（精密仪器及机械专业论文）小管道管壁缺陷自动探测技术研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 当前在核工业、化工厂、电厂的一些设备中使用了大量的细小工业管道。由 于受空间狭窄或环境恶劣等因素的限制，对它们的检测与维修比较困难。针对这 方面日益增长的需求，本课题开发研制了一种由探测器送进机构、视频探测器、 控制系统等部分组成的新型小管道管壁缺陷探测系统。 本文首先介绍了国内外细小管道内探测器送进机构的研究现状，对比分析了 各种机构的优缺点。并提出了一种新型的送进机构，对其进行了机构设计和运动 状态分析，并对影响送进距离的送进力和拖缆力等因素进行了分析。 其次，在分析比较几种光学探测器方案的基础上，结合现有条件设计了一种 实用型的视频探测器，对其图像照明、获取、接收显示部分进行了设计分析，同 时对采集到的管道图像的处理方法进行了探索。 再次对探测器送进机构的控制系统设计进行了研究，提出了采用上位p c 机加 下位单片机控制器的解决方案，并将送进机构的控制模块集成到应用程序主界面 中，其中脉宽调制技术是实现直流电机调速的一种较好的方法。 最后对送进机构的性能，视频探测器的效果和控制系统进行了实验和分析， 在实验的基础上提出了进一步改进意见，为管道探测技术的未来发展方向提出了 几点展望。 关键词：管道送进机构视频探测控制系统 a b s t r a c t n o w a d a y s ，m a n yk i n d so f s m a l lp i p e sa r eu s e di nn a r r o wo rd a n g e r o u sp l a c e s w h e r ep e o p l ec a r lh a r d l ya c c e s st o ，s u c ha sn u c l e a rp o w e rp l a n t s ，c h e m i c a lp l a n t s ， d o w e r p l a n t sa n ds oo n i t sd i f f i c u l tt og e tt h e m d e t e c t e da n dm a i n t a i n e d t om e e tt h e p r o g r e s s i v en e e d ，ac a r r i e ra n da d v a n c i n gm e c h a n i s m ，w i t h ac c d p i c k u pc a m e r a a n d c o n t r o ls y s t e m ，h a sb e e nd e s i g n e d f i r s t t h ed e v e l o p m e n to ft h em i c r or o b o t s ，b o t h i nc h i n aa n da b r o a d ，a r e i n t r o d u c e di nt h i st h e s i s ，a n dac o m p a r a t i v ea n a l y s i s o fs e v e r a l t y p i c a l c a 玎i e r m e c h a n i s m si sc a r r i e do u ti nt h i st h e s i s ，t o o an e wm e c h a n i s mh a sb e e np r e s e n t e d ， w h i c hc a nc a r r yt h ei n s p e c t i n gi n s t r u m e n ti n t ot h ep i p e t h e nt h i st h e s i sa n a l y z e st h e k i n e m a t i c sa n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h ea d v a n c i n gf o r c e a n dt h er e s i s t a n c eb e t w e e nt h ew i r ec o n d u i ta n dt h ew a l to ft h ep i p ed u r i n gt h ec o n r s e o f i n s p e c t i n g n e x t ，ac c dp i c k u pc a m e r a ，w i t hs i m p l es t r u c t u r e ，h a sb e e np r e s e n t e d ，a n ds o m e a n a l y s i sa n dd e s i g n o ni l l u m i n a n t ，a c c e p t o gi m a g ec a p t u r ea n dd i s p l a yh a v eb e e nm a d e m o r e o v e r ，s o m er e s e a r c h e