管道機(jī)器人的驅(qū)動單元工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

王　月，鐘梓楠* ，呂金賀

(1.北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,吉林 吉林 132013;2.北華大學(xué) 汽車與建筑工程學(xué)院,吉林 吉林 132013)

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管道機(jī)器人的驅(qū)動單元工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

王月1，鐘梓楠1*，呂金賀2

(1.北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,吉林 吉林 132013;2.北華大學(xué) 汽車與建筑工程學(xué)院,吉林 吉林 132013)

摘要：驅(qū)動單元的驅(qū)動特性和可靠性決定管道機(jī)器人的工作效率及其工作能力，由于對管道機(jī)器人三軸差速驅(qū)動單元的優(yōu)化大部分都由電腦仿真來完成，但是在制造、裝配階段還是會導(dǎo)致差速不準(zhǔn)、功率過大等問題.因此本文通過對三軸差速器工藝的優(yōu)化，解決了工藝當(dāng)中的公差分配問題，降低了零件的工藝難度，建立了十字軸垂直度誤差對嚙合質(zhì)量和軸向調(diào)正間隙的函數(shù)關(guān)系.

關(guān)鍵詞：管道機(jī)器人；三軸差速器；傳動精度；工藝優(yōu)化

管道機(jī)器人用于工作在管道內(nèi)部特定的空間里的智能裝備，用來完成管內(nèi)加工、異物清除、防腐涂層的涂敷、管道缺陷檢測等任務(wù)，從管道機(jī)器人出現(xiàn)至今，已經(jīng)有多項(xiàng)研究成果[1-4].而在眾多研究中，為了保證機(jī)器人能夠長距離巡線，對管道機(jī)器人提出了如下性能要求：①環(huán)境適應(yīng)性好；②驅(qū)動效率高；③結(jié)構(gòu)緊湊，功率體積比大；④移動速度快；⑤系統(tǒng)運(yùn)行可靠性高.

在前期研究過程中，通過對三軸差速驅(qū)動單元的仿真分析可知，只要所設(shè)計(jì)的驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)對稱就可以保證實(shí)現(xiàn)差速功能，但是由于設(shè)計(jì)、制造和裝配調(diào)整不當(dāng)，還是可能會出現(xiàn)差速不準(zhǔn)和功率消耗過大等故障.本文將從工藝優(yōu)化的角度出發(fā)，以提高傳動精度為目標(biāo)，對典型零件和結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝優(yōu)化分析，解決了工藝當(dāng)中的公差分配問題，降低了零件的工藝難度，建立了十字軸垂直度誤差對嚙合質(zhì)量和軸向調(diào)正間隙的函數(shù)關(guān)系[5-6].

1三軸差動式驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)原理

管道機(jī)器人三軸差動式驅(qū)動單元由驅(qū)動部分和壓緊力調(diào)節(jié)部分組成.驅(qū)動部分由驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動三軸差速機(jī)構(gòu)，并由三軸差速機(jī)構(gòu)并聯(lián)驅(qū)動沿周向120°均布的3個(gè)錐齒輪副，錐齒輪又通過同步帶帶動驅(qū)動單元的前行走輪組運(yùn)動，前行走輪組經(jīng)由同步帶把運(yùn)動傳遞到后驅(qū)動輪組，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動單元由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動，三路差動輸出的目標(biāo).壓緊力調(diào)節(jié)部分由預(yù)緊滑套、支撐桿及平行四桿式驅(qū)動輪支架等組成.通過電機(jī)驅(qū)動，調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮量來調(diào)節(jié)驅(qū)動輪與管壁的接觸壓力，從而使驅(qū)動單元獲得足夠的拖動力，且驅(qū)動單元可適應(yīng)一定范圍的管徑變化[7-9].三軸差動式管道機(jī)器人驅(qū)動單元虛擬樣機(jī)如圖1所示.

圖1　三軸差動式驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)原理圖

2驅(qū)動單元的三軸差速機(jī)構(gòu)及其差速特性

2.1　三軸差動式驅(qū)動單元的差速機(jī)構(gòu)

如圖2所示，三軸差速機(jī)構(gòu)是由主差速器1、主差速器2、主差速器3及分動器等4個(gè)差動輪系組成，具有由單個(gè)輸入運(yùn)動n0轉(zhuǎn)化成三路差速輸出nii(i=1,2,3)的功能[10-12].

圖2　三軸差動式驅(qū)動單元的差速機(jī)構(gòu)

2.2　三軸差動式驅(qū)動單元的差速特性

2.2.1三軸差動式驅(qū)動單元在直管階段的差速方程

管道機(jī)器人驅(qū)動單元在直管內(nèi)運(yùn)動時(shí)，三軸差速器不差速，驅(qū)動單元在管內(nèi)作平動，各行走輪在純滾動狀態(tài)下，所有的輪心速度應(yīng)當(dāng)一致，且輪心的速度應(yīng)當(dāng)?shù)扔谛凶咻喌陌霃脚c其旋轉(zhuǎn)速度的乘積[11].故滿足如下運(yùn)動方程：

(1)

由方程(1)，可確定驅(qū)動單元在直管階段各行走輪的轉(zhuǎn)速.

