【導(dǎo)讀】管道運(yùn)輸在我國(guó)運(yùn)用比較普遍，管道長(zhǎng)期處于壓力大的惡劣環(huán)境中，受到水、油混合物、硫化氫等有害氣體的腐蝕。這些管道受蝕后，管壁變。薄，容易產(chǎn)生裂縫，造成漏油的問(wèn)題，存在重大安全生產(chǎn)隱患和濟(jì)濟(jì)損失。因此研究工程應(yīng)用中的管道機(jī)器人具有很高的實(shí)用價(jià)值和學(xué)術(shù)價(jià)值。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)。它利用一個(gè)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)均布在機(jī)架上并與管內(nèi)壁用彈簧。力相封閉的六個(gè)行進(jìn)輪，從而實(shí)現(xiàn)了可以軸向直進(jìn)全驅(qū)動(dòng)的管內(nèi)行走。根據(jù)管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求選擇電機(jī)，介紹了電機(jī)選擇過(guò)程，對(duì)其中關(guān)鍵的機(jī)械部件如蝸輪蝸桿傳動(dòng)部件、齒輪等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。的移動(dòng)機(jī)構(gòu)形式。

　　

【正文】 齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算 (確定主要幾何尺寸 )，再按齒根彎曲 疲勞強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算；對(duì)于開(kāi)式蝸桿傳動(dòng)，通常只需進(jìn)行齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算。經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿的強(qiáng)度校核，它們均滿(mǎn)足要求。 （ 4） 兩級(jí)齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 由于 3 個(gè)齒輪參數(shù)一樣，而且可以看成是兩級(jí)齒輪裝置，且傳動(dòng)比 i=1，因此設(shè)計(jì)如下： 35CrMo，調(diào)質(zhì)處理，硬度 237263HBS。按彎曲疲勞強(qiáng)山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28度計(jì)算模數(shù)，得 d1=50 mm， Z1=25， m=2。分度圓壓力角 α=20176。選齒頂高系數(shù)： 1*??h 。 a： a=(d1+d2)/2=(50+50)/2= 50mm。 、齒面疲勞強(qiáng)度均滿(mǎn)足要求 (過(guò)程省略 )! 機(jī)架的設(shè)計(jì) 為能夠使機(jī)器人順利平穩(wěn)的移動(dòng)，機(jī)架對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)了能夠與電機(jī)相連的全主動(dòng)輪架。由于受到徑向尺寸的限制，首先借助電機(jī)端面的螺紋孔，將電機(jī)固定在箱體端面上，左右兩端面通過(guò)左右各均布的六個(gè)螺栓相連。從左右兩端面上各伸出六根固定桿，用來(lái)固定與此相連的六個(gè)從動(dòng)架。電機(jī)與蝸桿通過(guò)一聯(lián)軸件相連。為實(shí)現(xiàn)對(duì)管壁的封閉力，對(duì)稱(chēng)的三從動(dòng)架必需與電機(jī)軸向的夾交小于 90176。對(duì)稱(chēng)的兩端直接用彈簧相連。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。 標(biāo)準(zhǔn)件選擇 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。（ 2）摩擦因數(shù)小，適宜高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作條件。（ 3）軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易達(dá)到高的制造精度。（ 4）有不同尺寸系列，能適用不同的使用要求，有多種結(jié)構(gòu)變型供選用。