管道爬行器的研究報(bào)告及設(shè)計(jì)

1、-PAGE . z.管道爬行器的研究與設(shè)計(jì)-. z.1緒論隨著社會的開展和人民生活水平的提高，天然氣管道以及各種輸送管道的應(yīng)用越來越多。在我國及世界各個(gè)國家，由于地形的限制和土地資源的有限，在地下都埋設(shè)了很多的輸送管道，例如，一方面天然氣管道、石油管道等，在埋有管道的地面上都已經(jīng)建成了很多的建筑物、公路等，給管道的維修和維護(hù)造成了很大的困難。當(dāng)這些管道由于*些原因造成了泄露、堵塞等問題時(shí)，人們普通的做法是挖開道路進(jìn)展維修，有些時(shí)候如果不能準(zhǔn)確判斷泄露和堵塞的具體位置時(shí)，會浪費(fèi)很多的時(shí)間和精力，同時(shí)降低了工作效率7。另一方面石油、天然氣、化工、電力、冶金等工業(yè)的管道工程大多采用焊接收路。為了保證

2、焊接收路的焊接質(zhì)量和運(yùn)行平安,管道工程都要對焊縫進(jìn)展檢測,檢測焊接部位是否存在虛焊、漏焊、傷痕等焊接缺陷。常用的焊縫檢測方法是采用無損檢測,如超聲、射線、渦流等。對于管路檢測,則大多采用管道爬行探傷檢驗(yàn)設(shè)備(簡稱爬行器) 對焊縫進(jìn)展射線檢測。這類爬行器由于受管道尺寸的限制,大多構(gòu)造十分緊湊。在檢測過程中,爬行器在其控制系統(tǒng)的控制下,可連續(xù)對同一管道不同位置上的焊縫質(zhì)量進(jìn)展檢驗(yàn)?？紤]管道焊縫檢測的效率,常常當(dāng)管道焊接具有一定長度之后,才集中對管道進(jìn)展檢測。如果一次要檢測的管道比擬長,爬行器的控制系統(tǒng)應(yīng)采用車載式布置。使用時(shí),通過外部的控制器對爬行器上的控制系統(tǒng)發(fā)出指令,決定爬行器的工作狀態(tài)。隨著

3、機(jī)電一體化技術(shù)的開展，以及機(jī)器人技術(shù)的開展和管道測試等技術(shù)的進(jìn)一步開展，相互之間的滲透程度越來越深，管道爬行機(jī)器人是在狹窄空間中進(jìn)展精細(xì)操作、檢測或作業(yè)的機(jī)器人系統(tǒng)。其中機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境一般是危險(xiǎn)的?；鹆Πl(fā)電廠、核電廠、化工廠、民用建筑等用到各種各小管道，其平安使用需要定期檢修。但由于窄小空間的限制，自動(dòng)維修存在一定難度。僅以核電站為例，檢查時(shí)工人勞動(dòng)條件惡劣。因此管道機(jī)器人化自動(dòng)檢查技術(shù)的研究與應(yīng)用十分必要。人們不再為了維修、維護(hù)管道時(shí)挖開道路，節(jié)省了大量的人力，物力和財(cái)力。目前的管道機(jī)器人都是以履帶、輪子等實(shí)現(xiàn)在管道中的移動(dòng)，其技術(shù)有著或多或少的缺陷，市場尚不成熟。例如：不能適應(yīng)大圍的管道

4、徑變化，運(yùn)行中姿態(tài)的調(diào)整不夠理想，在十字型、丁字型等較復(fù)雜的管道徑中不能較平穩(wěn)的通過等等；結(jié)合目前管道機(jī)器人所存在的缺點(diǎn)，應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理等專業(yè)知識，設(shè)計(jì)出了新型管道爬行機(jī)器人。此機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)大圍的管道徑變化，順利通過十字型、丁字型等較復(fù)雜管道；在運(yùn)行中的姿態(tài)調(diào)整也得到了較好的解決。2設(shè)計(jì)方案初步分析2.1 無線控制與有線控制的選擇2.1.1有線控制及拖拽 該方式采用機(jī)器人尾部裝夾電纜、信號線、平安繩、其他電路等等，這樣會造成機(jī)器人的牽引力增大，對爬行器的負(fù)載力和足輪的摩擦力提出了更高的要求，尤其是隨著機(jī)器人的深入，牽引繩會成為機(jī)器人的累贅和枷鎖。牽引繩的長短禁錮著機(jī)器人的爬行深度。其優(yōu)

5、缺點(diǎn)如下：缺點(diǎn)：附著力會不斷增大，爬行器負(fù)載變化大，不利于長距離爬行。優(yōu)點(diǎn)：爬行器本身初始載重小本身不需攜帶能源等，信息反應(yīng)及時(shí)清晰，利于后期觀察，也利于實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控。觀察完畢時(shí)，可人工使用平安繩退出。 非拖曳該方式不需跟隨電纜線，本身有拍攝存儲功能，并且本身攜帶電源等，其優(yōu)缺點(diǎn)如下：缺點(diǎn)：爬行器本身載重加大，需設(shè)計(jì)爬行器退出管道方式等。優(yōu)點(diǎn)：爬行器載重恒定，便于爬行器爬行。其在管道行進(jìn)方便，尤其在彎道時(shí)，拖曳式的過大的牽引力會使爬行器驅(qū)動(dòng)輪打滑，不易通過。根據(jù)要求，非拖曳雖有自己強(qiáng)大優(yōu)點(diǎn)，但爬行器在管道出現(xiàn)問題而不能移動(dòng)時(shí)，需要花費(fèi)很大力氣將爬行器取出?？梢赃x擇有線拖拽式。2.2 驅(qū)動(dòng)方式選

6、擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求現(xiàn)擬訂2種爬行器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案如圖1，2：圖1 輪式爬行圖2 履帶式爬行2.2.1輪式爬行設(shè)計(jì)制造簡便，本錢低廉。但其穿越障礙能力差，只能穿越高度小于其本身半徑的障礙物。如圖3。圖3 輪式爬行越障履帶爬行越障礙能力高于輪式爬行，但本身設(shè)計(jì)制造較復(fù)雜，本錢相應(yīng)提高一個(gè)支點(diǎn)最少需4輪才可以爬行3。根據(jù)設(shè)計(jì)要求本機(jī)器人是在管道行走的機(jī)器人，無需考慮臺階等障礙物的問題，盡量降低本錢，在不影響設(shè)計(jì)本身功能時(shí)，盡可能采用制造工藝簡單，本錢低的設(shè)計(jì)方案。可以采用輪式爬行。2.3姿態(tài)調(diào)整的選擇根據(jù)要求結(jié)合可行性，可以擬定3種方案如下：2.3.1加傳感器的關(guān)節(jié)進(jìn)展調(diào)整在管道爬行時(shí)會出現(xiàn)爬行器偏移原來

