定径管道布线机器人主体结构设计说明书

I 摘 要 本次设计 结合目前的管道机器人布线技术 对管道布线机器人主体结构进行设计 包括对行走部分进行方案设计 整理好方案后 进行择优选取 最终确定了六点定位 三轮驱动式管道布线机器人行走的设计方案作为本次设计的最终方案 整个设计中 对 管道布线机器人主体结构进行设计 其中 包括以下方面 1 管道机器人相关问题的分析 2 移动方式 传动方式的选择 3 适应管径变化的方案设计及各零部件的受力分析 设计计算 4 最后对其进行有效校核等 最终通过各方案的比较得到了本次设计的最佳方案 再通过设计计算以及校核后 最 终完成本次设计 关键词 六点定位 三轮驱动 管道机器人 II Abstract This design combined with the current pipeline robot wiring technology the main structure of the pipe line robot design Including the design of the walking part finishing a good program were selected and ultimately determine the six point positioning three wheel drive pipe wiring of the robot to walk the final scheme is the design of the In the whole design the main structure of the pipe wiring robot is designed including the following aspects 1 analysis of related problems of pipeline robot 2 the choice of moving mode and transmission mode 3 the design of the pipe diameter change and the force analysis and design calculation of each part 4 the final effective verification Finally through the comparison of the various programs the best design of this design is obtained and then the design is finished after the design calculation and check Key words six point location three wheel drive pipeline robot 目录 摘 要 I ABSTRACT II 0 绪论 1 0 1 本课题研究的内容和意义 1 0 2 国内外发展状况 1 0 3 本课题应达到的要求 1 1 概述 2 1 1 毕业设计的目的 2 1 2 本次设计的任务 2 1 3 布线机器人的运用 2 1 4 管道布线机器人类型分析 2 2 管道布线机器人各方案选择 4 2 1 管道布线机器人主体结构 4 2 1 1 选择移动方式 4 2 1 2 选择传动方案 4 2 2 管道布线机器人适应管径变化方案设计 6 2 2 1 轮与轮间调节方式 6 2 2 2 单独轮的调节方式 7 2 3 动力系统的设计计算 9 2 3 1 管道机器人电机的选择 9 2 3 2 选择减速器 11 2 4 校核 12 2 4 1 校核运动速度 12 2 4 2 校核驱动能力 12 3 蜗轮蜗杆的设计计算 13 3 1 基本参数的设计 13 3 1 1 普通蜗杆设计输入参数 13 3 1 2 材料及热处理 14 3 1 3 蜗杆蜗轮基本参数 15 3 1 4 蜗蜗轮精度 16 3 1 5 强度刚度校核结果和参数 17 3 1 6 自然通风散热计算 17 3 2 蜗杆轴的结构设计 18 3 2 1 轴的结构设计 18 3 2 2 轴的强度较核计算 18 3 2 3 键的校核 21 4 弹簧的设计计算 22 4 1 确定弹簧种类 并选择材料 22 4 2 弹簧的相关设计计算 22 5 控制系统设计 24 5 1 关于控制系统 24 5 2 控制系统的设计 24 6 结论 26 参考文献 27 致谢 40 定径管道布线机器人主体结构设计 1 0 绪论 0 1本课题研究的内容和意义 管道布线机器人可用于管网施工单位的工程布线 管网单位对新建项目的竣工验收 在役管道的检查 监测等工作 日常生产生活中 管道布线运用广泛 人力管道布线比 较麻烦 而且成本高 甚至工作环境危险 机器人作业的话 安全性就会高 管道内布线 用人工进行 会有很大安全隐患 而且环境恶劣的话 也不利于工人的身体健康 而使 用管道布线机器人进入管道内部进行布线减除了安全隐患 而且小直径管道工人更加无 法进入 用机器人布线还可以节省人工 管道布线机器人不但小巧轻便 而且效率高 控制器可装载在机器人身上 一个人就可以完成布线工作 节省了很多人工和空间 提 高效率和降低成本 另外 管道布线机器人能准确定位 可实传输管道内的作业情况和 相关信息 管道布线机器人是一种新形式的布线技术 与传统的人工布线方法相比 更加安全 准确 高效快捷 作为一种新的布线技术 管道布线机器人在未来有着相当可观的经济 社会效益和价值 0 2国内外发展状况 国际 70 年代 石油 化工 天然气及核工业的发展及管道维护的需要刺激了管内 机器人的研究 一般认为 法国的 J VR ERTUT 最早开展管内机器人理论与样机的研究 他于 1978 年提出了轮腿式管内行走机构模型 IPRIVO 80 年代日本的福田敏男 细贝英实 冈田德次 屈正幸 福田镜二等人充分利用法 