《管道缺陷檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《管道缺陷檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（53頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

管道缺陷檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要 城市主排水管道穿纜、檢測(cè)機(jī)器人應(yīng)用于城市排水管道的疏通與檢測(cè)工作，屬于特種作業(yè)機(jī)器人。這類機(jī)器人能進(jìn)入復(fù)雜多變的管道環(huán)境中，通過攜帶一種或多種傳感器及操作、作業(yè)裝置，對(duì)工作中的管道進(jìn)行在役檢測(cè)、清理、維護(hù)，以保障管道的安全和暢通無阻地工作。 本文對(duì)市政管道檢測(cè)現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)研，分析了目前管道檢測(cè)機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)工作介質(zhì)與環(huán)境等其它因素的影響，造成很多管道內(nèi)部裂縫，泄漏等問題，設(shè)計(jì)了一種管道缺陷檢測(cè)機(jī)器人，并且分析了其總體機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的移動(dòng)載體，對(duì)機(jī)器人的密封、防腐作了研究。對(duì)機(jī)器人移動(dòng)載體的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行了計(jì)算與選擇。并通過各種傳輸方案的比較，把光電復(fù)合纜確定為系統(tǒng)通信和電力傳輸介質(zhì)。最后對(duì)主要部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核，并用三維軟件進(jìn)行了三維建模。 大量的管道檢測(cè)維護(hù)需求為管道檢測(cè)機(jī)器人的研究開發(fā)和應(yīng)用提供了廣闊的市場(chǎng)空間，因此，管道機(jī)器人將逐漸成為一項(xiàng)十分重要的產(chǎn)業(yè)工程。 關(guān)鍵詞：管道機(jī)器人，缺陷檢測(cè)，機(jī)械結(jié)構(gòu) IV Abstract The city main drainage channel puts on the cable, to examine the robot to apply works in the urban sewerage pipelines opening and the examination, belongs to the special work robot. This kind of robot can enter in the complicated and diversified pipeline environment, through carries one kind or many kinds of sensors and the operation, the work installment, carries on to the work pipeline in the service examination, the cleaning up, the maintenance, safeguards pipelines security and opens access works. This article has carried on the detailed investigation and study to the municipal administration pipeline examination present situation, analyzed the present pipeline to examine robots good and bad points. In view of the actuating medium and the environment and so on other factors influence, creates many pipeline internal fissure, questions and so on divulging, has designed one kind of pipeline flaw examination robot, and has analyzed its overall mechanism, has designed robots motion carrier, to robots seal, the anticorrosion has done the research. Moved the carrier to the robot the actuation electrical machinery to carry on the computation and the choice. And through each kind of transmission plan comparison, electro-optical compound cable determination for system communication and power transmission medium. Finally carries on the design and the examination to the major component, and has carried on the three dimensional modelling with the three dimensional software. The massive pipeline examination maintenance demand examined robots research for the pipeline to develop and to apply has provided the broad market space, therefore, the pipeline robot will become a very important industrial project gradually. Key words：Pipeline robot，F(xiàn)law Inspection，Mechanical structure. 目 錄 第一章 緒論 1 1.1 選題背景 1 1.2 研究意義 1 1.3 管道機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r 2 1.3.1 國外管道機(jī)器人發(fā)展概況 3 1.3.2 國內(nèi)管道機(jī)器人發(fā)展概況 5 1.4 課程主要研究的內(nèi)容 7 1.5 本章小結(jié) 7 第二章 總體方案的設(shè)計(jì) 9 2.1 管道檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)方案的比較與分析 9 2.1.1 管道機(jī)器人的行走方式 9 2.1.2 管道機(jī)器人的檢測(cè)方式 10 2.1.3 管道機(jī)器人的電力供給方式 10 2.1.4 管道機(jī)器人的系統(tǒng)通訊方式 14 2.2 管道機(jī)器人系統(tǒng)組成 12 2.3 管道機(jī)器人移動(dòng)載體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 2.3.1 載體驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì) 13 2.3.2 移動(dòng)載體驅(qū)動(dòng)方式的選擇 13 2.3.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)設(shè)計(jì) 14 2.4 機(jī)器人的系統(tǒng)參數(shù) 15 2.5 本章小結(jié) 16 第三章 管道機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析 17 3.1 電動(dòng)機(jī)功率的確定與選擇 17 3.1.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 17 3.1.2 電動(dòng)機(jī)功率的確定 18 3.2 管道機(jī)器人的理論牽引力分析及計(jì)算 21 3.3 管道機(jī)器人拖纜力的理論計(jì)算 22 3.4 文章小結(jié) 24 第四章 管道機(jī)器人主要零部件設(shè)計(jì)與校核 25 4.1 軸 25 4.1.1 軸的確定 25 4.1.2 軸的強(qiáng)度校核 26 4.1.3 軸的剛度校核 29 4.2 滾動(dòng)軸承 30 4.2.1 滾動(dòng)軸承類型的選擇 30 4.2.2 滾動(dòng)軸承尺寸的選擇與校核 30 4.2.3 滾動(dòng)軸承的裝置設(shè)計(jì) 31 4.3 錐齒輪 32 4.3.1 錐齒輪參數(shù)的確定 32 4.3.2 錐齒輪的受力分析 35 4.3.3 錐齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 35 4.3.4 錐齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核 36 4.4 本章小結(jié) 37 第五章 系統(tǒng)三維建模 38 5.1 UG 簡(jiǎn)介 38 5.2 UG 零件的三維建模 38 5.3 UG 零件的裝配圖 43 5.4 本章小結(jié) 44 第六章 總結(jié)和展望 45 6.1 總結(jié) 45 6.