管道检测机器人毕业设计

本 科 毕 业 设 计 第 35 页 共 35 页1 引言 管道运输是当今五大运输方式之一，已成为油气能源运输工具。目前，世界上石油天然气管道总长约200万km，我国长距离输送管道总长度约2万km。国家重点工程“西气东输”工程，主干线管道(管径1118mm)全长4167km，其主管道投资384亿元，主管线和城市管网投资将突破1000亿元。世界上约有50%的长距离运输管道要使用几十年、甚至上百年时间，这些管道大都埋在地下、海底。由于内外介质的腐蚀、重压、地形沉降、塌陷等原因，管道不可避免地会出现损伤。在世界管道运输史上，由于管道泄漏而发生的恶性事故触目惊心。据不完全统计，截至1990年，国内输油管道共发生大小事故628次。1986到2b00年期间美国天然气管道发生事故1184起，造成55人死亡、210人受伤，损失约2. 5亿美元。因此，研究管道无损检测自动化技术，提高检测的可靠性和自动化程度，加强在建和在役运输管道的检测和监测，对提高管线运输的安全性具有重要意义。1.1管道涂层检测装置的发展、现状和前景1.1.1管道涂层检测装置的发展管内作业机器人是一种可沿管道自动行走,携有一种或多种传感器件和作业机构,在遥控操纵或计算机控制下能在极其恶劣的环境中进行一系列管道作业的机电仪一体化系统.对较长距离管道的直接检测、清理技术的研究始于本世纪50年代美、英、法、德、日等国,受当时的技术水平的限制,主要成果是无动力的管内检测清理设备PIG,此类设备依靠首尾两端管内流体的压力差产生驱动力,随着管内流体的流动向前移动,并可携带多种传感器.由于PIG本身没有行走能力,其移动速度、检测区域均不易控制,所以不能算作管内机器人.图1所示为一种典型的管内检测PIG5. 这种PIG的两端各安装一个聚氨脂密封碗,后部密封碗内侧环向排列的伞状探头与管壁相接触,测量半径方面的变形,并与行走距离仪的旋转联动,以便使装在PIG内部的记录仪记录数据.它具有沿管线全程测量内径,识别弯头部位,测量凹陷等变形部位及管圆度的功能,并可以把测量结果和检测位置一起记录下来. 70年代以来,石油、化工、天然气及核工业的发展为管道机器人的应用提供了广阔而诱人的前景,而机器人学、计算机、传感器等理论和技术的发展,也为管内和管外自主移动机器人的研究和应用提供了技术保证.日、美、英、法、德等国在此方面做了大量研究工作,其中日本从事管道机器人研究的人员最多,成果也最多。 图1管内检测典型PIG样机在已实现的管内作业机器人中,按照其行动方式可分为轮式、履带式、振式、蠕动式等几类：(1) 轮式管内机器人由于轮式驱动机构具有结构简单,容易实现,行走效率高等特点,对此类机器人的研究比较多.机器人在管内的运动,有直进式的(即机器人在管内平动)也有螺旋运动式的(即机器人在管内一边向前运动,一边绕管道轴线转动);轮的布置有平面的,也有空间的.一般认为,平面结构的机器人结构简单,动作灵活,但刚性、稳定性较差,而空间多轮支撑结构的机器人稳定性、刚性较好,但对弯管和支岔管的通过性不佳.轮式载体的主要缺点是牵引力的提高受到封闭力的限制.图2所示为日本的M.Miura等研制的轮式螺旋推进管内移动机器人。(2) 履带式管内机器人履带式载体附着性能好,越障能力强,并能输出较大的牵引力.为使管内机器人在油污、泥泞、障碍等恶劣条件下达到良好的行走状态,人们又研制了履带式管内机器人.但由于结构复杂,不易小型化,转向性能不如轮式载体等原因,此类机器人应用较少.图2所示为日本学者佐佐木利夫等研制的履带式管内移动机器人13,其驱动轮可变角度以适应管径的变化,可通过圆弧过渡的90度弯管. 图2轮式螺旋推进管内移动机器人总体结构图图3 轮式螺旋推进管内移动机器人驱动系统图(3) 振动式管内机器人振动可以使物体的位置改变,根据这一原理,日本学者森光武则等提出了的振动式管内移动机器人。其原理为:在机器人的外表面装有若干与机体成一定角度的弹性针,靠弹性针的变形使其压紧在管壁上.机身内装有偏心重物,由电机驱动.当偏心重物旋转时,离心力使弹性针变形,滑动,从而带动机器人移动.振动式管内机器人结构简单,容易小型化,但行走速度难以控制,而且振动使机器人沿圆周方向自转,姿态不稳定,另外,振动对传感器的工作和寿命均会产生影响.(4) 蠕动式管内机器人参考蚯蚓、毛虫等动物的运动,人们研制了蠕动式管内机器人。