管道檢測(cè)機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)

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1、 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 35 頁(yè) 共 35 頁(yè) 1 引言 管道運(yùn)輸是當(dāng)今五大運(yùn)輸方式之一，已成為油氣能源運(yùn)輸工具。目前，世界上石油天然氣管道總長(zhǎng)約200萬(wàn)km，我國(guó)長(zhǎng)距離輸送管道總長(zhǎng)度約2萬(wàn)km。國(guó)家重點(diǎn)工程“西氣東輸”工程，主干線管道(管徑1118mm)全長(zhǎng)4167km，其主管道投資384億元，主管線和城市管網(wǎng)投資將突破1000億元。 世界上約有50%的長(zhǎng)距離運(yùn)輸管道要使用幾十年、甚至上百年時(shí)間，這些管道大都埋在地下、海底。由于內(nèi)外介質(zhì)的腐蝕、重壓、地形沉降、塌陷等原因，管道不可避免地會(huì)出現(xiàn)損傷。在世界管道運(yùn)輸史上，由于管道泄漏而發(fā)生的惡性事故觸目驚心。據(jù)不

2、完全統(tǒng)計(jì)，截至1990年，國(guó)內(nèi)輸油管道共發(fā)生大小事故628次。1986到2b00年期間美國(guó)天然氣管道發(fā)生事故1184起，造成55人死亡、210人受傷，損失約2. 5億美元。因此，研究管道無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化技術(shù)，提高檢測(cè)的可靠性和自動(dòng)化程度，加強(qiáng)在建和在役運(yùn)輸管道的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，對(duì)提高管線運(yùn)輸?shù)陌踩跃哂兄匾饬x。 1.1管道涂層檢測(cè)裝置的發(fā)展、現(xiàn)狀和前景 1.1.1管道涂層檢測(cè)裝置的發(fā)展 管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人是一種可沿管道自動(dòng)行走,攜有一種或多種傳感器件和作業(yè)機(jī)構(gòu),在遙控操縱或計(jì)算機(jī)控制下能在極其惡劣的環(huán)境中進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)電儀一體化系統(tǒng).對(duì)較長(zhǎng)距離管道的直接檢測(cè)、清理技術(shù)的研究始于本世紀(jì)50

3、年代美、英、法、德、日等國(guó),受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平的限制,主要成果是無(wú)動(dòng)力的管內(nèi)檢測(cè)清理設(shè)備——PIG,此類(lèi)設(shè)備依靠首尾兩端管內(nèi)流體的壓力差產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力,隨著管內(nèi)流體的流動(dòng)向前移動(dòng),并可攜帶多種傳感器.由于PIG本身沒(méi)有行走能力,其移動(dòng)速度、檢測(cè)區(qū)域均不易控制,所以不能算作管內(nèi)機(jī)器人.圖1所示為一種典型的管內(nèi)檢測(cè)PIG[5]. 這種PIG的兩端各安裝一個(gè)聚氨脂密封碗,后部密封碗內(nèi)側(cè)環(huán)向排列的傘狀探頭與管壁相接觸,測(cè)量半徑方面的變形,并與行走距離儀的旋轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng),以便使裝在PIG內(nèi)部的記錄儀記錄數(shù)據(jù).它具有沿管線全程測(cè)量?jī)?nèi)徑,識(shí)別彎頭部位,測(cè)量凹陷等變形部位及管圓度的功能,并可以把測(cè)量結(jié)果和檢測(cè)位置一起記錄

4、下來(lái). 70年代以來(lái),石油、化工、天然氣及核工業(yè)的發(fā)展為管道機(jī)器人的應(yīng)用提供了廣闊而誘人的前景,而機(jī)器人學(xué)、計(jì)算機(jī)、傳感器等理論和技術(shù)的發(fā)展,也為管內(nèi)和管外自主移動(dòng)機(jī)器人的研究和應(yīng)用提供了技術(shù)保證.日、美、英、法、德等國(guó)在此方面做了大量研究工作,其中日本從事管道機(jī)器人研究的人員最多,成果也最多。 圖1管內(nèi)檢測(cè)典型PIG樣機(jī) 在已實(shí)現(xiàn)的管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人中,按照其行動(dòng)方式可分為輪式、履帶式、振式、蠕動(dòng)式等幾類(lèi)： (1) 輪式管內(nèi)機(jī)器人 由于輪式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),行走效率高等特

5、點(diǎn),對(duì)此類(lèi)機(jī)器人的研究比較多.機(jī)器人在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng),有直進(jìn)式的(即機(jī)器人在管內(nèi)平動(dòng))也有螺旋運(yùn)動(dòng)式的(即機(jī)器人在管內(nèi)一邊向前運(yùn)動(dòng),一邊繞管道軸線轉(zhuǎn)動(dòng));輪的布置有平面的,也有空間的.一般認(rèn)為,平面結(jié)構(gòu)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,動(dòng)作靈活,但剛性、穩(wěn)定性較差,而空間多輪支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)器人穩(wěn)定性、剛性較好,但對(duì)彎管和支岔管的通過(guò)性不佳.輪式載體的主要缺點(diǎn)是牽引力的提高受到封閉力的限制.圖2所示為日本的M.Miura等研制的輪式螺旋推進(jìn)管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人。 (2) 履帶式管內(nèi)機(jī)器人 履帶式載體附著性能好,越障能力強(qiáng),并能輸出較大的牽引力.為使管內(nèi)機(jī)器人在油污、泥濘、障礙等惡劣條件下達(dá)到良好的行走狀態(tài),人們又研制了

6、履帶式管內(nèi)機(jī)器人.但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不易小型化,轉(zhuǎn)向性能不如輪式載體等原因,此類(lèi)機(jī)器人應(yīng)用較少.圖2所示為日本學(xué)者佐佐木利夫等研制的履帶式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人[13],其驅(qū)動(dòng)輪可變角度以適應(yīng)管徑的變化,可通過(guò)圓弧過(guò)渡的90度彎管. 圖2輪式螺旋推進(jìn)管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖 圖3 輪式螺旋推進(jìn)管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖 (3) 振動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人 振動(dòng)可以使物體的位置改變,根據(jù)這一原理,日本學(xué)者森光武則等提出了的振動(dòng)式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人。其原理為:在機(jī)器人的外表面裝有若干與機(jī)體成一定角度的彈性針,靠彈性針的變形使其壓緊在管壁上.機(jī)身內(nèi)裝有偏心重物,由電機(jī)驅(qū)動(dòng).當(dāng)偏心重物

