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免費(fèi)畢業(yè)論文--管道清灰機(jī)器人設(shè)計(jì)(一)
1. 緒 論
1.1 機(jī)器人的發(fā)展綜述
1.1.1 機(jī)器人定義
在科技界，科學(xué)家會(huì)給每一個(gè)科技術(shù)語一個(gè)明確的定義，但機(jī)器人問世已有幾十年，機(jī)器人的定義仍然仁者見仁，智者見智，沒有一個(gè)統(tǒng)一的意見。原因之一是機(jī)器人還在發(fā)展，新的機(jī)型，新的功能不斷涌現(xiàn)。機(jī)器人涉及到了人的概念，成為一個(gè)難以回答的哲學(xué)問題。就像機(jī)器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對(duì)機(jī)器人充滿了幻想。也許正是由于機(jī)器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。
機(jī)器人主要類型： 操作型機(jī)器人：能自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個(gè)自由度，可固定或運(yùn)動(dòng)，用于相關(guān)自動(dòng)化系統(tǒng)中。 程控型機(jī)器人：按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作。 示教再現(xiàn)型機(jī)器人：通過引導(dǎo)或其它方式，先教會(huì)機(jī)器人動(dòng)作，輸入工作程序，機(jī)器人則自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。 數(shù)控型機(jī)器人：不必使機(jī)器人動(dòng)作，通過數(shù)值、語言等對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)器人根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。 感覺控制型機(jī)器人：利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動(dòng)作。 適應(yīng)控制型機(jī)器人：機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動(dòng)。 學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人：機(jī)器人能“體會(huì)”工作的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗(yàn)用于工作中。 智能機(jī)器人：以人工智能決定其行動(dòng)的機(jī)器人。
1.1.2 我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義
我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器”。在研究和開發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人的過程中，人們逐步認(rèn)識(shí)到機(jī)器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互技術(shù)的結(jié)合。隨著人們對(duì)機(jī)器人技術(shù)智能化本質(zhì)認(rèn)識(shí)的加深，機(jī)器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域滲透。結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動(dòng)和交互能力的特種機(jī)器人和各種智能機(jī)器，如移動(dòng)機(jī)器人、微機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、空中空間機(jī)器人、娛樂機(jī)器人等。對(duì)不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機(jī)器人與一般自動(dòng)化裝備的重要區(qū)別。這些機(jī)器人從外觀上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了最初仿人型機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人所具有的形狀，更加符合各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強(qiáng)，從而為機(jī)器人技術(shù)開辟出更加廣闊的發(fā)展空間。 中國(guó)工程院院長(zhǎng)宋健指出：“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是20世紀(jì)自動(dòng)控制最有說服力的成就，是當(dāng)代最高意義上的自動(dòng)化”。機(jī)器人技術(shù)綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表了高技術(shù)的發(fā)展前沿，它在人類生活應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大正引起國(guó)際上重新認(rèn)識(shí)機(jī)器人技術(shù)的作用和影響。 我國(guó)的機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類，即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人，包括：服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。在特種機(jī)器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨(dú)立成體系的趨勢(shì)，如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、微操作機(jī)器人等。目前，國(guó)際上的機(jī)器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機(jī)器人也分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機(jī)器人，這和我國(guó)的分類是一致的。
1.1.3 機(jī)器人發(fā)展簡(jiǎn)史