so ni m a g ep r o c e s s i n g h a v em a d e p r e p a r a t i o n sf o r t h ef a r t h e r r e s e a r c h f u r t h e rm o r e ，an e wm e t h o di m p l e m e n t i n gt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np c a n d m i c r o c h i p sw i t hv b a r ei n t r o d u c e dt or e a l i z et h ec o n t r o ls y s t e m t h em a c h i n ec o n t r o l m o d u l eh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yi n t e g r a t e di n t o am a i np r o g r a m ，a n dp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( p w m ) s e r v om e t h o di s ag o o dt e c h n i q u et h a tr e a l i z et i m i n go fd i r e c t c u r r e n td y n a m o f i n a l l y , t h ea d v a n c i n gp e r f o r m a n c ea n d t h ee f f e c t so f t h ec c d p i c k u pc a m e r a a r e t e s t e d t h er e s u l t so f m a n ye x p e r i m e n t sa r ea n a l y z e d a c c o r d i n g t ot h e s ee x p e r i m e n t s s o m eg o o da d v i c e sa r eo f f e r e d ，w h i c hw i l lb eb e n e f i c i a lt ot h ef a r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：p i p e ；a d v a n c i n gm e c h a n i s m ，o p t i c a ld e t e c t i n g ，c o n t r o ls y s t e m - 儿 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u t et h e s i so fs h a n g h a iu n ! v e r s i t y 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 发电、化工、制冷等行业的热交换器中使用了大量直径不等的细小管道。长 期作业以后，腐蚀或机械损伤会引起管道出现裂纹，以致酿成严重的事故。由于 空间窄小，人工检测起来劳动强度大，尤其在环境有害的情况下，还会给检测人 员带来许多危险。对于大口径石油管道、煤气管道等的管壁缺陷探测系统，现时 已有商品面世，但其尺寸较大，很难移植到小口径管道的检查。这类细小管道内 部的自动检测系统还有待于研究开发。 针对细小管道的管壁缺陷而言，目前一般采用的探测传感器主要有：光学探 测传感器、涡流传感器和超声波传感器等，但是不论其中哪一种，都必须解决探 测头向管道内的送进问题。送进方法可以分为人工送进和自动送进两类，前者成 本低，结构简单，但安全性和作业效率较低；后者可以有效的保护操作人员人身 安全和健康，大大提高作业效率。所以研究和使用自动化装置进行管道内部探测 作业，对减少事故发生、减小经济损失和增加正常运营时间有着重要意义。 近年来，针对细小管道的无损探测研究已经成为人们关注的热点。本章主要 对国内外管道内探测自动送进机构、探测器的研究现状、实现方法作一个简要的 介绍。 1 2 探测器送进机构的研究现状 目前，国内外小管径探测器送进机构的研究主要集中在管道机器人方面，利用 微型管道机器人作为探测器的载体，进入管道内部进行探测作业。国外如日、法、 德等国在此方面进行了大量的研究，国内如上海交通大学、上海大学、广东工业 大学等高校也进行了这方面的研究。 微型管道内行走机器人按其驱动机理，主要可以分为如下几类：足式、螺旋 式、蠕动式、惯性冲击式和单向步进式。 以下按驱动机理分类对国内外微小管道机器人的研究现状作一介绍。 足式微机器人引 这类微机器人用腿足与移动表面接触，通过腿足与表面的相互作用产生驱动 力以保证机器人运动。 日本m e i t e c 公司研制的针型驱动器驱动的足式微机器人如图l l 所示，它 可以在直径4 ) 3 6 m m 的管道内运动，最大运动速度可达1 8 8 m m s 。