地下管道检测机器人设计论文设计.doc

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1、一、地下管道检测机器人发展现状按照行走机构的类型，可将管作业机器人行走机构分为轮式、履带式、蠕动式等几类。轮式行走机构图1（a） 轮式行走机构 轮式机构管作业机器人的基本形式如图1（a）所示。对此类机器人的研究相对较多。机器人在管的运动，有直进式的（即机器人在管平动），也有螺旋运动式的（即机器人在管一边向前运动，一边绕管道轴线转动）；轮的布置有平面的，也有空间的。一般认为，平面结构的机器人结构简单，动图1（b） 自来水管道检测轮式机器人作灵活，但刚性、稳定性较差，而空间多轮支撑结构的机器人稳定性、刚性较好, 但对弯管和支岔管的通过性不佳。图1（b）为英国的PEARPOINT开发的自来水管道检测

2、轮式机器人，可在以135375mm的管径直线行走，行走速度为012m/min。履带式行走机构图2（a） 履带式行走机构 图2（b）海水管道检测履带式机器人图2（a）是履带式行走机构的基本形式。这种类型的管机器人在油污、泥泞、障碍等恶劣条件下达能到良好的行走状态， 但由于结构复杂，不易小型化，转向性能不如轮式载体等原因，此类机器人应用较少。图2（b）是日本关西电力株式会社开发的适用于管径288388mm、管长100m的海水管道检查履带式机器人，该机器人通过沿径向分布的履带在水平管和垂直管自主行走，移动速度为5m/min。整个地下输气管道检测维修用移动机器人系统由三大部分组成：(1)履带式移动机器

3、人。机器人小车上装有CCD摄像机，并可根据需要加挂其它检测单元。(2)圆盘式收放线装置。移动机器人通过电缆进行控制，视觉等信号也通过该线缆传输到控制计算机。(3)控制单元。其主体为一台工业控制计算机，负责整个机器人系统的控制、显示及信息存储等工作。操作人员通过界面完成所有操作。控制单元与收放线装置安装在一个专门设计的手推车体上，便于移动。蠕动式行走机构图3 蠕动式行走机构蠕动式行走机构如图3所示。当头部支撑脚3 收缩脱离与管道壁接触，尾部支撑脚1伸出与管壁接触压紧，气缸2左缸供气, 蠕动载体伸长, 带动头部向前移动；当头部移动到位时，支撑脚1缩回，头部支撑脚3伸出与管壁接触压紧，气缸2右缸供气

4、，则蠕动载体收缩，带动尾部向前运动。尾部移动到位，尾部支撑脚1伸出，支撑管壁，头部支撑脚缩回。蠕动式管移动机器人支撑脚的伸缩和载体的蠕动均采用直线运动，当支撑脚支承载体与管壁压紧，不支承时可以与管壁脱离，解决了轮式和履带式管移动机器人行走时驱动轮始终压紧在管壁上的问题，可以产生很大的牵引力。但由于蠕动式移动机器人的运动是间歇的，受驱动件启动频率的限制，移动速度比轮式、履带式低。轮式驱动机构具有结构简单，容易实现，行走效率高等优点，主要缺点是牵引力的提高受到封闭力的限制。履带式载体附着性能好，越障能力强，并能输出较大的牵引力，但结构复杂，不易小型化，转向性能不如轮式载体。二、课题目的及意义本项目

5、是根据我国经济建设的实际需要而提出的一项亟待研究和解决的科研课题。地下管道（输水管道、煤气管道、供气管道）在长期使用过程中，由于受到管、管外介质的腐蚀等原因，会产生裂纹、漏孔而出现漏气、漏水现象，这不仅会造成巨大的经济损失，甚至会出现人身事故，为此迫切需要一种能在管行走的机器人来拖动或输送各种装置完成检测和维修工作。目前国外先进国家对地下管道的检测已开始采用管移动机器人来完成，而国主要采用废弃旧损管线、铺设新管线的方法，或人工入管修复，这不仅耗资巨大，修复周期过长，而且劳动强度大。据我们在中国石油天然气总公司和国各城市自来水公司、供热公司调研表明，国现继续地下输气管道、输水管道检测用移动机器人

