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论文技巧大全-爬管机器人

2021-06-21 10:36:48
作者:杭州千明

  石油和天然气的输送主要是通过管道系统来输送的,这些管道经过一定的时间会发生裂纹就会泄露出有毒、有害的液体和气体,在各种桥梁建设等行业中有许多管架和管状电缆,对管道系统进行维修和检测是通过人工来完成的,在高处作业也会存在一定的危险,管道在产生泄露的工作场合对工作人员的生命也会存在着一定的危险,因此,要解决这一系列的难题,研制出能够代替人来进行管道的维修和检测是很迫切的。

  本次设计的永磁吸附管爬升机器人采用非封闭式夹紧结构,并采用分布式可调的永磁吸附机构来实现管壁夹紧。由四个车轮臂驱动,四个车轮臂由四个连杆机构支撑。轮臂的张开角度可调,可适用于直径300mm至900mm的铁管,适用范围广。为了适应不同姿势下不同管道的爬行并保持运动的灵活性,研究了机器人吸力的连续调节机制。

  本文构思了爬管机器人的总体结构方案。首先利用CAD进行二维的方案的构思之后利用CREO软件进行零件的三维建模,再通过计算和选型吸附模块的步进电动和驱动系统的直流电动机以及齿轮的计算,在进行三维装配并且进行干涉分析检查。再利用CREO的机构分析对爬管机器人的运动系统进行运动仿真,来验证爬管机器人的运动状态,并且利用CAD出装配图以及相关零件的工程图。

  在现代生活中,高层建筑的清洁和喷漆,油漆,喷漆,救护,桥梁电缆,电力系统安装电缆和瓷瓶清洁等检查和维护工作正在增加。这些任务对在高处工作的员工构成很大的风险因素。这些工作给高空作业的工作人员带来了很大的不安全因素。为了能够解决这一系列的难题,我们可以构思出一种爬管机器人来解决。该爬管机器人能够在危险高空作业,可以模仿人的动作。管道机器人又是工业机器人的分方向研究,对于管道机器人的研究方向又可以分为两个具体的研究方向分别是管内爬行机器人和管外爬行机器人,随着科学技术的进步,对管内爬行机器人的研究也在不断发展,因此对管外爬行机器人的研究相对较少。管外机器人的应用范围主要是在管道、电缆、电线杆等上的操作,并且工业应用逐渐受到关注。

  在现代工业管道输送系统中,大多数管道都含有高温、高压、有毒和放射性介质。如果管道表面出现裂缝或管道破裂,介质就会溢出,造成损失和物质损失。因此,在所有其他时期检查和维护管道是非常重要的。如果只采用人工的方法,那么会浪费比较多的人力和物力,而且工作效率也会很低,在许多的管道的场合无法让人员进去检查和维护,在这个时候,管外爬行机器人就可以派上很大的用场来代替人工。

  1.1研究本课题的意义

  管道机器人的研究方向可分为两个具体的研究方向:管道机器人和管道外机器人。随着科学技术的发展,目前,基于管内爬行机器人的研发越来越广泛,但是对管外机器人的研究方向还是比较少的,管外爬行机器人主要应用在管道系统、桥梁线缆、电路线缆、电线杆的工作场合,关于管外爬行机器人在将来的使用会越来越广泛。到目前为止管外爬行机器人被人们的研究还比较少,对于管外爬行机器人的研究基本上都是对爬直管的研究方向居多,在管道外部表面工作的机器人通常会使用不同的运动方式,如果像虫子一样蠕动没有办法越过管道上的障碍物时,那么该款爬管机器人只适合在竖直的管道和水平的管道上爬行,有的爬管机器人还不能在管道的外表面匀速的工作。因此,对空间管道外部表面进行检查或技术维护的要求不能满足。

  在朝着“中国制造2025”的发展下,对于机器人的研究技术也越来越多,包括了爬管机器人和爬壁机器人的这两个分方向发展,在全球引起了每个国家的重视,石油和天然气的输送主要是通过管道系统来输送的,这些管道经过一定的时间会发生裂纹就会泄露出有毒、有害的液体和气体,在各种桥梁建设等行业中有许多管架和管状电缆,对管道系统进行维修和检测是通过人工来完成的,在高处作业也会存在一定的危险,管道在产生泄露的工作场合对工作人员的生命也会存在着一定的危险,因此,要解决这一系列的难题,研制出能够代替人来进行管道的维修和检测是很迫切的,爬管机器人来代替人来工作,在将来会逐渐普及的,有着很好的市场前途。

