一種適應不同管徑的螺旋式管道內壁打磨與拋光機器人的制作方法
本發明屬于管道機器人領域，特別涉及一種可適應不同管徑的螺旋式管道內壁打磨與拋光機器人。
背景技術：
在人們的生活中，有各種各樣的管道，如石油管道、天然氣管道、自來水管道等等。在這些管道中有許多管徑并不大，為其檢測與維修帶來諸多不便，管道機器人應運而生。
管道內壁光滑性十分重要，如果管道內表面較為粗糙，將更容易導致管道內壁沉積物的聚集，使管道有效工作面積減小甚至造成堵塞。因此，對管道內壁進行打磨拋光便十分有必要。然而，雖然現有管道機器人種類繁多，能夠對管道內壁進行打磨拋光的卻少之又少。同時，管道內部不同部位積攢的沉積物或者管道內部由于焊接等原因產生的各種不平整因素，變化多端，如何能采取最為簡單的方法，使機器人在不同部位產生不同的加工量，對于加工效果的提升和加工效率的提高也十分重要。
管道內徑發生變化時，方向保持機構的保持輪對管道內壁的壓力需要在一定范圍內才能保證方向保持任務的完成，使機器人正常工作。然而，管道直徑多種多樣，所以，若能在方向保持機構上加裝彈簧彈力調節機構，針對所要加工的管徑進行一個預調節，能夠使機器人方向保持組件在多種管徑下都可以正常工作，減少資源的不必要浪費。現有也有相關的裝置，但是，各種缺點也比較明顯。如“自適應直徑管道機器人行走裝置”(申請號：201310651593.3)，能夠實現對管道直徑的適應，并且其自動化程度比較高，但是由于需要加裝額外的驅動電機及控制系統，導致其內部并沒有剩余空間，與機器人其它部分組裝時，會造成體積過大的現象，會造成不利于機構轉彎等不良現象，使其應用遇到諸多限制。
技術實現要素：
本發明提供一種適應不同管徑的螺旋式管道內壁打磨與拋光機器人，以解決存在的體積過大、不利于機構轉彎、應用遇到諸多限制的問題。
本發明采取的技術方案是：包括輪轂組件、驅動輪磨削組件、十字軸萬向節、電機及其動力與控制組件和方向保持機構，所述輪轂組件與十字軸萬向節以花鍵配合安裝，所述驅動輪磨削組件共3組，其驅動軸兩端通過軸承與輪轂組件中的驅動軸支架配合安裝，電機及其控制與動力組件安裝在方向保持機構上，其電機軸與十字軸萬向節以花鍵配合安裝。
本發明所述輪轂組件由輪轂、驅動軸支架、伸縮桿、壓力彈簧、擋帽和彈簧導向桿組成，所述彈簧導向桿與輪轂通過螺紋連接，共有3根，分別與輪轂上的3個伸縮桿導向筒同心；所述壓力彈簧下端安裝在彈簧導向桿上，上端與伸縮桿下端的柱形孔洞配合；所述伸縮桿上有導向柱，伸縮桿通過導向柱與輪轂中伸縮桿套筒上的引導槽相配合，配合后，由于壓力彈簧的作用，伸縮桿可上下移動，導向柱位于最下端時，導向柱軸線與輪轂中部六棱柱兩側端面夾角為α，導向柱位于最上端時，夾角為β，且有β>α，最低位置和最高位置之間高度差為h0，從最低位置到最高位置之間角度變化與高度變化為線性關系，中間距離最高位置為h處，夾角擋帽安裝在輪轂伸縮桿套筒上方；驅動軸支架與伸縮桿上端通過螺紋連接,安裝完成后驅動軸支架上圓形通孔軸線與伸縮桿導向柱軸線成90°；所述結構共有3組，分列在輪轂圓周上，彼此間角度為120°；輪轂組件通過花鍵與十字軸萬向節配合安裝。
