管道檢測(cè)機(jī)器人_畢業(yè)論文設(shè)計(jì)

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1、 ( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！ ) 1 引言 管道運(yùn)輸是當(dāng)今五大運(yùn)輸方式之一，已成為油氣能源運(yùn)輸工具。目前，世界上石油 天然氣管道總長(zhǎng)約 200 萬(wàn) km，我國(guó)長(zhǎng)距離輸送管道總長(zhǎng)度約 2 萬(wàn) km。國(guó)家重點(diǎn)工程 “西氣東輸”工程，主干線管道 ( 管徑 1118mm)全長(zhǎng) 4167km，其主管道投資 384 億元，主管線和城市管網(wǎng)投資將突破 1000 億元。 世界上約有 50%的長(zhǎng)距離運(yùn)輸管道要使用幾十年、甚至上百年時(shí)間，這些管道大都 埋在地下、海底。由于內(nèi)外介質(zhì)的腐蝕、重壓、地形

2、沉降、塌陷等原因，管道不可避免 地會(huì)出現(xiàn)損傷。在世界管道運(yùn)輸史上， 由于管道泄漏而發(fā)生的惡性事故觸目驚心。據(jù)不 完全統(tǒng)計(jì)，截至 1990 年，國(guó)內(nèi)輸油管道共發(fā)生大小事故 628 次。 1986 到 2b00 年期間美國(guó)天然氣管道發(fā)生事故 1184 起，造成 55 人死亡、 210 人受傷，損失約 2. 5 億美元。 因此，研究管道無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化技術(shù)， 提高檢測(cè)的可靠性和自動(dòng)化程度，加強(qiáng)在建和在 役運(yùn)輸管道的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，對(duì)提高管線運(yùn)輸?shù)陌踩跃哂兄匾饬x。 1.1 管道涂層檢測(cè)裝置的發(fā)展、現(xiàn)狀和前景 管道涂層檢測(cè)裝置的發(fā)展 管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人是一種可沿

3、管道自動(dòng)行走 , 攜有一種或多種傳感器件和作業(yè)機(jī)構(gòu) , 在遙控操縱或計(jì)算機(jī)控制下能在極其惡劣的環(huán)境中進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)電儀一體 化系統(tǒng) . 對(duì)較長(zhǎng)距離管道的直接檢測(cè)、清理技術(shù)的研究始于本世紀(jì) 50 年代美、英、法、 德、日等國(guó) , 受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平的限制 , 主要成果是無(wú)動(dòng)力的管內(nèi)檢測(cè)清理設(shè)備—— PIG, 此類設(shè)備依靠首尾兩端管內(nèi)流體的壓力差產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力 , 隨著管內(nèi)流體的流動(dòng)向前移動(dòng) , 并可攜帶多種傳感器 . 由于 PIG 本身沒(méi)有行走能力 , 其移動(dòng)速度、檢測(cè)區(qū)域均不易控制 , 所以不能算作管內(nèi)機(jī)器人 . 圖 1 所示為一種典型的管內(nèi)檢測(cè) PIG[5].

4、 這種 PIG 的兩端各 安裝一個(gè)聚氨脂密封碗 , 后部密封碗內(nèi)側(cè)環(huán)向排列的傘狀探頭與管壁相接觸 , 測(cè)量半徑方面的變形 , 并與行走距離儀的旋轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng) , 以便使裝在 PIG 內(nèi)部的記錄儀記錄數(shù)據(jù) . 它具有沿管線全程測(cè)量?jī)?nèi)徑 , 識(shí)別彎頭部位 , 測(cè)量凹陷等變形部位及管圓度的功能 , 并可以把測(cè)量結(jié)果和檢測(cè)位置一起記錄下來(lái) . 70 年代以來(lái) , 石油、化工、天然氣及核工業(yè)的發(fā)展 為管道機(jī)器人的應(yīng)用提供了廣闊而誘人的前景 , 而機(jī)器人學(xué)、計(jì)算機(jī)、傳感器等理論和 技術(shù)的發(fā)展 , 也為管內(nèi)和管外自主移動(dòng)機(jī)器人的研究和應(yīng)用提供了技術(shù)保證 . 日、美、英

5、、法、德等國(guó)在此方面做了大量研究工作 , 其中日本從事管道機(jī)器人研究的人員最多 , 成果也最多。 圖 1 管內(nèi)檢測(cè)典型 PIG 樣機(jī) 在已實(shí)現(xiàn)的管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人中 , 按照其行動(dòng)方式可分為輪式、履帶式、振式、蠕動(dòng)式等幾類： (1) 輪式管內(nèi)機(jī)器人 由于輪式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 , 容易實(shí)現(xiàn) , 行走效率高等特點(diǎn) , 對(duì)此類機(jī)器人的研究比較多 . 機(jī)器人在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng) , 有直進(jìn)式的 ( 即機(jī)器人在管內(nèi)平動(dòng) ) 也有螺旋運(yùn)動(dòng)式的

6、 ( 即機(jī)器人在管內(nèi)一邊向前運(yùn)動(dòng) , 一邊繞管道軸線轉(zhuǎn)動(dòng) ); 輪的布置有平面的 , 也有空間的 . 一般認(rèn)為 , 平面結(jié)構(gòu)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 , 動(dòng)作靈活 , 但剛性、穩(wěn)定性較差 , 而空間多輪支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)器人穩(wěn)定性、 剛性較好 , 但對(duì)彎管和支岔管的通過(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 M.Miura 等研制的輪式螺旋推進(jìn)管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人。 (2) 履帶式管內(nèi)機(jī)器人 履帶式載體附著性能好 , 越障能力強(qiáng) , 并能輸出較大的牽引力 . 為使管內(nèi)機(jī)器人在油 污、泥濘、障礙等惡劣條件下達(dá)到良好的行走狀態(tài) , 人們又研制了履帶

