中央空调管道清洁机器人的设计2

1、中央空调管道清洁机器人的设计摘 要本次设计的机器人用于污染的中央空调管道的清洁,整体结构主要由 行走机构、清扫机构和监视控制系统三部分组成,行走机构又分为驱动机 构、 导向轮系统两部分。 驱动方式为单电机驱动机器人前轴。 在清扫之前, 通过调整支撑臂上的螺钉来调节两个导向轮的横向距离,保证机器人处于 管道中央时导向轮两端距管道壁各有约 20mm 。清洁工作主要由旋转刷系统完成, 旋转刷由气动马达驱动 , 与气动马达 相连的刷杆采用伸缩式结构 , 可以进行长度调节 ; 旋转刷头可拆卸并且有不 同的材料和尺寸系列 , 整个装置可以进行俯仰调整 , 从而保证在管道都能彻 底清扫到管道的边角和顶部。

2、在清扫过程中 , 利用气动马达吹出的高压空气 将扫落的灰尘吹向前方 , 便于抽风机抽出。清洁过程中,通过监视系统可以方便的对清扫情况进行实时监控,当 出现清扫效果不理想时可以操纵机器人后退再清扫一次。目 录第一章 概 述 . 11.1课题的背景及意义 . 1 1.2机器人发展现状及趋势 . 2 1.2.1国内领先水平的管道清洁机器人 . . 2 1.2.2中央空调管道清洁机器人发展趋势 . . 3 1.3本课题的设计任务 . 3第二章 中央空调管道机器人系统设计 . 32.1工作原理及组成 . 4 2.2机器人设计原则 . 5 2.3整体方案选择 . . 5第三章 行走机构设计 . 73.1机

3、器人驱动机构 . 7 3.1.1电机的选择 . . 7 3.1.2传动齿轮的设计 . . 8 3.1.3传动轴的设计 . . 13 3.2导向轮系统 . 16 3.2.1导向轮系统原理 . . 16 3.2.2电机的选取 . . 16 3.2.3传动带的选择 . . 17 3.2.4导向轮的设计 . . 19第四章 清扫机构 . 214.1清扫方案确定 . 22 4.2旋转刷系统主要构件 . 22 4.3构件的选择 . 23 4.3.1气动马达的选择 . . 23 4.3.2旋转刷的设计 . . 25第五章 监视控制系统 . 285.1摄像头的选择 . 28 5.2摄像头的固定和调整 . 28

4、 5.3监视器 . 29 5.4照明装置 . 29 5.5灰尘收集装置 . 30第六章 总 结 . 32参 考 文 献 . 33第一章 概 述随着当今社会的发展,空调通风系统在日常生活中发挥着越来越重要的作用。中央 空调系统主宰着楼宇中空气的新陈代谢, 被称为 “建筑物之肺” 。 中央空调管道在长期使 用中会积累许多灰尘、病菌及放射物等,这些有害物质在送风过程中便污染了空气,长 期被人体吸入,就会危害大众的健康。因此人们在迫切要求提高生活质量的同时,要求 提高工作居住场所及其他公共场所环境质量 (特别是空气质量 的呼声也越来越急切。 国外发达国家由于很早以前便应用了众多的中央空调系统,针对空气

5、质量对人身健 康的危害,国外民众有比较深刻的认识 (1976年美国费城的军团菌大爆发,事后认定其 传染源就是该市某会场内的中央空调 。 国外卫生机构相继出台了较为严密的中央空调使 用及清洗法规, 如 :美国国家风管清洗协会制定的行业标准 暖通空调系统的评估、 清洗 和修复标准 C ACR2002版 和日本制定的日本风道清洗协会技术标准 CI990版 及 芬兰新颁布的法律要求宾馆、饭店、洗衣房、工业加工产生粉尘物质的通风系统,每年 清洁一次 ; 医院、 学校等每 5年一次。 类似的法律可以预见将在世界各地实施。 目前发达 国家均成立有中央空调风管清洗协会, 如 :国际通风卫生评议会 (TCVH、

6、 美国风道清洗协 会 (NADCA 、欧洲风道清洗协会 (EVHA、英国风道清洗协会 (HVCA旧本风道清洗协会 (JADCA等,国外的集中空调的风道清洗己经形成了一个巨大的产业。国内有超过 500万个各类中央空调需要清洗保养, 而且每年正在以 10%的速度递增, 这些中央空调大部分运行了 20年以上却从未清洗。 随着我国经济的发展, 人们对室内空 气质量所带来的危害越来越重视, 尤其是 2003年 “非典” 疫情的传播, 已使人们对中央 空调带来的疾病隐患有了相当深刻的认识。为了保障公众健康, 2006年 3月 1日,卫生 部制定并实施了 公共场所集中空调通风系统卫生管理办法 , 中央空调的