美等国的研究成果和现代技术 开发了 多种结构的管内机器人 韩国成均馆大学的 Hyouk R C 等人研制了天然气管道检测机器 人 MRINSPECT 系列 国内 我国管内机器人技术的研究己有 20 余年的历史 哈尔滨工业大学 中国科学 院沈阳自动化研究所 上海交通大学 清华大学 浙江大学 北京石油化工学院 天津 大学 太原理工大学 大庆石油管理局 胜利油田 中原油田等单位进行了这方面的研 究工作 0 3 本课题应达到的要求 作为管道布线机器人 六点定位三轮驱动的行走方式相比履带式具有一定的优势 如成本低廉 自身重量轻等 我们的总体方案是设计一个 300 500mm 定径管道布线机器 人 行走布线距离为 80m 100m 行走速度为 5cm s 20cm s 在一个封闭的管道环境内运 动 移动机器人本体 完成布线工作 这个工作受多个因素的影响 包括布线管道深长 定径管道布线机器人主体结构设计 2 转弯和环境光滑摩擦小 布线机器人的重量 制造成本等 1 概述 1 1 毕业设计的目的 1 培养实践操作计算能力 2 学会将理论与实践结合 3 学习掌握机械设计的方式方法 加深对本科所学知识的理解掌握 4 学会独立思考问题 自己完成并解决设计过程中遇到的问题 5 学会查找相关机械设计手册 进一步掌握机械设计 制图水平 1 2 本次设计的任务 1 2 1 设计题目 定管道布线机器人主体结构设计 1 2 2 任 务 1 查找资料 完成总体设计方案选择 2 主要零件的设计 受力分析 计算与校核及电机的选择 3 绘制相关零件图和装配图 4 按照相关要求完成毕业设计 1 3 布线机器人的运用 管道布线机器人可用于管网施工单位的工程布线 管网单位对新建项目的竣工验收 在役管道的检查 监测等工作 日常生产生活中 管道布线运用广泛 人力管道布线比 较麻烦 而且成本高 甚至工作环境危险 因此使用管道布线机器人的优势 安全性高 管道内布线用人工的话 会有很大安全隐患 而且环境恶劣的话 也不利于工人的身体 健康 而使用管道布线机器人进入管道内部进行布线减除了安全隐患 而且小直径管道 工人更加无法进入 管道机器人智能作业可有效提高作业的安全性能 节省人工 管道 布线机器人不但小巧轻便 而且效率高 控制器可装载在机器人身上 一个人就可以完 成布线工作 节省了很多人工和空间 提高效率和降低成本 另外 管道布线机器人能 准确定位 可实传输管道内的作业情况和相关信息 1 4 管道布线机器人类型分析 近年来 我国在管道的布线方法上基本上是人工进行布线的 目前 管道布线机器 人也不断兴起 当然 布线机器人随着不断的发展 出现了诸多类型的管道布线机器人 比如 轮式机器人 这一类在管道内作业运用比较多 优点是这类机器人采用轮式 设 定径管道布线机器人主体结构设计 3 计比较方便 制作来源材料广泛 制造成本相对要低 缺点是需要的轮毂表面要有很大 摩擦力 但即使有了摩擦还是会受到环境条件的影响 可以因为管道内有水或者其他液 体 导致防滑效果降低 因为它整体尺寸本身要小于管道尺寸 履带式机器人 即用履 带代替轮子 优点是该类机器人履带制造技术已经成熟 易于得到 缺点和第一种类似 防滑效果不是很好 另外 因为履带一般采用金属制造 如果布线的管道不是很坚固 可能会对管道造成损伤 制造相对复杂 六点定位三轮驱动式管道布线机器人 这类机 器人可以通过调节弹簧使机器人的腿与贴管道内壁产生足够的摩擦 从而推动机器人前 进 该类机器人优点是可以按规定尺寸设计 防滑效果好 制造简单 成本要低 缺点 是相对第一种 结构有点复杂 行走式管道布线机器人 这类机器人通过机械足的机构 运动 但是这类机器人机构设计复杂 驱动繁琐 总体设计比较麻烦 并且很难对其进 行控制 不适合在管道内行走 蠕动式管道布线机器人 这类机器人运动像蚯蚓一样 是通过身体的伸缩进行前行运动 该类机器人因为管道尺寸固定 在其行进时需要蠕动 所以整体尺寸要小于管道尺寸 这样就造成了防滑效果明显降低 此外它的结构 设计 特别复杂 制造成本也高 螺旋驱动式管道布线机器人 通过做旋转运动 使机器人螺 旋前进 优缺点和第五种差不多 蛇型管道布线机器人 这类机器人有许多关节 像蛇 一样前行 优缺点和第五六种类似 定径管道布线机器人主体结构设计 4 2 管道布线机器人各方案选择 2 1 管道布线机器人主体结构 总体方案是设计一个 300 500mm 定径管道布线机器人 在一个封闭的管道环境内运 动 移动机器人本体 完成布线工作 这个工作受多个因素的影响 包括布线管道深长 转弯和环境光滑摩擦小 布线机器人的重量 制造成本等 2 1 1 选择移动方式 管道布线机器人要按管道内作业的方式来进行设计 最终满足现实生活所需要求 布线工作进行时 即使管道管径出现偏差 最终也要完成布线作业 这就要求布线机器 人能自身调节适应管道内的环境 包括在管道内 机器人行进时出现障碍 打滑等情况 机器人也具备越障能力和防滑能力 目前 管道机器人驱动的方式有很多包括轮式机器人 生活中常见 优点是这类机 器人的腿部采用轮式 设计方便 制作来源材料广泛 制造成本相对要低 缺点是需要 的轮毂表面要有很大摩擦力 但即使有了摩擦还是会受到环境条件的影响 可以因为管 道内有水或者其他液体 导致防滑效果降低 因为它整体尺寸本身要小于管道尺寸 履 带式管道机器人 类似坦克行走方式 优点是该类机器人履带制造技术已经成熟 易于 得到 缺点和第一种类似 防滑效果不是很好 另外 因为履带一般采用金属制造 如 果布线的管道不是很坚固 可能会对管道造成损伤 制造相对复杂 六点定位三轮驱动 式管道布线机器人 这类机器人可以通过调节弹簧使机器人的腿与贴管道内壁产生足够 的摩擦 从而推动机器人前进 该类机器人优点是可以按规定尺寸设计 防滑效果好 制造简单 成本要低 缺点是相对第一种 结构有点复杂 行走式管道布线机器人 这 类机器人通过机械足的机构运动 但是这类机器人机构设计复杂 驱动繁琐 总体设计 比较麻烦 