管道機器人畢業(yè)設計

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1、 設計內(nèi)容 主要結論 第一章 概述 1. 1 機器人概述 機器人----這一詞最早使用始于1920年至1930年期間在捷克作家凱勒爾*凱佩克（Karel capek）的名為"羅莎姆的萬能機器人"的幻想劇中，一些小的人造的和擬人的傀儡絕對地服從其主人的命令。這些傀儡被稱為“機器人”。該單詞起源于捷克語“robota”。意思是“強制的勞動”。 機器人的組成與人類相似。舉例說，人搬運某一物體的運動過程可用圖（a）所示的方塊圖來說明。首先，人聽到外部的命令或用眼睛看到外部

2、的指令，并由眼睛測量出距離。感受到這兩種信息經(jīng)過感覺神經(jīng)送到大腦中，大腦經(jīng)過分析計算，然后通過運動神經(jīng)發(fā)出指令，手臂用最好的方式伸向物體，并將物體抓住，手上的感覺神經(jīng)，感覺物體已經(jīng)抓牢了，把信息傳給大腦。大腦命令手抓起物體，同時指令腳移動到所要求到達的地點，最后放下物體。一般包括以下幾個部分見圖（b）： 1.控制中樞（相當于人的大腦）； 2.操作裝置（相當于人的手）； 3.行走裝置（相當于人的腳）； 4.有感覺的機器人還必須有感覺裝置以及與外界環(huán)境聯(lián)系的裝置（相當于人的口、耳、眼、鼻以及皮膚上的感覺

3、神經(jīng)）。 實際的機器人在不同的程度上具有兩種特有的屬性：對環(huán)境的通用性和自動適應性。①通用性：具有完成各種任務以及以不同的方式完成相同的結構或機械能力。這意味著機器人的機械結構具有可變的機械形狀。②自動適應性： 是指一個機器人必須被設計成由其自己去完成任務，盡管難以預知，但卻可以有限的知道在完成任務期間環(huán)境的變化，通過改變路徑、姿態(tài)等來處理所面對的問題，最終完成任務。為了對機器人進行分類，必須能夠定義和區(qū)分不同的類型，因此根據(jù)不同的定義就有不同的分類方法?，F(xiàn)在使用的有很多種。以下介紹日本工業(yè)機器人協(xié)會（JIRA）的分類方法： 第一類：手工操作裝置：一種由

4、操作人員操作的具有若干個自由度（DOF）的裝置； 第二類：固定程序的機器人：依照預定的不變的方法按部就班執(zhí)行任務的操作裝置，對任務的執(zhí)行順序很難進行修改； 第三類：可變程序的機器人：與第二類是同一種類型的操作裝置，但其執(zhí)行步驟可以修改； 第四類：再現(xiàn)式機器人：操作人員通過手動方式引導或控制機器人完成任務，而機器人控制裝置則記錄其運動軌跡，需要時可以重新調(diào)出記錄的軌跡信 息，機器人就能以自動的方式完成任務； 第五類：數(shù)值控制機器人：由操作人員給機器人提供運動程序，而不是用手動方式教導機器人完成指定的作業(yè)

5、任務； 第六類：智能機器人:通過對環(huán)境變化的感知，改變其運動軌跡、姿態(tài)等措施圓滿的完成任務。 機器人的誕生和機器人學的建立無疑是20世紀人類科學技術的重大成就。自60年代初機器人問世以來，作為20世紀人類最偉大發(fā)明之一的機器人技術，經(jīng)歷了近半個世紀的發(fā)展，已取得了長足的進步。特別是到了20世紀90年代，隨著計算機技術、微電子技術、網(wǎng)絡技術等的快速發(fā)展，機器人技術也得到了飛速發(fā)展。除了用于工業(yè)生產(chǎn)中從事焊接、噴漆、搬運和裝配等作業(yè)的工業(yè)機器人的水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的特種、智能機器人系統(tǒng)也有了長足的進展。工業(yè)機器人在經(jīng)歷了誕生－成長－成熟期后，已成為現(xiàn)代先進制造業(yè)中必不可少的核心

6、裝備，當今世界上約有上百萬臺工業(yè)機器人正與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在各條戰(zhàn)線上。非制造業(yè)中的仿人性機器人、農(nóng)業(yè)機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、娛樂機器人、服務機器人等各種用途的特種機器人也正以飛快的速度向實用化邁進。 1.2 管道機器人概述 20世紀70年代以來, 石油、化工、天然氣及核工業(yè)等產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展, 各種管道作為一種重要的物料輸送設施, 得到了廣泛應用。由于腐蝕、重壓等作用, 管道不可避免地會出現(xiàn)漏孔、裂紋等現(xiàn)象。同時多數(shù)管道安裝環(huán)境人們不能直接到達或不允許人們直接進入, 為進行質(zhì)量檢測和故障診斷, 采用傳統(tǒng)的全面挖掘法、隨機抽樣法工程量大, 準確率低, 管道機器人就

