地下管道檢測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)論文

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一、地下管道檢測(cè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 按照行走機(jī)構(gòu)的類(lèi)型，可將管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)分為輪式、履帶式、蠕動(dòng)式等幾類(lèi)。 輪式行走機(jī)構(gòu) 圖 1（ a） 輪式行走機(jī)構(gòu) 輪式機(jī)構(gòu)管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人的基本形式如圖 1（ a）所示。對(duì)此類(lèi)機(jī)器人的研究相對(duì)較多。機(jī)器人在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，有直進(jìn)式的（即機(jī)器人在管內(nèi)平動(dòng)），也有螺旋運(yùn)動(dòng)式的（即機(jī)器人在管內(nèi)一邊向前運(yùn)動(dòng)，一邊繞管道軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)）；輪的布置有平面的，也有空間的。一般認(rèn)為，平面結(jié)構(gòu)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng) 圖 1（ b） 自來(lái)水管道檢測(cè)輪式機(jī)器人 作靈 活，但剛性、穩(wěn)定性較差，而空間多輪支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)器人穩(wěn)定性、剛性較好 , 但對(duì)彎管和支岔管的通過(guò)性不佳。圖 1（ b）為英國(guó)的 限公司開(kāi)發(fā)的自來(lái)水管道檢測(cè)輪式機(jī)器人，可在以φ 135～ 375管徑內(nèi)直線(xiàn)行走，行走速度為 0～ 12m/ 履帶式行走機(jī)構(gòu) 圖 2（ a） 履帶式行走機(jī)構(gòu) 圖 2（ b） 海水管道檢測(cè)履 帶式機(jī)器人 圖 2（ a）是履帶 式行走機(jī)構(gòu)的基本形式。這種類(lèi) 型的管內(nèi)機(jī)器人在油污、泥濘、 障礙等惡劣條件下達(dá)能到良好的行走狀態(tài)， 但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不 易小型化，轉(zhuǎn)向性能不如輪式載體等原因，此類(lèi)機(jī)器人應(yīng)用較少。圖 2（ b）是日本關(guān)西電力株式會(huì)社開(kāi)發(fā)的適用于管徑 Φ288~388管長(zhǎng) 100m 的海水管道檢查履帶式機(jī)器人，該機(jī)器人通過(guò)沿徑向分布的履帶在水平管和垂直管內(nèi)自主行走，移動(dòng)速度為5m/個(gè)地下輸氣管道檢測(cè)維修用移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)由三大部分組成： (1)履帶式移動(dòng)機(jī)器人。機(jī)器人小車(chē)上裝有 像機(jī)，并可根據(jù)需要加掛其它檢測(cè)單元。 (2)圓盤(pán)式收放線(xiàn)裝置。移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)電纜進(jìn)行控制，視覺(jué)等信號(hào)也通過(guò)該線(xiàn)纜傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)。 (3)控制單元 。其主體為一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的控制、顯示及信息存儲(chǔ)等工作。操作人員通過(guò)界面完成所有操作?？刂茊卧c收放線(xiàn)裝置安裝在一個(gè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的手推車(chē)體上，便于移動(dòng)。 蠕動(dòng)式行走機(jī)構(gòu) 圖 3 蠕動(dòng)式行走機(jī)構(gòu) 蠕動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)如圖 3 所示。當(dāng)頭部支撐腳 3 收縮脫離與管道內(nèi)壁接觸，尾部支撐腳 1伸出與管壁接觸壓緊，氣缸 2左缸供氣 , 蠕動(dòng)載體伸長(zhǎng) , 帶動(dòng)頭部向前移動(dòng)；當(dāng)頭部移動(dòng)到位時(shí)，支撐腳 1縮回，頭部支撐腳 3伸出與管壁接觸壓緊，氣缸 2右缸供氣，則蠕動(dòng)載體收縮，帶動(dòng)尾部向前運(yùn)動(dòng)。尾部 移動(dòng)到位，尾部支撐腳 1伸出，支撐管壁，頭部支撐腳縮回。 蠕動(dòng)式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人支撐腳的伸縮和載體的蠕動(dòng)均采用直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)支撐腳支承載體與管壁壓緊，不支承時(shí)可以與管壁脫離，解決了輪式和履帶式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人行走時(shí)驅(qū)動(dòng)輪始終壓緊在管壁上的問(wèn)題，可以產(chǎn)生很大的牽引力。