其运动是通过身体的伸缩(蠕动)实现的:首先,尾部支承,身体伸长带动头部向前运动,然后,头部支承,身体收缩带动尾部向前运动,如此循环实现机器人的行走.图3所示为日本日历制作所研制的蠕动式管内机器人,其前后两部分各有8条气缸驱动的可伸缩支撑足,中部有一气缸作为蠕动源。 国内在管道机器人方面的研究起步较晚，而且多数停留在实验室阶段。哈尔滨工业大学邓宗全教授在国家863”计划课题“X射线检测实时成像管道机器人的研制”的支持下，开展了轮式行走方式的管道机器人研制，如图3所示。该机器人具有以下特点: (1)适应大管径(大于或等于900mm)的管道焊缝X射线检测。(2)一次作业距离长,可达2km。(3)焊缝寻址定位精度高为5mm。(4)检测工效高,每道焊缝(900mm为例)检测时间不大于3min;实现了管内外机构同步运动作业无缆操作技术, 并研制了链式和钢带式两种新型管外旋转机构,课题研究成果主要用于大口径管道的自动化无损检测8。上海大学研制了“细小工业管道机器人移动探测器集成系统”。其主要包含20mm内径的垂直排列工业管道中的机器人机构和控制技术(包括螺旋轮移动机构、行星轮移动机构和压电片驱动移动机构等)、机器人管内位置检测技术、涡流检测和视频检测应用技术,在此基础上构成管内自动探测机器人系统。该系统可实现20mm管道内裂纹和缺陷的移动探测9。 图4 蠕动式管内移动机器人 1.1.2测量方法的研究进展 按有无破坏性,表面涂镀层厚度测试方法可分为有损检测和无损检测。有损检测方法主要有计时液流测厚法、溶解法、电解测厚法等,这种方法一般比较繁琐,主要用于实验室。目前也有便携式测厚仪,适合在现场使用。常用的无损检测方法有库仑-电荷法、磁性测厚法、涡流测厚法、超声波测厚法和放射测厚法等，各种无损测厚法均有成型的仪器设备,使用起来方便简单,且无需对表面涂镀层进行破坏1 。因此,该类方法在管道涂层的测量中已得到了广泛的应用。常用的无损涂层测量方法有磁性测厚电涡流测厚磁性/涡流测厚超声波测厚等（1）磁性测厚 磁性测厚法可分为2 种:磁吸力测厚法和磁感应测厚法。磁吸力测厚法的测厚原理: 永久磁铁(测头)与导磁钢材之间的吸力大小与处于这两者之间的距离成一定比例关系,这个距离就是覆层的厚度。利用这一原理制成测厚仪,只要覆层与基材的导磁率之差足够大,就可进行测量。测厚仪基本结构由磁钢、接力簧、标尺及自停机构组成。磁钢与被测物吸合后,将测量簧在其后逐渐拉长,拉力逐渐增大。当拉力刚好大于吸力,磁钢脱离的一瞬间记录下拉力的大小即可获得覆层厚度2。新型的产品可以自动完成这一记录过程。 磁感应测厚法的基本原理:利用基体上的非铁磁性涂覆层在测量磁回路中形成非铁磁间隙,使线圈的磁感应强度减弱;当测量的是非铁磁性基体上的磁性涂镀层厚度时,则随着涂镀层厚度的增加,其磁感应强度也会增加。利用磁感应原理的测厚仪,原则上可以测量导磁基体上的非导磁覆层厚度,一般要求基材导磁率在500 H /m以上。如果覆层材料也有磁性,则要求与基材的导磁率之差足够大(如钢上镀镍) 。磁性原理测厚仪可用来精确测量钢铁表面的油漆层,瓷、搪瓷防护层,塑料、橡胶覆层,包括镍铬在内的各种有色金属电镀层以及化工石油行业的各种防腐蚀涂层。其特点是操作简便、坚固耐用、不用电源、测量前无须校准、价格较低,适合车间做现场质量控制。（2）电涡流测厚涡流测厚仪是根据涂镀层与基体材料的导电性有足够的差异来进行金属基材上涂覆层的物性膜厚来测量的。该方法实质上也属于电磁感应原理,但能否采用该方法进行厚度测定,与基体及涂镀层材料的导电性有关,而与其是否为磁性材料无关。其工作原理为:高频交流信号会在测头线圈中产生电磁场,当测头靠近导体时,就在其中形成涡流。测头离导电基体愈近,则涡流愈大,反射阻抗也愈大。这个反馈作用量表征了测头与导电基体之间距离的大小,也就是导电基体上非导电覆层厚度的大小。由于这类测头专门测量非铁磁金属基材上的覆层厚度,所以通常称之为非磁性测头。非磁性测头采用高频材料做线圈铁芯,例如铂镍合金或其他新材料。与磁感应原理比较,主要区别是不同的测头、不同的信号频率和大小及不同的标度关系。采用电涡流原理的测厚仪,主要是对导电体上的非导电体覆层厚度的测量,但当覆层材料有一定的导电性时,通过校准也同样可以测量,只是要求两者的导电率之比至少相差35倍(如铜上镀铬) 。