管道檢測機器人畢業(yè)設計

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1、 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 35 頁 共 35 頁 1 引言 管道運輸是當今五大運輸方式之一，已成為油氣能源運輸工具。目前，世界上石油天然氣管道總長約200萬km，我國長距離輸送管道總長度約2萬km。國家重點工程“西氣東輸”工程，主干線管道(管徑1118mm)全長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%的長距離運輸管道要使用幾十年、甚至上百年時間，這些管道大都埋在地下、海底。由于內外介質的腐蝕、重壓、地形沉降、塌陷等原因，管道不可避免地會出現(xiàn)損傷。在世界管道運輸史上，由于管道泄漏而發(fā)生的惡性事故觸目驚心。據(jù)不

2、完全統(tǒng)計，截至1990年，國內輸油管道共發(fā)生大小事故628次。1986到2b00年期間美國天然氣管道發(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，研究管道無損檢測自動化技術，提高檢測的可靠性和自動化程度，加強在建和在役運輸管道的檢測和監(jiān)測，對提高管線運輸?shù)陌踩跃哂兄匾饬x。 1.1管道涂層檢測裝置的發(fā)展、現(xiàn)狀和前景 1.1.1管道涂層檢測裝置的發(fā)展 管內作業(yè)機器人是一種可沿管道自動行走,攜有一種或多種傳感器件和作業(yè)機構,在遙控操縱或計算機控制下能在極其惡劣的環(huán)境中進行一系列管道作業(yè)的機電儀一體化系統(tǒng).對較長距離管道的直接檢測、清理技術的研究始于本世紀50

3、年代美、英、法、德、日等國,受當時的技術水平的限制,主要成果是無動力的管內檢測清理設備——PIG,此類設備依靠首尾兩端管內流體的壓力差產生驅動力,隨著管內流體的流動向前移動,并可攜帶多種傳感器.由于PIG本身沒有行走能力,其移動速度、檢測區(qū)域均不易控制,所以不能算作管內機器人.圖1所示為一種典型的管內檢測PIG[5]. 這種PIG的兩端各安裝一個聚氨脂密封碗,后部密封碗內側環(huán)向排列的傘狀探頭與管壁相接觸,測量半徑方面的變形,并與行走距離儀的旋轉聯(lián)動,以便使裝在PIG內部的記錄儀記錄數(shù)據(jù).它具有沿管線全程測量內徑,識別彎頭部位,測量凹陷等變形部位及管圓度的功能,并可以把測量結果和檢測位置一起記錄

4、下來. 70年代以來,石油、化工、天然氣及核工業(yè)的發(fā)展為管道機器人的應用提供了廣闊而誘人的前景,而機器人學、計算機、傳感器等理論和技術的發(fā)展,也為管內和管外自主移動機器人的研究和應用提供了技術保證.日、美、英、法、德等國在此方面做了大量研究工作,其中日本從事管道機器人研究的人員最多,成果也最多。 圖1管內檢測典型PIG樣機 在已實現(xiàn)的管內作業(yè)機器人中,按照其行動方式可分為輪式、履帶式、振式、蠕動式等幾類： (1) 輪式管內機器人 由于輪式驅動機構具有結構簡單,容易實現(xiàn),行走效率高等特

5、點,對此類機器人的研究比較多.機器人在管內的運動,有直進式的(即機器人在管內平動)也有螺旋運動式的(即機器人在管內一邊向前運動,一邊繞管道軸線轉動);輪的布置有平面的,也有空間的.一般認為,平面結構的機器人結構簡單,動作靈活,但剛性、穩(wěn)定性較差,而空間多輪支撐結構的機器人穩(wěn)定性、剛性較好,但對彎管和支岔管的通過性不佳.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M.Miura等研制的輪式螺旋推進管內移動機器人。 (2) 履帶式管內機器人 履帶式載體附著性能好,越障能力強,并能輸出較大的牽引力.為使管內機器人在油污、泥濘、障礙等惡劣條件下達到良好的行走狀態(tài),人們又研制了

