基于Pro／E的中小型排水管道清淤机器人虚拟样机设计.pdf

鲤皇=堡丝童差 酶 端 蜷 瓣 秣蝴l 枇张 懿 鼢张 瓤 i 落 基于 p r o e的中小型相 水管道 王丰 ( 河北理工大学机械工程学院，河北唐山o 6 3 o 0 9) 摘婪：中小型排水管道清淤机器人设计引入了虚拟样机技术，在有条件制作物理样机之前对机器人 的性能、可装配性等进行评价，为机器人的产业化提供 了技术上 的保障。本文以直齿圆锥齿轮为例， 详细介绍 了p r o e的参数化设计过程。 关键词：虚拟样机 ；P r o E n g i n e e r 管道清淤；机器人 随着国民经济的迅速发展 ，环境污染日益严重 ，环保 问题越来越受到社会各界的普遍关注。城市污水排放是确 保环境卫生、建设现代化文明城市的重要一环。目前，我 国绝大多数城市排水管道的漓淤工作仍普遍处于人工作业 的落后状况 ， 不仅体力繁重、效率低 ，而且井下工作环境 恶劣，易于引发爆炸等事故伤害。文献检索的结果表明， 国内外管道机器人多用于核反应堆管道和油气输送管道的 检测、补口等工作， 而排水管道清淤机器人的研究尚属空 白。鉴于这种情况，我们进行了排水管道清淤机器人的研 究， 并在 P r o E n g i n e e r 平台上进行了清淤机器人虚拟样机 设计。 1 排水管道清淤机器人设计方案 排水管道清淤机器人本体采用四轮结构，轮子用耐磨、 耐稿蚀的合成橡胶制成并在其表面加设花纹以增大摩擦 力。车轮与管道壁接触处的形状与管壁的弧形完 全一致， 以尽量做到无间隙接触。车体前部装有作业刀具。用于清 理管道中的树枝及钙化物等淤积物。清理后的淤积物在水 流的冲刷下被带到下游管道检查井。 2 管道清淤机器人虚拟样机设计 虚拟样机 ( V i r t u a l P r o t o t y p i n g )是当前设计制造领域 的一门新 技术 。该技术是在计算机上通过 C A D C A M C A E等技术将产品信息集成到计算机提供的可视化虚拟环 境，在实际产品制造之前实现产品的仿真、分析与优化 过程。 2 1 管道清淤机器人虚拟样机的系统结构 管道清淤机器人虚拟样机将管道清淤机器人研究与虚 拟样机技术相结合。 针对机器人设计与制造过程中的运动 学与动力学分析、轨迹和路径规划、机器人与工作环境的 相互作用等技术内容进行研究与系统开发 ，通过系统仿真 软件在相应虚拟环境中真实地模拟 系统的运动 ，在计算机 上方便地修改设计缺陷，仿真不同的设计方案，对系统进 行不断的改进 ，直至获得最优 的设计方案以后 ，再做出物 理样机 ( 如图 1 ) 。 图 1 管道清淤机器人虚拟样机系统结构圈 2 2 利用 l h e e实现管道清淤机器人虚拟样机 设计 P r o E n g in e e r 的主要功能是进行参数化的零件造型设 第 十 卷7 维普资讯 http:/ 匦垒=煎丝童蓬 8 勰 豁静 姆 l 戳 e 婚 嗽 张 张 计，所提供的功能包括实体造型设计、曲面设计、建立工 程图、零件组合、简单的有限元素分析、模具设计、电路 设计、装配零件设计、加工制造、逆向工程等。 本文以锥齿轮为例详细介绍 p r o e的参数化设计过程。 设计步骤如下 ： 1 新建零件文件 ( 1 )新建零件文件 ： b e v e l g e a r 。 ( 2 )取 消 选 中 【 使 用 缺 省 模 板 】复选 项，选 用 【 m m n s p a r t - s o li d 】 。 2 设置齿轮参数和关系式 ( 1 )打开 【 参数】对话框。按照如下表所示添加齿轮 参数。 