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1、目錄 1 緒 論 1 1.1本課題研究背景和研究意義 1 1.2國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2 1.3本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 8 2 管道機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 9 2.1管道機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 2.1.1移動(dòng)方式選擇 9 2.1.2傳動(dòng)方案的選擇 9 2.2機(jī)器人變管徑自適應(yīng)性方案設(shè)計(jì) 11 2.3動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 15 2.3.1管道機(jī)器人行駛阻力分析 15 2.3.2減速器的選擇 18 2.4機(jī)器人的速度和驅(qū)動(dòng)能力校核 19 2.4.1運(yùn)動(dòng)速度校核 19 2.4.2驅(qū)動(dòng)能力校核 19 3 鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 20 3.1鏈輪設(shè)計(jì)的初始條件 20 3.2鏈輪計(jì)算結(jié)果 21

2、 3.3歷史結(jié)果 21 4 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 23 4.1 蝸輪蝸桿基本參數(shù)設(shè)計(jì) 23 4.1.1普通蝸桿設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù) 23 4.1.2材料及熱處理 24 4.1.3蝸桿蝸輪基本參數(shù) 24 4.1.4蝸輪精度 25 4.1.5強(qiáng)度剛度校核結(jié)果和參數(shù) 26 4.1.6自然通風(fēng)散熱計(jì)算 26 4.2蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27 4.2.1軸的強(qiáng)度較核計(jì)算 27 4.2.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 31 4.2.3鍵的校核 32 5 過彎道能力和其他部件設(shè)計(jì) 33 5.1 彈簧的設(shè)計(jì) 33 5.2過彎道能力的設(shè)計(jì) 34 5.2.1工作原理 34 5.2.2過彎道能力的幾何量設(shè)計(jì)

3、34 6 管道機(jī)器人建模與仿真分析 38 7 總結(jié)和展望 41 參考文獻(xiàn) 43 致 謝 45 1 緒 論 1.1本課題研究背景和研究意義 用于石油、天然氣乃至民用上下水等管道在傳輸液、氣體過程中，因溫度、壓力不同及介質(zhì)與管道之間的物理化學(xué)作用，常常會(huì)高溫結(jié)焦，生成油垢、水垢，存留沉積物，腐蝕物等，使有效傳輸管徑減少，效率下降，物耗、能耗增加，工藝流程中斷，設(shè)備失效，發(fā)生安全事故。盡管通過添加化學(xué)劑，采用合理的工藝流程，進(jìn)行水質(zhì)處理措施可以在一定程度上改善這些情況，但要完全避免污垢的產(chǎn)生是不可能的。我國的管道清洗行業(yè)長期以來80%采用的是化學(xué)方法以及手工清洗和機(jī)械清洗方法，成

4、本高、效率低、污染環(huán)境等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)日益增長的要求。探索和開發(fā)高效的清洗方法成為工業(yè)生產(chǎn)和人民生活的不可或缺的環(huán)節(jié)。 利用行星磨頭清洗是一種新的清洗方法。與化學(xué)清洗及手工、機(jī)械清洗相比，具有清洗質(zhì)量好、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，可達(dá)到返舊還新的效果。作為一種清潔、高效、對(duì)環(huán)境無污染的清洗技術(shù)，具有可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人們生活水平的提高，人們對(duì)于食品衛(wèi)生、健康的要求越來越高，環(huán)保意識(shí)越來越強(qiáng)，如何實(shí)現(xiàn)油煙管道高效率的清洗成了相關(guān)從業(yè)人員關(guān)注的問題。 本課題的研究目的是設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于清洗油煙管道的機(jī)器人，解決單獨(dú)靠人力很難完成，甚至不可能完成的油煙管

5、道清洗任務(wù)。本課題的研究主要有以下意義: 1、可提高機(jī)器人的清洗效率。現(xiàn)有油煙管道機(jī)器人由于機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有一個(gè)自由度，清洗管道壁時(shí)，要通過不斷調(diào)整機(jī)器人的位姿來實(shí)現(xiàn)，使操作變得復(fù)雜，清洗效率較低。 2、可完成豎直油煙管道的清洗。賓館飯店常常位于高層建筑物中，豎直煙道的清洗是管道清洗的重要任務(wù)。針對(duì)現(xiàn)有機(jī)器人不能用于豎直管道清洗的缺點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了鏈?zhǔn)铰膸凶摺⒂来盼降臋C(jī)械行走機(jī)構(gòu)，用于完成油煙管道的清洗爬壁任務(wù)。 3、可改善當(dāng)前清洗油煙管道工人的工作環(huán)境、降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約清洗成本、消除油煙管道清洗的衛(wèi)生死角、提高管道使用壽命、提高油煙管道的清洗效率、減少火災(zāi)以及可避免化學(xué)清洗導(dǎo)

6、致的污染和純機(jī)械清洗對(duì)管道造成的損傷等。 4、應(yīng)用于其它領(lǐng)域。通過更換機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)、作業(yè)工具等可實(shí)現(xiàn)空調(diào)管道的清掃、船體表面的清洗、檢測、噴漆等任務(wù)。 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，這些管道大多埋于地下或海底，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)或人們無法直接介入，另外，在一些工廠里有大量的通風(fēng)管道，在某些餐廳或飯店里裝有大量的油煙管道，這些管道或者架設(shè)在空中，或者管道內(nèi)徑很小，在做質(zhì)量檢測、故障診斷、清洗時(shí)比較困難。這促使了管道機(jī)器人的誕生。 管道機(jī)器人的迅速發(fā)展時(shí)期始于上個(gè)世紀(jì)

7、80年代，它是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走，具有一種或多種傳感器的操作機(jī)械(如機(jī)械手、噴槍、焊槍、刷子)，其研究范疇屬于特種機(jī)器人中的移動(dòng)機(jī)器人范疇，能夠完成在管道這個(gè)特定的極限環(huán)境中作業(yè)，通常能攜帶各種探測儀器和作業(yè)裝置，在操作人員的遙控或者計(jì)算機(jī)的自動(dòng)控制下完成管道的檢測和維修、清掃等作業(yè)。檢測作業(yè)項(xiàng)目包括防腐狀況檢測、對(duì)接管道焊縫質(zhì)量、管道內(nèi)腐蝕程度、防腐層厚度、管壁缺陷等檢測;維修項(xiàng)目包括清掃、補(bǔ)口、焊接等。 1.2國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 目前在管道清洗過程中，清洗設(shè)備絕大部分是采用無動(dòng)力纜繩拖拉行走方式來進(jìn)行清洗，無法根據(jù)管道的內(nèi)部情況進(jìn)行清洗參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，管徑的適應(yīng)能力較差。為了

