【正文】 2： 33～ 36。 2 楊國量 ,等178。它是對大學(xué)所學(xué)課程的一個總結(jié)。我所設(shè)計的檢測裝置，實現(xiàn)了機器人在管道內(nèi)的自由行走，自動檢測，并且可以將所測到的數(shù)據(jù)傳回上位機。 DAC0832 主要由兩個 8 位寄存器與一個 D/A 轉(zhuǎn)換器組成。 轉(zhuǎn)換器 的選擇 為了控制 直流電機的啟停以及前進和后退， 這里需要 D/A 轉(zhuǎn)換器 將單片機發(fā)出的數(shù)字控制信號準換為模擬信號 ，實現(xiàn)連續(xù)輸出控制。 P2 口能吸入或放出 3 個 LSTTL 的輸入。EA=1時，單片機只訪問內(nèi)部程序存儲器。即使不訪問外部存儲器， ALE以震蕩頻率的 1/6 為固定頻率輸出，因而它能用作外部時鐘或定時 。 XTAL1：接外部晶體的一個引腳。 （ 7） .具有 5 個中斷源，配備兩個優(yōu)先級?？梢哉f 8031 是沒有 ROM 的 8051，而 8751 又是用 EPROM代替 ROM 的 8051。 單片微型計算機（ Single Chip Microputer）簡稱單片機，又稱微控制機器（ Microcontroller Unit）或者嵌埋式控制器 (Embedded Controller)。 然后根據(jù) F=BILSINa就可以確定電磁力的大小了。它們被固定在兩個套筒中，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，通過對電磁鐵通斷電的控制，來控制傳感器的移動。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 25 頁 共 35 頁 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。 還有一些發(fā)生多次反射 , 如圖 12 (c) 所示。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，有的還可以實現(xiàn)軸向固定和傳遞軸向力。因而我所設(shè)計的帶輪只要滿足強度要求即可。在本此設(shè)計中，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，可選擇脂潤滑。根據(jù)軸頸直徑 d，軸的轉(zhuǎn)速 n確定潤滑油的黏度區(qū)。 實際上，在許多支承中還會出現(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算。 滾動軸承壽命的計算公式為 10 CL P???????? 式中 10L 的單位為 610r 。 （ 2） 軸上零件定位可靠、裝拆方便。 106=Fr179。 下面進行軸的設(shè)計計算和強度校核。計算時將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點取為載荷分布段的中點?？招妮S內(nèi)徑與外徑比通常為 ～ ，以保證軸的剛度及扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。 Q235A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械強度用于受載荷較大、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度鑄鐵一般用于鑄成外形復(fù)雜的軸，他們吸振性好，對應(yīng)力集中敏感性低。計程輪設(shè)計如圖 6所示，它的結(jié)構(gòu)比較簡單，是用四個導(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)姆较蛏舷乱苿樱囕喭ㄟ^銷軸連在支架上，可以隨支架一起 運動，以保證計程輪始終與地面接觸?？紤]到機器人在前進過程中要托纜，因此將此機器人設(shè)計成前后輪共同驅(qū)動的方式，以獲得較大的牽引力。 此測量裝置在 500mm/min 的速度下前進，速度比較低。當移動機構(gòu)行走時 ,三個輪子呈徑向均勻分布 ,三點確定一個平面 ,三點始終在一個圓柱面上 ,因此可以實現(xiàn)自定心 ,在支撐裝置的作用下 ,驅(qū)動輪被緊緊壓在管道內(nèi)壁上 ,具有較強的適應(yīng)性。 控制系統(tǒng)以單片機 8051 為中心，它控制著直流電機 — 機器人的動力源的前進、后退和停止 、 2 個傳感器的通斷，并將厚度信號和轉(zhuǎn)換信號進行處理， 傳送給上位機，接受上位機的監(jiān)控。m 5行走速度 500mm/min 6 工作環(huán)境溫度 0— 50℃ 該測量裝置由 行走系統(tǒng)機構(gòu)、測量機構(gòu)和控制部分 構(gòu) 成。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 8 頁 共 35 頁 通過本次畢業(yè)設(shè)計，達到溫習鞏固以前所學(xué)的所有知識，并將其在實際設(shè)計中加以的運用。同時，先進的感知算法的研究是必要的，只有將感知算法與傳感器的硬件結(jié)合起來，形成智能化的傳感器，才能為提高管內(nèi)作業(yè)機器人的控制水平打下良好的基礎(chǔ)。 