管道清潔機(jī)器人畢業(yè)論文.docx

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. 目錄 1 緒 論 1 1.1本課題研究背景和研究意義 1 1.2國(guó)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 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(guò)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(guò)彎道能力的設(shè)計(jì) 34 5.2.1工作原理 34 5.2.2過(guò)彎道能力的幾何量設(shè)計(jì) 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(guò)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(guò)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(guó)的管道清洗行業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)80%采用的是化學(xué)方法以及手工清洗和機(jī)械清洗方法，成本高、效率低、污染環(huán)境等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)日益增長(zhǎng)的要求。探索和開(kāi)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(wú)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(lái)越高，環(huán)保意識(shí)越來(lái)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(wèn)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?，F(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(guò)不斷調(diào)整機(jī)器人的位姿來(lái)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)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(guò)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(cè)、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(wú)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(cè)、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)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(cè)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(cè)和維修、清掃等作業(yè)。檢測(cè)作業(yè)項(xiàng)目包括防腐狀況檢測(cè)、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(cè);維修項(xiàng)目包括清掃、補(bǔ)口、焊接等。 1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 目前在管道清洗過(guò)程中，清洗設(shè)備絕大部分是采用無(wú)動(dòng)力纜繩拖拉行走方式來(lái)進(jìn)行清洗，無(wú)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。為了解決這個(gè)問(wèn)題，著眼于管道行走清洗機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)，而在國(guó)內(nèi)這方面研究尚少。為了較好地解決管道的清洗難題，開(kāi)發(fā)和研制管道清洗機(jī)器人勢(shì)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(lái)，進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)開(kāi)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(lái)越廣泛。目前，日、美、英、德、法等發(fā)達(dá)國(guó)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(kāi)發(fā)中取得了領(lǐng)先的地位。法國(guó)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(guó)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(guó)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(wèn)題。例如，能源供給、可靠性等問(wèn)題。2002年由美國(guó)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 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(cè)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(lái)調(diào)節(jié)輪的角度，通過(guò)螺旋運(yùn)動(dòng)來(lái)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(xiàn)中心線(xiàn)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(zhǎng)支架組成。 圖1-3美國(guó)RIGID(里奇)管道疏通機(jī) 圖1-4 EverstVit公司管道檢測(cè)機(jī)器人 美國(guó)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(zhǎng)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(guò)180°彎道或連續(xù)180°返水彎管。圖1-4所示EverstVit公司的管道檢測(cè)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(chē)”，如圖1-5所示，即機(jī)器人維修車(chē)。該車(chē)的9個(gè)電驅(qū)動(dòng)裝置能把整個(gè)機(jī)器聯(lián)接起來(lái)，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(guò)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(lái)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(guò)向不同的方向旋轉(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(guó)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(guó)。2000年德國(guó)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(chóng)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(cè)。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(guò)分潮濕的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作。 圖1-5 月球車(chē)（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(guó)外相繼開(kāi)發(fā)、研制了多種類(lèi)型的管內(nèi)檢測(cè)移動(dòng)機(jī)器人。日木吸取法、美等國(guó)的研究成果和應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)，開(kāi)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(kāi)發(fā)出了適用于?288mm～388mm管徑、管長(zhǎng)1000m的海水管道檢查用履帶式機(jī)器人，該機(jī)器人通過(guò)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)置磁鐵輪式煤氣管道檢測(cè)機(jī)器人可沿直管和彎管行走，適于管徑?150mm～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(cè)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(guó)、日本、歐洲多國(guó)專(zhuān)利)，其特長(zhǎng)為: 1、使用新開(kāi)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(guò)濾器也無(wú)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(wú)電源場(chǎng)所也能自由行走的機(jī)能。 圖1-7中央空調(diào)風(fēng)管清掃機(jī)器人 目前，日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)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(kāi)發(fā)領(lǐng)域中取得了領(lǐng)先的地位。 日本和美國(guó)都是機(jī)器人發(fā)展較成熟的國(guó)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(cè)任務(wù)。美國(guó)的管道機(jī)器人也已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一系列的管道機(jī)器人。其他國(guó)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(guó)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(lái)，用于空調(diào)管道清洗和檢測(cè)的管道機(jī)器人如雨后春筍般的出現(xiàn)的市場(chǎng)在上，己初見(jiàn)規(guī)模。目前國(guó)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(guó)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(zhǎng)度超過(guò)30m，不易損壞，能夠滿(mǎn)足基本需要。但該機(jī)器人體積較大，對(duì)于常見(jiàn)的?250mm風(fēng)管，機(jī)器人尺寸限制了其應(yīng)用，而且行走速度過(guò)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(cè)、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?yōu)榭蓹M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(guò)程中無(wú)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(jiǎn)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 清華大學(xué)研制的下水自動(dòng)清淤機(jī)器人適合?400mm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(cè)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(cè)，可檢測(cè)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(cè)機(jī)器人 圖1-11 PV-2300自走式管道檢測(cè)機(jī)器人 3、管道檢測(cè)機(jī)器人 用于管道檢測(cè)的機(jī)器人的產(chǎn)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(cè)機(jī)器人，其中一款PV-2300彩色TV自走式管道檢測(cè)機(jī)器人，如圖1-11所示。其主要技術(shù)指標(biāo)如下:采用長(zhǎng)距離行走的自走車(chē)，一般能行走500m；采用小口徑用自走車(chē)，能應(yīng)用于管徑為?200mm管道：自走車(chē)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°，采用高壓射流清洗，電源220v，功率60w。該機(jī)器人無(wú)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(guò)程中，機(jī)器人要頻繁的調(diào)整其與管壁的位姿來(lái)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(guò)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(guò)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。 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(cè)任務(wù)。本文的主要研究?jī)?