8、解決這個(gè)問題，著眼于管道行走清洗機(jī)器人的研究開發(fā)，而在國內(nèi)這方面研究尚少。為了較好地解決管道的清洗難題，開發(fā)和研制管道清洗機(jī)器人勢在必行。本人設(shè)計(jì)管道清洗機(jī)器人是把行星磨頭清洗技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合起來，進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)開發(fā)，因此它的深入研究也將推動(dòng)管道清洗技術(shù)的發(fā)展。 隨著管道機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用越來越廣泛。目前，日、美、英、德、法等發(fā)達(dá)國家在管道機(jī)器人技術(shù)方面做了大量工作，尤其是日本，在管道機(jī)器人的研究及開發(fā)中取得了領(lǐng)先的地位。法國的J. Vertut是較早從事管道機(jī)器人理論和樣機(jī)研制的人，他于1978年研制了一種輪腿式管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，成功地實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在管內(nèi)的自主行走。該機(jī)構(gòu)由2個(gè)行

9、走輪及4個(gè)支腿組成，支腿由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以適應(yīng)不同管徑的變化。 美國是機(jī)器人的誕生地，早在1962年就研制出了世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。在清洗機(jī)器人方面，美國的Stoneage公司進(jìn)行了相關(guān)的研究。如圖1-1，其研制的管道射流清洗機(jī)器人采用履帶驅(qū)動(dòng)方式，但管徑適應(yīng)能力較差，射流對(duì)中性差，清洗效果不理想。盡管常規(guī)管道機(jī)器人有的己經(jīng)實(shí)用化了，但還存在著很多問題。例如，能源供給、可靠性等問題。2002年由美國佛羅里達(dá)大學(xué)電子及計(jì)算機(jī)工程學(xué)院智能機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室研制的OPCR-OH' S管道清理機(jī)器人，如圖1-2所示。 圖1-1 stoneage公司管道清洗機(jī)器人

10、 圖1-2 OH'S管道機(jī)器人 OPCR由三個(gè)部分組成:頭部、驅(qū)動(dòng)部分、穩(wěn)定性控制部分。頭部安裝有傳感器可以檢測到需要清理的障礙、發(fā)現(xiàn)管道終端，從而能夠及時(shí)停止機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)部分主要有兩個(gè)功用是適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)；二是可以根據(jù)障礙物的尺寸來調(diào)節(jié)輪的角度，通過螺旋運(yùn)動(dòng)來清理障礙物。OPCR共有三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，每個(gè)輪均有兩個(gè)微型電機(jī)控制，其中一個(gè)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)改變輪的角度，這樣在轉(zhuǎn)彎的情況下機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)彎。當(dāng)驅(qū)動(dòng)部分難以控制OPCR穩(wěn)定的處在管道軸線中心線時(shí)，穩(wěn)定性控制部分這時(shí)就會(huì)起作用了。它是由四個(gè)在管道內(nèi)部的延長支架組成。 圖1-3美國RIGID(里奇)管

11、道疏通機(jī) 圖1-4 EverstVit公司管道檢測機(jī)器人 美國RIGID(里奇)管道疏通機(jī)如圖1-3所示，其基本原理是利用機(jī)械裝置帶動(dòng)軟軸(彈簧軟管)旋轉(zhuǎn)深入管道進(jìn)行管道疏通。軟軸大多為分段結(jié)構(gòu)，兩端有接頭可將多根軟軸接在一起使用，從而可疏通較長距離的管道。用于排水管道疏通的疏通機(jī)一般作業(yè)直徑范圍100mm～250mm之間，最大疏通距離一般為50m。根據(jù)疏通管道的直徑配備不同的鉆具(刀頭)進(jìn)行管道疏通。軟軸采用65Mn特質(zhì)彈簧鋼絲為原材料經(jīng)特殊工藝加下而成，堅(jiān)固而有韌性，可以順利通過180°彎道或連續(xù)180°返水彎管。圖1-4所示Everst

12、Vit公司的管道檢測機(jī)器人系列，采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，這種移動(dòng)機(jī)構(gòu)在管道街頭部分或者管道里污垢沉積較多時(shí)就不能行走自如。 俄羅斯“塔里斯”公司的“月球車”，如圖1-5所示，即機(jī)器人維修車。該車的9個(gè)電驅(qū)動(dòng)裝置能把整個(gè)機(jī)器聯(lián)接起來，推出并轉(zhuǎn)動(dòng)工作部件、翻轉(zhuǎn)攝像機(jī)用于觀察修理過程，還能“指使”刷子去清洗應(yīng)洗的部位。除此以外，為了使機(jī)器人能從豎孔中鉆進(jìn)橫向管道，機(jī)器人自身可折彎，因而可在直徑190mm～600mm的管道中工作。機(jī)器人的機(jī)身是一整塊不銹鋼加工出來的，只有這樣才能達(dá)到輪子所必需的孔的同軸度和可靠的密封性要求。機(jī)器人安裝的輪子以0.3 m/s的速度向前行駛，有大功率燈泡照明，攝像機(jī)通過向不同

13、的方向旋轉(zhuǎn)可以判斷故障點(diǎn)。在發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)后機(jī)器人用一整套工具(銑刀、鉆頭、切割和清理工具)完成各道工序。機(jī)器人由操作師控制，操作師的指令將傳給機(jī)器人內(nèi)安裝的微處理系統(tǒng)。 德國工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。2000年德國研制成功世界第一個(gè)鏈?zhǔn)轿鬯艿罊z查機(jī)器人—MAKRO管道機(jī)器人，如圖1-6所示。它采用分段蠕蟲狀外形設(shè)計(jì)，使其具備了前所未有的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)排水管道的初步清理及檢測。適用于大直徑、淤積不嚴(yán)重、管路復(fù)雜的排水管道。MAKRO的缺點(diǎn)是密封性不好，不宜在過分潮濕的環(huán)境中長時(shí)間工作。

14、 圖1-5 月球車（適應(yīng)管徑范圍300-900mm） 圖1-6 MAKRO管道機(jī)器人 二十世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)、傳感器、現(xiàn)代控制理論和技術(shù)的發(fā)展為管內(nèi)機(jī)器人的應(yīng)用與研究提供了有力的技術(shù)支持，國外相繼開發(fā)、研制了多種類型的管內(nèi)檢測移動(dòng)機(jī)器人。日木吸取法、美等國的研究成果和應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)，開發(fā)了多種形式的管道機(jī)器人。例如，日木關(guān)西電力株式會(huì)社開發(fā)出了適用于ø288mm～388mm管徑、管長1000m的海水管道檢查用履帶式機(jī)器人，該機(jī)器人通過沿徑向分布的履帶在水平管和垂直管內(nèi)自主行走，移動(dòng)速度為5m/min。日本大阪燃?xì)庵晔綍?huì)社研制的內(nèi)置磁

15、鐵輪式煤氣管道檢測機(jī)器人可沿直管和彎管行走，適于管徑ø150mm～600mm，行走速度5m/min，采用光纜通訊，但由于攜帶的蓄電池電能的限制，還不能實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的行走。 日本推出的“三藏法師”用于清洗、檢測空調(diào)通風(fēng)管道的超小型機(jī)器人，如圖1-7所示，是被世界認(rèn)可的風(fēng)管清掃系統(tǒng)(具有美國、日本、歐洲多國專利)，其特長為: 1、使用新開發(fā)的多功能超小型機(jī)器人，可有效的對(duì)各式各樣的風(fēng)管進(jìn)行污染診斷和清掃。 2、不管風(fēng)管是何種形狀，即使是過濾器也無法除去的微細(xì)粉塵和細(xì)菌也可徹底清除，有效的防止空氣污染。 3、風(fēng)管內(nèi)的污染診斷由機(jī)載攝像頭進(jìn)行記錄，裝備有在無電源場所也能自由行走的機(jī)能。

