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畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書
1．本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題應(yīng)達(dá)到的目的：
大型排水管道疏通機(jī)器人是環(huán)保中的一種自動(dòng)化的疏通設(shè)備，它是通過馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，履帶式移動(dòng)，頭部攜帶絞龍打通排水管道，尾部牽著纜繩以備把淤泥拉出。該課題屬于工程設(shè)計(jì)類題目，符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)；通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，為學(xué)生走向工作崗位打下良好的基礎(chǔ)。
2．畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：
（1）搜集國內(nèi)外資料，確定大型排水管道疏通機(jī)器人的總體方案；
（2）分析其工作、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)機(jī)理；
（3）總裝圖、部裝圖及零件圖的設(shè)計(jì)；
（4）撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書，準(zhǔn)備答辯。
3．對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計(jì)、圖表、實(shí)物樣品等〕：
（1）通過本課題的研究，要求學(xué)生至少閱讀文獻(xiàn)6篇，培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)綜述的能力；
（2）要求學(xué)生在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并繪制4張0號(hào)圖紙；
（3）要求學(xué)生撰寫不少于2萬字的畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書，培養(yǎng)學(xué)生文字表達(dá)的能力。
4．主要參考資料：
[1] 陳樂. 城市排水管網(wǎng)自動(dòng)清理系統(tǒng)的可行性分析[J]. 河南科技，2011（3）.
[2] 于志偉.排水管道檢測機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析[J]. 煤炭技術(shù)，2008（2）.
[3] 唐德威, 宗德祥, 鄧宗全, 等. 管道內(nèi)徑在線檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[ J] . 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備, 2005, 33( 2) .
[4] 鄧宗全. 六獨(dú)立輪驅(qū)動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人的研制[ J ] . 高技術(shù)通訊, 2004(9) .
[5] 吳延本，等. 簡明實(shí)用機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)[M]. 吉林科學(xué)技術(shù)出版社.1993.1
畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書
5．畢業(yè)設(shè)計(jì)工作進(jìn)度計(jì)劃：
起 迄 日 期
工 作 內(nèi) 容
12年2月20日~ 2月26日
下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)書，明確設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求
12年2月 27日~ 3月6日
文獻(xiàn)檢索，完成外文翻譯
12年3月7日~ 3月20日
參觀、實(shí)習(xí)、調(diào)研、搜集資料，初步提出設(shè)計(jì)方案
12年3月21日~ 4月20日
完成方案分析比較和論證等內(nèi)容，確定總體方案
12年4月21日~ 5月24日
詳細(xì)設(shè)備設(shè)計(jì)和繪圖
12年5月25 日~ 5月30日
完善圖紙，編寫設(shè)計(jì)說明書，修改完善所有設(shè)計(jì)材料
12年6月1日~ 6月5日
準(zhǔn)備答辯
系審查意見：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日
院學(xué)術(shù)委員會(huì)意見：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日
1
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
設(shè)計(jì)題目： 大型排水管道疏通機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：
學(xué) 號(hào)：
專業(yè)班級(jí)：
指導(dǎo)教師：
35
目 次
1 緒論 1
1.1 選題背景 1
1.2 本課題研究意義 1
1.3 研究內(nèi)容 2
2 排水管道機(jī)器人概述 3
2.1 我國排水管道清淤現(xiàn)狀 3
2.2 國外管道機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 5
2.3 國內(nèi)管道機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 8
3 排水管道疏通機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 11
3.1 排水管道疏通機(jī)器人工作環(huán)境 11
3.2 管道機(jī)器人整體設(shè)計(jì)指標(biāo) 11
3.3 管道機(jī)器人系統(tǒng)組成 11
3.4 管道機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
3.5 管道機(jī)器人移動(dòng)方式的選擇 13
3.6 履帶移動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)方式分析 14
3.7 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 15
3.8 箱體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 20
3.9 驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì) 21
3.10 從動(dòng)軸設(shè)計(jì) 24
3.11 軸承的校核 26
3.12 清淤工具的設(shè)計(jì) 27
3.13 其他附屬裝置的設(shè)計(jì) 28
3.14 密封和防腐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 29
3.15 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29
設(shè)計(jì)總結(jié) 30
致謝 31
參考資料 32
1 緒論
1.1 選題背景
城市的排水系統(tǒng)是現(xiàn)代化社會(huì)不可缺少的重要基礎(chǔ)設(shè)施，管道維護(hù)及疏通工作對(duì)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的影響，排水工程也是城市水污染防治和城市排漬、排澇、防洪的骨干工程。我國排水管道大都埋于地下，由于我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和建設(shè)，環(huán)境保護(hù)及城市建設(shè)工作越來越受到市政部門的重視，人們的環(huán)保意識(shí)也日益提高。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及建設(shè)世界級(jí)新型城市的需要，城市排水領(lǐng)域所暴露出的問題也突顯出來。如果排水不好將影響居民日常生活，嚴(yán)重時(shí)會(huì)打亂整個(gè)城市的正常節(jié)奏。