7、卫生问题得到 了前所未有的关注,对空调管道进行定期清洗势在必行。因此,中央空调清洗行业将成为中国一个新兴的有着巨大潜力的发展行业,对中央 空调清洁机器人的研究与开发更是具有一定的社会价值和商业价值。机器人有三个发展阶段,那么也就是说,我们习惯于把机器人分成三类,一种是第 一代机器人,那么也叫示教再现型机器人,它是通过一个计算机,来控制一个多自由度 的一个机械,通过示教存储程序和信息,工作时把信息读取出来,然后发出指令,这样 的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果,再现出这种动作,比方说汽车的点焊机 器人,它只要把这个点焊的过程示教完以后,它总是重复这样一种工作,它对于外界的 环境没有感知,

8、这个力操作力的大小, 这个工件存在不存在, 焊的好与坏, 它并不知道, 那么实际上这种从第一代机器人, 也就存在它这种缺陷, 因此, 在 20世纪 70年代后期, 人们开始研究第二代机器人,叫带感觉的机器人,这种带感觉的机器人是类似人在某种 功能的感觉,比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比,有了各种各样的 感觉,比方说在机器人抓一个物体的时候,它实际上力的大小能感觉出来,它能够通过 视觉,能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。那么第三代机器人,也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段,叫智 能机器人,那么只要告诉它做什么,不用告诉它怎么去做,它就能完成运动,感知思维 和人机

9、通讯的这种功能和机能,那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能 的概念和含义,但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在,而只是随着我们 不断的科学技术的发展,智能的概念越来越丰富,它内涵越来越宽。清华大学精仪系机器人及其自动化研究室与解放军工程质量监督总站合作, 于 2004年成功解决了管道清污移动操作机器人关键技术,研制出通风管道智能清污机器人 MDCR-I 。与国外同类清扫机器人相比, MDCR-I 集探测、清扫、吸尘、消毒喷雾多功能于 一体,具有基于多传感器信息的手动遥操作控制和智能化自主行驶功能,可实现各种圆 形和矩形截面尺寸管道内的智能化清洁与消毒作业。上海东华大学自行

10、研制的“自主变 位四履带足机器人”在传动上独树一帜,其在任何管道中的运动性能都远远超过了进口 产品,并拥有了国家专利。中央空调清洁机器人比较常见的可分为轮式、腿式、履带式清洁机器人,它们能清 洁掉管道内的大部分赃物,但有些偏僻的死角依然无法解决,随着科技工作们的深入研 究, 中央空调清洁机器人已经摆脱了简单的控制和清理工作, 控制系统将越来越智能化, 操作方法也越来越方便、简单,朝着高自动化的方向发展。1.3 本课题的设计任务本次设计的任务是设计一个中央空调管道清洁机器人,要求机器人可以在管道内实 现前进、后退、按一定曲率半径回转及原地转向等动作,能高效地完成管道内的清污工 作。具体设计内容为

11、:(1 了解中央空调管道清洁机器人的基本构成及工作原理, 熟悉其设计、 生产的基 本知识。(2进行管道清洁机器人的总体方案设计及其零部件设计。(3设计原始参数:1 机器人可以在管道内实现前进、 后退、 按一定的曲率半径回转及原地转向等动作。2机器人的尺寸大小:高度范围:170 400mm长度范围:310 780mm宽度范围:300 800mm3机器人的运动速度为 4 12m/min4可以实现局部最大爬坡能力 5管内越障 2mm 6最大行程 150m第二章 中央空调管道机器人系统设计本次设计的机器人 (如图 2-1 用于污染的中央空调管道的清洁, 整体结构主要由行 图 2-1中央空调管道清洁机器

12、人走机构、清扫机构和监视控制系统三部分组成,行走机构又分为驱动机构、导向轮系统 两部分。驱动机构(如图 2-2所示,驱动方式为单电机驱动机器人前轴。在清扫之前, 通过调整支撑臂上的螺钉来调节两个导向轮 (如图 2-3 的横向距离, 保证机器人处于管 道中央时导向轮两端距管道壁各有约 20mm 。清扫工程中,两导向轮分别以大小相同,方 向相反的速度旋转 (其中左导向轮逆时针旋转, 右导向轮顺时针旋转 , 其旋转速度比机 器人前进速度略大。 如左边的导向轮碰到管道的左壁, 则导向轮的切向摩擦力 F 向机器人 中心偏移,简化成牵引力 F ,及顺时针的扭矩 M ,迫使机器人右转。其左转的原理相同。 清

