-11近似于0可忽略不计，零件无明显变形，满足管道巡检机器人使用要求。图4-5橡胶轮有限元分析（2）橡胶轮轴橡胶轮通过橡胶轮轴和机体相连接，承载整个机身重量所造成的剪切应力，固定轴两端并对与橡胶轮接触下表面施加120N的正压力。通过结果可知其应力为162.96N/m2应变为2.1*10-12趋近于0可忽略不计，剪切处应力集中不明显，对其钢材剪切强度，无切断可能，整体零件无明显变形，满足管道巡检机器人使用要求。图4-6橡胶轮轴有限元分析（3）控制单元外壳控制单元外壳为中间的被动件，承受驱动单元对其施加的拉力，对连接处施加200N的拉力分析。通过结果可知其应力为162.96N/m2应变为2.1*10-12趋近于0可忽略不计，拉应力集中不明显，对其钢材抗拉强度，无拉断可能，整体零件无明显变形，不影响管道巡检机器人的正常运行，不会损伤到内部的控制元件，满足机器人使用要求。图5-7检测单元外壳有限元分析

第2章控制系统设计为实现管道巡检机器人能够实现其巡检功能，必须对机器人的控制系统有所要求。控制系统定义整个机器人之间的关系，并协调机械结构、存储器、运算器、以及I/O设备的相互关联。程序的合理性直接影响机器人工作的运行效率和整体性能。图5-1工作流程图2.1管道巡检机器人控制系统形式现如今机器人的主要控制系统结构共分为三种：集中式控制、分散式控制、分布式控制、协商式控制。通过对管道巡检机器人性能的分析，采用分布式控制进行设计。其要点在于系统设计中的机器人为独立个体，可以对自身和周围的环境做出反应。从程序上模拟人的情绪和反应。程序的设计编写有以下三种主流的方式，均有优缺点，下面对其进行比较、分析：（1）PLC可编程控制器（PLC）一种具有微处理器的数字电子设备，其特点在于框图式的编程方法比较简单，可用于自动化控制的数字逻辑控制器。可直接对控制器内部CPU编程，通过指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数字模拟等单元所模组化组合成。其具有程序时序性强，抗干扰能力强的特点。（2）工控机工控机（IPC）即基于PC总线的工业电脑。其价格低、质量高、产量大、软/硬件资源丰富，已被广大的技术人员所熟悉和认可。工控机主要的组成部分为工业机箱、无源底板及可插入其上的各种板卡组成，如CPU卡、I/O卡等。并采取全钢机壳、机卡压条过滤网，双正压风扇等设计及EMC技术以解决工业现场的电磁干扰、震动、灰尘、高/低温等问题。相对于PLC来说，工控机功能灵活，结构复杂，具有很强的控制功能。工控机作为控制设备，普遍应用在高性能上位机进行网络控制系统调度。（3）51系列单片机51系列单片机由于问世早，多家厂商研发和批量生产，其质量和产量得到充足保障，结构简单、价格便宜，在很长的一段时间内一直占有大量市场。有优异的性价比；集成度高、体积小、有很高的可靠性；控制作用强；扩展性能好，51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，但51单片机大多适用于功能简单的产品中，一般不具备自编程能力，功耗大，工作速度慢、抗干扰性能差，不适用与机器人复杂的控制系统中。2.2控制系统硬件设计2.2.1PLC控制原理图对管道巡检机器人的各项功能进行分析后，决定控制型号以及进行控制的I/O点数。