6、履帶式管內機器人.但由于結構復雜,不易小型化,轉向性能不如輪式載體等原因,此類機器人應用較少.圖2所示為日本學者佐佐木利夫等研制的履帶式管內移動機器人[13],其驅動輪可變角度以適應管徑的變化,可通過圓弧過渡的90度彎管. 圖2輪式螺旋推進管內移動機器人總體結構圖 圖3 輪式螺旋推進管內移動機器人驅動系統(tǒng)圖 (3) 振動式管內機器人 振動可以使物體的位置改變,根據(jù)這一原理,日本學者森光武則等提出了的振動式管內移動機器人。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

7、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。其運動是通過身體的伸縮(蠕動)實現(xiàn)的:首先,尾部支承,身體伸長帶動頭部向前運動,然后,頭部支承,身體收縮帶動尾部向前運動,如此循環(huán)實現(xiàn)機器人的行走.圖3所示為日本日歷制作所研制的蠕動式管內機器人,其前后兩部分各有8條氣缸驅動的可伸縮支撐足,中部有一氣缸作為蠕動源。 國內在管道機器人方面的研究起步較晚，而且多數(shù)停

8、留在實驗室階段。哈爾濱工業(yè)大學鄧宗全教授在國家863”計劃課題“X射線檢測實時成像管道機器人的研制”的支持下，開展了輪式行走方式的管道機器人研制，如圖3所示。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。(2)一次作業(yè)距離長,可達2km。(3)焊縫尋址定位精度高為5mm。(4)檢測工效高,每道焊縫(900mm為例)檢測時間不大于3min;實現(xiàn)了管內外機構同步運動作業(yè)無纜操作技術, 并研制了鏈式和鋼帶式兩種新型管外旋轉機構,課題研究成果主要用于大口徑管道的自動化無損檢測[8]。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)”。其主要包含20mm內徑的

9、垂直排列工業(yè)管道中的機器人機構和控制技術(包括螺旋輪移動機構、行星輪移動機構和壓電片驅動移動機構等)、機器人管內位置檢測技術、渦流檢測和視頻檢測應用技術,在此基礎上構成管內自動探測機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)20mm管道內裂紋和缺陷的移動探測[9]。 圖4 蠕動式管內移動機器人 1.1.2測量方法的研究進展 按有無破壞性,表面涂鍍層厚度測試方法可分為有損檢測和無損檢測。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,主要用于實驗室。目前也有便攜式測厚儀,適

10、合在現(xiàn)場使用。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] 。因此,該類方法在管道涂層的測量中已得到了廣泛的應用。 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。磁吸力測厚法的測厚原理: 永久磁鐵(測頭)與導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系,這個距離就是覆層的厚度。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。測厚儀

11、基本結構由磁鋼、接力簧、標尺及自停機構組成。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。當拉力剛好大于吸力,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]。新型的產品可以自動完成這一記錄過程。 磁感應測厚法的基本原理:利用基體上的非鐵磁性涂覆層在測量磁回路中形成非鐵磁間隙,使線圈的磁感應強度減弱;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。利用磁感應原理的測厚儀,原則上可以測量導磁基體上的非導磁覆層厚度,一般要求基材導磁率在500 H /m以上。如果覆層材 料也有磁性,則要求與基材的導磁率之差足夠大(如鋼上鍍鎳) 。

12、 磁性原理測厚儀可用來精確測量鋼鐵表面的油漆層,瓷、搪瓷防護層,塑料、橡膠覆層,包括鎳鉻在內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。 （2）電渦流測厚 渦流測厚儀是根據(jù)涂鍍層與基體材料的導電性有足夠的差異來進行金屬基材上涂覆層的物性膜厚來測量的。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。其工作原理為:高頻交流信號會在測頭線圈中產生電磁場,當測頭靠近導體時,就在其中形成渦流。測頭離導電基體愈近,則渦流愈大,反射阻抗