6、。因此开展地下输水输气管道检测用移动机器人的研究，对能源工业的发展及减少水资源浪费具有重大的理论意义和现实意义。 目前，国外对涵管的检测主要采取人工观察测量、局部破损检测的办法。所研制的管道机器人大部分也是针对工业管道和细小的管道。由此，笔者尝试性地做了关于涵管检测机器人行走机构的初步探讨。根据汽车理论，机器人若能在管道中正常行走，则必须满足下述条件，即 式中， 驱动力； 为附着力，且 = ，为附着系数。根据汽车理论，设计取 =0.8，可得 =373.4 由以上计算可知行走条件满足。5.3 机器人驱动方案和电机选择 按照汽车的驱动理论原则，管道机器人的驱动方式采用后轮驱动的方式，并且由于工作条

7、件对小车尺寸的要求，采用减速器装置，使电机的告诉输出轴连接在减速器输入轴上，然后通过减速器减速，并且把减速器的输出轴通过套筒式联轴器与一对锥齿轮和小车的后轴相连接，从而带动车轮转动。后轮轴的两端伸出部分安装上铸钢轮，为了附着性能，在铸钢轮的外面嵌入了橡胶圈，使机器人能可靠在管道里行走。由 ，其中， 电机转矩，单位 变速器传动比； 主减速器传动比；车轮半径，单位为；T传动效率；N发动机转速，单位为；机器人行驶速度，单位为。设计中初选，；可得n=2273.6r/min , =0.1116；选定电机的条件：电机的额定转矩； 电机的额定转速； 电机的额定转动惯量。由选定条件可初步选择BAYSIDE公司

8、的BM060型直流伺服电动机，其技术数据如表1所示，外形尺寸如表2所示。5.4 减速器设计车轮转矩：表1 BM060型直流伺服电动机的技术数据型号电压电枢电流输出功率最高转速额定转矩BM060300V0.15A300W6400 r/min0.54 表2 BM060型直流伺服电动机的外型尺寸总长外径轴径转动惯量164mm60mm11mm即联轴器输出转矩选PS800型，其技术数据如表3所示。表3 PS600型减速器技术数据型号减速比额定输出转矩（）最大输出转矩（）瞬时惯量（）效率法兰（mm）输出轴径（mm）总长（mm）质量（kg）PS601004593%6016128.72.65.6 齿轮传动设计

9、5.6.1 齿轮选择选用支持圆锥齿轮传动，大小齿轮东选用硬齿面，材料均为40Cr，并经调质及表面淬火，齿面硬度为4850HRC。因采用表面淬火，齿轮的变形不大，不需磨削，故初选5级精度（GB10095-88）。选小齿轮齿数，大齿轮齿数。5.6.2 按齿根弯曲皮料强度设计弯曲想读的设计公式为式中， 模数，单位mm; 载荷系数； 小齿轮传递的扭矩，单位； 齿宽系数； 齿形系数； 应力校正系数； 许用弯曲疲劳强度，单位MPa.（1） 确定公式的各计算数值查得大小齿轮的弯曲疲劳强度极限：；查得弯曲疲劳寿命系数 ；计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数，由公式得；计算载荷系数;取齿形系数 ；查取应力校正

10、系数 ；计算大、小齿轮的并加以比较；小齿轮的数值大，应以小齿轮计算。小齿轮传递的转矩 齿宽系数 ；设计计算取模数。5.6.3 按齿面接触疲劳强度校核接触强度的校核公式为 （1） 确定公式的个计算数值查得大小齿轮的接触疲劳强度极限 ；查得接触疲劳寿命系数 计算解除疲劳许用应力取接触疲劳安全系数 ，由公式得取。载荷系数: ；查取弹性影响系数；计算小齿轮分度圆直径 ；校核计算齿轮设计符合要求。5.6.4 几何尺寸计算（1）计算分度圆直径；计算中心距；计算锥距计算齿轮宽度 ；圆整取 。5.7 车轮轴及齿轮轴设计5.7.1 车轮后轴设计（1）最小直径的设计车轮轴的转矩：车轮轴的功率：；选取轴的材料为40

