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I 履帶式管道除塵機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 摘 要 基于利用行星磨頭清洗技術(shù)對管道進(jìn)行清洗的目的，在總結(jié)現(xiàn)有的管道機器人設(shè)計 方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，論文首先對管道清洗機器人行走部分進(jìn)行方案設(shè) 計，經(jīng)分析比較后確定了新型管道清洗機器人行走的較佳設(shè)計方案，并據(jù)此方案對機器 人作了行走部分結(jié)構(gòu)設(shè)計;對機器人的行走特性進(jìn)行了研究，提出了使機器人在管道內(nèi)能 夠保持穩(wěn)定運行的方法.通過對機器人機構(gòu)的設(shè)計和機器人在直管道內(nèi)運動情況的思考研 究，進(jìn)一步驗證了設(shè)計思想的可行性。 最后，研究了管道清洗機器人行走系統(tǒng)的安全性能，給出了在高壓情況下保證行走 系統(tǒng)安全的基本方案，為管道清洗機器人系統(tǒng)的實用化提供可靠的依據(jù)。 關(guān)鍵詞: 管道機器人；安全防護(hù) ；行走 II Abstract Based on the use of planetary grinding head cleaning technology for the purpose of cleaning pipes, at the conclusion of the existing pipeline robot design based on the actual situation at the scene, the first paper on the pipe cleaning robot to walk part of program design, by analysis and comparison a new pipeline after cleaning robot designed to walk a better program, and accordingly the program made a walk on part of the structure of robot design; characteristics of walking robots have been studied and put forward in the pipeline so that the robot was able to remain stable The method of operation. By the design of the robot body and the robot movement in the straight tube case study of thinking, and further verify the feasibility of the design idea. Finally, the research pipeline cleaning robot running the safety of the system performance, given the high-pressure circumstances to ensure that the basic operating system security program, for pipe cleaning robot system of the utility to provide a reliable basis. Key words: pipe robot; security; walk III 目錄 摘 要 ...........................................................................................................................................III ABSTRACT ..................................................................................................................................IV 緒論 .................................................................................................................................................1 1 概述 .............................................................................................................................................2 1.1 管道清洗機器人常見問題分析 ...........................................................................................2 1.2 除垢機器人理念 ...................................................................................................................2 1.3 基本設(shè)計任務(wù) .......................................................................................................................3 1.4 畢業(yè)設(shè)計的目的 ....................................................................................................................3 2.1 管道射流清洗機器人的本體設(shè)計 .......................................................................................4 2.1.1 移動方式選擇 ................................................................................................................4 