一种适应不同管径的螺旋式管道内壁打磨与抛光机器人的制作方法

本发明属于管道机器人领域，特别涉及一种可适应不同管径的螺旋式管道内壁打磨与抛光机器人。

背景技术：

在人们的生活中，有各种各样的管道，如石油管道、天然气管道、自来水管道等等。在这些管道中有许多管径并不大，为其检测与维修带来诸多不便，管道机器人应运而生。

管道内壁光滑性十分重要，如果管道内表面较为粗糙，将更容易导致管道内壁沉积物的聚集，使管道有效工作面积减小甚至造成堵塞。因此，对管道内壁进行打磨抛光便十分有必要。然而，虽然现有管道机器人种类繁多，能够对管道内壁进行打磨抛光的却少之又少。同时，管道内部不同部位积攒的沉积物或者管道内部由于焊接等原因产生的各种不平整因素，变化多端，如何能采取最为简单的方法，使机器人在不同部位产生不同的加工量，对于加工效果的提升和加工效率的提高也十分重要。

管道内径发生变化时，方向保持机构的保持轮对管道内壁的压力需要在一定范围内才能保证方向保持任务的完成，使机器人正常工作。然而，管道直径多种多样，所以，若能在方向保持机构上加装弹簧弹力调节机构，针对所要加工的管径进行一个预调节，能够使机器人方向保持组件在多种管径下都可以正常工作，减少资源的不必要浪费。现有也有相关的装置，但是，各种缺点也比较明显。如“自适应直径管道机器人行走装置”(申请号：201310651593.3)，能够实现对管道直径的适应，并且其自动化程度比较高，但是由于需要加装额外的驱动电机及控制系统，导致其内部并没有剩余空间，与机器人其它部分组装时，会造成体积过大的现象，会造成不利于机构转弯等不良现象，使其应用遇到诸多限制。

技术实现要素：

本发明提供一种适应不同管径的螺旋式管道内壁打磨与抛光机器人，以解决存在的体积过大、不利于机构转弯、应用遇到诸多限制的问题。

本发明采取的技术方案是：包括轮毂组件、驱动轮磨削组件、十字轴万向节、电机及其动力与控制组件和方向保持机构，所述轮毂组件与十字轴万向节以花键配合安装，所述驱动轮磨削组件共3组，其驱动轴两端通过轴承与轮毂组件中的驱动轴支架配合安装，电机及其控制与动力组件安装在方向保持机构上，其电机轴与十字轴万向节以花键配合安装。

本发明所述轮毂组件由轮毂、驱动轴支架、伸缩杆、压力弹簧、挡帽和弹簧导向杆组成，所述弹簧导向杆与轮毂通过螺纹连接，共有3根，分别与轮毂上的3个伸缩杆导向筒同心；所述压力弹簧下端安装在弹簧导向杆上，上端与伸缩杆下端的柱形孔洞配合；所述伸缩杆上有导向柱，伸缩杆通过导向柱与轮毂中伸缩杆套筒上的引导槽相配合，配合后，由于压力弹簧的作用，伸缩杆可上下移动，导向柱位于最下端时，导向柱轴线与轮毂中部六棱柱两侧端面夹角为α，导向柱位于最上端时，夹角为β，且有β>α，最低位置和最高位置之间高度差为h₀，从最低位置到最高位置之间角度变化与高度变化为线性关系，中间距离最高位置为h处，夹角挡帽安装在轮毂伸缩杆套筒上方；驱动轴支架与伸缩杆上端通过螺纹连接,安装完成后驱动轴支架上圆形通孔轴线与伸缩杆导向柱轴线成90°；所述结构共有3组，分列在轮毂圆周上，彼此间角度为120°；轮毂组件通过花键与十字轴万向节配合安装。

