1本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）論文題目：管道爬行器的研究與設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 所在院系： 機(jī)電學(xué)院所學(xué)專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化導(dǎo)師姓名： 完成時(shí)間：2摘 要本課題是在對(duì)管道爬行器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)研究分析的基礎(chǔ)上。本次設(shè)計(jì)在Solidworks 的基 礎(chǔ)上構(gòu)建管道爬行器的若干套三 維 造型，然后依據(jù)要求進(jìn)行選擇。最終方案采用列車連接結(jié)構(gòu),伸縮結(jié)構(gòu)和“傘” 型結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)管道內(nèi)部的彎道和大范圍內(nèi)徑變化管道。通過電 氣控制，使各 電機(jī)順序 動(dòng)作以完成通過十字型和丁字型等較復(fù)雜的管道,通過新型吊環(huán)的調(diào)節(jié)始終保持?jǐn)z像裝置與水平面的平行。對(duì)管道爬行器的控制要求，采用常規(guī)的電氣控制分析方法設(shè)計(jì)電氣部分的控制電路，最 終方案采用人工控制 電機(jī)的順序動(dòng)作進(jìn)行管道內(nèi)的轉(zhuǎn)彎，里程計(jì)反饋信息與管道工程圖相結(jié)合的方法來進(jìn)行爬行器的定位。為研究管道爬行器打下了一定的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：自適應(yīng)性，伸縮結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑 變化，新型吊 環(huán) ，Solidworks3The research and design of piping crawl robotAbstractThe question for discussion base on the structure of piping crawl robot an-d the moving investigation'analyze. This project bases on Solidworks to concei-ve some 3D sculpt of crawl r-obot, then by requestion carry through choose. The final scheme adopt the structure about train and flex structure and umbrellastructure, for the sake of adapting tothe pipeline that can change radius in gr-eat range. And succeed overpassing crossmodel and t-shaped model complicatedpiping by the sequentially-operation of the electric motor ,and always can keepparallel state between vidicon setting and horizontalgeby adjusting by the newfiying rings system.Gave the request for the contral of piping crawl robot. Ad-opt nomothetic approach about electrical control analysis for control circuit des-ign ofelectric parts.The final project adopt the manual control the electr-ic mot-or’s sequentially-operating make the machine pass the curved conduit.To adopt the way which use milemeter feedback information couple with piping’s sched-ule drawing for allocation.The paper lays the theoretic foundation for research piping crawl robotKeywords: From the adaptability, Flexible structure, Inside the path variety,New fiying rings system,Solidworks4目 錄1 緒論 12 設(shè)計(jì)方案初步分析 22.1 無線控制與有線控制的選擇 .22.1.1 有線控制及拖拽 .22.1.2 非拖曳 .22.2 驅(qū)動(dòng)方式選擇 .22.2.1 輪式爬行 .22.2.2 履帶爬行 .32.3 姿態(tài)調(diào)整的選擇 .32.3.1 加傳感器的關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)整 .32.3.2 利用吊籃方式進(jìn)行調(diào)整 .42.3.3 采用新式吊籃進(jìn)行調(diào)整 .42.4 自適應(yīng)分析 42.4.1 伸縮臂長(zhǎng)和加彈簧方式 .52.4.2 伸縮臂長(zhǎng)和“ 傘” 型搖 桿 .52.5 方案的基本確定 .53 方案一的 設(shè)計(jì)與分析 53.1 機(jī)身的設(shè)計(jì) .63.2 機(jī)腿的設(shè)計(jì) .63.2.1 伸縮單元 .73.2.2 變長(zhǎng)單元 .83.2.3 關(guān)節(jié)單元 .83.3 驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì) .83.4 方案一的分析 .94 方案二的 設(shè)計(jì)與分析 94.1 機(jī)身的設(shè)計(jì) .94.2 機(jī)身內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .94.3 進(jìn)給螺桿與螺母的設(shè)計(jì) .104.4 吊籃的設(shè)計(jì) .104.5 機(jī)腿的設(shè)計(jì) .114.6 方案二的分析 .1155 方案三的設(shè)計(jì)與分析 125.1 機(jī)身的設(shè)計(jì) .125.2 機(jī)身內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .135.2.1 進(jìn)給絲杠和螺母的設(shè)計(jì) .135.2.2 選擇聯(lián)軸器 .175.2.3 選擇鍵 .175.3 吊環(huán)的設(shè)計(jì) .185.4 軸承的設(shè)計(jì) .185.5 機(jī)腿的設(shè)計(jì) .195.6 驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì) .195.7 管道爬行的實(shí)現(xiàn) .205.8 管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎的實(shí)現(xiàn) .205.9 總體裝配體設(shè)計(jì) .216 管道爬行機(jī)器人的功能分析 217 管道爬行機(jī)器人的動(dòng)作分析 228 電氣控制基本元器件的選取 228.1 電機(jī)的參數(shù)計(jì)算與選取 .228.1.2 驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的參數(shù)計(jì)算 .228.1.3 主電機(jī)參數(shù)計(jì)算 .238.1.4 機(jī)器人動(dòng)力源的選取 .248.2 電源的選取 .248.3 電機(jī)調(diào)速元件的選取 .258.3.1 串聯(lián)電阻調(diào)速方法的實(shí)現(xiàn) .258.3.2 新型調(diào)節(jié)脈寬 PWM 型調(diào)速的實(shí)現(xiàn) .268.3.3 電機(jī)調(diào)速方法的確定及元件的確定 279 電路設(shè)計(jì) 289.1 輪足電機(jī)動(dòng)作的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的電路設(shè)計(jì) .289.2 前后傘足的張開閉合電路設(shè)計(jì) .289.3 電機(jī)部分總電路設(shè)計(jì) .299.4 電機(jī)順序動(dòng)作的電路設(shè)計(jì) .309.4.1 人為控制 .309.4.2 邏輯控制 .309.4.3 單片機(jī)/PLC 進(jìn)行自 動(dòng)控制 .319.5 照明系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) .3269.6 管道內(nèi)機(jī)器人定位系統(tǒng)（PDPS）的設(shè)計(jì) .339.6.1 爬行器管道內(nèi)定位方案的提出與分析 .339.6.2 機(jī)器人定位系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計(jì) .3510 結(jié)論 3611 結(jié)束語 37致謝 38參考文獻(xiàn) 3811 緒論隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，天然氣管道以及各種輸送管道的應(yīng)用越來越多。在我國(guó)及世界各個(gè)國(guó)家內(nèi)，由于地形的限制和土地資源的有限，在地下都埋設(shè)了很多的輸送管道，例如，一方面天然氣管道、石油管道等，在埋有管道的地面上都已經(jīng)建成了很多的建筑物、公路等， 給管道的維修和維護(hù)造成了很大的困難。當(dāng)這些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等問題時(shí)，人 們普通的做法是挖開道路進(jìn)行維修，有些時(shí)候如果不能準(zhǔn)確判斷泄露和堵塞的具體位置時(shí)，會(huì)浪 費(fèi)很多的時(shí)間和精力，同時(shí)降低了工作效率 [7]。另一方面石油、天然氣、化工、電 力、冶金等工業(yè)的管道工程大多采用焊接管路。為了保證焊接管路的焊接質(zhì)量和運(yùn)行安全,管道工程都要對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)焊接部位是否存在虛焊、漏焊、傷 痕等焊接缺陷。常用的焊縫檢測(cè)方法是采用無 損檢測(cè),如超聲、射 線、渦流等。對(duì) 于管路檢測(cè),則大多采用管道內(nèi)爬行探傷檢驗(yàn)設(shè)備(簡(jiǎn)稱爬行器) 對(duì)焊縫進(jìn)行射線檢測(cè)。這類爬行器由于受管道尺寸的限制,大多結(jié)構(gòu)十分緊湊。在檢測(cè)過程中,爬行器在其控制系統(tǒng)的控制下,可連續(xù)對(duì)同一管道不同位置上的焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)?？?慮管道焊縫檢測(cè) 的效率,常常當(dāng)管道焊接具有一定長(zhǎng)度之后,才集中對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)。如果一次要 檢測(cè)的管道比較長(zhǎng),爬行器的控制系統(tǒng)應(yīng)采用車載式布置。