城市排水設(shè)施是維護(hù)城市正常生態(tài)功能的重要前提，也是保護(hù)城市水質(zhì)資源和生活環(huán)境的重要措施，然而，我國的排水管道的疏通與清理工作還普遍處于人工作業(yè)的落后狀態(tài)，不僅體力繁重，效率低，惡劣環(huán)境以及毒氣、毒水給工人造成很大危害，甚至爆炸、死人等事故時(shí)有發(fā)生。傳統(tǒng)的排水管道維護(hù)方式是依靠維修人員進(jìn)入管道，用人工的方式進(jìn)行清掏和檢測工作。但是在很多情況下，人工檢測方式存在很多缺點(diǎn)，例如管道內(nèi)環(huán)境惡劣，充滿了許多沼氣等對(duì)人類有毒的氣體，對(duì)人身安全造成很大的傷害；還有那些人體無法通過的管道，也就無法發(fā)現(xiàn)其中的破損；人工疏通效率低、速度慢，并且需要的時(shí)間長，準(zhǔn)確率低等等。因此，研究制造一種排水管道的疏通檢測機(jī)器人具有十分重要的意義，它既是建設(shè)現(xiàn)代化城市和加強(qiáng)環(huán)保的需要，也是廣大市政管理、維修人員的迫切愿望。在這一應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行一些實(shí)用的自動(dòng)裝置的研究，將帶來長遠(yuǎn)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，也具有十分重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。
1.2 本課題研究意義
機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器設(shè)備，一臺(tái)機(jī)器通過自己的動(dòng)力和控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)各種功能。社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的快速發(fā)展不可避免的促使新技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人的出現(xiàn)提高社會(huì)生產(chǎn)和人類生活質(zhì)量水平，并且使人類的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。讓機(jī)器人做那些誰也不能做的危險(xiǎn)工作。在現(xiàn)實(shí)生活中的一些工作會(huì)造成傷害，如高空作業(yè)，重物運(yùn)輸;還有一些高質(zhì)量的工作要求，如汽車焊接，精密裝配等很困難的工作，一些枯燥和重復(fù)勞動(dòng)等。還有一些人類不能親自到達(dá)的工作環(huán)境，有些工作是不適合做工作，在惡劣的環(huán)境中，這些都可以利用開始發(fā)揮作用的機(jī)器人，例如火山探險(xiǎn)、深?？碧?、空間探索等。服務(wù)型機(jī)器人可以認(rèn)為你服務(wù)照顧，提供清潔和安全;水下機(jī)器人可以幫助打撈沉船;一些工程機(jī)器人還能夠鋪設(shè)電纜，開辟道路；農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以進(jìn)行空中播種，施肥，還能夠在一些地域進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)，代替人能吃苦耐勞的工作;軍用機(jī)器人還可以排出地雷和炸彈的威脅，進(jìn)行恐怖打擊。這些機(jī)器人可以促進(jìn)人類的生活，對(duì)人類發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
城市排水管道疏通機(jī)器人的研制意義在于：可以實(shí)現(xiàn)排水管道的疏通、穿纜、檢測及簡單的清理工作，改善當(dāng)前疏通管道時(shí)工人惡劣的工作環(huán)境，并且可以降低工人的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，并且可以保障工人的人身安全、提高排水管道疏通的效率。此外，還可應(yīng)用于其它領(lǐng)域：
（1）在惡劣的環(huán)境中作業(yè)，進(jìn)行檢測、疏通、修理等工作；
（2）在海底管道中作業(yè)，進(jìn)行管道檢測，鋪設(shè)海底光纜；
（3）檢查管道的腐蝕、破損以及接縫情況；
（4）可以應(yīng)用在輻射，高溫，高壓的管道上，減少對(duì)工作人員的傷害。
1.3 研究內(nèi)容
通過分析比較國內(nèi)外的參考文獻(xiàn)，和實(shí)際資料，我們可以知道國內(nèi)外的管道機(jī)器人大都采用有線和無線控制方式，結(jié)構(gòu)上主要有輪式，履帶式的本體結(jié)構(gòu)，還有些采用蠕動(dòng)式的本體結(jié)構(gòu)。管道機(jī)器人需要適應(yīng)復(fù)雜的管道環(huán)境，應(yīng)配有各種圖像傳感系統(tǒng)以及各種傳感器來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)。管道機(jī)器人是各種技術(shù)的融合，是機(jī)電一體化技術(shù)的很好反應(yīng)，它包括控制技術(shù)，人機(jī)工程，傳感器技術(shù)，以及人工智能技術(shù)。本文主要對(duì)排水管道機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)排水管道及其人的工作環(huán)境，驅(qū)動(dòng)方式的選擇，本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還有控制系統(tǒng)等進(jìn)行了簡要的分析和介紹。
2 排水管道機(jī)器人概述
2.1 我國排水管道清淤現(xiàn)狀
2.1.1 人工清淤法
工作人員在配備安全保護(hù)措施的情況下借助簡單的工具進(jìn)入溝渠的內(nèi)部，然后進(jìn)行清淤工作，并通過手推車將淤泥送到井口，達(dá)到一定的量后，然后用挖掘機(jī)將污泥挖出，但這些設(shè)備需要人工進(jìn)入進(jìn)行實(shí)地操作，并且只適用于人進(jìn)入的管道，這種方法勞動(dòng)量大，并且環(huán)境惡劣，對(duì)工人的人身安全無法做到很好的保障。
2.1.2 水力清淤法
水力清淤發(fā)分為高壓水射流清淤法和水沖刷清淤法。
高壓水射流清淤方法如圖2.1，是使用高壓噴射車配備電動(dòng)機(jī)，高壓泵，大型水箱，水射流噴嘴等。操作是通過汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高壓泵，加壓使水從噴射水頭高速射出。然后依靠射流反應(yīng)，產(chǎn)生的反作用力，使水射流噴嘴和軟管在朝著相反與身體的方向運(yùn)動(dòng)，但還可以清潔管壁。當(dāng)噴嘴達(dá)到一定的距離，電動(dòng)絞盤將軟管卷回，射水槍繼續(xù)噴灑水，堵塞物和污泥被沖刷到管道檢查井，然后由污泥抽取車輛將其運(yùn)走。這種方法可以適用于不同直徑的水管，但因?yàn)樾枰褂酶蓛舻乃?，所以成本較高。然而，為了降低成本，挖泥車通常有自己的污水凈化設(shè)備，可以利用下水道中污水的優(yōu)勢。這疏通方法設(shè)備昂貴并且疏通的作業(yè)成本高，不適合中國國情。
圖2.1 高壓水射流清淤法
水沖刷疏浚方法是進(jìn)入管道檢查井，能夠擋水的設(shè)備。在其上游使用設(shè)備使污水管道堵塞，當(dāng)水位達(dá)到一定高度后，打開水，使上游的水在管道形成水流清除淤泥。一旦足夠數(shù)量的淤泥被沖走，設(shè)備向下游移動(dòng)了一段距離。這種方法需要管道本身必須有一定的流量，污泥應(yīng)不會(huì)太大，上游的水不能從其他的滑移流走，同時(shí)確保上游的水不能回流到附近的建筑物，其缺點(diǎn)是可能導(dǎo)致在上游管道的新沉積的生產(chǎn)。由于管道直徑的大小的限制，整個(gè)裝置的組成部分，必須在下水道組裝，這種方法需要在管道中的大量的工作。污水排水管道通常是很容易聚集著硫化氫等有毒氣體，以及爆炸性氣體，水管檢測人員下井檢查時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)陌踩胧?
