水下運行管道爬行器（畢業(yè)設(shè)計論文）

1、緒論引言目前國內(nèi)外研究管道機器人的成果已經(jīng)很多，特別是對其驅(qū)動環(huán)節(jié)的研究也逐步深入。但在微小管徑及特殊管道環(huán)境下（如彎頭管，T型管，變徑管等）的管道機器人方面剛剛起步，究其原因主要是受到以下幾個因素制約：爬行器的負載能耗比大。即能源損失嚴重，機械效率低。爬行器的自適應(yīng)性差。即適應(yīng)不同管徑，及變管徑的能力差，自我姿態(tài)調(diào)整能力差。適應(yīng)管內(nèi)特殊環(huán)境的能力差。如在特定溫度和壓強下的防腐、密封、穩(wěn)定可靠性等方面還不成熟。爬行器自救能力不足。即在整個爬行器出現(xiàn)故障后，自我搶救策略不足。由于上述幾個因素的制約，用于管道探傷、維修等工作的管道機器人實用化推廣受到制約，而另一方面，隨著石油、天然氣工業(yè)的發(fā)展，管

2、道運輸方式成為主要的運輸渠道，對管道的維修、探傷、維護，成為重中之中。因此國內(nèi)外針對爬行器進行深入的研究和分析是有著市場來源和巨大的實際意義和經(jīng)濟意義。課題背景及國內(nèi)外研究概況本項目屬于國家863項目“海底管道內(nèi)爬行器及其檢測技術(shù)”項目的子項目，開發(fā)一套用于海底管道內(nèi)實時探傷檢測的牽引裝置。該裝置運行于海洋石油鉆井平臺之間，平臺與陸地之間。目前而言，管道輸油是其主要方式，一般海底管道長度20Km，位于水下幾十米左右，且管道埋地深度約2米。不僅鋪設(shè)這樣的管線成本極高，而且檢測和維修也極其不便。為提高管道的壽命、防止泄漏等事故的發(fā)生，就必須對管道進行有效的檢測維護，管道機器人為滿足該需要而產(chǎn)生。高

3、效率、高度集成化的管道牽引裝置目前成為國內(nèi)外研究的熱點問題。所以對水下運行管道爬行器的設(shè)計非常有現(xiàn)實意義和實踐利用價值。管內(nèi)作業(yè)機器人屬特種機器人的一種。在特殊復(fù)雜的工況環(huán)境下進行檢測、維修、加工等作業(yè)任務(wù)，其牽引裝置的性能是管內(nèi)作業(yè)機器人系統(tǒng)安全運行的動力關(guān)鍵。牽引裝置的性能決定了管道機器人在特殊復(fù)雜的工況環(huán)境下運行的環(huán)境適應(yīng)性、可靠性等。由此可見設(shè)計 “體積小、驅(qū)動大、效率高、機動靈活”的牽引裝置是實現(xiàn)機器人管內(nèi)可靠作業(yè)的先決條件之一。因此對水下運行管道爬行器的設(shè)計是對特殊環(huán)境下牽引裝置或移動載體的探索與實踐。目前微型管道機器人的驅(qū)動源大致有以下幾種：微型電機、壓電驅(qū)動、形狀記憶合金（SM

4、A）、氣動驅(qū)動、磁致伸縮驅(qū)動、電磁轉(zhuǎn)換驅(qū)動等。管道機器人按照驅(qū)動方式大致可以分為以下三種（如圖1所示）：1）自驅(qū)動（自帶動力源）；2）利用流體推力；3）通過彈性桿外加推力。 （a） 輪式（自驅(qū)動） （b） 爬行式（自驅(qū)動） （c） 蠕動式（自驅(qū)動） （d） 腳式（自驅(qū)動） （e） 利用管內(nèi)流體壓力 （f） 通過彈性桿外加推力圖1 管道機器人的幾種基本形式對以上驅(qū)動形式而言,他們都具有各自獨特的驅(qū)動特性和不足，對其分析比較得出以下結(jié)論：(1) 輪式全驅(qū)動直進式管道機器人（參見圖1.2.2、）：由于輪式驅(qū)動機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，行走效率高等特點，對此類機器人的研究比較多。機器人在管內(nèi)的運動，

5、有直進式的(即機器人在管內(nèi)平動)，也有螺旋運動式的(即機器人在管內(nèi)一邊向前運動，一邊繞管道軸線轉(zhuǎn)動);輪的布置有平面的，也有空間的。一般認為，平面結(jié)構(gòu)的機器人結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，但剛性、穩(wěn)定性較差，而空間多輪支撐結(jié)構(gòu)的機器人穩(wěn)定性、剛性較好，但對彎管和支岔管的通過性不佳。輪式載體的主要缺點是牽引力的提高受到封閉力的限制。(2）履帶式管道機器人（參見圖）：履帶式載體附著性能好，越障能力強，并能輸出較大的牽引力。為使管內(nèi)機器人在油污、泥濘、障礙等惡劣條件下達到良好的行走狀態(tài)，鑒于這些優(yōu)點人們研制了履帶式管內(nèi)機器人。但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易小型化，轉(zhuǎn)向性能不如輪式載體等原因，此類機器人應(yīng)用較少。(3）蠕

6、動式管道機器人（參見圖1.2.5）：參考蚯蚓、毛蟲等動物的運動，人們研制了蠕動式管內(nèi)機器人。其運動是通過身體的伸縮(蠕動)實現(xiàn)的：首先，尾部支承，身體伸長帶動頭部向前運動，然后，頭部支承，身體收縮帶動尾部向前運動，如此循環(huán)實現(xiàn)機器人的行走。(4) 電磁力驅(qū)動式管道機器人（參見圖1.2.6）：該類機器人利用仿生學(xué)原理，采用電磁互感方式驅(qū)動，這類機器人一般體積較小，牽引力小，適合與微型管道的探傷與維護。圖1.2.2 韓國管道檢測機器人輪式驅(qū)動器單元圖1.2.3 東華大學(xué)研制成功的輪式螺旋推進管內(nèi)移動機器人（180-200mm） 圖1.2.4 履帶式水平管內(nèi)移動機器人圖1.2.5 蠕動式管內(nèi)移動機器

7、人結(jié)構(gòu)示意圖圖1.2.6 電磁力驅(qū)動管道機器人課題關(guān)鍵技術(shù)結(jié)合國內(nèi)外對管道機器人爬行器的研究，本文將各種管道爬行器的優(yōu)點加以集成、整合，提出了一種基于多電機并聯(lián)輪式驅(qū)動模式下，適應(yīng)大范圍變徑與小范圍自適應(yīng)變徑相結(jié)合以及雙解鎖自救功能為一體的高效率、大功率爬行器牽引裝置。受管內(nèi)空間的限制，爬行器攜帶的能源非常有限；爬行器應(yīng)輸出較大的拖動力，且滿足一定的速度要求；能夠可靠預(yù)緊，并能靈活實現(xiàn)雙側(cè)解鎖，因此這一牽引裝置的核心技術(shù)問題有以下幾點：1） 結(jié)構(gòu)盡量簡單；2） 變徑機構(gòu)能夠適應(yīng)兩種規(guī)格管道內(nèi)徑（195、297）；3） 可實現(xiàn)雙側(cè)同步解鎖；4） 滿足管徑2.5%的微觀變徑；5） 盡量提高驅(qū)動效率

