1本科畢業(yè)論文（設計）論文題目：管道爬行器的研究與設計學生姓名： 所在院系： 機電學院所學專業(yè)： 機械設計制造及其自動化導師姓名： 完成時間：2摘 要本課題是在對管道爬行器的結(jié)構(gòu)和運動研究分析的基礎(chǔ)上。本次設計在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 電機順序 動作以完成通過十字型和丁字型等較復雜的管道,通過新型吊環(huán)的調(diào)節(jié)始終保持攝像裝置與水平面的平行。對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計電氣部分的控制電路，最 終方案采用人工控制 電機的順序動作進行管道內(nèi)的轉(zhuǎn)彎，里程計反饋信息與管道工程圖相結(jié)合的方法來進行爬行器的定位。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 設計方案初步分析 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)進行調(diào)整 .32.3.2 利用吊籃方式進行調(diào)整 .42.3.3 采用新式吊籃進行調(diào)整 .42.4 自適應分析 42.4.1 伸縮臂長和加彈簧方式 .52.4.2 伸縮臂長和“ 傘” 型搖 桿 .52.5 方案的基本確定 .53 方案一的 設計與分析 53.1 機身的設計 .63.2 機腿的設計 .63.2.1 伸縮單元 .73.2.2 變長單元 .83.2.3 關(guān)節(jié)單元 .83.3 驅(qū)動輪的設計 .83.4 方案一的分析 .94 方案二的 設計與分析 94.1 機身的設計 .94.2 機身內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)設計 .94.3 進給螺桿與螺母的設計 .104.4 吊籃的設計 .104.5 機腿的設計 .114.6 方案二的分析 .1155 方案三的設計與分析 125.1 機身的設計 .125.2 機身內(nèi)部傳動機構(gòu)的設計 .135.2.1 進給絲杠和螺母的設計 .135.2.2 選擇聯(lián)軸器 .175.2.3 選擇鍵 .175.3 吊環(huán)的設計 .185.4 軸承的設計 .185.5 機腿的設計 .195.6 驅(qū)動輪的設計 .195.7 管道爬行的實現(xiàn) .205.8 管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎的實現(xiàn) .205.9 總體裝配體設計 .216 管道爬行機器人的功能分析 217 管道爬行機器人的動作分析 228 電氣控制基本元器件的選取 228.1 電機的參數(shù)計算與選取 .228.1.2 驅(qū)動輪電機的參數(shù)計算 .228.1.3 主電機參數(shù)計算 .238.1.4 機器人動力源的選取 .248.2 電源的選取 .248.3 電機調(diào)速元件的選取 .258.3.1 串聯(lián)電阻調(diào)速方法的實現(xiàn) .258.3.2 新型調(diào)節(jié)脈寬 PWM 型調(diào)速的實現(xiàn) .268.3.3 電機調(diào)速方法的確定及元件的確定 279 電路設計 289.1 輪足電機動作的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的電路設計 .289.2 前后傘足的張開閉合電路設計 .289.3 電機部分總電路設計 .299.4 電機順序動作的電路設計 .309.4.1 人為控制 .309.4.2 邏輯控制 .309.4.3 單片機/PLC 進行自 動控制 .319.5 照明系統(tǒng)的電路設計 .3269.6 管道內(nèi)機器人定位系統(tǒng)（PDPS）的設計 .339.6.1 爬行器管道內(nèi)定位方案的提出與分析 .339.6.2 機器人定位系統(tǒng)部件的選擇與設計 .3510 結(jié)論 3611 結(jié)束語 37致謝 38參考文獻 3811 緒論隨著社會的發(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用越來越多。在我國及世界各個國家內(nèi)，由于地形的限制和土地資源的有限，在地下都埋設了很多的輸送管道，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造成了很大的困難。當這些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等問題時，人 們普通的做法是挖開道路進行維修，有些時候如果不能準確判斷泄露和堵塞的具體位置時，會浪 費很多的時間和精力，同時降低了工作效率 [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)量和運行安全,管道工程都要對焊縫進行檢測,檢測焊接部位是否存在虛焊、漏焊、傷 痕等焊接缺陷。