本發明所述驅動輪磨削組件由軸架左蓋板、軸架Ⅰ、軸架右蓋板、磨削輪、從動齒輪、從動軸Ⅰ、主動齒輪、驅動軸、驅動輪、軸架Ⅱ、從動軸Ⅱ、弧形彈簧Ⅰ和弧形彈簧Ⅱ組成，其中驅動軸兩端通過軸承與輪轂組件上的驅動軸支架配合安裝；驅動軸從一端至另一端，依次與軸架Ⅰ、主動齒輪、軸架Ⅱ和驅動輪配合安裝，其中，與主動齒輪和驅動輪通過花鍵連接，其它通過軸承連接；所述從動軸Ⅰ兩端穿過軸架Ⅰ和軸架Ⅱ背面弧形通孔，通過軸承與其內部弧形凹槽配合；所述從動軸Ⅰ從一端至另一端，依次與磨削輪和從動齒輪以花鍵配合安裝，弧形彈簧Ⅰ和弧形彈簧Ⅱ安裝在軸架Ⅰ內部凹槽內，所述軸架左蓋板、軸架右蓋板與軸架Ⅰ配合安裝；所述軸架Ⅱ相關配合情況與軸架Ⅰ完全相同；所述從動軸Ⅱ相關配合情況與從動軸Ⅰ完全相同。
本發明包含有保持輪結構和彈簧壓力調節機構，所述方向保持組件由下板、橫軸、三角支架、保持輪、支撐桿、橫桿、圓柱滑軌組、圓柱滑塊組、上板、調節桿Ⅰ、齒輪組蓋板、滑塊組Ⅰ、調節桿Ⅱ、滑塊組Ⅱ、彈簧組、絲杠Ⅰ、連接件Ⅰ、連接塊、連接件Ⅱ、絲杠Ⅱ、從動齒輪、主動齒輪和把手組成，所述下板和上板之間安裝有圓柱滑軌組，共有3組，每組包含2根滑軌，組成基本骨架，所述三角支架通過轉動副安裝在下板上；所述保持輪以轉動副安裝在三角支架頂端；所述橫軸安裝在三角支架中部通孔；所述支撐桿一端與橫軸轉動配合，另一端與橫桿轉動配合；橫桿兩端與圓柱滑塊組配合；圓柱滑塊組安裝在圓柱滑軌組上；這些組件構成保持輪主要結構，共有6組，對稱分列在上板和下板上；所述彈簧壓力調節機構由調節桿Ⅰ、齒輪組蓋板、滑塊組Ⅰ、調節桿Ⅱ、滑塊組Ⅱ、彈簧組、絲杠Ⅰ、連接件Ⅰ、連接塊、連接件Ⅱ、絲杠Ⅱ、從動齒輪、主動齒輪和把手組成；所述絲杠Ⅰ和絲杠Ⅱ旋向相反，共同固定在連接塊上，兩端通過軸承與上板和下板配合安裝；所述連接件Ⅰ上端固定在調節桿Ⅱ上，下端為絲杠螺母副，與絲杠Ⅰ配合安裝；所述連接件Ⅱ上端固定在調節桿Ⅰ上，下端為絲杠螺母副，與絲杠Ⅱ配合安裝；所述調節桿Ⅰ、調節桿Ⅱ兩端分別通過滑塊組Ⅰ、滑塊組Ⅱ與滑軌組配合安裝；所述從動齒輪與絲杠Ⅱ以花鍵配合；所述主動齒輪與把手之間通過花鍵配合；所述齒輪組蓋板安裝在上板上；所述彈簧壓力調節機構共有3組，均勻分布在圓周上，所述彈簧組布置在橫桿和調節桿Ⅱ兩端的滑塊之間，每個彈簧壓力調節機構上有2組，整個機構上共有6組。
一種可適應不同管徑的螺旋式管道內壁打磨與拋光機器人在單位長度管道上磨削加工長度的方法，其特征在于：當實際位置相對于伸縮桿位于最高位置的彈簧壓縮量為h時，有此時單個磨削組件的磨削長度其中，α、β分別為伸縮桿的導向柱位于最低和最高位置時驅動輪磨削組件的螺旋角，h0最低位置和最高位置的高度差，0<h<h0，s0為螺旋角為β時機器人在單位長度管道內的磨削總長度；并且，當用L0表示管道的單位長度時，機器人在單位長度管道內的磨削長度，一定程度上反映了其磨削量的大小，對于不同的材料，利用以上關系，選擇合適的α、β，可以改變螺旋角為β時管道機器人單個磨削組件在單位長度的管道上的磨削長度s0，并且，也確定了單個磨削組件在單位長度管道上磨削長度的變化范圍h0的選擇，將影響螺旋角θ隨壓縮量h變化而產生的變化量的大小，最后將影響單個磨削組件在單位長度管道上磨削量s隨h變化而產生的變化量的大小；α、β和h0三個參數可以確定彈簧壓縮量為任意高度h(0<h<h0)時每一個磨削組件在單位長度管道上的磨削長度s，從而達到控制驅動輪磨削組件在不同管徑的單位長度上達到所需的磨削量的目的。
