1本科畢業(yè)論文（設(shè)計）論文題目：管道爬行器的研究與設(shè)計學(xué)生姓名： 所在院系： 機(jī)電學(xué)院所學(xué)專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化導(dǎo)師姓名： 完成時間：2摘 要本課題是在對管道爬行器的結(jié)構(gòu)和運動研究分析的基礎(chǔ)上。本次設(shè)計在Solidworks 的基礎(chǔ)上構(gòu)建管道爬行器的若干套三維造型，然后依據(jù)要求進(jìn)行選擇。最終方案采用列車連接結(jié)構(gòu),伸縮結(jié)構(gòu)和“傘” 型結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)管道內(nèi)部的彎道和大范圍內(nèi)徑變化管道。通過電氣控制，使各電機(jī)順序動作以完成通過十字型和丁字型等較復(fù)雜的管道,通過新型吊環(huán)的調(diào)節(jié)始終保持?jǐn)z像裝置與水平面的平行。對管道爬行器的控制要求，采用常規(guī)的電氣控制分析方法設(shè)計電氣部分的控制電路，最終方案采用人工控制電機(jī)的順序動作進(jìn)行管道內(nèi)的轉(zhuǎn)彎，里程計反饋信息與管道工程圖相結(jié)合的方法來進(jìn)行爬行器的定位。為研究管道爬行器打下了一定的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：自適應(yīng)性，伸縮結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑變化，新型吊環(huán)，Solidworks3The research and design of piping crawl robotAbstractThe question for discussion base on the structure of piping crawl robot an-d the moving investigation'analyze. This project bases on Solidworks to concei-ve some 3D sculpt of crawl r-obot, then by requestion carry through choose. The final scheme adopt the structure about train and flex structure and umbrellastructure, for the sake of adapting tothe pipeline that can change radius in gr-eat range. And succeed overpassing crossmodel and t-shaped model complicatedpiping by the sequentially-operation of the electric motor ,and always can keepparallel state between vidicon setting and horizontalgeby adjusting by the newfiying rings system.Gave the request for the contral of piping crawl robot. Ad-opt nomothetic approach about electrical control analysis for control circuit des-ign ofelectric parts.The final project adopt the manual control the electr-ic mot-or’s sequentially-operating make the machine pass the curved conduit.To adopt the way which use milemeter feedback information couple with piping’s sched-ule drawing for allocation.The paper lays the theoretic foundation for research piping crawl robotKeywords: From the adaptability, Flexible structure, Inside the path variety,New fiying rings system,Solidworks4目 錄1 緒論 12 設(shè)計方案初步分析 22.1 無線控制與有線控制的選擇 .22.1.1 有線控制及拖拽 .22.1.2 非拖曳 .22.2 驅(qū)動方式選擇 .22.2.1 輪式爬行 .22.2.2 履帶爬行 .32.3 姿態(tài)調(diào)整的選擇 .32.3.1 加傳感器的關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)整 .32.3.2 利用吊籃方式進(jìn)行調(diào)整 .42.3.3 采用新式吊籃進(jìn)行調(diào)整 .42.4 自適應(yīng)分析 42.4.1 伸縮臂長和加彈簧方式 .52.4.2 伸縮臂長和“ 傘” 型搖桿 .52.5 方案的基本確定 .53 方案一的 設(shè)計與分析 53.1 機(jī)身的設(shè)計 .63.2 機(jī)腿的設(shè)計 .63.2.1 伸縮單元 .73.2.2 變長單元 .83.2.3 關(guān)節(jié)單元 .83.3 驅(qū)動輪的設(shè)計 .83.4 方案一的分析 .94 方案二的 設(shè)計與分析 94.1 機(jī)身的設(shè)計 .94.2 機(jī)身內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計 .94.3 進(jìn)給螺桿與螺母的設(shè)計 .104.4 吊籃的設(shè)計 .104.5 機(jī)腿的設(shè)計 .1154.6 方案二的分析 .115 方案三的設(shè)計與分析 125.1 機(jī)身的設(shè)計 .125.2 機(jī)身內(nèi)部傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計 .135.2.1 進(jìn)給絲杠和螺母的設(shè)計 .135.2.2 選擇聯(lián)軸器 .175.2.3 選擇鍵 .175.3 吊環(huán)的設(shè)計 .185.4 軸承的設(shè)計 .185.5 機(jī)腿的設(shè)計 .195.6 驅(qū)動輪的設(shè)計 .195.7 管道爬行的實現(xiàn) .205.8 管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎的實現(xiàn) .205.9 總體裝配體設(shè)計 .216 管道爬行機(jī)器人的功能分析 217 管道爬行機(jī)器人的動作分析 228 電氣控制基本元器件的選取 228.1 電機(jī)的參數(shù)計算與選取 .228.1.2 驅(qū)動輪電機(jī)的參數(shù)計算 .228.1.3 主電機(jī)參數(shù)計算 .238.1.4 機(jī)器人動力源的選取 .248.2 電源的選取 .248.3 電機(jī)調(diào)速元件的選取 .258.3.1 串聯(lián)電阻調(diào)速方法的實現(xiàn) .258.3.2 新型調(diào)節(jié)脈寬 PWM 型調(diào)速的實現(xiàn) .268.3.3 電機(jī)調(diào)速方法的確定及元件的確定 279 電路設(shè)計 289.1 輪足電機(jī)動作的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的電路設(shè)計 .289.2 前后傘足的張開閉合電路設(shè)計 .289.3 電機(jī)部分總電路設(shè)計 .299.4 電機(jī)順序動作的電路設(shè)計 .309.4.1 人為控制 .309.4.2 邏輯控制 .309.4.3 單片機(jī)/PLC 進(jìn)行自動控制 .3169.5 照明系統(tǒng)的電路設(shè)計 .329.6 管道內(nèi)機(jī)器人定位系統(tǒng)（PDPS）的設(shè)計 .339.6.1 爬行器管道內(nèi)定位方案的提出與分析 .339.6.2 機(jī)器人定位系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計 .3510 結(jié)論 3611 結(jié)束語 37致謝 38參考文獻(xiàn) 38123451 緒論隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，天然氣管道以及各種輸送管道的應(yīng)用越來越多。在我國及世界各個國家內(nèi)，由于地形的限制和土地資源的有限，在地下都埋設(shè)了很多的輸送管道，例如，一方面天然氣管道、石油管道等，在埋有管道的地面上都已經(jīng)建成了很多的建筑物、公路等，給管道的維修和維護(hù)造成了很大的困難。當(dāng)這些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等問題時，人們普通的做法是挖開道路進(jìn)行維修，有些時候如果不能準(zhǔn)確判斷泄露和堵塞的具體位置時，會浪費很多的時間和精力，同時降低了工作效率 [7]。另一方面石油、天然氣、化工、電力、冶金等工業(yè)的管道工程大多采用焊接管路。為了保證焊接管路的焊接質(zhì)量和運行安全,管道工程都要對焊縫進(jìn)行檢測,檢測焊接部位是否存在虛焊、漏焊、傷痕等焊接缺陷。常用的焊縫檢測方法是采用無損檢測,如超聲、射線、渦流等。對于管路檢測,則大多采用管道內(nèi)爬行探傷檢驗設(shè)備(簡稱爬行器) 對焊縫進(jìn)行射線檢測。這類爬行器由于受管道尺寸的限制,大多結(jié)構(gòu)十分緊湊。在檢測過程中,爬行器在其控制系統(tǒng)的控制下,可連續(xù)對同一管道不同位置上的焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢驗?？紤]管道焊縫檢測的效率,常常當(dāng)管道焊接具有一定長度之后,才集中對管道進(jìn)行檢測。如果一次要檢測的管道比較長,爬行器的控制系統(tǒng)應(yīng)采用車載式布置。使用時,通過外部的控制器對爬行器上的控制系統(tǒng)發(fā)出指令,決定爬行器的工作狀態(tài)。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，以及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和管道測試等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相互之間的滲透程度越來越深，管道爬行機(jī)器人是在狹窄空間中進(jìn)行精密操作、檢測或作業(yè)的機(jī)器人系統(tǒng)。其中機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境一般是危險的。火力發(fā)電廠、核電廠、化工廠、民用建筑等用到各種各小管道，其安全使用需要定期檢修。但由于窄小空間的限制，自動維修存在一定難度。僅以核電站為例，檢查時工人勞動條件惡劣。因此管道內(nèi)機(jī)器人化自動檢查技術(shù)的研究與應(yīng)用十分必要。人們不再為了維修、維護(hù)管道時挖開道路，節(jié)省了大量的人力，物力和財力。目前的管道機(jī)器人都是以履帶、輪子等實現(xiàn)在管道中的移動，其技術(shù)有著或多或少的缺陷，市場尚不成熟。例如：不能適應(yīng)大范圍的管道內(nèi)徑變化，運行中姿態(tài)的調(diào)整不夠理想，在十字型、丁字型等較復(fù)雜的管道內(nèi)徑中不能較平穩(wěn)的通過等等；結(jié)合目前管道機(jī)器人所存在的缺點，應(yīng)用機(jī)械設(shè)計、機(jī)械原理等專業(yè)知識，設(shè)計出了新型管道爬行機(jī)器人。此機(jī)器人可實現(xiàn)大范圍內(nèi)的管道內(nèi)徑變化，順利通過十字型、丁字型等較復(fù)雜管道；在運行中的姿態(tài)調(diào)整也得到了較好的解決。