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管道清洁机器人.docx
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管道清洁机器人.docx
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目录
1 绪 论 ........................................................1
1.1 本课题研究背景和研究意义.................................1
1.2 国内外发展状况...........................................2
1.3 本设计的主要内容.........................................8
2 管道机器人总体设计 ...........................................9
2.1 管道机器人的总体结构设计.................................9
2.1.1 移动方式选择........................................9
2.1.2 传动方案的选择......................................9
2.2 机器人变管径自适应性方案设计............................11
2.3 动力系统的设计计算......................................15
2.3.1 管道机器人行驶阻力分析.............................15
2.3.2 减速器的选择.......................................18
2.4 机器人的速度和驱动能力校核..............................19
2.4.1 运动速度校核.......................................19
2.4.2 驱动能力校核.......................................19
3 链传动的设计计算 ............................................20
3.1 链轮设计的初始条件......................................20
3.2 链轮计算结果............................................21
3.3 历史结果................................................21
4 蜗轮蜗杆的设计计算 ..........................................23
4.1 蜗轮蜗杆基本参数设计 ..................................23
4.1.1 普通蜗杆设计输入参数...............................23
4.1.2 材料及热处理.......................................24
4.1.3 蜗杆蜗轮基本参数...................................24
4.1.4 蜗轮精度...........................................25
4.1.5 强度刚度校核结果和参数.............................26
4.1.6 自然通风散热计算...................................26
4.2 蜗杆轴的结构设计........................................27
4.2.1 轴的强度较核计算...................................27
4.2.2 轴的结构设计.......................................31
4.2.3 键的校核...........................................32
5 过弯道能力和其他部件设计 ....................................33
5.1 弹簧的设计 .............................................33
5.2 过弯道能力的设计........................................34
5.2.1 工作原理...........................................34
5.2.2 过弯道能力的几何量设计.............................34
6 管道机器人建模与仿真分析 ....................................38
7 总结和展望 ..................................................41
参考文献 ......................................................43
致 谢 .........................................................45
1 绪 论
1.1 本课题研究背景和研究意义
用于石油、天然气乃至民用上下水等管道在传输液、气体过程中,因
温度、压力不同及介质与管道之间的物理化学作用,常常会高温结焦,生
成油垢、水垢,存留沉积物,腐蚀物等,使有效传输管径减少,效率下降,
物耗、能耗增加,工艺流程中断,设备失效,发生安全事故。尽管通过添
加化学剂,采用合理的工艺流程,进行水质处理措施可以在一定程度上改
善这些情况,但要完全避免污垢的产生是不可能的。我国的管道清洗行业
长期以来 80%采用的是化学方法以及手工清洗和机械清洗方法,成本高、效
率低、污染环境等,远远不能满足现代社会日益增长的要求。探索和开发
高效的清洗方法成为工业生产和人民生活的不可或缺的环节。
利用行星磨头清洗是一种新的清洗方法。与化学清洗及手工、机械清
洗相比,具有清洗质量好、效率高、适应性强、成本低等一系列优点,可
达到返旧还新的效果。作为一种清洁、高效、对环境无污染的清洗技术,
具有可观的经济和社会效益。
随着经济的发展、人们生活水平的提高,人们对于食品卫生、健康的
要求越来越高,环保意识越来越强,如何实现油烟管道高效率的清洗成了
相关从业人员关注的问题。
本课题的研究目的是设计一种应用于清洗油烟管道的机器人,解决单
独靠人力很难完成,甚至不可能完成的油烟管道清洗任务。本课题的研究
主要有以下意义:
1、可提高机器人的清洗效率。现有油烟管道机器人由于机械执行机构
只有一个自由度,清洗管道壁时,要通过不断调整机器人的位姿来实现,
使操作变得复杂,清洗效率较低。
2、可完成竖直油烟管道的清洗。宾馆饭店常常位于高层建筑物中,竖
直烟道的清洗是管道清洗的重要任务。针对现有机器人不能用于竖直管道
清洗的缺点,我们设计了链式履带行走、永磁吸附的机械行走机构,用于
完成油烟管道的清洗爬壁任务。
3、可改善当前清洗油烟管道工人的工作环境、降低工人的劳动强度、
节约清洗成本、消除油烟管道清洗的卫生死角、提高管道使用寿命、提高
油烟管道的清洗效率、减少火灾以及可避免化学清洗导致的污染和纯机械
清洗对管道造成的损伤等。
4、应用于其它领域。通过更换机械执行机构、作业工具等可实现空调
管道的清扫、船体表面的清洗、检测、喷漆等任务。
现代工农业及日常生活中使用着大量管道,石油、天然气、化工等领
域也应用了大量管道,这些管道大多埋于地下或海底,输送距离近千里,
它们的泄漏会造成严重的环境污染,甚至引起火灾,多数管道安装环境人
们不能直接到达或人们无法直接介入,另外,在一些工厂里有大量的通风
管道,在某些餐厅或饭店里装有大量的油烟管道,这些管道或者架设在空
中,或者管道内径很小,在做质量检测、故障诊断、清洗时比较困难。这
促使了管道机器人的诞生。
管道机器人的迅速发展时期始于上个世纪 80 年代,它是一种可沿管道
内部或外部自动行走,具有一种或多种传感器的操作机械(如机械手、喷枪、
焊枪、刷子),其研究范畴属于特种机器人中的移动机器人范畴,能够完成
在管道这个特定的极限环境中作业,通常能携带各种探测仪器和作业装置,
在操作人员的遥控或者计算机的自动控制下完成管道的检测和维修、清扫
等作业。检测作业项目包括防腐状况检测、对接管道焊缝质量、管道内腐
蚀程度、防腐层厚度、管壁缺陷等检测;维修项目包括清扫、补口、焊接等。
1.2 国内外发展状况
目前在管道清洗过程中,清洗设备绝大部分是采用无动力缆绳拖拉行
走方式来进行清洗,无法根据管道的内部情况进行清洗参数的动态调整,
管径的适应能力较差。为了解决这个问题,着眼于管道行走清洗机器人的
研究开发,而在国内这方面研究尚少。为了较好地解决管道的清洗难题,
开发和研制管道清洗机器人势在必行。本人设计管道清洗机器人是把行星
磨头清洗技术与机器人技术结合起来,进行综合设计开发,因此它的深入
研究也将推动管道清洗技术的发展。
随着管道机器人技术的发展,其应用越来越广泛。目前,日、美、英、
德、法等发达国家在管道机器人技术方面做了大量工作,尤其是日本,在
管道机器人的研究及开发中取得了领先的地位。法国的 J. Vertut 是较早
从事管道机器人理论和样机研制的人,他于 1978 年研制了一种轮腿式管内
机器人行走机构,成功地实现了机器人在管内的自主行走。该机构由 2 个
行走轮及 4 个支腿组成,支腿由电机驱动,以适应不同管径的变化。
美国是机器人的诞生地,早在 1962 年就研制出了世界上第一台工业机
器人。在清洗机器人方面,美国的 Stoneage 公司进行了相关的研究。如图
1-1,其研制的管道射流清洗机器人采用履带驱动方式,但管径适应能力较
差,射流对中性差,清洗效果不理想。尽管常规管道机器人有的己经实用
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oligaga
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