16、 圖1-7中央空調(diào)風(fēng)管清掃機(jī)器人 目前，日本、美國等發(fā)達(dá)國家在管道機(jī)器人技術(shù)方面做了大量工作，尤其是日本在管道機(jī)器人的研究及開發(fā)領(lǐng)域中取得了領(lǐng)先的地位。 日本和美國都是機(jī)器人發(fā)展較成熟的國家，對(duì)空調(diào)管道機(jī)器人的研究也較成熟，上面介紹的日本管道機(jī)器人，體積小，能清洗任何形狀的空調(diào)通風(fēng)管道，不但可以做清掃任務(wù)，還可做檢測任務(wù)。美國的管道機(jī)器人也已經(jīng)開發(fā)出一系列的管道機(jī)器人。其他國家也研究了用于排水管道清理的機(jī)器人，但都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，目前，這些機(jī)器人仍不能用于清洗油煙管道的頑固油垢。 我國對(duì)管道機(jī)器人的研究始于上個(gè)世紀(jì)八十年代末期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州工業(yè)大學(xué)、東華大學(xué)、上

17、海大學(xué)等高校和科研院所都做了這方面的工作，在理論上和應(yīng)用上取得了很多進(jìn)步。近幾年來，用于空調(diào)管道清洗和檢測的管道機(jī)器人如雨后春筍般的出現(xiàn)的市場在上，己初見規(guī)模。目前國內(nèi)研究的管道機(jī)器人主要應(yīng)用在以下4個(gè)方面: 1、空調(diào)通風(fēng)管道清洗機(jī)器人 中科院蘭州分院研發(fā)的清潔機(jī)器人樣機(jī)是據(jù)400mm×400mm和500mm×500mm空調(diào)通風(fēng)管道設(shè)計(jì)的，具有在管道中行走、對(duì)管道內(nèi)污染情況進(jìn)行觀察和對(duì)污染物進(jìn)行清潔的功能。國內(nèi)自主研發(fā)的這種清潔機(jī)器人具有在管道內(nèi)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎等功能。行走速度在每分鐘0.5m～1m之間，清潔系統(tǒng)主要是安裝在機(jī)器人上、可在管道外部控制的清潔動(dòng)力刷，電纜長

18、度超過30m，不易損壞，能夠滿足基本需要。但該機(jī)器人體積較大，對(duì)于常見的ø250mm風(fēng)管，機(jī)器人尺寸限制了其應(yīng)用，而且行走速度過慢。清華大學(xué)研制的通風(fēng)管清掃機(jī)器人MDCR-I尺一寸為520mm×290mm×270mm是一種可在通風(fēng)管內(nèi)行走的移動(dòng)機(jī)器人。自動(dòng)升降的手臂裝上刷頭可以清掃不同規(guī)格的矩形、圓形通風(fēng)管；裝上噴槍可以對(duì)通風(fēng)管進(jìn)行消毒。同樣，由于其功能中自動(dòng)控制能力較強(qiáng)具有自動(dòng)糾偏自主導(dǎo)航的功能，其尺寸相應(yīng)較大是其應(yīng)用范圍的限制因素。其功能包括檢測、清洗和消毒，如圖1-8所示。東華大學(xué)研制的“自主變位四履帶足機(jī)器人，如圖1-9所示。它將履帶與機(jī)體之間的固定擺臂變

19、為可橫向擺動(dòng)的擺臂，改變左右擺臂的夾角以適應(yīng)不同的圓管管徑。這種管道機(jī)器人移動(dòng)載體既適用于大口徑管道，也適用于小口徑管道，能跨越管內(nèi)的階梯管、錐形管接口、變截面形狀管接口，可適用于矩形管和圓管，能輕松實(shí) 圖1-8 MDCR-I 圖1-9自主變位四履帶足機(jī)器人 現(xiàn)直角矩形管轉(zhuǎn)向和圓弧彎道行走，可勝任各種環(huán)境復(fù)雜的管道。因此清洗機(jī)器人在清洗過程中無須頻繁改變?nèi)肟谖恢?，故能大大提高管道清洗機(jī)器人的作業(yè)效率。機(jī)器人采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好。該機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)不同管徑、管形的風(fēng)管適應(yīng)性很強(qiáng)。 2、下水道自動(dòng)清淤機(jī)器人

20、 清華大學(xué)研制的下水自動(dòng)清淤機(jī)器人適合ø400mm的管道。載體采用了輪式行走機(jī)構(gòu)、四輪驅(qū)動(dòng)方式、以三相異步電機(jī)做原動(dòng)機(jī)。該機(jī)器人在清淤時(shí)有打滑現(xiàn)象。哈爾濱工程大學(xué)的城市排水管道穿纜檢測機(jī)器人，采用了履帶式行走機(jī)構(gòu)，用于城市排水管道的疏通、檢測，可檢測直徑大于500mm的排水管道。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。移動(dòng)機(jī)構(gòu)為差動(dòng)式雙寬履帶，密封式水下結(jié)構(gòu)；移動(dòng)速度為5～10m/min；負(fù)重能力大于10kg，如圖1-10所示。 圖1-10城市排水管道穿纜檢測機(jī)器人 圖1-11 PV-2300自走式管道檢測機(jī)器人 3、管道檢測機(jī)器人 用于管道檢測的機(jī)器人的產(chǎn)

21、品也比較多，北京航天村技術(shù)研究所推出的幾款管道檢測機(jī)器人，其中一款PV-2300彩色TV自走式管道檢測機(jī)器人，如圖1-11所示。其主要技術(shù)指標(biāo)如下:采用長距離行走的自走車，一般能行走500m；采用小口徑用自走車，能應(yīng)用于管徑為ø200mm管道：自走車采用左右獨(dú)立全輪驅(qū)動(dòng)，能在行走時(shí)進(jìn)行傾斜補(bǔ)正；搭載的照相頭有4倍聚集縮放功能；電纜細(xì)、重量輕和張力大。 4、油煙管道機(jī)器人 圖1-12煙道機(jī)器人 如圖1-12所示，是一款由武漢亞伯機(jī)電有限公司生產(chǎn)的煙道機(jī)器人，該機(jī)器人自身尺寸280mm×260mm×270mm，重量18kg，爬坡≤30°，采用高壓射

22、流清洗，電源220v，功率60w。該機(jī)器人無法完成豎直油煙管道的清洗，且重量較重。由于噴桿只有一個(gè)上下擺動(dòng)的自由度，因此，在清洗過程中，機(jī)器人要頻繁的調(diào)整其與管壁的位姿來保證清洗效果，從而降低了清洗效率。 1.3本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 目前管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式有自驅(qū)動(dòng)（自帶動(dòng)力源）、利用流體推力、通過彈性桿外加推力三種方式。采用雙步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過諧波減速器將動(dòng)力傳遞給行走裝置。盡管自驅(qū)動(dòng)管內(nèi)機(jī)器人行走可以采用的輪式、腳式爬行式、蠕動(dòng)式，履帶式等多種形式，但本文則是對(duì)輪式管道機(jī)器人的研究，可以設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)在一定的管徑變化范圍內(nèi)，具有常封閉特性，增加了載體的穩(wěn)定性和可靠性，機(jī)構(gòu)具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能。

