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1、华北科技学院毕业设计（论文）目录1 绪 论11.1本课题研究背景和研究意义11.2国内外发展状况21.3本设计的主要内容82 管道机器人总体设计92.1管道机器人的总体结构设计92.1.1移动方式选择92.1.2传动方案的选择92.2机器人变管径自适应性方案设计112.3动力系统的设计计算152.3.1管道机器人行驶阻力分析152.3.2减速器的选择182.4机器人的速度和驱动能力校核192.4.1运动速度校核192.4.2驱动能力校核193 链传动的设计计算203.1链轮设计的初始条件203.2链轮计算结果213.3历史结果214 蜗轮蜗杆的设计计算234.1 蜗轮蜗杆基本参数设计234.1
2、.1普通蜗杆设计输入参数234.1.2材料及热处理244.1.3蜗杆蜗轮基本参数244.1.4蜗轮精度254.1.5强度刚度校核结果和参数264.1.6自然通风散热计算264.2蜗杆轴的结构设计274.2.1轴的强度较核计算274.2.2轴的结构设计314.2.3键的校核325 过弯道能力和其他部件设计335.1 弹簧的设计335.2过弯道能力的设计345.2.1工作原理345.2.2过弯道能力的几何量设计346 管道机器人建模与仿真分析387 总结和展望41参考文献43致 谢451 绪 论1.1本课题研究背景和研究意义 用于石油、天然气乃至民用上下水等管道在传输液、气体过程中，因温度、压力不
3、同及介质与管道之间的物理化学作用，常常会高温结焦，生成油垢、水垢，存留沉积物，腐蚀物等，使有效传输管径减少，效率下降，物耗、能耗增加，工艺流程中断，设备失效，发生安全事故。尽管通过添加化学剂，采用合理的工艺流程，进行水质处理措施可以在一定程度上改善这些情况，但要完全避免污垢的产生是不可能的。我国的管道清洗行业长期以来80%采用的是化学方法以及手工清洗和机械清洗方法，成本高、效率低、污染环境等，远远不能满足现代社会日益增长的要求。探索和开发高效的清洗方法成为工业生产和人民生活的不可或缺的环节。利用行星磨头清洗是一种新的清洗方法。与化学清洗及手工、机械清洗相比，具有清洗质量好、效率高、适应性强、成
4、本低等一系列优点，可达到返旧还新的效果。作为一种清洁、高效、对环境无污染的清洗技术，具有可观的经济和社会效益。随着经济的发展、人们生活水平的提高，人们对于食品卫生、健康的要求越来越高，环保意识越来越强，如何实现油烟管道高效率的清洗成了相关从业人员关注的问题。本课题的研究目的是设计一种应用于清洗油烟管道的机器人，解决单独靠人力很难完成，甚至不可能完成的油烟管道清洗任务。本课题的研究主要有以下意义:1、可提高机器人的清洗效率。现有油烟管道机器人由于机械执行机构只有一个自由度，清洗管道壁时，要通过不断调整机器人的位姿来实现，使操作变得复杂，清洗效率较低。2、可完成竖直油烟管道的清洗。宾馆饭店常常位于
5、高层建筑物中，竖直烟道的清洗是管道清洗的重要任务。针对现有机器人不能用于竖直管道清洗的缺点，我们设计了链式履带行走、永磁吸附的机械行走机构，用于完成油烟管道的清洗爬壁任务。3、可改善当前清洗油烟管道工人的工作环境、降低工人的劳动强度、节约清洗成本、消除油烟管道清洗的卫生死角、提高管道使用寿命、提高油烟管道的清洗效率、减少火灾以及可避免化学清洗导致的污染和纯机械清洗对管道造成的损伤等。4、应用于其它领域。通过更换机械执行机构、作业工具等可实现空调管道的清扫、船体表面的清洗、检测、喷漆等任务。现代工农业及日常生活中使用着大量管道，石油、天然气、化工等领域也应用了大量管道，这些管道大多埋于地下或海底
