管道清洁机器人毕业论文.docx

.目录1 绪 论11.1本课题研究背景和研究意义11.2国内外发展状况21.3本设计的主要内容82 管道机器人总体设计92.1管道机器人的总体结构设计92.1.1移动方式选择92.1.2传动方案的选择92.2机器人变管径自适应性方案设计112.3动力系统的设计计算152.3.1管道机器人行驶阻力分析152.3.2减速器的选择182.4机器人的速度和驱动能力校核192.4.1运动速度校核192.4.2驱动能力校核193 链传动的设计计算203.1链轮设计的初始条件203.2链轮计算结果213.3历史结果214 蜗轮蜗杆的设计计算234.1 蜗轮蜗杆基本参数设计234.1.1普通蜗杆设计输入参数234.1.2材料及热处理244.1.3蜗杆蜗轮基本参数244.1.4蜗轮精度254.1.5强度刚度校核结果和参数264.1.6自然通风散热计算264.2蜗杆轴的结构设计274.2.1轴的强度较核计算274.2.2轴的结构设计314.2.3键的校核325 过弯道能力和其他部件设计335.1 弹簧的设计335.2过弯道能力的设计345.2.1工作原理345.2.2过弯道能力的几何量设计346 管道机器人建模与仿真分析387 总结和展望41参考文献43致 谢451 绪 论1.1本课题研究背景和研究意义 用于石油、天然气乃至民用上下水等管道在传输液、气体过程中，因温度、压力不同及介质与管道之间的物理化学作用，常常会高温结焦，生成油垢、水垢，存留沉积物，腐蚀物等，使有效传输管径减少，效率下降，物耗、能耗增加，工艺流程中断，设备失效，发生安全事故。尽管通过添加化学剂，采用合理的工艺流程，进行水质处理措施可以在一定程度上改善这些情况，但要完全避免污垢的产生是不可能的。我国的管道清洗行业长期以来80%采用的是化学方法以及手工清洗和机械清洗方法，成本高、效率低、污染环境等，远远不能满足现代社会日益增长的要求。探索和开发高效的清洗方法成为工业生产和人民生活的不可或缺的环节。利用行星磨头清洗是一种新的清洗方法。与化学清洗及手工、机械清洗相比，具有清洗质量好、效率高、适应性强、成本低等一系列优点，可达到返旧还新的效果。作为一种清洁、高效、对环境无污染的清洗技术，具有可观的经济和社会效益。随着经济的发展、人们生活水平的提高，人们对于食品卫生、健康的要求越来越高，环保意识越来越强，如何实现油烟管道高效率的清洗成了相关从业人员关注的问题。本课题的研究目的是设计一种应用于清洗油烟管道的机器人，解决单独靠人力很难完成，甚至不可能完成的油烟管道清洗任务。本课题的研究主要有以下意义:1、可提高机器人的清洗效率。现有油烟管道机器人由于机械执行机构只有一个自由度，清洗管道壁时，要通过不断调整机器人的位姿来实现，使操作变得复杂，清洗效率较低。2、可完成竖直油烟管道的清洗。宾馆饭店常常位于高层建筑物中，竖直烟道的清洗是管道清洗的重要任务。针对现有机器人不能用于竖直管道清洗的缺点，我们设计了链式履带行走、永磁吸附的机械行走机构，用于完成油烟管道的清洗爬壁任务。3、可改善当前清洗油烟管道工人的工作环境、降低工人的劳动强度、节约清洗成本、消除油烟管道清洗的卫生死角、提高管道使用寿命、提高油烟管道的清洗效率、减少火灾以及可避免化学清洗导致的污染和纯机械清洗对管道造成的损伤等。4、应用于其它领域。通过更换机械执行机构、作业工具等可实现空调管道的清扫、船体表面的清洗、检测、喷漆等任务。现代工农业及日常生活中使用着大量管道，石油、天然气、化工等领域也应用了大量管道，这些管道大多埋于地下或海底，输送距离近千里，它们的泄漏会造成严重的环境污染，甚至引起火灾，多数管道安装环境人们不能直接到达或人们无法直接介入，另外，在一些工厂里有大量的通风管道，在某些餐厅或饭店里装有大量的油烟管道，这些管道或者架设在空中，或者管道内径很小，在做质量检测、故障诊断、清洗时比较困难。这促使了管道机器人的诞生。管道机器人的迅速发展时期始于上个世纪80年代，它是一种可沿管道内部或外部自动行走，具有一种或多种传感器的操作机械(如机械手、喷枪、焊枪、刷子)，其研究范畴属于特种机器人中的移动机器人范畴，能够完成在管道这个特定的极限环境中作业，通常能携带各种探测仪器和作业装置，在操作人员的遥控或者计算机的自动控制下完成管道的检测和维修、清扫等作业。检测作业项目包括防腐状况检测、对接管道焊缝质量、管道内腐蚀程度、防腐层厚度、管壁缺陷等检测;维修项目包括清扫、补口、焊接等。1.2国内外发展状况 目前在管道清洗过程中，清洗设备绝大部分是采用无动力缆绳拖拉行走方式来进行清洗，无法根据管道的内部情况进行清洗参数的动态调整，管径的适应能力较差。为了解决这个问题，着眼于管道行走清洗机器人的研究开发，而在国内这方面研究尚少。为了较好地解决管道的清洗难题，开发和研制管道清洗机器人势在必行。本人设计管道清洗机器人是把行星磨头清洗技术与机器人技术结合起来，进行综合设计开发，因此它的深入研究也将推动管道清洗技术的发展。