【正文】 溫，全國各科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)單位紛紛投入到中央空調(diào)風(fēng)管清洗設(shè)備的研制，并取得了很好的成果。然后再在此基礎(chǔ)上研制成功一種可用于矩形和圓形通風(fēng)管道的清掃、視頻檢測、噴涂消毒的多功能清洗機(jī)器人產(chǎn)品。它最大的本領(lǐng)就是能順暢自如地爬到中央空調(diào)的各個角落，甚至到各種形狀的通風(fēng)管道中清掃管道中的垃圾，并且通過視頻系統(tǒng)消除各個角落里的細(xì)菌、病毒，噴涂各種消毒液。拍攝資料便于保存、播放、攜帶（國外產(chǎn)品大多采用來錄像機(jī)儲存資料）。中國科學(xué)院蘭州分院科技合作處工作人員介紹，國內(nèi)自主研發(fā)的這種清潔機(jī)器人具有在管道內(nèi)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎等功能，；清潔系統(tǒng)主要是安裝在機(jī)器人上、可在管道外部控制的清潔動力刷；電纜長度超過30米，不易損害，能夠滿足基本需要。國內(nèi)在中央空調(diào)管道清潔設(shè)備方面的研究越來越多,并取得了一定的突破性成果。 市場需求預(yù)測據(jù)介紹我國有超過500 萬個各類中央空調(diào)需清洗保養(yǎng)，而且每年正在以10%的速度遞增，而這些中央空調(diào)大部分運(yùn)行了20 年以上卻從未清洗。 從國內(nèi)方面來說，國內(nèi)空調(diào)管道清洗行業(yè)市場還未形成，空調(diào)風(fēng)道清洗行業(yè)剛剛起步，國內(nèi)幾乎沒有清洗公司能夠具備一流的清洗服務(wù)隊伍，滿足各類客戶需求，而設(shè)備生產(chǎn)廠家除了國外發(fā)達(dá)國家的成熟產(chǎn)品外，國內(nèi)能夠適應(yīng)各類風(fēng)道特點并且技術(shù)成熟，實用性強(qiáng)的清洗機(jī)器人設(shè)備廠家更是鳳毛麟角。使得國外進(jìn)口的清洗設(shè)備對于國內(nèi)很多中央空調(diào)來說并不適用，很大一部分不能對我國中央空調(diào)風(fēng)道產(chǎn)生作用。開發(fā)適合我國中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人產(chǎn)品有很大的經(jīng)濟(jì)價值。由于機(jī)器人工作于空 間狹小的管道中，要求其移動載體具有很好的轉(zhuǎn)彎能力。因此，怎樣使中央空調(diào)管道清潔設(shè)備具有能攀爬垂直管道的能力并具有良好的轉(zhuǎn)彎能力是該產(chǎn)品設(shè)計的一個重點也是難點。張緊裝置與移動載體相配合，使得機(jī)器人具有垂直上爬能力，因此，張緊裝置的設(shè)計合理與否，直接關(guān)系到機(jī)器人的工作能力。在實際的空調(diào)通風(fēng)管道中，使用方管比圓管要多，原因是方管在制作時高度比寬度小，所占去的高度比圓管要少， 并且方管安裝方便，所以方管使用比例大。我們在研究管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)動力學(xué)時，在不失實際意義的情況下假定：1. 管道具有理想的幾何形狀，接頭和分叉都是理想的幾何過度。管道清潔機(jī)器人的清掃原理：(1) 使用機(jī)器人進(jìn)行風(fēng)管內(nèi)部檢查；(2) 采用氣囊封堵風(fēng)口；(3) 機(jī)器人清掃風(fēng)管內(nèi)壁；(4) 使用集塵凈化器吸收風(fēng)管內(nèi)的菌團(tuán)和雜質(zhì)； (5) 監(jiān)視器觀察風(fēng)管內(nèi)壁的清洗效果，并錄像備案；(6) 恢復(fù)風(fēng)口和工作區(qū)域。與其他移動機(jī)構(gòu)相比，車輪形移動機(jī)構(gòu)具有以下一些優(yōu)點：高速穩(wěn)定地移動、能量利用率高、機(jī)構(gòu)和控制簡單、能借鑒當(dāng)今已積累的汽車技術(shù)與經(jīng)驗等。