7、軌道，可用傾斜傳感器進(jìn)展控制。現(xiàn)擬訂采用改變輪子履帶前進(jìn)方向一定角度來進(jìn)展矯正加關(guān)節(jié)。其原理為：通過電磁鐵的吸合，從而控制爬行器的爬行軌跡。關(guān)節(jié)單元裝配圖如圖4：圖4 關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)通過關(guān)節(jié)調(diào)整可實(shí)現(xiàn)如圖5：圖5 關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)2.3.2利用吊籃方式進(jìn)展調(diào)整在爬行器安裝吊籃置攝像觀察裝置。當(dāng)爬行器偏斜時(shí)，吊蘭因?yàn)楹蜋C(jī)座為鉸鏈連接，保存一個(gè)自由度，由于重力的原因不會隨著爬行器偏斜而偏斜，而是在任何時(shí)候都垂直與地面。其在爬行器遇到傾斜時(shí)的自動(dòng)調(diào)節(jié)如圖6。通過吊籃式調(diào)節(jié)，攝像裝置始終保持與水平面平行圖6 吊籃式的實(shí)現(xiàn)2.3.3采用新式吊籃進(jìn)展調(diào)整根據(jù)吊籃的原理，結(jié)合魯班的榫卯構(gòu)造，可以采用2個(gè)偏心圓環(huán)相扣

8、，進(jìn)展重力自由調(diào)節(jié)，其原理如圖7如圖7 小環(huán)直徑為150mm，大環(huán)直徑為250mm，大環(huán)與小環(huán)相切，小環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)并不能帶動(dòng)大環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并且大環(huán)會由于重力的作用始終與地面保持平行?？梢栽诖蟓h(huán)上安裝照明器件和信號采集器件，是它們能夠與地面保持平行。根據(jù)這種思路，可以3D造型，進(jìn)展新式吊籃調(diào)節(jié)如圖8,圖9。 圖7 吊環(huán)原理圖2.4自適應(yīng)分析圖8 吊籃分裝圖 圖9 吊籃裝配圖2.4.1伸縮臂長和加彈簧方式大圍徑變化400-1100在支撐臂上添加變長桿，小圍在支撐臂上添加彈簧。2.4.2 伸縮臂長和傘型搖桿在4001100大圍的管道中爬行，可通過使支架伸縮來改變。在管道直徑改變不大處爬行，十字型、丁字型等

9、較復(fù)雜管道徑時(shí)可通過傘型搖桿閉合控制支撐臂移動(dòng)以適應(yīng)，通過傘型搖桿與伸縮桿的結(jié)合就可以變換出很多適應(yīng)不同管道徑的條件。以上2方案各有其優(yōu)點(diǎn)，相比擬下，第2種方案更符合要求，但其需要獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)單元，因此制造本錢遠(yuǎn)高于第1種方案。在普通情況下，第1種方案足可以適應(yīng)。故再做出三維造型后進(jìn)一步進(jìn)展運(yùn)動(dòng)分析。2.5方案的根本確定通過以上分析，初步確定采用有線拖拽式，但姿態(tài)調(diào)整和自適應(yīng)均存在3種不同的方案可供選擇，故設(shè)計(jì)3種總體方案再進(jìn)一步分析。方案一：姿態(tài)調(diào)整采用關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)，自適應(yīng)采用變長桿和彈簧。方案二：姿態(tài)調(diào)整采用吊籃方式，自適應(yīng)采用伸縮臂和傘型合構(gòu)造。方案三：姿態(tài)調(diào)整采用新式榫卯吊籃方式，自適應(yīng)采用

10、伸縮臂和傘型合構(gòu)。3方案一的設(shè)計(jì)與分析綜合設(shè)計(jì)方案一如圖9.本方案根本有3局部組成，1機(jī)身、2機(jī)腿、3驅(qū)動(dòng)輪。圖9 方案一的三維效果圖3.1機(jī)身的設(shè)計(jì)可裝載各種探測設(shè)備等，如圖10。圖10 機(jī)身3.2 機(jī)腿的設(shè)計(jì) 由9局部組成，其三維圖與爆炸圖如圖11。機(jī)腿可分為3個(gè)單元：伸縮單元1-5、變長單元6、關(guān)節(jié)單元7-10。通過螺紋連接。其爆炸圖如圖11。三維轉(zhuǎn)配圖如圖12。圖11 機(jī)腿的爆炸圖3.2.1 伸縮單元1-5局部組成的伸縮單元依靠彈簧的彈性變形以適應(yīng)小圍的管道直徑變化和越障。其三維圖如圖13。圖13 伸縮單元三維圖圖14 變長桿圖12 機(jī)腿裝配圖 變長單元6為變長桿，可以人為的更換增長或

11、縮短以適應(yīng)管道直徑的大圍變化。其三維圖如圖14。 關(guān)節(jié)單元7-10局部組成關(guān)節(jié)單元，7、9上均裝有電磁鐵，7、8，8、9之間用螺母和繞簧固定。各部位三維圖如圖15。關(guān)節(jié)單元用于爬行器的姿態(tài)調(diào)整。其原理為通過傾斜傳感器對爬行器進(jìn)展監(jiān)控。當(dāng)爬行器偏移其原軌道，傾斜傳感器發(fā)出電信號，此時(shí)7或9上的電磁鐵得電，吸合8，促使輪子向左或右傾斜，以校正爬行器。在爬行器被校正后，傾斜傳感器發(fā)出信號，使電磁鐵斷電，在繞簧的作用力下，使關(guān)節(jié)各部位復(fù)位。圖15 關(guān)節(jié)單元零件圖爬行器正常前進(jìn)。7、9分別用于爬行器的左、右校正。3.3驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)輪由5局部組成，如圖16圖16 驅(qū)動(dòng)輪三維圖與爆炸圖(1)聯(lián)接塊用于與

12、驅(qū)動(dòng)輪與關(guān)節(jié)單元的聯(lián)接。(2)電動(dòng)機(jī)箱安裝步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)。用以驅(qū)動(dòng)輪子。3.4 方案一的分析優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡單，制造本錢低廉，對管道徑變化不大和彎道較少時(shí)根本能滿足設(shè)計(jì)要求。缺點(diǎn)：該爬行器在爬行器由于機(jī)身是長方體，在管道轉(zhuǎn)彎時(shí)，會出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象，在爬行十字型、丁字型管道徑時(shí)會出現(xiàn)在機(jī)腿卡在管道中，驅(qū)動(dòng)輪懸空等情況；但該種情況，一般當(dāng)輪子半徑大于管道壁厚，也能順利通過。4方案二的設(shè)計(jì)與分析根據(jù)方案一的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)展改進(jìn)，增加必要改進(jìn)元素，現(xiàn)設(shè)計(jì)出方案二，如圖17。本方案由3局部組成：1機(jī)身，2機(jī)腿，3驅(qū)動(dòng)輪。圖17 方案二的三維圖4.1 機(jī)身的設(shè)計(jì)機(jī)身設(shè)計(jì)成筒狀機(jī)身和其他部件組成。如圖18.圖18