2.1.3 絞車清淤法
絞車疏浚方法如圖2.2，是比較廣泛使用的一種方法，這種方法，首先通過使用竹，竹一端系繩子，繩子綁清道工具的一端，需要通過管段清除淤泥。在兩個(gè)管端，通過管道檢查井上各設(shè)個(gè)絞車，繩索系著清工具，通過鋼絲繩的另一端系在另一絞車。然后用絞車來回拉動(dòng)繩子，通過工具將污物帶到下游的檢查井中，通過用清淤工具刮泥使管道暢通。絞車動(dòng)力可以由人類手動(dòng)，也可以是通過電機(jī)拉動(dòng)，根據(jù)實(shí)際情況。這種方法適用于各種直徑的下水管道，特別是較嚴(yán)重的管道堵塞，淤泥已非常密集，用強(qiáng)力水流疏通無效，采取這種做法效果很好。主要缺點(diǎn)是穿竹從井口到另一個(gè)井口需要手動(dòng)完成，地下的工作環(huán)境是很糟糕。由于排水渠中的惡劣的工作條件，它是可能危及工人的健康，甚至危及工人的生命。因此，如果一個(gè)設(shè)備可以被用來取代人工去在下水管道中穿纜繩，這種方法是非常有效和可行的，雖然歷史久遠(yuǎn)，但是目前最常用的管道疏通方法。
圖2.2 絞車清淤法
2.1.4 通溝機(jī)清淤法
鉆桿通溝機(jī)清淤法如圖2.3，是通過利用發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力旋轉(zhuǎn)頭，驅(qū)動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)的鉆頭，通過管道檢查井的中心，鉆頭向前鉆，同時(shí)管內(nèi)的淤泥材料清洗到另一個(gè)檢查井。氣動(dòng)通溝機(jī)是通過壓縮空氣，將清淤器發(fā)送到另一個(gè)檢查井，檢查清除淤泥，然后用機(jī)尾繩通過絞車?yán)嘶貋?，該清淤器將后面的葉片打開，將管內(nèi)的雜物送到檢查井底部。也有無動(dòng)力通溝機(jī)，稱為PIG，是上世紀(jì)七十年代國外研制和開發(fā)的疏通方法，如圖所示。這種機(jī)器通過頭部和尾部，在管內(nèi)形成氣流，產(chǎn)生壓力差，從而形成動(dòng)力，通過管內(nèi)氣流的壓力差向前運(yùn)動(dòng)。其原理是類似活塞在汽缸內(nèi)，也就是說，在作為一個(gè)缸的管道中運(yùn)動(dòng)，把擁有一定的彈性和硬度PIG作為活塞。 PIG外徑稍比管道直徑大，壓入管在背后流體壓力小于面前壓力，由于有壓力差的作用，PIG，克服管道內(nèi)壁與通溝機(jī)之間的摩擦阻力運(yùn)動(dòng)，清除管道污垢，這種方法需要一個(gè)內(nèi)壁光滑規(guī)則，不能有太多的污垢，因此在我國并不怎么使用。
圖2.3 無動(dòng)力通溝機(jī)清淤法
2.2 國外管道機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀
2.2.1 MicroVGTV管道機(jī)器人
MicroVGTV管道機(jī)器人能夠根據(jù)不同的管徑改變它的本體結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)排水管道復(fù)雜的地形，如圖2.4所示。它從傳統(tǒng)的形狀變成成一個(gè)三角形的結(jié)構(gòu)，不僅可以適應(yīng)各種彎曲泥濘的環(huán)境，還具有防水能力，在機(jī)器人的前方，安裝有圖形傳感系統(tǒng)，能夠清楚的將排水管道中的影像資料傳到控制車中，通過分析可以了解堵塞狀況。
這種機(jī)器人采用履帶式的移動(dòng)防水，能夠很好的適應(yīng)管道中淤泥環(huán)境，有較強(qiáng)的附著力，可以再泥濘的管道中自自由行走。但這種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，受到功率的限制，只能承載較輕的重量。由于結(jié)構(gòu)尺寸較大，較適合大型管道，對(duì)于小直徑管道不易通過。這種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活，目前，許多國家的科研人員在進(jìn)行研究當(dāng)中。
(a) 常規(guī)形狀的MicroVGYV
(b) 變形后的MicroVGTV
圖2.4 履帶式管道機(jī)器人MicroVGTV
2.2.2 佛羅里達(dá)大學(xué)管道清理機(jī)器人
由美國佛羅里達(dá)大學(xué)電子及計(jì)算機(jī)工程學(xué)院智能機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室研制的機(jī)器人主要由頭部，驅(qū)動(dòng)部分和控制部分組成，能夠在狹窄的管徑中自由運(yùn)動(dòng)。在機(jī)器人的前方裝有感應(yīng)設(shè)備，當(dāng)遇到阻塞或者遇到大型障礙物時(shí)，能夠立即終止機(jī)器人的前進(jìn)。如圖2.5所示。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有兩方面的作用，它不僅能夠控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，而且在遇到障礙時(shí)能夠改變機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)角度，并且通過自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來疏通管道的阻塞物。這種管道疏通機(jī)器人有三個(gè)驅(qū)動(dòng)車輪，每個(gè)車輪有兩個(gè)微電機(jī)控制，一個(gè)電機(jī)控制車輪的運(yùn)動(dòng)角度，另一個(gè)電機(jī)控制機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)，通過傳感器和控制系統(tǒng)，機(jī)器人可以在彎管處迅速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，快速通過。機(jī)器人配有穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，能夠在崎嶇的管面內(nèi)穩(wěn)定的形式，防止傾覆、翻轉(zhuǎn)的發(fā)生。
圖2.5 佛羅里達(dá)大學(xué)管道清理機(jī)器人
2.2.3 俄羅斯管道機(jī)器人
俄羅斯“月球車”系列的管道機(jī)器人如圖2.6所示。這一系列的機(jī)器人有九個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在前部攜帶檢測和工作工具，工作時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)工具。這種機(jī)器人的攝像系統(tǒng)可以向后翻轉(zhuǎn)，能夠監(jiān)控整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程。此外，這種機(jī)器人可以彎曲身體豎直進(jìn)入管道，它可以適應(yīng)190-600毫米口徑管道。
圖2.6 輪式管道機(jī)器人月球車
