【正文】 021 4 王殿君，李潤平，黃光明，管道機(jī)器人的研究進(jìn)展 [J].北京石油化 工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 ,北京 :102617。從開始時的模模糊糊到最后有了成熟的思想，不僅使我們學(xué)會了利用所學(xué)知識來解決實(shí)際問題，而且使我們真正懂得了怎樣去解決一個工程上的問題。行走機(jī)構(gòu)的六個輪，分為兩組，每一組在空間成 120 角，實(shí)現(xiàn)了 檢測裝置的定心。本次設(shè)計中采用單緩沖方式，單緩沖方式與單片機(jī)的接線圖如下： 圖 18 0832按單緩沖方式與 8051連接圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 32 頁 共 35 頁 結(jié) 束語 20 世紀(jì) 70 年代以來 ,石油、化工、天然氣及核工業(yè)等產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展 ,各種管道作為一種重要的物料輸送設(shè)施 ,得到了廣泛應(yīng)用。從輸出 形式分，有電流輸出型和電壓輸出型。作為第二功能時，該口才具有了它獨(dú)有的串行存儲器的 功能。 P0 口：一個 8位的開漏雙向 I/O 口，數(shù)據(jù) /外部存儲器低 8 位地址總線端口，在程序檢驗(yàn)時它也輸入指令字節(jié)， P0 口能吸入 8個 LSTTL 輸入。 PSEN ：程序存儲器允許。當(dāng)單片機(jī)采用外部時鐘信號時，外部時鐘信號由此引腳接入。 8051 的大部分指令為 1 字節(jié)或者字節(jié)，最長為 3 字節(jié)。 （ 2） .一般外接晶振頻率為 12MHz，指令周期為 1μ s，每執(zhí)行一條指令時間絕大多 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 29 頁 共 35 頁 數(shù)為 1μ s2μ s，最長為 4μ s。單片機(jī)有著體型小﹑ 功耗低﹑ 功能強(qiáng)﹑ 性價比高﹑ 易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點(diǎn)，在自動化裝置﹑ 智能化儀器與儀表﹑過程控制和家電控制等許多領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。通過控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn) 來實(shí)現(xiàn)測量裝置的前進(jìn)，后退。電磁鐵產(chǎn)生的電磁力隨著流過線圈的電流的大小 變化而變化，因此可根據(jù)需要人為進(jìn)行調(diào)節(jié)。它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的，逆壓電效應(yīng)將高頻電震動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；兒利用正壓電效應(yīng)，將超聲波轉(zhuǎn)換為電信號，可作為接收探頭。它由磁鋼和霍爾元件組成。平鍵的橫截面是矩形，平鍵的上下表面相互平行。 帶輪的結(jié)構(gòu)如圖所示 ，其外徑為 。 13=26 d2=mz2=2179。 （ 3）其他潤滑材料 除潤滑油 ,潤滑脂外，還有其它潤滑材料，如： ① 固體潤滑劑，常用的有石墨、二硫化鉬、二硫化鎢等。潤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。如果改用小時數(shù)表示壽命， n 代表軸承的轉(zhuǎn)速（單位為 r/min），則以小時數(shù)表示的軸承壽命 hL （單位為 h） 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 20 頁 共 35 頁 61060h CL nP???? ???? 如果載荷 P和轉(zhuǎn)速 n為已知，預(yù)期計算壽命又已取定，則所需軸承應(yīng)具有的基本額定動載荷 C（單位為 N）可根據(jù)上式計算得出： 66010 hnLCP ??? 滾動軸承的基本額定動載荷是在一定的運(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 rF ，推力軸承僅承受純軸向載荷 aF 。 軸承的校核 如果按滾動軸承承受載荷的作用方向分類，常用軸承可分成三類，即徑向接觸軸承、向心角接觸 軸承和軸向接觸軸承。 106=Ft179。 mm, 因大齒輪的分度圓直徑為 d=mz=2179。 在做計算簡圖時，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。 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計算 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)行計算 303 ].[ npAnpdT?? ? ， 30 ][?? 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， ][T? —— 許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位 MPa， 45 鋼的 ][T? 值為 25～ 45； 0A —— 其中 45鋼的 0A 的取值為 126～ 103。