（3）磁性/涡流测厚磁性测厚和涡流测厚均有缺点,为此,很多厂家将两者综合在一起进行测定,采用的探头有3种: F型、N型和FN型。其中F型探头采用磁感应原理,可用于钢铁上的非磁性涂镀层,如油漆、塑料、搪瓷、铬和锌等; N型探头采用涡流原理,用于有色金属(如铜、铝、奥氏体不锈钢)上的绝缘层,如阳极氧化膜、油漆和涂料等;而FN型探头同时具有F和N型探头的功能,利用两用型探头,可实现在磁性和非磁性基体上自动转换测量3 。目前开发比较成熟的磁性测厚仪有时代公司的TT220, 德国EPK 公司开发的M IN ITEST4100 /3100 /2100 /1100系列测厚仪和PHYN IX公司的Surfix/Pocket2Surfix便携式涂镀层测厚仪,可以方便地实现各种条件下的无损测厚。（4） 超声波测厚超声波测厚仪是利用超声波脉冲反射原理,通过发射的超声波脉冲至涂层/ 基材,计算脉冲通过涂层/ 基材界面反射回发射器所花的时间来计算涂层的厚度。仪器通过一个发射器发射高频超声波进入涂层,振动波会穿透涂层,遇上不同力学性能的材料(如基材) 时,振动波会在不同材料的界面部分反射和传递。反射部分会被感应器接收,传递的振动波继续传递到底材,同样经历着所有材料界面间的反射、传递过程。传感器将反射波转换成电信号,这些信号会被仪器数码化,数码化反射波被分析后,便得到振荡波所花的确切传递时间5。从而计算出涂层的厚度。超声波测厚仪可用于测量多种材料的厚度,如钢、铁、塑料和玻璃等。新型的超声波测厚仪可以一次测量即可测定多层涂层的总厚度及指定的各层厚度,且精度很高。1.1.3管内作业机器人的发展前景为了使管内作业机器人能够尽快地走出实验室,进入实用化阶段,必须在以下几个方面有所突破。（1） 灵活可靠的行走机构前面已经提到,管内作业机器人在弯管、支岔管中的通过性问题仍未解决。而要解决这一问题，首先要在机构上保证机器人能够在这些特殊环境中顺利行走.如何寻找一种融合各种机构优点,既能够提供较大的牵引力，又快速灵活，可靠性高的驱动方案是值得研究的问题.另外，还特别要在动力系统、传动机构的小型化方面下工夫。应该指出的是，要解决管内机器人的通过性问题,除了要在机械结构方面推陈出新之外,还应该结合控制方案来考虑。例如前述日本于1994年推出的BEAGLE200管内探伤系统,采用3台电机分别驱动空间均布的3个主动轮，虽然机构较复杂，但由于3个驱动轮可分别控制，从而为提高其在弯管段的通过性提供了可能。（2） 智能化的传感器系统对管道内部这类非结构化环境，现有的管内作业机器人中的传感器或无法正常发挥作用,或过多地依赖人的介入，已经不能满足其发展的需要。经过多年的实践，人们已经认识到传感器的集成,即多种传感器(光,机,电,仪)的综合运用是解决上述问题的有效手段。特别是以摄像机为基础的视觉传感器，由于其直观性，应引起足够的重视。同时，先进的感知算法的研究是必要的，只有将感知算法与传感器的硬件结合起来，形成智能化的传感器，才能为提高管内作业机器人的控制水平打下良好的基础。（3） 高度自治的控制系统在管道内部复杂的环境中，为减轻操作人员的负担，机器人具有自主能力是必要的。但这有赖于先进的传感器技术，特别是管内环境识别技术作保证。例如，目前已有人在机械手控制中引入视觉伺服技术，即利用视觉传感器来实现机械手的位置闭环控制。视觉对管内机器人具有重要意义，利用视觉,可以：确定作业位置；识别管内环境(是否拐弯,是否有枝杈等)；识别机器人的姿态(是否有转体,相对于作业位置的距离等)。在管内作业机器人中采用视觉伺服技术,可以有效地克服现有传感器的不足，有利于提高其控制性能和自主能力,并对其智能化进程有重要意义。目前的关键问题是如何提高图像处理的速度，神经网络、人工智能的引入将有助于解决这一问题。另外，先进的控制策略，如路径规划，控制器参数的在线优化等的研究也必将使管内作业机器人的智能化水平得到进一步的提高。1.2本次设计的目的 通过本次毕业设计，达到温习巩固以前所学的所有知识，并将其在实际设计中加以的运用。熟悉一般工程设计的步骤方法：调研收集资料，方案论证比较，确定方案，完成管道涂层厚度检测装置的设计，绘制装配图及零件图等图纸。2 总体方案的设计2.1管道涂层厚度检测装置的技术要求该设备能在管道中行走的，采集管道中各处的涂层厚度，采集到的数据能实现远程传送。