【正文】 所以正三角形的內接圓 半徑 2833EG EFr m m? ? ? 取 28r mm? 驗算位置 1 和位置 2 的相關尺寸 （ 1） 驗算位置 1 的相關尺寸 2 2 2 22 2 5 1 2 0 1 9 0O E O C CE m m? ? ? ? ? 取 190OE mm? 。 華北科技學院畢業(yè)設計 （論文） 第 51頁 共 45頁 圖 53 姿勢位置 1 圖 54姿勢位置 2 計算橢圓內接正三角形的有關參數 建立如圖 55所示的直角坐標系，設橢圓的長軸長為 2a ，短軸長為 2b 。 夾角 的位置，根據機器人自身的姿態(tài)，又可分為兩種極限姿態(tài)位置，以下簡稱位置 1 和位置 2。225mm 的 管 道進行設計，并考慮直角彎道的情況，因此應討論機器人在這類管道中所應滿足的幾何條件限制，驗證所設計的幾何量尺寸是否滿足機器人通過管道直角彎頭所要求的幾何 尺寸。 以內的上升管道內爬動。輪子與管道壓力由彈簧的彈力來提供。 K 9 5 .4 4FD M pad? ??? 當 C=，初應力 0? 的推薦值為 65～ 150Mpa，所以此初應力值合適。 1 . 6 1 . 6 3 . 1 8628F K cd ? ??? ? ? 上值與原來估計值相近，取彈簧鋼絲的標準直徑 d=，此時D=18mm，是標 準值，則： 2 1 8 21 .2D d m mD ? ? ? ? ? 3．根據剛度條件，計算彈簧圈數 n。 因彈簧在一般在和條件下工作，可以按第 3類彈簧來考慮，現選用碳素彈簧鋼絲 C級，我們設計導柱為 14mm間隙 c為 4mm，則彈簧中徑 D為 18mm。 (4)初步估算軸的直徑 選擇軸的材料為 40Cr 經調質處理 ，由表 42 查得材料機械數據為： 700b MP? ? 華北科技學院畢業(yè)設計 （論文） 第 45頁 共 45頁 500 as MP? ? 1 320 aMP? ? ? 1 185 aMP?? ? 根據公式初步計算軸直徑3 Tpd n?? ???? =33 Tpn????? = 30 pA n 帶入數據得出 d? ，現在選擇mind ? ， 軸的結構設計 根據軸上面的定位要求，現在軸的基本參數如下圖所示： 圖 45 軸的基本尺寸參數 鍵的校核 選用 A 型普通鍵，軸鍵、輪轂的材料都用 20 鋼。圖 b 中的 a 值可查滾動軸承樣本手冊，圖 d 中的 e 值與滑動軸承的寬徑比 /1Bb? 時，取? ； 當 /1Bb? 時，取 ? ，但不小于 ? ? B? ；對于調心軸承，? 。一般的軸用這種方法計算即可。對于直徑 d≤ 100mm 的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大5%～ 7%；有兩個鍵槽時，應增大 10% 15%。在做軸的結構設計時，通常用這種方法初步估算軸徑。對于僅僅（或主要）承受扭矩的軸（傳動軸），應按扭轉強度計算：對于只承受彎矩的軸（心軸），應按彎矩強度條件計算： 對于既承受彎矩又承受扭矩的軸（轉軸），應按彎扭合成強度條件進行計算，需要時還應按疲勞強度條件進行精確校核。而對剛度要求高的軸（如車床主軸）和受力大的細長軸，還應進行剛度計算，以防止工作時產生過大的彈性變形。但是，不論何種具體條件，軸的結構都應滿足：軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置；軸上的零件應便以裝拆和調整；軸應具有良好的制造工藝性等。因此，軸的結構設計是軸設計中的重要內容。d 126（ mm） 蝸輪精度 表 41 蝸輪精度 項目名稱 蝸輪 蝸桿 第一組精度 8 8 華北科技學院畢業(yè)設計 （論文） 第 37頁 共 45頁 第一組精度 8 8 第一組精度 8 8 側 隙 f f 強度剛度校核結果和參數 1．許用接觸應力 ? ?2/N mm 2．計算接觸應力 ? ?2/N mm(滿足 ) 3．