8、；6） 結(jié)構(gòu)可靠性盡量高；7） 滿足密封、防爆要求；8） 解鎖時有被動支撐輪支撐本單元重量；9） 單元結(jié)構(gòu)長度限制在510mm以內(nèi)；10）總重量小于50Kg；11）通過R=900mm（3D）彎管時無運動干涉；12）對接、預(yù)緊方便可靠。本章小結(jié)綜上所述，本文依據(jù)目前國內(nèi)外在管道爬行器方面已有的技術(shù)，并在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種新的牽引裝置。該牽引裝置集大功率、自適應(yīng)、自救等為一體，成功解決了目前管道爬行器在這些方面的不足。因此該牽引裝置的研發(fā)對管道機器人技術(shù)的發(fā)展是一個突破和創(chuàng)新，具有較大的實際意義和學(xué)術(shù)意義。在下面的章節(jié)中，本文將進一步詳細介紹該牽引裝置水下運行管道爬行器的設(shè)計。水下運行管道

9、爬行器的方案設(shè)計引言水下運行管道爬行器，即水下運行管道機器人系統(tǒng)的牽引裝置。該裝置是管道機器人系統(tǒng)安全運行、執(zhí)行作業(yè)的保證。由于其運行管道本身環(huán)境而言有以下特點：1）運行空間有限；2）運行距離較長；3）管道具有3D彎頭等。所以水下運行管道爬行器的設(shè)計受到空間的限制，同時這些限制也為設(shè)計提供了約束條件，為方案設(shè)計提供依據(jù)。其運行環(huán)境參見圖。圖 爬行器運行環(huán)境示意圖管內(nèi)牽引裝置爬行器的驅(qū)動分析管內(nèi)機器人系統(tǒng)運行的可靠性及使用性直接依賴于其牽引裝置。因此牽引裝置是管道機器人系統(tǒng)中關(guān)鍵單元在之一。近十幾年來，國內(nèi)外許多學(xué)者針對這一關(guān)鍵性單元爬行器牽引裝置進行研究分析。就現(xiàn)有管道機器人系統(tǒng)所采用的牽引裝

10、置而言，歸納起來有三種：1）單電機驅(qū)動牽引裝置；2）雙電機驅(qū)動牽引裝置；3）三電機驅(qū)動牽引裝置。這三種不同的驅(qū)動形式都有自己的實用環(huán)境及性能優(yōu)缺點。下面本節(jié)將對其優(yōu)缺點進行總結(jié)分析。單電機驅(qū)動管內(nèi)牽引裝置圖.1是單電機驅(qū)動牽引裝置的結(jié)構(gòu)圖。其適用于大管徑直管內(nèi)移動機器人系統(tǒng)。這是由于中間電機驅(qū)動蝸桿，并由蝸桿并聯(lián)驅(qū)動三個蝸輪。在電機的驅(qū)動下，圓周均勻分布的三組驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速相同，當管道出現(xiàn)彎頭時，該牽引裝置在進入彎道環(huán)境下，三組驅(qū)動輪走過的母線長度不在相等，這種幾何約束條件要求三組驅(qū)動輪按照一定合理的速度配比關(guān)系旋轉(zhuǎn)才能通過彎管，這樣由一個電機驅(qū)動處于相同轉(zhuǎn)速的三組驅(qū)動輪就會合彎管這一環(huán)境幾何約束

11、條件發(fā)生運動干涉。結(jié)果將導(dǎo)致“內(nèi)耗”增大，牽引力減小，機械效率不高。但由于在大口管徑的環(huán)境下，管道內(nèi)部空間相對加大，電機的選擇余地就大，單電機驅(qū)動產(chǎn)生的牽引力仍可以滿足實際工程要求。同時該驅(qū)動形式下，牽引裝置結(jié)構(gòu)簡單，因此其在大管徑運行環(huán)境下具有實際應(yīng)用價值。除此之外，因為封閉力由三根彈簧分別與三個驅(qū)動臂產(chǎn)生，因此該結(jié)構(gòu)自定心性能不好，在應(yīng)用時要保證機器人重心在中間處。圖.1 單電機驅(qū)動牽引裝置雙電機驅(qū)動管內(nèi)牽引裝置圖.1是雙電機驅(qū)動牽引裝置結(jié)構(gòu)圖。電機M1和M2分別驅(qū)動兩個蝸桿，蝸桿驅(qū)動結(jié)構(gòu)與單電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)相同，在此不在贅述。但封閉力由彈簧推動的同一圓柱滑塊推動三個支撐臂同時撐開，這樣牽引裝

12、置具備自定心性，滿足管內(nèi)行走的基本條件。雙電機驅(qū)動牽引裝置多用于中小管道長距離作業(yè)，由于管道空間受到限制，所以電機的選擇余地相對較小，為了提高驅(qū)動力，可以采用雙電機驅(qū)動。電機M1和M2及其傳動系統(tǒng)固定在同一機架上，屬于剛性連接，因此在同一電源的驅(qū)動下，整個牽引裝置的輸出轉(zhuǎn)矩是兩個電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的疊加，即負載由兩臺電機共同承擔(dān)；驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速與輸出力矩形成負反饋閉環(huán)，因此提高了牽引裝置的越障能力及拖動負載的能力。圖2.2.2.1 雙電機驅(qū)動牽引裝置三電機驅(qū)動管內(nèi)牽引裝置圖.1是三電機驅(qū)動牽引裝置結(jié)構(gòu)圖，它的兩端由三個支撐臂在彈簧的支撐下產(chǎn)生封閉力，因而具備管內(nèi)行走的基本條件。與前兩種牽引裝置不同的是

13、其驅(qū)動電機并沒有固定在機器人本體上，而是三個電機M1、M2和M3分別固定在三個驅(qū)動臂上，電機通過蝸桿蝸輪直接驅(qū)動驅(qū)動輪。這樣的驅(qū)動方式有很多優(yōu)點，首先三個驅(qū)動電機分別驅(qū)動三個驅(qū)動輪，使之具有差動功能，在管道有一定曲率或出現(xiàn)凸凹不平的 惡略環(huán)境時，三個驅(qū)動輪不會因轉(zhuǎn)度相同而產(chǎn)生 “內(nèi)耗“現(xiàn)象，而是三個驅(qū)動輪根據(jù)各自的路徑不同而調(diào)整自身轉(zhuǎn)速以適應(yīng)各種管內(nèi)幾何條件的約束，除此之外，三臺電機輸出轉(zhuǎn)矩具有疊加性，即由三臺電機共同承擔(dān)負載。上述兩個優(yōu)點使牽引裝置行走平穩(wěn)，驅(qū)動力大，平順性較好，適合在彎管和管內(nèi)壁惡略條件的環(huán)境下使用。由于三臺電機占用空間相對加大，因此這種驅(qū)動形式適合于大管徑重載條件下使用。