本设计主要包括行走系统机构、测量机构和控制部分，要求实现测量系统在管道中行走，行走速度为0.5m/min。2.2主要技术参数 本次设计的管道内防腐涂层厚度测量仪的具体指标如下：1.内径：200mm 2管道长度200m3涂层测量范围0500m 4误差（13）m5行走速度500mm/min 6工作环境温度0502.3总体方案的分析与确定该测量装置由行走系统机构、测量机构和控制部分 构成。行走机构和测量机构要通过8051单片机接受上位机的控制，进行自动行走和测量，并将所测得的数据进行整理计算传送到上位机。行走系统是由一个直流电动机通过齿轮减速机构和带传动驱动两个驱动轮，从而实现整个测量装置的前进和后退。测量机构采用超声波传感器，其原理是利用超声波的反射法，通过记录回波信号的时间差来计算出涂层的厚度。本装置中采用两个传感器呈180布置，可同时测量两个点的涂层厚度。在实际的测量中要求随时确定测量装置的确切位置即测量装置在管道内行走的距离。为了得到测量装置在管道中行走的距离，专门设计了计程轮，此轮上安装了霍尔元件，通过霍尔元件采集的脉冲数可得到轮子所转圈数，从而得出测量装置行进的距离。控制系统以单片机8051为中心，它控制着直流电机机器人的动力源的前进、后退和停止、2个传感器的通断，并将厚度信号和转换信号进行处理，传送给上位机，接受上位机的监控。其框图如下：处理电路8051单片机霍尔元件继电器开关两个传感器接口电路计算机 电机驱动电路图5 测量装置整体框图3 机械结构设计3.1管道涂层测厚装置的运动原理微型管道机器人采用了有缆驱动的驱动方式,其运动机理由两组车轮沿径向呈三等分均布,其中四个从动轮在扇形齿轮的作用下被支撑在管道的内壁上，另外两个则是驱动轮。电机带动锥齿轮旋转，从而使得装有皮带轮的轴转动，车轮随之转动。由于车轮与管壁之间的摩擦力，车体便可以在管中前进或后退。尾部还有一个柔性的计程轮，其作用：1.计算小车前进的距离。2.支撑车体，保持平衡。3.2管道涂层测厚装置行走机构的设计机器人的移动机构具有结构紧凑和较大的负载能力,满足管道内行走的基本条件。移动机构的前后两组支撑中,三个车轮都是沿径向均匀分布的,而前后两部分都是沿轴向对称的,支撑点共六个,因此满足形封闭条件。当移动机构行走时,三个轮子呈径向均匀分布,三点确定一个平面,三点始终在一个圆柱面上,因此可以实现自定心,在支撑装置的作用下,驱动轮被紧紧压在管道内壁上,具有较强的适应性。整个系统由于利用了对称性,抵消了机器人在运动过程中各方面不平衡力偶的干扰,从而使所有的力集中到电机运转轴线上所在的竖直平面上,同时,又在通过电机轴线的竖直平面上保证机器人的重心与电机运转轴心之间适当的距离,从而保证了整个机器人运行过程中的平稳性。3.3电动机的选择由于管道的直径很小，所以根据尺寸选择j55ZYTPX微型减速电机。其减速比为216.输出转速为14r/min。输出转矩18730mN.m。其计算过程为：车轮与管壁的摩擦系数为=0.8 车体的重量为50kg G=mg=5010N=500N压紧机构产生的压紧力为500N则：车体对管壁的正压力N=1000NF=N=0.8N=800N电动机所需要的工作功率为 各轴输入功率为： 各轴的输入转矩： 所以所选的电机符合条件。3.4传动的总体方案设计此测量装置在500mm/min的速度下前进，速度比较低。初选车轮直径为40mm则此时车轮的角速度以及减速后最终的角速度为： =60v/(d)=60500/3.144060=3.98r/min由于电机的初速度为14 r/min，由传动比公式i=14/w=14/3.98=3.5 所以传动比i=3.5我选用直齿圆锥齿轮来传递能量和动力。因为其可以实现两相交轴之间的传动。锥齿轮设计、制造及安装均较简单，用于低速传动，非常适合此装置的要求。考虑到机器人在前进过程中要托缆，因此将此机器人设计成前后轮共同驱动的方式，以获得较大的牵引力。由于尺寸限制，只能将轮放在另外一根轴上，用皮带将两轴连接起来，它没有调速的作用，只需使两轴具有同样的旋转速度。3.5压紧装置的设计压紧装置主要是为了让机器人能够撑紧管壁，从而达到平稳前进的目的。我所设计的压紧装置是通过一个扇形齿轮和一个齿条的相互啮合实现的。具体如图6所示： 图6 压紧装置此结构的原理非常简单，但却很实用。