（引自《環(huán)球科學(xué)》2007年第二期）
1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在他的科幻小說《羅薩姆的機(jī)器人萬能公司》中，根據(jù)Robota(捷克文，原意為“勞役、苦工”)和Robotnik(波蘭文，原意為“工人”)，創(chuàng)造出“機(jī)器人”這個(gè)詞。 1939年 美國(guó)紐約世博會(huì)上展出了西屋電氣公司制造的家用機(jī)器人Elektro。它由電纜控制，可以行走，會(huì)說77個(gè)字，甚至可以抽煙，不過離真正干家務(wù)活還差得遠(yuǎn)。但它讓人們對(duì)家用機(jī)器人的憧憬變得更加具體。 1942年 美國(guó)科幻巨匠阿西莫夫提出“機(jī)器人三定律”。雖然這只是科幻小說里的創(chuàng)造，但后來成為學(xué)術(shù)界默認(rèn)的研發(fā)原則。 1948年 諾伯特·維納出版《控制論》，闡述了機(jī)器中的通信和控制機(jī)能與人的神經(jīng)、感覺機(jī)能的共同規(guī)律，率先提出以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)化工廠。 1954年 美國(guó)人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺(tái)可編程的機(jī)器人，并注冊(cè)了專利。這種機(jī)械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。 1956年 在達(dá)特茅斯會(huì)議上，馬文·明斯基提出了他對(duì)智能機(jī)器的看法：智能機(jī)器“能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型，如果遇到問題，能夠從抽象模型中尋找解決方法”。這個(gè)定義影響到以后30年智能機(jī)器人的研究方向。 1959年 德沃爾與美國(guó)發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。隨后，成立了世界上第一家機(jī)器人制造工廠——Unimation公司。由于英格伯格對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“工業(yè)機(jī)器人之父”。 1962年 美國(guó)AMF公司生產(chǎn)出“VERSTRAN”(意思是萬能搬運(yùn)),與Unimation公司生產(chǎn)的Unimate一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機(jī)器人，并出口到世界各國(guó)，掀起了全世界對(duì)機(jī)器人和機(jī)器人研究的熱潮。 1962年-1963年傳感器的應(yīng)用提高了機(jī)器人的可操作性。人們?cè)囍跈C(jī)器人上安裝各種各樣的傳感器，包括1961年恩斯特采用的觸覺傳感器，托莫維奇和博尼1962年在世界上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器，而麥卡錫1963年則開始在機(jī)器人中加入視覺傳感系統(tǒng)，并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個(gè)帶有視覺傳感器，能識(shí)別并定位積木的機(jī)器人系統(tǒng)。 1965年約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制出Beast機(jī)器人。Beast已經(jīng)能通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。20世紀(jì)60年代中期開始，美國(guó)麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國(guó)愛丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。美國(guó)興起研究第二代帶傳感器、“有感覺”的機(jī)器人，并向人工智能進(jìn)發(fā)。 1968年 美國(guó)斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機(jī)器人Shakey。它帶有視覺傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過控制它的計(jì)算機(jī)有一個(gè)房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺(tái)智能機(jī)器人，拉開了第三代機(jī)器人研發(fā)的序幕。 1969年 日本早稻田大學(xué)加藤一郎實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出第一臺(tái)以雙腳走路的機(jī)器人。加藤一郎長(zhǎng)期致力于研究仿人機(jī)器人，被譽(yù)為“仿人機(jī)器人之父”。日本專家一向以研發(fā)仿人機(jī)器人和娛樂機(jī)器人的技術(shù)見長(zhǎng)，后來更進(jìn)一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。 1973年 世界上第一次機(jī)器人和小型計(jì)算機(jī)攜手合作，就誕生了美國(guó)Cincinnati Milacron公司的機(jī)
1.2 管道機(jī)器人概述
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，管道作為一種重要的物料輸送手段，其應(yīng)用范圍日益廣泛，數(shù)量也不斷增多。管道工程在國(guó)民經(jīng)濟(jì)許多行業(yè)中如石化、天然氣、核工業(yè)、給排水、管道輸送等行業(yè)起著極其重要的作用。管道在使用過程中，由于各種外界因素的影響，會(huì)形成各種各樣的管道故障與管道損傷。如果不及時(shí)對(duì)管道檢測(cè)、維修及清洗就可能會(huì)產(chǎn)生事故，形成不必要的損失和浪費(fèi)。然而，管道所處的環(huán)境往往是人們不易直接達(dá)到或不允許人們直接進(jìn)入的，檢修及清洗難度很大。因此最有效的方法之一就是利用管道機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)的在線檢測(cè)、維修和清洗。
管內(nèi)機(jī)器人是一種可沿管道自動(dòng)行走，攜有一種或多種傳感器件和作業(yè)機(jī)構(gòu)，在遙控操作或計(jì)算機(jī)控制下能在極其惡劣的環(huán)境中進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)電一體化系統(tǒng)。
