管道检测作业机器人毕业设计

机电工程学院本科生毕业论文(设计)学生姓名指导教师毕业论文(设计)任务书毕业论文(设计)题目管道检测作业机器人总体设计题目类型工程设计题目来源教师科研题毕业论文(设计)时间从2010年3月1日至2010年6月8日毕业论文(设计)内容要求：(1)技术指标：(a)自适应管道直径为270-300mm,驱动力>800N;(b)在管道内的移动速度大于10cm/s;(c)能通过曲率半径600mm,总长为10m的倒U型管道；(4)能够搭载微型CCD和无损检测传感器对管道内的裂纹和腐蚀缺陷等(2)完成总体方案设计、总体布局和结构确定，行走机构原理设计、控制电机(3)要求具有电缆控制和遥控两种功能。完成传感检测原理与检测作业功能装(1)查阅文献和实习，了解国内外管道检测作业机器人的现状和发展趋势，并(3)完成管道检测作业机器人总体布局、结构设计计算与行走方式确定：(5)整理相关资料，撰写设计说明书。要求设计图纸不少于4张1*图，设计说明书不少于50页。 1)成大先主编.机械设计手册.北京：化学工业出版社，20023)杨培元，朱福元主编.液压系统设计简明手册.北京：机械工业出版社，19944)《电气工程师手册》第二版编辑委员会编.电气工程师手册.北京：机械工业出版社，20005)沈红卫编著.单片机应用系统设计实例与分析.北京：北京航空航天大学出版社，20036)黄菊生编著.单片机原理与接口技术.北京：国防工业出版社，20073.毕业论文(设计)进度安排阶段起止时间前期毕业实习、调研、收集有关资料、翻译文献中期系统总体方案设计，总体布局与结构结构设计、行走方式确定、传感检测方案设计、传感检测功能装置选型与设计平台、检测系统原理设计及软件设计与调试后期编写设计说明书答辩准备检查整理相关资料，准备答辩答辩毕业答辩指导教师(签名)主管院长(签名)毕业论文(设计)成绩评定表(一)指导教师评语XXX同学在毕业设计过程中，态度较积极主动，工作较扎实认真，较好地完成了毕业设计任务书规定的工作任务——管道检测机器人总体设计。主要完成了管道检测作业机器人的总体设计，包括机器人行走机构、管道内部行走驱动控制与里程轮定位、管道裂纹超声波检测等方案的确定，对管道机器人机械本体、里程轮自适应机构、行走机构球铰式万向联轴器等进行了具体设计，建立了管道机器人系统动力学建模，并进行了虚拟样机仿真。所设计的管道检测作业机器人总体方案正确，结构合理。设计图纸图面清晰、整洁，布局较合理，视图表达完整，符合国家标准。毕业设计说明书结构严密，条理性较强，写作格式符合规范，文档齐全。该同学考虑问题比较全面，具有较好的综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力，以及较强的独立设计能力。同时，在毕业设计过程中尊师守纪，虚心好学，团结同学，乐于助人，体现了较好的协作精神。XXX同学较好地完成了毕业设计任务，达到了本科毕业设计的要求，可以提交答辩。 日毕业论文(设计)成绩评定表(二)论文(设计)评阅人评语同学选题正确，既符合专业培养目标，又密切结合科研工作，选题具有先进性。设计的管道检测机器人总体设计方案合理，所设计的管道机器人里程轮自适应机构、行走机构球铰式万向联轴器等机械本体结构正确，布局合理，通过管道机器人系统动力学建模与虚拟样机仿真分析，验证了总体设计方案的合理性。考虑问题比较全面。图纸齐全、整洁，图面质量较好，符合规范。毕业设计说明书内容齐全，概念清楚，分析问题、解决问题的能力比较强。XXX同学全面完成了毕业设计任务，符合毕业设计要求，可以提交毕业答辩。论文(设计) 毕业论文(设计)成绩评定表(三)答辩意见毕业设计答辩过程中，报告毕业设计工作条理较为清晰，重点较为突出，概念比较清楚，内容较完备。对所提问题较能正确回答。