7、旋轉(zhuǎn)時(shí),離心力使彈性針變形,滑動(dòng),從而帶動(dòng)機(jī)器人移動(dòng).振動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易小型化,但行走速度難以控制,而且振動(dòng)使機(jī)器人沿圓周方向自轉(zhuǎn),姿態(tài)不穩(wěn)定,另外,振動(dòng)對(duì)傳感器的工作和壽命均會(huì)產(chǎn)生影響. (4) 蠕動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人 參考蚯蚓、毛蟲(chóng)等動(dòng)物的運(yùn)動(dòng),人們研制了蠕動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人。其運(yùn)動(dòng)是通過(guò)身體的伸縮(蠕動(dòng))實(shí)現(xiàn)的:首先,尾部支承,身體伸長(zhǎng)帶動(dòng)頭部向前運(yùn)動(dòng),然后,頭部支承,身體收縮帶動(dòng)尾部向前運(yùn)動(dòng),如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走.圖3所示為日本日歷制作所研制的蠕動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人,其前后兩部分各有8條氣缸驅(qū)動(dòng)的可伸縮支撐足,中部有一氣缸作為蠕動(dòng)源。 國(guó)內(nèi)在管道機(jī)器人方面的研究起步較晚，而且多數(shù)停

8、留在實(shí)驗(yàn)室階段。哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全教授在國(guó)家863”計(jì)劃課題“X射線檢測(cè)實(shí)時(shí)成像管道機(jī)器人的研制”的支持下，開(kāi)展了輪式行走方式的管道機(jī)器人研制，如圖3所示。該機(jī)器人具有以下特點(diǎn): (1)適應(yīng)大管徑(大于或等于900mm)的管道焊縫X射線檢測(cè)。(2)一次作業(yè)距離長(zhǎng),可達(dá)2km。(3)焊縫尋址定位精度高為5mm。(4)檢測(cè)工效高,每道焊縫(900mm為例)檢測(cè)時(shí)間不大于3min;實(shí)現(xiàn)了管內(nèi)外機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)作業(yè)無(wú)纜操作技術(shù), 并研制了鏈?zhǔn)胶弯搸絻煞N新型管外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),課題研究成果主要用于大口徑管道的自動(dòng)化無(wú)損檢測(cè)[8]。上海大學(xué)研制了“細(xì)小工業(yè)管道機(jī)器人移動(dòng)探測(cè)器集成系統(tǒng)”。其主要包含20mm內(nèi)徑的

9、垂直排列工業(yè)管道中的機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制技術(shù)(包括螺旋輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)、行星輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)和壓電片驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)等)、機(jī)器人管內(nèi)位置檢測(cè)技術(shù)、渦流檢測(cè)和視頻檢測(cè)應(yīng)用技術(shù),在此基礎(chǔ)上構(gòu)成管內(nèi)自動(dòng)探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)20mm管道內(nèi)裂紋和缺陷的移動(dòng)探測(cè)[9]。 圖4 蠕動(dòng)式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人 1.1.2測(cè)量方法的研究進(jìn)展 按有無(wú)破壞性,表面涂鍍層厚度測(cè)試方法可分為有損檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)。有損檢測(cè)方法主要有計(jì)時(shí)液流測(cè)厚法、溶解法、電解測(cè)厚法等,這種方法一般比較繁瑣,主要用于實(shí)驗(yàn)室。目前也有便攜式測(cè)厚儀,適

10、合在現(xiàn)場(chǎng)使用。常用的無(wú)損檢測(cè)方法有庫(kù)侖-電荷法、磁性測(cè)厚法、渦流測(cè)厚法、超聲波測(cè)厚法和放射測(cè)厚法等，各種無(wú)損測(cè)厚法均有成型的儀器設(shè)備,使用起來(lái)方便簡(jiǎn)單,且無(wú)需對(duì)表面涂鍍層進(jìn)行破壞[1] 。因此,該類(lèi)方法在管道涂層的測(cè)量中已得到了廣泛的應(yīng)用。 常用的無(wú)損涂層測(cè)量方法有磁性測(cè)厚﹑電渦流測(cè)厚﹑磁性/渦流測(cè)厚﹑超聲波測(cè)厚等 （1）磁性測(cè)厚 磁性測(cè)厚法可分為2 種:磁吸力測(cè)厚法和磁感應(yīng)測(cè)厚法。磁吸力測(cè)厚法的測(cè)厚原理: 永久磁鐵(測(cè)頭)與導(dǎo)磁鋼材之間的吸力大小與處于這兩者之間的距離成一定比例關(guān)系,這個(gè)距離就是覆層的厚度。利用這一原理制成測(cè)厚儀,只要覆層與基材的導(dǎo)磁率之差足夠大,就可進(jìn)行測(cè)量。測(cè)厚儀

11、基本結(jié)構(gòu)由磁鋼、接力簧、標(biāo)尺及自停機(jī)構(gòu)組成。磁鋼與被測(cè)物吸合后,將測(cè)量簧在其后逐漸拉長(zhǎng),拉力逐漸增大。當(dāng)拉力剛好大于吸力,磁鋼脫離的一瞬間記錄下拉力的大小即可獲得覆層厚度[2]。新型的產(chǎn)品可以自動(dòng)完成這一記錄過(guò)程。 磁感應(yīng)測(cè)厚法的基本原理:利用基體上的非鐵磁性涂覆層在測(cè)量磁回路中形成非鐵磁間隙,使線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱;當(dāng)測(cè)量的是非鐵磁性基體上的磁性涂鍍層厚度時(shí),則隨著涂鍍層厚度的增加,其磁感應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)增加。利用磁感應(yīng)原理的測(cè)厚儀,原則上可以測(cè)量導(dǎo)磁基體上的非導(dǎo)磁覆層厚度,一般要求基材導(dǎo)磁率在500 H /m以上。如果覆層材 料也有磁性,則要求與基材的導(dǎo)磁率之差足夠大(如鋼上鍍鎳) 。

12、 磁性原理測(cè)厚儀可用來(lái)精確測(cè)量鋼鐵表面的油漆層,瓷、搪瓷防護(hù)層,塑料、橡膠覆層,包括鎳鉻在內(nèi)的各種有色金屬電鍍層以及化工石油行業(yè)的各種防腐蝕涂層。其特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便、堅(jiān)固耐用、不用電源、測(cè)量前無(wú)須校準(zhǔn)、價(jià)格較低,適合車(chē)間做現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制。 （2）電渦流測(cè)厚 渦流測(cè)厚儀是根據(jù)涂鍍層與基體材料的導(dǎo)電性有足夠的差異來(lái)進(jìn)行金屬基材上涂覆層的物性膜厚來(lái)測(cè)量的。該方法實(shí)質(zhì)上也屬于電磁感應(yīng)原理,但能否采用該方法進(jìn)行厚度測(cè)定,與基體及涂鍍層材料的導(dǎo)電性有關(guān),而與其是否為磁性材料無(wú)關(guān)。其工作原理為:高頻交流信號(hào)會(huì)在測(cè)頭線圈中產(chǎn)生電磁場(chǎng),當(dāng)測(cè)頭靠近導(dǎo)體時(shí),就在其中形成渦流。測(cè)頭離導(dǎo)電基體愈近,則渦流愈大,反射阻抗