（ 5）軸向限位能力強(qiáng)，將軸（外殼）的兩面軸向移動(dòng)限制在軸承的軸向游隙限度內(nèi)。 因深溝球軸承由上述特點(diǎn)，因此適合選用深溝球軸承作為本裝置所使用的軸承。通過(guò)查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》知，宜選用 60000 型代號(hào)為 619/5 深溝球軸承。 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 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29M（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 拉伸彈簧的設(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。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。 擺臂與電機(jī)軸向之間形成的夾角為 θ，理論上講， θ角的范圍為 0176。~90176。實(shí)際上，由于受到蝸輪尺寸的影響，為保證驅(qū)動(dòng)輪與管壁接觸，經(jīng)計(jì)算得θ角的范圍為 15176。~90176。由于蝸輪擺臂的角度范圍完全由拉伸 彈簧控制，確定拉伸彈簧的尺寸時(shí)，基本上不需要校核。 管道機(jī)器人在管道中運(yùn)動(dòng)通過(guò)性分析 曲率半徑大小的影響 由于管道微型機(jī)器人可能在彎管中運(yùn)動(dòng)，為了防止機(jī)器人在管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于管道的曲率半徑太小而使得機(jī)器人擱淺而卡在管道中，不能前進(jìn)和后退，現(xiàn)對(duì)管道曲率半徑對(duì)機(jī)器人的影響分析如下。設(shè)機(jī)器人處于剛山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30好被擱淺的狀況如圖 所示。 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)。反之，當(dāng)機(jī)器人通過(guò)的管道曲率半徑小于此時(shí)管道的曲率半 徑時(shí)，機(jī)器人肯定被卡住。此時(shí)管道的曲率半徑為管道機(jī)器人順利通過(guò)管道的臨界值。 已知：管道直徑 D=400mm，經(jīng)設(shè)計(jì)得 a=360mm，機(jī)器人近似直徑D1=292mm，由幾何關(guān)系 ? ? ? ?222 2 9 21 8 04 0 0 ???? rr 得： r0，可見(jiàn)該行走機(jī)構(gòu)由于管道半徑與機(jī)構(gòu)總長(zhǎng) 比值 較大故適用于 此 彎管半徑。機(jī)器人不會(huì)產(chǎn)生擱淺現(xiàn)象。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 314 直進(jìn)輪式管道機(jī)器人實(shí)體建模 SolidWorks 軟件簡(jiǎn)介 SolidWorks 公司成立于 1993 年，由 PTC 公司的技術(shù)副總裁與 CV公司的副總裁發(fā)起，總部位于馬薩諸塞州的康 克爾郡（ Concord， Massachusetts）內(nèi)，當(dāng)初所賦予的任務(wù)是希望在每一個(gè)工程師的桌面上提供一套具有生產(chǎn)力的實(shí)體模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。從 1995 年推出第一套 SolidWorks 三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件至今，它已經(jīng)擁有位于全球的辦事處，并經(jīng)由 300 家經(jīng)銷(xiāo)商在全球 140個(gè)國(guó)家進(jìn)行銷(xiāo)售與分銷(xiāo)該產(chǎn)品。 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。良好的財(cái)務(wù)狀況和用戶(hù)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)。