机械类的毕业论文结构紧凑的管道内行走装置

I摘 要管道运输在我国运用比较普遍，管道长期处于压力大的恶劣环境中，受到水、油混合物、硫化氢等有害气体的腐蚀。这些管道受蚀后，管壁变薄，容易产生裂缝，造成漏油的问题，存在重大安全生产隐患和济济损失。因此研究工程应用中的管道机器人具有很高的实用价值和学术价值。根据这些问题，我们设计一种新的行走机构并分析了其总体机械结构。本文进一步介绍了当前国内外的管道机器人的发展现状并提出了一种新的管内行走机构。它利用一个电机同时驱动均布在机架上并与管内壁用弹簧力相封闭的六个行进轮，从而实现了可以轴向直进全驱动的管内行走。接着本论文重点对直进轮式管道机器人的运动机理和运动特征进行了分析和介绍。根据管道机器人的设计要求选择电机，介绍了电机选择过程，对其中关键的机械部件如蜗轮蜗杆传动部件、齿轮等进行了设计。该机器人具有较大的承载能力，可以在较高的速度下实现连续移动，由于该机构采用弹性装置支撑，所以该机构的管径适应性增大，是一种具有实用价值的移动机构形式.关键词：管道机器人；行走机构；弹性装置IIAbstractIn our country, pipeline transportation is very universal, and pipeline is in high pressure circumstance. Because pipes are corroded by the water, the oil mixture, the hydrogen sulfide, the noxious gas corrosion and so on. When these pipelines were corroded, their walls would become thin and result in cracks and oil leak, there is safety incipient fault in production and economic loss. So the key technology and further research development trend of in-pipe robot are discussed. According to these problems, we designed a new mobile mechanism and analyzed its machine structure. In this paper, the current states of in-pipe robot are described and a new type of mobile robot mechanism moving in pipe is presented. It uses two motor to drive six wheels which distribute symmetrically on the robot body and a wheels are pushed on the wall of pipe by spring force，so that the six driving wheels move along the axis of pipe. This kind of mobile robot mechanism has high efficiency，simple structure and easy to manufacture and to mount.Then the papers focus on direct pipeline into the wheeled robots movement and the movement of an analysis and presentation. According to the pipeline robot design requirements choose Motors, introduced the motor selection process, of which the key mechanical components such as worm transmission parts, such as a gear design. The robot with the larger carrying capacity, can achieve higher speeds for mobile, as the agencies adopt a flexible device support, the agency increased the diameter of adaptability, is a kind of practical value in the form of body movement.Keywords: In-pipe Robot; Mobile