【正文】 過性不佳 .輪式載體的主要缺點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管內移動機器人。其原理為 :在機器人的外表面裝有若干與機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 .機身內裝有偏心重物 ,由電機驅動 .當偏心重物旋轉時 ,離心力使彈性針變形 ,滑動 ,從而帶動機器人移動 .振動式管內機器人結構簡單 ,容易 小型化 ,但行走速度難以控制 ,而且振動使機器人沿圓周方向自轉 ,姿態(tài)不穩(wěn)定 ,另外 ,振動對傳感器的工作和壽命均會產(chǎn)生影響 . (4) 蠕動式管內機器人 參考蚯蚓、毛蟲等動物的運動 ,人們研制了蠕動式管內機器人 。 國內在管道機器人方面的研究起步較晚，而且多數(shù)停 留在實驗室階段。該機器人具有以下特點 : (1)適應大管徑 (大于或等于 900mm)的管道焊縫 X射線檢測。 (3)焊縫尋址定位精度高為177。 (4)檢測工效高 ,每道焊縫 (900mm 為例 )檢測時間不大于 3min。上海大學研制了“細小工業(yè)管道機器人移動探測器集成系統(tǒng)”。該系統(tǒng)可實現(xiàn) 20mm 管道內裂紋和缺陷的移動探測 [9]。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 實驗圖 4 蠕動式管內移動機器人 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 5 頁 共 35 頁 室。常用的無損檢測方法有庫侖 電荷法、磁性測厚法、渦流測厚法、超聲波測厚法和放射測厚法等，各種無損測厚法均有成型的儀器設備 ,使用起來方便簡單 ,且無需對表面涂鍍層進行破壞 [1] 。 常用的無損涂層測量方法有磁性測厚﹑ 電渦流測厚 ﹑ 磁性 /渦流測厚 ﹑超聲波測厚等 （ 1）磁性測厚 磁性測厚法可分為 2 種 :磁吸力測厚 法和磁感應測厚法。利用這一原理制成測厚儀 ,只要覆層與基材的導磁率之差足夠大 ,就可進行測量。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。新型的產(chǎn)品可以自動完成這一記錄過程。當測量的是非鐵磁性基體上的磁性涂鍍層厚度時 ,則隨著涂鍍層厚度的增加 ,其磁感應強度也會增加。如果覆層材 料也有磁性 ,則要求與基材的導磁率之差足夠大 (如鋼上鍍鎳 ) 。其特點是操作簡便、堅固耐用、不用電源、測量前無須校準、價格較 低 ,適合車間做現(xiàn)場質量控制。該方法實質上也屬于電磁感應原理 ,但能否采用該方法進行厚度測定 ,與基體及涂鍍層材料的導電性有關 ,而與其是否為磁性材料無關。測頭離導電基體愈近 ,則渦流愈大 ,反射阻抗也愈大。由于這類測頭專門測量非鐵磁 金屬基材上的覆層厚度 ,所以通常稱之為非磁性測頭。與磁感應原理比較 ,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度關系。 （ 3）磁性 /渦流測厚 磁性測厚和渦流測厚均有缺點 ,為此 ,很多廠家將兩者綜合在一起進行測定 ,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 ,如陽極氧化膜、油漆和涂料等 。目前開發(fā)比較成熟的磁性測厚儀有時代公司的 TT220, 德國 EPK 公司開發(fā)的 M IN ITEST4100 /3100 /2100 /1100 系列測厚儀和 PHYN IX 公司的 Surfix/Pocket2Surfix便攜式涂鍍層測厚儀 ,可 以方便地實現(xiàn)各種條件下的無損測厚。儀器通過一個發(fā)射器發(fā)射高頻超聲波進入涂層 ,振動波會穿透涂層 ,遇上不同力學性能的材料 (如基材 ) 時 ,振動波會在不同材料的界面部分反射和傳遞。傳感器將反射波轉換成電信號 ,這些信號會被儀器數(shù)碼化 ,數(shù)碼化反射波被分析后 ,便得到振蕩波所 花的確切傳遞時間 [5]。 超聲波測厚儀可用于測量多種材料的厚度 ,如鋼、鐵、塑料和玻璃等。 管內作業(yè)機器人的發(fā)展前景 為了使管內作業(yè)機器人能夠盡快地走出實驗室 ,進入實用化階段 ,必須在以下幾個方面有所突破。而要解決這一問題，首先要在機構上保證機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構 優(yōu)點 ,既能夠提供較大的牽引力，又快速靈活，可靠性高的驅動方案是值得研究的問題 .另外，還特別要在動力系統(tǒng)、傳動機構的小型化方面下工夫。例如前述日本于 1994 年推出的 BEAGLE200 管內探傷系統(tǒng) ,采用 3臺電機分別驅動空間均布的 3個主動輪，雖然機構較復雜，但由于 3 個驅動輪可分別控制，從而為提高其在彎管段的通過性提供了可能。經(jīng)過多年的實踐，人們已經(jīng)認識到傳感器的集成 ,即多種傳感器 (光 ,機 ,電 ,儀 )的綜合運用是解決上述問題的有效手段。同時，先進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合起來，形成智能化的傳感器，才能為提高管內作業(yè)機器人的控制水平打下良好的基礎。但這有賴于先進的傳感 器技術，特別是管內環(huán)境識別技術作保證。視覺對管內機器人具有重要意義，利用視覺 ,可以： ①確定作業(yè)位置； ②識別管內環(huán)境 (是否拐彎 ,是否有枝杈等 )； ③識別機器人的姿態(tài) (是否有轉體 ,相對于作業(yè)位置的距離等 )。目前的關鍵問題是如何提高圖像處理的速度，神經(jīng)網(wǎng)絡、人工智能的引入將有助于解決這一問題 。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 8 頁 共 35 頁 通過本次畢業(yè)設計，達到溫習鞏固以前所學的所有知識，并將其在實際設計中加以的運用。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 9 頁 共 35 頁 2 總體方案的設計 要求 該設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)能實現(xiàn)遠 程傳送。 