14、由于該驅(qū)動方式具有差動特性，因此不會因為偏心而引起驅(qū)動輪內(nèi)部的干涉。圖2.2.3.1 三電機驅(qū)動牽引裝置多電機驅(qū)動管內(nèi)牽引裝置的構(gòu)想通過對單電機、雙電機和三電機驅(qū)動牽引裝置的分析比較，可知單電機驅(qū)動牽引裝置適合于大管徑直管的應(yīng)用條件；雙電機驅(qū)動牽引裝置適合于中小管徑長距離的應(yīng)用條件；三電機驅(qū)動牽引裝置適合于大管徑重載環(huán)境或管道直線狀況不良及管內(nèi)凸凹不平條件下使用。由三電機驅(qū)動牽引裝置的機械特性可以類推：多電機驅(qū)動牽引裝置的驅(qū)動力矩的疊加性有利的提高了牽引裝置的驅(qū)動性能，從而會更好的提高機器人系統(tǒng)的運作可靠性。實驗和應(yīng)用中多電機驅(qū)動是提高機器人越障能力和穩(wěn)定性的有效途徑。從多電機驅(qū)動這一形式整體

15、來看，機電系統(tǒng)的閉環(huán)結(jié)果使牽引裝置具有恒速功能；對于其中任意一電機而言，由于管內(nèi)障礙約束該受阻驅(qū)動輪驅(qū)動力矩自身反饋調(diào)整作用使該驅(qū)動輪動力增加，提高了機器人的越障能力和可靠性。多電機牽引裝置的構(gòu)想是實現(xiàn)大功率牽引的理論基石。爬行器整體方案設(shè)計根據(jù)爬行器運行空間有限，又要克服較大負載的前提條件下，在小節(jié)中關(guān)于多電機驅(qū)動管內(nèi)牽引裝置的構(gòu)想的基礎(chǔ)上，提出了一種新的驅(qū)動組合模式輪式六電機并聯(lián)驅(qū)動，這種模式具有結(jié)構(gòu)緊湊，驅(qū)動功率、效率大、負載能力大等卓越的特點。根據(jù)其變徑要求及自救自解鎖功能的要求，將軸向移動預(yù)緊滑塊、支撐連桿、驅(qū)動臂、機體有機組合成一集驅(qū)動、變徑、解鎖功能為一體的四桿機構(gòu)單元，將六組這

16、樣的四桿結(jié)構(gòu)單元交錯并聯(lián)圓周空間布置，從而形成了爬行器的整體，滿足設(shè)計要求。其方案原理參見圖2.3.1。圖2.3.1 爬行器整體方案設(shè)計原理圖1、軸向移動預(yù)緊滑塊；2、自救支撐輪；3、機體； 4、驅(qū)動臂； 5、驅(qū)動輪； 6、支撐連桿。雙解鎖預(yù)緊方案的設(shè)計由2.3節(jié)所述，可知其預(yù)緊形式的設(shè)計，即如何實現(xiàn)圖中所述的軸向移動預(yù)緊滑塊的軸向移動方式。根據(jù)爬行器的運行環(huán)境，軸向移動預(yù)緊滑塊在預(yù)緊時除了做軸向位移外，同時在預(yù)緊完成后具有自鎖功能。為實現(xiàn)這一功能，通過方案論證 絲桿絲母組合的螺旋傳動方式較為合理。螺旋傳動具有兩個自由度，其一是旋轉(zhuǎn)運動，其二是軸向位移運動。由于螺旋傳動的這一特性。我們可以很容

17、易的將電機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動。除此之外，螺旋傳動還具有自鎖特性。這一預(yù)緊形式將預(yù)緊所需的軸向位移與自鎖統(tǒng)一于一體，既滿足設(shè)計要求，又達到了機構(gòu)傳動的功能復(fù)合。其方案原理參見圖2.4.1。圖2.4.1 雙解鎖預(yù)緊方案原理圖1 12、 壓緊螺母；2 10、預(yù)緊彈簧；3 11、預(yù)緊螺母；4 13、預(yù)緊絲桿； 5 9、連接滑套； 6 8、預(yù)緊滑套； 7、雙輸出軸電機。變徑機構(gòu)的方案設(shè)計中關(guān)于水下運行管道爬行器雙解鎖預(yù)緊方案所述，其預(yù)緊機理在于通過螺旋傳動達到軸向移動預(yù)緊滑塊的軸向移動，同時結(jié)合2.3節(jié)爬行器整體方案所述，軸向移動預(yù)緊滑塊的軸向移動使爬行器的四桿結(jié)構(gòu)單元中驅(qū)動臂繞相關(guān)支點轉(zhuǎn)動，從而

18、調(diào)整驅(qū)動輪與管道的接觸情況，并且這一機構(gòu)與雙解鎖預(yù)緊機理相關(guān)聯(lián)，從而使水下運行管道爬行器在管道彎頭或管道微變徑的等情況下自適應(yīng)調(diào)整驅(qū)動輪與管道內(nèi)壁的接觸狀況，實現(xiàn)爬行器的微變徑功能。爬行器作為一種管道內(nèi)運行的驅(qū)動載體，其適應(yīng)性決定了整個管道機器人系統(tǒng)的復(fù)合運作性及復(fù)合經(jīng)濟價值性，根據(jù)調(diào)研，目前海底輸油管道管徑一般采用直徑195mm和直徑297mm兩種規(guī)格，本文針對這兩種規(guī)格的管徑，將驅(qū)動，雙解鎖預(yù)緊等形成固態(tài)模式，結(jié)合四桿結(jié)構(gòu)的運動機理，通過改變四桿機構(gòu)中支撐連桿及與驅(qū)動臂相固結(jié)的自救輪支撐架的長度，從理論上實現(xiàn)各種所需適應(yīng)得管徑變化。本文針對上述所提規(guī)格進行優(yōu)化設(shè)計其相關(guān)長度，實現(xiàn)兩種差別較

19、大管徑的變換功能。單元接口設(shè)計現(xiàn)代管道機器人系統(tǒng)中通常以節(jié)或單元來劃分各部分的功能，各單元與各節(jié)之間相互獨立、通過單元接口又相互聯(lián)系，既形成了單元模塊化，又形成了模塊集成化的特點。本文設(shè)計的水下運行管道爬行器，只屬于管道機器人系統(tǒng)中眾多單元模塊中的動力牽引模塊。考慮到該單元塊在管道機器人系統(tǒng)中的模塊相對位置，本文設(shè)計了水下運行管道爬行器與其他功能相互獨立的模塊間的單元接口。該單元接口根據(jù)功能分為兩種類型，其一，起連接作用的兩自由度雙萬向節(jié)端接口（見圖2.6.1）；其二，起收放、自救于一體的對接裝置（見圖2.6.2）。這兩種類型的單元接口分別裝于爬行器中心機體的兩端，與其他各獨立單元相互連接。采

20、用雙萬向節(jié)連接兩個獨立單元是為了實現(xiàn)全方位的轉(zhuǎn)向能力。雙萬向節(jié)是一種2個自由度的剛性機構(gòu)，可以滿足單元之間的柔順連接。圖2.6.1單元連接接口方案原理圖1、雙萬向節(jié)支架-1；2、雙萬向節(jié)中連桿；3、雙萬向節(jié)支架-2圖2.6.2 對接單元接口方案原理圖對接盤；2、對接頭；3、對接網(wǎng)；4、對接網(wǎng)安裝柱密封實驗裝置的方案設(shè)計由于爬行器運行的環(huán)境是水下，而且需要承載一定的壓力，為此確定爬行器的密封性是爬行器水下安全作業(yè)的前提。由此設(shè)計一套與爬行器相匹配的密封實驗檢測裝置是必不可少的。鑒于此，本節(jié)提出了一種切實可行的密封實驗裝置方案（參見圖）。圖 密封實驗裝置方案原理圖1、加壓手輪；2、固定絲目；3、加