随着管道机器人技术的发展，其应用越来越广泛。目前，日、美、英、德、法等发达国家在管道机器人技术方面做了大量工作，尤其是日本，在管道机器人的研究及开发中取得了领先的地位。法国的J. Vertut是较早从事管道机器人理论和样机研制的人，他于1978年研制了一种轮腿式管内机器人行走机构，成功地实现了机器人在管内的自主行走。该机构由2个行走轮及4个支腿组成，支腿由电机驱动，以适应不同管径的变化。美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出了世界上第一台工业机器人。在清洗机器人方面，美国的Stoneage公司进行了相关的研究。如图1-1，其研制的管道射流清洗机器人采用履带驱动方式，但管径适应能力较差，射流对中性差，清洗效果不理想。尽管常规管道机器人有的己经实用化了，但还存在着很多问题。例如，能源供给、可靠性等问题。2002年由美国佛罗里达大学电子及计算机工程学院智能机械设计实验室研制的OPCR-OH S管道清理机器人，如图1-2所示。图1-1 stoneage公司管道清洗机器人 图1-2 OHS管道机器人OPCR由三个部分组成:头部、驱动部分、稳定性控制部分。头部安装有传感器可以检测到需要清理的障碍、发现管道终端，从而能够及时停止机器人的运动。驱动部分主要有两个功用是适当的驱动运动；二是可以根据障碍物的尺寸来调节轮的角度，通过螺旋运动来清理障碍物。OPCR共有三个驱动轮，每个轮均有两个微型电机控制，其中一个电机作为驱动，另一个电机改变轮的角度，这样在转弯的情况下机器人可以实现快速转弯。当驱动部分难以控制OPCR稳定的处在管道轴线中心线时，稳定性控制部分这时就会起作用了。它是由四个在管道内部的延长支架组成。图1-3美国RIGID(里奇)管道疏通机 图1-4 EverstVit公司管道检测机器人美国RIGID(里奇)管道疏通机如图1-3所示，其基本原理是利用机械装置带动软轴(弹簧软管)旋转深入管道进行管道疏通。软轴大多为分段结构，两端有接头可将多根软轴接在一起使用，从而可疏通较长距离的管道。用于排水管道疏通的疏通机一般作业直径范围100mm250mm之间，最大疏通距离一般为50m。根据疏通管道的直径配备不同的钻具(刀头)进行管道疏通。软轴采用65Mn特质弹簧钢丝为原材料经特殊工艺加下而成，坚固而有韧性，可以顺利通过180弯道或连续180返水弯管。图1-4所示EverstVit公司的管道检测机器人系列，采用轮式移动机构，这种移动机构在管道街头部分或者管道里污垢沉积较多时就不能行走自如。俄罗斯“塔里斯”公司的“月球车”，如图1-5所示，即机器人维修车。该车的9个电驱动装置能把整个机器联接起来，推出并转动工作部件、翻转摄像机用于观察修理过程，还能“指使”刷子去清洗应洗的部位。除此以外，为了使机器人能从竖孔中钻进横向管道，机器人自身可折弯，因而可在直径190mm600mm的管道中工作。机器人的机身是一整块不锈钢加工出来的，只有这样才能达到轮子所必需的孔的同轴度和可靠的密封性要求。机器人安装的轮子以0.3 m/s的速度向前行驶，有大功率灯泡照明，摄像机通过向不同的方向旋转可以判断故障点。在发现故障点后机器人用一整套工具(铣刀、钻头、切割和清理工具)完成各道工序。机器人由操作师控制，操作师的指令将传给机器人内安装的微处理系统。德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。2000年德国研制成功世界第一个链式污水管道检查机器人MAKRO管道机器人，如图1-6所示。它采用分段蠕虫状外形设计，使其具备了前所未有的灵活性，可以实现对排水管道的初步清理及检测。适用于大直径、淤积不严重、管路复杂的排水管道。MAKRO的缺点是密封性不好，不宜在过分潮湿的环境中长时间工作。 图1-5 月球车（适应管径范围300-900mm） 图1-6 MAKRO管道机器人二十世纪80年代，计算机、传感器、现代控制理论和技术的发展为管内机器人的应用与研究提供了有力的技术支持，国外相继开发、研制了多种类型的管内检测移动机器人。日木吸取法、美等国的研究成果和应用现代技术，开发了多种形式的管道机器人。例如，日木关西电力株式会社开发出了适用于288mm388mm管径、管长1000m的海水管道检查用履带式机器人，该机器人通过沿径向分布的履带在水平管和垂直管内自主行走，移动速度为5m/min。日本大阪燃气株式会社研制的内置磁铁轮式煤气管道检测机器人可沿直管和弯管行走，适于管径150mm600mm，行走速度5m/min，采用光缆通讯，但由于携带的蓄电池电能的限制，还不能实现较远的行走。日本推出的“三藏法师”用于清洗、检测空调通风管道的超小型机器人，如图1-7所示，是被世界认可的风管清扫系统(具有美国、日本、欧洲多国专利)，其特长为:1、使用新开发的多功能超小型机器人，可有效的对各式各样的风管进行污染诊断和清扫。2、不管风管是何种形状，即使是过滤器也无法除去的微细粉尘和细菌也可彻底清除，有效的防止空气污染。