【正文】 .................................. 47 過(guò)彎道能力的設(shè)計(jì) ................................................. 49 工作原理 .................................................... 49 過(guò)彎道能力的幾何量設(shè)計(jì) ...................................... 49 6 管道機(jī)器人建模與仿真分析 .............................................. 53 7 總結(jié)和展望 ............................................................ 57 參考文獻(xiàn) ................................................................ 60 致 謝 ................................................................... 63 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 1頁(yè) 共 45頁(yè) 1 緒 論 本課題研究 背景和研究意義 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。 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)。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)。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。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。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。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。機(jī)器人安裝的輪子以 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)。 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。 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。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。東華大學(xué)研制的“自主變位四履帶足機(jī)器人，如圖 19 所示。載體采用了輪式行走機(jī)構(gòu)、四輪驅(qū)動(dòng)方式、以三相異步電機(jī)做原動(dòng)機(jī)。 油煙管道機(jī)器人 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 11頁(yè) 共 45頁(yè) 圖 112 煙道機(jī)器人 如圖 112 所示，是一款由武漢亞伯機(jī)電有限公司生產(chǎn)的煙道機(jī)器人，該機(jī)器人自身尺寸 280mm 260mm 270mm，重量 18kg，爬坡 ≤ 30176。本文的主要研究?jī)?nèi)容是 : 管道機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)。 2 管道 機(jī)器人 總體設(shè)計(jì) 管道 機(jī)器人的 總體結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 管道清洗機(jī)器人應(yīng)用于管道直徑 248。 在現(xiàn)有的管道機(jī)器人設(shè)計(jì)中，移動(dòng)型本體結(jié)構(gòu)，主要有履帶式、支腿式、輪式結(jié)構(gòu)以及蛇行、蠕動(dòng)、變形運(yùn)動(dòng)等幾種形式。所以合理 地設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械設(shè)計(jì)工作地 重要組成部分。結(jié)合管道 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)布局方式的特點(diǎn) ，在本設(shè)計(jì)中主要通過(guò)一套動(dòng)力變換裝置和同步鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如 圖 21 所示。同時(shí)調(diào)整彈簧也能起到一定的緩沖減震作用。 圖 22 滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式 下 面分析滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性，如圖所示，以固定支點(diǎn) A 為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，建立如圖所示的坐標(biāo)系 XOY,1L 為 連桿 AB 的長(zhǎng)度， 2L 是推桿 CD 的長(zhǎng)度， 3L 是支點(diǎn) D 到固定支點(diǎn) A 之間的距離， ? 是推桿 CD 與水平方向之間的夾角， ? 是連桿 AB 與水平方向之間的夾角，凡為管道內(nèi)壁作用在車(chē)輪上的壓力即封閉力， F 是滾珠絲杠螺母作用在推桿上的軸向推力， T 是作用在滾珠絲桿軸上的有效扭矩。 整理得： ? ?3 11 3 ta n ta n GiiLfNL ???? ?? （ 210） 彈簧壓緊力可表示為： ? ?0 1 2f k x L S S? ? ? ????? （ 211） f 為彈簧的初始長(zhǎng)度 (mm)， k 為彈簧的彈性系數(shù) (N/mm)。 或者 60176。其參數(shù)如表22 所示： 表 22 減速器參數(shù)表 效率 最 大 允 許 徑 向 受 力 N 200 最 大 允 許 軸 向 受 力 N 200 連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩 Nm? 20 減速 比 12： 1 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 27頁(yè) 共 45頁(yè) 機(jī)器人的速度和驅(qū)動(dòng)能力校核 確定電機(jī)和減速器后，我們必須進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)能力的校核，以確保機(jī)器人有足夠驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)，能滿(mǎn)足機(jī)器人的最高行走速度要求。? 32? ?2/N mm 9 ． 蝸 輪 材 料 許 用 彎 曲 應(yīng) 力 ? ?F? 30? ?2/N mm 蝸桿蝸輪基本參數(shù) 圖 42 蝸桿蝸輪設(shè)計(jì)參數(shù) 管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真 第 34頁(yè) 共 45頁(yè) z1 2 hl (mm) z2 40 dal (mm) 數(shù) m (mm) dfl (mm) Mn (mm) dbl (mm) 5． 