2.1.2 傳動方案的選擇 ............................................................................................................4 2.2 管道清洗機器人變管徑自適應(yīng)性方案設(shè)計 .......................................................................6 2.3 動力系統(tǒng)的設(shè)計計算 ...........................................................................................................9 2.3.1 管道機器人行駛 阻力分析 ............................................................................................9 2.3.2 減速器的選擇 ..............................................................................................................12 2.4 機器人的速度和驅(qū)動能力校核 .........................................................................................13 2.4.1 運動速度校核 ..............................................................................................................13 2.4.2 驅(qū)動能力校核 ..............................................................................................................13 3 鏈輪傳動的設(shè)計計算 ...............................................................................................................14 3.1 鏈輪設(shè)計的初始條件 .........................................................................................................15 3.2 鏈輪計算結(jié)果 ....................................................................................................................15 3.3 歷史結(jié)果 ..............................................................................................................................16 4 蝸輪蝸桿的設(shè)計計算 ...............................................................................................................18 4.1 蝸輪蝸桿基本參數(shù)設(shè)計 ....................................................................................................18 4.1.1 普通蝸桿設(shè)計輸入?yún)?shù) ..............................................................................................18 4.1.2 材料及熱處理 ..............................................................................................................19 4.1.3 蝸桿蝸輪基本參數(shù) ......................................................................................................20 4.1.4 蝸蝸輪精度 ..................................................................................................................21 4.1.5 強度剛度校核結(jié)果和參數(shù) ..........................................................................................22 4.1.6 自然通風(fēng)散熱計算 ......................................................................................................22 4.2 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .................................................................................................................23 4.2.1 軸的強度較核計算 ......................................................................................................23 4.