7、是為解決這一實際問 題產(chǎn)生的。它是由可沿管道內(nèi)部或外部自動行走裝置、攜有一種或多種傳感器及操作裝置如：機械手、噴槍、焊槍、刷子。管道機器人的工作空間是復雜、封閉的各種管道, 包括水平直管、各角度彎管、斜坡管、垂直管以及變徑管接口等, 所以需要在操作人員的遙控操作或計算機自動控制下, 進行一系列管道作業(yè)。管道機器人可完成的管道作業(yè)有以下幾類： 1.生產(chǎn)、安裝過程中的管內(nèi)外質(zhì)量檢測。 2.惡劣環(huán)境下管道清掃、噴涂、焊接、內(nèi)部拋光等維護。 3.使用過程中焊縫情況、表面腐蝕、裂縫破

8、損等故障診斷。 4.對埋地舊管道的修復。 5.管道內(nèi)外器材運送、搶救等其它用用途。 1.3 國內(nèi)外管道機器人的發(fā)展 1.3.1 國內(nèi)管道機器人的發(fā)展 國內(nèi)在管道機器人方面的研究起步較晚, 而且多數(shù)停留在實驗室階段。哈爾濱工業(yè)大學鄧宗全教授在國家“863”計劃課題“X射線檢測實時成像管道機器人的研制”的支持下, 開展了輪式行走方式的管道機器人研制, 實現(xiàn)了管內(nèi)外機構同步運動作業(yè)無纜操作技術, 并研制了鏈式和鋼帶式兩種新型管外旋轉機構。該系統(tǒng)由六大部分組成 (1)移動載體 (2)視覺定位 (3)收放線裝置 (4

9、)X射線機 (5)檢測控制,系統(tǒng)控制 (6)防護系統(tǒng) 1----能源 2----控制系統(tǒng) 3----收放線裝置 4----X射線控制 5----驅動裝置 6----X射線機 7----視覺定位裝置 8----防護罩 9----管道壁 上海交通大學研發(fā)了小口徑管道內(nèi)蠕動式移動機構。它是模仿昆蟲在地面上爬行時蠕動前進與后退的動作設計的。其主要機構由撐腳機構、三個氣缸（前氣缸、中氣缸、后氣缸）、軟軸、彈簧片、法蘭盤組成

10、。針對微小空間、微小管道實時探測的要求，研制成電磁驅動微小型管道機器人樣機。微小管道機器人由四個電磁驅動單元組成。其驅動機理模擬生物體的蠕動爬行。它是通過給線圈加一系列的時序脈沖進行控制，依次使各單元動作，達到蠕動爬行的運動。 西安交通大學設計制作了蠕動式微動直線自行走機構。這種行走機構以電致伸縮微位移器做驅動器，以電磁鐵機構作為可吸附于行走表面的保持器。 廣州工業(yè)大學借用仿生學原理，研制成結構獨特的，像蠕蟲一樣的微管道機器人的運動由電磁力驅動。機器人由前后兩個電磁線圈和前后兩個驅動器組 成。當分別

11、通電時，機器人的兩個驅動器相互吸合收縮。當后電磁線圈斷電時，后部突然放松，由此產(chǎn)生的推力將機器人前部(前驅動器)向前推進一段距離；反向運動依次類推。 1.3.2 國外管道機器人的發(fā)展 國外關于燃氣管道機器人的研究始于20世紀40年代, 由于70年代的微電子技術、計算機技術、自動化技術的發(fā)展, 管道檢測機器人技術于90 年代初，得到了迅猛發(fā)展并接近于應用水平。 日本機器人的發(fā)展經(jīng)過了60年代的搖籃期, 70年代的實用期, 到80年代進入普及提高期, 開始在各個領域內(nèi)廣泛推廣使用機器人。日本管道機器人眾多, 東京工業(yè)大學于1993年開始研究管道機器人, 并且成功研制出Thes系列的機器人，以

12、下介紹Thes2Ⅲ型管道機器人：如圖（1）所示, 其采用“電機- 蝸輪蝸桿- 驅動輪”的驅動方案, 同時每個驅動輪都有一個傾斜角度測量輪, 通過測量輪探測機器人的傾斜角度, 并反饋給電機從而保證管道機器人的驅動輪以垂直的姿態(tài)運動。該管道機器人系統(tǒng)通過CCD攝像頭實現(xiàn)信息的采集, 整個系統(tǒng)采用拖纜控制方式, 檢測距離超過100m。 美國是機器人的誕生地, 早在1962 年就研制出世界上第一臺工業(yè)機器人, 是世界上的機器人強國之一, 其基礎雄厚, 技術先進, 并有很多管道機器人產(chǎn) 品。美國Inuktun公司系列

