【正文】 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）運(yùn)用機(jī)器人進(jìn)行管道清理的畢業(yè)論文目錄1 緒 論 1 1 2 82 管道機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 9 9 9 9 11 15 15 18 19 19 193 鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 20 20 21 214 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 23 蝸輪蝸桿基本參數(shù)設(shè)計(jì) 23 23 24 24 25 26 26 27 27 31 325 過(guò)彎道能力和其他部件設(shè)計(jì) 33 彈簧的設(shè)計(jì) 33 34 34 346 管道機(jī)器人建模與仿真分析 387 總結(jié)和展望 41參考文獻(xiàn) 43致 謝 451 緒 論 用于石油、天然氣乃至民用上下水等管道在傳輸液、氣體過(guò)程中，因溫度、壓力不同及介質(zhì)與管道之間的物理化學(xué)作用，常常會(huì)高溫結(jié)焦，生成油垢、水垢，存留沉積物，腐蝕物等，使有效傳輸管徑減少，效率下降，物耗、能耗增加，工藝流程中斷，設(shè)備失效，發(fā)生安全事故。盡管通過(guò)添加化學(xué)劑，采用合理的工藝流程，進(jìn)行水質(zhì)處理措施可以在一定程度上改善這些情況，但要完全避免污垢的產(chǎn)生是不可能的。我國(guó)的管道清洗行業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)80%采用的是化學(xué)方法以及手工清洗和機(jī)械清洗方法，成本高、效率低、污染環(huán)境等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)日益增長(zhǎng)的要求。探索和開(kāi)發(fā)高效的清洗方法成為工業(yè)生產(chǎn)和人民生活的不可或缺的環(huán)節(jié)。利用行星磨頭清洗是一種新的清洗方法。與化學(xué)清洗及手工、機(jī)械清洗相比，具有清洗質(zhì)量好、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，可達(dá)到返舊還新的效果。作為一種清潔、高效、對(duì)環(huán)境無(wú)污染的清洗技術(shù)，具有可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人們生活水平的提高，人們對(duì)于食品衛(wèi)生、健康的要求越來(lái)越高，環(huán)保意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，如何實(shí)現(xiàn)油煙管道高效率的清洗成了相關(guān)從業(yè)人員關(guān)注的問(wèn)題。本課題的研究目的是設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于清洗油煙管道的機(jī)器人，解決單獨(dú)靠人力很難完成，甚至不可能完成的油煙管道清洗任務(wù)。本課題的研究主要有以下意義:可提高機(jī)器人的清洗效率?，F(xiàn)有油煙管道機(jī)器人由于機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有一個(gè)自由度，清洗管道壁時(shí)，要通過(guò)不斷調(diào)整機(jī)器人的位姿來(lái)實(shí)現(xiàn)，使操作變得復(fù)雜，清洗效率較低?？赏瓿韶Q直油煙管道的清洗。賓館飯店常常位于高層建筑物中，豎直煙道的清洗是管道清洗的重要任務(wù)。針對(duì)現(xiàn)有機(jī)器人不能用于豎直管道清洗的缺點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了鏈?zhǔn)铰膸凶摺⒂来盼降臋C(jī)械行走機(jī)構(gòu)，用于完成油煙管道的清洗爬壁任務(wù)?？筛纳飘?dāng)前清洗油煙管道工人的工作環(huán)境、降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約清洗成本、消除油煙管道清洗的衛(wèi)生死角、提高管道使用壽命、提高油煙管道的清洗效率、減少火災(zāi)以及可避免化學(xué)清洗導(dǎo)致的污染和純機(jī)械清洗對(duì)管道造成的損傷等。應(yīng)用于其它領(lǐng)域。通過(guò)更換機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)、作業(yè)工具等可實(shí)現(xiàn)空調(diào)管道的清掃、船體表面的清洗、檢測(cè)、噴漆等任務(wù)?