機(jī)器人的機(jī)身是由不銹鋼加工而成，擁有可靠的氣密性和孔的同軸度。這種機(jī)器人采用輪式結(jié)構(gòu)，以0.3米/秒的速度移動(dòng)，前面裝有大功率照明設(shè)備，在行走的同時(shí)，圖像系統(tǒng)可以360度進(jìn)行檢測。發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)后，機(jī)器人的使用一套工具 - 銑刀，鉆頭，切割和清理工具來完成這一過程。機(jī)器人裝有微型處理器和信息設(shè)備，能夠由操控人員進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。這種機(jī)器性能優(yōu)越，并且成本也很低，非常適合管道內(nèi)的修復(fù)工作。
2.2.4 蠕動(dòng)式管道機(jī)器人
日本某研究機(jī)構(gòu)研制的管道機(jī)器人采用蠕動(dòng)式的運(yùn)動(dòng)方式，能夠像蠕蟲一樣在管道中行駛，如在圖2.7所示。這種爬行機(jī)器人是使用扭動(dòng)著腹部的摩擦表面，器人收縮前面的身體，然后通過拉動(dòng)身體向在摩擦的作用下運(yùn)動(dòng)，然后擴(kuò)大原來的收縮身體的前端。除了電機(jī)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和蠕動(dòng)機(jī)器人的智能控制部分，其余部分都由多個(gè)球形身體連接組成。每個(gè)球體的分為兩層皮膚，里面是塑料薄片可以彎曲，電機(jī)工作時(shí)，他們將在前進(jìn)的方向彎曲。外面布滿了橡膠，在機(jī)器人移動(dòng)時(shí)能夠增加與管道的摩擦力。通過這樣做伸展和收縮，機(jī)器人將能夠成功地向前移動(dòng)。
這種機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠在狹窄的管徑中運(yùn)動(dòng)，但是這種運(yùn)動(dòng)方式只能進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，不適于彎曲較多的管道，而且這種結(jié)構(gòu)很難制造，控制不易，運(yùn)動(dòng)速度緩慢，難以滿足實(shí)際情況的需要，只是研究使用，實(shí)際中很少用到。
圖2.7 蠕動(dòng)式管道機(jī)器人
2.3 國內(nèi)管道機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀
國內(nèi)研究管道機(jī)器人的時(shí)間較晚，從上世紀(jì)八十年代開始，國內(nèi)目前對(duì)于管道機(jī)器人的研究剛剛起步，還在學(xué)習(xí)國外管道機(jī)器人的先進(jìn)技術(shù)的時(shí)期。在近幾年，由于我國鋪設(shè)管道的增加以及管道的老化，國家對(duì)于管道問題越來越重視，在國家的大力支持下，國內(nèi)一些大學(xué)在國家自然科學(xué)基金以及各省部委基金的資助下開始管道機(jī)器人的研究，例如：清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)，都在管道機(jī)器人的開發(fā)和研究上有了一定的成果，主要是以結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的輪式和履帶式管道機(jī)器人的研究為主。
2.3.1 清華大學(xué)管道機(jī)器人
圖2.8為清華大學(xué)研制的輪式管道疏通機(jī)器人。該管道疏通機(jī)器人在適合400 mm以上的管道進(jìn)行清淤作業(yè)，車體的運(yùn)動(dòng)方式采用了輪式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，有四個(gè)車輪驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人的車體前方攜帶CCD攝像頭。
這種機(jī)器人在空載、干凈的管道中運(yùn)行時(shí)
功率：350-400W
平均速度：5.8m/min
載體的推力：60kg
平均速度：4.5m/min
當(dāng)淤泥沉積到管徑的1/3處,機(jī)器能夠平穩(wěn)的運(yùn)行，并且無打滑現(xiàn)象。
圖2.8 清華大學(xué)管道機(jī)器人
2.3.2 上海交通大學(xué)管道機(jī)器人
上海交通大學(xué)研制的管道機(jī)器人是履帶式的機(jī)器人，他通過利用仿造履帶式車輛行走原理，驅(qū)動(dòng)方式采用帶齒輪減速箱直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人上還裝有角度傳感器，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、按一定曲率半徑回轉(zhuǎn)原地轉(zhuǎn)向等動(dòng)作，可在直管和大曲率半徑的彎管內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人機(jī)箱上方裝有圖像檢測系統(tǒng)，——CCD圖像傳感器，CCD圖像傳感器可以做上下運(yùn)動(dòng)，通過另一個(gè)直流伺服電機(jī)控制，以擴(kuò)大檢測范圍。如圖2.9所示。
電機(jī)功率:5W；
減速箱減速比:100；
輸出轉(zhuǎn)速：0～30 r／min；
最小管道直徑: ≤120 m
運(yùn)動(dòng)速度:一般為1．2m／min
圖2.9 上海交通大學(xué)管道機(jī)器人
2.3.3 天津大學(xué)管道機(jī)器人
天津大學(xué)研制出“PR-1型”管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。驅(qū)動(dòng)部分采用螺旋輪式結(jié)構(gòu)，可以直立行走，并且可以通過以下彎曲度較大的彎道。該機(jī)器人運(yùn)用了“平面四點(diǎn)支撐”及“可變自由度機(jī)身行走機(jī)構(gòu)”的概念，從而使得該裝置在各項(xiàng)指標(biāo)上均有所突破。
國內(nèi)其它高校和機(jī)構(gòu)也先后對(duì)管道機(jī)器人進(jìn)行了研究，但大多處于基礎(chǔ)研究階段，研究成果還不能滿足實(shí)際生產(chǎn)生活需要。目前根據(jù)實(shí)際情況可以知道，目前我國基本上還處于人工疏通排水管道的狀態(tài)，對(duì)于自動(dòng)化程度比較高的高壓射水流技術(shù)和自動(dòng)化疏通機(jī)器人在我國大、中、小城市還無法得到普及和應(yīng)用。我國的排水管道大多已經(jīng)使用了很長時(shí)間，由于長時(shí)間使用，和維護(hù)較少，很多地方已經(jīng)出現(xiàn)老化破損，對(duì)于高壓射水以及機(jī)械疏通很容易造成管道的破壞。而且我國的排水管道大多管徑小，不利于自動(dòng)化機(jī)械的進(jìn)入。因此，對(duì)于制造一種價(jià)格適中，自動(dòng)化效率高，結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用的管道疏通機(jī)器人具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。雖然我國大部分還處于研制階段，但具有很重要的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