62 設(shè)計方案初步分析2.1 無線控制與有線控制的選擇2.1.1 有線控制及拖拽該方式采用機(jī)器人尾部裝夾電纜、信號線、安全繩、其他電路等等，這樣會造成機(jī)器人的牽引力增大，對爬行器的負(fù)載力和足輪的摩擦力提出了更高的要求，尤其是隨著機(jī)器人的深入，牽引繩會成為機(jī)器人的累贅和枷鎖。牽引繩的長短禁錮著機(jī)器人的爬行深度。其優(yōu)缺點如下：缺點：附著力會不斷增大，爬行器負(fù)載變化大，不利于長距離爬行。優(yōu)點：爬行器本身初始載重小（本身不需攜帶能源等） ，信息反饋及時清晰，利于后期觀察，也利于實現(xiàn)在線監(jiān)控。觀察結(jié)束時，可人工使用安全繩退出。2.1.2 非拖曳該方式不需跟隨電纜線，本身有拍攝存儲功能，并且本身攜帶電源等，其優(yōu)缺點如下：缺點：爬行器本身載重加大，需設(shè)計爬行器退出管道方式等。優(yōu)點：爬行器載重恒定，便于爬行器爬行。其在管道內(nèi)行進(jìn)方便，尤其在彎道時，拖曳式的過大的牽引力會使爬行器驅(qū)動輪打滑，不易通過。根據(jù)要求，非拖曳雖有自己強(qiáng)大優(yōu)點，但爬行器在管道內(nèi)出現(xiàn)問題而不能移動時，需要花費很大力氣將爬行器取出?？梢赃x擇有線拖拽式。2.2 驅(qū)動方式選擇根據(jù)設(shè)計要求現(xiàn)擬訂 2 種爬行器驅(qū)動設(shè)計方案（如圖 1，2）：圖 1 輪式爬行 圖 2 履帶式爬行2.2.1 輪式爬行設(shè)計制造簡便，成本低廉。但其穿越障礙能力差，只能穿越高度小于其本身半徑的障礙物。如圖 3。7圖 3 輪式爬行越障2.2.2 履帶爬行越障礙能力高于輪式爬行，但本身設(shè)計制造較復(fù)雜，成本相應(yīng)提高（一個支點最少需 4 輪才可以爬行） [3]。根據(jù)設(shè)計要求本機(jī)器人是在管道內(nèi)行走的機(jī)器人，無需考慮臺階等障礙物的問題，盡量降低成本，在不影響設(shè)計本身功能時，盡可能采用制造工藝簡單，成本低的設(shè)計方案?？梢圆捎幂喪脚佬小?.3 姿態(tài)調(diào)整的選擇根據(jù)要求結(jié)合可行性，可以擬定 3 種方案如下：2.3.1 加傳感器的關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)整在管道爬行時會出現(xiàn)爬行器偏移原來軌道，可用傾斜傳感器進(jìn)行控制?，F(xiàn)擬訂采用改變輪子（履帶）前進(jìn)方向一定角度來進(jìn)行矯正（加關(guān)節(jié)） 。其原理為：通過電磁鐵的吸合，從而控制爬行器的爬行軌跡。關(guān)節(jié)單元裝配圖如圖 4：圖 4 關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)通過關(guān)節(jié)調(diào)整可實現(xiàn)如圖 5：8圖 5 關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)的實現(xiàn)2.3.2 利用吊籃方式進(jìn)行調(diào)整在爬行器內(nèi)安裝吊籃（內(nèi)置攝像觀察裝置） 。當(dāng)爬行器偏斜時，吊蘭因為和機(jī)座為鉸鏈連接，保留一個自由度，由于重力的原因不會隨著爬行器偏斜而偏斜，而是在任何時候都垂直與地面。其在爬行器內(nèi)遇到傾斜時的自動調(diào)節(jié)如圖6。通過吊籃式調(diào)節(jié)，攝像裝置始終保持與水平面平行圖 6 吊籃式的實現(xiàn)2.3.3 采用新式吊籃進(jìn)行調(diào)整根據(jù)吊籃的原理，結(jié)合魯班的榫卯結(jié)構(gòu)，可以采用 2 個偏心圓環(huán)相扣，進(jìn)行重力自由調(diào)節(jié)，其原理如圖 7如圖 7 小環(huán)直徑為 150mm，大環(huán)直徑為 250mm，大環(huán)與小環(huán)相切，小環(huán)的轉(zhuǎn)動并不能帶動大環(huán)的轉(zhuǎn)動，并且大環(huán)會由于重力的作用始終與地9面保持平行?？梢栽诖蟓h(huán)上安裝照 明器件和信號采集器件，是它們能夠與地面保持平行。根據(jù)這種思路，可以 3D造型，進(jìn)行新式吊籃調(diào)節(jié)如圖 8,圖 9。 2.4 自適應(yīng)分析2.4.1 伸縮臂長和加彈簧方式大范圍內(nèi)徑變化（400-1100）在支撐臂上添加變長桿，小范圍內(nèi)在支撐臂上添加彈簧。2.4.2 伸縮臂長和“傘”型搖桿在 400—1100 大范圍內(nèi)的管道中爬行，可通過使支架伸縮來改變。在管道直徑改變不大處爬行，十字型、丁字型等較復(fù)雜管道內(nèi)徑時可通過“傘” 型搖桿閉合控制支撐臂移動以適應(yīng)，通過“傘” 型搖桿與伸縮桿的結(jié)合就可以變換出很多適應(yīng)不同管道內(nèi)徑的條件。以上 2 方案各有其優(yōu)點，相比較下，第 2 種方案更符合要求，但其需要獨立的驅(qū)動單元，因此制造成本遠(yuǎn)高于第 1 種方案。在普通情況下，第 1 種方案足可以適應(yīng)。故再做出三維造型后進(jìn)一步進(jìn)行運動分析。2.5 方案的基本確定通過以上分析，初步確定采用有線拖拽式，但姿態(tài)調(diào)整和自適應(yīng)均存在 3種不同的方案可供選擇，故設(shè)計 3 種總體方案再進(jìn)一步分析。圖 7 吊環(huán)原理圖圖 8 吊籃分裝圖 圖 9 吊籃裝配圖10方案一：姿態(tài)調(diào)整采用關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)，自適應(yīng)采用變長桿和彈簧。方案二：姿態(tài)調(diào)整采用吊籃方式，自適應(yīng)采用伸縮臂和“傘” 型張合結(jié)構(gòu)。方案三：姿態(tài)調(diào)整采用新式榫卯吊籃方式，自適應(yīng)采用伸縮臂和“傘” 型合構(gòu)。3 方案一的設(shè)計與分析綜合設(shè)計方案一如圖 9.本方案基本有 3 部分組成，1 機(jī)身、2 機(jī)腿、3 驅(qū)動輪。圖 9 方案一的三維效果圖3.1 機(jī)身的設(shè)計可裝載各種探測設(shè)備等，如圖 10。圖 10 機(jī)身 113.2 機(jī)腿的設(shè)計由 9 部分組成，其三維圖與爆炸圖如圖 11。機(jī)腿可分為 3 個單元：伸縮單元（1-5） 、變長單元（6） 、關(guān)節(jié)單元（7-10） 。