并且很难对其进行控制 不适合在管道内行走 蠕动式管道布线机器人 这 类机器人运动像蚯蚓一样 是通过身体的伸缩进行前行运动 该类机器人因为管道尺寸 固定 在其行进时需要蠕动 所以整体尺寸要小于管道尺寸 这样就造成了防滑效果明 显降低 此外它的结构 设计特别复杂 制造成本也高 螺旋驱动式管道布线机器人 通过做旋转运动 使机器人螺旋前进 优缺点和第五种差不多 蛇型机器人 蠕动前行 因为它有许多关节组成 优缺点和第五六种类似 综上所述 六点定位三轮驱动式机器人成为最佳选择 定径管道布线机器人主体结构设计 5 2 1 2 选择传动方案 传动系统是管道布线机器人构成整体的重要的一部分 正因为如此 本次设计的传 动系统在整个设计过程中 其设计的好坏 及其性能等因素都能影响到整体的好坏 所 以 选取最佳的传动方案是本次设计工作中的重点任务 我们的方案设计不但要满足工作平稳可靠 结构设计方面要简洁 尺寸方面要合理 使用过程中效率要高 对于使用者来说使用要简单易懂 制造成本要低 而且要满足传 动系统对整体机器人其他部分连接的协调 显而易见 要同时满足以上所述的条件 对 于传动方案的选择还是有一定难度的 所以在选择过程中 需要认真的比较分析各类方 案 最终从中选取满足我设计的机器人要求的方案做下一步计算 机器人驱动的方式有液压的驱动方式 电动的驱动方式 气动的驱动方式等等 电 动驱动方式又可以可分为交流伺服电机 步进电机 直流伺服电机 而本次设计的机器 人是在有限的管道环境内进行作业 液压与气动方式 设计起来比较复杂 而且受所设计 的管道机器人整体尺寸的限制 液压和气动的方式是不可取的 再看电机驱动 设计起 来就比较简单 易于使用与控制 因此 我决定本次传动方案选取用电机驱动的方式为 管道布线机器人提供动力来源 另外 通过比较分析 选择出一个减速器 可选用行星 轮减速器 电机的驱动动力经减速器减速 经过综合考虑 并结合所设计管道布线机器 人的结构特点 决定本次设计中通过以下两种方式组合来实现 其包括动力变换装置以 及同步链传动机构 1 设计动力变换装置 如下图图中所示 当弹簧外端螺母拧紧后 弹簧就会具有一定反弹力 因此使得 上端轮与管壁接触力恰好变为零 即恰好使最上端的轮顶端处于与管道内壁相接触而不 存在摩擦的临界条件 在此种情况下 管道布线机器人的整个机身驱动的动力大多数来 自于下端两个轮子 从而使得管道机器人整体重心位置下移 这就使得机器人更加稳定 当机器人负重增加 或受管道环境影响使得机器人在管道内打滑无法驱动时 只需增加 弹簧预紧力 也就是调节螺母使得整个管道机器人的圆周尺寸稍微大于管道圆周尺寸 从而增加管道内壁与机器人腿部的摩擦力 此时 三个方向的轮子都提供动力 最终在 增加动力的条件下也可克服摩擦前进 另外 底下两轮所在支腿中心线与减速器输出轴 线相互垂直 驱动的腿间夹角是 120 度 因此 我们通过一个动力变换装置来实现动力 分流 如图所示 定径管道布线机器人主体结构设计 6 图 2 1 机器人侧视图 2 设计同步链传动 本次我所要设计的管道布线机器人作业管道圆周尺寸在 300mm 500mm 之间 所以 要求所设计的管道机器人在管道直径在 300mm 500mm 之间 能在管道内驱动的同时 要 求能在八十到一百的管道距离内完成布线作业 当然 管道内径发生变化时 轮子与管 道中心的距离也随之变化 因此能做到无论尺寸怎样改变 同步链轮之间轴线距离始终 不改变 只需设计时吧腿部支架设计的在合适条件下足够长 就能在 300mm 500mm 管道 尺寸范围内进行正常布线工作 我所设计的方式是将采用三个蜗轮一个蜗杆 蜗杆将动 力平均分配给三个蜗轮 蜗轮再将动力传给三个主动轮 从而驱动机器人进行运动前行 其中 蜗轮在空间内互相成 120 度角度分布 并且与蜗杆轴垂直分布 如上图所示 2 2 管道布线机器人适应管径变化方案设计 管道可能会因为各种原因 比如长时间使用 工厂制作时出现误差错误等原因使得 存在管内壁凹凸不平的现象 或者由于外界压力管道局部产生变形 导致管道内径尺寸 改变 最终使管道机器人受阻使支撑臂发生改变 本次设计就要求机器人能在障碍路段 正常进行布线的 同时在障碍阶段结束后又能够进行正常布线作业 这一整个过程就是 管道布线机器人进行自动调节 并适应管道尺寸发生变化时的作业方式 机器人通过这 个工程的适应改变最终达到完成布线作业 下面我对能够满足这一要求的方案设计了两 种 其中有轮子与轮子之间的调节方式和单独的调节方式 下面对其解释 2 2 1 轮与轮间调节方式 轮与轮之间的调节方式如下图所示 通过一个弹簧连接两轮 当一只腿或多只腿遇 定径管道布线机器人主体结构设计 7 到管道内有障碍物时 通过调整弹簧来改变调整腿的长度使得轮子与内壁有个合适的接 触力 从而越过障碍 以完成机器人的布线作业 其中 安装的弹簧在工作中也有减震 作用 单独调整的方式可运用在相同管径或者管径尺寸变化小的时候 相反 如果管道 周径变化比较大的时候 就要采用单独的调节的方式 图 2 2 轮与轮之间调节 2 2 2 单独轮的调节方式 如下图 2 3 所示 整个机器人我采用的方式有两种 如图 前轮和后轮是一种调节方 式 中间轮是另外一种调节方式 但是 他们都是通过弹簧调节的 其中前轮和后轮我 采用弹簧压紧调节方式 比较符合本次设计的要求 中间轮也采用弹簧调节的方式 选 用这两种调节机构不但能满足尺寸变化大的需求 还能是机器人作业时更加平稳 下面 对前后轮和中间轮的调节方式进行讲解 图 2 3 单独轮子调节方式 1 中间轮调节方式 如图 2 4 所示 是中间轮的调节方式 轮子的连接是通过支架 支架上安装好弹簧 再与箱体连接 这种调节 不但通过弹簧的弹力适应了管道尺寸的变化 还可以在机器 人进行布线时遇到障碍物具有减震作用 比起直接通过支架将轮子与箱体直接连接的方 式要好的多 定径管道布线机器人主体结构设计 8 图 2 4 中间轮调节方式 2 前后轮调节方式 如图 