畢業(yè)設(shè)計（論文）-一種蠕動式管道機器人的機構(gòu)設(shè)計(含全套CAD圖紙)

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優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763摘 要在現(xiàn)代，無論是工業(yè)、農(nóng)業(yè)還是國防領(lǐng)域中都有縱橫交錯的管道。如何保障這些管道系統(tǒng)的安全性和有效性，對于我困經(jīng)濟發(fā)展至關(guān)重要。管道機器人是工作在輸送管道內(nèi)，用于完成管道缺陷檢測、修復(fù)等的智能裝置，是保障管道安全的重要工具。由于管道內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，對管道機器人的設(shè)計要求驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動效率高，同時對復(fù)雜的管內(nèi)環(huán)境具有自適應(yīng)能力。因此研制具有結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動效率高、具有管內(nèi)環(huán)境自適應(yīng)能力的管道機器人具有重要意義。該蠕動式管道機器人由三部分組成，包括一個伸縮模塊和兩個支撐夾緊模塊。伸縮模塊主要由主執(zhí)行器和四組齒輪齒條構(gòu)成，利用齒輪齒條的往復(fù)移動來實現(xiàn)機器人的行走；兩個支撐夾緊模塊結(jié)構(gòu)上完全一樣，通過曲柄滑塊機構(gòu)使機器人的腳與管壁壓緊，從而產(chǎn)生機器人行走所需的靜摩擦力。伸縮模塊和支撐模塊按一定的順序循環(huán)工作，從而實現(xiàn)機器人在管道內(nèi)的行走。本文首先通過分析國內(nèi)外研究現(xiàn)況和現(xiàn)有管道機器的結(jié)構(gòu)特點及原理提出自己的設(shè)計方案，接著從動作原理和運動特性、動力特性等角度分析了該機器人的結(jié)構(gòu)及性能特點，讓后對機器人各模塊進行了詳細(xì)設(shè)計與校核，最后采用 Pro/E 對該機器人進行了三維設(shè)計以及采用 AutoCAD 繪圖軟件繪制了該機器人的裝配圖和主要零件圖。關(guān)鍵字：蠕動，管道，機器人，設(shè)計優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763AbstractIn modern times, whether industrial, agricultural or defense in both pipelines criss-cross. How to protect the safety and effectiveness of these piping systems, economic development is essential for me sleepy. Pipeline robot is working in the pipeline for the completion of the pipeline defect inspection, repair, and other smart devices, is an important tool to protect the safety of pipelines. Due to the complexity of the environment in the pipeline, the pipeline robot design requirements driving a simple cell structure, high drive efficiency, while the inner tube environments with complex adaptive capacity. Therefore, the development of a simple structure, high drive efficiency, environmental adaptive ability of the tube pipe robot is important. The peristaltic pipe robot consists of three parts, including a telescoping clamp module and two support modules. Telescopic module is composed primarily of four main actuator and gear rack, the gear rack to achieve the reciprocating movement of the walking robot; two supporting structures are completely the same as the clamping block, slider-crank mechanism of the robot through the feet and the tube pressing the walls to produce the required static friction walking robot. Telescoping module and support module cycle work according to a certain order to achieve the robot to walk in the pipeline. Firstly, make their own designs by analyzing the structural characteristics and the principle of status quo and existing domestic pipeline machines, then from the action principle and motion characteristics, dynamic characteristics, such as paper analyzes the structure and performance characteristics of the robot, so that after Each module is a detailed robot design and verification, finally using Pro/E the robot uses a three-dimensional design and drawing software AutoCAD