常用的焊縫檢測方法是采用無 損檢測,如超聲、射 線、渦流等。對 于管路檢測,則大多采用管道內(nèi)爬行探傷檢驗設備(簡稱爬行器) 對焊縫進行射線檢測。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。在檢測過程中,爬行器在其控制系統(tǒng)的控制下,可連續(xù)對同一管道不同位置上的焊縫質(zhì)量進行檢驗。考 慮管道焊縫檢測 的效率,常常當管道焊接具有一定長度之后,才集中對管道進行檢測。如果一次要 檢測的管道比較長,爬行器的控制系統(tǒng)應采用車載式布置。使用時,通過外部的控制器對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)。隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展，以及機器人技術(shù)的發(fā)展和管道測試等技術(shù)的進一步發(fā)展，相互之間的滲透程度越來越深，管道爬行機器人是在狹窄空間中進行精密操作、檢測或作業(yè)的機器人系統(tǒng)。其中機器人的作業(yè)環(huán)境一般是危險的。火力發(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 動維修存在一定 難度。 僅以核電站為例，檢查時工人勞動條件惡劣。因此管道內(nèi)機器人化自動檢查技術(shù)的研究與應用十分必要。人們不再為了維修、維護管道時挖開道路，節(jié)省了大量的人力，物力和財力。目前的管道機器人都是以履帶、輪子等實現(xiàn)在管道中的移動，其技術(shù)有著或多或少的缺陷，市場尚不成熟。例如：不能適應大范 圍的管道內(nèi)徑變化，運行中姿態(tài)的調(diào)整不夠理想，在十字型、丁字型等較復雜的管道內(nèi)徑中不能較平穩(wěn)的通過等等；結(jié)合目前管道機器人所存在的缺點，應用機械設計、機械原理等專業(yè)知識，設計出了新型管道爬行機器人。此機器人可實現(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 雜管道；在運行中的姿態(tài)調(diào)整也得到了較好的解決。22 設計方案初步分析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器人尾部裝夾電纜、信號線、安全繩、其他 電路等等，這樣會造成機器人的牽引力增大，對爬行器的負載力和足輪的摩擦力提出了更高的要求，尤其是隨著機器人的深入，牽引繩會成為機器人的累贅和枷鎖。 牽引繩的長短禁錮著機器人的爬行深度。其優(yōu)缺點如下：缺點：附著力會不斷增大，爬行器負載變化大，不利于長距離爬行。優(yōu)點：爬行器本身初始載重?。ū旧聿恍钄y帶能源等），信息反饋及時清晰，利于后期觀察，也利于實現(xiàn) 在線監(jiān)控。 觀察結(jié)束時，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，本身有拍攝存儲功能，并且本身攜帶電源等，其 優(yōu)缺點如下：缺點：爬行器本身載重加大，需設計爬行器退出管道方式等。優(yōu)點：爬行器載重恒定，便于爬行器爬行。其在管道內(nèi)行進方便，尤其在彎道時，拖曳式的過大的牽引力會使爬行器驅(qū)動輪打滑，不易通過。根據(jù)要求，非拖曳雖有自己強大優(yōu)點，但爬 行器在管道內(nèi)出現(xiàn)問題而不能移動時，需要花費很大力氣將爬行器取出?？梢赃x擇有線拖拽式。2.2 驅(qū)動方式選擇根據(jù)設計要求現(xiàn)擬訂 2 種爬行器驅(qū)動設計方案（如圖 1，2）：圖 1 輪式爬行 圖 2 履帶式爬行32.2.1 輪式爬行設計制造簡便，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，但本身設計制造較復雜，成本相應提高（一個支點最少需 4 輪才可以爬行） [3]。根據(jù)設計要求本機器人是在管道內(nèi)行走的機器人，無需考慮臺階等障礙物的問題，盡量降低成本，在不影響設計本身功能時，盡可能采用制造工藝簡單，成本低的設計方案?？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)進行調(diào)整在管道爬行時會出現(xiàn)爬行器偏移原來軌道，可用傾斜傳感器進行控制?，F(xiàn)擬訂采用改變輪子（履帶）前進方向一定角度來進行矯正（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)整可實現(xiàn)如圖 5：圖 5 關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)的實現(xiàn)2.3.2 利用吊籃方式進行調(diào)整在爬行器內(nèi)安裝吊籃（內(nèi)置攝像觀察裝置）。