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 45 6.3 展望 46 參考文獻(xiàn) 48 致 謝 50 聲 明 51 管道缺陷檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第一章 緒 論 1.1 選題背景 管道內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人是智能機(jī)器人的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一，隨著現(xiàn)代交通、能源、石油、化工、城市建設(shè)的高速發(fā)展，煤氣、自來水、給排水工程、石油化工生產(chǎn)系統(tǒng)等管道的鋪設(shè)長(zhǎng)度也急劇增長(zhǎng)。管道系統(tǒng)在輸送各種液體和氣體物質(zhì)時(shí)，由于受到工作介質(zhì)與環(huán)境等其它因素的影響，造成很多管道內(nèi)部結(jié)垢、腐蝕情況嚴(yán)重，嚴(yán)重的影響了管道的正常運(yùn)行，為管道事故的發(fā)生埋下了隱患。許多管道在服役運(yùn)行期間發(fā)生了液體、氣體泄露事故等，對(duì)經(jīng)濟(jì)造成了巨大的損失。以排水管道為例， 這類管道大多埋于地下，在長(zhǎng)期使用過程中,由于受到管內(nèi)、管外介質(zhì)的腐蝕等原因,會(huì)產(chǎn)生裂紋、漏孔而出現(xiàn)漏水現(xiàn)象,為此必須對(duì)管道進(jìn)行定期檢查和維修。用人攜帶設(shè)備進(jìn)行檢查十分困難，對(duì)工人的健康也帶來嚴(yán)重的損害。采用人工開掘進(jìn)行檢測(cè),不但勞動(dòng)強(qiáng)度大、效益低,而且往往會(huì)妨礙道路交通。因此，有必要研制一種裝置，能夠深入到管道內(nèi)部完成檢測(cè)任務(wù)。在這種情況下，管道機(jī)器人作為一種先 進(jìn)的管道檢測(cè)技術(shù)得到了巨大的發(fā)展空間,成為一種較為理想的管道檢測(cè)自動(dòng)化裝置[1]。 1.2 研究意義 城市排水管道穿纜檢測(cè)機(jī)器人屬于特種機(jī)器人的范疇。在目前，我國有各種氣管道、石油管道、下水道、自來水管道等很多管道，由于年久失修，每年都要出現(xiàn)大量故障，可是這些管道大多數(shù)都埋在地下，因而一旦出現(xiàn)泄漏堵塞、就很難查找。由于城市地下管線復(fù)雜，街道廣場(chǎng)非常華麗不允許隨便挖開清理，所以城市主排水管道穿纜檢測(cè)機(jī)器人(以下簡(jiǎn)稱穿纜檢測(cè)機(jī)器人)的研制非常有必要。 以排水管道為例，由于其深埋地下，情況比較復(fù)雜,對(duì)管線的日常維護(hù)和管理非常麻煩，工人在排除管線故障時(shí),只能通過摸排和人工作業(yè)的方式進(jìn)行,遇到一些老舊的細(xì)小管線時(shí),維護(hù)力度就顯得十分有限；另外污水管線里往往含有一些有毒氣體,容易對(duì)工人的身體健康造成傷害。加上管道本身可能隱藏的內(nèi)在缺陷（如裂紋、砂眼、接頭處連接不良等），壽命總是有限的。而且許多管道系統(tǒng)難免在運(yùn)行之中突然發(fā)生損壞而造成液體或氣體物質(zhì)的滲泄事故，不得不停工停產(chǎn)進(jìn)行檢修。 28 這種事故有時(shí)造成的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的。能不能在事故發(fā)生前就檢查出潛在的有毛病的管道而提前預(yù)防，是現(xiàn)代民用與工業(yè)企業(yè)中迫切需要解決的課題。 目前，國內(nèi)外主要應(yīng)用的泄漏檢測(cè)方法有壓力圖像法（壓力分布法）、壓力點(diǎn)法（PPA）、負(fù)壓波法、質(zhì)量平衡法、聲波法、管道泄漏溶解法等等，這些方法雖然可以檢測(cè)管道的泄漏情況，但需要進(jìn)行一定量的理論計(jì)算和推導(dǎo)，往往不如圖像信息簡(jiǎn)單、直觀。管道機(jī)器人是一種比較先進(jìn)的管道檢測(cè)設(shè)備，它由移動(dòng)載體(行走機(jī)構(gòu))、檢測(cè)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和動(dòng)力傳輸系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成，在操作人員的遠(yuǎn)距離控制下，沿管道內(nèi)行走并實(shí)時(shí)連續(xù)的拍攝、顯示出管道內(nèi)圖像，直觀清晰的反映出管道內(nèi)故障點(diǎn)的狀況，克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法存在的弊端，提高了診斷精度，加強(qiáng)了對(duì)管道的認(rèn)識(shí)和把握能力，及時(shí)有效的完成了對(duì)管道的檢測(cè)與維護(hù)、維修任務(wù)， 顯示出了巨大的應(yīng)用前景[2]。 綜上所述，管道檢測(cè)機(jī)器人的研究為管道的檢測(cè)、維護(hù)提供了新的技術(shù)手段， 改變了傳統(tǒng)管道開挖抽檢的單一模式。這種檢測(cè)技術(shù)提高了管道檢測(cè)的準(zhǔn)確性，便于管道工程管理維護(hù)人員分析了解管道缺陷產(chǎn)生的原因，開展對(duì)缺陷的評(píng)估，制訂管道維護(hù)方案，消除管道安全隱患，在事故發(fā)生前就有計(jì)劃地維修或更換管段，從而節(jié)約大量的維修費(fèi)用，降低管道維護(hù)成本，保障人民生活及財(cái)產(chǎn)安全，減少有毒氣體或液體泄漏造成的環(huán)境污染。因此，開展管道檢測(cè)機(jī)器人的研究具有重要的科學(xué)意義和明顯的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。目前，管道檢測(cè)機(jī)器人的研究得到了世界各國的高度重視，也得到了我們國家部委和相關(guān)行業(yè)的重視。大量的管道檢測(cè)維護(hù)需求為管道檢測(cè)機(jī)器人的研究開發(fā)和應(yīng)用提供了廣闊的市場(chǎng)空間，將逐漸成為一項(xiàng)十分重要的產(chǎn)業(yè)工程[3]。 1.3 管道機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r 現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)及日常生活中使用著大量管道，石油、天然氣、化工等領(lǐng)域也應(yīng)用了大量管道，這些管道大多埋在地下或海底，輸送距離近千里，它們的泄漏會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，甚至引起火災(zāi)，多數(shù)管道安裝環(huán)境人們不能直接到達(dá)或人們不能直接介入，因此，質(zhì)量檢測(cè)、故障診斷及維修的課題十分迫切地?cái)[在我們面前。管道檢測(cè)技術(shù)始于上個(gè)世紀(jì) 50 年代，由于當(dāng)時(shí)天然氣等大口徑管道的發(fā)展激勵(lì)人們?nèi)パ芯恳环N管內(nèi)檢測(cè)設(shè)備，這就是我們通常所說的一種無動(dòng)力的管內(nèi)清理檢測(cè)設(shè)備 －PIG，該設(shè)備簡(jiǎn)單、實(shí)用，在一定程度上解決了天然氣管道的檢測(cè)問題。在結(jié)構(gòu) 上，PIG的外徑略大于管道直徑，這是為了密封，將其壓入管道后，它主要靠首尾管內(nèi)流體形成的壓力差做驅(qū)動(dòng)力，克服管壁與活塞之間的摩擦力而向前運(yùn)動(dòng)。PIG 可以攜帶超聲波、電渦流傳感器，一邊走一邊檢測(cè)。并由其內(nèi)部記錄儀記錄檢測(cè)的數(shù)據(jù)。早期，這種技術(shù)發(fā)展很慢，到了 70 年代末，隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，PIG技術(shù)已經(jīng)成熟，現(xiàn)在英、日、美、德、法等國大公司的PIG產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)用化、商品化。PIG的特點(diǎn)是實(shí)用性好、行走距離遠(yuǎn)，可達(dá) 300 公里左右，而且不拖線作業(yè)，但是PIG類檢測(cè)設(shè)備無自動(dòng)行走能力，移動(dòng)速度及檢測(cè)區(qū)域均不易控制，嚴(yán)格說來它不 能算做是機(jī)器人[4]。 