畢業論文-清洗油煙管道機器人設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 中心線與減速器輸出軸線垂直，且兩支腿中心線的夾角為 120176。，故需要動力變換裝置來實現動力的分流。蝸桿傳動是空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動機構，兩軸線交錯的夾角可為任意值，由于蝸桿齒是連續不斷的螺旋齒，它和蝸輪齒是逐漸進入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時嚙合的 齒數 又較多，故沖擊載荷小，傳動平穩，噪聲低。在設計中管道機器人的設計與運動仿真 第 16頁 共 45頁 蝸桿與兩蝸輪之間的軸線夾角為 90176。 ，兩蝸輪軸線之間的夾角為 120176。 。如 圖 21 所示。 同步鏈傳動設計 由于設計的機器人具備在一定的管徑變化范圍內行走的能力，在管徑發生變化的時候，主動輪與管道中心的距離也相應發生改變，在現有的相關管道機器人傳動方案中，更多的是采 用全齒輪傳動方式，即動力經變換后，通過增加惰輪的方式，將動力傳遞到主動輪，雖然該方案的傳動效率較高，但是結構復雜，對環境的適應能力較差，可適應管徑變化范圍較小，在本設計中，動力經蝸輪蝸桿裝置變換后，通過傳動比為1： 1 的齒輪傳動，將動力傳遞到各支腿，因為空間尺寸關系，在兩者之間增加一惰輪機構，再應用同步鏈將動力傳送到主動輪 1 和輪 3。 同步帶輪 1 與安裝底座的連接軸同軸，故無論管徑如何變化，兩個同步鏈輪間的軸線距離保持不變，只要支腿的長度足夠長，就可適應足夠大的管徑變化范圍。 機器人變管徑自適應性方案設計 管 道由于制作誤差、使用 過程中局部結垢、局部壓力過大而產生變形以及內表面雜物的存在，管道 機器人在碰到變形部位及雜物時，由于阻力而使支撐臂收縮，同時在驅動力的作用下通過變形部位，當再次達到管道正常段時，支撐臂能夠在彈簧的作用下像傘一樣張開，使機器人重新恢復原來的平穩狀態。這個過程就是機器人的自適應過程。有了自適應性，機器人就能穿過一個個變形部位，以達到對管道進行有效清洗的目的，在本設計中，對于自適應性的設計主要包括兩 種 方式：各支腿華北科技學院畢業設計 （論文） 第 17頁 共 45頁 單獨調整和支腿整體調整。 支腿單獨調整方式 各支腿的單獨調整方式。當機器人在行進 過程中，其中的一個或多個支腿遇到障礙物（包括突起和凹陷）時，利用支腿內部的調整彈簧來改變支腿的長度使得支腿與管壁處于理想的接觸狀態，以滿足穩定作業要求。同時調整彈簧也能起到一定的緩沖減震作用。該裝置主要是針對相同管徑或管徑變化范圍不是很大的情況下，當管徑變化范圍較大時，則應使用支腿的整體調整方式。 支腿整體調整方式 目前管道機器人在適應不同管徑的調節機構常用的有：蝸輪蝸桿調節方式，升降機調節 方式、滾珠絲杠螺母副調節方式和彈簧壓緊調節方式。比較研究 了各種調節機構的優缺點，針對本課題的工程實際需要，并根據前 后支腿的特性要求，在前支腿（即從動輪支腿）選用彈簧壓緊調節方式，后支腿（即主動輪支腿）選用滾珠絲杠螺母副調節方式。這兩種調節機構能保證機器人具有充裕并且穩定的牽引力，并且管徑變化范圍比較大，下面綜合分析該兩種調節方式。 (1)滾珠絲杠螺母副調節方式自適應方案。其具體設計如圖 22 所示是滾珠絲杠螺母副調節方式示意圖，其工作原理是：安裝在軸套和絲杠螺母之間的壓力傳感器間接檢測驅動車輪和管道內壁之間的壓力 yF ，并實時將壓力值回饋回監控裝置，當壓力 yF 的值小于所允許的最小壓力值 yF’ 時，連桿 AB 的一端和車輪軸鉸接在一起，另一端鉸接在固定支點 A，推桿 CD 與連桿 AB 鉸接在 B 點，另一端鉸接在軸套上 C 點，軸套管道機器人的設計與運動仿真 第 18頁 共 45頁 在圓周方向相對固定，因此滾珠絲杠的轉動將帶動絲杠螺母沿軸線方向在滾珠絲杠上來回滑動，從而帶動推桿運動，進而推動連桿 AB 繞支點A 轉動，使車輪撐開或者緊縮以達到適應不同的管徑的目的。