名称 类型 数值 说明 M 实数 3 模数 Z 实数 2 5 本齿轮齿数 Z A S M 实数 4 5 与之啮合的齿轮齿数 A L P H A 实数 2 0 压力角 B 实数 2 0 齿宽 H A X 实数 1 齿顶高系数 C X 实数 O 2 5 顶隙系数 H A 实数 0 齿顶高 H F 实数 O 齿根高 H 实数 O 齿全高 D E L 1 A 实数 O 分锥角 D E I n A 实数 O 顶锥角 D EL 1 A B 实数 O 基锥角 D E L 1 A F 实数 O 根锥角 D 实数 O 分度圆直径 D B 实数 O 基圆直径 D A 实数 O 齿顶圆直径 DF 实数 O 齿根 圆直径 H B 实数 O 齿基高 R x 实数 O 锥距 1 H E 1 A A 实数 O 齿顶角 T H E m B 实数 O 齿基角 T H E T A F 实数 O 齿根角 B A 实数 O 齿顶宽 B B 实数 O 齿基宽 B F 实数 O 齿根宽 X 实数 O 变位修正系数 2 0 0 7年第 1 期 ( 2 )打开 【 关系】对话框 ，按照如下所示添加直齿 圆锥齿轮的关系式 通过这些关系式。根据已知参数确定 未知参数的值。 H A；( H A X+ X )HF=( H A X+C X一 ) H= ( 2 H A X+ C ) M D E L T A= A T A N ( Z Z A S M ) D i m Z DB=D c os ( A L P H A ) D A=D+ 2十H A c os ( DE L T A) D F=D一 2 H F CO S ( DE L T A) H B；( DDB ) ( 2十 CO S ( D E L T A ) ) R X=D ( 2 S I N( DE L T A) THE T A_A= A T A N ( H A R X ) THE T A B= A T A N( HB R X ) THE T A F=A T A N( HB R X) DE L T A_A =DEL T A +T HE T A_A DE L T A B i DEL T A +T HE T AB DE L T A F= DEL T A +T HE F B A=B C OS ( T HE T A _ A ) B B= B C OS ( T HE T A B ) B F=B C OS ( T HE T A F ) ( 3 )选择主菜单中的 【 编辑 】 一 【 再生】选项 ，计算 【 参数】对话框中的各未知参数的值。 3 创建锥齿几何曲线 ( 1 )将基准平面 T O P向右平移6 7 5后创建基准平 面 D T M1 。 ( 2 )在工作区中单击并选中基准平面 D T M 1与 T O P 面的平移距离， 将其添加到 【 关系】对话框中，并输入关 系式： = D ( 2 T A N ( D E L T A ) ) 。 ( 3 )创建通过基准平面 F R O N T 和 R I G H T交线的基准 轴线 A一 1 。 ( 4 )创建通过基准轴 A一 1 和基准平面 D T M 1 交点的 基准点 P N T O 。 ( 5 )在右工具箱中单击 【 草绘基准曲线】图标，打开 【 草绘的基准曲线 】对话框。选择 F R O N T作为草绘平面， 进入草绘模式。 ( 6 )将参数 d 2添加到 【 关系】对话框中，然后输入 关系式 。 = 9 0 。用相 同的方法继续添加 图形中的其他 参数。 4 创建大端齿轮基本圆 ( 1 )创建基准平面 D T M 2 。选择 F R O N T基准平面和 曲线 1 作为参照创建基准平面。 ( 2 )创建基准点 P N T 1 。创建经过曲线 1 和曲线 2交 点的基准点 P N T 1 。 维普资讯 http:/ The Standard is downloaded from Standard Sharing ( 3 )在右工具箱中单击 【 草绘基准曲线】图标，选取 基准平面 D T M 2作为草绘平面 ， 进入二维草绘模式。 ( 4 )在草绘平面内绘制任意尺寸的 4个同心圆，并绘 制一条过圆心的竖直线。 ( 5 )将基本圆的直径参数添加到 【 关系】对话框中， 按照如下所示添加关系式 ： D1 5 4= d c o s ( d e lt a ) d 1 5 5=d a c o s ( d e lt a ) d 1 5 6=d b c o s ( d e lt a ) d 1 5 7=d f c o s ( d e lt a ) 其中。d 1 5 4 ，d 1 5 5 ，d 1 5 6 ，d 1 5 7分别代表 分度圆、 齿顶圆、基圆和齿根圆直径。 ( 6 )选择主菜单中的 【 编辑】 一【 再生】选项，再生 齿轮基本圆尺寸 ，最后生成齿轮基本圆。 5 创建小端齿轮基本圆 ( 1 )创建过曲线2 和曲线3交点的基准点 P N T 2 。 ( 2 )在右工具箱中单击 【 草绘基准曲线】图标， 选取 D T M 3面作为草绘平面。然后在草绘平面内绘制任意尺寸 的一个同心圆和一段过圆心的竖直线。 ( 3 )将各基本圆的直径参数添加到关系对话框中，按 照如下所示添加关系式 ： D1 5 8= ( D一 2_B S I N( D E L T A) CO S ( D E L T A) D1 5 9=( D A一 2 B A$ S I N ( D E L T A A ) S ( D E L T A ) D1 6 0= ( D B一 2 B B S I N ( D E L T AB ) C OS ( D E L T A ) D1 6 1= ( D F一2 B F S I N( DE L T A) CO S ( D E L T A ) ( 4 )选择主菜单中的 【 编辑】一 【 再生】选项，再生 个齿轮基本圆尺寸 ，最后生成标准齿轮基本圆。 6 创建大端齿轮渐开线 ( 1 )创建坐标系 C S 0 。 在右工具箱单击 【 草绘基准曲线 】按钮，打开坐标系 对话框，选择基准点 P N T 1作为坐标系的放霞参照。在 【 坐标系】对话框中打开 【 定向】选项卡，选择曲线4作 为Y轴的正向，选择曲线 5作为 X轴的正向，生成坐标 系 C s 0 。 ( 2 )创建坐标系 C S l 。 再次打开 【 坐标系】对话框，选择坐标系C S 0作为新 建坐标系的放置参照，在 【 偏移类型】中选择 【 笛卡儿坐 标系】 ，最后生成坐标系C S 1 。 ( 3 )将坐标系 c s o与 C S 1的偏移角度参数添加到 【 关系】对话框中，然后输入关 系式： 。 3 6 0C O S ( D E L T A ) ( 4 Z )+ 1 8 0 1I 【 T A N ( A L P H A ) O I - A L P H A 。 ( 4 )打开记事本编辑器，在其中添加渐开线方程式 帆电一镰化专拦 繁 冁 蛾 弧 l 姻； 嘞 冁 甄 徘繇 熟锻 鬣 龉魏 8 螽 如下 ： R=d 1 5 6 2 t h e t a=t 6 0 X= r c o s ( t h e t a )+r s i n ( t h e t a ) t h e t a p i 1 8 0 Y =r s i n ( t h e t a )一 r c o s ( t h e t a ) t h e t a$p V1 8 0 Z=0 完成后依次选取 【 文件】 一 【 保存】选项保存设置 ， 最后创建齿轮渐开线。 7 创建小端齿轮渐开线 ( 1 )创建坐标系 C S 2 。 选择P N T 2作为坐标系的放置参照，选择曲线6 作为Y 轴的正向，选择曲线 7作为 X轴的正向，最后创建坐标 系 C s 2 。 ( 2 )创建坐标系C S 3 。选择C S 2作为放置参照，最后 生成坐标系 C s 3 。 ( 3 )选择坐标系 C S 3与 C S 2的偏移角度参数 ，并将 其添加到 【 关系】对话框中，然后输入关系式： 。 = 3 6 0 C OS( DE L T A ) 9 4Z) +1 8 0 T AN ( A L P H A) P I AL PHA 。 ( 4 )打开 【 曲线 ： 从方程】对话框，选择坐标系 C S 3 和 【 笛卡儿 】选项。在打开的记事本中添加如下关系式： R=d l 6 0 2 t h e t a=t 6 0 X = r c o s ( t h e t a ) + r s i n ( t h e t a ) t h e t a p i 1 8 0 y = r s in ( t h e t a )一 r c o s ( t h e t a )$ t h e t a p i 1 8 0 Z=0 完成后依次选取 【 文件】 一 【 保存 】选项保存设置。 最后生成渐开线。 