隨著核工業(yè)、化工工業(yè)的發(fā)展，迫使人們研究管道機(jī)器人對(duì)這些惡劣環(huán)境下的管道、罐狀容器進(jìn)行檢測(cè)維修，在一定程度上刺激了管內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展。然而，管內(nèi)機(jī)器人的迅速發(fā)展時(shí)期還是始于上個(gè)世紀(jì) 80 年代。 這是由計(jì)算機(jī)、傳感技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論技術(shù)的發(fā)展，為管道機(jī)器人的研究應(yīng)用提供了技術(shù)保證，使應(yīng)用管內(nèi)機(jī)器人進(jìn)行檢測(cè)，維修的手段成為現(xiàn)實(shí)， 因此，人們對(duì)各種管道機(jī)器人的行走機(jī)理、行走方式進(jìn)行了大量的探索和研究，并取得了可喜的成果。 美國、英國、日本等發(fā)達(dá)國家在管道機(jī)器人技術(shù)方面做了大量的工作，取得了比較突出的成績(jī)。 1.3.1 國外管道機(jī)器人發(fā)展概況 1. PEARPOINT 公司開發(fā)的輪式自來水管道檢測(cè)機(jī)器人 如圖 1-1 所示，該機(jī)器人具有六個(gè)行走輪，能在自來水管道內(nèi)前進(jìn)或倒退行走, 適應(yīng)管徑為f150 - f 750 ；行走速度為0 -12m / min ；行走距離大約600m 左右。對(duì)于更大管徑的管道，加裝20w 燈泡（選件），提供更明亮、精確的圖像，電纜使用質(zhì)地牢固重量輕的合成纖維，堅(jiān)固、防水，可抵抗1.5KN 的張力。配有電纜自動(dòng)收放系統(tǒng)，高性能的帶馬達(dá)電纜盤，可提供超過50kg 的牽引力。儀器精確確定電纜層數(shù)，可提高電纜回繞速度和增加電纜壽命。微處理器控制的離合器和剎車系統(tǒng)， 減少電纜回繞的摩擦力，在整個(gè)測(cè)量過程中，使用操縱桿可精確控制爬行器及攝像機(jī)[5]。 圖 1-1 輪式自來水管道檢測(cè)機(jī)器人 2．英國雷迪推出的管道檢測(cè)機(jī)器人 英國雷迪推出的P350 管道檢測(cè)設(shè)備如圖 1-2 所示，該系統(tǒng)系統(tǒng)配有三種可交換高清晰度攝象鏡頭，超亮白色LED，圖象清楚，壽命長(zhǎng)，免維護(hù)。該系統(tǒng)的控制模塊可進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)圖象，并可實(shí)時(shí)錄象，為客戶提供高質(zhì)量視頻圖象，可以方便、快速查找出管道故障。該系統(tǒng)可在幾乎任何苛刻條件下工作，爬行車為黃銅和不銹鋼結(jié)構(gòu)，可在 100 米深的水下工作。50 瓦和 100 瓦大功率引擎能在任何狀況的管道內(nèi)爬行。該系統(tǒng)整合了傾角儀和多頻率探頭，可以輕松、有效地測(cè)繪出管道地形和狀況[6]。 圖 1-2 英國雷迪的管道檢測(cè)設(shè)備 3. 日本橫濱國立大學(xué)的檢測(cè)污水排放管道的管道檢測(cè)機(jī)器人 日本橫濱國立大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系Chi Zhu等人于 2000 年研制成功用于檢測(cè)污水排放管道的管道檢測(cè)機(jī)器人，該管道檢測(cè)機(jī)器人適用于管徑為f 200mm 的管道。如圖 1-3 所示，整個(gè)管道檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)由四部分組成：管道檢測(cè)機(jī)器人行走裝置、作業(yè)操縱裝置、用于污水采集的注射器系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)。整個(gè)管道檢 測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的規(guī)格為：長(zhǎng)620mm、寬166mm 、高158mm ，其重量為24kg [7]。 圖 1-3 管道檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)組成 1.3.2 國內(nèi)管道機(jī)器人發(fā)展概況 我國的管道機(jī)器人的研究始于 20 世紀(jì) 80 年代，與西方發(fā)達(dá)國家相比起步較晚, 但近些年來取得了快速發(fā)展。其中開展工程管內(nèi)機(jī)器人技術(shù)研究的單位中，較有代表性的有清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、東華大學(xué)等。 1. 清華大學(xué)機(jī)器人 該下水自動(dòng)清淤機(jī)器人適合400mm 的管道。載體采用了輪式的行走結(jié)構(gòu)，四輪驅(qū)動(dòng)方式、以三相異步電機(jī)作原動(dòng)機(jī)。其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下: 在空載干凈的管道中運(yùn)行時(shí)，功率約為350 - 400w ；速度在5.7 - 5.9m / min ； 載體的推力為60kgf ；淤泥沉積到管徑的1/ 3 處；平均速度為4.5m / min ；機(jī)器人總功率增加到400 - 500w ，運(yùn)行平衡，但有打滑現(xiàn)象，如圖 1-4 所示[8]。 2. 上海交通大學(xué) 圖 1-4 清華大學(xué)研制的管道清淤機(jī)器人 該管道機(jī)器人仿造履帶式車輛行走原理，采用帶齒輪減速箱的直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人上部裝有 CDC 圖像傳感器，由另一個(gè)直流伺服電機(jī)控制 CDC 圖象傳感器 作俯仰運(yùn)動(dòng)，以擴(kuò)大檢測(cè)范圍。另外，機(jī)器人上還裝有角度傳感器，如圖 1-5 所示。 其相關(guān)參數(shù)為:電機(jī)功率5w ；減速箱減速比為100 ；輸出轉(zhuǎn)速為0 - 30r / min ； 最小管道直徑中f 120mm ；運(yùn)動(dòng)速度可由計(jì)算機(jī)給定，一般為1.2m / min [9]。 圖 1-5 履帶式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 3. 東華大學(xué)的自主變位履帶式管道機(jī)器人 GXJZ-I 東華大學(xué)的履帶式管道機(jī)器人如圖 1-6 所示，它是一種高度可調(diào)的自主變位履帶式管道機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，屬機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域。兩套橫向擺腿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)按對(duì)稱于機(jī)體的對(duì)角線布列在機(jī)體的頭部和尾部，四條腿的上端分別鉸接在兩套橫向擺腿機(jī)構(gòu)的兩側(cè)，四條腿的下端各制有一個(gè)擺腿調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)，四個(gè)履帶足分別鉸接在四個(gè)擺腿調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)上。兩套橫向擺腿機(jī)構(gòu)使四條腿張開，調(diào)節(jié)四個(gè)擺腿調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)， 使四個(gè)履帶足恢復(fù)直立狀態(tài)，降低行走機(jī)構(gòu)的高度。有高度可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。裝用本發(fā)明的行走機(jī)構(gòu)的自主變位履帶式管道機(jī)器人能進(jìn)入多種管道，如高度高的矩形管道、小口徑圓形或高度低的扁平矩形管道，從事管道內(nèi)的作業(yè)[10]。 圖 1-6 GXJZ-I 的總體結(jié)構(gòu) 綜合上述國內(nèi)外排水管道疏通、清理技術(shù)研究與應(yīng)用情況，可以看到，應(yīng)用比較成熟的技術(shù)為高壓水射流技術(shù)和自動(dòng)化清理機(jī)器人。高壓水射流技術(shù)在我國大、中、小城市無法普及應(yīng)用，其原因是國內(nèi)排水管道大多數(shù)是水泥管，時(shí)間長(zhǎng)了局部會(huì)有破損和老化，高壓水沖洗會(huì)加劇排水管道的老化的過程。再者，每臺(tái)車的價(jià)值有上百萬元，不適合我國發(fā)展中國家的國情。其它的能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的管道檢測(cè)機(jī)器人，技術(shù)尚未公開，價(jià)格也很昂貴。我國的排水管道疏通還停滯在人工操作的落后狀態(tài)，效率低，而且對(duì)工人的人身安全也存在很大的危害。所以迫切需要研制一種造價(jià)低廉、實(shí)用且效率較高的排水管道機(jī)器人以代替人工操作。