th1管道机器人设计说明书.doc

设计成员： 柴思敏 F0302004 5031519041 朱翼凌 F0302004 5030209393 巴振宇 F0302012 5030209335 柳宁 F0302003 5030209376指导老师：高雪官上海交通大学机械动力学院目录一. TH-1管道机器人工作要求和技术指标…………………………4二. 元器件和配件选择说明………………………………………….5-6三. 机架部分设计和计算……………………………………………7-34四. 履带部分设计和计算………………………………………… 35-72五. 参考文献………………………………………………………….73六.组员分工……………………………………………………………74TH-1管道机器人技术指标行走速度： 10自重: 5 kg净载重： 10 kg 机身尺寸： 351mm155mm155mm自适应管道半径范围： 200mm300mm越障能力： 2mm5mm爬坡能力： 15工作电压： 12V一次性行走距离： 2500m牵引力: 300N400N密封性能： 履带密封，机架半开放TH-1 管道机器人工作指标工作环境： 中性液体环境，液面高度不得高于30mm工作温度： 050元器件选用本设计采用圆周三点限位支架，三个履带行走构件相互独立，因而需要提供三个相同的电动机分别驱动各个履带。

另外，管径自适应结构由丝杠螺母传动，也需要一个电动机作为驱动，于是整个机器人需要4个电动机考虑到整个机构适用于200~300mm管径的管道内部探伤，因而整体尺寸受到严格限制，进而限定了电动机的尺寸以最小管径200mm作为尺寸控制的参数，履带行走机构的高度50mm，所用电动机直径大约20mm同时作为履带机构的动力来源，此电动机亦应当达到足够的功率输出，否则将必然无法与设计要求匹配出于零件之间相互通用的设计理念，我们希望4个电机都是统一规格、同种型号但是控制管径自适应部分涉及到丝杠螺母传动的动力分配，设计中压力传感器发出控制信号，以单片机实现电机的正反转控制，这就要求电动机的扭矩输出平稳最后由于设计要求中规定了每分钟的行程，所以电动机应该转速适中，既与整个电机的功率和扭矩相匹配，又能满足行进速度的要求综合以上几点，经过多方查阅资料我们决定采用一下型号的电动机： 型号： SG-27ZYJ额定功率： 10W 12V DC额定转速度：400rpm额定转矩： 300Nmm （上图为电动机实物参考图）配件选用 电池: 12V, 9000mAh 摄象头：CCD探头，具体尺寸可选。

120范围内可以探视双头白光二级管探照光源机架部分的设计计算一． 机架部分的功能和结构机架部分的主要功能为支撑在管道内行走的管道机器人，使履带行走系能紧密的贴在管道壁面，产生足够的附着力，带动管道机器人往前行走为了适应不同直径管道的检测，管道检测机器人通常需要具备管径适应调整的机架机构，即主要有两个作用：① 在不同直径的管道中能张开或收缩，改变机器人的外径尺寸，使机器人能在各种直径的管道中行走作业；② 可以提供附加正压力增加机器人的履带与管道内壁间的压力，改善机器人的牵引性能，提高管内移动检测距离为了满足管径自适应的功能，本次设计采用了基于平行四边形机构的管径适应调整机构，在由空间对称分布的3组平行四边形机构组成，采用滚珠丝杠螺母调节方式，每组平行四边形机构带有履带的驱动装置(示意图如下)图1.1 丝杠螺母自适应机构示意图(引用Ref.1)机构调节电动机为步进电动机，滚珠丝杠直接安装在调节电动机的输出轴上，丝杠螺母和筒状压力传感器以及轴套之间用螺栓固定在一起，连杆CD 的一端C和履带架铰接在一起，另一端D 铰接在固定支点上，推杆MN 与连杆CD 铰接在M点，另一端铰接在轴套上的Ⅳ 点，连杆AB、BC和CD 构成了平行四边形机构，机器人的驱动轮子安装在轮轴B、C上，轴套在圆周方向相对固定．其工作原理为：调节电动机驱动滚珠丝杠转动，由于丝杠螺母在圆周方向上相对固定，因此滚珠丝杠的转动将带动丝杠螺母沿轴线方向在滚珠丝杠上来回滑动，从而带动推杆MN运动，进而推动连杆CD绕支点D转动，连杆CD 的转动又带动了平行四边形机构ABCD平动，从而使管道检测机器人的平行四边形轮腿机构张开或者收缩，并且使履带部分始终撑紧在不同管径的管道内壁上，达到适应不同管径的的．调节电动机驱动滚珠丝杠转动时，也同时推动其余对称的2组同步工作．筒状压力传感器可以间接地检测各组驱动轮和管道内壁之间的压力和，保证管道检测机器人以稳定的压紧力撑紧在管道内壁上，使管道检测机器人具有充足且稳定的牵引力 。

