管內(nèi)步伐式行走機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)(參考版)
2025-06-08 10:51本頁面
【正文】 ④ 應(yīng)用 PLC 作為控制核心，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制。機(jī)器人本體部分按功能劃分的模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，將本體結(jié)構(gòu)分為支撐結(jié)構(gòu)和傳動結(jié)構(gòu)兩大模塊，對獨(dú)立的模塊可進(jìn)行相應(yīng)的變形設(shè)計(jì)。 ② 系統(tǒng)的研究了管內(nèi)機(jī)器人的運(yùn)動原理、驅(qū)動方式以及結(jié)構(gòu)形式，詳細(xì)的討論了管內(nèi)機(jī)器人本體研制的相關(guān)技術(shù)問題。對移動方式及受力分析等進(jìn)行了分析，對系統(tǒng)技術(shù)單元的穩(wěn)定性、可靠性進(jìn)行了分析。 圖 本章主要介紹了機(jī)器人的控制系統(tǒng)，對控制系統(tǒng)提出了設(shè)計(jì)要求及 PLC 電機(jī)控制單元分析。 CPU 模塊 K3P07BS 電源模塊 G6MPAFA 輸入模塊 1 G6ID222A 畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 輸入模塊 2 G6QRY2A 輸出模塊 1 G6QRY2A 輸出模塊 2 G6QRY2A 位置模塊 1 G6FPP30 位置模塊 2 G6FPP30 圖 PLC 控制單元組成框圖（ The structure of PLC control system） PLC 控制單元工作流程及程序框圖 PLC 控制單元的工作流程是：首先通過 PLC 控制頭部的夾緊電機(jī)工作，使頭部鎖止在管壁中，傳動電機(jī)是絲桿帶動尾部前進(jìn)，達(dá)到指定位置時，尾部夾管內(nèi)步伐行走機(jī)器人設(shè)計(jì) 24 緊電機(jī)工作，使其鎖止在管壁中，頭部夾緊電機(jī)逆向轉(zhuǎn)動使頭部放松，使頭部向前移動。其組成框圖如 所示。上位機(jī)為高性能的 PC 機(jī)，下位機(jī) PLC 通過位置模塊控制各個步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動，通過開關(guān)量輸入 /輸出模塊接受和輸出各類開關(guān)量；上下位機(jī)之間的通過串行通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)系。 管內(nèi)步伐行走機(jī)器人設(shè)計(jì) 22 圖 結(jié)構(gòu)框圖 本系統(tǒng)選用采用 PLC 對電 機(jī)進(jìn)行控制，主要是因?yàn)樗邢铝袃?yōu)點(diǎn)： ① PLC 的軟硬件功能非常強(qiáng)大，其內(nèi)部具有很多功能； ② 使用維護(hù)方便， PLC 不需要像用計(jì)算機(jī)控制那樣在輸入輸出接口上做大量工作，它的輸入輸出接口是已經(jīng)按不同需求做好的，可以直接與控制現(xiàn)場的設(shè)備相連接的接口； ③ 運(yùn)行穩(wěn)定可靠，同時采用了微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動作由無觸電點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成，同時還才用了屏蔽、濾波、隔離等抗干擾措施，所以其平均為故障時間在兩萬小時以上；④ 設(shè)計(jì)施工周期短， PLC 采用面向控制過程和面向問題的梯形語言編程方法，既繼承了傳統(tǒng)控制路線清晰直觀的優(yōu)點(diǎn)，又考慮了大多數(shù)電氣控制技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣及應(yīng)用微機(jī)水平，很容易被電氣技術(shù)人員接受。模塊式 PLC 包括CPU 模塊、 I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定的規(guī)則組合配置。 