本发明所述驱动轮磨削组件由轴架左盖板、轴架Ⅰ、轴架右盖板、磨削轮、从动齿轮、从动轴Ⅰ、主动齿轮、驱动轴、驱动轮、轴架Ⅱ、从动轴Ⅱ、弧形弹簧Ⅰ和弧形弹簧Ⅱ组成，其中驱动轴两端通过轴承与轮毂组件上的驱动轴支架配合安装；驱动轴从一端至另一端，依次与轴架Ⅰ、主动齿轮、轴架Ⅱ和驱动轮配合安装，其中，与主动齿轮和驱动轮通过花键连接，其它通过轴承连接；所述从动轴Ⅰ两端穿过轴架Ⅰ和轴架Ⅱ背面弧形通孔，通过轴承与其内部弧形凹槽配合；所述从动轴Ⅰ从一端至另一端，依次与磨削轮和从动齿轮以花键配合安装，弧形弹簧Ⅰ和弧形弹簧Ⅱ安装在轴架Ⅰ内部凹槽内，所述轴架左盖板、轴架右盖板与轴架Ⅰ配合安装；所述轴架Ⅱ相关配合情况与轴架Ⅰ完全相同；所述从动轴Ⅱ相关配合情况与从动轴Ⅰ完全相同。

本发明包含有保持轮结构和弹簧压力调节机构，所述方向保持组件由下板、横轴、三角支架、保持轮、支撑杆、横杆、圆柱滑轨组、圆柱滑块组、上板、调节杆Ⅰ、齿轮组盖板、滑块组Ⅰ、调节杆Ⅱ、滑块组Ⅱ、弹簧组、丝杠Ⅰ、连接件Ⅰ、连接块、连接件Ⅱ、丝杠Ⅱ、从动齿轮、主动齿轮和把手组成，所述下板和上板之间安装有圆柱滑轨组，共有3组，每组包含2根滑轨，组成基本骨架，所述三角支架通过转动副安装在下板上；所述保持轮以转动副安装在三角支架顶端；所述横轴安装在三角支架中部通孔；所述支撑杆一端与横轴转动配合，另一端与横杆转动配合；横杆两端与圆柱滑块组配合；圆柱滑块组安装在圆柱滑轨组上；这些组件构成保持轮主要结构，共有6组，对称分列在上板和下板上；所述弹簧压力调节机构由调节杆Ⅰ、齿轮组盖板、滑块组Ⅰ、调节杆Ⅱ、滑块组Ⅱ、弹簧组、丝杠Ⅰ、连接件Ⅰ、连接块、连接件Ⅱ、丝杠Ⅱ、从动齿轮、主动齿轮和把手组成；所述丝杠Ⅰ和丝杠Ⅱ旋向相反，共同固定在连接块上，两端通过轴承与上板和下板配合安装；所述连接件Ⅰ上端固定在调节杆Ⅱ上，下端为丝杠螺母副，与丝杠Ⅰ配合安装；所述连接件Ⅱ上端固定在调节杆Ⅰ上，下端为丝杠螺母副，与丝杠Ⅱ配合安装；所述调节杆Ⅰ、调节杆Ⅱ两端分别通过滑块组Ⅰ、滑块组Ⅱ与滑轨组配合安装；所述从动齿轮与丝杠Ⅱ以花键配合；所述主动齿轮与把手之间通过花键配合；所述齿轮组盖板安装在上板上；所述弹簧压力调节机构共有3组，均匀分布在圆周上，所述弹簧组布置在横杆和调节杆Ⅱ两端的滑块之间，每个弹簧压力调节机构上有2组，整个机构上共有6组。