13、洁工作主要由旋转刷系统完成,旋转刷装置是机器人清扫系统的核心工作部件之一, 旋转刷由气动马达驱动 , 与气动马达相连的刷杆采用伸缩式结构 , 可以进行长度调节 ; 旋 转刷头可拆卸并且有不同的材料和尺寸系列 , 整个装置可以进行俯仰调整 , 从而保证在管 道都能彻底清扫到管道的边角和顶部。 在清扫过程中 , 利用气动马达吹出的高压空气将扫 落的灰尘吹向前方 , 便于抽风机抽出。设计的旋转刷头有四种材料系列 :尼龙刷、钢刷、 不锈钢刷和铜刷。尼龙刷适用于所有材质的管道 , 不会对管道壁造成损伤 ; 钢刷适用于各 种钢管 ; 不锈钢刷适用于钛合金管道和铜镍合金管道 ; 铜刷适用于材质为有色金属的管

14、道。清洁过程中,通过监视系统可以方便的对清扫情况进行实时监控,当出现清扫效果 不理想时可以操纵机器人后退再清扫一次。此外通过记录清扫过程,也可避免一些经济 问题。目前全国共有上百万台中央空调亟待清洗保养 , 空调清洗行业正在悄悄兴起。 而国内 市场上尚无管道清洁机器人产品 , 本文设计的中央空调管道清洁机器人系统结构简单 , 自 动化程度高 , 适用范围广 , 成本较低 , 对促进我国中央空调管道清洗行业的发展、 改善室内 空气质量、提高生活和健康水平等具有积极的意义。(1 最小运动惯量原则:由于机器人运动部件多, 运动状态经常改变, 必然产生冲 击和振动, 采用最小运动惯量原则, 可增加机器

15、人运动平稳性, 提高机器人动力学特性。 为此,在设计时应注意在满足强度和刚度的前提下,尽量减小运动部件的质量,并注意 运动部件对转轴的质心装配。(2尺度规划优化原则 :当设计要求满足一定工作空间要求时,通过尺度优化以 选定最小的臂杆尺寸,这将有利于机器人刚度的提高,使运动惯量进一步降低。(3 高强度材料选用原则:由于操作机从手腕、 小臂、 大臂到机座是依次作为负载 起作用的,选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的。(4 刚度设计的原则:机器人设计中, 刚度是比强度更重要的问题, 要使刚度最大, 必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸,提高支承刚度和接触刚度,合理地安排作用在臂 杆上的力和力矩,

16、尽量减少杆件的弯曲变形。(5可靠性原则:机器人因机构复杂、环节较多,可靠性问题显得尤为重要。一般 来说,元器件的可靠性应高于部件的可靠性,而部件的可靠性应高于整机的可靠性。可 以通过概率设计方法设计出可靠度满足要求的零件或结构,也可以通过系统可靠性综合 方法评定机器人系统的可靠性。(6工艺性原则:机器人是一种高精度、高集成度的自动机械系统,良好的加工和 装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。仅有合理的结构设计而无良好的工艺性, 必然导致机器人性能的降低和成本的提高。2.3 整体方案选择本次设计的主要难题是机器人的前进后退及转向控制,为此两个比较成熟的方案:方案一:双电机各驱动机器人两个前轮,

17、工作人员通过摄像头观察机器人在管道中 的运行情况,适时调整两电机的速度,对机器人进项转向控制。方案二:单电机驱动机器人的前轴, 在机器人前方左右两端各安装一个导向轮系统, 两个导向轮的角度可调。清扫管道之前,调整两个导向轮之间的横向距离比管道宽度略 窄,以大小相同方向相反的转速与机器人驱动轮同时启停,导向轮转动线速度比驱动轮 线速度略大,当某一导向轮碰到管壁时,导向轮的切向力和电机的牵引力的合力会迫使 机器人转向,从而保证机器人始终运行在管道的中央并能完成自动转向。相比较而言,方案一结构简单,控制灵活,但两电机的速度差的控制不好把握,两 电机启动的同步度不好控制,而且对工作人员的技术要求较高,

