油管内壁爬行机器人的设计文档格式.docx
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所以需要选择合理的卡紧方案。
由于本次设计的机器人需要适应从4.5到7英寸的不同管径的管道，这给卡紧方案的设计带来很大的难度。
方案1为采用推拉式电磁铁直接进行卡紧，并使用适当的连杆机构调整电磁铁位置，当连杆机构将电磁铁调整到指定位置后，电磁铁得电，推杆伸长，机器人卡紧管壁。
工作完成后，电磁铁失电，机器人放松[6]。
结构简图见图1-2
图1-2结构简图
方案2为使用一个旋转电磁铁，用旋转电磁铁来带动凸轮实现卡紧，通过对凸轮进行设计可以计算出支撑杆的移动距离。
当旋转电磁铁得电后，旋转一定角度，带动凸轮旋转，使支撑杆在径向产生移动从而卡进管壁。
电磁铁失电后，通过弹簧的作用使凸轮和支撑足复位，机器人放松。
结构简图见图1-3。
图1-3结构简图
Diagram1-3structuresketchplans
方案3为使用一推拉式电磁铁推动锥形滑块，同时设计三个长度可调的支撑杆，当电磁铁得电后，电磁铁推杆伸出并带动锥形滑块沿轴向前进。
由于滑块为锥形，支撑足产生径向移动，机器人被卡紧[7]。
电磁铁失电后，机器人放松，原理同方案2。
结构简图见图1-4。
图1-4结构简图
Diagram1-4structuresketchplans
综合比较以上三种方案，首先放弃了方案1，由于管道内空间有限，电磁铁的体积太大，无法合理的安放电磁铁，并且电磁铁的重量也相对较大，设计与之相应的连杆机构也很困难。
方案2与方案3在原理上基本相同，不同之处在于方案2用的是凸轮，而方案3用的是锥形滑块。
凸轮的结构复杂，且其表面需要非常光滑，由于凸轮曲面为复杂曲面，所以普通磨床难以加工，需用数控加工中心进行加工，这样加大了成本。
经过综合比较决定选择方案3。
另外，在卡紧方面也可使用气缸，此类型的设备已被开发，但由于空间问题并不适合于本设计，故本设计不使用该方法。
1．4旋转方案的选择
旋转部分采用一个旋转式步进电机，电机轴带动法兰，可在法兰上连接工作体，通过控制步进电机的转动角度来控制工作体的转动。
结构如图1-5所示。
图1-5
Diagram1-5
1．5调节方案的选择
由于本次设计的机器人要适应不同的管径，所以需要设计一个结构合理的可调机构。
初步拟订3个方案，方案1采用一个推拉式电磁铁推动一个连杆机构，结构与卡紧方案1相似，结构简图见图1-2。
通过控制推杆伸出的长度及连杆机构来调整支撑足。
方案2也是一种连杆机构，结构见图1-6。
通过调整螺栓来调整支撑足的高度。
它的结构与汽车修理厂所用千斤顶相似。
图1-6结构简图
Diagram1-6structuresketchplans
方案3较为简单，将支撑杆上做出几个槽，槽的位置分别与机器人所需要工作的管径相对应，在外安装套筒，并在套筒上开螺纹孔，通过紧钉螺钉将支撑杆与套筒相连。
再将套筒与机体相连，通过紧定螺钉与不同槽之间的配合来适应不同的管径。
结构详见图1-7。
图1-7结构简图
Diagram1-7structuresketchplans
再对以上三种方案进行比较，方案1的自动化程度很高，可以通过控制计算机来控制调整机构，节省了人力。
方案2的机构很合理，调整方便。
但由于管道内空间的限制，这个方案都很难在本设计中应用，而方案3虽然不是最精确的，但它制造方便，并且在空间上设计的很合理。
并且为可换，在需要适应新的管径的时候，只需要重新制造支撑杆，十分方便。
本设计采用方案3。
1．6结构方案改进
机器人采用丝杠来推动前进，在前进过程中对于部分机体的旋转自由度没有加以限制，所以不排除机器人在前进过程中产生旋转。
