一種支撐式管道檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)含6張CAD圖,一種,支撐,管道,檢測(cè),機(jī)器人,設(shè)計(jì),CAD 一種支撐式管道檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì) Design of a supported pipeline inspection robot 摘 要 管道在輸送過程中擁有非常重要的作用，因此管道的維護(hù)問題對(duì)于人們的生產(chǎn)生活也非常重要。然而由于管道內(nèi)空間狹小，單憑人力無法到達(dá)，且人工檢測(cè)需要較大的工作量，檢測(cè)管道的效率也非常低，人工檢測(cè)管道危險(xiǎn)性也很高。所以研發(fā)一種管道檢測(cè)的機(jī)器人對(duì)管道進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控、檢測(cè)、反饋是很有必要的。 為了滿足對(duì)檢測(cè)管徑范圍為250mm-350mm管道的需求，并且要使設(shè)計(jì)的機(jī)器人順利越過以臺(tái)階為主的障礙管道和通過以彎道為主的無障礙管道。本論文主要完成了以下設(shè)計(jì)： 首先，制作管道檢查機(jī)器人整體的設(shè)計(jì)方案。分析管道，檢測(cè)機(jī)器人的石油天然氣管道中的環(huán)境，選擇適當(dāng)?shù)男旭偡椒?。分析管道?nèi)部的受力情況、管徑大小、以及管道內(nèi)部的機(jī)器人的運(yùn)行情況，完成支撐式直徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、行駛機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、檢查機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。 第二，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行靜態(tài)分析，對(duì)管道檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尺寸計(jì)算，簡(jiǎn)要介紹了控制系統(tǒng)的原理。對(duì)主要零件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以及強(qiáng)度和剛度校核，對(duì)牽引部進(jìn)行潤(rùn)滑選擇。 最后，通過solidworks軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了建模 關(guān)鍵詞：管道檢測(cè)；越障能力；過彎能力；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  Abstract Pipeline plays a very important role in the transportation process, so the maintenance of pipeline is also very important for people's production and life. However, due to the narrow space in the pipeline, it can not be reached by manpower alone, and manual detection requires a large amount of work, the efficiency of pipeline detection is also very low, and the risk of manual detection of pipeline is also very high. Therefore, it is necessary to develop a pipeline inspection robot to monitor, detect and feedback the pipeline in time. In order to meet the needs of the detection of pipe diameter range of 250mm-350mm, and make the designed robot smoothly cross the barrier pipe mainly by steps and the barrier free pipe mainly by curves. This paper mainly completed the following design Secondly, the static analysis of the robot is carried out, the structure design and the size calculation of the pipeline detection robot are carried out. The principle of the control system is introduced briefly. Design calculation of main parts, strength and rigidity check, lubrication selection of traction part. Finally, the structure design is modeled by SolidWorks software. Keywords: pipeline detection；obstacle surmounting ability；bending ability；structural design III 目 錄 第一章緒論 1 1.1管道機(jī)器人研究背景及意義 1 1.1.1管道檢測(cè)機(jī)器人的背景 1 1.1.2管道機(jī)器人的分類 1 1.2國(guó)內(nèi)外管道檢測(cè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r 6 1.2.1國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r 6 1.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 7 第二章管道機(jī)器人系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 9 2.1管道機(jī)器人的特性分析 9 2.2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的選擇 9 2.3管道檢測(cè)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu) 10 2.4檢測(cè)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 11 2.4.1檢測(cè)部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 11 2.4.2導(dǎo)向輪的結(jié)構(gòu) 12 2.4.3萬向節(jié) 12 2.5變徑機(jī)構(gòu)的原理及選擇 13 2.5.1蝸輪蝸桿的調(diào)節(jié)方式 13 2.5.2滾珠絲杠螺母調(diào)節(jié)方式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 14 2.5.4放大機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)方式 15 2.6過彎及越障系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 16 第三章管道檢測(cè)機(jī)器人零部件 17 3.1車輪軸上各零部件以及定位的介紹以及定位 17 3.2軸承的選型介紹 18 3.3銷軸的選型介紹 18 3.4聯(lián)軸器的選型設(shè)計(jì) 19 3.5萬向節(jié)的設(shè)計(jì) 19 第四章管道檢測(cè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 20 4.1行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 20 4.1.1行走機(jī)構(gòu)主要零件設(shè)計(jì) 20 4.2變徑機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 21 4.2.1四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 21 4.2.2彈簧的設(shè)計(jì)校核 22 4.3管道檢測(cè)機(jī)器人檢測(cè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 24 4.3.1檢測(cè)部分車輪軸的設(shè)計(jì) 24 4.4驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 29 4.4.