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ..............................................................................................................24 4.2.3 鍵的校核 ......................................................................................................................25 5 彈簧的設(shè)計計算 .......................................................................................................................25 IV 6 安全性能 ...................................................................................................................................26 結(jié)論 ...............................................................................................................................................27 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................................28 致謝 ...............................................................................................................................................30 管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 緒論 1.1 本課題研究的內(nèi)容和意義 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，采用合理的工藝參數(shù)，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械清洗方法，成本高、效率低、 污染環(huán)境等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代社會日益增長的要求。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、機械清洗相比，具有 清洗質(zhì)量好、效率高、適應(yīng)性強、成本低等一系列優(yōu)點，可達(dá)到返舊還新的效果。作為 一種清潔、高效、對環(huán)境無污染的清洗技術(shù)，具有可觀的經(jīng)濟(jì)和社會效益。 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)的動態(tài)調(diào)整，管徑的適應(yīng)能力較差。為了 解決這個問題，著眼于管道行走清洗機器人的研究開發(fā)，而在國內(nèi)這方面研究尚少。為 了較好地解決管道(束) 的清洗難題，開發(fā)和研制管道清洗機器人勢在必行。我們設(shè)計管道 清洗機器人是把行星磨頭清洗技術(shù)與機器人技術(shù)結(jié)合起來，進(jìn)行綜合設(shè)計開發(fā)，因此它 的深入研究也將推動管道清洗技術(shù)的發(fā)展。 1.3 本課題應(yīng)達(dá)到的要求 作為高壓水和化學(xué)清洗的有效補充手段，行走式管路清洗方法具有一定的獨特性： 如成本低廉、安全性好、無任何環(huán)境污染、水電消耗非常小。尤其是在化學(xué)清洗和高壓 水清洗方法無法應(yīng)用或成本不允許的情況下,利用除垢機器人清洗能夠發(fā)揮獨特的作用,并 取得良好的效果。 我們采用的是壓縮空氣噴洗機器人。除垢機器人的首要要解決的問題就是行走問題， 怎樣使機器人在管道中行走是除垢機器人能否成功完成的重要環(huán)節(jié)之一。目前管內(nèi)機器 人的驅(qū)動方式有自驅(qū)動 (自帶動力源)、利用流體推力、通過彈性桿外加推力三種方式。 根據(jù)輸灰管道和回水管道內(nèi)的實際情況，管道除垢機器人宜采用 自驅(qū)動方式。采用雙步 進(jìn)電機驅(qū)動，通過諧波減速器將動力傳遞給行走裝置。盡管自驅(qū)動管內(nèi)機器人行走可以 采用的輪式、腳式爬行式、蠕動式，履帶式等多種形式，但因管道內(nèi)有灰、灰垢和其他 雜物，環(huán)境惡劣，附著能力差采用履帶式方式比較合適，可以增大行走機構(gòu)和管道內(nèi)表 面的接觸面積，提高行走時機器人的附著能力 。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 1 概述 1.1 管道清洗機器人常見問題分析 目前，我國燃煤電廠輸灰管道的除垢方法基本上可分為化學(xué)法和物理法?；瘜W(xué)方法 有加酸、爐煙 (C02)、阻垢劑、分散劑；物理方法有人工振擊法、管材法、三相流法、晶 種過濾、電解、電場、磁場、超聲波和高頻電磁場防垢，還有利用空穴效應(yīng)和氣蝕原理 清垢的液氣壓清垢法等。經(jīng)實踐應(yīng)用，上述方法均存在一定局限性，不能同時符合環(huán)保 及技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性要求，多數(shù)不被電廠接受。目前常用的是化學(xué)清洗法和人工振擊法。 大多數(shù)的排灰管道都使用化學(xué)清洗，一般每隔 1～2 年需對沖灰管道進(jìn)行一次清垢 ，化學(xué)清洗法存在很多弊端。 酸洗除垢法大部分是采用鹽酸或硝酸加入適量的緩蝕劑配制而成的酸洗液。注入(或打 入) 管內(nèi)進(jìn)行除垢。酸洗液的效能是對水垢有溶解，剝離和疏松的作用，從而達(dá)到除垢的 目的。 酸洗除垢法工藝比較復(fù)雜，需要專業(yè)人員進(jìn)行操作；酸洗液要根據(jù)水垢的性質(zhì)，厚度 進(jìn)行配制，要求較為嚴(yán)格；酸洗法因為有酸，故對管道有一定的腐蝕副作用，因而鍋爐 酸洗次數(shù)不能過多 少數(shù)電廠為了環(huán)保和節(jié)約資金，采用人工振擊法清理。當(dāng)管道內(nèi)的灰垢沉積到一定 程度，嚴(yán)重影響電廠正常生產(chǎn)時，將灰垢集中處的管道切割，用鐵錘人工振擊管道，使 灰垢和管道剝離 ，然后用吊車將管道吊起將灰垢傾倒出來。這種清理辦法雖然簡單，清 理效果好，但需切割管道 ，容易使管道變形，且費工費時，勞動強度大。 目前也有研究采用高壓水射流進(jìn)行清洗的清洗機器人。但是采用高壓水射流一方面 會產(chǎn)生大量的廢水，很難處理。有不少管道經(jīng)過農(nóng)田，清洗產(chǎn)生的廢水不及時處理會對 農(nóng)田造成很大的污染。