23、 本論文“管道機(jī)器人設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真”的目標(biāo)是研究一種用于管道內(nèi)壁清潔的管道機(jī)器人，該機(jī)器人是用于作為攜帶作業(yè)工具進(jìn)行管道清洗的移動(dòng)載體和清洗管道的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，要求其完成管道內(nèi)壁的清洗和檢測任務(wù)。本文的主要研究內(nèi)容是: 1、管道機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)。根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)確定管道機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)，并對(duì)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，要求其可靠、高效率完成水平和豎直油煙管道的清洗任務(wù)。 2、彎管獨(dú)立輪式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向特性。根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，推導(dǎo)出過彎管的幾何約束尺寸，分析對(duì)變徑機(jī)構(gòu)的影響；建立輪壁接觸點(diǎn)分析模型，并對(duì)驅(qū)動(dòng)截面偏角與軸線偏移量做出詳盡分析；基于所建立的彎管內(nèi)輪壁接觸點(diǎn)軌跡參數(shù)方程，通

24、過分析彎管內(nèi)驅(qū)動(dòng)輪速比運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，提出采取簡化控制方法的可行性及實(shí)用價(jià)值；建立彎管內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)生螺旋自轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)的力學(xué)模型，并進(jìn)一步確定出進(jìn)入彎管時(shí)的最佳初始姿態(tài)。 3、機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)特性的研究。建立評(píng)價(jià)幾何變徑特性的數(shù)學(xué)模型，并給出移動(dòng)機(jī)構(gòu)力學(xué)特性、變徑特性及越障能力的詳盡分析；運(yùn)用ADAMS仿真軟件，基于虛擬樣機(jī)模型，對(duì)變徑動(dòng)態(tài)力學(xué)特性與牽引力進(jìn)行詳細(xì)分析，為模擬樣機(jī)設(shè)計(jì)與制造提供理論依據(jù)。 4、對(duì)管道機(jī)器人靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究。根據(jù)力學(xué)相關(guān)理論對(duì)機(jī)器人靜穩(wěn)態(tài)受力與穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得出機(jī)器人可靠吸附與磁塊吸力間的定量關(guān)系；對(duì)機(jī)器人可靠吸附穩(wěn)定工作時(shí)勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)受力和驅(qū)動(dòng)平衡

25、進(jìn)行分析，得出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需滿足的條件，應(yīng)用ADAMS對(duì)理論對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算等。 2 管道機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 2.1管道機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 管道清洗機(jī)器人應(yīng)用于管道直徑ø90mm～ø125mm的管道中工作，作業(yè)環(huán)境要求整個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸應(yīng)盡可能的小并且具備一定的牽引力，整個(gè)設(shè)計(jì)從選取移動(dòng)方式入手。 2.1.1移動(dòng)方式選擇 管道清洗機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用中的可靠性及實(shí)用性，必須依據(jù)管道內(nèi)作業(yè)特點(diǎn)來設(shè)計(jì)出穩(wěn)定運(yùn)行，滿足清洗性能要求的機(jī)器人。在進(jìn)行清洗時(shí)候，要求系統(tǒng)必須保證噴頭具備一定的對(duì)中性能，能適應(yīng)不同的管徑變化，對(duì)于在行進(jìn)過程中，管內(nèi)可能出現(xiàn)凸

26、凹不平情況，機(jī)器人還應(yīng)具備一定的越障能力。如果機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或由于重心偏移而使得機(jī)器人的軸線與管道的中心線產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，載體可能卡在管道內(nèi)而無法取出，嚴(yán)重時(shí)不得不破壞管道取出機(jī)器人。對(duì)于大口徑的管道機(jī)器人，由于其自重較大，如果支撐臂不具備自動(dòng)定心性能，必定產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，其結(jié)果使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)阻力增大，出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象。為了提高作業(yè)的可靠性，設(shè)計(jì)中要求機(jī)器人應(yīng)具有可靠的管道適應(yīng)性和定心性。 在現(xiàn)有的管道機(jī)器人設(shè)計(jì)中，移動(dòng)型本體結(jié)構(gòu)，主要有履帶式、支腿式、輪式結(jié)構(gòu)以及蛇行、蠕動(dòng)、變形運(yùn)動(dòng)等幾種形式。如壁面爬行、水下推動(dòng)等機(jī)構(gòu)。蛇行、蠕動(dòng)、變形運(yùn)動(dòng)鄉(xiāng)適合于光滑的管壁、地面或水下。履帶式著地面積

27、大，對(duì)不平路面的適應(yīng)性強(qiáng)，但是體積大，不易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，而且要保持履帶的張緊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖所示；支腿式對(duì)粗糙表面性能較好、帶載能力強(qiáng)，但其控制系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)均復(fù)雜、移動(dòng)行走速度慢；輪式移動(dòng)方式速度快，轉(zhuǎn)彎容易，對(duì)中性好，尤其是徑向輻射輪式結(jié)構(gòu)，能夠保證機(jī)器人在運(yùn)行過程中，其中心軸線與管道軸線保持一致，缺點(diǎn)是著地面積相對(duì)較小，維持附著牽引力較困難。 2.1.2傳動(dòng)方案的選擇 機(jī)器通常是由原電機(jī)、和工作機(jī)三部分所組成。傳動(dòng)系統(tǒng)是將原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力進(jìn)行傳遞與分配的作用，可見，傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器的重要組成部分。傳動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量與成本在整臺(tái)機(jī)器中占有很大比重。因此，在機(jī)器中傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，對(duì)整部機(jī)器的

28、性能、成本以及整體尺寸的影響都是很大的。所以合理地設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械設(shè)計(jì)工作地重要組成部分。 合理的傳動(dòng)方案首先應(yīng)滿足工作機(jī)的性能要求，其次是滿足工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、傳動(dòng)效率高、使用維護(hù)方便、工藝性和經(jīng)濟(jì)性好等要求。很顯然，要同時(shí)滿足這些要求肯定比較困難的，因此，要通過分析和比較多種傳動(dòng)方案，選擇其中最能滿足眾多要求的合理傳動(dòng)方案，作為最終確定的傳動(dòng)方案。 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)。液壓與氣動(dòng)方式對(duì)環(huán)境要求較高，實(shí)現(xiàn)起來較復(fù)雜，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單，較易實(shí)現(xiàn)密封與調(diào)速控制。故在本設(shè)計(jì)中選用步