3、风管内的污染诊断由机载摄像头进行记录，装备有在无电源场所也能自由行走的机能。图1-7中央空调风管清扫机器人目前，日本、美国等发达国家在管道机器人技术方面做了大量工作，尤其是日本在管道机器人的研究及开发领域中取得了领先的地位。日本和美国都是机器人发展较成熟的国家，对空调管道机器人的研究也较成熟，上面介绍的日本管道机器人，体积小，能清洗任何形状的空调通风管道，不但可以做清扫任务，还可做检测任务。美国的管道机器人也已经开发出一系列的管道机器人。其他国家也研究了用于排水管道清理的机器人，但都有各自的优缺点，目前，这些机器人仍不能用于清洗油烟管道的顽固油垢。我国对管道机器人的研究始于上个世纪八十年代末期，哈尔滨工业大学、上海交通大学、广州工业大学、东华大学、上海大学等高校和科研院所都做了这方面的工作，在理论上和应用上取得了很多进步。近几年来，用于空调管道清洗和检测的管道机器人如雨后春笋般的出现的市场在上，己初见规模。目前国内研究的管道机器人主要应用在以下4个方面:1、空调通风管道清洗机器人中科院兰州分院研发的清洁机器人样机是据400mm400mm和500mm500mm空调通风管道设计的，具有在管道中行走、对管道内污染情况进行观察和对污染物进行清洁的功能。国内自主研发的这种清洁机器人具有在管道内前进、后退和转弯等功能。行走速度在每分钟0.5m1m之间，清洁系统主要是安装在机器人上、可在管道外部控制的清洁动力刷，电缆长度超过30m，不易损坏，能够满足基本需要。但该机器人体积较大，对于常见的250mm风管，机器人尺寸限制了其应用，而且行走速度过慢。清华大学研制的通风管清扫机器人MDCR-I尺一寸为520mm290mm270mm是一种可在通风管内行走的移动机器人。自动升降的手臂装上刷头可以清扫不同规格的矩形、圆形通风管；装上喷枪可以对通风管进行消毒。同样，由于其功能中自动控制能力较强具有自动纠偏自主导航的功能，其尺寸相应较大是其应用范围的限制因素。其功能包括检测、清洗和消毒，如图1-8所示。东华大学研制的“自主变位四履带足机器人，如图1-9所示。它将履带与机体之间的固定摆臂变为可横向摆动的摆臂，改变左右摆臂的夹角以适应不同的圆管管径。这种管道机器人移动载体既适用于大口径管道，也适用于小口径管道，能跨越管内的阶梯管、锥形管接口、变截面形状管接口，可适用于矩形管和圆管，能轻松实 图1-8 MDCR-I 图1-9自主变位四履带足机器人现直角矩形管转向和圆弧弯道行走，可胜任各种环境复杂的管道。因此清洗机器人在清洗过程中无须频繁改变入口位置，故能大大提高管道清洗机器人的作业效率。机器人采用多电机驱动技术，结构简单、可靠性好。该机器人的优点在于对不同管径、管形的风管适应性很强。2、下水道自动清淤机器人清华大学研制的下水自动清淤机器人适合400mm的管道。载体采用了轮式行走机构、四轮驱动方式、以三相异步电机做原动机。该机器人在清淤时有打滑现象。哈尔滨工程大学的城市排水管道穿缆检测机器人，采用了履带式行走机构，用于城市排水管道的疏通、检测，可检测直径大于500mm的排水管道。驱动系统为直流伺服电机驱动。移动机构为差动式双宽履带，密封式水下结构；移动速度为510m/min；负重能力大于10kg，如图1-10所示。图1-10城市排水管道穿缆检测机器人 图1-11 PV-2300自走式管道检测机器人3、管道检测机器人用于管道检测的机器人的产品也比较多，北京航天村技术研究所推出的几款管道检测机器人，其中一款PV-2300彩色TV自走式管道检测机器人，如图1-11所示。其主要技术指标如下:采用长距离行走的自走车，一般能行走500m；采用小口径用自走车，能应用于管径为200mm管道：自走车采用左右独立全轮驱动，能在行走时进行倾斜补正；搭载的照相头有4倍聚集缩放功能；电缆细、重量轻和张力大。4、油烟管道机器人图1-12烟道机器人如图1-12所示，是一款由武汉亚伯机电有限公司生产的烟道机器人，该机器人自身尺寸280mm260mm270mm，重量18kg，爬坡30，采用高压射流清洗，电源220v，功率60w。该机器人无法完成竖直油烟管道的清洗，且重量较重。由于喷杆只有一个上下摆动的自由度，因此，在清洗过程中，机器人要频繁的调整其与管壁的位姿来保证清洗效果，从而降低了清洗效率。1.3本设计的主要内容目前管道机器人的驱动方式有自驱动（自带动力源）、利用流体推力、通过弹性杆外加推力三种方式。采用双步进电机驱动，通过谐波减速器将动力传递给行走装置。尽管自驱动管内机器人行走可以采用的轮式、脚式爬行式、蠕动式，履带式等多种形式，但本文则是对轮式管道机器人的研究，可以设计机构在一定的管径变化范围内，具有常封闭特性，增加了载体的稳定性和可靠性，机构具有自适应调节的功能。本论文“管道机器人设计与运动仿真”的目标是研究一种用于管道内壁清洁的管道机器人，该机器人是用于作为携带作业工具进行管道清洗的移动载体和清洗管道的机械执行机构，要求其完成管道内壁的清洗和检测任务。本文的主要研究内容是:1、管道机器人的总体设计。