通過螺紋連接。其爆炸圖如圖 11。三維轉(zhuǎn)配圖如圖 12。圖 11 機(jī)腿的爆炸圖3.2.1 伸縮單元1-5 部分組成的伸縮單元依靠彈簧的彈性變形以適應(yīng)小范圍內(nèi)的管道直徑變化和越障。其三維圖如圖 13。圖 13 伸縮單元三維圖123.2.2 變長單元 6 為變長桿，可以人為的更換（增長或縮短）以適應(yīng)管道直徑的大范圍變化。其三維圖如圖 14。3.2.3 關(guān)節(jié)單元7-10 部分組成關(guān)節(jié)單元，7、9 上均裝有電磁鐵，7、8，8、9 之間用螺母和繞簧固定。各部位三維圖如圖 15。關(guān)節(jié)單元用于爬行器的姿態(tài)調(diào)整。其原理為∶通過傾斜傳感器對爬行器進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)爬行器偏移其原軌道，傾斜傳感器發(fā)出電信號，此時 7 或 9 上的電磁鐵得電，吸合 8，促使輪子向左或右傾斜，以校正爬行器。在爬行器被校正后，傾斜傳感器發(fā)出信號，使電磁鐵斷電，在繞簧的作用力下，使關(guān)節(jié)各部位復(fù)位。圖 15 關(guān)節(jié)單元零件圖爬行器正常前進(jìn)。7、9 分別用于爬行器的左、右校正。3.3 驅(qū)動輪的設(shè)計驅(qū)動輪由 5 部分組成，如圖 16圖 12 機(jī)腿裝配圖圖 14 變長桿13圖 16 驅(qū)動輪三維圖與爆炸圖(1)聯(lián)接塊用于與驅(qū)動輪與關(guān)節(jié)單元的聯(lián)接。(2)電動機(jī)箱安裝步進(jìn)電動機(jī)或勵磁電動機(jī)。用以驅(qū)動輪子。3.4 方案一的分析優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低廉，對管道內(nèi)徑變化不大和彎道較少時基本能滿足設(shè)計要求。缺點：該爬行器在爬行器由于機(jī)身是長方體，在管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎時，會出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象，在爬行十字型、丁字型管道內(nèi)徑時會出現(xiàn)在機(jī)腿卡在管道中，驅(qū)動輪懸空等情況；但該種情況，一般當(dāng)輪子半徑大于管道壁厚，也能順利通過。4 方案二的設(shè)計與分析根據(jù)方案一的優(yōu)缺點進(jìn)行改進(jìn)，增加必要改良元素，現(xiàn)設(shè)計出方案二，如圖 17。本方案由 3 部分組成：1 機(jī)身，2 機(jī)腿，3 驅(qū)動輪。圖 17 方案二的三維圖4.1 機(jī)身的設(shè)計機(jī)身設(shè)計成筒狀機(jī)身和其他部件組成。如圖 18.14圖 18 機(jī)壁三維圖4.2 機(jī)身內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)身內(nèi)部主要完成“ 傘” 足的張合傳動，以及吊籃的安裝。如圖 19。圖 19 機(jī)身內(nèi)部三維圖4.3 進(jìn)給螺桿與螺母的設(shè)計為使機(jī)腿伸縮，采用螺旋傳動，該類型傳動是利用螺桿（絲杠）和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，同時傳遞運動和動力。在爬行器中其工作原理為：進(jìn)給螺桿在電動機(jī)的驅(qū)動下，進(jìn)行回轉(zhuǎn)運動。從而使螺母進(jìn)行水平移動。螺母用來推動機(jī)腿的伸縮，使爬行器進(jìn)行自適應(yīng)伸縮如圖 20。15圖 20 絲杠螺母運動簡圖4.4 吊籃的設(shè)計吊籃的活動關(guān)節(jié)采用圓柱銷，采用間隙配合，以保證吊籃的左右移動。其機(jī)構(gòu)圖如圖 21，22。其工作原理為，在重力的作用下。吊籃通過活動關(guān)節(jié)始終保持與地面的水平?；顒雨P(guān)節(jié)由一活動銷聯(lián)結(jié)。吊籃通過螺母固定在機(jī)身上。圖 21 吊籃三維圖 圖 22 吊籃示意圖4.5 機(jī)腿的設(shè)計機(jī)腿的三維造型如圖 2316圖 23 機(jī)腿三維圖機(jī)腿通過關(guān)節(jié) 1、2、3 的伸縮進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。連接桿與推動盤連結(jié)。連接桿與關(guān)節(jié) 3 采用鉸接。為適應(yīng)管道最大內(nèi)徑 1100mm 的調(diào)節(jié)，關(guān)節(jié) 1 尺寸為200mm，關(guān)節(jié) 2 尺寸為 150mm，關(guān)節(jié) 3 尺寸為 100mm。4.6 方案二的分析優(yōu)點：能夠采用伸縮桿適應(yīng)大范圍管道內(nèi)壁直徑變化， “傘” 型結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)管道內(nèi)一定范圍的轉(zhuǎn)彎，牽引力大，結(jié)構(gòu)緊湊，控制簡單。缺點：由于機(jī)身為一個圓筒（整體，過長） ，不能完全適應(yīng)彎道的轉(zhuǎn)彎。吊籃安裝在機(jī)身內(nèi)部，安裝復(fù)雜，并且吊籃在內(nèi)部，不能采用攝像頭觀察管道內(nèi)壁的情況。機(jī)身的制造復(fù)雜，孔系較多。5 方案三的設(shè)計與分析根據(jù)方案一，二的優(yōu)缺點，綜合整理資料，經(jīng)過反復(fù)修改，提出新的設(shè)計思路，先設(shè)計出方案三，如圖 24。本方案有 3 部分組成，1 機(jī)身、2 機(jī)腿、3 驅(qū)動輪。17圖 24 方案三的三維圖5.1 機(jī)身的設(shè)計機(jī)身主要有兩部分構(gòu)成，即前機(jī)身和后機(jī)身，對于管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎的為題，我們可以借鑒火車的節(jié)裝結(jié)構(gòu)，設(shè)計出有兩節(jié)機(jī)身組成的機(jī)車型爬行器，減小機(jī)身長度，有利于機(jī)器人順利通過彎道，為減輕重量，機(jī)身材料選用硬鋁。