【正文】 在此表示誠(chéng)摯的感謝和由衷的敬意。 該移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊 ,驅(qū)動(dòng)效率高 ,安裝方便 ,工作可靠 ,成本較低的特點(diǎn)。參數(shù)中，選擇基準(zhǔn)軸為“基準(zhǔn)軸 電機(jī)”，旋轉(zhuǎn)角度為 360176。 圖 驅(qū)動(dòng)輪之間的相互配合 驅(qū)動(dòng)輪與蝸輪之間的連接 （ 1）啟動(dòng) SolidWorks，進(jìn)入界面后單擊【新建】圖標(biāo)按鈕。重復(fù)上述步驟，依次打開(kāi)“鋼輪”、“齒輪連接桿”、“惰輪”、“齒輪連接輪”、“銷(xiāo)”。單擊【特征】→【圓周陣列】圖標(biāo)，彈出“圓周陣列”屬性管理器。選擇“上視基準(zhǔn)面”做誒草圖繪制平面。預(yù)覽無(wú)誤后單擊【確認(rèn)】按鈕。 （ 5）單擊“插入” →“參考幾何體” →“基準(zhǔn)面”，在打開(kāi)的屬性管理器中選擇平面為前視基準(zhǔn)面，在“點(diǎn)和平行面”下選擇偏移距離為 10mm，預(yù)覽無(wú)誤后單擊【確定】按鈕。 關(guān)鍵零部件的實(shí)體建模過(guò)程 其連接件的建模 （ 1）啟動(dòng) SolidWorks，進(jìn)入界面后單擊【新建】圖標(biāo)按鈕。 SolidWorks 軟件是世界上第一個(gè)基于 Windows 開(kāi)發(fā)的三維 CAD 系統(tǒng)，由于技術(shù)創(chuàng)新符合 CAD 技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢(shì)， SolidWorks 公司于兩年間成為CAD/CAM 產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。設(shè)機(jī)器人處于剛好被擱淺的狀況如圖 所示。該軸承的相關(guān)參數(shù)如下： D（外徑） 13mm d（內(nèi)徑 ） 5 mm B（寬度） 4 mm M（質(zhì)量） 基本額定靜載荷 Cr 基本額定動(dòng)載荷 C0r 極限轉(zhuǎn)速： 34000（ ）（脂潤(rùn)滑） 43000（ ）（油潤(rùn)滑） 螺栓選用 M3 簧的設(shè)計(jì) 拉伸彈簧是直進(jìn)輪式管道機(jī)器人的關(guān)鍵部件，如果拉伸彈簧的拉力不夠，不能保證每組齒輪搖臂機(jī)構(gòu)都能被拉開(kāi)使車(chē)輪擠壓在石油管道內(nèi)壁，這樣不能保證機(jī)器人能夠平穩(wěn)行駛；如果拉伸彈簧的拉力太大，雖能保證機(jī)構(gòu)都能被拉開(kāi)并擠壓在石油管道內(nèi)壁，但擠壓在石油管道內(nèi) 壁的壓力過(guò)大，使得直進(jìn)輪式管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)阻力過(guò)大，這對(duì)電機(jī)要求也會(huì)相應(yīng)提高。為了使整個(gè)機(jī)器人有較小的重量將連接從動(dòng)輪的臂做成桿形的連接架。選齒頂高系數(shù)：。 材料選擇：考慮到傳遞的功率不大，轉(zhuǎn)速較低，選用 ZA 蝸桿傳動(dòng)，精度 7C GB/T100891988。 蝸輪蝸桿的傳動(dòng)設(shè)計(jì) 以下設(shè)計(jì)計(jì)算均沿用《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》計(jì)算模式。初選車(chē)輪直徑 d 105 mm，則此時(shí)車(chē)輪轉(zhuǎn)速度為： nw 60v/ π d 。 圖 驅(qū)動(dòng)輪受力圖 因?yàn)樵撘苿?dòng)機(jī)構(gòu)作勻速運(yùn)動(dòng)，三個(gè)圓柱齒輪的參數(shù)都一樣大，根據(jù)假設(shè)條件，可以得出 Pn56 Pn43， Pr56 Pr43。 圖 蝸輪受力圖 蝸輪受力分析 因?yàn)槲佪喤c一個(gè)齒輪固定在同一個(gè)軸上，所以把該齒輪和蝸輪當(dāng)成一 個(gè)整體分析其受力情況。 V:移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度 。下面是一些假設(shè)條件 : 移動(dòng)機(jī)構(gòu)是在直管中運(yùn)動(dòng)，忽略管道的內(nèi)徑的不均勻性 。該機(jī)器人的供電方式為拖纜供電，隨著機(jī)器人在管道內(nèi)部行走的距離的加大，拖動(dòng)電纜也就越長(zhǎng)，這樣電纜與管壁的摩 擦力也就加大，所以要求機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)有一定的帶載能力。