隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴重，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。文獻檢索的結(jié)果表明，國內(nèi)外管道機器人多用于核反應(yīng)堆管道和油氣輸送管道的檢測、補口等工作，而排水管道清淤機器人的研究尚屬空白。鑒于這種情況，我們進行了排水管道清淤機器人的研究，并在Pro/Engineer平臺上進行了清淤機器人虛擬樣機設(shè)計。

　　一、排水管道清淤機器人設(shè)計方案

　　排水管道清淤機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、管道清淤機器人虛擬樣機設(shè)計

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

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

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

圖1 管道清淤機器人虛擬樣機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2.2 利用Pro/e實現(xiàn)管道清淤機器人虛擬樣機設(shè)計

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

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

　　1. 新建零件文件

　　（1）新建零件文件：“bevelgear”。

　?。?）取消選中【使用缺省模板】復(fù)選項，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 實數(shù) 3 模數(shù)

　　Z 實數(shù) 25 本齒輪齒數(shù)

　　ZASM 實數(shù) 45 與之嚙合的齒輪齒數(shù)

　　ALPHA 實數(shù) 20 壓力角

　　B 實數(shù) 20 齒寬

　　HAX 實數(shù) 1 齒頂高系數(shù)

　　CX 實數(shù) 0.25 頂隙系數(shù)

　　HA 實數(shù) 0 齒頂高

　　HF 實數(shù) 0 齒根高

　　H 實數(shù) 0 齒全高

　　DELTA 實數(shù) 0 分錐角

　　DELTA-A 實數(shù) 0 頂錐角

　　DELTA-B 實數(shù) 0 基錐角

　　DELTA-F 實數(shù) 0 根錐角

　　D 實數(shù) 0 分度圓直徑

　　DB 實數(shù) 0 基圓直徑

　　DA 實數(shù) 0 齒頂圓直徑

　　DF 實數(shù) 0 齒根圓直徑

　　HB 實數(shù) 0 齒基高

　　RX 實數(shù) 0 錐距

　　THETA-A 實數(shù) 0 齒頂角

　　THETA-B 實數(shù) 0 齒基角

　　THETA-F 實數(shù) 0 齒根角

　　BA 實數(shù) 0 齒頂寬

　　BB 實數(shù) 0 齒基寬

　　BF 實數(shù) 0 齒根寬

　　X 實數(shù) 0 變位修正系數(shù)

　?。?）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)

　?。?）選擇主菜單中的【編輯】－【再生】選項，計算【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

　?。?）將基準平面TOP向右平移67.5后創(chuàng)建基準平面DTM1。

　?。?）在工作區(qū)中單擊并選中基準平面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))”。

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

　?。?）創(chuàng)建通過基準軸A-1和基準平面DTM1交點的基準點PNT0。

　?。?）在右工具箱中單擊【草繪基準曲線】圖標，打開【草繪的基準曲線】對話框。選擇FRONT作為草繪平面，進入草繪模式。

　?。?）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

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

　?。?）創(chuàng)建基準點PNT1。創(chuàng)建經(jīng)過曲線1和曲線2交點的基準點PNT1。

　?。?）在右工具箱中單擊【草繪基準曲線】圖標，選取基準平面DTM2作為草繪平面，進入二維草繪模式。

　?。?）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。

　?。?）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。

　?。?）選擇主菜單中的【編輯】－【再生】選項，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

　?。?）創(chuàng)建過曲線2和曲線3交點的基準點PNT2。

　　（2）在右工具箱中單擊【草繪基準曲線】圖標，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。

　?。?）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，再生個齒輪基本圓尺寸，最后生成標準齒輪基本圓。

　　6. 創(chuàng)建大端齒輪漸開線

　?。?）創(chuàng)建坐標系CS0。

　　在右工具箱單擊【草繪基準曲線】按鈕，打開坐標系對話框，選擇基準點PNT1作為坐標系的放置參照。在【坐標系】對話框中打開【定向】選項卡，選擇曲線4作為Y軸的正向，選擇曲線5作為X軸的正向，生成坐標系CS0。

　　（2）創(chuàng)建坐標系CS1。 

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

　?。?）將坐標系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”。

　?。?）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)建坐標系CS2。

　　選擇PNT2作為坐標系的放置參照，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)建坐標系CS2。

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

　?。?）選擇坐標系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”.

　?。?）打開【曲線：從方程】對話框，選擇坐標系CS3和【笛卡兒】選項。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的交點的基準點PNT3。

　?。?）創(chuàng)建通過基準點PNT1,且垂直與基準平面DTM2的基準軸A-2。

　　（3）創(chuàng)建通過基準軸A-2和基準點PNT3的基準平面DTM4。

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

　?。?）將基準平面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)”。

　?。?）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

　?。?）在主菜單中選擇【插入】－【掃描混合】－【伸出項】選項，打開【菜單管理器】，在【混合選項】菜單中選取【草繪截面】、【垂直于原始軌跡】和【完成】選項。在【掃描軌跡】菜單中選擇【草繪軌跡】選項。選取基準平面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”。

　?。?）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”。

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

　?。?）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

　?。?）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。

　?。?）使用陣列方法陣列輪齒，陣列特征總數(shù)為24。

　?。?）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”。

　?。?）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

　?。?）在右工具箱中單擊【旋轉(zhuǎn)】按鈕，打開設(shè)計圖標板。選擇基準平面FRONT作為草繪平面，接受系統(tǒng)缺省參數(shù)放置草繪平面，進入二維草繪模式。

　?。?）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)。

　?。?）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，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，按照修改后的參數(shù)再生模型。最后生成模型如圖2所示。

圖2 圓錐齒輪

　　三、結(jié)論

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