機械畢業(yè)設計（論文）-管道除塵機器人結構設計【全套圖紙】

1、<p><b>　　編號</b></p><p><b>　　無錫太湖學院</b></p><p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　題目：管道除塵機器人結構設計 </p><p>　　信機 系 機械工程及自動化 專業(yè)</p>

2、;<p>　　學 號： 　　　　　　</p><p>　　學生姓名： </p><p>　　指導教師： ?。毞Q：副教授）</p><p>　?。毞Q： ）</p><p>　　2013年5月25日</p><p>　　無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文）<

3、;/p><p><b>　　誠 信 承 諾 書</b></p><p>　　全套圖紙，加153893706</p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 管道除塵機器人結構設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，其內容除了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用，表示致謝的內容外，本畢業(yè)設計（論文）</p>

4、<p>　　不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。</p><p>　　班 級： 機械97 </p><p>　　學 號： 0923825 </p><p>　　作者姓名： </p><p>　　2013 年 5 月 25 日</p><p>

5、;<b>　　無錫太湖學院</b></p><p>　　信 機　系 　機械工程及自動化 　專業(yè)</p><p>　　畢 業(yè) 設 計論 文 任 務 書</p><p><b>　　一、題目及專題：</b></p><p>　　1、題目　　 管道除塵機器人結構設計的研究 　 　<

6、/p><p>　　2、專題　 　</p><p>　　二、課題來源及選題依據</p><p>　　1) 該課題為企業(yè)生產實際，目前，我國燃煤電廠輸灰管道的除垢方法基本上可分為化學法和物理法。經實踐應用，上述方法均存在一定局限性，不能同時符合環(huán)保及技術性、經濟性要求，多數不被電廠接受。目前

7、常用的是化學清洗法和人工振擊法。但這兩種方法也各有缺點。</p><p>　　2) 本課題就是針對這一現狀，對輸灰管道清灰機器人進行初步探討，以期能達到清潔環(huán)保等功能，完成該課題可對我們大學期間所學知識進行一次全面的專業(yè)訓練，可以培養(yǎng)我們掌握如何運用過去所學知識去解決生產中實際問題的方法，增強從事本專業(yè)實際工作所必需的基本能力和開發(fā)研究能力，可以提高我們的專業(yè)素質，為今后走上工作崗位打下一個良好的基礎。</

8、p><p>　　本設計（論文或其他）應達到的要求：</p><p>　　1、能正確合理分析產品設計的具體要求和產品的功能實現；</p><p>　　2、能合理根據產品的設計要求擬定多種解決方案，并進行多方案優(yōu)化分析設計； </p><p>　　3、合理選擇和設計部件的傳動方案，并能進行一些必要的設計計算；</p><p>

9、　　4、正確選擇零部件中各零件，并能進行一定的校核計算和優(yōu)化設計； </p><p>　　5、繪制機器人行走部件裝配圖；</p><p>　　6、設計繪制零件工作圖若干；</p><p>　　7、編制設計計算說明書1份；</p><p><b>　　四、接受任務學生：</b></p><p>　　

10、機 械97 班 　　姓名 </p><p>　　五、開始及完成日期：</p><p>　　自 2012 年 11月 7 日 至 2013 年 5 月 25 日</p><p>　　六、設計（論文）指導（或顧問）：</p><p>　　指導教師　　　　　　　簽名</p><p>&

11、lt;b>　　簽名</b></p><p><b>　　簽名</b></p><p><b>　　教研室主任</b></p><p>　　〔學科組組長研究所所長〕　　　　　　　簽名</p><p>　　系主任 　　　　　　簽名</p><p>　

12、　2012 年 11 月 12 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　基于利用行星磨頭清洗技術對管道進行清洗的目的，在總結現有的管道機器人設計方案的基礎上，根據現場的實際情況，論文首先對管道清洗機器人行走部分進行方案設計，經分析比較后確定了新型管道清洗機器人行走的較佳設計方案，并據此方案對機器人作了行走部分結構設計;對機器人的行

13、走特性進行了研究，提出了使機器人在管道內能夠保持穩(wěn)定運行的方法.通過對機器人機構的設計和機器人在直管道內運動情況的思考研究，進一步驗證了設計思想的可行性。</p><p>　　最后，研究了管道清洗機器人行走系統的安全性能，給出了在高壓情況下保證行走系統安全的基本方案，為管道清洗機器人系統的實用化提供可靠的依據。</p><p>　　關鍵詞: 管道機器人；安全防護 ；行走</p>

14、<p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Based on the use of planetary grinding head cleaning technology for the purpose of cleaning pipes, at the conclusion of the existing pipeline robot design ba

15、sed on the actual situation at the scene, the first paper on the pipe cleaning robot to walk part of program design, by analysis and comparison a new pipeline after cleaning robot designed to walk a better program, and a

16、ccordingly the program made a walk on part of the structure of robot design; characteristics of walking robots have been st</p><p>　　Key words: pipe robot; security; walk</p><p><b>　　目錄

17、</b></p><p><b>　　摘 要III</b></p><p>　　AbstractIV</p><p><b>　　緒論1</b></p><p><b>　　1 概述2</b></p><p>　　1.1 管道清洗機

18、器人常見問題分析2</p><p>　　1.2 除垢機器人理念2</p><p>　　1.3 基本設計任務3</p><p>　　1.4畢業(yè)設計的目的3</p><p>　　2.1 管道射流清洗機器人的本體設計4</p><p>　　2.1.1 移動方式選擇4</p><p>　　2

