【正文】 的發(fā)展為管道機器人的應(yīng)用提供了廣闊而誘人的前景，而機器人學(xué)、計算機、傳感器等理論和技術(shù)的發(fā)展，也為管內(nèi)和管外蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 自主移動機器人的研究和應(yīng)用提供了技術(shù)保證。日、美、法、德等國在此方面作了大量研究工作，其中日本從事管道機器人研究的人員最多，成果也最多 。 國內(nèi)管道機器人發(fā)展現(xiàn)狀 我國管內(nèi)移動機器人技術(shù)的研究己有十幾年的歷史，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、上海交通大學(xué)、大慶石油管理局、勝利油田、中原油田等單位都進行了這方面的研究工作。 國內(nèi)有關(guān)單位也對“管內(nèi)作業(yè)裝置”等問題進行了多項內(nèi)容的研究與開發(fā)，作出類具有一定意義的工作，它們是 ： (1)上海交通大學(xué)的“管內(nèi)移動裝置行走機構(gòu)研究”。 (2)中原油田研制的適用于 ? 529mm ? 630mm 埋地鋼質(zhì)管道的內(nèi)環(huán)焊 縫區(qū)域噴涂常溫固化液態(tài)涂料的補口機。 (3)大慶油建科研所和吉林省模具廠聯(lián)合研制的小口徑管道 (D=114mm)補口機。 (4)中科院研發(fā)用于 400*400mm 和 500mm*500mm 空調(diào)通風(fēng)管道中的清潔機器人，具有在管道中行走、對管道內(nèi)污染情況進行觀察和對污染物進行清潔的功能。 經(jīng)過多年的研究與開發(fā)，國內(nèi)外已經(jīng)在管內(nèi)作業(yè)機器人領(lǐng)域取得了大量的成果，但是，距大規(guī)模實用化還用一定的差距。 總體看來，我國管內(nèi)機器人的研制和應(yīng)用己經(jīng)有了一定了基礎(chǔ)，但仍處于起步階段。 管道清灰機器人系統(tǒng) 概述 管道機器人是一種可沿管道自動行走，攜有一種或多種傳感器件和作業(yè)機構(gòu)，在遙控操作或計算機控制下在極其惡劣的環(huán)境中進行一系列管道作業(yè)的機電一體化系統(tǒng)。目前國內(nèi)外關(guān)于管道機器人的研究很多，大多是管道監(jiān)測維修，適應(yīng)于 ? 200mm 以下、? 400600mm 以及微型管道等管徑。關(guān)于管道清潔機器人，中科院研發(fā)了用于 ? 400mm 和? 500mm 的空調(diào)通風(fēng)管道中的清潔機器人。而本文根據(jù)金屬冶煉廠煙氣管道內(nèi)特殊環(huán)境和清灰技術(shù)要求開發(fā)了一種適應(yīng)于金屬冶煉廠。 ? 700? 1000mm 的煙氣輸送管道煙灰堆積層清理的管道清灰機器人。 管道清灰機器人工作要求及性能指標(biāo) ： 1)管道分為水平、小于 30 度傾斜、 倍管道直徑彎曲三種形式，要求能行走自如 ； 蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 2)機器人必須小巧、靈活、拆卸方便，可自由通過 ? 600 入口； 3)自動化程度高， 生產(chǎn)能力高，每小時清理能力應(yīng)在 50 米左右 ； 4)機器人應(yīng)有管道監(jiān)視系統(tǒng) ； 5)可附加焊縫檢測、壁厚檢測模塊； 6)煙灰密度 。 管道清灰機器人驅(qū)動方式 由于管道清灰機器人工作空間狹窄，專用機器人在結(jié)構(gòu)上必須小巧、靈活、拆裝方便，所以機器人在結(jié)構(gòu)上要注重運動傳遞部件、運動定位導(dǎo)向部件和運動部件殼體的一體化設(shè)計。管道清灰機器人本體結(jié)構(gòu)由移動裝置和操作臂組成。管道機器人經(jīng)過簡化，可認為是以機械手安裝在移動裝置上。機械手具有兩個自由度，手抓末端安 裝著末端操作器 — 鏟斗，可實現(xiàn)抬升和旋轉(zhuǎn)兩個運動。根據(jù)液壓驅(qū)動具有以下特點，機械手采用液壓式驅(qū)動方式。 ①驅(qū)動力或驅(qū)動力矩大，即功率重量比大，響應(yīng)速度快，重復(fù)精度高，壓力可達203 0Mpa(機器人多用 )。 ②液壓缸可直接用作機器人關(guān)節(jié)的一部分，實現(xiàn)直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。 ③速度調(diào)節(jié)方便易控，可實現(xiàn)平穩(wěn)的無極調(diào)速和換向。容易實現(xiàn)自動化。 ④液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)自我潤滑，過載保護方便，使用壽命長。 管道清灰機器人操作臂設(shè)計要求 管道清灰機器人完成在 管道內(nèi)對砂狀沉積物的鏟掘、清理，對物料進行裝、運、卸及牽引作業(yè)。該機器人的鏟掘作業(yè)和裝卸物料的作業(yè)都是通過操作臂來完成的，因此操作臂的設(shè)計要達到下列要求 : ； ，其轉(zhuǎn)角差不得超出一定范圍，以免在鏟斗舉升過程中物料撒落 ； ，其卸載角不小于一定值，以保證卸料干凈 ； ，應(yīng)滿足傳動角的要求，保證運動輕巧，不得出現(xiàn)死點 ； 操作 臂各構(gòu)件之間不允許發(fā)生運動干涉 。 管道清灰機器人行走機構(gòu)設(shè)計 根據(jù)管道清灰機器人的工作環(huán)境，主要是其工作場地松軟，同時由 于履帶式行走機蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 構(gòu)有以下特點優(yōu)于輪式移動機構(gòu)，該機器人移動裝置采用履帶式移動機構(gòu)。 履帶式行走裝置與輪式相比較的特點 : ①支承面積大，接地比壓小。適合于松軟和泥濘場地作業(yè)，下陷度小，滾動阻力小，通過性能較好。 ②越野性能好，爬坡、越溝性能均比輪式移動機構(gòu)優(yōu)越。 ③履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。同時也存 在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，運動慣性大，減振功能差，零件易損壞等不足。 行走機構(gòu)由三個呈 120? 的履帶輪組成，與管壁底部接觸的兩個呈 120? 的履帶為固定履帶，上面與管壁頂部接觸的履帶為可伸縮式的，采用凸輪機構(gòu)，由一壓力傳感器控制履帶的伸縮運動，來保證三個履帶全部接觸到管壁，增加管道機器人在不同管徑管道內(nèi)行走的穩(wěn)定性。機器人工作時，隨著履帶式移動機構(gòu)的移動，該機器人機械手上的鏟斗向前移動，將沉積在底部的灰鏟在鏟斗內(nèi)，鏟斗內(nèi) 的灰達到最大限度時，機器人移動到出灰口將灰倒出。采用這種移動裝置可使機器人在管道內(nèi)的砂狀灰上行走時增加穩(wěn)定性和附著力，防止機器人陷在灰內(nèi)或打滑無法前進。移動裝置采用電力驅(qū)動方式。其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，運動滿足要求。 管道清灰機器人系統(tǒng)組成 蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 2. 管道清灰機器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和三維模型的建立 對于機機器人本體結(jié)構(gòu)模型的建立，采用代表目前機械 CAD 領(lǐng)域新標(biāo)準的參數(shù)化設(shè)計軟件 Pro/Engineer 來完成。 Pro/Engineer軟件的介紹 Pro/E 是美國 PTC (Parametric Technology Corporation)公司于 1988 年開發(fā)的參蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，是一套由設(shè)計至生產(chǎn)的機械自動化軟件 [f})(gl。參數(shù)式設(shè)計就是將零件尺寸的設(shè)計用參數(shù)來描述，并在設(shè)計修改時通過修改參數(shù)的數(shù)值來更改零件的外形。 