1.2.1 國(guó)外管道機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀
對(duì)較長(zhǎng)距離管道的直接檢測(cè)、清理技術(shù)的研究始于本世紀(jì)50年代美、英、法、德、日等國(guó)，受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平的限制，主要成果是無動(dòng)力的管內(nèi)檢測(cè)清理設(shè)備一PIG，由于PIG本身沒有行走能力，其移動(dòng)速度、檢測(cè)區(qū)域均不易控制，所以不能算作管內(nèi)機(jī)器人。70年代以后，石油、化工、天然氣及核工業(yè)的發(fā)展為管道機(jī)器人的應(yīng)用提供了廣闊而誘人的前景，而機(jī)器人學(xué)、計(jì)算機(jī)、傳感器等理論和技術(shù)的發(fā)展，也為管內(nèi)和管外自主移動(dòng)機(jī)器人的研究和應(yīng)用提供了技術(shù)保證。日、美、法、德等國(guó)在此方面作了大量研究工作，其中日本從事管道機(jī)器人研究的人員最多，成果也最多。
1.2.2 國(guó)內(nèi)管道機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究己有十幾年的歷史，中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、上海交通大學(xué)、大慶石油管理局、勝利油田、中原油田等單位都進(jìn)行了這方面的研究工作。
國(guó)內(nèi)有關(guān)單位也對(duì)“管內(nèi)作業(yè)裝置”等問題進(jìn)行了多項(xiàng)內(nèi)容的研究與開發(fā)，作出類具有一定意義的工作，它們是：
(1)上海交通大學(xué)的“管內(nèi)移動(dòng)裝置行走機(jī)構(gòu)研究”。
(2)中原油田研制的適用于529mm- 630mm埋地鋼質(zhì)管道的內(nèi)環(huán)焊縫區(qū)域噴涂常溫固化液態(tài)涂料的補(bǔ)口機(jī)。
(3)大慶油建科研所和吉林省模具廠聯(lián)合研制的小口徑管道(D=114mm)補(bǔ)口機(jī)。
(4)中科院研發(fā)用于400*400mm和500mm*500mm空調(diào)通風(fēng)管道中的清潔機(jī)器人，具有在管道中行走、對(duì)管道內(nèi)污染情況進(jìn)行觀察和對(duì)污染物進(jìn)行清潔的功能。
經(jīng)過多年的研究與開發(fā)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)在管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域取得了大量的成果，但是，距大規(guī)模實(shí)用化還用一定的差距。
總體看來，我國(guó)管內(nèi)機(jī)器人的研制和應(yīng)用己經(jīng)有了一定了基礎(chǔ)，但仍處于起步階段。
1.3 管道清灰機(jī)器人系統(tǒng)概述
管道機(jī)器人是一種可沿管道自動(dòng)行走，攜有一種或多種傳感器件和作業(yè)機(jī)構(gòu)，在遙控操作或計(jì)算機(jī)控制下在極其惡劣的環(huán)境中進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)電一體化系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于管道機(jī)器人的研究很多，大多是管道監(jiān)測(cè)維修，適應(yīng)于200mm以下、400-600mm以及微型管道等管徑。關(guān)于管道清潔機(jī)器人，中科院研發(fā)了用于400mm 和500mm的空調(diào)通風(fēng)管道中的清潔機(jī)器人。而本文根據(jù)金屬冶煉廠煙氣管道內(nèi)特殊環(huán)境和清灰技術(shù)要求開發(fā)了一種適應(yīng)于金屬冶煉廠。700-1000mm的煙氣輸送管道煙灰堆積層清理的管道清灰機(jī)器人。
管道清灰機(jī)器人工作要求及性能指標(biāo)：
1)管道分為水平、小于30度傾斜、3.4倍管道直徑彎曲三種形式，要求能行走自如；
2)機(jī)器人必須小巧、靈活、拆卸方便，可自由通過600入口；
3)自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)能力高，每小時(shí)清理能力應(yīng)在50米左右；
4)機(jī)器人應(yīng)有管道監(jiān)視系統(tǒng)；
5)可附加焊縫檢測(cè)、壁厚檢測(cè)模塊；
6)煙灰密度3.5g/cm。
1.3.1 管道清灰機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式
由于管道清灰機(jī)器人工作空間狹窄，專用機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上必須小巧、靈活、拆裝方便，所以機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上要注重運(yùn)動(dòng)傳遞部件、運(yùn)動(dòng)定位導(dǎo)向部件和運(yùn)動(dòng)部件殼體的一體化設(shè)計(jì)。管道清灰機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)由移動(dòng)裝置和操作臂組成。管道機(jī)器人經(jīng)過簡(jiǎn)化，可認(rèn)為是以機(jī)械手安裝在移動(dòng)裝置上。機(jī)械手具有兩個(gè)自由度，手抓末端安裝著末端操作器—鏟斗，可實(shí)現(xiàn)抬升和旋轉(zhuǎn)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)液壓驅(qū)動(dòng)具有以下特點(diǎn)，機(jī)械手采用液壓式驅(qū)動(dòng)方式。
①驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力矩大，即功率重量比大，響應(yīng)速度快，重復(fù)精度高，壓力可達(dá)20-3 0Mpa(機(jī)器人多用0.6-0.7Mpa)。
②液壓缸可直接用作機(jī)器人關(guān)節(jié)的一部分，實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。