19、.1.2 傳動方案的選擇4</p><p>　　2.2 管道清洗機器人變管徑自適應性方案設計6</p><p>　　2.3 動力系統的設計計算9</p><p>　　2.3.1 管道機器人行駛阻力分析9</p><p>　　2.3.2 減速器的選擇12</p><p>　　2.4 機器人的速度和驅動能力校核

20、13</p><p>　　2.4.1 運動速度校核13</p><p>　　2.4.2 驅動能力校核13</p><p>　　3 鏈輪傳動的設計計算14</p><p>　　3.1 鏈輪設計的初始條件15</p><p>　　3.2 鏈輪計算結果15</p><p>　　3.3歷史結

21、果16</p><p>　　4 蝸輪蝸桿的設計計算18</p><p>　　4.1 蝸輪蝸桿基本參數設計18</p><p>　　4.1.1 普通蝸桿設計輸入參數18</p><p>　　4.1.2 材料及熱處理19</p><p>　　4.1.3 蝸桿蝸輪基本參數20</p><p&

22、gt;　　4.1.4 蝸蝸輪精度21</p><p>　　4.1.5 強度剛度校核結果和參數22</p><p>　　4.1.6 自然通風散熱計算22</p><p>　　4.2蝸桿軸的結構設計23</p><p>　　4.2.1 軸的強度較核計算23</p><p>　　4.2.2 軸的結構設計24<

23、;/p><p>　　4.2.3 鍵的校核25</p><p>　　5 彈簧的設計計算25</p><p><b>　　6 安全性能26</b></p><p><b>　　結論27</b></p><p><b>　　參考文獻28</b></

24、p><p><b>　　致謝30</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　1.1本課題研究的內容和意義</p><p>　　用于石油、天然氣乃至民用上下水等管道在傳輸液、氣體過程中，因溫度、壓力不同及介質與管道之間的物理化學作用，常常會高溫結焦，生成油垢、水垢，存留沉積物

25、，腐蝕物等，使有效傳輸管徑減少，效率下降，物耗、能耗增加，工藝流程中斷，設備失效，發(fā)生安全事故。盡管通過添加化學劑，采用合理的工藝參數，進行水質處理措施可以在一定程度上改善這些情況，但要完全避免污垢的產生是不可能的。我國的管道清洗行業(yè)長期以來80%采用的是化學方法以及手工清洗和機械清洗方法，成本高、效率低、污染環(huán)境等，遠遠不能滿足現代社會日益增長的要求。探索和開發(fā)高效的清洗方法成為工業(yè)生產和人民生活的不可或缺的環(huán)節(jié)。</p>

26、<p>　　利用行星磨頭清洗是一種新的清洗方法。與化學清洗及手工、機械清洗相比，具有清洗質量好、效率高、適應性強、成本低等一系列優(yōu)點，可達到返舊還新的效果。作為一種清潔、高效、對環(huán)境無污染的清洗技術，具有可觀的經濟和社會效益。</p><p>　　1.2國內外發(fā)展狀況</p><p>　　目前在管道清洗過程中，清洗設備絕大部分是采用無動力纜繩拖拉行走方式來進行清洗，無法根據管

27、道的內部情況進行清洗參數的動態(tài)調整，管徑的適應能力較差。為了解決這個問題，著眼于管道行走清洗機器人的研究開發(fā)，而在國內這方面研究尚少。為了較好地解決管道(束)的清洗難題，開發(fā)和研制管道清洗機器人勢在必行。我們設計管道清洗機器人是把行星磨頭清洗技術與機器人技術結合起來，進行綜合設計開發(fā)，因此它的深入研究也將推動管道清洗技術的發(fā)展。</p><p>　　1.3本課題應達到的要求</p><p>

28、;　　作為高壓水和化學清洗的有效補充手段，行走式管路清洗方法具有一定的獨特性：如成本低廉、安全性好、無任何環(huán)境污染、水電消耗非常小。尤其是在化學清洗和高壓水清洗方法無法應用或成本不允許的情況下,利用除垢機器人清洗能夠發(fā)揮獨特的作用,并取得良好的效果。</p><p>　　我們采用的是壓縮空氣噴洗機器人。除垢機器人的首要要解決的問題就是行走問題，怎樣使機器人在管道中行走是除垢機器人能否成功完成的重要環(huán)節(jié)之一。目前管

29、內機器人的驅動方式有自驅動 (自帶動力源)、利用流體推力、通過彈性桿外加推力三種方式。根據輸灰管道和回水管道內的實際情況，管道除垢機器人宜采用 自驅動方式。采用雙步進電機驅動，通過諧波減速器將動力傳遞給行走裝置。盡管自驅動管內機器人行走可以采用的輪式、腳式爬行式、蠕動式，履帶式等多種形式，但因管道內有灰、灰垢和其他雜物，環(huán)境惡劣，附著能力差采用履帶式方式比較合適，可以增大行走機構和管道內表面的接觸面積，提高行走時機器人的附著能力 。&l

30、t;/p><p><b>　　1 概述</b></p><p>　　1.1 管道清洗機器人常見問題分析</p><p>　　目前，我國燃煤電廠輸灰管道的除垢方法基本上可分為化學法和物理法。化學方法有加酸、爐煙 (C02)、阻垢劑、分散劑；物理方法有人工振擊法、管材法、三相流法、晶種過濾、電解、電場、磁場、超聲波和高頻電磁場防垢，還有利用空穴效應和氣