，F(xiàn)代工農(nóng)業(yè)及日常生活中使用著大量管道，石油、天然氣、化工等領(lǐng)域也應(yīng)用了大量管道，這些管道大多埋于地下或海底，輸送距離近千里，它們的泄漏會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，甚至引起火災(zāi)，多數(shù)管道安裝環(huán)境人們不能直接到達(dá)或人們無(wú)法直接介入，另外，在一些工廠(chǎng)里有大量的通風(fēng)管道，在某些餐廳或飯店里裝有大量的油煙管道，這些管道或者架設(shè)在空中，或者管道內(nèi)徑很小，在做質(zhì)量檢測(cè)、故障診斷、清洗時(shí)比較困難。這促使了管道機(jī)器人的誕生。管道機(jī)器人的迅速發(fā)展時(shí)期始于上個(gè)世紀(jì)80年代，它是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走，具有一種或多種傳感器的操作機(jī)械(如機(jī)械手、噴槍、焊槍、刷子)，其研究范疇屬于特種機(jī)器人中的移動(dòng)機(jī)器人范疇，能夠完成在管道這個(gè)特定的極限環(huán)境中作業(yè)，通常能攜帶各種探測(cè)儀器和作業(yè)裝置，在操作人員的遙控或者計(jì)算機(jī)的自動(dòng)控制下完成管道的檢測(cè)和維修、清掃等作業(yè)。檢測(cè)作業(yè)項(xiàng)目包括防腐狀況檢測(cè)、對(duì)接管道焊縫質(zhì)量、管道內(nèi)腐蝕程度、防腐層厚度、管壁缺陷等檢測(cè)。維修項(xiàng)目包括清掃、補(bǔ)口、焊接等。 目前在管道清洗過(guò)程中，清洗設(shè)備絕大部分是采用無(wú)動(dòng)力纜繩拖拉行走方式來(lái)進(jìn)行清洗，無(wú)法根據(jù)管道的內(nèi)部情況進(jìn)行清洗參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，管徑的適應(yīng)能力較差。為了解決這個(gè)問(wèn)題，著眼于管道行走清洗機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)，而在國(guó)內(nèi)這方面研究尚少。為了較好地解決管道的清洗難題，開(kāi)發(fā)和研制管道清洗機(jī)器人勢(shì)在必行。本人設(shè)計(jì)管道清洗機(jī)器人是把行星磨頭清洗技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，因此它的深入研究也將推動(dòng)管道清洗技術(shù)的發(fā)展。隨著管道機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前，日、美、英、德、法等發(fā)達(dá)國(guó)家在管道機(jī)器人技術(shù)方面做了大量工作，尤其是日本，在管道機(jī)器人的研究及開(kāi)發(fā)中取得了領(lǐng)先的地位。法國(guó)的J. Vertut是較早從事管道機(jī)器人理論和樣機(jī)研制的人，他于1978年研制了一種輪腿式管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，成功地實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在管內(nèi)的自主行走。該機(jī)構(gòu)由2個(gè)行走輪及4個(gè)支腿組成，支腿由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以適應(yīng)不同管徑的變化。美國(guó)是機(jī)器人的誕生地，早在1962年就研制出了世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。在清洗機(jī)器人方面，美國(guó)的Stoneage公司進(jìn)行了相關(guān)的研究。如圖11，其研制的管道射流清洗機(jī)器人采用履帶驅(qū)動(dòng)方式，但管徑適應(yīng)能力較差，射流對(duì)中性差，清洗效果不理想。盡管常規(guī)管道機(jī)器人有的己經(jīng)實(shí)用化了，但還存在著很多問(wèn)題。例如，能源供給、可靠性等問(wèn)題。2002年由美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)電子及計(jì)算機(jī)工程學(xué)院智能機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室研制的OPCROH39。 S管道清理機(jī)器人，如圖12所示。圖11 stoneage公司管道清洗機(jī)器人 圖12 OH39。S管道機(jī)器人OPCR由三個(gè)部分組成:頭部、驅(qū)動(dòng)部分、穩(wěn)定性控制部分。