按照車輪數(shù)目的不同，輪式載體可分為單輪至四輪及五輪以上等幾種。如果單考慮平面移動的話，三輪機(jī)構(gòu)已經(jīng)可以了，但從加強(qiáng)移動過程中的穩(wěn)定性角度來考慮，目前多數(shù)采用的是四輪機(jī)構(gòu)。因此，本設(shè)計采用四輪機(jī)構(gòu)的移動載體。它的轉(zhuǎn)向不是通過操舵機(jī)構(gòu)的動作，而是依靠左右兩輪的差速實現(xiàn)的，當(dāng)兩輪以相反速度方向轉(zhuǎn)動時，車體能饒自身中心自轉(zhuǎn)，以便在狹窄場合改變方向。它的缺點是當(dāng)遇到溝槽使得左右兩驅(qū)動輪被架空時，由于驅(qū)動輪不著地不能產(chǎn)生動力，這樣的話整個機(jī)器人便不能移動了。由于它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以僅用于智能汽車等的研究方面，而在機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)中不太采用。 ODV 的提出就是為了實現(xiàn)機(jī)器人任意方向的運(yùn)動而開發(fā)的，它的移動機(jī)構(gòu)具有原地改變方向或以一定姿態(tài)角度移動等多種功能。 由于本設(shè)計的空調(diào)管道清洗機(jī)器人要求在管道中行走，對其自身的空間尺寸和自重提出了嚴(yán)格的限制。綜合考慮上面的方案，結(jié)合本設(shè)計要求，本設(shè)計選用兩輪獨(dú)立驅(qū)動方式的移動載體。 傳動方案的設(shè)計由于齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長、效率高、傳動比準(zhǔn)確等優(yōu)點，因此在考慮具體的傳動方案時，應(yīng)該選用齒輪傳動。 在查閱了大量資料之后同時考慮到機(jī)器人的水平行走速度和垂直行走速度，經(jīng)過反復(fù)的計算，： 驅(qū)動輪傳動方案圖Z7與 Z 10為制造有半牙嵌離合器的齒輪。由于后萬向輪電機(jī)僅在特殊情況下工作，對其傳動要求并不很嚴(yán)格，再考慮到安裝的難易程度，該傳動選為蝸輪蝸桿傳動，其傳動比大、所采用的零件數(shù)目少、結(jié)構(gòu)緊湊，： 后萬向輪傳動方案 張緊機(jī)構(gòu)方案設(shè)計在設(shè)計張緊機(jī)構(gòu)的過程中，我首先從動力源開始考慮。 在電機(jī)作為動力源的前提下，傳動方案又有兩種：A） 絲杠螺母傳動 ： 絲桿螺母傳動輪子固定在螺母上，電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動，使得螺母連同輪子往上移動實現(xiàn)撐緊。B） 齒輪齒條傳動 ： 齒輪齒條傳動輪子固定在齒條上，通過電機(jī)帶動齒輪轉(zhuǎn)動，使得輪子連同齒條往上移動實現(xiàn)張緊。2) 氣動張緊 由壓縮空氣驅(qū)動氣缸提供動力，考慮理由是在所有的驅(qū)動方式中，氣壓驅(qū)動操作簡單、成本低、易于編程，并且氣動能很容易地保持輸出壓力不變。另外，氣缸活塞桿承受的力應(yīng)作用在桿軸線上，不允許有偏載，因此采用連桿機(jī)構(gòu)既可避免活塞桿偏載也能起到增力的作用。1） 電機(jī)的選擇A． 電機(jī)類型的選擇此電機(jī)用于驅(qū)動機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，要求對速度和位移形成反饋，為便于控制，本設(shè)計選用直流伺服電機(jī)。① 機(jī)器水平行走機(jī)器水平行走時分配到每個輪子上的載荷為： F= ： 驅(qū)動輪受力其中：設(shè)載體為5 kg，則FN=5+=Mf為滾動摩阻，Mf= N按照實心橡膠輪胎在優(yōu)質(zhì)路上時取=1mm，則：Mf= N=1=（Nm）f 為輪子與管道面之間的摩擦力，按照塑料與硬橡膠的摩擦取摩擦系數(shù)u=，則：==（N）則輪子行走過程中所受的阻力矩：工作機(jī)要求的功率 式中：由取則：電機(jī)所需的輸出的功率水平行走的動力傳遞路線：電機(jī)—齒輪Z1 —齒輪Z 2—齒輪Z 3—齒輪Z 4—齒輪Z5—齒輪Z6 —齒輪Z7 —齒輪Z8 —齒輪Z9 —齒輪Z10 —車輪。 