管道除塵機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計說明書[帶圖紙]

1、<p><b>　　編號</b></p><p><b>　　無錫太湖學院</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）</b></p><p>　　題目：管道除塵機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 </p><p>　　信機 系 機械工程及自動化 專業(yè)</p>

2、;<p>　　學 號： 　　　　　　　</p><p>　　學生姓名： </p><p>　　指導教師： 　職稱：副教授）</p><p>　　（職稱： ）</p><p>　　2013年5月25日</p><p>　　無錫太湖學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）<

3、/p><p><b>　　誠 信 承 諾 書</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 管道除塵機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。<

4、/p><p>　　班 級： 機械97 </p><p>　　學 號： 0923825 </p><p>　　作者姓名： </p><p>　　2013 年 5 月 25 日</p><p><b>　　摘 要</b></p>&

5、lt;p>　　基于利用行星磨頭清洗技術(shù)對管道進行清洗的目的，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，進一步驗證了設(shè)計思想的可行性。<

6、;/p><p>　　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)。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 管道機器人；安全防護 ；行走</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Based on the use

7、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 r

8、obot 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; cha

9、racteristics of walking robots have been st</p><p>　　Key words: pipe robot; security; walk</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要IV</b></p><p>

10、　　AbstractV</p><p><b>　　緒論1</b></p><p><b>　　1 概述2</b></p><p>　　1.1 管道清洗機器人常見問題分析2</p><p>　　1.2 除垢機器人理念2</p><p>　　1.3 基本設(shè)計任務3&

11、lt;/p><p>　　1.4畢業(yè)設(shè)計的目的3</p><p>　　2.1 管道射流清洗機器人的本體設(shè)計4</p><p>　　2.1.1 移動方式選擇4</p><p>　　2.1.2 傳動方案的選擇4</p><p>　　2.2 管道清洗機器人變管徑自適應性方案設(shè)計6</p><p>

12、　　2.3 動力系統(tǒng)的設(shè)計計算9</p><p>　　2.3.1 管道機器人行駛阻力分析9</p><p>　　2.3.2 減速器的選擇12</p><p>　　2.4 機器人的速度和驅(qū)動能力校核13</p><p>　　2.4.1 運動速度校核13</p><p>　　2.4.2 驅(qū)動能力校核13<

13、/p><p>　　3 鏈輪傳動的設(shè)計計算15</p><p>　　3.1 鏈輪設(shè)計的初始條件15</p><p>　　3.2 鏈輪計算結(jié)果15</p><p>　　3.3歷史結(jié)果16</p><p>　　4 蝸輪蝸桿的設(shè)計計算18</p><p>　　4.1 蝸輪蝸桿基本參數(shù)設(shè)計18

14、</p><p>　　4.1.1 普通蝸桿設(shè)計輸入?yún)?shù)18</p><p>　　4.1.2 材料及熱處理19</p><p>　　4.1.3 蝸桿蝸輪基本參數(shù)20</p><p>　　4.1.4 蝸蝸輪精度21</p><p>　　4.1.5 強度剛度校核結(jié)果和參數(shù)22</p><p>

15、;　　4.1.6 自然通風散熱計算22</p><p>　　4.2蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計23</p><p>　　4.2.1 軸的強度較核計算23</p><p>　　4.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計27</p><p>　　4.2.3 鍵的校核27</p><p>　　5 彈簧的設(shè)計計算29</p>&l

16、t;p><b>　　6 安全性能31</b></p><p><b>　　結(jié)論32</b></p><p><b>　　參考文獻34</b></p><p><b>　　致謝33</b></p><p><b>　　緒論</b

17、></p><p>　　1.1本課題研究的內(nèi)容和意義</p><p>　　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。盡管通過添加化學劑，采用合理的工藝參數(shù)，進行水質(zhì)處理措施可以在一定程

18、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，遠遠不能滿足現(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)。</p><p>　　利用行星磨頭清洗是一種新的清洗方法。與化學清洗及手工、機械清洗相比，具有清洗質(zhì)量好、效率高、適應性強、成本低等一系列優(yōu)點，可達到返舊還新的