本次設計的管道內防腐涂層厚度測量儀的具體指標如下： ： 200mm 2 管道長度 200m 3涂層測量范圍 0～ 500181。（ 1177。m 5行走速度 500mm/min 6 工作環(huán)境溫度 0— 50℃ 該測量裝置由 行走系統(tǒng)機構、測量機構和控制部分 構成。 行走系統(tǒng)是由一個直流電動機通過齒輪減速機構和帶傳動驅動兩個驅動輪，從而實現(xiàn)整個測量裝置的前進和后退。 本裝置中采用兩個傳感器呈 180176。 在實際的測量中要求隨時確定測量裝置的確切位置即測量裝置在管道內行走的距離。 控制系統(tǒng)以單片機 8051 為中心，它控制著直流電機 — 機器人的動力源的前進、后退和停止 、 2 個傳感器的通斷，并將厚度信號和轉換信號進行處理， 傳送給上位機，接受上位機的監(jiān)控。電機帶動錐齒輪旋轉，從而使得裝有皮帶輪的軸轉動，車輪隨之轉動。尾部還有一個柔性的計程輪，其作用： 。 機器人的移動機構具有結構緊湊和較大的負載能力 ,滿足管道內行走的基本條件。當移動機構行走時 ,三個輪子呈徑向均勻分布 ,三點確定一個平面 ,三點始終在一個圓柱面上 ,因此可以實現(xiàn)自定心 ,在支撐裝置的作用下 ,驅動輪被緊緊壓在管道內壁上 ,具有較強的適應性。 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。輸出轉矩 。 10N=500N 壓緊機構產(chǎn)生的壓緊力為 500N 則： 車體對管壁的正壓力 N=1000N F=μ N=179。 此測量裝置在 500mm/min 的速度下前進，速度比較低。 d)=60179。 40179。因為其可以實現(xiàn)兩相交軸之間的傳動?？紤]到機器人在前進過程中要托纜，因此將此機器人設計成前后輪共同驅動的方式，以獲得較大的牽引力。 壓緊裝置主要是為了讓機器人能夠撐緊管壁，從而達到平穩(wěn)前進的目的。具體如圖 6所示： 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 13 頁 共 35 頁 圖 6 壓緊裝置 此結構的 原理非常簡單，但卻很實用。以此來調節(jié)適當?shù)膲壕o力，保證車體的平衡。計程輪設計如圖 6所示，它的結構比較簡單，是用四個導向螺釘將輪固定在支撐體上，導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向螺釘?shù)姆较蛏舷乱苿?，而車輪通過銷軸連在支架上，可以隨支架一起 運動，以保證計程輪始終與地面接觸。 霍爾傳感器就是利用霍爾效應原理，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 計 第 14 頁 共 35 頁 脈沖信號 的信息。 圖 7計程輪 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，在機車控制系統(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械強度用于受載荷較大、結構尺寸受限制、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度鑄鐵一般用于鑄成外形復雜的軸，他們吸振性好，對應力集中敏感性低。為了提高材料的力學性能，通常進行調質或正火處理。 一般常見的軸按其軸線的形狀和功用分為 直軸、曲軸兩大類，因為本次設計只涉及直軸，所以我們在此只討論直軸。考慮到應加工方便，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內徑與外徑比通常為 ～ ，以保證軸的剛度及扭轉穩(wěn)定性。下面首先通過扭轉強度對軸進行設計，然后再用彎扭組合進行校核。 因選擇的電動機功率為 30kw，即 p=20w，轉速 n=14r/min，把數(shù)據(jù)帶入上式有 ： 3303 1420216].[ 00 0 ????? npAn pdT?= 因軸上開有兩個鍵槽，所以軸徑應當增大 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。計算時將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點取為載荷分布段的中點。通常把軸當作置于鉸鏈支座上的梁，這是建立力學模型的一種形式，支反力的作用點與軸承的類型和布置方式有關。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，帶輪和兩個軸承。 下面進行軸的設計計算和強度校核。 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： Fh1179。 75 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 17 頁 共 35 頁 Fh1= N Fh2179。 31 Fh2=294 N 圖 8水平面內剪力彎矩圖 圖 9垂直面內剪力彎矩圖 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 18 頁 共 35 頁 圖 10彎矩扭矩合成圖 所以 ： M= 22HMVM?=23709 根據(jù)第四強度理論對危險截面進行校核 22 TMW ae ??? ,又 136414 20955955000 ???? n PT ， W = 323d? = 3? = 代入數(shù)據(jù)得 22 TMW ae ??? =60MPa 所以軸的強度足夠。 （ 2） 軸上零件定位可靠、裝拆方便。 （ 5）對于要求剛性大的軸，還應從結構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。 在齒輪傳動機構的設計中，需要兩個軸承來承受齒輪嚙合傳動時產(chǎn)生的力，因為選取的是圓錐直齒輪，沒有軸向的力需要軸承承受，為此，在這里選取大眾而且性價比很高的深溝球軸承，在齒輪傳動機構中，軸段是懸臂布置，考慮到軸的端部會承受比較大的徑向力，這里選取 02系列的深溝球軸承。 滾動軸承壽命的計算公式為 10 CL P???????? 式中 10L 的單位為 610r 。對于球軸承， ??? ；對于滾子軸承