毕业论文-管道检测机器人机械结构设计

管道检测机器人机械结构设计摘要管道内检测机器人是智能机器人的重点研究领域之一。随着我国经济的发展，煤气、输水、油气、通讯、化工以及其他用途管道急剧增加。由于腐蚀、压力以及其它外力损伤等因素，管道不可避免地会出现各种破损。一般情况下，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。本文设计了一种石油管道检测机器人,分析了其总体机械结构和检测原理及方法。机器人通过轮伸缩机构来实现自适应管道直径的变化,万向节保证了机器人能够顺利通过一定曲率半径的弯道,提高了机器人的稳定性和灵活性。介绍了超声波检测的工作原理和具体方法。综上所述,该管道机器人检测系统,经过进一步改进和完善后,可以在石油、化工、钢铁、有色金属、塑料工业和兵器工业等许多部门中对各种金属与非金属管类产品进行内表面质量检测,有广泛的应用、推广价值。关键词：石油管道，管道机器人，无损检测，超声波检测I管道检测机器人机械结构设计AbstractThedetectingrobotofpipisoneofintelligentrobotsresearchareas.Alongwiththedevelopmentofourcountryeconomy,coalgas,waterdistribution,oilgas,communication,chemicalaswellasotherusepipelinehavegrowth.sharply,Becausecorrodes,factorsandsoonpressureaswellasotherexternalforcedamage,thepipelinewillpresenteachkindofbreakageinevitably.Intheordinarycircumstances,theenvironmentofpipelineisoftenpeoplecannotcontactimmediately.Therefore,regardingpipelinesexaminationandthemaintenance,hasbecomeadifficultprobleminanindustrialproduction.Thepaperdesignedapassiveoilpipeinspectionrobotandanalyzeditsmachinestructureandinspectionprincipleandmethod.Robotcanadaptthechangeofpipediameterbywheelflexingmechanismandthedesignofuniversaljointsmakesurerobotsuccessfullypasstheturnwithcurvatureradius.Therefore,thetwomechanismsimprovedrobotsstabilityandflexibility.Moreover,wedescribedtheworkprincipleandmethodofultrasonicinspection.Thisrobotcaninspectandhasawideapplicationfutureinoilpipeline.Insummary,thispipelinerobotexaminationsystem,afterpassingthroughfurtherimprovesandtheconsummation,mayinthepetroleum,thechemicalindustry,thesteelandiron,thenon-ferrousmetal,theplasticsindustryandtheweaponsindustryandsoonmanydepartmentstoeachmetalandthenonmetallictubulargoodsproductcarriesontheinternalsurfacequalitydetection,hasthewidespreadapplication,thepromotedvalue.Keywords：Oilpipeline,in-piperobot，Scathelessinspection,UltrasonicinspectionII管道检测机器人机械结构设计目录第一章绪论11.1管道检测机器人技术的发展11.2管道检测机器人的研究现状41.3管道检测机器人的应用前景51.4检测技术原理6第二章检测机器人的总体结构设计92.1机器人的总体结构设计92.2机器人的驱动方式设计102.3机器人的传动方式设计122.4机体基本结构的设计122.5几种典型的管道机器人132.1蠕动式管道机器人132.2轮式管道机器人132.3无缆管道机器人142.6管道检测机器人的种调节机构152.6.1蜗轮蜗杆调节方式152.6.2升降机调节方式162.6.3滚珠丝杠螺母调节方