2 5 所示 与上边所描述的中间轮的调节方式相似 不同的是它有多个部件组成 包括螺杆 轴套 支架杆 调节螺母等 其原理如下 通过调节最右端的螺母来改变机 器人周径 当管道尺寸变小时 通过调节拧松螺母 使杆架收缩 当管道尺寸变大时 调节拧紧螺母 使杆架舒张 最终使其适应管道尺寸的变化 图 2 5 前后轮的调节方式 简化上图 做完标注后得到如下图 2 6 图所示 定径管道布线机器人主体结构设计 9 图 2 6 弹簧压紧调节方式 以前轮为列 进行研究 如图所示 要求 d 在 300mm 500mm 之间变化 OB 杆适应 管道尺寸变化时 通过调节螺母使其绕 O 点运动 轮子 B 尺寸为 r 52mm 杆 OB 长为 276mm 总长 杆长 轮子半径 r 52 276 328mm dmax 250mm 所以 尺寸远远满足当角度到极限位置的尺寸 即角 90 度时的尺寸 同理可知 后轮也符合要求 2 3 动力系统的设计计算 2 3 1 管道机器人电机的选择 已知 机器人行走速度为 5cm s 20cm s 计算时 按最大速度算 即设计的管道机器 人行驶速度为 12m min 假设管道内壁与轮摩擦系数 为 1 2 整个机器人的总重重有十五公斤 通过调节后 弹簧会产生一定的作用力给车轮子 我们假设弹簧给轮子的压力约为 40G N 下面通过 计算 则 N 2 1 5398 40 915 F 可得摩擦力 f 539 0 5 269 5N 2 2 已知轮子半径 r 为 52mm 结合 2 2 可以求出总阻力矩为 2 3 mNrFMf 174052 69 按最大速度计算 则轮子转速为 r min 2 4 38 1432 rvnw 暂设电机的额定转速为 1500r min 将 2 4 带人则可求得传动比 定径管道布线机器人主体结构设计 10 2 5 03 152 8 niws 设传动效率 为 0 5 则电机提供的驱动力矩为 2 6 mNiMsq 794 03 所以得 也即 电机驱动力满足要求 所以 可求电机功率得 W 2 7 8 2965037 94 nqTp 查表下列表 可选择电机 YS7114 型号的电机 表 2 1 电机技术参数 定径管道布线机器人主体结构设计 11 表 2 2 电机技术参数 续 定径管道布线机器人主体结构设计 12 2 3 2 选择减速器 从整个机器人尺寸及要求考虑 减速器选定为行星减速器减速器 下面通过减速比 来确定减速器型号 计算时通过两方面来确定 1 从驱动能力时减速比方面 查上表 2 2 知道电机额定转矩为 2 4N m 则应该满足 2 8 9 54 217min DM 即 驱动力力矩大于阻力力矩 2 从最高速传动比方面 因为 则应该有 in 150rn 2 9 25 39 8max wi 则 有 s 2 10 minsaxi 由后边知 因为蜗轮蜗杆传动比为 5 80 我们要 805 w20 定径管道布线机器人主体结构设计 13 则减速器的出动比 为 ri 2 11 maxinrwddi 我们选用 12 ri 最后确定用 行星减速器 具体如下 40GBX 表 2 3 减速器参数 2 4 校核 设计计算完后进行校核 2 4 1 校核运动速度 由上边已知 车轮半径 则机器人最高速 min 150rn 12 r mr52 V 2 13 drw 23 4 8i2V 40 满足要求 2 4 2 校核驱动能力 通过 2 2 式与 2 6 比较满足要求 3 蜗轮蜗杆的设计计算 定径管道布线机器人主体结构设计 14 计算如下 先计算电动机额定转矩经减速器后的力矩 得蜗杆上的功率蜗杆的转矩 传递转距 2 47Ti 150minrn 28 150 389Npkw 输入计算如下 3 1 基本参数的设计 3 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 kW 2 蜗杆转矩 T1 2 49 N m 3 蜗轮转矩 T2 36 69 N m 4 蜗杆转速 n1 125 00 r min 5 蜗轮转速 n2 6 25 r min 6 理论传动比 i 20 00 7 实际传动比 i 20 00 8 传动比误差 0 00 9 预定寿命 H 4800 小时 定径管道布线机器人主体结构设计 15 10 原动机类别 电动机 11 工作机载荷特性 平 稳 12 润滑方式 喷油 13 蜗杆类型 渐开线蜗杆 14 受载侧面 3 侧 3 1 2 材料及热处理 1 蜗杆材料牌号 45 表面淬火 2 蜗杆热处理 表面淬火 3 蜗杆材料硬度 HRC45 55 4 蜗杆材料齿面粗糙度 1 6 0 8 m 对蜗轮蜗杆精度等级我们都选为 8 极得出 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 H 200 N mm 2 7 蜗轮材料许用接触应力 H 200 N mm 2 8 蜗轮材料许用弯曲应力 F 32 N mm 2 9 蜗轮材料许用弯曲应力 F 30 N mm 2 定径管道布线机器人主体结构设计 16 3 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 2 蜗轮齿数 z2 40 3 模 数 m 3 15 mm 4 法面模数 Mn 3 10 mm 5 蜗杆分度圆直径 d1 35 50 mm 6 中心距 A 63 00 mm 7 蜗杆导程角 10 063 8 蜗轮当量齿数 Zv2 41 90 9 蜗轮变位系数 x2 5 63 10 轴向齿形角 x 20 287 11 法向齿形角 n 20 000 12 齿顶高系数 ha 1 00 13 顶隙系数 c 0 20 14 蜗杆齿宽 b1 65 00 mm 15 蜗轮齿宽 b2 24 00 mm 16 是否磨削加工 否 17 蜗杆轴向齿距 px 9 90 mm 定径管道布线机器人主体结构设计 17 18 蜗杆齿顶高 ha1 3 15 mm 19 蜗杆顶隙 