國內(nèi)這一領(lǐng)域的研究很少，還處于科研階段，所以本課題的研究非常必要，而且具有很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。 1.4 課程主要研究的內(nèi)容 本課題的主要工作是開展管道檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究工作，主要內(nèi)容如下： （1）機(jī)器人系統(tǒng)方案的選擇 機(jī)器人系統(tǒng)方案的選擇包括行走方式的選擇；檢測(cè)方式的選擇；電力供給方式的選擇；系統(tǒng)通訊方式的選擇等。 （2）管道缺陷檢測(cè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 深入了解管道檢測(cè)機(jī)器人的基本原理原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)，熟悉機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)流程，提出有纜式管道機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)辦法。 （3）管道檢測(cè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)特性的研究 設(shè)計(jì)管道機(jī)器人全驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；計(jì)算并選擇電機(jī)的功率；研究機(jī)器人的拖動(dòng)力、行走能力的計(jì)算方法。針對(duì)影響拖纜作業(yè)機(jī)器人在管內(nèi)行走最大作業(yè)距離的關(guān)鍵因素—拖纜力計(jì)算問題進(jìn)行理論分析。 （4）重要部件的設(shè)計(jì)與校核 對(duì)重要零部件的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核。 （5）管道檢測(cè)機(jī)器人的三維建模 通過仿真軟件UG對(duì)機(jī)器人進(jìn)行三維建模與仿真。 1.5 本章小結(jié) 本章綜合分析了國內(nèi)外各種類型管道機(jī)器人的技術(shù)概況及發(fā)展趨勢(shì)，提出了目 前管道檢測(cè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)問題，并在此基礎(chǔ)上，提出了本文所要研究的主要內(nèi)容，明確了論文的工作方向。 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 管道機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的比較與分析 管道機(jī)器人系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)直接影響到機(jī)器人的使用性能和工作效率等方面， 需要以系統(tǒng)全面的觀點(diǎn)來進(jìn)行綜合分析比較，包括機(jī)器人的行走方式、管道檢測(cè)電力供給、系統(tǒng)通訊等的方案選擇[11-12]。 2.1.1 管道機(jī)器人的行走方式 根據(jù)運(yùn)動(dòng)機(jī)理和驅(qū)動(dòng)方式的不同，管內(nèi)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式包括蠕動(dòng)式、多足行走式、履帶式、螺旋驅(qū)動(dòng)式、蛇行式、輪式等六種主要方式。 （1）蠕動(dòng)式 蠕動(dòng)式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的行走節(jié)奏中包含前后支撐部分的徑向仲縮運(yùn)動(dòng)，從而降低了機(jī)器人的行走效率，導(dǎo)致機(jī)器人行走不連續(xù)，而且更換支撐部分時(shí)易產(chǎn)生機(jī)身不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此，在管道檢測(cè)中應(yīng)用較少。 （2）多足行走式 多足行走式有較好的動(dòng)作靈活性，但其較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，使得機(jī)器人在步態(tài)規(guī)劃和關(guān)節(jié)間隴調(diào)運(yùn)動(dòng)控制等方面存在一定難度，而目，機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)傳感器要求高，需要大量的精密傳感器，研究成本和制造成本都很高，且牽引能力有限，不易攜帶檢測(cè)維護(hù)裝置，不適合長(zhǎng)距拖纜作業(yè)。 （3）螺旋驅(qū)動(dòng)式 螺旋驅(qū)動(dòng)式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)連續(xù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。但機(jī)器人沿管道的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度是螺旋運(yùn)動(dòng)速度沿管道軸線的分量，運(yùn)動(dòng)效率不高。此外，螺旋驅(qū)動(dòng)方式對(duì)管道截面的空間占用率高，對(duì)管內(nèi)壁的形狀依賴性大，越障能力差，機(jī)器人很難具備主動(dòng)轉(zhuǎn)向能力。 （4）履帶式 履帶式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人履帶與管壁間的接觸面積大，附著力大，具有優(yōu)越的越障性能。但履帶式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致其機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸較大，不易小型化，因此實(shí)際應(yīng)用中大多用于大直徑的管道內(nèi)。 （5）蛇行式 盡管蛇行式管內(nèi)運(yùn)動(dòng)方式具有各種優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，但隨著自由度數(shù)量的增加，會(huì) 造成軟硬件控制的技術(shù)困難，從而也帶來驅(qū)動(dòng)方面的問題。而且機(jī)器人利用身體形態(tài)的變化來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，這一過程要依靠機(jī)器人與管道內(nèi)壁間的靜摩擦來推動(dòng)，對(duì)于圓弧狀的管道內(nèi)壁，機(jī)器人身體與管壁之間較難充分接觸，因此，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)能力十分有限，運(yùn)動(dòng)效率不易提高。 （6）輪式 按照行走機(jī)構(gòu)的不同設(shè)計(jì)，輪式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人又可分為支撐輪式和車型式兩大類。支撐輪式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上是對(duì)稱的，因此機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好，可以產(chǎn)生較大的牽引力。車型式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人行走在管道內(nèi)壁表面，類似車輛在地面的行走方式。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、行走連續(xù)平穩(wěn)、在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。與支撐 [13] 輪式相比較，具有結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、控制更加方便的優(yōu)點(diǎn) 。 綜合分析各類機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，因本文研究的管道缺陷檢測(cè)系統(tǒng)在管道內(nèi)側(cè)應(yīng)具有平穩(wěn)，靈活等特點(diǎn)，且僅在平直管道內(nèi)行走，所以最后選用車型式的輪式行走機(jī)構(gòu)作為本文設(shè)計(jì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式。 2.1.2 管道機(jī)器人的檢測(cè)方式 管道內(nèi)檢測(cè)通常用數(shù)據(jù)或圖像的形式表示管道內(nèi)的詳細(xì)情況，常用聲納、超聲波、聲納與視頻聯(lián)用、視頻檢測(cè)等技術(shù)方法。聲納或超聲波具有靈敏度高、穿透力強(qiáng)、探傷靈活、成本低等優(yōu)點(diǎn)，適合于直徑大和超負(fù)荷的污水管。