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型及減速器的設(shè)計(jì) 29 4.5張緊機(jī)構(gòu)的計(jì)算 33 4.5.1滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 33 4.5.2張緊大齒輪的尺寸與強(qiáng)度計(jì)算 36 4.6傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 40 4.7鏈條傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 47 第五章管道檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 49 第六章管道檢測(cè)機(jī)器人的防腐、密封以及對(duì)牽引部的潤(rùn)滑設(shè)計(jì) 50 6.1防腐設(shè)計(jì) 50 6.2密封設(shè)計(jì) 51 6.3牽引部的潤(rùn)滑設(shè)計(jì) 51 第七章總結(jié) 53 致謝 55 參考文獻(xiàn) 57 VI 第一章緒論 1.1管道機(jī)器人研究背景及意義 1.1.1管道檢測(cè)機(jī)器人的背景 管道已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪幸环N必不可少的運(yùn)輸方式，包括遠(yuǎn)程運(yùn)輸油氣管道、日常的供水、供暖管道、石化工廠輸送天然氣、石油等的管道。但是這些運(yùn)輸管道由于環(huán)境密封，且管內(nèi)環(huán)境通常潮濕復(fù)雜，所以當(dāng)這些管道年久失修時(shí)，通常會(huì)造成化學(xué)腐蝕；以及管道內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢、裂紋、穿孔等故障，最后這將導(dǎo)致管道不能正常運(yùn)行，從而對(duì)我們?nèi)粘５挠蜌膺\(yùn)輸造成一定的阻礙。檢測(cè)管道缺陷對(duì)管道傳輸過程中沒有泄漏，造成經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境損害尤為重要。但是管道多深埋于地下，采用人工開挖檢測(cè)的方法非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以為了節(jié)省人力，以及可以精確的得知管道內(nèi)部的情況如何，加上我國(guó)科技的發(fā)展，研發(fā)、優(yōu)化一種可以檢測(cè)管道內(nèi)部環(huán)境的機(jī)器人迫在眉睫，經(jīng)過各種科學(xué)家以及教授研發(fā)團(tuán)隊(duì)的不懈努力，我國(guó)對(duì)于管道檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)有了一定的了解。 我們所要設(shè)計(jì)的配管檢測(cè)機(jī)器人主要是為了監(jiān)測(cè)、檢修管道內(nèi)部是否存在腐蝕、破損等一系列可能會(huì)對(duì)人們生產(chǎn)生活以及威脅人類安全的隱患。故該機(jī)器人要及時(shí)的檢測(cè)管道內(nèi)部以及外部的環(huán)境、以及要自如的行走。因此要設(shè)計(jì)相應(yīng)的管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，來滿足我們對(duì)管道機(jī)器人的工作需要，除此之外，管道檢測(cè)機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)也是非常關(guān)鍵的，例如，CCD相機(jī)的位置和姿勢(shì)傳感器、超聲波傳感器、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、管道清掃裝置、管道接口焊接裝置、防腐噴霧裝置等操作裝置）是通過操作者的遠(yuǎn)程操作而運(yùn)行的電氣機(jī)械一體化裝置。 1.1.2管道機(jī)器人的分類 管道機(jī)器人在工作的時(shí)能夠在管道內(nèi)行走，并且可以完成對(duì)管道內(nèi)待測(cè)的參數(shù)檢查。管道檢測(cè)機(jī)器人主要由以下幾個(gè)部分組成：1.行走機(jī)構(gòu)；2.電力控制系統(tǒng)；3.動(dòng)力單元；4.通訊系統(tǒng)；5.檢測(cè)部分（傳感器、攝像單元等）。管道機(jī)器人可通過有線或無線的方式與上位機(jī)建立連接，因此即使工作人員距離機(jī)器人較遠(yuǎn)，仍然能夠通過操作上位機(jī)控制機(jī)器人在管道內(nèi)的動(dòng)作，完成行走檢測(cè)維修等功能。同時(shí)可以輸出實(shí)時(shí)的監(jiān)控視頻，及時(shí)反映出管道內(nèi)的環(huán)境圖像，從而輔助找出管道內(nèi)部故障的原因，方便后期的維修解決。管道機(jī)器人的使用，有效的解決了人工檢測(cè)存在的不足之處，不但減輕了工作人員的工作強(qiáng)度，而且更是進(jìn)一步的提高了檢測(cè)的精度，是對(duì)機(jī)器人技術(shù)的一項(xiàng)成功的實(shí)踐。管道機(jī)器人的工作檢修能力日益增強(qiáng)，已經(jīng)可以逐步接替更為廣泛的檢修任務(wù)，因此未來管道機(jī)器人的應(yīng)用會(huì)更加廣闊。 機(jī)器人的工作環(huán)境決定了機(jī)器人的行走方式，從而決定了機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。工作在陸地表面的機(jī)器人，大多采用輪式作為其行走機(jī)構(gòu)。除了陸地表面環(huán)境以外的其他所有表面環(huán)境，如管道外邊面、管道內(nèi)壁，稱之為特殊工作環(huán)境。通常在管到中設(shè)計(jì)機(jī)器人我們一般采取以下結(jié)構(gòu)：履帶式、步進(jìn)式、輪式、多腿式、蠕動(dòng)式等移動(dòng)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)各自運(yùn)用在于不同的管道環(huán)境中。 1.輪式管道機(jī)器人 車輪式的行走機(jī)構(gòu)具有幾千年的歷史，然而憑借其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)組成、方便迅速的移動(dòng)形式、平穩(wěn)高效的運(yùn)動(dòng)性能以及可靠地連續(xù)運(yùn)動(dòng)能力，至今在機(jī)器人的設(shè)計(jì)研發(fā)中依然有著極為廣泛的運(yùn)用。管道輪式機(jī)器人主要驅(qū)動(dòng)車輪壓緊管道內(nèi)壁而產(chǎn)生的正壓力來保證行走的穩(wěn)定，其壓力一般來自車體自身重量或其他部件提供的外力（如彈簧、液壓或氣壓缸、電磁鐵等）。按照車輪結(jié)構(gòu)的不同，輪式管道機(jī)器人可分為2種：一種是一般輪式檢測(cè)機(jī)器人，另一種是內(nèi)支撐輪式檢測(cè)機(jī)器人。 （1）一般輪式 如圖1-1所示的管道檢測(cè)機(jī)器人，該機(jī)器人選擇一般輪式作為行進(jìn)結(jié)構(gòu)，一般輪式的結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)勁，但是在雜物較多的管道中行走時(shí)，缺乏一定的越障和避障能力，因此對(duì)于不同管道的適應(yīng)性，該機(jī)器人的適應(yīng)性較差。 圖1-1Everst VIT系列管道檢測(cè)機(jī)器人 （2）內(nèi)支撐輪式 此類管道機(jī)器人大多適合工作于圓形管道，行走機(jī)構(gòu)通常由三組互成鈍角的車輪支撐在管道內(nèi)壁。但是此行走機(jī)構(gòu)一般無法很好地通過不同管徑的管道，且過彎能力尚有不足。圖 1-3為來自韓國(guó)的Roh G.,Ryew M 等人設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人。這款機(jī)器人中的由萬向節(jié)是用來將其分為前后兩個(gè)部分成為一個(gè)整體，在每個(gè)部節(jié)上，都有3組驅(qū)動(dòng)車輪，車輪靠連桿撐開來支撐在管壁上。這款機(jī)器人可以通過調(diào)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)來使車輪適應(yīng)特殊管道，故適應(yīng)能力較強(qiáng)。 圖1-2內(nèi)支撐輪式管道機(jī)器人 日本研究人員研發(fā)了一種螺旋式的管道機(jī)器人，該機(jī)器人由10多個(gè)部分構(gòu)成，圖1-3為該機(jī)器人的單個(gè)的部分，每一個(gè)部分都是由彈簧連接而的，因?yàn)閺椈捎幸欢ǖ念A(yù)壓縮力。機(jī)器人車輪相對(duì)的部件軸線所形成的角度，可以通過扭矩讓機(jī)器人前進(jìn)。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)部分為三個(gè)靠彈簧壓緊在管壁的輪子，彈簧力的存在使其可以適應(yīng)不同的管徑。該多連體的機(jī)器人結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)彎、垂直爬行時(shí)有顯著地效果。 