根据机器人的作业环境特点确定管道机器人的总体结构，并对机器人的行走机构进行合理设计，要求其可靠、高效率完成水平和竖直油烟管道的清洗任务。2、弯管独立轮式驱动转向特性。根据机器人的结构特点，推导出过弯管的几何约束尺寸，分析对变径机构的影响；建立轮壁接触点分析模型，并对驱动截面偏角与轴线偏移量做出详尽分析；基于所建立的弯管内轮壁接触点轨迹参数方程，通过分析弯管内驱动轮速比运动特点，提出采取简化控制方法的可行性及实用价值；建立弯管内机器人产生螺旋自转体运动的力学模型，并进一步确定出进入弯管时的最佳初始姿态。3、机器人移动机构驱动特性的研究。建立评价几何变径特性的数学模型，并给出移动机构力学特性、变径特性及越障能力的详尽分析；运用ADAMS仿真软件，基于虚拟样机模型，对变径动态力学特性与牵引力进行详细分析，为模拟样机设计与制造提供理论依据。4、对管道机器人静力学和运动特性进行研究。根据力学相关理论对机器人静稳态受力与稳定性进行研究，得出机器人可靠吸附与磁块吸力间的定量关系；对机器人可靠吸附稳定工作时匀速直线运动状态的动态受力和驱动平衡进行分析，得出机器人运动过程中驱动系统所需满足的条件，应用ADAMS对理论对分析结果进行数值仿真计算等。2 管道机器人总体设计2.1管道机器人的总体结构设计 管道清洗机器人应用于管道直径90mm125mm的管道中工作，作业环境要求整个结构的尺寸应尽可能的小并且具备一定的牵引力，整个设计从选取移动方式入手。2.1.1移动方式选择 管道清洗机器人要实现实际应用中的可靠性及实用性，必须依据管道内作业特点来设计出稳定运行，满足清洗性能要求的机器人。在进行清洗时候，要求系统必须保证喷头具备一定的对中性能，能适应不同的管径变化，对于在行进过程中，管内可能出现凸凹不平情况，机器人还应具备一定的越障能力。如果机器人在运动过程中产生旋转或由于重心偏移而使得机器人的轴线与管道的中心线产生偏转角，载体可能卡在管道内而无法取出，严重时不得不破坏管道取出机器人。对于大口径的管道机器人，由于其自重较大，如果支撑臂不具备自动定心性能，必定产生偏转角，其结果使机器人运动阻力增大，出现“卡死”现象。为了提高作业的可靠性，设计中要求机器人应具有可靠的管道适应性和定心性。在现有的管道机器人设计中，移动型本体结构，主要有履带式、支腿式、轮式结构以及蛇行、蠕动、变形运动等几种形式。如壁面爬行、水下推动等机构。蛇行、蠕动、变形运动乡适合于光滑的管壁、地面或水下。履带式着地面积大，对不平路面的适应性强，但是体积大，不易实现转弯，而且要保持履带的张紧，结构复杂，如图所示；支腿式对粗糙表面性能较好、带载能力强，但其控制系统、机械结构均复杂、移动行走速度慢；轮式移动方式速度快，转弯容易，对中性好，尤其是径向辐射轮式结构，能够保证机器人在运行过程中，其中心轴线与管道轴线保持一致，缺点是着地面积相对较小，维持附着牵引力较困难。2.1.2传动方案的选择机器通常是由原电机、和工作机三部分所组成。传动系统是将原动机的运动和动力进行传递与分配的作用，可见，传动系统是机器的重要组成部分。传动系统的质量与成本在整台机器中占有很大比重。因此，在机器中传动系统设计的好坏，对整部机器的性能、成本以及整体尺寸的影响都是很大的。所以合理地设计传动系统是机械设计工作地重要组成部分。合理的传动方案首先应满足工作机的性能要求，其次是满足工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、使用维护方便、工艺性和经济性好等要求。很显然，要同时满足这些要求肯定比较困难的，因此，要通过分析和比较多种传动方案，选择其中最能满足众多要求的合理传动方案，作为最终确定的传动方案。机器人常用的驱动方式有：液压驱动、气动驱动、电动驱动三种基本方式。电动驱动主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。液压与气动方式对环境要求较高，实现起来较复杂，而电机驱动结构简单，较易实现密封与调速控制。故在本设计中选用步进电机作为机器人本体的驱动动力；减速器选用行星齿轮减速器。驱动动力从电机经由减速器减速后，在满足管径自适应性的基础上，如何更好地将动力传递到主动轮上，是选择机器人传动方式过程中重点考虑的问题。结合管道机器人的结构布局方式的特点，在本设计中主要通过一套动力变换装置和同步链传动机构来实现。1、动力变换装置的设计图2-1车轮端面图在如图2-1所示的轮式移动结构中，当预紧弹簧施加基本的预紧力后，刚好使得位于最上侧的轮处于与管壁相接触的临界状态，也就是说上轮与管壁间的接触压力刚好为零，所以机器人整体的驱动力绝大部分来自轮1和轮3，而且机器人本体的重心位置位于管道的轴线下方40mm左右（如图2-1所示），增强了机器人的稳定性。下面两轮所在支腿中心线与减速器输出轴线垂直，且两支腿中心线的夹角为120，故需要动力变换装置来实现动力的分流。