微机器人驱动器 上海太学硕士研冗生学位论文 ! 望! ! 旦! ! ! 坠垒里望翌! ! 坚! ! 竖竺! ! 坚垒望鱼旦垒! ! 型! ! ! ! 竖! 如图卜2 所示，由8 个压电片，一个弹性基材和一个接触针构成。p z t 压电片用 环氧树脂粘结在磷青铜制的弹性基材上，接触针e h i 具钢制成，在正弦电压驱动 下，压电片产生振动，传到接触针顶端，接触针顶端产生摆动，它与管道内壁发 生相互作用产生驱动力驱动微机器人运动。 韩。 旦一 1 图卜1 针形管内移动机器人 图卜2驱动器的结构 这种类型的微机器人虽然据报道运动速度较快，但结构复杂，进一步减小尺 寸较为困难，且压电驱动器布线困难，不利于细小空间作业；另一个缺点是驱动 频率过高( 5 4 2 k h z ) ，由于压电材料的功耗与驱动频率相关，导致微机器人功耗 较大。 德国西门子公司研制出的仿蜘蛛的爬管微 机器人结构如图卜3 所示。这类机器人有4 、6 、8 只脚三种类型，可在各种类型的管内移动，其运动 原理是利用腿推压管壁来获得驱动力，多腿可以很 方便地在各种形状的管道内移动作业，对于管道的 不平度适应性好。但其控制较复杂且多腿结构能量 消耗较多。图卜3 足式管道微机器人 螺旋式微机器人口卜1 螺旋驱动的微机器人，主要依靠倾斜安装的两个摩擦轮在外力的作用下沿管 壁产生螺旋运动。螺旋式微机器人分电机外置和电机内置两种形式。 日本东京工业大学和n e c 公司合作研究了电机外置螺旋式管内移动微机器 人。在直径为击2 5 4 m m 的直管内，它的最大运动速度是2 6 0 m m s ，最大牵引力是 1 2 n ，其结构如图卜4 所示。在主体两侧倾斜地安装着可以自由旋转的小轮，当主 体受到驱动力矩作用时，轮子随主体旋转并产生竖直方向的速度。当施加反向力 矩时，它可以在管内反方向运动。 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t ( r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 单元体 卜4 东京工业大学的螺旋式微机器人图卜5 螺旋式微机器人的驱动单元 图1 - 5 示出了其驱动单元的结构，由主体、三个轮子、螺簧组成。螺簧使三 个轮子撑在管道内壁，产生一定正压力。驱动力矩由固定在微机器人主体上的柔 性线缆输入，视所需驱动力矩的大小，串联一系列驱动单元组成微机器人。 这类螺旋式管内移动微机器人运动速度快，可以爬弯管，有一定越障能力， 但始终需要一柔性线缆传导驱动力矩，当探测距离增大，所需电机的驱动力矩也 需随之增大，因此探测距离会受到一定限制。 上海大学研制了电机内置式的螺旋轮驱动管内探测微机器人，包括管内机器 人移动机构、驱动与控制单元，p c 计算机控制软件和涡流检测装置等四部分，如 图1 6 所示。机器人本体( 含涡流探头) 重9 2 9 ，垂宜向上的最大负载为1 8 5 9 ， 机器人外径1 9 m m ，长2 0 2 m m ，最大运动速度为2 0 m m s ，具有双向运动功能。 图1 - 6 螺旋轮驱动管内探测微机器人 其移动机构由螺旋轮驱动牵引机构、电机减速器组件、张紧轮姿态保持机构 等组成。螺旋轮驱动牵引机构中有多组多个驱动滚轮组件，压紧在管壁上。驱动 滚轮组件的回转轴线与管道轴线有一个夹角0 。当减速电机带动螺旋轮驱动牵引机 构转动时，各驱动滚轮组件将沿管壁做螺旋运动，从而带动整个微机器人沿管壁 运动。通过改变减速电机输出轴的转动方向，改变微机器人的移动方向。 此类微机器人有较大的负载能力和移动速度，可以适应一定的管径变化和一 定半径的弯管，和外置式相比，在相同的电机输出功率下，它的运动距离更长。 蠕动式微机器人口卜“0 1 蠕动式管内移动微机器人模仿爬行类动物的移动方式，身体一般有两或三部 分组成，其头部和尾部( 或第三部分) 分别起保持器的作用，使其在不同阶段与 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 相对移动表面保持不同关系( 接触吸附或脱离) ，从而驱动身体运动。其动作器件 主要有活塞式、气囊式和s m a 式。 法国a n t h i e r e n s 等人研制的适用于耷1 6 m m 管道蠕动式机器人如图卜7 所示。 它由两部分组成：一个是支持体，另一个是伸长体。前部的丝杠螺母副使三条支 撑腿支撑在管壁上；后部的活塞系统利用气压使三条腿产生移动。驱动器是金属 波纹管。微机器人的最大运动速度为5 m m s 。负载可达2 0 n 。这样类型的微机器人 有很高的运动精度( 达l o m ) ，负载大，但是运动速度较慢且结构复杂。 图1 - 7 蠕动式微机器人i n c h w o r m 广东工业大学研制的微机器人结构如图1 - 8 所示，其运动机理如下 圳 剀 d 础 图l 一8 蠕动微机器人 1 初始时，线圈c 1 ，c 2 同时通电，弹簧l ，2 处于收缩状态； 2 线圈c 1 断电，c 2 通电，弹簧1 释放其弹性能，平衡块向机器人头部运动； 3 线圈c 1 通电，c 2 断电，弹簧2 释放其弹性能，平衡块向机器人头部运动； 4 线圈c 1 断电，c 2 通电机器人尾部向平衡块运动，移动d 距离； 5 线圈c 1 ，c 2 同时通电，回到初始状态，重复以上步骤，机器人实现前进 运动。