管道機器人畢業(yè)設(shè)計正文

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設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 1 第一章 概述 1. 1 機器人概述 機器人 920年至 1930年期間在捷克作家凱勒爾 *凱佩克（ 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 “。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） ： 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 2 當于人的大腦） ； 當于人的手） ； 當于人的腳） ； 器人還必須有感覺裝臵以及與外界環(huán)境聯(lián)系的裝臵（相當于人的口、耳、眼、鼻以及皮膚上的感覺神經(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(yīng)性。①通用性：具有完成各種任務(wù)以及以不同的方式完成相同的結(jié)構(gòu)或機械能力。這意味著機器人的機械結(jié)構(gòu)具有可變的機械形狀。② 自動適應(yīng)性： 是指一個機器人必須被設(shè)計成由其自己去完成任務(wù)，盡管難以預知 ， 但卻可以有限的知道在完成任務(wù)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(wù)。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（ 分類方法： 第一類：手工操作裝臵：一種由操作人員操作的具有若干個自由度（ 裝臵； 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(wù)的操作裝臵，對任務(wù)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臵，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(wù)，而機器人控制裝臵則記錄其運動軌跡，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(wù)； 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 3 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)任務(wù)； 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(wù)。 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(shù)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(shù)，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(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機器人技術(shù)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(wù)機器人等各種用途的特種機器人也正以飛快的速度向?qū)嵱没~進。 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(shè)施 , 得到了廣泛應(yīng)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 , 管道機器人就是為解決這一實際問 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 4 題產(chǎn)生的。它是由可沿管道內(nèi)部或外部自動行走裝臵、攜有一種或多種傳感器及操作裝臵如：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： 裝過程中的管內(nèi)外質(zhì)量檢測。 涂、焊接、內(nèi)部拋光等維護。 面腐蝕、裂縫破損等故障診斷。 救等其它用用途。 內(nèi)外管道機器人的發(fā)展 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“ 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(gòu)同步運動作業(yè)無纜操作技術(shù) , 并研制了鏈式和鋼帶式兩種新型管外旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。該系統(tǒng)由六大部分組成 (1)移動載體 (2)視覺定位 (3)收放線裝臵 (4) (5)檢測控制 ,系統(tǒng)控制 (6)防護系統(tǒng) 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9上海交通大學研發(fā)了小口徑管道內(nèi)蠕動式移動機構(gòu)。它是模仿昆蟲在地面上爬行時蠕動前進與后退的動作設(shè)計的。其主要機構(gòu)由撐腳機構(gòu)、三個氣缸（前氣缸、中氣缸、后氣缸）、軟軸、彈簧片、法蘭盤組成。針對微小空間、微小管道實時探測的要求，研制成電磁驅(qū)動微小型管道機器人樣機。微小管道機器人由 四個電磁驅(qū)動單元組成。其驅(qū)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(shè)計制作了蠕動式微動直線自行走機構(gòu)。這種行走機構(gòu)以電致伸縮微位移器做驅(qū)動器，以電磁鐵機構(gòu)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(jié)構(gòu)獨特的，像蠕蟲一樣的微管道機器人的運動由電磁力驅(qū)動。