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正文內(nèi)容

畢業(yè)論文-管道機器人的機構(gòu)設(shè)計與仿真分析(編輯修改稿)

2025-02-12 23:44 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 增大了與管壁間的摩擦力,提高了牽引能力,同時由于支撐輪的塑性變形增大了接觸面積,解決了原始方案點接觸的問題,可以更好地適應(yīng)復(fù)雜的管道環(huán)境。支撐輪與銷軸間采用膠粘方式固定,因此工作時,支撐輪并不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動,它與管壁間產(chǎn)生滑動摩擦而非滾動摩擦。另外,在滑塊上裝有微型壓力傳感器,可以直接測量在撐緊過 程中滑塊所受的合力,通過換算就可以間接得到支撐輪與管壁問的正壓力,這不僅保證了支撐機構(gòu)以恒定壓力撐緊在管壁上,同時8 也對電機起過載保護的作用。 ( 2)柔性保持機構(gòu) 為滿足管道機器人“形封閉、力封閉”的設(shè)計要求,設(shè)計了柔性保持機構(gòu)。其中保持輪軸線始終與管壁母線保持垂直,工作時,保持輪沿管壁滾動。當(dāng)機器人在不同直徑的管道內(nèi)運動時,壓簧的伸長和縮短帶動滑塊上下滑動,并通過連桿機構(gòu)的作用,保持輪將始終貼緊管壁,達到“適應(yīng)不同管徑”的目的。這樣機器人在管內(nèi)運動時,其中心線基本與管道的中心線保持一致,保證各單元與管壁的夾 角在穩(wěn)定運動的范圍內(nèi)。 本課題的設(shè)計任務(wù) 本次設(shè)計的任務(wù)是設(shè)計一個螺旋輪式管道機器人,要求機器人可以在管道內(nèi)實現(xiàn)前進、后退、按一定曲率半徑回轉(zhuǎn)動作,能高效地完成管道內(nèi)的探傷和定位工作。具體設(shè)計內(nèi)容為: ( 1)了解螺旋輪式管道機器人的基本構(gòu)成及工作原理,熟悉其設(shè)計、生產(chǎn)的基本知識。 ( 2)進行螺旋輪式管道機器人的總體方案設(shè)計及其零部件設(shè)計。 ( 3)設(shè)計原始參數(shù): 1)機器人可以在管道內(nèi)實現(xiàn)前進、后退、按一定的曲率半徑回轉(zhuǎn)向動作。 2)機器人的適應(yīng)管徑 146164mm 3)機器人的運動速度為 16r/min 4)可以實現(xiàn)豎直管的前進后退。 論文的主要內(nèi)容 (1)方案的確定:考慮課題所要求的變徑需要,擬訂幾個可行的變徑方案,并對每個方案進行可行性分析。最終,經(jīng)過方案比較和各方面的綜合考慮,確定最佳方案。 (2)材料的選擇:為了使管道機器人在管道內(nèi)更加靈活,所以采用鋁合金型鋼6063T4 合金。 9 表 11 鋁合金型鋼 6063T4 合金的特性 屬性 數(shù)值 單位 彈性模量 +010 牛頓 /m2 泊松比 不適用 剪切模量 +010 牛頓 /m2 密度 2700 Kg/m3 張力強度 170000000 牛頓 /m2 X 壓縮強度 牛頓 /m2 屈服強度 90000000 牛頓 /m2 熱膨脹系數(shù) /k 熱導(dǎo)率 200 w/() 比熱 900 J/() 材料阻尼比率 不適用 鋁合金有如下優(yōu)點: 鋁合金是純鋁加入一些合金元素制成的,如鋁 — 錳合金、鋁 — 銅合金、鋁 — 銅 —鎂系硬鋁合金、鋁 — 鋅 — 鎂 — 銅系超硬鋁合金。鋁合金比純鋁具有更好的物理力學(xué)性能:易加工、耐久性高、適用范圍廣、裝飾效果好、花色豐富。