管道檢測作業(yè)機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)

機(jī)電工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))學(xué)生姓名指導(dǎo)教師畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))任務(wù)書畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目管道檢測作業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)題目類型工程設(shè)計(jì)題目來源教師科研題畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))時(shí)間從2010年3月1日至2010年6月8日畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))內(nèi)容要求：(1)技術(shù)指標(biāo)：(a)自適應(yīng)管道直徑為270-300mm,驅(qū)動(dòng)力>800N;(b)在管道內(nèi)的移動(dòng)速度大于10cm/s;(c)能通過曲率半徑600mm,總長為10m的倒U型管道；(4)能夠搭載微型CCD和無損檢測傳感器對(duì)管道內(nèi)的裂紋和腐蝕缺陷等(2)完成總體方案設(shè)計(jì)、總體布局和結(jié)構(gòu)確定，行走機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)、控制電機(jī)(3)要求具有電纜控制和遙控兩種功能。完成傳感檢測原理與檢測作業(yè)功能裝(1)查閱文獻(xiàn)和實(shí)習(xí)，了解國內(nèi)外管道檢測作業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并(3)完成管道檢測作業(yè)機(jī)器人總體布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算與行走方式確定：(5)整理相關(guān)資料，撰寫設(shè)計(jì)說明書。要求設(shè)計(jì)圖紙不少于4張1*圖，設(shè)計(jì)說明書不少于50頁。 1)成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20023)楊培元，朱福元主編.液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡明手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19944)《電氣工程師手冊(cè)》第二版編輯委員會(huì)編.電氣工程師手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20005)沈紅衛(wèi)編著.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例與分析.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20036)黃菊生編著.單片機(jī)原理與接口技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社，20073.畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))進(jìn)度安排階段起止時(shí)間前期畢業(yè)實(shí)習(xí)、調(diào)研、收集有關(guān)資料、翻譯文獻(xiàn)中期系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，總體布局與結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、行走方式確定、傳感檢測方案設(shè)計(jì)、傳感檢測功能裝置選型與設(shè)計(jì)平臺(tái)、檢測系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試后期編寫設(shè)計(jì)說明書答辯準(zhǔn)備檢查整理相關(guān)資料，準(zhǔn)備答辯答辯畢業(yè)答辯指導(dǎo)教師(簽名)主管院長(簽名)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))成績?cè)u(píng)定表(一)指導(dǎo)教師評(píng)語XXX同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，態(tài)度較積極主動(dòng)，工作較扎實(shí)認(rèn)真，較好地完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書規(guī)定的工作任務(wù)——管道檢測機(jī)器人總體設(shè)計(jì)。主要完成了管道檢測作業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)，包括機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)、管道內(nèi)部行走驅(qū)動(dòng)控制與里程輪定位、管道裂紋超聲波檢測等方案的確定，對(duì)管道機(jī)器人機(jī)械本體、里程輪自適應(yīng)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)球鉸式萬向聯(lián)軸器等進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)，建立了管道機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模，并進(jìn)行了虛擬樣機(jī)仿真。所設(shè)計(jì)的管道檢測作業(yè)機(jī)器人總體方案正確，結(jié)構(gòu)合理。設(shè)計(jì)圖紙圖面清晰、整潔，布局較合理，視圖表達(dá)完整，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，條理性較強(qiáng)，寫作格式符合規(guī)范，文檔齊全。該同學(xué)考慮問題比較全面，具有較好的綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題的能力，以及較強(qiáng)的獨(dú)立設(shè)計(jì)能力。同時(shí)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中尊師守紀(jì)，虛心好學(xué)，團(tuán)結(jié)同學(xué)，樂于助人，體現(xiàn)了較好的協(xié)作精神。XXX同學(xué)較好地完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，達(dá)到了本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求，可以提交答辯。 日畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))成績?cè)u(píng)定表(二)論文(設(shè)計(jì))評(píng)閱人評(píng)語同學(xué)選題正確，既符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，又密切結(jié)合科研工作，選題具有先進(jìn)性。設(shè)計(jì)的管道檢測機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案合理，所設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人里程輪自適應(yīng)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)球鉸式萬向聯(lián)軸器等機(jī)械本體結(jié)構(gòu)正確，布局合理，通過管道機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與虛擬樣機(jī)仿真分析，驗(yàn)證了總體設(shè)計(jì)方案的合理性?？紤]問題比較全面。圖紙齊全、整潔，圖面質(zhì)量較好，符合規(guī)范。畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書內(nèi)容齊全，概念清楚，分析問題、解決問題的能力比較強(qiáng)。XXX同學(xué)全面完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，符合畢業(yè)設(shè)計(jì)要求，可以提交畢業(yè)答辯。論文(設(shè)計(jì)) 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))成績?cè)u(píng)定表(三)答辯意見畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯過程中，報(bào)告畢業(yè)設(shè)計(jì)工作條理較為清晰，重點(diǎn)較為突出，概念比較清楚，內(nèi)容較完備。對(duì)所提問題較能正確回答。答辯成績：答辯委員會(huì)(小組)負(fù)責(zé)人學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組審查意見： 日目錄中南大學(xué)本科畢業(yè)論文目錄摘要 I I ]1.1研制管道檢測作業(yè)機(jī)器人的背景和意義 11.2國內(nèi)外管道檢測作業(yè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 41.2.1幾種主要類型的管道檢測機(jī)器人 41.2.2石油管道腐蝕檢測技術(shù)現(xiàn)狀 81.2.3管道檢測機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 1.3本課題研究思路與主要內(nèi)容 1.4本章小結(jié) 第2章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì) 2.1管道檢測作業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案 2.1.1管道檢測作業(yè)機(jī)器人總體方案要求的提出 2.1.2管道檢測作業(yè)機(jī)器人總體方案的比較 2.2管道檢測作業(yè)機(jī)器人總體方案的組成 2.2.1管道檢測作業(yè)機(jī)器人里程輪定位系統(tǒng) 2.2.2管道檢測作業(yè)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu) 2.2.3管道檢測作業(yè)機(jī)器人檢測控制系統(tǒng) 212.3本章小結(jié) 22第3章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì) 3.1機(jī)械本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 233.2里程輪工作原理 243.3里程輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26中南大學(xué)本科畢業(yè)論文目錄3.3.1里程輪系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 3.3.2超聲波檢測系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 283.3.3里程輪系統(tǒng)箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 283.4里程輪系統(tǒng)各零件的參數(shù)設(shè)計(jì)與驗(yàn)算 3.4.1里程輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.4.2里程輪用螺紋軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)算 3.4.3里程輪平鍵連接強(qiáng)度計(jì)算與驗(yàn)算 3.4.4管道檢測機(jī)器人自適應(yīng)壓縮彈簧的設(shè)計(jì)校核 3.5超聲波系統(tǒng)、里程輪系統(tǒng)的聯(lián)軸器選擇及萬向聯(lián)軸器的選擇 433.6本章小結(jié) 44 4.1管道檢測作業(yè)機(jī)器人的SolidWorks建模 45 464.3管道檢測作業(yè)機(jī)器人的ADAMS仿真與結(jié)果分析 484.4本章小結(jié) 49 參考文獻(xiàn) 附錄I工程圖清單 附錄Ⅱ英文翻譯 附錄Ⅲ英文翻譯原文 I管道是輸送石油、天然氣等介質(zhì)的最經(jīng)濟(jì)手段，但石油輸油管道受蝕后，管壁變薄，容易產(chǎn)生裂縫，造成漏油的問題。