另一方面高壓水射流清洗成本較大，每清洗一段管道都要用去幾 噸甚至十幾噸水。 1.2 除垢機器人理念 作為高壓水和化學(xué)清洗的有效補充手段，行走式管路清洗方法具有一定的獨特性： 如成本低廉、安全性好、無任何環(huán)境污染、水電消耗非常小。尤其是在化學(xué)清洗和高壓 水清洗方法無法應(yīng)用或成本不允許的情況下,利用除垢機器人清洗能夠發(fā)揮獨特的作用,并 取得良好的效果。 我們采用的是壓縮空氣噴洗機器人。除垢機器人的首要要解決的問題就是行走問題， 怎樣使機器人在管道中行走是除垢機器人能否成功完成的重要環(huán)節(jié)之一。目前管內(nèi)機器 人的驅(qū)動方式有自驅(qū)動 (自帶動力源)、利用流體推力、通過彈性桿外加推力三種方式。 根據(jù)輸灰管道和回水管道內(nèi)的實際情況，管道除垢機器人宜采用 自驅(qū)動方式。采用雙步 進(jìn)電機驅(qū)動，通過諧波減速器將動力傳遞給行走裝置。盡管自驅(qū)動管內(nèi)機器人行走可以 采用的輪式、腳式爬行式、蠕動式，履帶式等多種形式，但因管道內(nèi)有灰、灰垢和其他 雜物，環(huán)境惡劣，附著能力差采用履帶式方式比較合適，可以增大行走機構(gòu)和管道內(nèi)表 面的接觸面積，提高行走時機器人的附著能力 。 管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 1.3 基本設(shè)計任務(wù) 1.3.1 設(shè)計題目：管道清洗機器人行走部件的設(shè)計 1.3.2 任務(wù)： 1. 設(shè)計、計算渦輪和鏈輪機構(gòu)； 2. 設(shè)計傳動結(jié)構(gòu)造型； 3. 用計算機繪制裝配圖和主要零件圖； 4. 按指定格式和要求撰寫畢業(yè)設(shè)計計算說明書 1.4 畢業(yè)設(shè)計的目的 畢業(yè)設(shè)計是對學(xué)生進(jìn)行工程師基本訓(xùn)練的重要環(huán)節(jié)，通過畢業(yè)設(shè)計能達(dá)到以下目的。 〈1〉 鞏固.熟悉并綜合運用所學(xué)的知識； 〈2〉 培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的學(xué)風(fēng)； 〈3〉 熟悉進(jìn)行機械設(shè)計的一般步驟和常見問題，掌握機械設(shè)計的一般技巧。 〈4〉 學(xué)會查閱運用技術(shù)資料；初步掌握對專業(yè)范圍內(nèi)的生產(chǎn)技術(shù)問題進(jìn)行研究的能力。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 2 管道射流清洗機器人 2.1 管道射流清洗機器人的本體設(shè)計 管道清洗機器人應(yīng)用于管道直徑 350 —600mm 的管道中工作，作業(yè)環(huán)境要求整個結(jié) 構(gòu)的尺寸應(yīng)盡可能的小并且具備一定的牽引力，整個設(shè)計從選取移動方式入手。 2.1.1 移動方式選擇 管道清洗機器人要實現(xiàn)實際應(yīng)用中的可靠性及實用性，必須依據(jù)管道內(nèi)作業(yè)特點來 設(shè)計出穩(wěn)定運行，滿足清洗性能要求的機器人。在進(jìn)行清洗時候，要求系統(tǒng)必須保證噴 頭具備一定的對中性能，能適應(yīng)不同的管徑變化，對于在行進(jìn)過程中，管內(nèi)可能出現(xiàn)凸 凹不平情況，機器人還應(yīng)具備一定的越障能力。如果機器人在運動過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或由 于重心偏移而使得機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)重時不得不破壞管道取出機器人。對于大口徑的管道機器人，由于其自重較 大，如果支撐臂不具備自動定心性能，必定產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，其結(jié)果使機器人運動阻力增大， 出現(xiàn)“卡持”現(xiàn)象。為了提高作業(yè)的可靠性，設(shè)計中要求機器人應(yīng)具有可靠的管道適應(yīng)性和 定心性。 在現(xiàn)有的管道機器人設(shè)計中，移動型本體結(jié)構(gòu)，主要有履帶式、支腿式、輪式結(jié)構(gòu) 以及蛇行、蠕動、變形運動等幾種形式。如壁面爬行、水下推動等機構(gòu)。蛇行、蠕動、 變形運動多適合于光滑的管壁、地面或水下。履帶式著地面積大，對不平路面的適應(yīng)性 強，但是是體積大，不易實現(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 式對粗糙表面性能較好、帶載能力強，但其控制系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)均復(fù)雜、移動行走速度 慢;輪式移動方式速度快，轉(zhuǎn)彎容易，對中性好，尤其是徑向輻射輪式結(jié)構(gòu)，能夠保證機 器人在運行過程中，其中心軸線與管道軸線保持一致，缺點是著地面積相對較小，維持 附著牽引力較困難。 2.1.2 傳動方案的選擇 機器通常是由原電機，傳動系統(tǒng)和工作機三部分所組成。 傳動系統(tǒng)是將原動機的運動和 動力進(jìn)行傳遞與分配的作用，可見，傳動系統(tǒng)是機器 的重要組成部分。傳動系統(tǒng)的質(zhì)量與成本在整臺機器中占有很大比重。因此，在機器中 傳動系統(tǒng)設(shè)計的好壞，對整部機器的性能、成本以及整體尺寸的影響都是很大的。所以 合理地設(shè)計傳動系統(tǒng)是機械設(shè)計工作地一重要組成部分。 合理的傳動方案首先應(yīng)滿足工作機的性能要求，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方案，選擇其中最能滿 足眾多要求的合理傳動方案，作為最終確定的傳動方案。 機器人常用的驅(qū)動方式有:液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動、電動驅(qū)動三種基本方式。電動驅(qū)動 管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 主要有步進(jìn)電機、直流伺服電機和交流伺服電機。液壓與氣動方式對環(huán)境要求較高，實 現(xiàn)起來較復(fù)雜，而電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單，較易實現(xiàn)密封與調(diào)速控制。