c1 0 63 mm 20 蜗杆齿根高 hf1 3 78 mm 21 蜗杆齿高 h1 6 93 mm 22 蜗杆齿顶圆直径 da1 41 80 mm 23 蜗杆齿根圆直径 df1 27 94 mm 24 渐开线蜗杆基圆直径 db1 15 36 mm 25 渐开线蜗杆基圆导程角 b1 22 296 26 蜗轮分度圆直径 d2 126 00 mm 27 蜗轮喉圆直径 da2 96 80 mm 28 蜗轮齿根圆直径 df2 82 94 mm 29 蜗轮齿顶高 ha2 14 60 mm 30 蜗轮齿根高 hf2 21 53 mm 31 蜗轮齿高 h2 6 93 mm 32 蜗轮外圆直径 de2 101 52 mm 33 蜗轮齿顶圆弧半径 Ra2 14 60 mm 34 蜗轮齿根圆弧半径 Rf2 21 53 mm 35 蜗杆轴向齿厚 sx1 4 95 mm 36 蜗杆法向齿厚 sn1 4 87 mm 37 蜗轮分度圆齿厚 s2 8 18 mm 38 蜗杆齿厚测量高度 ha1 3 15 mm 39 蜗杆节圆直径 d1 0 00 mm 40 蜗轮节圆直径 d2 126 00 mm 3 1 4 蜗蜗轮精度 项目名称 蜗 杆 蜗 轮 1 第一组精度 8 8 2 第二组精度 8 8 3 第三组精度 8 8 4 侧 隙 f f 定径管道布线机器人主体结构设计 18 3 1 5 强度刚度校核结果和参数 1 许用接触应力 251 04 N mm 2 2 计算接触应力 119 54 N mm 2 满足 3 许用弯曲应力 30 40 N mm 2 4 计算弯曲应力 15 71 N mm 2 满足 5 许用挠度值 0 0710 N mm 2 6 计算挠度值 0 0225 N mm 2 满足 1 蜗杆圆周力 Ft1 136 34 N 2 蜗杆轴向力 Fx1 735 88 N 3 蜗杆径向力 Fr1 272 02 N 4 蜗轮圆周力 Ft2 735 88 N 5 蜗轮轴向力 Fx2 136 34 N 6 蜗轮径向力 Fr2 272 02 N 7 蜗轮法向力 Fn 795 35 N 8 滑动速度 Vs 0 24 m s 9 蜗杆传动当量摩擦角 v 3 720 10 蜗杆传动效率 0 69 11 蜗杆的啮合效率 1 0 72 12 搅油损耗 2 0 97 13 滚动轴承效率 3 0 98 14 使用系数 Ka 1 02 15 动载荷系数 Kv 1 05 16 载荷分布系数 K 1 00 17 材料的弹性系数 ZE 155 00 18 滑动速度影响系数 Zvs 1 00 19 寿命系数 ZN 1 26 20 齿形系数 Yfs 10 59 21 导程角系数 Y 0 88 22 蜗杆截面惯性矩 I 29914 07 mm 4 23 弹性模量 E 207000 00 N mm 2 24 蜗杆两端支承点的跨度 L 280 00 mm 3 1 6 自然通风散热计算 1 热导率 k 8 70 W m 2 2 散热的计算面积 A 0 57 m 2 3 冷却的箱壳表面积 A1 0 40 m 2 定径管道布线机器人主体结构设计 19 4 补充的箱壳表面积 A2 0 35 m 2 5 润滑油温度 t1 45 6 周围空气温度 t2 20 7 损耗的功率 Ps 0 12 kW 8 能散出的功率 Pc 0 13 kW 满足 3 2 蜗杆轴的结构设计 蜗杆轴的设计要遵守它的设计原则 进行合理的设计 如果设计不合理 它不但会 增加整个机器人的安装难度 还会影响整个机器人的布线作业的可靠性能 因此 轴的 结构设计也成为本次设计的重点 设计轴的结构要考虑到很多东西 因此计算时要仔细 考虑所有影响条件因素 3 2 1 轴的结构设计 根据设计要求 得如下图 图 3 3 轴的基本尺寸参数 3 2 2 轴的强度较核计算 下面 我们从两个方面考虑并计算 从扭矩强度条件方面可以得出其扭转强度条件为 3 1 TTdn PW 32 095 定径管道布线机器人主体结构设计 20 表 3 1 轴的几种材料的 及 A 值T 0 确定直径 d 3 2 30333 2 095 2 095nPAnPTT 取 A 则 3 d 3 3 340 1 nP 6 0 5d 1 之 比 通 常 取与 外 径即 空 心 轴 的 内 经 轴的材料确定为 调质处理 各参数如下 Cr 70bMP 5sa 132 8a 将上边各参数代入上式 确实直径得 所以得 即轴的最小直md2 1 md2 1in 径为 11 2mm 按准则取 d5 12min 轴的截面上开一个键槽后 轴的强度就会降低 因此 应该加粗轴 即加大轴径 按要求的规格选取最后对所得的数值查表取整 从弯矩扭合成强度条件方面计算 受力分析后作出弯扭图如下 定径管道布线机器人主体结构设计 21 图 3 4 轴的载荷分析图 定径管道布线机器人主体结构设计 22 3 2 3 键的校核 键的选择类型很多 本次选择 A 型普通键 材料为 40 确定尺寸 mhb126 取 则L0 mm 30410IbbTKld 已知 K 0 5 h 3 各参数如下 5 0 K3hL7 表 3 2 许用应力参数 410 b 所以此键符合要求 定径管道布线机器人主体结构设计 23 4 弹簧的设计计算 弹簧在管道机器人整体中是一种弹性零件 在本次设计中 弹簧能有减振调节机器 人主体尺寸的作用 弹簧选择有很多种 这次就选择以圆柱螺旋压缩式弹簧设计计算 给出弹簧受力图如下图 4 1 所示 图 4 1 弹簧受力图 按上边计算所设计计算 管道机器人 40KG 计算 可得弹簧的最大压力为 409 832N 4 1 确定弹簧种类 并选择材料 根据孙志礼编的第二版机械设计课本 286 页 表 12 1 选择 选取弹簧第 3 类 C 级 碳素弹簧钢丝 4 2 弹簧的相关设计计算 求曲度系数 K 得 4 4c10 65 2 1 按照上述课本表 12 5 取 c 为 6 弹簧直径设计算式为 4 23921 56d1 3 4 8FK 2 