管道爬行器的研究与设计

管道爬行器的研究与设计介绍随着社会的发展和人民生活水平的提高，天然气管道和各种输送管道的使用越来越多。在我国和世界其他国家，由于地形的限制和有限的土地资源，许多管道都被埋在地下，例如，一方面，天然气管道，石油管道等。在埋有管道的地面上，有许多建筑物、道路等。给管道的维护和保养带来了很大的困难。当这些管道由于某种原因导致泄漏、堵塞等问题时，人们通常会挖开道路进行维护。有时，如果不能准确确定泄漏和堵塞的确切位置，将会浪费大量的时间和精力，工作效率也会降低7。另一方面，焊接管道主要用于石油、天然气、化工、电力、冶金等行业的管道工程。为保证焊接管道的焊接质量和安全运行，管道工程应检查焊缝，检查是否存在虚焊、漏焊、结疤等焊接缺陷。常用的焊缝检测方法是无损检测，如超声波、辐射、涡流等。对于管道检测，大多数采用爬行检测设备(简称爬行器)对焊缝进行射线检测。由于管道尺寸的限制，这些履带大多结构紧凑。在检测过程中，履带在其控制系统的控制下，可以连续检测同一管道不同位置的焊缝质量。考虑到管道焊缝检验的效率，管道检验往往只集中在管道焊接有一定长度后进行。如果一次测试的管道较长，履带的控制系统应以车载方式布置。使用时，外部控制器向爬行器上的控制系统发送指令，以确定爬行器的工作状态。随着机电一体化技术的发展、机器人技术的发展和管道检测技术的进一步发展，相互渗透的程度越来越深。管道爬行机器人是一种在狭小空间内进行精确操作、检测或操作的机器人系统。机器人的工作环境通常是危险的。各种小型管道用于火力发电厂、核电站、化工厂、民用建筑等。它们的安全使用需要定期维护。然而，由于空间有限，自动维护很困难。例如，只有在核电厂，工人在检查期间的工作条件很差。因此，管道机器人自动检测技术的研究和应用是非常必要的。人们不再挖路来维修管道，节省了大量的人力、物力和财力。目前，管道机器人在带有轨道、轮子等的管道中移动。他们的技术或多或少有缺陷，市场还不成熟。例如，它不能适应管道内径的大规模变化，操作中的姿态调整不够理想，不能顺利通过更复杂的内径，如十字形和丁字形管道等。针对现有管道机器人的不足，运用机械设计专业知识和机械原理，设计了一种新型管道爬行机器人。该机器人能大范围改变管道内径，并能顺利通过十字型管道和丁字型管道等复杂管道。手术中的体位调整也得到很好的解决。2设计方案的初步分析2.1无线控制和有线控制的选择2.1.1有线控制和拖动这种方法利用机器人的尾巴来夹住电缆、信号线、安全绳、其他电路等。这将增加机器人的牵引力，对履带的负载力和足轮的摩擦力提出了更高的要求。特别是随着机器人的不断深入，牵引绳将成为机器人的一个累赘和桎梏。牵引绳的长度限制了机器人的爬行深度。它的优点和缺点如下：缺点：附着力会继续增加，履带负载变化很大，不利于长距离爬行。优点：爬虫本身有一个小的初始负载(它不需要携带能量缺点：爬行器本身增加了负载，需要设计爬行器离开管道的方式。优点：履带负载恒定，便于爬行。在管道中行驶很方便，特别是在弯道中，拖拉式过大的牵引力会使履带驱动轮打滑，不易通过。根据要求，虽然非牵引有其自身的强大优势，但当履带因管道出现问题而无法移动时，需要花费很大的力气将履带取出。您可以选择有线拖动类型。2.2驾驶模式的选择根据设计要求，现拟定两种履带驱动设计方案(如图1和图2所示):图1车轮爬行图2爬行2.2.1车轮爬行设计制造简单方便，成本低廉。然而，它穿越障碍物的能力很差，只能穿越高度小于其半径的障碍物。图3。图3轮式爬过障碍物2.2.2爬虫爬行越障能力高于轮式爬行，但其设计和制造更加复杂，成本相应增加(一个支点至少需要4轮爬行)3。