③速度調(diào)節(jié)方便易控，可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的無極調(diào)速和換向。容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
④液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自我潤(rùn)滑，過載保護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)。
1.3.2 管道清灰機(jī)器人操作臂設(shè)計(jì)要求
管道清灰機(jī)器人完成在管道內(nèi)對(duì)砂狀沉積物的鏟掘、清理，對(duì)物料進(jìn)行裝、運(yùn)、卸及牽引作業(yè)。該機(jī)器人的鏟掘作業(yè)和裝卸物料的作業(yè)都是通過操作臂來完成的，因此操作臂的設(shè)計(jì)要達(dá)到下列要求:
i.應(yīng)使鏟斗在地面的鏟掘位置能產(chǎn)生較大的鏟起力；
ii.應(yīng)保證鏟斗從運(yùn)輸位置舉升到最高位置的過程中，其轉(zhuǎn)角差不得超出一定范圍，以免在鏟斗舉升過程中物料撒落；
iii.應(yīng)使鏟斗在動(dòng)臂舉升過程中的各個(gè)位置，其卸載角不小于一定值，以保證卸料干凈；
iv.操作臂在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，應(yīng)滿足傳動(dòng)角的要求，保證運(yùn)動(dòng)輕巧，不得出現(xiàn)死點(diǎn)；操作臂各構(gòu)件之間不允許發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。
1.3.3 管道清灰機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)管道清灰機(jī)器人的工作環(huán)境，主要是其工作場(chǎng)地松軟，同時(shí)由于履帶式行走機(jī)構(gòu)有以下特點(diǎn)優(yōu)于輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)器人移動(dòng)裝置采用履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。
履帶式行走裝置與輪式相比較的特點(diǎn):
①支承面積大，接地比壓小。適合于松軟和泥濘場(chǎng)地作業(yè)，下陷度小，滾動(dòng)阻力小，通過性能較好。
②越野性能好，爬坡、越溝性能均比輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)越。
③履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。同時(shí)也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，運(yùn)動(dòng)慣性大，減振功能差，零件易損壞等不足。
行走機(jī)構(gòu)由三個(gè)呈120的履帶輪組成，與管壁底部接觸的兩個(gè)呈120的履帶為固定履帶，上面與管壁頂部接觸的履帶為可伸縮式的，采用凸輪機(jī)構(gòu)，由一壓力傳感器控制履帶的伸縮運(yùn)動(dòng)，來保證三個(gè)履帶全部接觸到管壁，增加管道機(jī)器人在不同管徑管道內(nèi)行走的穩(wěn)定性。機(jī)器人工作時(shí)，隨著履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)，該機(jī)器人機(jī)械手上的鏟斗向前移動(dòng)，將沉積在底部的灰鏟在鏟斗內(nèi)，鏟斗內(nèi)的灰達(dá)到最大限度時(shí)，機(jī)器人移動(dòng)到出灰口將灰倒出。采用這種移動(dòng)裝置可使機(jī)器人在管道內(nèi)的砂狀灰上行走時(shí)增加穩(wěn)定性和附著力，防止機(jī)器人陷在灰內(nèi)或打滑無法前進(jìn)。移動(dòng)裝置采用電力驅(qū)動(dòng)方式。其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，運(yùn)動(dòng)滿足要求。
1.3.4 管道清灰機(jī)器人系統(tǒng)組成
2. 管道清灰機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和三維模型的建立
對(duì)于機(jī)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)模型的建立，采用代表目前機(jī)械CAD領(lǐng)域新標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件Pro/Engineer來完成。
2.1 Pro/Engineer軟件的介紹
Pro/E是美國(guó)PTC (Parametric Technology Corporation)公司于1988年開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，是一套由設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化軟件[f})(gl。參數(shù)式設(shè)計(jì)就是將零件尺寸的設(shè)計(jì)用參數(shù)來描述，并在設(shè)計(jì)修改時(shí)通過修改參數(shù)的數(shù)值來更改零件的外形。
Pro/E仍以單一數(shù)據(jù)、參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)性以及工程數(shù)據(jù)再利用等特點(diǎn)改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)觀念，成為目前機(jī)械CAD領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)。Pro/Engineer與傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)僅提供繪圖工具有著極大的不同，它提供了一套完整的機(jī)械產(chǎn)品解決方案，包括工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、板金設(shè)計(jì)、加工制造、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，甚至包括產(chǎn)品生命周期的管理，它使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率大大提高，使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)初期具有更多的靈活性，保證在日后根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行相應(yīng)的更改和計(jì)算;另外在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案階段，可以形象的表現(xiàn)系統(tǒng)的組成特點(diǎn)，而在產(chǎn)品的生產(chǎn)階段可以方便與加工中心數(shù)據(jù)連接。
