Φ700mm-Φ1000mm管道机器人设计移动装置结构设计Word格式文档下载.docx
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第一章概述·
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1.1机器人概述·
1.2管道机器人概述·
3
1.3国内外管道机器人的发展·
4
1.3.1国内管道机器人的发展·
1.3.2国外管道机器人的发展·
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1.4机器人的发展景·
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第二章总体方案的制定与比较·
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2.1管道机器人设计参数和技术指标·
2.2总体结构的设计和较·
第三章部件的设计和算·
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3.1管道机器人工作量算·
3.3撑开机构和放大杆组的计·
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第四章其他·
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5.1大小锥齿轮的设计和核·
5.2轴Ⅰ的设计和核·
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5.3键的校核·
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摘要
在工农业生产及日常生活中，管道应用范围极为广泛。
在管道的使用过程中，会产生管道堵塞与管道故障和损伤，需要定期维护、检修等。
但管道所处的环境往往是人们不易达到或者不允许人们直接进入，所以开发管道机器人就显得尤为重要。
以金属冶炼厂管道清洁机器人为研究目标，根据其工作环境和技术要求设计了一种可适应φ700mm-φ1000mm管道的管道清洁机器人。
该管道机器人采用三履带式的可伸缩行走装置，操作装置为2个自由的的操作臂，末端操作器上安装有吸尘头，吸尘头吸起的灰尘通过吸尘软管收集在装灰箱体内。
当灰尘装满后，机器人行走到倒灰口，打开卸料门，将灰尘倒掉。
本次设计主要对管道清洁机器人进行结构设计，利用三维参数化特征建模软件Pro/Engineer建立了管道清洁机器人的三维模型，生成了机器人主要零部件的工程图。
对管道机器人中的主要机构进行动态仿真，验证了所设计机构的正确性。
最后对主要零部件进行了设计校核计算，并简单叙述了该机器人控制方案。
第一章概述
1.1机器人概述
机器人----这一词最早使用始于1920年至1930年期间在捷克作家凯勒尔*
凯佩克（Karelcapek）的名为"
罗莎姆的万能机器人"
的幻想剧中，一些小的人造的和拟人的傀儡绝对地服从其主人的命令。
这些傀儡被称为“机器人”。
该单词起源于捷克语“robota”。
意思是“强制的劳动”。
机器人的组成与人类相似。
举例说，人搬运某一物体的运动过程可用图（a）所示的方块图来说明。
首先，人听到外部的命令或用眼睛看到外部的指令，并由眼睛测量出距离。
感受到这两种信息经过感觉神经送到大脑中，大脑经过分析计算，然后通过运动神经发出指令，手臂用最好的方式伸向物体，并将物体抓住，手上的感觉神经，感觉物体已经抓牢了，把信息传给大脑。
大脑命令手抓起物体，同时指令脚移动到所要求到达的地点，最后放下物体。
一般包括以下几个部分见图（b）：
1.2管道机器人概述
20世纪70年代以来,石油、化工、天然气及核工业等产业迅速发展,各种管道作为一种重要的物料输送设施,得到了广泛应用。
由于腐蚀、重压等作用,管道不可避免地会出现漏孔、裂纹等现象。
同时多数管道安装环境人们不能直接到达或不允许人们直接进入,为进行质量检测和故障诊断,采用传统的全面挖掘法、随机抽样法工程量大,准确率低,管道机器人就是为解决这一实际问
题产生的。
它是由可沿管道内部或外部自动行走装置、携有一种或多种传感器及操作装置如：
机械手、喷枪、焊枪、刷子。
管道机器人的工作空间是复杂、封闭的各种管道,包括水平直管、各角度弯管、斜坡管、垂直管以及变径管接口等,所以需要在操作人员的遥控操作或计算机自动控制下,进行一系列管道作业。
管道机器人可完成的管道作业有以下几类：
1.生产、安装过程中的管内外质量检测。
2.恶劣环境下管道清扫、喷涂、焊接、内部抛光等维护。
3.使用过程中焊缝情况、表面腐蚀、裂缝破损等故障诊断。
4.对埋地旧管道的修复。
5.管道内外器材运送、抢救等其它用用途。
1.3国内外管道机器人的发展
1.3.1国内管道机器人的发展
国内在管道机器人方面的研究起步较晚,而且多数停留在实验室阶段。
哈尔滨工业大学邓宗全教授在国家“863”计划课题“X射线检测实时成像管道机器人的研制”的支持下,开展了轮式行走方式的管道机器人研制,实现了管内外机构同步运动作业无缆操作技术,并研制了链式和钢带式两种新型管外旋转机构。
该系统由六大部分组成