許用彎曲應力 ? ?2/N mm 4．計算彎曲應力 ? ?2/N mm(滿足 ) 5．許用撓度值 ? ?2/N mm 6．計算撓度值 ? ?2/N mm(滿足 ) 1．蝸桿圓周力 Ft1 ??N 3? 2． 蝸 桿 軸 向 力 Fx1 ??N 用 系 數 Ka 3．蝸桿徑向力 Fr1 ??N Kv 4．蝸輪圓周力 Ft2 ??N K? 5．蝸輪軸向力 Fx2 ??N ZE 管道機器人的設計與運動仿真 第 38頁 共 45頁 6．蝸輪徑向力 Fr2 ??N Zvs 7． 蝸 輪 法向 力 Fn ??N 命系 數 ZN 8． 滑 動速 度 Vs ? ?/ms 形 系數 Yfs 9．蝸桿傳動當量摩擦角 v? 176。 hf2 (mm) 向 齒 形 角 n? 176。H? 200? ?2/N mm 管道機器人的設計與運動仿真 第 34頁 共 45頁 7．蝸輪材料許用接觸應力 ? ?H? 200? ?2/N mm 8．蝸輪材料許用彎曲應力 ? ?F39。 驅動能力校核 根據 電機的額定輸出轉矩為 ，傳動比 i 為 450 ，則機器人總的驅動力矩為： 2. 4 45 0 57 6W MM ? ? ? ? ? 因為機器人總的驅動力矩大于其所受到的總的阻力矩，所以機器人能夠有足夠的動力起車，并有一定的動力儲備。 考慮驅動能力時減速比的計算 根據電機的相關資料，可知電機的額定轉矩為 ，為滿足機器人能正常行駛，則整個軀動系統(tǒng)電機的驅動力矩經傳動系統(tǒng)減速增扭后，驅動力矩應大于等于機器人所受到的總的阻力矩，即應保證傳動系統(tǒng)的傳動比mini 應滿足： mini ? DMM? ?? 2．考慮機器人最高運行速度傳動比的計算 根據電機相關資料，可知電機的額定轉速為 15 00 /d r minn ? 則傳動系統(tǒng)華北科技學院畢業(yè)設計 （論文） 第 27頁 共 45頁 的最大傳動比maxi 應該滿足：maxi dwnn? 1500 ?? 基于上述傳動比，我們可以確定傳動系統(tǒng)的傳動比si 應該滿足： mini maxsii?? （ 214） 傳動比里面蝸桿傳動的傳動比為：wi=580，選用 20 則減速器的出動比ri 為： maxmin rw d w dii ii i i i?? （ 215） 我們選用 12ri? 根據《小功率計算機》書上說明，選用 GBX40 行星減速器。 總阻力 F 49 0. 5 24 .5 .N? ? ? 根據實際情況，我們設計主動輪半徑 50r mm? ，總阻力矩為： M Fr? ?? = 2 4 5 0 .0 5 1 2 .2 5 Nm?? 已經設過機器人行進速度為 /mms ， 也就是 /m min ， 則主動輪轉速應該是 ： nw=2vr? = ?? = /r min 電機的額定轉速為 1500 /r min 系統(tǒng)傳動比為 ： 1500 4493 .3 4swni n? ? ? 電機提供的驅動力矩為： q sMM i?? = 1 2 .2 5 0 .5 64 4 9 0 .3 2 0 .1 5 Nm??? 9550nq TP ?? 0 . 5 6 1 5 0 0 0 . 0 1 8 1 89550 K W W? ?? 考慮機器人在管 道內行進出現的在和突變情況，取安全系數為 2 ，則電 機的功率為 36W ,電機選用 5614YS 型。 當姿態(tài)角分別為 60176。 動力系統(tǒng)的設計計算 管道機器人行駛阻力分析 在計算前，我們先設定我們所設計的機器人的行進速度是 。故在彈簧壓緊調節(jié)方武的力學特性如下： 圖 23 彈簧壓緊調節(jié)方式 選取其中的一個支承臂作為研究對象，其受力分析如圖所示，由前述滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式的分析可知，彈簧壓緊調節(jié)方式的力學平衡方程為： 管道機器人的設計與運動仿真 第 22頁 共 45頁 0sFf?????? （ 29） 式中， f — 彈 簧的壓緊力， N。 