13、 機(jī)壁三維圖4.2 機(jī)身部傳動(dòng)構(gòu)造設(shè)計(jì)機(jī)身部主要完成傘足的合傳動(dòng)，以及吊籃的安裝。如圖19。圖19 機(jī)身部三維圖4.3 進(jìn)給螺桿與螺母的設(shè)計(jì) 為使機(jī)腿伸縮，采用螺旋傳動(dòng)，該類型傳動(dòng)是利用螺桿絲杠和螺母組成的螺旋副來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。在爬行器中其工作原理為：進(jìn)給螺桿在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)展回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從而使螺母進(jìn)展水平移動(dòng)。螺母用來推動(dòng)機(jī)腿的伸縮，使爬行器進(jìn)展自適應(yīng)伸縮如圖20。圖20 絲杠螺母運(yùn)動(dòng)簡圖4.4 吊籃的設(shè)計(jì) 吊籃的活動(dòng)關(guān)節(jié)采用圓柱銷，采用間隙配合，以保證吊籃的左右移動(dòng)。其機(jī)構(gòu)圖如圖21，22。其工作原理為，在重力的作用下。吊籃通過活

14、動(dòng)關(guān)節(jié)始終保持與地面的水平?；顒?dòng)關(guān)節(jié)由一活動(dòng)銷聯(lián)結(jié)。吊籃通過螺母固定在機(jī)身上。圖21 吊籃三維圖 圖22吊籃示意圖4.5 機(jī)腿的設(shè)計(jì)機(jī)腿的三維造型如圖23圖23 機(jī)腿三維圖機(jī)腿通過關(guān)節(jié)1、2、3的伸縮進(jìn)展自適應(yīng)調(diào)節(jié)。連接桿與推動(dòng)盤連結(jié)。連接桿與關(guān)節(jié)3采用鉸接。為適應(yīng)管道最大徑1100mm的調(diào)節(jié)，關(guān)節(jié)1尺寸為200mm，關(guān)節(jié)2尺寸為150mm，關(guān)節(jié)3尺寸為100mm。4.6 方案二的分析優(yōu)點(diǎn)：能夠采用伸縮桿適應(yīng)大圍管道壁直徑變化，傘型構(gòu)造能夠適應(yīng)管道一定圍的轉(zhuǎn)彎，牽引力大，構(gòu)造緊湊，控制簡單。缺點(diǎn)：由于機(jī)身為一個(gè)圓筒整體，過長，不能完全適應(yīng)彎道的轉(zhuǎn)彎。吊籃安裝在機(jī)身部，安裝復(fù)雜，并且吊籃在部，不

15、能采用攝像頭觀察管道壁的情況。機(jī)身的制造復(fù)雜，孔系較多。5 方案三的設(shè)計(jì)與分析根據(jù)方案一，二的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合整理資料，經(jīng)過反復(fù)修改，提出新的設(shè)計(jì)思路，先設(shè)計(jì)出方案三，如圖24。本方案有3局部組成，1機(jī)身、2機(jī)腿、3驅(qū)動(dòng)輪。圖24 方案三的三維圖5.1機(jī)身的設(shè)計(jì) 機(jī)身主要有兩局部構(gòu)成，即前機(jī)身和后機(jī)身，對于管道轉(zhuǎn)彎的為題，我們可以借鑒火車的節(jié)裝構(gòu)造，設(shè)計(jì)出有兩節(jié)機(jī)身組成的機(jī)車型爬行器，減小機(jī)身長度，有利于機(jī)器人順利通過彎道，為減輕重量，機(jī)身材料選用硬鋁。5.1.1機(jī)身組成構(gòu)造 爬行器爬行最小徑為450mm，爬行最大徑1100mm。設(shè)計(jì)機(jī)身徑為150mm，外徑為200mm機(jī)壁厚度最小處為10mm。機(jī)

16、壁與機(jī)腿之間只是做簡單的伸縮動(dòng)作，前后機(jī)身可以采用旋轉(zhuǎn)鉸鏈連接故采用GB119-83 A5*40，采用間隙配合。其前后機(jī)身三維圖如圖25 ，圖26。圖25 前主體三維圖 圖26 后主體三維圖5.2機(jī)身部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)身部構(gòu)造為機(jī)腿運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在這里運(yùn)用絲杠和螺母構(gòu)造完成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。并推動(dòng)機(jī)腿的合。其構(gòu)造示意圖如圖275.2.1 進(jìn)給絲杠和螺母的設(shè)計(jì) 為使機(jī)腿伸縮，采用螺旋傳動(dòng)，該類型傳動(dòng)是利用螺桿絲杠和螺母組成的螺旋副來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。圖27 絲杠螺母裝配圖在爬行器中其工作原理為：進(jìn)給螺桿在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)展回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

17、。從而使螺母進(jìn)展水平移動(dòng)。螺母用來推動(dòng)機(jī)腿的合，使爬行器進(jìn)展自適應(yīng)合。A初步確定螺桿桿軸的最小軸徑按機(jī)械設(shè)計(jì)式15-2 初步估算絲桿軸的最小軸徑，選取材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表15-3取A0=112 初步設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速為30r/min=112=15.28mm (1)式中，P可根據(jù)主體電機(jī)取P=89W n=30r/min B求取軸向力 按照自鎖條件先求出當(dāng)量摩擦角，查機(jī)械設(shè)表5-12知螺旋副材料中鋼對鋼的摩擦系數(shù)，取中間值0.15，則當(dāng)量摩擦角(2)則在此按最大值計(jì)算，取C耐磨性計(jì)算滑動(dòng)螺旋的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動(dòng)速度、螺紋外表粗糙度以及潤滑狀態(tài)等因素有關(guān)。其中最主要的是螺紋工

18、作面上的壓力，壓力越大，螺旋副間越容易形成磨損。因此，滑動(dòng)螺旋的耐磨性計(jì)算，主要是限制螺紋工作面上的壓力p，使其小于材料的許用壓力。假設(shè)作用于螺桿的軸向力為F單位為N)，螺紋的承壓面積指螺紋工作外表投影到垂直于軸向力的平面上的面積為A單位為，螺紋中徑為單位為mm，螺紋工作高度為h單位為mm，螺紋螺距為P單位為mm，螺母高度為H單位為mm，螺紋工作圈數(shù)為，則螺紋工作面上的耐磨性條件為(3)上式可作為校核計(jì)算用。將代入上式整理后得(4)a計(jì)算螺桿中徑查機(jī)械設(shè)計(jì)第97頁，由于工作圈數(shù)不多，故取查機(jī)械設(shè)計(jì)第97頁表5-12取 則因?yàn)榘醇羟袕?qiáng)度計(jì)算的最小直徑為15.28mm ，由d2=26mm根據(jù)國家標(biāo)