13、也愈大。這個反饋作用量表征了測頭與導電基體之間距離的大小,也就是導電基體上非導電覆層厚度的大小。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。非磁性測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。 采用電渦流原理的測厚儀,主要是對導電體上的非導電體覆層厚度的測量,但當覆層材料有一定的導電性時,通過校準也同樣可以測量,只是要求兩者的導電率之比至少相差3～5倍(如銅上鍍鉻) 。 （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

14、種: F型、N型和FN型。其中F型探頭采用磁感應原理,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)上的絕緣層,如陽極氧化膜、油漆和涂料等;而FN型探頭同時具有F和N型探頭的功能,利用兩用型探頭,可實現(xiàn)在磁性和非磁性基體上自動轉換測量[3] 。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。 （4） 超

15、聲波測厚 超聲波測厚儀是利用超聲波脈沖反射原理,通過發(fā)射的超聲波脈沖至涂層/ 基材, 計算脈沖通過涂層/ 基材界面反射回發(fā)射器所花的時間來計算涂層的厚度。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。反射部分會被感應器接收,傳遞的振動波繼續(xù)傳遞到底材,同樣經歷著所有材料界面間的反射、傳遞過程。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]。從而計算出涂層的厚度。 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。新型的超聲

16、波測厚儀可以一次測量即可測定多層涂層的總厚度及指定的各層厚度,且精度很高。 1.1.3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。 （1） 靈活可靠的行走機構 前面已經提到,管內作業(yè)機器人在彎管、支岔管中的通過性問題仍未解決。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。應該指出的是，要解決管內機器人的通過性問題,除了要在機械結構方面推陳

17、出新之外,還應該結合控制方案來考慮。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。 （2） 智能化的傳感器系統(tǒng) 對管道內部這類非結構化環(huán)境，現(xiàn)有的管內作業(yè)機器人中的傳感器或無法正常發(fā)揮作用,或過多地依賴人的介入，已經不能滿足其發(fā)展的需要。經過多年的實踐，人們已經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。特別是以攝像機為基礎的視覺傳感器，由于其直觀性，應引起足夠的重視。同時，先進的感知算法的研究是必要的，只有

18、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。 （3） 高度自治的控制系統(tǒng) 在管道內部復雜的環(huán)境中，為減輕操作人員的負擔，機器人具有自主能力是必要的。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。例如，目前已有人在機械手控制中引入視覺伺服技術，即利用視覺傳感器來實現(xiàn)機械手的位置閉環(huán)控制。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)。 在管內作業(yè)機器人中采用視覺伺服技術,可以有效地克服現(xiàn)有傳感器

19、的不足，有利于提高其控制性能和自主能力,并對其智能化進程有重要意義。目前的關鍵問題是如何提高圖像處理的速度，神經網(wǎng)絡、人工智能的引入將有助于解決這一問題。另外，先進的控制策略，如路徑規(guī)劃，控制器參數(shù)的在線優(yōu)化等的研究也必將使管內作業(yè)機器人的智能化水平得到進一步的提高。 1.2本次設計的目的 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。熟悉一般工程設計的步驟方法：調研收集資料，方案論證比較，確定方案，完成管道涂層厚度檢測裝置的設計，繪制裝配圖及零件圖等圖紙。 2 總體方案的設計 2.1

20、管道涂層厚度檢測裝置的技術要求 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。本設計主要包括行走系統(tǒng)機構、測量機構和控制部分，要求實現(xiàn)測量系統(tǒng)在管道中行走，行走速度為0.5m/min。 2.2主要技術參數(shù) 本次設計的管道內防腐涂層厚度測量儀的具體指標如下： 1.內徑：200mm 2管道長度200m 3涂層測量范圍0～500m 4誤差（13％）m 5行走速度500mm/min 6工作環(huán)境溫度0—50℃ 2.3總體方案的分析與確定 該測量裝置由行走系統(tǒng)機構