13、也愈大。這個(gè)反饋?zhàn)饔昧勘碚髁藴y(cè)頭與導(dǎo)電基體之間距離的大小,也就是導(dǎo)電基體上非導(dǎo)電覆層厚度的大小。由于這類(lèi)測(cè)頭專(zhuān)門(mén)測(cè)量非鐵磁金屬基材上的覆層厚度,所以通常稱(chēng)之為非磁性測(cè)頭。非磁性測(cè)頭采用高頻材料做線圈鐵芯,例如鉑鎳合金或其他新材料。與磁感應(yīng)原理比較,主要區(qū)別是不同的測(cè)頭、不同的信號(hào)頻率和大小及不同的標(biāo)度關(guān)系。 采用電渦流原理的測(cè)厚儀,主要是對(duì)導(dǎo)電體上的非導(dǎo)電體覆層厚度的測(cè)量,但當(dāng)覆層材料有一定的導(dǎo)電性時(shí),通過(guò)校準(zhǔn)也同樣可以測(cè)量,只是要求兩者的導(dǎo)電率之比至少相差3～5倍(如銅上鍍鉻) 。 （3）磁性/渦流測(cè)厚 磁性測(cè)厚和渦流測(cè)厚均有缺點(diǎn),為此,很多廠家將兩者綜合在一起進(jìn)行測(cè)定,采用的探頭有3

14、種: F型、N型和FN型。其中F型探頭采用磁感應(yīng)原理,可用于鋼鐵上的非磁性涂鍍層,如油漆、塑料、搪瓷、鉻和鋅等; N型探頭采用渦流原理,用于有色金屬(如銅、鋁、奧氏體不銹鋼)上的絕緣層,如陽(yáng)極氧化膜、油漆和涂料等;而FN型探頭同時(shí)具有F和N型探頭的功能,利用兩用型探頭,可實(shí)現(xiàn)在磁性和非磁性基體上自動(dòng)轉(zhuǎn)換測(cè)量[3] 。目前開(kāi)發(fā)比較成熟的磁性測(cè)厚儀有時(shí)代公司的TT220, 德國(guó)EPK 公司開(kāi)發(fā)的M IN ITEST4100 /3100 /2100 /1100系列測(cè)厚儀和PHYN IX公司的Surfix/Pocket2Surfix便攜式涂鍍層測(cè)厚儀,可以方便地實(shí)現(xiàn)各種條件下的無(wú)損測(cè)厚。 （4） 超

15、聲波測(cè)厚 超聲波測(cè)厚儀是利用超聲波脈沖反射原理,通過(guò)發(fā)射的超聲波脈沖至涂層/ 基材, 計(jì)算脈沖通過(guò)涂層/ 基材界面反射回發(fā)射器所花的時(shí)間來(lái)計(jì)算涂層的厚度。儀器通過(guò)一個(gè)發(fā)射器發(fā)射高頻超聲波進(jìn)入涂層,振動(dòng)波會(huì)穿透涂層,遇上不同力學(xué)性能的材料(如基材) 時(shí),振動(dòng)波會(huì)在不同材料的界面部分反射和傳遞。反射部分會(huì)被感應(yīng)器接收,傳遞的振動(dòng)波繼續(xù)傳遞到底材,同樣經(jīng)歷著所有材料界面間的反射、傳遞過(guò)程。傳感器將反射波轉(zhuǎn)換成電信號(hào),這些信號(hào)會(huì)被儀器數(shù)碼化,數(shù)碼化反射波被分析后,便得到振蕩波所花的確切傳遞時(shí)間[5]。從而計(jì)算出涂層的厚度。 超聲波測(cè)厚儀可用于測(cè)量多種材料的厚度,如鋼、鐵、塑料和玻璃等。新型的超聲

16、波測(cè)厚儀可以一次測(cè)量即可測(cè)定多層涂層的總厚度及指定的各層厚度,且精度很高。 1.1.3管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人的發(fā)展前景 為了使管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人能夠盡快地走出實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)入實(shí)用化階段,必須在以下幾個(gè)方面有所突破。 （1） 靈活可靠的行走機(jī)構(gòu) 前面已經(jīng)提到,管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人在彎管、支岔管中的通過(guò)性問(wèn)題仍未解決。而要解決這一問(wèn)題，首先要在機(jī)構(gòu)上保證機(jī)器人能夠在這些特殊環(huán)境中順利行走.如何尋找一種融合各種機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn),既能夠提供較大的牽引力，又快速靈活，可靠性高的驅(qū)動(dòng)方案是值得研究的問(wèn)題.另外，還特別要在動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的小型化方面下工夫。應(yīng)該指出的是，要解決管內(nèi)機(jī)器人的通過(guò)性問(wèn)題,除了要在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面推陳

17、出新之外,還應(yīng)該結(jié)合控制方案來(lái)考慮。例如前述日本于1994年推出的BEAGLE200管內(nèi)探傷系統(tǒng),采用3臺(tái)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)空間均布的3個(gè)主動(dòng)輪，雖然機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，但由于3個(gè)驅(qū)動(dòng)輪可分別控制，從而為提高其在彎管段的通過(guò)性提供了可能。 （2） 智能化的傳感器系統(tǒng) 對(duì)管道內(nèi)部這類(lèi)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，現(xiàn)有的管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人中的傳感器或無(wú)法正常發(fā)揮作用,或過(guò)多地依賴人的介入，已經(jīng)不能滿足其發(fā)展的需要。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到傳感器的集成,即多種傳感器(光,機(jī),電,儀)的綜合運(yùn)用是解決上述問(wèn)題的有效手段。特別是以攝像機(jī)為基礎(chǔ)的視覺(jué)傳感器，由于其直觀性，應(yīng)引起足夠的重視。同時(shí)，先進(jìn)的感知算法的研究是必要的，只有

18、將感知算法與傳感器的硬件結(jié)合起來(lái)，形成智能化的傳感器，才能為提高管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人的控制水平打下良好的基礎(chǔ)。 （3） 高度自治的控制系統(tǒng) 在管道內(nèi)部復(fù)雜的環(huán)境中，為減輕操作人員的負(fù)擔(dān)，機(jī)器人具有自主能力是必要的。但這有賴于先進(jìn)的傳感器技術(shù)，特別是管內(nèi)環(huán)境識(shí)別技術(shù)作保證。例如，目前已有人在機(jī)械手控制中引入視覺(jué)伺服技術(shù)，即利用視覺(jué)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的位置閉環(huán)控制。視覺(jué)對(duì)管內(nèi)機(jī)器人具有重要意義，利用視覺(jué),可以： ①確定作業(yè)位置； ②識(shí)別管內(nèi)環(huán)境(是否拐彎,是否有枝杈等)； ③識(shí)別機(jī)器人的姿態(tài)(是否有轉(zhuǎn)體,相對(duì)于作業(yè)位置的距離等)。 在管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人中采用視覺(jué)伺服技術(shù),可以有效地克服現(xiàn)有傳感器