我國大量的油氣輸送管道分布在人口較稠密的地區(qū)，一旦發(fā)生腐蝕泄漏事故，其后果不堪設(shè)想。本文設(shè)計(jì)了一種新型石油管道檢測機(jī)器人，分析了其總體機(jī)械結(jié)構(gòu)、檢測原理及方法，討論了檢測機(jī)器人在管道中的定位問題和能源系統(tǒng)。為了提高機(jī)器人的穩(wěn)定性和靈活性，通過萬向節(jié)的設(shè)計(jì)保證了機(jī)器人能夠順利通過曲率半徑為600mm的彎道；對(duì)檢測機(jī)器人在管道中的運(yùn)動(dòng)特性和行走阻力進(jìn)行了分析；在此基礎(chǔ)上提出了動(dòng)態(tài)超聲波掃描的檢測方法，提高了檢測的效率，能夠滿足實(shí)際的需要。設(shè)計(jì)了檢測機(jī)器人的控制系統(tǒng)，進(jìn)行了相關(guān)的硬件選型、電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)包括里程輪信號(hào)采集、超聲信號(hào)采集模塊、電機(jī)控制模塊以及時(shí)鐘、存儲(chǔ)器以及通訊接口等外圍電路；最后在SolidWorks2007環(huán)境下對(duì)管道檢測作業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了三維建模，并在ADAMS環(huán)境下對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)管道檢測機(jī)器人的后期研制具有至關(guān)重要的意義。關(guān)鍵詞：管道機(jī)器人；里程輪定位；管道自適應(yīng)；超聲波檢測ABSTRACT中南大學(xué)本科畢業(yè)論文ABSTRACTⅡPipelinesprovidethemostefficientmeansofcarryingoilandgas.Butthefailuresareoftenoccurredbyinternalcorrosioninpipeline.Whenoilpipelineswerecorroded,theirwallswouldbecomethinandresultincracksandoilleak.Oncetheleakshappened,thedamagesaremoreseriousbecausemostofthemareindenselypopulatedareas.Thispaperistodesignanadaptiveoilpipeinspectionrobotwithcrackpositioningsystemandenergysystemsinpipelinesandanalyzeitsmachinestructureaswellasinspectionprincipleandmethod.Firstly,theoverallstructureofpipeinspectionrobotwithwheelflexingmechanismtoadapttothechangeofpipediameterandtheuniversaljointsfortherobottosuccessfullypasstheturnwithcurvatureradiuswasbroughtforward.Toensuretherobot'sstabilityandflexibility,thedynamicperformanceandthewalkingresistancewiththetwomechanismswereanalyzedwhenrobotworkinginpipelines.Ultrasonicinspectionwithdynamicscanningmethodistakentoimprovetheinspectionefficiencyandtomeettheactualneeds..Secondly,thecontrolsystemwasdesignedaswellasthecorrespondenthardware,circuitryandsoftware.Thehardwarecircuitdeviceincludesdataacquiringcircuitofmileagesignal,drivecircuitofelectromotorandinterfacecircuitofcommunication.The3DmodelofpiperobotwasbuiltbyutilizingSolidWorks2007softwareandtheprototypeofthisrobotissetupinADAMSsoftwarebyMechanism/ProinterfacemodulebetweenSolidWorksandADAMS.Andthepiperobotwasco-simulatedandanalyzedinADAMS.Finally,theadvantagesanddisadvantagesofourrobotaswellasroomsforimprovementwasanalyzedandconcludedKeyWords:PipelineRobot;MileageWheelPositioning;PipingAdaptive;UltrasonicInspection1管道檢測技術(shù)是最近幾十年間隨著工業(yè)管道、生活管道在各種地方的鋪設(shè)，然而其環(huán)境的惡劣性使管道內(nèi)外部均受到侵蝕而發(fā)展起來的急需的一門技術(shù)。本章主要對(duì)管道檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行概述和管道機(jī)器人的幾種主要成品進(jìn)行了分析對(duì)比。1.1研制管道檢測作業(yè)機(jī)器人的背景和意義近些年來，人們對(duì)自然環(huán)境、工作環(huán)境、工作工具及其方式的要求逐步提高。隨著中國城市化建設(shè)事業(yè)的發(fā)展推進(jìn)，中國西氣東輸工程的全面啟動(dòng)，特別是大型化工廠、大型天然氣廠、大型地下管道處理系統(tǒng)的建成，大型管道(或類似管道裝置)組合處理系統(tǒng)設(shè)施以其高質(zhì)量的工作效率、圓形管道結(jié)構(gòu)，占地少、有效工作空間大、美化生活環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛普及和應(yīng)用，國內(nèi)外檢測技術(shù)都得到了迅猛發(fā)展，管道檢測技術(shù)逐漸形成管道內(nèi)、外檢測技術(shù)(涂層檢測、智能檢測)兩個(gè)分枝。通常情況下涂層破損、失效處下方的管道同樣受到腐蝕，管道外檢測技術(shù)的目的是檢測涂層及陰極保護(hù)有效性的基礎(chǔ)上，通過挖坑檢測，達(dá)到檢測管體腐蝕缺陷的目的，對(duì)于目前大多數(shù)布局內(nèi)檢測條件的管道是十分有效的。管道內(nèi)檢測技術(shù)主要用于發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)外腐蝕、局部變形以及焊縫裂紋等缺陷，也可間接判斷涂層的完好性。因此，各種大口徑天然氣管道、大口徑石油運(yùn)輸管道、大口徑自來水管道、大孔徑地下污水處理管道，鍋爐廠、硫酸廠、核電站、液化氣站、印刷廠、酒廠、食品加工廠、東風(fēng)二汽長管道系統(tǒng)等，各種大型廠房中的大孔徑管道系統(tǒng)隨處可見。但是，它們?cè)跒槿藗児ぷ魉脮r(shí)，也帶來了很多問題，如人們肆意向管道內(nèi)投放廢品塑料、易拉罐、粘性物品、玻璃廢品等，長期下去導(dǎo)致管道內(nèi)部因淤積較多廢棄物從而使管道堵塞；冬天北方天氣寒冷，裸露在外部的自來水管道(或其他化工管道)因溫度太低內(nèi)部自來水會(huì)產(chǎn)生凝固凍結(jié)，從而導(dǎo)致自來水不能正常流動(dòng)，影響城市居民正常的生活；酒精廠(或其它化工廠)燃料燃燒所產(chǎn)生的粉塵會(huì)黏附在管道(或煙囪)內(nèi)壁，長時(shí)間越積越多吹產(chǎn)生靜電效應(yīng)，甚至引發(fā)火災(zāi)和爆炸事故；長期處于露天環(huán)境，大多數(shù)大型輸油管道、天然氣管道等都會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部泄露和腐2蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重影響自然環(huán)境并且產(chǎn)生安全隱患等等[21一套完整的中央空調(diào)管道清掃機(jī)器人30萬元左右，其形狀如下為履帶式[31,但是只能在水平管道中運(yùn)行，而且其清掃不充分(如：履帶下面部分不能被清掃),對(duì)于立體空間中的斜管道和豎直管道更是望塵莫及，而我們的管道檢測維護(hù)機(jī)器人不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于立體空間中的斜管道和豎直管道作業(yè)，而且價(jià)格僅需一萬左右。目前的主要辦法是人工分段清潔維護(hù)、管道外部檢測，這種辦法耗費(fèi)人力物力、效率低下、管道內(nèi)部診斷情況不充分，而且存在較大的危險(xiǎn)，對(duì)它們的維護(hù)無論在工具還是技術(shù)上都跟不上設(shè)施的發(fā)展速度。傳統(tǒng)的管道內(nèi)部清潔機(jī)器只能進(jìn)行水平方向工作，無法進(jìn)行豎直方向工作，管道內(nèi)部彎道爬行更是望塵莫及。傳統(tǒng)的管道內(nèi)部清潔機(jī)器就是利用四輪小車驅(qū)動(dòng)方式沿著水平管道內(nèi)部前進(jìn)步。它們都存在不同程度的缺點(diǎn)，如機(jī)器笨重、攀爬效率低、有危險(xiǎn)、工作不穩(wěn)定、工作環(huán)境極大地受到限制等；而且豎直管道和彎曲管道內(nèi)部工作的機(jī)器較少!目前國外較有名的檢測公司有美國的TuboscopcGEPI、英國的BritishGas、德國的Pipetronix、加拿大的Corrpro,且其產(chǎn)品已基本上達(dá)到了系列化和多樣化+。雖然國內(nèi)同行在管道外檢測技術(shù)方面已取得了飛速發(fā)展，但管道內(nèi)檢測技術(shù)研究和應(yīng)用仍有待加強(qiáng)。由于管道內(nèi)檢測器使用的清管器比日常生產(chǎn)中普遍使用的清潔清管器要長得多，國內(nèi)早期的油氣管道，不具備管道內(nèi)智能檢測的條件，應(yīng)用前需對(duì)站場收、發(fā)裝置及部分管道、管件進(jìn)行改造。因此在標(biāo)準(zhǔn)中也未對(duì)此做出強(qiáng)制要求，致使該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用和研究發(fā)展較慢，限制了它的廣泛推廣與應(yīng)用。盡管目前國內(nèi)一些管道公司也引進(jìn)了內(nèi)檢測設(shè)備，但因?yàn)槲葱纬上盗谢?，?yīng)用效果還不十分理想。可喜的是，國內(nèi)部分管道公司已認(rèn)識(shí)到此方面的不足，并開始著手研究和發(fā)展管道內(nèi)檢測技術(shù)。目前中國石油新疆油田分公司與長輸管道檢測評(píng)價(jià)中心聯(lián)合開發(fā)了φ377mm漏磁通智能檢測儀，現(xiàn)已生產(chǎn)出樣機(jī)并分別在烏魯木齊架構(gòu)—706泵站、中國石油西南油氣田分公司輸氣管理出臥兩線等管道上進(jìn)行了應(yīng)用，雖然在解釋某些測試數(shù)據(jù)方面還不夠完善，但畢竟填補(bǔ)了管道內(nèi)檢測技術(shù)的空白，為管道內(nèi)檢測技術(shù)國3產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。