drawing the assembly drawing of the robot and the main parts diagram. Keywords: Motility, Pipes, Robotics, Design優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763目 錄摘 要 ......................................................................................................................................IAbstract..................................................................................................................................II第一章 緒論 ..........................................................................................................................11.1 研究背景及意義 ......................................................................................................11.2 國內(nèi)外研究概況 ......................................................................................................11.3 蠕動式管道機器人概述 ..........................................................................................4第二章 總體設(shè)計與特性分析 ..............................................................................................62.1 驅(qū)動方式的選擇 ......................................................................................................62.2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 ..........................................................................................................62.2.1 蠕動方式選定 ................................................................................................62.2.2 支撐夾緊機構(gòu)設(shè)計 ........................................................................................82.3 總體方案確定 ..........................................................................................................82.4 運動及動力學(xué)特性分析 ..........................................................................................92.4.1 直線運動 .........................................................................................................92.4.2 轉(zhuǎn)彎運動 .......................................................................................................11第三章 各組成部分的設(shè)計 ................................................................................................143.1 性能參數(shù)的選定 ....................................................................................................143.2 蠕動行走機構(gòu)的設(shè)計 ............................................................................................143.2.2 伺服電機的選定 ..........................................................................................143.2.1 運動及動力參數(shù)計算 ..................................................................................153.2.3 減速器的選定 ..............................................................................................153.2.3 圓錐齒輪傳動的設(shè)計 ..................................................................................163.2.4 齒輪齒條傳動的設(shè)計 ..................................................................................193.2.5 傳動軸的設(shè)計及軸上零件的選定 ..............................................................223.2.6 