18、工作人员的劳动强度较 大,机器人的自动化程度较低;方案二采用导向轮系统,在机械结构设计上是个创新, 提高了机器人的智能化,大大减轻了工作人员的工作量,只是结构设计及传动系统稍微 复杂一些。综合考虑这两个方案的优缺点,我决定采用方案二。另外本次设计采用轮式机构传输,轮外部采用橡胶制履带,工业橡胶与管道的摩擦 系数为 0.8,是普通塑料轮子与钢管摩擦系数的 5.8倍,是铝合金轮子与钢管摩擦系数 的 4.7倍。 图 2-2驱动机构示意图 图 2-3导向轮结构图第三章 行走机构设计驱动机构(如图 2-2所示,根据任务书的要求机器人在管道中的前进速度为 4 12m/min, 即速度在 0.067 0.2

19、m/s之间。 根据设计要求初步估计机器人小车的尺寸:长 宽 高 =200300300(1根据外形尺寸,估计机器人的总质量 MM=箱体质量 +履带机构质量 +机器人驱动机构质量 +旋转刷系统质量 +导向轮机构质量+传输线质量 +摄像头系统质量。大体估计总重为 15kg 。(2计算驱动机器人所需要的牵引力 FF=履带轮摩擦力 +旋转刷摩擦力,据估计牵引力大小在 125N 左右 (3电机的选取小型减速电机具有结构紧凑、体积小、输出转速低、输出扭矩大等优点,比较符合 该机器人的设计准则,因此优先选用。初选减速交流电机,型号:70YN15-2的减速单相电容可逆电动机,生产厂家江苏无 锡红湖电机有限公司。

20、电动机的性能参数如下:输出功率:P=20W;电压:U=220V;频率:f=50HZ; 电流:I=0.35A;输出转速:20r/min;允许负载:F=5Nm 外形尺寸如(图 3-1 : 图 3-1驱动电机的外形尺寸方案设计如下:初选车轮直径 d=110mm,由车的前进速度 0.1m/s得第二级齿轮转速:2/( 0.29/N V d r s =则传动比: u=12N N =(1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1由选定的传动方案,选用直齿圆柱齿轮传动2管道清洁机器人速度和扭矩不大,故选用 7级精度(GB-10095-883材料选 择:由参 考书 1表 10-1选择 大小齿轮 皆为 40Cr 调 制

21、淬火 硬度为 241-256HBS 或 48-55HRC选用小齿轮数 1Z 和大齿轮数 2Z124Z =21.152427.6Z =取 228Z =(2按齿面接触强度设计由参考书 1设计计算公式(10-9a 进行试算,即11 (132. 2H Ed t t Z u式中:1t d . 小齿轮分度圆直径; t K . 载荷系数;1T . 小齿轮传递的转矩; d . 齿宽系数; u . 传动比; E Z 弹性影响系数; H 接触疲劳许用应力。1 确定公式内的各计算数值 试选载荷系数 1.3t K =计算小齿轮传递转矩 5411195.510/1.9110T P n N m m = 由参考书 1表 1

22、0-7选取齿宽系数 0.5d =由参考书 1表 10-6查德材料的弹性影响系数 218. 189MPa Z E =由参考书 1图 10-21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 1lim H ,大齿轮的接触疲劳强度极限 2lim H 。其中:1lim H =1090MPa, 2lim H =1090MPa。由参考书 1式 10-13计算应力循环次数 11160hnjL N n =, 21/N N u=711. 4410N =, 721.2510N =。由参考书 1图 10-19查得接触疲劳寿命系数 1H N K , 2H N K 1H N K =1.14, 2计算接触疲劳许用应力11li

23、m 1( /H HN H K S = 1(1.141090 /112.42.6H M Pa = 22lim 2( /H HN H K S = 2M Pa =2计算计算小齿轮分度圆直径 1t d ,代入 H 中较小的值 1t d 计算圆周速度 v11/(601000 3.143020/(60100 0.0314/t v d n v m s =计算齿宽 b 已知 1d t b d = 可得 0.53015b m m = 计 算 齿 宽 与 齿 高 之 比 /d h :已 知 模 数 11/30/241.25t m t d z =, 齿 高2. 252. 251. 252. 81h m t m m

24、=得:/d h =15/2.8125=5.33 计算载荷系数:根据 v=0.314m/s, 7级精度,由参考书 1图 10-8查得动载系数 1.0V K = 直齿轮,假设 /100/a t K F b N m m 。由参考书 1表 10.3查得 1.1H a Fa K K = 由参考书 1表 10-2查得使用系数 1.0A K =由参考书 1表 10-4查得 7级精度,小齿轮相对支承非对称布置时:223H d d K d-=+将数据代入后得:H K =由参考书 1图 10-13查得 1.15F K =则有载荷系数1.3684A V H H K K K K K =按实际载荷系数校正所得的分度圆直