根据设计要求，机器人为在管道中行走的机器人，不需要考虑台阶等障碍物的问题，尽可能降低成本，在不影响设计功能的情况下，尽可能采用制造工艺简单、成本低廉的设计方案。可以使用轮式爬行。2.3姿态调整的选择根据要求和可行性，可拟定如下三个方案：2.3.1用传感器调节接头管道爬行时，履带会偏离原来的轨道，并可由倾角传感器控制。现在建议通过以特定角度改变车轮(履带)的前进方向来校正(添加关节)。其原理是通过电磁铁的吸引和啮合来控制履带的爬行轨迹。接头装置的装配图如图4所示。图4联合调整通过联合调整，可以实现如图5所示：图5联合调整的实现2.3.2用吊篮调节将吊篮(内置摄像头观察装置)安装在履带上。当履带偏斜时，由于起重机与底座铰接，因此保留了一定的自由度；由于重力的作用，起重机不会随着履带的偏转而偏转，而是在任何时候都垂直于地面。它在履带车中遇到倾斜时的自动调节如图6所示。通过吊篮式调节，摄像装置始终保持与水平面平行。图6吊篮实施2.3.3采用新吊篮进行调整根据吊篮的原理，结合鲁班的榫卯结构，可以用两个偏心环来自由调节重力。其原理如图7所示。如图7所示，小圆环的直径为150毫米，大圆环的直径为250毫米，大圆环与小圆环相切，小圆环的转动不能带动大圆环的转动，大圆环由于重力的作用总是与地面平行。照明设备和信号采集设备可以安装在大环上，这样它们就可以保持与地面平行。根据这一思想，新的吊篮可以是三维形状，并如图8和图9所示进行调整。图7吊环示意图2.4适应性分析图8吊篮子组件图9吊篮组件图2.4.1伸缩臂长度和弹簧加载方法大范围的内径变化(400-1100)在支撑臂上增加了一个可变长度的杆，在支撑臂上增加了一个小范围的弹簧。2.4.2伸缩臂长度和“伞”摇杆在400-1100范围内的管道中爬行可以通过拉伸支架来改变。当在管道直径变化不大的位置爬行时，当十字型、丁字型等更复杂的管道内径时，可以通过关闭伞状摇杆来控制支撑臂的运动来适应，通过伞状摇杆与伸缩杆的结合，可以改变许多适合不同管道内径的条件。以上两种方案各有优点。与第一种方案相比，第二种方案更符合要求，但它需要一个独立的驱动单元，所以制造成本比第一种方案高得多。在正常情况下，第一个方案就足够了。Th方案二：姿态调整采用吊篮方式，自适应伸缩臂和“伞”式开合结构。方案三：姿态调整采用新型榫卯吊篮，伸缩臂和“伞”结构自适应。3方案1的设计和分析综合设计方案1如图9所示。这个计划基本上由三部分组成，一个身体，两条腿和三个驱动轮。图9是方案1的三维效果图3.1机身设计如图10所示，可以装载各种检测设备等。图10机身3.2支腿的设计它由9个部分组成，其三维图和爆炸图如图11所示。腿部可分为3个单元：伸缩单元(1-5)、可变长度单元(6)和关节单元(7-10)。通过螺纹连接。爆炸图如图11所示。三维转移图如图12所示。图11机器支腿的爆炸图3.2.1伸缩装置由1-5部分组成的伸缩装置依靠弹簧的弹性变形来适应小范围的管径变化和越障。三维图如图13所示。图13伸缩单元的三维视图图14可变长度杆图12机器支腿装配图3.2.2可变长度装置6是可变长度杆，可以手动更换(增加或缩短)以适应大范围的管径变化。三维图如图14所示。3.2.3联合股7-10部分组成一个连接单元，电磁铁安装在7和9部分上，7、8、8和9部分由螺母和螺旋弹簧固定。每个部分的三维图如图15所示。关节单元用于履带的姿态调整。原理是通过倾斜传感器监控履带。当履带偏离其原始轨道时，倾斜传感器会发出电信号。