mechanism; Flexible deviceIII目 录摘要 .IAbstract.II1 绪论 .11.1 本课题的研究目的和意义 .11.2 国内外管道机器人的发展状况 .21.3 国内外管道机器人的发展趋势 .81.4 论文的研究内容 .102 管道机器人总体方案设计 .112.1 实现管内行走的几种典型机构 .112.1.1 螺旋轮式 .112.1.2 蠕动式 .122.1.3 直进轮式 .132.2 直进轮式全主动管内机器人的运动机理 .173 管道机器人的移动机构分析与设计 .183.1 管道机器人管内行走的基本条件 .183.2 直进轮式移动机构分析 .193.2.1 轮式移动机构的原理 .193.2.2 轮式移动机构的特点 .193.3 直进轮式移动机构的运动分析 .213.3.1 运动自由度分析 .213.3.2 运动速度分析 .213.4 移动机构的受力分析 .233.4.1 受力分析时的一些假设条件 .233.4.2 移动机构前进时的受力分析 .243.5 直进轮式移动机构设计计算 .27IV3.5.1 直流电机的选择 .273.5.2 传动部位的设计计算 .293.5.3 机架的设计 .313.5.4 标准件选择 .313.5.5 拉伸弹簧的设计 .323.6 管道机器人在管道中运动通过性分析 .323.6.1 曲率半径大小的影响 .323.6.2 微型管道机器人适用的管道口径 .334 直进轮式管道机器人实体建模 .344.1Solidworks 软件简介 .344.2 关键零部件的实体建模过程 .354.3 主要部位的连接 .364.4 装配图的实现 .375 总结 .38参考文献 .40致谢 .41附录 .4211 绪 论管道作为一种有效的物料输送手段，在一般工业、核设施、石油天然气、军事装备等领域中都得到广泛的应用，本题目要求设计一个结构紧凑的管道内行走装置，提高驱动效率。本次设计重点在于设计一个直径轮式驱动装置，要求此驱动装置简便，拖动效率高且适应性好。1.1 课题的研究目的和意义深邃的大海中埋藏着长长的海底管道，用来传送石油、天然气。而一旦出现缺陷，不仅会造成能源浪费，还严重污染海洋环境。如何精确检测海底管道，防患于未然。我国海底管道铺设时间普遍较长，有 30、40 年之久,石油管道长期处于压力大、温度高的恶劣环境中，不仅受到水、油混合物的浸蚀，而且还受到硫化氢等有害气体的腐蚀,部分管段管壁变薄，强度变低，出现裂缝导致石油泄漏等故障,存在重大安全生产隐患。一般情况下，管道所处的环境往往是人们不易或不能直接接触的。因此，对于管道的检测和维护，成了工业生产中的一道难题。由此产生了管道机器人并且受到了国际各方面的广泛关注。管道机器人是一种可在管道内、外行走的机电一体化装置,它可以携带 1 种或多种传感器及操作装置(如 CCD 摄像机位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道接口焊接装置、防腐喷涂装置等操作装置),在操作人员的远距离控制下进行一系列的管道检测维修作业。一个完整的管道机器人系统应由移动载体(行走机构) 、管道内部环境识别检测系统( 操作系统)、信号传递和动力传输系统及控制系统组成。其中移动载体和管道内部环境识别检测系统是管道机器人系统的核心部分。本次设计重点在于设计一个直径轮式驱动装置，要求此驱动装置简便，拖动效率高且适应性好。最近 20 年来，国内外对管道机器人驱动装置进行了较为深入和广泛的研究，设计出多种移动装置。根据移动载体和驱动原理的不同，可以分为全驱动直进式、2螺旋驱动式、电磁驱动式、压电驱动式，以及履带式等。目前管道检测机器人只能对某种特定内径的管道检测。本人在分析现有管道检测机器人的基础上，进行了管道检测机器人驱动机构的研究。该检测机器人基于直进轮式驱动原理，采用可调整三轮驱动结构，以适应一定管径的变化。11.2 国内外管道检测技术的研究现状在工业、核工业、石油天然气等领域中，管道作为一种有效的物料输送手段而得到广泛应用，为了提高管道寿命，防止泄漏等事故的发生，管道机器人作为满足高效准确的故障诊断、检测及维修的手段应运而生，其广泛地应用于管道的探伤、补口、维修、焊接等诸多领域。而管道中又存在着直径大小不等的细小管道，针对这种细小工业管道检测作业的研究，成为人们关注的一个热点，因其管径太小，不可能用常规的机构、元器件和加工方法制作，而要用密集的、集成度方面比过去高得多的元器件，针对微小型特点的制作方法去实现，这种技术在日本称为 Micro Machine。近年来，由于微机械的出现，这种基于 IC 工艺和精密加工工艺发展起来的新技术，具有尺寸小、集成度高、功能独特等特点，潜在应用价值较大，也为细小管道微机械的开发铺平了道路，引起世界各国重视。轮式驱动因在直管中具有效率高、运动平稳等特点而成为管道机器人的主要驱动方式。2但轮式驱动方式在遇到弯管或不规则管等情况时会发生运动干涉问题，严重限制了轮式管道机器人的应用。