  各种形状的爬管机器人都有各自的优点和缺点,本次设计的爬管机器人只适合应用于(直径大于300mm)的管道,以往的爬管机器人设计的结构是全包围式的,使用场合也是有限的,在直径较大的场合就使用,全包围式结构的爬管机器人,因为所设计的爬管机器人是全包围结构的,爬管机器人的结构会比较复杂庞大,而且爬管机器人的重量也会增加的,所应用的场合也会有限的,因为爬壁机器人的所设计的结构的原因所以爬壁机器人只适合应用于没有凹凸现象的工作场合,这样降低了对爬壁机器人的利用性,但是本次设计的爬管机器人可以借鉴爬壁机器人的工作方式。考虑到上述问题,本次设计了一种多直径的管道攀爬机器人,该爬管机器人通过采用爬壁机器人的永磁体吸引方法并在铁磁管道中采用非循环结构来吸引永磁体。本次设计的爬管机器人大大的提高了实用性,应用范围也很广泛。能够工作的管道场合的管径为300mm至900mm。爬管机器人是采用磁力来做工作方式的,这样不仅节约资源而且牢靠。爬管机器人主要应用的衔铁块的磁力作用来实现工作的,本次设计的爬管机器人成本低、安全性、消耗功率低。可以适应性地调整吸附力,以适应不同的管道环境。整个机器人由四个联动装置支撑。四轮臂的形状并未完全封闭管线。本次设计的爬管机器人越障范围广,大大的提高了爬管机器人的实用性。

  1.2四种典型的爬管机器人

  在国外,从1970年代开始,人们就对在管道外爬行的机器人进行了早期研究。那时候关于管外爬行的机构已经被专家研制出了许多。在1980年代,关于在管道外爬行机器人的方向的研究取得了很大进展,甚至有一部分管外爬行机器人还可以应用在相关的工作场合,比如说攀登机器人在西班牙被一名非常出名的学者研制出来,该机器人是通过Stewart-Gough并联机构进行研究的,该机器人只适用于水平管道以及竖直管道上的场合;;美国Envision设计了一系列输出管行走机构。它使用磁力轮在移动中沿着金属轨道移动,从而旋转机械装置。东京大学最新研制出一种既能沿直管爬行,又能跨越障碍物的关节行走机器人,这标志着在管外机器人的使用上取得了突破。

  在中国,上海交通大学最具代表性的电缆涂覆机器人是在电缆上任意倾斜爬行,完成电缆的检查和维护。关于功能,管外机器人包括底座对该系统的运行功能和辅助操作(如喷涂、跟踪、包装、维修等)进行了国内外的研究,该款爬管机器人的工作原理是:利用自锁机构或者静力摩擦的像虫子一样蠕动的机器人,关于动副和动副的关节式机构;基于并联机构的并联爬行器;基于动摩擦原理的螺旋爬升机构;基于克服动摩擦和线性运动的原理。

  1.2.1气动蠕动式爬管机械手

  (1)整体结构:整个机械手爪的结构如图1.1所示。整个机械手爪的装配体是由上半部分、下半部分和气压工作系统构成的。上下固定板的材料所选用的材料为铝材,上下固定板的构成是有一个进给气缸(2-轮毂气缸)和一个主机架机构(3旋转方向轮辐)连接,可相对移动升降机。提升油缸的上活塞杆的末端通过浮动接头连接到上车身支撑板,缸体的组成是由中波管与下体支撑板连接组成的。下部安装板配有一个导风阀板和空气阀板。上、下固定板的安装是通过圆周分布均匀在三个安装座上的,夹紧机构(夹紧缸和夹紧珠)以及转向机构(转向缸和方向盘)分别在其上。上下安装板上设有安装孔,用于将机构安装在管模上。

  (2)工作原理:机械手利用仿生和蠕动完成前后运动。这个机构的功能是由气缸驱动的。上下夹紧线圈在运动过程中至少应提供一套管件,以防止机构自身重量。在楼下。当机构向上升起时,第一步是将下夹紧起重机夹紧到管接头上,松开上夹紧起重机;第二步是伸出提升缸活塞杆,提升上半身;第三步是用上卡箍和下卡箍夹紧管件。然后松开;第四步是抬起气缸体,升起下缸体;这个过程不断重复,形成沿管道的机制件上升。要向下移动机构,只需通过控制气缸的动作顺序。

  (3)特点:结构简单,使用方便,载荷大;因为它主要依靠地面空气供给高度受送风管长度限制;此外,还需要一定的张力,因为机构的运动是爬行。因此,整个机构的速度是有限的。