6、，输送距离近千里，它们的泄漏会造成严重的环境污染，甚至引起火灾，多数管道安装环境人们不能直接到达或人们无法直接介入，另外，在一些工厂里有大量的通风管道，在某些餐厅或饭店里装有大量的油烟管道，这些管道或者架设在空中，或者管道内径很小，在做质量检测、故障诊断、清洗时比较困难。这促使了管道机器人的诞生。管道机器人的迅速发展时期始于上个世纪80年代，它是一种可沿管道内部或外部自动行走，具有一种或多种传感器的操作机械(如机械手、喷枪、焊枪、刷子)，其研究范畴属于特种机器人中的移动机器人范畴，能够完成在管道这个特定的极限环境中作业，通常能携带各种探测仪器和作业装置，在操作人员的遥控或者计算机的自动控制下完
7、成管道的检测和维修、清扫等作业。检测作业项目包括防腐状况检测、对接管道焊缝质量、管道内腐蚀程度、防腐层厚度、管壁缺陷等检测;维修项目包括清扫、补口、焊接等。1.2国内外发展状况 目前在管道清洗过程中，清洗设备绝大部分是采用无动力缆绳拖拉行走方式来进行清洗，无法根据管道的内部情况进行清洗参数的动态调整，管径的适应能力较差。为了解决这个问题，着眼于管道行走清洗机器人的研究开发，而在国内这方面研究尚少。为了较好地解决管道的清洗难题，开发和研制管道清洗机器人势在必行。本人设计管道清洗机器人是把行星磨头清洗技术与机器人技术结合起来，进行综合设计开发，因此它的深入研究也将推动管道清洗技术的发展。随着管道机
8、器人技术的发展，其应用越来越广泛。目前，日、美、英、德、法等发达国家在管道机器人技术方面做了大量工作，尤其是日本，在管道机器人的研究及开发中取得了领先的地位。法国的J. Vertut是较早从事管道机器人理论和样机研制的人，他于1978年研制了一种轮腿式管内机器人行走机构，成功地实现了机器人在管内的自主行走。该机构由2个行走轮及4个支腿组成，支腿由电机驱动，以适应不同管径的变化。美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出了世界上第一台工业机器人。在清洗机器人方面，美国的Stoneage公司进行了相关的研究。如图1-1，其研制的管道射流清洗机器人采用履带驱动方式，但管径适应能力较差，射流对中性差
9、，清洗效果不理想。尽管常规管道机器人有的己经实用化了，但还存在着很多问题。例如，能源供给、可靠性等问题。2002年由美国佛罗里达大学电子及计算机工程学院智能机械设计实验室研制的OPCR-OH S管道清理机器人，如图1-2所示。图1-1 stoneage公司管道清洗机器人 图1-2 OHS管道机器人OPCR由三个部分组成:头部、驱动部分、稳定性控制部分。头部安装有传感器可以检测到需要清理的障碍、发现管道终端，从而能够及时停止机器人的运动。驱动部分主要有两个功用是适当的驱动运动；二是可以根据障碍物的尺寸来调节轮的角度，通过螺旋运动来清理障碍物。OPCR共有三个驱动轮，每个轮均有两个微型电机控制，其
10、中一个电机作为驱动，另一个电机改变轮的角度，这样在转弯的情况下机器人可以实现快速转弯。当驱动部分难以控制OPCR稳定的处在管道轴线中心线时，稳定性控制部分这时就会起作用了。它是由四个在管道内部的延长支架组成。图1-3美国RIGID(里奇)管道疏通机 图1-4 EverstVit公司管道检测机器人美国RIGID(里奇)管道疏通机如图1-3所示，其基本原理是利用机械装置带动软轴(弹簧软管)旋转深入管道进行管道疏通。软轴大多为分段结构，两端有接头可将多根软轴接在一起使用，从而可疏通较长距离的管道。用于排水管道疏通的疏通机一般作业直径范围100mm250mm之间，最大疏通距离一般为50m。根据疏通管道