5.1.1 機(jī)身組成結(jié)構(gòu)爬行器爬行最小內(nèi)徑為 450mm，爬行最大內(nèi)徑 1100mm。設(shè)計機(jī)身內(nèi)徑為 150mm，外徑為 200mm 機(jī)壁厚度最小處為 10mm。機(jī)壁與機(jī)腿之間只是做簡單的伸縮動作，前后機(jī)身可以采用旋轉(zhuǎn)鉸鏈連接故采用 GB119-83 A5X40，采用間隙配合。其前后機(jī)身三維圖如圖 25 ，圖 26。18圖 25 前主體三維圖 圖 26 后主體三維圖5.2 機(jī)身內(nèi)部傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)為機(jī)腿運動的傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計，在這里運用絲杠和螺母結(jié)構(gòu)完成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的實現(xiàn)。并推動機(jī)腿的張合。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 275.2.1 進(jìn)給絲杠和螺母的設(shè)計為使機(jī)腿伸縮，采用螺旋傳動，該類型傳動是利用螺桿（絲杠）和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，同時傳遞運動和動力。在爬行器中其工作原理為：進(jìn)給螺桿在電動機(jī)的驅(qū)動下，進(jìn)行回轉(zhuǎn)運動。從而使螺母進(jìn)行水平移動。螺母用來推動機(jī)腿的張合，使爬行器進(jìn)行自適應(yīng)張合。A 初步確定螺桿桿軸的最小軸徑 按《機(jī)械設(shè)計》式 15-2 初步估算絲桿軸的最小軸徑，選取材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計》表 15-3 取 A0=112 初步設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速為 30r/min=112 =15.28mm (1)30PdAn??389式中，P 可根據(jù)主體電機(jī)取 P=89W n=30r/min B 求取軸向力按照自鎖條件先求出當(dāng)量摩擦角，查《機(jī)械設(shè)》表 5-12 知螺旋副材料中鋼對鋼的摩擦系數(shù) ，取中間值 0.15，則當(dāng)量摩擦角0.1~.7s??則 40tan8.620FN????軸在此按最大值計算，取 F軸 ＝C 耐磨性計算0.15'rctarctn8.3oos2s?????圖 27 絲杠螺母裝配圖 (2)19滑動螺旋的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動速度、螺紋表面粗糙度以及潤滑狀態(tài)等因素有關(guān)。其中最主要的是螺紋工作面上的壓力，壓力越大，螺旋副間越容易形成磨損。因此，滑動螺旋的耐磨性計算，主要是限制螺紋工作面上的壓力 p，使其小于材料的許用壓力 。??p假設(shè)作用于螺桿的軸向力為 F（單位為 N)，螺紋的承壓面積（指螺紋工作表面投影到垂直于軸向力的平面上的面積）為 A（單位為 ） ，螺紋中徑為2m2d（單位為 mm） ，螺紋工作高度為 h（單位為 mm） ，螺紋螺距為 P（單位為 mm） ，螺母高度為 H（單位為 mm） ，螺紋工作圈數(shù)為 ，則螺紋工作面上的耐/uH?磨性條件為上式可作為校核計算用。將 代入上式整理后得/d??a 計算螺桿中徑查《機(jī)械設(shè)計》第 97 頁，由于工作圈數(shù)不多，故取查《機(jī)械設(shè)計》第 97 頁表 5-12 取 則因為按剪切強(qiáng)度計算的最小直徑為 15.28mm ，由 d2=26mm 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)選取螺紋公稱直徑 d=30mm，P=3.5mm 的螺紋。b 螺母高度H=1.5 26=39mm?c 旋合圈數(shù) 395.7Zm?故旋合圈數(shù)合理d 螺紋工作高度(7)0.5.73.5hp?????22FPppAhu????2?20.8FdP???1?1.5??260.84.5dm??2Hd??1zP?(3)(4)(5)(6)20e 驗算工作壓強(qiáng)620.36103.54PMPa?????D 驗算自鎖自鎖條件 ，對于單線螺紋 ， 為當(dāng)量2arctn(/)'Ld???7Lm?'?摩擦角等于 。8.?則： 07arctn5.368.????自鎖條件滿足。E 螺桿強(qiáng)度計算螺桿工作時承受軸向壓力（或拉力）F 和扭轉(zhuǎn) T 的作用。螺桿危險截面上既有壓縮（或拉伸）應(yīng)力，又有切應(yīng)力。因此，校核螺桿強(qiáng)度時應(yīng)根據(jù)第四強(qiáng)度理論求出危險截面的計算應(yīng)力 ，其強(qiáng)度條件為ca?(9)2143()[]FAd????2?mm13?式中：F ——螺桿所受的軸向壓力（或拉力） ，單位為 N；——螺桿螺紋小徑，單位為 mm；1dT ——螺桿所受的扭矩；——螺桿材料的許用應(yīng)力，單位為 MPa。???則： 221483.760()0.63545.ca MPa????螺桿材料的許用應(yīng)力 查《機(jī)械設(shè)計手冊》表 34.2-10 知 =80，故螺[]?桿強(qiáng)度滿足。F 螺紋牙強(qiáng)度(1)螺紋牙寬度 0.65.74.5dpm???(2)螺桿的強(qiáng)度校核螺紋牙多發(fā)生剪切和擠壓破壞，一般螺母的材料強(qiáng)度低于螺桿，故只需校核螺母螺紋牙的強(qiáng)度。??2Fdhz???(8)21如果將一圈螺紋沿螺母的螺紋大徑 D（單位為 mm）處展開，則可看作寬度為 的懸臂梁。假設(shè)螺母每圈螺紋所承受的平均壓力為 ，并作用在以螺D?Fu紋中徑 （單位為 mm）為直徑的圓周上，則螺紋牙危險截面 a－a 的剪切強(qiáng)度2條件為螺紋牙危險截面 a－a 的彎曲強(qiáng)度條件為式中：b ——螺紋牙根部的厚度，單位為 mm，對于矩形螺紋，b＝0.5P，對于梯形螺紋，b＝0.65P，P 為螺紋螺距；l ——彎曲力臂，單位為 mm——螺母材料的許用切應(yīng)力，單位為 MPa，見 《機(jī)械設(shè)計》表 5-13；???