排水管道疏通機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)【cad高清圖紙和說(shuō)明書全套】

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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(guó)排水管道大都埋于地下，由于我國(guó)國(guó)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(lái)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(wèn)題也突顯出來(lái)。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(guó)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(cè)工作。但是在很多情況下，人工檢測(cè)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(wú)法通過(guò)的管道，也就無(wú)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(zhǎng)，準(zhǔn)確率低等等。因此，研究制造一種排水管道的疏通檢測(cè)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(lái)長(zhǎng)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(guò)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(shuí)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(kāi)始發(fā)揮作用的機(jī)器人，例如火山探險(xiǎn)、深?？碧健⒖臻g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(kāi)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(cè)及簡(jiǎn)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(cè)、疏通、修理等工作；（2）在海底管道中作業(yè)，進(jìn)行管道檢測(cè)，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?jī)?nèi)容通過(guò)分析比較國(guó)內(nèi)外的參考文獻(xiàn)，和實(shí)際資料，我們可以知道國(guó)內(nèi)外的管道機(jī)器人大都采用有線和無(wú)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(lái)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(jiǎn)要的分析和介紹。2 排水管道機(jī)器人概述2.1 我國(guó)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(jiǎn)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(guò)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(wú)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(guò)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猿杀据^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(shì)。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(guó)國(guó)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(kāi)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(cè)人員下井檢查時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)陌踩胧?.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(guò)使用竹，竹一端系繩子，繩子綁清道工具的一端，需要通過(guò)管段清除淤泥。在兩個(gè)管端，通過(guò)管道檢查井上各設(shè)個(gè)絞車，繩索系著清工具，通過(guò)鋼絲繩的另一端系在另一絞車。然后用絞車來(lái)回拉動(dòng)繩子，通過(guò)工具將污物帶到下游的檢查井中，通過(guò)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(guò)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(wú)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)絞車?yán)嘶貋?lái)，該清淤器將后面的葉片打開(kāi)，將管內(nèi)的雜物送到檢查井底部。也有無(wú)動(dòng)力通溝機(jī)，稱為PIG，是上世紀(jì)七十年代國(guó)外研制和開(kāi)發(fā)的疏通方法，如圖所示。這種機(jī)器通過(guò)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(guò)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(shuō)，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(guó)并不怎么使用。圖2.3 無(wú)動(dòng)力通溝機(jī)清淤法2.2 國(guó)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(guò)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(guò)。這種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活，目前，許多國(guó)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MicroVGTV2.2.2 佛羅里達(dá)大學(xué)管道清理機(jī)器人由美國(guó)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(guò)自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)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(guò)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(guò)。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(cè)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(guò)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(cè)。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(lái)完成這一過(guò)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(guò)拉動(dòng)身體向在摩擦的作用下運(yùn)動(dòng)，然后擴(kuò)大原來(lái)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(guò)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(guó)內(nèi)管道機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)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(kāi)始，國(guó)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(guó)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(guó)鋪設(shè)管道的增加以及管道的老化，國(guó)家對(duì)于管道問(wèn)題越來(lái)越重視，在國(guó)家的大力支持下，國(guó)內(nèi)一些大學(xué)在國(guó)家自然科學(xué)基金以及各省部委基金的資助下開(kāi)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(kāi)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(jiǎn)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(wú)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(guò)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(cè)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(guò)另一個(gè)直流伺服電機(jī)控制，以擴(kuò)大檢測(cè)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：030 rmin；最小管道直徑: 120 m運(yùn)動(dòng)速度:一般為12mmin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(guò)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(guó)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(guó)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(guó)大、中、小城市還無(wú)法得到普及和應(yīng)用。