答辩成绩：答辩委员会(小组)负责人学院领导小组审查意见： 日目录中南大学本科毕业论文目录摘要 I I ]1.1研制管道检测作业机器人的背景和意义 11.2国内外管道检测作业机器人的研究现状和发展趋势 41.2.1几种主要类型的管道检测机器人 41.2.2石油管道腐蚀检测技术现状 81.2.3管道检测机器人的发展趋势 1.3本课题研究思路与主要内容 1.4本章小结 第2章管道检测作业机器人的总体方案设计 2.1管道检测作业机器人总体设计方案 2.1.1管道检测作业机器人总体方案要求的提出 2.1.2管道检测作业机器人总体方案的比较 2.2管道检测作业机器人总体方案的组成 2.2.1管道检测作业机器人里程轮定位系统 2.2.2管道检测作业机器人行走机构 2.2.3管道检测作业机器人检测控制系统 212.3本章小结 22第3章管道检测作业机器人的机械本体设计 3.1机械本体的结构设计 233.2里程轮工作原理 243.3里程轮系统的结构设计 26中南大学本科毕业论文目录3.3.1里程轮系统的总体结构 3.3.2超声波检测系统驱动电机的选择 283.3.3里程轮系统箱体的结构设计 283.4里程轮系统各零件的参数设计与验算 3.4.1里程轮的结构设计 3.4.2里程轮用螺纹轴结构设计与验算 3.4.3里程轮平键连接强度计算与验算 3.4.4管道检测机器人自适应压缩弹簧的设计校核 3.5超声波系统、里程轮系统的联轴器选择及万向联轴器的选择 433.6本章小结 44 4.1管道检测作业机器人的SolidWorks建模 45 464.3管道检测作业机器人的ADAMS仿真与结果分析 484.4本章小结 49 参考文献 附录I工程图清单 附录Ⅱ英文翻译 附录Ⅲ英文翻译原文 I管道是输送石油、天然气等介质的最经济手段，但石油输油管道受蚀后，管壁变薄，容易产生裂缝，造成漏油的问题。我国大量的油气输送管道分布在人口较稠密的地区，一旦发生腐蚀泄漏事故，其后果不堪设想。本文设计了一种新型石油管道检测机器人，分析了其总体机械结构、检测原理及方法，讨论了检测机器人在管道中的定位问题和能源系统。为了提高机器人的稳定性和灵活性，通过万向节的设计保证了机器人能够顺利通过曲率半径为600mm的弯道；对检测机器人在管道中的运动特性和行走阻力进行了分析；在此基础上提出了动态超声波扫描的检测方法，提高了检测的效率，能够满足实际的需要。设计了检测机器人的控制系统，进行了相关的硬件选型、电路设计和软件设计。硬件设计包括里程轮信号采集、超声信号采集模块、电机控制模块以及时钟、存储器以及通讯接口等外围电路；最后在SolidWorks2007环境下对管道检测作业机器人进行了三维建模，并在ADAMS环境下对机器人进行了运动学和动力学仿真，对管道检测机器人的后期研制具有至关重要的意义。关键词：管道机器人；里程轮定位；管道自适应；超声波检测ABSTRACT中南大学本科毕业论文ABSTRACTⅡPipelinesprovidethemostefficientmeansofcarryingoilandgas.Butthefailuresareoftenoccurredbyinternalcorrosioninpipeline.Whenoilpipelineswerecorroded,theirwallswouldbecomethinandresultincracksandoilleak.Oncetheleakshappened,thedamagesaremoreseriousbecausemostofthemareindenselypopulatedareas.Thispaperistodesignanadaptiveoilpipeinspectionrobotwithcrackpositioningsystemandenergysystemsinpipelinesandanalyzeitsmachinestructureaswellasinspectionprincipleandmethod.Firstly,theoverallstructureofpipeinspectionrobotwithwheelflexingmechanismtoadapttothechangeofpipediameterandtheuniversaljointsfortherobottosuccessfullypasstheturnwithcurvatureradiuswasbroughtforward.Toensuretherobot'sstabilityandflexibility,thedynamicperformanceandthewalkingresistancewiththetwomechanismswereanalyzedwhenrobotworkinginpipelines.Ultrasonicinspectionwithdynamicscanningmethodistakentoimprovetheinspectionefficiencyandtomeettheactualneeds..Secondly,thecontrolsystemwasdesignedaswellasthecorrespondenthardware,circuitryandsoftware.Thehardwarecircuitdeviceincludesdataacquiringcircuitofmileagesignal,drivecircuitofelectromotorandinterfacecircuitofcommunication.The3DmodelofpiperobotwasbuiltbyutilizingSolidWorks2007softwareandtheprototypeofthisrobotissetupinADAMSsoftwarebyMechanism/ProinterfacemodulebetweenSolidWorksandADAMS.Andthepiperobotwasco-simulatedandanalyzedinADAMS.Finally,theadvantagesanddisadvantagesofourrobotaswellasroomsforimprovementwasanalyzedandconcludedKeyWords:PipelineRobot;MileageWheelPositioning;PipingAdaptive;UltrasonicInspection1管道检测技术是最近几十年间随着工业管道、生活管道在各种地方的铺设，然而其环境的恶劣性使管道内外部均受到侵蚀而发展起来的急需的一门技术。本章主要对管道检测技术的发展现状进行概述和管道机器人的几种主要成品进行了分析对比。1.1研制管道检测作业机器人的背景和意义近些年来，人们对自然环境、工作环境、工作工具及其方式的要求逐步提高。随着中国城市化建设事业的发展推进，中国西气东输工程的全面启动，特别是大型化工厂、大型天然气厂、大型地下管道处理系统的建成，大型管道(或类似管道装置)组合处理系统设施以其高质量的工作效率、圆形管道结构，占地少、有效工作空间大、美化生活环境等优点得到了广泛的应用。随着计算机技术的广泛普及和应用，国内外检测技术都得到了迅猛发展，管道检测技术逐渐形成管道内、外检测技术(涂层检测、智能检测)两个分枝。通常情况下涂层破损、失效处下方的管道同样受到腐蚀，管道外检测技术的目的是检测涂层及阴极保护有效性的基础上，通过挖坑检测，达到检测管体腐蚀缺陷的目的，对于目前大多数布局内检测条件的管道是十分有效的。管道内检测技术主要用于发现管道内外腐蚀、局部变形以及焊缝裂纹等缺陷，也可间接判断涂层的完好性。因此，各种大口径天然气管道、大口径石油运输管道、大口径自来水管道、大孔径地下污水处理管道，锅炉厂、硫酸厂、核电站、液化气站、印刷厂、酒厂、食品加工厂、东风二汽长管道系统等，各种大型厂房中的大孔径管道系统随处可见。