- 相關(guān)推薦
免費畢業(yè)論文--管道清灰機器人設計(一)
1. 緒 論
1.1 機器人的發(fā)展綜述
1.1.1 機器人定義
在科技界，科學(xué)家會(huì )給每一個(gè)科技術(shù)語(yǔ)一個(gè)明確的定義，但機器人問(wèn)世已有幾十年，機器人的定義仍然仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智，沒(méi)有一個(gè)統一的意見(jiàn)。原因之一是機器人還在發(fā)展，新的機型，新的功能不斷涌現。機器人涉及到了人的概念，成為一個(gè)難以回答的哲學(xué)問(wèn)題。就像機器人一詞最早誕生于科幻小說(shuō)之中一樣，人們對機器人充滿(mǎn)了幻想。也許正是由于機器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng )造空間。
機器人主要類(lèi)型： 操作型機器人：能自動(dòng)控制，可重復編程，多功能，有幾個(gè)自由度，可固定或運動(dòng)，用于相關(guān)自動(dòng)化系統中。 程控型機器人：按預先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動(dòng)作。 示教再現型機器人：通過(guò)引導或其它方式，先教會(huì )機器人動(dòng)作，輸入工作程序，機器人則自動(dòng)重復進(jìn)行作業(yè)。 數控型機器人：不必使機器人動(dòng)作，通過(guò)數值、語(yǔ)言等對機器人進(jìn)行示教，機器人根據示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。 感覺(jué)控制型機器人：利用傳感器獲取的信息控制機器人的動(dòng)作。 適應控制型機器人：機器人能適應環(huán)境的變化，控制其自身的行動(dòng)。 學(xué)習控制型機器人：機器人能“體會(huì )”工作的經(jīng)驗，具有一定的學(xué)習功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗用于工作中。 智能機器人：以人工智能決定其行動(dòng)的機器人。
1.1.2 我國科學(xué)家對機器人的定義
我國科學(xué)家對機器人的定義是：“機器人是一種自動(dòng)化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規劃能力、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)化機器”。在研究和開(kāi)發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機器人的過(guò)程中，人們逐步認識到機器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互技術(shù)的結合。隨著(zhù)人們對機器人技術(shù)智能化本質(zhì)認識的加深，機器人技術(shù)開(kāi)始源源不斷地向人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域滲透。結合這些領(lǐng)域的應用特點(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器人和各種智能機器，如移動(dòng)機器人、微機器人、水下機器人、醫療機器人、軍用機器人、空中空間機器人、娛樂(lè )機器人等。對不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應性，也是機器人與一般自動(dòng)化裝備的重要區別。這些機器人從外觀(guān)上已遠遠脫離了最初仿人型機器人和工業(yè)機器人所具有的形狀，更加符合各種不同應用領(lǐng)域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強，從而為機器人技術(shù)開(kāi)辟出更加廣闊的發(fā)展空間。 中國工程院院長(cháng)宋健指出：“機器人學(xué)的進(jìn)步和應用是20世紀自動(dòng)控制最有說(shuō)服力的成就，是當代最高意義上的自動(dòng)化”。機器人技術(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(lèi)生活應用領(lǐng)域的不斷擴大正引起國際上重新認識機器人技術(shù)的作用和影響。 我國的機器人專(zhuān)家從應用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類(lèi)，即工業(yè)機器人和特種機器人。所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節機械手或多自由度機器人。而特種機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類(lèi)的各種先進(jìn)機器人，包括：服務(wù)機器人、水下機器人、娛樂(lè )機器人、軍用機器人、農業(yè)機器人、機器人化機器等。在特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務(wù)機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。目前，國際上的機器人學(xué)者，從應用環(huán)境出發(fā)將機器人也分為兩類(lèi)：制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機器人，這和我國的分類(lèi)是一致的。