21、、測量機構和控制部分 構成。行走機構和測量機構要通過8051單片機接受上位機的控制，進行自動行走和測量，并將所測得的數(shù)據(jù)進行整理計算傳送到上位機。 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。測量機構采用超聲波傳感器，其原理是利用超聲波的反射法，通過記錄回波信號的時間差來計算出涂層的厚度。本裝置中采用兩個傳感器呈 180布置，可同時測量兩個點的涂層厚度。 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。為了得到測量裝置在管道中行走的距離，專門設計了計程輪，此輪上安裝了霍爾元件，通過霍爾元件采集的脈沖數(shù)可得到

22、輪子所轉圈數(shù)，從而得出測量裝置行進的距離。 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。 其框圖如下： 處理電路 8051單片機 霍爾元件 繼電器開關 兩個傳感器 接口電路 計算機 電機驅動電路 圖5 測量裝置整體框圖 3 機械結構設計 3.1管道涂層測厚裝置的運動原理 微型管道機器人采用了有纜驅動的驅動方式,其運動機理由兩

23、組車輪沿徑向呈三等分均布,其中四個從動輪在扇形齒輪的作用下被支撐在管道的內壁上，另外兩個則是驅動輪。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。由于車輪與管壁之間的摩擦力，車體便可以在管中前進或后退。尾部還有一個柔性的計程輪，其作用：1.計算小車前進的距離。2.支撐車體，保持平衡。 3.2管道涂層測厚裝置行走機構的設計 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。移動機構的前后兩組支撐中,三個車輪都是沿徑向均勻分布的,而前后兩部分都是沿軸向對稱的,支撐點共六個,因此滿足形封閉條件。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

24、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。整個系統(tǒng)由于利用了對稱性,抵消了機器人在運動過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運轉軸線上所在的豎直平面上,同時,又在通過電機軸線的豎直平面上保證機器人的重心與電機運轉軸心之間適當?shù)木嚯x,從而保證了整個機器人運行過程中的平穩(wěn)性。 3.3電動機的選擇 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。其減速比為216.輸出轉速為14r/min。輸出轉矩18730mN.m。 其計算過程為： 車輪與管壁的摩擦系數(shù)為=0.8 車體的重量為50kg G=

25、mg=5010N=500N 壓緊機構產生的壓緊力為500N 則：車體對管壁的正壓力N=1000N F=μN=0.8N=800N 電動機所需要的工作功率為 各軸輸入功率為： 各軸的輸入轉矩：

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38、 所以所選的電機符合條件。 3.4傳動的總體方案設計 此測量裝置在500mm/min的速度下前進，速度比較低。初選車輪直徑為40mm則

39、此時車輪的角速度以及減速后最終的角速度為： ω=60v/(πd)=60500/3.144060=3.98r/min 由于電機的初速度為14 r/min，由傳動比公式i=14/w=14/3.98=3.5 所以傳動比i=3.5 我選用直齒圓錐齒輪來傳遞能量和動力。因為其可以實現(xiàn)兩相交軸之間的傳動。錐齒輪設計、制造及安裝均較簡單，用于低速傳動，非常適合此裝置的要求?？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。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，它沒有調速的作用，只需使兩軸具有同樣的旋轉速度。

40、 3.5壓緊裝置的設計 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。我所設計的壓緊裝置是通過一個扇形齒輪和一個齒條的相互嚙合實現(xiàn)的。具體如圖6所示： 圖6 壓緊裝置 此結構的原理非常簡單，但卻很實用。當管壁直徑變化時，壓緊輪就會以銷軸為中心，進行旋轉，同時齒條就會因為嚙合的作用前后移動，彈簧也跟著壓縮或拉長。以此來調節(jié)適當?shù)膲壕o力，保證車體的平衡。 3.6計程輪的設計 計程輪的設計是為了知道車體在管道中行進的距離，已達到正確測量管道中某點涂層厚度的目的。計程輪設

