下水道清淤机器人

1、下水道清淤机器人设计背景：近几年以来，城镇化进程快速，城市规模日益扩大，城市下水管网不断延伸膨胀。城市排水系统是否畅通，不仅关乎城市防洪排涝，更加直接影响着广大市民的日常生活和身心健康。目前，我国城市下水管道清淤方法常用有：绞车清淤法、高压水射流清淤法和水冲清淤法，绞车清淤法是最普遍采用的方法。这些方法需要工人井下作业，存在着工作环境恶劣、装配复杂、清淤效果不佳等缺陷。中国城市规划在最初规划时，考虑的都是用圆形管道作为城市的下水道管网，而这些管道的管径都比较小，小的只有二三十公分，大的也不过一米左右。这就不像外国城市规划那样采用的基本上都是那种大型管网，大 的能有两米多高，最小的起码也能够让在

2、里面行走，这样就能让人在里面进行清淤工作。但是中国的就不一样，由于管网过小，工作人员进不去，而且里面还有沼气等有毒气体，就更加增加了工作的难度。综上就迫切需要一款能够胜任管道清淤的机器人，由此我们产生有设计这款机器人的想法。行走部分：此机器人所采用的是轮式四轮驱动，每个轮子的动力都来自不同的动力源。这样就能克服更加艰苦的环境。支撑轮子的轴承是固定在不同支架上，支架可以90度自由旋转和自由伸缩。这样的设计，能够使机器人在环境恶劣的下水道里面更加行走自如，如果下水道中有沉淀的淤泥，机器人就可以通过操纵杆控制，让机器人的四只旋转车臂向上旋转，使四只轮子紧贴着下水道管壁行走，让机器人的主体部分不至于触

3、碰到下水道里沉淀的淤泥，从而获得比较好的工作环境。然而，车臂上的液压装置主要是用来使机器人适应不同管径的下水道管道，比如有的管径只有300mm，这时只需要短的车臂就足以将机器人的底盘抬高到预定的高度，然而如果下次要清理的是，特别大的管径的下水道里面的淤泥，这时光靠车臂本身的长度就不能够将机器人的底盘抬高到预定的高度。这个时候，我们所设计的可自由伸缩和旋转的车臂就能够很好的解决这样的问题。支撑部分：支撑部分是一块PVC发泡板。 HYPERLINK /view/1714883.htm t _blank 工业生产的PVC HYPERLINK /view/346251.htm t _blank 分子量

4、一般在5万12万范围内，具备较大的多分散性， HYPERLINK /view/25255.htm t _blank 分子量随聚合温度的降低而增加；无固定 HYPERLINK /view/118854.htm t _blank 熔点，8085开始软化，130变为粘弹态，160180开始转变为粘流态；有较好的 HYPERLINK /view/1723358.htm t _blank 机械性能，抗张强度60MPa左右， HYPERLINK /view/628985.htm t _blank 冲击强度510kJ/m2；有优异的 HYPERLINK /view/3420975.htm t _blank

5、介电性能。但对光和热的稳定性差，在100以上或经长时间阳光曝晒，就会分解而产生氯化氢，并进一步自动催化分解，引起变色，物理机械性能也快速下降，在实际应用中必须加入稳定剂以提高对热和光的稳定性。PVC很坚硬， HYPERLINK /view/127111.htm t _blank 溶解性也很差，只能溶于 HYPERLINK /view/144832.htm t _blank 环己酮、 HYPERLINK /view/11292.htm t _blank 二氯乙烷和 HYPERLINK /view/62720.htm t _blank 四氢呋喃等少数溶剂中，对有机和 HYPERLINK /view

6、/1264243.htm t _blank 无机酸、 HYPERLINK /view/115019.htm t _blank 碱、盐均稳定， HYPERLINK /view/1540472.htm t _blank 化学稳定性随使用温度的升高而降低。PVC溶解在丙酮-二硫化碳或丙酮苯 HYPERLINK /view/3451662.htm t _blank 混合溶剂中，用于干法纺丝或湿法纺丝而成纤维，称 HYPERLINK /view/106617.htm t _blank 氯纶，具备难燃、耐酸碱、抗微生物、耐磨、环保的特性并具备较好的保暖性和 HYPERLINK /view/88743.ht