一种可适应不同管径的螺旋式管道内壁打磨与抛光机器人在单位长度管道上磨削加工长度的方法，其特征在于：当实际位置相对于伸缩杆位于最高位置的弹簧压缩量为h时，有此时单个磨削组件的磨削长度其中，α、β分别为伸缩杆的导向柱位于最低和最高位置时驱动轮磨削组件的螺旋角，h₀最低位置和最高位置的高度差，0<h<h₀，s₀为螺旋角为β时机器人在单位长度管道内的磨削总长度；并且，当用L₀表示管道的单位长度时，机器人在单位长度管道内的磨削长度，一定程度上反映了其磨削量的大小，对于不同的材料，利用以上关系，选择合适的α、β，可以改变螺旋角为β时管道机器人单个磨削组件在单位长度的管道上的磨削长度s₀，并且，也确定了单个磨削组件在单位长度管道上磨削长度的变化范围h₀的选择，将影响螺旋角θ随压缩量h变化而产生的变化量的大小，最后将影响单个磨削组件在单位长度管道上磨削量s随h变化而产生的变化量的大小；α、β和h₀三个参数可以确定弹簧压缩量为任意高度h(0<h<h₀)时每一个磨削组件在单位长度管道上的磨削长度s，从而达到控制驱动轮磨削组件在不同管径的单位长度上达到所需的磨削量的目的。

本发明所述的螺旋式管道内壁打磨与抛光机器人能够根据管径的变化，自适应地调节磨削组件相对于管件横截面的螺旋角，从而达到管径细、杂质多的地方多磨削，管径大、杂质少的地方少磨削的目的；而且，得出了轮毂中引导槽各参数选取与机器人对单位长度管道磨削加工长度的关系，可以为针对不同使用环境的磨削机器人的制造提供一定的指导意义。同时，本发明中方向保持组件包含有手动调节机构，可手动调节固定滑块的位置，使弹簧能够提供一个合适的压力，从而使方向保持组件能够适应更多种管径，可与多种不同尺寸的磨削组件搭配使用，达到一件多用的目的，可在一定程度上节约成本。

本发明的优点是：将螺旋驱动轮与磨削组件结合在一起，可实现对微小管道内壁的打磨与抛光；磨削轮与驱动轮相对位置不固定，当管径变化时，磨削轮可以带动从动轴在轴架的弧形孔中沿弧线移动，柔性的设计既保证了磨削正常进行，又避免了打刀现象的发生；轮毂组件与驱动轮磨削组件配合，当弹簧伸长时，组件螺旋角变大，当弹簧变短时，组件螺旋角变小，使对管径较小处的打磨更加充分，同时又可快速掠过管径较大出，提高了工作效率；轮毂引导槽各参数与单位长度管道磨削长度之间关系的确定，为针对不同管道情况制造最为合适的管道机器人提供了可能；方向保持组件加装了弹簧力控制机构，可通过简单操作将弹簧的固定挡块调至预设位置，使方向保持机构能够对不同管径都有足够的支撑力，仅需配做合适的轮毂组件和驱动轮磨削组件，实现了一件多用；加装弹簧力控制机构后，方向保持组件内部仍有足够的空间，可用于安装电机等，结构紧凑。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2(a)是本发明轮毂组件主要结构示意图；

图2(b)是图2(a)的I部放大图；

图3(a)本发明是轮毂组件中轮毂导向槽与伸缩杆导向柱局部放大图；

图3(b)是本发明轮毂引导槽中心线与六棱柱两端面夹角变化示意图；

图4是本发明轮毂组件与驱动轮磨削组件安装螺旋角示意图

图5是本发明驱动轮磨削组件结构示意图；

图6是本发明驱动轮磨削组件轴架等轴测视图；

图7是本发明驱动轮磨削组件轴架内部安装示意图；

图8是本发明驱动轮磨削组件从动齿轮轴处剖视图；

图9是本发明保持机构主要结构示意图；

图10是本发明弹簧压力调节机构示意图；

其中：轮毂组件1，驱动轮磨削组件2，十字轴万向节3，电机及其动力与控制组件4，方向保持机构5，轮毂101，伸缩杆套筒10101，引导槽10102，驱动轴支架102，伸缩杆103，伸缩杆导向柱10301，压力弹簧104，挡帽105，弹簧导向杆106，轴架左盖板201，轴架Ⅰ202，轴架右盖板203，磨削轮204，从动齿轮205，从动轴Ⅰ206，主动齿轮207，驱动轴208，驱动轮209，轴架Ⅱ210，从动轴Ⅱ211，弧形弹簧Ⅰ212，弧形弹簧Ⅱ213，下板501，横轴502，三角支架503，保持轮504，支撑杆505，横杆506，圆柱滑轨组507，圆柱滑块组508，上板509，调节杆Ⅰ510，齿轮组盖板511，滑块组Ⅰ512，调节杆Ⅱ513，滑块组Ⅱ514，弹簧组515，丝杠Ⅰ516，连接件Ⅰ517，连接块518，连接件Ⅱ519，丝杠Ⅱ520，从动齿轮521，主动齿轮522，把手523。