41、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。計程輪上安裝有霍爾傳感器?；魻杺鞲衅骶褪抢没魻栃恚ㄟ^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，就可以得到被測量脈沖信號的信息。正因為霍爾傳感器的基本原理霍爾效應只包含了磁場、電流、電壓三個常用物理量，使得采用霍爾傳感器的被測量的測量簡單易行，而磁場強度、電流、電壓是磁場、電場

42、的基本物理量，所以霍爾傳感器可以進行精確的非接觸測量。 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。本裝置中選用霍爾元件DN6837，它是一個開關集成霍爾傳感器，其輸出的脈沖信號經過一級三極管放大，在送到單片機的輸入口。 3.7軸的設計與校核 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

43、金鋼。45號優(yōu)質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。 一般機器中的軸常用優(yōu)質中碳鋼制造，這類鋼比合金鋼廉價，對應力集中的敏感性較低，其中45號鋼最為常用。為了提高材料的力學性能，通常進行調質或正火處理。由于振動磨的主軸旋轉會產生高頻率的振動，且產生的離心力相當大，所以應選45號鋼作為此傳動軸的材料。 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

44、涉及直軸，所以我們在此只討論直軸。 直軸一般都做成實心，若因機器特殊需要也可制成空心軸?？紤]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。一些結構簡單或特殊要求在軸中裝設其它零件或者減小軸的質量具有重大作用的場合，軸才做成等直徑的軸（光軸）或空心軸。空心軸內徑與外徑比通常為0.5～0.6，以保證軸的剛度及扭轉穩(wěn)定性。 根據(jù)軸的承載情況，可分為：轉軸——工作中既受彎矩又受轉矩的軸；有時還受較大軸向力的作用，這類軸在各種機器種最常見；心軸——工作中只承受彎矩、不受轉矩或轉矩較小的軸，心軸又分為轉動心軸（軸轉動）和固定心軸（軸不轉動）兩種；傳動軸——工作中只傳遞轉

45、矩、不承受彎矩或受彎矩很小的軸。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。 按扭轉強度條件計算 選擇軸的材料為45鋼，經調質處理，首先估算最小軸徑，根據(jù)下列公式進行計算 ， d ——截面處軸的直徑，單位mm， p ——軸的傳遞功率，單位kw； n ——軸的轉速，單位r/min， ——許用扭轉切應力，單位MPa，45鋼的值為25～45； ——其中45鋼的的取值為126～103。 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： =11.19mm 因軸上開有兩個鍵槽，所以軸徑應當增大5%～7%，則有 d≥11.19（1

46、+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的。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。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂的中點算起。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。 在做計算簡圖時，應先求出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應把空間里分解為圓周力、徑向力和軸向力，然后把他們全部轉化到軸上），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

47、FNV。 我所校核的這根軸是錐齒輪傳動的從動軸如圖7。其上主要有齒輪，帶輪和兩個軸承。另外一根軸的受力分析和計算在這里就不再闡述。 下面進行軸的設計計算和強度校核。根據(jù)設計要求可知：取齒輪傳動的效率為0.97，則齒輪在此軸上的扭矩為： P1=p=200.97=19.4w n1=4r/min =9550000P1/n1=46317.5Nmm, 因大齒輪的分度圓直徑為d=mz=246=92mm，所以Ft=2T1/d=246317.5/92=1007N,Fr=Fttan20/cos8=370.2 N Fa=Fttan=141.5 N 皮帶的初拉力為Fe=1000p/v

48、=19.4/5=3.88 N由此可見由皮帶產生的彎矩可忽略不計。下面利用靜平衡原理計算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： Fv1106=Fr75+12.5Fa Fv1=278 N Fv2106=Fr31+12.5Fa Fv2=125 N 在水平面內： Fh1106=Ft75 Fh1=712.5 N Fh2106=Ft31 Fh2=294 N

49、 圖8水平面內剪力彎矩圖 圖9垂直面內剪力彎矩圖 圖10彎矩扭矩合成圖 所以： M==23709 N.mm 根據(jù)第四強度理論對危險截面進行校核 ,又 N.mm， ===8941.64 代入數(shù)據(jù)得 =2.