29、進(jìn)電機(jī)作為機(jī)器人本體的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力；減速器選用行星齒輪減速器。驅(qū)動(dòng)動(dòng)力從電機(jī)經(jīng)由減速器減速后，在滿足管徑自適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，如何更好地將動(dòng)力傳遞到主動(dòng)輪上，是選擇機(jī)器人傳動(dòng)方式過程中重點(diǎn)考慮的問題。結(jié)合管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)布局方式的特點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中主要通過一套動(dòng)力變換裝置和同步鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。 1、動(dòng)力變換裝置的設(shè)計(jì) 圖2-1車輪端面圖 在如圖2-1所示的輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)預(yù)緊彈簧施加基本的預(yù)緊力后，剛好使得位于最上側(cè)的輪處于與管壁相接觸的臨界狀態(tài)，也就是說上輪與管壁間的接觸壓力剛好為零，所以機(jī)器人整體的驅(qū)動(dòng)力絕大部分來自輪1和輪3，而且機(jī)器人本體的重心位置位于管道的軸線下方40mm左右（如

30、圖2-1所示），增強(qiáng)了機(jī)器人的穩(wěn)定性。下面兩輪所在支腿中心線與減速器輸出軸線垂直，且兩支腿中心線的夾角為120°，故需要?jiǎng)恿ψ儞Q裝置來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的分流。蝸桿傳動(dòng)是空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩軸線交錯(cuò)的夾角可為任意值，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪齒是逐漸進(jìn)入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時(shí)嚙合的齒數(shù)又較多，故沖擊載荷小，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。在設(shè)計(jì)中蝸桿與兩蝸輪之間的軸線夾角為90°，兩蝸輪軸線之間的夾角為120°。如圖2-1所示。 2、同步鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì) 由于設(shè)計(jì)的機(jī)器人具備在一定的管徑變化范圍內(nèi)行走的能力，在管徑發(fā)生變化的時(shí)候，主動(dòng)輪與管道中心

31、的距離也相應(yīng)發(fā)生改變，在現(xiàn)有的相關(guān)管道機(jī)器人傳動(dòng)方案中，更多的是采用全齒輪傳動(dòng)方式，即動(dòng)力經(jīng)變換后，通過增加惰輪的方式，將動(dòng)力傳遞到主動(dòng)輪，雖然該方案的傳動(dòng)效率較高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較差，可適應(yīng)管徑變化范圍較小，在本設(shè)計(jì)中，動(dòng)力經(jīng)蝸輪蝸桿裝置變換后，通過傳動(dòng)比為1：1的齒輪傳動(dòng)，將動(dòng)力傳遞到各支腿，因?yàn)榭臻g尺寸關(guān)系，在兩者之間增加一惰輪機(jī)構(gòu)，再應(yīng)用同步鏈將動(dòng)力傳送到主動(dòng)輪1和輪3。同步帶輪1與安裝底座的連接軸同軸，故無論管徑如何變化，兩個(gè)同步鏈輪間的軸線距離保持不變，只要支腿的長度足夠長，就可適應(yīng)足夠大的管徑變化范圍。 2.2機(jī)器人變管徑自適應(yīng)性方案設(shè)計(jì) 管道由于制作誤差、使

32、用過程中局部結(jié)垢、局部壓力過大而產(chǎn)生變形以及內(nèi)表面雜物的存在，管道機(jī)器人在碰到變形部位及雜物時(shí)，由于阻力而使支撐臂收縮，同時(shí)在驅(qū)動(dòng)力的作用下通過變形部位，當(dāng)再次達(dá)到管道正常段時(shí)，支撐臂能夠在彈簧的作用下像傘一樣張開，使機(jī)器人重新恢復(fù)原來的平穩(wěn)狀態(tài)。這個(gè)過程就是機(jī)器人的自適應(yīng)過程。有了自適應(yīng)性，機(jī)器人就能穿過一個(gè)個(gè)變形部位，以達(dá)到對(duì)管道進(jìn)行有效清洗的目的，在本設(shè)計(jì)中，對(duì)于自適應(yīng)性的設(shè)計(jì)主要包括兩種方式：各支腿單獨(dú)調(diào)整和支腿整體調(diào)整。 1、支腿單獨(dú)調(diào)整方式 各支腿的單獨(dú)調(diào)整方式。當(dāng)機(jī)器人在行進(jìn)過程中，其中的一個(gè)或多個(gè)支腿遇到障礙物（包括突起和凹陷）時(shí)，利用支腿內(nèi)部的調(diào)整彈簧來改變支腿的長度使得

33、支腿與管壁處于理想的接觸狀態(tài)，以滿足穩(wěn)定作業(yè)要求。同時(shí)調(diào)整彈簧也能起到一定的緩沖減震作用。該裝置主要是針對(duì)相同管徑或管徑變化范圍不是很大的情況下，當(dāng)管徑變化范圍較大時(shí)，則應(yīng)使用支腿的整體調(diào)整方式。 2、支腿整體調(diào)整方式 目前管道機(jī)器人在適應(yīng)不同管徑的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)常用的有：蝸輪蝸桿調(diào)節(jié)方式，升降機(jī)調(diào)節(jié)方式、滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式和彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式。比較研究了各種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)本課題的工程實(shí)際需要，并根據(jù)前后支腿的特性要求，在前支腿（即從動(dòng)輪支腿）選用彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式，后支腿（即主動(dòng)輪支腿）選用滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式。這兩種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能保證機(jī)器人具有充裕并且穩(wěn)定的牽引力，并且管徑變化范圍比較

34、大，下面綜合分析該兩種調(diào)節(jié)方式。 (1)滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式自適應(yīng)方案。其具體設(shè)計(jì)如圖2-2所示是滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式示意圖，其工作原理是：安裝在軸套和絲杠螺母之間的壓力傳感器間接檢測驅(qū)動(dòng)車輪和管道內(nèi)壁之間的壓力 ，并實(shí)時(shí)將壓力值回饋回監(jiān)控裝置，當(dāng)壓力的值小于所允許的最小壓力值 時(shí)，連桿AB的一端和車輪軸鉸接在一起，另一端鉸接在固定支點(diǎn)A，推桿CD與連桿AB鉸接在B點(diǎn)，另一端鉸接在軸套上C點(diǎn)，軸套在圓周方向相對(duì)固定，因此滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)絲杠螺母沿軸線方向在滾珠絲杠上來回滑動(dòng)，從而帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)連桿AB繞支點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)，使車輪撐開或者緊縮以達(dá)到適應(yīng)不同的管徑的目的。保證管道機(jī)器人以

35、穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管道內(nèi)壁上，使機(jī)器人具有充足且穩(wěn)定的牽引力。 圖2-2滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式 下面分析滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性，如圖所示，以固定支點(diǎn)A為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，建立如圖所示的坐標(biāo)系XOY,為連桿AB的長度，是推桿CD的長度，是支點(diǎn)D到固定支點(diǎn)A之間的距離，是推桿CD與水平方向之間的夾角，是連桿AB與水平方向之間的夾角，凡為管道內(nèi)壁作用在車輪上的壓力即封閉力，是滾珠絲杠螺母作用在推桿上的軸向推力，是作用在滾珠絲桿軸上的有效扭矩。 是電機(jī)軸的輸出扭矩。 在坐標(biāo)系XOY中，由幾何關(guān)系可得： （2-1） 對(duì)上式兩邊

36、分別取微分可得： （2-2） 化簡上式得： （2-3） 由虛功原理得： （2-4） 將式代入上式并化簡得： （2-5） 所采用的滾珠絲杠螺母副的導(dǎo)程記為P， 為滾珠絲杠和絲杠螺母之間的相