25、径由参考书 1式(10-10a 得:1311(/ t d d K Vt =30131.3684(计算模数 m=(3按齿根弯曲强度设计:由参考书 1式(10-5得弯曲强度计算公式:m (3.3 式中:m. 代表齿轮模数 k. 代表载荷系数 1T 小齿轮传递的转矩 d 齿宽系数 1 确定公式内各计算数值由参考书 1图 10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限1590FE M Pa =大齿轮弯曲疲劳强度极限2590F E M P a =由参考书 1图 10-18查得弯曲疲劳寿命系数:FN K = 20.98FN K =计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4,由参考书 1式 10-12得

26、=222/0.98590/1.4413F FN FE K S M P a =计算载荷系数 K1.001.001.11.151.266A V H H K K K K K =查得齿形系数由参考书 1表 10-5查得:12.50Fa Y = 22.62F a Y =查得应力校正系数由参考书 1表 10-5查得:11.55Sa Y = 21.59Sa Y =计算大小齿轮的F a SaF Y Y 并加以比较1112.801.55/408.790.01062Fa Sa F Y Y =2222.721.57/424.30.01009Fa Sa F Y Y =可知小齿轮的数值大。 2设计计算对此计算结果, 由

27、于齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于齿根弯曲疲劳强度的计算 模数的数值, 由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力, 而齿面接 触疲劳强度所决定的承载能力, 仅与齿面直径 (即模数与齿数的乘积 有关, 可取由弯 曲强度所 算得的 模数 1.213, 可就近 圆正为 1.3,按 接触强 度算得 的分度 圆直径mm d 517. 301=, 算 出 小 齿 轮 齿 数 34. 20/11=m d Z 取 20, 大 齿 轮 齿 数252. 242021. 112=Z u Z 。这样设计出的齿轮传动, 既满足了齿面接触疲劳强度, 又满足了齿根弯曲疲劳强度, 并做到了结构紧凑,避免

28、浪费。 (4计算几何尺寸 1计算分度圆直径: mm m Z d 263. 12011= mm m Z d 5. 3222= 2计算中心距mm d d a 25. 292/ 3426(2/ (21=+=+= 3计算齿轮宽度 15305. 01=d b d 取 mm B mm b 70, 1512= (5演算:N d T F t 33. 127330/1091. 12/2411=mm N mm N b F K t A =10089. 8415/33. 12731/ ,合适。通过以上方案设计初选车轮直径 d=110mm,第二级齿轮转速 N 2=0.29r/s,传动比u=1.15。(1求出输出轴上的功

29、率 P 转速 n 和转矩 T扭矩 T=9550000mmN n P =106487. 106476029. 00194. 09550000/(2求作用在齿轮上的力因已知低速级大齿轮的分度圆直径为 5. 32253. 122=Z m d t 圆周力 Nd T F t 26. 6555. 32106482/22=径向力 N F F t a 5. 23820tan 26. 655tan = (3初步确定轴的最小直径:先按参考书 1 式(15-2初步估算轴的最小直径选轴的材料 , 由参考书 1表(15-1 选35SiMn调 质 处 理 , 毛 坯 直 径 mm 100此 种 材 料 的 机 械 特 性

30、800=b 570=s 3551=-2051=-硬度 299-286HBS 。 根据参考书 1表(15-3取 A 1000=则 24. 7 4. 17/0194. 0(100 /(31310min =n T A d 又轴端安装车轮需用键槽应扩大 7%-8% 故 %81(24. 7min +=d =7.83,圆正为 8mm 。 轴的具体尺寸设计见(图 3-2 。 图 3-2齿轮轴(4按弯矩合成应力校核轴的强度 1计算各力的大小 由估算的车的重量和阻力得N F F NH NH 5. 4321=, N F F NV NV 5. 2721=, N F F NV NV 89. 443=。由力矩平衡得N