7、式管內(nèi)機(jī)器人 . 但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜 , 不易小型化 , 轉(zhuǎn)向性能不如輪式載體等原因 , 此類機(jī)器人應(yīng)用較少 . 圖 2 所示為日本學(xué)者佐佐木利夫等研制的履帶式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人 [13] , 其驅(qū)動(dòng)輪可變角度以 適應(yīng)管徑的變化 , 可通過(guò)圓弧過(guò)渡的 90 度彎管 . 圖 2 輪式螺旋推進(jìn)管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖

8、 圖 3 輪式螺旋推進(jìn)管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖 (3) 振動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人 振動(dòng)可以使物體的位置改變 , 根據(jù)這一原理 , 日本學(xué)者森光武則等提出了的振動(dòng)式 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)

9、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(chóng)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。其運(yùn)動(dòng)是通過(guò)身體 的伸縮 ( 蠕動(dòng) ) 實(shí)現(xiàn)的 : 首先 , 尾部支承 , 身體伸長(zhǎng)帶動(dòng)頭部向前運(yùn)動(dòng) , 然后 , 頭部支承 , 身 體收縮帶動(dòng)尾部向前運(yùn)動(dòng) , 如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走 . 圖 3 所示為日本日歷制作所研 制的蠕動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人 , 其前后兩部分各有 8 條氣缸驅(qū)動(dòng)的可伸縮支撐足 , 中部有一氣 缸作為蠕動(dòng)源。 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。 哈爾濱工業(yè)

10、大學(xué)鄧宗全教授在國(guó)家 863”計(jì)劃課題“ X 射線檢測(cè)實(shí)時(shí)成像管道機(jī)器人的 研制”的支持下，開(kāi)展了輪式行走方式的管道機(jī)器人研制，如圖 3 所示。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)。 (2) 一次作業(yè)距離長(zhǎng) , 可達(dá) 2km。(3) 焊縫尋址定位精度高為 5mm。 (4) 檢測(cè)工效高 , 每道焊縫 (900mm為例 ) 檢測(cè)時(shí)間不大于 3min; 實(shí)現(xiàn)了管內(nèi)外機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)作業(yè)無(wú)纜操作技術(shù) , 并研制了鏈?zhǔn)胶弯搸絻煞N新型管外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) , 課題研究成果主要用于大口徑管道的自動(dòng)化無(wú)損檢 [8] 測(cè) 。上海大學(xué)研

11、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)” 。其主要包含 20mm 內(nèi)徑的垂直排列工業(yè)管道中的機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制技術(shù) ( 包括螺旋輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)、行星輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)和壓電片驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)等 ) 、機(jī)器人管內(nèi)位置檢測(cè)技術(shù)、渦流檢測(cè)和視頻檢測(cè)應(yīng) 用技術(shù) , 在此基礎(chǔ)上構(gòu)成管內(nèi)自動(dòng)探測(cè)機(jī)器人系統(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] 。 測(cè)量方法的研究進(jìn)展 按有無(wú)破壞性 ,表面涂鍍層厚度測(cè)試方法可分為有損檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)。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) 室。目前也

12、有便攜式測(cè)厚儀 , 適合在現(xiàn)場(chǎng)使用。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] 。因此 , 該類方法在管道涂層的測(cè)量中已得到了廣泛的應(yīng)用。 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。磁吸力測(cè)厚法的測(cè)厚原 理 : 永久磁鐵 ( 測(cè)頭 ) 與導(dǎo)磁鋼材之間的吸力大小與處于這兩者之間的距離成一定比例 關(guān)

13、系 , 這個(gè)距離就是覆層的厚度。 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。測(cè)厚儀基本結(jié)構(gòu)由磁鋼、接力簧、標(biāo)尺及自停機(jī)構(gòu)組成。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。當(dāng)拉力剛好大于吸力 , 磁鋼脫離的一瞬間記錄下拉力的大小即可獲得覆層厚度 [2] 。新型的產(chǎn)品可以自動(dòng)完成這一記錄過(guò)程。 磁感應(yīng)測(cè)厚法的基本原理 : 利用基體上的非鐵磁性涂覆層在測(cè)量磁回路中形成非鐵 磁間隙 , 使線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱 ; 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。 利用磁感

14、應(yīng)原理的測(cè)厚儀 , 原則上可以測(cè)量導(dǎo)磁基體上的非導(dǎo)磁覆層厚度 , 一般要求基材導(dǎo)磁率在 500 H m 以上。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 ) 。 磁性原理測(cè)厚儀可用來(lái)精確測(cè)量鋼鐵表面的油漆層 , 瓷、搪瓷防護(hù)層 , 塑料、橡膠覆層 , 包括鎳鉻在內(nèi)的各種有色金屬電鍍層以及化工石油行業(yè)的各種防腐蝕涂層。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。 （ 2）電渦流測(cè)厚 渦流測(cè)厚儀是根據(jù)涂鍍層與基體材料的導(dǎo)電性有足夠的差異來(lái)進(jìn)行金屬基材上涂 覆層的物性膜厚來(lái)測(cè)量的。該方法實(shí)質(zhì)