式172.7管道检测机器人设计时的关键问题18第三章检测机器人的机械结构设计203.1电机的选择203.2传动比的确定213.3蜗轮蜗杆的传动设计223.4齿轮传动的设计26第四章三维造型设计32I管道检测机器人机械结构设计第五章检测机器人运动稳定性分析425.1承载能力425.2壳体选材435.3弹簧推力对稳定性的影响445.4道机器人的质量优化475.5检测系统48第六章经济技术分析报告50第七章结论与展望51参考文献53致谢55II管道检测机器人机械结构设计第一章绪论1.1管道检测机器人技术的发展管道检测机器人是一种可在管道内、外行走的机电一体化装置，它可以携带一种或多种传感器及操作装置(如CCD摄像机位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道接口焊接装置、防腐喷涂装置等操作装置)，在操作人员的远距离控制下进行一系列的管道检测维修作业。一个完整的管道机器人系统应由移动载体(行走机构)、管道内部环境识别检测系统(操作系统)、信号传递和动力传输系统及控制系统组成。其中移动载体和管道内部环境识别检测系统是管道机器人系统的核心部分。随着油气工业的发展,管道机器人技术将被更加广泛地应用在石油工业管道上。从20世纪50年代起，为满足长距离管道运输、检测的需要，美、英、法等国相继展开了管道机器人的研究，其最初成果就是一种无动力的管内检测设备，一般译名称“管道猪”(PipePig)1。该设备依靠其首尾两端管内流体形成的压力为驱动力，随着管内流体的流动向前运动。它是一种被动的无自主动力的检测设备，依靠外力的作用而实现在管道中移动。随着计算机、传感器、控制理论及技术的发展，近些年来，人们开始研究采用具有自主动力的机器人来进行管道检测。这种管道机器人能在管道中自主行走，可以准确接近管道的故障截面,获得故障状况的可靠信息，精确到达操作位置。我国管道机器人方面的研究开始于20世纪80年代末。哈尔滨工业大学、上海交通大学、大庆石油管理局、中原油田以及胜利油田等先后参与了这方面的研究工作。国内的管道在线检测技术大部分也应用了“管道猪”。近些年来,我国也开始对带自主动力的机器人进行研究。20世纪70年代，可一次检查数百千米长输管道,并能自动记忆缺陷大小和位置的漏磁智能检测机器人(MFL-Pig)2和超声智能腐蚀检测机器人(US-Pig)已成功应用于欧美和中东等地。MFL-Pig更适合石油管道高灵敏度腐蚀厚度检测和轴向裂纹探伤。长输油管超声检测机器人研究是在宽频超声自动检测系统技术基础上进行的。不1管道检测机器人机械结构设计断深化研究超声智能腐蚀检测机器人多通道高集成度宽频超声系统、探头环、计算机实时高速采集数据和数据图像处理显示技术，并分别在2000年10月和2004年7月研制成旋转探头环和阵列探头宽频超声管道腐蚀检测功能样机3。1国外长输管道智能检测进展和超声内检测器特点近50年,德、美、英、加、俄、荷、日等国对长输管道在役检测技术进行了大量研究、试制、实用、改进工作。主要检测评价工具类型为MFL-Pig和US-Pig.在长期研究中，人们认识到超声和漏磁检测技术的机器人各有优点和局限性。MFL-Pig主要特点是不需耦合介质和易于裂纹探伤，更适合天然气管道裂纹探伤；US-Pig主要特点是高灵敏度检测腐蚀厚度和易于轴向裂纹探伤,更适合石油管道腐蚀探伤。近10年,先进工业国家开展的大量研究改进工作主要集中在：提高MFL-Pig检测腐蚀灵敏度及增加检测轴向裂纹的能力；增加US-Pig裂纹检测能研究不需耦合介质的电磁超声法EMAT-Pig检测天然气管道；研究专门评价管道截面尺寸和管道走向的机器人；研究海洋管道检测(US-PIT)先进技术46。由于超声测厚精确度高、可检测厚壁管(4050mm)、可检测钢管、S.S管、工程塑料管及复合管；易于实现轴向裂纹和SCC裂纹探伤。近十几年,德、美、俄、荷、日等大量开展US-Pig研究改进工作，并在长输油管道和海洋管道检测中得到更广泛应用。目前最先进的超声管道检测机器人(PIT)采用多达8961024个超声探头，同时实现高精度腐蚀检测和裂纹探伤，一次检测长度可达2501000km.1994年以后，PIT已是海洋管道主要检测评价工具。2超声旋转探头管道检测机器人旋转探头检测机器人由旋转超声探头环、驱动电机、计算机、蓄电池和定位等单元组成(见图1-1)。由多节仪器舱和皮碗组成的机器人，在管内进行全扫描,检测腐蚀管壁厚度。旋转探头超声检测机器人特点是通道少、尺寸小、造价低。它适用于地下和海洋中较短管道腐蚀检测。其缺点是检测速度受限于探头数目和探头环旋转速度。2000年底完成功能样机研制,通过了“863”项目专家组鉴定，达到如下技术指标，机器人2管道检测机器人机械结构设计可通过3D弯头管道；可检测出8英寸油管内外腐蚀，测量厚度精度优于0.5mm7。图1-1超声旋转探头管道检测机器人3超声内穿过式阵列探头环管道检测机器人根据大直径长输油管道腐蚀减薄、在线快速检测的要求，长输管道超声检测机器人要采用特别设计的穿过式探头阵列，在油压的推动下以0.22.50m/min的速度在管内前进，实现130250km全扫描检测数据存储，出管后经数据图像处理打印出厚度变化B型、C型数字彩色地形图8。