1.1.3 機器人發(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(shuō)《羅薩姆的機器人萬(wàn)能公司》中，根據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“機器人”這個(gè)詞。 1939年 美國紐約世博會(huì )上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人Elektro。它由電纜控制，可以行走，會(huì )說(shuō)77個(gè)字，甚至可以抽煙，不過(guò)離真正干家務(wù)活還差得遠。但它讓人們對家用機器人的憧憬變得更加具體。 1942年 美國科幻巨匠阿西莫夫提出“機器人三定律”。雖然這只是科幻小說(shuō)里的創(chuàng )造，但后來(lái)成為學(xué)術(shù)界默認的研發(fā)原則。 1948年 諾伯特·維納出版《控制論》，闡述了機器中的通信和控制機能與人的神經(jīng)、感覺(jué)機能的共同規律，率先提出以計算機為核心的自動(dòng)化工廠(chǎng)。 1954年 美國人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機器人，并注冊了專(zhuān)利。這種機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 在達特茅斯會(huì )議上，馬文·明斯基提出了他對智能機器的看法：智能機器“能夠創(chuàng )建周?chē)h(huán)境的抽象模型，如果遇到問(wèn)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年智能機器人的研究方向。 1959年 德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。隨后，成立了世界上第一家機器人制造工廠(chǎng)——Unimation公司。由于英格伯格對工業(yè)機器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱(chēng)為“工業(yè)機器人之父”。 1962年 美國AMF公司生產(chǎn)出“VERSTRAN”(意思是萬(wàn)能搬運),與Unimation公司生產(chǎn)的Unimate一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機器人，并出口到世界各國，掀起了全世界對機器人和機器人研究的熱潮。 1962年-1963年傳感器的應用提高了機器人的可操作性。人們試著(zhù)在機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(jué)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(kāi)始在機器人中加入視覺(jué)傳感系統，并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個(gè)帶有視覺(jué)傳感器，能識別并定位積木的機器人系統。 1965年約翰·霍普金斯大學(xué)應用物理實(shí)驗室研制出Beast機器人。Beast已經(jīng)能通過(guò)聲納系統、光電管等裝置，根據環(huán)境校正自己的位置。20世紀60年代中期開(kāi)始，美國麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國愛(ài)丁堡大學(xué)等陸續成立了機器人實(shí)驗室。美國興起研究第二代帶傳感器、“有感覺(jué)”的機器人，并向人工智能進(jìn)發(fā)。 1968年 美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機器人Shakey。它帶有視覺(jué)傳感器，能根據人的指令發(fā)現并抓取積木,不過(guò)控制它的計算機有一個(gè)房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺智能機器人，拉開(kāi)了第三代機器人研發(fā)的序幕。 1969年 日本早稻田大學(xué)加藤一郎實(shí)驗室研發(fā)出第一臺以雙腳走路的機器人。加藤一郎長(cháng)期致力于研究仿人機器人，被譽(yù)為“仿人機器人之父”。日本專(zhuān)家一向以研發(fā)仿人機器人和娛樂(lè )機器人的技術(shù)見(jiàn)長(cháng)，后來(lái)更進(jìn)一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。 1973年 世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作，就誕生了美國Cincinnati Milacron公司的機