具体实施方式

本发明一种可适应不同管径的螺旋式管道内壁打磨与抛光机器人，包括轮毂组件1、驱动轮磨削组件2、十字轴万向节3、电机及其动力与控制组件4和方向保持机构5，能够实现对微小管道的打磨与抛光，所述轮毂组件1与十字轴万向节3以花键配合安装，驱动轮磨削组件2总共3组，其驱动轴208两端通过轴承与轮毂组件1中的驱动轴支架102配合安装，电机及其控制与动力组件4安装在方向保持机构5上，其电机轴与十字轴万向节3以花键配合安装。如图1所示。

本发明所述的轮毂组件1，由轮毂101、驱动轴支架102、伸缩杆103、压力弹簧104、挡帽105和弹簧导向杆106组成，所述弹簧导向杆106与轮毂101通过螺纹连接，共有3根，分别与轮毂101的3个伸缩杆套筒10101同心；驱动轴支架102与伸缩杆103上端通过螺纹连接，安装完成后使驱动轴支架102上圆形通孔轴线与伸缩杆103导向柱10301轴线成90°，此时，伸缩杆103导向柱10301轴线方向与轮毂中部六棱柱端面的夹角就是螺旋角；压力弹簧104下端安装在弹簧导向杆106上，上端与伸缩杆103下端的柱形孔洞配合；所述伸缩杆103上有导向柱10301，伸缩杆103通过导向柱10301与轮毂101中伸缩杆套筒10101上的引导槽10102相配合，引导槽10102用于改变螺旋角，配合后，由于压力弹簧104的作用，伸缩杆103可上下移动，如图3(b)所示，三条水平线从上到下依次表示：伸缩杆103导向柱10301在所有组件均安装完成后能够到达的最高位置、距离最高处距离为h处以及弹簧导向柱能够到达的最低位置，第一与第三条线之间高度差为h₀，右边三个虚线圆表示对应高度的伸缩杆套筒10101的横截面，实线段表示此时的导向柱10301的方向，竖直的中心线表示伸缩杆套筒10101横截面上平行于轮毂中央六棱柱两端面的直线，由此，导向柱10301位于最下端时，导向柱10301轴线与轮毂101中部六棱柱两侧端面夹角为α(逆时针)，导向柱10301位于最上端时，夹角为β(逆时针)，且有β>α，从最低位置到最高位置之间角度变化与高度变化为线性关系，任意距离最高位置为h处，夹角挡帽105安装在轮毂101伸缩杆套筒10101上方；所述结构共有3组，分列在轮毂圆周上，彼此间角度为120°。轮毂组件1通过花键与十字轴万向节配合安装。如图2、图3(a)、图4所示。

本发明所述的驱动轮磨削组件2，由轴架左盖板201、轴架Ⅰ202、轴架右盖板203、磨削轮204、从动齿轮205、从动轴Ⅰ206、主动齿轮207、驱动轴208、驱动轮209、轴架Ⅱ210、从动轴Ⅱ211、弧形弹簧Ⅰ212和弧形弹簧Ⅱ213组成，其中驱动轴208两端通过轴承与轮毂组件1上的驱动轴支架102配合安装，安装后产生一个螺旋角，如图4所示；所述驱动轴208从一端至另一端，依次与轴架Ⅰ202、主动齿轮207、轴架Ⅱ210和驱动轮209配合安装，其中，与主动齿轮207和驱动轮209通过花键配合，其它通过轴承配合；所述从动轴Ⅰ206两端穿过轴架Ⅰ202和轴架Ⅱ210背面弧形通孔，通过轴承与其内部弧形凹槽配合，所述从动轴Ⅰ206从一端至另一端，依次与磨削轮204和从动齿轮205以花键配合安装，弧形弹簧Ⅰ212和弧形弹簧Ⅱ213安装在轴架Ⅰ202内部凹槽内，所述轴架左盖板201、轴架右盖板203与轴架Ⅰ202配合安装；所述轴架Ⅱ210相关配合情况与轴架Ⅰ202完全相同；所述从动轴Ⅱ211相关配合情况与从动轴Ⅰ206完全相同。如图5，6，7，8所示。