Pro/E 仍以單一數(shù)據(jù)、參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)性以及工程數(shù)據(jù)再利用等特點改變了傳統(tǒng)設(shè)計觀念，成為目前機械 CAD 領(lǐng)域的新標(biāo)準。 Pro/Engineer 與傳統(tǒng)的 CAD 系統(tǒng)僅提供繪圖工具有著極大的不同，它提供了一套完整的機械產(chǎn)品解 決方案，包括工業(yè)設(shè)計、機械設(shè)計、模具設(shè)計、板金設(shè)計、加工制造、機構(gòu)分析、有限元分析和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，甚至包括產(chǎn)品生命周期的管理，它使產(chǎn)品的設(shè)計效率大大提高，使產(chǎn)品在設(shè)計初期具有更多的靈活性，保證在日后根據(jù)系統(tǒng)要求進行相應(yīng)的更改和計算 。另外在產(chǎn)品的設(shè)計方案階段，可以形象的表現(xiàn)系統(tǒng)的組成特點，而在產(chǎn)品的生產(chǎn)階段可以方便與加工中心數(shù)據(jù)連接。 Pro/E 的系統(tǒng)特征 Pro/E 采用參數(shù)化設(shè)計、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，可采用具有智能特性的功能去生成模型，如軸、孔、槽、殼、管 道、倒角及圓角，可以隨意勾畫草圖和改變模型。 Pro/Engineer 是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不象一些傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設(shè)計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變， NC(數(shù)控 )工具路徑也會自動更新 。組裝圖如有任何變動，也完全同樣反應(yīng)在整個三維模型上。 行為建模 技術(shù)功能主要體現(xiàn)在智能模型和目標(biāo)驅(qū)動式設(shè)計兩個方面。 智能模型表現(xiàn)為捕捉設(shè)計和過程信息以及定義產(chǎn)品所需要的各種工程規(guī)范。 作為一種智能設(shè)計，它提供了一組遠遠超過傳統(tǒng)核心幾何特征范圍的自適應(yīng)過程特征，這種特征提供了大量信息，進一步詳細確定了設(shè)計意圖，是生產(chǎn)模型的一個完整的部分，它們使得智能模型具有高度靈活性，從而對環(huán)境的變化反應(yīng)迅速。目標(biāo)驅(qū)動式設(shè)計表現(xiàn)為優(yōu)化每個產(chǎn)品的設(shè)計，以滿足使用自適應(yīng)過程特征從智能模型中捕捉多個目標(biāo)和不斷變化的要求，同時解決相互沖突的目標(biāo)問題。規(guī)范是智能模型中固有的，一旦模型被修改，就能 重新生成和重新校驗是否符合規(guī)范，即用規(guī)范來實際地驅(qū)動設(shè)計。 蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 Pro/Engineer 2021i 以后版本包含了在整個裝配過程中評估行為的功能。在裝配零件時，設(shè)計人員可以快速簡單地把連接類型應(yīng)用于零件，然后評估真實的產(chǎn)品將如何動作?？梢远x己知運動自由度的運動副，為實體模型增加智能成分。機構(gòu)裝配完成后，可以對整個裝配進行工程分析。 Pro/Engineer 主要模塊介紹 一、 Pro/Engineer Pro/Engineer 是軟件包，并非模塊，它是該系統(tǒng)的基本部分， 其中功能包括參數(shù)化功能定義、實體零件及組裝造型、三維上色、實體或線框造型、工程圖產(chǎn)生及不同視圖 (三維造型還可移動，放大或縮小和旋轉(zhuǎn) )。 Pro/Engineer 功能如下 : (例如 :凸臺、槽、倒角、腔、殼等 )。 (參數(shù)二尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等 )。 ，載荷 /邊界條件與特征參數(shù)之間 (如表面積等 )的關(guān)系來進行設(shè)計。 