15、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)。 其工作原理 為 : 高頻交流信號(hào)會(huì)在測(cè)頭線圈中產(chǎn)生電磁場(chǎng) , 當(dāng)測(cè)頭靠近導(dǎo)體時(shí) , 就在其中形成渦流。測(cè)頭離導(dǎo)電基體愈近 , 則渦流愈大 , 反射阻抗也愈大。這個(gè)反饋?zhàn)饔昧勘碚髁藴y(cè)頭與導(dǎo)電基體之間距離的大小 , 也就是導(dǎo)電基體上非導(dǎo)電覆層厚度的大小。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。非磁性測(cè)頭采用高頻材 料做線圈鐵芯 , 例如鉑鎳合金或其他新材料。與磁感應(yīng)原理比較 , 主要區(qū)別是不同

16、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。 采用電渦流原理的測(cè)厚儀 , 主要是對(duì)導(dǎo)電體上的非導(dǎo)電體覆層厚度的測(cè)量 , 但當(dāng)覆層材料有一定的導(dǎo)電性時(shí) , 通過(guò)校準(zhǔn)也同樣可以測(cè)量 , 只是要求兩者的導(dǎo)電率之比至少相差 3～5 倍( 如銅上鍍鉻 ) 。 （ 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。其中 F 型探頭采用磁感應(yīng)原理 , 可用于鋼鐵上的非磁性涂鍍層 , 如油漆、塑料、搪瓷、鉻和鋅等 ; 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 )

17、上的絕緣層 , 如陽(yáng)極氧化膜、油漆和涂料等 ; 而 FN型探頭同時(shí)具有 F 和 N 型探頭的功能 , 利用兩用型探頭 , 可實(shí)現(xiàn)在磁性和非磁性基體上自動(dòng)轉(zhuǎn)換測(cè)量 [3]  。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  SurfixPocket2Surfix  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。 （ 4） 超聲波測(cè)厚

18、 超聲波測(cè)厚儀是利用超聲波脈沖反射原理 , 通過(guò)發(fā)射的超聲波脈沖至涂層 基材 , 計(jì)算脈沖通過(guò)涂層 基材界面反射回發(fā)射器所花的時(shí)間來(lái)計(jì)算涂層的厚度。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。 反射部分會(huì)被感應(yīng)器接收 , 傳遞的振動(dòng)波繼續(xù)傳遞到底材 , 同樣經(jīng)歷著所有材料界面間的反射、傳遞過(guò)程。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] 。從而計(jì)算出涂層的厚度。

19、 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。新型的超聲 波測(cè)厚儀可以一次測(cè)量即可測(cè)定多層涂層的總厚度及指定的各層厚度, 且精度很高。 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。 （ 1） 靈活可靠的行走機(jī)構(gòu) 前面已經(jīng)提到 , 管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人在彎管、支岔管中的通過(guò)性問(wèn)題仍未解決。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

20、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。應(yīng)該指 出的是，要解決管內(nèi)機(jī)器人的通過(guò)性問(wèn)題 , 除了要在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面推陳出新之外 , 還應(yīng)該結(jié)合控制方案來(lái)考慮。 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。（ 2） 智能化的傳感器系統(tǒng) 對(duì)管道內(nèi)部這類非結(jié)構(gòu)化環(huán)境， 現(xiàn)有的管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人中的傳感器或無(wú)法正常發(fā)揮 作用 , 或過(guò)多地依賴人的介入，已經(jīng)不

21、能滿足其發(fā)展的需要。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。特別是以攝像機(jī)為基礎(chǔ)的視覺(jué)傳感器，由于其直觀性，應(yīng)引起足夠的重視。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)。（ 3） 高度自治的控制系統(tǒng) 在管道內(nèi)部復(fù)雜的環(huán)境中， 為減輕操作人員的負(fù)擔(dān)， 機(jī)器人具有自主能力是必要的。 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。例如，目前已有人在 機(jī)械手控制中引入視覺(jué)伺服

22、技術(shù)， 即利用視覺(jué)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的位置閉環(huán)控制。 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 ) 。 在管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人中采用視覺(jué)伺服技術(shù) , 可以有效地克服現(xiàn)有傳感器的不足，有利于提 高其控制性能和自主能力 , 并對(duì)其智能化進(jìn)程有重要意義。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。另外，先進(jìn)的控 制策略，如路徑規(guī)劃， 控制器參數(shù)的在

23、線優(yōu)化等的研究也必將使管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人的智能 化水平得到進(jìn)一步的提高。 1.2 本次設(shè)計(jì)的目的 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。熟悉一般工程設(shè)計(jì)的步驟方法：調(diào)研收集資料，方案論證比較，確定方案，完 成管道涂層厚度檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，繪制裝配圖及零件圖等圖紙。 2 總體方案的設(shè)計(jì) 2.1 管道涂層厚度檢測(cè)裝置的技術(shù)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

24、設(shè)計(jì)主要包括行走系統(tǒng)機(jī)構(gòu)、 測(cè)量機(jī)構(gòu)和控制部分，要求實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)在管道 中行走，行走速度為 0.5mmin。 2.2 主要技術(shù)參數(shù) 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： 1. 內(nèi)徑： 200mm 2 管道長(zhǎng)度 200m 3 涂層測(cè)量范圍 0～500μm 4 誤差（ 13％）μm 5 行走速度 500mmmin 6 工作環(huán)境溫度 0— 50℃ 2.3 總體方案的分析與確定 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。行走機(jī)構(gòu)和測(cè)量機(jī)構(gòu)要 通過(guò) 8051 單片機(jī)接受上位機(jī)的控制，進(jìn)行自動(dòng)行走和測(cè)量，

