【正文】 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)。 8 華正漢，朱敬德，周明超 .聲波檢測在石油管道檢測機器人中的應(yīng)用 [J].上海大學(xué)機械電子工程與自動 化學(xué)院， 2021.（ 1）： 61～ 62。 7 田海晏，薛龍，孫章軍 .直進輪式微型管道機器人的行走系統(tǒng)設(shè)計 [J].北京石油化工學(xué)院機械工程系 ,北京 102617。 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]。 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 :2021 4 王殿君，李潤平，黃光明，管道機器人的研究進展 [J].北京石油化 工學(xué)院機械工程學(xué)院 ,北京 :102617。城市排水管道自動清淤檢測機器人設(shè)想方案 [J]178。機器人 , 2021 (10): 626629。 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。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。本次設(shè)計需要較高的專業(yè)技術(shù)和豐富的知識，它所涉及的領(lǐng)域包含了機械設(shè)計、機械原理、理論力學(xué)、材料力學(xué)等多學(xué) 科的內(nèi)容。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 33 頁 共 35 頁 致謝 本次設(shè)計，雖然 只有短短幾個月 ，但意義深刻。 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。行走機構(gòu)的六個輪，分為兩組，每一組在空間成 120 角，實現(xiàn)了 檢測裝置的定心。我設(shè)計的管道機器人采用直齒圓錐齒輪傳動，因為它可以實現(xiàn)直角傳動，占用空間小，成本低，而且適合管道機器人行進速度慢的要求。因此設(shè)計一個可以在管道中能自由行走并且可以進行自動測量的檢測裝置是非常必要的。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)計中采用單緩沖方式，單緩沖方式與單片機的接線圖如下： 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。這種結(jié)構(gòu)使輸入的數(shù)據(jù)有兩次緩存，因而在操作上十分方便靈活。他具有與微機接口簡便，易于控制操作，使用靈活等優(yōu)點。按輸出極性分，有單極性輸出型和雙極性輸出型等。從輸出 形式分，有電流輸出型和電壓輸出型。 目前 D/A 轉(zhuǎn)換器有多種類型。外部數(shù)據(jù) RAM 與片內(nèi) RAM的功用基本相同，但前者不能進行堆棧操作。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)。作為第二功能時，該口才具有了它獨有的串行存儲器的 功能。 P3 口：具有提升電阻的 8位 I/O 口，該 I/O 口的每一位均可以獨立的定義為第一功能或第二功能。在程序檢驗時，它也接收高位地址和控制信號。 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。 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，在程序檢驗時它也輸入指令字節(jié)， P0 口能吸入 8個 LSTTL 輸入。對 8051 和 8751 此引腳應(yīng)接高電平，但若是地址超過 4K 范圍（ 0FFFH），則單片機將自動訪問外部程序存儲器。對 8031 此引腳必須接地。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)。 PSEN ：程序存儲器允許。 ALE 主要是提供一個定時信號，再從外部程序存儲器取指時把 P0口的底地址字節(jié)鎖存到外接的鎖存器中，每個機器周期 ALE 有效兩次。 PROGALE / ：訪問外部存儲器時，用于鎖存地址底字節(jié)的地址鎖存允許輸出。 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。當(dāng)單片機采用外部時鐘信號時，外部時鐘信號由此引腳接入。當(dāng)單片機采用外部時鐘信號時，次腳應(yīng)接地。 Vss：接地端。 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。 8051 的大部分指令為 1 字節(jié)或者字節(jié)，最長為 3 字節(jié)。 （ 8） .具有兩個 16位定時器 /計數(shù)器。 （ 6） .具有 4 個 8 位的并行 I/O 端口、具有一個全雙工導(dǎo)步串行 I/O 端口，共 32根 I/O線。 （ 4） .具有 21個特殊功能寄存器。 （ 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。目前，工業(yè)控制中應(yīng)用最多的是 8051單片機。三種型號的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少許差異。 MCS51 系列單片機 主要有三種型號的產(chǎn)品： 803 8051 和 8751。單片機有著體型小﹑ 功耗低﹑ 功能強﹑ 性價比高﹑ 易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點，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。它是計算機的基本部件微型化，使之集成在一塊芯片的微機。 電氣系統(tǒng)的硬件設(shè)計 單片機的選擇 本系統(tǒng)選用單片機為控制單元。 