但由于蠕動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是間歇的，受驅(qū)動(dòng)件啟動(dòng)頻率的限制，移動(dòng)速度比輪式、履帶式低。輪式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，行走效率高等優(yōu)點(diǎn)，主要缺點(diǎn)是牽引力的提高受到封閉力的限制。履帶式載體附著性能好，越障能力強(qiáng)，并能輸出較大的牽引力，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易 小型化，轉(zhuǎn)向性能不如輪式載體。 二、課題目的及意義 本項(xiàng)目是根據(jù)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的實(shí)際需要而提出的一項(xiàng)亟待研究和解決的科研課題。地下管道（輸水管道、煤氣管道、供氣管道）在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于受到管內(nèi)、管外介質(zhì)的腐蝕等原因，會(huì)產(chǎn)生裂紋、漏孔而出現(xiàn)漏氣、漏水現(xiàn)象，這不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)霈F(xiàn)人身事故，為此迫切需要一種能在管內(nèi)行走的機(jī)器人來(lái)拖動(dòng)或輸送各種裝置完成檢測(cè)和維修工作。目前國(guó)外先進(jìn)國(guó)家對(duì)地下管道的檢測(cè)已開(kāi)始采用管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人來(lái)完成，而國(guó)內(nèi)主要采用廢棄舊損管線(xiàn)、鋪設(shè)新管線(xiàn)的方法，或人工入管修復(fù)，這不僅 耗資巨大，修復(fù)周期過(guò)長(zhǎng)，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大。據(jù)我們?cè)谥袊?guó)石油天然氣總公司和國(guó)內(nèi)各城市自來(lái)水公司、供熱公司調(diào)研表明，國(guó)內(nèi)現(xiàn)繼續(xù)地下輸氣管道、輸水管道檢測(cè)用移動(dòng)機(jī)器人。因此開(kāi)展地下輸水輸氣管道檢測(cè)用移動(dòng)機(jī)器人的研究，對(duì)能源工業(yè)的發(fā)展及減少水資源浪費(fèi)具有重大的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)涵管的檢測(cè)主要采取人工觀察測(cè)量、局部破損檢測(cè)的辦法。所研制的管道機(jī)器人大部分也是針對(duì)工業(yè)管道和細(xì)小的管道。由此，筆者嘗試性地做了關(guān)于涵管檢測(cè)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的初步探討。 根據(jù)汽車(chē)?yán)碚?，機(jī)器人若能在管道中正常行走，則 必須滿(mǎn)足下述條件，即 式中， —————— 驅(qū)動(dòng)力； F? —————— 為附著力，且 F? = 2N? ， 為附著系數(shù)。 根據(jù)汽車(chē)?yán)碚摚O(shè)計(jì)取 ? =得 F? = 由以上計(jì)算可知行走條件滿(mǎn)足 。 器人驅(qū)動(dòng)方案和電機(jī)選擇 按照汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)理論原則，管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式采用后輪驅(qū)動(dòng)的方式，并且由于工作條件對(duì)小車(chē)尺寸的要求，采用 減速器裝置，使電機(jī)的告訴輸出軸連接在減速器輸入軸上，然后通過(guò)減速器減速，并且把減速器的輸出軸通過(guò)套筒式聯(lián)軸器與一對(duì)錐齒輪和小車(chē)的后軸相連接，從而帶動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。后輪軸的兩端伸出部分安裝上鑄鋼輪，為了附著性能，在鑄鋼輪的外面嵌入了橡膠圈，使機(jī)器人能可靠在管道里行走。 由 0tq g Tt ? ??， 00 7a ? 其中， ————— 電機(jī)轉(zhuǎn)矩， 單位 ————— 變速器傳動(dòng)比； 0i —————— 主減速器傳動(dòng)比； r —————— 車(chē)輪半徑，單位為 m ； T—————— 傳動(dòng)效率； N—————— 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為 / ————— 機(jī)器人行駛速 度，單位為 / 設(shè)計(jì)中初選 100 ， 0 2i ? ， 60r ， 5 / ； 可得 n= ； 選定電機(jī)的條件： 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩； n? 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速； J? 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 由選定條件可初步選擇 司的 直流伺服電動(dòng)機(jī)，其技術(shù)數(shù)據(jù)如表 1 所示，外形尺寸如表 2 所示。 