機架的設(shè)計 ..................................................................................................253.3 支撐夾緊機構(gòu)設(shè)計 ................................................................................................263.3.1 伺服電機的選定 ..........................................................................................26優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 13041397633.3.2 運動及動力參數(shù)選定 ..................................................................................263.3.3 減速器的選定 ...............................................................................................263.3.4 曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計 ......................................................................................273.3.5 機架的設(shè)計 ..................................................................................................303.4 機器人各模塊基于 Pro/E 的三維設(shè)計 .................................................................303.4.1 蠕動行走模塊 ..............................................................................................303.4.2 上部支撐夾緊模塊 ......................................................................................313.4.3 下部支撐夾緊模塊 ......................................................................................313.4.3 機器人整體設(shè)計 ..........................................................................................32第四章 控制系統(tǒng)的設(shè)計 ....................................................................................................334.1 控制系統(tǒng)組成 ........................................................................................................334.1.1 蠕動式機器人控制系統(tǒng) ..............................................................................334.1.2 核心器件的選擇 ...........................................................................................334.2 蠕動式機器人的具體控制方法 .............................................................................35結(jié) 論 ....................................................................................................................................36參考文獻(xiàn) ..............................................................................................................................37致 謝 ....................................................................................................................................38優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763第一章 緒論1.1 研究背景及意義隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，空調(diào)和天然氣管道以及各種輸送管道的應(yīng)用越來越多。在我國及世界各個國家內(nèi)，由于地形的限制和土地資源的有限，在地下都埋設(shè)了很多的輸送管道，例如天然氣管道、石油管道等，在埋有管道的地面上面都已經(jīng)建成了很多的建筑物、公路等，給管道的維修和維護造成了很大的困難。當(dāng)這些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等問題時，人們普通的做法是挖開道路進行維修，有些時候如果不能準(zhǔn)確判斷泄露和堵塞的具體位置時，會浪費很多的時間和精力，同時降低了工作效率。隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展，以及機器人技術(shù)的發(fā)展和管道測試等技術(shù)的進一步發(fā)展，相互之間的滲透程度越來越深，人們制造出各種各樣的管道機器人來進行對各種管道的維修、維護和檢測。