【正文】 管的通過(guò)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(dòng)機(jī)器人。其原理為 :在機(jī)器人的外表面裝有若干與機(jī)體成一定角度的彈性針 ,靠彈性針的變形使其壓緊在管壁上 .機(jī)身內(nèi)裝有偏心重物 ,由電機(jī)驅(qū)動(dòng) .當(dāng)偏心重物旋轉(zhuǎn)時(shí) ,離心力使彈性針變形 ,滑動(dòng) ,從而帶動(dòng)機(jī)器人移動(dòng) .振動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,容易小型化 ,但行走速度難以控制 ,而且振動(dòng)使機(jī)器人沿圓周方向自轉(zhuǎn) ,姿態(tài)不穩(wěn)定 ,另外 ,振動(dòng)對(duì)傳感器的工作和壽命均會(huì)產(chǎn)生影響 . (4) 蠕動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人 參考蚯蚓、毛蟲等動(dòng)物的運(yùn)動(dòng) ,人們研制了蠕動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人 。 國(guó)內(nèi)在管道機(jī)器人方面的研究起步較晚，而且多數(shù)停留 在實(shí)驗(yàn)室階段。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射線檢測(cè)。 (3)焊縫尋址定位精度高為177。 (4)檢測(cè)工效高 ,每道焊縫 (900mm 為例 )檢測(cè)時(shí)間不大于 3min。上海大學(xué)研制了“細(xì)小工業(yè)管道機(jī)器人移動(dòng)探測(cè)器集成系統(tǒng)”。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]。有損檢測(cè)方法主要有計(jì)時(shí)液流測(cè)厚法、溶解法、電解測(cè)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(dòng)式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 5 頁(yè) 共 35 頁(yè) 室。常用的無(wú)損檢測(cè)方法有庫(kù)侖 電荷法、磁性測(cè)厚法、渦流測(cè)厚法、超聲波測(cè)厚法和放射測(cè)厚法等，各種無(wú)損測(cè)厚法均有成型的儀器設(shè)備 ,使用起來(lái)方便簡(jiǎn)單 ,且無(wú)需對(duì)表面涂鍍層進(jìn)行破壞 [1] 。 常用的無(wú)損涂層測(cè)量方法有磁性測(cè)厚﹑ 電渦流測(cè)厚 ﹑ 磁性 /渦流測(cè)厚 ﹑超聲波測(cè)厚等 （ 1）磁性測(cè)厚 磁性測(cè)厚法可分為 2 種 :磁吸力測(cè)厚法 和磁感應(yīng)測(cè)厚法。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。磁鋼與被測(cè)物吸合后 ,將測(cè)量簧在其后逐漸拉長(zhǎng) ,拉力逐漸增大。新型的產(chǎn)品可以自動(dòng)完成這一記錄過(guò)程。當(dāng)測(cè)量的是非鐵磁性基體上的磁性涂鍍層厚度時(shí) ,則隨著涂鍍層厚度的增加 ,其磁感應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)增加。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 ) 。其特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便、堅(jiān)固耐用、不用電源、測(cè)量前無(wú)須校準(zhǔn)、價(jià)格較低 ,適合車間做現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制。該方法實(shí)質(zhì)上也屬于電磁感應(yīng)原理 ,但能否采用該方法進(jìn)行厚度測(cè)定 ,與基體及涂鍍層材料的導(dǎo)電性有關(guān) ,而與其是否為磁性材料無(wú)關(guān)。測(cè)頭離導(dǎo)電基體愈近 ,則渦流愈大 ,反射阻抗也愈大。由于這類測(cè)頭專門測(cè)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(cè)頭。與磁感應(yīng)原理比較 ,主要區(qū)別是不同的測(cè)頭、不同的信號(hào)頻率和大小及不同的標(biāo)度關(guān)系。 （ 3）磁性 /渦流測(cè)厚 磁性測(cè)厚和渦流測(cè)厚均有缺點(diǎn) ,為此 ,很多廠家將兩者綜合在一起進(jìn)行測(cè)定 ,采用的探頭有 3 種 : F 型、 N 型和 FN 型。 N型探頭采用渦流原理 ,用于有色金屬 (如銅、鋁、奧氏體不銹鋼 )上的絕緣層 ,如陽(yáng)極氧化膜、油漆和涂料等 。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。儀器通過(guò)一個(gè)發(fā)射器發(fā)射高頻超聲波進(jìn)入涂層 ,振動(dòng)波會(huì)穿透涂層 ,遇上不同力學(xué)性能的材料 (如基材 ) 時(shí) ,振動(dòng)波會(huì)在不同材料的界面部分反射和傳遞。傳感器將反射波轉(zhuǎn)換成電信號(hào) ,這些信號(hào)會(huì)被儀器數(shù)碼化 ,數(shù)碼化反射波被分析后 ,便得到振蕩波所花的確切傳遞時(shí)間 [5]。 超聲波測(cè)厚儀可用于測(cè)量多種材料的厚度 ,如鋼、鐵、塑料和玻璃等。 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。而要解決這一問(wèn)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(dòng)方案是值得研究的問(wèn)題 .另外，還特別要在動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的小型化方面下工夫。例如前述日本于 1994 年推出的 BEAGLE200 管內(nèi)探傷系統(tǒng) ,采用 3臺(tái)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)空間均布的 3個(gè)主動(dòng)輪，雖然機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，但由于 3 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪可分別控制，從而為提高其在彎管段的通過(guò)性提供了可能。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到傳感器的集成 ,即多種傳感器 (光 ,機(jī) ,電 ,儀 )的綜合運(yùn)用是解決上述問(wèn)題的有效手段。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)。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(shí)別技術(shù)作保證。視覺(jué)對(duì)管內(nèi)機(jī)器人具有重要意義，利用視覺(jué) ,可以： ①確定作業(yè)位置； ②識(shí)別管內(nèi)環(huán)境 (是否拐彎 ,是否有枝杈等 )； ③識(shí)別機(jī)器人的姿態(tài) (是否有轉(zhuǎn)體 ,相對(duì)于作業(yè)位置的距離等 )。目前的關(guān)鍵問(wèn)題是如何提高圖像處理的速度，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能的引入將有助于解決這一問(wèn)題。 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。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 9 頁(yè) 共 35 頁(yè) 2 總體方案的設(shè)計(jì) 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。 