速器設(shè)計(jì) 車(chē)輪轉(zhuǎn)矩： = 0 . 5 0 . 5 3 4 7 0 . 0 6 1 0 . 4 1TF t r N m? ? ? ? ? ? ?輪 表 1 直流伺服電動(dòng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù) 型號(hào) 電壓電樞 電流 輸出功率 最高轉(zhuǎn)速 額定轉(zhuǎn)矩 00V 00W 6400 r/m? 表 2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的外型尺寸 總長(zhǎng) 外徑 軸徑 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1640 110 即聯(lián)軸器輸出轉(zhuǎn)矩選 ，其技術(shù)數(shù)據(jù)如表 3 所示。 表 3 減速器技術(shù)數(shù)據(jù) 型號(hào) 減速比 額定輸出轉(zhuǎn)矩 （ 最大輸出轉(zhuǎn)矩 （ ） 瞬時(shí)慣量 （ 2 效率 ? 法蘭 （ 輸出軸徑 （ 總長(zhǎng) （ 質(zhì)量 （ 00 45 135 0?? 93% 60 16 輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 輪選擇 選用支持圓錐齒輪傳動(dòng)，大小齒輪?wèn)|選用硬齒面，材料均為 40經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為 48~50采用表面淬火，齒輪的變形不大，不需磨削，故初選 5 級(jí)精度（ 選小齒輪齒數(shù) 1 17Z ? ，大齒輪齒數(shù)2134u ?。 齒根彎曲皮料強(qiáng)度設(shè)計(jì) 彎曲想讀的設(shè)計(jì)公式為 ? ? ? ?123 2 2141 0 . 5 1F a S ?????? ? ? ? 式中， m —————— 模數(shù)，單位 K —————— 載荷系數(shù)； 1T —————— 小齒輪傳遞的扭矩，單位 ； R? —————— 齒寬系數(shù)； ————— 齒形系數(shù)； ————— 應(yīng)力校正系數(shù)； ??F? —————— 許用彎曲疲勞強(qiáng)度，單位 （ 1） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 ① 查得大小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限： 1? 2? 650 ② 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 1 2 ③ 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=由公式 ? ? K? ??? 得 ? ? 1 11 520 P ????； ? ? 2 22 520 P ????； ④ 計(jì)算載荷系數(shù) K 1 . 0 0 1 . 0 1 . 2 1 . 6 5 1 . 9 8A V K K K??? ? ? ? ? ? ? ? ?; ⑤ 取齒形系數(shù) 1 ； 2 ； ⑥ 查取應(yīng)力校正系數(shù) 1 ； 2 ； ⑦ 計(jì)算大、小齒輪的 ? ?并加以比較 ? ?111 2 . 8 5 1 . 5 4 0 . 0 0 8 4 4520F a S ? ???； ? ?222 2 . 2 3 1 . 7 6 0 . 0 0 7 5 5520F a S ? ???； 小齒輪的數(shù)值大，應(yīng)以小齒輪計(jì)算。 ⑧ 小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 1 = 1 0 4 1 0 m 輪 ⑨ 齒寬系數(shù) =1/3R? ； ⑵ 設(shè)計(jì)計(jì)算 224 1 . 8 7 5 1 0 4 1 0 0 . 0 0 7 9 5 1 . 5 1111 - 0 . 5 1 7 533?? ? ??? ? ? ????? 取模數(shù) 2 。 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核 接觸強(qiáng)度的校核公式為 ? ?? ?1 2 311 0 . 55 ? ???? ? ? ?? ? ? ? ? （ 1） 確定公式內(nèi)的個(gè)計(jì)算數(shù)值 ① 查得大小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 li m 1 li m 2 900 P a????； ② 查得接觸疲勞壽命系數(shù) 121 . 3 5 ; 1 . 3 5 ;H N H ③ 計(jì)算解除疲勞許用應(yīng)力 取接觸疲勞安全系數(shù) 1s? ，由公式 ? ?? ???得 ? ? 1 l i m 11 975H M P ? ???? ? ? 2 l i m 22 1 0 1 2 . 5H M P ? ???? 取 ? ?H? 。 ④ 載荷系數(shù) : ； ⑤ 查取彈性影響系數(shù) 1 8 9 P ； ⑥ 計(jì)算小齒輪分度圓直徑 1d 11 34 ? ? ?； ⑵ 校核計(jì)算 231 . 9 8 1 0 4 1 05 1 8 9 . 8 9 0 7 . 3 9 7 51 0 . 51 3 4 233 P a M P a??? ??? ? ? ? ? ?????? ? ? ?????齒輪設(shè)計(jì)符合要求。 何尺寸計(jì)算 （ 1）計(jì)算分度圓直徑 11 34 ? ? ?； 22 68 ? ? ?； ⑵ 計(jì)算中心距 ? ?12 / 2 5 1 d d? ? ?； ⑶ 計(jì)算錐距 R 2 2 2 21211 3 8 . 