圖1-3螺旋式的管道機(jī)器 2.履帶式管內(nèi)機(jī)器人 按照行走機(jī)構(gòu)的不同，履帶式管道機(jī)器人包括一般履帶式及其派生機(jī)構(gòu)的管道機(jī)器人。 （1）一般履帶式管道機(jī)器人 該機(jī)器人的行走主要由控制兩條履帶的運(yùn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)速度來控制，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、前后行走等功能。 圖1-4普通履帶式管道行走機(jī)器人 該機(jī)器人與一般的輪式的機(jī)器人相比雙履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)，更適應(yīng)崎嶇的工作路面，但不適合在圓形管道內(nèi)工作。 （2）變位履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu) 該機(jī)構(gòu)可以在不同管道大小當(dāng)中自由行走，這是因?yàn)椴捎眠@種機(jī)構(gòu)履帶的結(jié)構(gòu)類型或其所處的方位都可以改變。如圖1-5所示，為通過履帶來帶動(dòng)的機(jī)器人，通過對(duì)履帶的夾角進(jìn)行微調(diào)來符合管道的大小。要使機(jī)器人在平滑地面或是在矩形的管道中行走，則可將該機(jī)器人中的履帶調(diào)節(jié)到平行位置。 圖1-5變位履帶式管道機(jī)器人 3.其它類型管內(nèi)機(jī)器人 大多數(shù)的管道機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)都是輪式或者履帶式，但各種機(jī)構(gòu)的機(jī)器人都有其優(yōu)點(diǎn)和不足，在一般形式的行走機(jī)構(gòu)使用不方便時(shí)，其他種類的行走機(jī)構(gòu)便可以發(fā)揮他們的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，較為常見的有蠕動(dòng)式機(jī)器人、多足式機(jī)器人、步進(jìn)式機(jī)器人等。 蠕動(dòng)式的管道行走機(jī)器人憑借其超強(qiáng)的密封能力以及更小的體積，是小型管道的理想機(jī)器人。然而，蠕動(dòng)式機(jī)器人一般是靠整體的收縮、前部帶動(dòng)后部行進(jìn)，致使間歇性的爬行，工作效率較輪式和履帶式機(jī)器人來說較為低下，且在內(nèi)部有雜物的管道內(nèi)不能很好地避障行走。故而其只在某些特殊壞境中應(yīng)用，不能大范圍的推廣。 圖1-6所示為一種蠕動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，由美國(guó)斯坦福大學(xué)研制。 圖1- 6蠕動(dòng)式管道機(jī)器人 還有一種管道內(nèi)行走機(jī)器人，是靠著其行走部的自鎖和關(guān)節(jié)處機(jī)構(gòu)的變化完成行走功能的。但是這種機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)太過復(fù)雜，穩(wěn)定系較差，且控制比較困難，故應(yīng)用不是很廣泛。 1.2國(guó)內(nèi)外管道檢測(cè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r 1.2.1國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r 在國(guó)外對(duì)管道檢測(cè)機(jī)器人的研究要較早一些，20世紀(jì)中期，美利堅(jiān)、德國(guó)等國(guó)家都開始了對(duì)管道機(jī)器人的研究，由此出現(xiàn)了一種新的裝置，此裝置無需動(dòng)力對(duì)此驅(qū)動(dòng)，90年代初管道機(jī)器人得到了進(jìn)一步的發(fā)展。 70年代，工業(yè)發(fā)展前景看好，隨著石油、天然氣等以及管道運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，引發(fā)了管道檢查機(jī)器人的研究。這有利于管道內(nèi)部的維護(hù)。 法國(guó)J.VR`ERTT教授于1978年提出了環(huán)足式管內(nèi)步行機(jī)構(gòu)的模型IPRIV。他首先開始了管內(nèi)機(jī)器人理論和樣機(jī)的研究。 80年代，日本的福田敏男、細(xì)貝英實(shí)、岡田德次等人十分好用，美國(guó)等國(guó)家研究、探索的檢測(cè)管道的機(jī)器人，因此研發(fā)出了各種結(jié)構(gòu)的管內(nèi)檢查機(jī)器人。 天然氣管道檢查機(jī)器人MRI SPECT系列由韓國(guó)成均館大學(xué)的HyoukR.C.等參與設(shè)計(jì)。 美國(guó)和德國(guó)所研究的管道檢測(cè)機(jī)器人研發(fā)水平已經(jīng)很高了。 (1)德國(guó)管道機(jī)器人MAKRO 德國(guó)新設(shè)計(jì)的一種機(jī)器人,其特點(diǎn)是前后的單元體都相同,被稱為六關(guān)節(jié)管道機(jī)器,最中心的部位有兩對(duì)相同的單元體,電機(jī)推動(dòng)單元體運(yùn)行,一共有21個(gè)自由度,這可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自如的行走、轉(zhuǎn)彎以及越過臺(tái)階等障礙、,也能在較小的管道中通過。 (2)美國(guó)ROVVER管道檢測(cè)機(jī)器人 該機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)可以讓機(jī)器人更好的適應(yīng)不同的環(huán)境、管徑不同的管道、并且具有良好的操作性能、越障性能。其中管道機(jī)器人的短軸對(duì)于機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)跨過障礙時(shí)非常輕松;采用六輪驅(qū)動(dòng)方式,因其中間輪在爬行器掉頭時(shí)懸空 1.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 中國(guó)的前人在對(duì)管道檢測(cè)機(jī)器人的探索方面已經(jīng)努力了好幾十年了，包括中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)等高校都對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行研究。對(duì)管道檢測(cè)機(jī)器人的研究，以前大多都是研究輪支撐結(jié)構(gòu)，之后才開始研究使用傳統(tǒng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人來對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)和維修。其中最重要的一點(diǎn)是設(shè)計(jì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 輪式清污機(jī)器人是在三維的管道中工作的，因此，我們需要建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與常規(guī)平面上移動(dòng)的帶車輪移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型十分不一樣。在建立運(yùn)動(dòng)模型之前，必須考慮約束的所有方面，再分析輪式移動(dòng)機(jī)器人的控制輸入與機(jī)器人位姿坐標(biāo)變化之間的關(guān)系。 隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人市場(chǎng)的出現(xiàn)，機(jī)器人系統(tǒng)的持續(xù)改善，機(jī)器人技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，使中國(guó)對(duì)機(jī)器人技術(shù)的研究開發(fā)增加了投資。因此我國(guó)在機(jī)器人研究和應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域取得了巨大成功。 下表所示為我國(guó)所研發(fā)設(shè)計(jì)的幾款機(jī)器人 表1-1我國(guó)研發(fā)的機(jī)器人介紹 鄧宗全教授設(shè)計(jì)了一種三輪腿式的管道機(jī)器人 上海交通大學(xué)使用SMA材料研發(fā)了一款管道蠕動(dòng)機(jī)器人 廣東工業(yè)大學(xué)研制的能源自給式機(jī)器人 原理 該管道機(jī)器人可以自主的調(diào)節(jié)輪腿的開合，并通過電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠的方式來調(diào)節(jié)，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，該機(jī)器人選用的是三軸差速器的設(shè)計(jì) 原理 機(jī)器人形狀為正方形，邊長(zhǎng)為35mm，由12根蠕動(dòng)的元件組成，重量0大約為19.5g。