19、的不足，有利于提高其控制性能和自主能力,并對(duì)其智能化進(jìn)程有重要意義。目前的關(guān)鍵問(wèn)題是如何提高圖像處理的速度，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能的引入將有助于解決這一問(wèn)題。另外，先進(jìn)的控制策略，如路徑規(guī)劃，控制器參數(shù)的在線優(yōu)化等的研究也必將使管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人的智能化水平得到進(jìn)一步的提高。 1.2本次設(shè)計(jì)的目的 通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，達(dá)到溫習(xí)鞏固以前所學(xué)的所有知識(shí)，并將其在實(shí)際設(shè)計(jì)中加以的運(yùn)用。熟悉一般工程設(shè)計(jì)的步驟方法：調(diào)研收集資料，方案論證比較，確定方案，完成管道涂層厚度檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，繪制裝配圖及零件圖等圖紙。 2 總體方案的設(shè)計(jì) 2.1

20、管道涂層厚度檢測(cè)裝置的技術(shù)要求 該設(shè)備能在管道中行走的，采集管道中各處的涂層厚度，采集到的數(shù)據(jù)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳送。本設(shè)計(jì)主要包括行走系統(tǒng)機(jī)構(gòu)、測(cè)量機(jī)構(gòu)和控制部分，要求實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)在管道中行走，行走速度為0.5m/min。 2.2主要技術(shù)參數(shù) 本次設(shè)計(jì)的管道內(nèi)防腐涂層厚度測(cè)量?jī)x的具體指標(biāo)如下： 1.內(nèi)徑：200mm 2管道長(zhǎng)度200m 3涂層測(cè)量范圍0～500m 4誤差（13％）m 5行走速度500mm/min 6工作環(huán)境溫度0—50℃ 2.3總體方案的分析與確定 該測(cè)量裝置由行走系統(tǒng)機(jī)構(gòu)

21、、測(cè)量機(jī)構(gòu)和控制部分 構(gòu)成。行走機(jī)構(gòu)和測(cè)量機(jī)構(gòu)要通過(guò)8051單片機(jī)接受上位機(jī)的控制，進(jìn)行自動(dòng)行走和測(cè)量，并將所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算傳送到上位機(jī)。 行走系統(tǒng)是由一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪減速機(jī)構(gòu)和帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量裝置的前進(jìn)和后退。測(cè)量機(jī)構(gòu)采用超聲波傳感器，其原理是利用超聲波的反射法，通過(guò)記錄回波信號(hào)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算出涂層的厚度。本裝置中采用兩個(gè)傳感器呈 180布置，可同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)點(diǎn)的涂層厚度。 在實(shí)際的測(cè)量中要求隨時(shí)確定測(cè)量裝置的確切位置即測(cè)量裝置在管道內(nèi)行走的距離。為了得到測(cè)量裝置在管道中行走的距離，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了計(jì)程輪，此輪上安裝了霍爾元件，通過(guò)霍爾元件采集的脈沖數(shù)可得到

22、輪子所轉(zhuǎn)圈數(shù)，從而得出測(cè)量裝置行進(jìn)的距離。 控制系統(tǒng)以單片機(jī)8051為中心，它控制著直流電機(jī)—機(jī)器人的動(dòng)力源的前進(jìn)、后退和停止、2個(gè)傳感器的通斷，并將厚度信號(hào)和轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行處理，傳送給上位機(jī)，接受上位機(jī)的監(jiān)控。 其框圖如下： 處理電路 8051單片機(jī) 霍爾元件 繼電器開(kāi)關(guān) 兩個(gè)傳感器 接口電路 計(jì)算機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 圖5 測(cè)量裝置整體框圖 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1管道涂層測(cè)厚裝置的運(yùn)動(dòng)原理 微型管道機(jī)器人采用了有纜驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式,其運(yùn)動(dòng)機(jī)理由兩

23、組車(chē)輪沿徑向呈三等分均布,其中四個(gè)從動(dòng)輪在扇形齒輪的作用下被支撐在管道的內(nèi)壁上，另外兩個(gè)則是驅(qū)動(dòng)輪。電機(jī)帶動(dòng)錐齒輪旋轉(zhuǎn)，從而使得裝有皮帶輪的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，車(chē)輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。由于車(chē)輪與管壁之間的摩擦力，車(chē)體便可以在管中前進(jìn)或后退。尾部還有一個(gè)柔性的計(jì)程輪，其作用：1.計(jì)算小車(chē)前進(jìn)的距離。2.支撐車(chē)體，保持平衡。 3.2管道涂層測(cè)厚裝置行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊和較大的負(fù)載能力,滿足管道內(nèi)行走的基本條件。移動(dòng)機(jī)構(gòu)的前后兩組支撐中,三個(gè)車(chē)輪都是沿徑向均勻分布的,而前后兩部分都是沿軸向?qū)ΨQ(chēng)的,支撐點(diǎn)共六個(gè),因此滿足形封閉條件。當(dāng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)行走時(shí),三個(gè)輪子呈徑向均勻分布,三點(diǎn)確定一個(gè)平面,三點(diǎn)

24、始終在一個(gè)圓柱面上,因此可以實(shí)現(xiàn)自定心,在支撐裝置的作用下,驅(qū)動(dòng)輪被緊緊壓在管道內(nèi)壁上,具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。整個(gè)系統(tǒng)由于利用了對(duì)稱(chēng)性,抵消了機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各方面不平衡力偶的干擾,從而使所有的力集中到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)軸線上所在的豎直平面上,同時(shí),又在通過(guò)電機(jī)軸線的豎直平面上保證機(jī)器人的重心與電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)軸心之間適當(dāng)?shù)木嚯x,從而保證了整個(gè)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的平穩(wěn)性。 3.3電動(dòng)機(jī)的選擇 由于管道的直徑很小，所以根據(jù)尺寸選擇j55ZYT—PX微型減速電機(jī)。其減速比為216.輸出轉(zhuǎn)速為14r/min。輸出轉(zhuǎn)矩18730mN.m。 其計(jì)算過(guò)程為： 車(chē)輪與管壁的摩擦系數(shù)為=0.8 車(chē)體的重量為50kg G=

25、mg=5010N=500N 壓緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的壓緊力為500N 則：車(chē)體對(duì)管壁的正壓力N=1000N F=μN(yùn)=0.8N=800N 電動(dòng)機(jī)所需要的工作功率為 各軸輸入功率為： 各軸的輸入轉(zhuǎn)矩：

26、

27、

28、

29、

30、

31、

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33、

34、

35、

36、

37、

38、 所以所選的電機(jī)符合條件。 3.4傳動(dòng)的總體方案設(shè)計(jì) 此測(cè)量裝置在500mm/min的速度下前進(jìn)，速度比較低。初選車(chē)輪直徑為40mm則