3 排水管道疏通機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)
3.1 排水管道疏通機(jī)器人工作環(huán)境
我國的城市排水管道直徑大概從300～2000mm，井口內(nèi)徑一般為680mm，井底內(nèi)徑可達(dá)700mm，沉淤井深一般為300～500mm, 井距約為50m，管道敷設(shè)基本水平，規(guī)定其坡度不大于10‰，實(shí)際為1‰～5‰,排水管道內(nèi)多為淤泥，垃圾等一些雜物，設(shè)計(jì)的管道疏通機(jī)器人主要用于500mm以上管徑排水管道的疏通檢測工作。
3.2 管道機(jī)器人整體設(shè)計(jì)指標(biāo)
管道本機(jī)器人整體設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：
適應(yīng)管徑：≥500mm
移動(dòng)速度：2—9m／min；
電源：采用有纜式控制，由控制車輛提供動(dòng)力；
機(jī)器人重量約為：20kg；
負(fù)重能力：>5kg；
作業(yè)能力：可以在200m以內(nèi)的排水管道完成穿纜、檢測、疏通任務(wù)。
3.3 管道機(jī)器人系統(tǒng)組成
大型排水管道疏通機(jī)器人主要由機(jī)械本體、疏通裝置、控制裝置和影像檢測裝置四部分組成，如圖3.1所示，其工作過程為如下：將起重設(shè)備放在檢查井附近，將排水管道疏通機(jī)器人豎直放到檢查井中，然后水平送到排水管道的入口處，機(jī)器人開始清淤工作。在井口的附近停放有控制車輛，車上有車輛控制柜，CRT顯示器，電源和收放線設(shè)備。車上還配有動(dòng)力設(shè)備，可以為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)提供電力保障；車上配有線纜收放裝置，可以隨著機(jī)器人的前進(jìn)隨時(shí)調(diào)節(jié)線纜的長度，并且為排水管道疏通機(jī)器人提供動(dòng)力和信號(hào)傳輸；在排水管道疏通機(jī)器人機(jī)體上安裝有CCD圖像傳感器，能夠提供排水管道中的圖像信息，監(jiān)視機(jī)器人的工作環(huán)境，方便控制人員及時(shí)調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
圖3.1 排水管道疏通機(jī)器人工作框圖
3.4 管道機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
排水管道疏通機(jī)器人適用于200m以內(nèi)的排水管道疏通、檢測及穿纜工作。機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)要適應(yīng)排水管狹窄的工作環(huán)境，要有位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)惡劣的地形。由于機(jī)器人在排水管道污水中作業(yè)，必須解決機(jī)器人的水密性問題。因此機(jī)器人本體采用一體式箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封到箱體內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡單，密封方便。機(jī)器人選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)行有纜控制，尾部牽著纜繩以備把淤泥拉出，內(nèi)有電源線和信號(hào)線。機(jī)器人頭部攜帶絞龍，采用螺旋式絞刀設(shè)計(jì)，可以粉碎管道中的堵塞物，并排出管道。為了適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，選用履帶式運(yùn)動(dòng)方式，與地面的接觸面積大，越障能力強(qiáng)，負(fù)重能力強(qiáng)，左右輪差動(dòng)運(yùn)動(dòng)，控制簡單，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。本體結(jié)構(gòu)如圖3.2所示 。
圖3.2 排水管道疏通機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)俯視圖
3.5 管道機(jī)器人移動(dòng)方式的選擇
機(jī)器人移動(dòng)方式主要有蠕動(dòng)式、足式、輪式、履帶式等幾種形式，每種移動(dòng)方式的功用都有所不同。
輪式移動(dòng)方式是移動(dòng)機(jī)器人中應(yīng)用最廣泛的移動(dòng)方式，在平坦的地面上，用車輪方式移動(dòng)十分穩(wěn)定可靠，并且易于控制，制造。足式移動(dòng)方式可以在高低不平的地面上運(yùn)動(dòng)，適應(yīng)能力強(qiáng)，在崎嶇的路面可以有很好的支點(diǎn)，還能夠阻隔震動(dòng)，但足式運(yùn)動(dòng)方式控制系統(tǒng)復(fù)雜，需要及時(shí)反饋周圍的環(huán)境信息，制造成本高，并且不易于開發(fā)。履帶式移動(dòng)方式接觸面積較大，對(duì)地面的壓強(qiáng)小，與路面的黏著力也較強(qiáng)，因此能夠在凹凸不平和松軟地面上移動(dòng)。
對(duì)于排水管道的疏通環(huán)境，具有如下特點(diǎn)：
（1)管道內(nèi)環(huán)境未知，內(nèi)部運(yùn)動(dòng)情況復(fù)雜多變;
（2)管道內(nèi)部空間狹窄，機(jī)器人需要攜帶的傳感器對(duì)管道運(yùn)動(dòng)環(huán)境進(jìn)行反饋，并對(duì)機(jī)器人在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行全面檢測和調(diào)整；
（3)機(jī)器人在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)具有不確定性，如爬坡或過障礙等。
結(jié)合管道機(jī)器人的工作環(huán)境，選擇履帶式移動(dòng)方式。履帶式機(jī)構(gòu)稱為無限軌道方式，履帶式移動(dòng)機(jī)器人是輪式機(jī)構(gòu)的擴(kuò)展，其最大特征是將圓環(huán)狀的無限軌道履帶卷繞在多個(gè)車輪上，使車輪不直接與地面接觸。適合在未知的路面上行走，因?yàn)槁膸П旧砥鸬浇o路面連續(xù)鋪路的作用。
履帶式移動(dòng)機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：
（1）支撐面積大，接地比壓小，路面保持力強(qiáng)，適合于松軟或泥濘地作業(yè)，下陷深度小，滾動(dòng)阻力小，通過性能較好，能登上較高的臺(tái)階。
（2）越野機(jī)動(dòng)性好，爬坡、越溝等性能優(yōu)于輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。重心低、較穩(wěn)定，并且能夠原地旋轉(zhuǎn)。