通過控制機(jī)器人12根蠕動(dòng)元件，有12個(gè)自由度，該機(jī)器人可以輕易的完成全方位的運(yùn)動(dòng)，通常在L型和T型管道中使用該機(jī)器人 原理 管道機(jī)器人的牽引部分的設(shè)計(jì)借助了雨傘的形狀，以此來通過流體介質(zhì)作用在傘面上，為該機(jī)器人提供推力。管道機(jī)器人的速度，可以通過調(diào)節(jié)管道截面上傘面的投影面積來實(shí)現(xiàn) 作用 可以使機(jī)器人自主的適應(yīng)不同的管徑，該管道機(jī)器人適應(yīng)管徑的范圍增大，提高了管道機(jī)器人的自適應(yīng)能力。 局限 該機(jī)器人的運(yùn)行速度受到了很大的限制，該機(jī)器人的速度為15mm/min，而且它的控制較為復(fù)雜 作用 可以借助流體的推力進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，也可以將能量轉(zhuǎn)化為電能，并將其儲(chǔ)存起來（當(dāng)機(jī)器人停在管道的某一位置時(shí)，發(fā)電機(jī)開始工作，開始儲(chǔ)能） 68 第二章管道機(jī)器人系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 2.1管道機(jī)器人的特性分析 本次管道檢測(cè)機(jī)器人適用于管徑為250-350mm的石油天然氣管道，考慮到管道環(huán)境通常有包括臺(tái)階、凹槽、斜坡等障礙，另外，彎管多，彎道半徑小，而且根據(jù)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和安裝尺寸等，配管檢測(cè)機(jī)器人有很大的限制。 配管檢測(cè)機(jī)器人在管道內(nèi)部穩(wěn)定，可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)停止，行駛時(shí)，必須滿足形狀的封閉，力量的關(guān)閉，充分的驅(qū)動(dòng)力等3個(gè)條件。這次的設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作要求很高。要能夠順利越過以臺(tái)階為主的障礙管道和順利通過以彎道為主的無障礙管道。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：（1）負(fù)載性能強(qiáng)；（2）過彎能力好；（3）有一定的越障能力、且柔韌性好。 2.2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的選擇 在不同類型的管道中運(yùn)行時(shí)，我們需要根據(jù)管道選取不同類型的機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式，圖2-1所示為常見的管道檢測(cè)機(jī)器人的行駛方式，現(xiàn)根據(jù)各運(yùn)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較選擇。 圖2- Error! Main Document Only.管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式 履帶式機(jī)器人控制方式簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)力大，越障性能良好，很適合作為管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式，但受其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的影響，很難減小履帶式機(jī)器人的體積，故管徑較小的管道中不適合選取履帶式機(jī)器人； 蠕動(dòng)式機(jī)器人依附于徑向變化來實(shí)現(xiàn)行走，能提供較大的驅(qū)動(dòng)力，但本身行進(jìn)效率和通過障礙的能力能力較差，無法在敷設(shè)有電纜的管道內(nèi)行走； 螺旋式機(jī)器人在管道內(nèi)行走能夠提供穩(wěn)定可靠地動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)力十足，且控制簡(jiǎn)單，是常用的管道機(jī)器人，但其對(duì)管道內(nèi)環(huán)境要求很高，不適合石油天然氣管道。 多足式機(jī)器人體積小巧，控制靈活，適合于小型管道，但其結(jié)構(gòu)較多，驅(qū)動(dòng)力不高，制作經(jīng)費(fèi)會(huì)比較高，故不能大批投入制造。 對(duì)比上述驅(qū)動(dòng)方式，輪式驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)可靠，運(yùn)動(dòng)效率高，能提供較大的驅(qū)動(dòng)力，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以做到機(jī)器人的小型化，研發(fā)成本相對(duì)較低，能夠有效減少成本，便于規(guī)模生產(chǎn)。機(jī)器人由3組互相呈120°的支撐輪支撐，對(duì)中性好，前進(jìn)平穩(wěn)，再對(duì)其進(jìn)行機(jī)構(gòu)改進(jìn)就能夠在不同大小的管道中行走，通過設(shè)計(jì)合理的沿軸方向尺寸，選取合理的結(jié)構(gòu)，便可以提高機(jī)器人的過彎能力。 故本方案采用輪式驅(qū)動(dòng)作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式。 2.3管道檢測(cè)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu) 本課題設(shè)計(jì)地管道檢測(cè)機(jī)器人基本機(jī)械結(jié)構(gòu)由圓柱形主體模塊，頭部檢測(cè)模塊，前進(jìn)模塊，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊。設(shè)計(jì)的整體效果圖如圖所示。 圖2- 2設(shè)計(jì)整體效果圖 它的運(yùn)動(dòng)過程如下： 首先由電機(jī)驅(qū)動(dòng)后排的輪子轉(zhuǎn)動(dòng)從而可以驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置運(yùn)動(dòng)，為了使裝置可以提供運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，我們又在驅(qū)動(dòng)輪的前面設(shè)計(jì)了一排輪子，它的主要作用是在絲桿的帶動(dòng)下可以使裝置向前前進(jìn)。裝置最前面的是裝置的檢測(cè)部分，它主要作用是通過視鏡來觀察管內(nèi)情況是否正常從而可以給工作人員正確的情報(bào)，進(jìn)而決定下一步的工作。 2.4檢測(cè)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 檢測(cè)部分的建模如圖 圖2- 3檢測(cè)部分的建模 2.4.1檢測(cè)部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 它主要的部件有，反射鏡、齒輪、步進(jìn)電機(jī)、超聲波探頭等。主要的功能如下： 步進(jìn)電機(jī)：它的主要作用就是帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)從而可以使反射鏡也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而可觀察管道內(nèi)部的損傷情況。從而工作人員可以做出相應(yīng)的判斷和解決方案。 超聲波探頭：它的作用就是發(fā)射信號(hào)，并收集反饋的信號(hào)來確定管道機(jī)器人所在的位置及是否管道內(nèi)有損傷。 反射鏡：它的作用就是充當(dāng)檢測(cè)機(jī)器人的眼睛來觀察管道內(nèi)的情況來做出判斷。 齒輪：它的作用主要就是動(dòng)力的傳動(dòng)，將步進(jìn)電機(jī)提供的動(dòng)力傳遞到反射鏡等地方。 在檢測(cè)部分的外側(cè)加導(dǎo)向輪，以保證管道機(jī)器人可以平穩(wěn)運(yùn)行如圖所示。 圖2- 4檢測(cè)部分的導(dǎo)向輪 2.4.2導(dǎo)向輪的結(jié)構(gòu) 圖2-5導(dǎo)向輪 導(dǎo)向輪有段支撐桿上部為空心，用來放置彈簧，通過彈簧的拉伸和壓縮來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向輪對(duì)管徑的適應(yīng)。 2.4.3萬向節(jié) 萬向節(jié)的主要作用是連接檢測(cè)部分和后面主體結(jié)構(gòu)，還可以實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人在管道內(nèi)的轉(zhuǎn)彎。它的結(jié)構(gòu)如圖所示。 