蜗杆传动是空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错的夹角可为任意值，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的齿数又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。在设计中蜗杆与两蜗轮之间的轴线夹角为90，两蜗轮轴线之间的夹角为120。如图2-1所示。2、同步链传动设计由于设计的机器人具备在一定的管径变化范围内行走的能力，在管径发生变化的时候，主动轮与管道中心的距离也相应发生改变，在现有的相关管道机器人传动方案中，更多的是采用全齿轮传动方式，即动力经变换后，通过增加惰轮的方式，将动力传递到主动轮，虽然该方案的传动效率较高，但是结构复杂，对环境的适应能力较差，可适应管径变化范围较小，在本设计中，动力经蜗轮蜗杆装置变换后，通过传动比为1：1的齿轮传动，将动力传递到各支腿，因为空间尺寸关系，在两者之间增加一惰轮机构，再应用同步链将动力传送到主动轮1和轮3。同步带轮1与安装底座的连接轴同轴，故无论管径如何变化，两个同步链轮间的轴线距离保持不变，只要支腿的长度足够长，就可适应足够大的管径变化范围。2.2机器人变管径自适应性方案设计管道由于制作误差、使用过程中局部结垢、局部压力过大而产生变形以及内表面杂物的存在，管道机器人在碰到变形部位及杂物时，由于阻力而使支撑臂收缩，同时在驱动力的作用下通过变形部位，当再次达到管道正常段时，支撑臂能够在弹簧的作用下像伞一样张开，使机器人重新恢复原来的平稳状态。这个过程就是机器人的自适应过程。有了自适应性，机器人就能穿过一个个变形部位，以达到对管道进行有效清洗的目的，在本设计中，对于自适应性的设计主要包括两种方式：各支腿单独调整和支腿整体调整。1、支腿单独调整方式各支腿的单独调整方式。当机器人在行进过程中，其中的一个或多个支腿遇到障碍物（包括突起和凹陷）时，利用支腿内部的调整弹簧来改变支腿的长度使得支腿与管壁处于理想的接触状态，以满足稳定作业要求。同时调整弹簧也能起到一定的缓冲减震作用。该装置主要是针对相同管径或管径变化范围不是很大的情况下，当管径变化范围较大时，则应使用支腿的整体调整方式。2、支腿整体调整方式目前管道机器人在适应不同管径的调节机构常用的有：蜗轮蜗杆调节方式，升降机调节方式、滚珠丝杠螺母副调节方式和弹簧压紧调节方式。比较研究了各种调节机构的优缺点，针对本课题的工程实际需要，并根据前后支腿的特性要求，在前支腿（即从动轮支腿）选用弹簧压紧调节方式，后支腿（即主动轮支腿）选用滚珠丝杠螺母副调节方式。这两种调节机构能保证机器人具有充裕并且稳定的牵引力，并且管径变化范围比较大，下面综合分析该两种调节方式。(1)滚珠丝杠螺母副调节方式自适应方案。其具体设计如图2-2所示是滚珠丝杠螺母副调节方式示意图，其工作原理是：安装在轴套和丝杠螺母之间的压力传感器间接检测驱动车轮和管道内壁之间的压力 ，并实时将压力值回馈回监控装置，当压力的值小于所允许的最小压力值 时，连杆AB的一端和车轮轴铰接在一起，另一端铰接在固定支点A，推杆CD与连杆AB铰接在B点，另一端铰接在轴套上C点，轴套在圆周方向相对固定，因此滚珠丝杠的转动将带动丝杠螺母沿轴线方向在滚珠丝杠上来回滑动，从而带动推杆运动，进而推动连杆AB绕支点A转动，使车轮撑开或者紧缩以达到适应不同的管径的目的。保证管道机器人以稳定的压紧力撑紧在管道内壁上，使机器人具有充足且稳定的牵引力。图2-2滚珠丝杠螺母副调节方式 下面分析滚珠丝杠螺母副调节方式的力学特性，如图所示，以固定支点A为坐标系的原点，建立如图所示的坐标系XOY,为连杆AB的长度，是推杆CD的长度，是支点D到固定支点A之间的距离，是推杆CD与水平方向之间的夹角，是连杆AB与水平方向之间的夹角，凡为管道内壁作用在车轮上的压力即封闭力，是滚珠丝杠螺母作用在推杆上的轴向推力，是作用在滚珠丝杆轴上的有效扭矩。 是电机轴的输出扭矩。在坐标系XOY中，由几何关系可得： （2-1）对上式两边分别取微分可得： （2-2）化简上式得： （2-3）由虚功原理得： （2-4）将式代入上式并化简得： （2-5） 所采用的滚珠丝杠螺母副的导程记为P， 为滚珠丝杠和丝杠螺母之间的相对转角，则丝杠螺母的位移为： 对上式等号两边分别取微分得： （2-6）考虑滚珠丝杠螺母副，由虚位移原理可得： （2-7）式中， 为滚珠丝杠螺母副的传动效率。合并整合上两式得： （2-8）此式即为滚珠丝杠螺母副调节方式的力学特性。(2)弹簧压紧调节方式如图所示的是从动轮的弹簧压紧调节方式示意图，其工作原理与滚珠丝杠螺母副调节方式原理类似，只是在张紧力调整方面采用被动调整方式。当管径发生变化时，作用在从动轮上的压力变化，使得压紧弹簧产生伸缩，而带动推杆运动，进而推动连杆AB绕支点A转动，使车轮撑开或者紧缩以达到适应不同的管径的目的。与滚珠丝杠螺母副调节方式的主要区别就在于在压紧力的调节方面由调整电机的主动调整变为压紧弹簧的被动调整。