0 1 322 3 4 6 8 ? ? ? ? ⑷ 計(jì)算齒輪寬度 1 2 1R ?? ? ? ； 圓整取 121 0 ; 1 2m m m 。 輪軸及齒輪軸設(shè)計(jì) 輪后軸設(shè)計(jì) （ 1）最小直徑的設(shè)計(jì) 車(chē)輪軸的轉(zhuǎn)矩： 3 4 7 0 . 0 6 2 0 . 8 2F t r N ? ? ? ? ?車(chē) 輪 軸 車(chē)輪軸的功率： T 2 0 . 8 2 3 0 0 0 2 0 . 8 29 5 5 0 9 5 5 0 2 0 0n ?? ? ? ??車(chē) 輪 軸 ； 選取軸的材料為 40用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 ? ? 55T ? 。 ? ?3m i 2 . 4 10 . 2 T ???? 取 14 。 （ 2） 車(chē)輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖所示，詳圖請(qǐng)參考零件圖。圖 10 車(chē)輪軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 （ 3） 軸承的選擇 根據(jù)結(jié)構(gòu)選擇角接觸球軸承（ 表 5 號(hào) 36204 軸承的參數(shù) 型號(hào) 內(nèi)徑（ 外徑（ 寬度（ 額定動(dòng)載荷（ 額定靜載荷（ 36204 0 47 14 4） 車(chē)輪軸的校核 ① 由于該軸既承受扭矩又承受彎矩， 故按彎扭合成強(qiáng)度條件校核，并同時(shí)按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精度校核。步驟如下： 軸的受力簡(jiǎn)圖，如圖所示 。圖 11 車(chē)輪軸的受力簡(jiǎn)圖 其中，1212 1 0 0 0 1 0 0 0 2 0 . 8 2 7 3 4 . 9 12 8 . 3 3t m d? ?? ? ?'2 7 3 4 . 9 1 2 0 2 6 7 . 4 8t t g t g ? ? ? ? ?。 '22 22c o s c o s 2 6 7 . 4 8 c o s 6 3 . 4 3 1 1 9 . 6 4rt t g F ???? ? ? ? ? ? ? ?。 '22 22s i n s i n 2 6 7 . 4 8 s i n 6 3 . 4 3 2 3 9 . 2 3at t g F ???? ? ? ? ? ? ? ?。 ' 347 1 7 3 . 522 ? ?； ?輪 ； ? ?112c o s s i n c o s s i 3 2 . 2 822a h G ? ? ?? ? ?? ? ? ??22 5 6 . 6 72 3 9 . 2 3 6 7 7 7 . 3 822 ? ? ? ? ? 圖中 其他各力數(shù)值如表所示。 表 6 車(chē)輪軸受力數(shù)值 載荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 1 2 2 4 H 2 R ? '22 2 3 9 1 R ? 2 2 8 7 V 根據(jù)軸的計(jì)算見(jiàn)圖做出軸的彎矩圖，扭矩圖和計(jì)算彎矩圖，如圖 12 所示 ② 按彎矩合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大計(jì)算彎矩的截面。 3 12 9 0 4 5 . 8 4 2 7 . 2 8 7 00 . 1 2 2c a P a M P ???? ? ? ? ????，故安全。 ③ 精確校核軸強(qiáng)度 經(jīng)判斷 A， B 處為危險(xiǎn)截面 i）校核 A 面右側(cè) 抗彎截面系數(shù)： 3 3 30 . 1 0 . 1 2 0 8 0 0W d m m? ? ? ? ?； 抗扭截面系數(shù)： 3 3 30 . 2 0 . 2 2 0 1 6 0 0W d m m? ? ? ? ?； A 面右側(cè)彎矩： 1 6 7 7 8 M N m m??； A 面右側(cè)扭矩： 2 0 8 2 0 T N m m??； 截面上的彎曲應(yīng)力： 2 0 b M M P ?? ； 截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力： 1 3 T T M P ??軸材料為 40質(zhì)處理， b?? 735 1 355M ? ? ， 1 200? ? 圖形 截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù) ?? 及 ?? ： 由 ? ， 22 ?查得 ? ， ? 軸的材料的敏性系數(shù)： 0 , 0 ?? 有效應(yīng)力集 中系數(shù)： ? ?1 1 1 . 7 1 8?? ?? ? ? ? ?， ? ?1 1 1 . 2 5 8?? ?? ? ? ? ? 尺寸系數(shù)： ? ；扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)： ? 軸用磨削加工，其表面質(zhì)量系數(shù)： 0 ?????? 軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，即 ?? 1? ，則綜合系數(shù)為： 1 1 1 . 8 0 5?? ???? ? ? ?，1 1 1 . 4 1 1?? ???? ? ? ?材料特性系數(shù)： ? ， 取 ? ； 0 0 ?? ? ，取 ? 計(jì)算安全系數(shù) 1 355 9 . 3 71 . 8 0 5 2 0 . 9 7 0 . 2 0?? ?? ????? ? ?? ? ?? ? ? 1 200 2 0 . 