31、蝕原理清垢的液氣壓清垢法等。經實踐應用，上述方法均存在一定局限性，不能同時符合環(huán)保及技術性、經濟性要求，多數不被電廠接受。目前常用的是化學清洗法和人工振擊法。</p><p>　　大多數的排灰管道都使用化學清洗，一般每隔1～2年需對沖灰管道進行一次清垢 ，化學清洗法存在很多弊端。</p><p>　　酸洗除垢法大部分是采用鹽酸或硝酸加入適量的緩蝕劑配制而成的酸洗液。注入(或打入)管內進行除

32、垢。酸洗液的效能是對水垢有溶解，剝離和疏松的作用，從而達到除垢的目的。    酸洗除垢法工藝比較復雜，需要專業(yè)人員進行操作；酸洗液要根據水垢的性質，厚度進行配制，要求較為嚴格；酸洗法因為有酸，故對管道有一定的腐蝕副作用，因而鍋爐酸洗次數不能過多</p><p>　　少數電廠為了環(huán)保和節(jié)約資金，采用人工振擊法清理。當管道內的灰垢沉積到一定程度，嚴重影響電廠正常生產時，將灰垢集中處的管

33、道切割，用鐵錘人工振擊管道，使灰垢和管道剝離 ，然后用吊車將管道吊起將灰垢傾倒出來。這種清理辦法雖然簡單，清理效果好，但需切割管道 ，容易使管道變形，且費工費時，勞動強度大。</p><p>　　目前也有研究采用高壓水射流進行清洗的清洗機器人。但是采用高壓水射流一方面會產生大量的廢水，很難處理。有不少管道經過農田，清洗產生的廢水不及時處理會對農田造成很大的污染。另一方面高壓水射流清洗成本較大，每清洗一段管道都要用

34、去幾噸甚至十幾噸水。</p><p>　　1.2 除垢機器人理念</p><p>　　作為高壓水和化學清洗的有效補充手段，行走式管路清洗方法具有一定的獨特性：如成本低廉、安全性好、無任何環(huán)境污染、水電消耗非常小。尤其是在化學清洗和高壓水清洗方法無法應用或成本不允許的情況下,利用除垢機器人清洗能夠發(fā)揮獨特的作用,并取得良好的效果。</p><p>　　我們采用的是壓縮

35、空氣噴洗機器人。除垢機器人的首要要解決的問題就是行走問題，怎樣使機器人在管道中行走是除垢機器人能否成功完成的重要環(huán)節(jié)之一。目前管內機器人的驅動方式有自驅動 (自帶動力源)、利用流體推力、通過彈性桿外加推力三種方式。根據輸灰管道和回水管道內的實際情況，管道除垢機器人宜采用 自驅動方式。采用雙步進電機驅動，通過諧波減速器將動力傳遞給行走裝置。盡管自驅動管內機器人行走可以采用的輪式、腳式爬行式、蠕動式，履帶式等多種形式，但因管道內有灰、灰垢和

36、其他雜物，環(huán)境惡劣，附著能力差采用履帶式方式比較合適，可以增大行走機構和管道內表面的接觸面積，提高行走時機器人的附著能力 。</p><p>　　1.3 基本設計任務</p><p>　　1.3.1 設計題目：管道清洗機器人行走部件的設計</p><p>　　1.3.2 任務： 1. 設計、計算渦輪和鏈輪機構；</p><p>　

37、　2. 設計傳動結構造型；</p><p>　　3. 用計算機繪制裝配圖和主要零件圖；</p><p>　　4. 按指定格式和要求撰寫畢業(yè)設計計算說明書</p><p>　　1.4 畢業(yè)設計的目的</p><p>　　畢業(yè)設計是對學生進行工程師基本訓練的重要環(huán)節(jié)，通過畢業(yè)設計能達到以下目的。</p><p>　　鞏固.

38、熟悉并綜合運用所學的知識；</p><p>　　培養(yǎng)理論聯系實際的學風；</p><p>　　熟悉進行機械設計的一般步驟和常見問題，掌握機械設計的一般技巧。</p><p>　　學會查閱運用技術資料；初步掌握對專業(yè)范圍內的生產技術問題進行研究的能力。</p><p>　　2 管道射流清洗機器人</p><p>　　2.

39、1 管道射流清洗機器人的本體設計</p><p>　　管道清洗機器人應用于管道直徑350 —600mm的管道中工作，作業(yè)環(huán)境要求整個結構的尺寸應盡可能的小并且具備一定的牽引力，整個設計從選取移動方式入手。</p><p>　　2.1.1 移動方式選擇</p><p>　　管道清洗機器人要實現實際應用中的可靠性及實用性，必須依據管道內作業(yè)特點來設計出穩(wěn)定運行，滿足清洗

40、性能要求的機器人。在進行清洗時候，要求系統必須保證噴頭具備一定的對中性能，能適應不同的管徑變化，對于在行進過程中，管內可能出現凸凹不平情況，機器人還應具備一定的越障能力。如果機器人在運動過程中產生旋轉或由于重心偏移而使得機器人的軸線與管道的中心線產生偏轉角，載體可能卡在管道內而無法取出，嚴重時不得不破壞管道取出機器人。對于大口徑的管道機器人，由于其自重較大，如果支撐臂不具備自動定心性能，必定產生偏轉角，其結果使機器人運動阻力增大，出現“