为了防止旋转，我们在丝杠的平行方向上加一根光杠。
这样机器人在前进时，当一端被卡紧时，另一部分的旋转自由度也被加以限制，防止了旋转的发生。
机器人在前进的过程中，管道内的情况不明。
有些管道的内表面已经作了加工，为了防止划伤管道内表面，我们在机器人的三大部分上分别加上三组小轮，这样不仅可以减小摩擦力，通过对小轮表面材料的选择也可以起到保护管道内表面的作用。
由于机器人所载工作体需做小于360°
的旋转，所以应该最大限度的保证机器人的中心与管道的中心重合，这样工作体就是绕管道的中心旋转。
采用三足支撑的方法进行自动定心，同时在其中一个支撑足上安装弹簧，使三个支撑足同时抵在管壁上，保证定心。
并将防划伤的小轮安装在这三个支撑足上。
结构如图1-8所示。
图1-8结构简图
Diagram1-8structuresketchplans
在原理上可以将卡紧与支撑用一个机构来执行，但是由于支撑足上安装了用来减小摩擦力的小轮，这样电磁铁产生的卡紧力将不足以卡紧，将定心与卡紧分离，可以保证卡紧力，只要在结构上做的尽量紧凑，充分考虑空间因素，问题将得到解决。
2主要部件的计算选择
2．1步进电机的选择
本次设计步进电机共使用两个，两个电机的功能不同所用型号也不相同。
我们先对行进用的电机进行选择。
本次设计中的前进动力全部来自这个步进电机，所以该电机提供推力必须能够推动整个机体。
机器人制造材料为铝，铝的密度为
Kg/m3
可得整个机体的质量约为1.5千克。
由于机器人工作环境所限预计工作体的质量为1.5千克。
机器人整体的质量主要由机体、工作体、电磁铁和电机的质量组成，初步选择两个电机的质量约为0.75千克。
两个电磁铁的质量为0.35千克，再补充其它部件的质量，整个机器人的质量约为5千克。
机器人在管道内所受的阻力来自于小轮与管壁的滚动摩擦力。
小轮与油管内壁间的摩擦系数决定了机器人所需推力。
根据工程实践经验可知，滚动摩擦系数在0.1与0.2之间，这里为保证推力，取摩擦系数为0.2。
得出为使机器人前进所需推力为9.8N。
旋转电机所输出的转距由丝杠转化为直线运动，丝杠推力由螺旋副产生，由于推力已得出，所以计算所得的螺旋副间的摩擦阻力矩即所选电机需要满足的转矩。
计算摩擦力矩时借鉴螺纹预紧的扭紧力矩的计算方法[8]。
螺栓由于扭紧力矩T作用，使螺栓和被连接面之间产生预紧力F0。
由机械原理可知，扭紧力矩T等于螺旋副间的摩擦阻力矩T1（即本设计中所需求的转矩）和螺母环形面与被连接件支撑面间的摩擦阻力矩之和，
即
（2-1）
螺旋副间的摩擦力矩为
（2-2）
螺母与支承面间的摩擦力矩为
（2-3）
将（2-2）、（2-3）、代入（2-1），得
（2-4）
表2-1
综合考虑螺纹升角；
螺旋副的当量摩擦角
（f为摩擦系数，无润滑时f
0.1-0.2）；
螺母与支承面间的摩擦系数可得
（2-5）
因为丝杠传动过程中并无螺母与支承面间的摩擦阻力矩T2，所以可利用公式（2-5）计算本设计中所用电机的转距，并且计算出的转距一定大于推力所用的转矩，在选用电机时留出了工作余量。
由于在工作的丝杠与电机轴之间使用了一组齿轮减数器，Z1=20，Z2=36，
。
计算得出所需电机转矩为0.0087N.m
在考虑到空间、质量因素后决定采用35BYG310型步进电机，电机各项参数如表3-1所示：
（通用技术参数）混合式步进电机
步距角1.8°
±
5%
绝缘电阻500V
DC
100MΩ
Min
绝缘强度50Hz
1Minute
500VMin
环境温度
20℃~+50℃
温
升80℃Max.
径向跳动0.02mmMax.