当管壁直径变化时，压紧轮就会以销轴为中心，进行旋转，同时齿条就会因为啮合的作用前后移动，弹簧也跟着压缩或拉长。以此来调节适当的压紧力，保证车体的平衡。3.6计程轮的设计计程轮的设计是为了知道车体在管道中行进的距离，已达到正确测量管道中某点涂层厚度的目的。计程轮设计如图6所示，它的结构比较简单，是用四个导向螺钉将轮固定在支撑体上，导向螺钉上装有压缩弹簧，压缩弹簧的一端连在支架上，另一端连在支撑体上，由此支架可以沿着导向螺钉的方向上下移动，而车轮通过销轴连在支架上，可以随支架一起运动，以保证计程轮始终与地面接触。计程轮上安装有霍尔传感器。霍尔传感器就是利用霍尔效应原理，通过磁场、电流对被测量的控制，使包含有被测量变化信息的霍尔电压发生变化，在利用后继的信号检索和信号放大电路，就可以得到被测量脉冲信号的信息。正因为霍尔传感器的基本原理霍尔效应只包含了磁场、电流、电压三个常用物理量，使得采用霍尔传感器的被测量的测量简单易行，而磁场强度、电流、电压是磁场、电场的基本物理量，所以霍尔传感器可以进行精确的非接触测量。 图 7计程轮它具有灵敏度高，线性度好，稳定性高、体积小和耐高温等特点，在机车控制系统中占有非常重要的地位。本装置中选用霍尔元件DN6837，它是一个开关集成霍尔传感器，其输出的脉冲信号经过一级三极管放大，在送到单片机的输入口。3.7轴的设计与校核轴的材料是决定其承载能力的重要因素，制造轴的主要材料是碳素钢及合金钢。45号优质中碳钢是最常用的材料。Q235-A等普通碳素钢用于不重要的轴或受载较小的轴；合金钢具有较高的机械强度用于受载荷较大、结构尺寸受限制、需提高轴颈耐磨性及处于高温或腐蚀等条件下的轴；球墨铸铁和一些高强度铸铁一般用于铸成外形复杂的轴，他们吸振性好，对应力集中敏感性低。一般机器中的轴常用优质中碳钢制造，这类钢比合金钢廉价，对应力集中的敏感性较低，其中45号钢最为常用。为了提高材料的力学性能，通常进行调质或正火处理。由于振动磨的主轴旋转会产生高频率的振动，且产生的离心力相当大，所以应选45号钢作为此传动轴的材料。一般常见的轴按其轴线的形状和功用分为直轴、曲轴两大类，因为本次设计只涉及直轴，所以我们在此只讨论直轴。直轴一般都做成实心，若因机器特殊需要也可制成空心轴。考虑到应加工方便，轴的截面多为圆形，为了使轴上零件定位及装拆方便，轴多做成阶梯轴。一些结构简单或特殊要求在轴中装设其它零件或者减小轴的质量具有重大作用的场合，轴才做成等直径的轴（光轴）或空心轴。空心轴内径与外径比通常为0.50.6，以保证轴的刚度及扭转稳定性。根据轴的承载情况，可分为：转轴工作中既受弯矩又受转矩的轴；有时还受较大轴向力的作用，这类轴在各种机器种最常见；心轴工作中只承受弯矩、不受转矩或转矩较小的轴，心轴又分为转动心轴（轴转动）和固定心轴（轴不转动）两种；传动轴工作中只传递转矩、不承受弯矩或受弯矩很小的轴。下面首先通过扭转强度对轴进行设计，然后再用弯扭组合进行校核。按扭转强度条件计算选择轴的材料为45钢，经调质处理，首先估算最小轴径，根据下列公式进行计算，d 截面处轴的直径，单位mm，p 轴的传递功率，单位kw；n 轴的转速，单位r/min，许用扭转切应力，单位MPa，45钢的值为2545；其中45钢的的取值为126103。因选择的电动机功率为30kw，即p=20w，转速n=14r/min，把数据带入上式有：=11.19mm因轴上开有两个键槽，所以轴径应当增大5%7%，则有d11.19（1+0.07）=11.97mm圆整后可取d=12mm。但是这样求出的直径，只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径dmin。按弯扭合成条件校核轴轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算时将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂的中点算起。通常把轴当作置于铰链支座上的梁，这是建立力学模型的一种形式，支反力的作用点与轴承的类型和布置方式有关。在做计算简图时，应先求出轴上受力零件的载荷（若为空间力系，应把空间里分解为圆周力、径向力和轴向力，然后把他们全部转化到轴上），并将其分解为水平分力和垂直分力。