37、對(duì)轉(zhuǎn)角，則絲杠螺母的位移為： 對(duì)上式等號(hào)兩邊分別取微分得： （2-6） 考慮滾珠絲杠螺母副，由虛位移原理可得： （2-7） 式中， 為滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率。 合并整合上兩式得： （2-8） 此式即為滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性。 (2)彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式 如圖所示的是從動(dòng)輪的彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式示意圖，其工作原理與滾珠絲杠螺

38、母副調(diào)節(jié)方式原理類似，只是在張緊力調(diào)整方面采用被動(dòng)調(diào)整方式。當(dāng)管徑發(fā)生變化時(shí)，作用在從動(dòng)輪上的壓力變化，使得壓緊彈簧產(chǎn)生伸縮，而帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)連桿AB繞支點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)，使車輪撐開或者緊縮以達(dá)到適應(yīng)不同的管徑的目的。與滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的主要區(qū)別就在于在壓緊力的調(diào)節(jié)方面由調(diào)整電機(jī)的主動(dòng)調(diào)整變?yōu)閴壕o彈簧的被動(dòng)調(diào)整。故在彈簧壓緊調(diào)節(jié)方武的力學(xué)特性如下： 圖2-3彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式 選取其中的一個(gè)支承臂作為研究對(duì)象，其受力分析如圖所示，由前述滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的分析可知，彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式的力學(xué)平衡方程為：

39、 （2-9） 式中，—彈簧的壓緊力，N。 整理得： （2-10） 彈簧壓緊力可表示為： （2-11） f為彈簧的初始長度(mm)，k為彈簧的彈性系數(shù)(N/mm)。從上邊的式子可以看出，彈簧壓緊力f只是位移函數(shù)，因此該機(jī)構(gòu)具有負(fù)反饋?zhàn)饔茫谝欢ǖ墓軓阶兓秶鷥?nèi)，封閉力之和N變化不大。由此可見該機(jī)構(gòu)具有常封閉特性，這樣便增加了載體的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)由于彈簧壓緊力f的回饋?zhàn)饔每墒箼C(jī)構(gòu)具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能。 2.3動(dòng)力

40、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 2.3.1管道機(jī)器人行駛阻力分析 在計(jì)算前，我們先設(shè)定我們所設(shè)計(jì)的機(jī)器人的行進(jìn)速度是17.5mm/s。機(jī)器人在管道內(nèi)進(jìn)行清洗作業(yè)時(shí)，必須克服來自管道內(nèi)表面的滾動(dòng)摩擦阻力 （2-12） 式中， 是滾動(dòng)摩擦因數(shù)，即輪子在一定條件下滾動(dòng)所需要的推力。 ∑NG為機(jī)器人輪子負(fù)荷之和。也就是： = （2-13） 式中—機(jī)器人管內(nèi)作業(yè)姿態(tài)角， —機(jī)器人本體重量，。 當(dāng)姿態(tài)角分別為60°或者-60°時(shí)候，系統(tǒng)的阻力最大。預(yù)設(shè)為0.5，機(jī)

41、器人重量為4.8，打撈最大質(zhì)量300，由于輪子手的是彈簧調(diào)節(jié)，則彈簧對(duì)輪子又很大的壓力，由于我們采用的是型芯磨頭切削，對(duì)車身的穩(wěn)定性要求較其他更為嚴(yán)格，假設(shè)彈簧對(duì)輪子的壓力是40x9.8N，=。 總阻力 根據(jù)實(shí)際情況，我們?cè)O(shè)計(jì)主動(dòng)輪半徑，總阻力矩為： = 已經(jīng)設(shè)過機(jī)器人行進(jìn)速度為，也就是，則主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速應(yīng)該是： nw= = = 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為系統(tǒng)傳動(dòng)比為： 電機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力矩為： = 考慮機(jī)器人在管道內(nèi)行進(jìn)出現(xiàn)的在和突變情況，取安全系數(shù)為，則電機(jī)的功率為,電機(jī)選用型。如下表。 得：轉(zhuǎn)速為 額定功率為 額定電

42、流為 效率為 功率因數(shù)為 額定轉(zhuǎn)矩為  表2-1 YS系列電機(jī)技術(shù)參數(shù) 表2-1 YS系列電機(jī)技術(shù)參數(shù)續(xù) 2.3.2減速器的選擇 在選擇了電機(jī)型號(hào)之后，需要選擇與之相應(yīng)的減速器。在確定了減速器的類型后，減速器的選擇關(guān)鍵在減速比的選擇。 1、考慮驅(qū)動(dòng)能力時(shí)減速比的計(jì)算 根據(jù)電機(jī)的相關(guān)資料，可知電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為 ，為滿足機(jī)器人能正常行駛，則整個(gè)軀動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)減速增扭后，驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)大于等于機(jī)器人所受到的總的阻力矩，即應(yīng)保證傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比 應(yīng)滿足： 2．考慮機(jī)器人最高運(yùn)行速度傳動(dòng)比的計(jì)算 根據(jù)電機(jī)相關(guān)資料，可知電機(jī)

43、的額定轉(zhuǎn)速為則傳動(dòng)系統(tǒng)的最大傳動(dòng)比 應(yīng)該滿足： 基于上述傳動(dòng)比，我們可以確定傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比 應(yīng)該滿足： （2-14） 傳動(dòng)比里面蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)比為：=5-80，選用20 則減速器的出動(dòng)比 為： （2-15） 我們選用 根據(jù)《小功率計(jì)算機(jī)》書上說明，選用GBX40行星減速器。其參數(shù)如表2-2所示： 表2-2 減速器參數(shù)表 效率

44、 0.96 最大允許徑向受力N 200 最大允許軸向受力N 200 連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩 20 減速比 12：1 2.4機(jī)器人的速度和驅(qū)動(dòng)能力校核 確定電機(jī)和減速器后，我們必須進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)

45、能力的校核，以確保機(jī)器人有足夠驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)，能滿足機(jī)器人的最高行走速度要求。 2.4.1運(yùn)動(dòng)速度校核 根據(jù)以上所選電機(jī)和減速器的性能指針，可知電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，減速器的傳動(dòng)比是，以及機(jī)器人所要求的主動(dòng)輪半徑，可以計(jì)算出機(jī)器人在確定電機(jī)和減速器后的最高車速 。 雖然 大于預(yù)期設(shè)定速度，但是我們可以通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速使機(jī)器人低于此速度行駛，而且還有一定得速度儲(chǔ)備，在機(jī)器人需要快速行進(jìn)至工作位置的情況下，盡可能有較快的速度。 2.4.2驅(qū)動(dòng)能力校核 根據(jù)電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩為，傳動(dòng)比 為，則機(jī)器人總的驅(qū)動(dòng)力矩為： 因?yàn)闄C(jī)器人總的驅(qū)動(dòng)力矩大于其所受到的總的阻力矩，所以機(jī)器人能夠有足夠的