19、準(zhǔn)選取螺紋公稱直徑d=30mm，P=3.5mm的螺紋。(5)b螺母高度H=1.526=39mmc 旋合圈數(shù)(6)故旋合圈數(shù)合理d螺紋工作高度 (7)e驗(yàn)算工作壓強(qiáng)(8)D驗(yàn)算自鎖 自鎖條件，對于單線螺紋，為當(dāng)量摩擦角等于。則：自鎖條件滿足。E螺桿強(qiáng)度計(jì)算 螺桿工作時(shí)承受軸向壓力或拉力F和扭轉(zhuǎn)T的作用。螺桿危險(xiǎn)截面上既有壓縮或拉伸應(yīng)力，又有切應(yīng)力。因此，校核螺桿強(qiáng)度時(shí)應(yīng)根據(jù)第四強(qiáng)度理論求出危險(xiǎn)截面的計(jì)算應(yīng)力，其強(qiáng)度條件為 (9)mm式中：F 螺桿所受的軸向壓力或拉力，單位為N； 螺桿螺紋小徑，單位為mm；T 螺桿所受的扭矩；螺桿材料的許用應(yīng)力，單位為MPa。則： 螺桿材料的許用應(yīng)力 查機(jī)械設(shè)計(jì)手

20、冊表34.2-10知=80，故螺桿強(qiáng)度滿足。F螺紋牙強(qiáng)度(1)螺紋牙寬度(2)螺桿的強(qiáng)度校核螺紋牙多發(fā)生剪切和擠壓破壞，一般螺母的材料強(qiáng)度低于螺桿，故只需校核螺母螺紋牙的強(qiáng)度。如果將一圈螺紋沿螺母的螺紋大徑D單位為mm處展開，則可看作寬度為的懸臂梁。假設(shè)螺母每圈螺紋所承受的平均壓力為，并作用在以螺紋中徑單位為mm為直徑的圓周上，則螺紋牙危險(xiǎn)截面aa的剪切強(qiáng)度條件為(10)螺紋牙危險(xiǎn)截面aa的彎曲強(qiáng)度條件為(11)式中：b 螺紋牙根部的厚度，單位為mm，對于矩形螺紋，b0.5P，對于梯形螺紋，b0.65P，P為螺紋螺距；l 彎曲力臂，單位為mm 螺母材料的許用切應(yīng)力，單位為MPa，見機(jī)械設(shè)計(jì)表5

21、-13；螺母材料的許用彎曲應(yīng)力，單位為MPa，見機(jī)械設(shè)計(jì)表5-13；a.抗剪強(qiáng)度其中查 機(jī)械設(shè)計(jì)表5-13 并計(jì)算得=48MPab.抗彎強(qiáng)度其中查機(jī)械設(shè)計(jì)表5-13經(jīng)計(jì)算知=80MPa。(3)絲母的強(qiáng)度校核a.抗剪強(qiáng)度其中查機(jī)械設(shè)計(jì)表15-3知。b.抗彎強(qiáng)度 其中查機(jī)械設(shè)計(jì)表15-3知=80MPa。故絲母強(qiáng)度滿足。綜上計(jì)算所的螺桿工程圖如圖28。螺母工程圖如圖29。圖28 螺桿工程圖圖29 螺母工程圖 選擇聯(lián)軸器聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)中重要的軸系部件。主要用來聯(lián)接兩軸(有時(shí)也實(shí)現(xiàn)軸與其它轉(zhuǎn)動(dòng)零件的聯(lián)接)，使之一起轉(zhuǎn)動(dòng)并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。兩軸用聯(lián)軸器聯(lián)接， 只有停機(jī)并經(jīng)拆卸才能別離；采用聯(lián)軸器可把整機(jī)分

22、成假設(shè)干部件，便于機(jī)器的 設(shè)計(jì)、制造、裝拆及運(yùn)輸；聯(lián)軸器大都已標(biāo)難化、系列化，因此主要問題是如何合理選擇。因輸出輸入端均為16mm。應(yīng)選擇Tl8型彈性套柱銷聯(lián)軸器。5.2.3 選擇鍵鍵是機(jī)械傳動(dòng)局部的動(dòng)力傳遞原件，在選擇時(shí)要求其符合傳遞扭矩的要求。且鍵已被國家定位標(biāo)準(zhǔn)件，在此主要進(jìn)展間的選擇和校核。根據(jù)軸的直徑，由機(jī)械設(shè)計(jì)表6-1 選擇普通平鍵的圓頭平鍵,材料選45鋼。依據(jù)鍵的校核如下： (12)式中： T傳遞的轉(zhuǎn)矩kk=0.5h ，h為鍵的高度l鍵的接觸長度，mmd軸的直徑，mm 可計(jì)算得：查機(jī)械設(shè)計(jì)表6-2 靜載荷時(shí)可知所選的圓頭平鍵符合條件5.3 吊環(huán)的設(shè)計(jì)如前所訴，吊環(huán)采用榫卯構(gòu)造，吊

23、環(huán)與環(huán)槽的外表粗糙度要求到達(dá)Ra1.6。其工作原理是根據(jù)吊環(huán)的自重，調(diào)節(jié)吊環(huán)始終與地面保持垂直。因其受力不大，減輕重量，故材料采用硬鋁。圖30 吊環(huán)裝配圖圖31 吊環(huán)爆炸圖5.4 軸承的設(shè)計(jì)用于固定螺桿。螺桿后部只是普通光軸，轉(zhuǎn)速低。故采用滑動(dòng)軸承外表粗糙度要求較高，又因軸承在主體的緊固要求采用自行設(shè)計(jì)的軸承。的為減輕重量材料采用硬鋁。其工程圖如圖32。圖32 軸承工程圖5.5 機(jī)腿的設(shè)計(jì)其三維裝配圖，爆炸圖如圖33，34。圖33 機(jī)腿裝配圖圖34 機(jī)腿爆炸圖機(jī)腿通過關(guān)節(jié)1、2、3的伸縮進(jìn)展自適應(yīng)調(diào)節(jié)。連接桿與推動(dòng)盤連結(jié)。連接桿與機(jī)腿1采用鉸鏈。為適應(yīng)管道最大徑1100mm的調(diào)節(jié)，關(guān)節(jié)1尺寸為