25、并將所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整 理計(jì)算傳送到上位機(jī)。 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。 測(cè)量機(jī)構(gòu)采用超聲波傳感器， 其原理是利用超聲波的反 射法，通過(guò)記錄回波信號(hào)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算出涂層的厚度。本裝置中采用兩個(gè)傳感器呈 180布置，可同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)點(diǎn)的涂層厚度。 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。為了得到測(cè)量裝置在管道中行走的距離， 專門設(shè)計(jì)了計(jì)程輪， 此輪上安裝了霍爾元 件，通過(guò)霍爾元件采集的脈沖數(shù)可得到輪子所轉(zhuǎn)圈數(shù)，從而得出測(cè)量裝置行進(jìn)的距離。

26、 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。 其框圖如下： 圖 5 測(cè)量裝置整體框圖 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 管道涂層測(cè)厚裝置的運(yùn)動(dòng)原理 微型管道

27、機(jī)器人采用了有纜驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式 , 其運(yùn)動(dòng)機(jī)理由兩組車輪沿徑向呈三等 分均布 , 其中四個(gè)從動(dòng)輪在扇形齒輪的作用下被支撐在管道的內(nèi)壁上，另外兩個(gè)則是驅(qū) 動(dòng)輪。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)。由于車輪 與管壁之間的摩擦力， 車體便可以在管中前進(jìn)或后退。尾部還有一個(gè)柔性的計(jì)程輪， 其 作用： 1. 計(jì)算小車前進(jìn)的距離。 2. 支撐車體，保持平衡。 3.2 管道涂層測(cè)厚裝置行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 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。移動(dòng)機(jī)構(gòu)的前后兩組支撐中 , 三個(gè)車輪都是沿徑向均勻分布的 , 而前

28、后兩部分都是沿軸向?qū)ΨQ的 , 支撐點(diǎn)共六個(gè) , 因此滿足形封閉條件。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。 整個(gè)系統(tǒng)由于利用了對(duì) 稱性 , 抵消了機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各方面不平衡力偶的干擾 , 從而使所有的力集中到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)軸線上所在的豎直平面上 , 同時(shí) , 又在通過(guò)電機(jī)軸線的豎直平面上保證機(jī)器人的重心與電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)軸心之間適當(dāng)?shù)木嚯x , 從而保證了整個(gè)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的平穩(wěn)性。 3.3 電動(dòng)機(jī)的選擇 由于管道的直徑很小，所

29、以根據(jù)尺寸選擇 j55ZYT—PX微型減速電機(jī)。其減速比為 216. 輸出轉(zhuǎn)速為 14rmin 。輸出轉(zhuǎn)矩 18730mN.m。 其計(jì)算過(guò)程為： 車輪與管壁的摩擦系數(shù)為 =0.8 車體的重量為 50kg G=mg=503 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=μN(yùn)=0.83 N=800N 電動(dòng)機(jī)所需要的工作功率為 Fv 800 0.5 pw 1000 0.0066kw 6.6w 1000 w 60 a 0.97 0.992

30、 0.95 pw 6.6 pd 6.974w 20w a 0.95 各軸輸入功率為： pI pd 01 0.97 6.974 6.765w pII pI 12 p1 12 0.992 6.765 6.697w 各軸的輸入轉(zhuǎn)矩： Td 9550 pd 6.974 4.75N .m nm 9550 14 T1 Td i 01 4.75 3.5 0.97 16.15N.m 18.730N.m T2 T1 i 12 16.15 0.992 15.829N.m 所以所選

31、的電機(jī)符合條件。 3.4 傳動(dòng)的總體方案設(shè)計(jì) 此測(cè)量裝置在 500mmmin的速度下前進(jìn)，速度比較低。初選車輪直徑為 40mm則此時(shí) 車輪的角速度以及減速后最終的角速度為： ω =60v( π 3 d)=603 5003.14 3 403 60=3.98rmin 由于電機(jī)的初速度為 14 rmin ，由傳動(dòng)比公式 i=14w=143.98=3.5 所以傳動(dòng)比 i=3.5 我選用直齒圓錐齒輪來(lái)傳遞能量和動(dòng)力。因?yàn)槠淇梢詫?shí)現(xiàn)兩相交軸之間的傳動(dòng)。錐 齒輪設(shè)計(jì)、制造及安裝均較簡(jiǎn)單，用于低速傳動(dòng)，非常適合此裝置的要求。考慮到機(jī)器 人在前進(jìn)過(guò)程

32、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。由于尺寸限制，只能將輪放在另外一根軸上，用皮帶將兩軸連接起來(lái)，它沒(méi)有 調(diào)速的作用，只需使兩軸具有同樣的旋轉(zhuǎn)速度。 3.5 壓緊裝置的設(shè)計(jì) 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。 我所設(shè)計(jì) 的壓緊裝置是通過(guò)一個(gè)扇形齒輪和一個(gè)齒條的相互嚙合實(shí)現(xiàn)的。具體如圖 6 所示：

33、 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。當(dāng)管壁直徑變化時(shí)，壓緊輪就會(huì)以銷軸為中 心，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)齒條就會(huì)因?yàn)閲Ш系淖饔们昂笠苿?dòng)，彈簧也跟著壓縮或拉長(zhǎng)。以此 來(lái)調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膲壕o力，保證車體的平衡。 3.6 計(jì)程輪的設(shè)計(jì) 計(jì)程輪的設(shè)計(jì)是為了知道車體在管道中行進(jìn)的距離， 已達(dá)到正確測(cè)量管道中某點(diǎn)涂 層厚度的目的。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