19、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)濟和社會效益。</p><p>　　1.2國內(nèi)外發(fā)展狀況</p><p>　　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行清洗，無法根據(jù)管道的內(nèi)部情況進行清洗參數(shù)的動態(tài)調(diào)整，管徑的適應能力較差。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

20、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。</p><p>　　1.3本課題應達到的要求</p><p>　　作為高壓水和化學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。尤其是在化學清洗和高壓水清洗方法

21、無法應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。</p><p>　　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

22、進電機驅(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 。</p><p><b>　　1 概述</b></p><p>　　1.1 管道清洗機器人常見問題

23、分析</p><p>　　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法和物理法?；瘜W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，還有利用空穴效應和氣蝕原理清垢的液氣壓清垢法等。經(jīng)實踐應用，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)濟性要求，多數(shù)不被電廠接受。目前常用的是化學清洗法和人工振擊法。<

24、;/p><p>　　大多數(shù)的排灰管道都使用化學清洗，一般每隔1～2年需對沖灰管道進行一次清垢 ，化學清洗法存在很多弊端。</p><p>　　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，從而達到除垢的目的。    酸洗除垢法工藝比較復雜，需要專業(yè)人員進行操作；酸洗液要

25、根據(jù)水垢的性質(zhì)，厚度進行配制，要求較為嚴格；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</p><p>　　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。當管道內(nèi)的灰垢沉積到一定程度，嚴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

26、動強度大。</p><p>　　目前也有研究采用高壓水射流進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。</p><p>　　1.2 除垢機器人理念</p><p>　　作為高壓水和化學清洗的有效補充

27、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。尤其是在化學清洗和高壓水清洗方法無法應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。</p><p>　　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

28、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 。</p><p>

29、;　　1.3 基本設(shè)計任務</p><p>　　1.3.1 設(shè)計題目：管道清洗機器人行走部件的設(shè)計</p><p>　　1.3.2 任務： 1. 設(shè)計、計算渦輪和鏈輪機構(gòu)；</p><p>　　2. 設(shè)計傳動結(jié)構(gòu)造型；</p><p>　　3. 用計算機繪制裝配圖和主要零件圖；</p><p>　　4. 按

30、指定格式和要求撰寫畢業(yè)設(shè)計計算說明書</p><p>　　1.4 畢業(yè)設(shè)計的目的</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計是對學生進行工程師基本訓練的重要環(huán)節(jié)，通過畢業(yè)設(shè)計能達到以下目的。</p><p>　　鞏固.熟悉并綜合運用所學的知識；</p><p>　　培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的學風；</p><p>　　熟悉進行機械設(shè)計的一般

31、步驟和常見問題，掌握機械設(shè)計的一般技巧。</p><p>　　學會查閱運用技術(shù)資料；初步掌握對專業(yè)范圍內(nèi)的生產(chǎn)技術(shù)問題進行研究的能力。</p><p>　　2 管道射流清洗機器人</p><p>　　2.1 管道射流清洗機器人的本體設(shè)計</p><p>　　管道清洗機器人應用于管道直徑350 —600mm的管道中工作，作業(yè)環(huán)境要求整個結(jié)構(gòu)的尺

32、寸應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。</p><p>　　2.1.1 移動方式選擇</p><p>　　管道清洗機器人要實現(xiàn)實際應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，能適應不同的管徑變化，對于在行進過程中，管內(nèi)可能出現(xiàn)凸凹不平情況，機器人還應具備一定的越障

33、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)計中要求機器人應具有可靠的管道適應性和定心性。</p><p>　　在現(xiàn)有的管道機器人設(shè)計中，移動型本體

34、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

35、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。 </p><p>　　2.1.2 傳動方案的選擇</p><p>　　機器通常是由原電機，傳動系統(tǒng)和工作機三部分所組成。</p><p>　　傳動系統(tǒng)是將原動機的運動和 動力進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

36、。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。</p><p>　　合理的傳動方案首先應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、使用維護方便、工藝性和經(jīng)濟性好等要求。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

37、為最終確定的傳動方案。</p><p>　　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)動主要有步進電機、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，在滿足管徑自適應性的基礎(chǔ)上，如何更好地將動力傳遞到主動輪