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 15 頁 共 35 頁 由于振動磨的主軸旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生高頻率的振動，且產(chǎn)生的離心力相當(dāng)大，所以應(yīng)選 45 號鋼作為此傳動軸的材料。正因?yàn)榛魻杺鞲衅鞯幕驹砘魻栃?yīng)只包含了磁場、電流、電壓三個常用物理量，使得采用霍爾傳感器的被測量的測量簡單易行，而磁場強(qiáng)度、電流、電壓是磁場、電場的基本物理量，所以霍爾傳感器可以進(jìn)行精確的非接觸測量。我所設(shè)計的壓緊裝置是通過一個扇形齒輪和一個齒條的相互嚙合實(shí)現(xiàn)的。 500/179。其減速比為 14r/min。由于車輪與管壁之間的摩擦力，車體便可以在管中前進(jìn)或后退。測量機(jī)構(gòu)采用超聲波傳感器，其原理是利用超聲波的反射法，通過記錄回波信號的時間差來計算出涂層的厚度。本設(shè)計主要包括行走系統(tǒng)機(jī)構(gòu)、測量機(jī)構(gòu)和控制部分，要求實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)在管道中行走，行走速度為 。例如，目前已有人在機(jī)械手控制中引入視覺伺服技術(shù)，即利用視覺傳感器來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的位置閉環(huán)控制。應(yīng)該指出的是，要解決管內(nèi)機(jī)器人的通過性問題 ,除了要在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面推陳出新之外 ,還應(yīng)該結(jié)合控制方案來考慮。反射部分會被感應(yīng)器接收 ,傳遞的振動波繼續(xù)傳遞到底材 ,同樣經(jīng)歷著所有材料界面間的反射、傳遞過程。 采用電渦流原理的測厚儀 ,主要是對導(dǎo)電體上的非導(dǎo)電體覆層厚度的測量 ,但當(dāng)覆層材料有一定的導(dǎo)電性時 ,通過校準(zhǔn)也同樣可以測量 ,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 ) 。 （ 2）電渦流測厚 渦流測厚儀是根據(jù)涂鍍層與基體材料的導(dǎo)電性有足夠的差異來進(jìn)行金屬基材上涂覆層的物性膜厚來測量的。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]。目前也有便攜式測厚儀 ,適合在現(xiàn)場使用。 5mm。 (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)移動機(jī)器人 [13],其驅(qū)動輪可變角度以適應(yīng)管徑的變化 ,可通過圓弧過渡的 90 度彎管 . 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 3 頁 共 35 頁 圖 2輪式螺旋推進(jìn)管內(nèi)移動機(jī)器人 總體結(jié)構(gòu)圖 圖 3 輪式螺旋推進(jìn)管內(nèi)移動機(jī)器人 驅(qū)動系統(tǒng)圖 (3) 振動式管內(nèi)機(jī)器人 振動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式管內(nèi)移動機(jī)器人。由于內(nèi)外介質(zhì)的腐蝕、重壓、地形沉降、塌陷等原因，管道不可避免地會出現(xiàn)損傷。 世界上約有 50%的長距離運(yùn)輸管道要使用幾十年、甚至上百年時間，這些管道大都埋在地下、海底。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)簡單 ,動作靈活 ,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 ,但對彎管和支岔管的通過性不佳 .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 等研制的輪式螺旋推進(jìn)管內(nèi)移動機(jī)器人。 (3)焊縫尋址定位精度高為177。有損檢測方法主要有計時液流測厚法、溶解法、電解測厚法等 ,這種方法一般比較繁瑣 ,主要用于 實(shí)驗(yàn)圖 4 蠕動式管內(nèi)移動機(jī)器人 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 5 頁 共 35 頁 室。磁鋼與被測物吸合后 ,將測量簧在其后逐漸拉長 ,拉力逐漸增大。其特點(diǎn)是操作簡便、堅固耐用、不用電源、測量前無須校準(zhǔn)、價格較 低 ,適合車間做現(xiàn)場質(zhì)量控制。與磁感應(yīng)原理比較 ,主要區(qū)別是不同的測頭、不同的信號頻率和大小及不同的標(biāo)度關(guān)系。儀器通過一個發(fā)射器發(fā)射高頻超聲波進(jìn)入涂層 ,振動波會穿透涂層 ,遇上不同力學(xué)性能的材料 (如基材 ) 時 ,振動波會在不同材料的界面部分反射和傳遞。而要解決這一問題，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)動方案是值得研究的問題 .另外，還特別要在動力系統(tǒng)、傳動機(jī)構(gòu)的小型化方面下工夫。但這有賴于先進(jìn)的傳感 器技術(shù)，特別是管內(nèi)環(huán)境識別技術(shù)作保證。