本發明所述的螺旋式管道內壁打磨與拋光機器人能夠根據管徑的變化，自適應地調節磨削組件相對于管件橫截面的螺旋角，從而達到管徑細、雜質多的地方多磨削，管徑大、雜質少的地方少磨削的目的；而且，得出了輪轂中引導槽各參數選取與機器人對單位長度管道磨削加工長度的關系，可以為針對不同使用環境的磨削機器人的制造提供一定的指導意義。同時，本發明中方向保持組件包含有手動調節機構，可手動調節固定滑塊的位置，使彈簧能夠提供一個合適的壓力，從而使方向保持組件能夠適應更多種管徑，可與多種不同尺寸的磨削組件搭配使用，達到一件多用的目的，可在一定程度上節約成本。
本發明的優點是：將螺旋驅動輪與磨削組件結合在一起，可實現對微小管道內壁的打磨與拋光；磨削輪與驅動輪相對位置不固定，當管徑變化時，磨削輪可以帶動從動軸在軸架的弧形孔中沿弧線移動，柔性的設計既保證了磨削正常進行，又避免了打刀現象的發生；輪轂組件與驅動輪磨削組件配合，當彈簧伸長時，組件螺旋角變大，當彈簧變短時，組件螺旋角變小，使對管徑較小處的打磨更加充分，同時又可快速掠過管徑較大出，提高了工作效率；輪轂引導槽各參數與單位長度管道磨削長度之間關系的確定，為針對不同管道情況制造最為合適的管道機器人提供了可能；方向保持組件加裝了彈簧力控制機構，可通過簡單操作將彈簧的固定擋塊調至預設位置，使方向保持機構能夠對不同管徑都有足夠的支撐力，僅需配做合適的輪轂組件和驅動輪磨削組件，實現了一件多用；加裝彈簧力控制機構后，方向保持組件內部仍有足夠的空間，可用于安裝電機等，結構緊湊。
附圖說明
圖1是本發明的總體結構示意圖；
圖2(a)是本發明輪轂組件主要結構示意圖；
圖2(b)是圖2(a)的I部放大圖；
圖3(a)本發明是輪轂組件中輪轂導向槽與伸縮桿導向柱局部放大圖；
圖3(b)是本發明輪轂引導槽中心線與六棱柱兩端面夾角變化示意圖；
圖4是本發明輪轂組件與驅動輪磨削組件安裝螺旋角示意圖
圖5是本發明驅動輪磨削組件結構示意圖；
圖6是本發明驅動輪磨削組件軸架等軸測視圖；
圖7是本發明驅動輪磨削組件軸架內部安裝示意圖；
圖8是本發明驅動輪磨削組件從動齒輪軸處剖視圖；
圖9是本發明保持機構主要結構示意圖；
圖10是本發明彈簧壓力調節機構示意圖；
其中：輪轂組件1，驅動輪磨削組件2，十字軸萬向節3，電機及其動力與控制組件4，方向保持機構5，輪轂101，伸縮桿套筒10101，引導槽10102，驅動軸支架102，伸縮桿103，伸縮桿導向柱10301，壓力彈簧104，擋帽105，彈簧導向桿106，軸架左蓋板201，軸架Ⅰ202，軸架右蓋板203，磨削輪204，從動齒輪205，從動軸Ⅰ206，主動齒輪207，驅動軸208，驅動輪209，軸架Ⅱ210，從動軸Ⅱ211，弧形彈簧Ⅰ212，弧形彈簧Ⅱ213，下板501，橫軸502，三角支架503，保持輪504，支撐桿505，橫桿506，圓柱滑軌組507，圓柱滑塊組508，上板509，調節桿Ⅰ510，齒輪組蓋板511，滑塊組Ⅰ512，調節桿Ⅱ513，滑塊組Ⅱ514，彈簧組515，絲杠Ⅰ516，連接件Ⅰ517，連接塊518，連接件Ⅱ519，絲杠Ⅱ520，從動齒輪521，主動齒輪522，把手523。
