TH1管道机器人设计说明书图文精.docx
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TH1管道机器人设计说明书图文精
设计成员：
柴思敏F03020045031519041朱翼凌F03020045030209393巴振宇F03020125030209335柳宁F03020035030209376
指导老师：
高雪官
上海交通大学机械动力学
院
一.TH-1管道机器人工作要求和技术指标…………………………4
二.元器件和配件选择说明………………………………………….5-6
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……………………………………………………………74
TH-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：
351mm⨯155mm⨯155mm
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200~300mm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，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，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：
①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；②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0120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.1
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，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00[15,80]α∈时，机架适应管道半径的范围在
[200,325]mm。
参考常见的管道运输直径范围（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∑,由附加正压力所产生的作用反力定义为P∑，丝杠螺母杆的推力为F，由虚功原理可得：
（0NPdyFdx++=∑∑（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
=+∑（2.1.3其中k由自适应机构的相关尺寸所决定：
11（1
LRhhkL--=
+（2.1.4式中121,,,,,LLRhhL如图1所示。
调节电机需要输出的扭矩为：
2h
pTFπη
=
（2.1.5式中：
η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，牵引力eF为：
（2eFmgPμ=+∑（2.1.6
式中μ为履带的附着系数，近似于摩擦系数。
由（2.1.3,（2.1.4，（2.1.5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∑的范围在[0,50]N之间。
采用的是履带中驱动的同种电机，额
定转矩300TNmm=,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（2.1.4可算出0.5164k=
带入式（2.1.3,由[0,50]PN∈∑，可算出所需要的推力F的范围为[387.3,484.12]NN。
带入式（2.1.5可算出需要输入的转矩[231.15,288.94]TNmm∈,
在电机的额定输出转矩的范围之内。
由式（2.1.6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的接口，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：
图3.3单边履带受力应力图
图3.4双边履带架受力变形图
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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1742
mm。
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
5
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
6
左右。
因此可以得出，双边履带架的设计在刚度和应力集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
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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[387.3,484.12]NN，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
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图3.7机架前座具体的三维视图
图3.8机架前座轴承侧受力变形图（两侧受力时
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图3.9机架前座轴承侧受力应力分布图（两侧受力时
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由第二部分可以知道，机架前座连接侧受力分两种情况：
一是光由重力引起的压力，即后座处两面受力；二是有丝杠螺母所引起的附加的压力，即后座与连杆连接出三面受力。
图3.8,3.9,3.10,3.11从正反两面展示了机架前座两面受力的情况。
图中可以看出，两面受力时，机架朝着没有受力处变形。
由于轴向推力很大，所以变形和应力集中处在轴承和机架的接触处。
图3.12和图3.13为机架前座三侧受力的情况。
可以看出和两侧受力相比，变形和应力分布相对比较均匀，机架变形并没有特别突出的地方。
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机架部分传动系统的设计计算
总传动比：
2i=Ⅰ级传动比：
1.5i=Ⅱ级传动比：
1.3i=
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履带行走系设计
一．行走系的选择
管道机器人的行走系现大部分采用轮式结构和履带式模块结构的行走系。
管道机器人实现在管内行走必须满足机器人移动载体对管壁的附着力,既牵引力eF，大于移动载体的阻力fF：
efFF>
当电机的驱动力足够大的时候，牵引力eF:
eeFNμ=
其中eN为履带与管道壁面接触的正压力。
轮式管道机器人的行走轮可按空间或平面配制．一般取4∽6轮，其驱动方式有独轮或多轮驱动。
它的附着力eF只与驱动轮和管壁间的接触正压力有关。
对于履带式管道机器人基于履带的结构特点，它在单个电机驱动的情况下，正压力eN等于载体与管壁产生的正压力，因此有大的附着力。
同时，在管道内行走的稳定性和越障性能上，履带式行走系的总体性能要优与轮式行走系。
因此，本次机械设计采用履带式行走系的模块设计。
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=,带宽115sb=（此为最大的带宽，厂方可根据客户的要求进行切
割，履带中带宽26sbmm=。
为了增大履带的接触地面的摩擦力，将另一段带的背面和在带轮上的带的背面用强力胶水粘和。
（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1rT。
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一致的摩擦力，即上面提到的附着力，为履带的驱动力TF.如图：
1
qrqqd
d
TTTFrrη-=
=
式中η在同步带传动为传动效率。
f
q
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=qTqfd
TFFFfQrη
=-=-
式中f为履带行走装置的滚动阻力系数，由履带行走的地面类型而定。
在管道中可取0.1f=计算。
三．行走系中传动系统
总传动比4.77i=Ⅰ级传动：
1.5i=Ⅱ级传动：
1.6i=Ⅲ级传动：
2i=
46
47
48
49
履带传动系齿轮的设计计算
Ⅱ级圆柱齿轮传动
升级会员 