故在弹簧压紧调节方武的力学特性如下：图2-3弹簧压紧调节方式选取其中的一个支承臂作为研究对象，其受力分析如图所示，由前述滚珠丝杠螺母副调节方式的分析可知，弹簧压紧调节方式的力学平衡方程为： （2-9）式中，弹簧的压紧力，N。整理得： （2-10）弹簧压紧力可表示为： （2-11） f为弹簧的初始长度(mm)，k为弹簧的弹性系数(N/mm)。从上边的式子可以看出，弹簧压紧力f只是位移函数，因此该机构具有负反馈作用，在一定的管径变化范围内，封闭力之和N变化不大。由此可见该机构具有常封闭特性，这样便增加了载体的稳定性和可靠性，同时由于弹簧压紧力f的回馈作用可使机构具有自适应调节的功能。2.3动力系统的设计计算2.3.1管道机器人行驶阻力分析在计算前，我们先设定我们所设计的机器人的行进速度是17.5mm/s。机器人在管道内进行清洗作业时，必须克服来自管道内表面的滚动摩擦阻力 （2-12）式中， 是滚动摩擦因数，即轮子在一定条件下滚动所需要的推力。NG为机器人轮子负荷之和。也就是： = （2-13）式中机器人管内作业姿态角，机器人本体重量，。当姿态角分别为60或者-60时候，系统的阻力最大。预设为0.5，机器人重量为4.8，打捞最大质量300，由于轮子手的是弹簧调节，则弹簧对轮子又很大的压力，由于我们采用的是型芯磨头切削，对车身的稳定性要求较其他更为严格，假设弹簧对轮子的压力是40x9.8N，=。 总阻力 根据实际情况，我们设计主动轮半径，总阻力矩为： = 已经设过机器人行进速度为，也就是，则主动轮转速应该是：nw= = = 电机的额定转速为系统传动比为： 电机提供的驱动力矩为： = 考虑机器人在管道内行进出现的在和突变情况，取安全系数为，则电机的功率为,电机选用型。如下表。得：转速为 额定功率为 额定电流为 效率为 功率因数为 额定转矩为 表2-1 YS系列电机技术参数表2-1 YS系列电机技术参数续2.3.2减速器的选择在选择了电机型号之后，需要选择与之相应的减速器。在确定了减速器的类型后，减速器的选择关键在减速比的选择。1、考虑驱动能力时减速比的计算根据电机的相关资料，可知电机的额定转矩为 ，为满足机器人能正常行驶，则整个躯动系统电机的驱动力矩经传动系统减速增扭后，驱动力矩应大于等于机器人所受到的总的阻力矩，即应保证传动系统的传动比 应满足： 2考虑机器人最高运行速度传动比的计算根据电机相关资料，可知电机的额定转速为则传动系统的最大传动比 应该满足： 基于上述传动比，我们可以确定传动系统的传动比 应该满足： （2-14）传动比里面蜗杆传动的传动比为：=5-80，选用20则减速器的出动比 为： （2-15）我们选用 根据小功率计算机书上说明，选用GBX40行星减速器。其参数如表2-2所示：表2-2 减速器参数表效率 0.96最大允许径向受力N 200最大允许轴向受力N 200连续输出转矩 20减速比 12：12.4机器人的速度和驱动能力校核确定电机和减速器后，我们必须进行机器人的运动速度和驱动能力的校核，以确保机器人有足够驱动力的同时，能满足机器人的最高行走速度要求。2.4.1运动速度校核根据以上所选电机和减速器的性能指针，可知电机的额定转速，减速器的传动比是，以及机器人所要求的主动轮半径，可以计算出机器人在确定电机和减速器后的最高车速 。虽然 大于预期设定速度，但是我们可以通过控制电机的转速使机器人低于此速度行驶，而且还有一定得速度储备，在机器人需要快速行进至工作位置的情况下，尽可能有较快的速度。2.4.2驱动能力校核根据电机的额定输出转矩为，传动比 为，则机器人总的驱动力矩为：因为机器人总的驱动力矩大于其所受到的总的阻力矩，所以机器人能够有足够的动力起车，并有一定的动力储备。 经过上述计算和校核，所选的施奈德BSH4552T伺服电机和GBX40行星齿轮减速器能够满足管道射流清洗机器人的性能要求，从而可以由其组成机器人的行驶驱动系统。3 链传动的设计计算3.1链轮设计的初始条件链轮设计的初始条件如图3-1所示表3-1初始条件3.2链轮计算结果经过设计手册的计算，得到的链轮计算结果如：表3-2设计结果由上面我们得到链轮的基本尺寸：排距 14.38mm分度圆直径 89.28mm齿顶圆直径 96.5mm齿根圆直径 80.84mm3.3历史结果由手册计算我们的历史结果如表：表3-3 历史结果4 蜗轮蜗杆的设计计算 为了方便计算选用电子版机械设计手册2.0计算：普通圆柱蜗杆传动设计结果报告在输入基本数据之前，我们要知道作用在蜗杆上的功率蜗杆的转矩应该是电动机额定转矩经减速器后的力矩，则：传递转矩 输入计算如下：4.1 蜗轮蜗杆基本参数设计 4.1.1普通蜗杆设计输入参数图4-1蜗杆设计参数1传递功率P 0.38（ ） 8传动比误差 0.02 2蜗杆转矩T1 2.49( ) 9预定寿命H 4800（小时）3蜗轮转矩T2 36.69() 10.原动机类别 电动机4蜗杆转速n1 125.00( ) 11.工作机载荷特性 平稳5蜗轮转速n2 6.25 ( ) 12.