41、卡持”現象。為了提高作業(yè)的可靠性，設計中要求機器人應具有可靠的管道適應性和定心性。</p><p>　　在現有的管道機器人設計中，移動型本體結構，主要有履帶式、支腿式、輪式結構以及蛇行、蠕動、變形運動等幾種形式。如壁面爬行、水下推動等機構。蛇行、蠕動、變形運動多適合于光滑的管壁、地面或水下。履帶式著地面積大，對不平路面的適應性強，但是是體積大，不易實現轉彎，而且要保持履帶的張緊，結構復雜，如圖所示;支腿式對粗糙表

42、面性能較好、帶載能力強，但其控制系統、機械結構均復雜、移動行走速度慢;輪式移動方式速度快，轉彎容易，對中性好，尤其是徑向輻射輪式結構，能夠保證機器人在運行過程中，其中心軸線與管道軸線保持一致，缺點是著地面積相對較小，維持附著牽引力較困難。 </p><p>　　2.1.2 傳動方案的選擇</p><p>　　機器通常是由原電機，傳動系統和工作機三部分所組成。</p&g

43、t;<p>　　傳動系統是將原動機的運動和 動力進行傳遞與分配的作用，可見，傳動系統是機器的重要組成部分。傳動系統的質量與成本在整臺機器中占有很大比重。因此，在機器中傳動系統設計的好壞，對整部機器的性能、成本以及整體尺寸的影響都是很大的。所以合理地設計傳動系統是機械設計工作地一重要組成部分。</p><p>　　合理的傳動方案首先應滿足工作機的性能要求，其次是滿足工作可靠、結構簡單、尺寸緊湊、傳動效

44、率高、使用維護方便、工藝性和經濟性好等要求。很顯然，要同時滿足這些要求肯定比較困難的，因此，要通過分析和比較多種傳動方案，選擇其中最能滿足眾多要求的合理傳動方案，作為最終確定的傳動方案。</p><p>　　機器人常用的驅動方式有:液壓驅動、氣動驅動、電動驅動三種基本方式。電動驅動主要有步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機。液壓與氣動方式對環(huán)境要求較高，實現起來較復雜，而電機驅動結構簡單，較易實現密封與調速控制。

45、故在本設計中選用步進電機作為機器人本體的驅動動力;減速器選用行星齒輪減速器。驅動動力從電機經由減速器減速后，在滿足管徑自適應性的基礎上，如何更好地將動力傳遞到主動輪上，是選擇機器人傳動方式過程中重點考慮的問題。結合徑向輻射管道射流清洗機器人的結構布局方式的特點，在本設計中主要通過一套動力變換裝置和同步鏈傳動機構來實現。</p><p>　　1、動力變換裝置的設計</p><p>　　在如圖

46、所示的徑向輻射輪式移動結構中，當預緊彈簧給于基本的預緊力后，剛</p><p>　　好使得位于最上側的輪處于與管壁相接觸的臨界狀態(tài)，也就是說上輪與管壁間的接觸壓力剛好為零，所以機器人整體的驅動力絕大部分來自輪1和輪3，而且機器人本體的重心位置位于管道的軸線下方40mm左右(如圖所示)，增強了機器人的穩(wěn)定性。下面兩輪所在支腿中心線與減速器輸出軸線垂直，且兩支腿中心線的夾角為120°，故需要一動力變換裝置來

47、實現動力的分流。 蝸桿傳動是空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動機構，兩軸線交錯的夾角可為任意值，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪齒是逐漸進入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時嚙合的次對又較多，故沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲低。在設計中蝸桿與兩蝸輪之間的軸線夾角為90°，兩蝸輪軸線之間的夾角為120°。如圖2-1所示。</p><p><b>　　圖2.1車輪端面圖</b

48、></p><p><b>　　2、同步鏈傳動設計</b></p><p>　　由于設計的機器人具備在一定的管徑變化范圍內行走的能力，在管徑發(fā)生變化的時候，主動輪與管道中心的距離也相應發(fā)生改變，在現有的相關管道機器人傳動方案中，更多的是采用全齒輪傳動方式，即動力經變換后，通過增加惰輪的方式，將動力傳遞到主動輪，雖然該方案的傳動效率較高，但是結構復雜，對環(huán)境的適應

49、能力較差，可適應管徑變化范圍較小，在本設計中，動力經蝸輪蝸桿裝置變換后，通過傳動比為1:1的齒輪傳動，將動力傳遞到各支腿，因為空間尺寸關系，在兩者之間增加一惰輪機構，再應用同步鏈將動力傳送到主動輪1和輪3。同步帶輪軸1與支腿與安裝底座的連接軸同軸，故無論管徑如何變化，兩個同步鏈輪間的軸線距離保持不變，只要支腿的長度足夠長，就可適應足夠大的管徑變化范圍。</p><p>　　2.2 管道清洗機器人變管徑自適應性方案

50、設計</p><p>　　管道由于制作誤差、使用過程中局部結垢、局部壓力過大而產生變形以及內表面雜物的存在，清洗機器人在碰到變形部位及雜物時，由于阻力而使支撐臂收縮，同時在驅動力的作用下通過變形部位，當再次達到管道正常段時，支撐臂能夠在彈簧的作用下像傘一樣張開，使機器人重新恢復原來的平穩(wěn)狀態(tài)。這個過程就是機器人的自適應過程。有了自適應性，機器人就能穿過一個個變形部位，以達到對管道進行有效清洗的目的，在本設計中，對

