【文章內(nèi)容簡介】 。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) 機械結構的設計：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，設計出能夠滿足實際要求的機械結構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)結構優(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，對設計出來的機械裝置進行受力分析，優(yōu)化部分結構參數(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。2 螺旋輪式管道機器人的總體方案設計 機器人管內(nèi)運動方式對比分析 輪式日本學者福田敏男、 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。該機器人行走機構分別由頭部和本體兩部分組成，頭部和本體可相對回轉。當機器人在直管內(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動輪轉動，使機器人沿直管行走。當通過90度彎管時，電動機M2驅動頭部做姿態(tài)調整， 同時驅動頭部履帶，引導機器人通過彎管。該機器人的技術指標為：適應管徑：φ50mm；行走速度：；轉彎性能：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,由驅動輪與管壁之間的附著力產(chǎn)生機器人前后行走的驅動力,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)如果驅動輪軸線與管道軸線垂直,驅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。下面以上海交通大學研制的輪式管道機器人(圖110)為例說明其工作原理。驅動電機通過軸驅動與之相連接的蝸桿,蝸桿驅動沿圓周方向成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節(jié)部分提供,調節(jié)電機驅動滾珠絲杠轉動,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動,從而實現(xiàn)預緊力的調節(jié)。1蝸桿 2驅動電機 3驅動電機安裝座 4調整電機 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驅動機構原理圖 蠕動式清華大學研制了一套小型蠕動機器人系統(tǒng)，其機構如圖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變實時感，機器人的外形尺寸為150x61x46mm，重2kg，最大步距10μm，行程40mm， μm。走效率高，能以一定的速度平穩(wěn)地運動。通過一些結構設計，可以適應一定的管徑變化。圖21蠕動體結構示意圖蠕動式驅動是基于仿生學原理，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)蠕動的方法復雜，附帶的元件多，如氣動蠕動，就需要外接多根導氣管。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，目前有很多實現(xiàn)形式，如上海大學利用氣壓伸縮驅動；上海交通大學利用形狀記憶合金伸縮驅動；昆明理工大學利用電磁吸合驅動。下面以電磁驅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動、履帶式驅動、腿式驅動、電磁式驅動等不同結構的優(yōu)缺點， 以及簡單性和實用性特點，最后確定采用輪式驅動結構。輪式驅動機構結構簡單，容易實現(xiàn)，行走效率高，能以一定的速度平穩(wěn)地運動。通過一些結構的設計，可以適應一定的管徑變化，通過控制軸向尺寸，采取適當?shù)慕Y構，可以實現(xiàn)在彎管中行走。而且輪式驅動控制方便，可以方便地和各種傳感器（速度傳感器、壓力傳感器等）集成。常見的輪式驅動機構有直進輪式驅動和螺旋輪式推進兩種方式。由于螺旋式推進機構具有諸多優(yōu)點：前進速度快，驅動力大；對管徑大小和管道形狀變化的適應性較強；控制方便；機構的管內(nèi)穩(wěn)定性好。因此我們最終確定采用螺旋輪式驅動的方案，該方案采用了分節(jié)式螺旋驅動輪式結構。管道檢測機器人基本結構由前后兩部分螺旋驅動部分和中間的超聲波探測部分構成。 螺旋輪式管道機器人的運動機理 機構的原理如圖23，螺旋機構由驅動電機Μ1(Μ2) ,旋轉體 1（2）和支撐體1（2）組成。三組驅動輪均勻分布于旋轉體上，且與管壁呈一定的傾斜角θ 。隨著電機的轉動，驅動電機Μ1(Μ2) 帶動旋轉體1（2）轉動，使驅動輪沿管壁作螺旋運動，保持機構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)結接頭與無損檢測傳感器相聯(lián)結。旋轉體1和支撐體 1（2）的輪腿上裝有彈性機構，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能力。1旋轉輪 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構 機器人設計要點第一：輪式驅動控制方便，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，雙電機安裝方式可以使機器人前進速度快，驅動力大； 控制方便； 機構的管內(nèi)穩(wěn)定性好。第二：管道檢測機器人采用三節(jié)對稱結構具有以下優(yōu)點：（1）兩驅動電機分擔機器人所需的驅動力， 可以降低電機的外形尺寸， 節(jié)省軸向安裝空間；（2）轉彎時分別控制兩電機的轉動， 可以減小轉彎時驅動內(nèi)耗， 增加靈活性；（3）增加爬垂直管道的驅動力；（4）前后兩部分驅動，可以盡量縮短軸向尺寸，減小轉彎半徑。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)變化該機構設計上有調正環(huán)節(jié)，以使3個彈簧拉力基本平衡自定心。當機器人放入管內(nèi)后，彈簧力的大小仍可由外面的軸桿來調節(jié)。通過理論分析與比較，螺旋輪式管內(nèi)行走機構結構緊湊，雙電機對稱機構提供的拖動力大，并且結構穩(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)的應用和推廣。3 管道機器人行走機構的分析與設計 旋轉輪的結構設計 圖31旋轉輪零件圖旋轉輪盤選擇兩盤相扣結構，使機構更加靈活。支撐滾動輪的支撐軸，設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，又不影響適應不同管徑。變徑范圍146mm164mm。 機構運動受力分析 管道內(nèi)機器人其移動機構的主要任務是攜帶探測、修補或維護所需的設備，如CCD傳感器，渦流傳感器或復雜的微操作手等，這就要求移動機構有一定的負載能力。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有一定的帶載能力。當檢測不同的管道時，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，電機所需的驅動力降低。反之在管徑變小時，撐緊機構施加到車輪上的正壓力增大，從而摩擦力增大，負載增大，電機所需的驅動力降低。因此有必要將機構的負載能力，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，移動機構在管道中行走時，要實現(xiàn)力封閉及驅動行走。下面分析移動機構在管道中行走時的受力情況。對管道檢測機器人受力分析時，只考慮機器人在垂直管道上升時的情況，因為對管道檢測機器人在垂直管道中上升過程中受到的負載最大，如果爬垂直管道時機器人的承受負載能力能夠滿足要求，那么，管道機器人本體在水平或者坡度管道時，負載能力必定能夠達到要求。機械平臺共有6 組12個驅動輪和6組12 個支撐輪，為了使計算出的負載能力有一定的安全系數(shù)，所以只考慮12 個驅動輪的負載能力來平衡機械本體的負載。以螺旋驅動部分的受力為例，如圖32。假設處在理想狀態(tài)下，每個橡膠驅動輪的受力狀態(tài)相同，因此取一個車輪作為隔離體,對其進行受力分析。受力圖如圖32 。 圖32力學分析原理分析可知，整個移動機構是依靠電機驅動，驅動輪緊緊壓著管壁，驅動輪轉動時與管壁之間產(chǎn)生純滾動，依靠管壁對驅動輪的摩擦力作用而實現(xiàn)行走的，因此，機器人在管道內(nèi)部的前進、后退、啟停、加減速等動作只需控制電機的正反轉、啟停和調整電機電壓大小來實現(xiàn)。得出及機器人的最大載荷：W max = 12(Nf－Fsinθ)由ΣMAZ=0 ΣF y=0可得F=N/R (f1 R + f2 r)帶入可得：W max = 12[Nf－N/R (f1R + f2r)sinθ] 受力分析時的一些假設條件因為管道機