當爬行器偏斜時，吊蘭因為和機座為鉸鏈連接，保留一個自由度，由于重力的原因不會隨著爬行器偏斜而偏斜，而是在任何時候都垂直與地面。其在爬行器內(nèi)遇到傾斜時的自動調(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 吊籃式的實現(xiàn)2.3.3 采用新式吊籃進行調(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 個偏心 圓環(huán)相扣，進行重力自由調(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)動并不能帶動大環(huán)的轉(zhuǎn)動，并且大 環(huán)會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，進行新式吊籃調(diào)節(jié)如圖 8,圖 9。 2.4 自適應分析2.4.1 伸縮臂長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桿，小范圍內(nèi)在支撐臂上添加彈簧。2.4.2 伸縮臂長和“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、丁字型等較復雜管道內(nèi)徑 時可通過“ 傘”型搖桿閉合控制支撐臂移動以適應，通 過“傘”型搖桿與伸縮桿的結(jié)合就可以變換出很多適應圖 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，相比較下，第 2 種方案更符合要求，但其需要獨立的驅(qū)動單元，因此制造成本 遠高于第 1 種方案。在普通情況下，第 1 種方案足可以適應。故再做出三維造型后 進一步進行運動分析。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)整和自適應均存在 3 種不同的方案可供選擇，故設計 3 種總體方案再進一步分析。方案一：姿態(tài)調(diào)整采用關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)，自適應采用變長桿和彈簧。方案二：姿態(tài)調(diào)整采用吊籃方式，自適應采用伸縮臂和“ 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，自適應采用伸縮臂和“ 傘”型合構(gòu)。3 方案一的設計與分析綜合設計方案一如圖 9.本方案基本有 3 部分組成，1 機身、 2 機腿、3 驅(qū)動輪 。7圖 9 方案一的三維效果圖3.1 機身的設計可裝載各種探測設備等，如圖 10。圖 10 機身 3.2 機腿的設計由 9 部分組成，其三維圖與爆炸圖如圖 11。機腿可分為 3 個單元：伸縮單元（1-5）、變長單元（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 變長單元 6 為變長桿，可以人為的更換（增長或縮短）以適應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∶通過傾斜傳感器對爬行器進行監(jiān)控。當爬行器偏移其原軌 道， 傾斜傳感器發(fā)出電信號，此時 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，使電磁鐵 斷電，在 繞簧的作用力下，使關(guān)節(jié)各部位復位。圖 12 機腿裝配圖圖 13 伸縮單元三維圖圖 14 變長桿9圖 15 關(guān)節(jié)單元零件圖爬行器正常前進。7、9 分別用于爬行器的左、右校正。3.3 驅(qū)動輪的設計驅(qū)動輪由 5 部分組成，如圖 16圖 16 驅(qū)動輪三維圖與爆炸圖(1)聯(lián)接塊用于與 驅(qū)動輪與關(guān)節(jié)單元的聯(lián)接。(2)電動機箱安裝步 進電動機或勵磁電動機。用以驅(qū)動輪子。3.4 方案一的分析優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低廉，對管道內(nèi)徑變化不大和彎道較少時基本能滿足設計要求。缺點：該爬行器在爬行器由于機身是長方體，在管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎時，會出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象，在爬行十字型、丁字型管道內(nèi)徑時會出現(xiàn)在機腿卡在管道中，驅(qū)動輪懸空等情況；但該種情況，一般當 輪子半徑大于管道壁厚，也能順利通過。