选择 d 3 2mm 固定 则 固定 取 则 B mD 63 52 18 c 于是得 因此 K 定径管道布线机器人主体结构设计 24 4 2c3921 5 62d1 6 3 18 8FK 3 综上 理论值与实际值差不多 所以确定 D 为 18mm 所以md 得到 4 2 1 382 dD 4 应力验算得 计算初拉力式为 4 01Fk 5 可得 为 0 4 038DKd Mpa4 95 6 因此 取 时 计算结果满足要求 62 5 c 0 pa15 6 定径管道布线机器人主体结构设计 25 5 控制系统设计 5 1 关于控制系统 本次机器人系统由多个方面组成 如下图 5 1 图所示 其中控制系统要实 现管道布线机器人在远离人的条件下进行布线作业 操作人员就需要一套对机 器人的操作系统 就要通过控制系统对管道机器人在管道内的操作行为进行控 制 最终使机器人完成在管道内的布线行为 图 5 1 系统组成图 5 2 控制系统的设计 本次我所设计的管道布线机器人系统组成如下图 5 2 图所示 它由两部分 组成 包括上位机人机交互部分 还有下位机中机器人本体和软件的组合构成 连这个号又通过 TCP IP 进行连接通信 定径管道布线机器人主体结构设计 26 图 5 2 控制系统构成图 定径管道布线机器人主体结构设计 27 6 结论 在设计开始前 就了解了设计的基本任务 明确了本次设计的目的 本论 文在现有的管道布线技术及管道机器人技术的基础上 进行六点定位 三轮驱 动式管道布线机器人设计 让其能在管道内进行布线作业 通过本次毕业设计 取得不少成果 整个设计过程围绕管道布线机器人主体结构进行设计 先是确定了几个整 体方案 再进行择优选择 选择最佳方案后进行设计 由于设计要求中 管径 尺寸在一定范围内变化 因此 就要求机器人在管道内进行布线作业时 能够 适应管径的变化 同时 能够正常进行布线作业 这就要对管道适应管径变化 解决方案进行设计 包括各支腿单独调整 支腿整体调整组合方案的设计 外 对机器人整体尺寸的设计也是重点 因为管径在三百到五百毫米之间 这也就 要求对管道机器人各个零部件进行详细的设计计算 校核等 包括对蜗轮蜗杆 轴 链轮等进行设计计算 因为机器人行驶速度也要求限制 所以对传动系统 的选择也尤为重要 通过本次设计作业 将本科所学的理论知识得以联系实际实践设计 将所 学的知识进行综合运用 包括计算 制图查找资料 在设计过程中遇到问题 也通过所学的专业知识去一一解决 另外 也将所学的专业知识重新复习巩固 了一遍 定径管道布线机器人主体结构设计 28 参考文献 1 濮良贵 机械设计 M 高等教育出版社 2007 2 陆玉 机械设计课程设计 J 机械工业出版社 2006 3 余俊 机械设计 M 高等教育出版社 1997 4 徐灏 机械设计手册 M 机械工业出版社 1991 5 杨毅 数控加工的工艺设计 J 机械工程师 2001 6 邹青 机械制造技术基础课程设计指导教程 M 机械工业出版社社 2010 7 甘永立 几何量公差与检测 M 上海科学技术出版社 2001 8 机械设计手册编委会 机械设计手册 J 机械工业出版社 2004 9 吴宗泽 机械零件设计手册 M 机械工业出版社 2004 10 刘朝儒 高政一 机械制图 M 高等教育出版社 2000 11 王殿君 黄光明 管道机器人的研究进展 J 机床与液压 2008 4 185 187 12 邵琦 谢哲东 管道机器人的发展与展望 J 农业与技术 2016 36 5 173 175 13 费正佳 张磊 张继忠 王潇 履带式管道机器人的设计及仿真研究 J 青岛大学学报 2016 31 2 37 42 14 黄宝旺 张习加 李成群 管道清淤机器人驱动及控制系统的设计 J 机床与液压 2016 44 3 61 63 15 陈远伟 融合视觉和嗅觉的管道探伤机器人设计 J 科技创新与运用 2015 15 48 16 王智慧 一种管道机器人的机构设计 J 工业设计 2016 03 102 103 17 李国柱 段颖妮 韩佐军 田浩 管道机器人移动牵引机构设计 J 机 电一体化 2012 10 71 73 18 曹建树 曹振 徐宝东 基于 ADAMS 的管道机器人变径机构优化设 计 J 制造业自动化 2015 37 7 1 5 19 陈奕颖 管道机器人的发展现状及其趋势 J 科技创新与运用 2015 36 76 20 许冯平 管内机器人管径适应调节机构分析 J 2014 06 212 215 21 秦卫东 欧阳卫强 赵小军 TL 型履带式管道机器人双型控制系 统设计 J 九江学院报 2005 04 18 21 22 王毅 邵磊 管道检测机器人最新发展概况 J 天津理工大学自动化学院 2016 2 04 6 10 定径管道布线机器人主体结构设计 29 23 Bahadur Ibrahimov Development of a Decision Making Guide for Locomotion Design for In pipe Inspection Robots One Step towards Open Innovation in Robotics J 2016 49 29 24 Woongsun Jeon Inho Kim Jungwan Park Hyunseok Yang Design and control method for a high mobility in pipe robot with flexible links J Industrial Robot An International Journal 2013 Vol 40 3 pp 261 274 25 Luis A Mateos Markus Vincze DeWaLoP In pipe Robot Embedded System J 2012 45 22 27 29 26 Zhongwei Wang Qixin