34、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。計(jì)程輪上安裝有霍爾傳感器?；魻? 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 脈沖信號(hào)的信息。正因?yàn)榛魻杺鞲衅鞯幕驹砘魻栃?yīng)只包含了磁場(chǎng)、電流、電壓三 個(gè)常用物理量，使得采用霍爾傳感器的被測(cè)量的測(cè)量簡(jiǎn)單易行，而磁場(chǎng)強(qiáng)度、電流、電 壓是磁場(chǎng)、電場(chǎng)的基本物

35、理量，所以霍爾傳感器可以進(jìn)行精確的非接觸測(cè)量。 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。本裝置中選用霍爾元件 DN6837，它是一個(gè)開(kāi)關(guān)集成霍爾傳感 器，其輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)三極管放大，在送到單片機(jī)的輸入口。 3.7 軸的設(shè)計(jì)與校核 軸的材料是決定其承載能力的重要因素， 制造

36、軸的主要材料是碳素鋼及合金鋼。 45 號(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼是最常用的材料。 Q235-A 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。 一般機(jī)器中的軸常用優(yōu)質(zhì)中碳鋼制造， 這類鋼比合金鋼廉價(jià)， 對(duì)應(yīng)力集中的敏感性 較低，其中 45 號(hào)鋼最為常用。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。 由于振動(dòng)磨的主軸旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生高頻率的振動(dòng)，且產(chǎn)生

37、的離心力相當(dāng)大，所以應(yīng)選 45 號(hào) 鋼作為此傳動(dòng)軸的材料。 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。 直軸一般都做成實(shí)心，若因機(jī)器特殊需要也可制成空心軸。考慮到應(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。一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單或 特殊要求在軸中裝設(shè)其它零件或者減小軸的質(zhì)量具有重大作用的場(chǎng)合， 軸才做成等直徑的軸（光軸）或空心軸?？招妮S內(nèi)徑與外徑比通常為 0.5 ～ 0.6 ，以保證軸的剛度及扭 轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。 根據(jù)軸的承載情況，可分為：轉(zhuǎn)軸——

38、工作中既受彎矩又受轉(zhuǎn)矩的軸；有時(shí)還受較 大軸向力的作用，這類軸在各種機(jī)器種最常見(jiàn)；心軸——工作中只承受彎矩、不受轉(zhuǎn)矩 或轉(zhuǎn)矩較小的軸，心軸又分為轉(zhuǎn)動(dòng)心軸（軸轉(zhuǎn)動(dòng)）和固定心軸（軸不轉(zhuǎn)動(dòng)）兩種；傳動(dòng) 軸——工作中只傳遞轉(zhuǎn)矩、 不承受彎矩或受彎矩很小的軸。 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。 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算 選擇軸的材料為 45 鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，首先估算最小軸徑，根據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算 d 3 9550000 p 3 p ， A0 3 9550000/ 0.2[ T ] 0.2[ T ].n A0

39、n d ——截面處軸的直徑，單位 mm， p ——軸的傳遞功率，單位 kw； n ——軸的轉(zhuǎn)速，單位 rmin ， [ T ] ——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位 MPa， 45 鋼的 [ T ] 值為 25～45； A0 ——其中 45 鋼的 A0 的取值為 126～103。 因選擇的電動(dòng)機(jī)功率為 30kw，即 p=20w，轉(zhuǎn)速 n=14rmin，把數(shù)據(jù)帶入上式有： d 3 9550000 p A0 3 p 126 3 20 =11.19mm 0.2[ T ].

40、n n 14 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≥ 11.19 3（ 1+0.07 ）=11.97mm 圓整后可取 d=12mm。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。 按彎扭合成條件校核軸 軸所受的載荷是從軸上零件傳來(lái)的。 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)。作用在軸上的扭矩，一般從傳動(dòng)件輪轂的中點(diǎn)算起。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)。 在做計(jì)算簡(jiǎn)圖時(shí)，應(yīng)先求

41、出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應(yīng)把空間里分解 為圓周力、徑向力和軸向力，然后把他們?nèi)哭D(zhuǎn)化到軸上） ，并將其分解為水平分力和 垂直分力。然后求出各支承處的水平反力 FHN和垂直反力 FNV。 我所校核的這根軸是錐齒輪傳動(dòng)的從動(dòng)軸如圖 7。其上主要有齒輪，帶輪和兩個(gè)軸承。另外一根軸的受力分析和計(jì)算在這里就不再闡述。 下面進(jìn)行軸的設(shè)計(jì)計(jì)算和強(qiáng)度校核。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知：取齒輪傳動(dòng)的效率為 0.97 ，則齒輪在此軸上的扭矩為： P1=p =20 0.97=19.4w  n  1=4rmin T1 =95500003 P1n1=4631

42、7.5N2 mm,  因大齒輪的分度圓直徑為  d=mz=23 46=92mm， 所以  Ft=2T1d=2 46317.592=1007N,Fr=Ft  tan20cos8=370.2 N Fa=Ft  tan  =141.5 N 皮帶的初拉力為 Fe=1000pv=19.45=3.88 N 由此可見(jiàn)由皮帶產(chǎn)生的彎矩可忽略不計(jì)。下面利用靜平衡原理計(jì)算 F1 和 F2 其上所受彎矩圖和剪力圖如圖 9 列出靜平衡方程 : 在垂直面內(nèi)： Fv1 106=Fr3 75+12.5 3 Fa

43、 Fv1=278 N Fv23 106=Fr3 31+12.5 3 Fa Fv2=125 N 在水平面內(nèi)： Fh2  Fh1 3 106=Ft 3 75 Fh1=712.5 N 3 106=Ft 3 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