2.1.1 Pro/E的系統(tǒng)特征
1.參數(shù)化設(shè)計(jì)和特征功能
Pro/E采用參數(shù)化設(shè)計(jì)、基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，可采用具有智能特性的功能去生成模型，如軸、孔、槽、殼、管道、倒角及圓角，可以隨意勾畫草圖和改變模型。
2.單一數(shù)據(jù)庫
Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不象一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個(gè)庫，使得每一個(gè)獨(dú)立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個(gè)部門的。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的任何一處發(fā)生改動(dòng)，亦可以前后反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC(數(shù)控)工具路徑也會(huì)自動(dòng)更新;組裝圖如有任何變動(dòng)，也完全同樣反應(yīng)在整個(gè)三維模型上。
3.行為建模功能
行為建模技術(shù)功能主要體現(xiàn)在智能模型和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)式設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。
智能模型表現(xiàn)為捕捉設(shè)計(jì)和過程信息以及定義產(chǎn)品所需要的各種工程規(guī)范。
作為一種智能設(shè)計(jì)，它提供了一組遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)核心幾何特征范圍的自適應(yīng)過程特征，這種特征提供了大量信息，進(jìn)一步詳細(xì)確定了設(shè)計(jì)意圖，是生產(chǎn)模型的一個(gè)完整的部分，它們使得智能模型具有高度靈活性，從而對(duì)環(huán)境的變化反應(yīng)迅速。目標(biāo)驅(qū)動(dòng)式設(shè)計(jì)表現(xiàn)為優(yōu)化每個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，以滿足使用自適應(yīng)過程特征從智能模型中捕捉多個(gè)目標(biāo)和不斷變化的要求，同時(shí)解決相互沖突的目標(biāo)問題。規(guī)范是智能模型中固有的，一旦模型被修改，就能重新生成和重新校驗(yàn)是否符合規(guī)范，即用規(guī)范來實(shí)際地驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。
4.機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)
Pro/Engineer 2000i以后版本包含了在整個(gè)裝配過程中評(píng)估行為的功能。在裝配零件時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以快速簡(jiǎn)單地把連接類型應(yīng)用于零件，然后評(píng)估真實(shí)的產(chǎn)品將如何動(dòng)作�？梢远x己知運(yùn)動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)副，為實(shí)體模型增加智能成分。機(jī)構(gòu)裝配完成后，可以對(duì)整個(gè)裝配進(jìn)行工程分析。
2.1.2 Pro/Engineer主要模塊介紹
一、Pro/Engineer
Pro/Engineer是軟件包，并非模塊，它是該系統(tǒng)的基本部分，其中功能包括參數(shù)化功能定義、實(shí)體零件及組裝造型、三維上色、實(shí)體或線框造型、工程圖產(chǎn)生及不同視圖(三維造型還可移動(dòng)，放大或縮小和旋轉(zhuǎn))。Pro/Engineer功能如下:
1.特征驅(qū)動(dòng)(例如:凸臺(tái)、槽、倒角、腔、殼等);
2.參數(shù)化(參數(shù)二尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等);
3.通過零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間(如表面積等)的關(guān)系來進(jìn)行設(shè)計(jì)。
4.支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計(jì)(規(guī)則排列的系列組件，交替排列，Pro/PROGRAM的各種能用零件設(shè)計(jì)的程序化方法等)。
5.貫穿所有應(yīng)用的完全相關(guān)性(任何一個(gè)地方的變動(dòng)都將引起與之有關(guān)的每個(gè)地方變動(dòng))。其它輔助模塊將進(jìn)一步提高擴(kuò)展Pro/ENGINEER的基本功能。
二、Pro/SURFACE
Pro/SURFACE是一個(gè)選項(xiàng)模塊，它擴(kuò)展了Pro/ENGINEER的生成、輸入和編輯復(fù)雜曲面和曲線的功能。Pro/SURFACE提供了一系列必要的工具，使得設(shè)計(jì)者很容易地生成用于飛機(jī)和汽車的曲線和曲面，船殼設(shè)計(jì)以及通常所碰到的復(fù)雜設(shè)計(jì)問題。功能包括:
1.生成曲線及曲線種類;
2.編輯曲線;
3.生成曲面及曲面種類;
4.編輯曲面。
三、Pro/ASSEMBLY
Pro/ASSEMBLY是一個(gè)參數(shù)化組裝管理系統(tǒng)，能提供用戶自定義手段去生成一組組裝系列并可自動(dòng)地更換零件。Pro/ASSEMBLY是Pro/ADSSEMBLY的一個(gè)擴(kuò)展選項(xiàng)模塊，只能在Pro/Engineer環(huán)境下運(yùn)行，它具有如下功能:
1.在組合件內(nèi)自動(dòng)替換零件(交替式)
2.規(guī)則排列的組合(支持組合件子集)
3.組裝模式下的零件生成(考慮組件內(nèi)己存在的零件來產(chǎn)生一個(gè)新的零件)
4. Pro/ASSEMBLY里有一個(gè)Pro/Program模塊，.它提供一個(gè)開發(fā)工具。使用戶能自行編寫參數(shù)化零件及組裝的自動(dòng)化程序，這種程序可使不是技術(shù)性用戶也可產(chǎn)生自定義設(shè)計(jì)，只需要輸入一些簡(jiǎn)單的參數(shù)即可。
5.組件特征(繪零件與組件組成的組件附加特征值。如:在兩種零件之間加一個(gè)焊接特征等)。
四、Pro/MANUFACTURING
Pro/MANUFACTURING將產(chǎn)生生產(chǎn)過程規(guī)劃，刀路軌跡并能根據(jù)用戶需要產(chǎn)生的生產(chǎn)規(guī)劃做出時(shí)間上及價(jià)格成本上的估計(jì)。Pro/MANUFACTURING將生產(chǎn)過程生產(chǎn)規(guī)劃與設(shè)計(jì)造型連接起來，所以任何在設(shè)計(jì)上的改變，軟件也能自動(dòng)地將己做過的生產(chǎn)上的程序和資料也自動(dòng)地重新產(chǎn)生過，而無需用戶自行修改。它將具備完整關(guān)聯(lián)性的Pro/ENGINEER產(chǎn)品線延伸至加工制造的工作環(huán)境里。它容許用戶采用參數(shù)化的方法去定義數(shù)值控制((NC)工具路徑，才可將Pro/ENGINEER生成的模型進(jìn)行加工。這些信息接著作后期處理，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)NC器件所需的編碼。
Pro/MANUFACTURING為下列機(jī)器操作產(chǎn)生自動(dòng)化的工具路徑:
1.銑削加工(Miffing)
2.車削加工(Turning)
3.線體電子釋放機(jī)械技術(shù)
4.鉆床加工(Dritting)
五、Pro/NC-CHECK
1. Pro/NC-CHECK提供圖形工具。用以對(duì)銑削加工及鉆床加工操作所產(chǎn)生的物料，作模擬清除。Pro/NC-CHECK內(nèi)選定的工具。會(huì)依照Pro/MANUFACTURING定義的切割路徑移動(dòng)，用戶亦可以清楚看到物料清除的進(jìn)度。加工制造組件以陰影顯示，組裝線上各個(gè)組件可以由用戶設(shè)定不同的顏色。它亦讓用戶可以在整個(gè)加工制造過程，定義夾層平面(Clipping Plane)特定的深度。夾層平面(Clipping Plane)對(duì)物料清除摸擬過程提供縱切面的閱視功能。再加上顏色的設(shè)定，選定工具路徑、內(nèi)置參考模型、工具及任何夾具(Fixture)均能二目了然，不生混淆。此外，Pro/NC-CHECK能讓用戶對(duì)工具及夾具任ixture)進(jìn)行快速驗(yàn)證及評(píng)估，從而防止嚴(yán)重的損失。
2. Pro/NC-CHECK與Pro/MANUFACTURING一并使用時(shí)，用戶可用以仔細(xì)檢定切割零件的每一部份，節(jié)省了用戶不必要地在機(jī)器上試用及操作的時(shí)間。因此，將這些產(chǎn)品合并使用，不僅體現(xiàn)了材料節(jié)省的好處，亦提供了一個(gè)加工制造的良好方案。
2.2 管道清灰機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)三維模型的建立
管道清灰機(jī)器人由移動(dòng)裝置和操作臂組成，移動(dòng)裝置為履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，可在松軟的砂狀灰上走動(dòng)。操作臂主要由鏟斗、大臂、搖臂、拉桿、轉(zhuǎn)斗油缸、舉升油缸等組成。鏟斗來鏟裝灰物，動(dòng)臂和舉升油缸用來提升鏟斗，轉(zhuǎn)斗油缸通過搖臂、拉桿使鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)。操作臂具有2個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)臂旋轉(zhuǎn)、抬高運(yùn)動(dòng)。操作臂如圖2-1所示。該機(jī)器人主要完成對(duì)700- 1000mm管道內(nèi)砂狀沉積物的清理。機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)由三個(gè)呈的履帶輪組成，與管壁底部接觸的兩個(gè)呈的履帶為固定履帶，上面與管壁頂部接觸的履帶為可伸縮式的，履帶支撐用彈簧裝置（如圖所示）保證三個(gè)履帶全部接觸到管壁，增加管道機(jī)器人在不同管徑管道內(nèi)行走的穩(wěn)定性。
頂部支撐裝置剖視圖：
操作臂結(jié)構(gòu)如圖所示：
其它主要零部件：
鏟斗：
傳動(dòng)裝置：
大臂：
彈簧：
拉桿：
履帶：
輪：
螺母：
箱體：
液壓裝置1：
液壓裝置2：
支撐架：
傳動(dòng)軸：
頂起軸：
深溝球軸承（GB/T276-1994）mm：
軸承代號(hào) 基本尺寸/mm 安裝尺寸/mm 基本額動(dòng)動(dòng)載荷 基本額定動(dòng)載荷 極限轉(zhuǎn)速/（r/min） 原軸承代號(hào)
d D B
/kN 脂潤(rùn)滑 油潤(rùn)滑
6214 70 125 24 1.5 79 116 1.5 60.8 45.0 4800 6000 214
軸承端蓋：
換向裝置：
管道清灰機(jī)器人總體裝配圖：
3. 管道清灰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是研究機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的幾何關(guān)系、速度、加速度等。管道清灰機(jī)器人是由操作臂和移動(dòng)裝置組成。操作臂簡(jiǎn)化后為一平面閉環(huán)連桿機(jī)構(gòu)，其上的末端操作器—鏟斗的運(yùn)動(dòng)為平面運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)該機(jī)器人的位姿(位置和姿勢(shì))分析可簡(jiǎn)化為平面位姿分析。操作臂安裝在移動(dòng)裝置上，在分析管道機(jī)器人的位置時(shí)，將移動(dòng)裝置設(shè)為一動(dòng)坐標(biāo)系，首先分析操作臂相對(duì)于移動(dòng)裝置的位置和姿勢(shì)，然后分析機(jī)械手連同移動(dòng)裝置在定坐標(biāo)系中的位置、速度、加速度，可得到機(jī)器人的位置和姿勢(shì)。