21、壓施力螺桿；4、壓力表；5、加壓活塞；6、壓力容器蓋；7、介質(zhì)（水）8、被測對象；9、壓力容器；10、卸荷絲堵。本章小結(jié)本章對爬行器的各個功能的實現(xiàn)進行詳細的論述，通過對基本技術(shù)參數(shù)的計算，為爬行器整體方案的提出提供了理論依據(jù)，同時通過對整體方案的細化分解，形成了爬行器設(shè)計要求中各項指標功能實現(xiàn)形式的可行性方案。這些方案與整體方案密切相結(jié)合構(gòu)成爬行器的有機整體。這些方案的提出為水下運行管道爬行這一課題的詳細設(shè)計提供了機構(gòu)原理依據(jù)和基礎(chǔ)。為結(jié)構(gòu)的進一步合理化設(shè)計給予了可行性指導(dǎo)意見。水下運行管道爬行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計引言承第二章水下運行管道爬行器的方案所述，本章將在水下運行管道爬行器的方案設(shè)計的基礎(chǔ)上

22、，對爬行器的具體結(jié)構(gòu)進行詳細設(shè)計。本章將在主驅(qū)動電機選用與校核的基礎(chǔ)上結(jié)合動密封和靜密封的要求對驅(qū)動臂進行詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計；在預(yù)緊力與解鎖力計算的基礎(chǔ)上結(jié)合動密封和靜密封的要求對雙解鎖預(yù)緊結(jié)構(gòu)進行詳細設(shè)計；同時針對結(jié)構(gòu)設(shè)計的動密封和靜密封性能測試對密封試驗裝置進行詳細設(shè)計。爬行器的基本技術(shù)參數(shù)爬行器的速度V正常爬行速度為： （1）檢測爬行速度為： （2）驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)尺寸R輪及轉(zhuǎn)速n輪根據(jù)實際情況，取驅(qū)動輪的實際直徑為2R輪 =55mm，所以驅(qū)動輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)速為： （3）爬行距離L按項目要求，一次爬行距離L不小于20Km。爬行器總拖動負載F重因阻力FG：管內(nèi)爬行器的總重量約為284Kg。由于所有單元與管

23、壁間都是以支撐輪（驅(qū)動輪）相接觸，所有輪為空間均布，可以將所有各單元抽象為一個剛性單元由三個支撐輪支撐于管壁上，受力原理如圖3.2.1所示。圖3.2.1 徑向支撐管內(nèi)爬行器受力原理圖圖中，-爬行器管內(nèi)作業(yè)姿態(tài)角，-6060； G-爬行器本體重力；Ni (i=1,2,3)各支撐輪與管壁間的正壓力。三個因重力而引起的正壓力之和按下式計算： （4） （5） （6）可見： （7）所以，因重力而引起的管壁與支撐輪間的正壓力之和在284568Kgf之間，為安全起見，正壓力值取為=5680N。0.04之間，考慮到轉(zhuǎn)動過程中的軸承摩擦、滑動摩擦、彈簧預(yù)緊等未知負載，最終取當量滑動摩擦系數(shù)：f=0.05，因此，

24、爬行器在管道中運行所需牽引力FG值為： （8）磁因阻力FCI：漏磁檢測單元需要以較大磁場強度的磁塊以較小（2mm以下）間隙貼近管壁，磁性吸附力很大，引起的行走阻力也比較大。根據(jù)實驗結(jié)果：因此，爬行器的總拖動力F為：。爬行器理論牽引功率P （9）假定系統(tǒng)的傳動效率為，則驅(qū)動電機的實際功率為：。主驅(qū)動電機的選用及校核1、驅(qū)動電機的選取選用六臺80W的MAXON 118890型直流無刷微型電機（驅(qū)動特性如圖3.3.1圖所示），基本參數(shù)如下：電機功率：80W 額定電壓：48VDC空載轉(zhuǎn)速：11300rpm 最大電流：最大力距：53.1mNm 最大效率：76%外形尺寸：32*60mm 外加驅(qū)動器：160

25、*240mm計算轉(zhuǎn)速：10000rpm 計算力距：45mNm圖3.3.1 MAXON EC32(貨號118890)電機驅(qū)動特性圖3.3.2 118890+114585驅(qū)動特性圖2、驅(qū)動減速器的選取在電機的另一端，選配MAXON行星齒輪減速器，減速器型號：114585，采用一體式安裝形式。減速器的主要技術(shù)參數(shù)如下：最大效率：70% 重量：194克外形尺寸：32*43.1 減速器輸出軸徑：6mm118890電機與114585減速器連接后，工作性能如上圖3.3.2所示。結(jié)論：單個驅(qū)動臂最終輸出力矩為：4Nm；輸出轉(zhuǎn)速：=90rpm。3、驅(qū)動能力校核實際穩(wěn)定拖動速度： （1）實際拖動力： （2）結(jié)論：

26、拖動能力及拖動速度滿足設(shè)計要求。驅(qū)動臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計通過3.3節(jié)關(guān)于主驅(qū)動電機的選擇與校核，結(jié)合選擇電機及相配合使用減速器的結(jié)構(gòu)尺寸，考慮電機引出線的靜密封安全性，和電機驅(qū)動時動密封安全性要求，以結(jié)構(gòu)最小化為設(shè)計目標對驅(qū)動臂進行詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計。其詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計參見圖3.4.1和3.4.2。圖3.4.1，管徑D=195和D=297環(huán)境下驅(qū)動臂三維設(shè)計圖圖3.4.2 驅(qū)動臂詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計圖預(yù)緊與解鎖力的計算爬行器預(yù)緊力的計算1、預(yù)緊機構(gòu)模型及預(yù)緊力計算公式爬行器需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計上保證驅(qū)動輪和管壁之間具有一定的正壓力，以便產(chǎn)生足夠的拖動能力。單純依靠爬行器自身重量產(chǎn)生的正壓力遠遠不能滿足設(shè)計要求，因此，必須依靠

27、適當?shù)膹椈深A(yù)緊增加正壓力?；瑝K、壓簧、支撐桿、驅(qū)動臂之間所形成的預(yù)緊機構(gòu)可以抽象為圖.1所示的力學(xué)模型：圖3.5.1.1 預(yù)緊機構(gòu)力學(xué)模型圖中，桿AB、BC均是二力桿，驅(qū)動輪受到、三個力的作用處于平衡狀態(tài)。各參數(shù)的物理意義為：驅(qū)動臂與爬行器本體軸心線夾角；支撐桿與爬行器本體軸心線夾角；彈簧預(yù)緊力；驅(qū)動輪與管壁間的正壓力；驅(qū)動臂對驅(qū)動輪的支撐力；支撐桿對驅(qū)動輪的支撐力。BC桿為二力桿，所以： （3）以驅(qū)動輪為研究對象： （4）聯(lián)解式（3）、（4）可以得到以下關(guān)系： 或者 （5）2、滿足驅(qū)動能力條件下的彈簧預(yù)緊力當接觸壓力足夠時，驅(qū)動輪不打滑，并且電機工作在額定狀態(tài)下，此時的工作狀態(tài)是最理想的狀態(tài)