长输管道超声内检测器是一个由机械、电子、计算机等技术集成的复杂系统,它主要由穿过式阵列探头环、多通道高集成度超声系统、数据采集处理自动存储、缺陷定位、电源、多节机体结构等子系统组成，见图1-2。图1-2长输管道超声检测功能机宽频超声具有脉冲窄、高分辨力和相位识别能力的优点，因此采用了具有脉冲和相位幅度信息特点的宽频超声自动检测图像化技术。进行腐蚀检测时，通过多通道系统实现高速实时处理得到一系列数字化油程、管壁方波，测出管壁厚度，可以计算出3管道检测机器人机械结构设计管道的内径、外径。此外，采用宽频脉冲超声检测技术也使超声腐蚀检测机器人内缺陷误判问题得到了克服9。US-Pig功能机采用了20个宽频超声探头局部阵列组成超声子系统，其中16个探头组成阵列自动扫描检测油管壁厚和4个探头自动扫描检测截面尺寸变化。超声系统采用多通道超声板卡积木式组合；板卡设计与接插件需满足抗震、结构紧凑等要求。数据采集处理系统由在线数据采集、处理、压缩和离线数据处理、数据图像再现2部分组成。管内里程轮在一定机械压力下紧贴管内壁旋转;超低频发射接收器实现管道内外的通信。功能机机体由3节圆筒密封机舱和1个探头环组成，其间用万向节联接，见图2。利用功能机、缺陷样管段、扫描实验装置对426样管段和模拟管道腐蚀缺陷和截面变形进行了检测。通过实时检测数据采集处理和B型、C型和三维显示。实验证明：(1)探头环、多通道超声板卡、在线数据采集处理、厚度和腐蚀情况显示软件设计合理；(2)实现了超声扫描数字化直观B型、C型和三维显示；(3)扫描检测速度达到0.22.5m/s时，可检测出10mm10mm腐蚀缺陷，测厚精度优于0.5mm；检测直径精度优于1mm；(4)采用宽频超声相位分析技术，解决了长输管道超声内检测器的误判、漏判问题1013。1.2管道检测机器人的研究现状管道机器人(PipelineIntelligentPig)是一种可沿管道内壁行走的机械，它可以携带一种或多种传感器及操作装置，如CCD摄像机、位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道裂纹及管道接口焊接装置、防腐喷涂装置、简单的操作机械手等。在操作人员的远距离控制下进行一系列的管道检测维修作业。国内外管道机器人发展进程管道机器人技术始于20世纪50年代，天然气等大口4管道检测机器人机械结构设计径管道的发展激励人们研究一种管内检测设备，这就是通常所说的一种无动力的管内清理检测设备PIG，它主要靠首尾两端管内流体形成的压力差作为驱动力向前运动。由于PIG类设备无自行行走能力,移动速度及检测区域均不易控制，到了80年代初，由于微电子技术、计算机技术、自动化技术的发展和进步，它才进入快速发展期1416。日本东京油气有限公司曾开发出世界上第一台无缆管道爬行机器人;TOKYO-Toshiba公司开发了世界上第一台微型管道检测机器人。此外，韩国的ASIAPROTECH公司所研制的管道清洁机器人在世界上有很成功的应用。在最近几年内，国外各类管道机器人研究发展很快，管道机器人现在已经发展了许多类型。在国内,随着我国对管道机器人的重视，国内一些科研院所已开始着手研制各种各样的管道机器人，对蠕动类管道机器人的研究，上海交通大学、西安交通大学、清华大学、石油大学等院校都已有样品,但国内自己研制的管道机器人距离工业应用还有一段距离17。1.3管道检测机器人的应用前景工业管道系统已广泛应用于冶金、石油、化工及城市水暖供应等领域。工业管道的工作环境非常恶劣,容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部潜在的缺陷发展成破损而引起泄漏事故等，因此管道的监测、诊断、清理和维护就成为保障管道系统安全、畅通和高效运营的关键,管道的在役和在线探查也就成了管道无损检测技术应用、发展的重要方向之一18。然而管道所处的环境往往受人力或人手不及所限，检修难度很大，故通常对重要和不允许泄漏的管道采用定期或提前报废的办法，从而造成了巨大人力和物力损失。目前关于地下管道的质检，常采用工程量十分巨大的“开挖”抽检方法，不但劳动强度大、效益低，而且由于随机抽样法经常出现漏检，因而准确率低、效果并不理想，并且往往会妨碍道路交通。因此开发适应在管道这一特殊环境下工作的特种管道机器人，使人脱离危险作业的生产第一线，减轻人的劳动强度，提高生产效率，减少不必要的损失是机器人发展的一个必然方向。5管道检测机器人机械结构设计油气管道输送(管输)在国民经济中占有极其重要的战略地位。管输的基本要求是安全、高效。管输一旦发生事故，不仅会造成巨大经济损失，而且会对环境产生严重危害。因此，工业发达国家都非常重视油气管道检测技术的研究和开发，重视对在役油气管道实行法制性的检测。我国在役长距离油气输送管道总长20000千米左右，目前多数油气管道已进入中老年期。