故在本設(shè)計中選用步 進(jìn)電機作為機器人本體的驅(qū)動動力;減速器選用行星齒輪減速器。驅(qū)動動力從電機經(jīng)由減 速器減速后，在滿足管徑自適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，如何更好地將動力傳遞到主動輪上，是選 擇機器人傳動方式過程中重點考慮的問題。結(jié)合徑向輻射管道射流清洗機器人的結(jié)構(gòu)布 局方式的特點，在本設(shè)計中主要通過一套動力變換裝置和同步鏈傳動機構(gòu)來實現(xiàn)。 1、動力變換裝置的設(shè)計 在如圖所示的徑向輻射輪式移動結(jié)構(gòu)中，當(dāng)預(yù)緊彈簧給于基本的預(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，所以機器人整體的驅(qū)動力絕大部分來自輪 1 和輪 3，而且機器人本體的 重心位置位于管道的軸線下方 40mm 左右(如圖所示)，增強了機器人的穩(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°，故需要一動力 變換裝置來實現(xiàn)動力的分流。 蝸桿傳動是空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種 傳動機構(gòu)，兩軸線交錯的夾角可為任意值，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，同時嚙合的次對又較多，故沖擊載荷小，傳動平 穩(wěn)，噪聲低。在設(shè)計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。 圖 2.1 車輪端面圖 2、同步鏈傳動設(shè)計 由于設(shè)計的機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 時候，主動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)管道機器人傳動方案中， 更多的是采用全齒輪傳動方式，即動力經(jīng)變換后，通過增加惰輪的方式，將動力傳遞到 主動輪，雖然該方案的傳動效率較高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對環(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)計中，動力經(jīng)蝸輪蝸桿裝置變換后，通過傳動比為 1:1 的齒輪 傳動，將動力傳遞到各支腿，因為空間尺寸關(guān)系，在兩者之間增加一惰輪機構(gòu)，再應(yīng)用 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 同步鏈將動力傳送到主動輪 1 和輪 3。同步帶輪軸 1 與支腿與安裝底座的連接軸同軸，故 無論管徑如何變化，兩個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 管道清洗機器人變管徑自適應(yīng)性方案設(shè)計 管道由于制作誤差、使用過程中局部結(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，清洗機器人在碰到變形部位及雜物時，由于阻力而使支撐臂收縮，同時在驅(qū) 動力的作用下通過變形部位，當(dāng)再次達(dá)到管道正常段時，支撐臂能夠在彈簧的作用下像 傘一樣張開，使機器人重新恢復(fù)原來的平穩(wěn)狀態(tài)。這個過程就是機器人的自適應(yīng)過程。 有了自適應(yīng)性，機器人就能穿過一個個變形部位，以達(dá)到對管道進(jìn)行有效清洗的目的， 在本設(shè)計中，對于自適應(yīng)性的設(shè)計主要包括兩方式: 各支腿單獨調(diào)整和支腿整體調(diào)整。 1、支腿單獨調(diào)整方式 各支腿的單獨調(diào)整方式。當(dāng)機器人在行進(jìn)過程中，其中的一個或多個支腿遇到障礙 物(包括突起和凹陷) 時，利用支腿內(nèi)部的調(diào)整彈簧來改變支腿的長度使得支腿與管壁處于 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， 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 目前管道機器人在適應(yīng)不同管徑的調(diào)節(jié)機構(gòu)常用的有:蝸輪蝸桿調(diào)節(jié)方式,升降機調(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)機構(gòu)的優(yōu)缺 點，針對本課題的工程實際需要，并根據(jù)前后支腿的特性要求，在前支腿(即從動輪支腿) 選用彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式，后支腿(即主動輪支腿)選用滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式。這兩種調(diào) 節(jié)機構(gòu)能保證機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) 動車輪和管道內(nèi)壁之間的壓力 Fy，并實時將壓力值回饋回監(jiān)控裝置，當(dāng)壓力 Fy 的值小于 所允許的最小壓力值 Fy’時，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 A，推桿 CD 與連桿 AB 鉸接在 B 點，另一端鉸接在軸套上 C 點，軸套在圓周方向相 對固定，因此滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動將帶動絲杠螺母沿軸線方向在滾珠絲杠上來回滑動，從而 帶動推桿運動，進(jìn)而推動連桿 AB 繞支點 A 轉(zhuǎn)動，使車輪撐開或者緊縮以達(dá)到適應(yīng)不同 的管徑的目的。保證管道機器人以穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管道內(nèi)壁上，使機器人具有充足 且穩(wěn)定的牽引力。 管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 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 A 為坐標(biāo)系 的原點，建立如圖所示的坐標(biāo)系 XOY,石為連桿 AB 的長度，幾是推桿 CD 的長度，烏是 支點 D 到固定支點 A 之間的距離， “是推桿 CD 與水平方向之間的夾角，尹是連桿 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，藝 F 是滾珠絲杠螺 母作用在推桿上的軸向推力，T 是作用在滾珠絲桿軸上的有效扭矩。 