3 61 3 . 0 1 1 3 . 0 11 . 4 1 1 0 . 122?? ?? ????? ? ?? ? ? ? ? ?22 8 . 5 1 1 . 2 5???? ? ? ? ?? 故可知其安全。 核 A 面左側(cè) 抗彎截面系數(shù)： 3 3 30 . 1 0 . 1 2 2 1 0 6 4 . 8W d m m? ? ? ? ? 抗扭截面系數(shù)： 3 3 30 . 2 0 . 2 2 2 2 1 2 9 . 6W d m m? ? ? ? ? A 面左側(cè)彎矩： 1 6 7 7 8 M N m m??； A 面左側(cè)扭矩： 2 0 8 2 0 T N m m??； 截面上的彎曲應(yīng)力： 1 5 b M M P ?? ； 截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力： 9 T T M P ??過(guò)盈配合處的K??? 值：2 . 8 5 , 0 . 8 2 . 8 5 2 . 2 8 ,??? ? ? ? 軸用磨削加工，其表面質(zhì)量系數(shù)： 0 ?????? 軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，即 ?? 1? ，則綜合系數(shù)為： 1 1 2 . 9 3 7?? ???? ? ? ?，1 1 2 . 3 6 7?? ???? ? ? ?材料特性系數(shù)： ? ，取 ? ； 0 0 ?? ? ，取 ? 計(jì)算安全系數(shù) 1 355 7 . 6 72 . 9 3 7 1 5 . 7 6 0 . 2 0?? ?? ????? ? ?? ? ?? ? ? 1 200 1 6 . 5 89 . 7 8 9 . 7 82 . 3 6 7 0 . 122?? ?? ????? ? ?? ? ? ? ? ?22 6 . 9 6 1 . 2 5???? ? ? ? ?? 核 B 面右側(cè) 抗彎截面系數(shù)： 3 3 30 . 1 0 . 1 2 0 8 0 0W d m m? ? ? ? ?； 抗扭 截面系數(shù)： 3 3 30 . 2 0 . 2 2 0 1 6 0 0W d m m? ? ? ? ?； B 面右側(cè)彎矩： 2 0 9 0 M N m m??； B 面右側(cè)扭矩： 2 0 8 2 0 T N m m??； 截面上的彎曲應(yīng)力： 7 b M M P ?? ； 截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力： 3 7 T T M P ??過(guò)盈配合處的K??? 值：2 . 5 4 , 0 . 8 2 . 5 4 2 . 0 3??? ? ? ? 軸用磨削加工，其表面質(zhì)量系數(shù)： 0 ?????? 軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，即 ?? 1? ，則綜合系數(shù)為： 1 1 2 . 6 2 7?? ???? ? ? ?，1 1 2 . 1 1 7?? ???? ? ? ?材料特性系數(shù)： ? ，取 ? ； 0 0 ?? ? ，取 ? 計(jì)算安全系數(shù) 1 355 1 7 . 7 32 . 6 2 7 7 . 6 2 0 . 2 0?? ?? ????? ? ?? ? ?? ? ? 1 200 4 . 7 63 7 . 9 4 3 7 . 9 42 . 1 1 7 0 . 122?? ?? ????? ? ?? ? ? ? ? ?22 4 . 6 0 1 . 2 5???? ? ? ? ?? 故可知其安全。 核 右側(cè) 抗彎截面系數(shù)： 3 3 30 . 1 0 . 1 1 8 5 8 3 . 2W d m m? ? ? ? ?； 抗扭截面系數(shù)： 3 3 30 . 2 0 . 2 1 8 1 1 6 6 . 4W d m m? ? ? ? ?； 右側(cè)彎矩： 5 9 7 1 3 M N m m??； 右側(cè)扭矩： 2 0 8 2 0 T N m m??； 截面上的彎曲應(yīng)力： 1 0 b M M P ?? ； 截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力： 1 7 T T M P ??截面上由于軸肩而形 成的理論應(yīng)力集中系數(shù) ?? 及 ?? ： 由 1 618? ， 20 ? 查得 ? ， ? 軸的材料的敏性系數(shù)： 0 , 0 ?? 有效應(yīng)力集中系數(shù)： ? ?1 1 1 . 6 6 2?? ?? ? ? ? ?， ? ?1 1 1 . 2 2 4?? ?? ? ? ? ? 尺寸系數(shù)： ? ；扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)： ? 軸用磨削加工，其表面質(zhì)量系數(shù)： 0 ?????? 軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，即 q? 1? ，則綜合系數(shù)為： 1 1 1 . 7 4 9?? ???? ? ? ?，1 1 1 . 3 3 1?? ???? ? ? ?材料特性系數(shù)： ? ，取 ? ； 0 0 ?? ? ，取 ? 計(jì)算安全系數(shù) 1 355 1 9 . 8 21 . 7 4 9 1 0 . 2 4 0 . 2 0?? ?? ????? ? ?? ? ?? ? ? 1 200 1 5 . 6 71 7 . 8 5 1 7 . 8 51 . 3 3 1 0 . 122?? ?? ????? ? ?? ? ? ? ? ?22 1 2 . 2 9 1 . 2 5???? ? ? ? ?? 故可知其安全。 ⑸ 軸承校核 預(yù)計(jì)壽命： ' 10000h 壽命根據(jù)公式 61060f ??????? ???