鋁合金分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁等種類, 各種類均有各自的使用范圍,并有各自的代號,以供使用者選用。 鋁合金仍然保持了質(zhì)輕的特點,但機械性能明顯提高。鋁合金材料的應(yīng)用有以下三個方面:一是作為受力構(gòu)件;二是作為門、窗、管、蓋、殼等材料;三是作為裝飾和絕熱材料。利用鋁合金陽極氧化處理后可以進行著色的特點,制成各種裝飾品。鋁合金板材、型材表面可以進行防腐、軋花、涂裝、印刷等二次加工,制成各種裝飾板材、型材,作為裝飾材料。 成本低,而且使用一種加工工藝可以大量生產(chǎn)同樣的零部件,這也是他的特點之一。 它的材料特性是輕、容易加工、以及在可耐強度方面不像碳素纖維 有一個最大受10 力范圍。也就是說,碳素纖維因為有纖維的特性所以在一定的纖維方向上受力能力很強,但是在在別的方向上的受力就會很差。變得一層一層的。而鋁會慢慢變形再損壞。 還有就是鋁合金容易加工和具有高度的散熱性。 此外,鋁合金的加工工藝多種多樣。通用性較強。 (3) 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計:根據(jù)所確定的方案原理和管道檢測機器人在石油管道中的工作情況,如:要克服 5mm 高的凸起、凹坑,要通過拐彎半徑為 R933mm 的彎道,還要保證超聲傳感器的探頭探測范圍覆蓋內(nèi)徑為 Φ150mm 的管道環(huán)面等,設(shè)計出能夠滿足實際要求的機械結(jié)構(gòu)形式 和各個零件的具體尺寸,并繪制出變徑裝置的零件圖、裝配圖。 (4)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析:根據(jù)管道檢測機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,對設(shè)計出來的機械裝置進行受力分析,優(yōu)化部分結(jié)構(gòu)參數(shù),從而使超聲檢測裝置既能正常工作 。 (5)基本尺寸的確定,使機構(gòu)滿足一定的幾何限制條件 。 (6)繪制出變徑裝置的零件圖和裝配圖,并最終用 Solidworks 終繪制出該裝置的三維實體模型。 11 2 螺旋輪式管道機器人的總體方案設(shè)計 機器人管內(nèi)運動方式對比分析 輪式 日本學(xué)者福田敏男、 細貝英夫在 1986 年研制了可以通過 “L”無圓弧過渡的管內(nèi)移動機器人。該機器人行走機構(gòu)分別由頭部和本體兩部分組成,頭部和本體可相對回轉(zhuǎn)。當(dāng)機器人在直管內(nèi)行走時,本體上的電動機 M1 通過減速裝置帶動本體上的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動,使機器人沿直管行走。當(dāng)通過 90 度彎管時,電動機 M2 驅(qū)動頭部做姿態(tài)調(diào)整, 同時驅(qū)動頭部履帶,引導(dǎo)機器人通過彎管。該機器人的技術(shù)指標為:適應(yīng)管徑:φ50mm;行走速度: ;轉(zhuǎn)彎性能:可以通過 90 度直角彎管;機器人重量為:240g;機器人長度: 76mm。 目前 ,輪式管 道機器人是實際工程中應(yīng)用最多的一種。輪式管內(nèi)移動機器人行走的基本原理是驅(qū)動輪靠彈簧力、液壓、氣動力 ,磁性力等壓緊在管道內(nèi)壁上以支承機器人本體并產(chǎn)生一定的正壓力 ,由驅(qū)動輪與管壁之間的附著力產(chǎn)生機器人前 后 行走的驅(qū)動力 ,以實現(xiàn)機器人的移動。