它在水平方向的最大移动速度为2 0 m m s 。 惯性冲击式微机器人h “1 惯性冲击式机器人主要指压电式机器人。图1 - 9 示出的层叠型压电微机器人 样机由d e n s 0 公司研制。该机器人直径为5 5 m m ，连涡流传感器后长2 0 m m ，在一 定幅值的锯齿波驱动下，可以在直径8 m m 的管道内部运动，运动速度为6 m m s 。 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t e1 h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 它以压电陶瓷的逆压电效应为变形基础，根据惯性冲击原理产生运动。其运动机 理如图1 1 0 所示。假设初始的锯齿波驱动电压是缓慢上升，快速下降的。那么压 电驱动器就会相应地缓慢膨胀，快速收缩。在膨胀阶段，惯性质量向右移动，支 撑腿由于和管壁之间的最大静摩擦力大于压电驱动器所产生的驱动力，保持不动。 在收缩阶段，驱动力大于最大静摩擦力，微机器人支撑腿移动，完成一步。以一 定频率重复此过程，微机器人就可以一定速度在管道内壁移动。 图卜9 层叠型压电薄膜微机器人图卜1 0 层叠型压电薄膜微机器人运动机理 上海大学研制出了图卜1 1 所示的双压电薄膜微机器人，图1 - 1 2 是该机器人 运动机理。 图卜1 1 双压电薄膜微机器人 1 、惯性质量2 、支撑腿3 、双压电薄膜 图卜1 2 双压电薄膜微机器人运动机理 它的驱动机理也是惯性冲击原理：初始状态，不施加电压时，微机器人如图 l 一1 2 ( a ) 所示，静止于管道内部；在双压电薄膜上施加的驱动电压缓慢增大时， 微机器人如图卜1 2 ( b ) 形式变化，支撑腿与壁面之间的最大静摩擦力大于惯性 力，此时机器人支撑腿不动，双压电薄膜变形带动芯杆和惯性质量发生一定位移， 机器人重心向下移动；当施加的驱动电压快速减小时，微机器人如图卜1 2 ( c ) 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 形式变化，腿与壁面的最大静摩擦力小于惯性力，支撑腿移动，而惯性质量几乎 保持原位，微机器人完成一步。以一定的频率重复上述过程，微机器人可以在管 道内壁以一定速度稳定运动。 步进式微机器人m h l 8 1 上海大学和上海交通大学都研制出 电磁力驱动的步进式管道微机器人。上 海大学研制的微机器人如图l 一1 3 所示。 其主要部分为与芯柱衔铁相连的惯性质 量m l ，电磁铁本体m 2 ，前后两组支撑腿 以及位于m 1 和m 2 之间的螺旋弹簧。支 撑腿均匀分布，与管壁呈一定导向角0 。 弹性支撵脚 图卜1 3 电磁力驱动的管内微机器人 当电磁铁受激励振动时，电磁吸引力和弹簧力相互作用，产生往复变形。借助支 撑腿与管壁之间的摩擦，使微机器人在管道内壁移动。机器人重2 5 9 ，直径1 5 m m 。 此种结构的微机器人结构较为简单，但发热较为严重，不利于狭小空间作业。 1 3 管内探测器的研究现状 管道探测常见的方法有漏磁通法、超声波法、涡流检铡法、电场图像法、激 光检测法以及视频检测法等。经过多年的研究，人们已经认识到综合运用多传感 器来进行管道缺陷检测是- 种有效的方法，对多传感器综合运用最好的例子是德 国h b k u n t z e 等人设计的k a r o 管道机器人”( 如图1 - 1 4 所示) ，在这个机器人上 集成了四种检测传感器： “ 。 图卜1 4k a r a 机器人的多传感器 装在前面的两个空气超声波传感器( a i ru l t r a s o n i cs e n s o r ) ，主要是实现 对管道内壁表面的超声探测； 装在前面的一个结构光检测传感器( 3 d o p t i c a ls e n s o r ) ，主要也是针对管 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 道内壁表面的缺陷探测； 装在机器人腹部的流体超声波传感器( 1 i q u i du l t r a s o n i cs e n s o r ) ，主要是针 对管道下面有水或其它液体而使光学和空气超声波传感器无法检测的区域，它可 实现管道厚度的检测； 装在后面的微波传感器( m i c r o w a v eb a c k s c a t t e r i n gs e n s o r ) ，它可实现对 管道外1 0 c m 区域的检测，具有穿透性。 涡流传感器，超声波传感器灵敏度高，可以做得小以用于细小管道的检测， 并可同时对管道内外壁的缺陷起反应，而不利之处在于其不直观，且对偏心和间 隙变化较敏感。在这方面，视频探测器是一个有益的补充。下文中将分别介绍涡 流传感器和视频探测器，并将对视频探测方法做主要介绍。 涡流传感器” 1 、三乙2 乙互z 互z 乙2 乙翌舷 2 叼3 ，乞盈乙至乙2 乙z 乙z 型五z l 。 图卜1 5涡流探头原理机构 1 、管壁2 、激励线圈 3 、检测线圈 涡流传感器检测装置由涡流探头( 如图卜1 5 ) 和涡流分析仪组成。