進(jìn)行計(jì)算 式中， ————— 溫度系數(shù)， 1 ； ————— 載荷系數(shù)， 1 ； n—————— 轉(zhuǎn)速， m ； P —————— 當(dāng)量動(dòng)載荷。 ① 1 1 2 22 2 4 . 0 5 ; 5 2 . 8 3 ; 3 . 3 1 ; 2 8 7 . 7 4H V H N R R? ? ? ? 所以 2 2 2 21 1 1 2 2 22 3 0 . 1 9 , 2 8 7 . 7 6H V H R R R R? ? ? ? ? ? ② 求兩軸承的計(jì)算軸向力 1A 和 2A 初選 則 11 0 . 4 0 2 3 0 . 1 9 9 2 . 0 8 ? ? ? ? ? 22 0 . 4 0 2 8 7 . 7 6 1 1 5 . 1 0? ? ? ? ? 1 2 2 3 9 . 2 3 1 1 5 . 1 0 3 5 4 . 3 3a ? ? ? ? 2 2 1 1 5 ? 103 5 4 0 1 78500?， 201 1 5 0 3 58500? 得 120 3 , 0 9 再計(jì)算， 11 0 . 4 1 3 2 3 0 . 1 9 9 5 . 0 7 ? ? ? ? ? 22 0 . 3 7 9 2 8 7 . 7 6 1 0 9 . 0 6? ? ? ? ? 1 2 2 3 9 . 2 3 1 0 9 . 0 6 3 4 8 . 2 9a ? ? ? ? 2 2 1 0 9 ? 103 4 8 0 1 08500?， 201 0 9 0 2 88500? 0此， 120 3 , 0 9 ③ 當(dāng)量動(dòng)載荷 1P 和 2P 由 1 113 4 8 1 2 3 0 A ? ?； 2 221 0 9 0 92 8 7 A ? ? 得， 1 1 2 20 . 4 4 , 1 . 3 5 5 2 , 1 , 0X Y X Y? ? ? ? 由中等沖擊得， 取 ? ?1 1 . 5 0 . 4 4 2 3 0 . 1 9 1 . 3 5 5 2 3 4 8 . 2 9 8 5 9 . 9 3 ? ? ? ? ? ? ?2 1 . 5 1 1 0 9 . 0 6 0 1 0 9 . 0 6 1 6 3 . 5 9 ? ? ? ? ? ④ 校核軸承壽命 因 12，所以 3661 0 1 0 1 2 3 0 03 0 6 3 5 9 7 1 0 0 0 06 0 6 0 1 5 . 9 2 8 5 9 . 9 3f CL f??? ?????? ? ? ? ? ????? ? ???? 故滿(mǎn)足要求。 ⑹ 鍵與鍵槽的設(shè)計(jì) ? ? 1 0 0 ~ 1 2 0 M P ? ① 與錐齒輪連接處選用 A 型平鍵 (6 6 1 6b h L? ? ? ? ?， l L b??，此處 20820T N m m??， 因此 ? ?2 2 2 0 8 2 0 6 3 . 0 90 . 5 6 1 0 2 2P P ak l d ?? ??? ? ? ?? ? ? ? ? 滿(mǎn)足要求。 ② 與車(chē)輪連接處選用 C 型平鍵（ 4 4 1 1b h L? ? ? ? ?， l L b??，此處 10410T N m m??， 因此 ? ?2 2 1 0 4 1 0 8 2 . 6 20 . 5 4 9 1 4P P ak l d ?? ??? ? ? ?? ? ? ? ? 滿(mǎn)足要求。 輪軸的設(shè)計(jì) （ 1）最小直徑的設(shè)計(jì) 齒輪軸的轉(zhuǎn)矩： 1 0 . 4 1 ? ?車(chē) 輪 軸齒 輪 軸 齒輪軸的功率：30001 0 . 4 100 0 . 0 3 39 5 5 0 9 5 5 0 ? ? ?齒 輪 軸 選取軸的材料為 40用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 ? ? 3 5 ~ 4 5T M P a? ? 。 得， ? ?3m i . 6 50 . 2 TP ?????，取 10 。 （ 2） 齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 見(jiàn)零件圖 （ 3） 軸承選擇 根據(jù)結(jié)構(gòu)選擇深溝球軸承（ 具體參數(shù)如表 7 所示。 表 7 數(shù) 型號(hào) 內(nèi)徑（ 外徑（ 寬度（ 額定動(dòng)載荷（ 額定靜載荷（ 36201 12 32 10 4 4） 齒輪軸的校核 ① 軸的受力簡(jiǎn)圖，如圖 12 所示其中， 1 7 3 4 t ； 12 2 3 9 ； 12 1 1 9 11 1 6 9 4 . 7 02MF m ? ? ?； 1 0 4 1 0 N ?齒 圖中其他各力數(shù)值如表 8 所示。 根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖作出軸的彎矩，扭矩圖和計(jì)算 彎矩圖，如圖 13 所示。 表 8 齒輪軸的受力數(shù)值 載荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 R 2 3 9 H ' R ? R ? 轉(zhuǎn)矩 M 1 4 3 2 1 H N m ? 1 1 7 6 9 6 V N m ? ② 精確校核軸的強(qiáng)度 經(jīng)判斷 A 處為危險(xiǎn)截面 i）校核 A 面左側(cè) 抗彎截面系數(shù)： 3 3 30 . 1 0 . 1 1 2 1 7 2 . 8W d m m? ? ? ? ?； 抗扭截面系數(shù)： 3 3 30 . 2 0 . 2 1 2 3 4 5 . 6W d m m? ? ? ? ?； A 面右側(cè)彎矩： 1 4 7 8 6 M N m m??； 右側(cè)扭矩： 10410T N m m??