3.1 機(jī)器人操作臂類型選擇
該機(jī)器人操作臂簡(jiǎn)化后為一平面機(jī)構(gòu)。按桿數(shù)劃分的連桿機(jī)構(gòu)中，四連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但因動(dòng)臂前端須裝有自重較大的框架，減少了鏟斗的載重量，且影響攝像機(jī)的視線；八連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，鏟起力變化平緩；六桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，容易布置，一般能較好地滿足作業(yè)要求，因此在這里鏟斗抬起運(yùn)動(dòng)采用六桿機(jī)構(gòu)。按機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可將操作臂運(yùn)動(dòng)裝置分為正轉(zhuǎn)連桿和反轉(zhuǎn)連桿。正轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)主動(dòng)構(gòu)件與從動(dòng)構(gòu)件轉(zhuǎn)向相同，如圖3-1所示;反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)主動(dòng)構(gòu)件與從動(dòng)構(gòu)件轉(zhuǎn)向相反，如圖3-2所示。
圖3-1 正轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
圖3-2反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
1)正轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn):如圖3-3所示
①發(fā)出最大鏟起力在<0時(shí)，如圖所示，即鏟斗有利于地面挖掘；
②在鏟斗卸料時(shí)，角速度較大，易于抖落物料，但沖擊較大；
③作業(yè)過程中各構(gòu)件不易發(fā)生干涉，工作裝置易于布置在同一平面內(nèi)，使桿
件支撐和受力好。
2)反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu):
①發(fā)出最大鏟起力是在>0時(shí)，且鏟起力變化陡峭如圖3-3所示，因此在提
升鏟斗時(shí)鏟起力較大，適于裝載重物；
②鏟斗卸料時(shí)，角速度小，卸料平緩；
③升降動(dòng)臂時(shí)較易保證鏟斗平移。
圖3-3鏟起力變化圖
由以上分析可以看出:正轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且能滿足管道清灰機(jī)器人設(shè)計(jì)要求，即正轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有利于地面挖掘，適合機(jī)器人有較大的鏟灰力，工作裝置易于布置在同一平面，有利于增加機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，因此將管道清灰機(jī)器人操作臂工作裝置設(shè)計(jì)為正轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)。
3.2 鏟斗轉(zhuǎn)角差及卸載角分析
當(dāng)鏟斗轉(zhuǎn)角時(shí)有較大的鏟起力，如圖3-3左所示。機(jī)器人鏟起灰物后舉升到運(yùn)輸過程中，保證物料不撒落，主要取決于鏟斗的形狀，其鏟斗提升狀態(tài)如圖3-3中所示，鏟斗內(nèi)灰物的重心通過鏟斗底部中心線時(shí)，此時(shí)鏟斗不易撒落物料。鏟斗在動(dòng)臂舉升過程中的最高位置時(shí)，其最大卸載角狀態(tài)如圖3-3右所示，也就是當(dāng)搖臂和旋轉(zhuǎn)臂處于同一直線時(shí)，鏟斗傾倒可達(dá)到最大的卸載角，同時(shí)與舉升油缸的位置也有關(guān)，油缸與管道水平方向夾角越小，鏟斗卸載角也越大，但需保證鏟斗不能碰到管壁，方可保證卸料干凈。
3.3 機(jī)器人操作臂自由度
機(jī)構(gòu)是由若干個(gè)構(gòu)件組合起來，且各構(gòu)件之間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)鏈。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析時(shí)，首先要確定所給定的機(jī)構(gòu)的自由度。當(dāng)自由度等于主動(dòng)件數(shù)時(shí)，機(jī)構(gòu)具有確定的自由度。該機(jī)器人操作臂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3-4所示。
圖3-4機(jī)器人操作臂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
根據(jù)切貝謝夫一克魯伯規(guī)律，該機(jī)構(gòu)的自由度為
其中F:活動(dòng)構(gòu)件數(shù)(不包括機(jī)架)
:低副個(gè)數(shù)
:高副個(gè)數(shù)
機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)，其自由度必須等于原動(dòng)件數(shù)。因此機(jī)器人操作臂具有兩個(gè)原動(dòng)件，一個(gè)為舉升液壓缸，另一個(gè)為旋轉(zhuǎn)液壓缸。
3.4 操作臂死點(diǎn)分析
管道清灰機(jī)器人操作臂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。已知各桿長(zhǎng)，當(dāng)轉(zhuǎn)斗油缸伸縮量為一定值時(shí)，舉升油缸伸縮時(shí)，大臂為主動(dòng)桿，分析此時(shí)六連桿的運(yùn)動(dòng)特性。設(shè)KA為x軸，由K指向A為正向，將矢量閉鏈AKFBA和閉鏈AKEDCBA向x、y軸投影，得：
其中輸入角為一級(jí)坐標(biāo)，、、、為二級(jí)坐標(biāo)，由上式可求得矩陣表達(dá)式：
用表示與速度矩陣相對(duì)應(yīng)的系數(shù)行列式，其值為：
其中、分別為閉鏈AKFBA和閉鏈AKEDCBA的傳動(dòng)角。
