TH-1管道机器人设计说明书_图文(精)

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1、设计成员：柴思敏F03020045031519041朱翼凌F03020045030209393巴振宇F03020125030209335柳宁F03020035030209376指导老师：上海交通大学机械动力学院目录TH-管道机器人工作要求和技术指标4.5-6二.元器件和配件选择说明三机架部分设计和计算7-34四履带部分设计和计算35-72五. 参考文献.73六. 组员分工74TH-1管道机器人技术指标行走速度：10minm自重:5kg净载重：10kg机身尺寸：351mm155mm155mm自适应管道半径范围：200mm300mm越障能力：2mm5mm爬坡能力：150工作电压：12V一次性行走距

2、离：2500m牵引力:300N400N密封性能：履带密封，机架半开放工作环境：中性液体环境，液面高度不得高于30mm工作温度：00500元器件选用本设计采用圆周三点限位支架，三个履带行走构件相互独立，因而需要提供三个相同的电动机分别驱动各个履带。另外，管径自适应结构由丝杠螺母传动，也需要一个电动机作为驱动，于是整个机器人需要4个电动机。考虑到整个机构适用于200300mm管径的管道内部探伤，因而整体尺寸受到严格限制，进而限定了电动机的尺寸。以最小管径200mm作为尺寸控制的参数，履带行走机构的高度50mm，所用电动机直径大约20mm。同时作为履带机构的动力来源，此电动机亦应当达到足够的功率输出

3、，否则将必然无法与设计要求匹配。出于零件之间相互通用的设计理念，我们希望4个电机都是统一规格、同种型号。但是控制管径自适应部分涉及到丝杠螺母传动的动力分配，设计中压力传感器发出控制信号，以单片机实现电机的正反转控制，这就要求电动机的扭矩输出平稳。最后由于设计要求中规定了每分钟的行程，所以电动机应该转速适中，既与整个电机的功率和扭矩相匹配，又能满足行进速度的要求。综合以上几点，经过多方查阅资料。我们决定采用一下型号的电动机：型号：SG-27ZYJ额定功率：10W12VDC额定转速度：400rpm额定转矩：300Nmm（上图为电动机实物参考图）配件选用电池:12V,9000mAh摄象头：CCD探头

4、，具体尺寸可选。1200范围内可以探视。双头白光二级管探照光源。机架部分的设计计算一机架部分的功能和结构机架部分的主要功能为支撑在管道内行走的管道机器人，使履带行走系能紧密的贴在管道壁面，产生足够的附着力，带动管道机器人往前行走。为了适应不同直径管道的检测，管道检测机器人通常需要具备管径适应调整的机架机构，即主要有两个作用：在不同直径的管道中能张开或收缩，改变机器人的外径尺寸，使机器人能在各种直径的管道中行走作业；可以提供附加正压力增加机器人的履带与管道内壁间的压力，改善机器人的牵引性能，提高管内移动检测距离。为了满足管径自适应的功能，本次设计采用了基于平行四边形机构的管径适应调整机构，在由0

5、120空间对称分布的3组平行四边形机构组成，采用滚珠丝杠螺母调节方式，每组平行四边形机构带有履带的驱动装置（示意图如下。R1=200mm图1.1丝杠螺母自适应机构示意图（引用Ref.l机构调节电动机为步进电动机，滚珠丝杠直接安装在调节电动机的输出轴上，丝杠螺母和筒状压力传感器以及轴套之间用螺栓固定在一起，连杆CD的一端C和履带架铰接在一起，另一端D铰接在固定支点上，推杆MN与连杆CD铰接在M点，另一端铰接在轴套上的IV点，连杆AB、BC和CD构成了平行四边形机构，机器人的驱动轮子安装在轮轴B、C上，轴套在圆周方向相对固定其工作原理为：调节电动机驱动滚珠丝杠转动，由于丝杠螺母在圆周方向上相对固定

6、，因此滚珠丝杠的转动将带动丝杠螺母沿轴线方向在滚珠丝杠上来回滑动，从而带动推杆MN运动，进而推动连杆CD绕支点D转动，连杆CD的转动又带动了平行四边形机构ABCD平动，从而使管道检测机器人的平行四边形轮腿机构张开或者收缩，并且使履带部分始终撑紧在不同管径的管道内壁上，达到适应不同管径的的调节电动机驱动滚珠丝杠转动时，也同时推动其余对称的2组同步工作筒状压力传感器可以间接地检测各组驱动轮和管道内壁之间的压力和，保证管道检测机器人以稳定的压紧力撑紧在管道内壁上，使管道检测机器人具有充足且稳定的牵引力。如图1.1所示，当0015,80时，机架适应管道半径的范围在200,325mm。参考常见的管道运输