4 方案二的設計與分析根據(jù)方案一的優(yōu)缺點進行改進，增加必要改良元素，現(xiàn)設計出方案二，如 圖1017。本方案由 3 部分組成：1 機身， 2 機腿，3 驅(qū)動輪 。圖 17 方案二的三維圖4.1 機身的設計機身設計成筒狀機身和其他部件組成。如圖 18.圖 18 機壁三維圖4.2 機身內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)設計機身內(nèi)部主要完成“ 傘” 足的 張合傳動，以及吊籃的安裝。如圖 19。11圖 19 機身內(nèi)部三維圖4.3 進給螺桿與螺母的設計為使機腿伸縮，采用螺旋傳動， 該類型傳動是利用螺桿（絲杠）和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，同時傳遞運動和動力。在爬行器中其工作原理為：進給螺桿在電動機的驅(qū)動下，進行回轉(zhuǎn)運動。從而使螺母進行水平移 動。螺母用來推 動機腿的伸縮，使爬行器 進行自適應伸縮如圖 20。圖 20 絲杠螺母運動簡圖4.4 吊籃的設計吊籃的活動關(guān)節(jié)采用圓柱銷，采用間隙配合，以保證吊籃的左右移動。其機構(gòu)圖如圖 21，22。12其工作原理為，在重力的作用下。吊籃通過活動關(guān)節(jié)始終保持與地面的水平。活動關(guān)節(jié)由一活動銷聯(lián)結(jié)。吊 籃通過螺母固定在機身上。圖 21 吊籃三維圖 圖 22 吊籃示意圖4.5 機腿的設計機腿的三維造型如圖 23圖 23 機腿三維圖機腿通過關(guān)節(jié) 1、2、3 的伸縮進行自適應調(diào)節(jié)。連接桿與推 動盤連結(jié)。連接桿與關(guān)節(jié) 3 采用鉸接。為適 應管道最大內(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：能夠采用伸縮桿適應大范圍管道內(nèi)壁直徑變化， “傘”型結(jié)構(gòu)能夠適應管道內(nèi)一定范圍的轉(zhuǎn)彎，牽引力大，結(jié)構(gòu)緊湊，控制 簡單 。13缺點：由于機身為一個圓筒（整體，過長），不能完全適應彎道的轉(zhuǎn)彎。吊 籃安裝在機身內(nèi)部，安裝復雜，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。機身的制造復雜，孔系較多。5 方案三的設計與分析根據(jù)方案一，二的優(yōu)缺點，綜合整理資料，經(jīng)過反復修改，提出新的設計思路，先設計 出方案三，如圖 24。本方案有 3 部分組成， 1 機身、2 機腿、3 驅(qū)動輪。圖 24 方案三的三維圖5.1 機身的設計機身主要有兩部分構(gòu)成，即前機身和后機身，對于管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎的為題，我 們可以借鑒火車的節(jié)裝結(jié)構(gòu)，設計出有兩節(jié)機身組成的機車型爬行器，減小機身長度，有利于機器人順利通過彎道， 為減輕重量，機身材料選用硬鋁。5.1.1 機身組成結(jié)構(gòu)爬行器爬行最小內(nèi)徑為 450mm，爬行最大內(nèi)徑 1100mm。設計機身內(nèi)徑為150mm，外徑為 200mm 機壁厚度最小處為 10mm。機壁與機腿之 間只是做簡單的伸縮動作，前后機身可以采用旋轉(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 機身內(nèi)部傳動機構(gòu)的設計機身內(nèi)部結(jié)構(gòu)為機腿運動的傳動機構(gòu)的設計，在這里運用 絲杠和螺母結(jié)構(gòu)完成曲柄滑塊機構(gòu)的實現(xiàn)。并推動機腿的張合。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 275.2.1 進給絲杠和螺母的設計為使機腿伸縮，采用螺旋傳動，該類 型傳動是利用螺桿（ 絲杠）和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運 動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，同時傳遞運動 和動力。在爬行器中其工作原理為：進給螺桿在電動機的驅(qū)動下，進行回轉(zhuǎn)運動。從而使螺母進行水平移動。螺母用來推動機腿的張合，使爬行器進行自適應張合。A 初步確定螺桿桿軸的最小軸徑 按《機械設計》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)《機械設計》表 15-3 取 A0=112 初步設定螺桿轉(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 電機取 P=89W n=30r/min B 求取 軸向力按照自鎖條件先求出當量摩擦角，查《機械設》表 5-12 知螺旋副材料中鋼對鋼的摩擦系數(shù) ，取中間值 0.15，則當量摩擦角0.1~.7s??