視頻檢測(cè)主要是通過閉路電視錄像的形式，使用攝像設(shè)備進(jìn)入排水管道將影像數(shù)據(jù)傳輸至控制電腦后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的檢測(cè)。這類檢測(cè)可全面了解管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況，并且攝像機(jī)可以作成體積小、重量輕的微型攝像機(jī)，能夠降低機(jī)器人的負(fù)載，提高機(jī)器人的靈活性。 綜合分析上述檢測(cè)方法，機(jī)器人采用視頻檢測(cè)。 本文的攝像機(jī)，攝像系統(tǒng)支架以及地面監(jiān)控系統(tǒng)均選用北京銘尼科科技有限公司銷售的相關(guān)產(chǎn)品，攝像機(jī)為 DTR65HRC 旋轉(zhuǎn)廣角攝像機(jī)，可無限360o 旋轉(zhuǎn)并270o 傾斜，攝像頭內(nèi)部頂端設(shè)有冷光燈，影像清晰；攝像系統(tǒng)的支架可以通過電機(jī)對(duì)攝像系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)；地面操控器型號(hào)為 VSR65，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)載體的控制及缺陷圖像的捕捉，檢測(cè)等。 2.1.3 管道機(jī)器人的電力供給方式 管道機(jī)器人的電力供應(yīng)通常有兩種方式，一種是移動(dòng)載體攜帶能源裝置；另一種是由管外通過動(dòng)力線纜為管內(nèi)機(jī)器人供給能源。機(jī)器人載體攜帶能源裝置能夠減 輕機(jī)器人的拖動(dòng)負(fù)載，但是蓄電池所儲(chǔ)存的能量有限，因而使機(jī)器人的行走距離受到限制；外部電纜供電可以提供足夠電量，但電纜增加了機(jī)器人的拖纜力，不利于機(jī)器人的遠(yuǎn)距離行走。 綜合比較上述兩種供電方式，管道檢測(cè)機(jī)器人采用外部電纜 220V、50Hz 交流供電，為了得到機(jī)器人正常工作所需的電壓、電流，需對(duì)外來電進(jìn)行穩(wěn)壓、變壓及AC/DC 轉(zhuǎn)換。通過機(jī)器人載體內(nèi)置電源，對(duì)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的交流向直流轉(zhuǎn)換，為機(jī)器人提供多路直流電輸出。圖 2-1 為機(jī)器人載體內(nèi)能源供應(yīng)分配圖。 外部交流供電  行走伺服電機(jī)云臺(tái)步進(jìn)電機(jī) 電源 （AC/DC） 通訊設(shè)備 控制設(shè)備，攝像頭外部照明 圖 2-1 管道檢測(cè)機(jī)器人電力供給分配圖 2.1.4 管道機(jī)器人的系統(tǒng)通訊方式 機(jī)器人的通訊方式主要有無線通訊和有線通訊兩大類。無線通訊的方式表現(xiàn)靈活，使用方便。但是管道內(nèi)的信號(hào)容易受到屏蔽和干擾，通訊的質(zhì)量和可靠性較差； 有線通訊方式具有通訊質(zhì)量好、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但由于通訊纜線，增加了機(jī)器人的負(fù)載。 綜合分析機(jī)器人的通訊方式，選用光纖通訊作為機(jī)器人的通訊方式。由于光傳輸和電能傳輸是屬于兩種不同類型的傳輸方式，不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，因此將光纖和電力線復(fù)合在一起，無需考慮電能傳輸和光傳輸?shù)南嗷ソ^緣問題，可以把光纖和電力線復(fù)合在一起制成光電復(fù)合纜。 卷軸選用北京銘尼科科技有限公司銷售的 TMO 500A 卷軸，主電纜最長(zhǎng)可達(dá)500m，自動(dòng)纏繞系統(tǒng)，前后自由縮放,電子計(jì)數(shù)器自動(dòng)記錄行進(jìn)距離。其電力線符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，纜線質(zhì)量輕，有利于管道機(jī)器人的長(zhǎng)距離行走。 2.2 管道機(jī)器人系統(tǒng)組成 管道機(jī)器人的系統(tǒng)主要由五部分組成，如圖2-2，各部分的組成及功能如下： （1）管道機(jī)器人移動(dòng)載體 機(jī)器人移動(dòng)載體與輪式小車外形相似。內(nèi)部有電機(jī)驅(qū)動(dòng)、通訊、控制等設(shè)備， 可以實(shí)現(xiàn)本體的前進(jìn)、后退等動(dòng)作。本體能夠防水、耐壓，可以實(shí)現(xiàn)水中帶壓作業(yè)， 密封壓力為1MPa，爬行器100米下防水指標(biāo)為IP68，并且本體能夠耐腐蝕。 （2）電力供給系統(tǒng) 機(jī)器人電力供給系統(tǒng)使移動(dòng)載體及載體內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電力供應(yīng)得到充分保障。從而使小車能夠在管道內(nèi)準(zhǔn)確行走。 （3）云臺(tái)系統(tǒng) 該系統(tǒng)可使攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)360o 旋轉(zhuǎn)并270o 傾斜，在透明穹頂下可無限旋轉(zhuǎn)，從而能夠準(zhǔn)確的捕捉故障點(diǎn)圖像。 （4）信息傳輸系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用單模光纖作為信息傳輸介質(zhì)，光端機(jī)為信號(hào)接收和發(fā)射裝置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中一路雙向數(shù)據(jù)信息和一路視頻圖像信息的混合傳輸。 （5）地面監(jiān)控系統(tǒng) 該系統(tǒng)能夠進(jìn)行文字輸入和報(bào)告編寫，圖像部分采用數(shù)字縮放和導(dǎo)航圖像，系統(tǒng)內(nèi)置閃存卡保存SVA視頻和照片，支持藍(lán)牙技術(shù)，能夠及時(shí)將圖片發(fā)送，支持USB 2.0快速傳送數(shù)據(jù)，并能實(shí)時(shí)錄制視頻圖象，能夠快速、方便地查找出管道故障點(diǎn)。操作人員可以根據(jù)監(jiān)視器上顯示的圖像信息，對(duì)機(jī)器人的作業(yè)進(jìn)程進(jìn)行人為干預(yù)， 進(jìn)行控制、發(fā)送指令等操作。及時(shí)的了解管內(nèi)的信息，便于對(duì)管道檢測(cè)的把握。 圖2-2 機(jī)器人系統(tǒng)組成 2.3 管道機(jī)器人移動(dòng)載體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.3.1 載體驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì) 1.驅(qū)動(dòng)輪數(shù)量的確定 管道機(jī)器人最常用的驅(qū)動(dòng)輪數(shù)量有三輪，四輪和六輪。三輪式機(jī)器人車體配置雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但穩(wěn)定性稍差，遇到?jīng)_撞或管道不平時(shí)容易傾倒。四輪式機(jī)器人穩(wěn)定性較強(qiáng)，在管道中占用空間較小，并且有較強(qiáng)的附著力和操控性，牽引力較大。六輪式機(jī)器人其越障能力比較強(qiáng)，但車身相對(duì)于四輪的要大，因此在管道內(nèi)占用的空間就要大，使其靈活性降低。而且當(dāng)增加了車輪的數(shù)量和車身的長(zhǎng)度之后，會(huì)使其自身的質(zhì)量增加，耗電量增加，行駛的速度減慢，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度增加，成本提高。 綜合考慮，我們確定管道機(jī)器人采用四輪驅(qū)動(dòng)方式。2.驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 采用輪式的行走機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)成為影響機(jī)器人行走穩(wěn)定性的一個(gè)重要問題。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪需要在有水、泥、油污的環(huán)境內(nèi)行走，為了使機(jī)器人的輪子能夠更加適合實(shí)際工況需要，采用輪轂外硫化橡膠，橡膠采用耐磨、耐油污的丁氰橡膠為原料。輪子與機(jī)器人的連接采用聯(lián)軸器傳遞扭矩、螺釘定位的辦法，很好的滿足了機(jī)器人行走輪的工作需要。如圖 2-3 所示： 圖 2-3 驅(qū)動(dòng)輪與軸連接 2.3.2 移動(dòng)載體驅(qū)動(dòng)方式的選擇 管道機(jī)器人輪式行走分為全驅(qū)動(dòng)和部分驅(qū)動(dòng)兩種方式。所有輪子都作為驅(qū)動(dòng) 輪，稱為全驅(qū)動(dòng)方式；部分輪子是驅(qū)動(dòng)輪，其余是從動(dòng)輪的，稱為部分驅(qū)動(dòng)方式。