24、250mm，關(guān)節(jié)2尺寸為150mm，關(guān)節(jié)3尺寸為100mm。5.6驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)與方案二大至上一致局部構(gòu)造不同，故不在贅述原理。驅(qū)動(dòng)輪裝配和爆炸如圖35，圖36。原動(dòng)力電動(dòng)機(jī)的選擇與計(jì)算在機(jī)器人的電氣控制研究設(shè)計(jì)局部完成。圖35 驅(qū)動(dòng)輪裝配體 圖36 驅(qū)動(dòng)輪爆炸視圖5.7 管道爬行的實(shí)現(xiàn)圖37 管道爬行實(shí)現(xiàn)5.8管道路口轉(zhuǎn)彎的實(shí)現(xiàn)在十字型管道爬行時(shí)，會遇到驅(qū)動(dòng)輪懸空，并可能被卡住的情況。此時(shí)，在通過攝像觀測裝置觀測到該種情況時(shí)，工作人員通過控制機(jī)身電機(jī)，進(jìn)給螺桿開場轉(zhuǎn)動(dòng)，使螺母水平移動(dòng)，從而使機(jī)腿伸縮，以通過該類型管道，如圖36。其控制過程框圖如圖37。程序中控制由現(xiàn)場工作人員控制，

25、通過對機(jī)身電機(jī)的控制，以實(shí)現(xiàn)機(jī)腿的伸縮。這里只是表達(dá)了爬行器前半身過復(fù)雜管道的控制過程圖，再后半身過復(fù)雜管道時(shí)，根本類似，故不在贅述。圖38 管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎實(shí)現(xiàn) 圖39 轉(zhuǎn)彎控制電機(jī)流程圖機(jī)器人的電氣電路控制設(shè)計(jì)將在本文的第六局部進(jìn)展闡述。5.9 總體裝配體設(shè)計(jì)根據(jù)SolidWorks三維造型和各零件的設(shè)計(jì)，現(xiàn)設(shè)計(jì)出方案三總體裝配圖如圖40。圖40 爬行器裝配體工程圖6管道爬行機(jī)器人的功能分析根據(jù)管道機(jī)器人的機(jī)械局部的設(shè)計(jì)，要求：這種傘型6足的爬行器在管道中要完成前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)彎以及前傘，后傘的開和閉合等動(dòng)作，管道機(jī)器人在工作條件下需要有較強(qiáng)勁的動(dòng)力，較好的可控性，能夠在管道確定自己的位置，來

26、準(zhǔn)確的定位的PDPSPiping Disrepair Position System管道破損處定位系統(tǒng)，由機(jī)器人的位置來確定管道破損確實(shí)切位置。要求較小的體積以及較簡單的電路。根據(jù)機(jī)器人的動(dòng)作要求可以把管道機(jī)器人的動(dòng)力源設(shè)計(jì)為：1由6個(gè)電機(jī)來控制機(jī)器人的爬行前進(jìn)，后退采用的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。2由2個(gè)電機(jī)來控制前后傘足的開和閉合。根據(jù)前后傘足的開和閉合，爬行機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎等，必須要求前后傘足的開及閉合為獨(dú)立事件，相互不干擾才能完成轉(zhuǎn)彎時(shí)傘足的獨(dú)立動(dòng)作。7管道爬行機(jī)器人的動(dòng)作分析管道爬行機(jī)器人主要完成的動(dòng)作有：1六輪的驅(qū)動(dòng)前進(jìn)，后退，調(diào)速。2傘足的開和閉合前后相對獨(dú)立。3管道中的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作順序：前傘足閉合后傘

27、足前進(jìn)前傘足翻開后傘足閉合前傘足前進(jìn)后傘足翻開。4由吊環(huán)進(jìn)展機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整自適應(yīng)。 5照明管道中十分黑暗，攝像頭攝像，必須有照明設(shè)施。8電氣控制根本元器件的選取基于以上電氣運(yùn)轉(zhuǎn)控制及順序制動(dòng)的問題分析，根據(jù)管道機(jī)器人的使用特點(diǎn)和工作條件，要求：方便，平安，可靠，性能優(yōu)越，價(jià)廉，適用于復(fù)雜的環(huán)境條件，體積小，重量輕，可控性能好等，可對元器件進(jìn)展如下選?。?.1電機(jī)的參數(shù)計(jì)算與選取8.1.2驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的參數(shù)計(jì)算通過對機(jī)器人的三維實(shí)體建模，以及材料的選取，通過密度進(jìn)展零件分析，查閱資料綜合算的爬行器的總質(zhì)量為:M=26Kg通過查閱相關(guān)資料查得橡膠與45#鋼之間摩擦系數(shù)為0.15，則取實(shí)際計(jì)算摩擦系

28、數(shù)為： 最大功率：輪子承受的壓力為機(jī)器人的重力與機(jī)腿開時(shí)產(chǎn)生的管壁壓力 為機(jī)器人的重力 ，為機(jī)腿對管壁的壓力由于工作時(shí)，機(jī)腿開的幅度不同，所產(chǎn)生的壓力也不同。為了平安和電機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)，機(jī)腿開對管壁的壓力可取1倍的重力。即：根據(jù)牛頓第一定律，牛頓第二定律可算得 (14)根據(jù)要求爬行器在管道的速度為 (15)為了保證平安系數(shù)為1.5，則實(shí)際電機(jī)計(jì)算功率為： (16)8.1.3主電機(jī)參數(shù)計(jì)算主電機(jī)通過聯(lián)軸器絲杠螺母滑塊曲柄(機(jī)腿)通過對曲柄滑塊的分析如圖41圖41 機(jī)腿合機(jī)構(gòu)原理圖通過采用Solidworks實(shí)體分析，可以得出機(jī)腿的質(zhì)量及驅(qū)動(dòng)輪整體的質(zhì)量，即根據(jù)圖41分析，采取平安計(jì)算方法，

29、極限位b時(shí),對機(jī)腿進(jìn)展受力分析如圖42，滑塊的推力最大。圖42 機(jī)腿機(jī)構(gòu)受力分析根據(jù)理論力學(xué)的知識，計(jì)算如下：根據(jù)平行四邊形法則，重力G可分解為,兩個(gè)分力。螺母的推力可分為，兩個(gè)分力。 (17)可規(guī)定螺母速度為則按照平安計(jì)算方法，可得螺母功率為： (18)(19)從電機(jī)聯(lián)軸器絲杠螺母傳動(dòng)過程中，查機(jī)械傳動(dòng)手冊傳遞效率依次為：，為了符合平安系數(shù)，和考慮到野外工作電源電壓受時(shí)間的變化，電機(jī)功率的選應(yīng)以1.2倍的計(jì)算功率選取。 (20)8.1.4機(jī)器人動(dòng)力源的選取最終確定驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的功率為，主電機(jī)功率為。根據(jù)以上分析，需選用調(diào)速性能好，可控性高，體積小，容量小并且價(jià)廉的直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件。對