則 40tan8.620FN????軸在此按最大值計算，取 F軸 ＝C 耐磨性 計算滑動螺旋的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動速度、螺紋表面粗糙度以及潤滑狀態(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，滑動螺旋的耐磨性計算，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算用。將 代入上式整理后得/d??a 計算螺桿中徑查《機械設計》第 97 頁，由于工作圈數(shù)不多，故取查《機械設計》第 97 頁表 5-12 取 則0.15'rctarctn8.3osos2????????22FPppAh????2???20.8FdP??1?1.5??(2)(3)(4)16因為按剪切強度計算的最小直徑為 15.28mm ，由 d2=26mm 根據(jù)國家標準選取螺紋公稱直徑 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 驗算工作壓強620.36103.54PMPa?????D 驗算自鎖自鎖條件 ，對于單線螺紋 ， 為當量2arctn(/)'Ld???7Lm?'?摩擦角等于 。8.?則： 07arctn5.368.????自鎖條件滿足。E 螺桿強度計算螺桿工作時承受軸向壓力（或拉力）F 和扭轉(zhuǎn) T 的作用。螺桿危險截面上既有壓縮（或拉伸）應力，又有切 應力。因此，校核螺桿 強度時應根據(jù)第四強度理論求出危險截面的計算應力 ，其強度條件為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；——螺桿材料的許用應力，單位為 MPa。???則： 221483.760()0.63545.ca MPa????螺桿材料的許用應力 查《機械設計手冊》表 34.2-10 知 =80，故螺桿強[]?度滿足。F 螺紋牙強度(1)螺紋牙寬度 0.65.74.5dpm???(2)螺桿的強度校核螺紋牙多發(fā)生剪切和擠壓破壞，一般螺母的材料強度低于螺桿，故只需校核螺母螺紋牙的強度。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，則螺紋牙危險截面 a－a 的剪切強度條件為2螺紋牙危險截面 a－a 的彎曲 強度條件為式中：b ——螺紋牙根部的厚度，單位為 mm，對于矩形螺 紋， b＝0.5P ，對于梯形螺紋， 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力，單位為 MPa，見《機械設計》表 5-13；???——螺母材料的許用彎曲應力，單位為 MPa，見《機械設計》表 5-13；b?a.抗剪強度 16200.345[]4834.5FMPaaMPadz? ????????????bu?????26bbFlD?(10)(11)18其中查 《機械設計》表 5-13 并計算得 =48MPa[]?[]?b.抗彎強度 2216603.51.8[]4b bFhMPadz? ??????其中 查《機械設計》表 5-13 經(jīng)計算知 =80MPa。[]b []b?(3)絲母的強度校核a.抗剪強度 16200.263[]34.5FMPadbz? ??????其中 查《機械設計》表 15-3 知 。????8?b.抗彎強度 216603.5.1302[]4b bFhPadz? ??????其中 查《機械設計》表 15-3 知 =80MPa。故絲母強度滿足。[]b []b?綜上計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)軸器是機械傳動中重要的軸系部件。主要用來聯(lián)接兩軸(有時也實現(xiàn)軸與其它轉(zhuǎn)動零件的聯(lián)接)，使之一起轉(zhuǎn)動并傳遞運動和動力。兩軸用聯(lián)軸器聯(lián)接， 只有停機并經(jīng)拆卸才能分離；采用聯(lián)軸器可把整機分成若干部件，便于機器的 19設計、制造、裝拆及運輸；聯(lián)軸器大都已標難化、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 選擇鍵鍵是機械傳動部分的動力傳遞原件，在選擇時要求其符合傳遞扭矩的要求。且鍵已被國家定位標準件，在此主要進行間的選擇和校核。根據(jù)軸的直徑，由《機械設計》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——鍵的接觸長度，mmd——軸的直徑，mm可計算得： 328.71094.2[]56p pMPa??????