13、管道檢測機器人Versatrax是國外現(xiàn)有的已成型管道機器人。美國紐約煤氣集團公司(NYGAS) 的DaphneDpZurko 和卡內(nèi)基梅隆大學機器人技術學院的HagenSchempf博士在美國國家航空和宇宙航行局(NASA)的資助下于2001年開發(fā)了長距離、無纜方式的管道機器人系統(tǒng)———EXLORER, 專門用于檢測地下煤氣管道的情況, 如圖2 所示。 該管道機器人系列 EXLORER就有如下特征: ( 1) 一次作業(yè)檢測距離長,采用無纜方式, 自帶電池并且電池可以多次反復充電, 使管道機器人具有良好的自推進能力。( 2) 可以在鑄鐵和鋼質(zhì)煤氣管道中, 低壓和高壓條件下工作。(3) 管道機

14、器人的彩色攝像頭采用嵌入式“魚眼”鏡頭, 結構非常緊湊。(4) 可以順利通過90的彎管接頭和垂直管道。( 5) 與外部操作人員采用無線通訊方式。( 6)該管道機器人可以探測煤氣管道內(nèi)部是否水滲透、碎片堆積; 可以確定管道內(nèi)部缺陷的確切位置并且定位相應的作業(yè)裝置; 采用視頻圖像的形式準確地反映管道內(nèi)部的狀況條件。 德國工業(yè)機器人的總數(shù)占世界第三位, 僅次于日本和美國。德國學者 Bernhard Klaassen、Hermann St2reich和Frank Kirchner等人在德國教育部的資助下于2000年

15、研制成功了多關節(jié)蠕蟲式管道機器人系統(tǒng)———MAKRO。該機器人由六節(jié)單元組成, 其頭部和尾部兩個單元體完全相同, 每個單元之間的節(jié)點 由3個電動機驅動, 使得MAKRO可以抬起或者彎曲機器人個體, 從而可以輕松 越過障礙物或實現(xiàn)拐彎運動,該管道機器人系統(tǒng)MAKRO具有21 個自由度, 長度為2m, 質(zhì)量為50kg, 采用無纜控制方式, MAKRO系統(tǒng)使用于直徑為<300～<600mm的管道。加拿大INUKTUN公司的雙履帶式管內(nèi)機器人行走機構, 履帶采用剛性支承結構, 兩履帶的夾角可以調(diào)節(jié), 以適應不同的作業(yè)管徑。兩履帶調(diào)節(jié)到平行位置時, 可以在平地或矩形管道內(nèi)行走。但這種剛性支承的雙履帶

16、式管內(nèi)機器人行走機構的兩履帶夾角在行走過程中是無法改變的, 因此不適應管徑變化的作業(yè)場合。Kawaguch等研制的管道檢測機器人系統(tǒng)只適用于200mm的管道, 而且一次作業(yè)的檢測距離不大于500m; Kuntze等采用四輪獨立伺服驅動方案研制成管道檢測機器人系統(tǒng)KARO, 該機器人系統(tǒng)只能實現(xiàn)對200mm管徑的地下輸水管道的檢測, 一次檢測距離為400m, 系統(tǒng)采用拖纜控制方式。 1.4 機器人的發(fā)展前景 展望21世紀機器人技術的發(fā)展趨勢，明顯地向著智能化（intellectualization）方向發(fā)展，包括機器人本身向智能機器人進化和實現(xiàn)機器人化（robotization）生產(chǎn)系統(tǒng)。具

17、體地說，傳感型智能機器人發(fā)展較快，新型智能技術（如臨場感、 虛擬現(xiàn)實、記憶材料、多智能體系統(tǒng)以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)等）在機器人上得到開發(fā)與應用，采用模塊化設計技術，進一步推動機器人工程，注意開 發(fā)微型和小新機器人，重視研制行走機器人，研制應用于非結構環(huán)境下工作地非制造業(yè)機器人和服務機器人，開發(fā)敏捷制造系統(tǒng)，軍用機器人將用于裝配部隊等?？偟恼f來，雖然存在不少難關，甚至出現(xiàn)某些陰影，但新世紀機器人學 的發(fā)展前景是十分光明和充滿希望。

18、 第二章 總體方案的制定及比較 2.1 管道機器人設計參數(shù)和技術指標 （1）管道機器人的工作環(huán)境 a．管道為金屬冶煉廠煙氣輸送管道，管道為圓管，管道直徑為φ700mm--φ1000mm，管道底部每周可形成厚約100mm的煙灰堆積層； b．煙灰密度3.5g/cm3 ； c．管道中有水平、小于30。傾斜，3倍管道直徑彎曲三種形式； d．管道底部每隔50m有一可自動打開的清潔，供機器人傾倒垃圾； （2）管道機器人的技術要求 a. 機器人必須小巧、靈