圖2-6萬向節(jié) 2.5變徑機(jī)構(gòu)的原理及選擇 變徑機(jī)構(gòu)對(duì)于管道檢測(cè)機(jī)器人的作用：(1)）可以增大機(jī)器人對(duì)管內(nèi)壁的壓力，以此來提高該機(jī)器人的牽引力；（2）可以適應(yīng)不同的管徑需求、以及管道內(nèi)的幾何約束；（3）變徑機(jī)構(gòu)還可以更好的使管道機(jī)器人越過障礙。 本次設(shè)計(jì)整體方案要求管道檢測(cè)機(jī)器人要適應(yīng)管徑為250-350mm的石油天然氣管道，所以需要設(shè)計(jì)一套能夠自動(dòng)適應(yīng)管徑大小的變徑機(jī)構(gòu)。以下為幾種變徑機(jī)構(gòu)： 2.5.1蝸輪蝸桿的調(diào)節(jié)方式 圖2-7為工作時(shí)蝸輪、蝸桿調(diào)整的結(jié)構(gòu)示意圖。其原理是電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿，然后驅(qū)動(dòng)蝸桿。連桿AB的一段與蝸桿剛性聯(lián)接成一個(gè)整體，另一端與輪軸聯(lián)接，使車輪由于蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)而變大或變小，以達(dá)到不同直徑工作的目的。 圖2- 7蝸輪蝸桿調(diào)節(jié)方式 2.5.2滾珠絲杠螺母調(diào)節(jié)方式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 圖2-8所示是該機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)方式的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，滾珠絲杠是由步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)的，螺母與連桿鉸接，組成一套曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。曲柄的末端連接機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)車輪，絲杠螺母沿著絲杠直線運(yùn)動(dòng)，使得曲柄帶動(dòng)車輪做往復(fù)的擺動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的變徑效果，來適應(yīng)不同的管道直徑。螺母上固定有壓力傳感器，可以間接的檢測(cè)車輪與管壁的正壓力，實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整。 圖2- 8滾珠絲杠螺母調(diào)節(jié)方式 2.5.4放大機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)方式 如圖2-9是該機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)方式簡(jiǎn)圖，放大機(jī)構(gòu)是由連桿機(jī)構(gòu)組成的，由圖可知連桿EF中F點(diǎn)受水平向右的力時(shí)，整個(gè)放大機(jī)構(gòu)的連桿位置會(huì)產(chǎn)生變化，因此會(huì)使連桿CD上與D點(diǎn)相連的驅(qū)動(dòng)輪壓緊在管壁上，以此來適應(yīng)不同的管徑。與此同時(shí)如果F點(diǎn)的受力方向改變時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪也會(huì)在豎直方向上發(fā)生相應(yīng)的變化。 圖2- 9放大機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)方式 綜合參考上述方案，本方案最終采用可動(dòng)環(huán)和四連桿機(jī)構(gòu)，通過可動(dòng)環(huán)來帶動(dòng)四連桿的運(yùn)動(dòng)，從而使四連桿的伸縮，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人適應(yīng)不同管徑。 2.6過彎及越障系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 通常管道可分為障礙管和無障礙管。障礙物管常見的運(yùn)動(dòng)障礙中以樓梯障礙為中心。 無障礙管分為直管和彎管。因此，配管檢測(cè)機(jī)器人的配管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)需求主要可以順利地越過（1）以樓梯為中心的障礙物配管，（2）可以通過以繞道為中心的無障礙配管 考慮到管道檢測(cè)機(jī)器人越過臺(tái)階等障礙和轉(zhuǎn)彎等特殊情況，驅(qū)動(dòng)部分電機(jī)采用三個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)；變徑機(jī)構(gòu)中使用彈簧使設(shè)計(jì)本身具有一定的越障能力，并且用萬向節(jié)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)的轉(zhuǎn)彎。 第三章管道檢測(cè)機(jī)器人零部件 零部件對(duì)于機(jī)器人的性能是非常重要的存在，零部件的好與壞通常決定了該機(jī)器的壽命，更換周期，靈敏度等。 3.1車輪軸上各零部件以及定位的介紹以及定位 軸的形態(tài)設(shè)計(jì)涵蓋適當(dāng)?shù)妮S的外表和軸的所有整體的外形尺寸。 軸的在結(jié)構(gòu)上多半依賴于（1）機(jī)器的軸裝設(shè)所在位置和方式；（2）連接軸上部件的大小、種類、總數(shù)和和軸連接的方法；（3）軸上負(fù)荷的分布狀況及其負(fù)荷的大小、朝向等；（4）軸的研磨工序等 該軸的在結(jié)構(gòu)上應(yīng)兼顧下列提議：（1）安裝在軸和軸上的部件需要正確的作業(yè)位置；（2）安裝在軸上的部件在安裝和調(diào)整上很方便；（3）軸需要更好的制造工序性 輪軸上安裝了端蓋、軸承、軸承座、軸承、定位塊、墊圈、軸端擋板。左端裝軸承及其端蓋，右端裝軸承端蓋。 軸的部件遭受力的話會(huì)相對(duì)地運(yùn)轉(zhuǎn)。其中相對(duì)的運(yùn)動(dòng)包括軸向和朝向的運(yùn)動(dòng)，我們不僅要對(duì)軸進(jìn)行靈活或公轉(zhuǎn)的要求，而且對(duì)軸的部件要有軸向和朝向的定位必須進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，確保正確的作業(yè)位置。 1.部件的軸方向定位 軸部件的軸方向定位的保證是由軸肩、襯套、軸端擋泥板、軸承端蓋、螺母等部件決定的。 軸肩的定位是最安全精確的方法，但是選用軸肩的定位的話軸的直徑會(huì)變大。另外，軸肩的位置由于斷面突然變異，應(yīng)力集中，如果軸肩過多，對(duì)加工也沒有作用。 套筒定位結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、定位可靠，不影響軸的疲勞強(qiáng)度，一般用于軸上兩個(gè)零件之間的定位。 軸承端蓋將螺釘和箱體連接起來，連接箱體，將滾輪軸承的外圍定為軸向。在一般情況下，整體軸的定位由軸承端蓋組成。。 此次車輪軸我們也選用了軸承端蓋來進(jìn)行軸向定位。 2.零件的周向定位 周向定位最主要的調(diào)節(jié)作用是約束軸上部件和軸的相對(duì)旋轉(zhuǎn)。銷和緊固螺釘是常用的圓周方向固定部件。我們選用螺釘來實(shí)現(xiàn)其的周向定位。 3.提高軸的強(qiáng)度 制約軸強(qiáng)度的部分有許多。譬如軸的部件和軸相互之間的構(gòu)造、工藝和部件的裝載配置等。因此，在設(shè)計(jì)軸的整個(gè)過程中，必須考量增強(qiáng)軸的負(fù)荷能力，減少軸的尺寸和機(jī)械的準(zhǔn)確度；為此，我們對(duì)軸的負(fù)荷作如下權(quán)衡： 1）軸上的部件要恰當(dāng)配置；（2）改善軸件的結(jié)構(gòu)；（3）在結(jié)構(gòu)上改善軸，減少應(yīng)力集中；（4）提高軸的表面質(zhì)量。 3.2軸承的選型介紹 鑒于摩擦特性各有不同，軸承可以歸為滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承。滾輪軸承早已規(guī)范化，在普通機(jī)械中廣泛傳播使用。主要是通過主要部件之間的碰撞接觸來承托旋轉(zhuǎn)部件。旋轉(zhuǎn)軸承工作時(shí)所需力量的矩小，轉(zhuǎn)動(dòng)效率高。 閱軸承的相關(guān)資料，選擇深溝球滾動(dòng)軸承，考慮到長(zhǎng)期使用管道內(nèi)存在積灰塵土，軸承需要密封，為減小空間，選擇帶防塵蓋型的軸承，且選擇軸承配有止動(dòng)擋邊可更好地做軸向固定。 此次我們選用的滾動(dòng)軸承代號(hào)為61096：（1）06表示該軸承內(nèi)徑d=30mm；（2）9表示該軸承的直徑系代號(hào)；（3）1表示軸承的寬度系列；（4）6代表軸承代號(hào)深溝球軸承 3.3銷軸的選型介紹 機(jī)器人變徑機(jī)構(gòu)為鉸接的四連桿塊機(jī)構(gòu)，銷軸裝配后與關(guān)節(jié)軸承焊接，。