2.2.2三軸差動式驅(qū)動單元在彎管階段的差速方程

圖2所示為驅(qū)動單元在彎管階段的差速原理，由于管道機(jī)器人自身對稱性的特點(diǎn)，前行走輪組輪心所確定的管道截面圖形與后行走輪組輪心所確定的管道截面圖形是完全相同的，對應(yīng)的前后行走輪的速度也必然是相等的，

vfi=Rfiω=vri=Rriω=0.5dnii

因此有：

(2)

vf1:vf2:vf3=Rf1:Rf2:Rf3=n11:n22:n33

(3)

vr1:vr2:vr3=Rr1:Rr2:Rr3

(4)

圖3　驅(qū)動單元彎管階段差速原理

3三軸差速器零件及工藝進(jìn)行優(yōu)化

3.1　驅(qū)動單元支撐板孔系加工中的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

計(jì)算平面尺寸鏈的常用方法有：卡具法、投影法和極值法，但是這些方法很難應(yīng)用于幾個(gè)互相成一定角度的工藝尺寸，特別是含有角度公差的情況.在三軸差動式驅(qū)動單元試制過程中，有三件形狀類似的零件，對前支撐板為孔系進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，上述方法分配的公差值都不近合理，要么浪費(fèi)了工藝能力，要么出現(xiàn)工藝能力不足等情況，而采用偏微分方程導(dǎo)出的多元函數(shù)微分學(xué)公式，使用起來方便有效，滿足了工藝要求.

以中心輪的中心B為坐標(biāo)原點(diǎn)建立參考坐標(biāo)系，電動機(jī)上的主驅(qū)動輪中心A和行星輪中心C的坐標(biāo)值如圖所示，不必進(jìn)行計(jì)算即可得知.現(xiàn)在只要計(jì)算出另外兩個(gè)行星輪的中心點(diǎn)D和E的坐標(biāo)值及公差值就可以解決加工中的工藝問題.

(5)

(6)

(7)

故得

(8)

由于采用了等公差原則，所以把兩者取成一致并向小值方向圓整.所以?。害膞=δy=±0.014

(2) 驗(yàn)算

(3) 重新驗(yàn)算

上述計(jì)算的結(jié)果雖然不合理，但是相差甚微，為了保障有足夠的工藝能力，需要進(jìn)行重新驗(yàn)算，故令δx=δy=±0.013

以上的計(jì)算結(jié)果表明：

XDB=24±0.013，YDB=41.57±0.013.

(9)

計(jì)算的結(jié)果可以應(yīng)用到數(shù)控銑床或坐標(biāo)鏜床上，也可以用在有數(shù)顯裝置的銑床或普通銑床上，均可以保證加工的精度要求.采用同樣的方法可以求出E點(diǎn)的坐標(biāo)值和相應(yīng)的公差值，計(jì)算過程略.

經(jīng)過上述理論計(jì)算及實(shí)際應(yīng)用可知，把偏微分方法引入到三軸差速驅(qū)動單元支撐板的孔系加工工藝計(jì)算中，各個(gè)縱橫坐標(biāo)的偏差分配合理，可以把精度要求較高的零件從高精度機(jī)床上移至普通機(jī)床上進(jìn)行加工，拓寬了機(jī)床的工藝能力，發(fā)揮了其潛在的經(jīng)濟(jì)效益，降低了科研開發(fā)的周期和成本，此計(jì)算方法同樣可以應(yīng)用到其它類似的孔系零件加工.

3.2　驅(qū)動單元裝配中的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

如圖4所示，正常嚙合時(shí)4個(gè)圓錐齒輪1、2、3和4的分度圓錐對稱于x與y坐標(biāo)軸，當(dāng)十字軸存在垂直度誤差時(shí)，分度圓錐則對稱于坐標(biāo)原點(diǎn)O，圓錐齒輪1和2之間的分度圓錐位置間的距離即為a1e1和a1j1直線之間的距離，最小值在a1點(diǎn)，最大值為e1和j1之間的距離.a1點(diǎn)的坐標(biāo)為：

圖4　分動器機(jī)構(gòu)十字軸垂直度誤差分析簡圖

由圖4可見，圓錐齒輪1和2之間的分度圓錐在此處重合，其位置間的距離為零.e1點(diǎn)的坐標(biāo)為：

j1點(diǎn)的坐標(biāo)為：

(10)

圓錐齒輪1和4之間的分度圓錐位置間的距離即為g1k1和c2f2直線之間的距離，最大值為g1和c2之間的距離，最小值為k1和f2之間的距離.

g1點(diǎn)的坐標(biāo)為：

c2點(diǎn)的坐標(biāo)為：

yc2=Rsinδ1

k1點(diǎn)的坐標(biāo)為：

f2點(diǎn)的坐標(biāo)為：

yf2=(R-B)sinδ1

則：圓錐齒輪1和3之間的齒頂隙變化量

(11)

由圖4可以看出圓錐齒輪2和3之間的分度圓錐位置間的距離變化量與圓錐齒輪1和4之間的距離變化量相同，圓錐齒輪3和4之間的分度圓錐位置間的距離變化量與圓錐齒輪1和2之間的分度圓錐位置間的距離變化量也相同，且它們之間是對稱于坐標(biāo)原點(diǎn)的.