51、于自適應性的設計主要包括兩方式:各支腿單獨調整和支腿整體調整。 </p><p>　　1、支腿單獨調整方式</p><p>　　各支腿的單獨調整方式。當機器人在行進過程中，其中的一個或多個支腿遇到障礙物(包括突起和凹陷)時，利用支腿內部的調整彈簧來改變支腿的長度使得支腿與管壁處于理想的接觸狀態(tài)，以滿足穩(wěn)定作業(yè)要求。同時調整彈簧也能起到一定的緩沖減震作用。該裝置主要是針對相同管徑或

52、管徑變化范圍不是很大的情況下，當管徑變化范圍較大時，則應使用支腿的整體調整方式。</p><p>　　2、支腿整體調整方式</p><p>　　目前管道機器人在適應不同管徑的調節(jié)機構常用的有:蝸輪蝸桿調節(jié)方式,升降機調節(jié)方式、滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式和彈簧壓緊調節(jié)方式。比較研究了各種調節(jié)機構的優(yōu)缺點，針對本課題的工程實際需要，并根據前后支腿的特性要求，在前支腿(即從動輪支腿)選用彈簧壓緊調節(jié)

53、方式，后支腿(即主動輪支腿)選用滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式。這兩種調節(jié)機構能保證機器人具有充裕并且穩(wěn)定的牽引力，并且管徑變化范圍比較大，下面綜合分析該兩種調節(jié)方式。 </p><p>　?。?）滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式自適應方案。其具體設計如圖2-2所示是滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式示意圖，其工作原理是:安裝在軸套和絲杠螺母之間的壓力傳感器間接檢測驅動車輪和管道內壁之間的壓力Fy，并實時將壓力值回饋回監(jiān)控裝置，當壓力Fy

54、的值小于所允許的最小壓力值Fy’時，連桿AB的一端和車輪軸鉸接在一起，另一端鉸接在固定支點A，推桿CD與連桿AB鉸接在B點，另一端鉸接在軸套上C點，軸套在圓周方向相對固定，因此滾珠絲杠的轉動將帶動絲杠螺母沿軸線方向在滾珠絲杠上來回滑動，從而帶動推桿運動，進而推動連桿AB繞支點A轉動，使車輪撐開或者緊縮以達到適應不同的管徑的目的。保證管道機器人以穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管道內壁上，使機器人具有充足且穩(wěn)定的牽引力。</p><

55、p>　　圖2.2滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式</p><p>　　下面分析滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式的力學特性，如圖所示，以固定支點A為坐標系的原點，建立如圖所示的坐標系XOY,石為連桿AB的長度，幾是推桿CD的長度，烏是支點D到固定支點A之間的距離，“是推桿CD與水平方向之間的夾角，尹是連桿AB與水平方向之間的夾角，凡為管道內壁作用在車輪上的壓力即封閉力，藝F是滾珠絲杠螺母作用在推桿上的軸向推力，T是作用在滾珠絲桿

56、軸上的有效扭矩。Tmda是電機軸的輸出扭矩。</p><p>　　在坐標系XOY中，由幾何關系可得:</p><p><b>　　Lsin=Lsin</b></p><p>　　y=Lsin （2.1）</p><p>　　x=Lcos+Lcos</p><p

57、>　　對上式兩邊分別取微分可得:</p><p><b>　　=Lcos</b></p><p>　　Lcos=Lcos (2.2)</p><p>　　=-Lsin-Lsin</p><p><b>　　化簡上式得:</b></p><p

58、>　　=-（tan+tan） （2.3）</p><p><b>　　由虛功原理得:</b></p><p>　　+=0 （2.4）</p><p>　　將式代入上式并化簡得:</p><p>　　=

59、 （2.5）</p><p>　　所采用的滾珠絲杠螺母副的導程記為, 為滾珠絲杠和絲杠螺母之間的相對轉角，則絲杠螺母的位移為: S=。</p><p>　　對上式等號兩邊分別取微分得:</p><p>　　= (2.6)</p><p>　　考慮滾珠絲杠

60、螺母副，由虛位移原理可得:</p><p><b>　　(2.7)</b></p><p>　　式中，為滾珠絲杠螺母副的傳動效率。</p><p><b>　　合并整合上兩式得:</b></p><p>　　T= （2.8）</p><p>　　此式即為滾珠絲杠

61、螺母副調節(jié)方式的力學特性。</p><p>　?。?）彈簧壓緊調節(jié)方式</p><p>　　如圖所示的是從動輪的彈簧壓緊調節(jié)方式示意圖，其工作原理與滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式原理類似，只是在張緊力調整方面采用被動調整方式。當管徑發(fā)生變化時，作用在從動輪上的壓力變化，使得壓緊彈簧產生伸縮，而帶動推桿運動，進而推動連桿AB繞支點A轉動，使車輪撐開或者緊縮以達到適應不同的管徑的目的。與滾珠絲杠螺母副

62、調節(jié)方式的主要區(qū)別就在于在壓緊力的調節(jié)方面由調整電機的的主動調整變?yōu)閴壕o彈簧的被動調整。故在彈簧壓緊調節(jié)方式的力學特性如下:</p><p>　　圖2.3 彈簧壓緊調節(jié)方式</p><p>　　選取其中的一個支承臂作為研究對象，其受力分析如圖所示，由前述滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式的分析可知，彈簧壓緊調節(jié)方式的力學平衡方程為:</p><p><b>　　(2.