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。通過控制直流電機的正反轉(zhuǎn) 來實現(xiàn)測量裝置的前進，后退。本裝置中電磁鐵提供的電磁力足以將傳感器頂出 步進電機的選擇 步進電機的作用主要是為了滿足被測量管道在同一徑向圓上不同點 的 涂層厚度 的要求。 Ae) 式中： B 為磁感應(yīng)強度，單位為 Wb/m^2； Φ 為感應(yīng)磁通（測量值），單位為 Wb； N為感應(yīng)線圈的匝數(shù)； Ae 為測試樣品的有效截面積，單位為 m^2。 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。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)需要人為進行調(diào)節(jié)。即當(dāng)電磁鐵通電時，傳感器被頂出，進行測量，當(dāng)電磁鐵斷電時，傳感器在彈簧的作用下，收縮回套筒，結(jié)束測量。 圖 16測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 27 頁 共 35 頁 兩個傳感器在同一圓周上，測量圓周上不同點的涂層厚度。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。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。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷。從而使得車輪在轉(zhuǎn)動過程中，霍爾開關(guān)集成電路輸出連續(xù)脈沖 信號。圓盤轉(zhuǎn)動，磁塊靠近霍爾元件。它由磁鋼和霍爾元件組成。假設(shè)超聲波在外表面反射回?fù)Q能器所用的時間是 t1,在接觸面反射回?fù)Q能器的時間是 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)。 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 。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。平鍵的橫截面是矩形，平鍵的上下表面相互平行。 此測量裝置的輪胎，齒輪，皮帶都是通過普通平鍵來連接來實現(xiàn)傳動的。 鍵的選擇 鍵與花鍵聯(lián)接是最常見的輪轂聯(lián)接方式，屬可拆卸聯(lián)接。節(jié)距為 。 帶輪的結(jié)構(gòu)如圖所示 ，其外徑為 。 摩擦帶容易打滑，這是管道機器人絕對不允許的，因為一旦出事，就無法將機器人從管道中取出來。所以帶輪的設(shè)計不必考慮傳動比的問題。 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 0 . 5 d uH??????? 經(jīng)校核 F 30 40 M P aMPa? ?? 2 5 4 0 M P aH M Pa? ?? 齒輪符合強度條件。 13=26 d2=mz2=2179。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 22 頁 共 35 頁 我采用圓錐齒輪傳動，其設(shè)計參數(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。 滾動軸承通常采用脂潤滑，高速重載或高溫時需 要用油潤滑。 ② 水，主要用于橡膠軸承或增強酚醛塑料軸承的潤滑。 （ 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。按照確定的黏度區(qū)和軸承的壓強，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等參數(shù)確定潤滑方式。在眾多的物理、化學(xué)性能指標(biāo)中，最重要的是黏度和油性。非金屬軸承也可用水進行潤滑。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。為了記及這些影響，可對當(dāng)量動載荷乘上一個根據(jù)經(jīng) 驗而定的載荷系數(shù) Pf ，故實際計算時，軸承的當(dāng)量動載荷應(yīng)為： ? ?P r aP f XF YF?? 選取的軸承代號為 6205，它的基本額定負(fù)荷： 14rC kN? ， 查表查的徑向動載荷系數(shù) X=，軸向動載荷系數(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，在此只對軸承所受徑向力進行校核計算， 因為軸承只按徑向力計算，所以當(dāng)量動載荷 C=14 kN 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 21 頁 共 35 頁 計算軸承壽命 對于球軸承，式中 ? =3 hFCnLPh36651414000460106010 ??????????????????? =14945533770000h 其強度足夠，計算結(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。當(dāng)量動載荷 P（ rP或 aP ）的一般計算公式為 raP XF YF?? 式中， X、 Y 分別為徑向動載荷系數(shù)和軸向動載荷系數(shù)。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(dāng)量動載荷，用字母 P表示。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 。 ? 為指數(shù)。 下面進行軸承的校核計算。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。 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。 （ 3）采用各種減小應(yīng)力集中