管道機器人可以進入人們無法進入的管道中，完成一定的規(guī)定任務(wù)如檢測管道的裂縫、清掃管道，這樣的話，人們不再為了維修、維護管道時挖開道路，或是對空調(diào)等完全拆卸開，節(jié)省了大量的人力，物力和財力。目前的管道機器人都是以履帶、輪子等實現(xiàn)在管道中的移動，這樣有很多的缺點。例如目前的管道機器人都是為了專門的管道而設(shè)計的，通用性不好，舉個例子，當(dāng)輪式或是履帶式的管道機器人在有一定的液體的管道中運動時，會發(fā)生滑動，使機器人在管道中不能行走，不能完成指定的任務(wù)。還有就是這些機器人的設(shè)計不能實現(xiàn)在傾斜的或是垂直的管道中行走，有些即使能在垂直的管道中行走但是不能適應(yīng)有液體的管道，以上的原因大大的限制了管道機器人的工作范圍。因此設(shè)計一種通用性更強，結(jié)構(gòu)更緊湊，動作運行平穩(wěn)，能夠適應(yīng)管道截面變化的新型管道機器人非常必要。研制該機器人的目的是為了幫助人們擺脫繁重的勞動和簡單的重復(fù)勞動，以及替代人到危險環(huán)境中進行作業(yè)，因此機器人最早在汽車制造業(yè)和核工業(yè)領(lǐng)域得以應(yīng)用。在自來水供應(yīng)、煤氣供應(yīng)、飛機、潛艇、石油天然氣、核發(fā)電站等環(huán)境中存在著大量人類無法進入的微細(xì)管道和危險區(qū)域。這些管道在經(jīng)過一段時間的腐蝕和重壓后，會出現(xiàn)裂紋、漏孔等現(xiàn)象。如果這些管道發(fā)生泄漏，將導(dǎo)致無法預(yù)計的損失和危害。為提高管道的壽命、防止泄漏等事故的發(fā)生，就必須對管道進行有效的檢測維護，管道機器人為滿足該需要而產(chǎn)生。1.2 國內(nèi)外研究概況優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763管道機器人的驅(qū)動源大致有以下幾種：微型電機、壓電驅(qū)動、形狀記憶合金（SMA ） 、氣動驅(qū)動、磁致伸縮驅(qū)動、電磁轉(zhuǎn)換驅(qū)動等。管道機器人按照驅(qū)動方式大致可以分為以下三種，如圖 1-1 所示。1）自驅(qū)動（自帶動力源） ；2）利用流體推力；3）通過彈性桿外加推力；圖 1-1 管道機器人的基本形式（1）自驅(qū)動管內(nèi)機器人自驅(qū)動管內(nèi)機器人包括圖 1 所示的輪式、腳式、爬行式、蠕動式，還包括履帶式等。1）輪式日本東芝公司于 1997 年研制了一臺輪式管內(nèi)移動機器人，前部帶有一部微型CCD 攝像機，能分辨管內(nèi)異物并用微型機械手實現(xiàn)清理。膠管聯(lián)接可過彎管，適應(yīng)管徑：φ25mm；行走速度：0.36m/min；自重：16g。該機器人采用多輪驅(qū)動式為了增加牽引力，由于輪徑太小，越障能力有限，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2）腳式西門子公司 Werner Neubauer 等人研制的微管道機器人有 4、6、8 支腳三種類型，可在各種類型的管里移動，其基本原理是利用腿推壓管來支撐個體，多腿可以方便地在各種形狀的彎管道內(nèi)移動。3）蠕動式清華大學(xué)研制了一套小型蠕動機器人系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖 1-2，由 1 蠕動體和2、3、4 電致伸縮位移器組成。蠕動體的蠕動變形形態(tài)由粘貼于柔性鉸鏈部位的電阻應(yīng)變實時感應(yīng)，機器人的外形尺寸為 150×61×46mm，重 2Kg，最大步距10μm，行程 40mm，運動精度 0.2μm。優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763圖 1-2 蠕動體結(jié)構(gòu)示意圖（2）利用管道流體壓力利用管道流體壓力對管道進行直接檢測和清理技術(shù)的研究始于上世紀(jì) 50 年代，受當(dāng)時的技術(shù)水平的限制，其主要的成果是無動力的管道清理設(shè)備——PIG，此類設(shè)備依靠管內(nèi)流體的壓力差產(chǎn)生驅(qū)動力，隨著管內(nèi)流體的流動方向向前移動，并可攜帶多種傳感器。但是 PIG 自身沒有行走能力，其移動速度、檢測區(qū)域不易控制。上海大學(xué)利用石油管道的石油高壓研制成在役石油管道檢測機器人如圖 1-3，該型機器人分成多節(jié)，利用與管道密封的橡膠環(huán)（皮碗） ，相當(dāng)于活塞，在輸油管內(nèi)壓力油作用下，推動檢測機器人向前行走，主要由探頭 1、高壓密封件 2、電機倉 3、電池倉 4、儀器倉 5、儀器倉 6、萬向節(jié) 7、里程倉 8、清管器 9 和皮碗 10 組成。圖 1-3 利用管內(nèi)流體壓力的管道機器人（3）管外加推力日本東京科技學(xué)院利用外加推力研制成“螺旋原理”的微型機器人如圖 1-4。利用在管外的電機推動帶有彈性的線推動驅(qū)動部件前進，該驅(qū)動部件可以越過小的臺階。圖 1-4 管外加力的管道機器人優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 13041397631.3 蠕動式管道機器人概述蠕動式機器人在柔軟狹窄環(huán)境中有著輪式和足式機器人無法比擬的優(yōu)勢，并具有良好的穩(wěn)定性和運動性能。因此，蠕動式機器人在太空探索，危險環(huán)境下作業(yè)，工業(yè)和城市管道檢測以及醫(yī)療上的疾病診斷及微創(chuàng)手術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。（1）蠕動式機器人的優(yōu)勢1）穩(wěn)定性在崎嶇不平的地區(qū)運動時，輪式和足式機器人存在翻倒的危險?；着c機器人的接觸點，形成一個凸多邊形，當(dāng)機器人系統(tǒng)的重心超出了由接觸點構(gòu)成的凸多邊形的邊線時，機器人就會摔倒。而驅(qū)動式機器人在大多數(shù)情況下的勢能會處于較低的狀態(tài)，因此，機器人因重心超出凸多邊形邊線而摔倒的問題幾乎不存在，其運動的穩(wěn)定性更好。2）穿越能力蠕動式機器人在理論上能夠越過數(shù)倍于其高度的障礙，這對于輪式和足式機器人幾乎是不可能的。很多運動系統(tǒng)采用輪式來獲得足夠的運動能力，但輪式機器人在松軟的地面和柔軟材料的表面上很難進行有效的運動；足式機器人在粗糙不平的表面上運動存在被卡住的危險。而蠕動式機器人在柔軟或粗糙不平的表面上具有更好的運動能力，同時能夠穿越有障礙物的環(huán)境，具有良好的穿越能力。3）牽引力牽引力是指加到運動系統(tǒng)上，驅(qū)動其向前運動的力。