【正文】 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)通過單片機(jī)進(jìn)行控制。本裝置中電磁鐵提供的電磁力足以將傳感器頂出 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。 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，單位為 m。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。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。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷。圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，磁塊靠近霍爾元件。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=21 c(t2t1)。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。 此測(cè)量裝置的輪胎，齒輪，皮帶都是通過普通平鍵來連接來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的。節(jié)距為 。 摩擦帶容易打滑，這是管道機(jī)器人絕對(duì)不允許的，因?yàn)橐坏┏鍪?，就無法將機(jī)器人從管道中取出來。 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算，其公式為： ? ?Fk t Fa SamF Y Ybm???? 其中 112tmTF d? 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算，其公式為： ? ? ? ?1EH2 3R R 1kT5Z 1 0 . 5 d uH??????? 經(jīng)校核 F 30 40 M P aMPa? ?? 2 5 4 0 M P aH M Pa? ?? 齒輪符合強(qiáng)度條件。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 22 頁 共 35 頁 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 1z =13 則大齒輪的齒數(shù)為 Z2=13179。 ② 水，主要用于橡膠軸承或增強(qiáng)酚醛塑料軸承的潤(rùn)滑。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。非金屬軸承也可用水進(jìn)行潤(rùn)滑。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) Pf ，故實(shí)際計(jì)算時(shí)，軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷應(yīng)為： ? ?P r aP f XF YF?? 選取的軸承代號(hào)為 6205，它的基本額定負(fù)荷： 14rC kN? ， 查表查的徑向動(dòng)載荷系數(shù) X=，軸向動(dòng)載荷系數(shù) Y=； 已確定軸承徑向載荷 765 N， ,取 ? 軸承轉(zhuǎn)速為 3 / minnr? ，為球軸承取 ??? 當(dāng)量動(dòng)載荷 ? ? ? ?1. 2 0. 56 76 5 51 4P r aP f X F Y F N N? ? ? ? ? ? 由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 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 21 頁 共 35 頁 計(jì)算軸承壽命 對(duì)于球軸承，式中 ? =3 hFCnLPh36651414000460106010 ??????????????????? =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。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。 ? 為指數(shù)。這類軸承有：深溝球軸承、調(diào)心球軸承、調(diào)心滾子軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承。 （ 3）采用各種減小應(yīng)力集中和提高疲勞強(qiáng)度的措施 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 19 頁 共 35 頁 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。 106=Ft179。 31+179。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)： Fv1?106=Fr179。根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知：取齒輪傳動(dòng)的效率為 ，則齒輪在此軸上的扭矩為： P1=p? =20?= n1=4r/min T1 =9550000179。 我所校核的這根軸是錐齒輪傳動(dòng)的從動(dòng)軸如圖 7。作用在軸上的扭矩，一般從傳動(dòng)件輪轂的中點(diǎn)算起。（ 1+） = 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 16 頁 共 35 頁 圓整后可取 d=12mm。 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，這類軸在各種機(jī)器種最常見；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)矩、不承受彎矩或受彎矩很小的軸。 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。 一般機(jī)器中的軸常用優(yōu)質(zhì)中碳鋼制造，這類鋼比合金鋼廉價(jià)，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低，其中 45 號(hào)鋼最為常用。 本裝置中選用霍爾元件 DN6837，它是一個(gè)開關(guān)集成霍爾傳感器，其輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過一級(jí)三極管放大，在送到單片機(jī)的輸入口。計(jì)程輪上安裝有霍爾傳感器。當(dāng)管壁直徑變化時(shí)，壓緊輪就會(huì)以銷軸為中心，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)。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，它沒有調(diào)速的作用，只需使兩軸具有同樣的旋轉(zhuǎn)速度。 60=由于電機(jī)的初速度為 14 r/min，由傳動(dòng)比公式 i=14/w=14/= 所以傳動(dòng)比 i= 我選用直齒圓錐齒輪來傳遞能量和動(dòng)力。初選車輪直徑為 40mm 則此時(shí)車輪的角速度以及減速后最終的角速度為： ω =60v/(π179。 其計(jì)算過程為： 車輪與管壁的摩擦系數(shù)為 ? = 車體的重量為 50kg G=mg=50179。整個(gè)系統(tǒng)由于利用了對(duì)稱性 ,抵消了機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過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)行過程中的平穩(wěn)性。 ，保持平衡。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 10 頁 共 35 頁 其框圖如下： 圖 5 測(cè)量裝置整體框圖 計(jì)算機(jī) 接口電路 8051 單片機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電 路 霍爾元件 兩 個(gè)傳感器 繼電器開關(guān) 處理電路 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 11 頁 共 35 頁 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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 兩組車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。布置，可同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)點(diǎn)的涂層厚度。 行走機(jī)構(gòu)和測(cè)量機(jī)構(gòu)要通過 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)。m 4 誤差177。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。 在管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人中采用視覺伺服技術(shù) ,可以有效地克服現(xiàn)有傳感器的不足，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。 （ 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。 （ 2） 智能化的傳感器系統(tǒng) 對(duì)管道內(nèi)部這類非結(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 無法正常發(fā)揮作用 ,或過多地依賴人的介入，已經(jīng)不能滿足其發(fā)展的需要。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 7 頁 共 35 頁 （ 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、支岔管中的通過性問題仍未解決。從而計(jì)算出涂層的厚度。 （ 4） 超聲波測(cè)厚 超聲波測(cè)厚儀是利用超聲波脈沖反射原理 ,通過發(fā)射的超聲波脈沖至涂層 / 基材 , 計(jì)算脈沖通過涂層 / 基材界面反射回發(fā)射器所花的時(shí)間來計(jì)算涂層的厚度。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 。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。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。 磁性原理測(cè)厚儀可用來精確測(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。 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 。測(cè)厚儀基本結(jié)構(gòu)由磁鋼、接力簧、標(biāo)尺及自停機(jī)構(gòu)組成。因此 ,該類方法在管道涂層的測(cè)量中已得到了廣泛的應(yīng)用。 測(cè)量方法的研究進(jìn)展 按有無破壞性 ,表面涂鍍層厚度測(cè)試方法可分 為有損檢測(cè)和無損檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)了管內(nèi)外機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)作業(yè)無纜操作技術(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)化無損檢測(cè)[8]。 (2)一次作業(yè)距離長(zhǎng) ,可達(dá) 2km。 其運(yùn)動(dòng)是通過身體的伸縮 (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 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 4 頁 共 35 頁 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 。 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： (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) ,行走效率高等特點(diǎn) ,對(duì)此類機(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) )。據(jù)不完全統(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。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。目前，世界上石油天然氣管道總長(zhǎng)約 200 萬 km，我國(guó)長(zhǎng)距離輸送管道總長(zhǎng)度約 2萬 km。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。 、現(xiàn)狀和前景 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 年代美、英、法、德、日等國(guó) ,受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平的限制 ,主要成果是無動(dòng)力的管內(nèi)檢測(cè)清理設(shè)備 —— PIG,此類設(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)位置一起記錄下來 . 70 年代以來 ,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 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 2 頁 共 35 頁 也最多 。其原理為 :在機(jī)器人的外表面裝有