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1、前言 随着现代科学技术的发展，管道运输作为一种高效、安全、可靠的手段应用日益广泛，城市中的地下排水系统、取暖系统、煤气系统、自来水系统等都应用了各种管道；另外，在现代工农业、石油、化学、核工业等领域也大量使用了管道。经过长期使用，它们会出现裂纹、腐蚀、堵塞等故障。有的管道中输送的是剧毒或放射性介质，若这些管道产生裂纹、漏孔会造成介质泄漏，引起事故甚至发生灾难。为了防患于未然，必须对这些管道进行定期检测和维修。但是它们有的埋在地下，甚至埋在海底，有的口径很小，人无法进入。挖出管道进行检测、维修既不经济又不现实，由此可见，管道机器人有着广阔的市场。我国早在1987年就开展了管内机器人的研究，并试制
2、了几种模型，但总体水平较国外差。管内机器人研究是机电一体化的高科技研究项目。在石油、化工、核工业、给排水等许多管道工程中，都需要进行管内检测、喷涂及加工等工作，管内机器人在完成这些工作中会发挥重要作用，因此，开发研究管内机器人意义很大1。本次题目的内容就是设计一种可在油管内壁爬行，并且搭载工作体的部分可协助工作体完成相应作业的机器人。采用机械结构和电气控制来达到设计目的。要实现的理想过程是：人对主机输入一个控制信号，可以通过单片机对电机、电磁铁进行电气控制，从而使机器人能够按照所搭载工作体的要求进行移动，并在工作体的工作位置做出相应的辅助动作。机器人在行进过程中可在任意位置停止前进，并可以在该
3、位置开始作业，工作体可在步进电机驱动下完成小于360度的任意角度的旋转。1 方案的结构选择11 总体选择总体上，本次设计主要采用机械结构设计来完成指定的动作，而用电气设计来控制这些动作。12 前进方案的选择 目前在管道内机器人的行进方式多种多样，本设计采用蠕动式行进的方式。前进方案由旋转式步进电机、直线式步进电机、气缸中进行选择。现将3种方式在本设计中的应用进行比较。由于本设计前进方式为直线，所以其中使用直线式电机最为简便，直线电机的电机轴是丝杠形式的，于是可以通过丝杠的导程来计算机器人的行进距离。使用旋转式步进电机的原理与直线式步进电机相似，可通过一个小型连轴器与丝杠相连组成一个直线式步进电
4、机，也可以通过一组齿轮减速器将丝杠与电机轴相连，简图见图1-1。图1-1 结构简图第三种方法是使用气缸推动机器人前进。综合比较三种方法后发现，气缸实现直线运动过程简单，但其行程不易控制，要实现精确控制需要成本过高。两种步进电机的特点相似，但直线式的步进电机在安装时不易对心，且价格远高于旋转式步进电机。所以综合考虑最终选择采用旋转电机的方案。13 卡紧方案的选择 机器人在蠕动式爬行的时候，需要卡紧装置进行配合。所以需要选择合理的卡紧方案。由于本次设计的机器人需要适应从4.5到7英寸的不同管径的管道，这给卡紧方案的设计带来很大的难度。方案1为采用推拉式电磁铁直接进行卡紧，并使用适当的连杆机构调整电
5、磁铁位置，当连杆机构将电磁铁调整到指定位置后，电磁铁得电，推杆伸长，机器人卡紧管壁。工作完成后，电磁铁失电，机器人放松6。结构简图见图1-2图1-2 结构简图方案2为使用一个旋转电磁铁，用旋转电磁铁来带动凸轮实现卡紧，通过对凸轮进行设计可以计算出支撑杆的移动距离。当旋转电磁铁得电后，旋转一定角度，带动凸轮旋转，使支撑杆在径向产生移动从而卡进管壁。电磁铁失电后，通过弹簧的作用使凸轮和支撑足复位，机器人放松。结构简图见图1-3。图1-3 结构简图Diagram 1-3 structure sketch plans方案3为使用一推拉式电磁铁推动锥形滑块，同时设计三个长度可调的支撑杆，当电磁铁得电后，
6、电磁铁推杆伸出并带动锥形滑块沿轴向前进。由于滑块为锥形，支撑足产生径向移动，机器人被卡紧7。电磁铁失电后，机器人放松，原理同方案2。结构简图见图1-4。图1-4 结构简图Diagram 1-4 structure sketch plans综合比较以上三种方案，首先放弃了方案1，由于管道内空间有限，电磁铁的体积太大，无法合理的安放电磁铁，并且电磁铁的重量也相对较大，设计与之相应的连杆机构也很困难。方案2与方案3在原理上基本相同，不同之处在于方案2用的是凸轮，而方案3用的是锥形滑块。凸轮的结构复杂，且其表面需要非常光滑，由于凸轮曲面为复杂曲面，所以普通磨床难以加工，需用数控加工中心进行加工，这样加
7、大了成本。经过综合比较决定选择方案3。另外，在卡紧方面也可使用气缸，此类型的设备已被开发，但由于空间问题并不适合于本设计，故本设计不使用该方法。14 旋转方案的选择 旋转部分采用一个旋转式步进电机，电机轴带动法兰，可在法兰上连接工作体，通过控制步进电机的转动角度来控制工作体的转动。结构如图1-5所示。图1-5Diagram 1-515 调节方案的选择由于本次设计的机器人要适应不同的管径，所以需要设计一个结构合理的可调机构。初步拟订3个方案，方案1采用一个推拉式电磁铁推动一个连杆机构，结构与卡紧方案1相似，结构简图见图1-2。通过控制推杆伸出的长度及连杆机构来调整支撑足。方案2也是一种连杆机构，