19、活、拆卸方便； b．生產(chǎn)能力高，每小時清潔能力應在40m左右； c．機器人在工作過程中，其結構可適應應不同管徑的變化情況； d．機器人自動化程度高，控制方便靈活； 2.2 總體結構的設計和比較 （1）行走機構的設計 根據(jù)國內(nèi)外的管道機器人的移動方式大致可分為六種： ㈠活塞移動方式 ㈡滾輪移動方式 ㈢履帶移動方式 ㈣足腿移動方式 ㈤蠕動移動方式 ㈥螺旋移動方式 其各有優(yōu)缺點。以下分別介紹。 ㈠活塞移動式依靠其首尾兩端管內(nèi)流體形成的壓差為驅動力，隨著管內(nèi)流 體的

20、流動向前運動，其原理類似于活塞在汽缸內(nèi)的運動，即把管道看作汽缸， 把具有一定彈性和硬度的PIG看作活塞。其缺點是：越障能力和拐彎能力差。 ㈡滾輪移動式優(yōu)點是移動速度快，轉彎容易，結構簡單，易小型化，采用多輪方式時牽引力隨輪數(shù)增加而增加。缺點是著地面積小，維持一定的附著力較困難，這使得結構復雜，越障能力有限。 ㈢履帶移動式的優(yōu)點是著地面積大，易產(chǎn)生較大的附著力，對路面的適應性強，牽引性能好，越障能力強。缺點是體積大不易小型化，拐彎半徑大，結構復雜，還要保持履帶的張緊。 ㈣足腿移動式的優(yōu)點是對粗糙路面適應性能較好，越障能力極強，可適應不同管徑的變化。缺點是結構和控制復雜，行走速度慢。

21、 ㈤蠕動移動式的優(yōu)點是適應微小管徑，越障能力強。缺點是移動速度慢， 控制復雜。 ㈥螺旋移動式的優(yōu)點是有一定的越障能力，可適應不同管徑的變化，可在垂直管道中行進。缺點是結構復雜，移動速度慢，驅動力要求高。 根據(jù)設計參數(shù)和技術要求，所要研制的管道機器人必須要有高可靠性，高效率。所以采用上述行走機構的移動方式的組合來實現(xiàn)行走，這樣可利用其綜合優(yōu)點避免單一移動方式的缺點。由于管道存在不同的彎管，這就要求機器人的行走機構有一定的拐彎能力和越障能力。所以，設計了一種如下頁圖所示的可伸縮的三只履帶腿式（三只腿成120分布）組合行走機構。 其特點是：移動速度快、轉彎比較容易、有較大牽引力、對粗糙路面

22、適應 性好、越障能力強；同時，可伸縮性使得機器人對變徑管道有較好的自適應性。 （2）操作機構的設計 根據(jù)管道機器人的操作對象是一些堆積的灰塵，并且灰塵在管道底部堆積，同時成疏松狀，所以操作機構有以下兩種方案： ① 借鑒挖掘機的工作原理。利用鏟斗鏟起灰塵，然后行走到管道底部的垃圾開口，傾倒灰塵。這種方案簡單，可靠；但是由于管道直徑的限制，其鏟斗的容積比較小，同時垃圾開口每隔50m才有一個開口，其大部分時間都在行走上，所以機器人的工作效率很低。

23、 ② 借鑒吸塵器的工作原理。利用帶有操作臂的吸塵器的吸頭，灰塵通過 吸塵管道到主體內(nèi)部，設計箱體的容積比較大，最后，移動到垃圾開口處傾倒垃圾，從而減少在往返的次數(shù)來提高工作效率。 所以才用具有兩個自由度的機械臂，臂末端附上吸塵器頭，臂上附上塑料軟管，軟管最終以主體的垃圾箱密封連接。 （3）撐開機構的設計 由于管徑的變化，需要撐開機構來適應管徑的變化。在本機器人設計中，采用滾珠絲杠螺母副來和放大桿組來實現(xiàn)。其機構簡圖如下圖所示： 1—基 座 2—放大桿組 3—撐開桿 4—絲 杠 5—絲杠螺

24、母 6—行走機構 1—基座 2—放大桿組 3—撐開桿 4—絲 杠 5—絲杠螺母 6—行走機構 當絲杠4旋轉時，絲杠螺母5在絲杠上左右移動，從而拉動撐開桿3，撐開桿3鉸接在放大桿組2上，從而改變其傾角來適應管徑的變化。 （4）最終方案的確定 根據(jù)以上的分析和比較，最后得出最終方案。 設計的管道清潔機器人包括以下五部分： ㈠行走裝置 （為整個行走提供動力）； ㈡撐開桿組 （適應管徑的變化）； ㈢操作臂裝置（操作臂包括吸塵器的操作部分和傾倒垃圾部

25、分）； ㈣信號采集裝置（為控制提供信號和圖像）； ㈤控制裝置（控制管道清潔機器人行走和動作）。 ㈠行走裝置 ㈡撐開桿組 ㈢操作臂裝置 ㈣信號采集裝置 ㈤控制裝置 第三章 部件的設計和計算 3.1 管道機器人工作量計算 由于管道直徑是變化的，變化范圍為（700mm—1000mm），通過計算當管道直徑為1000mm時，且堆積相對底部為100mm,如圖下圖所示；每50m最大的工作量Gmax： 其中 h=100mm，d=1000mm；

