【文章內(nèi)容簡介】 215]。 模塊化 設(shè)計 [1215]是人們在對產(chǎn)品在設(shè)計和生產(chǎn)的不斷發(fā)展的過程中逐漸形成的一種科學(xué)的設(shè)計方法，這種設(shè)計方法能夠幫助我們設(shè)計產(chǎn)品時有更加清晰的思路。模塊化設(shè)計中的設(shè)計思想即模塊化設(shè)計思想并不是現(xiàn)在才提出來的，而是人們在各種生產(chǎn)、生活中總結(jié)出來的。模塊化設(shè)計思想的基本思想是以產(chǎn)品的總功能（也就是要這個產(chǎn)品干什么）為設(shè)計對象，以對產(chǎn)品的功能分析為設(shè)計的基礎(chǔ)，將整個產(chǎn)品分解為若干個具有某種功能的模塊，然后通過對這些具有某些功能的模塊進(jìn)行不同的排列組合，可以得到不同的品種但具有相同功能的產(chǎn)品、具有不同種功能而構(gòu)成的模塊 相同的產(chǎn)品，以滿足市場對產(chǎn)品的需求 [911]。模塊化又被稱為模件化，模塊化有各種不同的定義，最常見的是按照其所表現(xiàn)的作用定義，這種定義為：由若干個具有不同用途或性能并可互換的模塊，經(jīng)過不同的組華中科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 合，來滿足不同需要的方法，這種方法被稱為模塊化。 由此可見模塊化應(yīng)該具有下面幾種基本含義： （ 1） 數(shù)量性 :產(chǎn)品要由一定數(shù)量的模塊構(gòu)成； （ 2） 多樣性：運(yùn)用合理的組合原理，組合出各種功能的產(chǎn)品，滿足是場的需求； （ 3） 可分性：構(gòu)成產(chǎn)品的模塊是可以拆分的。 進(jìn)行模塊化設(shè)計時，第一步必須要做的就是以功能為基礎(chǔ)把產(chǎn)品劃分為若干模塊，然后以模塊 為基本單元進(jìn)行設(shè)計。因此，模塊的合理劃分與否對最終產(chǎn)品的各個方面有著重要的影響，比如：成本，功能等。 由于本論文是采用功能劃分的模塊化設(shè)計方法，可以將爬行裝置分為夾緊模塊、傳動模塊、驅(qū)動模塊等。模塊之間除了機(jī)械與電氣連接接口之外，沒有其他的連接，沒有任何的關(guān)系。 模塊之間在模塊化設(shè)計中應(yīng)遵循如下基本原則： （ 1） 獨(dú)立性：即每個模塊之間沒有任何除了機(jī)械或電力連接之外的關(guān)系，一個模塊的設(shè)計不會影響另一個摸塊。 （ 2） 多樣性：即通過對同幾種模塊的不同組合來實現(xiàn)不同種功能。 （ 3） 穩(wěn)定性：即模塊必須是穩(wěn)定的。 （ 4） 經(jīng)濟(jì)性：要考慮到生產(chǎn)成 本，盡可能的降低生產(chǎn)成本。 本章 首先說明了課題的來源及研究內(nèi)容，就國內(nèi)外研究狀況 介紹了幾種機(jī)器人， 說明了 目前機(jī)器人發(fā)展的主要技術(shù)問題， 并再此基礎(chǔ)上提出了本課題 的研究方向 和研究內(nèi)容 。 華中科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 2 管外爬行裝置的總體設(shè)計 設(shè)計需求分析 本課題中機(jī)器人主要用于推進(jìn)管道漏磁檢測傳感器及其附屬機(jī)構(gòu)，漏磁檢測傳感器由磁化器和霍爾原件陣列組成。檢測過程中，磁化器對管道進(jìn)行軸向及周向磁化，以產(chǎn)生空間中強(qiáng)度均勻的磁場。當(dāng)管道中存在裂紋等缺陷時，磁場的均勻性就會就破壞，空間中將會出現(xiàn)較強(qiáng)的漏磁場。磁化器后的霍爾原件陣列 就可以檢測到磁場，產(chǎn)生霍爾電壓， 并傳入數(shù)據(jù)處理模塊，最終確定鋼管是否存在缺陷及缺陷的程度。 在磁化過程中，磁化器必須能夠均勻的推進(jìn)，并且推進(jìn)震動產(chǎn)生的 磁場波動要遠(yuǎn)小于缺陷產(chǎn)生的漏磁場大小 。因此設(shè)計必須保證爬行裝置能夠勻速行進(jìn)，保證行進(jìn)中心線與鋼管軸線重合，且易于安裝，零件互換性強(qiáng)。 機(jī)器人系統(tǒng)方案的確定 機(jī)器人的行走方式的確定 根據(jù)運(yùn)動原理和驅(qū)動方式的差異，行走方式可以分為： 輪式、履帶式、抱環(huán)/夾持器 +伸縮軀體、移動式機(jī)械臂等。 （ 1） 輪式 優(yōu)點(diǎn)：速度高，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制；缺點(diǎn)：一般只能沿直 桿攀爬，缺少應(yīng)付彎管、接頭等復(fù)雜條件的能力。一般采用環(huán)抱式附著管道。 （ 2）履帶式 一般適用于大管徑上，配以電磁吸附等附著方式，具備很小的越障能力。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)向困難。 （ 3）抱環(huán) /夾持器 +伸縮軀體 優(yōu)點(diǎn)：機(jī)構(gòu)簡單，易于控制；缺點(diǎn)同輪式。 （ 4）移動式機(jī)械臂 優(yōu)點(diǎn)：越障能力強(qiáng)，可在管道間過度；缺點(diǎn)：移動速度較慢。 管道大部分都是以直管道為主，因此現(xiàn)階段的主要目標(biāo)是實現(xiàn)在直管道上面的運(yùn)動檢測，因此行走方式主要在輪式和抱環(huán) /夾持器 +伸縮軀體這兩者之間考慮。抱環(huán) /夾持器 +伸縮軀體式 爬行裝置前進(jìn)時不能保持穩(wěn)定勻速，由于 要周期性華中科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 的加持和放松鋼管，在鋼管軸向也會有微小位移，這些對于穩(wěn)定磁場的產(chǎn)生和霍爾原件陣列檢測磁場都是不利的。 抱環(huán) /夾持器 +伸縮軀體式 爬行裝置。 綜上，為了能夠產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的推進(jìn)速度，并且保證磁化器及霍爾原件陣列與鋼管表面的距離穩(wěn)定，最后決定采用輪式作為爬行裝置的行進(jìn)方式。 傳動方式的確定 目前的主流的傳動結(jié)構(gòu)主要分為以下幾種 [24]：齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、帶傳動、鏈傳動、輪系。 （ 1） 齒輪傳動 優(yōu)點(diǎn)：適用的圓周速度和功率范圍廣；傳動比準(zhǔn)確、穩(wěn)定、效率高；工作可靠性高、壽命長，可實現(xiàn)任意角相 交軸、任意角交錯軸和平行軸之間傳動。缺點(diǎn)：要求較高的制造和安裝精度、成本較高；不適宜遠(yuǎn)距離兩軸之間傳動。 （ 2） 蝸輪蝸桿傳動 優(yōu)點(diǎn)：傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊；缺點(diǎn)：軸向力大、易發(fā)熱、效率低，只能單向傳動。 （ 3） 帶傳動 優(yōu)點(diǎn)：適用于兩軸中心距較大的傳動、具有良好的撓性、可緩和沖擊吸收振動；缺點(diǎn)：壽命短、傳動效率低。 （ 4）鏈傳動 優(yōu)點(diǎn)：制造和安裝精度要求較低、中心距較大時傳動機(jī)構(gòu)簡單；缺點(diǎn)：傳動平穩(wěn)性差。 （ 5）輪系 優(yōu)點(diǎn)：適用于相距較遠(yuǎn)的兩軸間的傳動、可做變速傳動、可獲得較大傳動比、能實現(xiàn)運(yùn)動的合成與分 解；缺點(diǎn)：同齒輪傳動。 （ 6）軟軸傳動 優(yōu)點(diǎn)：連接方便；在內(nèi)置時，所需空間?。粍恿碓磸V泛。缺點(diǎn)：傳遞功率不大，不能實現(xiàn)很高的轉(zhuǎn)速。 綜合分析各種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到所需要設(shè)計的要達(dá)到的功能所需要的條件，為了簡化機(jī)構(gòu)，因此選擇軟軸傳動。 動力系統(tǒng)方式確定 華中科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 動力源 采用電動機(jī)。采用電機(jī)就必須對電機(jī)和電機(jī)控制器及驅(qū)動器進(jìn)行配電。一般來講有兩種方式供給電力，一種是有纜，一種是無纜。有纜供電電壓和功率穩(wěn)定，不用考慮運(yùn)行時間， 推進(jìn)的總重低， 但是線纜本身對爬行機(jī)構(gòu)限制很大，電纜過短電機(jī)運(yùn)行距離有限，電纜過長又 會 影響爬行裝置的運(yùn)行 。 綜合考慮各方面的因素，選擇蓄電池供電。蓄電池可以提供穩(wěn)定的直流電壓，可以將蓄電池直接接到電機(jī)之上，在這中間接一個繼電器，來控制電機(jī)的運(yùn)動與停止。 