50、654MPa<60MPa 所以軸的強度足夠。 軸的結構設計 軸結構設計原則： （1） 軸上零件布置應使軸受力合理。 （2）軸上零件定位可靠、裝拆方便。 （3）采用各種減小應力集中和提高疲勞強度的措施 圖11 軸 （4）有良好的結構工藝性，便于加工制造和保證精度。 （5）對于要求剛性大的軸，還應從結構上考慮減小軸的變形。 3.8軸承的設計與校核 3.8.1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。徑向接觸軸承主要用于承受徑向載荷。這類軸承有：深溝

51、球軸承、調心球軸承、調心滾子軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承。 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。 下面進行軸承的校核計算。 滾動軸承壽命的計算公式為 式中的單位為。為指數(shù)。對于球軸承， ；對于滾子軸承，。如果改用小時數(shù)表示壽命，代表軸承的轉速（單位為r/min），則以小時數(shù)表示的軸承壽命（單位為h） 如果載荷P和轉速n為已知，預期計算壽命又

52、已取定，則所需軸承應具有的基本額定動載荷C（單位為N）可根據(jù)上式計算得出： 滾動軸承的基本額定動載荷是在一定的運轉條件下確定的，如載荷條件為：向心軸承僅承受純徑向載荷，推力軸承僅承受純軸向載荷。實際上，軸承在許多應用場合，常常同時承受徑向載荷和軸向載荷。因此，在進行軸承壽命計算時，必須把實際載荷轉換為與確定基本額定動載荷的載荷條件相一致的當量動載荷，用字母P表示。這個當量動載荷，對于以承受徑向載荷為主的軸承，稱為徑向當量動載荷，常用表示；對于以承受軸向載荷為主的軸承，稱為軸向當量動載荷，常用表示。當量動載荷P（或）的一般計算公式為

53、 式中，X、Y分別為徑向動載荷系數(shù)和軸向動載荷系數(shù)。 實際上，在許多支承中還會出現(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生的附加力等等，這些因素很難從理論上精確計算。為了記及這些影響，可對當量動載荷乘上一個根據(jù)經驗而定的載荷系數(shù)，故實際計算時，軸承的當量動載荷應為： 選取的軸承代號為6205，它的基本額定負荷：， 查表查的徑向動載荷系數(shù)X=0.56，軸向動載荷系數(shù)Y=1.5； 已確定軸承徑向載荷765 N，,取 軸承轉速為，為球軸承取 當量動載荷 由

54、于兩軸承所受軸向力較小，在此只對軸承所受徑向力進行校核計算， 因為軸承只按徑向力計算，所以當量動載荷C=14 kN 計算軸承壽命 對于球軸承，式中=3 =14945533770000h 其強度足夠，計算結果表明，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。 3.8.2軸承的潤滑 軸承運轉時，應通過潤滑避免元件表面金屬直接接觸。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。軸承常用的潤滑材料有潤滑油、潤滑脂、固體潤滑劑和氣體潤滑劑。非金屬軸承也可用水進行潤滑。 （1）潤滑油 液體摩擦軸承幾乎全部使用潤滑油，且多為礦物油。在眾多的物理、化學性能指標

