PAGE5某管道機(jī)器人的行進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u14391某管道機(jī)器人的行進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)案例概述 1181561.1管道幾何特性分析 1231871.2行進(jìn)模塊分析 2200911.2變徑機(jī)構(gòu)分析 3234481.3轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 4229021.4管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊分析 544001.4.1驅(qū)動(dòng)方式的選擇 5131041.4.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 566741.5驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)確定 6177831.6彎道通過(guò)性分析 638651.7管道機(jī)器人行進(jìn)機(jī)構(gòu)整體方案 8由于管道結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，為滿足特定功能，出現(xiàn)了不同場(chǎng)合下不同功能的管道機(jī)器人，綜合考慮現(xiàn)實(shí)情況，針對(duì)于較大口徑的管道，制定管道機(jī)器人行進(jìn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。綜合考慮管道的幾何特性分析，適應(yīng)不同的管道，滿足管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的基本要求，最終得到具體方案。1.1管道幾何特性分析由于油氣管道基本都是橫截面為圓柱體的長(zhǎng)管道，在不同工況下，油氣管道的尺寸可能會(huì)發(fā)生變化，也會(huì)遇到彎管的情況，為了讓運(yùn)輸介質(zhì)轉(zhuǎn)向或分流，對(duì)于地形和不同工作下的限制較多，而且管道內(nèi)壁是圓弧狀，與在陸地上行進(jìn)狀態(tài)會(huì)有一些不同之處。因此為了確定合適的行進(jìn)機(jī)構(gòu)，管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)必須要適應(yīng)于直管與彎管的運(yùn)動(dòng)位置。在不同管徑下可以調(diào)節(jié)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)使之適應(yīng)變徑機(jī)構(gòu)，對(duì)于機(jī)器人需要陀螺儀保證管道機(jī)器人的平衡，確定在管道內(nèi)的位置，輪子的外圈應(yīng)該使用橡膠材料，將其設(shè)計(jì)為圓弧狀，可以提高與管道內(nèi)壁接觸的面積，從而更適合于管道內(nèi)的行進(jìn)，根據(jù)實(shí)際工況，本文設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人行進(jìn)機(jī)構(gòu)適用于內(nèi)徑為450-650mm的管道，對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行參考，在管道內(nèi)可實(shí)施檢測(cè)工作。如下圖所示，為本文中彎管通過(guò)性分析的彎管示意圖，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可以得到適用管道尺寸，選擇90°彎管并加以分析機(jī)構(gòu)通過(guò)性。圖1.1彎管示意圖Figure1.1Pipeelbowsize1.2行進(jìn)模塊分析本文設(shè)計(jì)的行進(jìn)機(jī)構(gòu)是主動(dòng)式機(jī)構(gòu)，而非靠管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的被動(dòng)式結(jié)構(gòu)。對(duì)于油氣管道來(lái)說(shuō)，由于其運(yùn)輸介質(zhì)常有腐蝕性，所以需要對(duì)其進(jìn)行定期的維護(hù)檢修，這是就需要管道機(jī)器人到所需的位置，以保證管道的安全性。行進(jìn)機(jī)構(gòu)是一個(gè)機(jī)器人的核心結(jié)構(gòu)，如圖所示，由兩個(gè)完全相同的行進(jìn)機(jī)構(gòu)組成，中間由氣缸連接以實(shí)現(xiàn)變徑機(jī)構(gòu)，如下圖所示：圖1.2機(jī)器人結(jié)構(gòu)模塊示意圖Figure1.2Schematicdiagramofrobotstructuremodule行進(jìn)機(jī)構(gòu)的單個(gè)模塊如下圖所示，分別由兩個(gè)電動(dòng)機(jī)直接安裝在驅(qū)動(dòng)輪上，使機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，同步帶連接從動(dòng)輪，完成運(yùn)動(dòng)的傳遞，從而使機(jī)器運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使用同步帶已避免機(jī)械的空轉(zhuǎn)，防止其發(fā)生過(guò)熱而損壞，張緊輪用來(lái)保證同步帶的預(yù)緊，各部分零件安裝在支板上，使用新型材料保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的輕巧，陀螺儀和圓弧狀的輪子保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。