毕业设计管道检测机器人

精品资料推荐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、 2 1 0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圭寸闭力的限制.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13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,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2345h 7匚引导轮Z螺鞭举引轮级3减遼器4姬动电机及也池组支撑轮 &绕性拥丝轴 7滚动柚承图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） 次作业距离 长,可达2km （3）焊缝寻址定位精度高为土 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 o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。/涡流测厚、超声波测厚常用的无损涂层测量方法有磁性测厚、电涡流测厚、磁性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 。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BEAGLE20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。132 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： 200mm2管道长度 200m3涂层测量范围0500卩m4误差( 1 3%)ym5 行走速度 500mm/min6工作环境温度050 r2.3 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: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 j55ZYT PX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=50X 10N=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=y N=0.8X N=800NFv800 0.50.0066kw6.6w1000 60电动机所需要的工作功率为1000 wPwpw6.6Pd6.974w20wa0.95各轴输入功率为：PiPd010.97 6.9746.765wPiiPi12p1 120.992 6.7656.697w各轴的输入转矩：pd6.974Td955095504.75N.mnm14TTd i014.753.5 0.9716.15N.m18.730N.mT2T1 i1216.150.99215.829 N.ma0.97 0.9920.95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40mn则此时 车轮的角速度以及减速后最终的角速度为：3 =60v/( nX d)=60 X 500/3.14 X 40X 60=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。精品资料推荐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；心轴一一工作中只承受弯矩、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 3 9550000p A03 p，Ao 3 9550000/0.2訂 0.2 T.n, nd截面处轴的直径，单位 mmp轴的传递功率，单位 kw；n轴的转速，单位 r/min，t许用扭转切应力，单位 MPa 45钢的t值为2545；A0 其中45钢的A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：9550000 P 吊 -20d dL Ao3上 126 3=11.19mmV 0.2 T.nnV14因轴上开有两个键槽，所以轴径应当增大 5%7%则有d 11.19 x（ 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 =20 0.97=19.4w n1=4r/minT1=9550000X P1/n仁46317.5N mm,因大齿轮的分度圆直径为 d=mz=2X 46=92mm所以 Ft=2T1/d=2 46317.5/92=1007N,Fr=Fttan20/cos8=370.2 NFa=Ft tan =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Fi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：Fv1 106=FrX 75+12.5X FaFv1=278 NFv2X106=FrX31+12.5XFaFv2=125 N在水平面内：Fh1 X 106=FtX 75Fh1=712.5 NFh2X 106=Ft X 31Fh2=294 N图8水平面内剪力弯矩图Q、7 tJ个P-fI旳235图10弯矩扭矩合成图所以:M=2 2M h M v =23709 N.mm根据第四强度理论对危险截面进行校核20.75T,又T 955000 Pn955 201364 N.mm,14W = 2 = 3.14 45 =8941.643232代入数据得M0.75T2 =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Lio式中Lio的单位为106r。