然后求出各支承处的水平反力FHN和垂直反力FNV。我所校核的这根轴是锥齿轮传动的从动轴如图7。其上主要有齿轮，带轮和两个轴承。另外一根轴的受力分析和计算在这里就不再阐述。下面进行轴的设计计算和强度校核。根据设计要求可知：取齿轮传动的效率为0.97，则齿轮在此轴上的扭矩为：P1=p=200.97=19.4w n1=4r/min=9550000P1/n1=46317.5Nmm, 因大齿轮的分度圆直径为d=mz=246=92mm，所以Ft=2T1/d=246317.5/92=1007N,Fr=Fttan20/cos8=370.2 N Fa=Fttan=141.5 N皮带的初拉力为Fe=1000p/v=19.4/5=3.88 N由此可见由皮带产生的弯矩可忽略不计。下面利用静平衡原理计算F1和F2其上所受弯矩图和剪力图如图9列出静平衡方程:在垂直面内：Fv1106=Fr75+12.5Fa Fv1=278 NFv2106=Fr31+12.5Fa Fv2=125 N在水平面内： Fh1106=Ft75 Fh1=712.5 N Fh2106=Ft31 Fh2=294 N 图8水平面内剪力弯矩图 图9垂直面内剪力弯矩图 图10弯矩扭矩合成图所以： M=23709 N.mm根据第四强度理论对危险截面进行校核,又 N.mm，=8941.64代入数据得=2.654MPa60MPa所以轴的强度足够。轴的结构设计轴结构设计原则：（1） 轴上零件布置应使轴受力合理。（2）轴上零件定位可靠、装拆方便。（3）采用各种减小应力集中和提高疲劳强度的措施 图11 轴（4）有良好的结构工艺性，便于加工制造和保证精度。（5）对于要求刚性大的轴，还应从结构上考虑减小轴的变形。3.8轴承的设计与校核3.8.1轴承的校核如果按滚动轴承承受载荷的作用方向分类，常用轴承可分成三类，即径向接触轴承、向心角接触轴承和轴向接触轴承。径向接触轴承主要用于承受径向载荷。这类轴承有：深沟球轴承、调心球轴承、调心滚子轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承。在齿轮传动机构的设计中，需要两个轴承来承受齿轮啮合传动时产生的力，因为选取的是圆锥直齿轮，没有轴向的力需要轴承承受，为此，在这里选取大众而且性价比很高的深沟球轴承，在齿轮传动机构中，轴段是悬臂布置，考虑到轴的端部会承受比较大的径向力，这里选取02系列的深沟球轴承。下面进行轴承的校核计算。 滚动轴承寿命的计算公式为式中的单位为。为指数。对于球轴承， ；对于滚子轴承，。如果改用小时数表示寿命，代表轴承的转速（单位为r/min），则以小时数表示的轴承寿命（单位为h） 如果载荷P和转速n为已知，预期计算寿命又已取定，则所需轴承应具有的基本额定动载荷C（单位为N）可根据上式计算得出： 滚动轴承的基本额定动载荷是在一定的运转条件下确定的，如载荷条件为：向心轴承仅承受纯径向载荷，推力轴承仅承受纯轴向载荷。实际上，轴承在许多应用场合，常常同时承受径向载荷和轴向载荷。因此，在进行轴承寿命计算时，必须把实际载荷转换为与确定基本额定动载荷的载荷条件相一致的当量动载荷，用字母P表示。这个当量动载荷，对于以承受径向载荷为主的轴承，称为径向当量动载荷，常用表示；对于以承受轴向载荷为主的轴承，称为轴向当量动载荷，常用表示。当量动载荷P（或）的一般计算公式为 式中，X、Y分别为径向动载荷系数和轴向动载荷系数。实际上，在许多支承中还会出现一些附加载荷，如冲击力、不平衡作用力、惯性力以及轴挠曲或轴承座变形产生的附加力等等，这些因素很难从理论上精确计算。为了记及这些影响，可对当量动载荷乘上一个根据经验而定的载荷系数，故实际计算时，轴承的当量动载荷应为： 选取的轴承代号为6205，它的基本额定负荷：， 查表查的径向动载荷系数X=0.56，轴向动载荷系数Y=1.5；已确定轴承径向载荷765 N，,取轴承转速为，为球轴承取当量动载荷 由于两轴承所受轴向力较小，在此只对轴承所受径向力进行校核计算，因为轴承只按径向力计算，所以当量动载荷C=14 kN计算轴承寿命对于球轴承，式中=3=14945533770000h其强度足够，计算结果表明，其它所选的深沟球轴承能满足使用要求，这里就不一一校核了。3.8.2轴承的润滑轴承运转时，应通过润滑避免元件表面金属直接接触。