由于历史原因,这些始建于20世纪六七十年代的油气管道，从设计到施工都存在着许多缺陷，经过多年的运行大都已进入事故多发阶段。为防止管道发生腐蚀穿孔、爆管等恶性事故的发生，我国每年用于油气管道的维修费用达数亿元，且有逐渐增加的趋势。受检测手段的制约,管道损伤状况多数不明，维修手段不科学，往往造成盲目开挖、盲目报废，从而造成人力物力的巨大浪费。因此，对于管道检测技术设备的需求非常迫切19。从60年代开始,国外工业发达国家已投入数十亿美元用于开展管道检测技术的研究,目前已研制出漏滋法、超声法、涡流法、电磁超声法等不同原理的管道检测器达30多种。借鉴国外管道检测技术，研究开发或选用适合我国管道实际状况的油气管道检测技术或设备，将管道的安全状况置于运行管理之中，使我国油气管道从现行的“过剩维护”、“不足维护”进入到科学的“视情维护”方式，防止恶性事故的发生，大幅降低管道维护费用，是非常有必要的。我国油气管道大多是在6070年代建设的，迄今仅在役时间近30年、处于中老龄期和事故多发性阶段的长输管线已逾1.7万千米，正面临着管道进入中老龄期，处于事故多发阶段，油气管道的检测和评价的需求已日趋迫切2021。1.4检测技术原理当今国内外管道检测常用的技术手段有超声检测、涡流检测、漏磁检测、远场涡流检测及磁记忆检测等。其中较新的技术是漏磁检测、远场涡流检测及磁记忆检测2224。1.4.1漏磁检测管道漏磁检测的工作原理如图1-3所示。当铁磁性材料在磁场中被磁化时，材料6管道检测机器人机械结构设计表面或近表面存在的缺陷或组织状态变化会使导磁率发生变化，即磁阻增大，使得磁路中的磁通相应发生畸变，除了一部分磁通直接穿越缺陷或在材料内部绕过缺陷外，还有一部分磁通会离开材料表面，通过空气绕过缺陷再重新进人材料，从而在材料表磁铁。图1-3管道漏磁检测原理面的缺陷处形成漏磁场。利用磁探头探查漏磁通的存在，采集漏磁信号，通过对信号的分析，即可确定管道壁的受损情况，故称为“漏磁检测”技术。其检测的穿透性相对较强，对结构内部的缺陷有较高的敏感性和响应性。漏磁检测局限于材料表面和近表面的检测，因此，适用于薄壁的检测，而不适于厚壁管的检测。漏磁检测对纵向性的缺陷敏感度很低，因此，当腐蚀缺陷面积大于探头的灵敏区时，壁厚的检测精度高，而当腐蚀缺陷面积小于探头的灵敏区时，壁厚的检测精度难以得到保证。为提高检测精度，可以增加探头数量。探头数愈多，各探头之间的周向间距愈小，检测精度愈高。1.4.2远场涡流检测继20世纪40年代发现了远场效应以后，50年代壳牌公司又发明了远场涡流检测技术。1961年他们将此项技术命名为“远场涡流检测”，以区别于普通涡流检测。远场涡流检测的理论基础为涡流检测，两者的区别在于，远场涡流探头的激励线圈与检测线圈必须相距约2倍以上的管径长度。当激励线圈通以交变电流时，其产生的电磁能量将向各个方向传播，由于管壁中7管道检测机器人机械结构设计的涡流限制了磁场能量在管中沿轴向扩散，所以在激励线圈附近，能量沿径向扩散到管外，管外能量沿轴向衰减的情况比管内相应磁场小得多，从而使得远离激励线圈的区域(远场区)，管外场远强于管内场，能量又向管内扩散，此时与检测线圈藕合的磁场能量已两次穿过管壁，对应的区域就是二次穿透区。与普通涡流、漏磁和超声检测相比，远场涡流检测具有以下优点:远场涡流检测具有透壁性，能检测整个管壁上的缺陷，对内外壁的缺陷具有相同的灵敏度，且相位信号不受提离效应的影响；被检测的钢管的表面不必清洗；探头与钢管表面不接触，探头外径与钢管内径之间的间隙变化对检测结果的影响很小；探头的检测速度是否均匀对检测结果无影响;钢管内的气体、液体介质对检测结果无影响；检测设备体积小，重量轻，便于现场灵活应用。1.4.3磁记忆检测20年前，俄罗斯杜博夫教授在世界上率先揭示了铁磁材料自磁化现象、漏磁场分布状况和强度同应力与变形集中区域以及缺陷部位之间关系的规律性，并开发出金属磁记忆检测技术，研制出诊断与检测仪表。磁记忆检测是利用金属磁记忆效应进行检测的，其原理是:处于地磁环境下的铁制工件受工作载荷的作用，其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向，并在应力与变形集中区形成最大的漏磁场凡的变化。同传统的无损检测方法相比较，金属磁记忆检测方法的主要优点是：传统检测方法只能用于检测已产生的缺陷，而金属磁记忆检测方法则可预报可能产生缺陷与危险的区域，即最大应力和变形集中区域，从而及时采取措施防止破坏和事故的发生；由于可利用检测对象的自磁化现象，因而不需要人工磁化装置；可在保持被测金属构件原始状态下进行检测，所以无须对检测对象进行专门清理，这一方法更加实用于生产现场、野外条件和普查作业；检测灵敏度高于其他磁学检测方法；仪表体积小、重量轻，有独立电源和记录装置，便于携带，使用方便，检测效率高。8管道检测机器人机械结构设计第二章管道检测机器人的总体结构设计2.1机器人的总体结构设计检测系统总体结构如图2-1所示。该系统由管内移动机器人、CCD图像采集系统及PC机组成。