管內(nèi)作業(yè)機器人的發(fā)展前景 為了使管內(nèi)作業(yè)機器人能夠盡快地走出實驗室 ,進入實用化階段 ,必須在以下幾個方面有所突破。目前開發(fā)比較成熟的磁性測厚儀有時代公司的 TT220, 德國 EPK 公司開發(fā)的 M IN ITEST4100 /3100 /2100 /1100 系列測厚儀和 PHYN IX 公司的 Surfix/Pocket2Surfix便攜式涂鍍層測厚儀 ,可以 方便地實現(xiàn)各種條件下的無損測厚。由于這類測頭專門測量非鐵磁金 屬基材上的覆層厚度 ,所以通常稱之為非磁性測頭。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 ) 。利用這一原理制成測厚儀 ,只要覆層與基材的導(dǎo)磁率之差足夠大 ,就可進行測量。該系統(tǒng)可實現(xiàn) 20mm 管道內(nèi)裂紋和缺陷的移動探測 [9]。該機器人具有以下特點 : (1)適應(yīng)大管徑 (大于或等于 900mm)的管道焊縫 X 射線檢測。 、現(xiàn)狀和前景 管道涂層檢測裝置的發(fā)展 管內(nèi)作業(yè)機器人是一種可沿管道自動行走 ,攜有一種或多種傳感器件和作業(yè)機構(gòu) ,在遙控操縱或計算機控制下能在極其惡劣的 環(huán)境中進行一系列管道作業(yè)的機電儀一體化系統(tǒng) .對較長距離管道的直接檢測、清理技術(shù)的研究始于本世紀 50年代美、英、法、德、日等國 ,受當時的技術(shù)水平的限制 ,主要成果是無動力的管內(nèi)檢測清理設(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)動力 ,隨著管內(nèi)流體的流動向前移動 ,并可攜帶多種傳感器 .由于 PIG 本身沒有行走能力 ,其移動速度、檢測區(qū)域均不易控制 ,所以不能算作管內(nèi)機器人 .圖 1所示為一種典型的管內(nèi)檢測 PIG[5]. 這種 PIG 的兩端各安裝一個聚氨脂密封碗 ,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 ,測量半 徑方面的變形 ,并與行走距離儀的旋轉(zhuǎn)聯(lián)動 ,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量內(nèi)徑 ,識別彎頭部位 ,測量凹陷等變形部位及管圓度的功能 ,并可以把測量結(jié)果和檢測位置一起記錄下來 . 70 年代以來 ,石油、化工、天然氣及核工業(yè)的發(fā)展為管道機器人的應(yīng)用提供了廣闊而誘人的前景 ,而機器人學(xué)、計算機、傳感器等理論和技術(shù)的發(fā)展 ,也為管內(nèi)和管外自主移動機器人的研究和應(yīng)用提供了技術(shù)保證 .日、美、英、法、德等國在此方面做了大量研究工作 ,其中日本從事管道機器人研究的人員最多 ,成果 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 2 頁 共 35 頁 也最多 。目前，世界上石油天然氣管道總長約 200 萬 km，我國長距離輸送管道總長度約 2 萬 km。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至 1990 年，國內(nèi)輸油管道共發(fā)生大小事故 628 次。 其運動是通過身體的伸縮 (蠕動 )實現(xiàn)的 :首先 ,尾部支承 ,身體伸長帶動頭部向前運動 ,然后 ,頭部支承 ,身 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 4 頁 共 35 頁 體收縮帶動尾部向前運動 ,如此循環(huán)實現(xiàn)機器人的行走 .圖 3所示為日本日歷制作所研制的蠕動式管內(nèi)機器人 ,其前后兩部分各有 8條氣缸驅(qū)動的可伸縮支撐足 ,中部有一氣缸作為蠕動源 。實現(xiàn)了管內(nèi)外機構(gòu)同步運動作業(yè)無纜操作技術(shù) , 并研制了鏈式和鋼帶式兩種新型管外旋轉(zhuǎn)機構(gòu) ,課題研究成果主要用于大口徑管道的自動化無損檢測[8]。因此 ,該類方法在管道涂層的測量中已得到了廣泛的應(yīng)用。 磁感應(yīng)測厚法的基本原理 :利用基體上的非鐵磁性涂覆層在測量磁回路中形成非 鐵磁間隙 ,使線圈的磁感應(yīng)強度減弱 。其工作原理為 :高頻交流信號會在測頭線圈中產(chǎn)生電磁場 ,當測頭靠近導(dǎo)體時 ,就在其中形成渦流。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 。從而計算出涂層的厚度。 （ 2） 智能化的傳感器系統(tǒng) 對管道內(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。 在管內(nèi)作業(yè)機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 ,并對其智能化進程有重要意義。m 4 誤差177。