31、F t 2. 139=, N F F t r 23. 4520tan = 2画弯矩 , 扭矩图(如图 3-3所示。 3校核轴的强度已知轴的弯矩和扭矩后,可针对某些危险截面做弯矩合成强度校核计算。按第三强 度理论计算应力,其公式为 224+=ca 。通常由弯矩所产生的弯曲应力 是对称循环变应力,而由扭矩所产生的扭转切应力则常不是对称循环便应力。为了考虑两者循环特性不同的影响,引入折合系数 ,则计算应力为 22 (4+=ca (式中 1=PNH1 Fr 图 3-3轴弯矩、扭矩图对于直径为 d 的圆周, 弯曲应力 W M /=, 扭转切应力 T W T /=, 将 和 代入上 式,则轴的弯矩合成强度

32、条件为12222(2(4 (-+=+=WT MWT W M W式中: ca 轴的计算应力,单位为 MPa M 轴所受的弯矩,单位为 Nmm T 轴所受的扭矩,单位为 NmmW 轴的抗弯截面系数,单位为 mm 3,计算公式见参考书 1表 15-4 1-对称循环变应力时轴的许用弯曲应力,其值可按参考书 1表 15-1选用经计算得 7095. 21=-ca 。故经校核该设计可用。前轴和后轴相比除没有齿轮外可选用相同的尺寸, 因为后轴承受了主要的弯矩力矩, 轴经校核符合要求,前轴也应符合要求。4轴承的选择由于滚动轴承与滑动轴承相比,具有摩擦阻力矩较小;径向有隙较小、运转精 度较高;结构紧凑简单等优点,

33、而轴承主要须传递径向载荷,所以选用应用广泛的深 沟球轴承。根据轴径选取型号:两对型号为 100的深沟球轴承。为控制机器人在管道中前进方向, 在机器人前方左右两端各安装一个导向轮。 在清 扫之前,调整支撑臂上的螺钉来控制两个导向轮的横向距离,保证机器人处于管道中央 时导向轮两端距管道壁各有约 20mm 。清扫工程中,两导向轮分别以大小相同,方向相反 的速度旋转 (其中左导向轮逆时针旋转, 右导向轮顺时针旋转 , 其旋转速度比机器人前 进速度略大(如图 3-4 。如左边的导向轮碰到管道的左壁,则导向轮的切向摩擦力 F 向 机器人中心偏移, 简化成牵引力 F , 及顺时针的扭矩 M , 迫使机器人右

34、转。 其左转的原理 相同。在此处可以仿照汽车的机构后轮采用差动装置,这样可以更方便的实现转弯。 但考虑到这样会使结构更复杂,同时增加车重,会带来一系列的问题。最重要的是,设 计的机器人质量较轻,并且行进速度不高。这样完全可以旨在导向轮的辅助作用下即可 实现转弯。因已知导向轮输出线速度比驱动轮线速度 0.1m/s稍大, 暂定 0.12m/s, 导向轮直径 暂定 66mm ,带的传动比为 2,则电机的输出转速为 86.86r/min。在此选用小型交流减速电机,因为它结构紧凑,体积小,价格低,且购买方便。通 过网上查询并对它的输出转距,输出转速,以及安装尺寸进行比较,再次用北京台立伟 成机电有限公司

35、的电机,型号为 2IK6A-C 。电动机的性能参数和尺寸如表 3-1:表 3-1电机性能参数 图 3-4机器人在管道中前进示意图由于驱动电机与导向轮是远距离传动, 所以采用传动带, 并且带传动具有结构简单, 传动平稳,能缓冲吸振,且造价低廉,不需要润滑,维护容易等特点。平带虽然结构简单, 但是尺寸较大, 最小尺寸系列的平带的最小带轮直径为 112mm , 所以不合适。虽然轻型 V 带系列,尺寸小,传动功率大,但是它适合传动中高速转速,即小带轮 转速在 100 5000r/min之间。 而所设计的减速电机输出转速为 50r/min, 虽然传递功率 并不大, 但是由于转速太低, 带所传递的力就很大

36、, 那么所选带的型号就大, 根数也多, 所以也不合适。因此选择了圆弧齿同步带(HTD , 它能在低速下传递较大功率,预紧力小,结构紧18由参考书 2中表 36.1-71同步带传动的设计计算过程如下:(1设计功率 PdPd=KAP=1.00.006kw=0.006kw, 其中工况系数 KA=1.0 2 选带型和节距 Pb根据设计功率 Pb 和小带轮转速 n1=50r/min, 由参考书 2图 36.1-22选带型 5M 节距 Pb=5mm3 小带轮齿数 Z1和节圆直径 dP 1由 Z112min =Z (由参考书 2表 36.1-81查得 ,选取 Z1=15 dP 1=bP Z 1=mmmm 8