（3）履帶支撐面上有履帶齒、不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。
（4）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，運(yùn)動(dòng)慣性大。
3.6 履帶移動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)方式分析
履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)由于驅(qū)動(dòng)位置的不同，履帶內(nèi)部受力的狀況也不同。前輪驅(qū)動(dòng)方式和后輪驅(qū)動(dòng)方式的履帶內(nèi)張力分布如圖3.3所示。其中圖3.3(a)為前驅(qū)動(dòng)方式，圖3.3(b)為后驅(qū)動(dòng)方式。
(a) 前驅(qū)動(dòng)
（b）后驅(qū)動(dòng)
圖3.3 采用不同驅(qū)動(dòng)方式時(shí)履帶的內(nèi)張力分布
To—履帶總預(yù)張力
Fz—主動(dòng)輪上的牽引力
Fzk—為履帶的內(nèi)部牽引力
Fz’—主動(dòng)輪上的牽引力
履帶預(yù)加張力是盡量減小履帶的振動(dòng)、噪音和磨損等因素對(duì)履帶在行駛過程中的影響，履帶總預(yù)張力To包括預(yù)加動(dòng)張力和預(yù)加靜張力兩部分。主動(dòng)輪上的牽引力Fz’是用來克服履帶行動(dòng)裝置的內(nèi)部阻力和外部阻力的。而履帶的內(nèi)部牽引力包括了所有作用于履帶上的牽引力，即：
Fzk=Fz’+To
如圖3.3(a)所示的前驅(qū)動(dòng)方式的主動(dòng)輪較后驅(qū)動(dòng)的磨損較少，這是由于履帶在從排水管道管面到主動(dòng)輪的過程中，履帶上所夾雜的淤泥已經(jīng)被沖刷了。但從圖3.3(a)可以看出，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在前輪時(shí)，大部分的履帶在運(yùn)動(dòng)過程中需要承載很大的牽引力。隨著履帶行駛時(shí)間增加，將導(dǎo)致履帶伸長，可能在履帶車行駛的過程中，導(dǎo)致履帶的脫落。
而采用如圖3.3(b)所示的后驅(qū)動(dòng)方式，由于履帶內(nèi)部牽引力的高區(qū)段短，避免了主動(dòng)輪前置時(shí)存在的問題。采用后輪驅(qū)動(dòng)的方式有助于機(jī)器人適應(yīng)各種不同環(huán)境的管道，增強(qiáng)了機(jī)器人的適應(yīng)性。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，經(jīng)過管道凹凸處時(shí)，前面的從動(dòng)輪會(huì)在機(jī)器人主動(dòng)輪的帶動(dòng)下，會(huì)使履帶與管道表面更好的接觸，從而保障機(jī)器人可以在排水管道中平穩(wěn)的前進(jìn)。
3.7 驅(qū)動(dòng)方式的選擇
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人重要的組成部分，根據(jù)能量轉(zhuǎn)化方式，將驅(qū)動(dòng)方式分為液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和新型驅(qū)動(dòng)裝置。除了應(yīng)該充分考慮機(jī)器人的工作要求，如工作速度、最大搬運(yùn)物重量、驅(qū)動(dòng)功率、驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)性、精度要求，除此之外，還應(yīng)考慮到能否能夠在較大的慣性負(fù)載條件下，提供足夠的加速度以滿足作業(yè)要求。
由于管道尺寸的限制，根據(jù)排水管道的特點(diǎn)，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式所占的體積較大，超出排水管道疏通機(jī)器人的尺寸要求，并且系統(tǒng)復(fù)雜，很難維修。氣動(dòng)系統(tǒng)控制精度較低，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度，運(yùn)動(dòng)位置的精確控制。但是從電機(jī)的可維護(hù)性、加速度、動(dòng)態(tài)剛度、靜態(tài)剛度、線性度、噪音等技術(shù)指標(biāo)來看，電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式要比液壓驅(qū)動(dòng)方式和氣壓驅(qū)動(dòng)方式更適合于機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。目前，電氣驅(qū)動(dòng)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)，制造業(yè)的各種機(jī)器設(shè)備中，是目前較為成熟的驅(qū)動(dòng)方式。現(xiàn)階段國內(nèi)外的機(jī)器人中大部分都采用電氣驅(qū)動(dòng)方式。根據(jù)排水管道機(jī)器人的實(shí)際情況，我們選用電氣驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
3.7.1 電氣驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)
電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生力和力矩，直接或經(jīng)過機(jī)械傳動(dòng)去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)。因?yàn)槭∪チ酥虚g的能量轉(zhuǎn)換過程，所以比液壓及氣壓驅(qū)動(dòng)效率高，使用方便且成本低。電氣驅(qū)動(dòng)大致可分為普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)三類。
（1）普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)
普通電機(jī)包括交流電機(jī)、直流電機(jī)及伺服電機(jī)。交流電機(jī)一般不能進(jìn)行調(diào)速或難以進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，即使多速電動(dòng)機(jī)，也只能進(jìn)行有限的有級(jí)調(diào)速，但直流電源價(jià)格較高，因而限制了它在機(jī)器人上的應(yīng)用。
（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)