我國(guó)的排水管道大多已經(jīng)使用了很長(zhǎng)時(shí)間，由于長(zhǎng)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(guó)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(jiǎn)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(guó)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(guó)的城市排水管道直徑大概從3002000mm，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300500mm, 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15,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(cè)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：29mmin；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(cè)、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(cè)裝置四部分組成，如圖3.1所示，其工作過(guò)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(kāi)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(zhǎng)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(cè)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(wèn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(kāi)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(cè)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(guò)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(wú)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(wú)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(zhǎng)，可能在履帶車行駛的過(guò)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(wèn)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(guò)程中，經(jīng)過(guò)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(lái)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(guó)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(guò)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(guò)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(wú)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(jiǎn)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(zhǎng)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(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)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(kāi)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(guò)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)。控制步進(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(guò)控制脈沖頻率來(lái)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(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)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 =101.750.06=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(Kgcm2)相電感 (mH)重量 (Kg)0.9/1.82/4361.51.01200 200.32.41.0 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(guò)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(wú)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39，4BYGH1:5，1:10，1:30，1:50行星，齒輪57BYG，57BYGH1:3，1:5，1:10，1:15，1:20，1:25，1:30，1:50，1:100齒輪60BYGH1:3，1:5，1:10，1:15，1:20，1:25，1:30，1:50，1:100齒輪86BYG，86BYGH1:3，1:5，1:10，1:30，1:50，1:100行星110BYGH1:5，1:10，1:30，1:50，1:100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(wèn)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(jiǎn)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(jiǎn)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=fi=9r/min,T1=6.1Nm 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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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dDB=20379，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(zhǎng)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(guò)渡配合來(lái)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1.545，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?，F(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=167.87Nmm同理：M2=126.22Nmm扭矩TT1=6.8Nm3.9.4 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=fi=9r/min,T1=6.1Nm 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=1167.87Nmm同理：M2=1126.22Nmm扭矩TT1=6.8Nm3.10.3 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1P2,因此只需校核軸承2 （3-19） 滿足壽命要求。3.11.6 軸承結(jié)構(gòu)圖圖3.11 軸承結(jié)構(gòu)圖3.12 清淤工具的設(shè)計(jì)若排水管堵塞計(jì)較嚴(yán)重，需要專業(yè)的清淤工具進(jìn)行疏通，為了排水管道機(jī)器人可以順利通過(guò)阻塞的管道，完成穿纜和疏通任務(wù)，在機(jī)器人的本體前方設(shè)計(jì)螺旋葉片，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。螺旋絞刀由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人螺旋絞刀選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將排水管道堵塞區(qū)域打通后，尾部牽著清淤板將阻塞物拉到兩側(cè)的檢查井中，然后由污泥車將檢查井中的淤泥等雜物抽出并運(yùn)輸。 電機(jī)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57BYG4503,其參數(shù)如表3.5所示。表3.5 步進(jìn)電機(jī)57BYG4503參數(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(Kgcm2)相電感 (mH)重量 (Kg)0.9/1.82/4361.51.51200 200.32.41.0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 = 67, D2 = 66. 6, d1 = 5。通過(guò)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(wú)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。 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，輸出扭矩最大為： 符合設(shè)計(jì)要求。