44、 圖 10 彎矩扭矩合成圖 M= M H 2 2 所以： M V =23709 N.mm 根據(jù)第四強(qiáng)度理論對(duì)危險(xiǎn)截面進(jìn)行校核 e 1 M a2 0.75T 2 , 又 W 955000P 955 20 T n 14 1364 N.mm， W = d 3 =3.14 453 =8941.64 32 32 代入數(shù)據(jù)得 e  1 W  M

45、 a2  0.75T  2  =2.654MPa<60MPa 所以軸的強(qiáng)度足夠。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則： （ 1） 軸上零件布置應(yīng)使軸受力合理。 （ 2）軸上零件定位可靠、裝拆方便。 （ 3）采用各種減小應(yīng)力集中和提高疲勞強(qiáng)度的措施 圖11 軸 （4）有良好的結(jié)構(gòu)工藝性，便于加工制造和保證精度。 （5）對(duì)于要求剛性大的軸，還應(yīng)從結(jié)構(gòu)上

46、考慮減小軸的變形。 3.8 軸承的設(shè)計(jì)與校核 軸承的校核 如果按滾動(dòng)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。徑向接觸軸承主要用于承受徑向載荷。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。 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。 下面進(jìn)

47、行軸承的校核計(jì)算。 滾動(dòng)軸承壽命的計(jì)算公式為 L10  C P 式中  L10 的單位為 106 r 。 為指數(shù)。對(duì)于球軸承，  ；對(duì)于滾子軸承，  。 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 rmin ），則以小時(shí)數(shù)表示的軸承壽命 Lh （單位為 h） Lh  106 C 60n P 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(dòng)載荷 C（單位為 N）可根據(jù)上式

48、計(jì)算得出： 60nL h C P 106 滾動(dòng)軸承的基本額定動(dòng)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 Fr ，推力軸承僅承受純軸向載荷 Fa 。實(shí)際上，軸承在許多應(yīng)用場(chǎng) 合，常常同時(shí)承受徑向載荷 Fr 和軸向載荷 Fa 。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(dòng)載荷的載荷條件相一致的當(dāng)量動(dòng)載荷，用字母 P 表 示。這個(gè)當(dāng)量動(dòng)載荷，對(duì)于以承受徑向載荷為主的軸承，稱為徑向當(dāng)量動(dòng)載荷，常用 Pr 表示；對(duì)于以承受軸向載荷為主的軸承，稱為軸向當(dāng)量動(dòng)載荷，常用 Pa 表示。當(dāng)量動(dòng)載

49、荷 P（ Pr 或 Pa ）的一般計(jì)算公式為 P XFr YFa 式中， X、 Y 分別為徑向動(dòng)載荷系數(shù)和軸向動(dòng)載荷系數(shù)。 實(shí)際上，在許多支承中還會(huì)出現(xiàn)一些附加載荷，如沖擊力、不平衡作用力、慣性力 以及軸撓曲或軸承座變形產(chǎn)生的附加力等等， 這些因素很難從理論上精確計(jì)算。 為了記 及這些影響，可對(duì)當(dāng)量動(dòng)載荷乘上一個(gè)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定的載荷系數(shù) f P ，故實(shí)際計(jì)算時(shí)， 軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷應(yīng)為： P fP XFr YFa 選取的軸承代號(hào)為 6205，它的基本額定負(fù)荷： Cr 14kN， 查表查的徑向動(dòng)載荷系數(shù) X=0.56，軸向動(dòng)載

50、荷系數(shù) Y=1.5； 已確定軸承徑向載荷 765 N ，, 取 f P 1.2 軸承轉(zhuǎn)速為 n 3r / min ，為球軸承取 當(dāng)量動(dòng)載荷 P f P XFr YFa 1.2 0.56 765 N 514N 由于兩軸承所受軸向力較小，在此只對(duì)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(dòng)載荷 C=14 kN 計(jì)算軸承壽命 對(duì)于球軸承，式中 =3 10 6 C 10 6 3 14000 Lh FP 60 4 h 60n 514

51、 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。 軸承的潤(rùn)滑 軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)通過(guò)潤(rùn)滑避免元件表面金屬直接接觸。 潤(rùn)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。軸承常用的潤(rùn)滑材料有潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂、固體潤(rùn)滑劑和氣體潤(rùn)滑劑。非金屬軸承也可用水進(jìn)行潤(rùn)滑。 （1）潤(rùn)滑油 液體摩擦軸承幾乎全部使用潤(rùn)滑油， 且多為礦物油。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。根據(jù)軸頸直徑 d，軸的轉(zhuǎn)速 n 確定潤(rùn)滑油的黏度區(qū)。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

52、數(shù)確定潤(rùn)滑方式。 （2）潤(rùn)滑脂 潤(rùn)滑脂的主要性能指標(biāo)是錐入度和滴點(diǎn)， 應(yīng)根據(jù)軸承的壓強(qiáng)、 圓周速度和工作溫度選用。 （3）其他潤(rùn)滑材料 除潤(rùn)滑油 , 潤(rùn)滑脂外，還有其它潤(rùn)滑材料，如： ① 固體潤(rùn)滑劑，常用的有石墨、二硫化鉬、二硫化鎢等。當(dāng)軸承的溫度在高溫或低速、重載條件下工作， 不應(yīng)使用潤(rùn)滑油時(shí)， 可將固體潤(rùn)滑劑調(diào)配到潤(rùn)滑脂或油中使用，也可涂敷或燒結(jié)在摩擦表面上，還可以將其滲入軸瓦材料中或成型鑲嵌在軸承中使用。 ② 水，主要用于橡膠軸承或增強(qiáng)酚醛塑料軸承的潤(rùn)滑。 ③ 液態(tài)金屬，如汞、液態(tài)鈉、鉀、鋰等，主要用于宇航中的某些軸承。 滾動(dòng)軸承通常采用脂