46、動(dòng)力起車，并有一定的動(dòng)力儲(chǔ)備。 經(jīng)過上述計(jì)算和校核，所選的施奈德BSH4552T伺服電機(jī)和GBX40行星齒輪減速器能夠滿足管道射流清洗機(jī)器人的性能要求，從而可以由其組成機(jī)器人的行駛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。  3 鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1鏈輪設(shè)計(jì)的初始條件 鏈輪設(shè)計(jì)的初始條件如圖3-1所示 表3-1初始條件 3.2鏈輪計(jì)算結(jié)果 經(jīng)過設(shè)計(jì)手冊(cè)的計(jì)算，得到的鏈輪計(jì)算結(jié)果如： 表3-2設(shè)計(jì)結(jié)果 由上面我們得到鏈輪的基本尺寸： 排距 14.38mm 分度圓直徑

47、 89.28mm 齒頂圓直徑 96.5mm 齒根圓直徑 80.84mm 3.3歷史結(jié)果 由手冊(cè)計(jì)算我們的歷史結(jié)果如表： 表3-3 歷史結(jié)果  4 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 為了方便計(jì)算選用電子版機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)2.0計(jì)算：普通圓柱蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果報(bào)告在輸入基本數(shù)據(jù)之前，我們要知道作用在蝸桿上的功率蝸桿的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該是電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩經(jīng)減速器后的力矩，則： 傳遞

48、轉(zhuǎn)矩 輸入計(jì)算如下： 4.1 蝸輪蝸桿基本參數(shù)設(shè)計(jì) 4.1.1普通蝸桿設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù) 圖4-1蝸桿設(shè)計(jì)參數(shù) 1．傳遞功率P 0.38（ ） 8．傳動(dòng)比誤差 0.02 2．蝸桿轉(zhuǎn)矩T1 2.49( ) 9．預(yù)定壽命H 4800（小時(shí)） 3．蝸輪轉(zhuǎn)矩T2 36.69() 10.原動(dòng)機(jī)類別 電動(dòng)機(jī) 4．蝸桿轉(zhuǎn)速n1 125.00( ) 11.工作機(jī)載荷特性 平穩(wěn) 5

49、．蝸輪轉(zhuǎn)速n2 6.25 ( ) 12.潤滑方式 噴油 6．理論傳動(dòng)比 20.00 13.蝸桿類型 漸開線蝸桿 7．實(shí)際傳動(dòng)比 20.00 14.受載側(cè)面 3側(cè) 4.1.2材料及熱處理 1．蝸桿材料牌號(hào) 45（表面淬火） 3．蝸桿材料硬度 HRC45～55 2．蝸桿熱處理 表面淬火 4．蝸桿材料齒面粗糙度 1.6～0.8 對(duì)渦輪蝸桿精度等級(jí)我們都選為8級(jí)得出： 5．蝸輪材料牌號(hào)

50、及鑄造方法 ZCuSn10P1(砂模) 6．蝸輪材料許用接觸應(yīng)力 200 7．蝸輪材料許用接觸應(yīng)力 200 8．蝸輪材料許用彎曲應(yīng)力 32 9．蝸輪材料許用彎曲應(yīng)力 30 4.1.3蝸桿蝸輪基本參數(shù) 圖4-2蝸桿蝸輪設(shè)計(jì)參數(shù)  1.蝸桿頭數(shù)z1 2 21

51、.蝸桿齒高h(yuǎn)l 6.93(mm) 2.蝸輪齒數(shù)z2 40 22.蝸桿齒頂圓直徑 41.80(mm) 3.模 數(shù)m 3.15(mm) 23.蝸桿齒根圓直徑 27.94(mm) 4.法面模數(shù) 3.10(mm) 24.漸開線蝸桿基圓直徑dbl 15.36(mm) 5．蝸桿分度圓直徑dl 35.50(mm) 25.漸開線蝸桿基圓導(dǎo)程角 22.296° 6.中心距A 63.00(mm) 26.蝸輪分度圓直徑

52、d2 126.00(mm) 7.蝸桿導(dǎo)程角 10.063° 27.蝸輪喉圓直徑da2 96.80(mm) 8.蝸輪當(dāng)量齒數(shù)Zv2 41.90 28.蝸輪齒根圓直徑df2 82.94(mm) 9.蝸輪變位系數(shù)x2 -5.63 29.蝸輪齒頂高h(yuǎn)a2 -14.60(mm) 10.軸向齒形角ax 20.287° 30.蝸輪齒根高h(yuǎn)f2 21.53(mm) 11.法向齒形角 20.000°

53、 31.蝸輪齒高h(yuǎn)2 6.93(mm) 12.齒頂高系數(shù)ha* 1.00 32.蝸輪外圓直徑de2 101.52(mm) 13.頂隙系數(shù)c* 0.20 33.蝸輪齒頂圓弧半徑Ra2 14.60(mm) 14.蝸桿齒寬b1 65.00(mm) 34.蝸輪齒根圓半徑Rf2 21.53(mm) 15.蝸輪齒寬b2 24.00(mm) 35.蝸桿軸向齒厚sx1 4.95(mm) 16.是否磨削加工 否

54、 36.蝸桿法向齒厚sn1 4.87(mm) 17.蝸桿軸向齒距 9.90(mm) 37.蝸輪分度圓齒厚s2 -8.18(mm) 18.蝸桿齒頂高 3.15(mm) 38.蝸桿齒厚測量高度 3.15（mm） 19.蝸桿頂隙 0.63(mm) 39．蝸桿節(jié)圓直徑 -0.00(mm) 20.蝸桿齒根高 3.78(mm) 40.蝸輪節(jié)圓直徑 126（mm） 4.1.4蝸輪精度 表4-1 蝸輪精度 項(xiàng)目名稱 蝸輪 蝸桿 第

55、一組精度 8 8 第一組精度 8 8 第一組精度 8 8 側(cè) 隙 f f 4.1.5強(qiáng)度剛度校核結(jié)果和參數(shù) 1．許用接觸應(yīng)力 252.04 2．計(jì)算接觸應(yīng)力 119.54(滿足) 3．許用彎曲應(yīng)力 30.40 4．計(jì)算彎曲應(yīng)力 15.71(滿足) 5．許用撓度值

56、 0.0710 6．計(jì)算撓度值 0.0225(滿足) 1．蝸桿圓周力Ft1 136.34 13.滾動(dòng)軸承效率 0.98 2．蝸桿軸向力Fx1 -735.88 14.使用系數(shù)Ka 1.02 3．蝸桿徑向力Fr1 -272.02 15.動(dòng)載荷系數(shù) 1.05 4．蝸輪圓周力Ft2 735.88 16.載荷分布系數(shù) 1.00 5．蝸輪軸向力Fx2

57、 -136.34 17.材料的彈性系數(shù)ZE 155.00 6．蝸輪徑向力Fr2 272.02 18.滑動(dòng)速度影響系數(shù) 1.00 7．蝸輪法向力Fn -795.35 19.壽命系數(shù)ZN 1.26 8．滑動(dòng)速度Vs 0.24 20.齒形系數(shù) 10.59 9．蝸桿傳動(dòng)當(dāng)量摩擦角 3.720° 21.導(dǎo)程角系數(shù) 0.88 10.蝸桿傳動(dòng)效率 0.69 22．蝸桿截面慣性矩I