3.13 其他附屬裝置的設(shè)計(jì)排水管疏通機(jī)器人需要配有起吊設(shè)備，在進(jìn)入管道前需要由起吊裝置將機(jī)器人由檢查井的井口輸送到排水管道的入口處。排水管道疏通機(jī)器人應(yīng)該配有圖像傳輸裝置，傳感裝置，便于檢查排水管道內(nèi)的環(huán)境。在控制車輛中安裝顯示器實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)行狀況。機(jī)器人配有穿纜裝置，可以進(jìn)行穿纜作業(yè)，為了使機(jī)器人行走與電纜收放同步，還帶有一個(gè)可伸縮的電線設(shè)備。排水管道機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)與外界的控制車相連，由外部運(yùn)載小車通過(guò)線纜提供電源，控制裝置，并且配有卷纜設(shè)備。機(jī)器人的前端配有螺旋葉片，可以疏通堵塞的管道，并且后面可以攜帶線纜，完成穿纜工作。然后在線纜上安裝清淤板，利用外部絞車，讓清淤板來(lái)回通過(guò)管道，將管道中的污泥及雜物刮到兩端的檢查井中，利用污泥車將污泥抽離。3.14 密封和防腐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)排水管道疏通機(jī)器人由于在排水管道的環(huán)境中工作，不同于地面上運(yùn)行，排水管道中有大量的污水存在，應(yīng)該考慮機(jī)器人的密封和防腐的問(wèn)題。將控制設(shè)備等精密部件放在專門設(shè)計(jì)的箱體內(nèi)，并且周圍加上密封件，我們常用的密封件固定式O型密封圈，O型圈在密封上被廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備中，是很好的密封材料。排水管道疏通機(jī)器人的電機(jī)可以直接采用防水電機(jī)，控制電纜可采用圓柱橄欖形橡膠密封。機(jī)器人長(zhǎng)期在排水管道環(huán)境中工作，由于城市排放的生活污水，工業(yè)廢水、管道內(nèi)淤積的各種腐爛物質(zhì)等，構(gòu)成了一個(gè)力學(xué)因素和電化學(xué)因素共同作用的腐蝕環(huán)境，使得機(jī)器人在排水管道中容易發(fā)生化學(xué)、電化學(xué)腐蝕。若是忽略下水管道中對(duì)機(jī)器人的腐蝕作用，排水管道疏通機(jī)器人的使用時(shí)間將大大縮短，并且很容易發(fā)生各種故障，使工作效率和質(zhì)量大大降低。因此在選擇材料時(shí), 要對(duì)機(jī)器人的金屬表面進(jìn)行二次噴涂一些防腐鍍膜等,也可涂覆耐腐蝕的涂層材料，要優(yōu)先考慮選用耐水腐蝕的合金材料,如不銹鋼;非金屬防水腐蝕材料,如特種尼龍,丁腈橡膠等。3.15 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)排水管道疏通機(jī)器人的控制主要集中在對(duì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和絞刀的步進(jìn)電機(jī)的控制。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。由于步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。在此，采用使用較為廣泛的51單片機(jī)AT89C51（晶振頻率為12MHZ）對(duì)南京華興電機(jī)制造有限公司生產(chǎn)的57BYG4501、57BYG4503步進(jìn)電機(jī)（步距角0.90/1.80，額定電壓36V）進(jìn)行控制。通過(guò)I/O口輸出的具有時(shí)序的方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)控制芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)調(diào)速和正反轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)總結(jié)本文在了解我國(guó)排水管道疏通現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析國(guó)內(nèi)外城市排水管道疏通、清淤等方面的發(fā)展情況和技術(shù)現(xiàn)狀，并查閱國(guó)內(nèi)外關(guān)于排水管道機(jī)器人的研究資料，并在此基礎(chǔ)上，針對(duì)排水管道疏通機(jī)器人在排水管道內(nèi)的作業(yè)情況，確定總體方案設(shè)計(jì)，確定機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)形式和行走方式，設(shè)計(jì)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)，預(yù)計(jì)通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)完成大型排水管道疏通機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過(guò)采用自動(dòng)化的排水管道疏通方式，提高排水管道疏通效率，改善工人的作業(yè)環(huán)境。大型排水管道疏通機(jī)器人選用履帶式運(yùn)動(dòng)方式，與地面的接觸面積大，越障能力好，負(fù)重能力強(qiáng)，左右輪差動(dòng)運(yùn)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，優(yōu)化管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)布局，機(jī)器人本體采用一體式箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并加以密封，防止污水的進(jìn)入。機(jī)器人選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用有纜控制的方式，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。尾部牽著纜繩，配有清淤板，以備把淤泥拉出。機(jī)器人由機(jī)械本體、控制系統(tǒng)、收放線裝置及可視系統(tǒng)四部分組成。地面上放置運(yùn)載小車，車上配有控制柜、顯示器、動(dòng)力源、收放線裝置以及抽污設(shè)備等附屬裝置。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我從中獲得了許多寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，不僅把這四年所學(xué)得以運(yùn)用，而且還豐富了知識(shí)，同時(shí)在查找參考資料和實(shí)際調(diào)研的過(guò)程中也了解了許多課外內(nèi)容，開(kāi)拓了視野，使自己在專業(yè)知識(shí)方面和動(dòng)手能力方面有很大的進(jìn)步。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白自己還有許多欠缺和不足的地方，學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己的知識(shí)和綜合素質(zhì)。我相信，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的經(jīng)過(guò)一定會(huì)讓我終身難忘，設(shè)計(jì)過(guò)程中所學(xué)到的東西是我這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我受益匪淺。致謝經(jīng)過(guò)三個(gè)月的努力，在老師和同學(xué)大力幫助下，我完成了排水管道疏通機(jī)器人的設(shè)計(jì)工作。付出了很多汗水，但也收獲不小。這里，首先感謝本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)xx老師，沒(méi)有他的悉心指導(dǎo)和認(rèn)真糾錯(cuò)，我不會(huì)這么順利的做完畢業(yè)設(shè)計(jì)。 老師工作很忙，但如果我們有什么問(wèn)題或者麻煩了，他都會(huì)抽出時(shí)間盡快幫我們解決。在 老師的精心指導(dǎo)下，我學(xué)到了很多關(guān)于機(jī)器人的知識(shí)，順利完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)的各種要求。 老師也是一個(gè)十分敬業(yè)的老師，他科學(xué)的態(tài)度和研究精神是值得我等后輩學(xué)習(xí)的和發(fā)揚(yáng)的。 同時(shí)，我也要感謝我的同學(xué)和親友們，在我遇到麻煩和陷入困境的時(shí)候，他們及時(shí)給我提供了不少幫助和安慰，是我能夠盡快的振作起來(lái)，堅(jiān)持做了下來(lái)。他們雖然對(duì)我的設(shè)計(jì)并不了解，但是常常幫助我查閱資料，提供解決問(wèn)題的方法，不但幫我渡過(guò)了難關(guān)，而且體驗(yàn)到友情的珍貴。 最后，我要感謝河南工業(yè)大學(xué)和機(jī)電工程學(xué)院，他們給我提供了一個(gè)優(yōu)良的環(huán)境，讓我順利的完成學(xué)業(yè)，而且期間認(rèn)識(shí)不少德才兼?zhèn)涞膸熼L(zhǎng)學(xué)友，從而學(xué)到了很多珍貴的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。大學(xué)四年雖然沒(méi)有什么特別出眾的表現(xiàn)，但潛移默化里我已經(jīng)成長(zhǎng)為一個(gè)有知識(shí)，有素養(yǎng)，有追求的青年，大學(xué)里學(xué)到的世界觀和方法論，將會(huì)對(duì)以后的人生道路產(chǎn)生漫長(zhǎng)的影響，讓我更加闊步而奮進(jìn)。參考資料1 陳樂(lè). 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(cè)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(cè)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(2) 4 鄧宗全. 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