輪式管道機器人的行走方式有 2 種: (1)如果驅(qū)動輪軸線與管道軸線垂直 ,驅(qū)動輪沿管道母線滾動 ,機器人在管 內(nèi) 做平移運動 ,此為輪式直進式管內(nèi)移動機器人 ,它的優(yōu)點是機器人行走時 ,不產(chǎn)生姿態(tài)旋轉(zhuǎn)。下面以上海交通大學(xué)研制的輪式管道機器人 (圖 110)為例說明其工作原理。驅(qū)動電機通過軸驅(qū)動與 之相連接的蝸桿 ,蝸桿驅(qū)動沿圓周方向成 120176。均勻分布的 3 個蝸輪 ,蝸輪又通過鏈輪和鏈條帶動機器人本體的車輪轉(zhuǎn)動 ,實現(xiàn)機器人本體在管道內(nèi)的前進或后退。車輪與管道壁面之間的正壓力由調(diào)節(jié)部分提供 ,調(diào)節(jié)電機驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動 ,絲杠螺母將在絲杠上來回軸向移動 ,并帶動推桿通過 鏈 使搖桿轉(zhuǎn)動 ,從而實現(xiàn)預(yù)緊力的調(diào)節(jié)。 12 1蝸桿 2驅(qū)動電機 3驅(qū)動電機安裝座 4調(diào)整電機 5鉸鏈 6推桿 7絲杠螺母 8絲杠 9蝸桿 10蝸輪 11鏈條 12車輪 圖 110 驅(qū)動機構(gòu)原理圖 蠕 動式 清華大學(xué)研制了一套小型蠕動機器人系統(tǒng),其機構(gòu)如圖 21,由 1 蠕動體和 4 電致伸縮微位移器組成。蠕動體的蠕動變形形態(tài)由粘貼于柔性鉸鏈部位的電阻應(yīng)變實時感,機器人的外形尺寸為 150x61x46mm,重 2kg,最大步距 10μm,行程 40mm,運動精度 μm。走效率高,能以一定的速度平穩(wěn)地運動。通過一些結(jié)構(gòu)設(shè)計,可以適應(yīng)一定的管徑變化。 圖 21 蠕動體結(jié)構(gòu)示意圖 蠕動式驅(qū)動是基于仿生學(xué)原理,參考蚯蚓、毛蟲等生物的運動而實現(xiàn)的。首先,尾部支撐,身體伸長帶動頭部向前運動;然后,頭部支撐,身體收縮帶 動尾部向前運動,如此循環(huán)實現(xiàn)機器人的行走。蠕動式驅(qū)動的優(yōu)點在于可適用管徑及曲率的變化。但是,蠕動式機構(gòu)運動是間歇式的,速度波動大,不容易實現(xiàn)和傳感器的集成。實現(xiàn)蠕動的方法復(fù)雜,附帶的元件多,如氣動蠕動,就需要外接多根導(dǎo)氣管。 13 1988 年, Ikuta 等引用蚯蚓運動的原理開發(fā)出了蠕動機器人,后來隨著蠕動機器人技術(shù)的不斷完善,其開始向大型化發(fā)展,目前已可在 200~300 mm 的管道內(nèi)應(yīng)用。蠕動式管道機器人主要由蠕動部分、頭部、尾部組成,如圖 22 所示。前部和尾部支撐分別裝有超越離合鎖死裝置,實現(xiàn)單向運動自鎖。中間 蠕動部分提供機器人運動的動力。對于蠕動動力機構(gòu),目前有很多實現(xiàn)形式,如上海大學(xué)利用氣壓伸縮驅(qū)動;上海交通大學(xué)利用形狀記憶合金伸縮驅(qū)動;昆明理工大學(xué)利用電磁吸合驅(qū)動。 下面以電磁驅(qū)動的蠕動式管道機器人為例,分析蠕動式管道機器人的運動機理。