26、R=d/2=1000/2=500mm； a=R-h=500-100=400mm； mm 由于每隔50m才有一開口，所以總的工作量：4.079 又因為煙灰的密度為3.5g/cm3， h=100mm d=1000mm R=500mm 3.2 行走機構的設計和計算 （1）行走機構的驅動電機功率的預算 預取管道清潔機器人的容積為： ; ； 管道機器人在裝滿的情況下，受力圖如左圖所示：其中預?。? =1470.6+400

27、 =1870.6N 由于履帶是三組；成120分布；受到的是摩擦阻力; （其中μ是橡膠與鋼之間的摩擦系數(shù)） =20.81870.6+0.8400 =3312.96N 取管道機器人的工作行程速度V為：V=0.5m/s （是有效功率） 由于是三組履帶，所以每個履帶的驅動電機至少為： W=3＝1656.483=552.16W 所以，選取電機的功率為800W;同時電機要能變速，才能在管道內(nèi)轉彎；所以 選擇伺服電機，最終選擇SGMAH-08A伺服電機（安川公司）。

28、 =1870.6N 3312.96N V=0.5m/s =1656.48W W=552.16W （2）行走機構結構設計 ①確定行走機構----履帶的外形尺寸 由于管道直徑最小時，D=700mm；同時總體方案中已經(jīng)確定采用3組履帶，相對來說比較狹??；所以行走機構尺寸不能太大。 首先，確定履帶的寬度。由于履帶的寬度較小，那么它的工作所提供的驅動力就會減??；而其寬度太大時，所受到的阻力就會很大。通過作圖的方法，取履帶的寬度為：=150mm。 其次，確定履帶的長度。履帶的長度

29、越長其轉彎的靈活性就會受到影響。所以，履帶的長度不能太長。所以其長度L為：L=580mm。 最后，確定履帶的高度。履帶的高度受到管道直徑的限制，同時還受到撐開桿組的影響；由于撐開桿組要能在φ=700mm—1000mm范圍內(nèi)變化，所以桿長要達到給定的范圍。通過對撐開桿組的設計，后最終確定高度H=175mm。 ②確定行走機構的結構 由于外形尺寸的限制，電機內(nèi)置在履帶組中，同時采用錐齒輪來換向，最后驅動履帶輪。其結構圖如下圖所示： =150mm L=580mm H=175mm 結構總圖 1—軸01

30、2—電機 3—小錐齒輪 4—驅動帶輪 5—軸02 6—直齒輪01 7—直齒輪02 8—軸03 9—大錐齒輪 10—從動帶輪 ③確定行走機構中的履帶輪和履帶輪 采用同步帶的結構來設計履帶。以下是同步帶傳動的優(yōu)點： 1. 適用于兩軸中心距較大傳動，承載能力較大。 2. 帶具有良好的彈性，可以緩沖、吸振，傳動平穩(wěn)，噪聲小。 3. 結構簡單，制造和維護較為方便，價格低廉。 首先，確定同步帶的主要參數(shù)：（查機械設計手冊13-42） 齒 形：梯 形 齒距制式：模數(shù)制 型 號：m7 節(jié) 距：=21.9

31、91mm 其次，設計帶輪：（查機械設計手冊13-50） (1)初選帶輪的次數(shù)：； ⑵選擇切削帶輪齒形的刀具類型—切出直線齒廓的特別刀具； ⑶齒槽角：2φ=2β=40； ⑷節(jié) 距: =πm=mm； ⑸節(jié)圓直徑:； ⑹模 數(shù)：； ⑺齒側間隙：； =21.991mm 2φ=40 ⑻名義徑向間隙：； ⑼徑向間隙：； ⑽外圓直徑：mm（其中δ=1.750）； ⑾外圓齒距：； ⑿外圓齒槽寬：； ⒀齒槽深：； ⒁

32、齒槽底寬：； ⒂齒根圓角半徑： ； ⒃ ； 最后，設計履帶：（查機械設計手冊13-43） 由于采用同步帶的結構來設計履帶，同時履帶用于特殊的工作環(huán)境，所以不能完全采用同步帶的參數(shù)，根據(jù)具體的結構尺寸設計履帶。 ⑴節(jié) 距：=21.991； ⑵齒形角：2β=40； ⑶齒根厚：σ=10.06 ； ⑷齒 高：=4.2 ； ⑸帶 高： ； ⑹齒頂厚： ； ⑺節(jié)頂距：δ=1.750 ； ⑻帶 寬： ； =116.5mm =21.529mm =11.06mm =8.036 =21.991 2β=40 σ=10.06

