基于pro/e的中小型排水管道清淤機(jī)器人虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

     隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，環(huán)保問題越來越受到社會各界的普遍關(guān)注。城市污水排放是確保環(huán)境衛(wèi)生、建設(shè)現(xiàn)代化文明城市的重要一環(huán)。目前，我國絕大多數(shù)城市排水管道的清淤工作仍普遍處于人工作業(yè)的落后狀況，不僅體力繁重、效率低，而且井下工作環(huán)境惡劣，易于引發(fā)爆炸等事故傷害。文獻(xiàn)檢索的結(jié)果表明，國內(nèi)外管道機(jī)器人多用于核反應(yīng)堆管道和油氣輸送管道的檢測、補(bǔ)口等工作，而排水管道清淤機(jī)器人的研究尚屬空白。鑒于這種情況，我們進(jìn)行了排水管道清淤機(jī)器人的研究，并在Pro/Engineer平臺上進(jìn)行了清淤機(jī)器人虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)。 

一、排水管道清淤機(jī)器人設(shè)計(jì)方案 

排水管道清淤機(jī)器人本體采用四輪結(jié)構(gòu)，輪子用耐磨、耐腐蝕的合成橡膠制成，并在其表面加設(shè)花紋以增大摩擦力。車輪與管道壁接觸處的形狀與管壁的弧形完全一致，以盡量做到無間隙接觸。車體前部裝有作業(yè)刀具，用于清理管道中的樹枝及鈣化物等淤積物。清理后的淤積物在水流的沖刷下被帶到下游管道檢查井。 

二、管道清淤機(jī)器人虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì) 

虛擬樣機(jī)(Virtual Prototyping) 是當(dāng)前設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的一門新興技術(shù),該技術(shù)是在計(jì)算機(jī)上通過CAD/ CAM/ CAE等技術(shù)將產(chǎn)品信息集成到計(jì)算機(jī)提供的可視化虛擬環(huán)境,在實(shí)際產(chǎn)品制造之前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的仿真、分析與優(yōu)化過程。 

2.1 管道清淤機(jī)器人虛擬樣機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 

管道清淤機(jī)器人虛擬樣機(jī)將管道清淤機(jī)器人研究與虛擬樣機(jī)技術(shù)相結(jié)合, 針對機(jī)器人設(shè)計(jì)與制造過中的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)分析、軌跡和路徑規(guī)劃、機(jī)器人與工作環(huán)境的相互作用等技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行研究與系統(tǒng)開發(fā),通過系統(tǒng)仿真軟件在相應(yīng)虛擬環(huán)境中真實(shí)地模擬系統(tǒng)的運(yùn)動,在計(jì)算機(jī)上方便地修改設(shè)計(jì)缺陷,仿真不同的設(shè)計(jì)方案,對系統(tǒng)進(jìn)行不斷的改進(jìn),直至獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案以后,再做出物理樣機(jī)。 

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圖1 管道清淤機(jī)器人虛擬樣機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
 
2.2 利用Pro/e實(shí)現(xiàn)管道清淤機(jī)器人虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì) 

Pro/Engineer的主要功能是進(jìn)行參數(shù)化的零件造型設(shè)計(jì)，所提供的功能包括實(shí)體造型設(shè)計(jì)、曲面設(shè)計(jì)、建立工程圖、零件組合、簡單的有限元素分析、模具設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、裝配零件設(shè)計(jì)、加工制造、逆向工程等。 

本文以錐齒輪為例詳細(xì)介紹pro/e的參數(shù)化設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)步驟如下。 

1. 新建零件文件 

（1）新建零件文件：“bevelgear”。 

（2）取消選中【使用缺省模板】復(fù)選項(xiàng)，選用【mmns-part-solid】。 

2. 設(shè)置齒輪參數(shù)和關(guān)系式 

（1）打開【參數(shù)】對話框，按照如下表所示添加齒輪參數(shù). 