蠕動式管道機器人的運動原理如圖 22 所示,一個動作循環(huán)分為 3 個步驟: (1)當(dāng)初始狀態(tài)時,電磁鐵失電,彈簧處于自由狀態(tài),故頭部與尾部分離; (2)當(dāng)電磁鐵通電時,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,尾部由于電磁吸力的作用向前移動; (3)斷開電源 , 電 磁力作用消失 , 彈簧促使磁鐵與線圈分開 , 安裝在尾部上的超越單向行走方式使尾部原位不動,頭部由于彈簧力的作用向前移動。 至此 , 機器人回到了初始狀態(tài),機器人前進了一步。 蠕動機器人優(yōu)點是可在細小的微型管道中行走,但由于速度的間斷性和緩慢性阻礙了它的發(fā)展。 圖 22 蠕動機器人的運動原理 綜合輪式驅(qū)動、履帶式驅(qū)動、腿式驅(qū)動、電磁式驅(qū)動等不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點, 以及簡單性和實用性特點,最后確定采用輪式驅(qū)動結(jié)構(gòu)。輪式驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單,容易實現(xiàn),行走效率高,能以一定的速度平穩(wěn)地運動。通過一些結(jié)構(gòu)的設(shè)計,可以適應(yīng)一定的管徑變 化,通過控制軸向尺寸,采取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu),可以實現(xiàn)在彎管中行走。而且輪式驅(qū)動控制方便,可以方便地和各種傳感器(速度傳感器、壓力傳感器等)集成。常見的輪式驅(qū)動機構(gòu)有直進輪式驅(qū)動和螺旋輪式推進兩種方式。由于螺旋式推進機構(gòu)14 具有諸多優(yōu)點:前進速度快,驅(qū)動力大;對管徑大小和管道形狀變化的適應(yīng)性較強;控制方便;機構(gòu)的管內(nèi)穩(wěn)定性好。因此我們最終確定采用螺旋輪式驅(qū)動的方案,該方案采用了分節(jié)式螺旋驅(qū)動輪式結(jié)構(gòu)。管道檢測機器人基本結(jié)構(gòu)由前后兩部分螺旋驅(qū)動部分和中間的超聲波探測部分構(gòu)成。 螺旋輪式管道機器人的運動機理 機構(gòu)的原理 如圖 23,螺旋機構(gòu)由驅(qū)動電機 Μ1(Μ2) ,旋轉(zhuǎn)體 1( 2) 和支撐體 1( 2) 組成。三組驅(qū)動輪均勻分布于旋轉(zhuǎn)體上,且與管壁呈一定的傾斜角 θ 。隨著電機的轉(zhuǎn)動,驅(qū)動電機 Μ1(Μ2) 帶動旋轉(zhuǎn)體 1( 2)轉(zhuǎn)動,使驅(qū)動輪沿管壁作螺旋運動,保持機構(gòu)沿管道中心軸線移動。改變施加于電機的電流極性,可改變機器人的移動方向,從而使機器人在管內(nèi)進退自如。電機采用內(nèi)嵌式安裝在支撐體 1( 2) 上,支撐體 1( 2)通過彈簧、萬向聯(lián)結(jié)接頭與無損檢測傳感器相聯(lián)結(jié)。旋轉(zhuǎn)體 1 和支撐體 1( 2) 的輪腿上裝有彈性機構(gòu),使得機械本 體有較好的越障能力。腿輪與本體之間有滑塊連接,靠螺釘固定,調(diào)節(jié)滑塊位置,腿輪可以伸縮,使得管道檢測機器人有一定的管徑適應(yīng)能力。 1 旋轉(zhuǎn)輪 2 彈簧 3 輪軸 4 支撐輪 5 電機托蓋 6 萬向節(jié)聯(lián)軸器 7 探測倉 8 旋轉(zhuǎn)電機 9 探測頭 10 萬向節(jié)聯(lián)軸器 11 電機托蓋 12 支撐輪 13 旋轉(zhuǎn)輪 14 小輪支撐體 15 小輪 16 螺釘 圖 23 油管檢測機器人的檢測本體結(jié)構(gòu) 15 機器人設(shè)計要點 第一:輪式驅(qū)動控制方便,可以方便地和各種傳感器(速度傳感器、壓力傳感器等)集成。