（1）移动载体
（2）视觉定位
（3）收放线装置（4）X射线机
（5）检测控制,系统控制（6）防护系统
西安交通大学设计制作了蠕动式微动直线自行走机构。
这种行走机构以电致伸缩微位移器做驱动器，以电磁铁机构作为可吸附于行走表面的保持器。
上海交通大学研发了小口径管道内蠕动式移动机构。
它是模仿昆虫在地面上爬行时蠕动前进与后退的动作设计的。
其主要机构由撑脚机构、三个气缸（前气缸、中气缸、后气缸）、软轴、弹簧片、法兰盘组成。
针对微小空间、微小管道实时探测的要求，研制成电磁驱动微小型管道机器人样机。
微小管道机器人由四个电磁驱动单元组成。
其驱动机理模拟生物体的蠕动爬行。
它是通过给线圈加一系列的时序脉冲进行控制，依次使各单元动作，达到蠕动爬行的运动。
1.3.2国外管道机器人的发展
国外关于燃气管道机器人的研究始于20世纪40年代,由于70年代的微电子技术、计算机技术、自动化技术的发展,管道检测机器人技术于90年代初，得到了迅猛发展并接近于应用水平。
1.4机器人的发展前景
展望21世纪机器人技术的发展趋势，明显地向着智能化（intellectualization）方向发展，包括机器人本身向智能机器人进化和实现机器人化（robotization）生产系统。
具体地说，传感型智能机器人发展较快，新型智能技术（如临场感、虚拟现实、记忆材料、多智能体系统以及人工神经网络和专家系统等）在机器人上得到开发与应用，采用模块化设计技术，进一步推动机器人工程，注意开发微型和小新机器人，重视研制行走机器人，研制应用于非结构环境下工作地非制造业机器人和服务机器人，开发敏捷制造系统，军用机器人将用于装配部队等。
总的说来，虽然存在不少难关，甚至出现某些阴影，但新世纪机器人学的发展前景是十分光明和充满希望。
第二章总体方案的制定及比较
2.1管道机器人设计参数和技术指标
（1）管道机器人的工作环境
a．管道为金属冶炼厂烟气输送管道，管道为圆管，管道直径为φ700mm--φ1000mm，管道底部每周可形成厚约100mm的烟灰堆积层；
b．；
管道底部每隔50m有一可自动打开的清洁，供机器人倾倒垃圾；
c．烟灰密度3.5g/cm3
d．管道中有水平、小于30。
倾斜，3倍管道直径弯曲三种形式；
（2）管道机器人的技术要求
a.机器人自动化程度高，控制方便灵活；
b．机器人必须小巧、灵活、拆卸方便；
c．机器人在工作过程中，其结构可适应应不同管径的变化情况；
d．生产能力高，每小时清洁能力应在40m左右；
2.2总体结构的设计和比较
（1）行走机构的设计
根据国内外的管道机器人的移动方式大致可分为六种：
㈠滚轮移动式优点是移动速度快，转弯容易，结构简单，易小型化，采用多轮方式时牵引力随轮数增加而增加。
缺点是着地面积小，维持一定的附着力较困难，这使得结构复杂，越障能力有限。
㈡履带移动式的优点是着地面积大，易产生较大的附着力，对路面的适应性强，牵引性能好，越障能力强。
缺点是体积大不易小型化，拐弯半径大，结构复杂，还要保持履带的张紧。
㈢活塞移动式依靠其首尾两端管内流体形成的压差为驱动力，随着管内流
体的流动向前运动，其原理类似于活塞在汽缸内的运动，即把管道看作汽缸，
把具有一定弹性和硬度的PIG看作活塞。
其缺点是：
越障能力和拐弯能力差。
㈣蠕动移动式的优点是适应微小管径，越障能力强。
缺点是移动速度慢，
控制复杂。
㈤足腿移动式的优点是对粗糙路面适应性能较好，越障能力极强，可适应不同管径的变化。
缺点是结构和控制复杂，行走速度慢。
根据设计参数和技术要求，所要研制的管道机器人必须要有高可靠性，高效率。
所以采用上述行走机构的移动方式的组合来实现行走，这样可利用其综合优点避免单一移动方式的缺点。
由于管道存在不同的弯管，这就要求机器人的行走机构有一定的拐弯能力和越障能力。
所以，设计了一种如下页图所示的可伸缩的三只履带腿式（三只腿成120°
分布）组合行走机构。
其特点是：
移动速度快、转弯比较容易、有较大牵引力、对粗糙路面适应
性好、越障能力强；
同时，可伸缩性使得机器人对变径管道有较好的自适应性。
（2）操作机构的设计
根据管道机器人的操作对象是一些堆积的灰尘，并且灰尘在管道底部堆积，同时成疏松状，所以操作机构有以下两种方案：
①借鉴吸尘器的工作原理。
利用带有操作臂的吸尘器的吸头，灰尘通过
吸尘管道到主体内部，设计箱体的容积比较大，最后，移动到垃圾开口处倾倒垃圾，从而减少在往返的次数来提高工作效率。
②借鉴挖掘机的工作原理。
利用铲斗铲起灰尘，然后行走到管道底部的垃圾开口，倾倒灰尘。
这种方案简单，可靠；
但是由于管道直径的限制，其铲斗的容积比较小，同时垃圾开口每隔50m才有一个开口，其大部分时间都在行走上，所以机器人的工作效率很低。
所以才用具有两个自由度的机械臂，臂末端附上吸尘器头，臂上附上塑料软管，软管最终以主体的垃圾箱密封连接。
（3）撑开机构的设计
由于管径的变化，需要撑开机构来适应管径的变化。
在本机器人设计中，采用滚珠丝杠螺母副来和放大杆组来实现。
当丝杠4旋转时，丝杠螺母5在丝杠上左右移动，从而拉动撑开杆3，撑开杆3铰接在放大杆组2上，从而改变其倾角来适应管径的变化。
（4）最终方案的确定
根据以上的分
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