我相信，通過引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng)新，國內(nèi)的油氣長輸管道檢測技術(shù)將石油及天然氣開采后，往往需要異地輸送，其距離可達(dá)數(shù)千公里。輸送管道作為一種經(jīng)濟(jì)、高效而安全的物料輸送手段一直為人們所關(guān)注。但管道經(jīng)過長期使用，金屬管壁因受流體沖刷、電化學(xué)腐蝕等作用會(huì)出現(xiàn)機(jī)械裂紋和腐蝕穿孔，最終導(dǎo)致輸送效率降低、輸送介質(zhì)泄漏等惡性事故。由于多數(shù)管道都鋪設(shè)與地下或海底，所以一旦出現(xiàn)事故，管道的維修和搶修成本非常高。因此，做好管道在役檢測工作已成為各國所關(guān)注的重大課題。我國大量的輸油管道為中、小口徑管道，與主干道一樣需進(jìn)行各種安全檢測，鋪設(shè)的油氣輸送管道已達(dá)30×104km,且正以每年1000-2000km的速度鋪設(shè)新管道。由于建成投入使用的年限長，大部分達(dá)到或接近20年的使用年限，且由于原設(shè)計(jì)、施工標(biāo)準(zhǔn)不高，管道年久腐蝕，又缺乏正常的檢測維修，己進(jìn)入事故多發(fā)期，或接近事故多發(fā)期。這一點(diǎn)在南方油田尤為突出。在南方油田管徑φ273mm以下的管道約2×104km,這些管道往往分布在人口較稠密的地區(qū)，一旦發(fā)生事故，其后果將更為嚴(yán)重，而中、小口徑管道智能檢測技術(shù)在國外尚無成熟技術(shù)可以引進(jìn)。我國的地下管道檢測技術(shù)仍處于起步探索階段，各種檢測管道腐蝕的技術(shù)也大都停留在管外檢測，方法傳統(tǒng)落后。如果用管道機(jī)器人技術(shù)替代傳統(tǒng)方法，就能節(jié)省大量人力物力，節(jié)約大量資金。目前，管道的各種智能檢測機(jī)器人仍在研究中，成熟的產(chǎn)品尚未開發(fā)出來。盡管某些科研單位己研制出了幾種功能樣機(jī)，但它們只能對(duì)空管道進(jìn)行檢測，很難滿足實(shí)際要求。由于國外的智能管道檢測機(jī)器人設(shè)計(jì)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，通常是幾百萬元一套儀器?，F(xiàn)在我國的大部分油田都沒有引進(jìn)這種沒備，而只是采用傳統(tǒng)的管道外檢測方法，這就無法對(duì)埋地管道腐蝕受損情況進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的檢測，從而造成了一些重大損失。2008年的汶川地震給我們帶來了巨大的損失，很多城市的地下水管道內(nèi)腔被堵塞，影響人們的正常飲水。同時(shí)每年大型工廠因管道泄露產(chǎn)生的化學(xué)污染、經(jīng)濟(jì)損失和事故也比較嚴(yán)重，這些都對(duì)我們產(chǎn)生很大沖擊，發(fā)人深思。所以我們想研制一套可操行性強(qiáng)、成本較低、工作環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)的價(jià)格低廉的管道檢測維護(hù)機(jī)器人，由它來代替人力完成各種管道檢測4維護(hù)工作。開展管道超聲檢測技術(shù)的研究，并在此基礎(chǔ)上開展管道檢測工作，通過對(duì)管道的安全性評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)分析，可以制定科學(xué)的維修計(jì)劃，改變過去的“事后維修”、“不足維修”、“過剩維修”為“視情維修”,保證管道的安全高效運(yùn)行。1.2國內(nèi)外管道檢測作業(yè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)管道檢測機(jī)器人是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機(jī)械，在工作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下，進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)、電、儀一體化目前，用于管道檢測、探傷、維護(hù)等用途的機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī)及商業(yè)化產(chǎn)品的種類和數(shù)量不斷增加。美國、英國、日本等國家的管道檢測機(jī)器人技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位，其中又以日本的管道檢測機(jī)器人總體技術(shù)水平和研究成果格外引人注目。1.2.1幾種主要類型的管道檢測機(jī)器人(1)車輪式管道檢測作業(yè)機(jī)器人輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)是一個(gè)古老而至今仍得到廣泛應(yīng)用的移動(dòng)機(jī)構(gòu)。它結(jié)構(gòu)簡單，在相對(duì)平坦的路面上有相當(dāng)優(yōu)越的性能，可是在地形復(fù)雜的情況下就不適用，輪子很容易陷到坑洼里而不能前進(jìn)。①一般輪式美國EverstVit公司的管道產(chǎn)生了多種輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的派生機(jī)構(gòu)式派生機(jī)構(gòu)。如圖1-1所示，采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，這種移動(dòng)機(jī)構(gòu)在管道接頭部分或者管道里污垢沉積較多時(shí)就不能行走自如。5由于基本輪式機(jī)構(gòu)在環(huán)境適應(yīng)性上有很多不足之處，尤其是不能在圓管、垂直管和彎管中行走。于是又出現(xiàn)了許多輪式管道機(jī)器人派生機(jī)構(gòu)。②內(nèi)支撐輪式此類管道機(jī)器人多數(shù)適用于圓管，一般是用三個(gè)互成120°的腳撐在管道內(nèi)，也可稱之為三輪式管道機(jī)器人。這是最開始研究圓管管道機(jī)器人時(shí)常用的機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)不能很好的適應(yīng)管徑，而且不容易通過彎管。因此又出現(xiàn)了許多派生結(jié)構(gòu)。圖1-2所示為韓國SungKyunKwan大學(xué)RohG、RyewM等人研制的管道檢測機(jī)器人。它是由前后兩節(jié)組成，中間萬向節(jié)連接，每節(jié)由三組行星驅(qū)動(dòng)輪均勻支撐在管壁上，可調(diào)連桿調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪以適應(yīng)不同的管徑，前端帶CCD攝像頭。圖1-2內(nèi)支撐輪式管道機(jī)器人圖1-3螺旋推動(dòng)機(jī)器人圖1-3為東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)出了基于螺旋輪式運(yùn)動(dòng)原理的管道機(jī)器人，該機(jī)器人的本體由幾個(gè)單元體通過彈簧連接而成。每個(gè)單元體上均布有三只支撐臂，用螺旋彈簧將支撐臂上的小輪緊壓在管道內(nèi)壁上，產(chǎn)生預(yù)壓力。小輪的軸線相對(duì)單元體的軸線傾斜了一個(gè)角度，通過6軟軸將扭矩作用于單元體上使微機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人采用可調(diào)整的三輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，解決了機(jī)器人垂直爬升、轉(zhuǎn)彎等行走方面的問題，可視為基本三輪式管道機(jī)器人的派生機(jī)構(gòu)。(2)履帶式管道檢測作業(yè)機(jī)器人履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)適合于未加工的天然路面行走，它是輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。相對(duì)于輪式機(jī)構(gòu)，履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)有著諸多優(yōu)點(diǎn)，如：支承面積大，接地比壓??；適合于松軟或泥濘場地進(jìn)行作業(yè)，下陷度小，滾動(dòng)阻力小，通過性能較好；越野機(jī)動(dòng)性好；履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。與輪式管內(nèi)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)類似，履帶式管內(nèi)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)也可分為一般履帶式管內(nèi)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)及其派生機(jī)構(gòu)。①一般履帶式一般履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)多指雙履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)，其由左右兩側(cè)兩條履帶負(fù)責(zé)支撐整個(gè)機(jī)體，通過調(diào)整兩側(cè)履帶的運(yùn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。圖1-4為一種采用普通履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人圖1-4普通履帶式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人雙履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)雖然較一般的輪式機(jī)構(gòu)更適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，但其不適應(yīng)圓形管道是不爭的缺點(diǎn)。所以針對(duì)這個(gè)缺點(diǎn)，產(chǎn)生了很多改善其特性的派生機(jī)構(gòu)。②變位履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)變位履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)通過改變履帶的位置或履帶的機(jī)構(gòu)形式以達(dá)到適應(yīng)不同環(huán)境的要求，如圖1-5所示的一種雙履帶式管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，履帶采用剛性支承結(jié)構(gòu)，兩履帶的夾7角可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的作業(yè)管徑。兩履帶調(diào)節(jié)到平行位置時(shí)，可以在平地或矩形管道內(nèi)行走。這樣就大大改觀了普通履帶式機(jī)器人只能在水平管道內(nèi)行走的缺陷，但是這種機(jī)器人仍然有不能再圓管中行走的缺點(diǎn)。圖1-5變位雙履帶式管道機(jī)器人③履帶變形式移動(dòng)機(jī)構(gòu)履帶變形式移動(dòng)機(jī)構(gòu)通過改變履帶形狀及相關(guān)措施增加機(jī)構(gòu)的適應(yīng)性。