名稱 類型 數(shù)值 說明 

M 實(shí)數(shù) 3 模數(shù) 

Z 實(shí)數(shù) 25 本齒輪齒數(shù) 

ZASM 實(shí)數(shù) 45 與之嚙合的齒輪齒數(shù) 

ALPHA 實(shí)數(shù) 20 壓力角 

B 實(shí)數(shù) 20 齒寬 

HAX 實(shí)數(shù) 1 齒頂高系數(shù) 

CX 實(shí)數(shù) 0.25 頂隙系數(shù) 

HA 實(shí)數(shù) 0 齒頂高 

HF 實(shí)數(shù) 0 齒根高 

H 實(shí)數(shù) 0 齒全高 

DELTA 實(shí)數(shù) 0 分錐角 

DELTA-A 實(shí)數(shù) 0 頂錐角 

DELTA-B 實(shí)數(shù) 0 基錐角 

DELTA-F 實(shí)數(shù) 0 根錐角 

D 實(shí)數(shù) 0 分度圓直徑 

DB 實(shí)數(shù) 0 基圓直徑 

DA 實(shí)數(shù) 0 齒頂圓直徑 

DF 實(shí)數(shù) 0 齒根圓直徑 

HB 實(shí)數(shù) 0 齒基高 

RX 實(shí)數(shù) 0 錐距 

THETA-A 實(shí)數(shù) 0 齒頂角 

THETA-B 實(shí)數(shù) 0 齒基角 

THETA-F 實(shí)數(shù) 0 齒根角 

BA 實(shí)數(shù) 0 齒頂寬 

BB 實(shí)數(shù) 0 齒基寬 

BF 實(shí)數(shù) 0 齒根寬 

X 實(shí)數(shù) 0 變位修正系數(shù) 

（2）打開【關(guān)系】對話框,按照如下所示添加直齒圓錐齒輪的關(guān)系式.通過這些關(guān)系式，根據(jù)已知參數(shù)確定未知參數(shù)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）選擇主菜單中的【編輯】－【再生】選項(xiàng)，計(jì)算【參數(shù)】對話框中的各未知參數(shù)的值。 

3．創(chuàng)建錐齒幾何曲線 

（1）將基準(zhǔn)平面TOP向右平移67.5后創(chuàng)建基準(zhǔn)平面DTM1。 

（2）在工作區(qū)中單擊并選中基準(zhǔn)平面DTM1與TOP面的平移距離，將其添加到【關(guān)系】對話框中，并輸入關(guān)系式：“＝D/(2*TAN(DELTA))”。 

（3）創(chuàng)建通過基準(zhǔn)平面FRONT和RIGHT交線的基準(zhǔn)軸線A-1。 

（4）創(chuàng)建通過基準(zhǔn)軸A-1和基準(zhǔn)平面DTM1交點(diǎn)的基準(zhǔn)點(diǎn)PNT0。 

（5）在右工具箱中單擊【草繪基準(zhǔn)曲線】圖標(biāo)，打開【草繪的基準(zhǔn)曲線】對話框。選擇FRONT作為草繪平面，進(jìn)入草繪模式。 

（6）將參數(shù)d2添加到【關(guān)系】對話框中，然后輸入關(guān)系式“＝90”。用相同的方法繼續(xù)添加圖形中的其他參數(shù)。 

4. 創(chuàng)建大端齒輪基本圓 

（1）創(chuàng)建基準(zhǔn)平面DTM2。選擇FRONT基準(zhǔn)平面和曲線1作為參照創(chuàng)建基準(zhǔn)平面。 

（2）創(chuàng)建基準(zhǔn)點(diǎn)PNT1。創(chuàng)建經(jīng)過曲線1和曲線2交點(diǎn)的基準(zhǔn)點(diǎn)PNT1。 

（3）在右工具箱中單擊【草繪基準(zhǔn)曲線】圖標(biāo)，選取基準(zhǔn)平面DTM2作為草繪平面，進(jìn)入二維草繪模式。 

（4）在草繪平面內(nèi)繪制任意尺寸的4個同心圓，并繪制一條過圓心的豎直線。 

（5）將基本圓的直徑參數(shù)添加到【關(guān)系】對話框中，按照如下所示添加關(guān)系式: 