30、于此種直流小功率電機(jī)可以查電機(jī)工程手冊，對于直徑在30毫米以下，功率在100W以下的直流電機(jī)一般都中小功率用電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)，采用鐵氧體永磁ZYT以及Y15Z的圓筒式鋼板外殼電機(jī)。經(jīng)查表對于主電機(jī)可以選用額定電壓為24V的ZYT-80/08的直流電機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)為空載時(shí)：轉(zhuǎn)速8200轉(zhuǎn)/分，阻1.0歐姆，電流6.32A；負(fù)載下轉(zhuǎn)速：5000轉(zhuǎn)/分，電流0.68A ，效率43%，轉(zhuǎn)矩。對于驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的選取，根據(jù)電器元件配合的簡單，方便的原則，結(jié)合主電機(jī)的額度電壓24V，可以初步選擇小電機(jī)額定電壓為24V，查電機(jī)工程手冊初定為驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)選用ZYT20/10型。8.2電源的選取機(jī)器人的工作場所一般在

31、野外，戶外對于電源的便攜性，耐久性，可靠性要求較高。所以選用可充電的蓄電池直流電源。它重量輕，體積小，電量大，是較為理想的恒壓源。根據(jù)機(jī)器人電機(jī)的要求和控制電路的要求，可以選擇主要技術(shù)參數(shù)為電壓24V的直流蓄電池和5V電池組作為機(jī)器人的電源。8.3電機(jī)調(diào)速元件的選取(21)對于直流電機(jī)的調(diào)速比擬簡單，由公式可知調(diào)速有三種方法：1調(diào)壓調(diào)速U2節(jié)氣隙磁通K3調(diào)節(jié)電樞電路串接電阻調(diào)速4新型調(diào)節(jié)脈寬PWM對于這種永磁式小容量直流電機(jī)磁通量K為定值，調(diào)節(jié)氣隙磁通不現(xiàn)實(shí)。采用調(diào)壓調(diào)速對于我們所用的24V直流蓄電池來講也不現(xiàn)實(shí)，直流變壓沒有交流變壓簡單，因?yàn)檫@樣設(shè)備較為復(fù)雜，本錢上升。所以我們考慮最為簡單的

32、調(diào)速方法和新型PWM型脈寬調(diào)速。8.3.1 串聯(lián)電阻調(diào)速方法的實(shí)現(xiàn)在電樞電路中串接電阻滑動(dòng)變阻器?？梢赃M(jìn)展無極調(diào)速，雖然這樣會大大減弱電機(jī)的機(jī)械特性曲線的硬度，但不失為一種快捷，簡單的變速方法。串聯(lián)電阻的計(jì)算如下：(22)對于電機(jī)的轉(zhuǎn)速可近似認(rèn)為(23) 對于已經(jīng)出廠的電機(jī)來講是定值。(24)由所選的電機(jī)參數(shù)可知，有負(fù)載時(shí)(25)對于加上串聯(lián)電阻后 我們希望得到的調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 則有，則有，0.0482937237A，由于Ra為理論值，考慮到直流電機(jī)采用電樞串聯(lián)電阻調(diào)速會使電機(jī)的機(jī)械特性曲線大幅變軟，又要保證機(jī)器人電機(jī)在負(fù)載下能正常工作，所以就可用滑動(dòng)變阻器來進(jìn)展電阻補(bǔ)償調(diào)速。由以上計(jì)算，可

33、選擇滑動(dòng)變阻器量程為01000歐姆的型號。8.3.2 新型調(diào)節(jié)脈寬PWM型調(diào)速的實(shí)現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)是近期流行起來的對于直流電機(jī)無極調(diào)速的最優(yōu)化的調(diào)速系統(tǒng)。它相比改變電壓電壓，改變磁通參數(shù)，改變電樞電流等具有相當(dāng)大的優(yōu)越性。脈寬調(diào)制就是使功率放大器中的晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)頻率頻率保持恒定，用調(diào)整開關(guān)周期晶體管導(dǎo)通時(shí)間的方法來改變其輸出，從而使電機(jī)電樞兩端獲得寬度隨時(shí)間變化的給定頻率的電壓脈沖。其工作原理電樞兩端電壓變化如圖43圖43 PWM原理圖PWM主要是通過單片機(jī)和晶體管將電壓信號進(jìn)展調(diào)制轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制。通過調(diào)節(jié)頻率和脈寬使直流電動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間有一定的空行程比例，我們成為

34、占空比，脈寬的連續(xù)變化，使電樞電壓的平均值也連續(xù)變化，因而使電機(jī)轉(zhuǎn)速連續(xù)調(diào)整。PWM調(diào)速的原理決定了它的電路圖要采用單片機(jī)，進(jìn)展脈寬的控制，和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。PWM的電路連接圖有很多，不同公司生產(chǎn)的PWM控制電路板不同，本文僅以SG1731電路板為例，其電路圖如圖44圖44 PWM控制電路圖其中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功放一般選用H型橋式開關(guān)放大器，由4個(gè)晶體管構(gòu)成換向，放大電路，其電路圖如圖45。這種電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可以通過激發(fā)不同的晶體管的工作方式，進(jìn)展電機(jī)正反裝控制，電機(jī)的調(diào)速。8.3.3電機(jī)調(diào)速方法確實(shí)定及元件確實(shí)定通過以上電路的設(shè)計(jì)與分析，采用電樞串聯(lián)電阻的調(diào)速方法的特點(diǎn)是：1電路簡單2價(jià)格低廉圖45

35、H型橋式電路圖3控制方便，沒有延遲現(xiàn)象4電能損耗嚴(yán)重5不適合長時(shí)間的調(diào)速采用PWM脈寬調(diào)速方法的特點(diǎn)是：1可調(diào)節(jié)頻帶寬2電流脈動(dòng)小3電源功率因數(shù)高4電機(jī)動(dòng)態(tài)硬度好5電路復(fù)雜6本錢較高綜合機(jī)器人的野外工作環(huán)境，節(jié)約電能是十分重要的，根據(jù)機(jī)器人工作時(shí)間很長的要求，我們選擇采用PWM脈寬調(diào)節(jié)器。注：在此我們已經(jīng)表述出直流電機(jī)PWM調(diào)速電路圖，在總設(shè)計(jì)電路圖中我們將以方框代表調(diào)速電路9電路設(shè)計(jì)9.1輪足電機(jī)動(dòng)作的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的電路設(shè)計(jì)對輪足電機(jī)進(jìn)展編號，前足3個(gè)電機(jī)分別是M1 、M2 、M3，后足3個(gè)電機(jī)分別是M4， M5， M6。對于直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，主要采用的方法是電樞接線的正接與反接，所以可以

36、借鑒機(jī)床電機(jī)的正反轉(zhuǎn)接線圖來設(shè)計(jì)6個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。由于電機(jī)容量小，可以直接啟動(dòng)，所以可以直接用開關(guān)直接控制接線方法。機(jī)器人的傘足的設(shè)計(jì)，在考慮電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的同時(shí)，因?yàn)榍昂髠阕憔幸粋€(gè)足要接觸管道的上外表運(yùn)動(dòng)，所以要與接觸下外表的兩個(gè)輪足的旋向相反才能使三個(gè)足同時(shí)拉動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。即有M3與M1、 M2旋向相反，M6與M4、 M5的旋向相反。如圖46所示的控制電路，為完成驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)動(dòng)作的電路。注：電路中，調(diào)速PWM控制省略不畫，在以后的總電路圖中調(diào)速電路畫出電路中，用三位開關(guān)，左接通為正傳，右接通為反轉(zhuǎn)，中位為停頓。這種電路方便，簡單，較易控制。適合這種低壓電氣控制電路，并且廉價(jià)。9.