由上一節(jié)的分析可知，在所設(shè)計(jì)的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)直進(jìn)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)中，電機(jī)殼體與機(jī)架固連，電機(jī)座的反力在電機(jī)內(nèi)部被平衡掉，驅(qū)動(dòng)輪僅受平面力系的作用，只能作沿軸線方向的運(yùn)動(dòng)而不會(huì)產(chǎn)生沿管道軸心線的轉(zhuǎn)動(dòng)，即整個(gè)移動(dòng)機(jī)構(gòu)是一個(gè)單自由度移動(dòng)機(jī)構(gòu)。該移動(dòng)機(jī)構(gòu)滿足管道內(nèi)行走的 基本條件。 直進(jìn)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)分析 輪式 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理 該微型管道機(jī)器人采用了有纜驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，其運(yùn)動(dòng)機(jī)理由車(chē)輪沿徑向呈三等分均布，它們分別在拉簧的作用下被支撐在管道的內(nèi)壁上。當(dāng)機(jī)器人放入管內(nèi)后，彈簧力的大小仍可由外面的軸桿來(lái)調(diào)節(jié)。 直進(jìn)輪式管內(nèi)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理 機(jī)構(gòu)的原理 如圖所示，輪 l 在機(jī)構(gòu)的前后 3 等份均布，分別在彈簧 2 的拉力作用下使之壓在管內(nèi)壁上，電機(jī) 3 通過(guò)蝸桿 4 與蝸輪 5 等輪系驅(qū)動(dòng)前后 6 個(gè)輪向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，彈簧封閉力的大小可以通過(guò)齒輪 6 至 7 及對(duì)稱(chēng) 3 等份均布的 3 個(gè)齒輪 8 來(lái)調(diào)螺紋的伸出及縮小來(lái)調(diào)整。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)軸驅(qū)動(dòng)與之相連接的蝸桿 ,蝸桿驅(qū)動(dòng)沿圓周方向成 120176。 2 當(dāng)電磁鐵通電時(shí) ,磁鐵與線圈吸合 ,安裝在頭部上的超越單向行走方式使頭部原位不動(dòng) ,尾部由于電磁吸力的作用向前移動(dòng) 。 1988 年 ,Ikuta 等引用蚯蚓運(yùn)動(dòng)的原理開(kāi)發(fā)出了蠕動(dòng)機(jī)器人 ,后來(lái)隨著蠕動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的不斷完善 ,其開(kāi)始向大型化發(fā)展 ,目前已可在 200~300 mm 的管道內(nèi)應(yīng)用。 3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析：根據(jù)管道檢測(cè)機(jī)器人在石油管道中的工作情況，如在 5mm高的凸起、凹坑處以及在拐彎半徑為 R933mm 的彎道處，對(duì)設(shè)計(jì)出來(lái)的機(jī)械裝置進(jìn)行受力分析，優(yōu)化部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而使超聲檢測(cè)裝置既能正常工作，又能不大幅度增加對(duì)爬行 器的負(fù)載。法國(guó) HYTEC 公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的核工業(yè)用管道檢測(cè)機(jī)器人具有抗高溫、抗腐蝕、抗輻射的優(yōu)良性能，最小可在Φ 20mm 的管道內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)與維修。 實(shí)驗(yàn)分析通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析，該種形式管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，拖動(dòng)能力大，特別適用于直管內(nèi)拖動(dòng)，是一種理想的管內(nèi)行走機(jī)器人載體。這樣便產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)沿軸向前進(jìn)或后退。移動(dòng)機(jī)構(gòu)的前后兩組支撐中，三個(gè)車(chē)輪都是沿徑向均勻分布的，而前后兩部分都是沿軸向?qū)ΨQ(chēng)的，支撐點(diǎn)共六個(gè)，因此滿足形封閉條件。該機(jī)器人系統(tǒng)由直進(jìn)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)、 CCD 攝像頭和監(jiān)視器組成。 3 預(yù)緊變徑單元中裝有壓力傳感器，控制單元通過(guò)該傳感器測(cè)量預(yù)緊力，當(dāng)預(yù)緊力超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，控制離合器改變動(dòng)力傳遞方向至預(yù)緊變徑單元，調(diào)節(jié)預(yù)緊力大小直至滿足系統(tǒng)設(shè)定要求。 [3]由于這種驅(qū)動(dòng)方法是剛性傳動(dòng)，使機(jī)器人在通過(guò)不規(guī)則管道時(shí)發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，導(dǎo)致機(jī)器人工作效率下降，加速磨損，降低使用壽命。 [3]下面介紹一下幾種國(guó)內(nèi)外的發(fā)明與探索。 本人在分析現(xiàn)有管道檢測(cè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了管道檢測(cè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究。由此產(chǎn)生了管道機(jī)器人并且受到了國(guó)際各方面的廣泛關(guān)注。 Flexible device 目 錄 摘要 I Abstract II 1 緒論 1 本課題的研究目的和意義 1 國(guó)內(nèi)外管道機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r 2 國(guó)內(nèi)外管道機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 8 論文的研究?jī)?nèi)容 10 2 管道機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 11 實(shí)現(xiàn)管內(nèi)行走的幾種典型機(jī)構(gòu) 11 式 11 12 式 13 直進(jìn)輪式全主動(dòng)管 內(nèi)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理 17 3 管道機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì) 18 管道機(jī)器人管內(nèi)行走的基本條件 18 直進(jìn)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)分析 19 動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理 19 動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn) 19 直進(jìn)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析 21 由度分析 21 度分析 21 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的受力分析 23 析時(shí)的一些假設(shè)條件 23 構(gòu)前進(jìn)時(shí)的受力分析 24 直進(jìn)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 27 機(jī)的選擇 27 位的設(shè)計(jì)計(jì)算 29 設(shè)計(jì) 31 選擇 31 簧的設(shè)計(jì) 32 管道機(jī)器人在管道中運(yùn)動(dòng)通過(guò)性分析 32 徑大小的影響 32 道機(jī)器人適用的管道口徑 33 4 直進(jìn)輪式管道機(jī)器人實(shí)體建模 34 軟件簡(jiǎn)介 34 關(guān)鍵零部件的實(shí)體建模過(guò)程 35 主要部位的連接 36 裝配圖的實(shí)現(xiàn) 37 5 總結(jié) 38 參考文獻(xiàn) 40 致謝 41 附錄 42 1 緒 論 管道作為一種有效的物料輸送手段，在一般工業(yè)、核設(shè)施、石油天然氣、軍事裝備等領(lǐng)域中都得到廣泛的應(yīng)用，本題目要求設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的管道內(nèi)行走裝置，提高驅(qū)動(dòng)效率。 根據(jù)這些問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)一種新的行走機(jī)構(gòu)并分析了其總體機(jī)械結(jié)構(gòu)。本文進(jìn)一步介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的管道機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀并提出了一種新的管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)一個(gè)直徑輪式驅(qū)動(dòng)裝置，要求此驅(qū)動(dòng)裝置簡(jiǎn)便，拖動(dòng)效率高且適應(yīng)性 好。 