保證管道機器人以穩定的壓緊力撐緊在管道內壁上，使機器人具有充足且穩定的牽引力 。 圖 22 滾珠絲杠螺母副調節方式 下 面分析滾珠絲杠螺母副調節方式的力學特性，如圖所示，以固定支點 A 為坐標系的原點，建立如圖所示的坐標系 XOY,1L 為 連桿 AB 的長度， 2L 是推桿 CD 的長度， 3L 是支點 D 到固定支點 A 之間的距離， ? 是推桿 CD 與水平方向之間的夾角， ? 是連桿 AB 與水平方向之間的夾角，凡為管道內壁作用在車輪上的壓力即封閉力， F 是滾珠絲杠螺母作用在推桿上的軸向推力， T 是作用在滾珠絲桿軸上的有效扭矩。 0T 是電機軸的輸出扭矩。 在坐標系 XOY 中，由幾何關系可得： 華北科技學院畢業設計 （論文） 第 19頁 共 45頁 {23sin L sinL ??? 1 sinByL?? 23c o s c o scX L L???? （ 21） 對上式兩邊分別取微分可得： {1 cosBy L ?? ??? 23c o s c o sLL???? ??? 23si n si ncx LL??? ? ? ? ??? （ 22） 化簡上式得： ? ?31 ta n ta ncBxyLL? ? ? ?? ? ? （ 23） 由虛功原理得： 31 0cbx G i yiFN??????? （ 24） 將式代入上式并化簡得： ? ?3 11 3 ta n ta n Gii LFNL ???? ??? （ 25） 所采用的滾珠絲杠螺母副的導程記為 P， ? 為滾珠絲杠和絲杠螺母之間的相對轉角，則 絲杠 螺母的位移為： 2hPS ??? 對上式等號兩邊分別取微分得： 2hs P ????? （ 26） 考慮滾珠絲杠螺母副，由虛位移原理可得： 管道機器人的設計與運動仿真 第 20頁 共 45頁 0sFT?? ? ???? （ 27） 式中， ? 為滾珠絲杠螺母副的傳動效率。 合并整合上兩式得： ? ?3 11 332 2 ta n ta nhh GiiP L PT F NL? ? ? ? ? ???? ??? （ 28） 此式即為滾珠絲杠螺母副調節方式的力學特性。 (2)彈簧壓緊調節方式 如圖所示的是從動輪的彈簧壓緊調節方式示意圖，其工作原理與滾珠絲杠螺母副調節方式原理類似，只是在張緊力調整方面采用被動調整方式。當管徑發生變化時，作用在從動輪上的壓力變化，使得壓緊彈簧產生伸縮，而帶動推桿運動，進而推動連桿 AB 繞支點 A 轉動，使車輪撐開或者緊縮以達到適應不同的管徑的目的。與滾珠絲杠螺母副調節方式 的主要區別就在于在壓緊力的調節方面由調整電機的 主動調整變為壓緊彈簧的被動調整。故在彈簧壓緊調節方武的力學特性如下： 圖 23 彈簧壓緊調節方式 華北科技學院畢業設計 （論文） 第 21頁 共 45頁 選取其中的一個支承臂作為研究對象，其受力分析如圖所示，由前述滾珠絲杠螺母副調節方式的分析可知，彈簧壓緊調節方式的力學平衡方程為： 0sFf?????? （ 29） 式中， f — 彈 簧的壓緊力， N。 整理得： ? ?3 11 3 ta n ta n GiiLfNL ???? ?? （ 210） 彈簧壓緊力可表示為： ? ?0 1 2f k x L S S? ? ? ????? （ 211） f 為彈簧的初始長度 (mm)， k 為彈簧的彈性系數 (N/mm)。從上邊的式子可以看出，彈簧壓緊力 f 只是位移函數，因此該機構具有負反饋作用，在一定的管徑變化范圍內，封閉力之和 N 變化不大。