37、2 前后傘足的開閉合電路設(shè)計(jì)圖46 驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)控制接線圖對于前后傘足要求能開和閉合。為此，要求電機(jī)能帶動(dòng)螺旋絲杠進(jìn)展正、反轉(zhuǎn)?？梢匝赜抿?qū)動(dòng)電機(jī)的接線思路，借鑒機(jī)床電氣控制的接線方法，采用反接的方法進(jìn)展正反轉(zhuǎn)控制。如圖47所示。這種電路簡單易接，沒有延遲現(xiàn)象，可以滿足較快和較慢的調(diào)速需求，較為理想。圖47 前后傘足的*開閉合控制電路圖479.3電機(jī)局部總電路設(shè)計(jì)綜合圖46、圖47 的電路設(shè)計(jì)可得電機(jī)局部總電路圖如圖48所示。圖48 各電機(jī)控制總電路機(jī)器人中電機(jī)由8個(gè)，電機(jī)較多，采用一個(gè)電源顯然不能滿足電機(jī)的能量消耗，所以采用2個(gè)電源同時(shí)供電能滿足電機(jī)的長時(shí)間工作的要求。Q1、 Q2 、Q3 、Q

38、4、Q5、Q6均為3位開關(guān)，對于開關(guān)左位接通為反轉(zhuǎn)，右位接通為正轉(zhuǎn)。中位為斷路。9.4電機(jī)順序動(dòng)作的電路設(shè)計(jì)由轉(zhuǎn)彎的方法可以別離出電機(jī)的順序動(dòng)作有：電機(jī)M7反轉(zhuǎn)電機(jī)M4、 M5、 M6 前進(jìn)電機(jī)M7正轉(zhuǎn)電機(jī)M8反轉(zhuǎn)電機(jī)M1、 M2、 M3 正轉(zhuǎn)電機(jī)M8 正轉(zhuǎn)。對于電機(jī)的順序動(dòng)作由現(xiàn)代控制理論我們可以由以下幾種選擇：圖49 邏輯控制一(1)采用手動(dòng)開關(guān)通過攝像頭觀察，人為進(jìn)展控制。(2)采用傳統(tǒng)的電磁電氣控制電路進(jìn)展邏輯控制。(3)采用單片機(jī)/PLC進(jìn)展自動(dòng)控制。9.4.1人為控制假設(shè)采用第一種方法控制， 如圖48所示，這種電路可以進(jìn)展人為的進(jìn)展電機(jī)的順序動(dòng)作控制，先閉合開關(guān)Q1的左邊再斷開-閉

39、合Q2的右邊再斷開-閉合Q1的右邊再斷開-閉合Q3的左邊再斷開-閉合Q4的右邊再斷開-閉合Q3的右邊再斷開。9.4.2邏輯控制假設(shè)采用第二種控制方法，可以參考機(jī)床電氣控制的經(jīng)典電路作出如圖49 ，圖50圖50邏輯控制二組成的由電磁鐵，繼電器組成的電磁控制電路，采用時(shí)間繼電器來控制元件的順序動(dòng)作6個(gè)KT通過不同的KT得電實(shí)現(xiàn)6個(gè)順序動(dòng)作，時(shí)間繼電器KT的延時(shí)為5秒，也可以根據(jù)不同的伸縮要求設(shè)定動(dòng)作時(shí)間。KM1控制步驟1，KM2控制步驟2，KM3控制步驟3，KM4控制步驟4，KM5控制步驟5，KM6控制步驟6。9.4.3單片機(jī)/PLC進(jìn)展自動(dòng)控制考慮采用單片機(jī)/PLC自動(dòng)控制電路，可以把順序動(dòng)作分

40、解為由不同的使能端輸出，由一個(gè)初始激發(fā)信號，來使PLC上電，同時(shí)執(zhí)行程序從而輸出各個(gè)電信號，各個(gè)電信號來驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行原件控制電機(jī)的動(dòng)作，如圖51所示為由I/O端口分配接線圖，PLC端口分配表1如下：表1 I/O口分配表輸入輸出轉(zhuǎn)彎啟動(dòng)*0前傘閉合Y1后傘足前進(jìn)Y2前傘翻開Y3后傘閉合Y4前傘足前進(jìn)Y5后傘足翻開Y6如圖52為電機(jī)主回路接線圖，如圖53為PLC程序梯形圖構(gòu)成的PLC組合控制電路。圖51 I/O端口分配接線圖 圖52 電機(jī)主回路接線圖圖53 PLC程序梯形圖構(gòu)成的PLC組合控制電路1電路分析：對于圖51所示I/O接線圖由SB1閉合、PLC上電發(fā)出啟動(dòng)程序指令，由*0端口接收。由圖所示

41、程序梯形圖的執(zhí)行程序可以進(jìn)展順序的動(dòng)作執(zhí)行，通過定時(shí)器來設(shè)定元件的接電時(shí)序來輸出電信號。使Y1、 Y2 、Y3 、Y4 、Y5 、Y6按順序得電共6步，其中Y1、 Y2 、Y3 、Y4 、Y5 、Y6依次控制轉(zhuǎn)彎時(shí)各電機(jī)的順序動(dòng)作，并由KM1、 KM2 、KM3 、KM4、 KM5、 KM6依次執(zhí)行元件執(zhí)行動(dòng)作。由圖52所示電機(jī)主回路接線圖可以進(jìn)展執(zhí)行元件的直接執(zhí)行動(dòng)作，由KM1、 KM2 、KM3 、KM4 、KM5 、KM6觸點(diǎn)的接通和斷開來直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的順序動(dòng)作。電路的比擬與選擇如下：對于如圖48所示電路，它的優(yōu)點(diǎn)是方便，簡單，構(gòu)造精煉。但要人為的控制，并且步驟復(fù)雜，開關(guān)較多，操作麻煩。