蝸桿分度圓直徑 dl (mm) 角 1b? 176。 Y? ? 22．蝸桿截面慣性矩 I ? ?4mm 1? E 2/N mm 2? 度 L 280? ?mm 自然通風(fēng)散熱計(jì)算 1．熱導(dǎo)率 k ? ?2/W m C? 5．潤(rùn)滑油溫度 t1 45? ?C? 2．散熱的計(jì)算面積 A ? ?2m 6．周?chē)諝鉁囟?t2 管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真 第 38頁(yè) 共 45頁(yè) 20? ?C? 3．冷卻的箱殼表面積 A1 ? ?2m 7．損耗的功率 Ps ? ?KW 4．補(bǔ)充的箱殼表面積 A2 ? ?2m 8． 能散出的功率Pc ? ?KW 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。 軸的工作能力設(shè)計(jì)指的是軸的強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)穩(wěn)定性等方面的計(jì)算。此外，對(duì)于瞬時(shí)過(guò)載很大或應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱(chēng)性較為嚴(yán)重的軸，還應(yīng)按峰尖載荷校核其靜強(qiáng)度，以免產(chǎn)生過(guò)量的塑性變形。然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。 (a) (b) 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 43頁(yè) 共 45頁(yè) (c) (d) (e) (f) (g) 圖 44 軸的載荷分析圖 在做計(jì)算簡(jiǎn)圖時(shí)，應(yīng)先求出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應(yīng)把空間力分為圓周力、軸向力和徑向力，然后把他們?nèi)哭D(zhuǎn)化到軸上），并將其分解為水平分力和垂直分力，如圖 44b 所示?，F(xiàn)估計(jì)取彈簧直徑為 3mm． 2．根據(jù)強(qiáng)度條件計(jì)算彈簧鋼絲直徑。 (2)極限工作應(yīng)力 lim? 取 min B?? ? ，則 m in 0. 56 15 70 87 9. 2M pa M pa? ? ? ? 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 49頁(yè) 共 45頁(yè) 過(guò)彎道能力的設(shè)計(jì) 工作原理 本設(shè)計(jì)的管道清潔機(jī)器人屬于輪腿式自驅(qū)動(dòng)的一種。對(duì)于彎道、直管、異徑管等管道，機(jī)器人的設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足管道的幾何條件限制，否則不可能成功通過(guò)這些管道。與圓形管道軸線(xiàn)成 45176。 在圖 53 和圖 54 中， GH 為單節(jié)機(jī)身的中心軸線(xiàn)，各已知的尺寸分別為 100d mm? , 2 141AP d mm?? , 141CQ AP mm?? , 240CD mm? , 240GH mm? 。本管道機(jī)器人針對(duì)內(nèi)徑 248。兩節(jié)共有 12 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，能獨(dú)立工作，提高了機(jī)器人的穩(wěn)定性。 1 . 6 1 . 6 3 . 4 6628F K cd ? ??? ? ? 改取 mm? ， H? 不變，故 (? )不變，取 18D mm? ， 1 8 / 3 .2 5 .6 2 5c ??.計(jì)算得 1 .253K? ，于是 ? ?2 3 9 2 1 . 2 5 3 5 . 6 2 539。 (3)做出扭矩圖 如圖 44g 所示。 2．按彎矩扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算 通過(guò)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，軸上零件的位置，以及外載荷和反支力的 作用位量均已確定，軸上的載荷（彎 矩和扭矩）已可以求得，因而可按彎矩扭合成強(qiáng)度條件對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。 1．按扭矩強(qiáng)度條件計(jì)算 這種方法是按軸所受的扭矩來(lái)計(jì)算軸的強(qiáng)度 ；如果還受有不大的彎矩時(shí)，則用降低許用扭矩切應(yīng)力的方法予以考慮。這時(shí)只需對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，以防止斷裂或塑性變形。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會(huì)增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難度。 da2 (mm) Zv2 df2 (mm) x2 ha2 (mm) ax 176。 2 2 3 . 1 4 0 . 0 5 1 5 0 0 1 . 81 2 2 0 1dr w drV ni i i? ???? ? ??? 雖然 V 大于預(yù)期 設(shè)定速度，但是我們可以通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 使機(jī)器人低于此速度行駛，而且還有一定得速度儲(chǔ)備，在機(jī)器人需要快速行進(jìn)至工作位置的情況下，盡可能有較快的速度。 預(yù)設(shè) ? 為，機(jī)器人重量為 ， 打撈最大質(zhì)量 300g ， 由于輪子手的是彈簧調(diào)節(jié)，則彈簧對(duì)輪子又很大的壓力，由于我們采用的是型芯磨頭切削，對(duì)車(chē)身的穩(wěn)定性要求較其他更為嚴(yán)格，假設(shè)彈簧對(duì)輪子的壓力是， F? =5 49N?? 。由此可見(jiàn)該機(jī)構(gòu)具有常封閉特性，這樣便增加了載體的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)由于彈簧壓緊力 f 的回饋?zhàn)饔每墒箼C(jī)構(gòu)具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能。 在坐標(biāo)系 XOY 中，由幾何關(guān)系可得： 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 19頁(yè) 共 45頁(yè) {23sin L sinL ??? 1 sinByL?? 23c o s c o scX L L???? （ 21） 對(duì)上式兩邊分別取微分可得： {1 cosBy L ?? ??? 23c o s c o sLL???? ??? 23si n si ncx LL??? ? ? ? ??? （ 22） 化簡(jiǎn)上式得： ? ?31 ta n ta ncBxyLL? ? ? ?? ? ? （ 23） 由虛功原理得： 31 0cbx G i yiFN??????? （ 24） 將式代入上式并化簡(jiǎn)得： ? ?3 11 3 ta n ta n Gii LFNL ???? ??? （ 25）