Cao Nan Luan Lei Zhang Development of an autonomous in pipe robot for offshore pipeline maintenance J Industrial Robot An International Journal 2010 Vol 37 2 定径管道布线机器人主体结构设计 30 附录 1 外文翻译 2016 届 IEEE 会议录 在机器人与仿生技术国际会议 青岛 中国 十二月 3 7 2016 通行能力与越障能力分析径向可调履带式管道机器人 Lei Zhang and Shan Meng 摘要 设计了一种具有径向可调特性的三轴驱动结构履带式管道机器人 机器 人的结构和工作原理介绍了可调机构的力学模型 建立了其受力状态 分析了 可调机构的力学性能给出了机器人的行走能力和越障能力以及机器人的驱动力 分析了牵引力和越障高度 这个样机实验结果表明 管道机器人本文设计的管 道具有良好的适应性环境 1 引言 无论是城市生活的排水和排气 还是石油 天然气等工业领域的物质输送 管道被广泛用作一种有效的运输工具 为了使管道 管道长期安全运行配备各 种传感器和操作的机器人机械设备检测 清洗 焊接等系列管道操作的人 1 3 作为研究热点 国内外 仅从驱动划分 管道机器人开发了轮式 履带 腿 爬行 像蛇和其他类型 4 7 然而 这不同类型的管道机器人有相应的不同管 道环境的限制 所以有对管道机器人的适应性提出了更高的要求管道环境 由于加工工艺和材料 有一些条件 如不规则形状管道断面与物理不一致 焊接引起的内壁特性和其他人类的原因 8 9 此外 使用过程中洼地或由腐蚀 锈 材料堆积和管道等其他原因 管道机器人在管道中行走会产生一定的影响 10 因此 管道机器人的行进能力在不同管径的适应性越障能力是研究的重 点 它是提高管道机器人适应管道恶劣工作环境的必要条件 基于履带和管道的大接触面积墙体具有稳定特性 由管道机器人的行走能 力及其适应性 管道环境 设计出了一种三轴跟踪管道径向可调机器人 并进行了机械可调机 构性能 行驶能力管道机器人和越障能力详细分析 2 管道机器人结构 机器人的整体结构如图 1 所示 主要是由履带驱动机构 可调机构与可拆 卸附加功率模块 三轴驱动机形成 120 空间对称分布 其驱动力由三台电机提供 另外 定径管道布线机器人主体结构设计 31 电机驱动驱动轮通过锥齿轮和齿轮组 用来驱动履带的旋转 通过控制三个电 机的旋转和速度的方向 机器人可以向前 向后和转向 这个可调式机构带动 丝杠穿过台阶电机 驱动并联连杆连接螺母调整三轴尺寸支承角 控制三轴比 例 所以当管道机器人行走和工作在管道在设计范围内 不仅可以改变尺寸机 器人的外径通过控制 也增加了履带与管道内壁之间的正压力 以改善机器人 的运动特性不同的姿势 额外的电源模块为机器人提供电源 满足机器人在管 道无缆操作的需要 在操作较短的时间情况下 也可以删除额外的电源模块 使用便携式锂电池降低体重 图 1 机器人结构图 3 机械性能可调机制 1 调节机制 图 2 可调机构的力学分析 定径管道布线机器人主体结构设计 32 可调式机构采用螺母和平行连杆与驱动连接适应不同管道需要的机构直径 因此 管道机器人在管道中行走时 可跟踪的可调机构密切相关对管道壁产生足够的附着力 稳定驱动管道机器人向前或向后 其基本原理如图 2 所示 当螺母管道机器人穿越障碍物时管道壁需要有适当的正压驱动机制 因此 电机可 以调节螺杆螺母的实时性要求高 所以电机精度要求高 根据精确角位移和步进电机的 非累积误差 电机选择与丝杠连接的步进电机通过耦合 采用光电编码器测量步进电机 的旋转次数和旋转角度计算螺杆螺母在加工过程中的范围准确 组件由连接驱动棒 BC 固 定在螺母上 改变相应的 和 的角度大小 由于平行的特殊连杆 前和后组件有同 样的动作 也使得空间对称分布三轴可同时膨胀或缩小 使目前可以计算管道直径 同 时 在螺母上的压力传感器可以收集管道跟踪压力值反馈正压与设定值之差步进电机的 旋转方向控制形成闭环控制 确保有一个适当的管道机器人履带与履带机器人之间的压 力管道内壁 不仅避免了阻碍运动的跟踪 电机锁定转子和跟踪磨损造成的压力过大 也解决了周压不足或牵引力不足的问题即使是管道壁的跟踪 以提供稳定和机器人可靠 的驱动力 2 可调机构的机械性能 由于机器人可调机构的对称性 只需要分析驱动机构 设置螺母的中心到 O 点 坐 标系是如图 2 所示 X 轴是管道的中心轴线机器人 Y 轴是通过 O 和 O 的中心轴对称平面 图 2 中的参数设置如表 1 所示 表一 参数设置表如图 2 参数 参数含义 N 管道壁产生正压驱动机构跟踪 F 螺杆螺母在部件上的受力 组分夹角 L1 L2 L3 L4 BC AC 和 AO 杆分别的长度 T0 步进电机轴输出扭矩 T 丝杠轴的有效扭矩 h1 h2 h3 垂直距离 如果整个履带驱动机构被视为整体质量均匀分布 图 2 显示几何关系 定径管道布线机器人主体结构设计 33 微分方 程 1 根据虚 功原理 将方程 2 代入方程 3 正压可调机构生产 如果螺旋螺母的螺距为 P 相对旋转丝杠和螺母之间的 角度 所螺杆螺母的位移 为 因此 螺杆位移的关系螺母和管道直径 D 可以计算方程 6 由微分方程 5 螺母传递效率的 表示 根据虚得 定径管道布线机器人主体结构设计 34 将方程 4 和 7 代入方程 8 可获得螺母的扭矩调节 如果履带和管道壁的摩擦系数用 机器人的牵引力 FQ 可表示为 可以知道 机器人的牵引力与结构角度 摩擦系数 长度组件 丝杠螺距等 特别 是 它与步进电机的转矩密切相关 因此 根据牵引的大小 机器人的系统的运行速度 和传输效率选择合适的电机 在一定功率的情况下 步进电机的转速与电机的转速成反 比扭矩 所以如果要获得良好的牵引力 可以降低速度步进电机适当 4 通行能力分析越障能力管道机器人 1 