頭部安裝有傳感器可以檢測(cè)到需要清理的障礙、發(fā)現(xiàn)管道終端，從而能夠及時(shí)停止機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)部分主要有兩個(gè)功用是適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)；二是可以根據(jù)障礙物的尺寸來(lái)調(diào)節(jié)輪的角度，通過(guò)螺旋運(yùn)動(dòng)來(lái)清理障礙物。OPCR共有三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，每個(gè)輪均有兩個(gè)微型電機(jī)控制，其中一個(gè)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)改變輪的角度，這樣在轉(zhuǎn)彎的情況下機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)彎。當(dāng)驅(qū)動(dòng)部分難以控制OPCR穩(wěn)定的處在管道軸線(xiàn)中心線(xiàn)時(shí)，穩(wěn)定性控制部分這時(shí)就會(huì)起作用了。它是由四個(gè)在管道內(nèi)部的延長(zhǎng)支架組成。圖13美國(guó)RIGID(里奇)管道疏通機(jī) 圖14 EverstVit公司管道檢測(cè)機(jī)器人美國(guó)RIGID(里奇)管道疏通機(jī)如圖13所示，其基本原理是利用機(jī)械裝置帶動(dòng)軟軸(彈簧軟管)旋轉(zhuǎn)深入管道進(jìn)行管道疏通。軟軸大多為分段結(jié)構(gòu)，兩端有接頭可將多根軟軸接在一起使用，從而可疏通較長(zhǎng)距離的管道。用于排水管道疏通的疏通機(jī)一般作業(yè)直徑范圍100mm～250mm之間，最大疏通距離一般為50m。根據(jù)疏通管道的直徑配備不同的鉆具(刀頭)進(jìn)行管道疏通。軟軸采用65Mn特質(zhì)彈簧鋼絲為原材料經(jīng)特殊工藝加下而成，堅(jiān)固而有韌性，可以順利通過(guò)180176。彎道或連續(xù)180176。返水彎管。圖14所示EverstVit公司的管道檢測(cè)機(jī)器人系列，采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，這種移動(dòng)機(jī)構(gòu)在管道街頭部分或者管道里污垢沉積較多時(shí)就不能行走自如。俄羅斯“塔里斯”公司的“月球車(chē)”，如圖15所示，即機(jī)器人維修車(chē)。該車(chē)的9個(gè)電驅(qū)動(dòng)裝置能把整個(gè)機(jī)器聯(lián)接起來(lái)，推出并轉(zhuǎn)動(dòng)工作部件、翻轉(zhuǎn)攝像機(jī)用于觀(guān)察修理過(guò)程，還能“指使”刷子去清洗應(yīng)洗的部位。除此以外，為了使機(jī)器人能從豎孔中鉆進(jìn)橫向管道，機(jī)器人自身可折彎，因而可在直徑190mm～600mm的管道中工作。機(jī)器人的機(jī)身是一整塊不銹鋼加工出來(lái)的，只有這樣才能達(dá)到輪子所必需的孔的同軸度和可靠的密封性要求。 m/s的速度向前行駛，有大功率燈泡照明，攝像機(jī)通過(guò)向不同的方向旋轉(zhuǎn)可以判斷故障點(diǎn)。在發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)后機(jī)器人用一整套工具(銑刀、鉆頭、切割和清理工具)完成各道工序。機(jī)器人由操作師控制，操作師的指令將傳給機(jī)器人內(nèi)安裝的微處理系統(tǒng)。德國(guó)工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國(guó)。2000年德國(guó)研制成功世界第一個(gè)鏈?zhǔn)轿鬯艿罊z查機(jī)器人—MAKRO管道機(jī)器人，如圖16所示。它采用分段蠕蟲(chóng)狀外形設(shè)計(jì)，使其具備了前所未有的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)排水管道的初步清理及檢測(cè)。適用于大直徑、淤積不嚴(yán)重、管路復(fù)雜的排水管道。MAKRO的缺點(diǎn)是密封性不好，不宜在過(guò)分潮濕的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作。 圖15 月球車(chē)（適應(yīng)管徑范圍300900mm） 圖16 MAKRO管道機(jī)器人二十世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)、傳感器、現(xiàn)代控制理論和技術(shù)的發(fā)展為管內(nèi)機(jī)器人的應(yīng)用與研究提供了有力的技術(shù)支持，國(guó)外相繼開(kāi)發(fā)、研制了多種類(lèi)型的管內(nèi)檢測(cè)移動(dòng)機(jī)器人。日木吸取法、美等國(guó)的研究成果和應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)，開(kāi)發(fā)了多種形式的管道機(jī)器人。