润滑除降低摩擦和减轻磨损外，也有吸振、冷却、防锈和密封等作用。轴承常用的润滑材料有润滑油、润滑脂、固体润滑剂和气体润滑剂。非金属轴承也可用水进行润滑。（1）润滑油液体摩擦轴承几乎全部使用润滑油，且多为矿物油。在众多的物理、化学性能指标中，最重要的是黏度和油性。根据轴颈直径d，轴的转速n确定润滑油的黏度区。按照确定的黏度区和轴承的压强，查出推荐的黏度；根据轴承轴颈的圆周速度工作温度轴承压强等参数确定润滑方式。（2）润滑脂润滑脂的主要性能指标是锥入度和滴点，应根据轴承的压强、圆周速度和工作温度选用。（3）其他润滑材料除润滑油,润滑脂外，还有其它润滑材料，如： 固体润滑剂，常用的有石墨、二硫化钼、二硫化钨等。当轴承的温度在高温或低速、重载条件下工作，不应使用润滑油时，可将固体润滑剂调配到润滑脂或油中使用，也可涂敷或烧结在摩擦表面上，还可以将其渗入轴瓦材料中或成型镶嵌在轴承中使用。 水，主要用于橡胶轴承或增强酚醛塑料轴承的润滑。 液态金属，如汞、液态钠、钾、锂等，主要用于宇航中的某些轴承。滚动轴承通常采用脂润滑，高速重载或高温时需要用油润滑。在本此设计中，由于轴承的在高温、重载条件下工作，根据轴承的极限转速知，可选择脂润滑。3.9齿轮的设计我采用圆锥齿轮传动，其设计参数如下：轴交角 90初选小齿轮齿数为=13则大齿轮的齿数为 Z2=133.5=45.5 取大齿轮的齿数为46取模数为m=2，则分度圆直径 d1=mz1=213=26 d2=mz2=246=92齿宽 大端齿顶高 大端齿根高 大端齿顶圆直径 （大角=74.05）锥齿轮的校核可按平均分度圆处的当量圆柱齿轮进行计算。按齿根弯曲疲劳强度计算，其公式为： 其中按齿面接触疲劳强度计算，其公式为： 经校核 齿轮符合强度条件。3.10带轮的设计我设计的检测装置中，带轮的作用就是将大齿轮轴上的动力原封不动的传递给带有轮胎的轴，没有速度的改变。所以带轮的设计不必考虑传动比的问题。因而我所设计的带轮只要满足强度要求即可。摩擦带容易打滑，这是管道机器人绝对不允许的，因为一旦出事，就无法将机器人从管道中取出来。所以采用啮合带，也就是同步带，其特点如下：1传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比；2.传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低；3.传动效率高，可达0.98，节能效果明显；4.维护保养方便，不需润滑，维护费用低；5.速比范围大，一般可达10，线速度可达50m/s，具有较大的功率传递范围，可达几瓦到几百千瓦；6.可用于长距离传动，中心距可达10m以上。带轮的结构如图所示，其外径为32.8mm。齿高1.14mm齿形角40度，齿根厚1.14mm。节距为2.032mm。 图12带轮其通过键连接在轴上。3.11键的选择键与花键联接是最常见的轮毂联接方式，属可拆卸联接。键与花键主要用于轴与回转零件轮毂间周向固定和传递转矩，有的还可以实现轴向固定和传递轴向力。此测量装置的轮胎，齿轮，皮带都是通过普通平键来连接来实现传动的。这是因为，平键结构简单，拆装方便，对中性较好。平键的横截面是矩形，平键的上下表面相互平行。它的两个侧面是工作表面，与键槽有配合关系，工作时，靠键和键槽侧面的挤压和键受剪切传递转矩。键的顶面和轮毂键槽的底面之间留有间隙，不影响轮毂与轴的对中。 4测量系统原理及设计4.1测量系统的原理测量机构采用超声波脉冲测厚原理，基本原理为: 超声波换能器(探头) 发出的超声波一部分在外表面被反射回换能器, 如图12 (a) 所示; 一部分如图12 (b) 所示, 在涂层与基体的接触面反射回换能器; 还有一些发生多次反射, 如图12 (c) 所示。假设超声波在外表面反射回换能器所用的时间是t1,在接触面反射回换能器的时间是t2 ,超声波在涂层内的传播速度是c，那么涂层的厚度l为：l=c(t2-t1)。图 13 超声波测量涂层厚度原理图霍尔传感器是测量车轮转数的传感器。它由磁钢和霍尔元件组成。将一个非磁性圆盘固定装在车轮转轴上，圆盘边缘用环氧树脂等距离粘贴块状磁钢磁钢采用永久磁铁分割成的小磁块，霍尔元件固定在距圆盘平面1-3mm处，当磁块与霍尔元件相对位置发生变化时，通过霍尔元件的感磁面的磁场强度就会发生变化。