【正文】 26． 5 275 表 31 選擇電機參數(shù) 電壓 24V 轉(zhuǎn)速 16r/min 功率 12w 電流 減速比 27 體長 額定力矩 21Nm 重量 275g 21 采用鍵連接，使結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定。 普通平鍵用途最廣，因為其結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，對中性好，適合高速、承受變載、沖擊的場合 。 （ 2）普通平鍵的兩側(cè)面與軸鍵槽的配合一般有間隙。鍵兩端圓弧應(yīng)無干涉。 （ 3）普通平鍵的底面與鍵槽底面應(yīng)貼實。 第三： 鍵的選擇和鍵 聯(lián) 接的強度計算 （ 1） 鍵的選擇 鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個方面。鍵的截面尺寸（鍵寬 b 和鍵高h）按軸的直徑 d 由標準中選定；鍵的長度 L 可根據(jù)輪轂的長度確定 ， 可取鍵長等于或略短于輪轂的寬度；導(dǎo)向平鍵應(yīng)按輪轂的長度及滑動距離而定。 （ 2） 平鍵連接的強度計算 平鍵連接的可能失效形式有：較弱零件工作面被壓潰（靜連接）、磨損（動連接）、鍵的剪斷（一般極少出現(xiàn)）。 彈簧的設(shè)計與選擇 拉伸彈簧是直進輪式管道機器人的關(guān)鍵部件，如果拉伸彈簧的拉力不夠，不能保證每組 輪軸 機構(gòu)都能被拉開使車輪擠壓在石油管道內(nèi)壁，這樣不能保證機器人能夠平穩(wěn)行駛；如果拉伸彈簧的拉力太大，雖能保證機構(gòu)都能被拉開并擠壓在石油管道內(nèi)壁，22 但擠壓在石油管道內(nèi)壁的壓力過大，使得直進輪式管道機器人運動阻力過大，這對電機要求也會相應(yīng)提高。 F= F/12= 故此彈簧所受力為 經(jīng)查表得： (1)彈簧中徑為 8mm (2)壓縮彈簧有效圈數(shù)為 10mm (3)壓縮彈簧的自由高度 H0=16mm (4)圓柱螺旋彈簧極限應(yīng)力與極限載荷，工作極限應(yīng)力τ j= p (5)端部并緊磨平 d8mm 總?cè)?shù) n1=n+2 =12 自由高度 H0=nt + t= 壓并高度 H b = (n +)d= 支撐輪 和電機的固定方案 由于電機固定在支撐輪上，電機帶動旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，使得旋轉(zhuǎn)盤上的輪沿管道做螺旋運動，而支撐輪沿管道平行運動。 探測頭的定位方案 探測頭和一個旋轉(zhuǎn)電機連接在一起，實現(xiàn)圓周運動，可以進行周向全方位掃描。電壓： 36V， 轉(zhuǎn)速： 1700 轉(zhuǎn) 圖 38 電機尺寸圖 24 4 管道機器人在管中運動通過性分析 由于管道微型機器人可能 在彎管中運動，為了防止機器人在管道中運動時，由于管道的曲率半徑太小而使得機器人擱淺而卡在管道中，不能前進和后退，現(xiàn)對管道曲率半徑對機器人的影響分析如下。 圖 41 管道機器人擱淺示意圖 當(dāng)管道機器人經(jīng)過的管道曲率半徑大于此時管道的曲率半徑，機器人則能順利通過。此時管道的曲率半徑為管道機器人順利通過管道的臨界值。 管道環(huán)境對機器人的幾何約束 彎道是管道機器人工作時常遇到的障礙，管道 機器人若想順利完成任務(wù)，就必須能夠順利通過彎管，所以機器人的設(shè)計必須滿足彎道的幾何約束。下面將討論這三個參數(shù)對機器人幾何尺寸的影響．機器人在管 道中最惡劣的情況如圖 2 所示，處于彎管正中央的 位置，其中， J 為機器人主體長度， d為機器人主體徑向最大尺寸。（見圖 42） 25 （ a） (b) 圖 42 機器人處于彎管時的幾何約束 當(dāng)機器人的兩個端面在彎管的直邊部分時，機器人的直徑和長度應(yīng)滿足下式 ： 0d( R+D/2) C O S ( a/2 ) － ( R－ D/2) L max =( R+D/2) C S C ( a /2) － ( R－ D/2 +d) c o t ( a /2) 當(dāng)機器人的兩個端面在彎管的彎曲部分時， 機器人的直徑和長度應(yīng)滿足下式： 0dD L max=2[(R+D/2)2－ (R－ D/2+d)2]1/2 當(dāng)彎管幾何尺寸滿足 ( R+D/2) C O S ( a/2 ) － ( R－ D/2) 0 時， 機器人通過彎管時， 兩端面不能同時在兩彎端的直管部分， 這時只需考慮機器人兩端面在彎管彎曲部分的情況 ( 見圖 42) ， 此時機器人的直徑和長度應(yīng)滿足上式。CCD 是應(yīng)用在攝影、攝像方面的高端元素技術(shù)，采用 CCD 感光元件的攝像頭在各方面的性能都不錯，具有成像靈敏度高、抗震動、體積小等優(yōu)點，但價格較貴。 （ 2） 現(xiàn)在市場上數(shù)碼攝像頭的連接方式有接口卡、并口和 USB 接口三種。 檢測系統(tǒng) 檢測系統(tǒng)的主要目的是使用超聲傳感器檢測化工管道的壁厚和腐蝕程度， 如果檢測得到的壁厚較薄， 則管道腐蝕較為嚴重需要更換； 如果檢測得到的壁厚較厚， 管道腐蝕較輕可繼續(xù)使用。超聲檢測是目前廣泛應(yīng)用的一種無損檢測方法 ,具有靈敏度高、穿透力強、探傷靈活、效率高、成本低的特點。與靜態(tài)檢測方法對比而言，動態(tài)檢測的優(yōu)點是：成本低，檢測全面，易于采用。其中，超聲傳感器的驅(qū)動是硬件問題，關(guān)鍵在于振蕩電路和驅(qū)動電路的設(shè)計，本文使用集成運放設(shè)計的超聲傳感器，其發(fā)射電路和接受電路分別如圖 51 和圖 52 所示。 