例如，日木關(guān)西電力株式會(huì)社開(kāi)發(fā)出了適用于248。288mm～388mm管徑、管長(zhǎng)1000m的海水管道檢查用履帶式機(jī)器人，該機(jī)器人通過(guò)沿徑向分布的履帶在水平管和垂直管內(nèi)自主行走，移動(dòng)速度為5m/min。日本大阪燃?xì)庵晔綍?huì)社研制的內(nèi)置磁鐵輪式煤氣管道檢測(cè)機(jī)器人可沿直管和彎管行走，適于管徑248。150mm～600mm，行走速度5m/min，采用光纜通訊，但由于攜帶的蓄電池電能的限制，還不能實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的行走。日本推出的“三藏法師”用于清洗、檢測(cè)空調(diào)通風(fēng)管道的超小型機(jī)器人，如圖17所示，是被世界認(rèn)可的風(fēng)管清掃系統(tǒng)(具有美國(guó)、日本、歐洲多國(guó)專(zhuān)利)，其特長(zhǎng)為:使用新開(kāi)發(fā)的多功能超小型機(jī)器人，可有效的對(duì)各式各樣的風(fēng)管進(jìn)行污染診斷和清掃。不管風(fēng)管是何種形狀，即使是過(guò)濾器也無(wú)法除去的微細(xì)粉塵和細(xì)菌也可徹底清除，有效的防止空氣污染。風(fēng)管內(nèi)的污染診斷由機(jī)載攝像頭進(jìn)行記錄，裝備有在無(wú)電源場(chǎng)所也能自由行走的機(jī)能。圖17中央空調(diào)風(fēng)管清掃機(jī)器人目前，日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在管道機(jī)器人技術(shù)方面做了大量工作，尤其是日本在管道機(jī)器人的研究及開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中取得了領(lǐng)先的地位。日本和美國(guó)都是機(jī)器人發(fā)展較成熟的國(guó)家，對(duì)空調(diào)管道機(jī)器人的研究也較成熟，上面介紹的日本管道機(jī)器人，體積小，能清洗任何形狀的空調(diào)通風(fēng)管道，不但可以做清掃任務(wù)，還可做檢測(cè)任務(wù)。美國(guó)的管道機(jī)器人也已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一系列的管道機(jī)器人。其他國(guó)家也研究了用于排水管道清理的機(jī)器人，但都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，目前，這些機(jī)器人仍不能用于清洗油煙管道的頑固油垢。我國(guó)對(duì)管道機(jī)器人的研究始于上個(gè)世紀(jì)八十年代末期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州工業(yè)大學(xué)、東華大學(xué)、上海大學(xué)等高校和科研院所都做了這方面的工作，在理論上和應(yīng)用上取得了很多進(jìn)步。近幾年來(lái)，用于空調(diào)管道清洗和檢測(cè)的管道機(jī)器人如雨后春筍般的出現(xiàn)的市場(chǎng)在上，己初見(jiàn)規(guī)模。目前國(guó)內(nèi)研究的管道機(jī)器人主要應(yīng)用在以下4個(gè)方面:空調(diào)通風(fēng)管道清洗機(jī)器人中科院蘭州分院研發(fā)的清潔機(jī)器人樣機(jī)是據(jù)400mm400mm和500mm500mm空調(diào)通風(fēng)管道設(shè)計(jì)的，具有在管道中行走、對(duì)管道內(nèi)污染情況進(jìn)行觀(guān)察和對(duì)污染物進(jìn)行清潔的功能。國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的這種清潔機(jī)器人具有在管道內(nèi)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎等功能?！?m之間，清潔系統(tǒng)主要是安裝在機(jī)器人上、可在管道外部控制的清潔動(dòng)力刷，電纜長(zhǎng)度超過(guò)30m，不易損壞，能夠滿(mǎn)足基本需要。但該機(jī)器人體積較大，對(duì)于常見(jiàn)的248。250mm風(fēng)管，機(jī)器人尺寸限制了其應(yīng)用，而且行走速度過(guò)慢。清華大學(xué)研制的通風(fēng)管清掃機(jī)器人MDCRI尺一寸為520mm290mm270mm是一種可在通風(fēng)管內(nèi)行走的移動(dòng)機(jī)器人。自動(dòng)升降的手臂裝上刷頭可以清掃不同規(guī)格的矩形、圓形通風(fēng)管；裝上噴槍可以對(duì)通風(fēng)管進(jìn)行消毒。同樣，由于其功能中自動(dòng)控制能力較強(qiáng)具有自動(dòng)糾偏自主導(dǎo)航的功能，其尺寸相應(yīng)較大是其應(yīng)用范圍的限制因素。