当交流电 流通过携带在移动机构上的涡流传感器的检测线圈时，产生交变磁场，磁场作用 于管壁，在管壁中产生涡流，涡流产生一个与原来的磁场相反的交变磁场。两个 磁场叠加会使线圈的阻抗发生变化，因此测量线圈的阻抗，就可以得到包括缺陷 在内的管子的各种参数。所得到的信号是各种影响的综合反映，其不仅对管道内 壁的裂缝、穿孔、毛刺有反应，而且对管道外壁的突出、划痕等也有反应，使一 般的操作人员很难识别缺陷信号的产生源，故而需要一种易操作、易识别的探测 手段作为辅助测量。 现有的光学管道内壁检测方法有激光束扫描法、环形光切图像法以及内壁环 带视觉装置等。前两种方法可以用于管道内壁形貌的精确测量，最后一种可用于 管道内壁的环视，并可实现缺陷相对传感器的位置检测。激光束单点扫描法具有 很高的检测分辨率，但是由于依赖于传感器的机械回转完成管内壁表面某一截面 的扫描测量，测量效率太低( 测量5 m m 长的管件约需5 0 m i n ) 。下面主要对环形光 切图像法以及内壁环视装置作一介绍和比较。 环形光切图像法” 环形光切图像法的基本测量原理如图卜1 6 所示，测量系统由半导体激光器1 、 环形光发生器2 、发射及接收光窗3 、接收透镜4 、c c d 摄像机5 以及系统驱动 装置6 组成。半导体激光器1 发射的光束经环形光发生器2 后形成标准圆环形 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 光带，经过发射接收光窗3 ，该环形光带入射于被测管内壁某一截面处7 ，入射光 束在管内壁7 处产生的散射、反射光束再经发射接收光窗3 由接收透镜4 聚焦于 c c d 摄像机5 的光敏面上形成一圆环形的像，经过图像处理后可得知管内壁某截 面处的尺寸形貌。由步进电机驱动装置6 沿管轴线方向驱动整个测量装置，管内 壁的尺寸形貌即可获得。 图卜1 6 环形光切图像法测量原理图 管内壁尺寸沿径向方向的变化与c c d 摄像机上像点距光轴间距离的几何关 系亦可由图1 - 1 6 示出。由环形光发生器点a 处发射的光束照射于管内壁点m 处， 点n 为点m 经透镜l 在c c d 摄像机上所成的像点。角口为光束a m 与透镜光轴之 间的夹角( 即环形光发生器的发射半角) 。点m 到光轴间的距离为r ，点a 到透镜 l 的距离为m ，透镜l 到c c d 摄像机光敏面之间的距离为厂( 即为该透镜的焦距) 。 根据几何关系可以得到： r ： ! ：竺 r t a n a 根据上式即可求得管内壁某截面处的公称半径月和该截面处的尺寸和形貌。 在环形光切图像法测量管内壁尺寸形貌测量法中，环形光发生器发射的环形 光带对整套测量系统非常重要。以下给出了基于两种原理即圆锥面法和衍射光栅 法的环形光发生器的原理图以及衍射光栅法原理图。 图l l7 锥面反射法环形光发生器原理图 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y t ：7 - j 、迤 沁! 图卜1 8 衍射光栅法环形光发生器原理图 图1 - 1 9 衍射光栅法原理图 图卜1 7 所示的结构当管径变化时，投在内壁上的光环宽度会随之变化，这时 需调整两透镜间的距离以使环形光带汇聚，故测量不同公称半径的管件时不大方 便。图卜1 8 中的结构则适合空间较小、结构紧凑的场合。该结构利用图卜1 9 中 的衍射光栅来产生光环，该光栅的特点是光栅槽面与底面不平行。 内壁环带视觉袈置。” 哈尔滨工业大学研制的内壁环带视觉装置采用c c d 摄像头，轴向放置的摄 像头的前方安装球面反射镜，摄像头的四周有照明用的小灯，这样管壁通过球面 反射摄入摄像头，所得到的图像为一环带。这种装置解决了c c d 摄像头轴向放 置时由于景深限制使图像模糊，而径向放置又不能环视的难题，并且能够较准确 的确定所视部位的相对位置。 内壁环视装置的光学成像原理如图卜2 0 所示，理想情况下，视觉传感器的轴 线与管道的轴线重合，其中管壁上的任意点a ( 一d 2 ，z 0 ) 经球面镜成像于旋转 曲面上的一( y 。，z 。- ) 点，再经物镜成像于另旋转曲面上的( y 。z 。) 。由球 面镜成像公式及三角形相似原理可得a 、a 1 两点坐标间的次成像关系。二次成 像是次成像经c c d 物镜在其相敏面上所成的平面图像，为一圆环，可以通过 监视器直接观察。也可根据坐标变换关系求出a 点的相对位置，从而实现对缺陷 的位置检测。其设计适用孔径为2 1 9 至6 6 0 姗， ，a 影 a f f f - t 云 ，- 、 l2 ? ! 、一 剥 且 f i i j 、 j ： ，一，一 一厂一； 图卜2 0 内壁环视装置理想情况下的光学成像原理 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 环形光切图像法及内壁环视装置均适用于较大直径管道。环形光切图像法可 以实现较高精度的测量，但所需的零件较多，结构相对细小管道而言比较复杂， 不易实现。内壁环视装置兼顾了周向观察失真小，视野范围宽广的优点，并可实 现缺陷相对位置传感器的位置检测。 