7、直径范围（Ref2设计的管道机器人可满足成品油管的管道直径的要求。二.机架部分的力学特性分析对于履带式驱动方式的管道机器人，牵引力由运动驱动电动机驱动力以及履带与管壁附着力决定当运动驱动电动机的驱动力足够大时，机器人所能提供的最大牵引力等于附着力.附着力主要与履带对管壁的正压力和摩擦系数有关.摩擦系数由材料和接触条件决定，不能实现动态调整履带对管壁的正压力与机器人重量有关，但通过管径适应调整机构，可以在不同管径下提供附加正压力，改变附着力，从而在一定范围内实现牵引力的动态调整。管道机器人正常行走时，其对称中心和管道中心轴线基本重合，重力G在对称的中心线上面。因此，管道机器人在行走过程中，最多只

8、有两个履带承受压力，即其顶部的压力为零(如图。12NNG=(2.1.1)随着管道机器人在管内移动的距离的增加，或者在爬坡的时候，机器人可能由于自身重量所提供的附着力不够时，导致打滑，这就需要管道机器人提供更大的牵引力来支持机器的行走。利用管道机器人自适应管径的平行四边形丝杠螺母机构，可提供附加的正压力以增加管道机器人的附着力。通过远程控制可调节电动机输出扭矩T带动丝杠螺母相对转动，产生推动力F推动推杆运动，使得各组履带压紧贴在管道内壁，产生附加的正压力P。将各个履带由于重力而产生的作用反力定义为N工，由附加正压力所产生的作用反力定义为PX丝杠螺母杆的推力为F,由虚功原理可得：(0NPdyFdx

9、+=XX(2.1.2式中dx为管道中心轴线方向，dy为径向方向。丝杠螺母需要施加的推力F为：1(2FmgPk=+X(2.1其中k由自适应机构的相关尺寸所决定：11(1LRhhkL-=+(2.1.式中121,LLR如图1L所示。调节电机需要输出的扭矩为:2hpTFnn(2.1.式中：n为滚珠丝杠螺母副的传动效率；hP为滚珠丝杠的导程。以符号eF表示机器人的提供的牵引力，当运动驱动电机的驱动力足够大的时候，牵引ReF为：(2eFmgP“=+工(2.1.6式中”为履带的附着系数，近似于摩擦系数。由(2.1.3,(2.，1.(42.1.5可知，随着能所适应的管道半径的减小，机架部分所需要的推力和电机的

10、转矩是逐渐增大的。因此，选择机器人能所适应的最小管道半径200Rmm=做力学分析，可以保证大管径时管道机器人的强度和刚度条件。下面是在管径200Rmm=时的，机架的力学分析的计算。估算P沏范围在0,50N之间。采用的是履带中驱动的同种电机，额定转矩300TNmm二，额定输出转速为200rpm。由设计的尺寸可得121,40hmmhmm=,185,42.5,LmmLmm=242.5,3hLmmpmm=.由式（2.1可算出0.5164k=带入式（2.1.3由0,50PNSK可算出所需要的推力F的范围为387.3,484.12N。带入式（2.1.可算出需要输入的转矩231.15,288.94TNmi,

11、在电机的额定输出转矩的范围之内。由式（2.1可求出管道机器人的牵引力eF的范围为120N,150N。三.机架重要部件ANSYS有限元强度分析不同于履带行走系的模块，机架中的零件大部分为非国家标准零件，无法引用现有强度矫合公式验算。对于复杂物体的强度计算，有限元模型可以做到很好的效果。同时，与传统的”试误法”设计相比，不必等出成品后进行实验确保产品的可靠性，CAE分析软件在设计图完成后，通过CADCAE的接，可在CAE软件对产品进行各样的分析，可在短时间内完成产品的设计。（1履带架的有限元分析图3.1履带架和连杆机构部分从图3.1和封面的三维图可以看出，履带通过履带架的盖板上的螺钉铰接在一起，履