牽引力通常受運動系統(tǒng)的重量和摩擦系數(shù)的影響。輪式和足式機器人的重量分布較為集中，在松軟的地面和柔軟材料的表面上容易陷入其中。而蠕動式機器人的重量相對來說分布在更大的面積上，在機器人具有同等重量的情況下，蠕動式機器人在松軟的表面上運動比輪式和足式機器人更有優(yōu)勢，能提供較大的牽引力。4）尺寸微型化相對于輪式和足式機器人，蠕動式機器人的驅(qū)動器和本體更適合采用智能材料，可以利用智能材料的特性來實現(xiàn)運動，其尺寸更易微型化，因此多數(shù)的蠕動機器人體形細(xì)長。對于細(xì)長狹窄的空間，蠕動式機器人更適合進入狹窄空間進行作業(yè)。（2）蠕動式機器人的應(yīng)用2）工業(yè)管道檢測在工業(yè)領(lǐng)域中存在著大量的狹小區(qū)域，如水管，天然氣管道，輸油管道等。很多工業(yè)運用管道鏡來進行檢測，但是這要求工廠需要修改設(shè)計，增加通道入口來放置管道鏡。而蠕動式管道機器人可以通過運動到達(dá)需要檢測的地點，節(jié)省了費用。具有現(xiàn)場檢測和精確定位功能的高效蠕動式管道機器人不僅能夠節(jié)省費用，更能減優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763少管道檢測的時間，提高管道檢測的效率。2）醫(yī)療領(lǐng)域蠕動式機器人因其在醫(yī)療領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價值而受到關(guān)注。微創(chuàng)手術(shù)減少了手術(shù)中大面積切開皮膚組織的需要。這將大大減輕給患者帶來的嚴(yán)重不適及痛苦，減少對人體其它完好組織的傷害，縮短康復(fù)時間消除手術(shù)引起的副作用，降低醫(yī)療費用，減輕患者的生理痛苦和醫(yī)療人員手術(shù)操作時的心理壓力。內(nèi)窺鏡就屬于這類應(yīng)用。3）危險環(huán)境中作業(yè)人類的活動有很多禁區(qū)，如輻射、高溫、有毒、低壓等環(huán)境，然而這樣的地區(qū)卻是必須要被經(jīng)常檢查以確保安全。另外，在一些意外災(zāi)害，如地震、爆炸、颶風(fēng)、火災(zāi)等情況下，需要及時搜救被困人員，解救傷員。蠕動式機器人適合在狹窄的環(huán)境下作業(yè)，能夠很好的在這些場合完成任務(wù)。在蠕動式機器人上安裝生命傳感器，進入受災(zāi)現(xiàn)場，能夠減少大型挖掘設(shè)備對受傷人員帶來的傷害，并提高救援效率。優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763第二章 總體設(shè)計與特性分析2.1 驅(qū)動方式的選擇蠕動式管道機器人運動是簡單的重復(fù)性運動，其主要運動形式只有“收縮一伸長” 。蠕動式機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計并不是十分困難，但是對蠕動式機器人的控制相對困難。因此，必須全面考慮機器人系統(tǒng)的組成。適合做蠕動式機器人的驅(qū)動方式有SMA 驅(qū)動，壓電驅(qū)動，電機驅(qū)動，電磁驅(qū)動和氣動驅(qū)動等。表 3.1 為幾種驅(qū)動方式的比較綜合考慮到蠕動式管道機器人的結(jié)構(gòu)和控制的簡單和方便性，本次選用伺服電機驅(qū)動。2.2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計2.2.1 蠕動方式選定（1）方案 1：曲柄滑塊式蠕動方式曲柄滑塊式蠕動方式，如下圖：優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763圖 2-1 曲柄滑塊式蠕動方式曲柄滑塊機構(gòu)容易實現(xiàn)，成本較低，不需要太多的加工。但是由于曲柄滑塊機構(gòu)有急回特性，使蠕動式管道機器人的速度很難控制，并且不能實現(xiàn)它的勻速運動。而且曲柄滑塊機構(gòu)占用的空間很大，不利于機器人向小型化發(fā)展。（2）方案 2：齒輪齒條式蠕動方式齒輪齒條式蠕動方式，如下圖：圖 2-2 齒輪齒條式蠕動方式齒輪齒條機構(gòu)相對其他的機構(gòu)來說最大的特點是能夠?qū)崿F(xiàn)勻速運動，同時剛度等條件容易達(dá)到規(guī)定的要求。成本也較低，只需要簡單的嚙合就能實現(xiàn)本設(shè)計的要求，而且占用的空間小，運動穩(wěn)定。綜合以上的方案評價和比較和各類因素，選擇方案 2 的齒輪齒條式蠕動方式相對運行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，可以實現(xiàn)勻速運動。因此驅(qū)動方式選用齒輪齒條的形式，結(jié)構(gòu)如下圖示。優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763圖 2-3 齒輪齒條式蠕動方式2.2.2 支撐夾緊機構(gòu)設(shè)計為適應(yīng)管道截面的幾何變形，需設(shè)計可適應(yīng)不同截面大小的蠕動行走時的支撐夾緊機構(gòu)，該機構(gòu)必須能根據(jù)不同截面形狀和大小自動調(diào)整支撐夾緊部件的長度。綜合考慮蠕動式管道機器人的結(jié)構(gòu)和控制的簡單和方便性，本次選用曲柄滑塊式支撐夾緊機構(gòu)。曲柄滑塊機構(gòu)容易實現(xiàn)，成本較低，不需要太多的加工。曲柄滑塊式支撐夾緊機構(gòu)如下圖：優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763圖 2-4 支撐夾緊機構(gòu)2.3 總體方案確定如圖 2-5 所示，該蠕動式管道機器人由上部支撐夾緊機構(gòu)、中間蠕動行走機構(gòu)、下部支撐夾緊機構(gòu)三部分組成。圖 2-5 蠕動式管道機器人總體結(jié)構(gòu)2.4 運動及動力學(xué)特性分析2.4.1 直線運動優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763（1）直線運動原理分析當(dāng)機器人直行時，如圖 2-6 中②-⑥所示過程，首先下部夾緊機構(gòu)與管道內(nèi)壁夾緊，中間蠕動行走機構(gòu)的四個齒輪同向同速轉(zhuǎn)動帶動齒條移動，此時上部夾緊機構(gòu)、中間蠕動行走機構(gòu)在齒條的作用下向前伸出到達(dá)極限位置時，上部夾緊機構(gòu)與管道內(nèi)壁夾緊，下部夾緊機構(gòu)松開，中間蠕動行走機構(gòu)的四個齒輪同向同速反轉(zhuǎn)帶動齒條移動，此時下部夾緊機構(gòu)、中間蠕動行走機構(gòu)在齒條的作用下向前收縮到達(dá)極限位置。