使用時(shí),通過外部的控制器對(duì)爬行器上的控制系統(tǒng)發(fā)出指令,決定爬行器的工作狀態(tài)。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，以及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和管道測(cè)試等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相互之間的滲透程度越來越深，管道爬行機(jī)器人是在狹窄空間中進(jìn)行精密操作、檢測(cè)或作業(yè)的機(jī)器人系統(tǒng)。其中機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境一般是危險(xiǎn)的?；鹆Πl(fā)電廠、核電廠、化工廠、民用建筑等用到各種各小管道，其安全使用需要定期檢修。但由于窄小空間 的限制，自 動(dòng)維修存在一定 難度。 僅以核電站為例，檢查時(shí)工人勞動(dòng)條件惡劣。因此管道內(nèi)機(jī)器人化自動(dòng)檢查技術(shù)的研究與應(yīng)用十分必要。人們不再為了維修、維護(hù)管道時(shí)挖開道路，節(jié)省了大量的人力，物力和財(cái)力。目前的管道機(jī)器人都是以履帶、輪子等實(shí)現(xiàn)在管道中的移動(dòng)，其技術(shù)有著或多或少的缺陷，市場(chǎng)尚不成熟。例如：不能適應(yīng)大范 圍的管道內(nèi)徑變化，運(yùn)行中姿態(tài)的調(diào)整不夠理想，在十字型、丁字型等較復(fù)雜的管道內(nèi)徑中不能較平穩(wěn)的通過等等；結(jié)合目前管道機(jī)器人所存在的缺點(diǎn)，應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理等專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)出了新型管道爬行機(jī)器人。此機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的管道內(nèi)徑變化，順利通過十字型、丁字型等較復(fù) 雜管道；在運(yùn)行中的姿態(tài)調(diào)整也得到了較好的解決。22 設(shè)計(jì)方案初步分析2.1 無線控制與有線控制的選擇2.1.1 有線控制及拖拽該方式采用機(jī)器人尾部裝夾電纜、信號(hào)線、安全繩、其他 電路等等，這樣會(huì)造成機(jī)器人的牽引力增大，對(duì)爬行器的負(fù)載力和足輪的摩擦力提出了更高的要求，尤其是隨著機(jī)器人的深入，牽引繩會(huì)成為機(jī)器人的累贅和枷鎖。 牽引繩的長(zhǎng)短禁錮著機(jī)器人的爬行深度。其優(yōu)缺點(diǎn)如下：缺點(diǎn)：附著力會(huì)不斷增大，爬行器負(fù)載變化大，不利于長(zhǎng)距離爬行。優(yōu)點(diǎn)：爬行器本身初始載重?。ū旧聿恍钄y帶能源等），信息反饋及時(shí)清晰，利于后期觀察，也利于實(shí)現(xiàn) 在線監(jiān)控。 觀察結(jié)束時(shí)，可人工使用安全繩退出。2.1.2 非拖曳該方式不需跟隨電纜線，本身有拍攝存儲(chǔ)功能，并且本身攜帶電源等，其 優(yōu)缺點(diǎn)如下：缺點(diǎn)：爬行器本身載重加大，需設(shè)計(jì)爬行器退出管道方式等。優(yōu)點(diǎn)：爬行器載重恒定，便于爬行器爬行。其在管道內(nèi)行進(jìn)方便，尤其在彎道時(shí)，拖曳式的過大的牽引力會(huì)使爬行器驅(qū)動(dòng)輪打滑，不易通過。根據(jù)要求，非拖曳雖有自己強(qiáng)大優(yōu)點(diǎn)，但爬 行器在管道內(nèi)出現(xiàn)問題而不能移動(dòng)時(shí)，需要花費(fèi)很大力氣將爬行器取出。可以選擇有線拖拽式。2.2 驅(qū)動(dòng)方式選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求現(xiàn)擬訂 2 種爬行器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案（如圖 1，2）：圖 1 輪式爬行 圖 2 履帶式爬行32.2.1 輪式爬行設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)便，成本低廉。但其穿越障礙能力差，只能穿越高度小于其本身半徑的障礙物。如圖 3。圖 3 輪式爬行越障2.2.2 履帶爬行越障礙能力高于輪式爬行，但本身設(shè)計(jì)制造較復(fù)雜，成本相應(yīng)提高（一個(gè)支點(diǎn)最少需 4 輪才可以爬行） [3]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求本機(jī)器人是在管道內(nèi)行走的機(jī)器人，無需考慮臺(tái)階等障礙物的問題，盡量降低成本，在不影響設(shè)計(jì)本身功能時(shí)，盡可能采用制造工藝簡(jiǎn)單，成本低的設(shè)計(jì)方案?？梢圆捎幂喪脚佬?。2.3 姿態(tài)調(diào)整的選擇根據(jù)要求結(jié)合可行性，可以擬定 3 種方案如下：2.3.1 加傳感器的關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)整在管道爬行時(shí)會(huì)出現(xiàn)爬行器偏移原來軌道，可用傾斜傳感器進(jìn)行控制?，F(xiàn)擬訂采用改變輪子（履帶）前進(jìn)方向一定角度來進(jìn)行矯正（加關(guān)節(jié)）。其原理為：通過電磁鐵的吸合，從而控制爬行器的爬行軌跡。