管内移动机器人装载CCD摄像头，在管内行走，机器人的运动控制由电机驱动控制卡实现，PC机通过串口与运动控制卡实现通讯。CCD摄像头采集管道内图像，通过图像采集PCI卡与PC机建立联系。系统工作原理：将机器人放入管道后，通过计算机发出指令让机器人在管道中以一定速度运行，这时驱动在机器人轴线上的CCD传感器采集信号，当发现所采集的信号与现有计算机中存储的缺陷信号匹配时，计算机发出指令将此时的图像记录下来，并传到人机界面，利用已编制的软件给出缺陷的位置和图像。这样运行下去，直到计算机发出停止指令为止。支撑轮支撑轮直流电机减速器蜗轮蜗杆传动CCD驱动轮驱动轮电机驱动控制卡图像采串行通信接口集PCI总线PCI卡图2-1检测系统总体结构图9管道检测机器人机械结构设计2.2机器人的驱动方式设计考虑到垂直管道和转弯管道较多，转弯半径较小，限于电机驱动转矩和安装尺寸等原因，化工管道检测机器人的机械本体设计有很大的局限性。管道机器人欲在管道内部平稳、可靠的启停、行走，必须满足形封闭、力封闭和有足够的驱动力等三个条件。因此，在机器人本体设计过程需要考虑如下因素：（1）较大的承载能力；（2）较高和均匀的移动速度；（3）较好的弯管通过性；（4）机构具有较好的柔性。综合轮式驱动、履带式驱动、腿式驱动、电磁式驱动等不同结构的优缺点，以及简单性和实用性特点，最后确定采用轮式驱动结构。轮式驱动机构结构简单，容易实现，行走效率高，能以一定的速度平稳地运动。通过一些结构的设计，可以适应一定的管径变化，通过控制轴向尺寸，采取适当的结构，可以实现在弯管中行走。而且轮式驱动控制方便，可以方便地和各种传感器（速度传感器、压力传感器等）集成。常见的轮式驱动机构有直进轮式驱动和螺旋轮式推进两种方式。由于螺旋式推进机构具有诸多优点：1前进速度快，驱动力大；2对管径大小和管道形状变化的适应性较强；3控制方便；4机构的管内稳定性好。因此我们最终确定采用螺旋轮式驱动的方案，该方案采用了分节式螺旋驱动轮式结构。管道检测机器人基本结构由前后两部分螺旋驱动部分和中间的超声波探测部分构成。螺旋式驱动使得机械本体在管道内运动时整个机构是旋转的，为了保证中间携带的超声波无损探测传感器不发生转动，中间设计了专用的万向联结接头。管道检测机器人采用三节结构具有以下优点：（1）两驱动电机分担机器人所需的驱动力，可以降低电机的外形尺寸，节省轴向安装空间；（2）转弯时分别控制两电机的转动，可以减小转弯时驱动内耗，增加灵活性；（3）增加爬垂直管道的驱动力；（4）前后两部分驱动，可以尽量缩短轴向尺寸，减小转弯半径。10管道检测机器人机械结构设计系统采用的是电机驱动直进式，这种方式有三种结构：单电机驱动移动载体，双电机驱动移动载体，三电机驱动移动载体，分别如图2-2所示。单双电机驱动方式在轴向放置电机，三电机驱动方式分别在3个支撑臂上安装电机。电机和驱动轮之间由传动系统传递运动和动力，整个驱动机构用弹簧压紧在管壁上，利用驱动轮与管壁的摩擦力实现行走。其中三电机驱动方式具有差动功能，在管道有一定曲率或凸凹不平时，3个驱动轮可随着各自的路径而调整转速以适应各种管内条件。（a）单电机驱动器（b）双电机驱动器（c）三电机驱动器图2-2三种电机驱动器综合考虑，机器人的移动机构采用的结构方案为单电机蜗轮蜗杆传动方案，设计11管道检测机器人机械结构设计采用的是单电机六轮直进式移动机构，在运动过程中，靠支撑轮提供的正压力，转化到橡胶轮与管壁之间的滚动摩擦力来运动。整个系统利用了对称性，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所在的竖直平面上，同时，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。2.3机器人的传动方式设计根据设计的具体要求，要将电机的圆周转速转换成为机器人的前进转速，在这里可以选择蜗杆蜗轮传动和选择锥齿啮合传动。在这最重要的是由于如果采用锥齿传动，在两对锥齿的运动的方向是相反的，一个向前运动，一个向后运动，这样是完全达不到机器人向前运动的效果的，考虑到蜗轮蜗杆传动比大，结构紧凑。因为Z1很小，而Z2可以很大。一般情况下，传动比在10-100之间，在不传递动力的情况下，传动比可以达到500以上。这是在此选择蜗杆蜗轮的重要条件，由于电机的转速高，而机器人不可能内径为50mm的管道中有很高的速度，因此这之间的传动比肯定会比较大。蜗轮蜗杆的传动比平稳，齿轮啮合时为线接触，而且具有螺旋机构特点，其承载能力要高过于一般的齿轮啮合，最终选择采用蜗杆蜗轮的传动来实现机器人运动的传递。2.4机体基本结构的设计前面已经确定了机器人的传动方式，由于蜗轮的特殊齿形，不能直接传动车轮使机器人移动，要加工一个与蜗轮啮合的齿轮，难度是非常大的，而且这样的啮合肯定会使机器人行走起来产生较大的波动，这样蜗轮的磨损会增加，大大缩短蜗轮的寿命。因此本文提出一种带动车轮的基本结构，由于蜗轮蜗杆的传动比较大，又受到管径尺寸的限制，并且电机输出已经经过减速箱，因此设计时考虑传动比全部由蜗杆涡轮完成，故如装配图所示，采用三个参数一样的齿轮沿摆臂径向分布，用三套这样的基本结构沿和三个蜗轮沿蜗杆周向均匀分布，使机器人前面有三个支撑脚接触管壁。