圆盘转动，磁块靠近霍尔元件。穿过霍尔元件的磁场较强，当圆盘转到使霍尔元件处于磁块之间时，磁力线分散，霍尔元件输出低电平，当磁场减弱时输出高电平。从而使得车轮在转动过程中，霍尔开关集成电路输出连续脉冲信号。4.2测量系统的传感器的选择超声波传感器根据工作原理可分为压电式、磁质伸缩式、电磁式等多种，其中以压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷。这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的，逆压电效应将高频电震动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；儿利用正压电效应，将超声波转换为电信号，可作为接收探头。根据用途的不同，压电式超声波探头有多种结构，如直探头、斜探头、双探头等。本设计中选用的是直探头，因为本装置一般工作在常温环境下，所以选用常规的超声波直探头就可满足要求。超声波的发射和接收电路如下：图14 超声波发射电路图15 超声波接收电路4.3测量系统的结构设计测量系统是由三个传感器、继电器、单片机、以及电磁铁组成。 图16测量系统的结构两个传感器在同一圆周上，测量圆周上不同点的涂层厚度。它们被固定在两个套筒中，前端和尾部都有弹簧，尾部的弹簧另一端装有磁铁，磁铁的对面安装有电磁铁，根据磁铁同性相吸，异性互斥的原理，通过对电磁铁通断电的控制，来控制传感器的移动。即当电磁铁通电时，传感器被顶出，进行测量，当电磁铁断电时，传感器在弹簧的作用下，收缩回套筒，结束测量。其结构如图16所示。电磁铁产生的电磁力随着流过线圈的电流的大小变化而变化，因此可根据需要人为进行调节。磁场强度的计算公式：H = N I / Le 式中：H为磁场强度，单位为A/m；N为励磁线圈的匝数；I为励磁电流（测量值），单位为A；Le为测试样品的有效磁路长度，单位为m。磁感应强度计算公式：B = / (N Ae) 式中：B为磁感应强度，单位为Wb/m2；为感应磁通（测量值），单位为Wb；N为感应线圈的匝数；Ae为测试样品的有效截面积，单位为m2。 然后根据F=BILSINa就可以确定电磁力的大小了。本装置中电磁铁提供的电磁力足以将传感器顶出4.4步进电机的选择步进电机的作用主要是为了满足被测量管道在同一径向圆上不同点的涂层厚度的要求。考虑到步进电机所带负载小，所以选用42BYG301,电压12v，静转矩0.25N.m.其外形图为： 图17步进电机5 电气系统设计5.1 电气系统方案的分析与确定为了实现对测量系统的自动控制，本设计采用单片机对此装置的行走机构进行控制。通过控制直流电机的正反转来实现测量装置的前进，后退。通过8051单片机和继电器开关对2个超声波传感器进行控制，以达到两个传感器不同时测量的目的，单片机与上位机可以进行串行通讯，从而实现测量装置与外界的交流。两个传感器是靠步进电机控制的，因为步进电机可实现精确角度的旋转，步进电机通过单片机进行控制。此装置的工作过程为单片机接受上位机的指令在管道中行进，当需要测量时由单片机控制其停下，再由单片机执行上位机传来的指令控制步进电机旋转角度，从而实现对管道涂层厚度不同点的测量。5.2 电气系统的硬件设计5.2.1 单片机的选择本系统选用单片机为控制单元。单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机，又称微控制机器（Microcontroller Unit）或者嵌埋式控制器(Embedded Controller)。它是计算机的基本部件微型化，使之集成在一块芯片的微机。片内含有CPU ROM RAM 并行I/O 串行I/O 定时器/计数器 中断控制 系统时钟及系统总线等。单片机有着体型小 功耗低 功能强 性价比高 易于推广应用等显著优点，在自动化装置 智能化仪器与仪表过程控制和家电控制等许多领域得到日益广泛的应用。 目前单片机的种类很多，本次设计选用应用最普遍的MCS-51系列单片机中的8051单片机。MCS-51系列单片机主要有三种型号的产品：8031、8051和8751。该系列产品是集中CPU、I/O端口及部分RAM等为一体完整的微机控制系统，并且开发手段完备，指令系统功能强，