现有的解决办法是采用多个电机独立驱动，然而这种方法的实时性和柔顺性还不够理想，并且由于多个电机占据了大部分空间，而限制了轮式管道机器人在中小型管道中的应用。3下面介绍一下几种国内外的发明与探索。从 20 世纪 5 0 年代起,为满足长距离管道运输、检测的需要,美、英、法等国相继展开了管道机器人的研究,其最初成果就是一种无动力的管内检测设备,一般译名称“管道猪 ”(Pipe Pig)4。该设备依靠其首尾两端管内流体形成的压力为驱动3力,随着管内流体的流动向前运动。它是一种被动的无自主动力的检测设备,依靠外力的作用而实现在管道中移动。随着计算机、传感器、控制理论及技术的发展,近些年来,人们开始研究采用具有自主动力的机器人来进行管道检测。这种管道机器人能在管道中自主行走,可以准确接近管道的故障截面,获得故障状况的可靠信息,精确到达操作位置。经过分析与研究发现，直进轮式管道机器人主要有两种驱动方式：单电机驱动和多电机独立驱动。单电机驱动是由一个电机通过蜗杆传动机构或锥齿轮传动机构将动力传递给圆周均布的驱动轮，驱动机器人前进。3由于这种驱动方法是刚性传动，使机器人在通过不规则管道时发生运动干涉，导致机器人工作效率下降，加速磨损，降低使用寿命。针对这个问题，人们提出多电机独立驱动，利用传感器采集管道参数，由控制系统进行分析和计算，再分别驱动多个电机来实现管道机器人对管道环境的适应。由于管道环境复杂，环境信息采集和处理困难，致使多电机驱动的机器人控制系统复杂且稳定性较差，实时性和柔顺性不够理想，并不能完全解决直进轮式管道机器人通过不规则管道时发生运动干涉的问题。下面为部分最新的科研成果。1.2.1 机械自适应管道机器人 3为了使机械自适应管道机器人驱动单元有较大的负载能力、均匀的速度、较强的管道环境适应能力，通过对目前管道机器人结构特点进行分析比较， 来自哈尔滨工业大学和北京大学的唐德威、梁涛、姜生元、邓宗全、于伟真等人设计了一种具有管道自适应能力、单电机驱动的直进轮式管道机器人驱动系统，其原理图 1.1 所示。该机器人驱动系统由控制单元、行走单元、中央差速单元及预紧变径单元组成。41-预紧变径单元 2-行走单元 3-同步带 4-驱动轮 5-管壁 6-控制单元 7-中央差速单元 8-离合器 图 1.1 机械自适应管道机器人原理图1.2.2 机械自适应管道机器人工作原理如下：(1)电机输出的动力经由离合器，通过控制单元控制，可分别传递到预紧变径单元和中央差速单元。(2)中央差速单元根据管道环境条件进行自动差速分配，再通过行走单元传递到各驱动轮，驱动机器人本体向前或向后移动。(3)预紧变径单元中装有压力传感器，控制单元通过该传感器测量预紧力，当预紧力超过系统设定值时，控制离合器改变动力传递方向至预紧变径单元，调节预紧力大小直至满足系统设定要求。1.2.3 机械自适应管道机器人的特点机械自适应管道机器人最大的特点就是具有机械自适应能力，利用机械方法，解决了直进轮式管道机器人遇到弯管或不规则管时发生运动干涉的问题；同时，系统中采用圆周三点、前后两排轮的支撑和驱动方式，大大提高了管道机器人的负载能力与越障能力。该机器人的前后两组支撑中的三个行走轮都是沿径向均匀分布的，而前后两部分都是沿轴向对称的，支撑点共六个，满足形封闭条件。当5移动机构行走时，三个轮子呈径向均匀分布，可以实现自定心要求。在支撑装置的作用下，行走轮被紧紧压在管道内壁上，具有较强的适应性。机构设计中利用对称性，抵消了机器人在运动过程中不平衡力偶的干扰，使所有的力集中到电机运转轴线所在的竖直平面上。同时，在通过电机轴线的竖直平面上保证机器人的重心与电机运转轴心之间保持适当的距离，保证了整个机器人运行过程中的平稳性。（1）直进轮式微型管道机器人为了使管内移动机构具有较大的负载能力，较高和均匀的速度，适应一定曲率的弯管和适应一定的管径变化， 北京石油化工学院机械工程系的田海晏、薛龙和北京化工大学的孙章军在分析目前微型管道机器人结构特点的基础上，设计了蜗轮蜗杆和齿轮组啮合、单电机驱动的直进轮式微型管道检测机器人系统。该机器人系统由直进轮式移动机构、CCD 摄像头和监视器组成。机器人移动机构包括驱动体、微电机系统和支撑体 3 部分，驱动体部分通过连接体将直流伺服电机与蜗轮蜗杆副连接，驱动轮通过支撑体部分保证在驱动过程中有足够的摩擦力。1.微型管道机器人的运动机理微型管道机器人采用了有缆驱动的驱动方式，其运动机理由车轮沿径向呈三等分均布，它们分别在扭簧的作用下被支撑在管道的内壁上。由于结构对称，此处只对其中一个车轮机构做详述分析。其机构简图如图 1.1 所示。电机带动蜗杆、蜗轮和三个齿轮运动，最后车轮通过作用于管道内壁的正压力而产生的摩擦力使得机器人沿管道内壁直线向前或向后移动，成为微型机器人的主驱动系统。而尾部为对称分布的三个柔性从动拖轮，用以支撑平衡电机，维持机器人系统在管道中平衡运动。2.微型管道机器人的移动机构的特点机器人的移动机构具有结构紧凑和较大的负载能力，满足