——螺母材料的許用彎曲應(yīng)力，單位為 MPa，見《機(jī)械設(shè)計》表 5-b?13；a.抗剪強(qiáng)度 16200.345[]4834.5FMPaaMPadbz? ???????其中查 《機(jī)械設(shè)計》表 5-13 并計算得 =48MPa[] []?b.抗彎強(qiáng)度 2216603.51.8[]4b bFhPadz? ??????其中 查《機(jī)械設(shè)計》表 5-13 經(jīng)計算知 =80MPa。[]b []b(3)絲母的強(qiáng)度校核a.抗剪強(qiáng)度 16200.263[]34.5FMPadbz? ??????其中 查《機(jī)械設(shè)計》表 15-3 知 。????8?b.抗彎強(qiáng)度 216603.5.1302[]4b bFhPadz? ??????其中 查《機(jī)械設(shè)計》表 15-3 知 =80MPa。故絲母強(qiáng)度滿足。[]b []b???Fbu???????26blDu????(10)(11)22綜上計算所的螺桿工程圖如圖 28。螺母工程圖如圖 29。圖 28 螺桿工程圖 圖 29 螺母工程圖5.2.2 選擇聯(lián)軸器聯(lián)軸器是機(jī)械傳動中重要的軸系部件。主要用來聯(lián)接兩軸(有時也實現(xiàn)軸與其它轉(zhuǎn)動零件的聯(lián)接)，使之一起轉(zhuǎn)動并傳遞運動和動力。兩軸用聯(lián)軸器聯(lián)接， 只有停機(jī)并經(jīng)拆卸才能分離；采用聯(lián)軸器可把整機(jī)分成若干部件，便于機(jī)器的 設(shè)計、制造、裝拆及運輸；聯(lián)軸器大都已標(biāo)難化、系列化，因此主要問題是如何合理選擇。因輸出輸入端均為 16mm。故選擇 Tl8 型彈性套柱銷聯(lián)軸器。5.2.3 選擇鍵鍵是機(jī)械傳動部分的動力傳遞原件，在選擇時要求其符合傳遞扭矩的要求。且鍵已被國家定位標(biāo)準(zhǔn)件，在此主要進(jìn)行間的選擇和校核。根據(jù)軸的直徑，由《機(jī)械設(shè)計》表 6-1 選擇普通平鍵 的圓頭平鍵,材517.?料選 45 鋼。依據(jù)鍵的校核如下：(12)3210[]pbTkld?????式中： T——傳遞的轉(zhuǎn)矩k——k=0.5h ，h 為鍵的高度l——鍵的接觸長度，mmd——軸的直徑，mm可計算得： 328.71094.2[]56p pMPa??????23查《機(jī)械設(shè)計》表 6-2 靜載荷時 []140pMPa??可知所選的圓頭平鍵符合條件5.3 吊環(huán)的設(shè)計如前所訴，吊環(huán)采用榫卯結(jié)構(gòu)，吊環(huán)與環(huán)槽的表面粗糙度要求達(dá)到 Ra1.6。其工作原理是根據(jù)吊環(huán)的自重，調(diào)節(jié)吊環(huán)始終與地面保持垂直。因其受m?力不大，減輕重量，故材料采用硬鋁。圖 30 吊環(huán)裝配圖 圖 31 吊環(huán)爆炸圖5.4 軸承的設(shè)計用于固定螺桿。螺桿后部只是普通光軸，轉(zhuǎn)速低。故采用滑動軸承（表面粗糙度要求較高） ，又因軸承在主體內(nèi)的緊固要求采用自行設(shè)計的軸承。的為減輕重量材料采用硬鋁。其工程圖如圖 32。圖 32 軸承工程圖5.5 機(jī)腿的設(shè)計其三維裝配圖，爆炸圖如圖 33，34。24圖 33 機(jī)腿裝配圖圖 34 機(jī)腿爆炸圖機(jī)腿通過關(guān)節(jié) 1、2、3 的伸縮進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。連接桿與推動盤連結(jié)。連接桿與機(jī)腿 1 采用鉸鏈。為適應(yīng)管道最大內(nèi)徑 1100mm 的調(diào)節(jié)，關(guān)節(jié) 1 尺寸為250mm，關(guān)節(jié) 2 尺寸為 150mm，關(guān)節(jié) 3 尺寸為 100mm。5.6 驅(qū)動輪的設(shè)計驅(qū)動輪的設(shè)計與方案二大至上一致（部分結(jié)構(gòu)不同） ，故不在贅述原理。驅(qū)動輪裝配和爆炸如圖 35，圖 36。原動力電動機(jī)的選擇與計算在機(jī)器人的電氣控制研究設(shè)計部分完成。圖 35 驅(qū)動輪裝配體 圖 36 驅(qū)動輪爆炸視圖5.7 管道爬行的實現(xiàn)學(xué)生姓名 班級 指導(dǎo)教師 論文（設(shè)計）題目 管道爬行器的研究與設(shè)計（1）查找管道爬行器相關(guān)資料；（2）制定畢業(yè)設(shè)計計劃；（3）對 Solidworks 的靈活運用；（4）完成畢業(yè)論文開題報告；（5）英文翻譯（6）完成爬行器機(jī)械部分的加工方案；（7）完成 Solidworks 三維造型目前已完成任務(wù)是否符合任務(wù)書要求進(jìn)度：符合（1）爬行器電氣部分的設(shè)計；（2）論文的撰寫；（3）正式論文的整理；尚需完成的任務(wù)能否按期完成論文（設(shè)計）：能按期完成任務(wù)存在問題資料不足，對論文主題的研究不夠透徹，且相關(guān)的理論知識還不夠全面；與指導(dǎo)老師的交流不夠充分存在問題和解決辦法擬采取的辦法需要繼續(xù)查找資料，深入的了解管道爬行器的工作要求和特點，進(jìn)一步理解和掌握相關(guān)的理論知識，完善論文內(nèi)容。指導(dǎo)教師簽 字日期 年 月 日教學(xué)院長（主任）意 見負(fù)責(zé)人簽字： 年 月 日本科畢業(yè)論文（設(shè)計）中期進(jìn)展情況檢查表 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書題目名稱 管道爬行器的研究與設(shè)計學(xué)生姓名 所學(xué)專業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 班級指導(dǎo)教師姓名 所學(xué)專業(yè) 機(jī)械設(shè)計與制造 職稱完成期限一、論文（設(shè)計）主要內(nèi)容及主要技術(shù)指標(biāo)（一）主要內(nèi)容該題目主要內(nèi)容有：1. 