步進(jìn)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的速度和位移大小，可由電氣控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖數(shù)加以控制。由于步進(jìn)電機(jī)的位移量與脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，故步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以達(dá)到較高的重復(fù)定位精度。但是，步進(jìn)電機(jī)速度不能太高，控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜。
（3）直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)
直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，其動(dòng)作速度與行程主要取決于于定子與轉(zhuǎn)子的長度。反接制動(dòng)時(shí)，定位精度低，必須增設(shè)緩沖及定位機(jī)構(gòu)。
步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。它具有高精度的定位、位置及速度控制、具定位保持力、動(dòng)作靈敏、開回路控制不必依賴傳感器定位、中低速時(shí)具備高轉(zhuǎn)矩、高信賴性、小型、高功率等特征，使其具有廣泛的應(yīng)用。因此選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
3.7.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理
步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，它的的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，控制換相順序，即通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照一定順序分別控制各相的通斷。通過控制脈沖個(gè)數(shù)即可以控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，即給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，若按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)的速度，即給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步，兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。同時(shí)通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。
3.7.3 電機(jī)的選擇
移動(dòng)行走機(jī)構(gòu)幾何尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算:將移動(dòng)行走機(jī)構(gòu)歸為底箱部分,底箱是整個(gè)機(jī)器人的基礎(chǔ),其中包括電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、傳感器、光電編碼器等,設(shè)兩個(gè)主動(dòng)輪安裝在底箱前部,差動(dòng)驅(qū)動(dòng),主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的厚度為40 mm,直徑為120mm,兩主動(dòng)輪的間距為300 mm,從動(dòng)輪到主動(dòng)輪的最大距離為220mm。
估算機(jī)器人的質(zhì)量為20Kg，最大的行走速度為0.15m/s，則車輪的角速度為：
（3-1）
由于機(jī)器人在水中行走，必然會(huì)受到水的阻力，可將機(jī)器人簡化為一個(gè)長方體，因此，機(jī)器人在水中的粘滯阻力為：
（3-2）
式中：CD—阻力系數(shù)
—密度
—最大的行走速度
A—特征面積
討論負(fù)載及軸所受到的扭矩:
啟動(dòng)后達(dá)到最大速度0.15m/s勻速前進(jìn),此時(shí)主動(dòng)輪摩擦力和從動(dòng)輪的摩擦力的關(guān)系如圖3.4所示。
圖3.4 勻速時(shí)小車的受力關(guān)系
（3-3）
而
（3-4）
取=0.5得：
所以，主動(dòng)輪受力為：
則平均每個(gè)輪受力及扭矩為：
1/2×= 101.75N
TL =101.75×0.06=6Nm
綜上可知，選用南京華興電機(jī)制造有限公司的兩相混合式步進(jìn)電機(jī),型號(hào)為57BYG4501,其參數(shù)如表3.1所示。
表3.1 步進(jìn)電機(jī)57BYG4501參數(shù)表
步距角
相數(shù)
驅(qū)動(dòng)電壓(V)
相電流 (A)
保持轉(zhuǎn)矩(Nm)
空載起動(dòng)頻率(步/秒)
空載運(yùn)行頻率(千步 /秒)
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Kg·cm2)
相電感 (mH)
重量 (Kg)
0.9/1.8°
2/4
36
1.5
1.0
1200
≥ 20
0.3
2.4
1.0
電機(jī)尺寸分別為B = 57, d (H7) = 6. 35, L1 = 21, D1( h7) = 38. 1, h = 1. 6, h1 = 5. 5, L = 45, D2 = 66. 6, d1 = 5。通過電機(jī)的安裝尺寸做一個(gè)支架將電機(jī)用螺釘固定在機(jī)器人底板上。
若直接讓步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人仍無法滿足要求，因此可在步進(jìn)電機(jī)前安裝一微型減速器，該公司生產(chǎn)的減速器類型如表3.2所示，外形如圖3.5所示。
表3.2 減速器類型
電機(jī)類別
常規(guī)減速比
減速類型
39，4BYGH
1:5，1:10，1:30，1:50
行星，齒輪
57BYG，57BYGH
1:3，1:5，1:10，1:15，1:20，
1:25，1:30，1:50，1:100
齒輪
60BYGH
1:3，1:5，1:10，1:15，1:20，
1:25，1:30，1:50，1:100
齒輪
86BYG，86BYGH
1:3，1:5，1:10，1:30，1:50，1:100
行星
110BYGH
1:5，1:10，1:30，1:50，1:100
行星
圖3.5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)
由表3.2可知，可選用57BYG系列，減速比為i=1：20的齒輪型減速器，則輸出扭矩最大為：
（3-5）
當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行恒定時(shí)，取效率=0.75，則電機(jī)的輸出功率為：
（3-6）
以上均滿足設(shè)計(jì)要求。
3.8 箱體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