查《機械設計》表 6-2 靜載荷時 []p?可知所選的圓頭平鍵符合條件5.3 吊環(huán)的設計如前所訴，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 軸承的設計用于固定螺桿。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計的軸承。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 機腿的設計其三維裝配圖，爆炸圖如圖 33，34。圖 33 機腿裝配圖21圖 34 機腿爆炸圖機腿通過關(guān)節(jié) 1、2、3 的伸縮進行自適應調(diào)節(jié)。連接桿與推 動盤連結(jié)。連接桿與機腿 1 采用鉸鏈。為適 應管道最大內(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)動輪的設計驅(qū)動輪的設計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)動輪裝配和爆炸如圖 35，圖 36。原 動力電動機的選擇 與計算在機器人的電氣控制研究設計部分完成。圖 35 驅(qū)動輪裝配體 圖 36 驅(qū)動輪爆炸視圖5.7 管道爬行的實現(xiàn)22圖 37 管道內(nèi)爬行實現(xiàn)5.8 管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎的實現(xiàn)在十字型管道內(nèi)爬行時，會遇到驅(qū)動輪懸空，并可能被卡住的情況。此 時，在通過攝像觀測裝置觀測到該種情況時，工作人員通過控制機身電機，進給螺桿開始轉(zhuǎn)動，使螺母水平移動 ，從而使機腿伸 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)場工作人員控制，通過對機身電機的控制，以實現(xiàn)機腿的伸縮。這里只是敘述了爬行器前半身過復雜管道的控制過程圖，再后半身過復雜管道時，基本類似，故不在 贅述。圖 38 管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎實現(xiàn)圖 39 轉(zhuǎn)彎控制電機流程圖23機器人的電氣電路控制設計將在本文的第六部分進行闡述。5.9 總體裝配體設計根據(jù) SolidWorks 三維造型和各零件的設計，現(xiàn)設計 出方案三總體裝配圖如圖 40。圖 40 爬行器裝配體工程圖6 管道爬行機器人的功能分析根據(jù)管道機器人的機械部分的設計，要求：這種傘型 6 足的爬行器在管道中要完成前進，后退，轉(zhuǎn)彎以及前傘，后傘的張開和閉 合等動作，管道機器人在工作條件下需要有較強勁的動力，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單的電路。根據(jù)機器人的動作要求可以把管道機器人的動力源設計為： （1）由 6 個電機來控制機器人的爬行（前進，后退）采用 的動力驅(qū)動。6?（2）由 2 個電機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，爬行機器人的轉(zhuǎn)彎等，必須 要求前后傘足的張開及閉合為獨立事件，相互不干擾才能完成轉(zhuǎn)彎時傘足的獨立動作。247 管道爬行機器人的動作分析管道爬行機器人主要完成的動作有：（1）六輪的驅(qū)動（前進，后退，調(diào)速）。（2）傘足的張開和閉合（前后相對獨立）。（3）管道中的轉(zhuǎn)彎動作順序：前傘足閉合——后傘足前進——前傘足打開——后傘足閉合——前傘足前進——后傘足打開。（4）由吊環(huán)進行機器人的姿態(tài)調(diào)整自適應。 （5）照明（管道中十分黑暗，攝像頭攝像，必 須有照明設施）。8 電氣控制基本元器件的選取基于以上電氣運轉(zhuǎn)控制及順序制動的問題分析，根據(jù)管道機器人的使用特點和工作條件，要求：方便，安全，可靠，性能優(yōu)越，價廉，適用于復雜的環(huán)境條件，體積小，重量輕，可控性能好等，可 對元器件進行如下 選?。?.1 電機的參數(shù)計算與選取8.1.2 驅(qū)動輪電機的參數(shù)計算通過對機器人的三維實體建模，以及材料的選取，通過已知密度進行零件分析，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，則取實際計算摩擦系數(shù)為： 0.15??最大功率： PFv?26MgN輪子承受的壓力為機器人的重力與機腿張開時產(chǎn)生的管壁壓力（ 為機器人的重力 ， 為機腿對管壁的壓力）12NF??1 210?由于工作時，機腿張開的幅度不同，所產(chǎn)生的壓力也不同。為了安全和電機滿足設計要求的目標，機腿張 開對管壁的壓力可取 1 倍的重力。即：