管道爬行器的運動原理分析（1） 管道爬行器的動力選擇分析（2） 管道爬行器的動力傳動分析（3） 管道爬行器的運動機(jī)構(gòu)的分析2. 管道爬行器的結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計（1） 管道爬行器的工作原理分析（2） 管道爬行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計（3） 根據(jù)其工作的要求設(shè)計爬行器的工作部分的結(jié)構(gòu)（4） 由于管道內(nèi)工作，需要進(jìn)行爬行器調(diào)整姿態(tài)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計（5） 由于需要在管道內(nèi)進(jìn)行管道連接處的轉(zhuǎn)彎，進(jìn)行轉(zhuǎn)彎動作的分析（6） 在工作時，由于有各種不利因素，進(jìn)行管道檢修部分（攝像頭基座）的設(shè)計及安裝分析3. 爬行器的零件設(shè)計及其裝配（1） 由管道的數(shù)據(jù)，進(jìn)行爬行器的零件尺寸，形狀設(shè)計（2） 用 Solidworks 進(jìn)行裝配4. 對于爬行器的工作運動要求進(jìn)行電機(jī)的動作分析（1） 正常工作狀態(tài)下，電機(jī)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)分析（2） 轉(zhuǎn)彎時的電機(jī)運轉(zhuǎn)狀態(tài)及其工作順序的分析5. 對爬行器的控制電路原理的設(shè)計（1） 根據(jù)工作條件進(jìn)行電機(jī)的選擇及其功率的核定（2） 由電機(jī)進(jìn)行電源分析和選擇（3） 確定工作電路的元件規(guī)格（4） 由工作要求進(jìn)行電機(jī)控制的電路分析（5） 由工作要求進(jìn)行各種控制電路的試制（6） 分析各種控制電路的優(yōu)缺點（7） 結(jié)合工作環(huán)境和工作要求進(jìn)行控制電路的確定6.對爬行器管道內(nèi)定位方案的提出及其電路設(shè)計。（1） 根據(jù)爬行器所完成的任務(wù)列舉爬行器定位方案。（2） 分析爬行器定位方案（3） 初步進(jìn)行定位的設(shè)計（4） 完善定位7. 爬行器工作電路的總結(jié)（1） 通過人工控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和電機(jī)調(diào)速。人為的控制爬行器的順序動作，完成十字口和丁字口的轉(zhuǎn)彎。（2） 通過里程計反饋電路反饋信號，結(jié)合管道工程圖確定爬行器所在的具體位置。（二）技術(shù)指標(biāo)爬行器全長 840mm，能通過 450mm—1100mm 的管道，電氣所需電源 24V 直流。里程計電源 5V。二、畢業(yè)論文（設(shè)計）的基本要求1.畢業(yè)設(shè)計（論文）一份：有 400 字左右的中英文摘要，正文后有 15 篇左右的參考文獻(xiàn)，正文中要引用 5 篇以上文獻(xiàn)，并注明文獻(xiàn)出處。論文字?jǐn)?shù)在 6000 字以上；2.有不少于 2000 漢字的與本課題有關(guān)的外文翻譯資料；3.畢業(yè)設(shè)計總字?jǐn)?shù)在 10000 字以上；4.零件工程圖；5.爬行器裝配圖；6.工作電路圖及其接線圖。三、畢業(yè)論文（設(shè)計）進(jìn)度安排1. 2008 年 12 月 22 日-1 月 20 日，下達(dá)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書；寒假期間完成英文資料翻譯和開題報告。2. 2009 年 2 月 25-3 月 9 日（第 1-2 周） ，指導(dǎo)教師審核開題報告和設(shè)計方案。3. 2009 年 3 月 10 日-4 月 18 日（第 3-10 周） ，畢業(yè)設(shè)計各單元部分設(shè)計、撰寫論文初稿。4. 2009 年 4 月 20-26 日（第 11 周） ，畢業(yè)設(shè)計中期檢查。5. 2009 年 5 月 5-20 日（第 12-14 周） ，設(shè)計計算、強(qiáng)度校核、零件模擬裝配、電氣部分設(shè)計撰寫畢業(yè)設(shè)計論文。6. 2009 年 5 月 22 日-25 日（第 15-16 周）上交畢業(yè)設(shè)計論文，指導(dǎo)教師、評閱教師審查評閱設(shè)計論文，畢業(yè)設(shè)計答辯資格審查。畢業(yè)設(shè)計答辯，學(xué)生修改整理設(shè)計論文。 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告題目名稱 管道爬行器的研究與設(shè)計學(xué)生姓名 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 班級指導(dǎo)教師姓名 所學(xué)專業(yè) 機(jī)械設(shè)計與制造 職稱 副教授完成期限 一、選題的目的意義隨著中國改革開放以來，中國不斷與世界拉近距離，其中人民的生活水平得到大幅的提高 2009 年，中國天然氣以及各種管道已經(jīng)覆蓋了中國的每一個中小城市。在我國及世界各個國家內(nèi)，由于地形的限制和土地資源的有限，在地下都埋設(shè)了很多的輸送管道，例如天然氣管道、石油管道等，在埋有管道的地面上面都已經(jīng)建成了很多的建筑物、公路等，給管道的維修和維護(hù)造成了很大的困難。當(dāng)這些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等問題時，人們普通的做法是挖開道路進(jìn)行維修，有些時候如果不能準(zhǔn)確判斷泄露和堵塞的具體位置時，會浪費很多的時間，精力和資源，同時降低了工作效率。因此管道內(nèi)機(jī)器人化自動檢查技術(shù)的研究與設(shè)計十分必要。人們不再為了維修、維護(hù)管道時挖開道路，而是進(jìn)行管道破損處的精確定位，然后進(jìn)行維修。節(jié)省了大量的人力，物力和財力。