53、潤(rùn)滑，高速重載或高溫時(shí)需要用油潤(rùn)滑。在本此設(shè)計(jì)中，由于軸承的在高溫、重載條件下工作，根據(jù)軸承的極限轉(zhuǎn)速知，可選擇脂潤(rùn)滑。 3.9 齒輪的設(shè)計(jì) 我采用圓錐齒輪傳動(dòng)，其設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 軸交角 90 初選小齒輪齒數(shù)為 z1 =13 則大齒輪的齒數(shù)為 Z2=13 3 3.5=45.5 取大齒輪的齒數(shù)為 46 取模數(shù)為 m=2，則分度圓直徑 d1=mz1=23 13=26 d2=mz2=2 3 46=92 u 2 1 R 2 d1 47.32 齒寬 b R 0.347.3214.2m

54、m R 大端齒頂高 ha =mh*a =2 1=2mm 大端齒根高 hf =m h*a c* =2 1.2=2.4mm 大端齒頂圓直徑 da1 d1 2ha1 cos 1 da2 d2 2h a2 cos 2  27.92mm 92.55mm（大角 =74.05 ） 錐齒輪的校核可按平均分度圓處的當(dāng)量圓柱齒輪進(jìn)行計(jì)算。 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算，其公式為： kFYt FaYSa 2T1 F Ft bmm 其中 dm1 按齒

55、面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算，其公式為： H5ZE kT1 H 2 d13u R 1 0.5 R 經(jīng)校核 F 30MPa 40MPa H 25MPa 40MPa 齒輪符合強(qiáng)度條件。 3.10 帶輪的設(shè)計(jì) 我設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置中， 帶輪的作用就是將大齒輪軸上的動(dòng)力原封不動(dòng)的傳遞給帶有 輪胎的軸，沒(méi)有速度的改變。所以帶輪的設(shè)計(jì)不必考慮傳動(dòng)比的問(wèn)題。因而我所設(shè)計(jì)的 帶輪只要滿足強(qiáng)度要求即可。摩擦帶容易打滑，這是管道機(jī)器人絕對(duì)不允許的，因?yàn)橐? 旦出事，就無(wú)法將機(jī)器人從管道中取出來(lái)。所以采用嚙

56、合帶，也就是同步帶，其特點(diǎn)如 下： 1 傳動(dòng)準(zhǔn)確，工作時(shí)無(wú)滑動(dòng)，具有恒定的傳動(dòng)比； 2. 傳動(dòng)平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低； 3. 傳動(dòng)效率高，可達(dá) 0.98 ，節(jié)能效果明顯； 4. 維護(hù)保養(yǎng)方便，不需潤(rùn)滑，維護(hù)費(fèi)用低； 5. 速比范圍大，一般可達(dá) 10，線速度可達(dá) 50ms，具有較大的功率傳遞范圍，可達(dá)幾瓦到幾百千瓦； 6. 可用于長(zhǎng)距離傳動(dòng)，中心距可達(dá) 10m以上。 帶輪的結(jié)構(gòu)如圖所示，其外徑為 32.8mm。齒高 1.14mm齒形角 40 度，齒根厚 1.14mm。 節(jié)距為 2.032mm。

57、 圖 12帶輪 其通過(guò)鍵連接在軸上。 3.11 鍵的選擇 鍵與花鍵聯(lián)接是最常見(jiàn)的輪轂聯(lián)接方式， 屬可拆卸聯(lián)接。 鍵與花鍵主要用于軸與回 轉(zhuǎn)零件輪轂間周向固定和傳遞轉(zhuǎn)矩，有的還可以實(shí)現(xiàn)軸向固定和傳遞軸向力。 此測(cè)量裝置的輪胎， 齒輪，皮帶都是通過(guò)普通平鍵來(lái)連接來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的。 這是因?yàn)椋? 平鍵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便，對(duì)中性較好。平鍵的橫截面是矩形，平鍵的上下表面相互平 行。它的兩個(gè)側(cè)面是工作表面，與鍵槽有配合關(guān)系，工作時(shí)，靠鍵和鍵槽側(cè)面的擠壓和 鍵受剪切傳

58、遞轉(zhuǎn)矩。 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(duì)中。 4 測(cè)量系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì) 4.1 測(cè)量系統(tǒng)的原理 測(cè)量機(jī)構(gòu)采用超聲波脈沖測(cè)厚原理， 基本原理為 : 超聲波換能器 (探頭 ) 發(fā)出的超聲波一部分在外表面被反射回?fù)Q能器 , 如圖 12 (a) 所示 ; 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 ; 還有一些發(fā)生多次反射 , 如圖 12 (c) 所示。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 1 層內(nèi)的傳播速度是 c，那么涂層的厚度 l 為： l=

59、c(t2-t1)。 圖 13 超聲波測(cè)量涂層厚度原理圖 霍爾傳感器是測(cè)量車輪轉(zhuǎn)數(shù)的傳感器。 它由磁鋼和霍爾元件組成。 將一個(gè)非磁性圓 盤固定裝在車輪轉(zhuǎn)軸上， 圓盤邊緣用環(huán)氧樹(shù)脂等距離粘貼塊狀磁鋼磁鋼采用永久磁鐵分 割成的小磁塊， 霍爾元件固定在距圓盤平面 1-3mm處，當(dāng)磁塊與霍爾元件相對(duì)位置發(fā)生 變化時(shí)，通過(guò)霍爾元件的感磁面的磁場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生變化。圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，磁塊靠近霍爾元