39、此時(shí)車(chē)輪的角速度以及減速后最終的角速度為： ω=60v/(πd)=60500/3.144060=3.98r/min 由于電機(jī)的初速度為14 r/min，由傳動(dòng)比公式i=14/w=14/3.98=3.5 所以傳動(dòng)比i=3.5 我選用直齒圓錐齒輪來(lái)傳遞能量和動(dòng)力。因?yàn)槠淇梢詫?shí)現(xiàn)兩相交軸之間的傳動(dòng)。錐齒輪設(shè)計(jì)、制造及安裝均較簡(jiǎn)單，用于低速傳動(dòng)，非常適合此裝置的要求?？紤]到機(jī)器人在前進(jìn)過(guò)程中要托纜，因此將此機(jī)器人設(shè)計(jì)成前后輪共同驅(qū)動(dòng)的方式，以獲得較大的牽引力。由于尺寸限制，只能將輪放在另外一根軸上，用皮帶將兩軸連接起來(lái)，它沒(méi)有調(diào)速的作用，只需使兩軸具有同樣的旋轉(zhuǎn)速度。

40、 3.5壓緊裝置的設(shè)計(jì) 壓緊裝置主要是為了讓機(jī)器人能夠撐緊管壁，從而達(dá)到平穩(wěn)前進(jìn)的目的。我所設(shè)計(jì)的壓緊裝置是通過(guò)一個(gè)扇形齒輪和一個(gè)齒條的相互嚙合實(shí)現(xiàn)的。具體如圖6所示： 圖6 壓緊裝置 此結(jié)構(gòu)的原理非常簡(jiǎn)單，但卻很實(shí)用。當(dāng)管壁直徑變化時(shí)，壓緊輪就會(huì)以銷(xiāo)軸為中心，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)齒條就會(huì)因?yàn)閲Ш系淖饔们昂笠苿?dòng)，彈簧也跟著壓縮或拉長(zhǎng)。以此來(lái)調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膲壕o力，保證車(chē)體的平衡。 3.6計(jì)程輪的設(shè)計(jì) 計(jì)程輪的設(shè)計(jì)是為了知道車(chē)體在管道中行進(jìn)的距離，已達(dá)到正確測(cè)量管道中某點(diǎn)涂層厚度的目的。計(jì)程輪設(shè)

41、計(jì)如圖6所示，它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，是用四個(gè)導(dǎo)向螺釘將輪固定在支撐體上，導(dǎo)向螺釘上裝有壓縮彈簧，壓縮彈簧的一端連在支架上，另一端連在支撐體上，由此支架可以沿著導(dǎo)向螺釘?shù)姆较蛏舷乱苿?dòng)，而車(chē)輪通過(guò)銷(xiāo)軸連在支架上，可以隨支架一起運(yùn)動(dòng)，以保證計(jì)程輪始終與地面接觸。計(jì)程輪上安裝有霍爾傳感器?；魻杺鞲衅骶褪抢没魻栃?yīng)原理，通過(guò)磁場(chǎng)、電流對(duì)被測(cè)量的控制，使包含有被測(cè)量變化信息的霍爾電壓發(fā)生變化，在利用后繼的信號(hào)檢索和信號(hào)放大電路，就可以得到被測(cè)量脈沖信號(hào)的信息。正因?yàn)榛魻杺鞲衅鞯幕驹砘魻栃?yīng)只包含了磁場(chǎng)、電流、電壓三個(gè)常用物理量，使得采用霍爾傳感器的被測(cè)量的測(cè)量簡(jiǎn)單易行，而磁場(chǎng)強(qiáng)度、電流、電壓是磁場(chǎng)、電場(chǎng)

42、的基本物理量，所以霍爾傳感器可以進(jìn)行精確的非接觸測(cè)量。 圖 7計(jì)程輪 它具有靈敏度高，線性度好，穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點(diǎn)，在機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位。本裝置中選用霍爾元件DN6837，它是一個(gè)開(kāi)關(guān)集成霍爾傳感器，其輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)三極管放大，在送到單片機(jī)的輸入口。 3.7軸的設(shè)計(jì)與校核 軸的材料是決定其承載能力的重要因素，制造軸的主要材料是碳素鋼及合

43、金鋼。45號(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼是最常用的材料。Q235-A等普通碳素鋼用于不重要的軸或受載較小的軸；合金鋼具有較高的機(jī)械強(qiáng)度用于受載荷較大、結(jié)構(gòu)尺寸受限制、需提高軸頸耐磨性及處于高溫或腐蝕等條件下的軸；球墨鑄鐵和一些高強(qiáng)度鑄鐵一般用于鑄成外形復(fù)雜的軸，他們吸振性好，對(duì)應(yīng)力集中敏感性低。 一般機(jī)器中的軸常用優(yōu)質(zhì)中碳鋼制造，這類(lèi)鋼比合金鋼廉價(jià)，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低，其中45號(hào)鋼最為常用。為了提高材料的力學(xué)性能，通常進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理。由于振動(dòng)磨的主軸旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生高頻率的振動(dòng)，且產(chǎn)生的離心力相當(dāng)大，所以應(yīng)選45號(hào)鋼作為此傳動(dòng)軸的材料。 一般常見(jiàn)的軸按其軸線的形狀和功用分為直軸、曲軸兩大類(lèi)，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)只

44、涉及直軸，所以我們?cè)诖酥挥懻撝陛S。 直軸一般都做成實(shí)心，若因機(jī)器特殊需要也可制成空心軸?？紤]到應(yīng)加工方便，軸的截面多為圓形，為了使軸上零件定位及裝拆方便，軸多做成階梯軸。一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單或特殊要求在軸中裝設(shè)其它零件或者減小軸的質(zhì)量具有重大作用的場(chǎng)合，軸才做成等直徑的軸（光軸）或空心軸?？招妮S內(nèi)徑與外徑比通常為0.5～0.6，以保證軸的剛度及扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。 根據(jù)軸的承載情況，可分為：轉(zhuǎn)軸——工作中既受彎矩又受轉(zhuǎn)矩的軸；有時(shí)還受較大軸向力的作用，這類(lèi)軸在各種機(jī)器種最常見(jiàn)；心軸——工作中只承受彎矩、不受轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)矩較小的軸，心軸又分為轉(zhuǎn)動(dòng)心軸（軸轉(zhuǎn)動(dòng)）和固定心軸（軸不轉(zhuǎn)動(dòng)）兩種；傳動(dòng)軸——工作中只傳遞轉(zhuǎn)