關(guān)節(jié)單元裝配圖如圖 4：圖 4 關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)4通過關(guān)節(jié)調(diào)整可實(shí)現(xiàn)如圖 5：圖 5 關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)2.3.2 利用吊籃方式進(jìn)行調(diào)整在爬行器內(nèi)安裝吊籃（內(nèi)置攝像觀察裝置）。當(dāng)爬行器偏斜時(shí)，吊蘭因?yàn)楹蜋C(jī)座為鉸鏈連接，保留一個(gè)自由度，由于重力的原因不會(huì)隨著爬行器偏斜而偏斜，而是在任何時(shí)候都垂直與地面。其在爬行器內(nèi)遇到傾斜時(shí)的自動(dòng)調(diào)節(jié)如圖 6。通過吊籃式調(diào)節(jié)，攝像裝置始終保持與水平面平行圖 6 吊籃式的實(shí)現(xiàn)2.3.3 采用新式吊籃進(jìn)行調(diào)整根據(jù)吊籃的原理，結(jié)合魯班的榫卯結(jié)構(gòu)，可以采用 2 個(gè)偏心 圓環(huán)相扣，進(jìn)行重力自由調(diào)節(jié)，其原理如 圖 75如圖 7 小環(huán)直徑為 150mm，大環(huán)直徑為 250mm，大環(huán)與小環(huán)相切，小 環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)并不能帶動(dòng)大環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并且大 環(huán)會(huì)由于重力的作用始終與地面保持平行?？梢栽诖蟓h(huán)上安裝照 明器件和信號(hào)采集器件，是它們能夠與地面保持平行。根據(jù) 這種思路，可以 3D 造型，進(jìn)行新式吊籃調(diào)節(jié)如圖 8,圖 9。 2.4 自適應(yīng)分析2.4.1 伸縮臂長(zhǎng)和加彈簧方式大范圍內(nèi)徑變化（400-1100）在支撐臂上添加變長(zhǎng)桿，小范圍內(nèi)在支撐臂上添加彈簧。2.4.2 伸縮臂長(zhǎng)和“傘”型搖桿在 400—1100 大范圍內(nèi)的管道中爬行，可通過使支架伸縮來改變。在管道直徑改變不大處爬行，十字型、丁字型等較復(fù)雜管道內(nèi)徑 時(shí)可通過“ 傘”型搖桿閉合控制支撐臂移動(dòng)以適應(yīng)，通 過“傘”型搖桿與伸縮桿的結(jié)合就可以變換出很多適應(yīng)圖 7 吊環(huán)原理圖圖 8 吊籃分裝圖 圖 9 吊籃裝配圖6不同管道內(nèi)徑的條件。以上 2 方案各有其優(yōu)點(diǎn)，相比較下，第 2 種方案更符合要求，但其需要獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)單元，因此制造成本 遠(yuǎn)高于第 1 種方案。在普通情況下，第 1 種方案足可以適應(yīng)。故再做出三維造型后 進(jìn)一步進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。2.5 方案的基本確定通過以上分析，初步確定采用有線拖拽式，但姿 態(tài)調(diào)整和自適應(yīng)均存在 3 種不同的方案可供選擇，故設(shè)計(jì) 3 種總體方案再進(jìn)一步分析。方案一：姿態(tài)調(diào)整采用關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)，自適應(yīng)采用變長(zhǎng)桿和彈簧。方案二：姿態(tài)調(diào)整采用吊籃方式，自適應(yīng)采用伸縮臂和“ 傘”型張合結(jié)構(gòu)。方案三：姿態(tài)調(diào)整采用新式榫卯吊籃方式，自適應(yīng)采用伸縮臂和“ 傘”型合構(gòu)。3 方案一的設(shè)計(jì)與分析綜合設(shè)計(jì)方案一如圖 9.本方案基本有 3 部分組成，1 機(jī)身、 2 機(jī)腿、3 驅(qū)動(dòng)輪 。7圖 9 方案一的三維效果圖3.1 機(jī)身的設(shè)計(jì)可裝載各種探測(cè)設(shè)備等，如圖 10。圖 10 機(jī)身 3.2 機(jī)腿的設(shè)計(jì)由 9 部分組成，其三維圖與爆炸圖如圖 11。機(jī)腿可分為 3 個(gè)單元：伸縮單元（1-5）、變長(zhǎng)單元（6）、關(guān)節(jié)單元（7-10）。通過螺紋連接。其爆炸圖如圖 11。三維轉(zhuǎn)配圖如圖 12。圖 11 機(jī)腿的爆炸圖3.2.1 伸縮單元1-5 部分 組成的伸縮單元依靠彈簧的彈性變形以適應(yīng)小范圍內(nèi)的管道直徑變化和越障。其三維圖 如圖 13。83.2.2 變長(zhǎng)單元 6 為變長(zhǎng)桿，可以人為的更換（增長(zhǎng)或縮短）以適應(yīng)管道直徑的大范圍變化。其三維圖如圖 14。3.2.3 關(guān)節(jié)單元7-10 部分 組成關(guān)節(jié)單元，7、 9 上均裝有電磁鐵，7、8，8、9 之間用螺母和繞簧固定。各部位三維圖如圖 15。關(guān)節(jié)單元用于爬行器的姿態(tài)調(diào)整。其原理為∶通過傾斜傳感器對(duì)爬行器進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)爬行器偏移其原軌 道， 傾斜傳感器發(fā)出電信號(hào)，此時(shí) 7 或 9 上的電磁鐵得電，吸合 8，促使輪子向左或右傾斜，以校正爬行器。在爬行器被校正后，傾斜傳感器發(fā)出信號(hào)，使電磁鐵 斷電，在 繞簧的作用力下，使關(guān)節(jié)各部位復(fù)位。圖 12 機(jī)腿裝配圖圖 13 伸縮單元三維圖圖 14 變長(zhǎng)桿9圖 15 關(guān)節(jié)單元零件圖爬行器正常前進(jìn)。7、9 分別用于爬行器的左、右校正。