為提高電機(jī)的穩(wěn)定性，降低裝置的重心尤為必要，因此將 蓄電池 放置 在爬行裝置的下半部分。 幾種輪式爬行機(jī)器人簡析 管道 車體 電池 電動機(jī) 夾緊機(jī)構(gòu) 車輪 9帶傳動機(jī)構(gòu) 圖 21 單側(cè)布置輪式爬行機(jī)器人 圖 21 是一種只在鋼管上部布置動力機(jī)構(gòu)的輪式爬行機(jī)器人，這種爬行裝置是由車體、電機(jī)等零件構(gòu)成的。這種機(jī)構(gòu) 實現(xiàn)能力強(qiáng)，設(shè)計簡單，造價便宜，機(jī)器人自重小，推重比大，但是夾緊裝置不易設(shè)計，若采用第一章的蠕動式所采用的夾緊方式，使得整個裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，不利于減小成本及裝置的維修；且 在安裝過程中難以保證 行進(jìn)中心和鋼管軸線重合，安裝困難，且在行進(jìn)過程中軸線難以保持。 圖 22 中的爬行機(jī)器人同樣是單側(cè)布置，這種機(jī)器人由夾緊裝置，主體、行進(jìn)裝置等構(gòu)成。 使用時 首先，夾緊裝置夾緊，該夾緊 裝置是由螺母和螺栓來調(diào)節(jié) 華中科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 直管道 行走滾輪 支架 本體 夾緊螺母 夾緊機(jī)構(gòu) 圖 21 單側(cè)布置輪式爬行機(jī)器人 的， 主要 是通過對螺母的調(diào)節(jié)來使得夾緊裝置夾緊管道，然后電動機(jī)工作，通過傳動裝置將動力傳送到輪子上，使得爬行裝置運(yùn)動。 由于有了連桿機(jī)構(gòu)，安裝更簡便，結(jié)構(gòu)簡單，實行能力較強(qiáng)，但是夾緊裝置很難將整個裝置的中心和管道的中心重合，容易造成幾個夾緊臂的夾緊力不同，可能造成螺栓的損壞，而且這個裝置對夾緊臂的強(qiáng)度要求較高，如果主體負(fù)載過大，容易造成支撐臂的損壞。 爬行 裝置 結(jié)構(gòu)確定 圖 23 移動式管外漏磁檢測儀爬行裝置設(shè)計 方案 圖 23 所示的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖就是本課題最終確定的設(shè)計方案，該結(jié)構(gòu)主要由主要由夾緊裝置、主體 、行進(jìn)裝置等構(gòu)成。進(jìn)行漏磁檢測時，首先 夾緊裝置夾緊，該夾緊裝置是由螺母和螺栓來調(diào)節(jié)的，主要是通過對螺母的調(diào)節(jié)來使得夾緊裝置華中科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 夾緊管道，然后電動機(jī)工作，通過傳動裝置將動力傳送到輪子上，使得爬行裝置運(yùn)動。 移動式管外漏磁檢測儀爬行裝置 主要結(jié)構(gòu) 如下 ： ①主體：搭載其他功能裝置的平臺； ②夾緊裝置：保持車輪與管道之間緊密連接的裝置； ③電機(jī)：為爬行裝置提供動力； ④蓄電池：為電機(jī)提供能源； ⑤傳動裝置：將動力傳遞到車輪上的裝置； 爬行裝置系統(tǒng)組成 由設(shè)計的爬行裝置設(shè)計的方案進(jìn)行分析可知，爬行裝置主要是以下幾個 方面構(gòu)成： （ 1） 移動載體：移動載體是指爬行裝置在管道表面移動作業(yè)的部分，載體為輪式驅(qū)動方式。 （ 2） 動力 供給系統(tǒng)：不考慮其他的供電需求，只考慮爬行裝置的需求，選擇蓄電池供電，可以保證爬行裝置的正常工作。 （ 3） 行走和驅(qū)動結(jié)構(gòu)。 各部分設(shè)計與 分析 將在后續(xù)章節(jié)中說明 。 爬行裝置的系統(tǒng)參數(shù) 圖 24為本文所涉計的管外爬行裝置的整體結(jié)構(gòu)（該裝置電機(jī)、蓄電池等結(jié)構(gòu)未加，材料為 HT150），系統(tǒng)參數(shù)如下： 外形尺寸： 280mm（長） 290mm（寬） 350mm（高，裝配完成后） 供電方式：蓄電池供電 凈重：約為 18kg(包括 蓄電池和電機(jī)） 行走方式：輪式行走 移動速度： 012米每秒 適合管徑：適用于管道外直徑為 127 毫米的管道 華中科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 圖 24 移動式管外漏磁檢測儀爬行裝置 三維示意圖 本章小結(jié) 本章從 移動式管外漏磁檢測儀爬行