管内恒力清刷机构及其动力学分析new

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1、第uu卷第v期机器人ΡΟΒΟΤ∂²¯quuo²qvusss年x月¤¼ousss文章编号}tssu2swwykussslsv2suuw2sy管内恒力清刷机构及其动力学分析α邓宗全姜生元李瑰贤陈明李斌宋月娥k哈尔滨工业大学机械工程系txssstl摘要}本文提出了一种可实现恒摩擦力矩的管内清刷机构o并分别对该机构进行了静力学分析和动力学建模与分析o为该种机构结构参数设计提供了理论依据q关键词}管内机器人~除锈清刷机构~动力学分析中图分类号}×°uw文献标识码}1引言在管内防腐喷涂补口作业中o为使防腐涂料与管壁粘合牢固以提高防腐效果o在喷涂作业之前必须

2、对管内壁进行除锈清刷处理q清刷机构的结构参数和静!动力学特性是影响作业质量的关键因素o因此对其进行静力学和动力学的定量分析得出最优结构和运动参数o对提高除锈作业质量和管道使用寿命具有重要意义q在此基础上o我们开发了一种具有恒力特性的管内清刷机构o已经用于上海浦东国际机场航空输油管线的管内补口机器人上q使用表明o该机构具有结构简单!运行可靠!易于控制!清刷效果好等优点q2清刷机构工作原理及其静力学分析2q1清刷机构组成及工作原理根据管道防腐工艺要求o防腐喷涂前管道内壁必须进行除锈清刷处理q管道直径小于uzv°°时o一般采用一体式结构o即由电机直接

3、带动刷盘进行除锈处理~管道直径大于uzv°°时o由于结构尺寸较大一般采用组合式结构q对于5xvs°°管道o我们研制了一种组合式恒力离心清刷机构o其结构如图t所示q工作原理为}电机带动回转臂x转动o并依次带动连杆u和刷轮v绕机器人轴心转动o在离心惯性力作用下连杆和刷轮被甩开o使刷轮压在管道内壁t上o弹簧w将反向拉动刷轮使其离开管壁q当调节电机转速和弹簧刚度以及各杆长度时o可以调节作用在管道内壁上的正压力o以调整除锈清刷作业效果q为提高刷轮的使用寿命和除锈效果o刷轮圆周上各点参加工作的机会必须相等q为此我们在刷轮轴处设计了一恒摩擦力矩锁紧机构o其结

4、构如图u所示o在机器人拖带清刷机构进入管道之前o调整螺母y的位置从而调定刷轮u和摩擦片间的正压力Θo假设接触处的正压力分布均匀o则刷轮转动所需的力矩为Μφo可由下式计算}vvukρupρtlΜφΛΘuuktlvkρupρtl其中}Λ))摩擦系数~Θ))弹簧压力~ρt))摩擦片内径~ρu))摩擦片外径q可见o当系α基金项目}国家{yv计划智能机器人主题资助项目q收稿日期}t

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7、psypus第uu卷第v期邓宗全等}管内恒力清刷机构及其动力学分析uuxtq管壁uq连杆vq刷轮wq拉簧xq回转臂tq连杆uq刷轮vq摩擦片wq预压弹簧xq压板yq软轴z

8、q锁紧螺母图t清刷机构系统组成图u恒摩擦力矩刷轮结构简图统结构和物理参数确定后o刷轮转动所需的力矩也就为一定值o故称其为恒力矩机构q2q2清刷机构静力学分析清刷机构在管内工作时o由于离心惯性力的作用刷轮被甩开压在管壁上o系统转速越高管壁与刷轮之间的压力越大q当转速较小时o由于管壁给它的摩擦力矩小于预设的Μφo刷轮无自转o处于单边工作状态o称为欠临界工作状态~转速继续增大o管壁给刷轮的摩擦力矩刚好等于预设的Μφo此时刷轮刚好可以绕自身轴线转动o由于阻尼的存在又不能在管壁上纯滚o称为临界工作状态~当转速继续增大时o由于管壁给刷轮的压力所能提供的摩擦

9、力矩已远远大于预设的Μφo刷轮在管壁上作纯滚动o不能产生清刷作用o称为过临界工作状态q可见系统的理想工作状态应该是临界工作状态q所以o已知预设摩擦力矩和结构参数后o可以通过静力学分析的办法确定合理的工作转速o使系统在临界状态下工作q图v清刷机构静力学分析简图系统稳定工作时o根据达朗伯原理o所有主动力!离心惯性力和约束反力将处于平衡状态q系统的受力状态如图v所示o并假设机器人轴线与管道同心o各杆件为均质等截面杆q由于转速较高时惯性力已远远大于重力o故在平衡方程中忽略重力的作用qΦγuΛt¶¬±ΑnΦγvΛu¶¬±ΒkΦηnΝlΛu¶¬±ΒnΦφk

10、Λu¦²¶ΒnρlkuluuΦφΜφÙρoΦγuμuΛuuΞoΦγvμvΛvvΞoφηΚηΚΔ解得uuy机器人usss年x月ΜφΜφkΚηΚΔnlΛu¶¬±ΒnΛu¦²¶ΒnΜφρΛρΞΛkvlμuΛuuΛt¶¬±ΑnμvΛvvΛu¶¬±Β式中}Κη为弹簧刚度系数~ΚΔ为弹簧的变形量~Ξ为电机转动角速度~ρ为刷轮有效半径~Μφ为预设刷轮转动摩擦力矩~Φγιkιtouovl为第ι个旋转质量μι的离心惯性力~ΑoΒ为系统结构夹角k由各杆长度确定l~Λ为摩擦系数q根据公式kvl可以计算出对应于预设摩擦力矩的临界工作电机旋转速度称为ΞΛo若系统的实际旋

11、转速度为ΞΡo则系统工作状态判定结果如下}ktlΞΡνΞΛ}欠临界工作状态o刷轮无绕自身轴线运动o可以实现清刷作业q但是刷轮只是单边参加工作o磨损不均