8 镜像渐开线 ( 1 )创建过曲线 8 和曲线 9的交点的基准点 P N T 3 。 ( 2 )创建通过基准点 P N T 1 ，且垂直与基准平面 D T M 2 的基准轴 A一 2 。 ( 3 )创建通过基准轴 A一 2和基准点 P N T 3的基准平 面 D T M4 。 ( 4 )创建与 D T M 4的偏移角度为 一 3且通过 A一 2的 基准平面 D T M 5 。 ( 5 )将基准平面 D T M 4与 D R M 5的夹角参数添加到 【 关系】对话框中，然后输入关系式： 。=3 6 0 1 I【 C O S ( DE L T A ) ( 4 Z ) 。 ( 6 )选择 D T M 5作为镜像平面镜像齿轮大端渐开线。 ( 7 )使用同样的方法镜像小端渐开线。 9 创建第一个轮齿 ( 1 )在主菜单中选择 【 插入】 一 【 扫描混合】 一 【 伸出项】选项 ，打开 【 菜单管理器】 ，在 【 混合选项】菜 第 十 卷 9 维普资讯 http:/ ) ”m电一饵化专拦 魏错 缵 髂 鼢 匏 糯 龇 穰端 弧糍键 鼢 秣 鲼 单中选取 【 草绘截面】 、【 垂直于原始轨迹】和 【 完成】选 项。在 【 扫描轨迹】菜单中选择 【 草绘轨迹】选项。选取 基准平面 F R O N T作为草绘平面，然后使用缺省参数放置 草绘平面。 ( 2 )在右工具箱中单击 【 使用边 】按钮，打开 【 类 型】对话框， 选择其中的 【 单个】苹选按钮，使用修剪按 钮结合绘图工具绘制扫描轨迹线。 ( 3 )根据系统提示 ， 在消息输入窗口中输入 Z - a x i s 旋 转角度： 0 。 ( 4 )在右工具箱中单击 【 使用边 】按钮 ，打开 【 类 型】对话框，选择其中的 【 单个】单选按钮，使用修剪和 倒圆角按钮并结合绘图工具绘制齿轮的大端齿廓线。( 注意 在两个圆角处添加等半径约束) 。 ( 5 )根据系统提示， 在消息输入窗口中输入 Z - a x i s 旋 转角度 ： 0 。 ( 6 )使用类似的方法绘制小端齿廓线 ， 最后生成轮齿 结构。 ( 7 )打开关系对话框 ， 在对话框中添加以下关系式： I f h a x=1 d 2 0 7=O 2 m d 2 1 7= 0 2 m e n d i f 其中 ， d 2 0 7 和 d 2 1 7分别是齿轮大小端的齿廓曲线的 倒角。 1 O 复制和阵列轮齿 ( 1 )使用旋转复制的方法复制前一步骤创建的轮齿， 旋转角度为 3 6 0 z ， 最后生成第二个轮齿。 ( 2 )使用阵列方法阵列轮齿，阵列特征总数为 2 4 。 ( 3 )将旋转复制轮齿时的旋转角度参数添加到 【 关 系】对话框中，然后输入关系式： = 3 6 0 z 。 ( 4 )将第一个齿到第三个齿的距离参数添加到 【 关 系】对话框中， 然后输入关系式： = z 一 1 。 1 1 创建锥体 ( 1 )在右工具箱中单击 【 旋转】按钮，打开设计图标 板。选择基准平面 F R O N T作为草绘平面，接受系统缺省 参数放置草绘平面，进入二维草绘模式。 ( 2 )使用基本绘图工具绘制锥体的二维图形。最后生 成锥齿结构。 ( 3 )将锥齿大端长度参数添加到 【 关系】对话框中， 然后输入关系式： = 0 8 h 。 1 2 添加装饰结构 1 3 改变齿轮参数 7 2 0 0 7 年 第1 期 在主菜苹中选择 【 工具】 一 【 参数】选项，打开 【 参 数】对话框。修改齿数为 3 9 ， 模数为 2 5 ，齿宽为 1 5 。 修改后在主菜单中选择 【 编辑】 一 【 再生】选项，按 照修改后的参数再生模型。最后生成模型如图 2 所示。 图2 圆锥齿轮 3 结论 利用虚拟样机技术实现中小型排水管道清淤机器人设 计 ，可以在有条件制作物理样机之前对机器人的运动性能、 机器人的可装配性、可制造性进行科学评价 ， 从而优化了 设计， 压缩甚至取消了物理样机的试制过程，缩短了机器 人开发周期，节省了设计费用 ，也为今后机器人的产业化 提供了技术保障。口 维普资讯 http:/ The Standard is downloaded from Standard Sharing