由此可見該機構具有常封閉特性，這樣便增加了載體的穩定性和可靠性，同時由于彈簧壓緊力 f 的回饋作用可使機構具有自適應調節的功能。 動力系統的設計計算 管道機器人行駛阻力分析 在計算前，我們先設定我們所設計的機器人的行進速度是 。機器人在管道內進行清洗作業時，必須克服來自管道內表面的滾動摩擦阻力 fF 管道機器人的設計與運動仿真 第 22頁 共 45頁 fGF f N? ? （ 212） 式中， f 是滾動摩擦因數，即輪子在一定條件下滾動所需要的推力。 ∑ NG為機器人輪子負荷之和。也就是： fF =f {? ?cos 60RG ? ?? ? ?cos 60RG ? ?? （ 213） 式中 ? — 機器人管內作業姿態角， RG — 機器人本體重量， kg 。 當姿態角分別為 60176。 或者 60176。 時候，系統的阻力最大。 預設 ? 為，機器人重量為 ， 打撈最大質量 300g ， 由于輪子手的是彈簧調節，則彈簧對輪子又很大的壓力，由于我們采用的是型芯磨頭切削，對車身的穩定性要求較其他更為嚴格，假設彈簧對輪子的壓力是， F? =5 49N?? 。 總阻力 F 49 0. 5 24 .5 .N? ? ? 根據實際情況，我們設計主動輪半徑 50r mm? ，總阻力矩為： M Fr? ?? = 2 4 5 0 .0 5 1 2 .2 5 Nm?? 已經設過機器人行進速度為 /mms ， 也就是 /m min ， 則主動輪轉速應該是 ： nw=2vr? = ?? = /r min 電機的額定轉速為 1500 /r min 系統傳動比為 ： 1500 4493 .3 4swni n? ? ? 華北科技學院畢業設計 （論文） 第 23頁 共 45頁 電機提供的驅動力矩為： q sMM i?? = 1 2 .2 5 0 .5 64 4 9 0 .3 2 0 .1 5 Nm??? 9550nq TP ?? 0 . 5 6 1 5 0 0 0 . 0 1 8 1 89550 K W W? ?? 考慮機器人在管 道內行進出現的在和突變情況，取安全系數為 2 ，則電機的功率為 36W ,電機選用 5614YS 型。如下表。 得：轉速為 1500 /r min 額定功率為 60W 額定電流為 效率為 56% 功率因數為 額定轉矩為 管道機器人的設計與運動仿真 第 24頁 共 45頁 表 21 YS 系列電機技術參數 表 21 YS 系列電機技術參數續 華北科技學院畢業設計 （論文） 第 25頁 共 45頁 減速器的選擇 在選擇了電機型號之后，需要選擇與之相應的減速器。在確定了減速器的類型后，減速器的選擇關鍵在減速比的選擇。 考慮驅動能力時減速比的計算 根據電機的相關資料，可知電機的額定轉矩為 ，為滿足機器人能正常行駛，則整個軀動系統電機的驅動力矩經傳動系統減速增扭后，驅動力矩應大于等于機器人所受到的總的阻力矩，即應保證傳動系統的傳動比mini 應滿足： mini ? DMM? ?? 2．考慮機器人最高運行速度傳動比的計算 根據電機相關資料，可知電機的額定轉速為 15 00 /d r minn ? 則傳動系統的最大傳動比 maxi 應該滿足： maxi dwnn? 1500 ?? 管道機器人的設計與運動仿真 第 26頁 共 45頁 基于上述傳動比，我們可以確定傳動系統的傳動比si 應該滿足： mini maxsii?? （ 214） 傳動比里面蝸桿傳動的傳動比為：wi=580，選用 20 則減速器的出動比ri 為： maxmin rw d w dii ii i i i?? （ 215） 我們選用 12ri? 根據《小功率計算機》書上說明，選用 GBX40 行星減速器。其參數如表22 所示： 表 22 減速器參數表 效率