機器人由前后兩個電磁線圈和前后兩個驅(qū)動器組 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 6 成。 當分別通電時，機器人的兩個驅(qū)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(qū)動器 )向前推進一段距離；反向運動依次類推。 外管道機器人的發(fā)展 國外關(guān)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(shù)、計算機技術(shù)、自動化技術(shù)的發(fā)展 , 管道檢測機器人技術(shù)于 90 年代初，得到了迅猛發(fā)展并接近于應(yīng)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(lǐng)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 下介紹 管道機器人：如圖（ 1）所示 , 其采用“電機 - 蝸輪蝸桿 - 驅(qū)動輪”的驅(qū)動方案 , 同時每個驅(qū)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(qū)動輪以垂直的姿態(tài)運動。該管道機器人系統(tǒng)通過 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(chǔ)雄厚 , 技術(shù)先進 , 并有很多管道機器人產(chǎn) 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 7 品。 美國 國紐約煤氣集團公司 (的 卡內(nèi)基梅隆大學機器人技術(shù)學院的 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) ——— 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 ( 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) 管道機器人的彩色攝像頭采用嵌入式“魚眼”鏡頭 , 結(jié)構(gòu)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)部缺陷的確切位臵并且定位相應(yīng)的作業(yè)裝臵 ; 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 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 8 000年研制成功了多關(guān)節(jié)蠕蟲式管道機器人系統(tǒng) ——— 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(qū)動 , 使得 從而可以輕松 越過障礙物或?qū)崿F(xiàn)拐彎運動 ,該管道機器人系統(tǒng) 1 個自由度 , 長度為 2m, 質(zhì)量為 50采用無纜控制方式 , 300～<600拿大 履帶采用剛性支承結(jié)構(gòu) , 兩履帶的夾角可以調(diào)節(jié) , 以適應(yīng)不同的作業(yè)管徑。兩履帶調(diào)節(jié)到平行位臵時 , 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式管內(nèi)機器人行走機構(gòu)的兩履帶夾角在行走過程中是無法改變的 , 因此不適應(yīng)管徑變化的作業(yè)場合。 而且一次作業(yè)的檢測距離不大于 500m; 立伺服驅(qū)動方案研制成管道檢測機器人系統(tǒng) 該機器人系統(tǒng)只能實現(xiàn)對200 一次檢測距離為 400m, 系統(tǒng)采用拖纜控制方式。 器人的發(fā)展 前景 展望 21世紀機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢，明顯地向著智能化（ 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（ 產(chǎn)系統(tǒng)。具體地說，傳感型智能機器人發(fā)展較快，新型智能技術(shù)（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(luò)和專家系統(tǒng)等）在機器人上得到開 發(fā)與應(yīng)用，采用模塊化設(shè)計技術(shù)，進一步推動機器人工程，注意開 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 9 發(fā)微型和小新機器人，重視研制行走機器人，研制應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)環(huán)境下工作地非制造業(yè)機器人和服務(wù)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(guān)，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。 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 10 第二章 總體方案的制定及比較 道機器人設(shè)計參數(shù)和技術(shù)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φ 700道底部每周可形成厚約 100 b．煙灰密度 ； 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 50機器人傾倒垃圾； （ 2）管道機器人的技術(shù)要求 a. 機器人必須小巧、靈活、拆卸方便； b．生產(chǎn)能力高，每小時清潔能力應(yīng)在 40 c．