查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，鉸接處需選用銷軸連接。則根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸，查閱手冊(cè)，參考GB/T 882-2000，選擇B型銷軸。其中曲柄與前盤鉸接處選擇公稱直徑d=4mm，長(zhǎng)度L=32mm的銷軸，即銷軸 GB/T 882 4×32；連桿與彈簧軸的鉸接處選擇公稱直徑d=4mm，長(zhǎng)度L=24mm的銷軸,即GB/T 882 4×24；曲柄與連桿鉸接處選擇d=4mm，L=22mm的銷軸，即GB/T 882 4×22。 3.4聯(lián)軸器的選型設(shè)計(jì) 聯(lián)軸器是機(jī)械驅(qū)動(dòng)器中慣用的組件，多半用來連結(jié)軸和軸，傳達(dá)動(dòng)作和扭矩。聯(lián)軸器連接了2軸。用聯(lián)軸器連接的兩軸，當(dāng)機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，2軸是不能離開的；當(dāng)機(jī)器停止運(yùn)行時(shí)，才能夠?qū)奢S拆下（先拆除聯(lián)軸器）。 由于制作及配備上的偏差、負(fù)荷后的卷曲形變及溫度波動(dòng)的沖擊，聯(lián)軸器連接的2軸多半不保證對(duì)中性，因此在聯(lián)軸器設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)行結(jié)構(gòu)上各異的舉措，以此來調(diào)適較大區(qū)域的相對(duì)位移性能。 3.5萬向節(jié)的設(shè)計(jì) 3節(jié)式的車體之間采用可以360°轉(zhuǎn)動(dòng)的萬向節(jié)連接，可以有效的保證機(jī)器人車體的過彎性能。 其中，萬向節(jié)前叉與一法蘭盤連在一起，通過螺栓螺母與前車體連接；萬向節(jié)后叉開φ12mm孔，與連接軸配合，使用M3緊定螺釘進(jìn)行軸向固定。中間采用十字軸，其原理為：中間的十字軸傳遞動(dòng)力，使一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)叉帶動(dòng)另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，且十字軸又能起到控制轉(zhuǎn)動(dòng)叉的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的作用，使其可以在任一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 第四章管道檢測(cè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 4.1行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 由2.2可知，本次設(shè)計(jì)選取輪式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。前進(jìn)裝置主要用于：（1）在驅(qū)動(dòng)輪的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)從而使管道檢測(cè)機(jī)器人前進(jìn)；（2）自適應(yīng)不同的管徑，使運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。 4.1.1行走機(jī)構(gòu)主要零件設(shè)計(jì) （1）可動(dòng)環(huán) 可動(dòng)環(huán)的作用是在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下使絲杠運(yùn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)可動(dòng)環(huán)前后運(yùn)動(dòng)，可動(dòng)環(huán)與前進(jìn)輪所在的四連桿機(jī)構(gòu)相連從而可以使前進(jìn)輪實(shí)現(xiàn)擴(kuò)張收縮實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置向前的蠕動(dòng)。建模模型如圖所示。 圖4- 1可動(dòng)環(huán) （2）齒輪 齒輪的作用是傳動(dòng)，在這里就是將電機(jī)的動(dòng)力通過一個(gè)大齒輪和三個(gè)小齒輪傳遞到絲杠上進(jìn)而使絲杠可以轉(zhuǎn)動(dòng)。 （3）電機(jī) 電機(jī)的作用就是提供動(dòng)力，在前進(jìn)部分只需一個(gè)電機(jī)，通過齒輪將一個(gè)電機(jī)的動(dòng)力均勻地分配給前進(jìn)輪。電機(jī)的模型如圖所示。 圖4- 2行走機(jī)構(gòu)處的電機(jī) （4）絲杠 絲杠的作用就是將從電機(jī)傳過來的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成前后的平動(dòng)。從而帶動(dòng)可動(dòng)環(huán)的前后運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)管道檢測(cè)機(jī)器人收縮和擴(kuò)張，也就可以使裝置前進(jìn)后退了。 4.2變徑機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 管道檢測(cè)機(jī)器人需要適應(yīng)管徑為250-350mm的石油天然氣管道，選用的是可動(dòng)環(huán)來帶動(dòng)四連桿來實(shí)現(xiàn)變徑。其中導(dǎo)向輪支撐桿中安裝彈簧，通過彈簧的拉伸與壓縮也可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向輪對(duì)管道內(nèi)徑的適應(yīng)。 4.2.1四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 由2.4可知本次變徑機(jī)構(gòu)選取放大機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)方式，因?yàn)榉糯髾C(jī)構(gòu)所占據(jù)的空間很小，且伸縮兩少，容易設(shè)計(jì)。 連桿機(jī)構(gòu)中的原動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)時(shí)都會(huì)經(jīng)過連桿，因?yàn)檫B桿與機(jī)架不是直接相連的。其中的低副幾乎是桿體中的面式觸動(dòng)副，并且其壓力很小，承載能力大，并且潤(rùn)滑好，破損小，加工裝配方便。連桿機(jī)構(gòu)中的低副都是密封的形狀，這有助于確保工作時(shí)的準(zhǔn)確度。 在連桿機(jī)構(gòu)中，連桿上的點(diǎn)的軌跡會(huì)根據(jù)各部件的相對(duì)長(zhǎng)度而變化形狀，因此棒形曲線多樣，可以滿足特定作業(yè)的需要。 我們選用一個(gè)連桿機(jī)制，是因?yàn)樗倪B桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且該結(jié)構(gòu)也可以很容易地改變運(yùn)動(dòng)的傳遞方向、放大行程、增力和遠(yuǎn)距離驅(qū)動(dòng)器。 4.2.2彈簧的設(shè)計(jì)校核 （1）彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 考慮彈簧的工作條件，可以按照第Ⅱ類彈簧來考慮（受變載荷作用次數(shù)在103~105 及沖擊載荷），現(xiàn)選用碳素彈簧鋼絲SM型。 連桿機(jī)架軸作為彈簧的導(dǎo)桿使用，同時(shí)可以保證彈簧的穩(wěn)定性。根據(jù)車體設(shè)計(jì)尺寸，軸的外徑D為φ8mm，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，導(dǎo)桿與彈簧之間的間隙c=1mm，故初取彈簧中徑D=10mm，估取彈簧鋼絲直徑為1.2mm，查表暫選σB=2160Mpa，則可知,許用切應(yīng)力： τ=0.4?σB 式（4- 1） =0.4×2220=864MPa 2.根據(jù)強(qiáng)度條件計(jì)算彈簧鋼絲直徑 旋繞比C=8.3，則得彈簧曲度系數(shù)： K=4C-14C-4+0.615C 式（4- 2） ≈1.17 則試算彈簧絲直徑： d'≥1.6P2KC[τ] 式（4- 3） =1.6×36.2×1.17×8.3864=1.02mm 所算得的結(jié)果與估算值很接近，故彈簧鋼絲的標(biāo)準(zhǔn)直徑為1.2mm，D=10mm，為標(biāo)準(zhǔn)值，合適。 一般圓柱螺旋彈簧的主要重要尺寸有：外徑D2、中徑D、內(nèi)徑D1、節(jié)距P、螺旋升角α以及彈簧絲直徑d?？芍?，它們之間的關(guān)系是 α=arctanPπD 式（4- 4） 取p=0.28D=2.8mm，可得，α=5.45° 3.