28、。由公式（2）知，六電機空間交錯驅(qū)動最終會產(chǎn)生873N的拖動力。設(shè)驅(qū)動輪與管壁間的驅(qū)動附著系數(shù)為=0.5，則正壓力的大小為： （6）根據(jù)式（5）可以得到此時的彈簧預(yù)緊力為： （7）定義為預(yù)緊機構(gòu)的增力系數(shù)，與具體結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。在本設(shè)計中可以保證以下關(guān)系：、，所以：，為保證可靠，預(yù)緊力可以儲備35%的余量，滿足以下關(guān)系式即可： （8）3、結(jié)論：1）由于爬行器有兩個驅(qū)動截面，所以單個壓簧的預(yù)緊力為 =1100/2=550N；2）預(yù)緊長度取20mm爬行器預(yù)緊及解鎖力矩的計算1、已知：鋼-鋼的許用比壓Pp=10N/mm2；螺桿直徑d=16mm，中徑d2=15mm，梯形螺紋：=30，=1.5，軸向負載5

29、50N。驅(qū)動轉(zhuǎn)矩：螺母高度：導(dǎo)程角：（滿足自鎖條件）當量摩擦角：驅(qū)動轉(zhuǎn)矩：=2、結(jié)論考慮到螺桿支撐摩擦、滑套摩擦等因素，預(yù)緊及解鎖所需驅(qū)動轉(zhuǎn)矩取為2Nm左右。預(yù)緊彈簧的設(shè)計計算由于爬行器受軸向尺寸的限制（小于510mm），因此，彈簧剛度不能太小，否則，過長的預(yù)緊長度會導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)尺寸的增加?，F(xiàn)設(shè)定預(yù)緊長度為20mm時，產(chǎn)生預(yù)緊力550N，則彈簧剛度約為550/20=27.5N/mm。取彈簧材料為70Si3MnA，兩端圈磨平。由于不經(jīng)常使用，屬于III類負載，機械強度指標為：許用彎曲應(yīng)力：；許用剪切應(yīng)力：；切變模量：；彈性模量：。試選：d=5mm、最大心軸直徑36mm、最小導(dǎo)筒直徑54mm彈簧的

30、有效圈數(shù)：，取標準值：n=2.5；彈簧總?cè)?shù)：；查表：節(jié)距=；彈簧自由長度：；彈簧壓并長度：。由此可見，滿足使用要求。設(shè)計結(jié)論：d=5mm 最大心軸直徑36mm 最小導(dǎo)筒直徑54mm有效圈數(shù)=2. 5 彈簧節(jié)距=彈簧自由長度： 彈簧壓并長度：20mm預(yù)緊與解鎖電機及減速器的選擇考慮到安裝調(diào)試、搶救對接及可靠驅(qū)動的要求，驅(qū)動輪與管壁之間的正向壓力必須是可以調(diào)整的。根據(jù)這個設(shè)計思想，驅(qū)動輪正壓力調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)組成如圖所示：采用電機驅(qū)動方式，帶動左、右旋螺桿轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)驅(qū)動輪的同步預(yù)緊與解鎖。電機及減速器采用型號如下：解鎖電機：直流有刷（MAXON）訂貨號：110862 額定功率：15W空載轉(zhuǎn)速：38

31、00rpm 額定電壓：48V最大力矩：38.6mNm 最大電流：331mA最大效率：67%外形尺寸：32*60mm，兩側(cè)雙輸出軸，軸徑4解鎖減速器：行星減速器（MAXON）訂貨號：110378 減速比：531：1外形尺寸：32*，軸徑6mm圖3.7.1 解鎖驅(qū)動系統(tǒng)（110862+110378）驅(qū)動特性結(jié)論：若螺距為2mm，每分鐘驅(qū)動速度為59mm左右，運動速度較慢，則驅(qū)動力矩可以達到12Nm（見上圖3.7.1），單側(cè)預(yù)緊及解鎖力矩為6 Nm，遠大于實際負載（2Nm的轉(zhuǎn)動力矩），故滿足實用要求。雙解鎖預(yù)緊結(jié)構(gòu)設(shè)計通過3.5 節(jié)對預(yù)緊力和解鎖力的計算，為3.7節(jié)對預(yù)緊彈簧的設(shè)計和預(yù)緊解鎖電機及減

32、速器的選擇提供了理論設(shè)計依據(jù)，同時確定了雙解鎖預(yù)緊結(jié)構(gòu)的設(shè)尺寸和預(yù)緊解鎖電機的安裝和密封措施的實施結(jié)構(gòu)。為本節(jié)雙解鎖預(yù)緊結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸。其詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計參見圖3.8.1，3.8.2。圖3.8.1 雙解鎖預(yù)緊結(jié)構(gòu)三維設(shè)計圖圖3.8.2 雙解鎖預(yù)緊結(jié)構(gòu)詳細結(jié)構(gòu)圖爬行器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計通過本章以上各節(jié)所述，特別是3.4節(jié)和3.8節(jié)針對爬行器中兩大結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計論述。這兩大結(jié)構(gòu)單元是爬行器設(shè)計的核心。這兩大結(jié)構(gòu)單元在空間上的有機結(jié)合構(gòu)成了水下運行管道爬行器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。其詳細結(jié)構(gòu)參見圖3.9.1，3.9.2，3.9.3。圖3.9.1 管徑D=297mm環(huán)境下的爬行器三維

33、設(shè)計圖圖3.9.1 管徑D=195mm環(huán)境下的爬行器三維設(shè)計圖圖3.9.1 管徑D=195mm環(huán)境下的爬行器詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計圖爬行器密封件的選擇與多線密封措施及整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在這些關(guān)鍵設(shè)計結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)水下這一運行環(huán)境爬行必須進行密封處理，本節(jié)在前幾節(jié)的基礎(chǔ)上，針對爬行器適應(yīng)水下這一環(huán)境的特殊要求集中論述與結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的密封處理措施。密封源的確定A、動密封源：動密封源，顧名思義就是零件間做相對運動，同時又要保證密封隔離，就整個爬行器而言，做相對運動還需要保證密封于外部隔離的主要有兩類需要采用動密封的密封源。其一，驅(qū)動臂上驅(qū)動電機輸出部分輸出軸的回轉(zhuǎn)運動，此處密封是為了保證放置電機的驅(qū)動臂套筒內(nèi)保持干

34、燥，確保電機的安全水下工作(參見圖)。其二，預(yù)緊雙解鎖處的預(yù)緊解鎖電機的雙輸出軸的回轉(zhuǎn)運動，此處密封是為了保證放置預(yù)緊解鎖電機的機體支撐套兩端與外部隔離，確保預(yù)緊解鎖電機的安全水下工作（參見圖3.8.2）。B、靜密封源：靜密封相對動密封而言，只是為了使密封對象與外界相對隔離，而沒有運動產(chǎn)生。在整個爬行器中，有電機引線需要靜密封以及組裝電機安裝套需要靜。靜密封只是為了形成密封腔體與外界隔離，因此相對容易做。（參見圖和參見圖3.8.2）2、密封的解決措施及密封件的選擇A、動密封既有運動又要密封隔離，這是一對相對矛盾的處理措施，因為密封好就會降低機械功率，產(chǎn)生因摩擦而生成的摩擦熱較多。但工作環(huán)境比較