1.2 管道機器人概述
在工農業(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，其應用范圍日益廣泛，數量也不斷增多。管道工程在國民經(jīng)濟許多行業(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(zhù)極其重要的作用。管道在使用過(guò)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)對管道檢測、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。然而，管道所處的環(huán)境往往是人們不易直接達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器人來(lái)實(shí)現管道內的在線(xiàn)檢測、維修和清洗。
管內機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)機構，在遙控操作或計算機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)的機電一體化系統。
1.2.1 國外管道機器人發(fā)展現狀
對較長(cháng)距離管道的直接檢測、清理技術(shù)的研究始于本世紀50年代美、英、法、德、日等國，受當時(shí)的技術(shù)水平的限制，主要成果是無(wú)動(dòng)力的管內檢測清理設備一PIG，由于PIG本身沒(méi)有行走能力，其移動(dòng)速度、檢測區域均不易控制，所以不能算作管內機器人。70年代以后，石油、化工、天然氣及核工業(yè)的發(fā)展為管道機器人的應用提供了廣闊而誘人的前景，而機器人學(xué)、計算機、傳感器等理論和技術(shù)的發(fā)展，也為管內和管外自主移動(dòng)機器人的研究和應用提供了技術(shù)保證。日、美、法、德等國在此方面作了大量研究工作，其中日本從事管道機器人研究的人員最多，成果也最多。
1.2.2 國內管道機器人發(fā)展現狀
我國管內移動(dòng)機器人技術(shù)的研究己有十幾年的歷史，中國科學(xué)院沈陽(yáng)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。
國內有關(guān)單位也對“管內作業(yè)裝置”等問(wèn)題進(jìn)行了多項內容的研究與開(kāi)發(fā)，作出類(lèi)具有一定意義的工作，它們是：
(1)上海交通大學(xué)的“管內移動(dòng)裝置行走機構研究”。
(2)中原油田研制的適用于529mm- 630mm埋地鋼質(zhì)管道的內環(huán)焊縫區域噴涂常溫固化液態(tài)涂料的補口機。
(3)大慶油建科研所和吉林省模具廠(chǎng)聯(lián)合研制的小口徑管道(D=114mm)補口機。
(4)中科院研發(fā)用于400*400mm和500mm*500mm空調通風(fēng)管道中的清潔機器人，具有在管道中行走、對管道內污染情況進(jìn)行觀(guān)察和對污染物進(jìn)行清潔的功能。
經(jīng)過(guò)多年的研究與開(kāi)發(fā)，國內外已經(jīng)在管內作業(yè)機器人領(lǐng)域取得了大量的成果，但是，距大規模實(shí)用化還用一定的差距。
總體看來(lái)，我國管內機器人的研制和應用己經(jīng)有了一定了基礎，但仍處于起步階段。
1.3 管道清灰機器人系統概述
管道機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)機構，在遙控操作或計算機控制下在極其惡劣的環(huán)境中進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機電一體化系統。目前國內外關(guān)于管道機器人的研究很多，大多是管道監測維修，適應于200mm以下、400-600mm以及微型管道等管徑。關(guān)于管道清潔機器人，中科院研發(fā)了用于400mm 和500mm的空調通風(fēng)管道中的清潔機器人。而本文根據金屬冶煉廠(chǎng)煙氣管道內特殊環(huán)境和清灰技術(shù)要求開(kāi)發(fā)了一種適應于金屬冶煉廠(chǎng)。700-1000mm的煙氣輸送管道煙灰堆積層清理的管道清灰機器人。