從上述的分析結(jié)果可以看出，當(dāng)十字軸存在垂直度誤差時(shí)即影響圓錐齒輪副的嚙合質(zhì)量又影響裝配時(shí)的軸向調(diào)正間隙，所以在設(shè)計(jì)與加工裝配中應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況選用合理的形位公差，并且在采用有效的加工工藝，這樣才能保證裝配質(zhì)量，直至保證差動機(jī)構(gòu)的傳動精度.

4結(jié)論

通過對三軸差動機(jī)構(gòu)中的支撐板和十字軸組件進(jìn)行工藝優(yōu)化分析，解決了如下問題：

(1) 用偏微分法解決了工藝當(dāng)中的公差分配問題，降低了零件的工藝難度，這樣即使是在普通機(jī)床上也能保證零件的加工質(zhì)量，節(jié)約了科研經(jīng)費(fèi)，減少了加工周期.

(2) 系統(tǒng)詳細(xì)地分析了十字軸存在垂直度誤差時(shí)對圓錐齒輪副的嚙合質(zhì)量和裝配時(shí)的軸向調(diào)正間隙的影響，建立了十字軸垂直度誤差對嚙合質(zhì)量和軸向調(diào)正間隙的函數(shù)關(guān)系，在可靠性分析中能夠定量分析管道機(jī)器人三軸差動式驅(qū)動單元傳動精度.

參考文獻(xiàn)：

[1]Shuxiang Guo and Yasuhiro Sasahi.A New Kind of Microrobot in Pipe Using Driving Fin[J].Proceedings of the 2003 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics,2003:697-702.

[2]Shuxiang Guo.A New Type of Microrobot for Biomedical Application[J].Proceedings of the 2004 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics,2004:867-872.

[3]楊斌久,姜生元,耿德旭,等.三軸差速器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2002,32(4):70-75.

[4]張玉峰，姜生元，李建永，等.介質(zhì)流壓差驅(qū)動式管道機(jī)器人的驅(qū)動、調(diào)速原理分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009,26(2):85-88.

[5]張學(xué)文,賈亞洲,鄧宗全,等.管道機(jī)器人三軸差動式驅(qū)動單元的設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)器人,2008,30(1):22-28.

[6]盧偉宏，王海波，孟慶鑫.一種教學(xué)機(jī)器人控制系統(tǒng)研發(fā)[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009,26(4):67-69.

[7]唐德威,梁濤,姜生元,等.機(jī)械自適應(yīng)管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)原理與仿真分析[J].機(jī)器人,2008,30(1):29-33.

[8]張學(xué)文,賈亞洲,姜生元,等.管內(nèi)移動機(jī)器人三軸差動單元可靠性分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2008,38(2):365-369.

[9]湯婷潔,李朝東.微型管道機(jī)器人及其電驅(qū)動技術(shù)[J].微特電機(jī),2005(4):36-38.

[10] 朱敬德,周明,應(yīng)金貴,曾俊冬.在役石油管道檢測機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,7(1):57-59.

[11] Riggins R,Snider J,Mutter B.Design and analysis of an autonomous ground robotic vehicle[J].AUVSI's Unmanned Systems North America,2004-Proceedings:295-309.

[12] Korayem M.H,Rostam T.Bani,Nakhai A.Design,modeling and errors measurement of wheeled mobile robots[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2006,28(3-4):403-416.

Pipeline Robot Drive Unit Process Optimization Design

WANG Yue1,ZHONG Zi-nan1*,LV Jin-he2

(1.College of Mechanical Engineering,Beihua University,jilin City 132013,China;2.College of Automotive and Architectural Engineering,Beihua University,Jilin City 132013,China)

Abstract:The driving characteristics and reliability of the drive unit determine the working efficiency of the pipeline robot and its working ability,as a result of the optimization of pipeline robot tri-axial differential drive unit mostly are done by computer simulation,but in the manufacturing and assembly phase will lead to inaccurate differential,too much power.So in this paper,through optimizing the tri-axial differential technology,solving the problem of tolerance allocation among technology,reducing the parts of the technology difficulty,cross axis perpendicularity error on the meshing quality and a function of the axial adjustment clearance is established.

Key words:pipeline robot；tri-axial differential；transmission accuracy；process optimization

文章編號：1007-2853(2015)11-0050-05

通信作者：*曹亮，E-mail:caoliang@cust.edu.cn

作者簡介：關(guān)會英(1980-)，女，吉林省吉林市人，吉林化工學(xué)院講師，博士，主要從事工程仿生學(xué)、工程圖學(xué)及CAD教學(xué)與研究方面的工作。

收稿日期：2015-07-20

中圖分類號：TP 24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.16039/j.cnki.cn22-1249.2015.11.012