45、矩、不承受彎矩或受彎矩很小的軸。下面首先通過(guò)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度對(duì)軸進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再用彎扭組合進(jìn)行校核。 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算 選擇軸的材料為45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，首先估算最小軸徑，根據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算 ， d ——截面處軸的直徑，單位mm， p ——軸的傳遞功率，單位kw； n ——軸的轉(zhuǎn)速，單位r/min， ——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位MPa，45鋼的值為25～45； ——其中45鋼的的取值為126～103。 因選擇的電動(dòng)機(jī)功率為30kw，即p=20w，轉(zhuǎn)速n=14r/min，把數(shù)據(jù)帶入上式有： =11.19mm 因軸上開(kāi)有兩個(gè)鍵槽，所以軸徑應(yīng)當(dāng)增大5%～7%，則有 d≥11.19（1

46、+0.07）=11.97mm 圓整后可取d=12mm。但是這樣求出的直徑，只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑dmin。 按彎扭合成條件校核軸 軸所受的載荷是從軸上零件傳來(lái)的。計(jì)算時(shí)將軸上的分布載荷簡(jiǎn)化為集中力，其作用點(diǎn)取為載荷分布段的中點(diǎn)。作用在軸上的扭矩，一般從傳動(dòng)件輪轂的中點(diǎn)算起。通常把軸當(dāng)作置于鉸鏈支座上的梁，這是建立力學(xué)模型的一種形式，支反力的作用點(diǎn)與軸承的類(lèi)型和布置方式有關(guān)。 在做計(jì)算簡(jiǎn)圖時(shí)，應(yīng)先求出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應(yīng)把空間里分解為圓周力、徑向力和軸向力，然后把他們?nèi)哭D(zhuǎn)化到軸上），并將其分解為水平分力和垂直分力。然后求出各支承處的水平反力FHN和垂直反力

47、FNV。 我所校核的這根軸是錐齒輪傳動(dòng)的從動(dòng)軸如圖7。其上主要有齒輪，帶輪和兩個(gè)軸承。另外一根軸的受力分析和計(jì)算在這里就不再闡述。 下面進(jìn)行軸的設(shè)計(jì)計(jì)算和強(qiáng)度校核。根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知：取齒輪傳動(dòng)的效率為0.97，則齒輪在此軸上的扭矩為： P1=p=200.97=19.4w n1=4r/min =9550000P1/n1=46317.5Nmm, 因大齒輪的分度圓直徑為d=mz=246=92mm，所以Ft=2T1/d=246317.5/92=1007N,Fr=Fttan20/cos8=370.2 N Fa=Fttan=141.5 N 皮帶的初拉力為Fe=1000p/v

48、=19.4/5=3.88 N由此可見(jiàn)由皮帶產(chǎn)生的彎矩可忽略不計(jì)。下面利用靜平衡原理計(jì)算F1和F2其上所受彎矩圖和剪力圖如圖9 列出靜平衡方程: 在垂直面內(nèi)： Fv1106=Fr75+12.5Fa Fv1=278 N Fv2106=Fr31+12.5Fa Fv2=125 N 在水平面內(nèi)： Fh1106=Ft75 Fh1=712.5 N Fh2106=Ft31 Fh2=294 N

49、 圖8水平面內(nèi)剪力彎矩圖 圖9垂直面內(nèi)剪力彎矩圖 圖10彎矩扭矩合成圖 所以： M==23709 N.mm 根據(jù)第四強(qiáng)度理論對(duì)危險(xiǎn)截面進(jìn)行校核 ,又 N.mm， ===8941.64 代入數(shù)據(jù)得 =2.

50、654MPa<60MPa 所以軸的強(qiáng)度足夠。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則： （1） 軸上零件布置應(yīng)使軸受力合理。 （2）軸上零件定位可靠、裝拆方便。 （3）采用各種減小應(yīng)力集中和提高疲勞強(qiáng)度的措施 圖11 軸 （4）有良好的結(jié)構(gòu)工藝性，便于加工制造和保證精度。 （5）對(duì)于要求剛性大的軸，還應(yīng)從結(jié)構(gòu)上考慮減小軸的變形。 3.8軸承的設(shè)計(jì)與校核 3.8.1軸承的校核 如果按滾動(dòng)軸承承受載荷的作用方向分類(lèi)，常用軸承可分成三類(lèi)，即徑向接觸軸承、向心角接觸軸承和軸向接觸軸承。徑向接觸軸承主要用于承受徑向載荷。這類(lèi)軸承有：深溝

51、球軸承、調(diào)心球軸承、調(diào)心滾子軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承。 在齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，需要兩個(gè)軸承來(lái)承受齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的力，因?yàn)檫x取的是圓錐直齒輪，沒(méi)有軸向的力需要軸承承受，為此，在這里選取大眾而且性價(jià)比很高的深溝球軸承，在齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，軸段是懸臂布置，考慮到軸的端部會(huì)承受比較大的徑向力，這里選取02系列的深溝球軸承。 下面進(jìn)行軸承的校核計(jì)算。 滾動(dòng)軸承壽命的計(jì)算公式為 式中的單位為。為指數(shù)。對(duì)于球軸承， ；對(duì)于滾子軸承，。如果改用小時(shí)數(shù)表示壽命，代表軸承的轉(zhuǎn)速（單位為r/min），則以小時(shí)數(shù)表示的軸承壽命（單位為h） 如果載荷P和轉(zhuǎn)速n為已知，預(yù)期計(jì)算壽命又

52、已取定，則所需軸承應(yīng)具有的基本額定動(dòng)載荷C（單位為N）可根據(jù)上式計(jì)算得出： 滾動(dòng)軸承的基本額定動(dòng)載荷是在一定的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下確定的，如載荷條件為：向心軸承僅承受純徑向載荷，推力軸承僅承受純軸向載荷。實(shí)際上，軸承在許多應(yīng)用場(chǎng)合，常常同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷。因此，在進(jìn)行軸承壽命計(jì)算時(shí)，必須把實(shí)際載荷轉(zhuǎn)換為與確定基本額定動(dòng)載荷的載荷條件相一致的當(dāng)量動(dòng)載荷，用字母P表示。這個(gè)當(dāng)量動(dòng)載荷，對(duì)于以承受徑向載荷為主的軸承，稱(chēng)為徑向當(dāng)量動(dòng)載荷，常用表示；對(duì)于以承受軸向載荷為主的軸承，稱(chēng)為軸向當(dāng)量動(dòng)載荷，常用表示。當(dāng)量動(dòng)載荷P（或）的一般計(jì)算公式為

53、 式中，X、Y分別為徑向動(dòng)載荷系數(shù)和軸向動(dòng)載荷系數(shù)。 實(shí)際上，在許多支承中還會(huì)出現(xiàn)一些附加載荷，如沖擊力、不平衡作用力、慣性力以及軸撓曲或軸承座變形產(chǎn)生的附加力等等，這些因素很難從理論上精確計(jì)算。為了記及這些影響，可對(duì)當(dāng)量動(dòng)載荷乘上一個(gè)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定的載荷系數(shù)，故實(shí)際計(jì)算時(shí)，軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷應(yīng)為： 選取的軸承代號(hào)為6205，它的基本額定負(fù)荷：， 查表查的徑向動(dòng)載荷系數(shù)X=0.56，軸向動(dòng)載荷系數(shù)Y=1.5； 已確定軸承徑向載荷765 N，,取 軸承轉(zhuǎn)速為，為球軸承取 當(dāng)量動(dòng)載荷 由