已知彈簧剛度，可知彈簧圈數(shù)n，自由高度H0 彈簧剛度： KF=P2-P1h 式（4- 5） =36-320 =1.65 N/mm 查表取切變模量G=82000 Mpa，則彈簧圈數(shù)為 n=Gd48D3KF 式（4- 6） =12.88 查表，取有效圈數(shù)n=13.5圈，此時(shí)彈簧的剛度為 KF=12.88×1.6513.5=1.57N/mm 自由高度H0： H0=np+1.5d 式（4- 7） =39.6mm 取H0=40mm 4.驗(yàn)算 最大軸向變形量： λmax=8FmaxC3nGd 式（4- 8） =8×36×8.33×13.582000×1.2=23.63mm 最小載荷時(shí)高度： H1=H0-P1KF 式（4- 9） =38.03mm 最大載荷時(shí)高度： H2=H0-P2KF 式（4- 10） =16.9mm 4.3管道檢測(cè)機(jī)器人檢測(cè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 檢測(cè)機(jī)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)已在2.4中介紹過，管道檢測(cè)機(jī)器人需要檢測(cè)石油管道內(nèi)是否有破損、溫度異常等情況，通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，來檢測(cè)管道內(nèi)的情況；安裝超聲波探頭，實(shí)時(shí)進(jìn)行發(fā)射、收集反饋信號(hào)，并且及時(shí)反饋給工作人員該機(jī)器人所在位置處管道是否有破損。 4.3.1檢測(cè)部分車輪軸的設(shè)計(jì) 軸上裝有圓柱齒輪，自左到右各軸端長(zhǎng)度分別為：28mm、12mm、4.8mm，25.52，13.6mm，13.68mm，軸徑分別為φ32.44mm、φ23.51mm、φ26.77mm、φ31.63mm、φ35.67mm、φ14.56mm?，F(xiàn)進(jìn)行軸的受力分析與校核。 ① 軸的功率、轉(zhuǎn)速 P1=33.33w=0.033kw n1=18r/min ② 確定軸的最小軸徑 選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)表，取A0 = 103，得： d1=A03P1n1 式（4- 11） =103×30.03318=11.6mm 故各處軸端均能滿足最小軸徑的要求。 ③ 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 圖4- 3軸的結(jié)構(gòu)圖 車輪軸為對(duì)稱設(shè)計(jì)，13.68mm軸段安裝有d2=13.5mm的圓柱齒輪，由于傳遞的扭矩及轉(zhuǎn)速都較小，故此處采用過盈配合；31.63mm軸段處對(duì)稱安裝有兩個(gè)的深溝球軸承，軸上安有定位塊、軸承座、端蓋、銷軸等，靠軸末端安裝軸端擋板作為軸向固定。 ④ 軸的受力分析和校核 1） 做軸的受力簡(jiǎn)圖（圖3-15（a）） 2） 計(jì)算軸的支反力 首先計(jì)算圓柱齒輪的受力： Ft=2Td 式（4- 12） =0.09N?m0.013m=6.9N Fr=Fttanαcosδ 式（4- 13） =6.9×tan20°×cos60°=1.25N Fa=Fttanαsinδ 式（4- 14） =6.9×tan20°×sin60°=2.17N 水平方向上,由受力平衡： Fa=FNH1+FNH2 式（4- 15） 則， FNH1=FNH2=1.08N 垂直軸的方向上，由受力平衡： FN1+FN2=Fr+FNV1+FNV2 式（4- 16） 其中，F(xiàn)N1、FN2分別為驅(qū)動(dòng)輪對(duì)軸的壓力，大小等于管壁對(duì)輪的壓力，取最小管徑時(shí)FN1=FN2=30N。 以左側(cè)軸承處為支點(diǎn)，由力矩平衡，可以得出： FN1?L1+Fr?L2+FNV2?L3=FN2?L4 式（4- 17） 其中，L1、L2、L3、L4分別為左側(cè)車輪、齒輪嚙合點(diǎn)、右側(cè)軸承、右側(cè)車輪到左側(cè)軸承（支點(diǎn)）的距離，取： L1=14.5mm，L2=5mm，L3=15mm，L4=29.5mm 得出： FNV2=29.58N FNV1=29.17N 在垂直于紙面的平面內(nèi)，由受力平衡： FNM1+FNV2=Ft 式（4- 18） 對(duì)齒輪嚙合點(diǎn)由力矩平衡可得出： FNM2?L5=FNM1?L2 式（4- 19） 其中，L5為右側(cè)軸承到齒輪嚙合點(diǎn)的距離，取為10mm。 得出： FNM1=4.6N FNM2=2.3N 3） 計(jì)算軸的彎矩并作出彎矩圖 1.垂直彎矩MV： 左側(cè)軸承處彎矩MV1： MV1=FN1?L1 式（4- 20） =30×14.5=435N?mm 錐齒輪處彎矩MV2： MV2=435-30-29.17×5=430.85N?mm 右側(cè)軸承處彎矩MV3： MV3=430.85+(1.25-0.83)×10=435N?mm 右側(cè)車輪處彎矩MV4： MV4=435-29.58+0.42×14.5=0N?mm 2.水平彎矩MH 圓柱齒輪處彎矩MH1： MH1=FNM1?L2 式（4- 21） =4.6×5=23N?mm 3.分別作出彎矩圖如圖4-5 4.作出合成彎矩圖如圖4-5 圓柱齒輪處的合成彎矩M1： M1=MH12+MV22 式（4- 22） =430.61N?mm 圖4-4軸的受力分析圖 圖4-5軸的強(qiáng)度校核 ⑤ 校核軸的強(qiáng)度 可知危險(xiǎn)截面為左右兩側(cè)安裝軸承處，按照合成彎矩校核此處剛度，抗彎截面系數(shù)為： W=π?d332 式（4- 23） =12.27mm3 σca=MW 式（4- 24） =35.4MPa<σ-1=70Mpa 故車輪軸滿足強(qiáng)度要求。 4.4驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 管道檢測(cè)機(jī)器人中最為重要的一部分是驅(qū)動(dòng)部分，因?yàn)樗鼪Q定了管道檢測(cè)機(jī)器人是否可以正常的工作。 4.4.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型及減速器的設(shè)計(jì) 為了達(dá)到管道檢測(cè)及故障定位的目的，機(jī)器人的行進(jìn)速度不宜過快，必須保證機(jī)器人可以有效檢測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及設(shè)備的工作狀況，并且能夠在發(fā)現(xiàn)問題時(shí)快速做出反應(yīng)。 驅(qū)動(dòng)部分的零件主要有：三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、用于傳動(dòng)的齒輪、傳遞動(dòng)力的鏈條、驅(qū)動(dòng)輪、可動(dòng)環(huán)。 （1）驅(qū)動(dòng)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)部分的電機(jī)我們采用了三個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，主要是考慮到在管道檢測(cè)機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎等特殊情況下，三組輪的速度可能不一樣，這樣用三個(gè)電機(jī)可以根據(jù)具體的管內(nèi)情況來控制每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的目的。 從電機(jī)到驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)力傳動(dòng)我們采用了齒輪和鏈條傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)主要是改變電機(jī)的動(dòng)力方向，而鏈條的傳動(dòng)主要是將動(dòng)力傳動(dòng)到驅(qū)動(dòng)輪上來驅(qū)動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人的前進(jìn)問題。 由已知條件可知運(yùn)動(dòng)速度為0.05m/s，輪胎半徑按Ф25mm計(jì)算，可以得出所需轉(zhuǎn)速為： n=60vπd 式（4- 25） =38.22rmin 正因?yàn)楣艿拉h(huán)境復(fù)雜，故檢測(cè)機(jī)器人的工作條件也是非常復(fù)雜的，在此簡(jiǎn)化為兩種理想條件。 條件1：機(jī)器人爬行坡度θ=15°；摩擦系數(shù)μ=0.75；運(yùn)動(dòng)速度v=0.05ms； 機(jī)器人行走在15°的坡上，其靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)力克服重力分力和摩擦力（滾動(dòng)摩擦）的作用。同時(shí)為了保證輪子能夠緊緊壓住軌道，不發(fā)生打滑，其主動(dòng)輪在斜坡上可以承受的最大靜摩擦力必須大于機(jī)器人重力沿斜坡向下的分力。 