33、 =4.2 δ=1.750 ④確定大小錐齒輪參數(shù)（詳細的設計過程見第五章） 整個行走裝置里，錐齒輪的主要作用----換向，傳遞動力。同時考慮到其完全在行走裝置內(nèi)部，尺寸受到限制。根據(jù)以上的因素，設計大小錐齒輪的具體參數(shù)。 根據(jù)總體結構設計圖，采用軸交角。齒輪類型為：直齒錐齒輪、齒形制為GB/T 12369—1990,齒形角為20、齒頂高系數(shù)=1、頂隙系數(shù)。（查機械設計手冊14-200） 大錐齒輪的次數(shù);小錐齒輪的次數(shù)。大小錐齒輪的具體參數(shù)分別如下：（查機械設計手冊14-201） 大錐齒輪： ⑴法向模數(shù)： ； ⑵齒 數(shù)： ； ⑶法向齒形角： ⑷分度

34、圓直徑： ⑸分度圓錐角： ⑹齒頂圓直徑： =75+212.5 =78.044mm ⑺齒根圓直徑： 大錐齒輪： 78.044mm 71.347mm =75-2（1+0.2）2.5 =71.347mm ⑻錐

35、 距： = =47.253mm ⑼齒頂角： = =31′43″ ⑽齒根角： = =347′1″ ⑾頂圓錐角： =+31′43″ =5533′9″ ⑿根圓錐角： =-347′1″ =4844′25″ ⒀齒 寬 ： b=25mm 47.253mm b=25mm 小錐齒輪： ⑴法向模數(shù)：； ⑵齒 數(shù)：； ⑶法向齒形角

36、： ⑷分度圓直徑： ⑸分度圓錐角： ⑹齒頂圓直徑： =57.5+212.5 =61.467mm ⑺齒根圓直徑： =57.5-2（1+0.2）2.5 =52.54mm ⑻錐 距： = =47.253mm

37、⑼齒頂角： = =31′43″ 小錐齒輪： 57.5mm =61.467mm =52.54mm 47.253mm ⑽齒根角： = =347′1″ ⑾頂圓錐角： =+31′43″ = ⑿根圓錐角： =-347′1″ = ⒀齒 寬 ： b=25mm ⑤確定直齒輪的參數(shù)（詳細的設計過程見第五章） 在整個行走裝置中，直齒輪的作用，主要是傳遞動力。根據(jù)行走機構的結構和尺寸限制，同時為了減少零件的個數(shù)和降低成本，才用兩個完全相同的直齒輪，齒

38、頂高系數(shù)=1、頂隙系數(shù)。齒數(shù)z=40，模數(shù)。其具體參數(shù)如下： ⑴分度圓直徑： ⑵齒 頂 高： ⑶齒 根 高： =3.125 b=25mm =100mm =2.5 =3.125 ⑷全 齒 高：=2.5+3.125=5.625 ⑸齒頂圓直徑： =100+22.5 =105mm ⑹齒根圓直徑： =100-23.125 =93.75mm ⑺齒 厚： ⑻齒 根 寬： ⑼中 心 距： ⑽頂 隙： 3.3 撐開機構和放大桿組的設計

39、 撐開機構采用絲杠螺母和放大桿組的結合，來適應管徑的變化。通過作圖法來模擬最?。▓Da）、最大管徑（圖b）時的情況（在CAD中，按比例1：1）如下圖所示： （圖a） 5.625 105mm 圖（b） 最后量出各桿件的長度： 撐開桿桿長：。 放大桿桿長：（由于在其之上安裝了壓力彈簧，其實際桿長為330—380mm）。 鉸接處的位置：在放大桿

40、組90mm處。 3.4 操作臂的設計 操作臂包括吸塵器的操作臂和拉開卸料門的桿件機構。 ⑴吸塵器操作臂的設計 由于管道的管徑是變化的，同時灰塵主要分布在管道底部，所以要求操作臂要能夠適應管徑的變化，不僅要在最小管徑是能工作，也要在管徑最大是也能正常的工作。根據(jù)這些要求，設計了具有兩個平面自由度的桿件機構來實現(xiàn)。其結構如下頁圖（c）所示： 圖（c） 其各個桿件的參數(shù)見零件圖。其驅動電機采用Maxon的直流伺服電機。功 率為120W。

41、 ⑵卸料門的拉開桿件的設計 當垃圾箱裝滿時，重量能達到1470.6N，同時電機的驅動功率120W，驅動力較小；所以，在設計時采用“死點”的結構來實現(xiàn)卸料門的開合。 工作原理：當卸料門閉合式，連桿處于死點位置即位置1，這是無論在卸料門上施加多大的力，卸料門也不會打開；當灰塵裝滿時，驅動電機通電，讓連桿轉動，從而破壞死點的狀態(tài)，在灰塵的重力和連桿的拉力下，卸料門打開即位置2。當灰塵傾倒完后，連桿逆向轉動，推動連桿向上移動從而使卸料門閉合，從而回到位置1。 其結構簡圖見圖（d）所示：