具體實施方式
本發明一種可適應不同管徑的螺旋式管道內壁打磨與拋光機器人，包括輪轂組件1、驅動輪磨削組件2、十字軸萬向節3、電機及其動力與控制組件4和方向保持機構5，能夠實現對微小管道的打磨與拋光，所述輪轂組件1與十字軸萬向節3以花鍵配合安裝，驅動輪磨削組件2總共3組，其驅動軸208兩端通過軸承與輪轂組件1中的驅動軸支架102配合安裝，電機及其控制與動力組件4安裝在方向保持機構5上，其電機軸與十字軸萬向節3以花鍵配合安裝。如圖1所示。
本發明所述的輪轂組件1，由輪轂101、驅動軸支架102、伸縮桿103、壓力彈簧104、擋帽105和彈簧導向桿106組成，所述彈簧導向桿106與輪轂101通過螺紋連接，共有3根，分別與輪轂101的3個伸縮桿套筒10101同心；驅動軸支架102與伸縮桿103上端通過螺紋連接，安裝完成后使驅動軸支架102上圓形通孔軸線與伸縮桿103導向柱10301軸線成90°，此時，伸縮桿103導向柱10301軸線方向與輪轂中部六棱柱端面的夾角就是螺旋角；壓力彈簧104下端安裝在彈簧導向桿106上，上端與伸縮桿103下端的柱形孔洞配合；所述伸縮桿103上有導向柱10301，伸縮桿103通過導向柱10301與輪轂101中伸縮桿套筒10101上的引導槽10102相配合，引導槽10102用于改變螺旋角，配合后，由于壓力彈簧104的作用，伸縮桿103可上下移動，如圖3(b)所示，三條水平線從上到下依次表示：伸縮桿103導向柱10301在所有組件均安裝完成后能夠到達的最高位置、距離最高處距離為h處以及彈簧導向柱能夠到達的最低位置，第一與第三條線之間高度差為h0，右邊三個虛線圓表示對應高度的伸縮桿套筒10101的橫截面，實線段表示此時的導向柱10301的方向，豎直的中心線表示伸縮桿套筒10101橫截面上平行于輪轂中央六棱柱兩端面的直線，由此，導向柱10301位于最下端時，導向柱10301軸線與輪轂101中部六棱柱兩側端面夾角為α(逆時針)，導向柱10301位于最上端時，夾角為β(逆時針)，且有β>α，從最低位置到最高位置之間角度變化與高度變化為線性關系，任意距離最高位置為h處，夾角擋帽105安裝在輪轂101伸縮桿套筒10101上方；所述結構共有3組，分列在輪轂圓周上，彼此間角度為120°。輪轂組件1通過花鍵與十字軸萬向節配合安裝。如圖2、圖3(a)、圖4所示。