采用三个参数一样的齿轮结构，在设计上和加工上会带来极大的方便。12管道检测机器人机械结构设计2.5几种典型的管道机器人2.5.1蠕动式管道机器人1988年,Ikuta等引用蚯蚓运动的原理开发出了蠕动机器人,后来随着蠕动机器人技术的不断完善，其开始向大型化发展,目前已可在200300mm的管道内应用。蠕动式管道机器人主要由蠕动部分、头部、尾部组成。前部和尾部支撑分别装有超越离合锁死装置，实现单向运动自锁。中间蠕动部分提供机器人运动的动力。对于蠕动动力机构，目前有很多实现形式：如上海大学利用气压伸缩驱动；上海交通大学利用形状记忆合金伸缩驱动；昆明理工大学利用电磁吸合驱动等。下面以电磁驱动的蠕动式管道机器人为例，分析蠕动式管道机器人的运动机理。蠕动式管道机器人的运动原理一个动作循环分为3个步骤：(1)当初始状态时，电磁铁失电，弹簧处于自由状态，故头部与尾部分离；(2)当电磁铁通电时，磁铁与线圈吸合，安装在头部上的超越单向行走方式使头部原位不动，尾部由于电磁吸力的作用向前移动；(3)断开电源，电磁力作用消失，弹簧促使磁铁与线圈分开，安装在尾部上的超越单向行走方式使尾部原位不动，头部由于弹簧力的作用向前移动。至此，机器人回到了初始状态，机器人前进了一步。蠕动机器人优点是可在细小的微型管道中行走,但由于速度的间断性和缓慢性阻碍了它的发展。2.5.2轮式管道机器人目前,轮式管道机器人是实际工程中应用最多的一种。轮式管内移动机器人行走的基本原理是驱动轮靠、液压、气动力,磁性力等压紧在管道内壁上以支承机器人本体并产生一定的正压力，由驱动轮与管壁之间的附着力产生机器人前后行走的驱动力，以实现机器人的移动。轮式管道机器人的行走方式有2种：(1)如果驱动轮轴线与管道轴线垂直，机器人在管内做平移运动，此为轮式直进式管内移动机器人，它的优点是机器人行走时，不产生姿态旋转。下面以上海交通大学13管道检测机器人机械结构设计研制的轮式管道机器人(图2-3)为例说明其工作原理。驱动电机通过轴驱动与之相连接的蜗杆，蜗杆驱动沿圆周方向成120均匀分布的3个蜗轮,，蜗轮又通过链轮和链条带动机器人本体的车轮转动，实现机器人本体在管道内的前进或后退。车轮与管道壁面之间的正压力由调节部分提供，调节电机驱动滚珠丝杠转动，丝杠螺母将在丝杠上来回轴向移动，并带动推杆通过铰链使摇杆转动,从而实现预紧力的调节。1蜗杆;2驱动电机;3驱动电机安装座;4调整电机;5铰链;6推杆;7丝杠螺母;8丝杠;9蜗杆;10蜗轮;11链条;12车轮图2-3轮式直进式管道机器人的动作原理(2)如果驱动轮轴线不与管道轴线垂直，驱动轮实际上沿着管道中某一螺旋线行走，机器人在管中一边向前移动，一边绕管道轴线转动。螺旋运动沿管轴上的速度分量即为机器人本体的移动速度,降低速度来提高驱动力，它由驱动电机、旋转体和支撑体组成。三组驱动轮均匀分布于旋转体上，且与管壁呈一定的倾斜角，随着电机的转动，驱动电机带动旋转体转动，改变施加于电机的电流极性，可改变机器人的移动方向，从而使机器人在管内进退自如。上述2种轮式管道机器人的主要难点是机器人的能源供应问题，即对于几百千米的油气管道，不能采取拖电缆的方式。此外，螺旋管道机器人对于检测信号的处理及空间定位也是一个难点。2.5.3无缆管道机器人20世纪50年代,由于电子技术，计算机技术等还很落后，美、德、日等国开发了14管道检测机器人机械结构设计无动力管内检测设备。此种设备依靠首尾两端管内流体的压力差产生驱动力，随管内流体的流动向前移动。这就是所说的无缆管道机器人。随着科学技术的进步，此类机器人也有了很大发展，下面介绍广州工业大学杨宜民等的研究成果。无缆管道机器人由3部分组成，如图2-4所示，包括调速机构，机器人本体及姿态调节机构，发电机及制动机构，不同部件之间用柔性连轴器连接，以对各个部分起到缓冲的作用。调速机构如图2-5所示，前面部分如能向前张开的雨伞，可按需要收放，柔性面料蒙在伞的骨架上，当伞架张开时，伞面能有效地封闭管道，增加承受流体速度压力的横截面积，推动管道机器人快速前进。伞的骨架由电磁铁元件驱动，这样通过伞面的受力面积即可调整管道机器人的运动速度。图2-4管道机器人结构图图2-5调速机构示意图当机器人在接到指令要通过某个三岔管时，控制指令输出信号给电磁元件，电磁元件拉动张紧丝，使在它前面的引导机构围绕支撑弹簧发生偏摆，从而实现转弯导向。2.6管道检测机器人的种调节机构2.6.1蜗轮蜗杆调节方式图2-6所示是蜗轮蜗杆调节方式示意图,其工作原理是电机驱动与之相连接的蜗杆，蜗杆驱动蜗轮转动。由于连杆AB的一端和蜗轮刚性固定铰接在一起，另一端和车轮轴铰接，从而蜗轮的转动带动车轮撑开或者紧缩以达到适应不同的管径的目的。下面分析蜗轮蜗杆调节方式的力学特性，以蜗轮的中心点A为坐标系的原点,建立如图所示的坐标系XOY，L为连杆AB的长度，是连杆AB与水平方向之间的夹角，15管道检测机器人机械结构设计N为管道内壁作用在车轮上的压力，T蜗杆是作用在蜗杆轴上的有效扭矩，T电机是电机轴的输出扭矩，蜗杆蜗轮之间的传动比记为i1，传动效率记为，电机和蜗杆之间的传动比记为i2。