7、m t _blank 弹性。在PVC板上按照设计预先打好螺纹孔，为以后面组装时，固定电机和其他的零件和装置。机械臂：考虑到下水道清淤作业要更加全面和更加彻底，此机器人的机械臂部分采用的是360度全自由度机械臂（六自由度机械臂），它可以在下水道管道内，再难清理的地方机械臂都能够到进行清理。 机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动操作或有操纵杆来操纵的机械装置。其主要由执行机构、驱动机构和控制机构等组成。其机械臂大概原理图如下图所示：清淤部分：清淤机构是由机械臂上的一个清淤刀盘和另一个机械臂上的一个松淤装置组成。清淤刀盘由一块锯齿状的圆刀片（锯齿比较小，且在刀盘的边缘不是平整的

8、，而是有一定的凹凸，这样小锯齿设计可以谨防下水道里面的那些绳线和塑料垃圾把刀盘缠绕住无法正常工作）和一个高速马达组成（高速马达可以提供高转速的旋转，使切割更加容易）。松淤装置由一个震动马达和一个探针组成。工作原理是：先由清淤刀盘上的旋转刀片把下水管道中的淤泥和里面的树枝、垃圾等先切割一遍，再由松淤装置将已经经切割过的淤泥、树枝和垃圾进行松动，最后再经高压水枪的水压冲击清理淤泥。冲洗部分：冲洗部分我们设计的是采用高压水枪进行冲洗，在清淤机械手把下水道管道里面的淤泥清理松动之后，这时松动的淤泥还不能顺利地向下排淤。这时高压水枪喷射出来的水冲击到淤泥上就能很轻松的将其冲洗干净，从而达到下水道管道清淤

9、的目的。控制部分：1、视频传输：在这方面我们采用的是两个高清摄像头和一个强光电筒，经过电缆信号线传输到控制中心来，由一个显示屏来实时监测下水道里的清淤工作。2、整个控制采用单片机控制和点控结合的控制方式，来控制机械臂、机械手和高压水枪的工作状态和工作动作。零部件选用：1、橡胶车轮：直径100mm 4个2、PVC发泡板：1块（孔按设计要求自行打孔）3、小型液压缸：4个（其他的配套设备自行选用）4、驱动马达（低速强转矩）：4个5、高清摄像头：2个 720P（1280*720）6、强光灯：BXD6018A外径长度40mm208mm，重量280克。7、振动马达：1个长51mm 直径27.7mm 震动头

10、直径13mm 厚度8mm8、各种电源线和信号线:若干9、显示屏：1块个人总结：经过一个多月的努力，终于完成了下水道清淤机器人的简单思路构想和设计。在上本课程的时候，老师上课提到设计系统要包含液压系统、电气控制系统、机械传动系统。我们结合现实生活中有关下水道问题，想出了设计下水道清淤机器人。我们之后去图书馆借了几本相关书本，然后确定了大概结构，过程当中也遇到了很多问题，我们有耐心的去解决。最后完成了下水道机器人的简单设计。总体来讲，我们这一次设计是比较成功的，我们都能学习到了很多在校园、在课堂上、课本上学不到的东西，也了解自学，个人查阅资料完成设计中困难，及懂得如何应对这些困难。感谢这次机会，让

11、我学到了很多。附录资料：不需要的可以自行删除 型腔的数控加工工艺拟加工型腔类零件图待加工的零件是一个典型的带型腔的凸台零件，整体为凸台，中间带有型腔。具体形状如图1所示。图1零件图的工艺分析首先，分析一下尺寸标注方法。零件图上尺寸标注的方法为同一基准标注，适应了数控加工零件的特点。18mm，8mm，6mm三个尺寸是以上表面为设基金准，80mm，72mm，71.5mm，40mm是以原点O为设计基准。这种标注方法便于编程、又利于设计基准、工艺基准和编程原点的同一。但是尺寸40mm不便于测量，应以圆弧的直径端为终端，标注为60mm。其次，进行零件图的完整性与正确性进行分析。零件尺寸标准完整，各部位都