機器人在工作過程中，其結(jié)構(gòu)可適應(yīng)應(yīng) 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； 體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和比較 （ 1）行走機構(gòu)的設(shè)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(qū)動力，隨著管內(nèi)流 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 11 體的流動向前運動，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 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(zhuǎn)彎容易，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)性能較好，越障能力極強，可適應(yīng)不同管徑的變化。缺點是結(jié)構(gòu)和控制復雜，行走速度慢。 ㈤蠕動移 動式的優(yōu)點是適應(yīng)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(yīng)不同管徑的變化，可在垂直管道中行進。缺點是結(jié)構(gòu)復雜，移動速度慢，驅(qū)動力要求高。 根據(jù)設(shè)計參數(shù)和技術(shù)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(gòu)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(gòu)有一定的拐彎能力和越障能力。所以，設(shè)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(gòu)。 其特點是：移動速度快、轉(zhuǎn)彎比較容易、有較大牽引力、對粗糙路面適應(yīng) 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(yīng)性。 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 12 （ 2）操作機構(gòu)的設(shè)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(gòu)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 50大部分時間都在行走上，所以機器人的工作效率很低。 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 13 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(shè)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(gòu)的設(shè)計 由于管徑的變化，需要撐開機構(gòu)來適應(yīng)管徑的變化。在本機器人設(shè)計中，采用滾珠絲杠螺母副來和放大桿組來實現(xiàn)。 其機構(gòu)簡圖如下 圖所示 ： 1— 基 座 2— 放大桿組 3— 撐開桿 4— 絲 杠 5— 絲杠螺母 6— 行走機構(gòu) 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(gòu) 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 14 當絲杠 4旋轉(zhuǎn)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(yīng)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(shè)計的管道清潔機器人包括以下 五部分： ㈠行走裝臵 （為整個行走提供動力）； ㈡撐開桿組 （適應(yīng)管徑的變化）； ㈢操作臂裝臵（操作臂包括吸塵器的操作部分和傾倒垃圾部分）； ㈣信號采集裝臵（為控制提供信號和圖像）； ㈤控制裝臵（控制管道清潔機器人行走和動作）。 ㈠行走裝臵 ㈡撐開桿組 ㈢操作臂裝臵 ㈣信號采集裝臵 ㈤控制裝臵 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 15 第三章 部件的設(shè)計和計算 道機器人工作量計算 由于管道直徑是變化的，變化范圍為（ 7001000通過計算當管道直徑為 1000堆積相對底部為 100圖下圖所示；每 50 其中 h=100d=1000 R=d/2=1000/2=500 a=0000 2 2 2 25 0 0 4 0 0 3 0 0b R a? ? ? ? ?mm a r c t a n ( / ) a r c t a n ( 3 0 0 / 4 0 0 ) 3 6 . 8 7? ? ? 22922123 6 0 22 3 6 . 8 7 15 0 0 2 4 0 0 3 0 03 6 0 24 . 0 8 8 1 0s R a ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ???由于每隔 50以總的工作量： 4 3 9 35 0 1 04 . 0 8 8 1 0 5 0 1 0 2 . 0 4 1 0l m l m m??? ? ? ? ? ? ? 又因為煙灰的 密度為 33 g ? 9 3 6 33 . 5 2 . 0 4 1 0 1 0 7 . 1 5 1 0 7 . 1 5 1 0m V g k g? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? h=100mm d=1000=50000b ? 0s 3935 0 1 02 . 0 4 1 0l m mV m m????33 g ? 37 1 0m 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 16 走機構(gòu)的設(shè)計和計算 （ 1）行走機構(gòu)的驅(qū)動電機功率的預算 預取管道清潔機器人的容積為 33 5 3 5 3 5 4 2 8 7 5 c ? ? ?