某管道巡檢機器人三維建模與有限元分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u4200某管道巡檢機器人三維建模與有限元分析案例 1172171.1三維建模 1311251.1.1三維建模方法 1197571.1.2驅動單元的三維建模 213071.1.3檢測單元的三維建模 2168601.1.4控制單元的三維建模 3102211.1.5總裝配圖的三維建模 37531.2有限元分析 4255191.2.1有限元分析步驟 4245211.2.2主要零部件分析 4通過對驅動、檢測、控制單元受力情況以及關鍵零部件的設計計算，基本確定管道巡檢機器人的零件尺寸，可以開始對機器人進行三維建模。在本次設計中，首先計算出相關零件的尺寸并校核強度，建模過程采用Solidwork軟件，對所有零部件進行三維建模?？梢詫崿F較為復雜的裝配體建造，并可以將核心零件模型導入ansys軟件中直接進行有限元分析。1.1三維建模三維建模是整個設計項目中極其重要的一部分，在確定零件的基本尺寸后，才能進行設計方案的進一步研究，包括控制系統(tǒng)的設計和關鍵零件的有限元分系以及運動仿真。1.1.1三維建模方法在本次研究設計中，三維建模采用基于特征建模的思路。其意思是用更高緯度、更具工程意義的三維特征來描述零件。其優(yōu)勢在于：（1）特征建模著眼于更好的表達產品，從最終用戶的體驗、生產準備、工程項目合作的難易出發(fā)，自上而下的設計建模，可以保證最終產品更具人性化，使用感更好。（2）有助于推動整個行業(yè)加工流程的規(guī)范化和標準化，在最初就考慮加工可能存在的問題，保證機械結構的工藝性更好。（3）有助于協(xié)調加工中各個部門的溝通，使得后期產品優(yōu)化升級改進更為簡易。1.1.2驅動單元的三維建模驅動單元主要由驅動單元外殼，電池，支撐腿構成等零件裝配而成。采用6只對稱支撐腿的結構，來平衡驅動單元的動力，且前后各放置一個支撐腿，增大驅動力。支撐式驅動主要有以下優(yōu)點：（1）支撐式驅動單元，通過支撐腿的收起展開，獲得很強的越障能力，以應對管道內多種多樣的障礙物。（2）支撐腿處的恒力彈簧，可以跟隨管徑調整伸展度，以適應各種復雜的環(huán)境與管徑。（3）前后各一個驅動單元的設計，可以增強整個機械結構的穩(wěn)定性和爬坡能力。圖4-1支撐式驅動單元1.1.3檢測單元的三維建模檢測單元由機械硬盤、紅外攝像頭、超聲波檢測器等裝配而成。是管道巡檢機器人的核心組成部分，是其他部分主要服務的單元，用以檢測管道內的各種情況，并采集存儲信息。圖4-2檢測單元1.1.4控制單元的三維建?？刂茊卧褂梦鏖T子S7-224PLC型芯片對驅動單元和檢測單元進行控制，其結構示意圖如圖4-3所示。圖4-3控制單元1.1.5總裝配圖的三維建?？傃b配使用Bottom-up的裝配方法，由小到大逐步完成裝配。在從左至右的裝配過程中，由小零件搭載成基本單元，最終由四個基本單元組成總裝配體，兩個驅動單元帶動中間部分的檢測單元和控制單元行動，在管道中完成作業(yè)。圖4-4總裝配圖1.2有限元分析有限元分析是基于材料力學分析迅速發(fā)展起來的一種新興的現代分析方法。他通過將零件整體離散為細小單元的組合體，細小單元的特性按照剛體考慮，從而使一個連續(xù)不可計算的問題變成離散可計算的問題1.2.1有限元分析步驟本次設計采用ansys軟件對主要零部件進行有限元分析，保證各結構在機器人作業(yè)過程中有足夠的強度，分析步驟如下：（1）確定零件結構，列出分析方案。（2）將需要分析的零件離散并確定零件的單元類型和材料種類。（3）建立材料模型。（4）約束材料自由度并施加載荷。（5）劃分零件網格。（6）進行分析。1.2.2主要零部件分析通過ansys軟件對關鍵的零部件進行有限元分析，同時進行應力應變云圖，可以保證管道巡檢機器人的各零件能正常工作。（1）橡膠輪橡膠輪主要承載機身的全部壓力，受車身重量的影響對橡膠輪下表面施加120N的壓力，分析其應力應變云圖，從圖中可以看出最大應力為115.42N/m2應變?yōu)?.810-11近似于0可忽略不計，零件無明顯變形，滿足管道巡檢機器人使用要求。圖4-5橡膠輪有限元分析（2）橡膠輪軸橡膠輪通過橡膠輪軸和機體相連接，承載整個機身重量所造成的剪切應力，固定軸兩端并對與橡膠輪接觸下表面施加120N的正壓力。通過結果可知其應力為162.96N/m2應變?yōu)?.1*10-12趨近于0可忽略不計，剪切處應力集中不明顯，對其鋼材剪切強度，無切斷可能，整體零件無明顯變形，滿足管道巡檢機器人使用要求。圖4-6橡膠輪軸有限元分析（3）控制單元外殼控制單元外殼為中間的被動件，承受驅動單元對其施加的拉力，對連接處施加200N的拉力分析。通過結果可知其應力為162.96N/m2應變?yōu)?.1*