對稱機構(gòu),雙電機安裝方式可 以使機器人前進速度快,驅(qū)動力大; 控制方便; 機構(gòu)的管內(nèi)穩(wěn)定性好。 第二:管道檢測機器人采用三節(jié)對稱結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點: ( 1)兩驅(qū)動電機分擔(dān)機器人所需的驅(qū)動力, 可以降低電機的外形尺寸, 節(jié)省軸向安裝空間; ( 2)轉(zhuǎn)彎時分別控制兩電機的轉(zhuǎn)動, 可以減小轉(zhuǎn)彎時驅(qū)動內(nèi)耗, 增加靈活性; ( 3)增加爬垂直管道的驅(qū)動力; ( 4)前后兩部分驅(qū)動,可以盡量縮短軸向尺寸,減小轉(zhuǎn)彎半徑。 第三: 彈簧自定心作用 彈簧力的大小要考慮行走輪與管壁之間要有足夠的正壓力,使電機能夠有較大的功率輸出,使行走機構(gòu)拖動力最大 。同時,還要考 慮保證機器人能夠在彈簧力的作用下不會因其重力作用而明顯地偏離管道中心。由于彈簧機械性能及參數(shù)變化該機構(gòu)設(shè)計上有調(diào)正環(huán)節(jié),以使 3 個彈簧拉力基本平衡自定心。當(dāng)機器人放入管內(nèi)后,彈簧力的大小仍可由外面的軸桿來調(diào)節(jié)。 通過理論分析與比較, 螺旋 輪式管內(nèi)行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊, 雙電機對稱機構(gòu)提供的拖動力大,并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,靈活,電機的 是一種理想的管內(nèi)行走機器人載體??梢赃M行工業(yè)的應(yīng)用和推廣 。 16 3 管道機器人行走機構(gòu)的分析與設(shè)計 旋轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖 31 旋轉(zhuǎn)輪零件圖 旋轉(zhuǎn)輪盤選擇兩盤相扣結(jié)構(gòu),使機構(gòu)更加 靈活。支撐滾動輪的支撐軸,設(shè)計一個凸起卡在一個盤內(nèi),既可以防止其在盤內(nèi)軸向旋轉(zhuǎn),又不影響適應(yīng)不同管徑。變徑范圍 146mm164mm。 機構(gòu)運動受力分析 管道內(nèi)機器人其移動機構(gòu)的主要任務(wù)是攜帶探測、修補或維護所需的設(shè)備,如CCD 傳感器,渦流傳感器或復(fù)雜的微操作手等,這就要求移動機構(gòu)有一定的負載能力。該機器人的供電方式為拖纜供電,隨著機器人在管道內(nèi)部行走的距離的加大,拖動電纜也就越長,這樣電纜與管壁的摩擦力也就加大,所以要求機器人的移動機構(gòu)有一定的帶載能力。當(dāng)檢測不同的管道時,管道內(nèi)徑可能是在一 定范圍內(nèi)變化的,這種變化也會影響到移動機構(gòu)負載能力的變化。一般情況下,在不使機器人打滑的同時,管徑增大時,撐緊機構(gòu)施加到車輪上的正壓力減小,從而摩擦力減小,負載減小,電機所需的驅(qū)動力降低。反之在管徑變小時,撐緊機構(gòu)施加到車輪上的正壓力增大,從而摩擦力增大,負載增大,電機所需的驅(qū)動力降低。因此有必要將機構(gòu)的負載能力,或說軸向輸出牽引力,作為一個重要的指標來分析。由前面的分析可知,移動機構(gòu)
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