  1.进给气缸2.方向气缸导向3.下夹持气缸4.装卸块5.上半部分

  6.上夹持手爪7.进给接头8.上夹持气缸9.下半部分10.支承轴11.下夹持爪

  图1.1气动蠕动式爬缆机械手

  Fig 1.1 Pneumatic cable-creeping manipulator

  1.2.2简易气动式爬管机构

  (1)整体结构:该款机械手爪的整体结构见图1.2。机械手爪的工作原理是采用自锁方式。自锁机构包括弹簧、橡胶球、电动球阀、等。圆锥体和其他基本要素。在弹性作用下,橡胶球在管子壁和弯曲面之间压缩,造成静摩擦,这使各机构能够保持冷静而不滑落。

  (2)工作原理:这个机构的工作原理类似于气动管路机械爪子,当机构上升时,主缸的底端上半身通过推动脱离自锁,使上半身向上运动;到边界位置然后当空气进入主气缸的上部分时,该机构的上部分和下部分就会受到拉力的作用,但是上部分依然处于自锁的状态,下部分脱离自锁锁定,向上移动,主缸后退,返回再一次回到初始位置,就是完成了一个工作的流程,一直循环该动作,这个就是工作流程。向下滑动的方式是跟向上滑动的一样的,此时机构的小型气缸也跟着运动下机体的小缸活塞拉杆伸出,压下胶球,解除自锁;主缸下端被吸住,向下形成机构下端;如果有的话,放低一点将气缸的活塞杆抽出,下部自启动,将小气缸的上活塞杆伸出,解决了上体自锁问题;主缸顶部的吸入口,该机构的上端随着主缸的上滚而下降,并返回到启动状态,

  如果要实现一个周期的工作流程就要实现上述的过程,然后像虫子一样的蠕动滑行即可。

  (3)特点:结构简单,成本低,实用价值高,但升降速度快因为机械手爪的本体和工作环境的影响,只能够应用于直直的管道。

  1.伸缩弹簧2.锥面3.橡胶球4.小型气缸

  5.上部分自锁机构6.主体气缸7.下部分自锁机构

  图1.2简易气动爬管机构

  Fig 1.2 Simplifi ed pneumatictube-creeping mechanism

  1.2.3管外自动喷涂机器人

  (1)整体结构:该款机器人的主要结构是由喷涂机构、直线滑行机构和机架组成的,如图所示1.3。活塞喷射机构由一个不完整的链条驱动装置组成,该链条驱动装置将喷射枪从管外来回移动以喷射管;行走机构采用轮式或履带式,使机器人在管道上连续或间歇运行;根据功率需求,驱动操作可以是单驱动、双驱动或三驱动;主机架由上下两部分组成,通过手柄的快速拆卸可以快速拆卸。

  (2)工作原理:该款机器人的工作原理是首先把链轮固定在机器人的下部分,之后再把机器人安装在需要工作的管道上,然后机器人在管道上工作,机器人的上部分连接着速度调节器,,排除车架连接固定。设置试验注射的注射装置,机器人的直线进给机构驱动后,此机器人会随着管道进给,喷漆枪的倒转速度与机器人的进行速度匹配,来实现管道的涂喷。

  (3)特点:结构简单,可靠性高,易保证运行质量,可代替人工方式实现管道但是,由于其结构的局限性,不适用于变径管道把管子竖直。

  1.管道2.进给电动机3.进给系统4.速度调节手柄5.链轮6.旋转运动系统

  图1.3管外自动喷涂机器人

  Fig 1.3 Robot auto-spraying outside pipelines

  1.2.4关节式管外行走机器人

  (1)整体的手爪结构如图1.4所示,该手爪的结构是由几个回转接头和活动接头构成。夹紧装置是通过手爪的腕部和臂部构成的,臂部是通过回转机构与爬行机构相连的,而且爬行机构也会包括旋转,空间运动的实现是通过各个机构与机构的运动进行的,手爪是由两个或者多个气动手指构成的组成手指可以打开和关闭,以达到抓握效果。如果使用两个手指,结构如图1.5所示。直线运动会提供给齿条一定的动力所以齿条也会随着运动,齿条的运动也会提供一定的动力给钳子双齿轮,所以钳子双齿轮也会随着运动,双齿轮的大齿轮会提供一定的动力给手爪的齿条,齿条会形成开闭的运动,实现手在管子上的夹紧。

  (2)工作原理:a、b手交替抓管,移动每个关节,可以实现各种复杂的运动。铰链,旋转关节和手腕-这是一个铰链,运动关节-运动的副作用。在管道轴上运动时,旋转接头和铰链连接工作;通过法兰盘时L形或T形管的旋转接头也参与运动,其性质是棘轮位置的轨迹。

  (3)特点:该机构具有灵活性高、适应性强、易于克服管线之间的阻碍物,但其结构复杂、成本高、应用广泛。它可以应用于机器人管外复杂轨迹的设计和建立理论模型。

  1.夹持机构B 2.夹持机构A 3.腕部A 4.臂部A 5.翻转关节A 6.