12、能用正确的尺寸标注方法标注出来，无引起矛盾的多余尺寸或影响工序安排的封闭尺寸。图中所有圆弧均为R10，这样便减少了刀具的数量和换盗的辅助时间。构成零件轮廓的几何元素的条件，是数控编程的重要依据。期中一个重要的环节就是零件的技术要求分析。只有符合技术要求的零件才能合格。零件的技术要求主要是指尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度。这个零件只给出了尺寸精度、粗糙度，没给出形状精度、位置精度，尺寸72+0.04、71.5+0.04上下偏差为0.04。孔20H8公差等级为8级，其中粗糙度统一为3.2，所以，所有面都需要精加工。零件材料的分析。此零件选用的是45号钢，这种材料在功能方面能满足要求；而且

13、它的切削性能也较好。并且无需热处理。毛坯的余量：毛坯的余量在X轴、Y轴、Z轴方向上个余4mm，满足数控加工的背吃刀量。毛坯装夹的适应性：毛坯为矩形块，且待加工零件的底面也为正方形。在加工是利于零件的定位和装夹，并且可靠，方便。选择加工设备机床的类型应与工序划分的原则相适应。机床的主要规格要求尺寸应与加工的外形尺寸和加工表面尺寸相适应。根据零件和现有条件，按照上述要求选择XK713A数控铣床。零件的定位基准和装夹方式 4.1零件的定位基准的确定合理地选择定位基准，对于保证零件的尺寸和位置精度有着决定性的作用。第一道工序一般只能以为加工的毛坯面作为定位基准，这种基准称为粗基准。此零件以一个底面作为

14、定位基准，铣削出定位粗基准。然后翻转装夹，再以这个粗基准作为定位基准加工上端面。然后加工侧面，将一个加工过的侧面作为精基准，加工零件的最大外轮廓。在第一道工序之后，根据基准统一原则，纵向铣削应使尽量多的表面加工时都用已加工的上端面作为定位基准，加工型腔、梯台面、20孔。横向的铣削都以加工过的侧面作为定位基准。以保证各加工面的位置精度。 4.2零件的裝夹方式工件的装夹：在卧式数控铣床上，使用机用虎钳直接装夹零件，利用X向、y向运动的单向运行或联动运行控制加工中进刀、退刀和轨迹曲线加工的运动，先加工零件的两周边和型腔的型面轨迹，再加工零件另外两周边。采用此方式加工的零件轮廓精度较为理想。优点是装夹

15、简单可靠，利用通用夹具就可以进行零件的装夹定位；缺点是在一次装夹定位中，只能完成零件周边两平面和型腔轨迹加工，零件周边另外两平面的加工需要进行二次装夹定位。适合于单件和中小批量的零件加工。这种装夹方式在保证了车削加工基准，装夹定位基准与设计基准重合的同时，敞开了加工中铣刀运行的空间。确定零件加工顺序与进给路线5.1加工顺序的确定 在加工中心上加工零件，一般都有多个工步，使用多把刀具，因此加工顺序安排得是否合理直接影响到加工精度、加工效率、刀具数量和经济效益。 在安排加工顺序时同样要遵循“基面先行”“先面后孔”、“先主后次”及“先粗后精”的一般工艺原则。 首先将毛坯料装夹在虎钳上粗、精铣削出一个

16、底面作为定位粗基准面，卸下工件，翻转，进行第二次装夹，粗、精铣削上端面，将上端面作为纵向加工的定位基准。 换刀。加工两个未被装夹的侧面，以其中一个侧面作为横向加工的定位基准，加工零件的外轮廓。 换上中心钻，在上端面中心钻铣刀的引导孔。 换上铣刀，粗铣型腔轮廓，由于型腔轮廓的特殊性，首先铣削出一个直径为30mm的孔，然后沿型腔轮轨迹铣削出型腔的轨迹。然后粗铣20H8的孔最后粗铣梯台面然后对所有型腔、孔，梯台面进行精加工。5.2进给路线的确定 工序1 铣基准面。将毛坯准装夹在机用虎钳上，铣削出一个底面，然后再用这个粗基准面进行第二次装夹。然后对刀加工上端面。将上端面作为定位基准。 工序 2 第三次