圖4-6驅(qū)動(dòng)輪爬坡受力示意圖 Gsin15°≤Gμcos15° F=f+Gsinθf=NμN(yùn)=Gcosθ 式（4- 26） 式中： G —— 機(jī)器人的重力，N； F —— 根據(jù)機(jī)器人在最小管徑為Ф250mm的石油天然氣管道中行駛時(shí)，最小牽引力為F=300N 經(jīng)整理得： F=mgcosθμ+mgsinθ 式（4- 27） Pmin=FV 式（4- 28） Pmin=300×0.05=15W 管道檢測(cè)機(jī)器人所選的行走機(jī)構(gòu)車輪直徑變化范圍為Ф200-Ф300mm，運(yùn)動(dòng)速度v=0.05m/s 行走機(jī)構(gòu)輪胎轉(zhuǎn)速：n1=60v2πr1 式（4- 29） =60×0.052×3.14×0.1=4.77rpm n2=60v2πr2 式（4- 30） =60×0.052π×0.15=3.18rpm 所需的扭矩： T1=9550Pn 式（4- 31） =9550×0.00754.77≈15.02Nm T2=9550Pn 式（4- 32） =9550×0.00753.18≈22.52Nm 條件2：若我們考慮管道檢測(cè)機(jī)器人最壞的運(yùn)動(dòng)情況---即垂直向上行走 題目中所要求能夠提供的動(dòng)力最小為300N 行走機(jī)構(gòu)提供的驅(qū)動(dòng)力至少需要平衡掉其自身的重力（含安全系數(shù)），即m=200kg，為了安全起見，在計(jì)算驅(qū)動(dòng)力時(shí)我們按2000N進(jìn)行計(jì)算 故單個(gè)輪子的牽引力：f=20003=666.7N 其中輪胎半徑：Ф=25mm 輪胎的轉(zhuǎn)矩：T=666.67×0.025m=16.67N?m 所以我們選擇二合一的電機(jī)減速機(jī)，其輸出靜轉(zhuǎn)矩大于17 N?m即可 考慮到從電機(jī)到鏈條的傳動(dòng)方向的問題，我們?cè)O(shè)計(jì)的電機(jī)的模型如圖所示 圖4-7電機(jī)的模型 （2）傳動(dòng)齒輪 傳動(dòng)齒輪的作用就是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的動(dòng)力傳遞到鏈條上。 （3）傳遞動(dòng)力的鏈條 我們?cè)诖诉\(yùn)用了鏈條傳動(dòng)，主要是考慮了一下幾個(gè)方面：全部用齒輪傳動(dòng)的話效率可能不高；用齒輪傳動(dòng)我們?cè)O(shè)計(jì)的圓柱主體的內(nèi)部空間可能太過于擁擠；從電機(jī)到驅(qū)動(dòng)輪的距離遠(yuǎn)若采用齒輪傳動(dòng)外部空間的規(guī)劃也是個(gè)問題。綜合以上幾點(diǎn)的考慮我們選擇了用鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)將齒輪中的里傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上。鏈條的建模如圖所示。 圖4-8鏈條的建模圖 （4）驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)由倆小部分組成即用于伸縮的四連桿機(jī)構(gòu)和輪子。四連桿機(jī)構(gòu)與可動(dòng)環(huán)連接實(shí)行四連桿的伸縮。輪子的設(shè)計(jì)由于用鏈條帶動(dòng)所以在兩個(gè)輪子之間留有一定的空間用于安裝鏈條及鏈條齒輪。具體結(jié)構(gòu)如圖所示。 圖4-9驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu) （5）可動(dòng)環(huán) 可動(dòng)環(huán)的作用是在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下使絲杠運(yùn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)可動(dòng)環(huán)前后運(yùn)動(dòng)，可動(dòng)環(huán)與前進(jìn)輪所在的四連桿機(jī)構(gòu)相連從而可以使前進(jìn)輪實(shí)現(xiàn)擴(kuò)張收縮實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置向前的蠕動(dòng) 4.5張緊機(jī)構(gòu)的計(jì)算 4.5.1滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 滾珠絲杠是一種非常常見的傳動(dòng)元件,主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)、或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力。其特點(diǎn)是精度高、可逆性強(qiáng)、效率高；滾珠絲杠的主要參數(shù)為：公稱直徑與導(dǎo)程。 為安全起見，設(shè)備（包括拖拽線）按m=200kg計(jì)算，安全系數(shù)約為3倍（即計(jì)算重量約為支撐機(jī)器人實(shí)際總重量72.204kg的三倍），使用時(shí)能充分保證在垂直管道行走不掉落。 f=μFn 式（4- 33） 3f=mg 式（4- 34） 管道正壓力與絲杠螺母的驅(qū)動(dòng)力受力分析如圖所示， 圖4-10管道正壓力與絲杠螺母的驅(qū)動(dòng)力受力分析 可得關(guān)系式： Fncosβ=Fcosα 即Fn=cosαcosβF 在變徑機(jī)構(gòu)在直徑不斷變大過程中，α越來越大，β越來越小，即Fn是越來越小的。在極限位置正壓力最小，此時(shí)仍應(yīng)滿足不掉落。 此時(shí)，α=39°，β=51° 滾珠絲杠推力與扭矩的關(guān)系： T小齒輪=FL2πη 式（4- 35） 大齒輪與小齒輪的功率關(guān)系： T小齒輪=9550×P小齒輪n小齒輪 式（4- 36） T大齒輪=9550×P大齒輪n大齒輪 式（4- 37） 3×P小齒輪×K=P大齒輪 式（4- 38） 大小齒輪傳動(dòng)比：Z大齒輪Z小齒輪=n小齒輪n大齒輪 式（4- 39） 以上公式中： f——單組支撐輪及驅(qū)動(dòng)輪的摩擦力，N μ——車輪與管道的摩擦系數(shù)，給定0.75 Fn——單組支撐輪及驅(qū)動(dòng)輪的正壓力，N m——機(jī)器人總重，按200kg計(jì)算（安全系數(shù)約為3倍） g——重力加速度，按g=10 m/s2 F——單個(gè)絲杠螺母的推力，N η——滾珠絲杠傳動(dòng)效率，為保險(xiǎn)起見，按0.9計(jì)算 L——絲杠導(dǎo)程，給定3.78mm T小齒輪——小齒輪扭矩，N?m T大齒輪——小齒輪扭矩，N?m P小齒輪——小齒輪功率，W P大齒輪——大齒輪功率，W n小齒輪——小齒輪轉(zhuǎn)速，r/min n大齒輪——大齒輪轉(zhuǎn)速，r/min Z小齒輪——小齒輪齒數(shù)， 13 Z大齒輪——大齒輪齒數(shù)， 55 k——大小齒輪傳遞不均勻系數(shù)，一般經(jīng)驗(yàn)按1.1取值。 由以上各式可以求得： 絲杠螺母最小推力 F=719.808 N T小齒輪=4.81N T大齒輪=67.155N?m 由此可得： 張緊裝置可以選擇靜轉(zhuǎn)矩大于 67.155N?m 的步進(jìn)電機(jī)即可 4.5.2張緊大齒輪的尺寸與強(qiáng)度計(jì)算 1.傳動(dòng)外齒： ①尺寸計(jì)算： 大齒輪：模數(shù)m=2，齒數(shù)z=55，ha*=0.8，c*=0.2 分度圓直徑 d1= mz 式（4- 40） =110 齒根圓直徑 da=d-2ha*m 式（4- 41） =110-2x0.8x2=106.8 齒頂圓直徑 df=d+2ha*m-2c*m 式（4- 42） =110+2x0.8x2-2x0.2x2=112.4 跨齒數(shù)：k=αz180°+0.5=20°×55180°+0.5=6.61 取跨齒數(shù)為7 公法線長(zhǎng)度：W=mcosαπk-0.5+zinvα 查表 invα=0.0149044 可求得：W=39.918 查表確定公法線上下偏差 ②強(qiáng)度計(jì)算：傳遞扭矩T大齒輪=67.155N·m 分度圓上的圓周力： Ft=2000T大齒輪d1=1221N 齒面接觸應(yīng)力： σH=Ftd1b?u+1uKZHZEZε 式（4- 43） 其中： K=KAKVKβKα=1.5×1.12×1.2×1=2.016 u=z大齒輪z小齒輪=5513=4.23 齒寬 b=8 查表得：ZH=2.5 材料為鋼對(duì)鋼，查表得： ZE=60.6 εα=1.88-3.21Z1+1Z2cosβ 式（4- 44） =1.576 Zε=0.82 求得： σH=239.48 Mpa≤σH 式（4- 45） =700MPa 小于42CrMo許用接觸應(yīng)力，安全。 齒根彎曲應(yīng)力： σF=FtbmKYF1YβYε 式（4- 46） 其中： 查表 YF1=2.7 Yε=0.71 Yβ=1 求得： σF=294.9 Mpa ≤[σF] 式（4- 47） =400MPa 小于42CrMo許用彎曲應(yīng)力，安全 2.張緊大齒輪漸開線花鍵的計(jì)算： 花鍵選擇30°漸開線花鍵，尺寸均由GB/T 3478.2和GB/T 3478.6 查表得到 進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算： 計(jì)算方法按照 GB/T 17855 ①齒面接觸強(qiáng)度： σH=Whw 式（4- 48） W=FtZ·l·cosα 式（4- 49） Ft=2000TD 式（4- 50） 鍵齒工作高度： hw=(Dee-Dii)2 式（4- 51） 代入數(shù)值可求得： W=134 N/mm σH=1