11、的直径配备不同的钻具(刀头)进行管道疏通。软轴采用65Mn特质弹簧钢丝为原材料经特殊工艺加下而成，坚固而有韧性，可以顺利通过180弯道或连续180返水弯管。图1-4所示EverstVit公司的管道检测机器人系列，采用轮式移动机构，这种移动机构在管道街头部分或者管道里污垢沉积较多时就不能行走自如。俄罗斯“塔里斯”公司的“月球车”，如图1-5所示，即机器人维修车。该车的9个电驱动装置能把整个机器联接起来，推出并转动工作部件、翻转摄像机用于观察修理过程，还能“指使”刷子去清洗应洗的部位。除此以外，为了使机器人能从竖孔中钻进横向管道，机器人自身可折弯，因而可在直径190mm600mm的管道中工作。机器
12、人的机身是一整块不锈钢加工出来的，只有这样才能达到轮子所必需的孔的同轴度和可靠的密封性要求。机器人安装的轮子以0.3 m/s的速度向前行驶，有大功率灯泡照明，摄像机通过向不同的方向旋转可以判断故障点。在发现故障点后机器人用一整套工具(铣刀、钻头、切割和清理工具)完成各道工序。机器人由操作师控制，操作师的指令将传给机器人内安装的微处理系统。德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。2000年德国研制成功世界第一个链式污水管道检查机器人MAKRO管道机器人，如图1-6所示。它采用分段蠕虫状外形设计，使其具备了前所未有的灵活性，可以实现对排水管道的初步清理及检测。适用于大直径、淤积不严重、
13、管路复杂的排水管道。MAKRO的缺点是密封性不好，不宜在过分潮湿的环境中长时间工作。 图1-5 月球车（适应管径范围300-900mm） 图1-6 MAKRO管道机器人二十世纪80年代，计算机、传感器、现代控制理论和技术的发展为管内机器人的应用与研究提供了有力的技术支持，国外相继开发、研制了多种类型的管内检测移动机器人。日木吸取法、美等国的研究成果和应用现代技术，开发了多种形式的管道机器人。例如，日木关西电力株式会社开发出了适用于288mm388mm管径、管长1000m的海水管道检查用履带式机器人，该机器人通过沿径向分布的履带在水平管和垂直管内自主行走，移动速度为5m/min。日本大阪燃气株式
14、会社研制的内置磁铁轮式煤气管道检测机器人可沿直管和弯管行走，适于管径150mm600mm，行走速度5m/min，采用光缆通讯，但由于携带的蓄电池电能的限制，还不能实现较远的行走。日本推出的“三藏法师”用于清洗、检测空调通风管道的超小型机器人，如图1-7所示，是被世界认可的风管清扫系统(具有美国、日本、欧洲多国专利)，其特长为:1、使用新开发的多功能超小型机器人，可有效的对各式各样的风管进行污染诊断和清扫。2、不管风管是何种形状，即使是过滤器也无法除去的微细粉尘和细菌也可彻底清除，有效的防止空气污染。3、风管内的污染诊断由机载摄像头进行记录，装备有在无电源场所也能自由行走的机能。图1-7中央空调
15、风管清扫机器人目前，日本、美国等发达国家在管道机器人技术方面做了大量工作，尤其是日本在管道机器人的研究及开发领域中取得了领先的地位。日本和美国都是机器人发展较成熟的国家，对空调管道机器人的研究也较成熟，上面介绍的日本管道机器人，体积小，能清洗任何形状的空调通风管道，不但可以做清扫任务，还可做检测任务。美国的管道机器人也已经开发出一系列的管道机器人。其他国家也研究了用于排水管道清理的机器人，但都有各自的优缺点，目前，这些机器人仍不能用于清洗油烟管道的顽固油垢。我国对管道机器人的研究始于上个世纪八十年代末期，哈尔滨工业大学、上海交通大学、广州工业大学、东华大学、上海大学等高校和科研院所都做了这方面的工作，在理论上和应用上取得了很多进步。近几年来，用于空调管道清洗和检测的管道机器人如雨后春笋般的出现的市场在上，己初见规模。目前国内研究的管道机器人主要应用在以下4个方面:1、空调通风管道清洗机器人中科院兰州分院研发的清洁机器人样机是据400mm400mm和500mm500mm空调通风管道设计的，具有在管道中行走、对管道内污染情况进行观察和对污染物进行清洁的功能。国内自主研