管道清灰機器人工作要求及性能指標：
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)機器人必須小巧、靈活、拆卸方便，可自由通過(guò)600入口；
3)自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)能力高，每小時(shí)清理能力應在50米左右；
4)機器人應有管道監視系統；
5)可附加焊縫檢測、壁厚檢測模塊；
6)煙灰密度3.5g/cm。
1.3.1 管道清灰機器人驅動(dòng)方式
由于管道清灰機器人工作空間狹窄，專(zhuān)用機器人在結構上必須小巧、靈活、拆裝方便，所以機器人在結構上要注重運動(dòng)傳遞部件、運動(dòng)定位導向部件和運動(dòng)部件殼體的一體化設計。管道清灰機器人本體結構由移動(dòng)裝置和操作臂組成。管道機器人經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，可認為是以機械手安裝在移動(dòng)裝置上。機械手具有兩個(gè)自由度，手抓末端安裝著(zhù)末端操作器—鏟斗，可實(shí)現抬升和旋轉兩個(gè)運動(dòng)。根據液壓驅動(dòng)具有以下特點(diǎn)，機械手采用液壓式驅動(dòng)方式。
①驅動(dòng)力或驅動(dòng)力矩大，即功率重量比大，響應速度快，重復精度高，壓力可達20-3 0Mpa(機器人多用0.6-0.7Mpa)。
②液壓缸可直接用作機器人關(guān)節的一部分，實(shí)現直接驅動(dòng)，結構簡(jiǎn)單緊湊。
③速度調節方便易控，可實(shí)現平穩的無(wú)極調速和換向。容易實(shí)現自動(dòng)化。
④液壓系統可實(shí)現自我潤滑，過(guò)載保護方便，使用壽命長(cháng)。
1.3.2 管道清灰機器人操作臂設計要求
管道清灰機器人完成在管道內對砂狀沉積物的鏟掘、清理，對物料進(jìn)行裝、運、卸及牽引作業(yè)。該機器人的鏟掘作業(yè)和裝卸物料的作業(yè)都是通過(guò)操作臂來(lái)完成的，因此操作臂的設計要達到下列要求:
i.應使鏟斗在地面的鏟掘位置能產(chǎn)生較大的鏟起力；
ii.應保證鏟斗從運輸位置舉升到最高位置的過(guò)程中，其轉角差不得超出一定范圍，以免在鏟斗舉升過(guò)程中物料撒落；
iii.應使鏟斗在動(dòng)臂舉升過(guò)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)運動(dòng)過(guò)程中，應滿(mǎn)足傳動(dòng)角的要求，保證運動(dòng)輕巧，不得出現死點(diǎn)；操作臂各構件之間不允許發(fā)生運動(dòng)干涉。
1.3.3 管道清灰機器人行走機構設計
根據管道清灰機器人的工作環(huán)境，主要是其工作場(chǎng)地松軟，同時(shí)由于履帶式行走機構有以下特點(diǎn)優(yōu)于輪式移動(dòng)機構，該機器人移動(dòng)裝置采用履帶式移動(dòng)機構。
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(guò)性能較好。
②越野性能好，爬坡、越溝性能均比輪式移動(dòng)機構優(yōu)越。
③履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著(zhù)性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。同時(shí)也存在結構復雜，重量大，運動(dòng)慣性大，減振功能差，零件易損壞等不足。
行走機構由三個(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，采用凸輪機構，由一壓力傳感器控制履帶的伸縮運動(dòng)，來(lái)保證三個(gè)履帶全部接觸到管壁，增加管道機器人在不同管徑管道內行走的穩定性。機器人工作時(shí)，隨著(zhù)履帶式移動(dòng)機構的移動(dòng)，該機器人機械手上的鏟斗向前移動(dòng)，將沉積在底部的灰鏟在鏟斗內，鏟斗內的灰達到最大限度時(shí)，機器人移動(dòng)到出灰口將灰倒出。采用這種移動(dòng)裝置可使機器人在管道內的砂狀灰上行走時(shí)增加穩定性和附著(zhù)力，防止機器人陷在灰內或打滑無(wú)法前進(jìn)。移動(dòng)裝置采用電力驅動(dòng)方式。其體積小、結構緊湊、重量輕，運動(dòng)滿(mǎn)足要求。
1.3.4 管道清灰機器人系統組成
2. 管道清灰機器人本體結構的設計和三維模型的建立
對于機機器人本體結構模型的建立，采用代表目前機械CAD領(lǐng)域新標準的參數化設計軟件Pro/Engineer來(lái)完成。
2.1 Pro/Engineer軟件的介紹