55、中，最重要的是黏度和油性。根據(jù)軸頸直徑d，軸的轉速n確定潤滑油的黏度區(qū)。按照確定的黏度區(qū)和軸承的壓強，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等參數(shù)確定潤滑方式。 （2）潤滑脂 潤滑脂的主要性能指標是錐入度和滴點，應根據(jù)軸承的壓強、圓周速度和工作溫度選用。 （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。當軸承的溫度在高溫或低速、重載條件下工作，不應使用潤滑油時，可將固體潤滑劑調配到潤滑脂或油中使用，也可涂敷或燒結在摩擦表面上，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

56、軸承或增強酚醛塑料軸承的潤滑。 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。 滾動軸承通常采用脂潤滑，高速重載或高溫時需要用油潤滑。在本此設計中，由于軸承的在高溫、重載條件下工作，根據(jù)軸承的極限轉速知，可選擇脂潤滑。 3.9齒輪的設計 我采用圓錐齒輪傳動，其設計參數(shù)如下： 軸交角 90 初選小齒輪齒數(shù)為=13 則大齒輪的齒數(shù)為 Z2=133.5=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=213=26 d2=mz2=246=92 齒寬 大端齒頂高 大端齒根高 大端齒頂圓

57、直徑 （大角=74.05） 錐齒輪的校核可按平均分度圓處的當量圓柱齒輪進行計算。 按齒根彎曲疲勞強度計算，其公式為： 其中 按齒面接觸疲勞強度計算，其公式為： 經校核 齒輪符合強度條件。 3.10帶輪的設計 我設計的檢測裝置中，帶輪的作用就是將大齒輪軸上的動力原封不動的傳遞給帶有輪胎的軸，沒有速度的改變。所以帶輪的設計不必考慮傳動比的問題。因而我所設計的帶輪只要滿足強度要求即可。摩

58、擦帶容易打滑，這是管道機器人絕對不允許的，因為一旦出事，就無法將機器人從管道中取出來。所以采用嚙合帶，也就是同步帶，其特點如下： 1傳動準確，工作時無滑動，具有恒定的傳動比； 2.傳動平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低； 3.傳動效率高，可達0.98，節(jié)能效果明顯； 4.維護保養(yǎng)方便，不需潤滑，維護費用低； 5.速比范圍大，一般可達10，線速度可達50m/s，具有較大的功率傳遞范圍，可達幾瓦到幾百千瓦； 6.可用于長距離傳動，中心距可達10m以上。 帶輪的結構如圖所示，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。 圖12帶輪

59、其通過鍵連接在軸上。 3.11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。鍵與花鍵主要用于軸與回轉零件輪轂間周向固定和傳遞轉矩，有的還可以實現(xiàn)軸向固定和傳遞軸向力。 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現(xiàn)傳動的。這是因為，平鍵結構簡單，拆裝方便，對中性較好。平鍵的橫截面是矩形，平鍵的上下表面相互平行。它的兩個側面是工作表面，與鍵槽有配合關系，工作時，靠鍵和鍵槽側面的擠壓和鍵受剪切傳遞轉矩。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中。 4測量系統(tǒng)原理及設計 4.1測量系統(tǒng)的原理 測量機構采用超聲波脈沖測厚原理，基本原理為: 超聲波換

60、能器(探頭) 發(fā)出的超聲波一部分在外表面被反射回換能器, 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換能器; 還有一些發(fā)生多次反射, 如圖12 (c) 所示。假設超聲波在外表面反射回換能器所用的時間是t1,在接觸面反射回換能器的時間是t2 ,超聲波在涂層內的傳播速度是c，那么涂層的厚度l為：l=c(t2-t1)。 圖 13 超聲波測量涂層厚度原理圖 霍爾傳感器是測量車輪轉數(shù)的傳感器。它由磁鋼和霍爾元件組成。將一個非磁性圓盤固定裝在車輪轉軸上，圓盤邊緣用環(huán)氧樹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1-3m