圖1.3機(jī)器人行進(jìn)機(jī)構(gòu)Figure1.3Robotmovingmechanism1.2變徑機(jī)構(gòu)分析現(xiàn)如今常用的變徑結(jié)構(gòu)大多數(shù)使被動(dòng)調(diào)節(jié)式變徑機(jī)構(gòu)，通過(guò)增加對(duì)管道內(nèi)壁的壓力，從而提高管道機(jī)器人的穩(wěn)定性，如下圖左所示，但此類(lèi)變徑結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，彈簧預(yù)緊調(diào)節(jié)能力也有限，因此適用范圍并不普遍。本文設(shè)計(jì)的變徑機(jī)構(gòu)是采用的是氣缸伸縮將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)頂出或收縮，從而改變尺寸來(lái)適應(yīng)管徑的變化，主體氣缸為變徑機(jī)構(gòu)的機(jī)架，實(shí)現(xiàn)所需功能，如下圖右所示：圖1.4機(jī)器人變徑機(jī)構(gòu)Figure1.4Robotreducingmechanism上下兩氣缸在不同的管道內(nèi)可以伸縮相同的長(zhǎng)度以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的氣缸也可輔助對(duì)中，從而使結(jié)構(gòu)達(dá)到變徑的目的。相比于被動(dòng)式變徑更穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同油氣管道的適應(yīng)性。1.3轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析在本設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)向模塊是由微小的驅(qū)動(dòng)模塊與齒輪結(jié)構(gòu)組成，其齒輪結(jié)構(gòu)部分可以連接行進(jìn)機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)分模塊設(shè)計(jì)的要求。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)模塊的頭部，輔助主體部分通過(guò)彎管，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖1.5機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)Figure1.5RobotsteeringmechanismT形軸上連接四個(gè)螺旋輪，其微型的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器將運(yùn)動(dòng)傳遞給螺旋輪，通過(guò)氣缸的伸縮，使之可以貼合在管壁上，以輔助機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)不同管徑內(nèi)機(jī)器人的行進(jìn)。另一驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)一對(duì)錐齒輪組將運(yùn)動(dòng)傳遞給轉(zhuǎn)向模塊，使之可以隨中軸線通過(guò)齒輪而實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)彎管的通過(guò)性，主動(dòng)適應(yīng)不同角度的彎管通過(guò)，從而完成復(fù)雜工況下的相關(guān)作業(yè)。1.4管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊分析1.4.1驅(qū)動(dòng)方式的選擇由于油氣管道內(nèi)壁較為平滑，考慮到此管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，因此選擇采用電驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)電池安裝在電機(jī)上以供給能源，保證電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)廣泛運(yùn)用于各種機(jī)電一體化設(shè)備之中，其電機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制，不會(huì)累積誤差，較為輕便，因此適合此次設(shè)計(jì)選擇使用。1.4.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇考慮到負(fù)載情況，驅(qū)動(dòng)輪采用86系列三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。螺旋輪采用5840-31ZY雙軸微型減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)參數(shù)如下表1.1所示：表1.1選用電機(jī)的基本參數(shù)Table1.1Basicparametersoftheselectedmotor86系列三相混合式步進(jìn)電機(jī)額定電流A5.0重量kg1.0轉(zhuǎn)動(dòng)慣量kg.cm21.3負(fù)載轉(zhuǎn)矩N.m1.05840-31ZY雙軸微型減速電機(jī)額定電壓V24重量g355減速比1001.5驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)確定輪式結(jié)構(gòu)是管道機(jī)器人的一種最運(yùn)用最為廣泛的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)與操作都較為簡(jiǎn)單，通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置直接驅(qū)動(dòng)行進(jìn)輪，由于一般輪式機(jī)構(gòu)的彎管通過(guò)性較差，因此為了解決此問(wèn)題，在整體結(jié)構(gòu)上分模塊設(shè)計(jì)，齒輪結(jié)構(gòu)與氣缸結(jié)構(gòu)輔助機(jī)器人，使此機(jī)器人滿足所需功能。