Pro/E是美國PTC (Parametric Technology Corporation)公司于1988年開(kāi)發(fā)的參數化設計系統，是一套由設計至生產(chǎn)的機械自動(dòng)化軟件[f})(gl。參數式設計就是將零件尺寸的設計用參數來(lái)描述，并在設計修改時(shí)通過(guò)修改參數的數值來(lái)更改零件的外形。
Pro/E仍以單一數據、參數化、基于特征、全相關(guān)性以及工程數據再利用等特點(diǎn)改變了傳統設計觀(guān)念，成為目前機械CAD領(lǐng)域的新標準。Pro/Engineer與傳統的CAD系統僅提供繪圖工具有著(zhù)極大的不同，它提供了一套完整的機械產(chǎn)品解決方案，包括工業(yè)設計、機械設計、模具設計、板金設計、加工制造、機構分析、有限元分析和產(chǎn)品數據管理，甚至包括產(chǎn)品生命周期的管理，它使產(chǎn)品的設計效率大大提高，使產(chǎn)品在設計初期具有更多的靈活性，保證在日后根據系統要求進(jìn)行相應的更改和計算;另外在產(chǎn)品的設計方案階段，可以形象的表現系統的組成特點(diǎn)，而在產(chǎn)品的生產(chǎn)階段可以方便與加工中心數據連接。
2.1.1 Pro/E的系統特征
1.參數化設計和特征功能
Pro/E采用參數化設計、基于特征的實(shí)體模型化系統，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(huà)草圖和改變模型。
2.單一數據庫
Pro/Engineer是建立在統一基層上的數據庫上，不象一些傳統的CAD/CAM系統建立在多個(gè)數據庫上。所謂單一數據庫，就是工程中的資料全部來(lái)自一個(gè)庫，使得每一個(gè)獨立用戶(hù)在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個(gè)部門(mén)的。換言之，在整個(gè)設計過(guò)程的任何一處發(fā)生改動(dòng)，亦可以前后反應在整個(gè)設計過(guò)程的相關(guān)環(huán)節上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC(數控)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)功能主要體現在智能模型和目標驅動(dòng)式設計兩個(gè)方面。
智能模型表現為捕捉設計和過(guò)程信息以及定義產(chǎn)品所需要的各種工程規范。
作為一種智能設計，它提供了一組遠遠超過(guò)傳統核心幾何特征范圍的自適應過(guò)程特征，這種特征提供了大量信息，進(jìn)一步詳細確定了設計意圖，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，從而對環(huán)境的變化反應迅速。目標驅動(dòng)式設計表現為優(yōu)化每個(gè)產(chǎn)品的設計，以滿(mǎn)足使用自適應過(guò)程特征從智能模型中捕捉多個(gè)目標和不斷變化的要求，同時(shí)解決相互沖突的目標問(wèn)題。規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是否符合規范，即用規范來(lái)實(shí)際地驅動(dòng)設計。
4.機構設計技術(shù)
Pro/Engineer 2000i以后版本包含了在整個(gè)裝配過(guò)程中評估行為的功能。在裝配零件時(shí)，設計人員可以快速簡(jiǎn)單地把連接類(lèi)型應用于零件，然后評估真實(shí)的產(chǎn)品將如何動(dòng)作�？梢远x己知運動(dòng)自由度的運動(dòng)副，為實(shí)體模型增加智能成分。機構裝配完成后，可以對整個(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，它是該系統的基本部分，其中功能包括參數化功能定義、實(shí)體零件及組裝造型、三維上色、實(shí)體或線(xiàn)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)。Pro/Engineer功能如下:
1.特征驅動(dòng)(例如:凸臺、槽、倒角、腔、殼等);
2.參數化(參數二尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等);
3.通過(guò)零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數之間(如表面積等)的關(guān)系來(lái)進(jìn)行設計。
4.支持大型、復雜組合件的設計(規則排列的系列組件，交替排列，Pro/PROGRAM的各種能用零件設計的程序化方法等)。
5.貫穿所有應用的完全相關(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)一步提高擴展Pro/ENGINEER的基本功能。
二、Pro/SURFACE