雙履帶式管內(nèi)機(jī)器人采用楔形截面的履帶(圖1-6),以增加履帶與壁面的接觸面積，并可通過車寬調(diào)整塊調(diào)節(jié)兩側(cè)楔形履帶的距離以適應(yīng)管徑變化，但與上述雙履帶式管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)一樣不適應(yīng)作業(yè)管徑變化的場合。圖1-6一種變形履帶式結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)具體應(yīng)用場合，可以相應(yīng)的變化履帶的形狀為正梯形、平行四邊形、倒三角形等等。(3)其他類型管道檢測作業(yè)機(jī)器人管道機(jī)器人常采用輪式和履帶式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，但也有其他類型的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，如蠕動(dòng)式機(jī)構(gòu)、步行機(jī)構(gòu)等。8圖1-7蠕動(dòng)式管道機(jī)器人圖1-8步行式管內(nèi)機(jī)器人圖1-7所示為一種蠕動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，由美國斯坦福大學(xué)研制。蠕動(dòng)式管道機(jī)器人主要的應(yīng)用領(lǐng)域是小型管道，而正常的輪式和履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠適用于小型、中小型和大型一種管內(nèi)步行式機(jī)器人，其行走過程如圖1-8,通過左右兩側(cè)腳鎖死和前后腿的機(jī)構(gòu)變化實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管內(nèi)的行進(jìn)。但該機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，而且控制起來較繁瑣。管道發(fā)生腐蝕后，通常表現(xiàn)為管道的管壁變薄，出現(xiàn)局部的凹坑和麻點(diǎn)等。管道內(nèi)腐蝕檢測技術(shù)就是主要針對(duì)管壁的變化來進(jìn)行測量分析的。在沒有開挖管道的情況下進(jìn)行的管道內(nèi)腐蝕檢測技術(shù)一般有漏磁通法、超聲波法、渦流法、激光法、電視法等。其中激光檢測法和電視測量法需和其他方法配合才能得出有效準(zhǔn)確的腐蝕數(shù)據(jù)，而渦流檢測法雖然可適用于多種黑色和有色金屬，探測蝕孔、裂紋、全面腐蝕和局部腐蝕，但是渦流對(duì)于鐵磁材料的穿透力很弱，只能用來檢查表面腐蝕。而且，如果在金屬表面的腐蝕產(chǎn)物中有磁性垢層或存在磁性氧化物，就可能給測量結(jié)果帶來難以避免的誤差。另外，由于渦流法的檢測結(jié)果與被測金屬的電導(dǎo)率有密切關(guān)系，為了提高測量精度還要求被測體系最好保持恒溫。所以，現(xiàn)在使用較為廣泛的管道腐蝕檢測方法是超聲波檢測法和漏磁檢測法。其中，超聲檢測具有直接測量和定量化的特點(diǎn)，檢測精度高。漏磁檢測則局限于材料表面和近表面的檢測，被測管壁不能太厚，且檢測干擾因素多，精度較低，但是漏磁檢測能夠9適應(yīng)比較惡劣的檢測環(huán)境。管內(nèi)漏磁檢測I]的工作原理如圖1-9所示，當(dāng)對(duì)管道進(jìn)行內(nèi)部檢測時(shí)，線圈產(chǎn)生交變磁場進(jìn)入被測管壁。此時(shí)，若被測管壁沒有受損，即不存在缺陷，則磁力線將不外溢；若被測管壁已受損減薄或存在裂縫，部分磁力線將外溢，此時(shí)，利用磁敏探頭采集信號(hào)，通過對(duì)信號(hào)的分析，即可確定管道壁的受損情況。圖1-9管內(nèi)漏磁檢測原理由于漏磁法不是直接測定管壁厚度，且漏磁信號(hào)和缺陷之間為非線性關(guān)系，檢測信號(hào)易受到管壁腐蝕缺陷的長度、深度和缺陷形狀等因素的影響。因此，使用漏磁法檢測管壁厚度時(shí)要求被測管壁較薄，它不適合于厚壁管道的無損檢測。當(dāng)腐蝕缺陷的面積大于探頭的靈敏區(qū)時(shí)，壁厚的檢測精度高，而當(dāng)腐蝕缺陷的面積小于探頭的靈敏區(qū)時(shí)，壁厚的檢測精度難以得到保證。因此，漏磁檢測分為高分辨率檢測和低分辨率檢測兩種方法。高、低分辨率的劃分以所用探頭數(shù)的多少，或各探頭間的周向間距而定，一般為8-60mm。探頭數(shù)愈多，各探頭之間的周向間距愈小，分辨率愈高，則檢測精度愈高。高分辨率漏磁檢測法對(duì)槽型缺陷具有良好的檢測效果，對(duì)長寬比大于2,寬度小于探頭周向間距的槽型缺陷(約30×10mm)而言，當(dāng)采用探頭周向間距為30-40mm的漏磁檢測法檢測時(shí)，壁厚的檢測值明顯偏小。而采用探頭周向間距為8mm的漏磁檢測法再次對(duì)這種缺陷進(jìn)行檢測時(shí)，則能精確測量出壁厚。圖1-10超聲波檢測原理圖超聲波檢測[8法主要是利用超聲波的脈沖反射原理來測量管壁受蝕后的厚度，其檢測原理如圖1-10所示，檢測時(shí)垂直于管道壁的超聲探頭對(duì)管壁發(fā)出一個(gè)超聲脈沖后，探頭首先接收到由管壁內(nèi)表面反射的回波，隨后接收到由管壁外表面反射的回波。于是，探頭至內(nèi)壁的距離A與壁厚T,可以通過內(nèi)表面反射回波的時(shí)間，以及內(nèi)、外表面反射回波的時(shí)間差來確定。管道存在內(nèi)、外壁受損時(shí)，僅僅根據(jù)壁厚T曲線尚無法判別管道屬內(nèi)壁受損還是外壁受損，還需要參照探頭至內(nèi)壁的距離A曲線。當(dāng)外壁受損減薄時(shí)，距離A曲線不變；而當(dāng)內(nèi)壁受損減薄時(shí)，距離T曲線與壁厚A曲線呈反對(duì)稱。于是，根據(jù)距離A和壁厚T兩條曲線，即可確定管壁厚度，以及管道是內(nèi)壁受損減薄還是外壁受損減薄。這種檢測方法是管道腐蝕缺陷深度和位置的直接檢測方法，檢測原理簡單，對(duì)管道材料的敏感性小，檢測時(shí)不受管道材料雜質(zhì)的影響。此外，超聲波法的檢測數(shù)據(jù)簡單準(zhǔn)確，且無需校驗(yàn)，檢測數(shù)據(jù)非常適合作為管道最大允許輸送壓力的計(jì)算，為檢測后確定管道的使用期限和維修方案提供了極大的方便，并能夠檢測出管道的應(yīng)腐蝕破裂和管壁內(nèi)的缺陷如夾雜等。這種方法的不足之處就是超聲波在空氣中衰減很快，檢測時(shí)一般要有聲波的傳播介質(zhì)，如油或水等。1.2.3管道檢測機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)(1)國外管道腐蝕檢測機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)國外漏磁檢測機(jī)器人(MagneticFluxLeakageIntelligentPig簡稱MFLPig)的研制始于70年代中期，至今已發(fā)展到第二代，而超聲波技術(shù)是80年代末才引入機(jī)器人的。國外最先將超聲波技術(shù)引入腐蝕檢測智能機(jī)器人的是日本的NKK(日本鋼管株式會(huì)社)和德國Pipetroix公司，以后加拿大、美國等也相繼研制了這類超聲機(jī)器人。與漏磁檢測機(jī)器人相比，超聲檢測機(jī)器人(UltrasonicIntelligentPig簡稱UTPig)由于檢測時(shí)不受管道壁厚的限制，它的出現(xiàn)被認(rèn)為是管道檢測技術(shù)的一大進(jìn)步，現(xiàn)在許多國家的管道檢測技術(shù)人員也都在致力于這方面的研究。實(shí)踐也證明采用超聲波檢測法得出的數(shù)據(jù)確實(shí)比漏磁法更為精確。現(xiàn)在國外的超聲檢測機(jī)器人的軸向判別精度可達(dá)3.3mm,管道圓周分辨精度可達(dá)8mm,機(jī)體外徑可由159mm到1504mm,機(jī)器人的行程可達(dá)50~200km,行走速度最高可達(dá)2m/s。目前國外管道公司在長輸管道腐蝕檢測中，廣泛采用的主要是第二代漏磁管道腐蝕檢測器和超聲波管道腐蝕檢測器，世界上接受腐蝕檢測服務(wù)的油氣管道已達(dá)數(shù)十萬公里，并取得了很好的效果[]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人檢測技術(shù)有望在以下幾個(gè)方面取得進(jìn)一步發(fā)展：將定位輪的純機(jī)械傳動(dòng)與現(xiàn)有的光、電技術(shù)相結(jié)合，勢(shì)必提高內(nèi)定位的精度、減少對(duì)外定位的依賴；利用現(xiàn)今機(jī)器人的一些行走技術(shù)，增添檢測機(jī)器人的自我行走機(jī)構(gòu)，可大大提高機(jī)器人隨著電池行業(yè)向著高能、高效方向的發(fā)展，以新型電池(如塑料電池)替代理電池將是可能的。這會(huì)減少機(jī)器人的體積、降低機(jī)器人的造價(jià)、提高機(jī)器人的續(xù)航能力。在不遠(yuǎn)的將來，有望實(shí)現(xiàn)以管道為信號(hào)載體或利用其它手段將檢測信號(hào)傳至地面做到在役管道的實(shí)時(shí)檢測。(2)國內(nèi)管道腐蝕檢測機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)相比較而言，我國的地下管道檢測技術(shù)仍處于起步探索階段，大部分管線不僅沒有使用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，而且各種檢測管道腐蝕的技術(shù)也大都停留在管外檢測，方法傳統(tǒng)落后。管道的各種智能檢測機(jī)器人仍在研究中，成熟的產(chǎn)品尚未開發(fā)出來。盡管某些科研單位己研制出了幾種功能樣機(jī)，但它們只能對(duì)空管道進(jìn)行檢測，很難滿足實(shí)際要求。由于國外的智能檢測機(jī)器人設(shè)計(jì)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，通常是幾百萬元一套儀器。現(xiàn)在我國的大部分油田都沒有引進(jìn)這種設(shè)備，而只是采用傳統(tǒng)的管道外檢測方法，這就無法對(duì)埋地管道腐蝕受損情況進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的檢測，從而造成了一些重大損失。此外，從國內(nèi)管道技術(shù)公司買進(jìn)的超聲波機(jī)器人和漏磁機(jī)器人的使用情況來看，使用超聲機(jī)器人檢測的過程中存在的最大問題是：與國外的石油品質(zhì)相比，我國的石油大部分是稠油，石油在管道內(nèi)的結(jié)蠟較厚，每次探測都需清洗數(shù)次。但檢測時(shí)在管壁上和液體介質(zhì)中仍會(huì)有少量的蠟片存在，這些蠟片往往嚴(yán)重影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致檢測精度的降低；而漏磁機(jī)器人檢測時(shí)不受蠟片的影響，但其檢測精度不如超聲機(jī)器人高，對(duì)管道上的軸向裂縫檢測還有一定的困難，而且由于漏磁技術(shù)是檢測管道壁厚的間接檢測方法，用其檢測的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)直觀顯示管壁的缺陷也比較困難。從上述分析可知，用智能機(jī)器人在管道內(nèi)檢測管道腐蝕狀況己成為現(xiàn)在世界石油天然氣行業(yè)的趨勢(shì)，而且目前管道內(nèi)智能機(jī)器人在國內(nèi)尚屬一項(xiàng)空白技術(shù)。因國外對(duì)智能機(jī)器人技術(shù)施行技術(shù)保密，所以我國應(yīng)針對(duì)國外智能機(jī)器人的不足之處，結(jié)合國內(nèi)的實(shí)際情況，在管道內(nèi)腐蝕檢測技術(shù)方面加大研究的力度，研制開發(fā)出自己的適合我國國情的智能檢測機(jī)器人，并進(jìn)一步提高機(jī)器人檢測時(shí)的抗干擾能力，完善檢測數(shù)據(jù)的視圖工具。