文档介绍：目录
前言 1
第一章方案的结构选择 2
总体选择 2
前进方案的选择 2
卡紧方案的选择 2
旋转方案的选择 5
调节方案的选择 5
结构方案改进 7
第二章主要部件的计算选择 8
步进电机的选择 8
推拉式电磁铁的选择 11
第三章关键件的校核 13
丝杠的校核 13
轴承的校核 13
键的校核 13
第国章驱动系统设计 14
第五章机器人工作过程 16
第六章控制系统的设计 17
电磁铁及步进电机的控制 17
控制系统的硬件设计 17
总体设计 17
程序存储器的扩展 19
数据存储器的扩展 20
输入\输出口的扩展 20
抗干扰的设计 22
第七章结论 24
参考文献 25
前言
随着现代科学技术的发展,管道运输作为一种高效、安全、可靠的手段应用日益广泛,城市中的地下排水系统、取暖系统、煤气系统、自来水系统等都应用了各种管道;另外,在现代工农业、石油、化学、核工业等领域也大量使用了管道。经过长期使用,它们会出现裂纹、腐蚀、堵塞等故障。有的管道中输送的是剧毒或放射性介质,若这些管道产生裂纹、漏孔会造成介质泄漏,引起事故甚至发生灾难。为了防患于未然,必须对这些管道进行定期检测和维修。但是它们有的埋在地下,甚至埋在海底,有的口径很小,人无法进入。挖出管道进行检测、维修既不经济又不现实,由此可见,管道机器人有着广阔的市场。
我国早在1987年就开展了管内机器人的研究,并试制了几种模型,但总体水平较国外差。管内机器人研究是机电一体化的高科技研究项目。在石油、化工、核工业、给排水等许多管道工程中,都需要进行管内检测、喷涂及加工等工作,管内机器人在完成这些工作中会发挥重要作用,因此,开发研究管内机器人意义很大[1]。
本次题目的内容就是设计一种可在油管内壁爬行,并且搭载工作体的部分可协助工作体完成相应作业的机器人。采用机械结构和电气控制来达到设计目的。要实现的理想过程是:人对主机输入一个控制信号,可以通过单片机对电机、电磁铁进行电气控制,从而使机器人能够按照所搭载工作体的要求进行移动,并在工作体的工作位置做出相应的辅助动作。机器人在行进过程中可在任意位置停止前进,并可以在该位置开始作业,工作体可在步进电机驱动下完成小于360度的任意角度的旋转。
一、方案的结构选择
总体选择
总体上,本次设计主要采用机械结构设计来完成指定的动作,而用电气设计来控制这些动作。
前进方案的选择
目前在管道内机器人的行进方式多种多样,本设计采用蠕动式行进的方式。前进方案由旋转式步进电机、直线式步进电机、气缸中进行选择。现将3种方式在本设计中的应用进行比较。由于本设计前进方式为直线,所以其中使用直线式电机最为简便,直线电机的电机轴是丝杠形式的,于是可以通过丝杠的导程来计算机器人的行进距离。
使用旋转式步进电机的原理与直线式步进电机相似,可通过一个小型连轴器与丝杠相连组成一个直线式步进电机,也可以通过一组齿轮减速器将丝杠与电机轴相连,简图见图1-1。
图1-1 结构简图
第三种方法是使用气缸推动机器人前进。综合比较三种方法后发现,气缸实现直线运动过程简单,但其行程不易控制,要实现精确控制需要成本过高。两种步进电机的特点相似,但直线式的步进电机在安装时不易对心,且价格远高于旋转式步进电机。所以综合考虑最终选择采用旋转电机的方案。
卡紧方案的选择
机器人在蠕动式爬行的时候,需要卡紧装置进行配合。所以需要选择合理的卡紧方案。,这给卡紧方案的设计带来很大的难度。
方案1为采用推拉式电磁铁直接进行卡紧,并使用适当的连杆机构调整电磁铁位置,当连杆机构将电磁铁调整到指定位置后,电磁铁得电,推杆伸长,机器人卡紧管壁。工作完成后,电磁铁失电,机器人放松[6]。结构简图见图1-2
图1-2 结构简图
方案2为使用一个旋转电磁铁,用旋转电磁铁来带动凸轮实现卡紧,通过对凸轮进行设计可以计算出支撑杆的移动距离。当旋转电磁铁得电后,旋转一定角度,带动凸轮旋转,使支撑杆在径向产生移动从而卡进管壁。电磁铁失电后,通过弹簧的作用使凸轮和支撑足复位,机器人放松。结构简图见图1-3。
图1-3 结构简图
Diagram 1-3 structure sketch plans
方案3为使用一推拉式电磁铁推动锥形滑块,同时设计三个长度可调的支撑杆,当电磁铁得电后,电磁铁推杆伸出并带动锥形滑块沿轴向前进。由于滑块为锥形,支撑足产生径向移动,机器人被卡紧[7]。电磁铁失电