轴向跳动0.1-0.3mm
型号相数电流电阻最大静转矩重量外形尺寸
（A）（Ω）（kg.cm）（kg）L0（mm）L1（mm）
35BYG31020.19600.80.152821
35BYG40821.601.30.90.152921
35BYG40920.32231.40.202921
选择步进电机的步距角为
，丝杠导程为1.5㎜，机器人行进的分辨率为0.0075㎜/步[9]。
工作体转动所用步进电机的选择。
工作体在转动过程中需要克服由重力所产生的转矩，由于工作体形状未知，故设工作体重心偏移量为最大，工作体质量为1.5㎏，得出所需电机转矩为0.375N.m。
选择57BYG008型步进电机。
步距角1.8deg
环境温度25～+40℃
绝缘等级B
表2-2
Form2-2
型号电压电流电阻电感最大静力矩机身长转动惯量重量
（V）（A）（Ω）（mh）（N.cm）（mm）（g.cm2）（kg）
57BYG007120.38323029.441600.45
57BYG0084.01.33.14.449.0511180.6
57BYG0092.42.41.01.558.8561450.65
2．2推拉式电磁铁的选择
本设计卡紧部分所采用的是推拉式电磁铁，通过锥形块来实现卡紧。
锥形块的锥度设定为
，支撑杆受力简图如图2-1所示：
图2-1支撑杆受力简图
Diagram2-1propupapoletobesubjectedtoadintsketchplan
图中F1为电磁铁推力，F2为作用在油管内壁的卡紧力。
因为锥度为
，所以F1=F2。
机器人前进所用推力为9.8N，则电磁铁所产生的卡紧力应大于9.8N。
在电磁铁的卡紧足上镀上用于增大摩擦力的橡胶，保守的取滑动摩擦系数为0.5，计算得出所需电磁铁的推力为为19.6N。
由于机器人工作的空间狭小且工作条件不清楚，所以在保证足够力的前提下，应尽量选择体积小行程适中的。
所以电磁铁选用TCT40Z型推拉式电磁铁。
仔细分析电磁铁工作曲线（如图2-2）后，决定选用工作行程为4㎜，功率50W。
图2-2
Diagram2-2
3关键件的校核
3．1丝杠的校核
由于机器人前进过程中行进的距离要进行精确控制，属于精密传动，所以丝杠材料选用CrWMn钢，公称直径为8mm,H=0.75mm,导程为1.5mm,
其中丝杠推力F=9.8N，d2=7.25,Z=7。
计算得出：
P=0.08MPa
所以符合要求[10]。
3．2轴承的校核
本设计中两处用到了轴承，其中转动部分需要用角接触球轴承70000型。
本设计中此处选用角接触球轴承既能抵消所受的径向力,又能抵消所受的附加轴向力。
又因为此对轴承所受的外摩擦力即轴向力非常小，故符合机器人的结构及寿命要求。
另外固定丝杠时也需要选用轴承。
由于丝杠是与电机布置在同一部分机体内，电机已经占据了一定空间，且丝杠公称直径很小，普通轴承不能满足要求。
我们在这里选用仪器仪表轴承，d=6mm，D=13mm。
轴承的基本额定载荷
KN，
KN。
在轻载的情况下，轴向
，即
N[11]。
在机器人行进过程中，丝杠的推力为9.8N，所以选用的轴承满足要求。
3．3键的校核
转动部分使用了一个普通平键，传递转矩为0.375N.m，轴的直径为16
mm
，
校核公式：
计算得出
，键的材料为钢
，符合要求[12]。
4驱动系统设计
步进电机是一种将脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件。
每外加一个控制脉冲，电机就运行一步，故称为步进电机或脉冲马达。
与其它驱动元件相比其控制有如下几个明显的优点：
1）通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制；
2）输出的转角或位移精度高，误差不会累积；
3）控制系统结构简单，与数字设备兼容，价格便宜。
步进电机的品种规格很多，按照其结构和工作原理可划分为反应式电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和特种步进电机四种主要形式。
本次设计中采用混合式步进电机。
步进电机的运行需要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为角位移，既控制系统每发出一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。
步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。
步进电机的驱动器拥有细分功能。