42、 圖（d） 各個桿件的長度，根據(jù)具體的結構尺寸，采用作圖法計算出桿件的長度。其尺寸參數(shù)如下： 連桿：=70mm 連桿：=150mm 連桿：=120mm =70mm =150mm =120mm 第四章 控制原理的設計 4.1 控制原理的分析和設計 我們擬將兩對光電傳感器（記為Ga組和Gb組）分別置于本管道清潔機器人前后兩側從而在前進或后退時都可以檢測行進前方有無障礙物從而實現(xiàn)轉彎。見下面示意圖： 將

43、一對超聲波測距傳感器(記為Ca和Cb)分別置于本管道清潔機器人車體前后適當位置，用來檢測其前進或后退時管徑的變化情況，以使CPU驅動相關電機做出相應的動作。 另外，將一個光電傳感器(記為Gc)置于吸塵裝置下方適當位置，用來檢測下方管壁上的灰塵是否已清潔干凈；又將一個壓力傳感器（記為YL）置于垃圾箱底板適當位置，用來檢測垃圾箱是否已經(jīng)裝滿，從而使本管道情節(jié)機器人停止繼續(xù)清灰塵轉而倒垃圾。另外一個超聲波傳感器(記為Cc)置于裝灰塵的垃圾箱下方適當位置，在垃圾箱裝滿后通過檢測前方一定距離范圍內(nèi)有沒有障礙物來判斷清潔口是否已經(jīng)打開，從而使CPU驅動相關電動機作出傾倒灰塵的

44、 動作；再將一個霍爾轉數(shù)檢測傳感器（記為HE）置于履帶輪軸附近適當位置， 用來檢測置于率帶輪軸上的磁極的旋轉信號，從而測出率帶輪轉動圈數(shù)，進而通過CPU計算出本管道清潔機器人前進的距離。 于是，控制過程實現(xiàn)過程如下： ① 吸塵器工作開始清潔灰塵，光電傳感器Ga組、Gc、超聲波傳感器Ca以及壓力傳感器YL和霍爾轉數(shù)檢測傳感器HE工作實時檢測收集各信息； ② 一旦光電傳感器Gc檢測到吸塵裝置下方的灰塵清理干凈，則CPU發(fā)送指令驅動主運動電機組（記為ZDJ）工作，即機器人前進。又當Gc檢測到吸塵裝置下方又有灰塵則CPU再次發(fā)送指令使主

45、電機組停止工作重新開始過程①； ③ ①、②步驟重復運行一段時間后，機器人的垃圾箱裝滿了灰塵，這時候置于垃圾箱底部的壓力傳感器就把檢測到的信號傳遞給CPU，則CPU發(fā)送指令令吸塵器和運動電機停止前進，同時停止接收霍爾轉數(shù)檢測傳感器HE的數(shù)據(jù)，并開始判斷本管道清潔機器人所走過的路程是否小于25米，若是則運行步驟④，若否則運行步驟⑤； ④ CPU發(fā)送指令使主運動電機反轉即令機器人后退，并且開始接收超聲波傳感器Cc的信號，以判斷是否已到請接口上方（超聲波傳感器Cc位置一定要放恰當，以使垃圾能完全從請接口倒出），若否則繼續(xù)本步驟，若是則運行步驟⑥； ⑤ CPU發(fā)送指令使主運動電機正傳即令機器人前進

46、，并且開始接收超聲波傳感器Cc的信號，以判斷是否已到請接口上方，若否則繼續(xù)運行奔步驟， 若是則運行步驟⑥； ⑥ CPU再發(fā)送指令停止主運動電機，即使機器人停下，然后驅動垃圾箱開關電動機打開垃圾箱來傾倒灰塵。期間，一旦壓力傳感器檢測到灰塵已經(jīng)倒完，則再驅動垃圾箱開關電動機關閉垃圾箱。然后CPU發(fā)送指令使機器人反向運動并且停止接收超聲波傳感器Cc的信號而開始接收光電傳感器Gc的信號以判斷是否已回到上次清潔干凈的位置。若是，則重新開始運行步驟①，若否則繼續(xù)移動、檢測。 ⑦ 當本管道清潔機器人前進過程中CPU要

47、接收光電傳感器組Ga的實時信號，一旦檢測倒前方有彎道則命令兩主運動電動機產(chǎn)生速度差從而轉過彎道；而當后退過程中則要接收光電傳感器組Gb的實時信號，以使本管道清潔機器人能在后退時也順利轉過彎道。同樣的，在前進過程中還要檢測管徑的變化，通過超聲波傳感器Ca收集的距離信息來使本管道清潔機器人自動適應管徑的變化；后退時則是通過超聲波傳感器Cb來檢測信號從而使本管道清潔機器人在后退時也能自動適應管徑的變化。從而使其順利地完成工作。 4.2 主要控制流程圖 主要的控制流程圖，見下頁圖（一）：