此时，7或9上的电磁铁通电，吸引8推动轮子向左或向右倾斜以校正履带。履带校正后，倾斜传感器发出信号，关闭电磁铁电源，并在螺旋弹簧的作用力下复位关节的所有部件。图15接头单元的零件图履带车正在正常前进。7和9分别用于履带的左和右校正。3.3驱动轮的设计驱动轮由5个部分组成，如图16所示。图16驱动轮的三维图和爆炸图(1)连接块用于连接驱动轮和关节单元。(2)步进电机或励磁电机应安装在电机底盘上。开车。3.4方案1的分析本发明具有结构简单、制造成本低的优点，在管道内径变化小、弯头少的情况下，基本能满足设计要求。缺点：由于履带为长方体，履带在管道中转弯时会被卡住，在十字和丁字管道内径爬行时会被卡住，驱动轮悬空等。然而，在这种情况下，当轮的半径大于管道的壁厚时，它可以平滑地通过。4方案2的设计与分析根据方案1的优缺点，进行了改进，并增加了必要的改进内容。现在设计方案2，如图17所示。该方案由3部分组成：1个车身、2个支腿和3个驱动轮。图17是方案2的三维视图4.1机身设计机身设计成圆柱形机身和其他部件。图18。图18机器壁的三维视图4.2机身内部传动结构的设计机身内部主要完成“伞”脚的开合传动和吊篮的安装。图19。图19机身内部的三维视图4.3丝杠螺母的设计为了使机器支腿伸缩，采用了螺旋传动。这种类型的变速器使用由螺杆(导螺杆)和螺母组成的螺杆对来实现变速器要求。它主要用于将旋转运动转化为直线运动，同时传递运动和动力。在履带车中，其工作原理是：丝杠在电机的驱动下旋转。以便水平移动螺母。螺母用于推动机器的支腿膨胀和收缩，从而履带可以自适应地膨胀和收缩，如图20所示。图20螺母运动图4.4吊篮的设计可移动j图21吊篮的三维视图图22吊篮的示意图4.5支腿的设计腿的三维形状如图23所示。图23机器支腿的三维视图通过关节1、2和3的扩张和收缩适应性地调节腿。连杆与推板连接。连杆与接头3铰接。为了适应管道最大内径1100毫米的调整，接头1的尺寸为200毫米，接头2的尺寸为150毫米，接头3的尺寸为100毫米4.6方案2的分析优点：可采用伸缩杆适应管道内壁直径的大范围变化，伞形结构可适应管道内一定范围的转弯，牵引力大，结构紧凑，控制简单。缺点：因为机身是一个圆柱体(整体来说，太长)，它不能完全适应转弯。吊篮安装在机身内部，安装复杂，吊篮在机身内部，所以不能用摄像机观察管道内壁。机身的制造很复杂，有许多孔。方案3的设计与分析根据方案1和方案2的优缺点，对数据进行综合整理，经过反复修改，提出了新的设计思路。首先设计方案3，如图24所示。这个方案由三部分组成，一个主体，两条腿和三个驱动轮。图24是方案3的三维视图5.1机身设计机身主要由两部分组成，即前机身和后机身。对于管道中的转弯问题，我们可以借鉴列车的分段结构，设计一种具有两段机身的履带，这样可以减少机身的长度，方便机器人顺利通过转弯。为了减轻重量，机身由坚硬的铝制成。5.1.1车身结构履带的最小内径为450毫米，最大内径为1100毫米。设计机身的内径为150毫米，外径为200毫米。机器壁的最小厚度为10毫米。机器壁和机器腿之间只有一个简单的伸缩动作。前后机身可通过旋转铰链连接，因此采用GB119-83 A5X40，并采用间隙配合。前机身和后机身的三维视图如图25和图26所示。图25前体三维视图图26后体三维视图5.2机身内部传动机构的设计机体的内部结构是机器腿运动的传动机构的设计。这里，螺杆和螺母结构用于完成曲柄滑块机构的实现。并推动机器的腿打开和关闭。结构图如图27所示。5.2.1丝杠螺母的设计为了使机器支腿伸缩，采用了螺旋传动。这种类型的变速器