容 ; 5m 3 . 5 4 2 8 7 5 1 . 5 0 1 0 g 1 5 0 k ? ? ? ? ?ρ ； m g 1 5 0 9 . 8 1 4 7 0 . 6? ? ? 管道機器人在裝滿的情況下，受力圖如左圖所示：其中預取： '1 40012 c o s 6 0 F G F? ? ? ? ?21F G F? ? ?=00 =于履帶是三組；成 120°分布；受到的是摩擦阻力 ; 212F F F? ? ? ? ? ?驅(qū) μ μ（其中μ是橡膠與鋼之間的摩擦系數(shù) ） =2× 400 =管道機器人的工作行程速度 V 為： V=s 3 3 1 2 . 9 6 0 . 5 1 6 5 6 . 4 8W F V W? ? ? ? ? ?驅(qū)總（ 由于是三組履帶，所以每個履帶的驅(qū)動電機至少為： W=3＝ 3=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(zhuǎn)彎；所以 選擇伺服電機，最終選擇 服電機（安川公司）。 342875容 m 150 2F= ?驅(qū) =s =設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 17 （ 2）行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計 ①確定行走機構(gòu) 由于管道直徑最小時， D=700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(gòu)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(qū)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50 其次， 確定 履帶的長度。履帶的長度越長其轉(zhuǎn)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=580 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 =7001000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(shè)計，后最終確定高度 H=175 ② 確定行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu) 由于外形尺寸的限制，電機內(nèi)臵在履帶組中，同時采用錐齒輪來換向 ，最后驅(qū)動履帶輪。其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示： 50=580=175構(gòu)總圖 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 18 1— 軸 01 2— 電機 3— 小錐齒輪 4— 驅(qū)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(gòu)中的履帶輪和履帶輪 采用同步帶的結(jié)構(gòu)來設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)計手冊 13 齒 形：梯 形 齒距制式：模數(shù)制 型 號： 距：次，設(shè)計帶輪：（查機械設(shè)計手冊 13 (1)初選帶輪的次數(shù)： 17z? ； 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 : m= 7 ?? ⑸節(jié)圓直徑 : 7 1 7 1 1 9d m z m m? ? ? ?； ⑹ 模 數(shù)： 7m? ； ⑺ 齒側(cè)間隙： 1； 7z? 2φ=40° 119d 7m? 1 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 19 ⑻名義徑向間隙：0 ； ⑼徑向間隙：0 0 . 4 1 . 3 7 0 . 4 7 3 . 8 3 6e e m? ? ? ? ? ?； ⑽外圓直徑：0 2 1 2 0 2 1 . 7 5 0 1 1 6 . 5? ? ? ? ? ?中δ = ⑾外圓齒距：00( ) / 3 . 1 4 1 1 6 . 5 1 7 2 1 . 5 2 9p d z m m?? ? ? ? ?； ⑿ 外圓齒槽寬：0 1 0 . 0 6 1 1 1 . 0 6mb s c m m? ? ? ? ?； ⒀ 齒槽深： 4 . 2 3 . 8 3 6 8 . 0 3 6h e? ? ? ? ?； ⒁ 齒槽底寬： 7； ⒂ 齒根圓角半徑： 0 . 2 5 0 . 2 5 7 1 . 7 5? ? ?； ⒃ 0 . 2 5 0 . 2 5 7 1 . 7 5? ? ?； 最后，設(shè)計履帶：（查機械設(shè)計手冊 13 由于采用同步帶的結(jié)構(gòu)來設(shè)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(jié)構(gòu)尺寸 設(shè)計履帶。 ⑴ 節(jié) 距： ⑵ 齒形角： 2β=40°； ⑶ 齒根厚：σ = ⑷ 齒 高： ⑸ 帶 高： ； ⑹ 齒頂厚： 7； ⑺ 節(jié)頂距：δ = ⑻ 帶 寬： 115sb 0 0d=p=b= β=40° σ= 7 δ=15sb 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 20 ④ 確定大小錐齒輪參數(shù) （詳細的設(shè)計過程見第五章） 整個行走裝臵里，錐齒輪的主要作用 遞動力。同時考慮到其完全在行走裝臵內(nèi)部，尺寸受到限制。根據(jù)以上的因素，設(shè)計大小錐齒輪的具體參數(shù)。 根據(jù)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，采用軸交角 90?? 。 齒輪類型為：直齒錐齒輪 、 齒形制為 12369— 1990,齒形角為 20° 、 齒頂高系數(shù) *、頂隙系數(shù) * 。