綜合考慮，全驅(qū)動(dòng)方式轉(zhuǎn)向靈活，并且具有良好的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性等 特點(diǎn)。因此，在管道中應(yīng)采用全驅(qū)動(dòng)方式。 在全驅(qū)動(dòng)中，按照驅(qū)動(dòng)輪是統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)還是單獨(dú)驅(qū)動(dòng)又分為單電機(jī)全驅(qū)動(dòng)和獨(dú)立全驅(qū)動(dòng)兩種方式。驅(qū)動(dòng)輪由一個(gè)電機(jī)統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)，稱為單電機(jī)全驅(qū)動(dòng)方式；驅(qū)動(dòng)輪由單獨(dú)的電機(jī)各自驅(qū)動(dòng)，稱為獨(dú)立全驅(qū)動(dòng)方式[14]。 單電機(jī)全驅(qū)動(dòng)方式由一個(gè)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)載體的全部驅(qū)動(dòng)輪，這種驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，所有驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速相同，驅(qū)動(dòng)力大，機(jī)器人牽引能力強(qiáng)，但無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能；獨(dú)立全驅(qū)動(dòng)方式由單個(gè)電機(jī)來分別驅(qū)動(dòng)每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，加速性能好,通過性強(qiáng)。尤其在彎曲和泥濘等較為復(fù)雜的管道內(nèi)行走,其附著力強(qiáng),牽引力大。并且動(dòng)力分配均衡。但多電機(jī)占據(jù)載體內(nèi)部空間較大，增加了載體的體積和復(fù)雜性。 考慮到本文所設(shè)計(jì)的管道檢測(cè)機(jī)器人在彎曲的排水管道檢測(cè)時(shí)，要求機(jī)器人具有轉(zhuǎn)向靈活的特點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式為獨(dú)立全驅(qū)動(dòng)方式，每個(gè)車輪由單 獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，后退的平穩(wěn)，準(zhǔn)確行走。 2.3.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)設(shè)計(jì) 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力來源于機(jī)器人本體內(nèi)部的直流伺服電機(jī)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的動(dòng)力合理的分配到機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪上。考慮到機(jī)器人的載體內(nèi)部空間小、傳動(dòng)距離長(zhǎng)，并且在管道中有轉(zhuǎn)彎和倒退等情況，所以選擇用錐齒輪作為機(jī)器人內(nèi)部的動(dòng)力傳輸零件，圖 2-4 為機(jī)器人的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖。 圖 2-4 機(jī)器人的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖 2.3.4 載體防腐、密封設(shè)計(jì) 1.防腐設(shè)計(jì) 防腐是機(jī)器人要考慮的一個(gè)重要問題。由于管道機(jī)器人所處的工作環(huán)境，存在有生活污水、工業(yè)廢水、管內(nèi)淤積的各種腐爛物質(zhì)等，構(gòu)成了一個(gè)力學(xué)因素和電化學(xué)因素共同作用的腐蝕環(huán)境，使得機(jī)器人在管道內(nèi)的工作過程中發(fā)生化學(xué)、電化學(xué)腐蝕等。針對(duì)管道機(jī)器人的這種工作環(huán)境，在材料的選擇上，機(jī)器人本體選擇超硬鋁合金 7A04（LC4）作為本體的材料，這種材料具有退火和淬火狀態(tài)下塑性中等、強(qiáng)度高，切削加工性良好、耐腐蝕等特點(diǎn)，可用于制作耐腐蝕、高載荷構(gòu)件。 機(jī)器人的輪子采用的是 7A04（LC4）作為輪轂，外表硫化橡膠的工藝，既保證了輪子的承載能力，又實(shí)現(xiàn)了輪子外形設(shè)計(jì)的要求，并且，橡膠采用的是丁氰橡膠， 材料本身具有優(yōu)良的抗氟、抗臭氧性，耐油、耐溶劑、耐酸堿以及耐老化性能好等優(yōu)點(diǎn)。 此外，在設(shè)計(jì)中還使用了不銹鋼緊固件，如不銹鋼螺栓及螺母:特殊軸承、鉛封及鋅層等附件；還可以噴涂防銹涂料，提高機(jī)器人的使用壽命[15]。 2.密封設(shè)計(jì) 對(duì)于排水管道機(jī)器人來說，為了保證能夠正常的工作，必須確保電機(jī)和軸承不被污水侵入、腐蝕，使機(jī)機(jī)器人具備一定的防爆性能和可靠性。所以，有必要對(duì)水下機(jī)器人的密封進(jìn)行細(xì)致的研究。 密封可分為靜密封和動(dòng)密封兩大類。靜止部位的密封稱為靜密封；有相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位的密封稱為動(dòng)密封。靜密封主要有墊密封、膠密封、直接接觸密封三類。動(dòng)密封可分為接觸式密封和非接觸式密封兩類。接觸式密封的密封面相接觸，可以消除間隙或使間隙為最小，達(dá)到很高的密封性[16]。 2.4 機(jī)器人的系統(tǒng)參數(shù) 管道檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)參數(shù)如下： 外形尺寸：（寬）220mm（高）150mm（長(zhǎng)）400mm凈重：15 kg 通訊方式：光纖通訊 供電方式：通過動(dòng)力電纜供電行走方式：輪式行走 移動(dòng)速度： 0 -12m / min 適應(yīng)管徑： 300 - 500mm 行走距離：100mm 2.5 本章小結(jié) 本章通過對(duì)管道檢測(cè)機(jī)器人的方案分析，確定出具體的設(shè)計(jì)方案；對(duì)機(jī)器人的行走方式，檢測(cè)方式，電力供給方式，系統(tǒng)通訊方式等進(jìn)行分析與選擇；并對(duì)移動(dòng)載體進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括移動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、載體密封及防腐；最后給出了管道檢測(cè)機(jī)器人的系統(tǒng)參數(shù)。 第三章 管道機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析 3.1 電動(dòng)機(jī)功率的確定與選擇 3.1.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有:液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)三種基本方式。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。 1：步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床制造領(lǐng)域，由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不需要 A/D 轉(zhuǎn)換， 能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成為角位移，所以一直被認(rèn)為是最理想的數(shù)控機(jī)床執(zhí)行元件。 2：直流伺服電機(jī) 伺服電動(dòng)機(jī)有直流和交流之分，最早的伺服電動(dòng)機(jī)是一般的直流電動(dòng)機(jī)。目前的直流伺服電動(dòng)機(jī)從結(jié)構(gòu)上講,就是小功率的直流電動(dòng)機(jī),其勵(lì)磁多采用電樞控制和磁場(chǎng)控制,但通常采用電樞控制。 直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和相對(duì)功率，易于控制及響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中還是具有較廣泛的應(yīng)用。 3：交流伺服電機(jī) 交流伺服電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中，能將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上的機(jī)械輸出量，拖動(dòng)被控制元件，從而達(dá)到控制目的。 