本次设计需要实现管道巡检机器人能够有前进、后退、摄像头转动、超声波的启闭等的功能，在对各个单元进行编程后，其I/O点与控制对象对应表如下所示：表5-1控制点数对照表控制点数控制项目输入I0.0程序、摄像头、超声波传感器和检测器I0.1程序停止I0.2驱动电机反馈输入I0.3驱动电机反馈输入I0.4摄像头驱动电机反馈输入I0.5摄像头驱动电机反馈输入I0.6超声波设备反馈输入I0.7超声波设备反馈输入输出Q0.0摄像头开启Q0.1超声波检测设备开启Q0.2驱动电机正转Q0.3驱动电机反转Q0.4摄像头电机正转Q0.5摄像头电机反转Q0.6超声波增强Q0.7超声波减弱通过PLC直连电机、驱动电机、摄像电机、传感器等，对管道巡检机器人进行，使其可以自主在管道内进行巡检，并将数据存储起来，以供工作人员分析管道内情况。机器人配备三块电池，一块为机器人的检测单元和控制单元供电，两块为驱动单元供电，这样设计的好处在于是整个系统更加稳定，不会因为驱动系统过载所产生的额外功率导致控制单元和检测单元供电不足。图5-2PLC控制柜接线图超声波检测装置和超声波传感器为一体，既可以反馈管道内的损伤又可以检测路面的平整度和障碍，用以控制机器人。采用摄像头和超声波结合的检测方式，既可以准确探伤又可以具体定位。在PLC芯片放置方面，不仅涉及到通风抗震，还要便于电路的搭建，下图为管道巡检机器人设备的PLC控制柜接线图。2.2.2PLC控制程序设计在本次设计中，PLC控制系统对巡检机器人的驱动电机、摄像头电机、超声波频率进行控制。用以实现机器人的前进后退、摄像头的转动以及超声波对管道的检测。按下启动按钮之后，超声波传感器开始工作，路面足够平整时，机器人可向前行进并实现后退功能，之后便依次启动摄像头以及超声波检测器。根据上文所说的I/O点数分配结合PLC流程图，对管道巡检机器人进行控制系统设计，程序如下图所示。图5-3PLC启动程序网络一为启动程序，当按动启动按钮时，输入信号I0.0，摄像头、运行位、超声波检测仪全部启动。图5-4传感信号处理程序网络二用来处理超声波传感器反馈的信号，当程序启动后，运行位开启，超声波传感器也随之开启，并将传感器反馈的信息转换为数字信息，以方便后面程序的处理。图5-5前进后退程序网络三四为前进后退程序，程序通过互锁来保持驱动电机的正常工作，当前进程序启动时，需要对比超声波传感器反馈的信息，地面波动度低于等于12500方可继续前进。图5-6摄像头控制程序摄像头的控制程序独立于机器人的控制程序，在管道巡检过程中难免会因为摄像头的摄像广角不够而需要摄像头进行旋转以便于更好的采集信息，当保持I0.0打开的同时，按下I0.4、I0.5可以实现摄像头的左右旋转，并构建自锁保持摄像头电机的正常运行。图5-7超声波检测程序超声波检测器全功率运行的耗电量较高，为了保持管道巡检机器人能够有足够的续航，在常态下超声波检测器为低功率运行，识别到管道损伤或疑似损伤时，则加大功率进行检测。2.2.3PLC控制程序仿真为确保程序能够正常运行，需要对整个控制程序进行模拟仿真来验证程序的正确性，采用SiemensPLC进行软件模拟，模拟结果如下。首先在仿真软件中装载程序并运行程序，按下I0.0按钮，Q0.0、Q0.1灯亮，表示摄像头和超声波检测器启动，程序运行正常。图5-8程序启动再按下I0.1按钮，灯全灭，程序终止。图5-9程序停止之后按下I0.2按钮，灯Q0.0、Q0.1、Q0.2亮，表示管道巡检机器人只前进，程序运行正常。图5-10小车前进按下I0.3按钮，灯Q0.0、Q0.1、Q0.4亮表示管道巡检机器人只后退，程序正常运行。图5-11小车后退按下I0.4按钮，灯Q0.0、Q0.1、Q0.4亮，表示程序在正常运行的同时，摄像头向右转向。图5-12摄像头右转按下I0.5按钮，灯Q0.0、Q0.1、Q0.5亮，表示表示程序在正常