图2-6蜗轮蜗杆调节方式2.6.2升降机调节方式图2-7所示为升降机调节方式示意图，其工作原理是在连杆CD的C作用一定大小和方向的力，使升降机机构升起或者回落，从而使固定在E点的车轮也跟着升起或者回落以达到适应不同的管径的目的。下面分析升降机调节方式的力学特性，以连杆AB的支点A为坐标系的原点，建立如图所示的坐标系XOY，所有的连杆单元的长度均为L，即AG=CG=GD=GB=BE=DE=L，是连杆AB与水平方向之间的夹角，N为管道内壁作用在车轮上的压力，F是作用在支点C上的推力，改变作用在支点C上的推力的方向，可以使升降机收缩或张开,从而实现机器人适应不同管径的目的。16管道检测机器人机械结构设计图2-7升降机调节方式2.6.3滚珠丝杠螺母调节方式图2-8所示是滚珠丝杠螺母调节方式示意图，其工作原理是压紧力调节电机驱动滚珠丝杠转动，丝杠螺母和压紧力传感器以及轴套用螺栓固定在一起，连杆AB的一端和车轮轴铰接在一起，另一端铰接在固定支点A，推杆CD与连杆AB铰接在D点,另一端铰接在轴套上C点，轴套在圆周方向相对固定,因此滚珠丝杠的转动将带动丝杠螺母沿轴线方向在滚珠丝杠上来回滑动，从而带动推杆运动，进而推动连杆AB绕支点A转动，使车轮撑开或者紧缩以达到适应不同的管径的目的。压力传感器间接检测驱动车轮和管道。17管道检测机器人机械结构设计图2-8滚珠丝杠螺母调节方式内壁之间的压力，保证管道机器人以稳定的压紧力撑紧在管道内壁上，使机器人具有充足且稳定的牵引力。下面分析滚珠丝杠螺母调节方式的力学特性，如图所示。以固定支点A为坐标系的原点，建立如图所示的坐标系XOY，L1为连杆AB的长度，L2是推杆CD的长度，L3是支点D到固定支点A之间的距离，是推杆CD与水平方向之间的夹角，是连杆与水平方向之间的夹角，为管道内壁作用在车轮上的压力，F是滚珠丝杠螺母作用在推杆上的轴向推力，Trod是作用在滚珠丝杆轴上的有效扭矩，Tmotor是电机轴上的输出扭矩。2.7管道检测机器人设计时的关键问题2.7.1能源供给问题常规管道机器人能源供给一般采用有缆方式，拖缆的摩擦力并未对机器人的行走带来太大的影响，至少在几百米以内是可以作业的。但对于几百千米长的石油天然气管道，机器人后部拖缆显然不可行。目前，据报道的拖缆管道机器人最多也只能在管道内行走两千米。所以要想开发出具有实用意义的在线管道机器人，必须首先解决能源供给问题。18管道检测机器人机械结构设计2.7.2可靠性问题石油天然气管道是很重要的能源命脉，对于现有的大口径管道，管道事故将直接影响管道公司的经济效益及国家的能源供给。为此,管道机器人在线作业时，不能影响管内介质的正常输送，在线管道机器人的运行可靠性必须给予保证。2.7.3速度及位置识别常规管道机器人一般采用与驱动轮连接的光电码盘构成闭环控制，实现速度和位置检测。但管道机器人在一些工况复杂的管道内，驱动轮在管道壁面上有时会产生打滑现象，这将影响光电码盘的检测精度。除了速度位置检测问题外，由于管内的信号屏蔽，通信问题对于石油天然气管道尤为重要。2.7.4管道机器人的越障能力在管道内，由于施工，维修或工艺等原因，一条管道不可能是光滑笔直的，这就需要管道机器人有越过障碍(如阀门、三通、弯管)的能力。另外，对于石油天然气管道运输行业而言，为适应社会发展需要,已逐步形成了城市管网、地区管网，甚至是整个世界能源运输管网，因此，目前的石油天然气管道已经不是单一的一条线路。为此，要想设计出能大范围应用的管内机器人，管道机器人在分叉点时的自动选择路径的能力应进行研究。2.7.5高度自治的控制系统对现有的管道机器人的研究仍然停留在管内运动、检测等方面，而对工程有实用价值的是管道机器人的管内运动、检测、修复一体化作业，因此必须考虑管道机器人的高度自治的实时检测修复功能，这将使管道机器人有显著的应用前景。19管道检测机器人机械结构设计第三章检测机器人的机械结构设计3.1电机的选择由于设计适用于50mm内径的管道机器人，根据尺寸的限制选择电机选用maxonEC电机。选用25mm的石墨电刷电机，定货号为118889。其结构如下图所示：a.电机的主视图b.电机的左视图c.电机的右视图图3-1电机尺寸图20管道检测机器人机械结构设计此电机的选择类型与以前毕业生所选电机相似，已经校核过了，符合设计要求，在次就不进行进一步详细叙述了。其机构相当紧凑且工作参数与同类产品相比较相当诱人。它是采用石墨电刷的有刷电机，价格比较昂贵。但为了设计的合理还是选用该电机作为驱动源。此外该电机还有一个很大的优点是它有配套的驱动器，无需另外设计驱动电路，而且其自带减速器，采用的是石墨电刷，因此对于机器人的运行切换非常方便而且特别平稳。此种电机是一种高质量的驱动元件，它装有高性能的稀土磁钢，专利的空芯杯转子是我们电机的核心，这意味着小体积、高性能、低惯量的驱动最新技术。借助于精密的齿轮箱，可获得更宽的速度和转矩范围。