機(jī)器垂直上爬的理論功率工作機(jī)要求的功率電機(jī)所需的功率：其中：垂直行走路線：電機(jī)—齒輪Z1 —齒輪Z 2—齒輪Z 3—齒輪Z 4—齒輪Z5—齒輪Z6 —齒輪Z7 —齒輪Z8 —齒輪Z9 —齒輪Z10 —車輪。m2重 量Kg110SN0024030003表212） 計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比 水平行走總傳動比 水平行走傳動比： 垂直行走總傳動比：因為垂直行走的傳動路線包括水平行走路線，所以可以先按水平行走計算，再加上兩級傳動成為垂直行走的傳動路線。因為=22，故有：=10，平均分配傳動比：===3） 計算傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù)A. 水平行走① 各軸轉(zhuǎn)速nⅠ=nW=3000r/min nⅡ= ② 各軸功率， B. 垂直行走① 各軸轉(zhuǎn)速 nⅠ=nW=3000r/min nⅡ= ② 各軸功率③ 各軸轉(zhuǎn)矩由以上計算可以看出,機(jī)器人垂直行走時各軸的功率均比水平行走各軸功率大,故計算各軸扭矩時應(yīng)以垂直行走時的功率計算.:I軸（電機(jī)軸）：II軸：III軸：IV軸：V軸：VI軸：4) 傳動齒輪尺寸計算在該傳動系統(tǒng)中雖然齒輪的位置、功能有所不同，并且材料也有所不同，但都是直齒圓柱齒輪傳動，都采用的硬齒面，因此這些齒輪的計算方式是相同的。A. 選擇齒輪材料、精度等級、齒輪齒數(shù)考慮到齒輪傳遞的功率和扭矩不大，并且機(jī)器人的設(shè)計要求機(jī)器人各部件在滿足使用要求的前提下質(zhì)量要輕，齒輪結(jié)構(gòu)緊湊，所以考慮本級齒輪材料采用工程塑料。機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)傳動齒輪對載荷分布均勻性要求高，故選擇齒輪精度為887。Z 1 =20=56B. 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計 對閉式硬面齒輪傳動，承載能力一般取決于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，故按彎曲強(qiáng)度設(shè)計，再校核其接觸強(qiáng)度是否滿足。按載荷有輕微沖擊，查得KA=,初選載荷系數(shù)Kf=T1=TI= 按不允許出現(xiàn)點蝕，查得：， ；查出：； 查表選出 則有： 將確定出的各項數(shù)值帶入接觸強(qiáng)度校核公式，得： 因此齒輪的接觸強(qiáng)度滿足要求。這時分配到每個輪子上的載荷為： 滾動摩阻Mf和摩擦力f的計算與前同。應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 查表得： 因此有： B．選擇,傳動比i=25，取=2,則=i=225=50 齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計公式為： 查表得。初選=本設(shè)計不采用變位，取a=30mm不變?；瑒铀俣?，所選渦輪材料ZcuAl10Fe3Mn2合適。E． 驗算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗算公式：蝸輪當(dāng)量齒數(shù)，查得齒形系數(shù) 則可求得：，帶入上市中可得： 彎曲強(qiáng)度滿足要求F． 蝸桿、渦輪幾何尺寸計算蝸桿齒根圓直徑： 蝸桿齒寬： 取蝸輪喉圓直徑： 蝸輪齒根圓直徑：蝸輪咽喉母圓半徑：4） 超越離合器的選擇蝸輪與車輪軸之間應(yīng)該安裝一超越離合器，機(jī)器人正常時，超越離合器處于超越狀態(tài)，當(dāng)遇到左右兩個驅(qū)動輪被架空時超越離合器處于嚙合狀態(tài)，此時電機(jī)動力通過蝸桿蝸輪和超越離合器傳遞到車輪軸上，驅(qū)動車輪前進(jìn)。