61、m處，當磁塊與霍爾元件相對位置發(fā)生變化時，通過霍爾元件的感磁面的磁場強度就會發(fā)生變化。圓盤轉動，磁塊靠近霍爾元件。穿過霍爾元件的磁場較強，當圓盤轉到使霍爾元件處于磁塊之間時，磁力線分散，霍爾元件輸出低電平，當磁場減弱時輸出高電平。從而使得車輪在轉動過程中，霍爾開關集成電路輸出連續(xù)脈沖信號。 4.2測量系統(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來工作的，逆壓電效應將高頻電震動轉換成高頻機械振動，從而產生超聲波，可作為發(fā)

62、射探頭；兒利用正壓電效應，將超聲波轉換為電信號，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構，如直探頭、斜探頭、雙探頭等。本設計中選用的是直探頭，因為本裝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 4.3測量系統(tǒng)的結構設計 測量系統(tǒng)是由三個傳感器、繼電器、單片機、以及電磁鐵組成。 圖16測量系統(tǒng)的結構

63、兩個傳感器在同一圓周上，測量圓周上不同點的涂層厚度。它們被固定在兩個套筒中，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，通過對電磁鐵通斷電的控制，來控制傳感器的移動。即當電磁鐵通電時，傳感器被頂出，進行測量，當電磁鐵斷電時，傳感器在彈簧的作用下，收縮回套筒，結束測量。其結構如圖16所示。電磁鐵產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)需要人為進行調節(jié)。磁場強度的計算公式：H = N I / Le 式中：H為磁場強度，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

64、為m。 磁感應強度計算公式：B = Φ / (N Ae) 式中：B為磁感應強度，單位為Wb/m^2；Φ為感應磁通（測量值），單位為Wb；N為感應線圈的匝數(shù)；Ae為測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 4.4步進電機的選擇 步進電機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的涂層厚度的要求。考慮到步進電機所帶負載小，所以選用42BYG301,電壓12v，靜轉矩0.25N.m.其外形圖為：

65、 圖17步進電機 5 電氣系統(tǒng)設計 5.1 電氣系統(tǒng)方案的分析與確定 為了實現(xiàn)對測量系統(tǒng)的自動控制，本設計采用單片機對此裝置的行走機構進行控制。通過控制直流電機的正反轉來實現(xiàn)測量裝置的前進，后退。通過8051單片機和繼電器開關對2個超聲波傳感器進行控制，以達到兩個傳感器不同時測量的目的，單片機與上位機可以進行串行通訊，從而實現(xiàn)測量裝置與外界的交流。兩個傳感器是靠步進電機控制的，因為步進電機可實現(xiàn)精確角度的旋轉，步進電機通過單片機進行控制。此裝置的工作過程為單片機接受上位機的指令在管道中行進，當需要測量時由單片機控制其停下，再由單片機執(zhí)行上位機傳來的指令控制步進電機旋轉角

66、度，從而實現(xiàn)對管道涂層厚度不同點的測量。 5.2 電氣系統(tǒng)的硬件設計 5.2.1 單片機的選擇 本系統(tǒng)選用單片機為控制單元。單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）簡稱單片機，又稱微控制機器（Microcontroller Unit）或者嵌埋式控制器(Embedded Controller)。它是計算機的基本部件微型化，使之集成在一塊芯片的微機。片內含有CPU﹑ ROM ﹑RAM ﹑并行I/O 串行﹑I/O 定時器/計數(shù)器﹑ 中斷控制﹑ 系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等。單片機有著體型小﹑ 功耗低﹑ 功能強﹑ 性價比高﹑ 易于推廣應用等顯著優(yōu)點，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域得到日益廣泛的應用。 目前單片機的種類很多，本次設計選用應用最普遍的MCS-51系列單片機中的8051單片機。MCS-51系列單片機主要有三種型號的產品：8031、8051和8751。該系列產品是集中CPU、I/O端口及部分RAM等為一體完整的微機控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段完備，指令系統(tǒng)功能強，