【正文】 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 35 頁 共 35 頁 14 王永福 ,鄧宗全 .管內(nèi)機(jī)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(bào) , 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(jī)器人中的應(yīng)用 [J].上海大學(xué)機(jī)械電子工程與自動 化學(xué)院， 2020.（ 1）： 61～ 62。 7 田海晏，薛龍，孫章軍 .直進(jìn)輪式微型管道機(jī)器人的行走系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程系 ,北京 102617。 6 劉大維，彭商賢，龔進(jìn)峰 .地下管道檢測移動機(jī)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(jī)器人的設(shè)計(jì) [J].北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院 ,北京 :2020 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。城市排水管道自動清淤檢測機(jī)器人設(shè)想方案 [J]178。機(jī)器人 , 2020 (10): 626629。 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，不僅解決了問題，而且增進(jìn)了友誼，在此對他們表示感謝。從開始時(shí)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(gè)工程上的問題。本次設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)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(jì) 第 33 頁 共 35 頁 致謝 本次設(shè)計(jì)，雖然 只有短短幾個(gè)月 ，但意義深刻。 本次設(shè)計(jì)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(diǎn)。行走機(jī)構(gòu)的六個(gè)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。我設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人采用直齒圓錐齒輪傳動，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)直角傳動，占用空間小，成本低，而且適合管道機(jī)器人行進(jìn)速度慢的要求。因此設(shè)計(jì)一個(gè)可以在管道中能自由行走并且可以進(jìn)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(hù) ,成了工業(yè)生產(chǎn)中的一道難題。本次設(shè)計(jì)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(jì) 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(jī)接口簡便，易于控制操作，使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。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(jìn)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(shí)，該口才具有了它獨(dú)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(dú)立的定義為第一功能或第二功能。在程序檢驗(yàn)時(shí)，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(kuò)展時(shí)作高 8 位地址線用。 P0口：一個(gè) 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(shí)它也輸入指令字節(jié)， P0 口能吸入 8個(gè) 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(jī)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(jì) 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(gè)機(jī)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(gè)定時(shí)信號，再從外部程序存儲器取指時(shí)把 P0口的底地址字節(jié)鎖存到外接的鎖存器中，每個(gè)機(jī)器周期 ALE 有效兩次。 PROGALE / ：訪問外部存儲器時(shí)，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(shí)執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位。當(dāng)單片機(jī)采用外部時(shí)鐘信號時(shí)，外部時(shí)鐘信號由此引腳接入。當(dāng)單片機(jī)采用外部時(shí)鐘信號時(shí)，次腳應(yīng)接地。 Vss：接地端。 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(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 （ 6） .具有 4 個(gè) 8 位的并行 I/O 端口、具有一個(gè)全雙工導(dǎo)步串行 I/O 端口，共 32根 I/O 線。 （ 4） .具有 21 個(gè)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(shí)間絕大多 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 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(jī)。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(jī) 主要有三種型號的產(chǎn)品： 803 8051 和 8751。單片機(jī)有著體型小﹑ 功耗低﹑ 功能強(qiáng)﹑ 性價(jià)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。它是計(jì)算機(jī)的基本部件微型化，使之集成在一塊芯片的微機(jī)。 電氣系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選擇 本系統(tǒng)選用單片機(jī)為控制單元。 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)通過單片機(jī)進(jìn)行控制。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。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量管道在同一徑向圓上不同點(diǎn) 的 涂層厚度 的要求。 Ae) 式中： B 為磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行調(diào)節(jié)。即當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，傳感器被頂出，進(jìn)行測量，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)束測量。 圖 16測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 27 頁 共 35 頁 兩個(gè)傳感器在同一圓周上，測量圓周上不同點(diǎn)的涂層厚度。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。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。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(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)。 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(shí)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(jī)器人絕對不允許的，因?yàn)橐坏┏鍪?，就無法將機(jī)器人從管道中取出來。所以帶輪的設(shè)計(jì)不必考慮傳動比的問題。 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。 13=26 d2=mz2=2179。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 22 頁 共 35 頁 我采用圓錐齒輪傳動，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。 滾動軸承通常采用脂潤滑，高速重載或高溫時(shí)需 要用油潤滑。 ② 水，主要用于橡膠軸承或增強(qiáng)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(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(jìn)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(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 . 5 6 7 6 5 5 1 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(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。當(dāng)量動載荷 P（ rP或 aP ）的一般計(jì)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(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(shí)數(shù)表示壽命， n 代表軸承的轉(zhuǎn)速（單位為 r/min），則以小時(shí)數(shù)表示的軸承壽命 hL （單位為 h） 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 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(jì)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(jì)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 。 ? 為指數(shù)。 下面進(jìn)行軸承的校核計(jì)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)力集中和提高疲勞強(qiáng)度的措施