通過查閱相關(guān)信息，選擇洛陽高新超越機(jī)械有限公司的HFL沖壓外圈滾針超越離合器，這種離合器是一種具有最小徑向截面的外星輪式超越離合器。我選擇的產(chǎn)品型號為HF1416，極限轉(zhuǎn)速為9500r/min。由力的平衡有等式：式中： F為氣缸的張緊力 所以代入可得： 故有：代入數(shù)值可得： 所以：F=2940(N)由于在汽缸的使用中采用了2倍增力機(jī)構(gòu)，因此汽缸的實際推力為： 有公式: 可得： 式中：為氣缸的靜推力； D為氣缸活塞的直徑； P為氣壓； 為載荷率。其使用壓力范圍為（）MPa，使用溫度范圍為（2580）℃。這里，我們選擇了無錫市華通氣動制造有限公司生產(chǎn)的389系列三聯(lián)件，其輸出壓力為1MPa。1） 初估軸頸 一般按照許用扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力的方法估算軸徑，估算公式為： 主軸采用40Cr，C取98—107，這里取100則對輸出軸：2） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 在最小軸徑的基礎(chǔ)上，根據(jù)軸上零件的位置﹑類型﹑尺寸，以及定位﹑定位方式和載荷情況，我們就可以設(shè)計階梯軸的軸向尺寸和形狀，對于要與例如軸承等標(biāo)準(zhǔn)零件配合的部分，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的軸徑，其他部分的軸徑和軸肩尺寸，只要略高于前端軸徑即可。經(jīng)過具體的設(shè)計，： 行走機(jī)構(gòu)輸出軸3） 軸的校核由于機(jī)器人水平行走和垂直行走要求不同的傳力路線，這里以垂直行走的傳力路線校核軸的強(qiáng)度。另外，是通過兩端的深溝球軸承作用在軸上的，而由于離軸端很近，可認(rèn)為其直接作用在軸端，經(jīng)過以上分析， 受力簡化圖圖中： 把其中受力分解為水平和垂直兩個方向：： 水平受力求得支反力：, 剪力圖彎矩圖： 垂直方向受力圖求得支反力：， ： 垂直方向剪力圖 彎矩圖從彎矩圖上可以看出，軸的危險截面為Ⅰ﹑Ⅱ﹑Ⅲ﹑Ⅳ截面，求得各截面的合成彎矩如下： 按彎矩合成校核軸的強(qiáng)度：對Ⅰ﹑Ⅱ截面，由于其半徑相同，只需校核I截面即可： 對截面Ⅲ: ,由于截面Ⅲ帶有鍵槽，查得此時的抗彎截面系數(shù)，代入數(shù)值得： 所以對截面Ⅳ，其只受彎矩的作用，故有： 輸出軸材料采用40Cr，其許用彎曲應(yīng)力，由此可見，該軸的幾個危險截面滿足強(qiáng)度要求。(1) 計算軸承所受的徑向載荷R1和R2由前面軸的校核計算已知：水平支反力, 垂直支反力， 求得合成支反力： (2) 計算軸承的軸向載荷A1和A2由于成對安裝兩個同一型號的角接觸處可按雙列軸承的數(shù)值，查得內(nèi)徑為17mm的雙列角接觸球軸承的C=14KN,Co=。 軸承2 , (選公稱接觸角a=5176。因此機(jī)器人要能安全通過彎道，必須充分考慮管道的通過性。設(shè)管道寬度一端為a，另一端b，機(jī)器人長l，如圖所示正通過矩形管直角彎道。在BC連線從x軸運(yùn)動到Y(jié)軸的過程中，A點到BC線段最短距離就是該彎角所能允許的最大機(jī)器入寬度，由此可判定機(jī)線段最短距離就是該彎角所能允許的最大機(jī)器入寬度，由此可判定機(jī)器人的寬度能否通過該彎道。對于該問題曾嘗試過解析解，但結(jié)果相當(dāng)復(fù)雜。在管道中常見的相交兩管等寬的情況屬于該問題的一個特例，即A點坐標(biāo)為(a，a)，該情況下求出dmin時，θ=45176。可得a=,可取490mm 所以機(jī)器人能通過的直角彎管最小管道寬度為490mm 管道機(jī)器人在矩形管水平圓弧形彎頭的通過性分析，圓管半徑 R，寬a。該情況下，可通過幾何關(guān)系得出所允許的機(jī)體寬最大值mmax。由=R+,=,有 化簡得 通過以上分析計算，就可以根