42、對于如圖49，50所示電路圖，它的優(yōu)點(diǎn)是能夠由一個(gè)鼓勵(lì)信號完成所有的順序動(dòng)作，操作簡單，但構(gòu)造復(fù)雜，并且繼電器電路一般需要24V以上的電源配合，還要連接各個(gè)觸點(diǎn)，對于管道機(jī)器人的電路系統(tǒng)要求不符合，還要重新配置電氣系統(tǒng)，配置控制箱，系統(tǒng)龐大，不太符合野外工作要求。對于如圖51，52，53所示電路圖，可以用PLC進(jìn)展自動(dòng)化控制，一般PLC也需要24V的電源配合，并且價(jià)格較高，并且需要KM接觸器來進(jìn)展控制執(zhí)行，并且各種管道的小徑不同，不能通過簡單的設(shè)定延時(shí)來控制傘足的開和閉合。用在這種機(jī)器人身上顯然大材小用了。通過以上電路的比擬以及管道爬行機(jī)器人的工作要求及條件，我們選用人為手動(dòng)開關(guān)控制轉(zhuǎn)彎動(dòng)作，

43、并且可以隨時(shí)調(diào)整，采用這種控制方法可以省略很多元器件，節(jié)約線材，簡單快捷，價(jià)格低廉，適合低壓控制電路，并且可以隨意的人為執(zhí)行動(dòng)作，適合不同的工作環(huán)境下的動(dòng)作執(zhí)行，接線簡單，采用手柄式控制盒布線體積較小，重量輕，適合任何電源，具有一定的通用性。9.5照明系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)照明電路選用2個(gè)24v的熒光燈并聯(lián)在電源上即可。如圖54所示。圖54 照明電路9.6管道機(jī)器人定位系統(tǒng)PDPS的設(shè)計(jì)在機(jī)器人工作時(shí)，通過人眼觀察攝像頭傳輸?shù)男畔泶_定管道是否破損，需要對機(jī)器人進(jìn)展管道中的定位來確定管道破損處的定位。9.6.1 爬行器管道定位方案的提出與分析根據(jù)所學(xué)的電路及信號方面的知識。大致列出機(jī)器人管道中定位方案

44、如下：方案一：可根據(jù)工業(yè)過程控制中，常用的小車模型中確實(shí)定小車位置的行程開關(guān)或感光元件光敏管、發(fā)光二極管、感光二極管進(jìn)展編號，對機(jī)器人經(jīng)過時(shí)進(jìn)展信號的傳輸，來確定機(jī)器人在管道中的位置。方案二：可以借鑒通信運(yùn)營商的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，自行設(shè)計(jì)無線傳輸通信系統(tǒng)，對機(jī)器人進(jìn)展安裝信號源，通過外部的全局的信號承受，來確定機(jī)器人確實(shí)切的位置。即小型的管道用GPS。方案三：對于管道機(jī)器人的特殊性，可以變相的認(rèn)為管道機(jī)器人就是一列小型的有軌火車，則可以模仿火車調(diào)度室的火車運(yùn)行定位方案進(jìn)展管道機(jī)器人定位的設(shè)計(jì)。方案四：由于管道是封閉的，有固定路徑的，可以仿出租車的里程計(jì)算系統(tǒng)來直接計(jì)算出機(jī)器人的行程長度，通過

45、計(jì)算里程和比對管道線路工程圖來間接確實(shí)定機(jī)器人的準(zhǔn)確位置。對于方案一那就必須把管道部按照一定的步距安裝一定密度的敏光管或感光二極管等感應(yīng)器，信號反應(yīng)線路有線或無線，外接串口或并口。對感應(yīng)器進(jìn)展編號，由個(gè)編號的感應(yīng)器發(fā)出的信號來確定機(jī)器人所在的大致位置。根據(jù)機(jī)器人的大致位置，和攝像頭所發(fā)出的視頻信號人為的判斷管道是否破損，對破土進(jìn)展管道維修提供破損定位。對于方案二可以在管道機(jī)器人上安裝衛(wèi)星定位器，借助通信運(yùn)營商進(jìn)展衛(wèi)星結(jié)合管道的布局圖進(jìn)展定位類似于車載衛(wèi)星定位GPS，可以把道路看做管道線路，把車看成管道爬行機(jī)器人。其衛(wèi)星定位原理如圖55，運(yùn)用到機(jī)器人上形成的上位機(jī)展示圖如圖56。圖55 衛(wèi)星定位

46、原理 圖56 上位機(jī)仿真圖像圖57 列車運(yùn)行圖對于方案三基于有軌列車的軌道行進(jìn)過程中?？梢越M建列車線路網(wǎng)，基于列車線路網(wǎng)這個(gè)平臺進(jìn)展列車行駛位置的監(jiān)控。如圖57。對于火車的調(diào)度及運(yùn)行定位可以查到，系統(tǒng)采用以GPS定位為主，以相關(guān)信息為輔的定位方式，通過車載計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)對系統(tǒng)各功能模塊信息的交互，完成對機(jī)車運(yùn)行全過程的信息采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對機(jī)車運(yùn)況的監(jiān)測。同時(shí)應(yīng)用無線通訊手段與地面設(shè)備相結(jié)合，由此實(shí)現(xiàn)地面各單位對線路上機(jī)車運(yùn)況全過程的跟蹤、監(jiān)測。并據(jù)此可以為建立各種信息平臺提供詳實(shí)、可靠的信息資源。由此啟發(fā)，可以火車線路網(wǎng)換成管道線路網(wǎng)，把火車換成管道爬行機(jī)器人。運(yùn)用無線反應(yīng)設(shè)備，對機(jī)器人進(jìn)展實(shí)時(shí)監(jiān)

47、控。對于方案四我們管道線路，管道各段的長度，以及管道的路徑。就可以根據(jù)機(jī)器人運(yùn)行的參考量來斷定機(jī)器人在管道中的具體位置。 確定機(jī)器人位置的參考量有很多，比方路程，位移，時(shí)間，管道部標(biāo)志等等，通過對參考量的分析，顯然用位移，時(shí)間，管道部標(biāo)志來確定機(jī)器人的位置比擬粗略，精度相當(dāng)不高。用路程來衡量機(jī)器人在管道中的位置比擬適宜，精度適中。那就必須在機(jī)器人上安裝里程計(jì)由于管道的長度不像城市的道路則長，所以里程計(jì)的精度必須要到達(dá)0.1m，通過測量運(yùn)行的距離，反映到譯碼管上，讀出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的距離，通過機(jī)器人移動(dòng)的距離可以與通過管道線路的比照就可標(biāo)出出機(jī)器人確實(shí)切位置。機(jī)器人管道模擬圖如圖58圖58 機(jī)器人管道定位模擬圖9.6.2 機(jī)器人定位系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計(jì)通過以上的分析，我們根據(jù)機(jī)器人的工作條件，和野外工作狀況，以及本錢低廉，制作簡單，方便攜帶的原則，可以選擇采用里程式機(jī)器人管道定位系統(tǒng)。圖59 里程計(jì)原理圖里程式系統(tǒng)的原理是采用確定機(jī)器人的移動(dòng)距離來反應(yīng)機(jī)器人在管道的位置。測