基于pro/e的中小型排水管道清淤机器人虚拟样机设计

     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清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Pro/Engineer平台上进行了清淤机器人虚拟样机设计。 

一、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、耐腐蚀的合成橡胶制成，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。 

二、管道清淤机器人虚拟样机设计 

虚拟样机(Virtual Prototyping) 是当前设计制造领域的一门新兴技术,该技术是在计算机上通过CAD/ CAM/ CAE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。 

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图1 管道清淤机器人虚拟样机系统结构图
 
2.2 利用Pro/e实现管道清淤机器人虚拟样机设计 

Pro/Engineer的主要功能是进行参数化的零件造型设计，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pro/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：“bevelgear”。 

（2）取消选中【使用缺省模板】复选项，选用【mmns-part-solid】。 

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 25 本齿轮齿数 

ZASM 实数 45 与之啮合的齿轮齿数 

ALPHA 实数 20 压力角 

B 实数 20 齿宽 

HAX 实数 1 齿顶高系数 

CX 实数 0.25 顶隙系数 

HA 实数 0 齿顶高 

HF 实数 0 齿根高 

H 实数 0 齿全高 

DELTA 实数 0 分锥角 

DELTA-A 实数 0 顶锥角 

DELTA-B 实数 0 基锥角 

DELTA-F 实数 0 根锥角 

D 实数 0 分度圆直径 

DB 实数 0 基圆直径 

DA 实数 0 齿顶圆直径 

DF 实数 0 齿根圆直径 

HB 实数 0 齿基高 

RX 实数 0 锥距 

THETA-A 实数 0 齿顶角 

THETA-B 实数 0 齿基角 

THETA-F 实数 0 齿根角 

BA 实数 0 齿顶宽 

BB 实数 0 齿基宽 

BF 实数 0 齿根宽 

X 实数 0 变位修正系数 

（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。 

HA=(HAX+X) HF=(HAX+CX-X)H=(2*HAX+CX)*M DELTA=ATAN(Z/Z_ASM )D=m*Z DB=D*COS(ALPHA)DA=D+2*HA*COS(DELTA)DF=D-2*HF*COS(DELTA)HB=(D-DB)/(2*COS(DELTA))RX=D/(2*SIN(DELTA)THETA_A=ATAN(HA/RX)THETA_B=ATAN(HB/RX)THETA_F= ATAN(HB/RX)DELTA_A=DELTA+THETA_ADELTA_B=DELTA+THETA_BDELTA_F= DELTA+THETA_FBA=B/COS(THETA_A)BB=B/COS(THETA_B)BF=B/COS(THETA_F) 

（3）选择主菜单中的【编辑】－【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TOP向右平移67.5后创建基准平面DTM1。 

（2）在工作区中单击并选中基准平面DTM1与TOP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*TAN(DELTA))”。 

（3）创建通过基准平面FRONT和RIGHT交线的基准轴线A-1。 

（4）创建通过基准轴A-1和基准平面DTM1交点的基准点PNT0。 

（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FRONT作为草绘平面，进入草绘模式。 

（6）将参数d2添加到【关系】对话框中，然后输入关系式“＝90”。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DTM2。选择FRONT基准平面和曲线1作为参照创建基准平面。 

（2）创建基准点PNT1。创建经过曲线1和曲线2交点的基准点PNT1。 

（3）在右工具箱中单击【草绘基准曲线】图标，选取基准平面DTM2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: 

D154=d/cos(delta) d155=da/cos(delta) d156=db/cos(delta) d157=df/cos(delta) 

其中，d154,d155,d156,d157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】－【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PNT2。 

（2）在右工具箱中单击【草绘基准曲线】图标，选取DTM3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： 

D158=(D-2*B*SIN(DELTA)/COS(DELTA) D159=(DA-2*BA*SIN(DELTA-A)/COS(DELTA) D160=(DB-2*BB*SIN(DELTA-B)/COS(DELTA) D161=(DF-2*BF*SIN(DELTA)/COS(DELTA) 

（4）选择主菜单中的【编辑】－【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CS0。 

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PNT1作为坐标系的放置参照。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CS0。 

（2）创建坐标系CS1。  

再次打开【坐标系】对话框，选择坐标系CS0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CS1。 

（3）将坐标系CS0与CS1的偏移角度参数添加到【关系】对话框中，然后输入关系式：“＝360*COS(DELTA)/(4*Z)+180*TAN(ALPHA)/OI-ALPHA”。 

（4）打开记事本编辑器，在其中添加渐开线方程式如下： 

R=d156/2 theta=t*60 x=r*cos(theta)+r*sin(theta)*theta*pi/180 y=r*sin(theta)-r*cos(theta)*theta*pi/180 z=0 

完成后依次选取【文件】－【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CS2。 

选择PNT2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CS2。 

（2）创建坐标系CS3。选择CS2作为放置参照，最后生成坐标系CS3。 

（3）选择坐标系CS3与CS2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：“＝360*COS(DELTA)/94*Z)+180*TAN(ALPHA)/PI-ALPHA”. 

（4）打开【曲线：从方程】对话框，选择坐标系CS3和【笛卡儿】选项。在打开的记事本中添加如下关系式： 

R=d160/2 theta=t*60 x=r*cos(theta)+r*sin(theta)*theta*pi/180 y=r*sin(theta)-r*cos(theta)*theta*pi/180 z=0 

完成后依次选取【文件】－【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PNT3。 

（2）创建通过基准点PNT1,且垂直与基准平面DTM2的基准轴A-2。 

（3）创建通过基准轴A-2和基准点PNT3的基准平面DTM4。 

（4）创建与DTM4的偏移角度为－3且通过A-2的基准平面DTM5。 

（5）将基准平面DTM4与DRM5的夹角参数添加到【关系】对话框中，然后输入关系式：“＝360*COS(DELTA)/(4*Z)”。 

（6）选择DTM5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】－【扫描混合】－【伸出项】选项，打开【菜单管理器】，在【混合选项】菜单中选取【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FRONT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】单选按钮，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-axis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-axis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： 

If hax<1 d207=0.31*m d217=0.31*m endif if hax>=1 d207=0.2*m d217=0.2*m endif 

其中，d207和d217分别是齿轮大小端的齿廓曲线的倒角。 

10. 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“360/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24。 

（3）将旋转复制轮齿时的旋转角度参数添加倒【关系】对话框中，然后输入关系式：“＝360/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-1“。 

11. 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FRONT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”。 

12. 添加装饰结构 

13. 改变齿轮参数 

在主菜单中选择【工具】－【参数】选项，打开【参数】对话框。修改齿数为39，模数为2.5，齿宽为15。 

修改后在主菜单中选择【编辑】－【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。 

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图2 圆锥齿轮
 
三、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。