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(guò)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(xiàn)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，通過(guò)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(jiǎn)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)受力和驅(qū)動(dòng)平衡進(jìn)行分析，得出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需滿(mǎn)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?90mm～?125mm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(lái)設(shè)計(jì)出穩(wěn)定運(yùn)行，滿(mǎn)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(guò)程中，管內(nèi)可能出現(xiàn)凸凹不平情況，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(guò)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(xiàn)與管道的中心線(xiàn)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，載體可能卡在管道內(nèi)而無(wú)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(guò)程中，其中心軸線(xiàn)與管道軸線(xiàn)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(jiàn)，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(mǎn)足工作機(jī)的性能要求，其次是滿(mǎn)足工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(mǎn)足這些要求肯定比較困難的，因此，要通過(guò)分析和比較多種傳動(dòng)方案，選擇其中最能滿(mǎn)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(lái)較復(fù)雜，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(mǎn)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(guò)程中重點(diǎn)考慮的問(wèn)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(guò)一套動(dòng)力變換裝置和同步鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 1、動(dòng)力變換裝置的設(shè)計(jì) 圖2-1車(chē)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(shuō)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(lái)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(xiàn)下方40mm左右（如圖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(xiàn)與減速器輸出軸線(xiàn)垂直，且兩支腿中心線(xiàn)的夾角為120°，故需要?jiǎng)恿ψ儞Q裝置來(lái)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(xiàn)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(xiàn)夾角為90°，兩蝸輪軸線(xiàn)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(guò)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(guò)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(wú)論管徑如何變化，兩個(gè)同步鏈輪間的軸線(xiàn)距離保持不變，只要支腿的長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，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、使用過(guò)程中局部結(jié)垢、局部壓力過(guò)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(guò)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(kāi)，使機(jī)器人重新恢復(fù)原來(lái)的平穩(wěn)狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程就是機(jī)器人的自適應(yīng)過(guò)程。有了自適應(yīng)性，機(jī)器人就能穿過(guò)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(guò)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(lái)改變支腿的長(zhǎng)度使得支腿與管壁處于理想的接觸狀態(tài)，以滿(mǎn)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(cè)驅(qū)動(dòng)車(chē)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(chē)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(xiàn)方向在滾珠絲杠上來(lái)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(chē)輪撐開(kāi)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(zhǎng)度，是推桿CD的長(zhǎng)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(chē)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)上式兩邊分別取微分可得： （2-2） 化簡(jiǎn)上式得： （2-3） 由虛功原理得： （2-4） 將式代入上式并化簡(jiǎn)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母副調(diào)節(jié)方式原理類(lèi)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(chē)輪撐開(kāi)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： （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(zhǎng)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?，在一定的管徑變化范圍?nèi)，封閉力之和N變化不大。由此可見(jiàn)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(lái)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)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(chē)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(guò)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(lèi)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(mǎn)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(mǎn)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)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(mǎn)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(mǎn)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(shū)上說(shuō)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 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)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(mǎn)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(chē)速 。 雖然 大于預(yù)期設(shè)定速度，但是我們可以通過(guò)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)器人能夠有足夠的動(dòng)力起車(chē)，并有一定的動(dòng)力儲(chǔ)備。 經(jīng)過(guò)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(mǎn)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(guò)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 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(lèi)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．蝸輪轉(zhuǎn)速n2 6.25 ( ) 12.潤(rùn)滑方式 噴油 6．理論傳動(dòng)比 20.00 13.蝸桿類(lèi)型 漸開(kāi)線(xiàn)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)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.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(kāi)線(xiàn)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(kāi)線(xiàn)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° 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 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(cè)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(chēng) 蝸輪 蝸桿 第一組精度 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(mǎn)足) 3．許用彎曲應(yīng)力 30.40 4．計(jì)算彎曲應(yīng)力 15.71(滿(mǎn)足) 5．許用撓度值 0.0710 6．計(jì)算撓度值 0.0225(滿(mǎn)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 -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 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(rùn)滑油溫度t1 45 2．散熱的計(jì)算面積A 0.57 6．周?chē)諝鉁囟萾2 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 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(lèi)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(méi)有標(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(mǎn)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(chē)床主軸）和受力大的細(xì)長(zhǎng)軸，還應(yīng)進(jìn)行剛度計(jì)算，以防止工作時(shí)產(chǎn)生過(guò)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(guò)載很大或應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱(chēng)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(guò)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(lái)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(jiàn)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 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(kāi)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(guò)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)算簡(jiǎn)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(lái)的，計(jì)算時(shí)，常將軸上的分布載荷簡(jiǎn)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(lèi)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)，取；當(dāng)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(jiǎn)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(jiǎn)圖，分別按水平面和垂直面計(jì)算各力產(chǎn)生的彎矩，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.