若速度方程有解，剛；若速度方程無解，剛，即或，也就是或，兩閉鏈的傳動(dòng)角分別為零。該位置正是六桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)，如圖所示。由于轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸不能作整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不存在當(dāng)，或時(shí)的死點(diǎn)位置。
為避免死點(diǎn)的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)操作臂時(shí)，應(yīng)使各桿長(zhǎng)滿足下列條件：
可避免死點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)不確定情況的出現(xiàn)。
機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置
4. 管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真
4.1 鏟斗鏟灰
液壓裝置1來控制鏟斗的旋轉(zhuǎn)，主機(jī)通過分析計(jì)算來控制該液壓裝置的伸縮量，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在不會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)位置時(shí)，機(jī)構(gòu)有兩個(gè)擺動(dòng)極限位置：分別如下圖所示
（1）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)定義如下
當(dāng)收縮量最大是：
當(dāng)拉伸量最大是：
鏟斗舉升
液壓裝置2來實(shí)現(xiàn)鏟斗舉升，主機(jī)通過分析計(jì)算來控制該液壓裝置的伸縮量，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在不會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)位置時(shí)，機(jī)構(gòu)有兩個(gè)擺動(dòng)極限位置：分別如下圖所示
最底點(diǎn)：鏟斗開始鏟灰
最高點(diǎn)：機(jī)器人移動(dòng)，將灰鏟走
鏟斗旋轉(zhuǎn)
中間連接裝置采用軸承連接，通過液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣機(jī)構(gòu)可以減小左右抖動(dòng)，防止?fàn)t灰抖落。可完成360旋轉(zhuǎn)，保證完全清理爐灰。
結(jié) 論
根據(jù)管道清灰技術(shù)要求，提出采用履帶式管道清灰機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，操作臂選用正轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)。分析了鏟斗轉(zhuǎn)角差和卸載角，給出鏟斗最佳鏟掘位置和卸載位置，分析了該機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置，提出避免死點(diǎn)的方法。從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度說明管道清灰機(jī)器人結(jié)構(gòu)的合理性。為機(jī)器人的下一步研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
1、在充分了解國(guó)內(nèi)外管道機(jī)器人現(xiàn)狀的后，提出采用履帶示管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。該機(jī)器人主要有操作臂和移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。操作臂主要由鏟斗、動(dòng)臂、旋轉(zhuǎn)前臂、旋轉(zhuǎn)臂、轉(zhuǎn)斗油缸及舉升油缸等組成，操作臂具有2個(gè)自由度。行走機(jī)構(gòu)由三個(gè)呈120度的履帶輪組成，與管壁底部接觸的兩個(gè)呈120度的履帶為固定履帶，與管壁頂部接觸的履帶為可伸縮式的。采用這種移動(dòng)裝置可使機(jī)器人在管道內(nèi)的砂狀灰上行走增加穩(wěn)定性和附著力，防止機(jī)器人陷在灰內(nèi)或打滑無法前進(jìn)。
2、采用當(dāng)前應(yīng)用廣泛的三維參數(shù)化造型軟件Pro/E，完成了基于特征的參數(shù)化管道清灰機(jī)器人結(jié)構(gòu)建模，建立了虛擬樣機(jī)，真實(shí)地表達(dá)了管道清灰機(jī)器人的物理樣機(jī)，為機(jī)器人的后續(xù)研究如運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、控制等的研究奠定了基礎(chǔ)。
3、對(duì)管道清灰機(jī)器人虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)約束進(jìn)行了分析并做出了仿真動(dòng)畫。
致 謝
本文是在導(dǎo)師劉曉琴的精心指導(dǎo)、反復(fù)修改下完成的。三個(gè)多月以來，導(dǎo)師在學(xué)習(xí)上對(duì)我嚴(yán)格要求，熱情鼓勵(lì)并給了我耐心細(xì)致的指導(dǎo)。導(dǎo)師待人熱情，學(xué)風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，思想活躍，知識(shí)淵博。她對(duì)我的論文提出了許多寶貴的建議和意見，使我澄清了不少模糊的概念和認(rèn)識(shí)。沒有導(dǎo)師平時(shí)的嚴(yán)格要求和悉心教誨，本文是不可能順利完成的；而且導(dǎo)師開闊的視野、敏銳的洞察力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)范使我終生受益；她兢兢業(yè)業(yè)、不辭勞苦的工作態(tài)度，誠(chéng)實(shí)做人的人生觀使我敬佩。她嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和高尚的人格必將對(duì)我以后的學(xué)習(xí)和工作產(chǎn)生非常積極的影響。在此謹(jǐn)向劉老師表示誠(chéng)摯的感謝和崇高的敬意！
此外還要衷心感謝周圍同學(xué)的友好合作與對(duì)本人的熱情幫助！
衷心感謝所有在學(xué)習(xí)上，生活中對(duì)我友情幫助和大力支持的老師和同學(xué)！
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