1 4 本课题研究的内容 如1 2 、1 _ 3 节所述，国内外在2 0 m m 以下管道内无损检测的探测器自动化送 进装置研究，视频探测器的研究方面都取得了大量的研究成果。小管道送进装置 的研究主要是针对各类管道机器人，但是它们目前均存在稳定性、负载能力不够 等一些缺点。总体来说，各类小管道机器人还处于实验室研究阶段，距离实用化 还有一定的距离。视频探测相比其它探测传感器有信息直观的特点，但现有的环 形光切图像法及内壁环视装置均只适用于较大直径管道。 为解决小管道探测方面的实用化问题，本课题拟研究和开发一种整体结构简 单的实用型细小管道探测系统，主要内容包括以下几个部分： a 探测器送进机构的研制； a 送进机构的分析和实验； b 视频探测器的结构设计； c 控制系统的设计。 本课题源自国家自然科学基金重点项目“面向管道检测多微机器人移动、控 制、协调及集成技术”( 编号6 9 8 8 9 5 0 1 ) 。 1 5 性能目标 i 整体机构 送进机构主要解决探测头向管道内的送进问题，对其性能基本要求为： 1 ) 既要完成探测头向管道内的送进，又要能实现探测头的回收。 2 ) 为满足检测效率要求，送进与回收都要能满足一定的速度要求。 3 ) 探测头要能够适应管道曲率的变化。 2 控制系统 通过上位机( p c 机) 与下位机( 单片机) 之间串行通讯，由上位机发送指令， 下位机接收指令，从而控制送进机构向管道内送进与回收探测头，并可以调节探 测头的送进与回收速度。 3 视频探测器 由四个部分组成：图像获取部分，照明部分，图像接收显示部分，图像处理 部分。 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 图像获取部分和照明部分随机器人在管道内移动，其外形尺寸及重量必须适 合搭载，并通过规定半径( 2 0 r a m ) 的管道。 图像显示部分主要提供由检测人员直接观察的手段，应能清晰的观察到管内 情况，图像稳定，照度均匀。 图像处理部分提供计算机辅助检测和缺陷识别，减轻操作人员劳动强度，提 高整机的自动化水平。 1 6 小结 本章主要介绍了国内外小管道探测器和其送进装置研究状况，对现有管内移 动机构的原理和视频探测方法作了一些探讨：同时提出了本课题的研究目标和研 究内容。 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a r et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s n y 第二章总体方案 2 1 引言 ， 本章主要针对课题的应用目标和要求，在分析现有一些解决方案的基础上，根 据实际情况，分别针对探测器送进机构、管道探测器提出了相应的设计方案。 2 2 系统总体方案 第一章的介绍和分析中可以看出，管道检测机器人的主要目的是解决探测头 向管道内的送进问题，但要使管道机器人作为搭载机构运行于管道内，由于其结 构尺寸的限制以及运行状况不易控制等原因，较难在生产实践中应用。 实践中发现，对于核电站、化工行业等的刚性管道，把摄像头与电缆导管末 端联结在一起并伸进管道内，利用电缆导管对摄像头的推动作用，能够较好的完 成视频探测任务。因此，考虑将送进机构置于管外，用它来推动内置电线的电缆 导管及其末端的摄像头向管内送进：完成探测任务后，由送进机构将电缆和摄像 头一起拉回。 由此提出如图2 - 1 所示的系统方案。 图2 一l管道探测摄像系统组成示意翻 该系统方案由视频探测头、信号电缆导管、送进机构、监视器、图像采集卡、 微机等部分组成。送进机构把内置电线、末端联结有视频探测器的信号电缆导管 送到细小管道中进行探测，检测完后，由送进机构拉回电缆导管及摄像头。从管 壁获取的图像信息部分直接进入监视器进行观察，另一部分进入图像采集卡进 行分析。 2 2 1 送进机构方案 送进机构的主要功能分两部分，即完成电缆导管和探测器的送迸与回收。电 缆导管向管道内的送进，可采用的方法有卡爪式机械手夹持送进、滚轮式送进以 及杠杆式送进等方法。 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 1 ) 卡爪式机械手夹持 卡爪式机械手由手指( 手爪) 和驱动机构组成，通过手指的开、合动作，实 现对电缆导管的夹持送进。 根据夹持对象，卡爪式机械手有两个或多个手指，手指形状也各式各样。驱 动方法有气压驱动、液压驱动、电磁力驱动和电机驱动，根据手，爪夹紧过程是摆 动还是平动，可以分为摆动回转型和平动回转型。对于本课题中的电缆导管，因 抓取面为圆柱表面，则需采用如图2 2 所示摆动式抓手，驱动方法可以选用电磁 驱动。 1 、上滚轮2 、下滚轮3 、电缆导管 图2 3 滚轮式送进方法 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s l so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 3 ) 杠杆式送迸方法 杠杆式送进方法如图2 4 所示，该送进方法主要通过压头和电缆导管的相互 作用力来带动电缆导管运动，当滑块向左移动时，压头3 压紧电缆导管，这样杠 杆压头就带动电缆导管向左移动。