如图1.1所示，当时，机架适应管道半径的范围在参考常见的管道运输直径范围(Ref2),设计的管道机器人可满足成品油管的管道直径的要求二． 机架部分的力学特性分析对于履带式驱动方式的管道机器人，牵引力由运动驱动电动机驱动力以及履带与管壁附着力决定．当运动驱动电动机的驱动力足够大时，机器人所能提供的最大牵引力等于附着力．附着力主要与履带对管壁的正压力和摩擦系数有关．摩擦系数由材料和接触条件决定，不能实现动态调整．履带对管壁的正压力与机器人重量有关，但通过管径适应调整机构，可以在不同管径下提供附加正压力，改变附着力，从而在一定范围内实现牵引力的动态调整管道机器人正常行走时，其对称中心和管道中心轴线基本重合，重力G在对称的中心线上面因此，管道机器人在行走过程中，最多只有两个履带承受压力，即其顶部的压力为零(如图) （2.1.1）随着管道机器人在管内移动的距离的增加，或者在爬坡的时候，机器人可能由于自身重量所提供的附着力不够时，导致打滑，这就需要管道机器人提供更大的牵引力来支持机器的行走利用管道机器人自适应管径的平行四边形丝杠螺母机构，可提供附加的正压力以增加管道机器人的附着力。

通过远程控制可调节电动机输出扭矩带动丝杠螺母相对转动，产生推动力推动推杆运动，使得各组履带压紧贴在管道内壁，产生附加的正压力将各个履带由于重力而产生的作用反力定义为,由附加正压力所产生的作用反力定义为，丝杠螺母杆的推力为，由虚功原理可得： (2.1.2) 式中为管道中心轴线方向，为径向方向丝杠螺母需要施加的推力为： (2.1.3)其中由自适应机构的相关尺寸所决定： (2.1.4) 式中如图1所示调节电机需要输出的扭矩为： (2.1.5)式中：为滚珠丝杠螺母副的传动效率；为滚珠丝杠的导程以符号表示机器人的提供的牵引力，当运动驱动电机的驱动力足够大的时候，牵引力为： (2.1.6)式中为履带的附着系数，近似于摩擦系数由(2.1.3),(2.1.4)，(2.1.5)可知，随着能所适应的管道半径的减小，机架部分所需要的推力和电机的转矩是逐渐增大的因此，选择机器人能所适应的最小管道半径做力学分析，可以保证大管径时管道机器人的强度和刚度条件下面是在管径时的，机架的力学分析的计算。

估算的范围在之间采用的是履带中驱动的同种电机，额定转矩,额定输出转速为由设计的尺寸可得,. 由式(2.1.4)可算出 带入式(2.1.3), 由，可算出所需要的推力的范围 为 带入式(2.1.5)可算出需要输入的转矩, 在电机的额定输出转矩的范围之内由式(2.1.6)可求出管道机器人的牵引力的范围为[120N,150N]三．机架重要部件ANSYS有限元强度分析不同于履带行走系的模块，机架中的零件大部分为非国家标准零件，无法引用现有强度矫合公式验算对于复杂物体的强度计算，有限元模型可以做到很好的效果同时，与传统的”试误法”设计相比，不必等出成品后进行实验确保产品的可靠性，CAE分析软件在设计图完成后，通过CADàCAE的接口，可在CAE软件对产品进行各样的分析，可在短时间内完成产品的设计1) 履带架的有限元分析图3.1 履带架和连杆机构部分从图3.1和封面的三维图可以看出，履带通过履带架的盖板上的螺钉铰接在一起，履带架直接承受履带与壁面间的接触力，为“危险”零件之一为了节省空间和尺寸的设计方便，最初的设计是用一块挡扳直接连接在履带架上，ANSYS有限元分析如下：图3.2 单边履带受力变形图图3.3 单边履带受力应力图图3.4 双边履带架受力变形图图3.5 双边履带架受力应力分布图考虑到开小螺钉孔对于网格上的影响，导致计算的不便，因此将履带架的模型简化为不带小孔的盖板的模型，同时将履带与壁面的接触力等效到履带盖板上侧的力。

由图3.2和图3.3可以看出，单边履带受力时，其最大变形量为0.0324mm,最大的集中应力为174改用双边履带架设计后，给定同样的边界条件，图3.4中得出最大的变形为0.006301mm，与单边履带架的结构设计相比，最大变形为原先的左右. 图3.5中可以得出，最大的集中应力为，为原先的左右因此可以得出，双边履带架的设计在刚度和应力集中问题上都相对与单边履带架有着明显的改善最终的设计方案为双边履带架结构2)机架前座的有限元分析由第二部分的机架力学分析可以得出，丝杠螺母将电机的转矩T转化为轴向力F, 推动连杆运动，达到管道半径自适应的功能如图3.6和图3.7可知，在带有轴承的支架后座上，承受着来自两方的力. 一为轴承所承受的轴向力F, 二为履带与管道壁面接触的正压力在连接绞处的体现由第二部分分析可知，最小管道直径时，所需要的推力F越大，推力F的范围为，取F=500N机架前座承受来自履带和壁面的接触力取重力G=100N的一半50N.图3.6 机架三维视图的表示图3.7 机架前座具体的三维视图图3.8 机架前座轴承侧受力变形图(两侧受力时)图3.9 机架前座轴承侧受力应力分布图(两侧受力时)图3.10 机架前座连接侧受力变形分布图(两侧受力时)图3.11 机架前座连接侧受力应力分布图(两侧受力时) 由第二部分可以知道，机架前座连接侧受力分两种情况：一是光由重力引起的压力，即后座处两面受力；二是有丝杠螺母所引起的附加的压力，即后座与连杆连接出三面受力。

图3.8,3.9,3.10,3.11从正反两面展示了机架前座两面受力的情况图中可以看出，两面受力时，机架朝着没有受力处变形由于轴向推力很大，所以变形和应力集中处在轴承和机架的接触处 图3.12和图3.13为机架前座三侧受力的情况可以看出和两侧受力相比，变形和应力分布。