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，n代表轴承的转速(单位为r/min)，贝U以小时数表示的 轴承寿命Lh (单位为h)106 C60n P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：C P帚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Fr，推力轴承仅承受纯轴向载荷Fa。实际上，轴承在许多应用场 合，常常同时承受径向载荷Fr和轴向载荷Fa。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Pr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Pa表示。当量动载荷P（ Pr或Pa ）的一般计算公式为P XFr YFa式中，X、丫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fP，故实际计算时，轴承的当量动载荷应为：P fP XFr 丫匕选取的轴承代号为6205,它的基本额定负荷：Cr 14kN，查表查的径向动载荷系数X=0.56，轴向动载荷系数丫=1.5;已确定轴承径向载荷765 N，,取fP 1.2轴承转速为n 3r / min，为球轴承取当量动载荷P fP XFr YE1.2 0.56 765 N 514N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=3106 C6310614000Lhh60n F p60 4514=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Z1=13X46=92则大齿轮的齿数为Z2=13 X 3.5=45.5取大齿轮的齿数为46取模数为 m=2则分度圆直径 d仁mz1=2X 13=26d2=mz2=2齿宽Rd147.320.347.3214.2mm大端齿顶咼*ha =mha=2 1=2mm大端齿根咼hf =m ha c =2 1.2=2.4mm大端齿顶圆直径da1 d1 2ha1 cos 127.92mmda2d2 2ha2 cos 292.55mm（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：kFYFaabmmFt其中2T1d m1按齿面接触疲劳强度计算，其公式为:HkT1_230.5 R d1u经校核F 30MPa 40MPah 25MPa 40MPa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I为：匸丄吃巾)。2涂层. 基体丿()(b),探1 何图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测量系统的结构图17步进电机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=Nx 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 x Ae）式中：B为磁感应强度，单位为 Wb/mA2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 口八2 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：42.331 0. 25 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， 编程语言丰富灵活性大， 硬件资料很丰富。 三种型号的引脚完全相同， 仅在内部结构上有少许差异。可以说 8031是没有ROM勺8051，而8751又是用EPROM 代替ROM勺8051。目前，工业控制中应用最多的是 8051单片机。8051 单片机的基本特性(1) . 具有 8 位中央处理单元( CPU)。(2) . 一般外接晶振频率为12MHz指令周期为1卩s，每执行一条指令时间绝大多数为1 口 s2 口 s，最长为4（1 s。（3）.片内具有128字节的RAM（4）.具有21个特殊功能寄存器。（5）.可寻址64k字节的片外数据存储器和64k的片外程序存储器。（6）.具有4个8位的并行I/O端口、具有一个全双工导步串行I/O端口，共32 根I/O线。（7）.具有5个中断源，配备两个优先级。（8）.具有两个16位定时器/计数器。（9）.具有位寻址能力，逻辑运算灵活。8051的大部分指令为1字节或者字节，最长为3字节。此外，8051所具有的乘 除法指令、多种形式的位操作类指令和逻辑运算类指令也是独具特色的。MCS-51系列单片机的引脚及其功能MCS-51单片机是一个具有40根引脚的双列直插式器件，引脚图及其功能分类如图4所示。其引脚功能如下：Vcc：编程和正常操作时的电源，电压为 +5V。Vss：接地端。XTAL1接外部晶体的一个引脚。当单片机采用外部时钟信号时，次脚应接地。XTAL2接外部晶体的一个引脚。当单片机采用外部时钟信号时，外部时钟信号由 此引脚接入。