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（优秀毕业全套设计）管道爬行器的研究与设计

初步确定螺杆杆轴的最小轴径按机械设计式初步估算丝杆轴的最小轴径，选取材料为钢，调质处理。根据机械设计表取初步设定螺杆转速为.式中，可根据主体电机取求取轴向力按照自锁条件先求出当量摩擦角，查机械设表知螺旋副材料中钢对钢的摩擦系数，取中间值.，则当量摩擦角则在此按最大值计算，取耐磨性计算滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力滑动速度螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大，螺旋副间越容易形成磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力，使其小于材料的许用压力。假设作用于螺杆的轴向力为单位为，螺纹的承压面积指螺纹工作表面投影到垂直于轴向力的平面上的面积为单位为，螺纹中径为单位为，螺纹工作高度为单位为，螺纹螺距为单位为，螺母高度为单位为，螺纹工作圈数为，则螺纹工作面上的耐磨性条件为上式可作为校核计算用。将代入上式整理后得计算螺杆中径查机械设计第页，由于工作圈数不多，故取查机械设计第页表取则因为按剪切强度计算的最小直径为.，由根据国家标准选取螺纹公称直径，.的螺纹。螺母高度.旋合圈数故旋合圈数合理螺纹工作高度验算工作压强验算自锁自锁条件，对于单线螺纹，为当量摩擦角等于。则自锁条件满足。螺杆强度计算螺杆工作时承受轴向压力或拉力和扭转的作用。螺杆危险截面上既有压缩或拉伸应力，又有切应力。因此，校核螺杆强度时应根据第四强度理论求出危险截面的计算应力，其强度条件为式中螺杆所受的轴向压力或拉力，单位为螺杆螺纹小径，单位为螺杆所受的扭矩螺杆材料的许用应力，单位为。则螺杆材料的许用应力查机械设计手册表.知，故螺杆强度满足。螺纹牙强度螺纹牙宽度螺杆的强度校核螺纹牙多发生剪切和挤压破坏，般螺母的材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹牙的强度。如果将圈螺纹沿螺母的螺纹大径单位为处展开，则可看作宽度为的悬臂梁。假设螺母每圈螺纹所承受的平均压力为，并作用在以螺纹中径单位为为直径的圆周上，则螺纹牙危险截面的剪切强度条件为螺纹牙危险截面的弯曲强度条件为式中螺纹牙根部的厚度，单位为，对于矩形螺纹，.，对于梯形螺纹，.，为螺纹螺距弯曲力臂，单位为螺母材料的许用切应力，单位为，见机械设计表螺母材料的许用弯曲应力，单位为，见机械设计表.抗剪强度其中查机械设计表并计算得.抗弯强度其中查机械设计表经计算知。丝母的强度校核.抗剪强度其中查机械设计表知。.抗弯强度其中查机械设计表知。故丝母强度满足。综上计算所的螺杆工程图如图。螺母工程图如图。图螺杆工程图图螺母工程图选择联轴器联轴器是机械传动中重要的轴系部件。主要用来联接两轴有时也实现轴与其它转动零件的联接，使之起转动并传递运动和动力。两轴用联轴器联接，只有停机并经拆卸才能分离采用联轴器可把整机分成若干部件，便于机器的设计制造装拆及运输联轴器大都已标难化系列化，因此主要问题是如何合理选择。因输出输入端均为。故选择型弹性套柱销联轴器。选择键键是机械传动部分的动力传递原件，在选择时要求其符合传递扭矩的要求。且键已被国家定位标准件，在此主要进行间的选择和校核。根据轴的直径，由机械设计表选择普通平键的圆头平键,材料选钢。依据键的校核如下式中传递的转矩.，为键的高度键的接触长度，轴的直径，可计算得查机械设计表静载荷时可知所选的圆头平键符合条件.吊环的设计如前所诉，吊环采用榫卯结构，吊环与环槽的表面粗糙度要求达到.。