控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所前进的不一定是电机的固有步距角，真正的步距角和电机驱动器有关。
步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了，如驱动器工作在10细分状态时，其步距角只有“电机固有步距角”的十分之一，也就是说：
‘当驱动器工作在不细分的半步工作状态驱动所用电机时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动
；
而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了
’，这就是细分功能。
驱动器细分后的主要优点为：
1）完全消除了电机的低频振荡。
低频振荡（约在200Hz左右）是步进电机的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果步进电机有时要工作在共振区（如走圆弧），选择细分驱动器是唯一的选择。
2）提高了电机的的输出转矩。
尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高了30-40％。
3）提高了电机的分辨率。
由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，‘提高电机的分辨率’是不言而喻的。
本设计中共使用两个步进电机，型号分别为35BYG310和57BYG008。
为两电机选择的驱动器型号均为SH-2H057M，该驱动器所用的是全功能步进电机专用控制芯片，是由超大规模的硬件集成，具有高度的抗干扰性及快速的响应性，不会像单片机控制那样易产生死机及丢步现象。
由于不同工作体对机器人行走的分辨率有不同要求，所选的驱动器有细分功能，对应不同工作体的要求，选择相应的‘细分数’，驱动器的‘细分数’调法非常简单，只需要根据面板上的提示，通过拨位开关设定即可。
5机器人工作过程
1）机器人置于初始状态——电机、电磁铁失电，卡紧杆放松管壁，支撑轴紧靠管壁。
2）给定行进量：
机器人到工作体工作位置的距离。
3）后足卡紧，前足放松。
后足处行程开关给出信号，后足已到位。
行进用步进电机得电旋转，通过齿轮减速器的作用，电机带动丝杠转动，机器人的身体拉长，前部身体前进一个工作行程。
4）步进电机断电。
机器人后足松开管壁，卡紧足在弹簧作用下恢复原位。
前足卡紧，前足行程开关给出信号，前足已到位。
步进电机得电反转，丝杠反转，机器人身体恢复原长，后部身体前进一个工作行程。
5）不同工作体对机器人行进有不同的要求，如为给定的工作位置，机器人按程序行进，到达指定位置后，进行定位。
如工作体工作位置不定，例如管道探伤的工作，机器人的行进需要受到传感器所发信号控制，当机器人到达指定位置，传感器发出停止信号，机器人停止前进。
6）机器人到达指定位置后，行进用步进电机失电，机器人停止前进。
同时前后足卡紧，两处行程开关给出到位信号。
机器人卡进后，旋转用步进电机得电，工作体按要求进行旋转。
7）工作体在第一个位置的工作完成后，给出完成信号，旋转电机失电，机器人卡紧足放松，机器人恢复为行进状态。
根据不同工作体的要求，机器人工作过程会有所不同，但基本会按如上步骤进行爬行动作。
6控制系统的设计
6．1电磁铁及步进电机的控制
本设计中共有两个步进电机和两个推拉式电磁铁需要控制，其中电磁铁控制与电机控制相比较为简单，只有得电与失电两种状态。
而步进电机控制相对复杂。
在步进电机的计算机控制中，单片机、PLC等工业控制计算机根据要求产生控制信号，通过步进电机的控制接口模板，控制步进电机驱动器的脉冲输出，从而控制步进电机启动、运行、停止、换向等，其基本控制作用如下[13]：
1）控制换相顺序：
步进电机的通电换相顺序严格按照步进电机的工作方式进行。
通常将通电换相这一过程称为脉冲分配。
2）控制步进电机的转向：
由步进电机的工作原理可知，若按给定的工作方式正序通电换相，步进电机就正转；
若反序通电换相，则电机就反转。
3）控制步进电机的速度：
如果给步进电机一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。
两个脉冲的间隔时间越短，步进电机就转得越快。
因此，脉冲的频率决定了步进电机的转速，调整控制计算机发出脉冲的频率，就可以对步进电机进行调速。
由单片机实现的步进电机控制系统如图6-1所示。
图7-1
Diagram7-1
6．2控制系统的硬件设计
6．2．1总体设计
本设计的控制系统主要采用八位单片机。
单片机在一块芯片上集成了计算机的主要硬件资源。