Tmda 是電機軸的輸 出扭矩。 在坐標(biāo)系 XOY 中，由幾何關(guān)系可得: L sin =L sin2?3? y =L sin （2.1）B1 x =L cos +L cosc23 對上式兩邊分別取微分可得: =L cosyB?1?? L cos =L cos (2.2)2?3? =-L sin -L sinxc 化簡上式得: 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 =- （tan +tan ） （2.3）cx?13L??By? 由虛功原理得: + =0 （2.4）?Fcx?? 31iGiNBy 將式代入上式并化簡得: = （2.5）GiiL?? 311)tan(?? 所采用的滾珠絲杠螺母副的導(dǎo)程記為 , 為滾珠絲杠和絲杠螺母之間的相對轉(zhuǎn)角，則絲P? 杠螺母的位移為: S= 。?2h 對上式等號兩邊分別取微分得: = (2.6)s??h 考慮滾珠絲杠螺母副，由虛位移原理可得: (2.7)0?????TFs 式中， 為滾珠絲杠螺母副的傳動效率。? 合并整合上兩式得: T= （2.8）Gii hh NLPP?? 311)tan(2??? 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)方式原理類似，只是在張緊力調(diào)整方面采用被動調(diào)整方式。當(dāng)管徑發(fā)生變化時，作用 在從動輪上的壓力變化，使得壓緊彈簧產(chǎn)生伸縮，而帶動推桿運動，進(jìn)而推動連桿 AB 繞 支點 A 轉(zhuǎn)動，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)整電機的的主動調(diào)整變?yōu)閴壕o彈簧的 被動調(diào)整。故在彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性如下: 管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 圖 2.3 彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式 選取其中的一個支承臂作為研究對象，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)0f?????sF 式中，f—彈簧的壓緊力，N。 整理得: f= (2.10)Gi 31i1NtanL??）（ ?? 彈簧壓緊力可表示為: f=k （2.11）??）（ 210s-x 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)，因此該機構(gòu)具有負(fù)反饋作用，在一定的管徑變化范圍內(nèi)，封 閉力之和 N 變化不大。由此可見該機構(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，同時由于彈簧壓緊力 f 的回饋作用可使機構(gòu)具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能。 2.3 動力系統(tǒng)的設(shè)計計算 2.3.1 管道機器人行駛阻力分析 在計算前，我們先設(shè)定我們所設(shè)計的機器人的行進(jìn)速度是 1.8m/min。 機器人在管道內(nèi)進(jìn)行清洗作業(yè)時，必須克服來自管道內(nèi)表面的滾動摩擦阻力 ，fF （2.12）??GfNF 式中，f 是滾動摩擦因數(shù)，即輪子在一定條件下滾動所需要的推力。 為機器人輪子負(fù)荷之和。也就是：GN 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 G cos（ 0R)60?????6?? F =ff G cos（ -60 0 (2.13)???? 式中— 機器人管內(nèi)作業(yè)姿態(tài)角，? —機器人本體重量，kg。R 當(dāng)姿態(tài)角分別為 60°或者-60° 時候，系統(tǒng)的阻力最大。 預(yù)設(shè) 為 0.5，機器人重量為 10kg，由于輪子手的是彈簧調(diào)節(jié)，則彈簧對輪子又很大的壓? 力，由于我們采用的是型芯磨頭切削，對車身的穩(wěn)定性要求較其他更為嚴(yán)格，假設(shè)彈簧 對輪子的壓力是 40 x9.8N, =10 9.8=490N。F?? ∵總阻力 = =49 00.5=245N. ?? 根據(jù)實際情況，我們設(shè)計主動輪半徑 r=50mm，總阻力矩為： =24 50.05=12.25Nm rM? 已經(jīng)設(shè)過機器人行進(jìn)速度為 1.8m/min，則主動輪轉(zhuǎn)速應(yīng)該是: r/min v1.8n5.732r340W??? 電機的額定轉(zhuǎn)速為 1500r/min 系統(tǒng)傳動比為 ni26.S? 電機提供的驅(qū)動力矩為： Nmq1.50.1i263SM??? Wnq0.295TP? 考慮到機器人在管道內(nèi)行進(jìn)出現(xiàn)的在和突變情況，取安全系數(shù)為 2，則電機的功率為 46W,電 機選用 YS5614 型。如下表。 得：轉(zhuǎn)速為 1500r/min 額定功率為 60W 額定電流為 0.28A 效率為 56% 功率因數(shù)為 0.58 額定轉(zhuǎn)矩為 2.4Nm 管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計 11 表 2-4 YS 系列電機技術(shù)參數(shù) 型號 額定功率 W額定電流 A額定電壓 V額定頻率 ZH同步轉(zhuǎn)速 -1minr?效率 （ %） 功率因數(shù) YS4512 16 0.93 3000 46 0.57 YS4514 10 0.12 1500 28 0.45 YS4522 25 0.12 3000 52 0.60 YS4524 16 0.16 1500 32 0.49 YS5012 40 0.17 3000 55 0.65 YS5014 25 0.17 1500 42 0.53 YS5022 60 0.23 3000 60 0.66 YS5024 40 0.23 1500 50 0.54 YS5612 90 0.32 3000 62 0.68 YS5614 60 0.28 1500 56 0.58 YS5622 120 0.38 3000 67 0.71 YS5624 90 0.39 1500 58 0.61 YS6312 180 0.53 3000 69 0.75 YS6314 120 0.48 1500 60 0.63 YS6322 250 0.67 3000 72 0.78 YS6324 180 0.65 1500 64 0.66 YS7112 370 0.95 3000 73.5 0.80 YS7114 250 0.83 1500 67 0.68 YS7116 180 0.74 3802 或 380 50 1000 59 0.63 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 表 2-5 YS 系列電機技術(shù)參數(shù) 續(xù) 額定頻率 ZH同步轉(zhuǎn)速 -1minr?