11、Cr，许用扭转应力。取。（2） 车轮轴的结构设计，如图所示，详图请参考零件图。图10 车轮轴的结构简图（3） 轴承的选择根据结构选择角接触球轴承（GB292-83）。表5 GB292-83型号36204轴承的参数型号径（mm）外径（mm）宽度（mm）额定动载荷（kN）额定静载荷（kN）362040471412.308.50（4） 车轮轴的校核由于该轴既承受扭矩又承受弯矩，故按弯扭合成强度条件校核，并同时按疲劳强度条件进行精度校核。步骤如下：轴的受力简图，如图所示。 图11 车轮轴的受力简图其中， ； 图中其他各力数值如表所示。表6车轮轴受力数值载荷水平面H垂直面V支反力根据轴的计算见图做出轴的

12、弯矩图，扭矩图和计算弯矩图，如图12所示按弯矩合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大计算弯矩的截面。，故安全。精确校核轴强度经判断A，B处为危险截面i）校核A面右侧抗弯截面系数：；抗扭截面系数：；A面右侧弯矩：；A面右侧扭矩：；截面上的弯曲应力：；截面上的扭转切应力：轴材料为40Cr,调质处理， ， 图形截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及：由，查得，轴的材料的敏性系数：有效应力集中系数：，尺寸系数：；扭转尺寸系数：轴用磨削加工，其表面质量系数：轴未经表面强化处理，即，则综合系数为：，材料特性系数：，取；，取计算安全系数 故可知其安全。ii）校核A面左侧抗弯截面系数：抗扭截

13、面系数：A面左侧弯矩：；A面左侧扭矩：；截面上的弯曲应力：；截面上的扭转切应力：过盈配合处的值：轴用磨削加工，其表面质量系数：轴未经表面强化处理，即，则综合系数为：，材料特性系数：，取；，取计算安全系数 iii）校核B面右侧抗弯截面系数：；抗扭截面系数：；B面右侧弯矩：；B面右侧扭矩：；截面上的弯曲应力：；截面上的扭转切应力：过盈配合处的值：轴用磨削加工，其表面质量系数：轴未经表面强化处理，即，则综合系数为：，材料特性系数：，取；，取计算安全系数 故可知其安全。iv）校核II面右侧抗弯截面系数：；抗扭截面系数：；II面右侧弯矩：；II面右侧扭矩：；截面上的弯曲应力：；截面上的扭转切应力：截面上

14、由于轴肩而形成的理论应力集中系数及：由，查得，轴的材料的敏性系数：有效应力集中系数：，尺寸系数：；扭转尺寸系数：轴用磨削加工，其表面质量系数：轴未经表面强化处理，即，则综合系数为：，材料特性系数：，取；，取计算安全系数 故可知其安全。轴承校核预计寿命：寿命根据公式 进行计算式中，温度系数， ； 载荷系数，； 转速，； 当量动载荷。所以求两轴承的计算轴向力和初选则 ，得 再计算， ，值相差不大，因此， 当量动载荷和 由；得，由中等冲击得， 取校核轴承寿命因，所以故满足要求。键与键槽的设计与锥齿轮连接处选用A型平键(GB1096-79)，此处，因此 满足要求。与车轮连接处选用C型平键（GB1096

15、-79），此处，因此 满足要求。5.7.2 齿轮轴的设计（1）最小直径的设计齿轮轴的转矩：齿轮轴的功率：选取轴的材料为40Cr，许用扭转应力。得，取。（2） 齿轮轴的结构设计，见零件图（3） 轴承选择根据结构选择深沟球轴承（GB276-89），具体参数如表7所示。表7 GB292-89参数型号径（mm）外径（mm）宽度（mm）额定动载荷（KN）额定静载荷（KN）3620112321042.70（4） 齿轮轴的校核轴的受力简图，如图12所示其中，；图中其他各力数值如表8所示。根据轴的计算简图作出轴的弯矩，扭矩图和计算弯矩图，如图13所示。表8 齿轮轴的受力数值载荷水平面H垂直面V支反力R转矩M精