38、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)。</p><p>　　1、動力變換裝置的設(shè)計</p><p>　　在如圖所示的徑向輻射輪式移動結(jié)構(gòu)中，當預緊彈簧給于基本的預緊力后，剛</p><p>　　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

39、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入嚙合及

40、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。</p><p><b>　　圖2.1車輪端面圖</b></p><p><b>　　2、同步鏈傳動設(shè)計</b></p><p>　　由于設(shè)計

41、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)復雜，對環(huán)境的適應能力較差，可適應管徑變化范圍較小，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)

42、，再應用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，就可適應足夠大的管徑變化范圍。</p><p>　　2.2 管道清洗機器人變管徑自適應性方案設(shè)計</p><p>　　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

43、，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，當再次達到管道正常段時，支撐臂能夠在彈簧的作用下像傘一樣張開，使機器人重新恢復原來的平穩(wěn)狀態(tài)。這個過程就是機器人的自適應過程。有了自適應性，機器人就能穿過一個個變形部位，以達到對管道進行有效清洗的目的，在本設(shè)計中，對于自適應性的設(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。 </p><p>　　1、支腿單獨調(diào)整方式</p>

44、<p>　　各支腿的單獨調(diào)整方式。當機器人在行進過程中，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，當管徑變化范圍較大時，則應使用支腿的整體調(diào)整方式。</p><p>　　2、支腿整體調(diào)整方式</p>

45、;<p>　　目前管道機器人在適應不同管徑的調(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。

46、 </p><p>　?。?）滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式自適應方案。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

47、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，進而推動連桿AB繞支點A轉(zhuǎn)動，使車輪撐開或者緊縮以達到適應不同的管徑的目的。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。</p><p>　　圖2.2滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式</p><p>　　下面分析滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學特性，如圖所示，以固定支點A為坐標系的

48、原點，建立如圖所示的坐標系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。</p><p>　　在坐標系XOY中，由幾何關(guān)系可得:</p><p>

49、;<b>　　Lsin=Lsin</b></p><p>　　y=Lsin （2.1）</p><p>　　x=Lcos+Lcos</p><p>　　對上式兩邊分別取微分可得:</p><p><b>　　=Lcos</b></p><

50、p>　　Lcos=Lcos (2.2)</p><p>　　=-Lsin-Lsin</p><p><b>　　化簡上式得:</b></p><p>　　=-（tan+tan） （2.3）</p><p><b>　　由虛功原理得:&l

51、t;/b></p><p>　　+=0 （2.4）</p><p>　　將式代入上式并化簡得:</p><p>　　= （2.5）</p><p>　　所采用的滾珠絲杠螺母副的導程記為, 為滾珠絲杠和絲杠螺母之間的相對轉(zhuǎn)角，則絲杠螺母的位移為:

52、 S=。</p><p>　　對上式等號兩邊分別取微分得:</p><p>　　= (2.6)</p><p>　　考慮滾珠絲杠螺母副，由虛位移原理可得:</p><p><b>　　(2.7)</b></p><p>　

53、　式中，為滾珠絲杠螺母副的傳動效率。</p><p><b>　　合并整合上兩式得:</b></p><p>　　T= （2.8）</p><p>　　此式即為滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學特性。</p><p>　?。?）彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式</p><p>　　如圖所示的是從動輪的彈簧

54、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，進而推動連桿AB繞支點A轉(zhuǎn)動，使車輪撐開或者緊縮以達到適應不同的管徑的目的。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)方式的力學特性如下:</p><p>

55、;　　圖2.3 彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式</p><p>　　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)方式的力學平衡方程為:</p><p><b>　　(2.9)</b></p><p>　　式中，f—彈簧的壓緊力，N。</p><p><b>　　整

56、理得: </b></p><p>　　f= (2.10)</p><p>　　彈簧壓緊力可表示為: f=k （2.11）</p><p>　　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)

57、，因此該機構(gòu)具有負反饋作用，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)具有自適應調(diào)節(jié)的功能。</p><p>　　2.3 動力系統(tǒng)的設(shè)計計算</p><p>　　2.3.1 管道機器人行駛阻力分析</p><p>　　在計算前，我們先設(shè)定我們所設(shè)計的機器人的行進