其工作原理是根据吊环的自重，调节吊环始终与地面保持垂直。因其受力不大，减轻重量，故材料采用硬铝。图吊环装配图图吊环爆炸图.轴承的设计用于固定螺杆。螺杆后部只是普通光轴，转速低。故采用滑动轴承表面粗糙度要求较高，又因轴承在主体内的紧固要求采用自行设计的轴承。的为减轻重量材料采用硬铝。其工程图如图。图轴承工程图.机腿的设计其三维装配图，爆炸图如图，。图机腿装配图图机腿爆炸图机腿通过关节的伸缩进行自适应调节。连接杆与推动盘连结。连接杆与机腿采用铰链。为适应管道最大内径的调节，关节尺寸为，关节尺寸为，关节尺寸为。.驱动轮的设计驱动轮的设计与方案二大至上致部分结构不同，故不在赘述原理。驱动轮装配和爆炸如图，图。原动力电动机的选择与计算在机器人的电气控制研究设计部分完成。图驱动轮装配体图驱动轮爆炸视图.管道爬行的实现图管道内爬行实现.管道内路口转弯的实现在十字型管道内爬行时，会遇到驱动轮悬空，并可能被卡住的情况。此时，在通过摄像观测装置观测到该种情况时，工作人员通过控制机身电机，进给螺杆开始转动，使螺母水平移动，从而使机腿伸缩，以通过该类型管道，如图。其控制过程框图如图。程序中控制由现场工作人员控制，通过对机身电机的控制，以实现机腿的伸缩。这里只是叙述了爬行器前半身过复杂管道的控制过程图，再后半身过复杂管道时，基本类似，故不在赘述。机器人的电气电路控制设计将在本文的第六部分进行阐述。.总体装配体设计根据三维造型和各零件的设计，现设计出方案三总体装配图如图。图爬行器装配体工程图管道爬行机器人的功能分析根据管道机器人的机械部分的设计，要求这种伞型足的爬行器在管道中要完成前进，后退，转弯以及前伞，后伞的张开和闭合等动作，管道机器人在工作条件下需要有较强劲的动力，较好的可控性，能够在管道内确定自己的位置，来精确的定位的管道破损处定位系统，由机器人的位置来确定管道破损的确切位置。要求较小的体积以及较简单的电路。根据机器人的动作要求可以把管道机器人的动力源设计为由个电机来控制机器人的爬行前进，后退采用的动力驱动。由个电机来控制前后伞足的张开和闭合。根据前后伞足的张开和闭合，爬行机器人的转弯等，必须要求前后伞足的张开及闭合为独立事件，相互不干扰才能完成转弯时伞足的独立动作。管道爬行机器人的动作分析管道爬行机器人主要完成的动作有六轮的驱动前进，后退，调速。伞足的张开和闭合前后相对独立。管道中的转弯动作顺序前伞足闭合后伞足前进前伞足打开后伞足闭合前伞足前进后伞足打开。由吊环进行机器人的姿态调整自适应。照明管道中十分黑暗，摄像头摄像，必须有照明设施。电气控制基本元器件的选取基于以上电气运转控制及顺序制动的问题分析，根据管道机器人的使用特点和工作条件，要求方便，安全，可靠，性能优越，价廉，适用于复杂的环境条件，体积小，重量轻，可控性能好等，可对元器件进行如下选取.电机的参数计算与选取驱动轮电机的参数计算通过对机器人的三维实体建模，以及材料的选取，通过已知密度进行零件分析，查阅资料综合算的爬行器的总质量为通过查阅相关资料查得橡胶与钢之间摩擦系数为.，则取实际计算摩擦系数为最大功率轮子承受的压力为机器人的重力与机腿张开时产生的管壁压力为机器人的重力，为机腿对管壁的压力由于工作时，机腿张开的幅度不同，所产生的压力也不同。为了安全和电机满足设计要求的目标，机腿张开对管壁的压力可取倍的重力。即根据牛顿第定律，牛顿第二定律可算得根据要求爬行器在管道内的速度为为了保证安全系数为.，则实际电机计算功率为主电机参数计算主电机通过联轴器丝杠螺母滑块曲柄机腿通过对曲柄滑块的分析如图图机腿张合机构原理图通过采用实体分析，可以得出机腿的质量及驱动轮整体的质量，即根据图分析，采取安全计算方法，极限位时,对机腿进行受力分析如图，滑块的推力最大。图机腿机构受力分析根据理论力学的知识，计算如下根据平行四边形法则，重力可分解为,两个分力。