8、结构见图1-6。通过调整螺栓来调整支撑足的高度。它的结构与汽车修理厂所用千斤顶相似。图1-6 结构简图Diagram 1-6 structure sketch plans方案3较为简单，将支撑杆上做出几个槽，槽的位置分别与机器人所需要工作的管径相对应，在外安装套筒，并在套筒上开螺纹孔，通过紧钉螺钉将支撑杆与套筒相连。再将套筒与机体相连，通过紧定螺钉与不同槽之间的配合来适应不同的管径。结构详见图1-7。图1-7 结构简图Diagram 1-7 structure sketch plans再对以上三种方案进行比较，方案1的自动化程度很高，可以通过控制计算机来控制调整机构，节省了人力。方案2的机构很
9、合理，调整方便。但由于管道内空间的限制，这个方案都很难在本设计中应用，而方案3虽然不是最精确的，但它制造方便，并且在空间上设计的很合理。并且为可换，在需要适应新的管径的时候，只需要重新制造支撑杆，十分方便。本设计采用方案3。16 结构方案改进 机器人采用丝杠来推动前进，在前进过程中对于部分机体的旋转自由度没有加以限制，所以不排除机器人在前进过程中产生旋转。为了防止旋转，我们在丝杠的平行方向上加一根光杠。这样机器人在前进时，当一端被卡紧时，另一部分的旋转自由度也被加以限制，防止了旋转的发生。机器人在前进的过程中，管道内的情况不明。有些管道的内表面已经作了加工，为了防止划伤管道内表面，我们在机器人
10、的三大部分上分别加上三组小轮，这样不仅可以减小摩擦力，通过对小轮表面材料的选择也可以起到保护管道内表面的作用。由于机器人所载工作体需做小于360的旋转，所以应该最大限度的保证机器人的中心与管道的中心重合，这样工作体就是绕管道的中心旋转。采用三足支撑的方法进行自动定心，同时在其中一个支撑足上安装弹簧，使三个支撑足同时抵在管壁上，保证定心。并将防划伤的小轮安装在这三个支撑足上。结构如图1-8所示。图1-8 结构简图Diagram 1-8 structure sketch plans在原理上可以将卡紧与支撑用一个机构来执行，但是由于支撑足上安装了用来减小摩擦力的小轮，这样电磁铁产生的卡紧力将不足以卡
11、紧，将定心与卡紧分离，可以保证卡紧力，只要在结构上做的尽量紧凑，充分考虑空间因素，问题将得到解决。2 主要部件的计算选择21 步进电机的选择本次设计步进电机共使用两个，两个电机的功能不同所用型号也不相同。我们先对行进用的电机进行选择。本次设计中的前进动力全部来自这个步进电机，所以该电机提供推力必须能够推动整个机体。机器人制造材料为铝，铝的密度为 Kg/m3可得整个机体的质量约为1.5千克。 由于机器人工作环境所限预计工作体的质量为1.5千克。机器人整体的质量主要由机体、工作体、电磁铁和电机的质量组成，初步选择两个电机的质量约为0.75千克。两个电磁铁的质量为0.35千克，再补充其它部件的质量，
12、整个机器人的质量约为5千克。机器人在管道内所受的阻力来自于小轮与管壁的滚动摩擦力。小轮与油管内壁间的摩擦系数决定了机器人所需推力。 根据工程实践经验可知，滚动摩擦系数在0.1与0.2之间，这里为保证推力，取摩擦系数为0.2。得出为使机器人前进所需推力为 9.8N 。旋转电机所输出的转距由丝杠转化为直线运动，丝杠推力由螺旋副产生，由于推力已得出，所以计算所得的螺旋副间的摩擦阻力矩即所选电机需要满足的转矩。计算摩擦力矩时借鉴螺纹预紧的扭紧力矩的计算方法8。螺栓由于扭紧力矩T作用，使螺栓和被连接面之间产生预紧力F0 。由机械原理可知，扭紧力矩T等于螺旋副间的摩擦阻力矩T1（即本设计中所需求的转矩）和
13、螺母环形面与被连接件支撑面间 的摩擦阻力矩之和， 即 （2-1）螺旋副间的摩擦力矩为 （2-2）螺母与支承面间的摩擦力矩为 （2-3）将（2-2）、（2-3） 、代入（2-1），得 （2-4）表2-1综合考虑螺纹升角；螺旋副的当量摩擦角（f为摩擦系数，无润滑时f0.1-0.2）；螺母与支承面间的摩擦系数可得 （2-5）因为丝杠传动过程中并无螺母与支承面间的摩擦阻力矩T2，所以可利用公式（2-5）计算本设计中所用电机的转距，并且计算出的转距一定大于推力所用的转矩，在选用电机时留出了工作余量。由于在工作的丝杠与电机轴之间使用了一组齿轮减数器，Z1=20，Z2=36，。计算得出所需电机转矩为0.00
14、87N.m在考虑到空间、质量因素后决定采用35BYG310型步进电机，电机各项参数如表3-1所示： （通用技术参数）混合式步进电机步 距 角 1.85%绝缘电阻 500V DC 100M Min绝缘强度 50Hz 1Minute 500V Min环境温度 20+50温 升 80 Max.径向跳动 0.02mm Max.轴向跳动 0.1-0.3mm型号 相数 电流 电阻 最大静转矩 重量 外形尺寸(A) () (kg.cm) (kg) L0(mm) L1(mm) 35BYG310 2 0.19 60 0.8 0.15 28 2135BYG408 2 1.60 1.3 0.9 0.15 29 2135BYG409 2 0.32 23 1.4 0.20 29 21