  旋转关节7.进给关节8.翻转关节B 9.臂部B 10.腕部B

  图1.4关节式管外行走机器人

  Fig 1.4 Articulated robot working outside pipelines

  1.夹持机构A 2.双联齿轮3.线性进给器4.齿条5.夹持机构B

  图1.5手爪结构

  Fig 1.5 Structure of mechanical hand

  1.3本次设计任务内容

  (1)查阅相关涉及资料,选择有用的参数及材料,创新及构思爬管机器人的结构总体框架。

  (2)查阅各种特种机器人,分析其内部结构,学习及归纳总结国内外机器人的科学研究成果,了解机械人的有关知识,搜集整理相关信息资料。

  (3)设计各零部件,考虑材料选用,可靠性分析。

  (4)运用三维建模软件CREO进行实体建模零件构造,组合装配搭建整体,参数化设计及优化。

  (5)运用三维建模软件CREO完成机械人整体及各零部件的渲染,制作爆炸效果图与动画,最后进行运动仿真将三维模型导出,绘制2D零件图及装配图。

  2爬管机器人总体设计方案

  2.1机器人设计方案分析

  因此要能够实现爬管机器人的动作,所以本次设计的爬管机器人要求在管道上能够稳定的爬行还有一定的吸附能力,影响爬管机器人的因素有吸附力的大小与附着力的大小、爬管机器人的重量、爬行轮与管道工作场合存在的摩擦系数等有一定的关系,本次设计的爬管机器人的工作方式是采用衔铁块的磁力进行吸附管道的,那么衔铁的磁力影响着爬管力的大小。爬管机器人和爬壁机器人的工作方式常见的形式有车轮式、履带式、足式及仿生式等[1],因此决定爬管机器人的工作方式是很关键的作用。因为管道的管径的参数有各种各样的,所以不能够只满足爬一种管径的爬管机器人,本次设计要能够满足多管径的爬管机器人,所设计的爬管机器人的构思方案是非拥抱状态结构的,与此同时,还要考虑所设计的爬管机器人的稳定性,在工作过程中不允许发生意外,以免造成一定的环境破坏,想好设计的爬管机器人的构思后,再采用Creo软件进行三维零件的设计和装配,在对模型进行结构设计并利用Creo软件进行运动仿真,最后出零件二维图。

  图2.1爬管机器人总体方案设计流程图

  Figure 2.1 overall scheme design flow chart of pipe climbing robot

  2.2附着方式的确定

  到现在为止基本上的爬管机器人的开发的结构基本上都是采用全拥抱式的结构,这些爬管机器人的优点是能够牢牢的夹持住管道的周围,缺点是重量也会有所增加,在国内,东北石油大学也研制过自重锁紧式爬管机器人[2,3],该款爬管机器人所采用的结构是半拥抱式夹持机构,这两款爬管机器人的应用场合都是一些管径比较小的场合,本次所设计的爬管机器人所应用的场合是300mm-900mm的管道系统,相比较于两款爬管机器人如果都采用全拥抱式或者是半拥抱式夹持机构的话,整个爬管机器人的成本和重量也会随着增加,而且所设计的结构也会变的繁琐起来,要消耗的功率也会越来越大,还不能够应用于多管径的管道场合。本次设计的爬管机器人要继续发扬爬壁机器人的吸附方式,与前面所说的爬管机器人结构形式不一样,而且爬管机器人的工作场合有一定的危险性加上管道的场合是非常繁琐的,有的管道的是水平状态的,有的管道是铅锤状态的,有的管道是带一定倾斜的等一系列复杂的管道,因此设计的爬管机器人要能够牢牢的夹持住管道是非常重要的,当考虑到如果爬管机器人有着很强的吸附力,那么此时爬管机器人的阻碍力也会增加,功率也需要很多,所以本次爬管机器人要考虑到吸附力可靠,阻力小,功率小。能够牢牢夹持住管道,不容易跌落。因此吸附能力与附着方式的选取有很大关系,下面借鉴爬壁机器人的吸附方式来研究爬管机器人吸附的方式。

  图2.2爬壁机器人的附着方式比较

  Figure 2.2 comparison of attachment modes of wall climbing robot

  可以从图2.2中看出爬壁机器人工作方式的优点和缺点,因此设计一款机器人要考虑的影响方式有很多,比如说机器人的工作场合、墙壁条件、功率等一系列的条件。本次设计的爬管机器人主要应用于管径为300mm-900mm的管道场合,所设计的爬管机器人采用衔铁的磁力来吸附管道,在工作的过程中能够承受一定的载荷,因为大多数的管道都是铁质的,所以本次设计的爬管机器人只适用于铁质的管道,该款爬管机器人稳定牢靠能够很好的夹持住管道。