63、9)</b></p><p>　　式中，f—彈簧的壓緊力，N。</p><p><b>　　整理得: </b></p><p>　　f= (2.10)</p><p>　　彈簧壓緊力可表示為: f=k

64、（2.11）</p><p>　　f為彈簧的初始長度(mm)，k為彈簧的彈性系數（N/mm）。從上邊的式子可以看出，彈簧壓緊力f只是位移函數，因此該機構具有負反饋作用，在一定的管徑變化范圍內，封閉力之和N變化不大。由此可見該機構具有常封閉特性，這樣便增加了載體的穩(wěn)定性和可靠性，同時由于彈簧壓緊力f的回饋作用可使機構具有自適應調節(jié)的功能。</p><p>　　2.3 動力系統的設計計算<

65、;/p><p>　　2.3.1 管道機器人行駛阻力分析</p><p>　　在計算前，我們先設定我們所設計的機器人的行進速度是1.8m/min。</p><p>　　機器人在管道內進行清洗作業(yè)時，必須克服來自管道內表面的滾動摩擦阻力，</p><p><b>　　（2.12）</b></p><p>

66、　　式中，f是滾動摩擦因數，即輪子在一定條件下滾動所需要的推力。</p><p>　　為機器人輪子負荷之和。也就是：</p><p>　　Gcos（ 0</p><p><b>　　F=f</b></p><p>　　Gcos（ -600 (2.13)</p>

67、<p>　　式中—機器人管內作業(yè)姿態(tài)角，</p><p>　　—機器人本體重量，kg。</p><p>　　當姿態(tài)角分別為60°或者-60°時候，系統的阻力最大。</p><p>　　預設為0.5，機器人重量為10kg，由于輪子手的是彈簧調節(jié)，則彈簧對輪子又很大的壓力，由于我們采用的是型芯磨頭切削，對車身的穩(wěn)定性要求較其他更為嚴格，假

68、設彈簧對輪子的壓力是40x9.8N, =109.8=490N。</p><p>　　∵總阻力= =4900.5=245N. </p><p>　　根據實際情況，我們設計主動輪半徑r=50mm，總阻力矩為：</p><p>　　=2450.05=12.25Nm </p>&l

69、t;p>　　已經設過機器人行進速度為1.8m/min，則主動輪轉速應該是:</p><p>　　r/min </p><p>　　電機的額定轉速為1500r/min系統傳動比為</p><p>　　電機提供的驅動力矩為：</p><p><b>　　Nm</b></p><

70、p><b>　　W</b></p><p>　　考慮到機器人在管道內行進出現的在和突變情況，取安全系數為2，則電機的功率為46W,電機選用YS5614型。如下表。</p><p>　　得：轉速為1500r/min</p><p><b>　　額定功率為60W</b></p><p>　　額定電

71、流為0.28A</p><p><b>　　效率為56%</b></p><p><b>　　功率因數為0.58</b></p><p>　　額定轉矩為2.4Nm</p><p>　　表2-4 YS系列電機技術參數</p><p>　　表2-5 YS系列電機技術參數 續(xù)&

72、lt;/p><p>　　2.3.2 減速器的選擇</p><p>　　在選擇了電機型號之后，需要選擇與之相應的減速器。在確定了減速器的類型后，</p><p>　　減速器的選擇關鍵在減速比的選擇。</p><p>　　1、考慮驅動能力時減速比的計算</p><p>　　根據電機的相關資料，可知電機的額定轉矩為0.9N m，

73、為滿足機器人能正常行駛，</p><p>　　則整個驅動系統電機的驅動力矩經傳動系統減速增扭后，驅動力矩應大于等于機器人所</p><p>　　受到的總的阻力矩，即應保證傳動系統的傳動比應滿足：</p><p>　　2.考慮機器人最高運行速度傳動比的計算</p><p>　　根據電機相關資料，可知電機的額定轉速為r/min則傳動系統的最大傳動

74、比應該滿足：</p><p>　　基于上述傳動比，我們可以確定傳動系統的傳動比應該滿足：</p><p><b>　　(2.14)</b></p><p>　　傳動比里面蝸桿傳動的傳動比為:=5-80,選用20</p><p>　　則減速器的出動比為：</p><p><b>　　(2.

75、15)</b></p><p><b>　　我們選用=12</b></p><p>　　根據《小功率計算機》書上說明，選用GBX40行星減速器。其參數如截圖所示：</p><p>　　圖2-6 減速器參數表</p><p>　　2.4 機器人的速度和驅動能力校核 </p><p>　

76、　確定電機和減速器后，我們必須進行機器人的運動速度和驅動能力的校核，以確保機器人有足夠驅動力的同時，能滿足機器人的最高行走速度要求。</p><p>　　2.4.1 運動速度校核</p><p>　　根據以上所選電機和減速器的性能指針，可知電機的額定轉速= 3000r/min，減</p><p>　　速器的傳動比是12，以及機器人所要求的主動輪半徑r= O.O5m，