Pro/SURFACE是一個(gè)選項模塊，它擴展了Pro/ENGINEER的生成、輸入和編輯復雜曲面和曲線(xiàn)的功能。Pro/SURFACE提供了一系列必要的工具，使得設計者很容易地生成用于飛機和汽車(chē)的曲線(xiàn)和曲面，船殼設計以及通常所碰到的復雜設計問(wèn)題。功能包括:
1.生成曲線(xiàn)及曲線(xiàn)種類(lèi);
2.編輯曲線(xiàn);
3.生成曲面及曲面種類(lèi);
4.編輯曲面。
三、Pro/ASSEMBLY
Pro/ASSEMBLY是一個(gè)參數化組裝管理系統，能提供用戶(hù)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)擴展選項模塊，只能在Pro/Engineer環(huán)境下運行，它具有如下功能:
1.在組合件內自動(dòng)替換零件(交替式)
2.規則排列的組合(支持組合件子集)
3.組裝模式下的零件生成(考慮組件內己存在的零件來(lái)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(kāi)發(fā)工具。使用戶(hù)能自行編寫(xiě)參數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(hù)也可產(chǎn)生自定義設計，只需要輸入一些簡(jiǎn)單的參數即可。
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(guò)程規劃，刀路軌跡并能根據用戶(hù)需要產(chǎn)生的生產(chǎn)規劃做出時(shí)間上及價(jià)格成本上的估計。Pro/MANUFACTURING將生產(chǎn)過(guò)程生產(chǎn)規劃與設計造型連接起來(lái)，所以任何在設計上的改變，軟件也能自動(dòng)地將己做過(guò)的生產(chǎn)上的程序和資料也自動(dòng)地重新產(chǎn)生過(guò)，而無(wú)需用戶(hù)自行修改。它將具備完整關(guān)聯(lián)性的Pro/ENGINEER產(chǎn)品線(xiàn)延伸至加工制造的工作環(huán)境里。它容許用戶(hù)采用參數化的方法去定義數值控制((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(zhù)作后期處理，產(chǎn)生驅動(dòng)NC器件所需的編碼。
Pro/MANUFACTURING為下列機器操作產(chǎn)生自動(dòng)化的工具路徑:
1.銑削加工(Miffing)
2.車(chē)削加工(Turning)
3.線(xiàn)體電子釋放機械技術(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內選定的工具。會(huì )依照Pro/MANUFACTURING定義的切割路徑移動(dòng)，用戶(hù)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(xiàn)上各個(gè)組件可以由用戶(hù)設定不同的顏色。它亦讓用戶(hù)可以在整個(gè)加工制造過(guò)程，定義夾層平面(Clipping Plane)特定的深度。夾層平面(Clipping Plane)對物料清除摸擬過(guò)程提供縱切面的閱視功能。再加上顏色的設定，選定工具路徑、內置參考模型、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(hù)對工具及夾具任ixture)進(jìn)行快速驗證及評估，從而防止嚴重的損失。
2. Pro/NC-CHECK與Pro/MANUFACTURING一并使用時(shí)，用戶(hù)可用以仔細檢定切割零件的每一部份，節省了用戶(hù)不必要地在機器上試用及操作的時(shí)間。因此，將這些產(chǎn)品合并使用，不僅體現了材料節省的好處，亦提供了一個(gè)加工制造的良好方案。
2.2 管道清灰機器人本體結構三維模型的建立
管道清灰機器人由移動(dòng)裝置和操作臂組成，移動(dòng)裝置為履帶式移動(dòng)機構，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、轉斗油缸、舉升油缸等組成。鏟斗來(lái)鏟裝灰物，動(dòng)臂和舉升油缸用來(lái)提升鏟斗，轉斗油缸通過(guò)搖臂、拉桿使鏟斗轉動(dòng)。操作臂具有2個(gè)自由度，可實(shí)現臂旋轉、抬高運動(dòng)。操作臂如圖2-1所示。該機器人主要完成對700- 1000mm管道內砂狀沉積物的清理。機器人行走機構由三個(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，增加管道機器人在不同管徑管道內行走的穩定性。
頂部支撐裝置剖視圖：
操作臂結構如圖所示：
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 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 極限轉速/（r/min） 原軸承代號
d D B