除具有一般计算机快速性、准确性、逻辑功能强等特性外，还具有自身特点[14]。
1）体积小、重量轻、功耗低、功能强、性价比高。
2）数据大都在单片机内部传送，运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高。
3）结构灵活，易于组成各种微机应用系统。
4）应用广泛，即可用于各种工业自动控制等场合，又可用于测量仪器、医疗仪器及家用电器等领域。
但是，在许多情况下，例如在构造一个机电测控系统时，考虑到传感器接口、伺服控制接口以及人机对话接口等需要，最小应用系统不能满足系统功能的要求，必须在片外扩展相应的外围芯片，这就是单片机系统扩展。
单片机系统扩展一般包括程序存储器（ROM或EPROM）扩展、数据存储器（RAM）扩展、输入/输出口（I/O）扩展、定时/计数器扩展、中断系统扩展等。
虽然单片机芯片本身已构成一个最小系统，但作为一个最小应用系统来说，仍需在片外加接一些没有集成在片内的功能器件。
如8051/8751的本身既是最小应用系统。
由于集成度的限制，这种最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
另外，对于片内无ROM/EPROM的单片机，还必须配置外部程序存储器。
8031是片内无程序存储器的单片机芯片，因此，其最小应用系统应在片外扩展EPROM。
结构如图6-2。
图6-2结构图
Diagram6-2structureplans
本次设计中采用8031作为单片机的芯片，需进行外部程序存储器扩展和数据存储器扩展。
单片机的系统扩展能力根据地址总线的宽度，在片外可扩展的存储器容量最大为64KB，地址范围为0000H～FFFFH。
片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号，允许两者地址重复，故片外允许扩展的程序存储器和数据存储器各为64KB。
6．2．2程序存储器的扩展
程序存储器扩展使用EPROM扩展电路。
紫外线擦除电可编程只读存储器EPROM可作为单片机的外部程序存储器，其典型产品有2716A（2K×
8）、2732A（8K×
8）、27128A（16K×
8）、27256A（32K×
8）和27512A（64K×
8）等。
这些芯片上均有一个玻璃窗口，在紫外光下照射20分钟左右，存储器中的各位信息均变为1。
此时，可以通过编程器将工作程序固化到这些芯片中。
本设计中使用2764A。
2764A是一种8K×
8位EPROM，单一+5V供电，工作电流为75mA,维持电流为35mA,读出最大时间为250ns。
扩展电路如图6-3。
图6-32764A扩展电路图
Diagram6-32764Ashesexpandelectriccircuitdiagram
如需要在计算机系统中进行在线修改，并能在断电的情况下保持修改的结果的，可使用EEPROM。
EEPROM是一种电擦除可编程只读存储器，在需要的情况下，此种存储器可满足要求。
6．2．3数据存储器的扩展
数据存储器扩展可使用的有静态读/写存储器RAM，动态读/写存储器RAM和EEPROM等。
静态RAM是最常用的，这种存储器的设计无需考虑刷新问题，故它与微处理器的接口很简单。
静态RAM是通过有源电路来保持存储器中的信息，与动态RAM相比，需要消耗更多的功率，且价格较高，动态存储器每位的价格要比静态存储器低4倍。
由于静态RAM接口简单，本次设计中数据存储器扩展使用静态RAM芯片6264。
6264是8K×
8位静态随机存储器芯片，CMOS工艺制造，单一+5V供电，额定功耗200MW，典型存取时间200ns。
扩展电路如图6-4。
图6-46264扩展电路图
Diagram6-46264Ashesexpandelectriccircuitdiagram
6．2．4输入\输出口的扩展
8031芯片只提供四个8位并行I/O口，但这些I/O口不能完全提供给用户。
只有在使用具有片内ROM/EPROM的8051/8751芯片且不需要作外部扩展时，才允许将这四个I/O口作为用户I/O口使用。
对于大多数使用8031能够使用的I/O口只有P1口和部分P3口线。
在大部分MCS-51单片机的应用系统设计中，要进行I/O口扩展。
单片机扩展的I/O口有两种基本类型：
简单I/O口扩展和可编程I/O口扩展。
前者功能单一，多用于简单外设的数据输入或输出；
后者功能丰富，应用广泛，但芯片价格相对较贵。
1）简单I/O口扩展
简单I/O口扩展有两种，用并行口扩展I/O口和用串行口扩展I/
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