12、带架直接承受履带与壁面间的接触力，为“危险”零件之一。为了节省空间和尺寸的设计方便，最初的设计是用一块挡扳直接连接在履带架上，ANSYS有限元分析如下：B2DAL3Z-LUTI3TEF=丄STfll*1THE丄吗L蚌700口丁丄卑日D1435.DC丄59502E753.mS99010757.0L79SS.0=5194B01：33：3TTF-Xlira*IiZKE-1T3IM：册EDHE7DMKtt=nQi0Lt4D14_Di0Z8_DDb4Z一口D5E图3.3单边履带受力应力图.曲丄勺oaejoi3IEI-.LTDK!T1ME-1mK1JLVG3Arss=omk-dflcaoi9W-AM301

13、口aai-OflCl.003图3.4双边履带架受力变形图16图3.5双边履带架受力应力分布图考虑到开小螺钉孔对于网格上的影响，导致计算的不便，因此将履带架的模型简化为不带小孔的盖板的模型，同时将履带与壁面的接触力等效到履带盖板上侧的力。由图3.2和图3.3可以看出，单边履带受力时，其最大变形量为0.0324mm,最大的集中应力为1742mm改用双边履带架设计后，给定同样的边界条件，图3.4中得出最大的变形为0.006301mm，与单边履带架的结构设计相比，最大变形为原先的1左右图3.5中可以得出，最大的集中应力为230.112Nmm,为原先的1左右。因此可以得出，双边履带架的设计在刚度和应力集

14、中问题上都相对与单边履带架有着明显的改善。最终的设计方案为双边履带17架结构。(2机架前座的有限元分析由第二部分的机架力学分析可以得出，丝杠螺母将电机的转矩T转化为轴向力F,推动连杆运动，达到管道半径自适应的功能。如图3.6和图3.7可知，在带有轴承的支架后座上，承受着来自两方的力一为轴承所承受的轴向力F,二为履带与管道壁面接触的正压力在连接绞处的体现。由第二部分分析可知，最小管道直径时，所需要的推力F越大，推力F的范围为387.3,484.12N,取F=500N。机架前座承受来自履带和壁面的接触力取重力G=100N的一半50N.机架前座图3.6机架三维视图的表示18图3.7机架前座具体的三维

15、视图图3.8机架前座轴承侧受力变形图（两侧受力时193U3-!SIE口_QE-fl4e7EQ-D4.UJlE-ai-33E-ai-HXJT：库Awan.-5.1-出|局I门KIMS-4-meU9_弄HlMN-navi!sZ,lH4.BaCC*J*uv)t.VAMt召J二fg1.IT平牡WK.Z,-IC-ilSi?-33iI)帆峠方蛊材ii曲民L3“2-UfcXMH1:ill匯专一洛!丁I人删劇”!I岛力疗口曲P*r3i4-MltL0.HA.K-l-111：!TWlfl2ehM-.trij-kVIJ点阳SRWEXIMin哨呼沖G.F1T-fciiII4J*ISiJia,-VMrWn:丿知祁,JT

16、l比-1+KItfin主m)tt应力盏*#也:抖11V3PF?ggr1Blttf如黄.扌齿丘廉舟静耳忒-2-|.11U-W)1*記-罟皿f小越啊ft.和Mb氛-说晋皿叶gL审工圧刪Fi1.诡塾.忆犬騎曲MH皑.电M1-j加闇社-KmHy.叫口l.7kL-FTfiVJjtwi肌1-ffliM/rtiu_,p-i.2-iJJvjai.ilj.ij8i-fl.M.twiJ-uui:ynH.d5Im；*q.*nn电I4ieii.2627It也呱ftrvunteAu.耳门乩加诃31盘】ft51lid启出迓尢盘仏-bL：-jiRqt-t.小】)IJs厂衆-叹,f盂1、IJ1“UjQ-.也帖IJlwftTI

17、vI也.时版|吨|2829履带裝置传动系齿轮的设计计吋i级捷动iutin甲啟dDlA*WMtItWcfnon谢flfinrniuIHnltJLFAii巾曲口nRcinintoiiu3Q廿亀貝血拯dmil1121ilvinIJmn14E由tm血并土1rmi垢W11口i*i&師帖驷可曲豺tis肯设廿山yh*ntEBttVBEfffim-Hneaicj;-丄刿|时屮时，aaifeHA.滩T町朗，晶Mtt!”1九锂卅窗片弘畑8中时工杆时雷裡臥簣阳聲廈杠酬宜咗金*fi-WH申曲胡4KriH.*事-H-2j窝41琛*IR.宵园i.kHEjflNRIF-IIMff.宦tCBfi*1書EiTiilL鼬印*TV