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 9 頁 共 35 頁 2 總體方案的設(shè)計 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。 行走系統(tǒng)是由一個直流電動機(jī)通過齒輪減速機(jī)構(gòu)和帶傳動驅(qū)動兩個驅(qū)動輪，從而實(shí)現(xiàn)整個測量裝置的前進(jìn)和后退。電機(jī)帶動錐齒輪旋轉(zhuǎn)，從而使得裝有皮帶輪的軸轉(zhuǎn)動，車輪隨之轉(zhuǎn)動。 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)。 d)=60179。 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。 霍爾傳感器就是利用霍爾效應(yīng)原理，通過磁場、電流對被測量的控制，使包含有被測量變化信息的霍爾電壓發(fā)生變化，在利用后繼的信號檢索和信號放大電路，就可以得到被測量 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 14 頁 共 35 頁 脈沖信號 的信息。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。下面首先通過扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度對軸進(jìn)行設(shè)計，然后再用彎扭組合進(jìn)行校核。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)與軸承的類型和布置方式有關(guān)。 P1/n1=178。 Fa Fv2=125 N 在水平面內(nèi)： Fh1179。 （ 5）對于要求剛性大的軸，還應(yīng)從結(jié)構(gòu)上考慮減小軸的變形。對于球軸承， ??? ；對于滾子軸承， ?????? 。 軸承 的潤滑 軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時，應(yīng)通過潤滑避免元件表面金屬直接接觸。 （ 2）潤滑脂 潤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。 = 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=2179。所以采用嚙合帶，也就是同步帶，其特點(diǎn)如下： 1傳動準(zhǔn)確，工作時無滑動，具有恒定的傳動比； ，具有緩沖、減振能力，噪聲低； ，可達(dá) ，節(jié)能效果明顯； ，不需潤滑，維護(hù)費(fèi)用低； ，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； ，中心距可達(dá) 10m 以上。這是因?yàn)?，平鍵結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，對中性較好。 圖 13 超聲波測量涂層厚度原理圖 霍爾傳感器是測量車輪轉(zhuǎn)數(shù)的傳感器。這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。其結(jié)構(gòu)如圖 16 所示?？紤]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 外形圖為： 圖 17步進(jìn)電機(jī) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 28 頁 共 35 頁 5 電氣系統(tǒng)設(shè)計 電氣系統(tǒng)方案的分析與確定 為了實(shí)現(xiàn)對測量系統(tǒng)的自動控制， 本設(shè)計 采用單片機(jī)對此裝置的 行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。片內(nèi)含有CPU﹑ ROM ﹑ RAM ﹑并行 I/O 串行﹑ I/O 定時器 /計數(shù)器﹑ 中斷控制﹑ 系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等。 8051單片機(jī)的基本特性 （ 1） .具有 8位中央處理單元（ CPU）。 （ 9） .具有位尋址能力，邏輯運(yùn)算靈活。 XTAL2：接外部晶體的一個引腳。這個引腳也是 EPROM 編程時的編程脈沖輸入。 在 8751 單片機(jī)內(nèi)的EPROM 編程期間，此引腳引入編程電源 PPV 。作為第一功能使用時，與普通的 I/O 口沒有什么不同。從數(shù)據(jù)輸入方式分，有并行輸入和串行輸入兩種方式 :并行輸入方式的轉(zhuǎn)換速率一般比串行輸入方式快；但串行方式所需占用的接口引腳資源 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 31 頁 共 35 頁 要少。 根據(jù)對 DAC0832 的輸入寄存器和 DAC 寄存器的不同控制方法，可有 3 種工作方 式：單緩沖方式、雙緩沖方式、和直通方式。為了解決機(jī)器人行進(jìn)中所需要的較大的牽引力的要求，我采用前后輪共同驅(qū)動的方式，驅(qū)動軸是電機(jī)的一根輸出軸，實(shí)現(xiàn)了同步的要求。它也是對我們工作能力的鍛煉。中國市政工程 , 1998, 83 (4): 4345。 9 GB 495685 磁性金屬基體上非磁性覆蓋層厚度測量 磁性方法 10 ISO 2178