77、可以計算出機器人在</p><p>　　確定電機和減速器后的最高車速V:</p><p>　　雖然V大于預期設定速度，但是我們可以通過控制電機的轉速已使機器人低于此速度行駛，而且還有一定得速度儲備，在機器人需要快速行進至工作位置的情況下，盡可能有較快的速度。</p><p>　　2.4.2 驅動能力校核</p><p>　　根據電機的額定輸出

78、轉矩為2.4Nm，傳動比i為240，則機器人總的驅動力矩為：</p><p><b>　　></b></p><p>　　因為機器人總的驅動力矩大于其所受到的總的阻力矩，所以機器人能夠有足夠的動</p><p>　　力起車，并有一定的動力儲備。 </p><p>　　經過上述計算和校核，所選的施奈德BSH455

79、2T伺服電機和GBX40行星齒輪減速器能夠滿足管道射流清洗機器人的性能要求，從而可以由其組成機器人的行駛驅動系統。</p><p>　　3 鏈輪傳動的設計計算</p><p>　　3.1 鏈輪設計的初始條件</p><p>　　鏈輪設計的初始條件如圖3-1所示</p><p><b>　　表3-1初始條件</b><

80、/p><p>　　3.2 鏈輪計算結果</p><p>　　經過設計手冊的計算，得到的鏈輪計算結果如下：</p><p><b>　　表3-2設計結果</b></p><p><b>　　續(xù)表3-2</b></p><p>　　由上面我們得到鏈輪的基本尺寸：</p>

81、<p>　　排拒 14.38mm</p><p>　　分度圓直徑 89.28mm </p><p>　　齒頂圓直徑 96.5mm</p><p>　　齒根圓直徑 80.84mm </p><p><b>　　3.3歷史結果</b></

82、p><p>　　由手冊計算我們的歷史結果如表：</p><p><b>　　表3-3歷史結果</b></p><p><b>　　續(xù)表3-3</b></p><p>　　利用機械設計手冊，我們的計算速度大大加快，設計過程中出現的錯誤也可以明顯減少。</p><p>　　4 蝸輪蝸

83、桿的設計計算</p><p>　　為了方便計算選用電子版機械設計手冊2.0計算：</p><p>　　普通圓柱蝸桿傳動設計結果報告</p><p>　　在輸入基本數據之前，我們要知道作用在蝸桿上的功率</p><p>　　蝸桿的轉矩應該是電動機額定轉矩經減速器后的力矩，則：</p><p>　　傳遞轉距

84、 </p><p><b>　　輸入計算如下：</b></p><p>　　4.1 蝸輪蝸桿基本參數設計</p><p>　　4.1.1 普通蝸桿設計輸入參數</p><p>　　圖4.1蝸桿設計參數</p><p>　　1. 傳遞功率 P

85、0.38 (kW) </p><p>　　2. 蝸桿轉矩 T1 2.49(N.m) </p><p>　　3. 蝸輪轉矩 T2 36.69 (N.m) </p><p>　　4. 蝸桿轉速 n1 125.00 (r/m

86、in) </p><p>　　5. 蝸輪轉速 n2 6.25 (r/min) </p><p>　　6. 理論傳動比 i 20.00 </p><p>　　7. 實際傳動比 i' 20.00 </p>

87、;<p>　　8. 傳動比誤差 0.00 (％)</p><p>　　9. 預定壽命 H 4800 (小時) </p><p>　　10. 原動機類別 電動機 </p><p>　　11. 工作機載荷

88、特性 平 穩(wěn) </p><p>　　12. 潤滑方式 噴油 </p><p>　　13. 蝸桿類型 漸開線蝸桿 </p><p>　　14. 受載側面 3側 </p><

89、;p>　　4.1.2 材料及熱處理</p><p>　　1. 蝸桿材料牌號 45(表面淬火) </p><p>　　2. 蝸桿熱處理 表面淬火 </p><p>　　3. 蝸桿材料硬度 HRC45～55 </p><p

90、>　　4. 蝸桿材料齒面粗糙度 1.6～0.8 (μm) </p><p>　　對蝸輪蝸桿精度等級我們都選為8極得出：</p><p>　　5. 蝸輪材料牌號及鑄造方法 ZCuSn10P1(砂模) </p><p>　　6. 蝸輪材料許用接觸應力[σ]H' 200 (N/mm^2)

91、</p><p>　　7. 蝸輪材料許用接觸應力[σ]H 200 (N/mm^2) </p><p>　　8. 蝸輪材料許用彎曲應力[σ]F' 32 (N/mm^2) </p><p>　　9. 蝸輪材料許用彎曲應力[σ]F 30 (N/mm^2) </p><

92、;p>　　4.1.3 蝸桿蝸輪基本參數</p><p>　　圖4.2蝸桿蝸輪設計參數</p><p>　　1. 蝸桿頭數 z1 2 </p><p>　　2. 蝸輪齒數 z2 40 </p><p>　　3. 模 數

93、 m 3.15 (mm) </p><p>　　4. 法面模數 Mn 3.10 (mm) </p><p>　　5. 蝸桿分度圓直徑 d1 35.50 (mm) </p><p>　　6. 中心距 A

94、 63.00 (mm) </p><p>　　7. 蝸桿導程角 γ 10.063° </p><p>　　8. 蝸輪當量齒數 Zv2 41.90 </p><p>　　9. 蝸輪變位系數 x2

95、-5.63 </p><p>　　10. 軸向齒形角 αx 20.287° </p><p>　　11. 法向齒形角 αn 20.000° </p><p>　　12. 齒頂高系數 ha* 1.00 </p

