小型管道机器人的结构设计(附件)【字数:10082】
摘 要当前,管道无处不在,已渗透到我们生活中的方方面面,而管道最主要的作用是运输物料,例如天然气管道的搭建,使得家家户户都能够在家中使用天然气。由于大部分管道所处的工作环境并不怎么好,所以其寿命受到严峻的考验,这就凸显出管道机器人的重要性。本次课题是对小型管道机器人的结构进行设计。通过Solidworks对机器人进行三维建模,并导出工程图,依照工程图画出相应的CAD图。首先对方案进行初步分析,再对方案进行优化,最终采取如下方案把机器人的机身做成节箱式结构,机腿具有伸缩性能,轮足做成伞型状,轮足不但要能张开,还能闭合,这样机器人才能够适应管道中的弯道以及管径的变化。机器人中还利用了新式吊环,通过调节吊环,让摄像装置始终与地面保持平行。最后通过Solidwrks对机器人进行了运动仿真,实现了机器人在管道中的直线行走,但是弯道转弯只进行了理论上的分析。关键词管道机器人;自适应性;伸缩结构;内径变化
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题的目的与意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文主要研究内容 6
1.4 本章小结 7
第二章 管道机器人的方案设计 8
2.1 方案一的设计与分析 8
2.1.1 机身的设计 8
2.1.2 机腿的设计 8
2.1.3 驱动轮的设计 8
2.1.4 方案一的分析 9
2.2 方案二的设计与分析 9
2.2.1 机身的设计 9
2.2.2 机身内部传动结构设计 9
2.2.3 机腿的设计 10
2.2.4 方案二的分析 10
2.3 方案三的设计与分析 10
2.3.1 机身的设计 10
2.3.2 机身内部传动结构设计 10
2.3.3 吊篮的设计 10
2.3.4 轴承的设计 11
2.3.5 机腿的设计 11
2.3.6 驱动轮的设计 12
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目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题的目的与意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文主要研究内容 6
1.4 本章小结 7
第二章 管道机器人的方案设计 8
2.1 方案一的设计与分析 8
2.1.1 机身的设计 8
2.1.2 机腿的设计 8
2.1.3 驱动轮的设计 8
2.1.4 方案一的分析 9
2.2 方案二的设计与分析 9
2.2.1 机身的设计 9
2.2.2 机身内部传动结构设计 9
2.2.3 机腿的设计 10
2.2.4 方案二的分析 10
2.3 方案三的设计与分析 10
2.3.1 机身的设计 10
2.3.2 机身内部传动结构设计 10
2.3.3 吊篮的设计 10
2.3.4 轴承的设计 11
2.3.5 机腿的设计 11
2.3.6 驱动轮的设计 12
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.7 方案三的分析 12
2.4 本章小结 12
第三章 三维建模及结构分析 13
3.1 Solidworks三维设计优势 13
3.2 三维建模 13
3.3 工作原理 14
3.4 部分结构分析 14
3.4.1 前后机身装配分析 14
3.4.2 主电机装配分析 15
3.4.3 丝杠装配分析 15
3.4.4 伞足装配分析 16
3.4.5 吊篮演示分析 16
3.5 本章小结 16
第四章 元器件的选取与校核 17
4.1 驱动轮电机的计算与选取 17
4.2 主电机的计算与选取 17
4.3 进给丝杠和螺母的设计 19
4.4 选择联轴器 22
4.5 选择键 23
4.6 本章小结 24
第五章 运动仿真 25
5.1 虚拟样机技术 25
5.2 Motion分析运动 25
5.3 运动仿真 26
5.4 本章小结 30
总结与展望 31
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1 课题的目的与意义
当前,管道在城市规划建设中以及物资运输方面发挥着越来越重要的作用,为了提高管道的寿命、工作的稳定性以及效率,在安装管道时就需要特别谨慎,并且后期的检测与维护也尤为重要,在发电、制冷、炼油、化工等行业中,普遍使用大量直径不等的细小金属管道,这些管道长期工作后会出现积垢、腐蚀、机械损伤、裂纹等缺陷,若不及时检测维修,就会造成事故,后果不堪设想。由于空间窄小,甚至环境有毒有害,人工检查起来不仅劳动强度大、难度大,而且还会带来许多危害。因此迫切需要寻求能够自动检查这些细小管道内部缺陷的方法,所以开发管道机器人进行作业就显得非常方便。一方面,我国的油气管道长度已经排到世界第六,其总长度已有45865km,但是油气管道长期被埋在地下,随着时间的不断地流逝,管道将存在许多安全隐患问题,例如疲劳破坏、杂质堆积、管道腐蚀等,这会对管道的寿命、稳定性、效率造成严重的影响;另一方面,由于采用“开挖”的抽样方法对地下管道进行检查,这会加大人力与财力的投入,而且检查效果也不怎么好,所以研制能在管道内长距离的行走的机器人以及对管道进行合理地作业就显得非常重要。
管道机器人实质上是一个机电一体化装置,不但能在管道内行走,也能在管外行走,它能够安装多个传感器以及操作装置,例如超声波传感器、涡流传感器、管道清理装置、摄像装置等,这样机器人才能够对管道进行合理地检测与维修,而这一系列的工作都离不开操作人员。管道机器人在功能上不仅能够实现实地检测,还能够对管道进行维护处理,其系统由四个基本组成部分组成,分别是控制系统、行走机构、操作系统及动力传输系统,其中,管道机器人的核心系统是行走系统与操作系统。管道机器人可完成的作业有生产、安装过程中的管内外质量检测;使用过程中焊缝情况、表面腐蚀、裂缝破损等故障诊断;恶劣环境下管道清扫、喷涂、焊接、内部抛光等维护;对埋地旧管道的修复;管内外器材运送、抢救等其他用途。
通过对本次课题的认真探讨,使得我对管道机器人有了一个全新的认识。现在管道机器人已生产出许多种类型,其中有蠕动式机器人、螺旋驱动式机器人、蛇型机器人等等。此次我做的是轮式机器人,该机器人能够自适应管径的变化,能够通过管道中常出现的弯道,成本较低,结构也比较简单,能够达到任务书里提到的要求。
1.2 国内外研究现状
自上世纪80年代以来,国内外管道机器人的研究成果已经很多,对于诸如煤气和石油等大口径管道检测装置的结构、原理有了较多的研究。但对内径尺寸在20mm以下的细小管道、特殊管道(如变径管道、U形管、T形管及L形管)的微小型管道机器人研究尚处于探索阶段,离实际应用还有一定的差距。近几年,国内外提出了惯性冲击、轮式驱动、仿生蠕动、螺旋推进等运动方式,并且在样机研制方面取得了突破。但大部分机器人还只能运行一般的直管道,在实际工程中被广泛应用的变径管道、U形管道的检测机器人还处在试验开发阶段,通用性也很差。由于该类管道在各个领域的广泛应用,因此研发该类机器人极具吸引力。
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