60、 件。穿過(guò)霍爾元件的磁場(chǎng)較強(qiáng)，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)到使霍爾元件處于磁塊之間時(shí)，磁力線分散， 霍爾元件輸出低電平， 當(dāng)磁場(chǎng)減弱時(shí)輸出高電平。從而使得車輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，霍爾開(kāi) 關(guān)集成電路輸出連續(xù)脈沖信號(hào)。 4.2 測(cè)量系統(tǒng)的傳感器的選擇 超聲波傳感器根據(jù)工作原理可分為壓電式、磁質(zhì)伸縮式、電磁式等多種，其中以壓 電式最為常用。 壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷。 這種傳感器統(tǒng)稱 為壓電式超聲波探頭。 它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)工作的， 逆壓電效應(yīng)將高頻電震 動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射

61、探頭；兒利用正壓電效應(yīng)，將超 聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可作為接收探頭。 根據(jù)用途的不同，壓電式超聲波探頭有多種結(jié)構(gòu)，如直探頭、斜探頭、雙探頭等。 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。超聲波的發(fā)射和接收電路如下： 圖 14 超聲波發(fā)射電路 圖 15 超聲波接收電路

62、 4.3 測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 測(cè)量系統(tǒng)是由三個(gè)傳感器、繼電器、單片機(jī)、以及電磁鐵組成。 圖 16 測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 兩個(gè)傳感器在同一圓周上， 測(cè)量圓周上不同點(diǎn)的涂層厚度。 它們被固定在兩個(gè)套筒 中，前端和尾部都有彈簧，尾部的彈簧另一端裝有磁鐵，磁鐵的對(duì)面安裝有電磁鐵，根 據(jù)磁鐵同性相吸， 異性互斥的原理， 通過(guò)對(duì)電磁鐵通斷電的控制， 來(lái)控制傳感器的移動(dòng)。 即當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，傳感器被頂出，進(jìn)行測(cè)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(cè)量。其結(jié)構(gòu)如圖 16 所示。電磁鐵產(chǎn)生的電磁力隨著流過(guò)線圈

63、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)。磁場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算公式： H = N 3 I Le 式中： H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為 Am；N為勵(lì)磁線圈的匝數(shù)； I 為勵(lì)磁電流（測(cè)量值），單位為 A； Le 為測(cè)試樣品的有效磁路長(zhǎng)度，單位為 m。 磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算公式： B = Φ (N 3 Ae) 式中： B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為 Wbm^2；Φ 為感應(yīng)磁通（測(cè)量值），單位為 Wb；N 為感應(yīng)線圈的匝數(shù)； Ae 為測(cè)試樣品的有效截面積，單位為 m^2。 然后根據(jù) F=BILSINa 就可以確定電磁力的大小了。本裝置中電磁鐵提供的電磁力足以將傳感器頂出 4

64、.4 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(cè)量管道在同一徑向圓上不同點(diǎn)的涂層厚度的 要求?？紤]到步進(jìn)電機(jī)所帶負(fù)載小，所以選用 42BYG301,電壓 12v，靜轉(zhuǎn)矩其 外形圖為： 圖 17 步進(jìn)電機(jī) 5 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1 電氣系統(tǒng)方案的分析與確定 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)控制，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)對(duì)此裝置的行

65、走機(jī)構(gòu)進(jìn)行控 制。通過(guò)控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置的前進(jìn)，后退。通過(guò) 8051 單片機(jī)和繼 電器開(kāi)關(guān)對(duì) 2 個(gè)超聲波傳感器進(jìn)行控制， 以達(dá)到兩個(gè)傳感器不同時(shí)測(cè)量的目的， 單片機(jī) 與上位機(jī)可以進(jìn)行串行通訊， 從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置與外界的交流。 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(guò)單片機(jī)進(jìn)行控制。此裝 置的工作過(guò)程為單片機(jī)接受上位機(jī)的指令在管道中行進(jìn)， 當(dāng)需要測(cè)量時(shí)由單片機(jī)控制其 停下，再由單片機(jī)執(zhí)行上位機(jī)傳來(lái)的指令控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管道涂層 厚度不同點(diǎn)的測(cè)量。 5.2 電氣系統(tǒng)的硬

66、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。單片微型計(jì)算機(jī)（  Single Chip Microcomputer  ） 簡(jiǎn)稱單片機(jī)，又稱微控制機(jī)器（  Microcontroller Unit  ）或者嵌埋式控制器  (Embedded Controller) 。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)。片內(nèi)含有CPU﹑ ROM ﹑RAM﹑并行 IO 串行﹑ IO 定時(shí)器計(jì)數(shù)器﹑ 中斷控制﹑ 系統(tǒng)時(shí)鐘及系統(tǒng)總線等。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(dòng)化裝置﹑ 智能化儀器與儀表﹑過(guò)程控制和家電控制等許多領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。 目前單片機(jī)的種類很多， 本次設(shè)計(jì)選用應(yīng)用最普遍的 MCS-51系列單片機(jī)中的 8051 單片機(jī)。 MCS-51系列單片機(jī)主要有三種型號(hào)的產(chǎn)品： 8031、 8051 和 8751。該系列產(chǎn)品是集中 CPU、IO 端口及部分 RAM等為一體完整的微機(jī)控制系統(tǒng)， 并且開(kāi)發(fā)手段完備， 指令系統(tǒng)功能強(qiáng)，編程語(yǔ)言