滑块回程时压头放松，电缆导管不动。电缆导 管在滑块的左右动作下不断送进。 1 23 4 a b 截面 尉 1 、滑道2 、滑块 3 、杠杆压头4 、电缆导管 图2 4 杠杆式送进方法 经过分析对比，设计提出了滚珠式送进机构，结构如图2 - 5 所示。夹头外壳 内侧有圆锥面，两端有大小不同的圆柱面可作导路导引嵌着钢球2 的滑块3 ，弹 簧4 使滑块3 压向左边，电缆导管经过滑块中心。当夹头外壳整体向右运动时， 钢球3 将电缆导管6 压紧并带动它向右移动，夹头回程向左移动时，钢球2 放松 电缆导管，夹头外壳整体回程，电缆导管不动。这种送进机构的优点是结构简单、 运行可靠，并且易于控制。 l 2345 6 1 、夹头外壳2 、钢珠3 、滑块4 、弹簧5 、塞子6 、电缆导管 图2 - 5滚珠式送进方法 滚珠式机构要实现送进动作，还必须由另外一机构提供往复直线运动。由于 设计中动力来源是宜流电机，该机构应该是将回转运动转化为直线运动机构。实 际应用中较常见的传动机构有：齿轮齿条传动、丝杠传动、连杆传动等。 齿轮齿条传动是通过齿轮齿条的啮合来将圆周运动转化为齿条的直线运动， 这种机构结构简单。 丝杠传动主要是种将螺旋运动转化为直线运动，同时传递能量和力或者调 整零件位置的传动形式。这种机构的特点是精度较高，传动效率较高，但结构复 杂，制造成本高。 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t e1 l l e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 若采用曲柄摇杆机构，也能实现往复运动，优点是结构简单，但是摇杆末端 轨迹线是圆弧形。 综合考虑上三种机构的优缺点，这个提供往复直线运动的机构决定采用齿轮 齿条机构。 电缆导管的回拉相对送进显得比较容易：将待测管道外电缆导管缠绕于绕盘 上，绕盘转动时就可将电缆导管和探测器收回。 绕盘的转动可以有两种选择：1 、通过带传动带动绕盘轴及绕盘转动；2 、通 过齿轮带动与绕盘连结在一起的绕盘转动。带传动的优点是机构简单，可用于较 大中心距；内齿轮和齿轮传动则结构紧凑，传动比恒定，但内齿轮的加工比较复 杂。为此选用平带传动。 综合以上分析，送进机构拟采用如图2 6 所示方案。当需向管道内送进电缆 导管和摄像头时，齿轮齿条机构在送进电机5 的带动下做往复运动，因而滚珠机 构周期性的把电缆导管及摄像头向管道内送进。当完成探测任务后，回拉电机l 经带传动带动绕盘转动就可以把电缆导管绕回到绕盘，并把摄像头拉回。 1 、回拉电机2 、平带3 、绕盘4 、滚珠夹头机构5 、送进电机6 、电缆导管及摄像头 图2 - 6 送进机构方案三维图 2 2 2 视频探测器方案 细小管道内视频探测视觉系统一般包括球面及反射光学装置、c c d 摄像机、 信号传输线、监视器等几部分。由球面反射光学装置通过成像技术进行图像采集， 经视觉传感器( c c d ) 将光信号转换为电信号，该信号经视频信号输出线输出到监 视器供操作者观测。 视频探测的难点：视频探测器的轴线与管的轴线是平行的，管道内表面是一 环状主体物，并且管径小，除平面图像外，尚需检测深度尺寸，属三维立体检测。 如直接进行观测，由于是斜视，成像细节不是十分清楚。实际中为对管道内表面 进行垂直观测，常利用折转元件、如平面反射镜、圆锥反射镜、球面反射镜等来 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 使探测头的光轴由原来平行于管轴改为垂直于管轴。从而达到正视管道内表面的 目的。根据上文中对现有方案的分析比较以及本课题的实际要求，提出了以下三 种方案： 方案一如图2 7 所示，采用4 个或更多发光二级管作为内置光源，照明管道 内部，直接用c c d 摄取管内图像，该方案要求c c d 的接收镜头组具有广角特性。 优点为结构简单，缺点为像质较好的视场中心部分被弃而不用，而像质较差的视 场边缘部分却作为观测的主要部分。为克服这一点，可采用图2 8 所示的结构， 在c c d 接收镜头的前面加棱镜或锥镜，使管壁的景象经反射镜后以较小的视场 角进入c c d ，这样可使像质较好且景象变形小。 发二头 图2 7 方案一 方案二如图2 - 9 所示，采用c c d 为探 光栅作为结构光发生器以产生圆形结构光， 镜或锥镜反射入c c d 成像。采用这种方法 零件多，加工装配较困难。 二和 图2 - 8 方案一改进型 测器，用半导体激光器或光纤为光源， 经分束镜反射后打在管壁上，再经棱 可阻实现精确测量，缺点是结构复杂， 图2 - 9 方案二图2 一1 0 方案三 方案三如图2 1 0 所示，采用半导体激光器为光源，由激光器发出的光经扩束 后形成平行光束，经棱镜或锥面反射后照在管壁上再反射或散射，由c c d 接收 镜头成像在c c d 成像面上。采用此方案的优点为光在管壁上以接近正入射的方 式照明，效率较高，像质较好，像变较小。 上海大学硕士研究生学位论文 t h bp o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n l v e r s i t y 综合分析以上三种方案，方案一有结构简单、安装制作方便的特点。