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

其中，d154,d155,d156,d157分別代表分度圓、齒頂圓、基圓和齒根圓直徑。 

（6）選擇主菜單中的【編輯】－【再生】選項(xiàng)，再生齒輪基本圓尺寸，最后生成齒輪基本圓。 

5．創(chuàng)建小端齒輪基本圓 

（1）創(chuàng)建過曲線2和曲線3交點(diǎn)的基準(zhǔn)點(diǎn)PNT2。 

（2）在右工具箱中單擊【草繪基準(zhǔn)曲線】圖標(biāo)，選取DTM3面作為草繪平面。然后在草繪平面內(nèi)繪制任意尺寸的一個同心圓和一段過圓心的豎直線。 

（3）將各基本圓的直徑參數(shù)添加到關(guān)系對話框中，按照如下所示添加關(guān)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）選擇主菜單中的【編輯】－【再生】選項(xiàng)，再生個齒輪基本圓尺寸，最后生成標(biāo)準(zhǔn)齒輪基本圓。 

6. 創(chuàng)建大端齒輪漸開線 

（1）創(chuàng)建坐標(biāo)系CS0。 

在右工具箱單擊【草繪基準(zhǔn)曲線】按鈕，打開坐標(biāo)系對話框，選擇基準(zhǔn)點(diǎn)PNT1作為坐標(biāo)系的放置參照。在【坐標(biāo)系】對話框中打開【定向】選項(xiàng)卡，選擇曲線4作為Y軸的正向，選擇曲線5作為X軸的正向，生成坐標(biāo)系CS0。 

（2）創(chuàng)建坐標(biāo)系CS1。  

再次打開【坐標(biāo)系】對話框，選擇坐標(biāo)系CS0作為新建坐標(biāo)系的放置參照，在【偏移類型】中選擇【笛卡兒坐標(biāo)系】，最后生成坐標(biāo)系CS1。 

（3）將坐標(biāo)系CS0與CS1的偏移角度參數(shù)添加到【關(guān)系】對話框中，然后輸入關(guān)系式：“＝360*COS(DELTA)/(4*Z)+180*TAN(ALPHA)/OI-ALPHA”。 

（4）打開記事本編輯器，在其中添加漸開線方程式如下： 

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 

完成后依次選取【文件】－【保存】選項(xiàng)保存設(shè)置，最后創(chuàng)建齒輪漸開線。 

7. 創(chuàng)建小端齒輪漸開線 

（1）創(chuàng)建坐標(biāo)系CS2。 

選擇PNT2作為坐標(biāo)系的放置參照，選擇曲線6作為Y軸的正向，選擇曲線7作為X軸的正向，最后創(chuàng)建坐標(biāo)系CS2。 

（2）創(chuàng)建坐標(biāo)系CS3。選擇CS2作為放置參照，最后生成坐標(biāo)系CS3。 

（3）選擇坐標(biāo)系CS3與CS2的偏移角度參數(shù)，并將其添加到【關(guān)系】對話框中，然后輸入關(guān)系式：“＝360*COS(DELTA)/94*Z)+180*TAN(ALPHA)/PI-ALPHA”. 

（4）打開【曲線：從方程】對話框，選擇坐標(biāo)系CS3和【笛卡兒】選項(xiàng)。在打開的記事本中添加如下關(guān)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 

完成后依次選取【文件】－【保存】選項(xiàng)保存設(shè)置。最后生成漸開線。 

8. 鏡像漸開線 

（1）創(chuàng)建過曲線8和曲線9的交點(diǎn)的基準(zhǔn)點(diǎn)PNT3。 

（2）創(chuàng)建通過基準(zhǔn)點(diǎn)PNT1,且垂直與基準(zhǔn)平面DTM2的基準(zhǔn)軸A-2。 

（3）創(chuàng)建通過基準(zhǔn)軸A-2和基準(zhǔn)點(diǎn)PNT3的基準(zhǔn)平面DTM4。 

（4）創(chuàng)建與DTM4的偏移角度為－3且通過A-2的基準(zhǔn)平面DTM5。 

（5）將基準(zhǔn)平面DTM4與DRM5的夾角參數(shù)添加到【關(guān)系】對話框中，然后輸入關(guān)系式：“＝360*COS(DELTA)/(4*Z)”。 