高分辨率的模拟和数字编码器为运动控制提供保证。其被证明有效的CLL技术有效的延长了电机的寿命。表3-1电机参数表：序号参数名称数值序号参数名称数值1标称功率80w11最大连续转速40mnm2额定电压24v12最大输出功率20.4w3空载转速11000rpm13最大效率84%4堵转转矩355mNm14转矩常数20.5mNm/A5速度40.6rpm15速度常数465rpm/v6空载电流9mA16机械时间常数4ms27启动电流2240mA17转子惯量20.0gcm8电机电阻1.3818电机电感0.226mH9最大允许转速11000rpm19机壳环境阻抗20k/w10最大连续电流310mA20绕组时间常数10s3.2传动比的确定21管道检测机器人机械结构设计整个机器人的设计，主要考虑到运动过程中的平稳性，运动速度不宜过大，采用比较适中的原则，将其最大速度控制在10mm/s内，初步选择车轮的直径为d=12mm，车轮角速度为：=v/(d)=10/(12)=0.265r/s(3-1)由于电机通过减速箱，电极转速为11000r/min，故通过减速箱后的转速为：1=11000325/11553=309.4r/min故传动比为：i=309.4/（600.265）20.05取传动比为：i203.3蜗轮蜗杆的传动设计以下设计计算均沿用机械设计手册26计算模式（1）蜗轮蜗杆的传动由电机输出功率P=80W输出转速n1=11000r/min若使蜗轮蜗杆的传动比i=20则：蜗轮轴转速n2=n1/i1=550r/min考虑到传递的功率不大，转速较低，选用ZA蜗杆传动，精度8CGB10089-88。蜗杆材料35CrMo，表面淬火，硬度（45-50）HRC，表面粗糙度Ra1.6m，轮缘材料ZCnsn10P1金属模铸造。初选直径系数q=20模数m=0.4所以d1=m*q=8mm（2）选择蜗轮、蜗杆齿数考虑到预期实现的传动比i=20所以综合考虑蜗轮蜗杆齿数，选择蜗杆齿数Z1=3蜗轮齿数Z2=40。（3）确定许用应力HP=HPZvsZn(3-2)22管道检测机器人机械结构设计由蜗杆的输入转动速度11000r/min，蜗杆的分度圆直径为8mm，所以其线速度：v=2n*d1/60=921mm/s(3-3)根据设计手册得由表35.5-14查得HP=220FP=40再查图35.5-3采用浸油润滑得Zvs=1.00设使用寿命为3年，采用三班制轮齿应力循环次数N2=60*n2*j*L*h=60*550*3*3*8*365=8.6*108(3-4)再查图35.5-4得ZN=0.80YN=0.62所以：HP=HP*ZN=220*1.00*0.80=176.0N/mm2FP=FP*YN=40*0.62=24.8N/mm2（4）接触强度设计模数需要满足：15000m2d()KT(3-5)212zHP2故临界模数需要满足：215000=mzHP22KT2d1(3-6)23管道检测机器人机械结构设计取载荷系数K=1.05蜗轮轴的转距：T2=9550*20*10-3*0.3/550=31.52Nmm=0.03152Nm(3-7)即：m2（15000/176.0*24）2*1.05*0.03152/8=0.1625mm=0.40.1625（5）蜗轮的圆周速度并校核强度由：i=Z2/Z1=20n2=550r/min导程角：zm=arctan1d1=8.76(3-8)滑动速度：Vs=*d1*n1/60000cos=*8*11000/60000*cos8.76=1.776m/s(3-9)求传动效率，由公式：=123(3-10)其中：1=tan/tan（+）(3-11)由表35.5-16查得=1431=tan8.76/tan14.28=0.605由设计手册及实际情况的参考，取：24管道检测机器人机械结构设计2=3=0.98所以：=123=0.60分配到三个轮上=0.2（6）校核蜗轮齿面的接触疲劳强度由公式：9400TKKK=(3-12)HZANmm2V/2EHP2dd12查表35.5-11得：ZE=155N/mm2查表35.5-12得：KA=0.9（间歇工作）K=1.1Kv=1.1蜗轮实际扭矩：T2=9550*20*10-3*0.3/550=0.03152Nm查图35.5-4得：Zvs=0.97则有：HP=HPZvsZN=220*0.97*0.80=170.72N/mm2所以：H=15594000.03128144=107.65N/mm2SFMIN=1.1SF2=490*1*1/74.2=3.2SFlim=1.1故安全！5）齿面疲劳强度由表35.3-8齿面接触应力计算公式0.73T*K*K*K*KZZZZEV1+(3-25)AV1H2KHZm2.192*1n查表25.3-10得：KH2=1.49查表25.3-11得：ZE=31.46（N/mm2）查图35.3-15b得：当I=1.5时Zi=1.16查图35.3-16b得：当=293229时Z=0.66查图35.3-19得：当mn=0.2mZV1=18.5时Z1=1.025ZV2=27.7