RST/Vpd复位控制输入，再振荡器运行时，使 RST脚至少保持两个机器周期为高 电平，可实现复位操作。CPUS过执行内部复位来响应，在 RST为高电平的第二周期时 执行内部复位。在Vcc关断前加上Vpd（掉电保护），RAM勺内容将不变。ALE/PROG :访问外部存储器时，用于锁存地址底字节的地址锁存允许输出。即 使不访问外部存储器，ALE以震荡频率的1/6为固定频率输出，因而它能用作外部时钟 或定时。ALE主要是提供一个定时信号，再从外部程序存储器取指时把P0 口的底地址字节锁存到外接的锁存器中，每个机器周期 ALE有效两次。这个引脚也是EPRO编程时 的编程脉冲输入。PSEN :程序存储器允许。输出读外部程序存储器的选通信号。取指令操作期间，PSEN的频率为振荡频率的1/6 ;但若此期间有访问外部数据存储器的操作，则有一个 机器周期中的PSEN信号将不出现。EA/Vpp :当EA =0时，单片机只访问外部程序存储器。对 8031此引脚必须接地。EA=1时，单片机只访问内部程序存储器。对 8051和8751此引脚应接高电平，但若是 地址超过4K范围(0FFFH，则单片机将自动访问外部程序存储器。在 8751单片机内的 EPRO编程期间，此引脚引入编程电源 VPP。P0 口 ：一个8位的开漏双向I/O 口，数据/外部存储器低8位地址总线端口，在程 序检验时它也输入指令字节，P0 口能吸入8个LSTTL输入。P1 口：具有提升电阻的8位双向I/O接口，专门供用户使用，在程序检验时(指 8051和8751)它也接收低位地址字节，P1能吸入或放出3个LSTTL的输入。P2 口：具提升电阻的8位双向I/O 口，可供系统扩展时作高8位地址线用。在没有 外部存储器扩展时，它也可以是为用户作I/O线使用。在程序检验时，它也接收高位地 址和控制信号。P2 口能吸入或放出3个LSTTL的输入。P3 口：具有提升电阻的8位I/O 口，该I/O 口的每一位均可以独立的定义为第一功能或 第二功能。作为第一功能使用时，与普通的I/O 口没有什么不同。作为第二功能时，该 口才具有了它独有的串行存储器的功能。(1) .程序存储器MCS-51K单片机具有64K字节的程序存储空间。其中，8751或8051在片内各有4K 字节的程序存器ROM或 EPROM并处于这一空间的最低地址区。(2) .外部数据存储器外部数据存储器又称外部数据 RAM当8051片内的数据RAM不能满足数量上的要求 时，可通过总线端口和其它I/O端口扩展外部数据RAM其最大容量为54K字节。外部 数据RAM与片内RAM勺功用基本相同，但前者不能进行堆栈操作。5.2.2 转换器的选择为了控制直流电机的启停以及前进和后退，这里需要D/A转换器将单片机发出的数 字控制信号准换为模拟信号，实现连续输出控制。目前d/a转换器有多种类型。从数据输入方式分，有并行输入和串行输入两种方式： 并行输入方式的转换速率一般比串行输入方式快；但串行方式所需占用的接口引脚资源 要少。从输出形式分，有电流输出型和电压输出型。通常电流输出型的建立时间快，仅 几十纳秒，而电压输出型的响应时间要长些，大约几百纳秒。按输出极性分，有单极性 输出型和双极性输出型等。本次设计选用DAC0832乍为DA转换器，DAC0832是目前应用较为广泛的 8位D/A 转换器之一。他具有与微机接口简便，易于控制操作，使用灵活等优点。DAC0832主要由两个8位寄存器与一个D/A转换器组成。这种结构使输入的数据有两次缓存，因而在 操作上十分方便灵活。根据对DAC0832勺输入寄存器和DAC寄存器的不同控制方法，可有 3种工作方式： 单缓冲方式、双缓冲方式、和直通方式。本次设计中采用单缓冲方式，单缓冲方式与单 片机的接线图如下：结束语20 世纪 70 年代以来 , 石油、化工、天然气及核工业等产业迅速发展 , 各种管道作为 一种重要的物料输送设施 , 得到了广泛应用。由于腐蚀、重压等作用 , 管道不可避免地会 出现裂纹、漏孔等现象。而管道所处的环境往往是人们不易或不能直接接触的 , 因此,对 于管道的检测和维护 , 成了工业生产中的一道难题。 传统的管道检测方法有全面挖掘法、 随机抽样法等 , 这些方法均存在工程量大、准确率低等缺点。因此设计一个可以在管道 中能自由行走并且可以进行自动测量的检测装置是非常必要的。我所设计的检测装置， 实现了机器人在管道内的自由行走，自动检测，并且可以将所测到的数据传回上位机。 我设计的管道机器人采用直齿圆锥齿轮传动，因为它可以实现直角传动，占用空间小， 成本低，而且适合管道机器人行进速度慢的要求。为了解决机器人行进中所需要的较大 的牵引力的要求，我采用前后轮共同驱动的方式，驱动轴是电机的一根输出轴，实现了 同步的要求。行走机构的六个轮，分为两组，每一组在空间成 120 角，实现了检测装置 的定心。检测的方法采用超声波检测法，通过记录超声波回波信号的时间差来计算涂层 的厚度，该方法精度高，工作稳定。本次设计的管道涂层厚度测量装置满足了自动测量 的要求，并且该装置具有便携、工作稳定、成本低的优点。限于自己的设计经验不足以及专业知识有限，设计中难免有不足之处，希望指导老 师批评指正。致谢本次设计，虽然只有短短几个月，但意义深刻。它是对大学所学课程的一个总结。 本次设计需要较高的专业技术和丰富的知识，它所涉及的领域包含了机械设计、机械原 理、理论力学、材料力学等多学科的内容。它也是对我们工作能力的锻炼。从开始时的 模模糊糊到最后有了成熟的思想，不仅使我们学会了利用所学知识来解决实际问题，而 且使我们真正懂得了怎样去解决一个工程上的问题。首先衷心感谢我的指导教师赵月静老师对我的毕业设计的指导和热心帮助， 从毕业 设计的