（6）選擇DTM5作為鏡像平面鏡像齒輪大端漸開線。 

（7）使用同樣的方法鏡像小端漸開線。 

9. 創(chuàng)建第一個輪齒 

（1）在主菜單中選擇【插入】－【掃描混合】－【伸出項(xiàng)】選項(xiàng)，打開【菜單管理器】，在【混合選項(xiàng)】菜單中選取【草繪截面】、【垂直于原始軌跡】和【完成】選項(xiàng)。在【掃描軌跡】菜單中選擇【草繪軌跡】選項(xiàng)。選取基準(zhǔn)平面FRONT作為草繪平面，然后使用缺省參數(shù)放置草繪平面。 

（2）在右工具箱中單擊【使用邊】按鈕，打開【類型】對話框，選擇其中的【單個】單選按鈕，使用修剪按鈕結(jié)合繪圖工具繪制掃描軌跡線。 

（3）根據(jù)系統(tǒng)提示，在消息輸入窗口中輸入z-axis旋轉(zhuǎn)角度：“0”。 

（4）在右工具箱中單擊【使用邊】按鈕，打開【類型】對話框，選擇其中的【單個】單選按鈕，使用修剪和倒圓角按鈕并結(jié)合繪圖工具繪制齒輪的大端齒廓線。（注意在兩個圓角處添加等半徑約束）。 

（5）根據(jù)系統(tǒng)提示，在消息輸入窗口中輸入z-axis旋轉(zhuǎn)角度：“0”。 

（6）使用類似的方法繪制小端齒廓線，最后生成輪齒結(jié)構(gòu)。 

（7）打開關(guān)系對話框，在對話框中添加以下關(guān)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分別是齒輪大小端的齒廓曲線的倒角。 

10. 復(fù)制和陣列輪齒 

（1）使用旋轉(zhuǎn)復(fù)制的方法復(fù)制前一步驟創(chuàng)建的輪齒，旋轉(zhuǎn)角度為“360/z”，最后生成第二個輪齒。 

（2）使用陣列方法陣列輪齒，陣列特征總數(shù)為24。 

（3）將旋轉(zhuǎn)復(fù)制輪齒時的旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)添加倒【關(guān)系】對話框中，然后輸入關(guān)系式：“＝360/z”。 

（4）將第一個齒到第三個齒的距離參數(shù)添加到【關(guān)系】對話框中，然后輸入關(guān)系式：“＝z-1“。 

11. 創(chuàng)建錐體 

（1）在右工具箱中單擊【旋轉(zhuǎn)】按鈕，打開設(shè)計(jì)圖標(biāo)板。選擇基準(zhǔn)平面FRONT作為草繪平面，接受系統(tǒng)缺省參數(shù)放置草繪平面，進(jìn)入二維草繪模式。 

（2）使用基本繪圖工具繪制錐體的二維圖形。最后生成錐齒結(jié)構(gòu)。 

（3）將錐齒大端長度參數(shù)添加到【關(guān)系】對話框中，然后輸入關(guān)系式：“=0.8*h”。 

12. 添加裝飾結(jié)構(gòu) 

13. 改變齒輪參數(shù) 

在主菜單中選擇【工具】－【參數(shù)】選項(xiàng)，打開【參數(shù)】對話框。修改齒數(shù)為39，模數(shù)為2.5，齒寬為15。 

修改后在主菜單中選擇【編輯】－【再生】選項(xiàng)，按照修改后的參數(shù)再生模型。最后生成模型如圖2所示。 

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圖2 圓錐齒輪
 
三、結(jié)論 

利用虛擬樣機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)中小型排水管道清淤機(jī)器人設(shè)計(jì)，可以在有條件制作物理樣機(jī)之前對機(jī)器人的運(yùn)動性能、機(jī)器人的可裝配性、可制造性進(jìn)行科學(xué)評價，從而優(yōu)化了設(shè)計(jì)，壓縮甚至取消了物理樣機(jī)的試制過程，縮短了機(jī)器人開發(fā)周期，節(jié)省了設(shè)計(jì)費(fèi)用，也為今后機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化提供了技術(shù)保障。