合并整合上兩式得： 華北科技學院畢業(yè)設計 （論文） 第 21頁 共 45頁 ? ?3 11 332 2 ta n ta nhh GiiP L PT F NL? ? ? ? ? ???? ??? （ 28） 此式即為滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式的力學特性。保證管道機器人以穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管華北科技學院畢業(yè)設計 （論文） 第 19頁 共 45頁 道內壁上，使機器人具有充足且穩(wěn)定的牽引力 。比較研究 了各種調節(jié)機構的優(yōu)缺點，針對本課題的工程實際需要，并根據前后支腿的特性要求，在前支腿（即從動輪支腿）選用彈簧壓緊調節(jié)方式，后支腿（即主動輪支腿 ）選用滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式。當機器人在行進過程中，其中的一個或多個管道機器人的設計與運動仿真 第 18頁 共 45頁 支腿遇到障礙物（包括突起和凹陷）時，利用支腿內部的調整彈簧來 改變支腿的長度使得支腿與管壁處于理想的接觸狀態(tài)，以滿足穩(wěn)定作業(yè)要求。 機器人變管徑自適應性方案設計 管 道由于制作誤差、使用 過程中局部結垢、局部壓力過大而產生變形以及內表面雜物的存在，管道 機器人在碰到變形部位及雜物時，由于阻力而使支撐臂收縮，同時在驅動力的作用下通過變形部位，當再次達到管道正常段時，支撐臂能夠在彈簧的作用下像傘一樣張開，使機器人重新恢復原來的平穩(wěn)狀態(tài)。 。故需要 動力變換裝置來實現動力的分流。驅動動力從電機經由減速器減速后，在滿足管徑自適應性的基礎上，如何更好地將動力傳遞到主動輪上 ，是選擇機器人傳動方式過程中重點考慮的問題。 機器人常用的驅動方式有：液壓驅動、氣動驅動、電動驅動三種基本方式。因此，在機器中傳動系統(tǒng)設計的好壞，對整部機器的性能、成本以及整體尺寸的影響都是很大的。履帶式著地面積大，對不平路面的適應性強，但是 體積大，不易實現轉彎，而且要保持履帶的張緊，結構復雜，如圖所示； 支腿 式對粗糙表面性能較好、帶載能力強，但其控制系統(tǒng)、機械結構均復雜、移動行走速度慢； 輪式 移動方式速度快，轉彎容易，對中性好，尤其是徑向輻射輪式結構，能夠保證機器人在運行過程中，其中心軸線與管道軸線保持一致，缺點是著地面積相對較小，維持附著牽引力較困難。為了提高作業(yè)的可靠性，設計中要求機器人應具有可靠的管道適應性和定心性。 移動方式選擇 管道清洗機器人要實現實際應用中的可靠性及實用性 ， 必須依據管道內作業(yè)特點來設計出穩(wěn)定運行，滿足清洗性能要求的機器人。根據力學相關理論對機器人靜穩(wěn)態(tài)受力與穩(wěn)定性進行研究，得出機器人可靠吸附與磁塊吸力間的定量關系；對機器人可靠吸附穩(wěn)定工作時勻速直線運動狀態(tài)的動態(tài)受力和驅動平衡進行分析，得出機器人運動過程中驅動系統(tǒng)所需滿足的條件，應用 ADAMS對理論對分析結果進行數值仿真計算等。根據機器人的結構特點，推導出過彎管的幾何約束尺寸，分析對變徑機構的影響；建立輪壁接觸點分析模型，并對驅動截面偏角與軸線偏移量做出詳盡分析；基于所建立的彎管內輪壁接觸點軌跡參數方程，通過分析彎管內驅動輪速比運動特點，提出采取簡化控制方法的可行性及實用價值；建立彎管內機器人產生螺旋自轉體運動的力學模型，并進一步確定出進入 彎管時的最佳初始姿態(tài)。 本論文“ 管道機器人設計與運動仿真 ”的目標是研究一種用于管道內壁清潔的管道機器人，