54、于兩軸承所受軸向力較小，在此只對(duì)軸承所受徑向力進(jìn)行校核計(jì)算， 因?yàn)檩S承只按徑向力計(jì)算，所以當(dāng)量動(dòng)載荷C=14 kN 計(jì)算軸承壽命 對(duì)于球軸承，式中=3 =14945533770000h 其強(qiáng)度足夠，計(jì)算結(jié)果表明，其它所選的深溝球軸承能滿足使用要求，這里就不一一校核了。 3.8.2軸承的潤(rùn)滑 軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)通過(guò)潤(rùn)滑避免元件表面金屬直接接觸。潤(rùn)滑除降低摩擦和減輕磨損外，也有吸振、冷卻、防銹和密封等作用。軸承常用的潤(rùn)滑材料有潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂、固體潤(rùn)滑劑和氣體潤(rùn)滑劑。非金屬軸承也可用水進(jìn)行潤(rùn)滑。 （1）潤(rùn)滑油 液體摩擦軸承幾乎全部使用潤(rùn)滑油，且多為礦物油。在眾多的物理、化學(xué)性能指標(biāo)

55、中，最重要的是黏度和油性。根據(jù)軸頸直徑d，軸的轉(zhuǎn)速n確定潤(rùn)滑油的黏度區(qū)。按照確定的黏度區(qū)和軸承的壓強(qiáng)，查出推薦的黏度；根據(jù)軸承軸頸的圓周速度工作溫度軸承壓強(qiáng)等參數(shù)確定潤(rùn)滑方式。 （2）潤(rùn)滑脂 潤(rùn)滑脂的主要性能指標(biāo)是錐入度和滴點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)軸承的壓強(qiáng)、圓周速度和工作溫度選用。 （3）其他潤(rùn)滑材料 除潤(rùn)滑油,潤(rùn)滑脂外，還有其它潤(rùn)滑材料，如： ① 固體潤(rùn)滑劑，常用的有石墨、二硫化鉬、二硫化鎢等。當(dāng)軸承的溫度在高溫或低速、重載條件下工作，不應(yīng)使用潤(rùn)滑油時(shí)，可將固體潤(rùn)滑劑調(diào)配到潤(rùn)滑脂或油中使用，也可涂敷或燒結(jié)在摩擦表面上，還可以將其滲入軸瓦材料中或成型鑲嵌在軸承中使用。 ② 水，主要用于橡膠

56、軸承或增強(qiáng)酚醛塑料軸承的潤(rùn)滑。 ③ 液態(tài)金屬，如汞、液態(tài)鈉、鉀、鋰等，主要用于宇航中的某些軸承。 滾動(dòng)軸承通常采用脂潤(rùn)滑，高速重載或高溫時(shí)需要用油潤(rùn)滑。在本此設(shè)計(jì)中，由于軸承的在高溫、重載條件下工作，根據(jù)軸承的極限轉(zhuǎn)速知，可選擇脂潤(rùn)滑。 3.9齒輪的設(shè)計(jì) 我采用圓錐齒輪傳動(dòng)，其設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 軸交角 90 初選小齒輪齒數(shù)為=13 則大齒輪的齒數(shù)為 Z2=133.5=45.5 取大齒輪的齒數(shù)為46 取模數(shù)為m=2，則分度圓直徑 d1=mz1=213=26 d2=mz2=246=92 齒寬 大端齒頂高 大端齒根高 大端齒頂圓

57、直徑 （大角=74.05） 錐齒輪的校核可按平均分度圓處的當(dāng)量圓柱齒輪進(jìn)行計(jì)算。 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算，其公式為： 其中 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算，其公式為： 經(jīng)校核 齒輪符合強(qiáng)度條件。 3.10帶輪的設(shè)計(jì) 我設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置中，帶輪的作用就是將大齒輪軸上的動(dòng)力原封不動(dòng)的傳遞給帶有輪胎的軸，沒(méi)有速度的改變。所以帶輪的設(shè)計(jì)不必考慮傳動(dòng)比的問(wèn)題。因而我所設(shè)計(jì)的帶輪只要滿足強(qiáng)度要求即可。摩

58、擦帶容易打滑，這是管道機(jī)器人絕對(duì)不允許的，因?yàn)橐坏┏鍪?，就無(wú)法將機(jī)器人從管道中取出來(lái)。所以采用嚙合帶，也就是同步帶，其特點(diǎn)如下： 1傳動(dòng)準(zhǔn)確，工作時(shí)無(wú)滑動(dòng)，具有恒定的傳動(dòng)比； 2.傳動(dòng)平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低； 3.傳動(dòng)效率高，可達(dá)0.98，節(jié)能效果明顯； 4.維護(hù)保養(yǎng)方便，不需潤(rùn)滑，維護(hù)費(fèi)用低； 5.速比范圍大，一般可達(dá)10，線速度可達(dá)50m/s，具有較大的功率傳遞范圍，可達(dá)幾瓦到幾百千瓦； 6.可用于長(zhǎng)距離傳動(dòng)，中心距可達(dá)10m以上。 帶輪的結(jié)構(gòu)如圖所示，其外徑為32.8mm。齒高1.14mm齒形角40度，齒根厚1.14mm。節(jié)距為2.032mm。 圖12帶輪

59、其通過(guò)鍵連接在軸上。 3.11鍵的選擇 鍵與花鍵聯(lián)接是最常見(jiàn)的輪轂聯(lián)接方式，屬可拆卸聯(lián)接。鍵與花鍵主要用于軸與回轉(zhuǎn)零件輪轂間周向固定和傳遞轉(zhuǎn)矩，有的還可以實(shí)現(xiàn)軸向固定和傳遞軸向力。 此測(cè)量裝置的輪胎，齒輪，皮帶都是通過(guò)普通平鍵來(lái)連接來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的。這是因?yàn)?，平鍵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便，對(duì)中性較好。平鍵的橫截面是矩形，平鍵的上下表面相互平行。它的兩個(gè)側(cè)面是工作表面，與鍵槽有配合關(guān)系，工作時(shí)，靠鍵和鍵槽側(cè)面的擠壓和鍵受剪切傳遞轉(zhuǎn)矩。鍵的頂面和輪轂鍵槽的底面之間留有間隙，不影響輪轂與軸的對(duì)中。 4測(cè)量系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì) 4.1測(cè)量系統(tǒng)的原理 測(cè)量機(jī)構(gòu)采用超聲波脈沖測(cè)厚原理，基本原理為: 超聲波換