3.3 驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)輪由 5 部分組成，如圖 16圖 16 驅(qū)動(dòng)輪三維圖與爆炸圖(1)聯(lián)接塊用于與 驅(qū)動(dòng)輪與關(guān)節(jié)單元的聯(lián)接。(2)電動(dòng)機(jī)箱安裝步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)或勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)。用以驅(qū)動(dòng)輪子。3.4 方案一的分析優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低廉，對(duì)管道內(nèi)徑變化不大和彎道較少時(shí)基本能滿足設(shè)計(jì)要求。缺點(diǎn)：該爬行器在爬行器由于機(jī)身是長(zhǎng)方體，在管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎時(shí)，會(huì)出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象，在爬行十字型、丁字型管道內(nèi)徑時(shí)會(huì)出現(xiàn)在機(jī)腿卡在管道中，驅(qū)動(dòng)輪懸空等情況；但該種情況，一般當(dāng) 輪子半徑大于管道壁厚，也能順利通過。4 方案二的設(shè)計(jì)與分析根據(jù)方案一的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，增加必要改良元素，現(xiàn)設(shè)計(jì)出方案二，如 圖1017。本方案由 3 部分組成：1 機(jī)身， 2 機(jī)腿，3 驅(qū)動(dòng)輪 。圖 17 方案二的三維圖4.1 機(jī)身的設(shè)計(jì)機(jī)身設(shè)計(jì)成筒狀機(jī)身和其他部件組成。如圖 18.圖 18 機(jī)壁三維圖4.2 機(jī)身內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)身內(nèi)部主要完成“ 傘” 足的 張合傳動(dòng)，以及吊籃的安裝。如圖 19。11圖 19 機(jī)身內(nèi)部三維圖4.3 進(jìn)給螺桿與螺母的設(shè)計(jì)為使機(jī)腿伸縮，采用螺旋傳動(dòng)， 該類型傳動(dòng)是利用螺桿（絲杠）和螺母組成的螺旋副來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。在爬行器中其工作原理為：進(jìn)給螺桿在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從而使螺母進(jìn)行水平移 動(dòng)。螺母用來推 動(dòng)機(jī)腿的伸縮，使爬行器 進(jìn)行自適應(yīng)伸縮如圖 20。圖 20 絲杠螺母運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖4.4 吊籃的設(shè)計(jì)吊籃的活動(dòng)關(guān)節(jié)采用圓柱銷，采用間隙配合，以保證吊籃的左右移動(dòng)。其機(jī)構(gòu)圖如圖 21，22。12其工作原理為，在重力的作用下。吊籃通過活動(dòng)關(guān)節(jié)始終保持與地面的水平?；顒?dòng)關(guān)節(jié)由一活動(dòng)銷聯(lián)結(jié)。吊 籃通過螺母固定在機(jī)身上。圖 21 吊籃三維圖 圖 22 吊籃示意圖4.5 機(jī)腿的設(shè)計(jì)機(jī)腿的三維造型如圖 23圖 23 機(jī)腿三維圖機(jī)腿通過關(guān)節(jié) 1、2、3 的伸縮進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。連接桿與推 動(dòng)盤連結(jié)。連接桿與關(guān)節(jié) 3 采用鉸接。為適 應(yīng)管道最大內(nèi)徑 1100mm 的調(diào)節(jié)，關(guān)節(jié) 1 尺寸為200mm，關(guān)節(jié) 2 尺寸為 150mm，關(guān) 節(jié) 3 尺寸為 100mm。4.6 方案二的分析優(yōu)點(diǎn)：能夠采用伸縮桿適應(yīng)大范圍管道內(nèi)壁直徑變化， “傘”型結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)管道內(nèi)一定范圍的轉(zhuǎn)彎，牽引力大，結(jié)構(gòu)緊湊，控制 簡(jiǎn)單 。13缺點(diǎn)：由于機(jī)身為一個(gè)圓筒（整體，過長(zhǎng)），不能完全適應(yīng)彎道的轉(zhuǎn)彎。吊 籃安裝在機(jī)身內(nèi)部，安裝復(fù)雜，并且吊籃在內(nèi)部，不能采用攝像頭觀察管道內(nèi)壁的情況。機(jī)身的制造復(fù)雜，孔系較多。5 方案三的設(shè)計(jì)與分析根據(jù)方案一，二的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合整理資料，經(jīng)過反復(fù)修改，提出新的設(shè)計(jì)思路，先設(shè)計(jì) 出方案三，如圖 24。本方案有 3 部分組成， 1 機(jī)身、2 機(jī)腿、3 驅(qū)動(dòng)輪。圖 24 方案三的三維圖5.1 機(jī)身的設(shè)計(jì)機(jī)身主要有兩部分構(gòu)成，即前機(jī)身和后機(jī)身，對(duì)于管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎的為題，我 們可以借鑒火車的節(jié)裝結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出有兩節(jié)機(jī)身組成的機(jī)車型爬行器，減小機(jī)身長(zhǎng)度，有利于機(jī)器人順利通過彎道， 為減輕重量，機(jī)身材料選用硬鋁。