螺母的推力可分为，两个分力。可规定螺母速度为则按照安全计算方法，可得螺母功率为从电机联轴器丝杠螺母传动过程中，查机械传动手册传递效率依次为，为了符合安全系数，和考虑到野外工作电源电压受时间的变化，电机功率的选应以.倍的计算功率选取。机器人动力源的选取最终确定驱动轮电机的功率为，主电机功率为。根据以上分析，需选用调速性能好，可控性高，体积小，容量小并且价廉的直流他励电动机作为执行元件。对于此种直流小功率电机可以查电机工程手册，对于直径在毫米以下，功率在以下的直流电机般都中小功率用电机的技术数据，采用铁氧体永磁以及的圆筒式钢板外壳电机。经查表对于主电机可以选用额定电压为的的直流电机，主要技术参数为空载时转速转分，内阻.欧姆，电流.负载下转速转分，电流.，效率，转矩。对于驱动轮电机的选取，根据电器元件配合的简单，方便的原则，结合主电机的额度电压，可以初步选择小电机额定电压为，查电机工程手册初定为驱动轮电机选用型。.电源的选取机器人的工作场所般在野外，户外对于电源的便携性，耐久性，可靠性要求较高。所以选用可充电的蓄电池直流电源。它重量轻，体积小，电量大，是较为理想的恒压源。根据机器人电机的要求和控制电路的要求，可以选择主要技术参数为电压的直流蓄电池和电池组作为机器人的电源。.电机调速元件的选取对于直流电机的调速比较简单，由公式可知调速有三种方法调压调速节气隙磁通调节电枢电路串接电阻调速新型调节脉宽对于这种永磁式小容量直流电机磁通量为定值，调节气隙磁通不现实。采用调压调速对于我们所用的直流蓄电池来讲也不现实，直流变压没有交流变压简单，因为这样设备较为复杂，成本上升。所以我们考虑最为简单的调速方法和新型型脉宽调速。串联电阻调速方法的实现在电枢电路中串接电阻滑动变阻器。可以进行无极调速，虽然这样会大大减弱电机的机械特性曲线的硬度，但不失为种快捷，简单的变速方法。串联电阻的计算如下对于电机的转速可近似认为对于已经出厂的电机来讲是定值。由所选的电机参数可知，有负载时对于加上串联电阻后我们希望得到的调速电机的转速为则有，则有.，由于为理论值，考虑到直流电机采用电枢串联电阻调速会使电机的机械特性曲线大幅变软，又要保证机器人电机在负载下能正常工作，所以就可用滑动变阻器来进行电阻补偿调速。由以上计算，可选择滑动变阻器量程为欧姆的型号。新型调节脉宽型调速的实现脉宽调制调速系统是近期流行起来的对于直流电机无极调速的最优化的调速系统。它相比改变电压电压，改变磁通参数，改变电枢电流等具有相当大的优越性。脉宽调制就是使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下，开关频率频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间的方法来改变其输出，从而使电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲。其工作原理电枢两端电压变化如图图原理图主要是通过单片机和晶体管将电压信号进行调制转换为脉冲宽度调制。通过调节频率和脉宽使直流电动机的工作时间有定的空行程比例，我们成为占空比，脉宽的连续变化，使电枢电压的平均值也连续变化，因而使电机转速连续调整。调速的原理决定了它的电路图要采用单片机，进行脉宽的控制，和电机的驱动。的电路连接图有很多，不同公司生产的控制电路板不同，本文仅以电路板为例，其电路图如图图控制电路图其中，驱动电机的功放般选用型桥式开关放大器，由个晶体管构成换向，放大电路，其电路图如图。这种电机驱动电路可以通过激发不同的晶体管的工作方式，进行电机正反装控制，电机的调速。电机调速方法的确定及元件的确定通过以上电路的设计与分析，采用电枢串联电阻的调速方法的特点是电路简单价格低廉