1.3本課題研究思路與主要內(nèi)容本論文結(jié)合石油管道裂紋檢測作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)要求，擬完成φ300mm石油管道裂紋檢測作業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容如下：第1章：根據(jù)石油管道的特殊環(huán)境與行走、檢測作業(yè)要求，提出了一種基于萬向節(jié)聯(lián)接的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)共同作用的兩段式內(nèi)螺旋推進(jìn)行走管道機(jī)器人總體方案；第2章：對(duì)機(jī)器人內(nèi)螺旋推進(jìn)行走機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算與選型的基礎(chǔ)上，保證機(jī)器人在管內(nèi)正常行走；第3章：設(shè)計(jì)里程輪機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)管內(nèi)定位，即確定所檢測到裂紋缺陷的位置，然后提出了采用超聲波檢測技術(shù)從內(nèi)部對(duì)管道進(jìn)行檢測，并完成了超聲波檢測探頭的固定與檢測裝置的設(shè)計(jì)；提出了超聲波檢測管道裂紋的軟硬件測控系統(tǒng)方案；第4章：對(duì)管道機(jī)器人總結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了SolidWorks三維建模，通過導(dǎo)入到ADAMS2005中，建立管道機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了仿真，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的總體方案是否符合φ300mm石油管道裂紋超聲波檢測的需要。1.4本章小結(jié)智能機(jī)器人在管道內(nèi)檢測管道腐蝕狀況己成為現(xiàn)在世界石油天然氣行業(yè)的趨勢(shì)，而且目前管道內(nèi)智能機(jī)器人在國內(nèi)尚屬一項(xiàng)空白技術(shù)。因國外對(duì)智能機(jī)器人技術(shù)施行技術(shù)保密，所以我國應(yīng)針對(duì)國外智能機(jī)器人的不足之處，結(jié)合國內(nèi)的實(shí)際情況，在管道內(nèi)腐蝕檢測技術(shù)方面加大研究的力度，研制開發(fā)出自己的適合我國國情的智能檢測機(jī)器人，并進(jìn)一步提高機(jī)器人檢測時(shí)的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化。中南大學(xué)本科畢業(yè)論文第2章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)第2章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)本機(jī)器人的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：符合φ300mm石油管道的適用要求和工作環(huán)境，研究石油管道超聲檢測技術(shù)。本章將對(duì)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)、檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)和機(jī)器人在管道中的定位系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于采用超聲波檢測技術(shù)從內(nèi)部對(duì)管道進(jìn)行檢測，因此本文考慮檢測探頭的固定，即要完成對(duì)檢測裝置的設(shè)計(jì)；其次要考慮機(jī)器人的推進(jìn)動(dòng)力和機(jī)械結(jié)構(gòu)，以保證機(jī)器人在管內(nèi)正常行走；再次要確定所檢測到缺陷的位置，這就要設(shè)計(jì)一個(gè)里程機(jī)構(gòu)(管內(nèi)定位);最后還要建立一個(gè)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。2.1管道檢測作業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案2.1.1管道檢測作業(yè)機(jī)器人總體方案要求的提出機(jī)器人在沿石油管道檢測時(shí)，需要克服石油管道截面變形、內(nèi)壁不平產(chǎn)生突起或凹坑、過彎管等因素的影響，這就需要機(jī)器人對(duì)管道直徑變化有一定的適應(yīng)能力。此次設(shè)計(jì)的要求如下：①管道內(nèi)徑D=300mm,驅(qū)動(dòng)力F=800N;②行進(jìn)速度v=0.1m/s,能通過U型管道；③能夠搭載微型CCD和無損檢測傳感器對(duì)管道內(nèi)的裂紋和腐蝕缺陷等進(jìn)行檢測。在設(shè)計(jì)之前，通過比較多種目前比較成熟的管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的優(yōu)選，以便設(shè)計(jì)出最適合石油管道、生活用管道的檢測機(jī)器人。2.1.2管道檢測作業(yè)機(jī)器人總體方案的比較(1)車輪式[11管道機(jī)器人該機(jī)器人具有如下優(yōu)點(diǎn)：采用了一種簡單的運(yùn)動(dòng)方式，并且只用了一個(gè)電機(jī)；能耗低；可以在水平的、垂直的、彎曲的管道中工作；可以自適應(yīng)變直徑的管道，并且能夠通過管道內(nèi)的小障礙物。中南大學(xué)本科畢業(yè)論文第2章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)圖2-1管道內(nèi)輪式機(jī)器人該機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：采用輪式載體，牽引力強(qiáng)，速度快，轉(zhuǎn)向容易，能夠?qū)崿F(xiàn)垂直行走及90°彎管，對(duì)管徑的變化具有一定適應(yīng)性；由三個(gè)或多個(gè)行走單元組成，在管道截面上平均分布。每個(gè)行走單元由電機(jī)、減速傳動(dòng)系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和行走系統(tǒng)組成；減速傳動(dòng)系統(tǒng)由一對(duì)蝸輪蝸桿副組成，能夠輸出較大的扭矩；支撐系統(tǒng)采用剪刀式結(jié)構(gòu)，依靠拉伸彈簧將行走單元緊壓在管道內(nèi)壁上，依靠車輪與內(nèi)壁的摩擦力前進(jìn)或后退；每個(gè)單元的行走系統(tǒng)由一個(gè)主動(dòng)輪和一個(gè)被動(dòng)輪組成。(2)腳式管道檢測作業(yè)機(jī)器人西門子公司W(wǎng)ernerNeubauer等人研制的管道機(jī)器人有4、6、8支腳三種類型，可在各種類型的管里移動(dòng)，其基本原理是利用腿推壓管壁來支撐個(gè)體，多腿可以便地在各種形狀的彎管圖2-2管內(nèi)腳式機(jī)器人國內(nèi)的太原理工大學(xué)研制成功管內(nèi)腳式行走機(jī)器人。該機(jī)器人可在管內(nèi)雙向行走，自動(dòng)中南大學(xué)本科畢業(yè)論文第2章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)隨管道彎度轉(zhuǎn)向。該機(jī)器人由撐腳機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)構(gòu)成，如圖2-2。該機(jī)器人主要適用于較大管徑的管道，尤其以非圓形管道為主，在圓形管道方面不如輪式機(jī)器人的適應(yīng)性(3)蠕動(dòng)式管道檢測作業(yè)機(jī)器人基于爬行生物的運(yùn)動(dòng)原理，以各種驅(qū)動(dòng)器為動(dòng)力，專家們?cè)O(shè)計(jì)并研制出多種形式的蠕動(dòng)式管道檢測機(jī)器人。由于蠕動(dòng)式管道機(jī)器人行動(dòng)較為緩慢，不適合于需要迅速查清管道內(nèi)部缺陷的要求，在設(shè)計(jì)方面也需要一些生物知識(shí)，較難實(shí)現(xiàn)。圖2-3蠕動(dòng)式管道檢測作業(yè)機(jī)器人清華大學(xué)研制了一套小型蠕動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，其機(jī)構(gòu)如圖2-3,由1蠕動(dòng)體和2、3、4電致伸縮微位移器組成。蠕動(dòng)體的蠕動(dòng)變形形態(tài)由粘貼于柔性鉸鏈部位的電阻應(yīng)變實(shí)時(shí)感應(yīng)，機(jī)器人的外形尺寸為150×61×46mm,重2kg,最大步距10μm,行程40mm,運(yùn)動(dòng)精度0.2μm。(4)利用介質(zhì)壓差驅(qū)動(dòng)的管道檢測機(jī)器人利用管道流體壓力[12I對(duì)管道進(jìn)行直接檢測和清理技術(shù)的研究始于上世紀(jì)50年代，最具代表性的是美國研制的一種介質(zhì)壓差驅(qū)動(dòng)的管內(nèi)清理及檢測設(shè)備，由于該檢測機(jī)器人是靠管道內(nèi)部流體在其前后所形成的壓力差作用下在管道內(nèi)運(yùn)行的，因此被稱為介質(zhì)壓差驅(qū)動(dòng)的管道檢測機(jī)器人，如圖2-4所示。中南大學(xué)本科畢業(yè)論文第2章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)利用介質(zhì)壓差驅(qū)動(dòng)的管道檢測機(jī)器人結(jié)構(gòu)需要較為輕巧，而且要求機(jī)械本體密封性較高，在使用的過程中需要管內(nèi)的流體有一定流速，對(duì)管道的自適應(yīng)不是很強(qiáng)。(5)通過彈性桿外加推力的管道檢測機(jī)器人日本東京科技學(xué)院利用外加推力研制成“螺旋原理”的微型機(jī)器人，如圖2-5。利用在管外的電機(jī)推動(dòng)帶有彈性的線推動(dòng)驅(qū)動(dòng)部件前進(jìn)，該驅(qū)動(dòng)部件可以越過小的臺(tái)階。該管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)較為簡單，但是其對(duì)于較長管道的適應(yīng)性不如輪式。圖2-5通過彈性桿外加推力的管道檢測機(jī)器人2.2管道檢測作業(yè)機(jī)器人總體方案的組成經(jīng)過對(duì)以上幾種行走、驅(qū)動(dòng)方案的比較，決定采用以下的設(shè)計(jì)方案[31來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，示意圖如2-6所示。圖2-6管道檢測作業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)圖圖2-6所示的管道檢測作業(yè)機(jī)器人主要包含三個(gè)部分：驅(qū)動(dòng)行走部分、里程輪定位部分和超聲波探測缺陷部分。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)體上面的6個(gè)驅(qū)動(dòng)輪沿著管壁進(jìn)行螺旋旋轉(zhuǎn)，前端和后端的驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，在與管壁的摩擦作用下，使整體的前進(jìn)方向一致。驅(qū)動(dòng)電機(jī)在啟動(dòng)后，帶動(dòng)行星齒輪系進(jìn)行減速后，以穩(wěn)定的速度驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)器人進(jìn)行管道內(nèi)石油管道檢測環(huán)境要求機(jī)器人的行程很長，這就對(duì)機(jī)器人的動(dòng)力提出了要求。為了適應(yīng)長距離的行走，這里采用雙驅(qū)動(dòng)電機(jī)來提供動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)在管道內(nèi)部的正常行走和檢控。