這樣一次蠕動行走循環(huán)完成，進入下一個蠕動行走循環(huán)。在蠕動行走過程中由于夾緊裝置長度可根據(jù)不同管道截面形狀和尺寸徑變化因此可以適應(yīng)不同截面形狀和尺寸的管道。圖 2-6 直線運動原理圖 2-7 直線運動齒輪齒條狀態(tài)（2）直線運動動力學(xué)分析直線運動時受力比較簡單，腿部與管壁間的摩擦力提供機器人行走的驅(qū)動力，優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763極限情況為機器人沿管壁垂直向上運動時克服自身重力上升。此時齒輪與齒條的負(fù)載為 G1 或 G2，所需要的腿部總摩擦力為 G1+G2，即滿足下述力學(xué)方程：??????）＋（ （ 下 部 模 塊 上 升 時 ）（ 上 部 模 塊 上 升 時 ）２ｆ ２齒齒 GF144圖 2-8 直線運動動力學(xué)分析2.4.2 轉(zhuǎn)彎運動當(dāng)機器人遇到 T 型或 L 型管道需要轉(zhuǎn)彎時，如圖 2-7 中①-⑧所示過程，原理與直線運動類似，不過需要變向時機器人用于驅(qū)動齒條伸縮的兩側(cè)齒輪轉(zhuǎn)速不同從而使機器人機身向需轉(zhuǎn)彎的方向彎曲實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763圖 2-9 轉(zhuǎn)彎運動原理分析圖 2-10 轉(zhuǎn)彎運動齒輪齒條狀態(tài)優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763圖 2-10 轉(zhuǎn)彎運動學(xué)分析幾何關(guān)系滿足：其中????????sinco1lba）（ ?????????）（ ） ）（（ ???clblasinos11（x m，y m）坐標(biāo)： ??????????????sin2cos12si11 dlydlxm） ）（（ ）（）（（x u，y u）坐標(biāo)：優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763???? ??????????? cossin2cos1i2sin11 uu uu hdlydlx） ）（（ ）（）（優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763第三章 各組成部分的設(shè)計3.1 性能參數(shù)的選定通過對現(xiàn)在常用管道的截面形狀、尺寸、管道布置等的統(tǒng)計與分析初步選定本次設(shè)計的蠕動式管道機器人性能參數(shù)如下：行走速度： 10 m/min自重： 10 kg凈載重： 5 kg 機身尺寸： 351mm 155mm 155mm?自適應(yīng)管道直徑范圍：150mm~400mm工作電壓： 12V3.2 蠕動行走機構(gòu)的設(shè)計3.2.2 伺服電機的選定（1）估算所需電機最大功率根據(jù)第二章的分析可以知道該機器人行走時所需最大功率出現(xiàn)在機器人滿載5Kg 重物下克服重力沿豎直管道向上行走時，此時機器人克服重力做功。 NGG 3.148.95.10322max ??????重重克 sv/61in/0WsmNvP./6.4maxax ?克需 716.09.3098?????齒 條軸 承錐 齒聯(lián)減 ??，因此選定電機額定功率為：30Ww7.216.09max需（2）電機轉(zhuǎn)速的選定對于相同額定功率的伺服電機，轉(zhuǎn)速越高后面所需的減速裝置結(jié)構(gòu)尺寸、重量越大，轉(zhuǎn)速越底電機本身的結(jié)構(gòu)尺寸、重量越大以及價格也越貴。但轉(zhuǎn)速對減速裝置結(jié)構(gòu)尺寸和重量的影響相對較到，考慮到機器人的結(jié)構(gòu)緊湊性，本次選定額定轉(zhuǎn)速為 500r/min 的伺服電機綜上述（1） 、 （2）蠕動行走機構(gòu)選定額定功率為 30W，額定轉(zhuǎn)速為 500r/min 的伺服電機，型號為：SG-60ZYJ。優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 13041397633.2.1 運動及動力參數(shù)計算（1）總傳動比的計算初步選定驅(qū)動齒條的齒輪分度圓直徑為 30mm，則齒輪轉(zhuǎn)速為：min/2.106/314.in0rmdvn????齒則總傳動比為：71.4i/.5iw齒（2）傳動比分配為保證傳動系的結(jié)構(gòu)緊湊性，采用與伺服電機配套連接的減速器直接減速，開式齒輪只做傳遞動力用，不用做減速。即： ??齒 條錐 齒減ii17.4（3）各軸參數(shù)計算各軸的轉(zhuǎn)速：輸入錐齒輪軸 ；min/2.1067.451rinm?減圓柱齒輪軸 ；i/.12i錐 齒各軸的輸入功率：輸入錐齒輪軸 ；wP5.2698.0301 ????聯(lián)減 ?圓柱齒輪軸 ；4.5262錐 齒各軸的輸入轉(zhuǎn)矩：輸入錐齒輪軸 ；mNnPT????38.21069011圓柱齒輪軸 ；?..452123.2.3 減速器的選定前述已選定減速比 ，為保證傳動系的結(jié)構(gòu)緊湊性，選用與伺服電機配7.4?減i套連接的減速器，減速比為 。1減優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 13041397633.2.3 圓錐齒輪傳動的設(shè)計（1）選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)齒形角: ；頂隙系數(shù): ；齒頂高系數(shù): ；軸夾角 。20???*0.2c?*1ah??90??根據(jù)課本表 10-1，材料選擇，大小齒輪材料均為 45 鋼（調(diào)質(zhì)） ，硬度均為280HBS。根據(jù)課本表 10-8，選擇 7 級精度。傳動比 u= / =12z1節(jié)錐角 ，???45arctn?u? ??45902???不產(chǎn)生根切的最小齒數(shù)： =12.1?21*minsin/cohaZ選 =20， =u =20×1=201z21z（2）按齒面接觸疲勞強度設(shè)計≥2.921td????32125.0uKTZRHE??????????試選載荷系數(shù)： =1.5tK計算小齒輪傳遞的扭矩： =2.383 N·m1T選取齒寬系數(shù)： =0.3R?由課本表 10-6 查得材料彈性影響系數(shù)：1289.EZMPa?由圖 10-21d 按齒面的硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限： lim160HMPa??