、復(fù)雜組合件的設(shè)計 (規(guī)則排列的系列組件，交替排列， Pro/PROGRAM的各種能用零件設(shè)計的程序化方法等 )。 (任何一個地方的變動都將引起與之有關(guān)的每個地方變動 )。其它輔助模塊將進一步提高擴展 Pro/ENGINEER 的基本功能。 二、 Pro/SURFACE Pro/SURFACE 是一個選項模塊，它擴展了 Pro/ENGINEER 的生成、輸入和編輯復(fù)雜曲面和曲線的功能。 Pro/SURFACE 提供了一系列必要的工具，使得設(shè)計者很容易地生成用于飛機和汽車的曲線和曲面，船殼設(shè)計以及通常所碰到的復(fù)雜設(shè)計問題。功能包括 : 。 。 。 。 三、 Pro/ASSEMBLY Pro/ASSEMBLY 是一個參數(shù)化組裝管理系統(tǒng)，能提供用戶自定義手段去生成一組組裝系列并可自動地更換零件。 Pro/ASSEMBLY 是 Pro/ADSSEMBLY 的一個擴展選項模塊，只能在 Pro/Engineer 環(huán)境下運行，它具有如下功能 : 蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 (交替式 ) (支持組合件子集 ) (考慮組件內(nèi)己存在的零件來產(chǎn)生一個新的零件 ) 4. Pro/ASSEMBLY 里有一個 Pro/Program 模塊， .它提供一個開發(fā)工具。使用戶能自行編寫參數(shù)化零件及組裝的自動化程序，這種程序可使不是技術(shù)性用戶也可產(chǎn)生自定義設(shè)計，只需要輸入一些簡單的參數(shù)即可。 (繪零件與組件組成的組件附加特征值。如 :在兩種零件之間加一個焊接特征等 )。 四、 Pro/MANUFACTURING Pro/MANUFACTURING 將產(chǎn)生生產(chǎn)過程規(guī)劃，刀路軌跡并能根據(jù)用戶需要產(chǎn)生的生產(chǎn)規(guī)劃做出時間上及價格成本上的估計。 Pro/MANUFACTURING 將 生產(chǎn)過程生產(chǎn)規(guī)劃與設(shè)計造型連接起來，所以任何在設(shè)計上的改變，軟件也能自動地將己做過的生產(chǎn)上的程序和資料也自動地重新產(chǎn)生過，而無需用戶自行修改。它將具備完整關(guān)聯(lián)性的 Pro/ENGINEER產(chǎn)品線延伸至加工制造的工作環(huán)境里。它容許用戶采用參數(shù)化的方法去定義數(shù)值控制((NC)工具路徑，才可將 Pro/ENGINEER 生成的模型進行加工。這些信息接著作后期處理，產(chǎn)生驅(qū)動 NC器件所需的編碼。 Pro/MANUFACTURING 為下列機器操作產(chǎn)生自動化的工具路徑 : (Miffing) 加工 (Turning) (Dritting) 五、 Pro/NCCHECK 1. Pro/NCCHECK 提供圖形工具。用以對銑削加工及鉆床加工操作所產(chǎn)生的物料，作模擬清除。 Pro/NCCHECK 內(nèi)選定的工具。會依照 Pro/MANUFACTURING 定義的切割路徑移動，用戶亦可以清楚看到物料清除的進度。加工制造組件以陰影顯示，組裝線上各個組件可以由用戶設(shè)定不同的顏色。它亦讓用戶可以在整個加工制造過程，定義夾層平面 (Clipping Plane)特定的深度。夾層平面 (Clipping Plane)對物料清除摸擬過程提供縱切面的閱視功能。再加上顏色的設(shè)定，選定工具路徑、內(nèi)置參考模型、工具及任何夾具 (Fixture)均能二目了然，不生混淆。此外， Pro/NCCHECK 能讓用戶對工具及夾具任ixture)進行快速驗證及評估，從而防止嚴重的損失。 蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 2. Pro/NCCHECK 與 Pro/MANUFACTURING 一并使用時，用戶可用以仔細檢定切割零件的每一部份，節(jié)省了用戶不必要地在機器上試用及操作的時間。因此，將這些產(chǎn)品合并使用，不僅體現(xiàn)了材料節(jié) 省的好處，亦提供了一個加工制造的良好方案。 管道