布置，可同時測量兩個點的涂層厚度。 ，保持平衡。 其計算過程為： 車輪與管壁的摩擦系數(shù)為 ? = 車體的重量為 50kg G=mg=50179。 60=由于電機的初速度為 14 r/min，由傳動比公式 i=14/w=14/= 所以傳動比 i= 我選用直齒圓錐齒輪來傳遞能量和動力。當管壁直徑變化時，壓緊輪就會以銷軸為中心，進行旋轉(zhuǎn)，同時齒條就會因為嚙合的作用前后移動，彈簧也跟著壓縮或拉長。 本裝置中選用霍爾元件 DN6837，它是一個開關(guān)集成霍爾傳感器，其輸出的脈沖信號經(jīng)過一級三極管放大，在送到單片機的輸入口。 直軸一般都做成實心，若因機器特殊需要也可制成空心軸。（ 1+） = 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 16 頁 共 35 頁 圓整后可取 d=12mm。 我所校核的這根軸是錐齒輪傳動的從動軸如圖 7。下面利用靜平衡原理計算 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。 106=Ft179。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。因此，在進行軸承壽命計算時，必須把實際載荷轉(zhuǎn)換為與確定基本額定動載荷的載荷條件相一致的當量動載荷，用字母 P表示。非金屬軸承也可用水進行潤滑。 ② 水，主要用于橡膠軸承或增強酚醛塑料軸承的潤滑。 按齒根彎曲疲勞強度計算，其公式為： ? ?Fk t Fa SamF Y Ybm???? 其中 112tmTF d? 按齒面接觸疲勞強度計算，其公式為： ? ? ? ?1EH2 3R R 1kT5Z 1 d uH??????? 經(jīng)校核 F 30 40 MP aM Pa? ?? 25 40 MPaH M Pa? ?? 齒輪符合強度條件。節(jié)距為 。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中。圓盤轉(zhuǎn)動，磁塊靠近霍爾元件。本設(shè)計中選用 的是直探頭 ，因為本裝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。 I / Le 式中： H為磁場強度，單位為 A/m； N為勵磁線圈的匝數(shù)； I 為勵磁電流（測量值），單位 為 A； Le為測試樣品的有效磁路長度，單位為 m。 兩個傳感器是靠步進電機控制的，因為步進電機可實現(xiàn)精確角度的旋轉(zhuǎn)，步進電機通過單片機進行控制。 MCS51系列單片機 主要有三種型號的產(chǎn)品： 803 8051 和 8751。 （ 4） .具有 21 個特殊功能寄存器。 MCS51系列單片機的引腳及其功能 MCS51單片機是一個具有 40 根引腳的 雙列直插式器件，引腳圖及其功能分類如圖4所示。 CPU 通過執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位來響應(yīng)，在 RST 為高電平的第二周期時執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位。取指令操作期間， 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 30 頁 共 35 頁 PSEN 的頻率為振蕩頻率的 1/6；但若此期間有訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的操作，則有一個機器周期中的 PSEN 信號將不出現(xiàn)。 P2口：具提升電阻的 8 位雙向 I/O 口，可供系統(tǒng)擴展時作高 8 位地址線用。其中， 8751 或 8051 在片內(nèi)各有 4K字節(jié)的程序存器 ROM 或 EPROM，并處于這一空間的最低地址區(qū)。按輸出極性分，有單極性輸出型和雙極性輸出型等。而管道所處的環(huán)境往往是人們不易或不能直接接觸的 ,因此 ,對于管道的檢測和維護 ,成了工業(yè)生產(chǎn)中的一道難題。 本次設(shè)計的管道涂層厚度測量裝置滿足了自動測量的要求，并且 該裝置 具有 便攜、工作穩(wěn)定、成本低的優(yōu)點。 同時也要感謝 幫助我的各位同學(xué)，他們 的幫助也讓我受益匪淺，不僅解決了問題，而且增進了友誼，在此對他們表示感謝。 6 劉大維，彭商賢，龔進峰 .地下管道檢測移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 [J]。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 35 頁 共 35 頁 14 王永福 ,鄧宗全 .管內(nèi)機器人視覺技術(shù)的成像理論 [J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報 , 1995,27(4)。 3 張逍 丁希侖 .一種新型石油管道檢測機器人的設(shè)計 [J].北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院 ,北京 :2020 4 王殿君