本课题 中因为时间以及实际条件限制，选用了方案一，拟外购广角c c d 摄像头、加装 l e d 等元件后制成所需的视频探测器。 2 3 小结 本章主要对送进机构和视频探测器的几种设计方案进行了分析，并根据课题 要求和实际条件确定了拟采用的方案。具体的设计分析将在以后的章节中详细介 绍。 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s l g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 第三章结构设计 3 1 引言 本章对细小管道管壁缺陷探测系统的总体结构进行了设计，并对其工作过程 进行了详细的分析。该结构主要利用双电机驱动，一个电机通过皮带传动驱动绕 盘转动，负责回收电缆导管和其末端的摄像头，另一个电机通过齿轮齿条机构带 动滚珠式送进机构，向管道内送进电缆导管和摄像头。两部分互相协调完成摄像 头的送进与收回，实现细小管道管壁缺陷的视频探测。 3 2 完成探测任务的基本条件 为使管道送进摄像头圆满完成视频探测任务，探测系统除满足机构简单可靠 外，还必须满足以下两个基本条件： 1 、系统能够以较快的速度实现摄像头的送迸与收回。 2 、因为诸多工业细小管道中有弯管存在，系统能驱动摄像头在弯管内运行。 3 3 送进机构的设计 3 3 1 送进部分的结构 送进部分的总体结构见示意图3 - 1 ：图中2 为内置信号线和电源线的电缆导 管，末端连结有摄像头。滚珠送进机构5 在齿轮齿条机构带动下作往复直线运动， 从而不断送进电缆导管。齿条6 的左右支撑架上安装有限位开关，齿条到达左右 1 、限位开关2 、电缆导管3 、左支撑架4 、复位钉 5 、滚珠机构6 、齿条 7 、齿轮8 、右支撑架9 、防转块 1 0 限位开关1 1 、电机轴 图3 - 1送进部分结构示意图 极限位置终点后，触动限位开关1 或1 0 ，发送开关信号到控制系统，控制系统将 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a lu n i v e r s i t y 使电机转向改变，实现齿轮齿条机构的往复直线运动。 采用图3 - 2 所示滚珠夹头机构来送进电缆导管，它具有送进时自动夹紧电缆 导管，回程时自动放松电缆导管的特点。 i23456 1 、夹头外壳2 、钢珠3 、滑块4 、弹簧5 、塞子6 、电缆导管 图3 - 2 滚珠夹头式送进机构 设计时，除应该满足机构紧凑、夹紧力大的要求外，还要求加工方便。图3 3 以及图3 - 4 分别给出了夹头外壳和滑块的结构。夹头外壳的内圆锥面在电缆导管 被压紧时起关键作用。若圆锥面锥度过大，则加工不方便；若锥度过小，压紧力 增加和减少减慢，造成夹紧和放松电缆导管时行程都过大。本设计中选用锥度为 2 ：9 ，钢珠2 直径为d = 6 m m 。为减轻重量，两零件材料都采用硬铝。 图3 - 3 夹头外壳的结构图3 - 4 滑块的结构 设计中采用的电机为c a n o n 直流减速电机，额定电压1 2 v 转速3 8 转分。齿 轮直接由电机驱动。 小齿轮参数如下： 齿数z ，= 1 6 、为避免根切取变位系数x 。= o 1 、模数m = l ，压力角a = 2 0 。，齿全高 h = 2 2 5 m m ，材料为铝青铜。 齿条参数如下： 模数m = l ，压力角口= 2 0 。，齿全高h = 2 2 5 m m ，齿总长为7 0 m m 。 3 3 2 回收部分的结构 探测任务完成后，电缆导管和它末端的探测头的回拉依靠送进机构的回收部 上海大学硕士研宄生学位论文 ! 型! ! q ! ! 里垦垒旦坚! 坚! 翌! ! 坚竺! ! 坚垒型旦旦垒! ! 型! ! ! 垦! ! 型 分来实现。直流减速电机通过带传动带动绕盘转动，绕盘转动就可以将电缆导管 绕回绕盘的凹槽中。 回拉部分采用的带传动机构见示意图3 - 5 。 带传动是通过张紧在带轮上的带，借助轮与带之间的摩擦，在两轴( 或多轴) 间传递运动或动力。带传动具有结构简单、传动平稳、造价低廉以及不需润滑、 缓冲吸振、等特点，而平带传动结构最简单，带轮也容易制造。为防止掉带，主、 从动带轮轮缘表面制成中凸弧形，这样加工也方便。 设计中，取小带轮直径d 。= 2 0 m m ，大带轮直径d 2 = 3 2 m m 。 带长l = 2 7 4 m m ，中心距a = 9 5 5 m m 小带轮包角口l ：1 8 0 。一_ 5 2 i - _ 2 ux5 7 3 = 1 7 2 8 。1 5 0 。满足设计规范。 1 己 3 4 56 1 、平带2 、电机输出轴3 、单向轴承4 、小带轮5 、大带轮 6 、绕盘轴 图3 - 5带传动部分结构示意图 由于送进机构送进电缆导管时，要求绕盘同步放松电缆导管，在设计中还应 考虑在回拉部分的直流电机的电机轴与皮带轮间应采用超越离合器连接。 离合器在机器运转中可将传动系统随时分离或结合。对离合器的要求有：结 合平稳，分离迅速而彻底：调节和修理方便；外廓尺寸小；质量小：耐磨性好和 有足够的散热能力；操纵方便省力。 离合器的类型很多，常