大齒輪的接觸疲勞極限： lim250Ha?計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，??81 105.436138460?????hjLnN 81203./??uN由圖 10-19 查得接觸疲勞壽命系數(shù): ，921HNK96.HN計算接觸疲勞許用應(yīng)力:??MPaSKHN56092./1lim1 ????82li2優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763試算小齒輪的分度圓直徑,代入 中的較小值得??H?≥2.92 =36.3mm 1td??32125.0uKTZRE?????????計算圓周速度 vmm??8.3).(.65.01 ?????Rtmd?=（3.14159×30.8×106.2）/ （60×1000）=0.17m/s)10/()(nv?計算載荷系數(shù)齒輪的使用系數(shù)載荷狀態(tài)輕微震動，查表 10-2 得 =1.2AK由圖 10-8 查得動載系數(shù) =1.1VK由表 10-3 查得齒間載荷分配系數(shù) = =1.0?HF依據(jù)大齒輪兩端支承，小齒輪懸臂布置，查表 10-9 得軸承系數(shù) =1.17beHK?由公式 = =1.2 =1.2×1.17=1.4?HKFbeH?接觸強度載荷系數(shù)： = =1.2×1.1×1.0×1.4=1.85AKV?H?按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑=36.3× =38.9mm31/ttd?35.1/8m= / =38.9/20=1.95mm 取標(biāo)準(zhǔn)值 m=2.0mm z計算齒輪的相關(guān)參數(shù)=m =2×20=40 mm1dz=m =2×20=40 mm2=90 - =45°???45/arctn1?u?2??1mdR3.81021??確定并圓整齒寬:b= R=0.3×28.3=8.48mm，圓整取 10，R? mB1021?（3）校核齒根彎曲疲勞強度優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763確定彎曲強度載荷系數(shù)：K= =1.9AKV?F?計算當(dāng)量齒數(shù)= /cos =20/cos45°=28.31vz1?= /cos =20/cos45 =28.322?查表 10-5 得： =2.91， =1.53， =2.91， =1.531FaY1Sa2FaY2Sa計算彎曲疲勞許用應(yīng)力由圖 10-18 查得彎曲疲勞壽命系數(shù): =0.82， =0.821FNK2FN取安全系數(shù): =1.3FS由圖 10-20c 查得齒輪的彎曲疲勞強度極限 : =500Mpa， =380Mpa1FN?2FN?按脈動循環(huán)變應(yīng)力確定許用彎曲應(yīng)力:?? MPaSKFNF 4.35.1/082./11 ?????22校核彎曲強度根據(jù)彎曲強度條件公式：??FRSaFFzbmYKT??????221)5.0(=34.47 MPa ??MPzbmYKTRSaFF 3.1098.)5.1(22221 ?????? ???1F?=33.2 MpaaRSaFF 0.516.).( 2222 ?? 2F滿足彎曲強度要求，所選參數(shù)合適。（4）數(shù)據(jù)整理 名稱 符號 公式 直齒圓錐 齒輪 1 直齒圓錐 齒輪 2齒數(shù) zz20 20模數(shù) m m 2傳動比 i i 1分度圓錐度 ?，arctg11?12-90?。 ?45?45分度圓直徑 dzd40 40優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763齒頂高 ahmha*?2 2齒根高 f cf)(?2.4 2.4齒全高 h fa4.4 4.4齒頂圓直徑 ad，1*1os2?hda?2ca42.83(大端)42.83（大端）齒根圓直徑 f 1*1mff?22s36.61 36.61齒距 p p??6.28 6.28齒厚 s s3.14 3.14齒槽寬 e 2e3.14 3.14頂隙 c mc*?0.4 0.4錐距 R 21d?28.3 28.3齒頂角 a?，1fa?1fa?85.4?85.4齒根角 f ??Rhrctgf2齒頂圓錐角 a?，11aa??22??.9?.9齒根圓錐角 f，ff???15.40?15.40齒寬 bRb??10 103.2.4 齒輪齒條傳動的設(shè)計（1）選精度等級、材料和齒數(shù)采用 7 級精度，選擇齒輪材料為 45（調(diào)質(zhì)）硬度為 240HBS，機器人轉(zhuǎn)彎時齒條需彎曲因此選定齒條材料為能夠彎曲的樹脂材料。初選齒輪齒數(shù) ，201?Z（2）按齒面接觸疲勞強度設(shè)計由設(shè)計計算公式進行試算，即 3211)][(.HEdtt ZuTkd?????由于本傳動為齒輪齒條傳動，傳動比近似無窮大，所以 =1u1?確定公式各計算數(shù)值優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763試選載荷系數(shù)： 3.1?tK計算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩： mNT?2.選取齒寬系數(shù)： 50?d由表 6.3 查得材料的彈性影響系數(shù)： 2/18.9MPaZE?由圖 6.14 按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強度極限 H501lim?由式 6.11 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 81 107.2)83(2.0660 ?????hjLnN由圖 6.16 查得接觸疲勞強度壽命系數(shù)： 91NZ計算接觸疲勞強度許用應(yīng)力取失效概率為 1%，安全系數(shù)為 S=1，由式 10-12 得?? MPaSZHN50692.01lim1 ????試算齒輪分度圓直徑 tdmdt 6.21)508.9(15.023.131 ????計算圓周速度：sndvt /2.0.4.61??計算齒寬： btd8.0.251???模數(shù)mZmtnt .01?