35、惡略，不僅要在常態(tài)下密封好，還要在2Mpa的壓力壓密封好。以這個前提條件為約束經(jīng)過折中選擇，采用徐州車氏密封有限的骨架式直角組合密封TB1-1A，該密封由一個聚四氟乙烯（PTFE）材料的直角形滑環(huán)和一個GB3452.1-92 “O”橡膠圈組合而成。其結(jié)構(gòu)示意圖參見圖。a) 閉式溝槽結(jié)構(gòu)b) 開式溝槽結(jié)構(gòu)圖 動密封圈結(jié)構(gòu)示意圖B、靜密封相對而言較為容易解決，在形成筒狀密封室時采用一般的“O”橡膠密封圈即可，“O”橡膠密封圈在此不再贅述。但爬行器的密封還存在一個這樣的問題，就是多根電機引出線的密封問題。這種靜密封不能用簡單的密封圈處理。由于電機引出線多且分散。故在此應(yīng)用實踐證明密封性良好的壓縮密封

36、結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)針對電線而確定，既節(jié)省空間又起到非常好的密封效果。其結(jié)構(gòu)形式在圖中已有體現(xiàn)。密封實驗裝置的設(shè)計密封實驗裝置相關(guān)參數(shù)的計算1、實驗容器參數(shù)的確定由于爬行器的單元及其他相關(guān)獨立單元長度在510mm左右，并考慮到水密試驗的時效性，實驗圓筒長度L取1200mm，這個長度豎立起來，人既可以方便操作，同時能夠以最大空間放置盡可能多得試驗對象，提高實驗時效性。由于爬行器最大適應(yīng)管徑D=297mm，所以選用的實驗容器實驗圓筒的公稱通經(jīng)DN=300mm，外部直徑D=325mm，壁厚14mm。由管子表號： (1)P實驗環(huán)境壓力 2Mpa;45#鋼屈服極限與安全系數(shù)之比，安全系數(shù)取4由管子表號理論計算

37、值，加實踐修正后取60 即用G60。2、加壓活塞筒參數(shù)的確定及緊固螺栓的選擇根據(jù)實驗裝置的加壓要求，確定活塞筒長L=185mm，外徑D=64，壁厚5.5，考慮材質(zhì)和加工余量諸因素，活塞筒內(nèi)徑d=52mm。由確定活塞筒參數(shù)得圓筒端面面積A： 由實驗要求加壓的要求P=2Mpa，得端面受力F： 由實驗容器相關(guān)參數(shù)得實驗容器端面受力面積 a=9840mm2。則其端面承受應(yīng)力為：根據(jù)實驗容器空間位置限制，在其端面采用螺栓12個螺栓緊固，則每個螺栓受拉力為：那么單個螺栓所受總拉力為：由螺栓材料45鋼的，假定安全系數(shù)取4，則：根據(jù)螺栓受載荷情況得理論螺栓直徑： 則直徑d1=24mm取螺栓拉應(yīng)力： 故 M24

38、 p=3螺母厚22，螺紋圈數(shù) u=22/3=74、加壓施力螺桿參數(shù)的確定由活塞參數(shù)得活塞端面積為S: S=2則活塞受力為： P實驗環(huán)境壓力 2Mpa根據(jù)加壓施力螺桿的結(jié)構(gòu)和實際需求，本次設(shè)計選擇普通螺紋,牙形斜角，那么螺桿中徑為： P ：螺旋副材料的許用壓強 7.513查表取螺桿公稱直徑 d=32mm,中徑d2=，小徑d2=螺距p=2mm 。螺母高度： 驗算自鎖螺紋升角 當量摩擦角：5、加壓施力螺桿強度計算螺桿受扭矩為T ：材料選45鋼 ，許用應(yīng)力：當量應(yīng)力 ： 結(jié)論：該設(shè)計其強度滿足使用要求，由加壓施力螺桿加力行程得螺桿長L=336mm。密封實驗裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)密封實驗裝置的方案設(shè)計和理論

39、計算，本小節(jié)對密封實驗裝置的結(jié)構(gòu)進行了詳細設(shè)計，參見圖.1。圖.1密封實驗裝置詳細結(jié)構(gòu)圖本章小結(jié)本章在前一章基礎(chǔ)上詳述了爬行器整體以及局部結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時對其密封實驗裝置進行的結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論校核。本章在考慮到爬行器在管道這一特殊環(huán)境下對其結(jié)構(gòu)從理論到實踐式的設(shè)計，既滿足課題任務(wù)的要求，同時也為對爬行性能的進一步分析做好了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。水下運行管道爬行器的仿真引言由于爬行器在管道內(nèi)運行的環(huán)境比較復(fù)雜，在空間上爬行器的在管道內(nèi)的運行情況相對分析困難。鑒于這個原因，本章根據(jù)第三章水下運行管道爬行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立了爬行器的動態(tài)仿真模型，通過ADAMS的虛擬樣機仿真主要實現(xiàn)以下目的：1）檢驗爬行器的3D通過

40、性；2）分析在現(xiàn)有設(shè)計參數(shù)下的力學(xué)特性；3）分析爬行器的的負載特性。對結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵零部件進行有限元數(shù)字化模擬，其目的在于利用現(xiàn)代化輔助設(shè)計軟件更直觀方便的對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件數(shù)字化模擬，縮短設(shè)計周期。模型建立仿真模型與環(huán)境的建立根據(jù)第三章水下運行管道爬行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用三維設(shè)計軟件UG構(gòu)建爬行器在管道直徑D=297mm下的三維仿真模型，具體參見圖.1，4.2.。圖爬行器的仿真模型圖4.2.2爬行器在管徑為297mm管道內(nèi)的虛擬圖爬行器仿真初始條件的標定依據(jù)仿真目的，確立仿真初始條件參見下列表格。表一管道參數(shù)參數(shù)管道外徑D（mm）管道內(nèi)徑d（mm）轉(zhuǎn)彎半徑R (mm)直管長度L（mm

41、）數(shù)據(jù)320297900(3d)800表二輪子與管內(nèi)壁的摩擦系數(shù)參數(shù)動摩擦系數(shù)靜摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)表三預(yù)緊彈簧參數(shù)參數(shù)彈簧剛度系數(shù)K彈簧阻尼系數(shù)C預(yù)緊力F數(shù)據(jù)550N爬行器仿真約束的建立1、約束的添加根據(jù)爬行器多電機驅(qū)動的特性以及微變徑蓄能運動機理，對爬行器進行約束。如圖.1是爬行器約束結(jié)構(gòu)簡圖。由圖.1爬行器約束結(jié)構(gòu)簡圖得，對爬行器的約束如下（具體參見圖4.2.3.2）：1）在A、A、B、B、C 、C各低副處加鉸鏈形旋轉(zhuǎn)副；2）在六組6.5Nm之間）；3）六組驅(qū)動輪分別與管道內(nèi)壁加體接觸（相關(guān)參數(shù)參見節(jié)中表二）；4）在Slider_A和Slider_B處加兩個軸向移動副；5）在Slider_A和S