管道機(jī)器人是一種可在管道內(nèi)、外行走的機(jī)電一體化裝置 ,它可以攜帶 1 種或多種傳感器及操作裝置 如 CCD 攝像機(jī)位置和姿態(tài)傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器、管道清理裝置、管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置等操作裝置 ,在操作人員的遠(yuǎn)距離控制下進(jìn)行一系列的管道檢測(cè)維修作業(yè)。該檢測(cè)機(jī)器人基于直進(jìn)輪式驅(qū)動(dòng)原理，采用可調(diào)整三輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)一定管徑的變化。 從 20 世紀(jì) 5 0 年代起 ,為滿足長(zhǎng)距離管道運(yùn)輸、檢測(cè)的需要 ,美、英、法等國(guó)相繼展開(kāi)了管道機(jī)器人的研究 ,其最初成果就是一種無(wú)動(dòng)力的管內(nèi)檢測(cè)設(shè)備 ,一般譯名稱(chēng)“管道豬” Pipe Pig [4]。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，人們提出多電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，利用傳感器采集管道參數(shù)，由控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和計(jì)算，再 分別驅(qū)動(dòng)多個(gè)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人對(duì)管道環(huán)境的適應(yīng)。 適應(yīng)管道機(jī)器人的特點(diǎn) 機(jī)械自適應(yīng)管道機(jī)器人最大的特點(diǎn)就是具有機(jī)械自適應(yīng)能力，利用機(jī)械方法，解決了直進(jìn)輪式管道機(jī)器人遇到彎管或不規(guī)則管時(shí)發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉的問(wèn)題；同時(shí)，系統(tǒng)中采用圓周三點(diǎn)、前后兩排輪的支撐和驅(qū)動(dòng)方式，大大提高了管道機(jī)器人的負(fù)載能力與越障能力。機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)體、微電機(jī)系統(tǒng)和支撐體 3 部分，驅(qū)動(dòng)體部分通過(guò)連接體將直流伺服電機(jī)與蝸輪蝸桿副連接，驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)支撐體部分保證在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中有足夠的摩擦力。當(dāng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)行走時(shí)，三個(gè)輪子呈徑向均勻分布，三點(diǎn)確定一個(gè)平面，三點(diǎn)始終在一個(gè)圓柱面上，因此可以實(shí)現(xiàn)自定心，在支撐裝置的作用下，驅(qū)動(dòng)輪被緊緊壓在管道內(nèi)壁上，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。 圖 機(jī)構(gòu)的原理圖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)蝸輪――蝸桿行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于前后各 3 個(gè)均布的驅(qū)動(dòng)輪，那么與電機(jī)相聯(lián)的前后每個(gè)蝸桿必須同時(shí)驅(qū)動(dòng) 3 個(gè)蝸輪，由于通過(guò)蝸輪及若干個(gè)齒輪傳至驅(qū)動(dòng)輪而且這些齒輪及驅(qū)動(dòng)輪必須能夠繞蝸輪中心回轉(zhuǎn)，這里應(yīng)注意這個(gè)輪系的相互干涉問(wèn)題由于 3 個(gè)蝸輪同時(shí)與一個(gè)蝸桿嚙合并聯(lián)傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)新穎，傳動(dòng)效率也高?？梢赃M(jìn)行工業(yè)的應(yīng)用和推廣。加拿大制造的管道爬行機(jī)器人攜帶 CCD 攝像機(jī)，應(yīng)用于熱電廠、核電廠、水電廠、石油化工等管道的檢測(cè)，三足豎管爬行器可以在垂直的管道爬行檢測(cè)，增加二級(jí)三足爬行器，可以由垂直管轉(zhuǎn)彎爬行到水平管道中。 4 、基本尺寸的確定，使機(jī)構(gòu)滿足一定的幾何限制條件，如：使機(jī)構(gòu)能越過(guò)凸起和凹坑，能夠順利通過(guò)彎道而不會(huì)卡住。蠕動(dòng)式管道機(jī)器人主要由蠕動(dòng)部分、頭部、尾部組成，如圖 所示。 3 斷開(kāi)電源 ,電磁力作用消失彈簧促使磁鐵與線圈分開(kāi) ,安裝在尾部上的超越單向行走方式 使尾部原位不動(dòng) ,頭部由于彈簧力的作用向前移動(dòng)。