  可以从图2.2中看出,爬壁机器人的工作方式是电磁力吸附和永磁力吸附。这两种工作方式各有各的特点,应用场合也不同。从操控方式来看的话电磁力方式更好操控,这一种工作方式是通过电能来发动的,如果使用这个的操控方式在工作过程中,突然发生断电的话,就会使磁力消失,会发生机器人的跌落,造成一定的事故对周围环境破坏,那么使用的工作方式是永磁力吸附的话,这种工作方式会比较经济一点,又能够牢牢的吸附在管道上面,但是这种工作方式的磁力不可以调节,所以本次设计的爬管机器人要求磁力可以调节。

  2.3移动方式的确定

  移动方式主要分为轮式、履带式、钳爪式和仿生式等。移动方式不同,其性能特点各异,不同移动方式的优缺点对比见图2.3。

  图2.3爬管机器人移动方式比较

  Figure 2.3 comparison of moving modes of pipe climbing robot

  移动方式的选择同样需要考虑爬管机器人的爬行环境,由于针对直径300mm-900mm的管道、拉索,所接触的壁面要求平面度极高,如果表面凹凸不平的话,将会影响到爬管机器人的夹持。对于钳爪式和仿生式的两种工作方式而言,它们共同的特点是采用拥抱式夹持管道的,不适合小管径的管道工作场合。对于履带式这种工作方式而已,这种工作方式的特点是能够很好的爬行在管道上面,接触面积也比较广,但是就是工作方式太死板,要考虑爬管机器人的工作的管道长度比较长,所以履带方式这种工作方式不利于采用。本次设计的爬管机器人采用的车轮式的爬行方式,因为这种结构比较简单,有着很好的位移速度,能够在比较长的管道场合工作。

  2.4总体方案的确定

  本次设计的爬管机器人所工作的场所为300mm-900mm的管道场合,所采用的工作方式是利用衔铁块的磁力来吸附管道的表面,能够适应多种多样的管道来爬行,有很好的适应性,能够稳定的夹持在管道上,这样安全性也会比较好。而且爬管机器人的磁力是调节的,这样大大的减少了功率的损失,设计的机器人结构是非拥抱式的,采用四个轮臂驱动,四轮臂由四杆联轴器支撑,机器人是处于开放状态,适合多种管道场合,也有很好的利用性。

  3爬管机器人重要参数

  3.1机器人的设计性能参数

  本次设计的爬管机器人应用的工作场合是300mm-900mm的管径的管道系统,有很好的适应用性能,所设计的爬管机器人的结构是可控制的非拥抱式的。该款爬管机器人在工作的过程中要完成管道的维修与检验的工作,因此爬管机器人还要装载一些专业的维修工具[3,4]。本次设计的爬管机器人存在着多种工作姿态,适应多管径的场合,如横管爬行、竖管爬行和斜管爬行,如果需要控制爬管机器人在工作中往上爬行、停止、往下爬行等,只需要通过改变磁力的大小即可,该款爬管机器人的特点是适应性强、重量轻,机器人设计的结构简单能够实现快速的安装和拆卸、方便操控[5,6]。为了能够更好的达到利用要求和工作环境的要求,本次设计的爬管机器人的重要功能指标,其参数如下:

  位移速度:0m/s~0.1m/s;

  总体重量:≤2.5kg;

  承载能力:≈2.5kg;

  作业高度:0~18m;

  管道锥度:0°~90°;

  管径范围:300mm~900mm;

  吸附力调节范围:20N~290N;

  是否拖缆:拖缆。

  3.2爬管机器人的步进电机选型与计算

  爬管机器人总共有四个步进电机,分别安装在爬管机器人的两个吸附模块以及前后两端的横梁上,吸附模块上的两个步进电机主要用来控制吸附模块的上升与下降,前后两端横梁上的步进电机主要用来控制轮壁模块工作时的角度。因为吸附时的距离对吸附力会产生一定的影响,丝杠步进电机的传动精度高,同时步进电机的丝杠也要承受一定的扭力和拉力,初选电动机60BHH56-030A的转动惯量:

  (3-1)

  式中:为步进电机的旋转系数。

  (3-2)

  式中:为步进电机轴上的总旋转系数。

  代入式3-3得:

  (3-3)

  假设计停止到需时。

  (3-4)

  式中:为角加速度。

  代入式3-5得:

  (3-5)

  因为电动机输出的功率要经过丝杠,并且考虑丝杠摩擦的阻力,所以。

  式中:为传动效率。

  (3-6)

  式中:为最大加速转矩。

  代入式3-7得:

  (3-7)

  因此水平方向电机的重力不产生转矩,故:

  负载转矩计算:

  (3-8)

  步进电机的选用:

  运动部件正常运行时所需的最大静转矩为:

  (3-9)

  代入式3-9得:

  (3-10)

  设步进电机正常运行时所需最大静转矩:

  (3-11)

  为了满足要要求130BC3100C步进电动机最为合适。

  3.3爬管机器人的驱动电机的计算与选项

  本次设计的爬管机器人主要以四个直流电动机为驱动电机,为了保证有足够的动力,所以首先要想计算出相应的功率,再对驱动电机进行选型,每个驱动轮的正向应力为,爬管机器人的四个轮子的半径为,则四个轮子的力矩为:

  (3-12)

  所选用的驱动电动的功率为0.95,则:

  (3-13)

  假设爬管机器人的爬行最快速度为,则功率为:

  (3-14)

  因此要选用6W以上的直流伺服电机即可。

  3.4齿轮的计算

  根据吸附模块的要求,吸附模块采用的是大扭力舵机用齿轮传动带动的衔铁块,为了有良好的使用精度和传动,因此下面主要为齿轮组的分析与计算。

  为了满足齿轮的机械性能的要求定齿轮的模数为3,根据国家标准(GB/T 1356-88)分度圆上的压力角为标准值,,齿顶高系数,顶间系数以下为齿轮1的各项参数的计算:

  1.初选齿轮1的直径为35mm,则:

  (3-15)

  取整得因此分度圆直径为

  (3-16)

  齿顶高:

  (3-17)

  齿根高:

  (3-18)

  齿顶圆直径:

  (3-19)

  齿根圆直径:

  (3-20)

  2.初选齿轮2的直径为30mm,则:

  (3-21)

  因为所以分度圆直径为

  (3-22)

  齿顶高:

  (3-23)

  齿根高:

  (3-24)

  齿顶圆直径:

  (3-25)

  齿根圆直径:

  (3-26)

  齿轮1的参数如图3.1所示,齿轮2的参数如图3.2所示。

  图3.1齿轮1的参数

  Figure 3.1 parameters of gear 1

  图3.2齿轮2的参数

  Figure 3.2parameters of gear2

  4爬管机器人的结构设计

  4.1CREO的发展与运用

  随着现代设计技术的飞速发展,计算机图形学(主要是三维图形学)作为计算机应用的一个重要领域,已广泛应用于建筑、机械、电子、工矿等行业。由于手工绘图工具发展缓慢,人们花了大量的时间进行手工绘图,不仅效率低,而且质量也不易保证。自计算机绘图技术产生和发展以来,由计算机控制的绘图的出现,不仅提高了工作的效率,让图纸的技术有了很大的进步,让设计师把精力用在创造性的工作上。

  工程机械是我国传统实体经济的输送行业。在实际生产和生产中,机械行业的特点是根据用户的需求进行设计。它们的复杂性反映在对快速反应速度的需求上,这恰好是Creo参数设计的强度。Creo集成了PTC公司Pro/Engineer三个软件的参数化技术、Cocreate和ProductView的直接建模技术。新的三维可视化技术CAD设计软件包集成了多个可互操作的应用,覆盖了整个产品开发领域。

  Creo软件是一种集成CAD/CAE/CAM的系统软件,广泛应用于航空航天、汽车、通用机械、造船等行业。大多数公司的模型、零件设计和装配以及教学都是为Creo软件开发的。零件设计、装配、工程图生成等一系列完善的工作流程和零部件功能,被越来越多的设计师所认可和接受。Creo软件有着多元化的模块,每一个模块有着自己的作用,所有的模块还是生成的文件格式都是一致的,Creo实现了多种模块的整合,来解决各个文件参数更改的问题。

  在没有电脑绘图之前主要用的是铅笔绘图,这些的绘图会浪费大量的时间和人工。

  改造难度大,不能满足现代大批量生产的要求。Creo的造型模块很强大能够创建复杂的曲线和曲面。大大的提升了复杂曲面的设计过程,使用Creo的创建的曲面质量高,加快了设计的难题。另一方面,Creo广泛应用于航空、汽车、造船等行业。Creo是一款参数化很强大的软件,该软件可以从设计到加工一条龙解决问题。

  4.2三维建模

  4.2.1概述

  使用Creo设计的零件和装配体,具有很高的清晰度和很直观的特点。当给一个零件或者装配体更换颜色后就像看到真实的模型一样,一个设计师不需要拥有很丰富的想象就可以利用Creo设计出直观的产品,并且生成的模型也方便与外界人员交流。而且设计的三维模型是带参数化的,后期如果需要修改也很方便。使用Creo设计的产品能够大大提高设计的速度。可以对整个产品是设计制造进行有效的控制,大大的缩短了产品的设计及生产制造的周期。另外,当设计好三维模型后,就可以出工程图了。使用Creo生成的工程图是和三维模型是有关联性的,如果三维模型里面的尺寸发生变更那么工程图里面的尺寸也会随着变更,这样大大的提升了设计的速度还为设计人员免去了修改图纸的麻烦,运动仿真更是可以对机构的运动状态,受力分析,对机构运动的速度、加速度、受力情况都能时时的观察,在该模块里面可以模拟出像现实的机械运动,通过这些运动就可以看出所设计的产品是否达到要求。