16、确校核轴的强度经判断A处为危险截面i）校核A面左侧抗弯截面系数：；抗扭截面系数：；A面右侧弯矩：；II面右侧扭矩：；截面上的弯曲应力：；截面上的扭转切应力：过盈配合处的值：轴用磨削加工，其表面质量系数：材料特性系数：，取；则综合系数为：，计算安全系数 故可知其安全。ii）校核A面右侧抗弯截面系数：；抗扭截面系数：；A面右侧弯矩：；A面右侧扭矩：；截面上的弯曲应力：；截面上的扭转切应力：轴材料为40Cr,调质处理， ， ， 截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及：由，查得，轴的材料的敏性系数：有效应力集中系数：，尺寸系数：；扭转尺寸系数：轴用磨削加工，其表面质量系数：轴未经表面强化处理，即，则

17、综合系数为：，材料特性系数：，计算安全系数 故可知其安全。5.7.3前轴设计（1）结构简图如图14所示，详图见零件图（2）轴承选择选用深沟球轴承204（GB276-89），结构参数如图9所示。表9 深沟球轴承（GB276-89）的结构参数径d外径D宽度B额定动载荷C额定静载荷20mm47mm14mm10.00KN6.30KN5.8 其他零部件的设计5.8.1 轴承盖的设计采用螺钉联接式轴承盖取联接螺钉直径，选用毡圈油封 选用螺钉（GB67-85），数量4个。5.8.2车轮的设计车轮材料选用HT150铸造。为了使轮胎最大限度地与管壁接触，以获得较大的摩擦力，所以车轮受力面铸成斜面，外面匝以实心橡

18、胶轮圈。轮圈胎面为圆弧形，其中点处设计为力点，径向半径为60mm。车轮通过键联接与轴相连，轴向定位则靠轴肩和螺钉紧固。5.8.3 箱体设计两侧壁厚4mm，前后壁厚10mm,底部厚5mm,轴承座：径d=47mm,外径D=72mm，厚B=18mm。5.9校核机器人的各部分性能5.9.1 电机转动惯量校核转动部分折算到电机轴上的转动惯量（1） 车轮车轮采用HT150材料，（2） 锥齿轮材料40Cr，（3） 减速器（4） 后轴（5） 移动负载折算到电机轴上的转动惯量综上所述，所需转动惯量：故满足要求。5.9.2 机器人越障能力校核俺水平越障能力计算：（1） 前轮由公式得：（2） 后轮由公式得：故满足越

19、障要求。5.10 CCD系统的选用及设计 为了实现地下管道的检测，选用黑白半球型摄像机，其型号为VC-202D/VC203D，其性能参数如表10所示。表10 VC-202D/VC203D型摄像机的性能参数成像器材1/3CCD信噪比48db像素500(V)582(H)最低照度F=1.2时，0.1LUX信号系统CCIR视频输出1.0VP-P75Q水平清晰度420线电源DC12V自动增益ON/OFF选择尺寸8760mm电子快门1/50-1/100000S重量100g6 机器人牵引电缆自动收放及计长装置61 牵引电缆自动收放工作原理和结构图14 牵引电缆自动收放装置结构示意图当机器人进入管时，电机反转

20、，机器人拖动电缆使线轮自由转动，此时的工作条件是超越离合器处于超越自由状态，当机器人返回时，电机正转，离合器啮合，带动线轮收线。根据设计要求，初选线轮外径d1=400mm,径d2=180mm,中径d3=300mm,宽度B=170mm。全部结构采用钢板焊接而成。线盘回收电缆时，通过装在支承轮上的压紧轮将电缆紧。机器人行走距离通过安装在支承轮上的光电编码器测得。因电缆缠绕线轮上，为给机器人驱动系统、视觉和照明系统等供电及将视觉信号和传感器信号等传回到地面监控系统，在线盘轴端上安装了集流环。6.2 电机的选择6.2.1 回转速度 因为小车通过电缆拖动而回的时候，CCD系统及小车载体不工作，假定小车最大返回速度为6m/min,故线轮的转速为n=6.2.2负载的转矩线轮所需的转矩6.2.3伺服电机的选择 选定条件：T电机的额定转矩 N电机的额定转速 J 电机允许负载的转动惯量 由选定条件，按计算结果对照可选SZJ系列直流伺服齿轮减速电机，其技术数据如表11所示。 表11 SZJ系列齿轮减速电动机技术数据型号输出转矩(Nmm)输出转速(r/min)额定功率(W)转动惯量(kgcm2)重量(kg)额定电压(V)机座号90SZ5216604.48.3805.718.5110U8