/kN 脂潤滑 油潤滑
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：
管道清灰機器人總體裝配圖：
3. 管道清灰機器人運動(dòng)學(xué)分析
機器人運動(dòng)學(xué)分析是研究機器人運動(dòng)的幾何關(guān)系、速度、加速度等。管道清灰機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)連桿機構，其上的末端操作器—鏟斗的運動(dòng)為平面運動(dòng)。因此，對該機器人的位姿(位置和姿勢)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，在分析管道機器人的位置時(shí)，將移動(dòng)裝置設為一動(dòng)坐標系，首先分析操作臂相對于移動(dòng)裝置的位置和姿勢，然后分析機械手連同移動(dòng)裝置在定坐標系中的位置、速度、加速度，可得到機器人的位置和姿勢。
3.1 機器人操作臂類(lèi)型選擇
該機器人操作臂簡(jiǎn)化后為一平面機構。按桿數劃分的連桿機構中，四連桿機構結構簡(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，且影響攝像機的視線(xiàn)；八連桿機構結構較復雜，鏟起力變化平緩；六桿機構結構較簡(jiǎn)單，容易布置，一般能較好地滿(mǎn)足作業(yè)要求，因此在這里鏟斗抬起運動(dòng)采用六桿機構。按機構運動(dòng)狀態(tài)可將操作臂運動(dòng)裝置分為正轉連桿和反轉連桿。正轉連桿機構主動(dòng)構件與從動(dòng)構件轉向相同，如圖3-1所示;反轉連桿機構主動(dòng)構件與從動(dòng)構件轉向相反，如圖3-2所示。
圖3-1 正轉機構
圖3-2反轉機構
1)正轉機構具有以下特點(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(guò)程中各構件不易發(fā)生干涉，工作裝置易于布置在同一平面內，使桿
件支撐和受力好。
2)反轉連桿機構:
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:正轉六連桿機構結構簡(jiǎn)單，且能滿(mǎn)足管道清灰機器人設計要求，即正轉機構有利于地面挖掘，適合機器人有較大的鏟灰力，工作裝置易于布置在同一平面，有利于增加機器人運動(dòng)穩定性，因此將管道清灰機器人操作臂工作裝置設計為正轉六連桿機構。
3.2 鏟斗轉角差及卸載角分析
當鏟斗轉角時(shí)有較大的鏟起力，如圖3-3左所示。機器人鏟起灰物后舉升到運輸過(guò)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，鏟斗內灰物的重心通過(guò)鏟斗底部中心線(xiàn)時(shí)，此時(shí)鏟斗不易撒落物料。鏟斗在動(dòng)臂舉升過(guò)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，也就是當搖臂和旋轉臂處于同一直線(xiàn)時(shí)，鏟斗傾倒可達到最大的卸載角，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 機器人操作臂自由度
機構是由若干個(gè)構件組合起來(lái)，且各構件之間具有確定的相對運動(dòng)的強制運動(dòng)鏈。在機構設計和分析時(shí)，首先要確定所給定的機構的自由度。當自由度等于主動(dòng)件數時(shí)，機構具有確定的自由度。該機器人操作臂機構簡(jiǎn)圖如圖3-4所示。
圖3-4機器人操作臂機構簡(jiǎn)圖
根據切貝謝夫一克魯伯規律，該機構的自由度為
其中F:活動(dòng)構件數(不包括機架)
:低副個(gè)數
:高副個(gè)數
機構有確定的運動(dòng)，其自由度必須等于原動(dòng)件數。因此機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)為旋轉液壓缸。
3.4 操作臂死點(diǎn)分析
管道清灰機器人操作臂機構簡(jiǎn)圖如圖5所示。已知各桿長(cháng)，當轉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)六連桿的運動(dòng)特性。設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：
其中輸入角為一級坐標，、、、為二級坐標，由上式可求得矩陣表達式：
用表示與速度矩陣相對應的系數行列式，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(wú)解，剛，即或，也就是或，兩閉鏈的傳動(dòng)角分別為零。該位置正是六桿機構的死點(diǎn)，如圖所示。由于轉斗油缸和舉升油缸不能作整周回轉運動(dòng)，不存在當，或時(shí)的死點(diǎn)位置。