5.1.1 機(jī)身組成結(jié)構(gòu)爬行器爬行最小內(nèi)徑為 450mm，爬行最大內(nèi)徑 1100mm。設(shè)計(jì)機(jī)身內(nèi)徑為150mm，外徑為 200mm 機(jī)壁厚度最小處為 10mm。機(jī)壁與機(jī)腿之 間只是做簡(jiǎn)單的伸縮動(dòng)作，前后機(jī)身可以采用旋轉(zhuǎn)鉸鏈連接故采用 GB119-83 A5X40，采用間隙配合。其前后機(jī)身三維圖如圖 25 ，圖 26。14圖 25 前主體三維圖 圖 26 后主體三維圖5.2 機(jī)身內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)為機(jī)腿運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在這里運(yùn)用 絲杠和螺母結(jié)構(gòu)完成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。并推動(dòng)機(jī)腿的張合。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 275.2.1 進(jìn)給絲杠和螺母的設(shè)計(jì)為使機(jī)腿伸縮，采用螺旋傳動(dòng)，該類 型傳動(dòng)是利用螺桿（ 絲杠）和螺母組成的螺旋副來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng) 和動(dòng)力。在爬行器中其工作原理為：進(jìn)給螺桿在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從而使螺母進(jìn)行水平移動(dòng)。螺母用來推動(dòng)機(jī)腿的張合，使爬行器進(jìn)行自適應(yīng)張合。A 初步確定螺桿桿軸的最小軸徑 按《機(jī)械設(shè)計(jì)》式 15-2 初步估算絲桿軸的最小軸徑，選取材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 15-3 取 A0=112 初步設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速為 30r/min圖 27 絲杠螺母裝配圖15=112 =15.28mm (1)30PdAn??3890式中，P 可根據(jù)主體 電機(jī)取 P=89W n=30r/min B 求取 軸向力按照自鎖條件先求出當(dāng)量摩擦角，查《機(jī)械設(shè)》表 5-12 知螺旋副材料中鋼對(duì)鋼的摩擦系數(shù) ，取中間值 0.15，則當(dāng)量摩擦角0.1~.7s??則 40tan8.620FN????軸在此按最大值計(jì)算，取 F軸 ＝C 耐磨性 計(jì)算滑動(dòng)螺旋的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動(dòng)速度、螺紋表面粗糙度以及潤(rùn)滑狀態(tài)等因素有關(guān)。其中最主要的是螺紋工作面上的壓力，壓力越大，螺旋副 間越容易形成磨損。因此，滑動(dòng)螺旋的耐磨性計(jì)算，主要是限制螺紋工作面上的壓力 p，使其小于材料的許用 壓力 。??p假設(shè)作用于螺桿的軸向力為 F（單位為 N)，螺紋的承壓面積（指螺紋工作表面投影到垂直于軸向力的平面上的面積）為 A（單位為 ），螺紋中徑為2m2d（單位為 mm），螺紋工作高度為 h（單位為 mm），螺紋螺距為 P（單位為 mm），螺母高度為 H（單位為 mm），螺紋工作圈數(shù)為 ，則螺紋工作面上的耐磨性/uH?條件為上式可作為校核計(jì)算用。將 代入上式整理后得/d??a 計(jì)算螺桿中徑查《機(jī)械設(shè)計(jì)》第 97 頁，由于工作圈數(shù)不多，故取查《機(jī)械設(shè)計(jì)》第 97 頁表 5-12 取 則0.15'rctarctn8.3osos2????????22FPppAh????2???20.8FdP??1?1.5??(2)(3)(4)16因?yàn)榘醇羟袕?qiáng)度計(jì)算的最小直徑為 15.28mm ，由 d2=26mm 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選取螺紋公稱直徑 d=30mm，P=3.5mm 的螺紋。b 螺母高度H=1.5 26=39mm?c 旋合圈數(shù) 395.7Zm?故旋合圈數(shù)合理d 螺紋工作高度(7)0.5.73.5hp???e 驗(yàn)算工作壓強(qiáng)620.36103.54PMPa?????D 驗(yàn)算自鎖自鎖條件 ，對(duì)于單線螺紋 ， 為當(dāng)量2arctn(/)'Ld???7Lm?'?摩擦角等于 。8.?則： 07arctn5.368.????自鎖條件滿足。E 螺桿強(qiáng)度計(jì)算螺桿工作時(shí)承受軸向壓力（或拉力）F 和扭轉(zhuǎn) T 的作用。螺桿危險(xiǎn)截面上既有壓縮（或拉伸）應(yīng)力，又有切 應(yīng)力。因此，校核螺桿 強(qiáng)度時(shí)應(yīng)根據(jù)第四強(qiáng)度理論求出危險(xiǎn)截面的計(jì)算應(yīng)力 ，其強(qiáng)度條件為ca?(9)2143()[]FAd????260.84.515dm???2Hd??1zP???2Fdhz(5)(6)(8)17214Ad??mm3式中：F ——螺桿所受的 軸向壓力（或拉力），單位為 N；——螺桿螺紋小徑，單位為 mm；1dT ——螺桿所受的扭矩；——螺桿材料的許用應(yīng)力，單位為 MPa。???則： 221483.760()0.63545.ca MPa????螺桿材料的許用應(yīng)力 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 34.2-10 知 =80，故螺桿強(qiáng)[]?