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家，隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，以及PLC的廣泛應(yīng)用。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和管道測試等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相互之間的滲透程度越來越深，管道爬行機(jī)器人是在狹窄空間中進(jìn)行精密操作、檢測或作業(yè)的機(jī)器人系統(tǒng)。其中機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境一般在三維尺寸上微小的或者危險的。廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠、核電廠、化工廠、民用建筑等用到各種各樣微小管道內(nèi)的定期檢修。在我國，20 世紀(jì)80 年代開始少量引進(jìn)爬行器,但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我國管道工程發(fā)展的需要。進(jìn)入90年代，國內(nèi)各科研機(jī)構(gòu)和大中專院校開始研制各種管道爬行器，但由于各種原因，爬行器的適應(yīng)性和過復(fù)雜管道能力存在著或多或少的缺陷。三、主要研究內(nèi)容研究和設(shè)計爬行器機(jī)構(gòu)若干可行性方案。進(jìn)行對比分析，選擇最優(yōu)方案。包括機(jī)械裝備，驅(qū)動裝置，自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置選擇等.研究和設(shè)計爬行器的各種電路的幾套可行性方案。進(jìn)行合理性分析，選擇優(yōu)化方案。包括電機(jī)，電源，開關(guān)的選擇。照明電路，轉(zhuǎn)彎控制電路，姿態(tài)調(diào)整電路，機(jī)器人管道中定位電路，總體接線電路的選擇和優(yōu)化設(shè)計。該爬行器可實現(xiàn) 450—1100mm 范圍內(nèi)管道內(nèi)徑變化。實現(xiàn)探測攝像裝置與水平面平行，不發(fā)生傾斜。通過人為的控制支撐臂的“傘”型伸縮結(jié)構(gòu)以及個電機(jī)的順序動作可以順利通過十字型、丁字型等較復(fù)雜管道，通過人為的控制使機(jī)器人左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，設(shè)計選擇電路。通過吊籃中的攝像頭來檢測管道的損壞與否，通過機(jī)器人定位系統(tǒng)進(jìn)行管道破損處的定位，對機(jī)器人定位系統(tǒng)進(jìn)行方案提出，分析，和電路設(shè)計。四、畢業(yè)論文（設(shè)計）的研究方法或技術(shù)路線畢業(yè)設(shè)計采取的研究與設(shè)計方法1.實地參觀學(xué)習(xí)法2.教師指導(dǎo)法3.上機(jī)調(diào)試法4.可行性方案列舉法5.優(yōu)化設(shè)計法6.通過已有知識進(jìn)行分析，理解，明白設(shè)計過程與目的，掌握進(jìn)行本畢業(yè)設(shè)計的所必須的基本知識。7.查閱有關(guān)書籍，借助于網(wǎng)上數(shù)字圖書館搜集相關(guān)資料，對其進(jìn)行分析、總結(jié)、概括、和借鑒，形成系統(tǒng)的外部資料，借鑒當(dāng)今國內(nèi)及國外此方面的研究及理論探討進(jìn)行本課題的理論和方法8.機(jī)電相結(jié)合的分析方法五、主要參考文獻(xiàn)與資料[1]齊占慶.機(jī)床電氣控制技術(shù)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，1994[2]楊天明.電機(jī)與拖動[M].北京大學(xué)出版社， 2006[3]電機(jī)工程手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社， 1996[4]李國厚，楊青杰.PLC 原理與應(yīng)用設(shè)計[M].化學(xué)工業(yè)出版社， 2005[5]王永章.數(shù)控技術(shù)[M].高等教育出版社， 2001[6]黃立培.電動機(jī)控制[M].清華大學(xué)出版社， 2003[7]李中年.控制電氣及應(yīng)用[M]. 清華大學(xué)出版社，2006[8]藍(lán)榮香.solidworks 零件設(shè)計技術(shù)與實踐 [M].電子工業(yè)出版社， 2007，2[9]李杰.AutoCAD2006 機(jī)械繪圖實戰(zhàn)[M].人民郵電出版社，2007，3[10]龍馬工作室.Pro/E wildfire3.0 完全自學(xué)手冊[M]. 人民郵電出版社，2007，6[11]劉鴻文.材料力學(xué)[M].高等教育出版社， 2006，11[12]王蘭美.機(jī)械制圖[M].高等教育出版社， 2004，2[13]孫桓.機(jī)械原理[M].高等教育出版社， 2006，5[14]濮良貴.機(jī)械設(shè)計[M].高等教育出版社， 2006，5[15]李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社， 2005，10[16]秦曾煌.電工學(xué)[M].高等教育出版社， 2003，12[17]王玉萍，邵峰.電工電子技術(shù)實驗指導(dǎo)[M]. 河南科技學(xué)院， 2006.6[18]王立權(quán)，賈守波.城市排水道機(jī)器人控制系統(tǒng)研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2008，36（6）：96~99[19]劉偉明.漿液下機(jī)器人定位功能實現(xiàn)[J]. 傳感器與微系統(tǒng)， 2007，26（8）：96~98[20]陳齊漢。小功率直流電機(jī)調(diào)速正反轉(zhuǎn)切換控制的 PWM 控制系統(tǒng)[J]. 電工技術(shù)2002，1（26）：51~52[21]丁昆.美國無人地面車輛概述[J]. 國防技術(shù)基礎(chǔ)，2008， 2（15）：53~55六、指導(dǎo)教師審批意見簽名：年 月 日