箱體結(jié)構(gòu)是固定的，連接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和連接移動(dòng)機(jī)構(gòu)，并且由于在有水的環(huán)境中工作，應(yīng)考慮箱體的密封問題。在機(jī)器人的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和大小。由于管道尺寸的限制，設(shè)計(jì)的箱體盡可能簡單，尺寸不能太大，并且重量輕，在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)該考慮機(jī)器人的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)時(shí)箱體可以進(jìn)行方便密封。排水管道疏通機(jī)器人的箱體設(shè)計(jì)成上下分離的箱體式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)制造方便，便于安裝，結(jié)構(gòu)簡單而且方便密封拆裝。可以使箱體內(nèi)部形成密閉空間，使箱體內(nèi)電機(jī)、控制系統(tǒng)封閉在箱體內(nèi)部，防止排水管道中污水的入侵，保障機(jī)器人安全行駛。箱體結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。
圖3.6 排水管道疏通機(jī)器人箱體結(jié)構(gòu)
3.9 驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)
3.9.1 初步確定軸的最小直徑
由前面計(jì)算可知
P1=40W，n1=f×?×i=9r/min,T1=6.1N·m
初步估算軸的最小直徑，材料40Cr，調(diào)質(zhì)處理。取A0I=110，于是得：
dminI=A0I （3-7）
最細(xì)處是安裝小齒輪的地方，小齒輪直接與電動(dòng)機(jī)連接，根據(jù)前面已經(jīng)選好的電動(dòng)機(jī)知道，電機(jī)的輸出軸直徑d=8mm，大齒輪與前軸配合連接。
3.9.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
（1）為了滿足大齒輪軸向定位的要求,VII軸段左端需要制出一軸肩,故取VII的直徑；右端用螺母墊片鎖緊定位,按軸端直徑取墊片直徑套筒與軸配合的輪轂孔長度l=25mm，為了保證軸端擋圈只壓在齒輪上而不壓在軸端上, 故VII的長度應(yīng)比l略短一些,取。
（2）初步選擇滾動(dòng)軸承，因軸承同時(shí)受有徑向力和軸向力的作用,故選用單列圓錐滾子軸承，參照工作要求并根據(jù) ,由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組、標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的單列深溝球軸承61904型。參數(shù)為d×D×B=20×37×9，故，lI=21.75，，右端采用主體定位。
（3）已知=9mm，為使套筒壓緊齒輪，取=28mm，考慮到與軸Ⅱ的配合，取=41mm。
（4）取車輪與箱壁之間相距為11mm，取滾動(dòng)軸承距箱內(nèi)壁距離為8mm，則=11+8+12+9+9=49mm。
（5）軸上零件的周向定位，斜齒輪、聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接。按連接處的直徑，由參考資料查得平鍵的結(jié)構(gòu)尺寸鍵寬b×鍵高h(yuǎn)×健長l分別為：（大齒輪）；（車輪）（單位mm）。同時(shí)保證了齒輪和軸的良好的對(duì)中性所以選擇輪轂和軸的配合為 ，滾動(dòng)軸承與軸的同向定位為過渡配合來保證，此處軸的尺寸公差為。
（6）確定圓角及倒角，取軸端倒角為1.5×45°，各處軸肩圓角半徑均為1mm。
3.9.3 求軸上載荷
（1）Y方向上：
（3-8）
（2）Z方向上：
（3-9）
（3）總彎矩：
（4）軸的載荷分布圖為
圖3.7 驅(qū)動(dòng)軸的載荷分布圖
從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖可以看出齒輪截面處是危險(xiǎn)截面。現(xiàn)將計(jì)算出的危險(xiǎn)截面的MY，MZ及M總的值列于表3.3：
表3.3 驅(qū)動(dòng)軸所受載荷、彎矩與扭矩
載荷
水平面 Y
垂直面 Z
支持力F
彎矩M
總彎矩
M1==167.87N·mm
同理：M2=126.22N·mm
扭矩T
T1=6.8N·m
3.9.4 按彎曲合成應(yīng)力校核強(qiáng)度
從軸的結(jié)構(gòu)彎矩扭矩圖中可以看出C截面是軸的危險(xiǎn)截面，C截面上所有數(shù)據(jù)上步中均已算出根據(jù)參考資料以及軸單向旋轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力強(qiáng)度校核
（3-10）
小于材料強(qiáng)度極限故40Cr合格。
3.9.5 軸的工作圖
圖3.8 驅(qū)動(dòng)軸工作圖
3.10 從動(dòng)軸設(shè)計(jì)
3.10.1 初步確定軸的最小直徑
由前面計(jì)算可知
P1=40W，n1=f×?×i=9r/min,T1=6.1N·m
初步估算軸的最小直徑，材料40Cr，調(diào)質(zhì)處理。，取A0I=110，于是得：
dminI=A0I （3-11）
3.10.2 求軸上載荷
（1）Y方向上：
（3-12）
（2）Z方向上：
（3-13）
（3）總彎矩：
（4）軸的載荷分布圖為
圖3.9 從動(dòng)軸載荷分布
從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖可以看出齒輪截面處是危險(xiǎn)截面?，F(xiàn)將計(jì)算出的危險(xiǎn)截面的MY，MZ及M總的值如表3.4所示。
表3.4 從動(dòng)軸所受載荷、彎矩與扭矩
載荷
水平面 Y
垂直面 Z
支持力F
彎矩M
總彎矩
M1==1167.87N·mm
同理：M2=1126.22N·mm
扭矩T
T1=6.8N·m
3.10.3 按彎曲合成應(yīng)力校核強(qiáng)度
從軸的結(jié)構(gòu)彎矩扭矩圖中可以看出B截面是軸的危險(xiǎn)截面B截面上所有數(shù)據(jù)上步中均已算出根據(jù)參考資料以及軸單向旋轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力強(qiáng)度校核
（3-14）
小于材料強(qiáng)度極限故40Cr合格。
3.10.4 軸的工作圖
圖3.10 從動(dòng)軸工作圖
3.11 軸承的校核
3.11.1 選型
選用深溝球軸承61904，額定動(dòng)載荷為，額定靜載荷為。
3.11.2 計(jì)算徑向力
， （3-15）
3.11.3 計(jì)算軸向力
（3-16）
已知有參考資料查的61904軸承e=0.37，Y=1.6，所以=1.78N
，所以。
3.11.4 計(jì)算當(dāng)量載荷
因，所以X=0.4，Y=1.6，
。 （3-17）
因 所以X=1，Y=0，
（3-18）
3.11.5 驗(yàn)算軸承壽命
因?yàn)镻1
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