管道檢測(cè)機(jī)器人_畢業(yè)論文設(shè)計(jì)

( 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 km，我國(guó)長(zhǎng)距離輸送管道總長(zhǎng)度約 2 萬 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) PIG5. 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 . 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(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、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( 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 , 可通過圓弧過渡的 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)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)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)化無損檢8測(cè) 。上海大學(xué)研制了“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。目前也有便攜式測(cè)厚儀, 適合在現(xiàn)場(chǎng)使用。常用的無損檢測(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，各種無損測(cè)厚法均有成型的儀器設(shè)備 , 使用起來方便簡(jiǎn)單 , 且無需對(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)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進(jìn)行金屬基材上涂覆層的物性膜厚來測(cè)量的。該方法實(shí)質(zhì)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 35 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 ) 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 公司開發(fā)的M INITEST4100 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)各種條件下的無損測(cè)厚。（ 4） 超聲波測(cè)厚超聲波測(cè)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(jì)算脈沖通過涂層基材界面反射回發(fā)射器所花的時(shí)間來計(jì)算涂層的厚度。儀器通過一個(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。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、支岔管中的通過性問題仍未解決。而要解決這一問題，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，又快速靈活，可靠性高的驅(qū)動(dòng)方案是值得研究的問題 . 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)器人的通過性問題 , 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法正常發(fā)揮作用 , 或過多地依賴人的介入，已經(jīng)不能滿足其發(fā)展的需要。經(jīng)過多年的實(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)用是解決上述問題的有效手段。特別是以攝像機(jī)為基礎(chǔ)的視覺傳感器，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，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伺服技術(shù)，即利用視覺傳感器來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的位置閉環(huán)控制。視覺對(duì)管內(nèi)機(jī)器人具有重要意義，利用視覺, 可以：確定作業(yè)位置；識(shí)別管內(nèi)環(huán)境 ( 是否拐彎 , 是否有枝杈等 ) ；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： 200mm2管道長(zhǎng)度 200m3涂層測(cè)量范圍 0500m4誤差（ 13）m5行走速度 500mmmin6工作環(huán)境溫度 0 502.3 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 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，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，通過記錄回波信號(hào)的時(shí)間差來計(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。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，所以根據(jù)尺寸選擇j55ZYTPX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=1000NF=N=0.83 N=800N電動(dòng)機(jī)所需要的工作功率為Fv8000.5pw10000.0066kw 6.6w1000 w60a0.970.9920.95pw6.6pd6.974w 20wa 0.95各軸輸入功率為：pIpd010.976.9746.765wpIIpI12p1120.9926.7656.697w各軸的輸入轉(zhuǎn)矩：Td9550pd6.9744.75N .mnm955014T1Tdi014.75 3.5 0.97 16.15N.m 18.730N.mT2T1i1216.15 0.99215.829N.m所以所選的電機(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： =60v( 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)過程中要托纜， 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，它沒有調(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：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?；魻杺鞲衅骶褪抢没魻栃?yīng)原理，通過磁場(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)開關(guān)集成霍爾傳感器，其輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過一級(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?？紤]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；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d39550000 p3p， A039550000/ 0.2 T0.2 T .nA0nd 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 2545；A0 其中 45 鋼的 A0 的取值為 126103。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 39550000 pA03 p126 3 20 =11.19mm0.2 T .nn14因軸上開有兩個(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=19.4wn1=4rminT1 =95500003 P1n1=46317.5N2 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=Fttan20cos8=370.2 NFa=Fttan=141.5 N皮帶的初拉力為 Fe=1000pv=19.45=3.88 N 由此可見由皮帶產(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)：Fv1106=Fr3 75+12.5 3 FaFv1=278 NFv23 106=Fr3 31+12.5 3 FaFv2=125 N在水平面內(nèi)：Fh2Fh1 3 106=Ft 3 75Fh1=712.5 N3 106=Ft 3 31Fh2=294 N圖 8 水平面內(nèi)剪力彎矩圖圖 9 垂直面內(nèi)剪力彎矩圖圖 10 彎矩扭矩合成圖M=M H22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e1M a20.75T2 , 又W955000P95520Tn141364 N.mm，W =d 3=3.14453=8941.643232代入數(shù)據(jù)得e1WM a20.75T2=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)行軸承的校核計(jì)算。滾動(dòng)軸承壽命的計(jì)算公式為L(zhǎng)10CP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）Lh106C60nP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)上式計(jì)算得出：60nL hCP106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)載荷 P（ Pr 或 Pa ）的一般計(jì)算公式為PXFrYFa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：PfPXFr YFa選取的軸承代號(hào)為 6205，它的基本額定負(fù)荷： Cr14kN，查表查的徑向動(dòng)載荷系數(shù) X=0.56，軸向動(dòng)載荷系數(shù) Y=1.5；已確定軸承徑向載荷 765 N ，, 取 f P1.2軸承轉(zhuǎn)速為 n3r / min ，為球軸承取當(dāng)量動(dòng)載荷Pf P XFr YFa1.20.56 765 N514N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=310 6C10 6314000LhFP60 4h60n514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： 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。水，主要用于橡膠軸承或增強(qiáng)酚醛塑料軸承的潤(rùn)滑。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=26d2=mz2=23 46=92u 21R2d147.32齒寬bR0.347.3214.2mmR大端齒頂高h(yuǎn)a =mh*a =2 1=2mm大端齒根高h(yuǎn)f =m h*ac*=21.2=2.4mm大端齒頂圓直徑da1d12ha1 cos 1da2d22h a2 cos 227.92mm92.55mm（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 FaYSa2T1FFtbmm其中dm1按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算，其公式為：H5ZEkT1H2d13uR 10.5 R經(jīng)校核F30MPa40MPaH25MPa40MPa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)橐坏┏鍪拢蜔o法將機(jī)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(diǎn)如下：1 傳動(dòng)準(zhǔn)確，工作時(shí)無滑動(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。圖 12帶輪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(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，皮帶都是通過普通平鍵來連接來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的。這是因?yàn)椋芥I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=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)，磁塊靠近霍爾元件。穿過霍爾元件的磁場(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)過程中，霍爾開關(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， 通過對(duì)電磁鐵通斷電的控制， 來控制傳感器的移動(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線圈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 = N3 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 = (N 3 Ae)式中： B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為 Wbm2； 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m2。 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(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)此裝置的行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。通過控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置的前進(jìn)，后退。通過8051 單片機(jī)和繼電器開關(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)通過單片機(jī)進(jìn)行控制。此裝置的工作過程為單片機(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(EmbeddedController) 。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)， 并且開發(fā)手段完備， 指令系統(tǒng)功能強(qiáng)，編程語(yǔ)言