該系統(tǒng)在 19951999 年獲得全球微機(jī)平臺(tái)CAD 系統(tǒng)評(píng)比第一名；從 1995 年至今，已經(jīng)累計(jì)獲得十七項(xiàng)國(guó)際大獎(jiǎng)，其中僅從 1999 年起，美國(guó)權(quán)威的 CAD 專(zhuān)業(yè)雜志 CADENCE 連續(xù) 4 年授予SolidWorks 最佳編輯獎(jiǎng)，以表彰 SolidWorks 的創(chuàng)新、活力和簡(jiǎn)明。至此，SolidWorks 所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實(shí)和證明，使用它，設(shè)計(jì)師大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場(chǎng)。 由于 SolidWorks 出色的技術(shù)和市場(chǎng)表現(xiàn)，不僅成為 CAD 行業(yè)的一顆耀眼的明星，也成為華爾街青睞的對(duì)象。終于在 1997 年由法國(guó)達(dá)索公司以三億一千萬(wàn)美元的高額市值將 SolidWorks 全資并購(gòu)。公司原來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)投資商和股東，以一千三百萬(wàn)美元的風(fēng)險(xiǎn)投資，獲得了高額的回報(bào)，創(chuàng)造了 CAD行業(yè)的世界紀(jì)錄。并購(gòu)后的 SolidWorks 以原來(lái)的品牌和管理技術(shù)隊(duì)伍繼續(xù)山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 32獨(dú)立運(yùn)作，成為 CAD 行業(yè)一家高素質(zhì)的專(zhuān)業(yè)化公司， SolidWorks 三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件也成為達(dá)索企業(yè)中最具競(jìng)爭(zhēng)力的 CAD 產(chǎn)品。 關(guān)鍵零部件的實(shí)體建模過(guò)程 蝸輪 及其連接件的建模 （ 1）啟動(dòng) SolidWorks，進(jìn)入界面后單擊【新建】圖標(biāo)按鈕。選擇 “零件 ”，單擊【確定】按鈕。選擇 “前視基準(zhǔn)面 ”為繪圖平面，單擊【中心線(xiàn)】按鈕，以原點(diǎn)為端點(diǎn)繪制一條水平中心線(xiàn)。單擊【直線(xiàn)】按鈕，以原點(diǎn)為起始點(diǎn)在圖上畫(huà)出 蝸輪 的折線(xiàn)圖樣。 （ 2）尺寸標(biāo)注，單擊 “草圖繪制 ”→“ 智能尺寸 ”，將需要標(biāo)注的尺寸標(biāo)注在圖上，此過(guò)程實(shí)現(xiàn)了草圖的精確化。 圖 蝸輪 的草圖繪制 （ 3）單擊 “特征 ” →“ 旋轉(zhuǎn)凸臺(tái) /基體 ”，在打開(kāi)的旋轉(zhuǎn)屬性管理器中選擇繪制的中心線(xiàn)為旋轉(zhuǎn)基線(xiàn)，旋轉(zhuǎn)角度為 360176。，預(yù)覽無(wú) 誤后，單擊【確定】按鈕。 （ 4）選擇小圓柱體的端面作為繪圖基準(zhǔn)面，單擊 “草圖繪制 ” →“ 圓 ”，以繪圖圓面的圓心繪制一個(gè) φ10mm的圓，單擊 “特征 ” →“ 拉伸切除 ”，再打開(kāi)的拉伸切除屬性管理器中方向選擇為給定深度，拉伸距離為 17mm，預(yù)覽無(wú)誤后單擊【確定】按鈕。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 33（ 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。在新建立的基準(zhǔn)面上畫(huà)一個(gè) φ5mm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。 （ 6）單擊 “特征 ” →“ 拉伸切除 ”，在打開(kāi)的屬性管理器中方向選擇給定深度，拉伸距離為 5mm，預(yù)覽無(wú)誤后單擊【確定】按鈕。存盤(pán)，退出，完成 蝸輪 及其連接件的三維實(shí)體建模過(guò)程。 圖 蝸輪 實(shí)體模型 拉伸彈簧的實(shí)體建模 （ 1）啟動(dòng) SolidWorks，進(jìn)入界面后單擊【新建】圖標(biāo)按鈕。選擇 “零件 ”，單擊【確定】按鈕。選擇 “前視基準(zhǔn)面 ”為繪圖平面，以原點(diǎn)為圓心繪制一個(gè) φ10mm的圓。 （ 2）單擊 “插入 ” →“ 曲線(xiàn) ” →“ 螺旋線(xiàn) /渦狀線(xiàn) ”，再打開(kāi)的屬性管理器下，定義方式選擇 “螺距和圈 數(shù) ”，參數(shù)中選擇恒定螺距，螺距為 ，圈數(shù)選擇 圈，起始角度為 0176。預(yù)覽無(wú)誤后單擊【確認(rèn)】按鈕。 （ 3）單擊【中心線(xiàn)】按鈕，以原點(diǎn)為端點(diǎn)繪制兩條垂直的中心線(xiàn) 和一條角度線(xiàn) ， 單擊【尺寸 /幾何關(guān)系】工具欄中的【智能尺寸】按鈕，標(biāo)注草圖。其中， 單擊豎直中心線(xiàn)，在屬性中將 “ 豎直 ”約束 去掉。 （ 4）繪制 3D 草圖 1。選擇菜單命令【插入】 → 【 3D 草圖】，系統(tǒng)進(jìn)山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 34入 3D 草圖繪制界面。在繪圖區(qū)中選擇螺旋線(xiàn)和草圖 2 圓弧，單擊【轉(zhuǎn)換實(shí)體引用】工具，將螺旋線(xiàn)和草圖 2 圓弧轉(zhuǎn)化為“ 3D 草圖 1”圖元。單擊【草圖】 → 【樣條曲線(xiàn)】繪 制一條連接螺旋線(xiàn)和圓弧的曲線(xiàn)。用【添加幾何關(guān)系】工具分別添加螺旋線(xiàn)和樣條曲線(xiàn)，以及圓弧和樣條曲線(xiàn)的相切約束。單擊【確定】按鈕，退出草圖狀態(tài)。 （ 5）繪制草圖 3,。選擇“上視基準(zhǔn)面”做誒草圖繪制平面。單擊【草圖】 → 【圓】，繪制一個(gè) 1mm 的圓。用【添加幾何關(guān)系】工具將圓心與 3D草圖作“穿透”約束。單擊【確定】按鈕，退出草圖繪制狀態(tài)。 （ 6）掃描實(shí)體。執(zhí)行執(zhí)行菜單命令【插入】 → 【凸臺(tái) /基體】 → 【掃描】，彈出【掃描】對(duì)話(huà)框。在“輪廓”一欄中 選擇（ 5）中繪制的圓；在“路徑”一欄中選擇 3D 曲線(xiàn)，單擊“確定”按鈕，完成掃 描建模。 （ 7）圓周陣列。單擊【特征】 → 【圓周陣列】圖標(biāo)，彈出“圓周陣列”屬性管理器。在“旋轉(zhuǎn)軸”文本框中單擊，文本框變紅色，在繪圖區(qū)選擇角度尺寸為 90176。選中“等間距”復(fù)選框，設(shè)置陣列數(shù)為 2,。在“要陣列的實(shí)體”文本框中單擊，在繪圖區(qū)選擇掃描實(shí)體。單擊【確定】按鈕，完成圓周陣列。 圖 彈簧的實(shí)體模型 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 35 主要部位的連接 驅(qū)動(dòng)輪之間的相互配合 （ 1）啟動(dòng) SolidWorks，進(jìn)入界面后單擊【新建】圖標(biāo)按鈕。選擇 “裝配圖 ”，單擊【確定】按鈕。 （ 2）單擊 “插入零部件 ”圖標(biāo)按鈕 → 單擊 “瀏覽 ”→ 找到 “橡膠輪 ”零件 →單擊 “打開(kāi) ”， 移動(dòng)鼠標(biāo)將 “橡膠輪 ”放置到恰當(dāng)?shù)奈恢谩Ｖ貜?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【配合】圖標(biāo)，出現(xiàn)配合屬性管理器，選擇橡膠輪的內(nèi)表曲面與鋼輪的外表曲面作“同軸心 ”配合，預(yù)覽無(wú)誤后單擊 “確定 ”圖標(biāo)按鈕。接著將兩個(gè)輪子的側(cè)平面作 “重合 ”配合，預(yù)覽無(wú)誤后單擊 “確定 ”圖標(biāo)按鈕。 （ 3）單擊【配合】圖標(biāo)，出現(xiàn)配合屬性管理器，選擇齒輪連接桿較大的銷(xiāo)子的外表曲面與鋼輪中心孔的曲面作 “同軸心 ”配合，預(yù)覽無(wú)誤后單擊“確定 ”圖標(biāo)按鈕 。選擇鋼輪側(cè)面最高平面與齒輪連接桿的平面作 “重合 ”配合，預(yù)覽無(wú)誤后單擊 “確定 ”圖標(biāo)按鈕， （ 4）重復(fù)步驟（ 3），將惰輪與齒輪連接桿配合在一起。 （ 5）單擊【配合】圖標(biāo)，出現(xiàn)配合屬性管理器，選擇銷(xiāo)子的外表面圓柱體與齒輪連接輪中心孔的內(nèi)表面作 “同軸心 ”配合，預(yù)覽無(wú)誤后單擊 “確認(rèn) ”圖標(biāo)按鈕。選擇銷(xiāo)子的外表面圓柱體與齒輪連接桿孔的內(nèi)表面做 “同軸心 ”配合，預(yù)覽無(wú)誤后單擊 “確認(rèn) ”圖標(biāo)按鈕。存盤(pán)，退出，完成驅(qū)動(dòng)輪之間的相互配合。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 36 圖