润滑方式 喷油6理论传动比 20.00 13.蜗杆类型 渐开线蜗杆7实际传动比 20.00 14.受载侧面 3侧4.1.2材料及热处理1蜗杆材料牌号 45（表面淬火） 3蜗杆材料硬度 HRC45552蜗杆热处理 表面淬火 4蜗杆材料齿面粗糙度 1.60.8 对涡轮蜗杆精度等级我们都选为8级得出：5蜗轮材料牌号及铸造方法 ZCuSn10P1(砂模)6蜗轮材料许用接触应力 200 7蜗轮材料许用接触应力 2008蜗轮材料许用弯曲应力 329蜗轮材料许用弯曲应力 304.1.3蜗杆蜗轮基本参数图4-2蜗杆蜗轮设计参数1.蜗杆头数z1 2 21.蜗杆齿高hl 6.93(mm)2.蜗轮齿数z2 40 22.蜗杆齿顶圆直径 41.80(mm)3.模 数m 3.15(mm) 23.蜗杆齿根圆直径 27.94(mm)4.法面模数 3.10(mm) 24.渐开线蜗杆基圆直径dbl 15.36(mm)5蜗杆分度圆直径dl 35.50(mm) 25.渐开线蜗杆基圆导程角 22.2966.中心距A 63.00(mm) 26.蜗轮分度圆直径d2 126.00(mm)7.蜗杆导程角 10.063 27.蜗轮喉圆直径da2 96.80(mm)8.蜗轮当量齿数Zv2 41.90 28.蜗轮齿根圆直径df2 82.94(mm)9.蜗轮变位系数x2 -5.63 29.蜗轮齿顶高ha2 -14.60(mm)10.轴向齿形角ax 20.287 30.蜗轮齿根高hf2 21.53(mm)11.法向齿形角 20.000 31.蜗轮齿高h2 6.93(mm)12.齿顶高系数ha* 1.00 32.蜗轮外圆直径de2 101.52(mm)13.顶隙系数c* 0.20 33.蜗轮齿顶圆弧半径Ra2 14.60(mm)14.蜗杆齿宽b1 65.00(mm) 34.蜗轮齿根圆半径Rf2 21.53(mm)15.蜗轮齿宽b2 24.00(mm) 35.蜗杆轴向齿厚sx1 4.95(mm)16.是否磨削加工 否 36.蜗杆法向齿厚sn1 4.87(mm)17.蜗杆轴向齿距 9.90(mm) 37.蜗轮分度圆齿厚s2 -8.18(mm)18.蜗杆齿顶高 3.15(mm) 38.蜗杆齿厚测量高度 3.15（mm） 19.蜗杆顶隙 0.63(mm) 39蜗杆节圆直径 -0.00(mm)20.蜗杆齿根高 3.78(mm) 40.蜗轮节圆直径 126（mm）4.1.4蜗轮精度表4-1 蜗轮精度项目名称蜗轮蜗杆第一组精度88第一组精度88第一组精度88侧 隙ff4.1.5强度刚度校核结果和参数1许用接触应力 252.042计算接触应力 119.54(满足)3许用弯曲应力 30.404计算弯曲应力 15.71(满足)5许用挠度值 0.07106计算挠度值 0.0225(满足)1蜗杆圆周力Ft1 136.34 13.滚动轴承效率 0.982蜗杆轴向力Fx1 -735.88 14.使用系数Ka 1.023蜗杆径向力Fr1 -272.02 15.动载荷系数 1.054蜗轮圆周力Ft2 735.88 16.载荷分布系数 1.005蜗轮轴向力Fx2 -136.34 17.材料的弹性系数ZE 155.006蜗轮径向力Fr2 272.02 18.滑动速度影响系数 1.007蜗轮法向力Fn -795.35 19.寿命系数ZN 1.268滑动速度Vs 0.24 20.齿形系数 10.599蜗杆传动当量摩擦角 3.720 21.导程角系数 0.8810.蜗杆传动效率 0.69 22蜗杆截面惯性矩I 29914.07 11.蜗杆的啮合效率 0.72 23.弹性模量E 207000.00 12.搅油损耗 0.97 24.蜗杆两端支承点的跨度L 280 4.1.6自然通风散热计算1热导率k 8.70 5润滑油温度t1 45 2散热的计算面积A 0.57 6周围空气温度t2 203冷却的箱壳表面积A1 0.40 7损耗的功率Ps 0.12 4补充的箱壳表面积A2 0.35 8 能散出的功率Pc 0.134.2蜗杆轴的结构设计轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难度。因此，轴的结构设计是轴设计中的重要内容。轴的结构主要取决以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴的连接方法：载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构的因素较多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。设计时，必须针对不同情况进行具体的分析。但是，不论何种具体条件，轴的结构都应满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便以装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。 