本次設(shè)計(jì)的管道內(nèi)防腐涂層厚度測(cè)量?jī)x的具體指標(biāo)如下： ： 200mm 2 管道長(zhǎng)度 200m 3涂層測(cè)量范圍 0～ 500181。（ 1177。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。 行走系統(tǒng)是由一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪減速機(jī)構(gòu)和帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量裝置的前進(jìn)和后退。 本裝置中采用兩個(gè)傳感器呈 180176。 在實(shí)際的測(cè)量中要求隨時(shí)確定測(cè)量裝置的確切位置即測(cè)量裝置在管道內(nèi)行走的距離。 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。電機(jī)帶動(dòng)錐齒輪旋轉(zhuǎn)，從而使得裝有皮帶輪的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。尾部還有一個(gè)柔性的計(jì)程輪，其作用： 。 機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊和較大的負(fù)載能力 ,滿足管道內(nèi)行走的基本條件。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。 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)。輸出轉(zhuǎn)矩 。 10N=500N 壓緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的壓緊力為 500N 則： 車體對(duì)管壁的正壓力 N=1000N F=μ N=179。 此測(cè)量裝置在 500mm/min 的速度下前進(jìn)，速度比較低。 d)=60179。 40179。因?yàn)槠淇梢詫?shí)現(xiàn)兩相交軸之間的傳動(dòng)。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。 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。具體如圖 6所示： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 13 頁(yè) 共 35 頁(yè) 圖 6 壓緊裝置 此結(jié)構(gòu)的 原理非常簡(jiǎn)單，但卻很實(shí)用。以此來(lái)調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膲壕o力，保證車體的平衡。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)，而車輪通過(guò)銷軸連在支架上，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。 霍爾傳感器就是利用霍爾效應(yīng)原理，通過(guò)磁場(chǎng)、電流對(duì)被測(cè)量的控制，使包含有被測(cè)量變化信息的霍爾電壓發(fā)生變化，在利用后繼的信號(hào)檢索和信號(hào)放大電路，就可以得到被測(cè)量 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 14 頁(yè) 共 35 頁(yè) 脈沖信號(hào) 的信息。 圖 7計(jì)程輪 它具有靈敏度高，線性度好，穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點(diǎn)，在機(jī)車控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位。 軸的材料是決定其承載能力的重要因素，制造軸的主要材料是碳素鋼及合金鋼。 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。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。 一般常見(jiàn)的軸按其軸線的形狀和功用分為 直軸、曲軸兩大類，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)只涉及直軸，所以我們?cè)诖酥挥懻撝陛S?？紤]到應(yīng)加工方便，軸的截面多為圓形，為了使軸上零件定位及裝拆方便，軸多做成階梯軸?？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。下面首先通過(guò)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度對(duì)軸進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再用彎扭組合進(jìn)行校核。 因選擇的電動(dòng)機(jī)功率為 30kw，即 p=20w，轉(zhuǎn)速 n=14r/min，把數(shù)據(jù)帶入上式有 ： 3303 1420216].[ 00 0 ????? npAn pdT?= 因軸上開(kāi)有兩個(gè)鍵槽，所以軸徑應(yīng)當(dāng)增大 5%～ 7%，則有 d≥ 179。但是這樣求出的直徑，只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑dmin。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)。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)。然后求出各支承處的水平反力 FHN和垂直反力 FNV。其上主要有齒輪，帶輪和兩個(gè)軸承。 下面進(jìn)行軸的設(shè)計(jì)計(jì)算和強(qiáng)度校核。 P1/n1=178。 46=92mm，所以 Ft=2T1/d=2?,Fr=Ft?tan20/cos8= N Fa=Ft?tan? = N 皮帶的初拉力為 Fe=1000p/v=。 75+179。 106=Fr179。 Fa Fv2=125 N 在水平面內(nèi)： Fh1179。 75 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 17 頁(yè) 共 35 頁(yè) Fh1= N Fh2179。 31 Fh2=294 N 圖 8水平面內(nèi)剪力彎矩圖 圖 9垂直面內(nèi)剪力彎矩圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 18 頁(yè) 共 35 頁(yè) 圖 10彎矩扭矩合成圖 所以 ： M= 22HMVM?=23709 根據(jù)第四強(qiáng)度理論對(duì)危險(xiǎn)截面進(jìn)行校核 22 TMW ae ??? ,又 136414 20955955000 ???? n PT ， W = 323d? = 3? = 代入數(shù)據(jù)得 22 TMW ae ??? =60MPa 所以軸的強(qiáng)度足夠。 （ 2） 軸上零件定位可靠、裝拆方便。 （ 5）對(duì)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。徑向接觸軸承主要用于承受徑向載荷。 在齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，需要兩個(gè)軸承來(lái)承受齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的力，因?yàn)檫x取的是圓錐直齒輪，沒(méi)有軸向的力需要軸承承受，為此，在這里選取大眾而且性價(jià)比很高的深溝球軸承，在齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，軸段是懸臂布置，考慮到軸的端部會(huì)承受比較大的徑向力，這里選取 02系列的深溝球軸承。 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 。對(duì)于球軸承， ??? ；對(duì)于滾子軸