（查機械設(shè)計手冊 14 大錐齒輪的次數(shù)1 30z ?;小錐齒輪的次數(shù)2 23z ?。大小錐齒輪的具體參數(shù)分別如下： （查機械設(shè)計手冊 14 大錐齒輪： ⑴法向模數(shù)： ⑵齒 數(shù)： 30z? ； ⑶法向齒形角： 20⑷分度圓直徑： 3 0 2 . 5 7 5d m z m m? ? ? ? ⑸分度圓錐角：11230c o t c o t 5 2 3 1 ' 2 6 "23za r c a r ? ? ? ⑹ 齒頂圓直徑： *12 c o d h m ???=75+2× 1× 2 31 ' 26 " = 齒根圓直徑： **12 ( ) c o d h c m ?? ? ?大錐齒輪： 30z? 20 75d 1 5 2 3 1 ' 2 6 "? ?設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 21 =75 1+× 2 31 ' 26 " = 錐 距：221212 s i n 2m z mR z z?? ? ? = 222 0 2 32 ??=齒頂角： *a r c ta n ? = 1 2 3?=3° 1′ 43″ ⑽齒根角： **()a r c t a n c ?? = (1 0 . 2 ) 2 . 5a r c t a . 2 5 3??=3° 47′ 1″ ⑾頂圓錐角：? ???= 52 31'26" +3° 1′ 43″ =55° 33′ 9″ ⑿ 根圓錐角：? ???= 52 31'26" 47′ 1″ =48° 44′ 25″ ⒀ 齒 寬 ： b=25R? 5 3 3 ' 9 "a? ? 4 8 4 4 ' 2 5 "f? ? b=25設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 22 小錐齒輪： ⑴法向模數(shù)： ； ⑵齒 數(shù)： 23z? ； ⑶法向齒形角： 20⑷分度圓直徑： 2 3 2 . 5 5 7 . 5d m z m m? ? ? ? ⑸分度圓錐角：11230c o t c o t 3 7 2 8 ' 3 4 "23za r c a r ? ? ? ⑹齒頂圓直徑： *12 c o d h m ???=× 1× 7 28 ' 34 " =齒根圓直徑： **12 ( ) c o d h c m ?? ? ?= 1+× 7 28 ' 34 " = 錐 距：221212 s i n 2m z mR z z?? ? ? = 222 0 2 32 ??=齒頂角： *a r c ta n ? = 1 2 3?=3° 1′ 43″ 小錐齒輪： 23z? 20 d? ?? 37 28'34"? 1' 43"a? ? 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 23 ⑽齒根角： **()a r c t a n c ?? = (1 0 . 2 ) 2 . 5a r c t a . 2 5 3??=3° 47′ 1″ ⑾頂圓錐角：? ???= 37 28'34" +3° 1′ 43″ = 41 30'17" ⑿根圓錐角：? ???= 37 28'34" 47′ 1″ = 33 41'33" ⒀齒 寬 ： b=25⑤ 確定直齒輪的參數(shù) （詳細的設(shè)計過程見第五章） 在整個行走裝臵中，直齒輪的作用，主要是傳遞動力。根據(jù)行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)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， 齒頂高系數(shù) *、頂隙系數(shù) * 。齒數(shù) z=40， 。 其具體參數(shù)如下： ⑴ 分度圓直徑：1 2 . 5 4 0 1 0 0d m z m m? ? ? ?⑵ 齒 頂 高： * 1 2 . 5 2 . 5h m? ? ? ?⑶ 齒 根 高： **()h c m??(1 0 ) 2 ? ? = 47 '1"f? ? a?? 41 30'17"f? ? 33 41'33"b=25d=100mm .5 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 24 ⑷ 全 齒 高：h h??= 齒頂圓直徑：112d h??=100+2× 105齒根圓直徑：112d h??=100齒 厚： / 2 3 . 1 4 2 . 5 2 3 . 9 2 7 ? ? ? ? ⑻齒 根 寬： / 2 3 . 1 4 2 . 5 2 3 . 9 2 7 ? ? ? ? ⑼中 心 距： 100a d ⑽頂 隙： * 0 . 2 5 2 . 5 0 . 6 2 5c c m? ? ? ? 開機構(gòu)和放大桿組的設(shè)計 撐開機構(gòu) 采用絲杠螺母和放大桿組的結(jié) 合，來適應(yīng)管徑的變化。 通過作圖法 來模擬最小 （圖 a） 、最大管徑 （圖 b） 時的情況 （在 ，按比例 1： 1）如下 圖所示： （圖 a） h? 105 9 3 fd m m? 100a 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 25 圖（ b） 最后量 出 各 桿件的長度： 撐開桿桿長： 200cl 放大桿桿長： 300fl 由于在其之上安裝了壓力彈簧，其實際桿長為 330— 380 鉸接處的位臵： 在放大桿組 90。 作臂的設(shè)計 操 作臂包括吸塵器的操作臂和拉開卸料門的桿件機構(gòu)。 ⑴吸塵器操作臂的設(shè)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(yīng)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(shè)計了具有兩個平面自由度的桿件機構(gòu)來實現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)如下 頁 圖 （ c） 所示： 200cl 300fl 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 26 圖 （ c） 其各個桿 件的參數(shù)見零件圖。