60、能器(探頭) 發(fā)出的超聲波一部分在外表面被反射回?fù)Q能器, 如圖12 (a) 所示; 一部分如圖12 (b) 所示, 在涂層與基體的接觸面反射回?fù)Q能器; 還有一些發(fā)生多次反射, 如圖12 (c) 所示。假設(shè)超聲波在外表面反射回?fù)Q能器所用的時(shí)間是t1,在接觸面反射回?fù)Q能器的時(shí)間是t2 ,超聲波在涂層內(nèi)的傳播速度是c，那么涂層的厚度l為：l=c(t2-t1)。 圖 13 超聲波測(cè)量涂層厚度原理圖 霍爾傳感器是測(cè)量車(chē)輪轉(zhuǎn)數(shù)的傳感器。它由磁鋼和霍爾元件組成。將一個(gè)非磁性圓盤(pán)固定裝在車(chē)輪轉(zhuǎn)軸上，圓盤(pán)邊緣用環(huán)氧樹(shù)脂等距離粘貼塊狀磁鋼磁鋼采用永久磁鐵分割成的小磁塊，霍爾元件固定在距圓盤(pán)平面1-3m

61、m處，當(dāng)磁塊與霍爾元件相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)霍爾元件的感磁面的磁場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生變化。圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，磁塊靠近霍爾元件。穿過(guò)霍爾元件的磁場(chǎng)較強(qiáng)，當(dāng)圓盤(pán)轉(zhuǎn)到使霍爾元件處于磁塊之間時(shí)，磁力線分散，霍爾元件輸出低電平，當(dāng)磁場(chǎng)減弱時(shí)輸出高電平。從而使得車(chē)輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，霍爾開(kāi)關(guān)集成電路輸出連續(xù)脈沖信號(hào)。 4.2測(cè)量系統(tǒng)的傳感器的選擇 超聲波傳感器根據(jù)工作原理可分為壓電式、磁質(zhì)伸縮式、電磁式等多種，其中以壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷。這種傳感器統(tǒng)稱(chēng)為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)工作的，逆壓電效應(yīng)將高頻電震動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)

62、射探頭；兒利用正壓電效應(yīng)，將超聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可作為接收探頭。 根據(jù)用途的不同，壓電式超聲波探頭有多種結(jié)構(gòu)，如直探頭、斜探頭、雙探頭等。本設(shè)計(jì)中選用的是直探頭，因?yàn)楸狙b置一般工作在常溫環(huán)境下，所以選用常規(guī)的超聲波直探頭就可滿足要求。超聲波的發(fā)射和接收電路如下： 圖14 超聲波發(fā)射電路 圖15 超聲波接收電路 4.3測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 測(cè)量系統(tǒng)是由三個(gè)傳感器、繼電器、單片機(jī)、以及電磁鐵組成。 圖16測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

63、兩個(gè)傳感器在同一圓周上，測(cè)量圓周上不同點(diǎn)的涂層厚度。它們被固定在兩個(gè)套筒中，前端和尾部都有彈簧，尾部的彈簧另一端裝有磁鐵，磁鐵的對(duì)面安裝有電磁鐵，根據(jù)磁鐵同性相吸，異性互斥的原理，通過(guò)對(duì)電磁鐵通斷電的控制，來(lái)控制傳感器的移動(dòng)。即當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，傳感器被頂出，進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)電磁鐵斷電時(shí)，傳感器在彈簧的作用下，收縮回套筒，結(jié)束測(cè)量。其結(jié)構(gòu)如圖16所示。電磁鐵產(chǎn)生的電磁力隨著流過(guò)線圈的電流的大小變化而變化，因此可根據(jù)需要人為進(jìn)行調(diào)節(jié)。磁場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算公式：H = N I / Le 式中：H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為A/m；N為勵(lì)磁線圈的匝數(shù)；I為勵(lì)磁電流（測(cè)量值），單位為A；Le為測(cè)試樣品的有效磁路長(zhǎng)度，單位

64、為m。 磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算公式：B = Φ / (N Ae) 式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為Wb/m^2；Φ為感應(yīng)磁通（測(cè)量值），單位為Wb；N為感應(yīng)線圈的匝數(shù)；Ae為測(cè)試樣品的有效截面積，單位為m^2。 然后根據(jù)F=BILSINa就可以確定電磁力的大小了。本裝置中電磁鐵提供的電磁力足以將傳感器頂出 4.4步進(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)的作用主要是為了滿足被測(cè)量管道在同一徑向圓上不同點(diǎn)的涂層厚度的要求。考慮到步進(jìn)電機(jī)所帶負(fù)載小，所以選用42BYG301,電壓12v，靜轉(zhuǎn)矩0.25N.m.其外形圖為：

65、 圖17步進(jìn)電機(jī) 5 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1 電氣系統(tǒng)方案的分析與確定 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)控制，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)對(duì)此裝置的行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。通過(guò)控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置的前進(jìn)，后退。通過(guò)8051單片機(jī)和繼電器開(kāi)關(guān)對(duì)2個(gè)超聲波傳感器進(jìn)行控制，以達(dá)到兩個(gè)傳感器不同時(shí)測(cè)量的目的，單片機(jī)與上位機(jī)可以進(jìn)行串行通訊，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置與外界的交流。兩個(gè)傳感器是靠步進(jìn)電機(jī)控制的，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)精確角度的旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行控制。此裝置的工作過(guò)程為單片機(jī)接受上位機(jī)的指令在管道中行進(jìn)，當(dāng)需要測(cè)量時(shí)由單片機(jī)控制其停下，再由單片機(jī)執(zhí)行上位機(jī)傳來(lái)的指令控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角

66、度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管道涂層厚度不同點(diǎn)的測(cè)量。 5.2 電氣系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 5.2.1 單片機(jī)的選擇 本系統(tǒng)選用單片機(jī)為控制單元。單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer）簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)，又稱(chēng)微控制機(jī)器（Microcontroller Unit）或者嵌埋式控制器(Embedded Controller)。它是計(jì)算機(jī)的基本部件微型化，使之集成在一塊芯片的微機(jī)。片內(nèi)含有CPU﹑ ROM ﹑RAM ﹑并行I/O 串行﹑I/O 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器﹑ 中斷控制﹑ 系統(tǒng)時(shí)鐘及系統(tǒng)總線等。單片機(jī)有著體型小﹑ 功耗低﹑ 功能強(qiáng)﹑ 性價(jià)比高﹑ 易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化裝置﹑ 智能化儀器與儀表﹑過(guò)程控制和家電控制等許多領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。 目前單片機(jī)的種類(lèi)很多，本次設(shè)計(jì)選用應(yīng)用最普遍的MCS-51系列單片機(jī)中的8051單片機(jī)。MCS-51系列單片機(jī)主要有三種型號(hào)的產(chǎn)品：8031、8051和8751。該系列產(chǎn)品是集中CPU、I/O端口及部分RAM等為一體完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開(kāi)發(fā)手段完備，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)，