交流伺服電動(dòng)機(jī)主要由一個(gè)用以產(chǎn)生磁場(chǎng)的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個(gè)旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子組成。電動(dòng)機(jī)利用通電線圈在磁場(chǎng)中受力轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象而制成的。交流伺服電動(dòng)機(jī)控制精度高，矩頻特性好等優(yōu)點(diǎn)，但尺寸一般較大。 綜合考慮，管道機(jī)器人需要有較高的控制精度，運(yùn)行平穩(wěn)，且應(yīng)具有較小的尺 寸，所以選用直流伺服電機(jī)。 3.1.2 電動(dòng)機(jī)功率的確定 機(jī)器人移動(dòng)載體的所有驅(qū)動(dòng)力都由機(jī)器人載體內(nèi)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)來提供，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇的好壞將直接影響到機(jī)器人的移動(dòng)性能，根據(jù)機(jī)器人工況的不同來確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率。例如，機(jī)器人以較快的速度在平直管道內(nèi)行駛，機(jī)器人爬坡等工況下。影響機(jī)器人驅(qū)動(dòng)功率參數(shù)有質(zhì)量m 、運(yùn)行速度v 、驅(qū)動(dòng)輪半徑r 等。首先假設(shè)： （1）機(jī)器人在傾斜角度為a 的直管道內(nèi)行駛； （2）機(jī)器人在管道內(nèi)勻速行駛，不考慮管道內(nèi)的空氣阻力； （3）驅(qū)動(dòng)輪受力存在變形； 這里假設(shè)機(jī)器人的四個(gè)輪子所處的工況完全相同，設(shè)機(jī)器人的行駛速度為v ， 則機(jī)器人加速時(shí)的加速度為 dv ，機(jī)器人第 i 個(gè)輪子的角加速度為 dwi （ i = 1- 4 ）， 則有： dt w dwi  v r = i i = 1 dv dt （3-1） （3-2） dt ri dt 式中：V 為機(jī)器人的速度；wi 為第 i 個(gè)車輪的角速度； ri 為第i 個(gè)車輪的半徑。 圖 3-1 驅(qū)動(dòng)輪受力圖 圖 3-1 為機(jī)器人單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪在加速過程中的受力圖，圖中： Mi 為電機(jī)傳遞給輪軸的驅(qū)動(dòng)力矩； FNi 為機(jī)器人機(jī)體對(duì)第i 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的正壓力； mi g 為第i 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的重力； Ni 為地面對(duì)第i 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的垂直作用力； fti 為地面對(duì)第i 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的摩擦阻力； M fi 為地面對(duì)第i 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的摩擦阻力轉(zhuǎn)矩； Fti 為驅(qū)動(dòng)軸對(duì)第i 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的 作用力。 根據(jù)沿x和z 坐標(biāo)軸方向的平衡條件和繞輪軸的轉(zhuǎn)矩平衡條件有： m dv i dt = fti - Fti - mi g sin a  （3-3） J dwi i dt = Mi - M fi - fti ri  （3-4） 其中， Ji 為輪子繞驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 將式(3-4)除以ri ，并將式（3-2）、式（3-3）整理可得： Mi = M fi + F + m g sin a + (m + J i ) dv  i （3-5） ri ri ti i i 2 dt r 式(3-5)中， Mi ri 為驅(qū)動(dòng)輪的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力， M fi 為驅(qū)動(dòng)輪本身的滾動(dòng)阻力， ri mi g sin a 為驅(qū)動(dòng)輪的爬坡阻力。 由于機(jī)器人做直線運(yùn)動(dòng)，假設(shè)機(jī)器人左右兩側(cè)的輪子對(duì)機(jī)體的作用力完全相同，即有 Ft 1 = Ft 2 ， Ft 3 = Ft 4 FN1 = FN 2 ， FN 3 = FN 4 根據(jù)速度方向受力平衡有： dv mc = dt = Ft 1 + Ft 2 + Ft 3 + Ft 4 - mc g sin a （3-6） 式中， mc 為機(jī)器人本體質(zhì)量。 將式(3-5)代入式(3-6)中，并整理可得 4 i=1 Mi = 4 r i i=1 M fi + m r dv + m g sin a + 4 m g sin a + m i c dt c i i=1 i d d 4 v + J i dv （3-7） t i=1 r 2 dt i 4 Mi = 4 M fi + (m + J i ) dv + mg sin a 4 i=1 r i i=1 r i i=1 r 2 i dt （3-8） 其中，m 為機(jī)器人的總質(zhì)量， m = mc + mi i=1 4 由式(3-8)可以看出，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力之和用來克服車輪的滾動(dòng)阻力之和、機(jī) 器人平移質(zhì)量的加速阻力之和、車輪旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的加速阻力之和，并且在機(jī)器人爬坡的行進(jìn)過程中，還要克服機(jī)器人的整機(jī)重力沿斜坡的分力。 機(jī)器人在管道內(nèi)行進(jìn)的過程中，可能受到的影響因素很多，所以在選取電機(jī)的功率時(shí)要充分的考慮到電機(jī)效率、機(jī)械傳動(dòng)效率和安全因數(shù)的選取。根據(jù)機(jī)器人要求估算驅(qū)動(dòng)力矩M和行駛速度v、機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率η，可初步確定驅(qū)動(dòng)用電機(jī)的功率P 為： P = KM v rh （3-9） 其中，K為余度系數(shù)。 先以機(jī)器人在坡度α=10的直管道內(nèi)，以v = 10m / min 的速度勻速前進(jìn)，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪半徑r=80mm，小車的總重量m =15kg，當(dāng)量摩擦系數(shù)μ′=0.4，K=2，η =0.76（其中發(fā)電機(jī)效率為0.92，行星輪減速器效率為0.9，齒輪傳動(dòng)效率為0.92）。 根據(jù)公式(3-8)有 M r = m mg + mg sin10○ = 0.4 1510 + 1510 sin10o = 86N ， 根據(jù)公式(3-9)有 P = 2 86 10 0.76 60  = 37.7W 。 考慮機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時(shí)只通過一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，其他驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速均為零的情況，則要求每個(gè)電機(jī)都要有大于37.7w ，因此本文選擇易順公司的TH60JB標(biāo)準(zhǔn)型電機(jī)，功率為40w ，配以相同型號(hào)的減速器，完全能夠滿足了機(jī)器人的工作需求。圖3-2是該電機(jī)的外形尺寸。 主要參數(shù)，電壓24v ；功率40w ；減速比80 ；重量1200g ；空載轉(zhuǎn)速50rpm ； 額定輸出扭矩50kg/cm 。 圖 3-2 電機(jī)外形尺寸 3.2 管道機(jī)器人的理論牽引力分析及計(jì)算 本文設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人有前后兩組共四個(gè)輪，整體分布形式與四輪小車相似。四個(gè)輪子均為驅(qū)動(dòng)輪，靠四個(gè)直流伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)。由于正壓力的作用，使驅(qū)動(dòng)輪與管壁間產(chǎn)生一個(gè)與本體運(yùn)動(dòng)方向相同的摩擦力，正是這個(gè)摩擦力提供了機(jī)器人前進(jìn)的動(dòng)力。 