58、速度是1.8m/min。</p><p>　　機器人在管道內(nèi)進行清洗作業(yè)時，必須克服來自管道內(nèi)表面的滾動摩擦阻力，</p><p><b>　?。?.12）</b></p><p>　　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。</p><p>　　為機器人輪子負荷之和。也就是：</p>

59、<p>　　Gcos（ 0</p><p><b>　　F=f</b></p><p>　　Gcos（ -600 (2.13)</p><p>　　式中—機器人管內(nèi)作業(yè)姿態(tài)角，</p><p>　　—機器人本體重量，kg。</p><p>

60、　　當姿態(tài)角分別為60°或者-60°時候，系統(tǒng)的阻力最大。</p><p>　　預設(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格，假設(shè)彈簧對輪子的壓力是40x9.8N, =109.8=490N。</p><p>　　∵總阻力= =4900.5=245N.

61、 </p><p>　　根據(jù)實際情況，我們設(shè)計主動輪半徑r=50mm，總阻力矩為：</p><p>　　=2450.05=12.25Nm </p><p>　　已經(jīng)設(shè)過機器人行進速度為1.8m/min，則主動輪轉(zhuǎn)速應該是:</p><p>　　r/min &l

62、t;/p><p>　　電機的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min系統(tǒng)傳動比為</p><p>　　電機提供的驅(qū)動力矩為：</p><p><b>　　Nm</b></p><p><b>　　W</b></p><p>　　考慮到機器人在管道內(nèi)行進出現(xiàn)的在和突變情況，取安全系數(shù)為2，則電

63、機的功率為46W,電機選用YS5614型。如下表。</p><p>　　得：轉(zhuǎn)速為1500r/min</p><p><b>　　額定功率為60W</b></p><p>　　額定電流為0.28A</p><p><b>　　效率為56%</b></p><p><b&

64、gt;　　功率因數(shù)為0.58</b></p><p>　　額定轉(zhuǎn)矩為2.4Nm</p><p>　　表2-4 YS系列電機技術(shù)參數(shù)</p><p>　　表2-5 YS系列電機技術(shù)參數(shù) 續(xù)</p><p>　　2.3.2 減速器的選擇</p><p>　　在選擇了電機型號之后，需要選擇與之相應的減速器。在

65、確定了減速器的類型后，</p><p>　　減速器的選擇關(guān)鍵在減速比的選擇。</p><p>　　1、考慮驅(qū)動能力時減速比的計算</p><p>　　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，</p><p>　　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)動力矩應大于等于機器人所</p>

66、;<p>　　受到的總的阻力矩，即應保證傳動系統(tǒng)的傳動比應滿足：</p><p>　　2.考慮機器人最高運行速度傳動比的計算</p><p>　　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)的最大傳動比應該滿足：</p><p>　　基于上述傳動比，我們可以確定傳動系統(tǒng)的傳動比應該滿足：</p><p><b

67、>　　(2.14)</b></p><p>　　傳動比里面蝸桿傳動的傳動比為:=5-80,選用20</p><p>　　則減速器的出動比為：</p><p><b>　　(2.15)</b></p><p><b>　　我們選用=12</b></p><p>

68、;　　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：</p><p>　　圖2-6 減速器參數(shù)表</p><p>　　2.4 機器人的速度和驅(qū)動能力校核 </p><p>　　確定電機和減速器后，我們必須進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。</p><

69、p>　　2.4.1 運動速度校核</p><p>　　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</p><p>　　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</p><p>　　確定電機和減速器后的最高車速V:</p><p>　　雖然V大于預期設(shè)定速度

70、，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至工作位置的情況下，盡可能有較快的速度。</p><p>　　2.4.2 驅(qū)動能力校核</p><p>　　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：</p><p><b>　　></b></p

71、><p>　　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</p><p>　　力起車，并有一定的動力儲備。 </p><p>　　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)。</p><p>　　3