效率 （% ） 功 率 因 數(shù) 額 定 轉(zhuǎn) 矩堵 轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn) 矩 額 定 電 流堵 轉(zhuǎn) 電 流 額 定 轉(zhuǎn) 矩最 大 轉(zhuǎn) 矩 聲功率極 ）（ AdB 3000 46 0.57 2.3 6.0 2.4 65 1500 28 0.45 2.4 6.0 2.4 60 3000 52 0.60 2.3 6.0 2.4 65 1500 32 0.49 2.4 6.0 2.4 60 3000 55 0.65 2.3 6.0 2.4 65 1500 42 0.53 2.4 6.0 2.4 60 3000 60 0.66 2.3 6.0 2.4 70 1500 50 0.54 2.4 6.0 2.4 60 3000 62 0.68 2.3 6.0 2.4 70 1500 56 0.58 2.4 6.0 2.4 60 3000 67 0.71 2.3 6.0 2.4 70 1500 58 0.61 2.4 6.0 2.4 65 3000 69 0.75 2.3 6.0 2.4 70 1500 60 0.63 2.4 6.0 2.4 65 3000 72 0.78 2.3 6.0 2.4 70 1500 64 0.66 2.4 6.0 2.4 65 3000 73.5 0.80 2.3 6.0 2.4 75 1500 67 0.68 2.4 6.0 2.4 65 50 1000 59 0.63 2.0 5.5 2.0 60 2.3.2 減速器的選擇 在選擇了電機型號之后，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)動能力時減速比的計算 根據(jù)電機的相關(guān)資料，可知電機的額定轉(zhuǎn)矩為 0.9N m，為滿足機器人能正常行駛， 則整個驅(qū)動系統(tǒng)電機的驅(qū)動力矩經(jīng)傳動系統(tǒng)減速增扭后，驅(qū)動力矩應(yīng)大于等于機器人所 受到的總的阻力矩，即應(yīng)保證傳動系統(tǒng)的傳動比 應(yīng)滿足：inmin12.5064DM??? 2.考慮機器人最高運行速度傳動比的計算 根據(jù)電機相關(guān)資料，可知電機的額定轉(zhuǎn)速為 r/min 則傳動系統(tǒng)的最大傳dn150 動比 應(yīng)該滿足：maxi dmaxwn150i26.7.3?? 基于上述傳動比，我們可以確定傳動系統(tǒng)的傳動比 應(yīng)該滿足：si 管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 (2.14)minsaxi? 傳動比里面蝸桿傳動的傳動比為: =5-80,選用 20w 則減速器的出動比 為：ri (2.15)maxinrwddi? 我們選用 =12ri 根據(jù)《小功率計算機》書上說明，選用 GBX40 行星減速器。其參數(shù)如截圖所示： 圖 2-6 減速器參數(shù)表 2.4 機器人的速度和驅(qū)動能力校核 確定電機和減速器后，我們必須進(jìn)行機器人的運動速度和驅(qū)動能力的校核，以確保 機器人有足夠驅(qū)動力的同時，能滿足機器人的最高行走速度要求。 2.4.1 運動速度校核 根據(jù)以上所選電機和減速器的性能指針，可知電機的額定轉(zhuǎn)速 = 3000r/min，減dn 速器的傳動比是 12，以及機器人所要求的主動輪半徑 r= O.O5m，可以計算出機器人在 確定電機和減速器后的最高車速 V: drw2n3.14051.8i2V???? 雖然 V 大于預(yù)期設(shè)定速度，但是我們可以通過控制電機的轉(zhuǎn)速已使機器人低于此速度行 駛，而且還有一定得速度儲備，在機器人需要快速行進(jìn)至工作位置的情況下，盡可能有 較快的速度。 2.4.2 驅(qū)動能力校核 根據(jù)電機的額定輸出轉(zhuǎn)矩為 2.4Nm，傳動比 i 為 240，則機器人總的驅(qū)動力矩為： >2.40576WM??M? 因為機器人總的驅(qū)動力矩大于其所受到的總的阻力矩，所以機器人能夠有足夠的動 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 力起車，并有一定的動力儲備。 經(jīng)過上述計算和校核，所選的施奈德 BSH4552T 伺服電機和 GBX40 行星齒輪減速器 能夠滿足管道射流清洗機器人的性能要求，從而可以由其組成機器人的行駛驅(qū)動系統(tǒng)。 管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計 15 3 鏈輪傳動的設(shè)計計算 3.1 鏈輪設(shè)計的初始條件 鏈輪設(shè)計的初始條件如圖 3-1 所示 表 3-1 初始條件 名稱 數(shù)值 單位 傳遞功率 0.023 小鏈輪轉(zhuǎn)速 5.73 minr 平均轉(zhuǎn)動比 1；可大或小 0.5% 大鏈輪轉(zhuǎn)速 5.73 ir 傳動轉(zhuǎn)類 傾斜傳動 傳動速度 低速轉(zhuǎn)動（ ）smv? 