定義驅(qū)動(dòng)輪與管壁之間產(chǎn)生的這個(gè)摩擦力為管道機(jī)器人的理論牽引力。為分析方便做以下假設(shè)：正壓力足夠大，載體驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率為 P (kw) ，額定轉(zhuǎn)速為n (rpm) ，驅(qū)動(dòng)輪當(dāng)量半徑為r (mm) ，傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比為i ，系統(tǒng)傳動(dòng)效率為h ， 驅(qū)動(dòng)輪與管壁的當(dāng)量摩擦系數(shù)為m / 。 驅(qū)動(dòng)輪處的總轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為：  M i  = 9550 Pih n  （3-10） 驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生的理想牽引力為： Fi = 1000 Mi / R （3-11） 所選用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率 P = 40w ，傳動(dòng)比i = 80 ， n = 4000rpm ，h = 0.76 。則根據(jù)公式(3-10)有： M = 9550 0.04 80 0.76 4000 （3-12） = 5.8N m 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪當(dāng)量半徑r = 80mm ，則機(jī)器人的牽引力為： F = 1000 M r = 1000 5.8 80  （3-13） = 72.5N 計(jì)算結(jié)果說明，電機(jī)可提供的牽引力為72.5N 。公式(3-2)可以看出，似乎意味著只要電機(jī)功率足夠，機(jī)器人的牽引力就能達(dá)到足夠大。實(shí)際上這里還必須得考慮正壓力的大小，因?yàn)槟Σ料禂?shù)不可能無限大，所以保證驅(qū)動(dòng)輪不打滑的最直接辦法就是通過改變配重提高正壓力。 所設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人正壓力的產(chǎn)生和機(jī)器人整機(jī)的重量有直接的關(guān)系，設(shè)驅(qū)動(dòng)輪上的正壓力之和為 N fi ，同時(shí)假設(shè)所有驅(qū)動(dòng)輪的當(dāng)量直徑及材料特性都相同， 輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量忽略不計(jì)，機(jī)器人在管內(nèi)作業(yè)過程中產(chǎn)生的實(shí)際牽引力為 FG ，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪與管壁的當(dāng)量摩擦系數(shù)為m = 0.4 ，則有： FG = m Ffi = 0.4 1510 = 60N （3-14） 由式(3-13)、式(3-14)計(jì)算得到的結(jié)果分析可知， FG < F ，即電機(jī)可以給機(jī)器人提供足夠的驅(qū)動(dòng)力，機(jī)器人具有的實(shí)際牽引力 FG = 60N 。 3.3 管道機(jī)器人拖纜力的理論計(jì)算 拖纜作業(yè)的管內(nèi)機(jī)器人在作業(yè)過程中需要提供額外的拖纜力，拖纜力的大小將直接影響機(jī)器人的最大作業(yè)距離。對(duì)機(jī)器人拖纜力的理論推導(dǎo)過程作以下假設(shè)[17]： （1）電纜在管道內(nèi)做勻速移動(dòng)，無爬行現(xiàn)象； （2）電纜線為理想的柔韌體，無軸向伸長(zhǎng)，無內(nèi)摩擦； （3）電纜線在管道內(nèi)與管壁處處接觸； （4）電纜線經(jīng)過的管道為平直管道； 如圖3-3所示，直管道與水平面夾角為q ，V 為電纜的運(yùn)動(dòng)方向， f 為電纜與管壁間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)， r 為單位長(zhǎng)度電纜線的重量。電纜長(zhǎng)度為S ，在電纜上任 圖3-3 直管內(nèi)電纜受力分析簡(jiǎn)圖 取一長(zhǎng)度為ds 的微段進(jìn)行分析，該微段的平衡方程如下： F + fdN + rdS sin q = F + dF dN = rdS cosq （3-15） （3-16） 由此得出：  r ( f cosq + sin q )dS = dF k = r ( f cosq + sin q ) kdS = dF  （3-17） （3-18） （3-19） 并對(duì)(3-19)進(jìn)行積分得： s F 2 k 0 ds = F1 dF F2 = F1 + ks （3-20） 這里k = r ( f cosq + sin q ) 為當(dāng)量摩擦系數(shù)，公式(3-20)為直管中的拖纜力計(jì)算公式。 以本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人所用光電復(fù)合纜為研究對(duì)象，其中，所選的光電復(fù)合的單位長(zhǎng)度重量為： r = 100kg 10N / kg = 1N / m 1000m 纜線在管道內(nèi)的滑動(dòng)摩擦系數(shù) f = 0.2 ，取管道的傾斜角度q = 10o ，纜線長(zhǎng)度 s = 100m ，則根據(jù)式（3-18）得： k = r ( f cosq + sin q ) = 1 (0.2 cos10 + sin10) = 0.371  （3-20） s F 2 F 2 k 0 ds = F1 dF 100 0.371 0 ds = F1 dF （3-21） F2 - F1 = 37.1N F2 = 37.1 + F1 由于纜線在管道中還可能受其它的阻力 F1 影響， 不可能為理想狀態(tài)，這里 F1 = 10N ，則有： F2 = 47.1N 即，機(jī)器人拖動(dòng)纜線的拖纜力為 F2 = 47.1N 3.4 本章小結(jié) 本章對(duì)輪式排水管道檢測(cè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)特性進(jìn)行了詳細(xì)研究，對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的確定、牽引力的計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)的分析；對(duì)機(jī)器人拖纜力的理論計(jì)算進(jìn)行了研究，推導(dǎo)了直管下的拖纜力計(jì)算公式。 第四章 管道機(jī)器人主要零部件設(shè)計(jì)及校核 4.1 軸 4.1.1 軸的確定 由村料力學(xué)可知，對(duì)于傳遞轉(zhuǎn)矩的實(shí)心圓軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 T 9550000 P W t T = T  0.2d 3 n [t ]T （4-1） T 式中 d為計(jì)算截面處軸的直徑（mm）；tT 為軸的扭剪應(yīng)力（MPa）；T為軸傳遞的轉(zhuǎn)矩（N mm）；P為軸傳遞的功率（KW）；N為軸的轉(zhuǎn)速（r/min）；WT 為軸的抗扭剖面系數(shù)mm ；[t ] 為許用扭剪應(yīng)力（MPa）[18]。 3 n P 對(duì)于既傳遞轉(zhuǎn)矩又承受彎矩的軸，也可用上式初步估算軸的直徑，但必須把軸的許用扭剪應(yīng)力[t ] 適當(dāng)降低，以補(bǔ)償彎矩對(duì)軸的影響。將降低后的許用應(yīng)力代入上式，并改寫為設(shè)計(jì)公式： 9550000P 3 0.2[t ]T n d = C （4-2） 式中C為軸的村料和承載情況確定的常數(shù)，可查機(jī)械手冊(cè)得到，應(yīng)用上式求出的d值作為軸最細(xì)處的直徑。 0.04 3 50 即： d 107 d 9.95 mm 軸的尺寸如圖4-1所示： 圖4-1 軸的尺寸 4.1.2 軸的強(qiáng)度校核 軸的材料選用45鋼調(diào)制處理，sb = 650MPa ，s s = 360MPa 。軸的計(jì)算步驟如下： （1） 計(jì)算齒輪，車輪受力 錐齒輪受力轉(zhuǎn)矩： T = 9.55106 P = 9550000 0.04 = 7640N imm 1 錐齒輪受圓周力： F n 50 = 2T1 = 2 7640 = 382N t1 錐齒輪受徑向力： F d1 40 = F tan a = 382 tan 20o = 139.04N r t n （2） 計(jì)算支承反力 水平面反力： FH 2 FH 1 垂直面反力： Fv 2 = 382 55 = 764N 27.5 = 764 27.5 = 382N 55 = 139.04 55 = 278.08N 27.5 Fv1 = 278.08 27.5 = 139.04N 55 水平面受力圖見圖4-2(a) ；垂直面受力圖見圖4-2(b) 圖 4-2(a) 水平面受力圖 圖 4-2(b) 垂直面受力圖 （