； 截面上的彎曲應(yīng)力： 8 5 b M M P ?? ； 截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力： 3 0 T T M P ??過(guò)盈配合處的K??? 值：2 . 6 , 0 . 8 2 . 6 2 . 0 8??? ? ? ? 軸用磨削加工，其表面質(zhì)量系數(shù)： 0 ?????? 材料特性系數(shù)： ? ，取 ? ； 0 5?????? 則綜合系數(shù)為： 1 1 2 . 6 9?? ???? ? ? ?，1 1 2 . 1 7?? ???? ? ? ?計(jì)算安全系數(shù) 1 355 1 . 5 42 . 6 9 8 5 . 5 7 0 . 2 0?? ?? ????? ? ?? ? ?? ? ? 1 200 5 . 8 53 0 . 1 2 3 0 . 1 22 . 1 7 0 . 122?? ?? ????? ? ?? ? ? ? ? ?22 1 . 4 9 1 . 2 5???? ? ? ? ?? 故可知其安全。 校核 A 面右側(cè) 抗彎截面系數(shù)： 3 3 30 . 1 0 . 1 1 6 4 0 9 . 6W d m m? ? ? ? ?； 抗扭截面系數(shù)： 3 3 30 . 2 0 . 2 1 6 8 1 9 . 2W d m m? ? ? ? ?； A 面右側(cè)彎矩： 1 4 7 8 6 M N m m??； A 面右側(cè)扭矩： 1 0 4 1 0 T N m m??； 截面上的彎曲應(yīng)力： 3 6 b M M P ?? ； 截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力： 1 2 T T M P ??軸材料為 40質(zhì)處理， b?? 735 1 355M ? ? ， 1 200? ? 截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù) ?? 及 ?? ： 由 1 2 516? ， 16 ? 查得 ? ， ? 軸的材料的敏性系數(shù)： 0 , 0 ?? 有效應(yīng)力集中系數(shù)： ? ?1 1 1 ?? ?? ? ? ? ?， ? ?1 1 1 ?? ?? ? ? ? ? 尺寸系數(shù)： ? ；扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)： ? 軸用磨削加工，其表面質(zhì)量系數(shù)： 0 ?????? 軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，即 ?? 1? ，則綜合系數(shù)為： 1 1 1 . 8 8?? ???? ? ? ?，1 1 1 ?? ???? ? ? ?材料特性系數(shù)： ? ， 0 5?????? 計(jì)算安全系數(shù) 1 355 5 . 2 31 . 8 8 3 6 . 1 0 0 . 2 0?? ?? ????? ? ?? ? ?? ? ? 1 200 9 . 2 01 2 . 7 1 1 2 . 7 11 . 6 6 0 . 122?? ?? ????? ? ?? ? ? ? ? ?22 4 . 4 9 1 . 2 5???? ? ? ? ?? 故可知其安全。 軸設(shè)計(jì) （ 1） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 14 所示，詳圖見(jiàn)零件圖 （ 2）軸承選擇 選用深溝球軸承 204（ 結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖 9 所示。 表 9 深溝球軸承（ 結(jié)構(gòu)參數(shù) 內(nèi)徑 d 外徑 D 寬度 B 額定動(dòng)載荷 C 額定靜載荷 0C 2074他零部件的設(shè)計(jì) 承蓋的設(shè)計(jì) 采用螺釘聯(lián)接式軸承蓋 取聯(lián)接螺釘直徑 3 0 3,5 2 . 5 1 2 . 5m m m md d d? ? ?， 0 3 4 7 2 5 7 25 ? ? ? ? ? 31 ? ? ? ?1 0 0 4D m ? ? ? 選用氈圈油封 18 選用螺釘（ 5 10M ? ，數(shù)量 4 個(gè)。 輪的設(shè)計(jì) 車(chē)輪材料選用 造。為了使輪胎最大限度地與管壁接觸，以獲得較大的摩擦力，所以車(chē) 輪受力面鑄成斜面，外面匝以實(shí)心橡膠輪圈。輪圈胎面為圓弧形，其中點(diǎn)處設(shè)計(jì)為力點(diǎn)，徑向半徑為 60輪通過(guò)鍵聯(lián)接與軸相連，軸向定 位則靠軸肩和螺釘緊固。 體設(shè)計(jì) 兩側(cè)壁厚 4后壁厚 10部厚 5軸承座：內(nèi)徑 d=47徑 D=72 B=18 核機(jī)器人的各部分性能 機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量校核 轉(zhuǎn)動(dòng)部分折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （ 1） 車(chē)輪 車(chē)輪采用 料， 37 9 0 0 /kg m? ? ? ?2' 2102227211222112 0 . 0 6 0 . 0 1 4 7 9 0 0 0 . 0 62 2 0 00 . 8 3 1 0g ????? ? ? ? ? ????????? ? ? ? ? ? ? ? ????? ? ?輪輪 輪（ 2） 錐齒輪 材料 4037 9 0 0 /kg m? ? ? ?? ?2222122 1 20222222721 1 1 122110 . 0 2 5 0 . 0 1 2 5 0 . 0 2 5 7 9 0 02 1 0 0110 . 0 5 0 0 . 