通過(guò)氣缸給管道內(nèi)壁一個(gè)適當(dāng)?shù)膲毫?，使管道機(jī)器人受到合適的牽引力，并可以在遇到變徑機(jī)構(gòu)與彎管機(jī)構(gòu)時(shí)順利通過(guò)，通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)的參考查閱，以及已知的管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定如下驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，多電機(jī)驅(qū)動(dòng)使運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，可靠性高，運(yùn)動(dòng)速度也較快，行進(jìn)效率較高，不易出現(xiàn)故障。輪式機(jī)構(gòu)的管道機(jī)器人用途廣泛，在保證牽引力足夠的情況下可以進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。圖1.6氣缸與電機(jī)驅(qū)動(dòng)Figure1.6Cylinderandmotordrive1.6彎道通過(guò)性分析在實(shí)際應(yīng)用時(shí)中常見(jiàn)的管道結(jié)構(gòu)主要分為直管與彎管，通過(guò)相關(guān)手冊(cè)查得此次設(shè)計(jì)所需管道尺寸如下所示：表1.2選用管道基本參數(shù)Table1.2Basicparametersoftheselectedpipeline公稱通徑DN/mm515外徑D/mm530彎曲半徑R/mm765結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度L/mm765壁厚S/mm15內(nèi)徑d/mm500圖1.7管道的幾何尺寸Figure1.7Geometryofpipe在管道中最普遍的是90°彎管，因此本文分析在此類(lèi)彎管中的通過(guò)性，從而確定此行進(jìn)機(jī)構(gòu)通過(guò)彎管的能力。為讓機(jī)器人順利通過(guò)管道，需要設(shè)計(jì)滿足管道尺寸的機(jī)器人整體的幾何結(jié)構(gòu)，使機(jī)器人可以順利通過(guò)彎管。由于受管道條件的限制，如果機(jī)器人在管道內(nèi)卡住，不僅會(huì)使此段管道無(wú)法使用，對(duì)于管道內(nèi)運(yùn)輸介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生影響，甚至?xí)闺姍C(jī)空轉(zhuǎn)，從而機(jī)器人過(guò)熱損壞，產(chǎn)生燃燒或爆炸，造成事故的發(fā)生。建立管道機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合本文中所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，主要要分析驅(qū)動(dòng)模塊處彎管通過(guò)性即可。將所設(shè)計(jì)的行進(jìn)機(jī)構(gòu)假設(shè)為矩形，那么下圖應(yīng)該是機(jī)器人在管道內(nèi)的臨界位置，機(jī)器人與管道之間成45°關(guān)系。這是機(jī)器人在彎管內(nèi)行進(jìn)的臨界情況。若管道機(jī)器人可以滿足此情況下的幾何關(guān)系，則此設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可以安全通過(guò)彎管。圖1.8管道機(jī)器人幾何尺寸Figure1.8Geometricdimensionofpipelinerobot根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可知機(jī)器人的寬度與管徑之間的關(guān)系為：;根據(jù)臨界條件，可得到如下公式：；；可以得到管道機(jī)器人的臨界長(zhǎng)度，根據(jù)設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人，驅(qū)動(dòng)模塊的寬度d為260mm，長(zhǎng)度L為360mm，機(jī)器人尺寸合理，可以順利通過(guò)彎管。在現(xiàn)實(shí)工況下，往往為了防止出現(xiàn)意外，使機(jī)器人無(wú)法順利通過(guò)，一般在管道內(nèi)需要多留一些空間，以防止流體介質(zhì)等堵塞空間。因此彎管尺寸需滿足以下條件：此時(shí)機(jī)器人的軸向尺寸和徑向尺寸應(yīng)滿足以下條件：在上述條件下，管道機(jī)器人可以順利通過(guò)彎管，且預(yù)留的一定的空間。根據(jù)上述計(jì)算式可以得到，管道機(jī)器人的縱向尺寸隨著管道機(jī)器人橫向尺寸的增大而逐漸減小，隨著曲率半徑的增大而增大。[8]由此可知，為使管道機(jī)器人通過(guò)性提高，可選擇曲率半徑較大的平滑彎管。綜上所述，通過(guò)計(jì)算后，本文確定出合理尺寸的機(jī)器人結(jié)構(gòu)。1.7管道機(jī)器人行進(jìn)機(jī)構(gòu)整體方案綜合考慮油氣管道結(jié)構(gòu)的整體性分析，確