72、鏈輪傳動的設(shè)計計算</p><p>　　3.1 鏈輪設(shè)計的初始條件</p><p>　　鏈輪設(shè)計的初始條件如圖3-1所示</p><p><b>　　表3-1初始條件</b></p><p>　　3.2 鏈輪計算結(jié)果</p><p>　　經(jīng)過設(shè)計手冊的計算，得到的鏈輪計算結(jié)果如下：</p&

73、gt;<p><b>　　表3-2設(shè)計結(jié)果</b></p><p><b>　　續(xù)表3-2</b></p><p>　　由上面我們得到鏈輪的基本尺寸：</p><p>　　排拒 14.38mm</p><p>　　分度圓直徑 89.28mm &l

74、t;/p><p>　　齒頂圓直徑 96.5mm</p><p>　　齒根圓直徑 80.84mm </p><p><b>　　3.3歷史結(jié)果</b></p><p>　　由手冊計算我們的歷史結(jié)果如表：</p><p><b>　　表3-3歷史結(jié)果</b>

75、;</p><p><b>　　續(xù)表3-3</b></p><p>　　利用機械設(shè)計手冊，我們的計算速度大大加快，設(shè)計過程中出現(xiàn)的錯誤也可以明顯減少。</p><p>　　4 蝸輪蝸桿的設(shè)計計算</p><p>　　為了方便計算選用電子版機械設(shè)計手冊2.0計算：</p><p>　　普通圓柱蝸桿傳

76、動設(shè)計結(jié)果報告</p><p>　　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</p><p>　　蝸桿的轉(zhuǎn)矩應該是電動機額定轉(zhuǎn)矩經(jīng)減速器后的力矩，則：</p><p>　　傳遞轉(zhuǎn)距 </p><p><b>　　輸入計算如下：</b></p><p>　　4.1 蝸輪蝸桿

77、基本參數(shù)設(shè)計</p><p>　　4.1.1 普通蝸桿設(shè)計輸入?yún)?shù)</p><p>　　圖4.1蝸桿設(shè)計參數(shù)</p><p>　　1. 傳遞功率 P 0.38 (kW) </p><p>　　2. 蝸桿轉(zhuǎn)矩 T1 2.49(N.m) &l

78、t;/p><p>　　3. 蝸輪轉(zhuǎn)矩 T2 36.69 (N.m) </p><p>　　4. 蝸桿轉(zhuǎn)速 n1 125.00 (r/min) </p><p>　　5. 蝸輪轉(zhuǎn)速 n2 6.25 (r/min) </

79、p><p>　　6. 理論傳動比 i 20.00 </p><p>　　7. 實際傳動比 i' 20.00 </p><p>　　8. 傳動比誤差 0.00 (％)</p><p>　　9

80、. 預定壽命 H 4800 (小時) </p><p>　　10. 原動機類別 電動機 </p><p>　　11. 工作機載荷特性 平 穩(wěn) </p><p>　　12. 潤滑方式 噴油

81、 </p><p>　　13. 蝸桿類型 漸開線蝸桿 </p><p>　　14. 受載側(cè)面 3側(cè) </p><p>　　4.1.2 材料及熱處理</p><p>　　1. 蝸桿材料牌號 45(表面淬火)

82、</p><p>　　2. 蝸桿熱處理 表面淬火 </p><p>　　3. 蝸桿材料硬度 HRC45～55 </p><p>　　4. 蝸桿材料齒面粗糙度 1.6～0.8 (μm) </p><p>　　對蝸輪蝸桿精度等級我們都選為

83、8極得出：</p><p>　　5. 蝸輪材料牌號及鑄造方法 ZCuSn10P1(砂模) </p><p>　　6. 蝸輪材料許用接觸應力[σ]H' 200 (N/mm^2) </p><p>　　7. 蝸輪材料許用接觸應力[σ]H 200 (N/mm^2) </p><

84、;p>　　8. 蝸輪材料許用彎曲應力[σ]F' 32 (N/mm^2) </p><p>　　9. 蝸輪材料許用彎曲應力[σ]F 30 (N/mm^2) </p><p>　　4.1.3 蝸桿蝸輪基本參數(shù)</p><p>　　圖4.2蝸桿蝸輪設(shè)計參數(shù)</p><p>　　1.