96、><p>　　13. 頂隙系數 c* 0.20 </p><p>　　14. 蝸桿齒寬 b1 ≥ 65.00 (mm) </p><p>　　15. 蝸輪齒寬 b2 ≤ 24.00 (mm) </p><p&g

97、t;　　16. 是否磨削加工 否 </p><p>　　17. 蝸桿軸向齒距 px 9.90 (mm) </p><p>　　18. 蝸桿齒頂高 ha1 3.15 (mm) </p><p>　　19. 蝸桿頂隙 c1

98、 0.63 (mm) </p><p>　　20. 蝸桿齒根高 hf1 3.78 (mm) </p><p>　　21. 蝸桿齒高 h1 6.93 (mm) </p><p>　　22. 蝸桿齒頂圓直徑 da1

99、 41.80 (mm) </p><p>　　23. 蝸桿齒根圓直徑 df1 27.94 (mm) </p><p>　　24. 漸開線蝸桿基圓直徑 db1 15.36 (mm) </p><p>　　25. 漸開線蝸桿基圓導程角 γb1 22.296

100、6; </p><p>　　26. 蝸輪分度圓直徑 d2 126.00 (mm) </p><p>　　27. 蝸輪喉圓直徑 da2 96.80 (mm) </p><p>　　28. 蝸輪齒根圓直徑 df2 82.94 (mm) </p>

101、<p>　　29. 蝸輪齒頂高 ha2 -14.60 (mm) </p><p>　　30. 蝸輪齒根高 hf2 21.53 (mm) </p><p>　　31. 蝸輪齒高 h2 6.93 (mm) </p><p>

102、;　　32. 蝸輪外圓直徑 de2 ≤ 101.52 (mm) </p><p>　　33. 蝸輪齒頂圓弧半徑 Ra2 14.60 (mm) </p><p>　　34. 蝸輪齒根圓弧半徑 Rf2 21.53 (mm) </p><p>　　35. 蝸桿軸向齒厚 sx1

103、 4.95 (mm) </p><p>　　36. 蝸桿法向齒厚 sn1 4.87 (mm) </p><p>　　37. 蝸輪分度圓齒厚 s2 -8.18 (mm) </p><p>　　38. 蝸桿齒厚測量高度 ha1'

104、 3.15 (mm) </p><p>　　39. 蝸桿節(jié)圓直徑 d1' -0.00 (mm) </p><p>　　40. 蝸輪節(jié)圓直徑 d2' 126.00 (mm) </p><p>　　4.1.4 蝸蝸輪精度</p><p>

105、　　----------------------------------------------------------------------------------</p><p>　　項目名稱 蝸 桿 蝸 輪 </p><p>　　------------------------------------------------

106、----------------------------------</p><p>　　1. 第一組精度 8 8 </p><p>　　----------------------------------------------------------------------------------</p>&

107、lt;p>　　2. 第二組精度 8 8 </p><p>　　--------------------------------------------------------------------------------</p><p>　　3. 第三組精度 8

108、 8 </p><p>　　--------------------------------------------------------------------------------</p><p>　　4. 側 隙 f f </p><p>　　-----------------

109、---------------------------------------------------------------</p><p>　　4.1.5 強度剛度校核結果和參數</p><p>　　1. 許用接觸應力 251.04 (N/mm^2) </p><p>　　2. 計算接觸應力

110、 119.54 (N/mm^2) 滿足</p><p>　　3. 許用彎曲應力 30.40 (N/mm^2) </p><p>　　4. 計算彎曲應力 15.71 (N/mm^2) 滿足</p><p>　　5. 許用撓度值

111、 0.0710 (N/mm^2) </p><p>　　6. 計算撓度值 0.0225 (N/mm^2) 滿足</p><p>　　1. 蝸桿圓周力 Ft1 136.34 (N) </p><p>　　2. 蝸桿軸向力 Fx1

112、 -735.88 (N) </p><p>　　3. 蝸桿徑向力 Fr1 -272.02 (N) </p><p>　　4. 蝸輪圓周力 Ft2 735.88 (N) </p><p>　　5. 蝸輪軸向力 Fx2 -136.3

113、4 (N) </p><p>　　6. 蝸輪徑向力 Fr2 272.02 (N) </p><p>　　7. 蝸輪法向力 Fn -795.35 (N) </p><p>　　8. 滑動速度 Vs 0.24 (m/s) </p&

114、gt;<p>　　9. 蝸桿傳動當量摩擦角 ρv 3.720° </p><p>　　10. 蝸桿傳動效率 η 0.69 </p><p>　　11. 蝸桿的嚙合效率 η1 0.72 </p><p>　　12. 攪油損耗

115、 η2 0.97 </p><p>　　13. 滾動軸承效率 η3 0.98 </p><p>　　14. 使用系數 Ka 1.02 </p><p>　　15. 動載荷系數 Kv 1.

116、05 </p><p>　　16. 載荷分布系數 Kβ 1.00 </p><p>　　17. 材料的彈性系數 ZE 155.00 </p><p>　　18. 滑動速度影響系數 Zvs 1.00 </p><p>　　19.

117、 壽命系數 ZN 1.26 </p><p>　　20. 齒形系數 Yfs 10.59 </p><p>　　21. 導程角系數 Yβ 0.88 </p><p>　　22. 蝸桿截面慣性矩 I