潤滑條件 由設(shè)計結(jié)果確定（推薦） 中心距條件 可調(diào) 載荷性質(zhì) 平穩(wěn)載荷 原動機種類 電動機或汽輪機 彈緊裝置 張緊輪 3.2 鏈輪計算結(jié)果 經(jīng)過設(shè)計手冊的計算，得到的鏈輪計算結(jié)果如下： 表 3-2 設(shè)計結(jié)果 名稱 數(shù)值 單位 小鏈輪齒數(shù) 38 大齒輪齒數(shù) 38 張緊輪齒數(shù) 38 平均傳動比 1.000 大鏈輪轉(zhuǎn)速 5.730 minr 設(shè)計功率 0.02 KW 鏈條節(jié)距 12.700 mm 鏈號 08A 鏈條速度 0.046 s 潤滑方式 油刷或油壺人工定期潤滑 粗定中心距 254.00 mm 鏈長節(jié)數(shù) 78.00 節(jié) 鏈條長度 0.991 m 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 理論中心距 508.00 mm 實際中心距 506 mm 續(xù)表 3-2 名稱 數(shù)值 單位 有效圓周力 499.04 N 作用于軸上的拉力 586.37 N 滾子外徑（最大值） 7.95 mm 鏈條排距 14.38 mm 內(nèi)鏈板高（最大值） 12.07 mm 許用靜強度安全系數(shù) 4.00 靜強度安全系數(shù) 27.65 鉸鏈比壓 11.27 MPa 由上面我們得到鏈輪的基本尺寸： 排拒 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 由手冊計算我們的歷史結(jié)果如表： 表 3-3 歷史結(jié)果 名稱 符號 數(shù)值 單位 公式 說明 小鏈齒輪數(shù) z 1 38.0 0 z z ，z =9,z 應(yīng)參照鏈速選 1? min min 1 取 鏈速 0.6~3 3~8 >8 z 1 15~ 17 19? ~21 23 ~25 連輪齒數(shù)應(yīng)優(yōu)先選取以下數(shù)列： 17,19,21,23,25,38,57,76,95,114 增大 z ，鏈條緊邊 1 的總拉力下降，多 邊形效應(yīng)減小，磨 損小，但尺寸重量 增大當(dāng) z 和 z 為奇 1 2 數(shù)而 L 為偶數(shù)時， P 將有利于鏈條和鏈 輪齒均勻磨損 z 和 z 的選取應(yīng)考 1 2 慮 大齒輪參數(shù) z 2 38.0 0 z =z i 通常 z 120 z =150 2 1 2? min z 增大時，節(jié)距 2 （或總長）磨損伸 長率許用值減少， 鏈傳動的磨損壽命 降低，且傳動尺寸 大 平均傳動比 i 1.00 000 ,通常 ，推薦1 2zni?7?i i=2~3.5，當(dāng) v1 時，取 e=0.5d，但不小于（0.25~0.35）B；對于調(diào)心軸承，? e=0.5B。 （a）向心軸承 （b）向心推力軸承 （c）并列向心軸承 d 滑動軸承 圖 4.3 軸的支反力作用點 在做計算簡圖時，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 4.4a 所示。然后求出各支承處的水平反力 F 和垂直反力 F （軸向反力可表NHNV 示在適當(dāng)?shù)拿嫔?，圖 4.4c 是表示在垂直面上，圖 4.4c 是表示在垂直面上，故標(biāo)以 F ）,1NV （2） 做出彎矩圖 根據(jù)上述 簡圖，分別按水平面和垂直面計算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計算結(jié)果分別 做出水平面上的彎矩 M 圖（圖 4.4b）和垂直面上的彎矩 M 圖（圖 4.4c） ；然后按下式H V 計算總彎矩并做出 M 圖（圖 4.4d） 。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 圖 4.4 軸的載荷分析圖 （3） 做出扭矩圖 扭矩圖如圖 4.4e 所示 管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計 27 （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 26.1-1 查得材料機 械數(shù)據(jù)為: 70bMP??5sa132?8a? 根據(jù)公式初步計算軸直徑 3950.Tpdn??????33.2T? 30pnA 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，? mind 4.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 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 鍵的校核 選用 A 型普通鍵，軸鍵、輪轂的材料都用 20 鋼。 b h=6 6 取 L 為 20.? ?? 3210410IbTKld????? 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 28 式中：T——傳遞的轉(zhuǎn)矩； K——鍵與輪轂、鍵槽的接觸高度 K=0.5h=3 ——鍵的工作長度： =L-b=17mm；l l d——軸的直徑； [ ]——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，MPa，見表 6-2；p? 表 6-2 許用應(yīng)力參數(shù) 載荷性質(zhì)許用擠壓應(yīng)力、 許用壓力 連接方式 鍵或轂、軸的 材料 靜載荷 輕微沖擊 沖擊 鋼 120~150 100~120 60~90[ ]p靜連接 鑄鐵 70~80 50~60 30~45 410?b?? 所以此鍵符合要求. 管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計 29 5 彈簧的設(shè)計計算 根據(jù)我們的設(shè)計情況，我們應(yīng)該選用圓柱螺旋壓縮彈簧。 當(dāng)此機器人在管道內(nèi)行走時受到的最大壓力為 40KG，急彈簧的最大壓力為 。其受力圖如圖 5.1 所示409.832N?? 圖 5.1 彈簧受力圖 1.根據(jù)條件選擇材料，并確定其許用應(yīng)力。 因彈簧在一般在和條件下工作，可以按第 3 類彈簧來考慮，現(xiàn)選用碳素彈簧鋼絲 C 級，我們設(shè)計導(dǎo)柱為 14mm,間隙 c 為 4mm，則彈簧中徑 D 為 18mm?，F(xiàn)估計取彈簧直徑 為 3mm. 2.根據(jù)強度條件計算彈簧鋼絲直徑。 現(xiàn)選取旋繞比 c=6，由《機械設(shè)計》16-4 得： 5.14c10.65.2+K???? 根據(jù)式（16.12）得 ' 2c3921.56d1.6.3.4[]8F????? 改取 d=3.2mm， 不變，故（ ）不變，取 D=18mm，c= =5.625.計算得B?18.2 K=1.253，于是 ' 2c3921.5.62d1.6. 3.[]8FK????? 上值與原來估計值相近，取彈簧鋼絲的標(biāo)準(zhǔn)直徑 d=3.2mm，此時 D=18mm，是標(biāo) 準(zhǔn)值，則： =D+d=18+3.2=21.2mm2D 3.根據(jù)剛度條件，計算彈簧圈數(shù) n。據(jù)我們設(shè)計要求，可選彈簧圈數(shù)為 10 圈。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 30 4.驗算。 （1）彈簧初拉力 5.201Fk??? 初應(yīng)力 按式（16.8）得'0? =95.44Mpa '0038DKd?? 按照圖 16-9，當(dāng) C=5.62 時，初應(yīng)力 的推薦值為 6