调整扭矩分析 当机器人准备在管道中工作时几何中心点 O0 不与几何一致管道的中心 O 在这种情 况下 有必要调整可调式机构 使驾驶跟踪与管道内壁接触的机制使两条中心线重合 在这个过程中调整扭矩主要是克服重力 并克服两下驱动机制的侧滑 当三足驱动机制 已经与管道壁接触并产生适当的正压力时 机器人设计了牵引力 并调节力矩主要由牵 引力决定指数 当机器人的姿态角为 0 时 输出调节电机转矩达到最大值 因此 只要分析这种情 况 最大调节力矩可以是得到的 分析调整力矩图 克服重力和侧滑的如图 3 所示 管道中心表示为 O 机器人中心表 示为 O0 的管道直径的长度表示为 d 电流驱动轮的分布半径表示为 R 机器人的 重力表示为 G Nb NC 均为正压管道壁分别为机器人的两轴 工作可以通过调整电机来 克服重力 定径管道布线机器人主体结构设计 35 图 3 重力调整力矩分析图 从图 3 得 也从图 2 中得 也从图 2 中得 由虚功原理得 调节转矩克服侧滑可得 通过比较方程 10 和 16 可以看出调整力矩几乎由牵引力决定指数方程 10 定径管道布线机器人主体结构设计 36 2 机器人在管道中的受力分析 机器人在管道中的受力分析图如图 4 所示 是上部轴之间的夹管道和水平正方向 作为态度机器人角 由于机器人结构的对称性只要研究从 0 到 120 的姿态角 一般来 说 机器人的主体与中心是重合的坐标 表示为 O 机器人的重力被表示为 G NA Nb NC 是管道壁 的正压到三轴机器 人 X 轴和 Y 轴的力平衡显 示 图 4 管道机器人在管道中 的受 力图 3 越 障能力分析 管道机器人存在两个主要障碍 一是台阶式障碍物 另一类是沟式障碍 当沟型障碍 物尺寸大时 可以分上下两步行动 所以机器人的越障能力主要表现为攀登步骤 由于管道机器人的速度非常小遇到障碍 静态分析可以用来分析应力情况如图 5 所示 力点之间前轮和地面被障碍物所取代遇到障碍时支点 图 5 中的参数设置如表 2 所示 图 5 机器人越障的力图 表二 图 5 参数设置表 定径管道布线机器人主体结构设计 37 参数 参数含义 O 机器人重心 F1 F2 前后轮的反作用力 f1 f2 前后轮的摩擦力 H1 H2 前后轮的驱动力 d 车轮直径 h 障碍物高度 车轮上障碍物反作用力与水平方向的夹角 机器人越障的最大阻力 力的平衡 假设最大的推力和阻力可以表示近似 其中 H 是 H1 和 H2 的向量和 f 是向量 1 和 F2 的总和 F 是 F1 和 F2 的向量和 由方 程 18 21 可以得到 其中 和 a 的大小可用 H 和 D 表示 机器人越障的成功条件是电机的输出力矩大于障碍物的阻力矩 定径管道布线机器人主体结构设计 38 相反 如果已知电动机的输出转矩 就可以计算机器人的最大障碍高度 H 根据这种 方式其他障碍类型可以一个一个分析类比 通过分析 其他遇到的阻力最大的障碍类型 小于上述 所以分析越障是基本要求 5 实验 管道机器人的原型 如图 6 所示 该原型可以适应管道从 200mm 到 300mm 直径 它的长度为 340mm 和总质量约为 4kg 同样 与并联连接的调整模式连杆和螺母 机 器人可以扩展 以适应不同直径的直径 以满足需要 如果更换其平行连杆和丝杠 实验选用直管道直径为 250mm 进行机器人的牵引试验 临界摩擦系数 0 4 机器 人 90 角 1 机器人牵引实验 固定力传感器连接到机器人的末端 控制机器人在直线管道中向前移动 直到机器人 无法在接触面上进行跟踪滑动 此时 测得的力值传感器是机器人在接触面上的最大牵 引值 实验数据如表 3 所示 最大牵引力值是 124 5n 机器人牵引实验显示在图 7 牵引试验数据表 牵引试验结果 n 类型的界面 摩擦系数 1 2 3 平均值 n PVC 管道 0 38 124 8 122 5 126 2 124 5 图 2 中零件的尺寸 L1 L2 60mm 80mm L3 50mm L4 为 160mm 丝杠螺距 P 5mm 转换效率 0 6 步进电机的 T 0 4n m 扭矩 牵引力的大小由方程 11 FQ 128 87n 几乎与实际结果没有间隙 由于调节机构是多参数相互制约的多参数系统 每个参数的微小误差都会导致最终结果的变化 分析误差源主要来自摩擦系数测量误差 与电机传动效率 由于测量仪器在实际过程中测量这两个值时要求较高 所以允许一定 的误差范围 2 越障能力实验 将该障碍物置于直线管道驱动机构的履带前 通过越障实验 增加障碍物的高度 直 至机器人无法通过 在这个时候 用卡尺 精度为测量障碍物的高度 机器人障碍指示 器可以测量 障碍攀登能力的实验如图 8 所示 定径管道布线机器人主体结构设计 39 实验测量表明 当三轴驱动机构与管道壁接触紧密时 机器人的最大高度可以达到 8mm 表明机器人具有良好的越障能力 从方程 22 和 25 中可以看出 如果此时 履带和管道壁之间的接触力适当降低 机器人可以获得更大的越障性能 6 结论 管道机器人在恶劣环境下的行走能力和越障能力是主要的性能评价指标 可调采用 螺旋螺母和并联连杆机构 使履带式管道机器人对不同管径的管道具有较好的适应性 这不仅使机器人获得一定的障碍攀登性能 同时避免电机过载损坏 分析了可调机构的 力学特性和机器人的牵引力 重点研究了机器人的行走能力和越障能力 描述了各种参 数对越障能力的影响 实验验证了该机器人具有良好的牵引性能和一定高度的爬障能力 总之 这种管道机器人具有实际应用价值 参考文献 1 YIN Qi hui KONG Fan rang Crossing ability analysis of triaxial differential pipeline robot Journal of Mechanical Electrical Engineering 2012 29 12 1371 1375 2 ROH S G CHOI H R Differe