37、9. 23515=4 确定大齿轮齿数 Z2和节圆直径 dP 2 Z 2=iZ=12mm mm P Z dP b77. 47530, 301522=5 带速 vs m V s m s m n dP v /40/00625. 0/10000605089. 231000060max 11=6 初定轴间距 a 0 a 0=182mm7 带长 L 0及其齿数 Z21221004dP dP ( dP dP (22a a L -+=mm 182489. 2377. 47( 77. 4789. 23(218222-+= mm 29. 477=查表取标准节线长 480mm, 齿数 Z=30 8实际轴间距 a 当

38、轴间距不可调整时, 根据已知条件:a=, 97. 3772cos2112=-dP dP 可算出193. 57180121-=adP dP =3. 5718289. 2377. 47180-9带宽 bs已知各种带型的基准宽度如表 3-2所示:表 3-2各种带型的基准宽度 0S 由参考书 2公式 36.1-7计算得, bs=9mm由由参考书 2表 36.1-90知圆弧齿同步带带轮尺寸如(表 3-3 :(单位:mm 20表 3-3圆弧齿同步带带轮尺寸 为了方便加工,导向轮应该是简单的圆柱形。同时为了增大摩擦力,适当增大其高 度(15mm 及直径(5mm ,加工好之后再在导向轮外面缠上一层工业橡胶。为

39、了减轻尺寸及重量,可以选择轴的材料选用 40Cr 。 (1初选轴径由于轴为传动轴,主要受转距,受很小的弯矩,所以利用根据按转距计算轴径的计 算公式,由参考书 2中表 20-10知:对于实心轴:dN式中: P轴的输出功率 N轴的转速A与轴材料及其相应的许用扭剪应力有关的设计系数,选取 A=1058(由 参考书 2表 20-11查得 ,计算得:d mm 525. 6。取 d=14mm(由下面轴承安装尺寸 dmin=12.4mm求得 (2结构设计由于传动轴较短,带轮尺寸很小,带轮的轴向及周向固定很不方便,所以决定将带 轮、导向轮及轴作成一体,如图 3-5。 21图 3-5传动轴尺寸根据轴径 d mm

40、 525. 6 选取轴承号为 6000的深沟球轴承,其中轴承内圈通过轴向固 定,轴向固定通过与轴过盈配合。外圈与轴承孔过盈配合进行轴向固定,轴向固定通过 端盖实现。第四章 清扫机构清洁工作主要由旋转刷系统完成,旋转刷装置是机器人清扫机构的核心工作部件之 一, 旋转刷由气动马达驱动 , 与气动马达相连的刷杆采用伸缩式结构 , 可以进行长度调节 ;旋转刷头可拆卸并且有不同的材料和尺寸系列 , 整个装置可以进行俯仰调整 , 从而保证在 管道都能彻底清扫到管道的边角和顶部。 在清扫过程中 , 利用气动马达吹出的高压空气将 扫落的灰尘吹向前方 , 便于抽风机抽出。 设计的旋转刷头有四种材料系列 :尼龙刷

41、、 钢刷、 不锈钢刷和铜刷。尼龙刷适用于所有材质的管道 , 不会对管道壁造成损伤 ; 钢刷适用于各 种钢管 ; 不锈钢刷适用于钛合金管道和铜镍合金管道 ; 铜刷适用于材质为有色金属的管 道。此外应注意的一个问题是:旋转刷在转动时,管道上部的灰尘会在旋转刷的的带动 下飞向前方,而管道下方的灰尘则会飞向机器人本身。为此可以在机器人的下部安装一 台吹风机将灰尘吹向前方,但考虑到这样会使机器人的重量加大,这样会带来一系列问 题,比如:会增大驱动气动马达的功率,从而加大了车重和车的尺寸,这样做。是得不 偿失的, 因此我决定在管道的另一端装上灰尘收集装置 (即一个大的抽风机 , 这样就可 以将灰尘都吸走。

42、从而解决了以上的问题。为了提高清扫的质量,系统可以采用左右摆动或上下摆动。当采用上下摆动时,可 以采用四杆机构、凸轮机构或不完全齿。当采用左右摆动时,则须在支撑杆上加上一个支杆,并须用球铰链联接,结构较复 杂。同时在支撑杆上钻孔安装铰链会对杆产生削弱。此外如想改变旋转刷系统的高度也 不易实现,故不采用此结构。此两种方案设计出来的旋转刷系统结构都比较复杂,鉴于目前所学知识限制,我设 计了一个比较简单的清扫方案,即在气动马达的驱动下旋转刷实现转动,对管道进行清 洗。旋转刷系统的主要构件有气动马达、旋转刷、支架、夹具、螺管等。结构简图如图 4-1所示:22 图 4-1旋转刷系统简图气动马达是以压缩空