42、lider_B處與機體間分別加蓄能預(yù)緊彈簧（相關(guān)參數(shù)參見節(jié)中表三）。2、運動機簡述由圖.1可知，爬行器在彈簧預(yù)緊力作用下，使預(yù)緊支撐桿AB逆時針旋轉(zhuǎn)使后端三組驅(qū)動輪抬起預(yù)管道內(nèi)壁充分接觸，并產(chǎn)生正壓力，使預(yù)緊支撐桿AB順時針旋轉(zhuǎn)使前端三組驅(qū)動輪抬起預(yù)管道內(nèi)壁充分接觸，并產(chǎn)生正壓力，于此同時自救輪一端與支撐桿一端轉(zhuǎn)動方向相反使自救輪落下遠離管道內(nèi)壁。當驅(qū)動輪與管道內(nèi)壁充分接觸并使預(yù)緊彈簧有一定儲存能量時，驅(qū)動輪在驅(qū)動力矩作用下靠輪子與管道內(nèi)壁的摩擦力的反作用下向前運動。當爬行器行走到3D轉(zhuǎn)彎時，前后兩端驅(qū)動輪分別在儲元件作用下與管道內(nèi)壁充分接觸并以各自路徑各自轉(zhuǎn)速通過彎管部分。在彎管時由于儲能元

43、件的作用，使爬行器運行穩(wěn)定，使驅(qū)動輪充分與管道內(nèi)壁接觸有足夠的正壓力保證爬行器拖動力的穩(wěn)定和降低彎道內(nèi)耗，提高驅(qū)動效率。圖.1 爬行器約束結(jié)構(gòu)簡圖圖.2 爬行器在ADAMS環(huán)境下的約束情況仿真結(jié)果與分析負載特性的結(jié)果與分析1、動態(tài)負載模型的建立為了更為逼真的在ADAMS環(huán)境下對爬行器的負載特性進行仿真，考慮機器人系統(tǒng)得構(gòu)成特征，在對爬行器仿真的同時，在爬行的單元接口上連接機器人系統(tǒng)得其他獨立單元模型，并在該單元上集中整個爬行器的負載情況。在基本參數(shù)計算中可以得知機器人系統(tǒng)負重在300Kg左右，根據(jù)機器人相關(guān)獨立單元與管道內(nèi)壁屬滾動摩擦，摩擦系數(shù)f=0.05,則爬行器的拖動力只要克服機器人系統(tǒng)整

44、體負重產(chǎn)生的摩擦力阻力即可。由因為爬行器其他相關(guān)單元和爬行器一樣也有六個支撐輪（分別前三后三圓周分布）所以其摩擦阻力經(jīng)計算大概80Kg。于是將80Kgf的阻力集中在仿真機器人系統(tǒng)獨立單元模型上，便形成了動態(tài)負載單元載體。其詳細情況參見圖.1。圖4.3.1.1爬行器在管道內(nèi)模擬單元連接的動態(tài)負載仿真2、結(jié)果與分析通過ADAMS的運動方針，得出了爬行器預(yù)緊力變化和爬行器的動態(tài)負載特性曲線，參見圖.2。圖.2 爬行器動態(tài)負載曲線由圖.2是在仿真時間0.5S的情況下，爬行器由直管進入彎管并在彎管內(nèi)行走時的負載特性曲線?？芍佬衅鞯呢撦d在管道內(nèi)并不是一成不變的。在直管時其負載與動態(tài)負載單元載體上添加負載

45、相同，此時爬行器儲能彈簧基本沒有變化。這一點說明爬行器在直管內(nèi)行走是完全可以帶動機器人系統(tǒng)的，并且穩(wěn)定性較好。在爬行器進入彎管的情況下，爬行器儲能彈簧為了使爬行器的各個驅(qū)動輪與管道內(nèi)壁充分接觸而被壓縮，同時爬行器后面連接的動態(tài)負載單元載體產(chǎn)生的負載則在100Kgf為中間值80Kgf以上變化。這一點說明了機器人系統(tǒng)的負載在彎道內(nèi)由于曲率半徑的變化而使負載增大，同時也說明了爬行器驅(qū)動輪在力矩3.5N.m的情況下可以承載因彎道曲率半徑變化而帶來負載的額外增加。總而言之，爬行器具有穩(wěn)定可靠的負載特性。爬行器的3D通過性為了驗證爬行器的3D通過性，還需在原有約束的基礎(chǔ)上，增添驅(qū)動臂與管道內(nèi)壁，自救輪與管

46、道內(nèi)臂的接觸力，因為這兩個結(jié)構(gòu)件與管道內(nèi)壁接觸最近，在爬行氣通過彎管時可能發(fā)生干涉，在ADAMS仿真過程中，只要這兩部分與管道內(nèi)壁接觸就會產(chǎn)生接觸力，通過對這兩部分的接觸力進行考察就可以很容易判別爬行器是否在運行過程中特別是通過彎管時發(fā)生干涉。同時這也是考察爬行器3D通過性的一種檢驗途徑。除此之外，還可對爬行器尾部單元接口處進行軌跡追蹤，以追蹤曲線與管道中心線相比較，就可以很清楚的觀察出爬行器尾部的3D通過性。根據(jù)上述辦法，通過仿真，爬行器順利通過3D管，并沒有發(fā)現(xiàn)驅(qū)動臂與管道內(nèi)壁以及自救輪與管道內(nèi)壁產(chǎn)生的接觸力，這說明爬行器具備3D通過性。通過對爬行器尾部單元接口處中心點的追蹤得到其運動軌跡

47、（參見圖.1），從其軌跡曲線來看，與管道中心線偏差并不很大，這說明爬行器通過3D管時運動平順性較好。圖4.1 追蹤爬行器尾部中心點的軌跡曲線關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零件的CAE有限元分析與校核本章小結(jié)三維設(shè)計與虛擬樣機技術(shù)簡介引言目前全球已進入信息技術(shù)為代表的知識經(jīng)濟時代，世界經(jīng)濟呈現(xiàn)出信息傳遞高速化、商品競爭全球化、科技發(fā)展高新化趨勢。國家經(jīng)濟的發(fā)展和企業(yè)的進步比任何時候都依賴于科技的應(yīng)用和創(chuàng)新。CAD/CAM即計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制造技術(shù)，是現(xiàn)代先進的計算機成功技術(shù)滲入各傳統(tǒng)制造業(yè)的結(jié)果。它引發(fā)了工業(yè)領(lǐng)域的一場革命，正被各種制造業(yè)越來越廣泛的應(yīng)用。就機械這一大行業(yè)來說，計算機輔助設(shè)計制造以及工程專家

48、系統(tǒng)在信息化高速發(fā)展的全球形勢下高速發(fā)展。例如如果將1960年McAuto公司（McDonnell Douglas Automation Company，該公司為Unigraphics Solution的前身）的成立當作CAD軟件產(chǎn)業(yè)的早期標志之一，那么，CAD應(yīng)有45年的歷史了。40多年來，CAD發(fā)生了翻天覆地的變化。三維CAD模型不僅能真實的表達產(chǎn)品的外觀形狀和結(jié)構(gòu)特征，而且也為產(chǎn)品出工程圖、裝配、機構(gòu)運動學(xué)與動力學(xué)仿真分析、性能分析、有限元分析以及數(shù)控加工等奠定了基礎(chǔ)，引起了一場真正的設(shè)計革命。在全面推進創(chuàng)新教育和素質(zhì)的今天，應(yīng)用先進的設(shè)計手段來輔助完成本科生畢業(yè)設(shè)計，以全面提高自身的科