本發明所述的驅動輪磨削組件2，由軸架左蓋板201、軸架Ⅰ202、軸架右蓋板203、磨削輪204、從動齒輪205、從動軸Ⅰ206、主動齒輪207、驅動軸208、驅動輪209、軸架Ⅱ210、從動軸Ⅱ211、弧形彈簧Ⅰ212和弧形彈簧Ⅱ213組成，其中驅動軸208兩端通過軸承與輪轂組件1上的驅動軸支架102配合安裝，安裝后產生一個螺旋角，如圖4所示；所述驅動軸208從一端至另一端，依次與軸架Ⅰ202、主動齒輪207、軸架Ⅱ210和驅動輪209配合安裝，其中，與主動齒輪207和驅動輪209通過花鍵配合，其它通過軸承配合；所述從動軸Ⅰ206兩端穿過軸架Ⅰ202和軸架Ⅱ210背面弧形通孔，通過軸承與其內部弧形凹槽配合，所述從動軸Ⅰ206從一端至另一端，依次與磨削輪204和從動齒輪205以花鍵配合安裝，弧形彈簧Ⅰ212和弧形彈簧Ⅱ213安裝在軸架Ⅰ202內部凹槽內，所述軸架左蓋板201、軸架右蓋板203與軸架Ⅰ202配合安裝；所述軸架Ⅱ210相關配合情況與軸架Ⅰ202完全相同；所述從動軸Ⅱ211相關配合情況與從動軸Ⅰ206完全相同。如圖5，6，7，8所示。
本發明所述的方向保持組件，包含有保持輪結構和彈簧壓力調節機構，所述方向保持組件由下板501、橫軸502、三角支架503、保持輪504、支撐桿505、橫桿506、圓柱滑軌組507、圓柱滑塊組508、上板509、調節桿Ⅰ510、齒輪組蓋板511、滑塊組Ⅰ512、調節桿Ⅱ513、滑塊組Ⅱ514、彈簧組515、絲杠Ⅰ516、連接件Ⅰ517、連接塊518、連接件Ⅱ519、絲杠Ⅱ520、從動齒輪521、主動齒輪522和把手523組成，所述下板501和上板509之間安裝有圓柱滑軌組507，共有3組，每組包含2根滑軌，組成基本骨架，所述三角支架503通過轉動副安裝在下板501上；所述保持輪504以轉動副安裝在三角支架503頂端；所述橫軸502安裝在三角支架503中部通孔；所述支撐桿505一端與橫軸502轉動配合，另一端與橫桿506轉動配合；橫桿506兩端與圓柱滑塊組508配合；圓柱滑塊組508安裝在圓柱滑軌組507上；這些組件構成保持輪主要結構，共有6組，對稱分列在上板509和下板501上；所述彈簧壓力調節機構由調節桿Ⅰ510、齒輪組蓋板511、滑塊組Ⅰ512、調節桿Ⅱ513、滑塊組Ⅱ514、彈簧組515、絲杠Ⅰ516、連接件Ⅰ517、連接塊518、連接件Ⅱ519、絲杠Ⅱ520、從動齒輪521、主動齒輪522和把手523組成；所述絲杠Ⅰ516和絲杠Ⅱ520旋向相反，共同固定在連接塊518上，兩端通過軸承與上板509和下板501配合安裝；所述連接件Ⅰ517上端固定在調節桿Ⅱ513上，下端為絲杠螺母副，與絲杠Ⅰ516配合安裝；所述連接件Ⅱ519上端固定在調節桿Ⅰ510上，下端為絲杠螺母副，與絲杠Ⅱ520配合安裝；所述調節桿Ⅰ510、調節桿Ⅱ513兩端分別通過滑塊組Ⅰ512、滑塊組Ⅱ514與滑軌組507配合安裝；所述從動齒輪521與絲杠Ⅱ520以花鍵配合；所述主動齒輪522與把手523之間通過花鍵配合；所述齒輪組蓋板511安裝在上板509上；所述彈簧壓力調節機構共有3組，均勻分布在圓周上，轉動把手523，可同時對6個保持輪的彈簧壓力進行調節。轉動把手521，由于絲杠Ⅰ514、絲杠Ⅱ518旋向相反，調節桿Ⅰ510、調節桿Ⅱ512運動方向相反，同時二者運動距離相同，可使兩側保持輪組件彈簧壓力同增同減。
所述彈簧組514布置在橫桿506和調節桿Ⅱ512兩端的滑塊之間，每個彈簧壓力調節機構上有2組，整個機構上共有6組。如圖9、10所示。