齒高 4.3.2/810/43.28.52. ???hbhnt ，計算載荷系數(shù) K根據(jù) ，7 級精度，查得動載荷系數(shù)smv/1.0? .VK假設(shè) ，由表查得：NbFtA?01??FH優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763由于齒條需經(jīng)常彎曲，選定使用系數(shù)： 5.1?AK由表查得 ，2935.1??HK26.1??F故載荷系數(shù) 96.23.05??HVA按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式可得 mdtt 8.243.1/96.2/331 ???Zm084（3）按齒根彎曲強度設(shè)計彎曲強度的設(shè)計公式為：321][FSdnYZKT?????確定公式內(nèi)的計算數(shù)值由圖 6.15 查得齒輪的彎曲疲勞強度極限 MPaFE3801??由圖 6.16 查得彎曲疲勞壽命系數(shù)： .1NZ92.0?N計算彎曲疲勞許用應(yīng)力，取失效概率為 1％，安全系數(shù)為 S=1.3 ??PaSZFENF 2.573.1801????計算載荷系數(shù)： 91.26.01.????FVAK查取齒形系數(shù)：由表 6.4 查得 821aY查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表 6.4 查得： 5.?S計算齒輪的 ， ][FSaY?01687.2.578][1??FSaY計算模數(shù)：mm31.0687..2933???對比計算結(jié)果，由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)，可取有彎曲強度算得的模數(shù) 1.31mm，并圓整為標(biāo)準(zhǔn)值取 m=1.5mm優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763（4）幾何尺寸計算計算分度圓直徑 mZd305.121???計算齒寬寬度： db15.1???序號 名稱 符號 計算公式及參數(shù)選擇1 齒數(shù) Z 202 模數(shù) m 1.5mm3 分度圓直徑 21dm304 齒頂高 ah5.15 齒根高 f 87.6 全齒高 hm35.7 頂隙 c08 齒頂圓直徑 21?d9 齒根圓直徑 43f 25.610 齒寬 B m13.2.5 傳動軸的設(shè)計及軸上零件的選定軸上的功率 P2,轉(zhuǎn)速 n2 和轉(zhuǎn)矩 T2， ，w6.41?in/.10rmNT??21.（1）初步確定軸的最小直徑先按式 初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。根3dCn??據(jù)機械設(shè)計表 11.3，取 ，于是得：12?md9.62.10431???該處開有鍵槽故軸徑加大 10%～15%，且最小直徑顯然是安裝齒輪處的直徑 ，1d優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763由于計算軸徑比較小，鍵槽對小軸徑軸的強度削弱比較大，因此該處軸徑適當(dāng)加大，取 ； 。md12?L01（2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度（a）為了滿足大帶輪的軸向定位的要求 2 軸段左端需制出軸肩，軸肩高度軸肩高度 ，取 故取 2 段的直徑 ，長度 。dh07.?mh84.0?md14?mL402?（b）初步選擇滾動軸承。因軸承同時受有徑向力較小，故選用深溝球軸承。根據(jù) ，查機械設(shè)計手冊選取 0 基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級的深溝球軸承m12?6003，故 ， 。d13L23?（c）齒輪處由于齒輪分度圓直徑 ，故采用齒輪與軸分開采用鍵連接的31d形式，齒輪寬度 B=15mm，故取 。ml42（3）軸上零件的周向定位查機械設(shè)計表，聯(lián)接大帶輪的平鍵截面 。mlhb124???（4）強度校核計算（a）求作用在軸上的力已知高速級齒輪的分度圓直徑為 =52 ，根據(jù)《機械設(shè)計》 （軸的設(shè)計計算dm部分未作說明皆查此書）式(10-14)，則 NFNtgdTantrt07.5320.1473.23??????（b）求軸上的載荷首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計算簡圖。在確定軸承支點位置時，從手冊中查取 a 值。對于 6003 型深溝球軸承，由手冊中查得 a=8mm。因此，軸的支撐跨距為L1=68mm。根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖。從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖可以看出截面 C 是軸的危險截面。先計算出截面 C 處的 MH、M V 及 M 的值列于下表。載荷 水平面 H 垂直面 V優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763支反力F ，NH143?FH162?，NFNV137??FV162?C 截面彎矩 M mLN??8532 mMLa???532總彎矩 NMVH?????680122max扭矩 T?圖 3-1 軸的軸力、彎矩和扭矩圖（c）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度根據(jù)式(15-5)及上表中的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，取 ，軸6.0??的計算應(yīng)力優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載需要 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763??MpaWTMca 3.1712.068)(3222 ???????＝已選定軸的材料為 45Cr，調(diào)質(zhì)處理。由表 15-1 查得 。因此0P][1-?，故安全。][1-ca??（4）鍵的選擇采用圓頭普通平鍵 A 型（GB/T 1096-1979）連接，聯(lián)接齒的平鍵截面， 。齒輪與軸的配合為 ，滾動軸mlhb124???Mpap10][??76Hr承與軸的周向定位是過渡配合保證的，此外選軸的直徑尺寸公差為 。m校核鍵聯(lián)接的強度鍵、軸材料都是鋼，由機械設(shè)計查得鍵聯(lián)接的許用擠壓力為 ??MPaP120??鍵的工作長度 mbl10241???，合適pP adlkT?????43.1825.131（5）軸上軸承的計算查的預(yù)計壽命 30000h查表得軸承的基本額定動載荷 C=40.8KN溫度系數(shù) =1（假定工作時溫度 100