58、29914.07 11.蝸桿的嚙合效率 0.72 23.彈性模量E 207000.00 12.攪油損耗 0.97 24.蝸桿兩端支承點(diǎn)的跨度L 280 4.1.6自然通風(fēng)散熱計(jì)算 1．熱導(dǎo)率k 8.70 5．潤滑油溫度t1 45 2．散熱的計(jì)算面積A 0.57 6．周圍空氣溫度t2 20 3．冷卻的箱殼表面積A1 0.40 7．損耗的功率Ps 0.12 4．補(bǔ)充的箱殼表面積A2 0.35

59、 8． 能散出的功率Pc 0.13 4.2蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會(huì)增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難度。因此，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是軸設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。 軸的結(jié)構(gòu)主要取決以下因素：軸在機(jī)器中的安裝位置及形式；軸上安裝的零件的類型、尺寸、數(shù)量以及和軸的連接方法：載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況；軸的加工工藝等。由于影響軸的結(jié)構(gòu)的因素較多，且其結(jié)構(gòu)形式又要隨著具體情況的不同而異，所以軸沒有

60、標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計(jì)時(shí)，必須針對(duì)不同情況進(jìn)行具體的分析。但是，不論何種具體條件，軸的結(jié)構(gòu)都應(yīng)滿足：軸和裝在軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置；軸上的零件應(yīng)便以裝拆和調(diào)整；軸應(yīng)具有良好的制造工藝性等。 軸的工作能力設(shè)計(jì)指的是軸的強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)穩(wěn)定性等方面的計(jì)算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強(qiáng)度。這時(shí)只需對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，以防止斷裂或塑性變形。而對(duì)剛度要求高的軸（如車床主軸）和受力大的細(xì)長軸，還應(yīng)進(jìn)行剛度計(jì)算，以防止工作時(shí)產(chǎn)生過大的彈性變形。對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸，還應(yīng)進(jìn)行振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算，以防止發(fā)生共振而破壞。 下面根據(jù)上述原則對(duì)軸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 4.2.1軸的強(qiáng)度較核計(jì)算 進(jìn)行軸的強(qiáng)度

61、校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的計(jì)算方法，并給當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力。對(duì)于僅僅（或主要）承受扭矩的軸（傳動(dòng)軸），應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算：對(duì)于只承受彎矩的軸（心軸），應(yīng)按彎矩強(qiáng)度條件計(jì)算：對(duì)于既承受彎矩又承受扭矩的軸（轉(zhuǎn)軸），應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算，需要時(shí)還應(yīng)按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核。此外，對(duì)于瞬時(shí)過載很大或應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱性較為嚴(yán)重的軸，還應(yīng)按峰尖載荷校核其靜強(qiáng)度，以免產(chǎn)生過量的塑性變形。下面介紹幾種常用的計(jì)算方法。 1．按扭矩強(qiáng)度條件計(jì)算 這種方法是按軸所受的扭矩來計(jì)算軸的強(qiáng)度；如果還受有不大的彎矩時(shí)，則用降低許用扭矩切應(yīng)力的方法予以考慮。在做軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常用這種方

62、法初步估算軸徑。對(duì)于不大重要的軸，也可作為最后計(jì)算結(jié)果。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 （4-1） 式中： 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力， —軸所受的扭矩， —軸的抗扭截面系數(shù)， —軸的轉(zhuǎn)速 —軸傳遞的功率，功率 —計(jì)算截面處軸的直徑， —許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，，見表4-2 表4-2 軸的幾種材料的 及 值 軸的材料 Q235-A、20 Q275、35 45 40Cr、35SiMn

63、 38SiMnMo、3Cr13 15～25 20～35 25～45 35～55 149～126 135～112 135～103 112～97 由上式可得軸的直徑 （4-2） 式中， 查表4-2，對(duì)于空心軸，則 式中， ，即空心軸的內(nèi)徑 d 與外徑d之比，通常取 應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)軸截面上開

64、有鍵槽時(shí)，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的削弱。對(duì)于直徑d>100mm的軸，有一個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑增大3%；有兩個(gè)鍵槽時(shí)，應(yīng)增大7%。對(duì)于直徑d≤100mm的軸，有一個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑增大5%～7%；有兩個(gè)鍵槽時(shí)，應(yīng)增大10%15%。然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。應(yīng)當(dāng)注意，這樣求出的直徑，只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑 。 2．按彎矩扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算 通過軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，軸上零件的位置，以及外載荷和反支力的作用位量均已確定，軸上的載荷（彎矩和扭矩）已可以求得，因而可按彎矩扭合成強(qiáng)度條件對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。一般的軸用這種方法計(jì)算即可。其計(jì)算步驟如下 (1) 做出軸的計(jì)算

65、簡圖（即力學(xué)模型） (a)向心軸承 (b)向心推力軸承 (c)并列向心軸承 (d)滑動(dòng)軸承 圖4-3軸的支反力作用點(diǎn) 軸所受的載荷是從軸上零件傳出來的，計(jì)算時(shí)，常將軸上的分布載荷簡化為集中，其作用點(diǎn)取為載荷分布段的中點(diǎn)。作用在軸上的扭矩，一般從傳動(dòng)件輪轂寬度中點(diǎn)算起。通常把軸當(dāng)作置于鉸鏈支座上的梁，反支力的作用點(diǎn)與軸承的類型和布置方式有關(guān)，可按圖4-3確定。圖b中的a值可查滾動(dòng)軸承樣本手冊(cè)，圖d中的e值與滑動(dòng)軸承的寬徑比 時(shí)，??；當(dāng)

66、時(shí)，取 ，但不小于 ；對(duì)于調(diào)心軸承， 。 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) 圖4-4軸的載荷分析圖 在做計(jì)算簡圖時(shí)，應(yīng)先求出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應(yīng)把空間力分為圓周力、軸向力和徑向力，然后把他們?nèi)哭D(zhuǎn)化到軸上），并將其分解為水平分力和垂直分力，如圖4-4b所示。然后求出各支承處的水平反力 和垂直反力 （軸向反力可表示在適當(dāng)?shù)拿嫔希瑘D4-4d是表示在垂直面上，圖4-4d是表示在垂直面上，故標(biāo)以 和 ） (2)做出彎矩圖 根據(jù)上述簡圖，分別按水平面和垂直面計(jì)算各力產(chǎn)生的彎矩，

67、并按計(jì)算結(jié)果分別做出水平面上的彎矩 圖（圖4-4c）和垂直面上的彎矩 ，圖（圖4-4e）；然后按下式計(jì)算總彎矩并做出M圖(圖4-4f)。 (3)做出扭矩圖如圖4-4g所示。 (4)初步估算軸的直徑 選擇軸的材料為40Cr經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，由表4-2查得材料機(jī)械數(shù)據(jù)為： 根據(jù)公式初步計(jì)算軸直徑 = = 帶入數(shù)據(jù)得出d 11.2mm即軸的最小直徑為11.2，現(xiàn)在選擇 12.5mm， 4.2.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)軸上面的定位要求，現(xiàn)在軸的基本參數(shù)如下圖所示： 圖4-5軸的基本尺寸參數(shù) 4.2.3鍵的