的組成結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 從機(jī)構(gòu)上分， PLC 分為固定式和模塊式兩種。步伐行走機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)是滾珠絲桿副，絲桿與前部相連，螺母與后部相連，用一個步進(jìn)電機(jī)通過齒輪副來驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)，靠軸向力使機(jī)器人不斷的進(jìn)行運(yùn)動。因此需要控制 2個步進(jìn)電機(jī)。 具體的控制對象 ① 機(jī)器人支撐機(jī)構(gòu)的控制。 5 管內(nèi)步伐行走機(jī)器人控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的要求 ① 控制系統(tǒng)應(yīng)有快速響應(yīng)性。 管內(nèi)步伐行走機(jī)器人設(shè)計(jì) 20 圖 防滑機(jī)構(gòu)受力分析 有防滑機(jī)構(gòu)情況下支撐電機(jī) 計(jì)算 按支承電機(jī)維持機(jī)器人在管道中心的要求 其中 : Q—— 機(jī)器人的半重量 P1—— 平面螺紋的節(jié)距 —— 傳動效率 機(jī)器人的半重量 Q= 21kg ,將機(jī)器人參數(shù)代入 上式 得 T1＞ 本機(jī)選用的支撐電機(jī)扭矩為 6kgcm. 本章小結(jié) 本章主要對機(jī)器人的力學(xué)設(shè)計(jì)做了分析，對壓緊力，牽引力等做了分析，畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 按照模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于后續(xù)工作。 圖 防滑機(jī)構(gòu)受力分析 ， 防滑機(jī)構(gòu)受力分析 圖如下圖： 當(dāng)機(jī)器人受力 F 時支撐腳上的擺桿 OA 和 O′A′有分別繞 O 和 O′向右轉(zhuǎn)動傾向 ， A 點(diǎn)和 A′ 點(diǎn)受 管壁限制， 管壁產(chǎn)生了反作用力 Q, 銷軸產(chǎn)生反作用 力 Q′ , Q 和 Q′ 的作用線在擺桿與管壁的接觸點(diǎn) A、 銷軸磨擦圓的相切線上。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 撐腳防滑機(jī)構(gòu)的工作原理 撐腳防滑機(jī)構(gòu)如圖 3 所示 .其中長銷 (2)靠過盈配合固連在膠靴 (3)上，當(dāng)滑桿(1)與膠靴 (3)相對移動時，長銷 (2)在滑桿 (1)的長槽中滑動，在膠靴踩上管壁前，由于彈簧 (6)的作用使滑桿 (1)相對于膠靴上移，固聯(lián)在滑桿 (1)上的短銷 (5)迫使兩擺桿 (4)的夾角增大，使兩擺桿 (4)的端部縮回到膠靴底面以上。 管內(nèi)步伐式機(jī)器人的防滑機(jī)構(gòu) 及 力學(xué)分析 如前分析由加大腳底對管壁的正壓力 ,使腳底與管壁間存在足夠的摩擦力 ,以保證機(jī)器人 行走時不打滑的條件為： 撐腳電機(jī)的扭矩大于牽引電機(jī)扭矩 倍 。 將機(jī)器人參數(shù) T1=6kgcm,n1=159,p1=1cm， = 代入方程 得 F1= 管內(nèi)步伐式器人的牽引力 根據(jù)虛位移原理牽引電機(jī) 1 的有效虛功與牽引虛功相等： 其中， T2—— 電機(jī) 1 的扭矩； —— 電機(jī) 1 的微小轉(zhuǎn)角； —— 電機(jī) 1 微小轉(zhuǎn)角對應(yīng)的螺母 3 相對于螺桿的移動量； —— 傳動效率； L1—— 擺桿 4 上臂長度； L2—— 擺桿 4 下臂長度 管內(nèi)步伐行走機(jī)器人設(shè)計(jì) 18 F2—— 牽引力 由于： 將機(jī)器人參數(shù) T2=9kgcm,L1=75mm,P2=3mm, = 代入方程 得： F2=209kgf 無防滑機(jī)構(gòu)條件下管壁壓力與
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