在此基礎(chǔ)上，需要在機(jī)器人的尾端使用線索連接上，這是為了防止機(jī)器人在計(jì)策過程中出現(xiàn)卡死現(xiàn)象時(shí)，可以采用人工拖拉將機(jī)器人帶回安全的地面環(huán)境并進(jìn)行檢修。2.2.1管道檢測作業(yè)機(jī)器人里程輪定位系統(tǒng)管道檢測作業(yè)機(jī)器人里程輪定位系統(tǒng)是在機(jī)器人通過超聲波檢測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)裂紋、腐蝕等缺陷之后，能夠準(zhǔn)確定位缺陷的位置，從而便于修復(fù)設(shè)備對(duì)所在管道段進(jìn)行修復(fù)。由于管道內(nèi)檢測器拾取的管道腐蝕或者形變信號(hào)是同管道位置一一對(duì)應(yīng)的。因此對(duì)于判斷管道腐蝕位置，選擇開挖地點(diǎn)，要依據(jù)管道內(nèi)檢測器在管道中運(yùn)行時(shí)對(duì)自身位置的測量。管道器上的裝置。在檢測過程中，它沿著管道壁滾動(dòng)，輪子每轉(zhuǎn)過一定角度(對(duì)應(yīng)檢測器走過一定距離),安裝在輪子上的傳感器發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，計(jì)算機(jī)連續(xù)收集此信號(hào)可以計(jì)算出檢測器相對(duì)計(jì)的誤差就越大，地面標(biāo)記系統(tǒng)的作用是將幾十千米的長輸管道分成幾千米的小段，在管道內(nèi)檢測器經(jīng)過這些小段的端點(diǎn)時(shí)，檢測器記錄下自身計(jì)量的里程值。因?yàn)橐阎@些端點(diǎn)的準(zhǔn)確位管道內(nèi)情況復(fù)雜，里程輪可能出現(xiàn)打滑、故障等情況，因此一般在管道徑向圓周內(nèi)安裝3個(gè)或者4個(gè)里程輪，每個(gè)里程輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中都會(huì)發(fā)出1路脈沖信號(hào)，此信號(hào)攜帶管道內(nèi)檢測器運(yùn)行速度信息。這里必須選擇其中1路誤差最小的信號(hào)作為里程計(jì)量信號(hào)進(jìn)行跟蹤。在實(shí)際運(yùn)行定當(dāng)前跟蹤的信號(hào)是否正常。若正常，則繼續(xù)跟蹤此路信號(hào)；若不正常，則要選擇其他的里程輪信號(hào)進(jìn)行跟蹤。里程輪工作狀態(tài)的判斷要快速準(zhǔn)確，這樣才能減少里程計(jì)量誤差。2.2.2管道檢測作業(yè)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)目前國內(nèi)外的管道中既有圓管又有方管，同時(shí)還有垂直方向的管道，針對(duì)各種管道和不同工況，提出了螺旋式和履帶式兩種機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案，但鑒于石油管道和生活用管道大多采用圓形，因此只分析螺旋式移動(dòng)方案4]。螺旋式移動(dòng)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)體和支撐體組成。三組驅(qū)動(dòng)輪均勻分布于旋轉(zhuǎn)體上，且與管壁呈一定的傾斜角8°。隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)輪沿管壁作螺旋運(yùn)動(dòng)，保持機(jī)構(gòu)沿管道中心軸線移動(dòng)。改變施加于電機(jī)的電流極性，可改變機(jī)器人的移動(dòng)方向，從而使機(jī)器人在管內(nèi)進(jìn)退自如。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用內(nèi)嵌方式安裝在支撐體上。旋轉(zhuǎn)體和支撐體的輪腿上裝有彈性機(jī)構(gòu)。腿輪與本體之間有彈簧連接，靠螺釘固定，彈簧的伸縮自動(dòng)調(diào)節(jié)位置，腿輪可以伸縮，從而可以自動(dòng)適應(yīng)管道內(nèi)徑的變化，結(jié)構(gòu)如圖2-8所示。 本方案僅適用于圓形管道，具有以下優(yōu)點(diǎn)：管道機(jī)器人在管道內(nèi)部實(shí)際受力情況很復(fù)雜，本文只考慮機(jī)器人垂直管道上升時(shí)的情況，負(fù)載能力有一定的安全系數(shù)，所以只考慮12個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的負(fù)載能力來平衡機(jī)械本體的負(fù)載，受2.2.3管道檢測作業(yè)機(jī)器人檢測控制系統(tǒng)在役輸油管道檢測機(jī)器人的研制開發(fā)中，很重要的環(huán)節(jié)就是機(jī)器人要能準(zhǔn)確檢測到管道缺陷，即通過傳感器的作用，在管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程中測定管道的壁厚厚度，準(zhǔn)確處理測到的數(shù)據(jù)。本文主要介紹了旋轉(zhuǎn)超聲探頭的檢測原理以及處理方法。超聲波檢測是目前應(yīng)用最為廣泛的一種無損檢測方法，它具有靈敏度高、穿透力強(qiáng)、探傷靈活、效率高、成本低，對(duì)人體無傷害等優(yōu)點(diǎn)，不僅可探測金屬及非金屬材料的缺陷(內(nèi)部和表面的),還可以測定材料的厚度及強(qiáng)度。超聲測距151的原理也是通過檢測超聲波從發(fā)射到反射的時(shí)間來進(jìn)行測距的，通常其所選擇的基本頻率與所要測量的距離相關(guān)。在移動(dòng)機(jī)器人研究中，單個(gè)超聲波傳感器的測量開角有限，為獲取平面內(nèi)更大范圍信息，通常將多個(gè)傳感器排著環(huán)形或其他形狀陣列。超聲傳感器的環(huán)境適應(yīng)能力相對(duì)較強(qiáng)，體積小，價(jià)格低廉，在早期的移動(dòng)機(jī)器人研究中使用較多，但它同激光測距儀相比在性能和精度上存在明顯不足：(1)由于超聲波在空氣中的傳播時(shí)能量會(huì)有較大的衰減，因此如果反射的超聲能量太弱以至于低于某一門限值，那就會(huì)得不到距離信息，而且通常超聲的返回信號(hào)會(huì)有比較大的噪聲干擾，導(dǎo)致難以得到準(zhǔn)確的距離信息。Birsel和Barshan等人為超聲反射信號(hào)的幅度建立了模型，并采用了證據(jù)推理方法來得到相對(duì)可靠的距離；(2)超聲的波長一般在幾個(gè)毫米級(jí)別，比一般室內(nèi)環(huán)境表面的粗糙度要大很多，因此容易發(fā)生鏡面反射現(xiàn)象。這樣換能器發(fā)射出去的聲波往往要經(jīng)過多次鏡面反射才能到達(dá)接收器，導(dǎo)致測得距離出錯(cuò)；(3)超聲波波束角較大，且存在不同傳感器間交叉干擾的問題，使得反射目標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確方位難以確定。相對(duì)激光雷達(dá)，超聲測距的數(shù)據(jù)采集延遲也比較大。因此，超聲波傳感器一般僅應(yīng)用于對(duì)感知精度要求不高的場合。超聲波是指頻率在2000Hz以上，不能引起正常人聽覺反應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)波，是物體的機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播所形成的機(jī)械振動(dòng)波。由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向不同，聲波的波形也不同，聲波的波形可分為：縱波、橫波、表面波、蘭姆波?？v波、橫波及表面波的速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度。在役石油管道的受蝕缺中南大學(xué)本科畢業(yè)論文第2章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)陷主要是管壁的受蝕減薄，用超聲檢測技術(shù)來探測輸油管道壁厚的厚度最為簡便和直接，其檢測原理如圖2-7。壁厚壁厚反射脈沖整形方波信號(hào)放大脈沖填充圖2-7管道機(jī)器人測量壁厚的原理圖當(dāng)超聲探頭對(duì)管壁發(fā)出一個(gè)超聲脈沖后，探頭首先接收到由管壁的內(nèi)表面反射回來的脈沖，這個(gè)脈沖與基準(zhǔn)脈沖之間的間距是很容易測量的，該間距值表示為。然后，超聲探頭又會(huì)接收到由管壁的外表面反射回來的脈沖，這個(gè)脈沖與內(nèi)表面產(chǎn)生的脈沖之間的間距為值就反映了管壁的厚度。對(duì)于反射波，要經(jīng)處理、整形后形成厚度方波，為了達(dá)到預(yù)求的精度，該方波還要被放大數(shù)十倍，另外還需對(duì)放大的方波進(jìn)行脈沖填充，脈沖填充的個(gè)數(shù)的多少就構(gòu)成了所測厚度的具體數(shù)據(jù)，在檢測時(shí)，這些數(shù)據(jù)需實(shí)時(shí)存入機(jī)器人體內(nèi)的存儲(chǔ)器中，最終的數(shù)據(jù)分析由地面的計(jì)算機(jī)完成。本章在分析各種管道檢測機(jī)器人各種方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合本課題設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出了基于內(nèi)螺旋推進(jìn)管道檢測機(jī)器人總體方案，其中行走機(jī)構(gòu)采用行星齒輪系傳遞動(dòng)力和膠輪式可轉(zhuǎn)橡膠輪，裂紋位置確定采用里程輪定位系統(tǒng)，裂紋檢測采用超聲波檢測方案，為后續(xù)具體設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)提供了理論基礎(chǔ)。中南大學(xué)本科畢業(yè)論文第3章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)第3章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)管道作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體是機(jī)器人檢測控制系統(tǒng)的安裝、穩(wěn)定工作的載體。本章主要就機(jī)器人的里程輪定位系統(tǒng)和超聲波檢測系統(tǒng)的工作原理和零部件組成以及各個(gè)部件的具體設(shè)計(jì)和校核。在此基礎(chǔ)上，通過SolidWorks對(duì)設(shè)計(jì)的主要零部件進(jìn)行了三維建模，為后續(xù)的虛擬樣機(jī)仿真提供了準(zhǔn)備工作。3.1機(jī)械本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)彎道是管道機(jī)器人工作時(shí)常遇到的障礙，管道機(jī)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(jī)器人的設(shè)計(jì)必須滿足彎道的幾何約束61。彎管的主要參數(shù)有曲率半徑R、彎曲角度a和管道內(nèi)徑D,設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮周全，且當(dāng)參數(shù)確定時(shí)，相對(duì)細(xì)長或短粗的機(jī)器人都會(huì)發(fā)生卡死現(xiàn)象。下面將討論這三個(gè)參數(shù)對(duì)機(jī)器人幾何尺寸的影響.機(jī)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L為機(jī)器人主體長度，d為機(jī)器人主體徑向最大尺寸.在彎管幾何參數(shù)滿足(R+D/2)COS(2,)-(R-D/2)>0的情況下，機(jī)器人通過彎管時(shí)需考慮兩種情況：①機(jī)器人的兩個(gè)端面在彎管的直邊部分(見圖3-1(a));②機(jī)器人的兩個(gè)端面在彎管的彎曲部分(見圖3-1(b)).