85、 蝸桿頭數(shù) z1 2 </p><p>　　2. 蝸輪齒數(shù) z2 40 </p><p>　　3. 模 數(shù) m 3.15 (mm) </p><p>　　4. 法面模數(shù) Mn

86、 3.10 (mm) </p><p>　　5. 蝸桿分度圓直徑 d1 35.50 (mm) </p><p>　　6. 中心距 A 63.00 (mm) </p><p>　　7. 蝸桿導程角 γ

87、 10.063° </p><p>　　8. 蝸輪當量齒數(shù) Zv2 41.90 </p><p>　　9. 蝸輪變位系數(shù) x2 -5.63 </p><p>　　10. 軸向齒形角 αx 20.287° <

88、/p><p>　　11. 法向齒形角 αn 20.000° </p><p>　　12. 齒頂高系數(shù) ha* 1.00 </p><p>　　13. 頂隙系數(shù) c* 0.20 </p><p>

89、　　14. 蝸桿齒寬 b1 ≥ 65.00 (mm) </p><p>　　15. 蝸輪齒寬 b2 ≤ 24.00 (mm) </p><p>　　16. 是否磨削加工 否 </p><p>　　17. 蝸桿軸向齒距 px

90、 9.90 (mm) </p><p>　　18. 蝸桿齒頂高 ha1 3.15 (mm) </p><p>　　19. 蝸桿頂隙 c1 0.63 (mm) </p><p>　　20. 蝸桿齒根高 hf1

91、 3.78 (mm) </p><p>　　21. 蝸桿齒高 h1 6.93 (mm) </p><p>　　22. 蝸桿齒頂圓直徑 da1 41.80 (mm) </p><p>　　23. 蝸桿齒根圓直徑 df1 2

92、7.94 (mm) </p><p>　　24. 漸開線蝸桿基圓直徑 db1 15.36 (mm) </p><p>　　25. 漸開線蝸桿基圓導程角 γb1 22.296° </p><p>　　26. 蝸輪分度圓直徑 d2 126.00 (mm) </p>

93、<p>　　27. 蝸輪喉圓直徑 da2 96.80 (mm) </p><p>　　28. 蝸輪齒根圓直徑 df2 82.94 (mm) </p><p>　　29. 蝸輪齒頂高 ha2 -14.60 (mm) </p><p>　　

94、30. 蝸輪齒根高 hf2 21.53 (mm) </p><p>　　31. 蝸輪齒高 h2 6.93 (mm) </p><p>　　32. 蝸輪外圓直徑 de2 ≤ 101.52 (mm) </p><p>　　33. 蝸輪齒頂圓弧

95、半徑 Ra2 14.60 (mm) </p><p>　　34. 蝸輪齒根圓弧半徑 Rf2 21.53 (mm) </p><p>　　35. 蝸桿軸向齒厚 sx1 4.95 (mm) </p><p>　　36. 蝸桿法向齒厚 sn1

96、 4.87 (mm) </p><p>　　37. 蝸輪分度圓齒厚 s2 -8.18 (mm) </p><p>　　38. 蝸桿齒厚測量高度 ha1' 3.15 (mm) </p><p>　　39. 蝸桿節(jié)圓直徑 d1' -

97、0.00 (mm) </p><p>　　40. 蝸輪節(jié)圓直徑 d2' 126.00 (mm) </p><p>　　4.1.4 蝸蝸輪精度</p><p>　　--------------------------------------------------------------------------------

98、--</p><p>　　項目名稱 蝸 桿 蝸 輪 </p><p>　　----------------------------------------------------------------------------------</p><p>　　1. 第一組精度

99、 8 8 </p><p>　　----------------------------------------------------------------------------------</p><p>　　2. 第二組精度 8 8 </p><p>　　----

100、----------------------------------------------------------------------------</p><p>　　3. 第三組精度 8 8 </p><p>　　-----------------------------------------------------

101、---------------------------</p><p>　　4. 側(cè) 隙 f f </p><p>　　--------------------------------------------------------------------------------</p><p&g

102、t;　　4.1.5 強度剛度校核結(jié)果和參數(shù)</p><p>　　1. 許用接觸應力 251.04 (N/mm^2) </p><p>　　2. 計算接觸應力 119.54 (N/mm^2) 滿足</p><p>　　3. 許用彎曲應力