一種可適應不同管徑的螺旋式管道內壁打磨與拋光機器人在單位長度管道上磨削加工長度的方法，其特征在于：當實際位置相對于伸縮桿位于最高位置的彈簧壓縮量為h時，有此時單個磨削組件的磨削長度其中，α、β分別為伸縮桿的導向柱位于最低和最高位置時驅動輪磨削組件的螺旋角，h0最低位置和最高位置的高度差，0<h<h0，s0為螺旋角為β時機器人在單位長度管道內的磨削總長度，并且，當用L0表示管道的單位長度時，機器人在單位長度管道內的磨削長度，一定程度上反映了其磨削量的大小，對于不同的材料，利用以上關系，選擇合適的α、β，可以改變螺旋角為β時管道機器人單個磨削組件在單位長度的管道上的磨削長度s0，并且，也確定了單個磨削組件在單位長度管道上磨削長度的變化范圍h0的選擇，將影響螺旋角θ隨壓縮量h變化而產生的變化量的大小，最后將影響單個磨削組件在單位長度管道上磨削量s隨h變化而產生的變化量的大小；α、β和h0三個參數可以確定彈簧壓縮量為任意高度h(0<h<h0)時每一個磨削組件在單位長度管道上的磨削長度s，從而達到控制驅動輪磨削組件在不同管徑的單位長度上達到所需的磨削量的目的。
下面具體說明輪轂引導槽各參數與單位長度管道磨削時間之間的關系推導過程：
設引導槽最下端到最上端過程中，伸縮桿103導向柱角度變化為線性變化，并且螺旋角與伸縮桿103導向柱相同，那么距離最上端為h處的螺旋角為：
其中α、β分別為伸縮桿103的導向柱位于最低和最高位置時驅動輪磨削組件2的螺旋角，h0最低位置和最高位置的高度差；
設管道長度為L，那么，當螺旋角為θ時，3個磨削組件總的磨削加工長度為：
所以，當相對于伸縮桿103最高位置，彈簧壓縮了高度h時，有：
所以，與螺旋角為β時相比，有：
即：
具體操作過程如下：根據管徑大小，轉動把手523，由于絲杠Ⅰ516和絲杠Ⅱ520旋向相反，調節桿Ⅰ510、調節桿Ⅱ513運動方向始終相反，可同時調節兩組對稱的保持輪機構固定滑塊組I512,滑塊組II514達到合適的位置，使彈簧壓力保持一個合理的預設值，保證方向保持組件5對管道內壁有足夠的壓力；選用合適尺寸的輪轂組件和驅動輪磨削組件；將機器人放入需加工的管道，啟動；管道內壁發生變化時，輪轂組件1中的壓力彈簧104和方向保持機構5中的彈簧組515將隨之產生伸縮，使機構適應管徑的變化。當實際管徑變小時，磨削輪204由于受到力的作用，將帶動從動軸Ⅰ206沿著軸架Ⅰ202和軸架Ⅱ210背面的弧形通孔移動，從動軸Ⅱ211及其上面的磨削輪將發生同樣的變化，這樣既滿足了磨削要求，又避免了打刀現象的發生。同時，由于輪轂101上引導槽10102的作用，伸縮桿103上面的導向柱10301向下移動過程中與輪轂中部六棱柱端面夾角(逆時針)減小，從而使螺旋角減小，螺旋角的減小將導致螺距的減小，這樣一來，在管徑較小的部分就可以進行更多次的磨削。反之，當管徑變大時，磨削輪204將上移，螺旋角將變大，螺距的增大可以使機器人快速從管徑較大的部分掠過，提高了工作效率。
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