圖3-1機(jī)器人本體在管道內(nèi)收到的幾何約束當(dāng)機(jī)器人的兩個(gè)端面在彎管的直邊部分時(shí)，機(jī)器人的直徑和長度應(yīng)滿足下式： 第3章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)綜上所述，可確定L取值為250mm。經(jīng)過設(shè)計(jì)形成了管道檢測作業(yè)機(jī)器人總體方案的三維模型如圖3-2。4.4.行走機(jī)構(gòu)3、萬向節(jié)2、固定裝置5、超聲波系統(tǒng)6、里程輪系統(tǒng)1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)圖3-2管道檢測作業(yè)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖3.2里程輪工作原理由于管道內(nèi)檢測器拾取的管道腐蝕或者形變信號(hào)是同管道位置一一對(duì)應(yīng)的。因此對(duì)于判中南大學(xué)本科畢業(yè)論文第3章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)斷管道腐蝕位置，選擇開挖地點(diǎn)，要依據(jù)管道內(nèi)檢測器在管道中運(yùn)行時(shí)對(duì)自身位置的測量。管道內(nèi)檢測器的定位方法由兩部分組成：一是里程輪定位],二是地面標(biāo)記系統(tǒng)。管道內(nèi)情況復(fù)雜，里程輪可能出現(xiàn)打滑、故障等情況，因此一般在管道徑向圓周內(nèi)安裝3個(gè)或者4個(gè)里程輪，每個(gè)里程輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中都會(huì)發(fā)出1路脈沖信號(hào)，此信號(hào)攜帶管道內(nèi)檢測器運(yùn)行速度信息，必須選擇其中1路誤差最小的信號(hào)作為里程計(jì)量信號(hào)進(jìn)行跟蹤。在實(shí)際運(yùn)行過程前跟蹤的信號(hào)是否正常。正常，則繼續(xù)跟蹤此路信號(hào)；不正常，則要選擇其他的里程輪信號(hào)進(jìn)行跟蹤。里程輪工作狀態(tài)的判斷要快速準(zhǔn)確，這樣才能減少里程計(jì)量誤差。本設(shè)計(jì)方案中采用霍爾元件感應(yīng)效應(yīng)來得出里程輪的行走路程?；魻栐脑硎钱?dāng)磁鐵接近霍爾元件時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)霍爾電壓，經(jīng)過電路處理放大，再由單片機(jī)接受，再將數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。這里采用的霍爾磁流傳感器[i?],當(dāng)里程輪在管道內(nèi)壁行走過程中，每行進(jìn)一周，霍爾元件即產(chǎn)生四個(gè)脈沖電流(電壓),這樣通過單片機(jī)接受信號(hào)并處理放大，可以記下里程輪走過的路程?；魻杺鞲衅魇歉鶕?jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器?；魻栃?yīng)(如圖3-3)是指在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I,并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為u。的霍爾電壓。圖3-3霍爾效應(yīng)開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器是磁敏接近式傳感器，具有應(yīng)用靈活、寬工作電壓范圍和采樣頻率高等特點(diǎn)，是一種可靠性高無接觸清潔型傳感器，在位置傳感、旋轉(zhuǎn)測量等方面得到了廣泛應(yīng)用。開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器主要采用雙極鎖存型。中南大學(xué)本科畢業(yè)論文第3章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)霍爾芯片某一個(gè)感應(yīng)面為磁體的S極敏感，假設(shè)該面為S面，那么另一面一定是N極敏感，假設(shè)該面叫N面。將兩個(gè)開關(guān)型霍爾芯片A、B貼近疊放在一起，A芯片在前且S面朝外，B芯片在后且N面朝外，兩芯片的開路輸出0a、Ob連接作為一個(gè)輸出端，共用同一電源，并封裝在一個(gè)銅質(zhì)羅栓裝置中，芯片的作用面朝向磁體的磁極N或S,結(jié)構(gòu)原理參見圖3-3。由于A、B芯片前后疊放，磁場要穿過A芯片作用B芯片的敏感面，顯然B芯片的靈敏度會(huì)有所下降。實(shí)驗(yàn)證明磁體對(duì)底層B芯片的觸發(fā)距離與A芯片相比減少1.5mm左右，為補(bǔ)償B芯片靈敏度的降低，可通過在其背后襯加一小鐵磁質(zhì)材料的方法來補(bǔ)償。稀土磁鋼的磁場無須補(bǔ)償就能夠穿過A芯片并能作用觸發(fā)B芯片，當(dāng)S極接近傳感器時(shí)，A芯片輸出，N極接近傳感器時(shí)，B芯片輸出。這樣，無論磁體的那個(gè)磁極接近傳感器，總有一個(gè)芯片輸出，而對(duì)磁體的極性無需關(guān)心。雙極性開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器優(yōu)點(diǎn)是無須關(guān)心磁體極性，傳感器的互換性強(qiáng)，更換維護(hù)方便。不足的是采用兩個(gè)芯片，成本稍有增加，B芯片的作用距離稍微減少。圖3-4雙霍爾芯片采樣原理圖本里程輪技術(shù)系統(tǒng)采用最為簡單可靠的爽霍爾芯片取樣，因此使用的是如圖3-4的設(shè)計(jì)原理。只須將霍爾元件放在里程輪連桿的事先制造好的槽內(nèi)，并用固體膠將其固定。這樣霍爾元件也將跟隨彈簧的伸縮而運(yùn)動(dòng)，但是測定里程輪的周長所在不變，計(jì)量準(zhǔn)確。3.3里程輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于對(duì)管道檢測作業(yè)機(jī)器人的里程輪定位需求和精度要求，在里程輪[91的設(shè)計(jì)中，不能使里程輪在行進(jìn)過程中產(chǎn)生徑向的位移，需要在徑向?qū)锍梯喗Y(jié)構(gòu)進(jìn)行完全的固定，同時(shí)，在軸向必須讓里程輪行動(dòng)自如，不受箱體的約束和管道的限制，在此基礎(chǔ)上，管道機(jī)器人必 第3章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)須要有一定的管道自適應(yīng)性，這樣就是用了壓縮彈簧在一定范圍內(nèi)進(jìn)行壓縮和拉伸。在本管道檢測作業(yè)機(jī)器人的里程輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于機(jī)械本體設(shè)計(jì)已將里程輪箱體設(shè)計(jì)為φ250mm,同時(shí)最大的機(jī)器人本體(彈簧在最初始的壓縮狀態(tài))在開始時(shí)為φ300mm,因此設(shè)計(jì)測彈簧可以自由伸縮的范圍為考慮到彈簧的伸縮量不能使里程輪的最外邊緣超出箱體的最外邊緣，因此取彈簧的自由3.3.1里程輪系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)根據(jù)上述結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)要求，采用里程輪進(jìn)行距離測量是智能清管器常用的缺陷定位方法，里程輪由非導(dǎo)磁金屬制成，踏面壓花紋防止打滑。里程輪安裝于清管器殼體上，通過彈性支撐裝置與管道內(nèi)壁緊密接觸，在里程輪邊緣沿圓周均勻嵌入多塊小型稀土釹鐵硼磁鐵，用霍耳磁敏傳感器檢測里程輪的轉(zhuǎn)數(shù)，里程輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，產(chǎn)生多個(gè)脈沖信號(hào)，通過里程輪直徑及其轉(zhuǎn)數(shù)得到清管器的行駛里程。為防止里程輪在清管器行進(jìn)過程中打滑造成轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)據(jù)的丟失，通常在清管器殼體上安裝多個(gè)里程輪，將各里程輪產(chǎn)生的脈沖通過相關(guān)算法運(yùn)算可實(shí)現(xiàn)精確定位。里程輪系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。圖3-5里程輪系統(tǒng)中南大學(xué)本科畢業(yè)論文第3章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)3.3.2超聲波檢測系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇根據(jù)小組成員朱凱同學(xué)對(duì)超聲波系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速要求為330r/min,選擇的微電機(jī)[20]必須是額定轉(zhuǎn)速超出330r/min,而滿載轉(zhuǎn)速與330r/min相差為±20r/min。經(jīng)過在淘寶網(wǎng)一店家處咨詢查的有如下直流驅(qū)動(dòng)微電機(jī)合適本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，其參數(shù)如表3-1。表3-1超聲波系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)型號(hào)電壓空載轉(zhuǎn)速滿載轉(zhuǎn)速輸出扭矩重量根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在根據(jù)所選電機(jī)型號(hào)?？傻秒姍C(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3-6圖3-6超聲波系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)參數(shù)可知，電機(jī)的最大外徑為φ37mm,而整體長度為112mm,左端外伸軸的直徑為φ6mm,長度為15mm(其中平鍵槽寬度為2mm,長度為13mm)。3.3.3里程輪系統(tǒng)箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)里程輪箱體內(nèi)需要放置超聲波系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此首先需要選擇超聲波系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型，由此得出電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，再進(jìn)行里程輪箱體[21](如圖3-7)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由以上對(duì)超聲波系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇之后，可知箱體最少需要軸向長度超出112mm。在設(shè)計(jì)過程中，里程輪箱體的壁厚設(shè)計(jì)為5mm,并在X-Y正負(fù)相交于箱體的地方切除一個(gè)54×50mm的空框架。整體的圓筒直徑為250mm,上下底面的厚度設(shè)計(jì)為13mm(包括擋住軸承厚度的2mm,軸承的寬度B=5mm以及為驅(qū)動(dòng)電機(jī)外神舟設(shè)計(jì)的6mm)。這樣箱體部分中南大學(xué)本科畢業(yè)論文第3章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)在底板上先鉆出一個(gè)φ6mm的通孔，再在靠內(nèi)面鏜出一個(gè)直徑為φ15mm深度為11mm的孔即可)。由于設(shè)計(jì)的電機(jī)需要被固定，本人設(shè)計(jì)的是由四塊圓弧板將電機(jī)卡在中間，然后電機(jī)的外伸軸由凸緣性聯(lián)軸器的銷釘固定。