103、 30.40 (N/mm^2) </p><p>　　4. 計算彎曲應力 15.71 (N/mm^2) 滿足</p><p>　　5. 許用撓度值 0.0710 (N/mm^2) </p><p>　　6. 計算撓度值

104、 0.0225 (N/mm^2) 滿足</p><p>　　1. 蝸桿圓周力 Ft1 136.34 (N) </p><p>　　2. 蝸桿軸向力 Fx1 -735.88 (N) </p><p>　　3. 蝸桿徑向力 Fr1 -272

105、.02 (N) </p><p>　　4. 蝸輪圓周力 Ft2 735.88 (N) </p><p>　　5. 蝸輪軸向力 Fx2 -136.34 (N) </p><p>　　6. 蝸輪徑向力 Fr2 272.02 (N) </p&g

106、t;<p>　　7. 蝸輪法向力 Fn -795.35 (N) </p><p>　　8. 滑動速度 Vs 0.24 (m/s) </p><p>　　9. 蝸桿傳動當量摩擦角 ρv 3.720° </p><p>　　1

107、0. 蝸桿傳動效率 η 0.69 </p><p>　　11. 蝸桿的嚙合效率 η1 0.72 </p><p>　　12. 攪油損耗 η2 0.97 </p><p>　　13. 滾動軸承效率 η3

108、 0.98 </p><p>　　14. 使用系數(shù) Ka 1.02 </p><p>　　15. 動載荷系數(shù) Kv 1.05 </p><p>　　16. 載荷分布系數(shù) Kβ 1.00 </p>&l

109、t;p>　　17. 材料的彈性系數(shù) ZE 155.00 </p><p>　　18. 滑動速度影響系數(shù) Zvs 1.00 </p><p>　　19. 壽命系數(shù) ZN 1.26 </p><p>　　20. 齒形系數(shù) Yfs

110、 10.59 </p><p>　　21. 導程角系數(shù) Yβ 0.88 </p><p>　　22. 蝸桿截面慣性矩 I 29914.07 (mm^4)</p><p>　　23. 彈性模量 E 207000.

111、00 (N/mm^2) </p><p>　　24. 蝸桿兩端支承點的跨度 L 280.00 (mm) </p><p>　　4.1.6 自然通風散熱計算</p><p>　　1. 熱導率 k 8.70 ( W / m^2 ℃ ) </p><p>　　2.

112、 散熱的計算面積 A 0.57 (m^2) </p><p>　　3. 冷卻的箱殼表面積 A1 0.40 (m^2) </p><p>　　4. 補充的箱殼表面積 A2 0.35 (m^2) </p><p>　　5. 潤滑油溫度 t1

113、 45 ( ℃ ) </p><p>　　6. 周圍空氣溫度 t2 20 ( ℃ ) </p><p>　　7. 損耗的功率 Ps 0.12 ( kW ) </p><p>　　8. 能散出的功率 Pc

114、 0.13 ( kW ) 滿足</p><p>　　4.2蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計：</p><p>　　軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。</p><p>　　軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(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)計不合理，會影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會增加軸的制造成本和軸上零件

115、裝配的困難度。因此，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是軸設(shè)計中的重要內(nèi)容。</p><p>　　軸的結(jié)構(gòu)主要取決以下因素：軸在機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，所以軸沒有標準的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計時，必須針對不同情況進行具體的分析。但是，不論何種具體條件，軸的結(jié)構(gòu)都應滿足：軸和裝在

116、軸上的零件要有準確的工作位置；軸上的零件應便以裝拆和調(diào)整；軸應具有良好的制造工藝性等。</p><p>　　軸的工作能力設(shè)計指的是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強度。這時只需對軸進行強度計算，以防止斷裂或塑性變形。而對剛度要求高的軸（如車床主軸）和受力大的細長軸，還應進行剛度計算，以防止工作時產(chǎn)生過大的彈性變形。對高速運轉(zhuǎn)的軸，還應進行振動穩(wěn)定性計算，以防止發(fā)生共振