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22、块设计。二履带行走系履带行走系的功能是支撑管道机器人的机体，并将由传动系输入的转变为管道机器人在管道内的移动和牵引力。履带行走系的装置包括履带,驱动轮，张紧机构，传动机构，原动件，张紧缓冲装置（本设计中将此机构设置在机架上组成。（1履带传动行走机构（同步带传动履带按材料可分为金属履带，金属橡胶履带和橡胶履带。考虑到在输油管道中行走，金属履带的抗腐蚀性较差，并且对管道的壁面产生一定的损坏，管道机器人的履带行走系中的履带部分采用橡胶履带。橡胶履带是用橡胶模压成的整条连续的履带。它噪声小，不损坏路面，接地压力均匀。履带传动机构可用类似同步带传动机构代替。同步带传动是靠带上的齿和带轮的齿相互啮合来传动

23、的，因此工作时不会产生滑动，能获得准确的传动比。它兼有带传动和齿轮传动的特性和优点，传动效率可高达0.98。同时，由于不是靠摩擦传递动力，带的预张紧力可以很小，因此作用于轴和轴承上的力也就很小。同步带按齿形可分为梯形齿和圆弧形齿两种。梯形齿中按齿距可分为周节制，模数制，特殊节距制。结合管道机器人履带部分的尺寸，选取模数制带形。由2表12-1-55可查得现有的模数制同步带产品，选取265115bsmzb=，节线长408.41pLmm=其中模数2m=,齿数65bz二带宽115sb=此为最大的带宽，厂方可根据客户的要求进行切害Q,履带中带宽26sbmm=为了增大履带的接触地面的摩擦力，将另一段带的背

24、面和在带轮上的带的背面用强力胶水粘和。*同步常奔带输血带的设计计算恃呵*砒砂hiI命円河恨In,Mbii.2准llftlfctJW4打T曹用店3,AHMIiHILitmni.*-iit*,-kJiXtvA|平血丹1nisw-as.Xiiw-:巾亠Jhl汁节4.FEU.*lTlii-iMJlJi.iiHMr.tMttlfi力T忖b.l.上的力BtM#W雄m号暑imnK*2.4-IlTljrWri-EfflV：nJM4S】iraM祜l札-Jfwwij-SI4mi的MWJttsftWHyiw.r-ii-masAV01751.-2.-A5.-!l5pfftwr-WAIitdfl *41lfkJjnnr

25、丄:twhdtii *I1Iit-1可升杵禺q5咼却Lp-c11檢2ft#E-l(2履带行走装置的驱动力和滚动阻力履带行走装置在驱动转动力矩qT的作用下，在水平地面做等速驱动运动时，在驱动拉力作用下，履带驱动段上带轮和带之间相对转动，产生摩擦阻力矩lrT。同时，因垂直载荷Q作用履带支撑面上产生与行走装置行驶方向致的摩擦力，即上面提到的附着力，为履带的驱动力TF.如图：lqrqqddTTTFr-二n式中n在同步带传动为传动效率。fq在履带在管道内行驶时，橡胶履带和管壁面间产生滚动阻力fF履带行走装置驱动力在克服本身滚动阻力后，发挥牵引力TF。fFfQ=qTqfdTFFFfQrn式中f为履带行走装

26、置的滚动阻力系数，由履带行走的地面类型而定。在管道中可取0.if计算。三行走系中传动系统总传动比4.77i=1级传动:1.5i迅级传动:1.6i=11级传动:2i=39TtM-HAji-IIH-!(4JIPIMIS1t：lU?空井审事出.iBAM-M-r,-13X31-1：(-MlII斗.1J1h-Ai；*iLxmAILbl-I“厂齐*1聊：*直口4|i直由卜fiS：-:d薛柚Ea刍】卜卜旣门丰鼻毁摘叢旳力461吐rl-L划曲|J)|刚邓1pau-i.j1.-fLMiZu5*ad!7Mjl融JPIJMMv念U：i叫.-HS拓Jirihl直i也口一臨）町卜祁月3Hl歼士肇啟aSsSiW-n/Jw

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