【正文】 2： 33～ 36。 2 楊國(guó)量 ,等178。它是對(duì)大學(xué)所學(xué)課程的一個(gè)總結(jié)。我所設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在管道內(nèi)的自由行走，自動(dòng)檢測(cè)，并且可以將所測(cè)到的數(shù)據(jù)傳回上位機(jī)。 DAC0832 主要由兩個(gè) 8 位寄存器與一個(gè) D/A 轉(zhuǎn)換器組成。 轉(zhuǎn)換器 的選擇 為了控制 直流電機(jī)的啟停以及前進(jìn)和后退， 這里需要 D/A 轉(zhuǎn)換器 將單片機(jī)發(fā)出的數(shù)字控制信號(hào)準(zhǔn)換為模擬信號(hào) ，實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸出控制。 P2 口能吸入或放出 3 個(gè) LSTTL 的輸入。EA=1時(shí)，單片機(jī)只訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)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(shí)鐘或定時(shí) 。 XTAL1：接外部晶體的一個(gè)引腳。 （ 7） .具有 5 個(gè)中斷源，配備兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。可以說(shuō) 8031 是沒(méi)有 ROM 的 8051，而 8751 又是用 EPROM代替 ROM 的 8051。 單片微型計(jì)算機(jī)（ Single Chip Microputer）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)。 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(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)。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 25 頁(yè) 共 35 頁(yè) 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(shí)現(xiàn)軸向固定和傳遞軸向力。因而我所設(shè)計(jì)的帶輪只要滿(mǎn)足強(qiáng)度要求即可。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。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)。 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。 滾動(dòng)軸承壽命的計(jì)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(jìn)行軸的設(shè)計(jì)計(jì)算和強(qiáng)度校核。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)?？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(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。計(jì)程輪設(shè)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。考慮到機(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。 此測(cè)量裝置在 500mm/min 的速度下前進(jìn)，速度比較低。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)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。 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。m 5行走速度 500mm/min 6 工作環(huán)境溫度 0— 50℃ 該測(cè)量裝置由 行走系統(tǒng)機(jī)構(gòu)、測(cè)量機(jī)構(gòu)和控制部分 構(gòu) 成。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 8 頁(yè) 共 35 頁(yè) 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。同時(shí)，先進(jìn)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(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)。 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。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。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。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(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。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]。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(xiàn)檢測(cè)。 、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(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(xiàn)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(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 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 2 頁(yè) 共 35 頁(yè) 也最多 。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。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。 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 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 4 頁(yè) 共 35 頁(yè) 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 。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]。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。 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(xiàn)圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱 。其工作原理為 :高頻交流信號(hào)會(huì)在測(cè)頭線(xiàn)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。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(jì)算出涂層的厚度。 （ 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(lài)人的介入，已經(jīng)不能滿(mǎn)足其發(fā)展的需要。 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。m 4 誤差177。布置，可同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)點(diǎn)的涂層厚度。 ，保持平衡。 其計(jì)算過(guò)程為： 車(chē)輪與管壁的摩擦系數(shù)為 ? = 車(chē)體的重量為 50kg G=mg=50179。 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(lái)傳遞能量和動(dòng)力。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)。 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。 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。（ 1+） = 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 16 頁(yè) 共 35 頁(yè) 圓整后可取 d=12mm。 我所校核的這根軸是錐齒輪傳動(dòng)的從動(dòng)軸如圖 7。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。 106=Ft179。這類(lèi)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(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。非金屬軸承也可用水進(jìn)行潤(rùn)滑。 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 d uH??????? 經(jīng)校核 F 30 40 MP aM Pa? ?? 25 40 MPaH M Pa? ?? 齒輪符合強(qiáng)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(duì)中。圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，磁塊靠近霍爾元件。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(mǎn)足要求。 I / Le 式中： H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為 A/m； N為勵(lì)磁線(xiàn)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。 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。 MCS51系列單片機(jī) 主要有三種型號(hào)的產(chǎn)品： 803 8051 和 8751。 （ 4） .具有 21 個(gè)特殊功能寄存器。 MCS51系列單片機(jī)的引腳及其功能 MCS51單片機(jī)是一個(gè)具有 40 根引腳的 雙列直插式器件，引腳圖及其功能分類(lèi)如圖4所示。 CPU 通過(guò)執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位來(lái)響應(yīng)，在 RST 為高電平的第二周期時(shí)執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位。取指令操作期間， 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 30 頁(yè) 共 35 頁(yè) PSEN 的頻率為振蕩頻率的 1/6；但若此期間有訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的操作，則有一個(gè)機(jī)器周期中的 PSEN 信號(hào)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(kuò)展時(shí)作高 8 位地址線(xiàn)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(duì)于管道的檢測(cè)和維護(hù) ,成了工業(yè)生產(chǎn)中的一道難題。 本次設(shè)計(jì)的管道涂層厚度測(cè)量裝置滿(mǎn)足了自動(dòng)測(cè)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(diǎn)。 同時(shí)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(wèn)題，而且增進(jìn)了友誼，在此對(duì)他們表示感謝。 6 劉大維，彭商賢，龔進(jìn)峰 .地下管道檢測(cè)移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 [J]。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 35 頁(yè) 共 35 頁(yè) 14 王永福 ,鄧宗全 .管內(nèi)機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)的成像理論 [J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) , 1995,27(4)。 3 張逍 丁希侖 .一種新型石油管道檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì) [J].北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院 ,北京 :2020 4 王殿君