其驅(qū)動電機采用 直流伺服電機。功 率為 120W。 ⑵卸料門的拉開桿件的設(shè)計 當垃圾箱裝滿時，重量能達到 時電機的驅(qū)動功率 120W，驅(qū)動力較?。凰?，在設(shè)計時采用“死點”的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)卸料門的開合。 工作原理： 當卸料門閉合式，連桿處于死點位臵 即位臵 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(qū)動電機通電， 讓連桿而破壞死點的狀態(tài)，在灰塵的重力和連桿的拉力下，卸料門打 開即位臵 2。當灰塵傾倒完后，連桿推動連桿而回到位臵 1。 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 27 其結(jié)構(gòu)簡圖見圖（ d）所示： 圖（ d） 各個桿件的長度，根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)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0連桿50連桿2005020 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 28 第四章 控制原理 的設(shè)計 制原理的分析和設(shè)計 我們擬將兩對光電傳感器（記為 和 ）分別臵于本管道清潔機器人前后兩側(cè)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(zhuǎn)彎。見下面示意圖： 將一對超聲波測距傳感器 (記為 別臵于本管道清潔機器人車體前后適當位臵，用來檢測其前進或后退時管徑的變化情況，以使 動相關(guān)電機做出相應(yīng)的動作。 另外，將一個光電傳感器 (記為 于吸塵裝臵下方適當位臵，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 于垃圾箱底板適當位臵，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(zhuǎn)而倒垃圾。另外一個超聲波傳感器 (記為 于裝灰塵的垃圾箱下方適當位臵，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 動相關(guān)電動機作出傾倒灰塵的 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 29 動作；再將一個霍爾轉(zhuǎn)數(shù)檢測傳感器（記為 于履帶輪軸附近適當位臵， 用來檢測臵于率帶輪軸上的磁極的旋轉(zhuǎn)信號，從而測出率帶輪轉(zhuǎn)動圈 數(shù)，進而通過 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 、 聲波傳感器 E 工作實時檢測收集各信息； ② 一旦光電傳感器 測到吸塵裝臵下方的灰塵清理干凈，則 送指令驅(qū)動主運動電機組（記為 作，即機器人前進。又當 測到吸塵裝臵下方又有灰塵則 次發(fā)送指令使主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，這時候臵于垃圾箱底部 的壓力傳感器就把檢測到的信號傳遞給 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(zhuǎn)數(shù)檢測傳感器 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 送指令使主運動電機反轉(zhuǎn)即令機器人后退，并且開始接收超聲波傳感器 信號，以判斷是否已到請接口上方（超聲波傳感器 臵一定要放恰當，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 送指令使主運動電機正傳即令機器人前進，并且開始接收超聲波傳感器 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， 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 30 若是則運行步驟⑥； ⑥ 發(fā)送指令停止主運動電機，即使機器人停下，然后驅(qū)動垃圾箱開關(guān)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(qū)動垃圾箱開關(guān)電動機關(guān)閉垃圾箱。然后 送指令使機器人反向運動并且停止接收超聲波傳感器 信號而開始接收光電傳感器 信號以判斷是否已回到上次清潔干凈的位臵。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 接收光電傳感器組 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(zhuǎn)過彎道；而當后退過程中則要接收光電傳感器組 實時信號，以使本管道清潔機器人能在后退時也順利轉(zhuǎn)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 退時則是通過超聲波傳感器 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(yīng)管徑的變化。從而使其順利地完成工作。 要控制流程圖 主要的控制流程圖，見下頁圖（一）： 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 31 主程序流程圖 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 32 第五章 其它 小錐齒輪的設(shè)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 40制處理，硬度為 280齒輪的材料為 45鋼，調(diào)制處理 ④ 初選小齒輪的齒數(shù)1 21z ?；大齒輪的齒數(shù)為2 27z ?。 ⑵按齒面接觸疲勞強度設(shè)計計算 ? ?131 21 9 5 . 1t ?① 根據(jù)軸承布臵方式和載荷的沖擊情況，取 K= ② 查附錄 2（機械設(shè)計、機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計）得小齒輪的接觸疲勞極限為： li m 1 600H M p a? ?大齒輪的接觸疲勞極限為： l i m 2 550H M p a? ?計算接觸疲勞許用應(yīng) 力： ? ?l i m 11 0 . 9 0 . 9 6 0 0 5 4 0 p a??? ? ? ?? ? l i m 22 0 . 9 0 . 9 5 5 0 4 9 5 p a??? ? ? ? ? ? ? ? ? ?12 5 4 0 4 9 5 5 1 7 . 522 p a??? ? ?? ? ?? ?1 540H M ? ? ?2H? ? 495 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 33 ③計算小齒輪的分度圓直徑 ? ?131 21 9 5 . 1t ?=?3 21 . 8 3 6 . 11 . 3 0 4 5 1 7 . 5? ??中 ? 109 5 5 0 / n?9 5 5 0 0 . 8 2 1 1 . 0 6? ? ? =按 齒根彎曲疲勞強度設(shè)計 計算 ? ?13 2 2 213 . 2 1 K T ?? ?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： 12227c o t c o t 5 2 0 7 ' 2 5 "21za r c a r ? ? ?1?? 37 52 '35"當量齒數(shù)為： 1 1 1/ c o s 2 1 / c o s ( 3 7 5 2 ' 3 5 " ) 2 6 . 6 3 1? ? ?2 2 2/ c o s 2 7 / c o s ( 5 2 0 7 ' 2 5 " ) 4 3 . 9 0 4? ? ?查附錄 2得：124 . 5 8 ; 4 . 7 5F S F ② 由附錄 2得，小齒輪的彎曲疲勞極限為： l i m 1 280F M p a? ?大齒輪的彎曲疲勞極限為： 1? 1T=?=52 07'25" 1 3 7 5 2 ' 3 5 "? ?1 2 1 2 li m 1 280F M p a? ? 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 34 l i m 2 220F M p a? ?③ 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力： ? ?l i m 11 1 . 4 1 . 4 2 8 0 3 9 2 p a??? ? ? ?? ? l i m 22 1 . 4 1 . 4 2 2 0 3 0 8 p a??? ? ? ? ? ?1 1/ 4 . 5 8 / 3 9 2 0 . 0 1 1 6 8 ;F S ??? ?2 2/ 4 . 7 5 / 3 0 8 0 . 0 1 5 4 2 2 ;F S ?? 大齒輪數(shù)值大，代入計算 ④ 計算：? ?13 2 2 213 . 2 1 K T ?? ?=3 2 2 21 . 8 3 6 . 1 4 . 5 83 . 22 7 1 . 3 0 4 1 3 0 8????= m=： 11 5 3 . 8 5 6 2 1 . 5 42 . 5 2 . 5 ? ?取1 23z ?21 2 3 1 . 3 0 4 2 9 . 9 9 2? ? ? ?，取2 30z ?； ⑤ 錐距為： 22122mR z z?? = 分度圓直徑為： 11 2 . 5 2 3 5 7 . 5d m z m m? ? ? ?22 2 . 5 3 0 7 5d m z m m? ? ? ?⑦ 分度圓錐角為： 2 2 1a r c t a n ( / ) a r c t a n ( 3 0 / 2 3 )? ? ?52 31'26"，1 3 7 2 8 ' 3 4 "? ?li m 2 220F M p a? ?? ?1 392F M ? ? ?2 308F M ?? ?1 1/ 0 1 6 8F S ?? ?2 2/ 0 5 4 2 2F S ?m? 23z ?2 30z ?4 7 3R 1d? 5?? 52 31'26"1 3 7 2 8 ' 3 4 "? ? 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 35 ⑧ 齒 寬 ： b=25Ⅰ 的設(shè)計和校核 1. 按扭轉(zhuǎn)強度條件，初步估計軸徑： 300中0A=110，查機械設(shè)計（ 15 0 . 8 0 . 9 5 0 . 7 6 k w?? ? ? ?1 6 1 7 /n r m? 代入上面得值，計算可得： 0 1 8 3d m m?由于軸上有一鍵槽，所以：0( 1 0 . 0 7 ) 1 9 . 7 7 4d d m m? ? ?，取軸的最小直徑為： d=20 2. 軸的結(jié)構(gòu) 簡圖如下： 3. 按彎扭合成強度進行強度校核 ①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(jié)構(gòu)尺寸，做出其受力簡圖如下圖所示： b=25 1 6 1 7 /n r m? 0 1 8 3d m m?d? d=20 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 36 ② 校核所需要的基本參數(shù) 20 48 62 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： 2122TF ?32 3 6 . 1 1 0 0 . 9 5100? ? ??= 20 48 62 直齒輪： 設(shè)計內(nèi)容 主要結(jié)論 37 t a n 6 8 5 . 9 t a n 2 0 2 4 9 . 6 4 7B r B t N?? ? ? ?B: 錐齒輪的齒輪嚙合力 1. 齒輪圓周力：2122TF ?32 3 6 . 1 1 0 0 . 9 575? ? ??= 2. 齒輪徑向力：1t a