均勻分布的 3 個(gè)蝸輪 ,蝸輪又通過(guò)鏈輪和鏈條帶動(dòng)機(jī)器人本體的車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng) ,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體在管道內(nèi)的前進(jìn)或后退。這樣便產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)沿軸向前進(jìn)或后退。 通過(guò)理論分析與比較，直進(jìn)輪式管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，拖動(dòng)能力大，特別適用于直管內(nèi)拖動(dòng)，是一種理想的管內(nèi)行走機(jī)器人載體。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，此處只對(duì)其中一個(gè)車(chē)輪機(jī)構(gòu)做詳述分析。 形封閉 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的前后兩部分車(chē)輪的每一部分中，三個(gè)車(chē)輪機(jī)構(gòu)都是沿徑向均勻分布的 沿電機(jī)軸向看如圖 32 所示 。 運(yùn)動(dòng)速度的分析 如圖所示，假設(shè)驅(qū)動(dòng)輪和管壁之間是純滾動(dòng)， n n n n n n6 代表電機(jī)軸 轉(zhuǎn)速、蝸桿軸、蝸輪、與蝸輪固定連接在同一軸的齒輪、中間齒輪、末端齒輪、車(chē)輪的轉(zhuǎn)速，電機(jī)所帶的減速箱的減速比是 i1。當(dāng)檢測(cè)不同的管道時(shí)，管道內(nèi)徑可能是在一定范圍內(nèi)變化的，這種變化也會(huì)影響到移動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)載能力的變化。 管道機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)的車(chē)輪在管道內(nèi)作純滾動(dòng)，而忽略掉零件加工中的誤差而導(dǎo)致的機(jī)構(gòu)其他形式的運(yùn)動(dòng) 。 f:管壁對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的摩擦力 。又因?yàn)槲佪啚樾饼X輪，其軸向力不在所研究的摩擦力 f 及正壓力 N 所在的平面內(nèi)，故可以忽略。驅(qū)動(dòng)輪在純滾動(dòng)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)中心 O6 的力矩滿足 : 311 由式 311 得 : 312 又 且 即： 313 314 移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 該微型管道機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括直流電機(jī)、蝸輪蝸桿嚙合機(jī)構(gòu)、兩級(jí)齒輪嚙合機(jī)構(gòu)、機(jī)架和拉簧支撐機(jī)構(gòu)等幾部分組成。因?yàn)殡姍C(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 1750 r/min，由傳動(dòng)比公式： i 1750/ω，得： i 1750/ 。 蝸輪蝸桿的主要參數(shù) 模數(shù) m 1，壓力角α 20176。蝸桿材料 45，表面淬火到 45~55HRC。 確定中心距 a： a d1+d2 /2 50+50 /2 50mm。 選擇 考慮到機(jī)器人使用壽命等問(wèn)題，我們?cè)谒休S心部位都安 裝有軸承，而深溝球軸承有以下特點(diǎn)：（ 1）主要承受徑向載荷，也可以承受少量的軸向載荷。因此，拉伸彈簧的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，需要選擇合適的參數(shù)，不僅要機(jī)構(gòu)平穩(wěn)行駛，而且要盡量減小整個(gè)行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)阻力，降低對(duì)電機(jī)功率要求。 圖 管道機(jī)器人擱淺示意圖 當(dāng)管道機(jī)器人經(jīng)過(guò)的管道曲率半徑大于此時(shí)管道的曲率半徑，機(jī)器人則能順利通過(guò)。良好的財(cái)務(wù)狀況和用戶支持使得 SolidWorks每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項(xiàng)的技術(shù)創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽(yù)。選擇“零件”，單擊【確定】按鈕。在新建立的基準(zhǔn)面上畫(huà)一個(gè)φ 5mm 的圓，利用【智能尺寸】按鈕確定圓心與小圓柱體端面的距離為 10mm。 （ 3）單擊【中心線】按