本发明所述的方向保持组件，包含有保持轮结构和弹簧压力调节机构，所述方向保持组件由下板501、横轴502、三角支架503、保持轮504、支撑杆505、横杆506、圆柱滑轨组507、圆柱滑块组508、上板509、调节杆Ⅰ510、齿轮组盖板511、滑块组Ⅰ512、调节杆Ⅱ513、滑块组Ⅱ514、弹簧组515、丝杠Ⅰ516、连接件Ⅰ517、连接块518、连接件Ⅱ519、丝杠Ⅱ520、从动齿轮521、主动齿轮522和把手523组成，所述下板501和上板509之间安装有圆柱滑轨组507，共有3组，每组包含2根滑轨，组成基本骨架，所述三角支架503通过转动副安装在下板501上；所述保持轮504以转动副安装在三角支架503顶端；所述横轴502安装在三角支架503中部通孔；所述支撑杆505一端与横轴502转动配合，另一端与横杆506转动配合；横杆506两端与圆柱滑块组508配合；圆柱滑块组508安装在圆柱滑轨组507上；这些组件构成保持轮主要结构，共有6组，对称分列在上板509和下板501上；所述弹簧压力调节机构由调节杆Ⅰ510、齿轮组盖板511、滑块组Ⅰ512、调节杆Ⅱ513、滑块组Ⅱ514、弹簧组515、丝杠Ⅰ516、连接件Ⅰ517、连接块518、连接件Ⅱ519、丝杠Ⅱ520、从动齿轮521、主动齿轮522和把手523组成；所述丝杠Ⅰ516和丝杠Ⅱ520旋向相反，共同固定在连接块518上，两端通过轴承与上板509和下板501配合安装；所述连接件Ⅰ517上端固定在调节杆Ⅱ513上，下端为丝杠螺母副，与丝杠Ⅰ516配合安装；所述连接件Ⅱ519上端固定在调节杆Ⅰ510上，下端为丝杠螺母副，与丝杠Ⅱ520配合安装；所述调节杆Ⅰ510、调节杆Ⅱ513两端分别通过滑块组Ⅰ512、滑块组Ⅱ514与滑轨组507配合安装；所述从动齿轮521与丝杠Ⅱ520以花键配合；所述主动齿轮522与把手523之间通过花键配合；所述齿轮组盖板511安装在上板509上；所述弹簧压力调节机构共有3组，均匀分布在圆周上，转动把手523，可同时对6个保持轮的弹簧压力进行调节。转动把手521，由于丝杠Ⅰ514、丝杠Ⅱ518旋向相反，调节杆Ⅰ510、调节杆Ⅱ512运动方向相反，同时二者运动距离相同，可使两侧保持轮组件弹簧压力同增同减。