  4.2.2建模设计

  爬管机器人的建模思路是先根据爬管机器人2D原理图在Creo进行建模的,建模完后再根据2D原理图对各个零件通过约束进行装配的,当进行建模和装配时可以发现各种零件干涉的问题,本次设计的爬管机器人主要由两个轮臂机构和两个吸附机构组成的。爬管机器人的主要零件如图4.1、图4.2、图4.3、图4.4、图4.5所示:

  图4.1横梁

  Figure 4.1 cross beam

  图4.2金属拉杆

  Figure 4.2 metal tie rod

  图4.3主机架

  Figure 4.3 main frame

  图4.4拉杆连接板

  Figure 4.4 tie rod connecting plate

  图4.5吸附模块连接板

  Figure 4.5 connecting plate of adsorption module

  4.2.3结构设计

  首先对爬管机器人本体机构进行了设计,其结构如图4.6所示。本次设计的爬管机器人有四个轮臂驱动机构、两个独立的吸附模块。轮臂驱动机构的连接固定方式是通过与横梁下面的丝杠机构连接的,如图4.6中3所指示,球头拉杆的固定方式是通过螺纹连接在丝杠电动机的螺母座上的,爬管机器人的主机架形成一个梁,四个轮臂驱动机构还可以调整一定的角度。当爬管机器人的丝杠电机产生旋转,此时丝杆螺母座会跟着丝杆上下进给,金属拉伸杆是可以活动的,可以实现各种角度的调节,来适应各种工作场合,为了保障四个车轮能够正常的工作,爬管的机器人的适应的管道的直径为300mm-900mm,可以适应复杂的管道应用场合。

  1轮臂机构;2直流减速电机;3丝杆机构;4吸附模块;5主体架

  图4.6机器人整体结构

  Figure 4.6 overall structure of robot

  图4.7吸附模块示意图

  Figure 4.7 schematic diagram of adsorption module

  吸附模块如图4.7所示,本次设计的爬管机器人的结构有丝杆步进电机、丝杆铜套、舵机、齿轮1、齿轮2、滑轨、和衔铁块。而且每个吸附模块都是可以单个控制的,如果要想爬管机器人上下滑动就要操控通过控制螺杆驱动电机的正反转,要想调整工作模块与管道表面的距离,就要改变磁力的大小,爬管机器人的工作原理是吸附模块内部结构的工作角度就可以改变吸附力的大小。具体的吸附原理和优化描述如下。四轮臂机构和吸附机构通过主机架连接在一起,对管壁形成周围吸附作用,可根据管径在一定区域内调节。框架结构和部分零件由铝合金组成,既减轻了重量又消除了磁性对吸附机理的影响。每一个轮臂上都装有一个能够测量速度的直流伺服电机,能够提供足够的行驶时间,机器人能够沿着不同倾角的管道爬行[18],并反馈、及时调整,能够保证四个轮子同步旋转,能够实现平稳爬行。工作原理附图如图4.8和图4.9所示。

  图4.8竖直吸附爬行状态

  Figure 4.8 vertical adsorption crawling state

  图4.9直径管道的吸附状态

  Figure 4.9 adsorption state of diameter pipeline

  5爬管机器人的运动仿真

  5.1运动仿真分析一般流程

  本次设计所使用的是Creo Parametric中的机构运动分析(Mechanism)模块,它有着很强大的功能,能够很清楚的模拟出仿真运动,大大的提高了设计人员的工作效率。在这个模块里面有仿真动画和机构分析这个两个功能,如果要进行机构的运动仿真一定要该模块里面选择相应的连接副约束关系,然后再为各个连接副添加伺服电机就可以模拟出想要的运动仿真,在运动仿真中还可以检查机构之间的干涉以及测量想要的各种参数,还可以添加在受力环境在运动仿真的环境中。

  在运动仿真模块里面,把装配体的各个连接副定义好后就可以进行运动仿真了,运动仿真的产品就如同现实一样的模拟动作展现在设计师面前,运动仿真是非常有利用和外边人员交流的。要实现运动仿真效果,具体操作流程如图5.1所示:

  图5.1运动仿真流程图

  Figure 5.1 flow chart of dynamic simulation

  在装配体环境中,一定搞清楚应该怎么选用什么装配方式来约束零件和零件,或者组件和组件之间的连接副,因为这一步是很关键,这一步没有做好会直接影响到运动仿真的过程,装配就是零件与零件、零件与装配体约束它们的几何关系把两者装配在一起,要约束一定的自由度或者是所有的自由度,所以搞清楚在装配体中的约束方式是很重要的,如果要在装配体中装配一个零件时,打开装配约束操作界面。当要在装配体环境中装配一个新零件时,首先看到的是装配约束的画面。接着就是“元件放置”的界面选择里面的“使用约束定义约束集”的界面,其中包括刚性、销钉、滑动杆、圆柱、平面、球、焊接、轴承和常规等11种连接类型,如图5.2所示。

  图5.2“使用约束定义约束集”列表框

  Figure 5.2"define constraint set with constraint"list box

  设置连接约束时,连接到组件的元件和组件中的其他元件之间存在相对移动,而且装配体在定义活动方式的时候是非常重要的,因为每种活动方式与定义的装配方式有关系的,每一种定义装配类型都有一系列的装配的约束的。所以在设计装配体的时候,要考虑到装配体与装配体之间会存在什么样的运动然后再采用相应的装配方式,同时还要考虑到装配体要存在的自由度,所总结的连接类型的自由度如图5.3所示。

  图5.3连接类型的自由度

  Figure 5.3 degrees of freedom for connection type

  5.2应用Creo机构运动分析模块对爬管机器人进行运动仿真

  在爬管机器人的运动仿真过程中,各个零件是通过连接副进行运动的,根据爬管机器人的实际运动进行分析的,然后可以根据刚性、销钉、滑动杆、圆柱、平面、球、焊接、轴承和常规等11种连接类型进行连接。在进行运动仿真之前首先要新建一个装配体命令为jiqiren如图5.4所示。

  图5.4新建装配体

  Figure 5.4 new assembly

  新建完装配体后,然后就是先把爬管机器人的横梁先以默认的方式装配好,接着就是装配爬管机器人的轮臂固定块以滑块的方式装配在横梁的下面,因为爬管机器人是向前移动,所以要先定义一个滑块,放置方式是横梁的中心轴与轮臂固定块的中心轴重合,分别以两个零件的中心平面定义重合,横梁的底面与轮臂固定块的顶面重合,约束方式如图5.5所示。

  图5.5轮臂固定块约束方式

  Figure 5.5 restraint mode of wheel arm fixing block

  四个轮臂机构是通过销连接固定在机架上的,先约束一个销连接,轮臂机构的中心轴与机架的中心轴重合,然后约束轮臂机构的一个面与机架的一个面重合,两个重合分别是与轮臂固定块和伸缩杆的中心轴重合,轮臂机构约束方式如图5.6所示。

  图5.6轮臂机构约束方式

  Fig.5.6 restraint mode of wheel arm mechanism

  四个齿轮的连接方式也是通过销连接的,选择一个销连接,然后约束齿轮的中心轴与舵机的中心轴重合,再约束一个距离为2mm,齿轮的约束如图5.7所示。

  图5.7齿轮的约束方式

  在爬管机器人的装配体中确认好要运动部件的连接装配关系后,那么就要确认爬管人运动轨迹的装配,首先,要新建一个装配命名为“tube_robot”,新建完装配体后先把管道以默认的方式装配进来,把管道装配好后,再装配“jiqiren”在装配时以滑块的方式进行装配,第一个约束为“jiqiren”的垂直的轴线与管道的垂直轴线重合,第二个约束为“jiqiren”的right平面与管道的right平面重合,第三约束为平移轴选择“jiqiren”的top平面与管道的top平面重合用来控制爬管机器人往前移动。如图5.8为爬管机器人的运动装配。

  图5.8为爬管机器人的运动装配

  Figure 5.8 shows the moving assembly of pipe climbing robot

  运动部件的装配关系确定好后,就要进入应用程序的机构进行电机的添加来给爬管机器人提供运动的动力,控制爬管机器人向前移动的电机如图5.9所示,控制爬管机器人轮臂的轮子的电机如图5.10所示,控制齿轮转动的电动如图5.11所示。

  图5.9爬管机器人移动电机参数

  Figure 5.9 parameters of mobile motor of pipe climbing robot

  图5.10轮子电机参数

  Figure 5.10 wheel motor parameters

  图5.11齿轮电机参数

  Figure 5.11 gear motor parameters

  各项运动机构的电动机参数确认好后就可以,点击机构的机构分析就可以得到爬管机器人的运动仿真,在仿真开始之前我们要先拍一个快照来记录爬管机器人的初始位置如图5.12所示,拍好快照后就可以点击运行来就可以看到爬管机器人的运动仿真。