因此需要在箱體、箱體蓋(如圖3-8)上的φ19-21范圍內(nèi)掏出一個(gè)寬度為5mm,深度為5mm的槽孔來放置四塊固定板。圖3-7里程輪箱體圖3-8里程輪箱體蓋鑒于設(shè)計(jì)考慮需要在箱體、箱體蓋上四周設(shè)計(jì)四個(gè)螺釘孔，以裝配好里程輪部分后將箱體和箱體蓋封住。這里采用的螺釘尺寸為4×M2×16mm。3.4里程輪系統(tǒng)各零件的參數(shù)設(shè)計(jì)與驗(yàn)算里程輪的設(shè)計(jì)需要將霍爾元件嵌于里程輪和里程輪連桿之上，這樣可以隨彈簧的壓縮和伸縮而霍爾元件相對(duì)于里程輪的位置不變，可以繼續(xù)計(jì)數(shù)，并通過一定的信號(hào)輸出存儲(chǔ)在由單片機(jī)設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)空間內(nèi)，再有計(jì)算機(jī)經(jīng)過一定的算法得出里程輪走過的路程，再配合超聲波系統(tǒng)檢測信號(hào)的同步實(shí)現(xiàn)，可以精確定位到管道缺陷的位置。通過上述的超聲波系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)據(jù)參數(shù)可以得出電機(jī)伸出軸的直徑φ=6mm,根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)取以下滾動(dòng)軸承，其參數(shù)見表3-2。表3-2超聲波驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本尺寸mm安裝尺寸mm其他尺寸mm基本額定載荷/kN極限轉(zhuǎn)速r/min重量kg軸承代號(hào)dDBr油W65根據(jù)參數(shù)可以得到超聲波驅(qū)動(dòng)電機(jī)所在的軸承為內(nèi)徑為d=6mm,而最大外徑取為中南大學(xué)本科畢業(yè)論文第3章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)D=15mm,寬度B=5mm,型號(hào)為619/6GB/T2721993圖3-9里程輪、超聲波系統(tǒng)軸支承軸承由于超聲波系統(tǒng)需要較高速旋轉(zhuǎn)，而本身機(jī)器人的受力并不大，所以采用脂潤滑，一方面可以適應(yīng)管道內(nèi)部的復(fù)雜環(huán)境，也可以承受住較高頻率的周期性力。里程輪的在行進(jìn)過程屬于被動(dòng)滾動(dòng)前進(jìn)，因此需要要求里程輪的外部架構(gòu)能夠適應(yīng)管道的不平坦、光滑等不利環(huán)境。在設(shè)計(jì)過程中，里程輪的直徑采用D=φ50mm的腳輪結(jié)構(gòu)，寬度定為20mm,在里程輪的半徑為R=15～17mm范圍內(nèi)挖出4個(gè)1mm深，2mm寬度的槽，在槽內(nèi)放入小磁塊，并用固體膠固定。這樣里程輪在行進(jìn)過程中，每轉(zhuǎn)到小磁塊的位置即產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，這樣既可計(jì)算出機(jī)器人在管道內(nèi)部行進(jìn)的路程。計(jì)算公式為式中：s——機(jī)器人行進(jìn)的路程；D——里程輪的最大外徑；n——由單片機(jī)系統(tǒng)記錄的脈沖數(shù)目里程輪結(jié)構(gòu)如圖3-10所示中南大學(xué)本科畢業(yè)論文第3章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)圖3-10里程輪結(jié)構(gòu)在里程輪選定設(shè)計(jì)好后，里程輪軸是將連桿、軸承、固定螺母、墊圈等組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸決定的設(shè)計(jì)的，其外形如下圖3-11所示。圖3-11里程輪裝配示意圖選定里程輪輪軸后，考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的對(duì)稱性及其穩(wěn)定性，需要將結(jié)構(gòu)從里程輪為中心進(jìn)行設(shè)計(jì)。在如圖3-11所示，左端套筒為了固定住里程輪和軸承的內(nèi)圈，采用錐形套筒。然后使用墊圈(兼定位件)對(duì)螺母和軸承進(jìn)行隔離。防止螺母的擰緊干涉軸承的運(yùn)動(dòng)?？傮w長度在里程輪的霍爾效應(yīng)測里程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將連桿套住軸承(一方面可以防止連桿的跳動(dòng)，另一方面可以阻止?jié)櫥偷耐庑?，污染管?。連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3-12所示。中南大學(xué)本科畢業(yè)論文第3章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)圖3-12里程輪連桿該連桿距離孔徑15-17mm處放置的空槽是將霍爾元件通過導(dǎo)線等連接到這里，然后用固體膠進(jìn)行固定，再在外面由單片機(jī)計(jì)數(shù)電路來實(shí)現(xiàn)里程輪每轉(zhuǎn)一周計(jì)算四個(gè)脈沖，這樣就可以精確快捷地計(jì)算出機(jī)器人走過的里程。連桿的下低端圓盤是壓縮彈簧用的擋板，可以隨著管徑的變化在內(nèi)槽(如圖3-13)和外槽板(如圖3-14)形成的中間圓柱腔體內(nèi)來回移動(dòng)，這就使機(jī)器人具有了管道自適應(yīng)性。圖3-13內(nèi)槽板結(jié)構(gòu)示意圖圖3-14外槽板結(jié)構(gòu)示意圖里程輪機(jī)構(gòu)能夠在管道內(nèi)部自由自適應(yīng)是由于連桿機(jī)構(gòu)和壓縮彈簧的共同作用下，里程輪也就隨著彈簧的壓縮和伸長適應(yīng)管道。這部分的原理如圖3-15所示。將以上各部分經(jīng)過配合安裝可得里程輪的裝配效果如圖3-16所示。 第3章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)圖3-17里程輪輪軸結(jié)構(gòu)示意圖由于里程輪在行進(jìn)過程中受力極其的小，我們選取這個(gè)力F=10N,情況下，由P=Fvr/min代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得p=0.001kwr/min由公式T——軸所受的扭矩，N·mm;W,——軸的抗扭截面系數(shù)，mm3;在速度v=0.1m/s的中南大學(xué)本科畢業(yè)論文第3章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min;d——計(jì)算截面處軸的直徑，mm軸的材料Q235-A、20Q275、35(1Cr18Ni9Ti)40Cr、35SiMn、38SiMnMo、3Cr1320-3525-4535-55由由通過軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，軸上零件的位置，以及外載荷和支反力的作用位置均已確定，軸上的載荷(彎矩和扭矩)已可以求得，因而可按彎扭合成強(qiáng)度條件對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。一般的軸用這種方法計(jì)算即可，其計(jì)算步驟如下：(1)做出軸的計(jì)算簡圖(即力學(xué)模型) 第3章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)軸所受的載荷是從軸上零件[3]傳來的。計(jì)算時(shí)，常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點(diǎn)取為載荷分布段的中點(diǎn)。作用在傳動(dòng)件輪轂寬度的中點(diǎn)算起。通常把軸當(dāng)做置于鉸鏈支座上的梁，支反力的作用點(diǎn)與軸承的類型和布置方式有關(guān)，可按圖3-18來確定。a)向心軸承b)向心推力軸承c)并列向心軸承d)滑動(dòng)軸承圖3-18軸的支反力作用點(diǎn)在做計(jì)算簡圖時(shí)，鶯先求出軸上手里零件的載荷(若為空間力系，應(yīng)把空間力分解為圓周力、徑向力和軸向力，然后把它們?nèi)哭D(zhuǎn)化到軸上),并將其分解為水平分力和垂直分力，(2)作出彎矩圖根據(jù)上述簡圖，分別按水平面和垂直面計(jì)算各力產(chǎn)生的彎矩[24],并按計(jì)算結(jié)果分別作出水平面上的彎矩M,圖和垂直面上的彎矩M,圖；然后按下式計(jì)算總彎矩并作出M圖。6a)圖3-19軸的載荷分布圖 第3章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)這里1=54mm,F=10N代入(式3-8)得，(3)作出扭矩圖由于里程輪輪軸為心軸，其不受扭矩，故扭矩T=0。(4)校核軸的強(qiáng)度已知軸的彎矩和扭矩后，可針對(duì)某些危險(xiǎn)截面(即彎矩和扭矩大而軸徑可能不足的界面)做彎扭合成強(qiáng)度校核計(jì)算。按第三強(qiáng)度理論，計(jì)算應(yīng)力通常由彎矩所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力σ是對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力，而由扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力r則常常不是對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力。為了考慮兩者循環(huán)性不同的影響，引入折合系數(shù)α,則計(jì)算應(yīng)力為式中的彎曲應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力。當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，取α≈0.3;當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，取α≈0.6;若扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，則取α≈1。對(duì)于直徑為d的圓軸，彎曲應(yīng)力,扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為,將σ和r代入式(3-11),則軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為式中：σ——軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa;M——軸所受的彎矩，N·mm;T——軸所受的扭矩，N·mm;中南大學(xué)本科畢業(yè)論文第3章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)W——軸的抗彎截面系數(shù)，mm2,計(jì)算公式見表3-4表3-4抗彎、抗扭截面系數(shù)計(jì)算公式WWm0.1d2(1-β)*0.2d(1-p)z一花罅齒數(shù):-花鍵齒數(shù)注：近似計(jì)算時(shí)，單、雙鍵槽一般可忽略，花鍵軸截面可視為直徑等于平均直徑的圓截面代入計(jì)算得， 第3章管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)平鍵連接傳遞扭矩時(shí)，連接中個(gè)零件的受力情況見圖3-20。對(duì)于采用常見的材料組合和按標(biāo)準(zhǔn)選取尺寸的普通平鍵練劍(靜連接),其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴(yán)重過載，一般不會(huì)出現(xiàn)鍵的剪斷(圖3-20中沿a-a面剪斷)。因此，通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。對(duì)于導(dǎo)向平鍵連接和滑鍵連接(動(dòng)連接),其主要失效形式是工作面的過度磨損。因此，通常按工作面上的