單片機控制系統(tǒng) 管道檢測機器人單片機控制系統(tǒng)如圖 53 所示，主要完成驅(qū)動電機的伺服驅(qū)動和與上位機的通信。 MAS708 為看門狗芯片，用于維持 AT89C51 單片機的穩(wěn)定運行。一般情況下，通信格式可設(shè)為波特率4800， 1 為開始位，無奇偶校驗， 1 位停止位即可。 H 橋式驅(qū)動電路 ( H bridged power amplifier) 管道機器人的運動控制包括升降速、正反轉(zhuǎn)和制動控制。 IR2110 是高電壓 MOS 門驅(qū)動器，雙端差動輸入，可兼容CMOS 和 LSTT L 信號電平，具有耗散功率小、欠電壓保護等優(yōu)點，最大工作 頻率可達 500KHz。 IRF540 是 TMOS 場效應(yīng)管，擊穿電壓 BVDS： 100V， 柵源極門檻電壓 VGS ( th) ： 4V ，正向最大導(dǎo)通電流 ID( ON )： 27A，開關(guān)時間分別為 TON= 30ns， TOFF= 80ns。 IR2110 輸出的兩路信號，接入后級由四片 IRF540 構(gòu)成的 H 橋式 電路進行功率放大 (圖 541) ，改變 IR2110 高端輸入和低端輸入的相位差即可調(diào)節(jié)電機的速度及方向。由于光耦開啟、關(guān)斷時間的差異，輸出波形有一定失真，經(jīng)過 IR2110 整形、變換，輸出為欠對稱方波，其中低電平時間約為高電平時間的 倍，由此形成的電樞電流換向死區(qū)，有助于減輕對續(xù)流二極管的沖擊，使電機工作更加平穩(wěn)。 RS422 是一個雙端差動信號傳送系統(tǒng)。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量不大，因此，采用 RS422 的 9 位異步串行口通訊，波特率選為 1202bps，由 89C51 定時器 1 產(chǎn)生。通過RS422 接口，主控計算機將控制信號、速度值等發(fā)送給控制卡，控制卡將相應(yīng)的狀態(tài)信號傳回主控計算機。 32 7 應(yīng)用前景 綜上分析，油氣管道機器人技術(shù)是油氣管道技術(shù)的研究熱點。油氣井機器人技術(shù)正處在發(fā)展的初級階段，盡管國外一些公司已推出產(chǎn)品，包括視像探測裝置、井下拖拉機等，但其井下探測的工作質(zhì)量， 井下動力與井下操作的可靠性，對不同類型井通道的適應(yīng)性等方面都需要進一步研究和發(fā)展。 管道機器人系統(tǒng)是一種融合了多種先進技術(shù)的機電一體化裝置，隨著現(xiàn)代制造技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)、傳感 技術(shù)、智能技術(shù)等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，必將推動機器人技術(shù)在油氣管道技術(shù)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用與發(fā)展。 ( 2) 隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，適應(yīng)直井、斜井、大位移水平井測井技術(shù)的井下拖拉機將得到廣泛應(yīng)用，以提高完井和測井技術(shù)水平。要完成這一任務(wù)井下探測裝置 (井下機器人 ) 將進一步得到重視與發(fā)展。 33 結(jié)束語 大學(xué)要結(jié)束了，很感慨，這半年來做的畢業(yè)設(shè)計將給我的大學(xué)劃上一個句號。 畢業(yè)設(shè)計歷時幾個月，其中有開始時的不明白，到廣泛查資料了解，到做出來之后的清晰和明確，短短的幾個月，融合了很 多知識，雖然很多付出在這片論文里沒有表現(xiàn)出來，但卻教會我一種實踐的方法。當(dāng)然，其中遇到很多困難，但是很感謝孟凱老師，他以他豐富的實踐經(jīng)驗給出很獨到的見解和很好的建議，讓我從中學(xué)會了很多。 這次畢業(yè)設(shè)計，給我一次很好的實戰(zhàn)機會，為以后的工作打開了一扇門，讓我了解到工作所需的很多寶貴的素質(zhì)，對機械專業(yè)有一個更深的認識。再次特別感謝孟凱老師給予的幫助，孟老師功力深厚，實踐能力很強，在畢業(yè)設(shè)計期間對我所遇到的問題有獨到見解，在此，特別感謝孟老師這半年的幫助和督促！ 通過這次設(shè)計 重新整合了大學(xué)四年所學(xué)的專業(yè)知識，理論應(yīng)用于實踐，夯實了大學(xué)四年所學(xué)機械專業(yè)的基礎(chǔ)知識、基本理論和基本技能，更加透 析的了解機構(gòu)的實現(xiàn)功能。在此，衷心感謝河南工程學(xué)院，感謝孟老師提供一個深入學(xué)習(xí)的平臺！ 再次還要一并感謝這些天各位同學(xué)給予的關(guān)心和幫助，文中還引用了許多文獻資料的內(nèi)容，在論文的參考文獻中列出了部分文獻的作者和出處，在此深表謝意！ 35 參考文獻 [1] 張秀麗 ， 鄭浩峻，趙里遙 .一種小型管道檢測機器人［ J］ .機器人 .(7): 626~629. 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The program permits citizens from 51 countries and regions including the United States, Australia