17、，第四次装夹，粗、精铣削四个侧面。工序 3 安装中心钻，钻中心孔，以便于铣刀下刀。 工序4 铣花型型腔。起刀点为矩形上端面正中心，首先铣出一个直径为30mm的圆，然后在沿着花型内轮廓将内轮廓铣削出花型。加工路线为ABCDEFGA 工序5 铣削20孔。起刀点还是上端面正中心，竖直向下铣出直径为20mm的圆形凹槽。沿着轮廓铣削。铣削圆形凹槽 工序6 铣削凸台。这道工序所要加工的内容是凸台，计算出凸台外轮廓的节点。起刀点为上端面中心，沿矩形边向内铣削。加工路线为ABCDEFGHIA。工序7 沿工件轮廓精加工，是表面粗糙度达到3.2um。刀具的选择此次加工的是型腔凸台零件，结合零件实际情况，需要一把直

18、径为125mm的面铣刀，粗加工型腔时需要一把直径为16mm的键槽铣刀，还需要一把直径为16mm,前角为15后角为25的高速钢立铣刀。零件加工型腔前需要进行钻孔，需要在上端面打工艺孔，所以要用到中心钻，中心钻的直径为5mm。 表8-1 数控加工刀具卡产品名称或代号零件名称零件图号02序号刀具号刀具规格名称数量加工表面备注01T01125mm的面铣刀1基准面和上表面02T025mm中心钻1钻中心孔手动03T0316mm硬质合金键槽铣刀1侧面、型腔与阶梯面粗铣04T0416mm硬质合金立铣刀1侧面、型腔与阶梯面精铣编制孙腾飞审核批准共 页第 页切削用量的确定根据零件加工精度和表面粗糙度的要求，并考虑

19、刀具的强度、刚度以及加工效率等因素，在该零件的各道加工工序中，切削用量选择如下。粗加工端面决定切削深度 由于加工余量不大，而且分为两次铣削，故可在一次走刀内切掉1.7mm，留0.3mm的精加工余量。则，ap=1.7mm决定每齿进给量f查表得，面铣刀粗加工是进给量在0.090.18mm之间。由于是粗加工，要求较低，所以这里选取fz=0.15mm选择铣刀磨钝标准及刀具寿命 根据切削用量简明手册表3.7，铣刀刀齿后刀面最大磨损量为0.8mm，由于铣刀直径d=125mm，故刀具寿命T=180min.确定铣削速度和切削速度Vc=200m/minn=200 x1000/3.14x125=509.5r/mi

20、n根据XK713A型卧式数控铣床说明书选择n=500r/min,因此实际铣削速度及进给速度为Vc =3.14x125x500/1000=196.3mm/minVf=500 x6x0.15=450mm/min即粗加工端面的铣削用量ap=1.7mm，fz=0.15mm，Vc=196.3m/min，n=500r/min，Vf=450mm/min。精加工端面根据粗加工的余量，精加工背吃刀量ap=0.3mm。精加工对表面粗糙度要求较高，所以选择进给量较小的每齿进给量fz=0.09mm。确定精加工铣削速度和进给速度Vc=300m/minn=300 x1000/3.14x125=764r/min根据XK71

21、3A型卧式数控铣床说明书选择n=800r/min，因此实际铣削速度及进给速度为Vc=3.14x125x800/1000=314mm/minVf=800 x6x0.09=432mm/min即精加工端面的铣削用量ap=0.3mm，fz=0.09mm，Vc=314m/min，Vf=432mm/min，n=800r/min。粗铣侧面、型腔轨迹和阶梯面 = 1 * GB2 决定铣削宽度ao。根据切削用量简明手册，表3.4查得铣削宽度ao=5mm。 = 2 * GB2 决定每齿进给量fz。根据表3.4，fz=0.080.05，这里取fz=0.08mm。 = 3 * GB2 选择铣刀磨钝标准及刀具寿命 根据

22、切削用量简明手册表3.7，铣刀刀齿后刀面最大磨损量为0.5mm，由于铣刀直径d=16mm，故刀具寿命T=60min. = 4 * GB2 确定铣削速度和切削速度根据表3.13 当d=16mm，z=6，ap=16mm ，ao=5mm，fz=0.08mm时，Vc=50m/minn=50 x1000/3.14x16=995r/min根据XK713A型卧式数控铣床说明书选择n=1000r/min,因此实际铣削速度及进给速度为Vc=3.14x16x1000/1000=50.2m/minVf=1000 x6x0.08=480mm/min即粗加工时的铣削用量ap=16mm ，ao=5mm，fz=0.08mm，n=1000r/min，Vc=50.2m/min，Vf=480mm/min。精加工根据表3.