度滿足。F 螺紋牙強(qiáng)度(1)螺紋牙寬度 0.65.74.5dpm???(2)螺桿的強(qiáng)度校核螺紋牙多發(fā)生剪切和擠壓破壞，一般螺母的材料強(qiáng)度低于螺桿，故只需校核螺母螺紋牙的強(qiáng)度。如果將一圈螺紋沿螺母的螺紋大徑 D（單位為 mm）處展開，則可看作寬度為的懸臂梁。假設(shè)螺母每圈螺紋所承受的平均壓力為 ，并作用在以螺紋中徑D?Fu（單位為 mm）為直徑的圓周上，則螺紋牙危險(xiǎn)截面 a－a 的剪切強(qiáng)度條件為2螺紋牙危險(xiǎn)截面 a－a 的彎曲 強(qiáng)度條件為式中：b ——螺紋牙根部的厚度，單位為 mm，對(duì)于矩形螺 紋， b＝0.5P ，對(duì)于梯形螺紋， b＝0.65P ，P 為 螺紋螺距；l ——彎曲力臂，單位為 mm——螺母材料的許用切應(yīng)力，單位為 MPa，見《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 5-13；???——螺母材料的許用彎曲應(yīng)力，單位為 MPa，見《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 5-13；b?a.抗剪強(qiáng)度 16200.345[]4834.5FMPaaMPadz? ????????????bu?????26bbFlD?(10)(11)18其中查 《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 5-13 并計(jì)算得 =48MPa[]?[]?b.抗彎強(qiáng)度 2216603.51.8[]4b bFhMPadz? ??????其中 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 5-13 經(jīng)計(jì)算知 =80MPa。[]b []b?(3)絲母的強(qiáng)度校核a.抗剪強(qiáng)度 16200.263[]34.5FMPadbz? ??????其中 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 15-3 知 。????8?b.抗彎強(qiáng)度 216603.5.1302[]4b bFhPadz? ??????其中 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 15-3 知 =80MPa。故絲母強(qiáng)度滿足。[]b []b?綜上計(jì)算所的螺桿工程圖如圖 28。螺母工程圖如圖 29。圖 28 螺桿工程圖 圖 29 螺母工程圖5.2.2 選擇聯(lián)軸器聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)中重要的軸系部件。主要用來聯(lián)接兩軸(有時(shí)也實(shí)現(xiàn)軸與其它轉(zhuǎn)動(dòng)零件的聯(lián)接)，使之一起轉(zhuǎn)動(dòng)并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。兩軸用聯(lián)軸器聯(lián)接， 只有停機(jī)并經(jīng)拆卸才能分離；采用聯(lián)軸器可把整機(jī)分成若干部件，便于機(jī)器的 19設(shè)計(jì)、制造、裝拆及運(yùn)輸；聯(lián)軸器大都已標(biāo)難化、系列化，因此主要問題是如何合理選擇。因輸出輸入端均為 16mm。故 選擇 Tl8 型彈 性套柱銷聯(lián)軸器。5.2.3 選擇鍵鍵是機(jī)械傳動(dòng)部分的動(dòng)力傳遞原件，在選擇時(shí)要求其符合傳遞扭矩的要求。且鍵已被國(guó)家定位標(biāo)準(zhǔn)件，在此主要進(jìn)行間的選擇和校核。根據(jù)軸的直徑，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 6-1 選擇普通平鍵 的圓頭平鍵,材料517.?選 45 鋼。依據(jù)鍵的校核如下：(12)3210[]pbTkld?????式中： T——傳遞的轉(zhuǎn)矩k——k=0.5h ，h 為鍵的高度l——鍵的接觸長(zhǎng)度，mmd——軸的直徑，mm可計(jì)算得： 328.71094.2[]56p pMPa??????查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 6-2 靜載荷時(shí) []p?可知所選的圓頭平鍵符合條件5.3 吊環(huán)的設(shè)計(jì)如前所訴，吊環(huán)采用榫卯結(jié)構(gòu)，吊 環(huán)與環(huán)槽的表面粗糙度要求達(dá)到Ra1.6 。其工作原理是根據(jù)吊 環(huán)的自重，調(diào)節(jié)吊環(huán)始終與地面保持垂直。因其m?受力不大，減輕重量，故材料采用硬鋁。20圖 30 吊環(huán)裝配圖 圖 31 吊環(huán)爆炸圖5.4 軸承的設(shè)計(jì)用于固定螺桿。螺桿后部只是普通光軸，轉(zhuǎn)速低。故采用滑動(dòng)軸承（表面粗糙度要求較高），又因軸承在主體內(nèi)的緊固要求采用自行設(shè)計(jì)的軸承。的 為減輕重量材料采用硬鋁。其工程圖如圖 32。圖 32 軸承工程圖5.5 機(jī)腿的設(shè)計(jì)其三維裝配圖，爆炸圖如圖 33，34。圖 33 機(jī)腿裝配圖21圖 34 機(jī)腿爆炸圖機(jī)腿通過關(guān)節(jié) 1、2、3 的伸縮進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。連接桿與推 動(dòng)盤連結(jié)。連接桿與機(jī)腿 1 采用鉸鏈。為適 應(yīng)管道最大內(nèi)徑 1100mm 的調(diào)節(jié)，關(guān)節(jié) 1 尺寸為250mm，關(guān)節(jié) 2 尺寸為 150mm，關(guān) 節(jié) 3 尺寸為 100mm。