所述弹簧组514布置在横杆506和调节杆Ⅱ512两端的滑块之间，每个弹簧压力调节机构上有2组，整个机构上共有6组。如图9、10所示。

一种可适应不同管径的螺旋式管道内壁打磨与抛光机器人在单位长度管道上磨削加工长度的方法，其特征在于：当实际位置相对于伸缩杆位于最高位置的弹簧压缩量为h时，有此时单个磨削组件的磨削长度其中，α、β分别为伸缩杆的导向柱位于最低和最高位置时驱动轮磨削组件的螺旋角，h₀最低位置和最高位置的高度差，0<h<h₀，s₀为螺旋角为β时机器人在单位长度管道内的磨削总长度，并且，当用L₀表示管道的单位长度时，机器人在单位长度管道内的磨削长度，一定程度上反映了其磨削量的大小，对于不同的材料，利用以上关系，选择合适的α、β，可以改变螺旋角为β时管道机器人单个磨削组件在单位长度的管道上的磨削长度s₀，并且，也确定了单个磨削组件在单位长度管道上磨削长度的变化范围h₀的选择，将影响螺旋角θ随压缩量h变化而产生的变化量的大小，最后将影响单个磨削组件在单位长度管道上磨削量s随h变化而产生的变化量的大小；α、β和h₀三个参数可以确定弹簧压缩量为任意高度h(0<h<h₀)时每一个磨削组件在单位长度管道上的磨削长度s，从而达到控制驱动轮磨削组件在不同管径的单位长度上达到所需的磨削量的目的。

下面具体说明轮毂引导槽各参数与单位长度管道磨削时间之间的关系推导过程：

设引导槽最下端到最上端过程中，伸缩杆103导向柱角度变化为线性变化，并且螺旋角与伸缩杆103导向柱相同，那么距离最上端为h处的螺旋角为：

$\mathrm{\&theta;}=\mathrm{\&beta;}-\frac{\mathrm{\&beta;}-\mathrm{\&alpha;}}{h_0}\&CenterDot;h$

其中α、β分别为伸缩杆103的导向柱位于最低和最高位置时驱动轮磨削组件2的螺旋角，h₀最低位置和最高位置的高度差；

设管道长度为L，那么，当螺旋角为θ时，3个磨削组件总的磨削加工长度为：

所以，当相对于伸缩杆103最高位置，弹簧压缩了高度h时，有：

$s=\frac{3L}{sin(\mathrm{\&beta;}-\frac{\mathrm{\&beta;}-\mathrm{\&alpha;}}{h_0}\&CenterDot;h)}$

所以，与螺旋角为β时相比，有：

$\frac{s}{s_0}=\frac{sin\mathrm{\&beta;}}{sin(\mathrm{\&beta;}-\frac{\mathrm{\&beta;}-\mathrm{\&alpha;}}{h_0}\&CenterDot;h)}$

即：

$s=\frac{sin\mathrm{\&beta;}}{sin(\mathrm{\&beta;}-\frac{\mathrm{\&beta;}-\mathrm{\&alpha;}}{h_0}\&CenterDot;h)}\&CenterDot;s_0$

具体操作过程如下：根据管径大小，转动把手523，由于丝杠Ⅰ516和丝杠Ⅱ520旋向相反，调节杆Ⅰ510、调节杆Ⅱ513运动方向始终相反，可同时调节两组对称的保持轮机构固定滑块组I512,滑块组II514达到合适的位置，使弹簧压力保持一个合理的预设值，保证方向保持组件5对管道内壁有足够的压力；选用合适尺寸的轮毂组件和驱动轮磨削组件；将机器人放入需加工的管道，启动；管道内壁发生变化时，轮毂组件1中的压力弹簧104和方向保持机构5中的弹簧组515将随之产生伸缩，使机构适应管径的变化。当实际管径变小时，磨削轮204由于受到力的作用，将带动从动轴Ⅰ206沿着轴架Ⅰ202和轴架Ⅱ210背面的弧形通孔移动，从动轴Ⅱ211及其上面的磨削轮将发生同样的变化，这样既满足了磨削要求，又避免了打刀现象的发生。同时，由于轮毂101上引导槽10102的作用，伸缩杆103上面的导向柱10301向下移动过程中与轮毂中部六棱柱端面夹角(逆时针)减小，从而使螺旋角减小，螺旋角的减小将导致螺距的减小，这样一来，在管径较小的部分就可以进行更多次的磨削。反之，当管径变大时，磨削轮204将上移，螺旋角将变大，螺距的增大可以使机器人快速从管径较大的部分掠过，提高了工作效率。