48、 主程序流程圖 第五章 其它 5.1 大小錐齒輪的設計和校核 ⑴選擇齒輪的類型,精度等級,材料和齒數(shù) ① 選擇直齒圓錐齒輪 ② 8級精度齒輪,軟齒面 ③ 小齒輪的材料為40Cr，調(diào)制處理，硬度為280HBS；大齒輪的材料為45鋼，調(diào)制處理HBS。 ④ 初選小齒輪的齒數(shù)；大齒輪的齒數(shù)為。 ⑵按齒面接觸疲勞強度設計計算 ① 根據(jù)軸承布置方式和載荷的沖擊情況，取K=1.8。 ② 查附錄2（機械設計、機械設計基礎課程設計）得小齒輪的接觸疲勞極限為： 大齒輪的接觸

49、疲勞極限為： 計算接觸疲勞許用應力： ③計算小齒輪的分度圓直徑 =195.153.856mm 其中 =36.1 N.m ⑶按齒根彎曲疲勞強度設計計算 ① 計算當量齒數(shù)并查取齒形系數(shù)，兩齒輪的分度圓錐角分別為： 當量齒數(shù)為：

50、 查附錄2得： ② 由附錄2得，小齒輪的彎曲疲勞極限為： 大齒輪的彎曲疲勞極限為： 53.856mm =36.1 N.m = ③ 計算彎曲疲勞許用應力： 大齒輪數(shù)值大，代入計算 ④ 計算： = =2.1635 取m=2.5則： 取 ，??； ⑤ 錐距為：

51、 =47.253mm ⑥ 分度圓直徑為： ⑦ 分度圓錐角為： ， 2.1635 ⑧ 齒 寬 ： b=25mm 5.2 軸Ⅰ的設計和校核 1. 按扭轉強度條件，初步估計軸徑： 其中=110，查機械設計（P362）表15-3可得。 代入上面得值，計算可得： 由于軸上有一鍵槽，所以：，取軸的最小直徑為：d=20mm。 2. 軸的結構簡圖如下： 3. 按彎扭合成強度進行強度校核 ①

52、做出軸的計算簡圖 軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。根據(jù)結構尺寸，做出其受力簡圖如下圖所示： b=25mm d=20mm。 ② 校核所需要的基本參數(shù) ③ 計算齒輪的嚙合力： A: 直齒輪的齒輪嚙合力 1. 齒輪圓周力： =685.9 N 直齒輪： 685.9 N 2.齒輪徑向力： B: 錐齒輪的齒

53、輪嚙合力 1. 齒輪圓周力： =914.533 N 2. 齒輪徑向力： =202.634 N 3. 齒輪軸向力： = =264.078 N ④ 求水平面的支反力和做出彎矩圖: 1. 其受力分析圖如下圖所示: 錐齒輪： =914.533N =202.634 N =264.078 N

54、 2. 對A點求矩： 則有： =372.848 N 3. 對B點求矩： 則有： = = -144.216 N 4. 根據(jù)上面的計算結果，畫出彎矩圖。 =372.848 N

55、 ⑤ 求垂直面內(nèi)的支反力，并作出彎矩圖 1. 受力分析如圖所示： 2. 對A點求矩： 則有：（其中） = -8.590 N 2. 對D點求矩： 則有： = -8.590 N

56、 = -38.423 N 3. 做出對應彎矩圖 ⑥ 求支反力 =149.246 N =312.965 N ⑦ 合成彎矩圖 =2889.432 N

57、 =25774.198 N =23238.956 N ⑧ 根據(jù)已知條件，做出扭矩 ⑨ 校核危險截面 綜上所知，C面為危險截面： (其中，由于扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，所以取，T=36100) =31767.982 (其中

58、 =1251.74) C截面圖 = ，軸滿足要求。 (其中=55查機械設計基礎教程P261-表11-13得) 下頁附：彎矩圖 1251.74 5.3 鍵的校核 在整個設計過程中，由于平鍵的制作方便，同時經(jīng)濟性比較好，所以能采用平鍵的情況下，都采用平鍵。平鍵的主要失效形式為工作面被壓潰；嚴重過載時，可能出現(xiàn)鍵被剪斷。所以，

59、通常情況下只按工作面上的擠壓應力進行強度校核計算。 由于在軸01上的鍵 825 其結構尺寸最小，受力較大。在這里就只校核該鍵，其余可以不予與校核。 普通平鍵的強度條件： 其中 T ---傳遞扭矩： ； ---鍵與輪轂鍵槽的接觸高度： ---鍵的工作長度，圓頭平鍵為： ---軸的直徑 =42.47 由于鍵的材料為45，同時其載荷性質(zhì)為輕微沖擊，查機械設計（P-106）表6-2可得： 所以 ，鍵滿足要求。 =42.47 滿足要求 51