轴的工作能力设计指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。而对刚度要求高的轴（如车床主轴）和受力大的细长轴，还应进行刚度计算，以防止工作时产生过大的弹性变形。对高速运转的轴，还应进行振动稳定性计算，以防止发生共振而破坏。下面根据上述原则对轴进行设计计算。4.2.1轴的强度较核计算 进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并给当地选取其许用应力。对于仅仅（或主要）承受扭矩的轴（传动轴），应按扭转强度计算：对于只承受弯矩的轴（心轴），应按弯矩强度条件计算：对于既承受弯矩又承受扭矩的轴（转轴），应按弯扭合成强度条件进行计算，需要时还应按疲劳强度条件进行精确校核。此外，对于瞬时过载很大或应力循环不对称性较为严重的轴，还应按峰尖载荷校核其静强度，以免产生过量的塑性变形。下面介绍几种常用的计算方法。1按扭矩强度条件计算这种方法是按轴所受的扭矩来计算轴的强度；如果还受有不大的弯矩时，则用降低许用扭矩切应力的方法予以考虑。在做轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径。对于不大重要的轴，也可作为最后计算结果。轴的扭转强度条件为 （4-1）式中： 扭转切应力， 轴所受的扭矩， 轴的抗扭截面系数， 轴的转速 轴传递的功率，功率 计算截面处轴的直径， 许用扭转切应力，见表4-2表4-2 轴的几种材料的 及 值轴的材料 Q235-A、20 Q275、35 45 40Cr、35SiMn 38SiMnMo、3Cr13 1525 2035 2545 3555 149126 135112 135103 11297由上式可得轴的直径 （4-2）式中， 查表4-2，对于空心轴，则式中， ，即空心轴的内径 d 与外径d之比，通常取应当指出，当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱。对于直径d100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大3%；有两个键槽时，应增大7%。对于直径d100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大5%7%；有两个键槽时，应增大10%15%。然后将轴径圆整为标准直径。应当注意，这样求出的直径，只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径 。2按弯矩扭合成强度条件计算通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸，轴上零件的位置，以及外载荷和反支力的作用位量均已确定，轴上的载荷（弯矩和扭矩）已可以求得，因而可按弯矩扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。一般的轴用这种方法计算即可。其计算步骤如下(1) 做出轴的计算简图（即力学模型）(a)向心轴承 (b)向心推力轴承 (c)并列向心轴承 (d)滑动轴承图4-3轴的支反力作用点轴所受的载荷是从轴上零件传出来的，计算时，常将轴上的分布载荷简化为集中，其作用点取为载荷分布段的中点。作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度中点算起。通常把轴当作置于铰链支座上的梁，反支力的作用点与轴承的类型和布置方式有关，可按图4-3确定。图b中的a值可查滚动轴承样本手册，图d中的e值与滑动轴承的宽径比 时，取；当时，取 ，但不小于 ；对于调心轴承， 。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)图4-4轴的载荷分析图在做计算简图时，应先求出轴上受力零件的载荷（若为空间力系，应把空间力分为圆周力、轴向力和径向力，然后把他们全部转化到轴上），并将其分解为水平分力和垂直分力，如图4-4b所示。然后求出各支承处的水平反力 和垂直反力 （轴向反力可表示在适当的面上，图4-4d是表示在垂直面上，图4-4d是表示在垂直面上，故标以 和 ）(2)做出弯矩图根据上述简图，分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别做出水平面上的弯矩 图（图4-4c）和垂直面上的弯矩 ，图（图4-4e）；然后按下式计算总弯矩并做出M图(图4-4f)。 (3)做出扭矩图如图4-4g所示。 (4)初步估算轴的直径 选择轴的材料为40Cr经调质处理，由表4-2查得材料机械数据为： 根据公式初步计算轴直径 = = 带入数据得出d 11.2mm即轴的最小直径为11.2，现在选择 12.5mm，4.2.2轴的结构设计根据轴上面的定位要求，现在轴的基本参数如下图所示：图4-5轴的基本尺寸参数4.2.