0 1 2 5 0 . 0 5 0 7 9 0 02 2 0 00 . 4 1 0g mJ m mi i i???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ??? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ??????? ? ? ? ? ? ? ????? ? ? （ 3） 減速器 523 1 0 k g ? ? ? （ 4） 后軸 ? ?224022721120 . 0 1 2 5 0 . 1 4 8 0 . 0 1 2 7 9 0 02 2 0 01 . 7 5 1 0g ????? ? ? ????????? ? ? ? ? ? ? ????? ? ? （ 5） 移動(dòng)負(fù)載折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 223256 0 6 0 0 . 15 0 0 . 5 1 1 02 2 3 0 0 0v k g ???? ? ? ?? ? ? ? ? ??? ??? ? ?? ? ? ? 綜上所述，所需轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 5 2 4 21 2 3 4 5 01 . 6 2 4 1 0 2 . 7 0 1 0k g m k g J J J J J??? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? 故滿(mǎn)足要求。 器人越障能力校核 俺水平越障能力計(jì)算： （ 1） 前輪 由公式 1221112112????????????? ???????? ????? ????????????得： 1 1 2 . 4 3m m m ??? ? ??? （ 2） 后輪 由公式 221112 1????? ????????? ??得： 2 1 0 . 9 6 3m m m ??? ? ??? 故滿(mǎn)足越障要求。 統(tǒng)的選用及設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)地下管道的檢測(cè)，選用黑白半球型攝像機(jī)，其型號(hào)為性能參數(shù)如表 10所示。 表 10 攝像機(jī)的性能參數(shù) 成像器材 1/3’’ 噪比 ≥ 48素 500(V)× 582(H) 最低照度 F=， 號(hào)系統(tǒng) 頻輸出 平清晰度 420線(xiàn) 電源 動(dòng)增益 尺寸 87× 60子快門(mén) 1/5000000S 重量 100g 6 機(jī)器人牽引電纜自動(dòng)收放及計(jì)長(zhǎng)裝置 6． 1 牽引電纜自動(dòng)收放工作原理和結(jié)構(gòu) 圖 14 牽引電纜自動(dòng)收放裝置結(jié)構(gòu)示意圖 當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入管內(nèi)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，機(jī)器人拖動(dòng)電纜使線(xiàn)輪自由轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)的工作條件是超越離合器處于超越自由狀態(tài)，當(dāng)機(jī)器人返回時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，離合器嚙合，帶動(dòng)線(xiàn)輪收線(xiàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，初選線(xiàn)輪外徑 00徑 80徑 00度 B=170部結(jié)構(gòu)采用鋼板焊接而成。線(xiàn)盤(pán)回 收電纜時(shí)，通過(guò)裝在支承輪上的壓緊輪將電纜張緊。 機(jī)器人行走距離通過(guò)安裝在支承輪上的光電編碼器測(cè)得。 因電纜纏繞線(xiàn)輪上，為給機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、視覺(jué)和照明系統(tǒng)等供電及將視覺(jué)信號(hào)和傳感器信號(hào)等傳回到地面監(jiān)控系統(tǒng)，在線(xiàn)盤(pán)軸端上安裝了集流環(huán)。 機(jī)的選擇 轉(zhuǎn)速度 因?yàn)樾≤?chē)通過(guò)電纜拖動(dòng)而回的時(shí)候， 統(tǒng)及小車(chē)載體不工作，假定小車(chē)最大返回速度為 6m/線(xiàn)輪的轉(zhuǎn)速為 n’ = 線(xiàn)輪所需的轉(zhuǎn)矩 選定條件： T≤電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩 N≤電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 J ≤電機(jī)允許負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 由選定條件，按計(jì)算結(jié)果對(duì)照可選 列直流伺服齒輪減速電機(jī)，其技術(shù)數(shù)據(jù)如表 11所示。 表 11 列齒輪減速電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù) 型號(hào) 輸出轉(zhuǎn)矩 (N· 輸出轉(zhuǎn)速(r/額定功率 (W) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (重量 (額定電壓 (V) 機(jī)座號(hào) 900 10 U8