為避免死點(diǎn)的出現，設計操作臂時(shí)，應使各桿長(cháng)滿(mǎn)足下列條件：
可避免死點(diǎn)和運動(dòng)不確定情況的出現。
機構死點(diǎn)位置
4. 管道機器人運動(dòng)機構仿真
4.1 鏟斗鏟灰
液壓裝置1來(lái)控制鏟斗的旋轉，主機通過(guò)分析計算來(lái)控制該液壓裝置的伸縮量，機構設計合理，在不會(huì )出現死點(diǎn)位置時(shí)，機構有兩個(gè)擺動(dòng)極限位置：分別如下圖所示
（1）機構運動(dòng)定義如下
當收縮量最大是：
當拉伸量最大是：
鏟斗舉升
液壓裝置2來(lái)實(shí)現鏟斗舉升，主機通過(guò)分析計算來(lái)控制該液壓裝置的伸縮量，機構設計合理，在不會(huì )出現死點(diǎn)位置時(shí)，機構有兩個(gè)擺動(dòng)極限位置：分別如下圖所示
最底點(diǎn)：鏟斗開(kāi)始鏟灰
最高點(diǎn)：機器人移動(dòng)，將灰鏟走
鏟斗旋轉
中間連接裝置采用軸承連接，通過(guò)液壓馬達來(lái)實(shí)現軸的轉動(dòng)，這樣機構可以減小左右抖動(dòng)，防止爐灰抖落�？赏瓿�360旋轉，保證完全清理爐灰。
結 論
根據管道清灰技術(shù)要求，提出采用履帶式管道清灰機器人設計方案，操作臂選用正轉六連桿機構。分析了鏟斗轉角差和卸載角，給出鏟斗最佳鏟掘位置和卸載位置，分析了該機構的死點(diǎn)位置，提出避免死點(diǎn)的方法。從機構學(xué)的角度說(shuō)明管道清灰機器人結構的合理性。為機器人的下一步研究提供了堅實(shí)的基礎。
1、在充分了解國內外管道機器人現狀的后，提出采用履帶示管道機器人的設計方案。該機器人主要有操作臂和移動(dòng)機構組成。操作臂主要由鏟斗、動(dòng)臂、旋轉前臂、旋轉臂、轉斗油缸及舉升油缸等組成，操作臂具有2個(gè)自由度。行走機構由三個(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)裝置可使機器人在管道內的砂狀灰上行走增加穩定性和附著(zhù)力，防止機器人陷在灰內或打滑無(wú)法前進(jìn)。
2、采用當前應用廣泛的三維參數化造型軟件Pro/E，完成了基于特征的參數化管道清灰機器人結構建模，建立了虛擬樣機，真實(shí)地表達了管道清灰機器人的物理樣機，為機器人的后續研究如運動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、控制等的研究奠定了基礎。
3、對管道清灰機器人虛擬樣機的運動(dòng)約束進(jìn)行了分析并做出了仿真動(dòng)畫(huà)。
致 謝
本文是在導師劉曉琴的精心指導、反復修改下完成的。三個(gè)多月以來(lái)，導師在學(xué)習上對我嚴格要求，熱情鼓勵并給了我耐心細致的指導。導師待人熱情，學(xué)風(fēng)嚴謹，思想活躍，知識淵博。她對我的論文提出了許多寶貴的建議和意見(jiàn)，使我澄清了不少模糊的概念和認識。沒(méi)有導師平時(shí)的嚴格要求和悉心教誨，本文是不可能順利完成的；而且導師開(kāi)闊的視野、敏銳的洞察力、嚴謹的治學(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，誠實(shí)做人的人生觀(guān)使我敬佩。她嚴謹的治學(xué)態(tài)度和高尚的人格必將對我以后的學(xué)習和工作產(chǎn)生非常積極的影響。在此謹向劉老師表示誠摯的感謝和崇高的敬意！
此外還要衷心感謝周?chē)瑢W(xué)的友好合作與對本人的熱情幫助！
衷心感謝所有在學(xué)習上，生活中對我友情幫助和大力支持的老師和同學(xué)！
參考文獻
[1]林尚揚，陳善本等，焊接機器人及其應用[M].機械工業(yè)出版社，2000, 7
[2]吳宗澤，羅圣國等，機械設計課程設計手冊[M].3版，北京教育出版社，2006，5
[3]沈為民等，水冷臂清掃監測爬壁機器人[J]，機器人，1999.9 (375-378)
[4]林清安，著(zhù)，Pro/ENGINEER零件設計(基礎篇，高級篇)[明]，北京大學(xué)出版社，
2000, 4
[5]王詩(shī)麗，龔光輝，Pro/E與AutoCAD在機械產(chǎn)品結構設計中的功能比較[LJ] ,
機械與電子，2003, 2
[6]龔振邦汪勤息陳振華錢(qián)晉武編著(zhù)，機器人機械設計[M]，電子工業(yè)出版社，
1995，11
[7]濮良貴，紀名剛等，機械設計[M].8版，高等教育出版社，2006，5
【免費畢業(yè)論文--管道清灰機器人設計(一)】相關(guān)文章：
免費畢業(yè)論文--多功能刷地機的設計與制作(一)03-08
免費畢業(yè)論文--說(shuō)明書(shū)（冷沖模設計(一)03-08
免費畢業(yè)論文--普通中型車(chē)床主軸箱設計(一)03-08
免費畢業(yè)論文--剎車(chē)片沖壓模具設計(一)03-08
免費畢業(yè)論文--MP3的前后蓋的模具設計(一)03-08
免費畢業(yè)論文--茶葉修剪機(一)02-26