43、气为工作介质的原动机,它是采用压缩气体的膨胀作用,把压 力能转换为机械能的动力装置。各类型式的气马达尽管结构不同, 工作原理有区别, 但大多数气马达具有以下特点: (1 可以无级调速。 只要控制进气阀或排气阀的开度, 即控制压缩空气的流量, 就 能调节马达的输出功率和转速。便可达到调节转速和功率的目的。(2 能够正转也能反转。 大多数气马达只要简单地用操纵阀来改变马达进、 排气方 向,即能实现气马达输出轴的正转和反转,并且可以瞬时换向。在正反向转换时,冲击 很小。气马达换向工作的一个主要优点是它具有几乎在瞬时可升到全速的能力。叶片式 气马达可在一转半的时间内升至全速; 活塞式气马达可以在不到一

44、秒的时间内升至全速。 利用操纵阀改变进气方向, 便可实现正反转。 实现正反转的时间短, 速度快, 冲击性小, 而且不需卸负荷。(3工作安全,不受振动、高温、电磁、辐射等影响,适用于恶劣的工作环境,在 易燃、易爆、高温、振动、潮湿、粉尘等不利条件下均能正常工作。(4 有过载保护作用, 不会因过载而发生故障。 过载时, 马达只是转速降低或停止, 当过载解除,立即可以重新正常运转,并不产生机件损坏等故障。可以长时间满载连续 运转,温升较小。(5具有较高的起动力矩,可以直接带载荷起动。起动、停止均迅速。可以带负荷 启动。启动、停止迅速。(6 功率范围及转速范围较宽。 功率小至几百瓦, 大至几万瓦; 转

45、速可从零一直到每分钟万转。(7操纵方便,维护检修较容易 气马达具有结构简单,体积小,重量轻,马力大, 操纵容易,维修方便。(8 使用空气作为介质, 无供应上的困难, 用过的空气不需处理, 放到大气中无污 染 压缩空气可以集中供应,远距离输送由于气马达具有以上诸多特点, 故它可在潮湿、 高温、 高粉尘等恶劣的环境下工作。 除被用于矿山机械中的凿岩、钻采、装载等设备中作动力外,船舶、冶金、化工、造纸 等行业也广泛地采用。因为气动马达结构比较简单,使用气动马达可以使机器人旋转刷结构简化,经过选 择比较,我决定选取叶片式气动马达。叶片式气动马达的优点:(1保证迅速的启动;(2非常简单的调节输出扭矩和转

46、速;(3过载停转不会被损坏;(4设计简单,长寿命,低价格;(5 瞬时逆转;(6可以无油操作经过网上查询,我决定选取温州博泰机械制造有限公司生产的气动马达,他们生产 的气动马达主要有以下几种型号 :表 4-1气动马达型号 图 4-2气动马达设计的清扫刷的示意图如图 4-3所示。 图 4-3清扫刷的示意图图中表示了清扫刷的左右两半部分,中间空的地方是连接气动马达的。其中,刷子的两个端面部分的刷毛做成弧状是为了能够更彻底的清扫,此外,在两端刷子对应气动 马达伸出轴上圆周的位置可设计出对应的安装开口销的销钉口以实现旋转刷与气动马达 的连接。第五章 监视控制系统(1目前,市场上的主流摄像头使用的感光元件

47、主要有 CCD 和 CMOS 两种。 CCD 是应用在摄影、摄像方面的高端元素技术,采用 CCD 感光元件的摄像头在各方面的性 能都不错,具有成像灵敏度高、抗震动、体积小等优点,但价格较贵。 CMOS 则主要应 用于较低影像品质的产品中,具有价格低、响应速度快、功耗低等优点,但 CMOS 摄像 头对光源要求高。(2现在市场上数码摄像头的连接方式有接口卡、并口和 USB 接口三种。 通过对工作环境、图像要求以及经济性的综合考虑,决定采用 GS-388彩色数码摄 像机,由于管道内光线较暗,所以另外安装灯光照明系统。由于所清扫管道的高度变化范围很大,所以需要方便的调整摄像头的高度。本设 计采用摄像头螺管与机器人基座螺纹连接,并用紧定螺钉压紧,根据需要灵活可靠的 调整摄像头及照明系统的高度。另外摄像头、照明系统、