5.6 驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)與方案二大至上一致（部分結(jié)構(gòu)不同），故不在贅述原理。驅(qū)動(dòng)輪裝配和爆炸如圖 35，圖 36。原 動(dòng)力電動(dòng)機(jī)的選擇 與計(jì)算在機(jī)器人的電氣控制研究設(shè)計(jì)部分完成。圖 35 驅(qū)動(dòng)輪裝配體 圖 36 驅(qū)動(dòng)輪爆炸視圖5.7 管道爬行的實(shí)現(xiàn)22圖 37 管道內(nèi)爬行實(shí)現(xiàn)5.8 管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎的實(shí)現(xiàn)在十字型管道內(nèi)爬行時(shí)，會(huì)遇到驅(qū)動(dòng)輪懸空，并可能被卡住的情況。此 時(shí)，在通過攝像觀測(cè)裝置觀測(cè)到該種情況時(shí)，工作人員通過控制機(jī)身電機(jī)，進(jìn)給螺桿開始轉(zhuǎn)動(dòng)，使螺母水平移動(dòng) ，從而使機(jī)腿伸 縮，以通 過該類型管道，如圖 36。其控制過程框圖如圖 37。程序中控制由現(xiàn)場(chǎng)工作人員控制，通過對(duì)機(jī)身電機(jī)的控制，以實(shí)現(xiàn)機(jī)腿的伸縮。這里只是敘述了爬行器前半身過復(fù)雜管道的控制過程圖，再后半身過復(fù)雜管道時(shí)，基本類似，故不在 贅述。圖 38 管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎實(shí)現(xiàn)圖 39 轉(zhuǎn)彎控制電機(jī)流程圖23機(jī)器人的電氣電路控制設(shè)計(jì)將在本文的第六部分進(jìn)行闡述。5.9 總體裝配體設(shè)計(jì)根據(jù) SolidWorks 三維造型和各零件的設(shè)計(jì)，現(xiàn)設(shè)計(jì) 出方案三總體裝配圖如圖 40。圖 40 爬行器裝配體工程圖6 管道爬行機(jī)器人的功能分析根據(jù)管道機(jī)器人的機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，要求：這種傘型 6 足的爬行器在管道中要完成前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)彎以及前傘，后傘的張開和閉 合等動(dòng)作，管道機(jī)器人在工作條件下需要有較強(qiáng)勁的動(dòng)力，較好的可控性，能 夠 在管道內(nèi)確定自己的位置，來精確的定位的 PDPS（Piping Disrepair Position System） 管道破損處定位系統(tǒng)，由機(jī)器人的位置來確定管道破損的確切位置。要求較小的體積以及較簡(jiǎn)單的電路。根據(jù)機(jī)器人的動(dòng)作要求可以把管道機(jī)器人的動(dòng)力源設(shè)計(jì)為： （1）由 6 個(gè)電機(jī)來控制機(jī)器人的爬行（前進(jìn)，后退）采用 的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。6?（2）由 2 個(gè)電機(jī)來控制前后傘足的張開和閉合。根據(jù)前后傘足的張開和閉合，爬行機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎等，必須 要求前后傘足的張開及閉合為獨(dú)立事件，相互不干擾才能完成轉(zhuǎn)彎時(shí)傘足的獨(dú)立動(dòng)作。247 管道爬行機(jī)器人的動(dòng)作分析管道爬行機(jī)器人主要完成的動(dòng)作有：（1）六輪的驅(qū)動(dòng)（前進(jìn)，后退，調(diào)速）。（2）傘足的張開和閉合（前后相對(duì)獨(dú)立）。（3）管道中的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作順序：前傘足閉合——后傘足前進(jìn)——前傘足打開——后傘足閉合——前傘足前進(jìn)——后傘足打開。（4）由吊環(huán)進(jìn)行機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整自適應(yīng)。 （5）照明（管道中十分黑暗，攝像頭攝像，必 須有照明設(shè)施）。8 電氣控制基本元器件的選取基于以上電氣運(yùn)轉(zhuǎn)控制及順序制動(dòng)的問題分析，根據(jù)管道機(jī)器人的使用特點(diǎn)和工作條件，要求：方便，安全，可靠，性能優(yōu)越，價(jià)廉，適用于復(fù)雜的環(huán)境條件，體積小，重量輕，可控性能好等，可 對(duì)元器件進(jìn)行如下 選?。?.1 電機(jī)的參數(shù)計(jì)算與選取8.1.2 驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的參數(shù)計(jì)算通過對(duì)機(jī)器人的三維實(shí)體建模，以及材料的選取，通過已知密度進(jìn)行零件分析，查閱資 料綜合算的爬行器的總質(zhì)量為:M=26Kg通過查閱相關(guān)資料查得橡膠與 45#（鋼）之間摩擦系數(shù)為 0.15，則取實(shí)際計(jì)算摩擦系數(shù)為： 0.15??最大功率： PFv?26MgN輪子承受的壓力為機(jī)器人的重力與機(jī)腿張開時(shí)產(chǎn)生的管壁壓力（ 為機(jī)器人的重力 ， 為機(jī)腿對(duì)管壁的壓力）12NF??1 210?由于工作時(shí)，機(jī)腿張開的幅度不同，所產(chǎn)生的壓力也不同。為了安全和電機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)，機(jī)腿張 開對(duì)管壁的壓力可取 1 倍的重力。即：