49、研和創(chuàng)新能力。本章利用三維CAD軟件在設(shè)計課題中的應(yīng)用為切入點，并結(jié)合本人以前做實際工程設(shè)計的體會，以 Unigrphics三維設(shè)計軟件和adams機械動力學(xué)仿真分析軟件以及ANASY有限元分析軟件為例簡述他們在機械設(shè)計中的應(yīng)用，并介紹上述幾個軟件之間在實際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)交換。三維設(shè)計技術(shù)的簡介Unigraphic軟件簡稱UG，這一三維模型設(shè)計以其獨特的優(yōu)勢迅速占領(lǐng)計算機輔助設(shè)計市場。它是美國EDS公司開發(fā)展研制的集三維造型設(shè)計、有限元分析、機構(gòu)動態(tài)仿真及計算機輔助制造于一體的大型高級軟件，廣泛應(yīng)用于飛機、汽車、模具等機械制造業(yè)。UG軟件的功能非常強大，它是集CAD、CAM和CAE于一體的工程軟

50、件。UG軟件最常用的模塊有Modeling造型模塊、Drafting制圖模塊、Assembly裝配模塊、GFEM有限元分析模塊、Mechanism機構(gòu)模塊、以及Manufacture加工制造模塊。上述模塊在工程領(lǐng)域已得到較廣范的應(yīng)用，在此不再一一贅述，下面僅針對UG的一個插件GEARWIZARD齒輪設(shè)計加以介紹。從中體驗計算機三維輔助設(shè)計的優(yōu)越性。GEARWIZARD齒輪設(shè)計軟件的特點：功能：布置模塊實現(xiàn)齒輪傳動的結(jié)構(gòu)布置?？蓪崿F(xiàn)行星輪系的布置，齒輪傳動系的布置，包括軸、軸承、齒輪。設(shè)計模塊實現(xiàn)一對嚙合齒輪的設(shè)計。包括幾何尺寸的設(shè)計、表面疲勞和齒根強度的校核、膠合承載能力的校核，并能各自輸出結(jié)

51、果參數(shù)。能夠?qū)υO(shè)計完成的參數(shù)加以修改，快速實現(xiàn)修改。根據(jù)界面所提供的設(shè)計向?qū)В粋€經(jīng)驗不是非常豐富的設(shè)計員也能夠快速的完成傳動齒輪的設(shè)計。并得到完善的設(shè)計參數(shù)。建模模塊完成單個或嚙合齒輪的三維精確建模。輸出數(shù)模的參數(shù)。能實現(xiàn)兩個齒輪的自動嚙合。（程序自動判斷嚙合條件）在UG的基本功能下能實現(xiàn)嚙合齒輪模擬運行，齒面修形。特點：可以完成圓柱直齒、斜齒、錐齒輪、格利森螺旋線錐齒輪、格利森準雙曲面錐齒輪、奧林康螺旋線錐齒輪、奧林康準雙曲面錐齒輪的設(shè)計和建模。格利森和奧林康齒輪可以根據(jù)具體的機床輸出工藝參數(shù)。三維精確建模是有限元分析的基礎(chǔ)。具有實用的模糊設(shè)計模塊。已開發(fā)完成圓柱齒輪的模糊設(shè)計模塊，用于實

52、際的測繪計算。在測得齒輪的一些基本參數(shù)或者特征參數(shù)，輸入程序界面之后，程序自動根據(jù)內(nèi)置的算法，得到全部的齒輪參數(shù)。通過DRAFTING模塊，在UG的基礎(chǔ)上輸出齒輪的二維圖紙。除此之外還可以根據(jù)企業(yè)的具體要求進行客戶化的開發(fā)。虛擬樣機技術(shù)簡介ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）是美國機械動力公司研制開發(fā)的一種虛擬樣機技術(shù)軟件，它是目前世界上最流行也最具有權(quán)威性的機械系統(tǒng)仿真設(shè)計軟件。它是以多體動力學(xué)為核心建立起來的一種新的描述機械系統(tǒng)運動規(guī)律、運動特性為目標的仿真軟件。工程技術(shù)人員利用ADAMS交互式圖形環(huán)境和零件、約束、力

53、庫可以方便的建立機械系統(tǒng)的三維參數(shù)化模型，并對其進行運動性能高度逼真的仿真分析和比較，從而得到“虛擬樣機” 可供選擇的多種設(shè)計方案。ADAMS能夠自動輸出位移、速度、加速度和反作用力，其仿真結(jié)果可以顯示為逼真的動畫或XY曲線圖形。ADAMS仿真可以用于預(yù)測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢查、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等， ADAMS和大多數(shù)CAD、Flexe及控制設(shè)計軟件包之間具有雙向通迅功能。ADAMS的核心配置方案是核心仿真軟件包，它包括交互式圖形環(huán)境ADAMS/View和核心仿真求解器ADAMS/Solver。ADAMS/View是機械系統(tǒng)仿真工具（全部ADAMS系列產(chǎn)品）的交互式

54、圖形環(huán)境。它將簡單的圖標菜單、鼠標點取操作與交互式圖形建模、仿真、動畫顯示、XY曲線圖繪制等功能特性完美地綜合在一起。ADAMS/View采用分層方式完成建模工作。物理系統(tǒng)由一組構(gòu)件通過運動副連結(jié)在一起，彈簧或運動激勵可作用于運動副。任意類型的力均可以作用于構(gòu)件之間或單個構(gòu)件上，由此組成機械系統(tǒng)。仿真結(jié)果以形象直觀的方式描述虛擬樣機的動力學(xué)性能，并將分析結(jié)果進行形象化輸出。CAD幾何造型可以通過IGES接口輸入ADAMS/View，ADAMS/View的輸出選項則有用戶化的曲線圖、著色的或線框式的動畫顯示以及輸出到Exchange接口、視頻顯示器或Wavefrot接口。ADAMS/Solver

55、是位于ADAMS產(chǎn)品系列核心地位的仿真“發(fā)動機”。該軟件自動形成機械系統(tǒng)模型的動力學(xué)方程，并提供靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的解算結(jié)果。ADAMS/Solver可以對剛體和彈性體進行仿真研究。為了進行有限元分析和控制系統(tǒng)研究，用戶除了要求軟件輸出位移、速度、加速度和力外，還可以要求模塊輸出用戶自己定義的數(shù)據(jù)。用戶可以通過運動副、隨機運動、高副接觸、用戶定義的程序等添加不同的約束。用戶可以同時求解運動副之間的作用力和反作用力或施加單點外力。這些在解決工程環(huán)境相對復(fù)雜的運動分析、力學(xué)性能分析比傳統(tǒng)工程抽象話分析結(jié)果更真實可靠，同時運算效率大大提高。軟件交互協(xié)作接口在產(chǎn)品設(shè)計之初，設(shè)計師可選用各種三維軟件來完成整個產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計，例如UG、Pro/E、IDEAS、CATIA、SOLIDWORKS等三維CAD軟件。在結(jié)構(gòu)工程師對產(chǎn)品進行仿真及分析時，根據(jù)所使用的分析軟件不同，對產(chǎn)品CAD