但是，它们在为人们工作所利用时，也带来了很多问题，如人们肆意向管道内投放废品塑料、易拉罐、粘性物品、玻璃废品等，长期下去导致管道内部因淤积较多废弃物从而使管道堵塞；冬天北方天气寒冷，裸露在外部的自来水管道(或其他化工管道)因温度太低内部自来水会产生凝固冻结，从而导致自来水不能正常流动，影响城市居民正常的生活；酒精厂(或其它化工厂)燃料燃烧所产生的粉尘会黏附在管道(或烟囱)内壁，长时间越积越多吹产生静电效应，甚至引发火灾和爆炸事故；长期处于露天环境，大多数大型输油管道、天然气管道等都会产生内部泄露和腐2蚀现象，严重影响自然环境并且产生安全隐患等等[21一套完整的中央空调管道清扫机器人30万元左右，其形状如下为履带式[31,但是只能在水平管道中运行，而且其清扫不充分(如：履带下面部分不能被清扫),对于立体空间中的斜管道和竖直管道更是望尘莫及，而我们的管道检测维护机器人不仅可以实现对于立体空间中的斜管道和竖直管道作业，而且价格仅需一万左右。目前的主要办法是人工分段清洁维护、管道外部检测，这种办法耗费人力物力、效率低下、管道内部诊断情况不充分，而且存在较大的危险，对它们的维护无论在工具还是技术上都跟不上设施的发展速度。传统的管道内部清洁机器只能进行水平方向工作，无法进行竖直方向工作，管道内部弯道爬行更是望尘莫及。传统的管道内部清洁机器就是利用四轮小车驱动方式沿着水平管道内部前进步。它们都存在不同程度的缺点，如机器笨重、攀爬效率低、有危险、工作不稳定、工作环境极大地受到限制等；而且竖直管道和弯曲管道内部工作的机器较少!目前国外较有名的检测公司有美国的TuboscopcGEPI、英国的BritishGas、德国的Pipetronix、加拿大的Corrpro,且其产品已基本上达到了系列化和多样化+。虽然国内同行在管道外检测技术方面已取得了飞速发展，但管道内检测技术研究和应用仍有待加强。由于管道内检测器使用的清管器比日常生产中普遍使用的清洁清管器要长得多，国内早期的油气管道，不具备管道内智能检测的条件，应用前需对站场收、发装置及部分管道、管件进行改造。因此在标准中也未对此做出强制要求，致使该项技术的应用和研究发展较慢，限制了它的广泛推广与应用。尽管目前国内一些管道公司也引进了内检测设备，但因为未形成系列化，应用效果还不十分理想。可喜的是，国内部分管道公司已认识到此方面的不足，并开始着手研究和发展管道内检测技术。目前中国石油新疆油田分公司与长输管道检测评价中心联合开发了φ377mm漏磁通智能检测仪，现已生产出样机并分别在乌鲁木齐架构—706泵站、中国石油西南油气田分公司输气管理出卧两线等管道上进行了应用，虽然在解释某些测试数据方面还不够完善，但毕竟填补了管道内检测技术的空白，为管道内检测技术国3产化奠定了基础。我相信，通过引进、消化、吸收、创新，国内的油气长输管道检测技术将石油及天然气开采后，往往需要异地输送，其距离可达数千公里。输送管道作为一种经济、高效而安全的物料输送手段一直为人们所关注。但管道经过长期使用，金属管壁因受流体冲刷、电化学腐蚀等作用会出现机械裂纹和腐蚀穿孔，最终导致输送效率降低、输送介质泄漏等恶性事故。由于多数管道都铺设与地下或海底，所以一旦出现事故，管道的维修和抢修成本非常高。因此，做好管道在役检测工作已成为各国所关注的重大课题。我国大量的输油管道为中、小口径管道，与主干道一样需进行各种安全检测，铺设的油气输送管道已达30×104km,且正以每年1000-2000km的速度铺设新管道。由于建成投入使用的年限长，大部分达到或接近20年的使用年限，且由于原设计、施工标准不高，管道年久腐蚀，又缺乏正常的检测维修，己进入事故多发期，或接近事故多发期。这一点在南方油田尤为突出。在南方油田管径φ273mm以下的管道约2×104km,这些管道往往分布在人口较稠密的地区，一旦发生事故，其后果将更为严重，而中、小口径管道智能检测技术在国外尚无成熟技术可以引进。我国的地下管道检测技术仍处于起步探索阶段，各种检测管道腐蚀的技术也大都停留在管外检测，方法传统落后。如果用管道机器人技术替代传统方法，就能节省大量人力物力，节约大量资金。目前，管道的各种智能检测机器人仍在研究中，成熟的产品尚未开发出来。尽管某些科研单位己研制出了几种功能样机，但它们只能对空管道进行检测，很难满足实际要求。由于国外的智能管道检测机器人设计复杂，价格昂贵，通常是几百万元一套仪器。现在我国的大部分油田都没有引进这种没备，而只是采用传统的管道外检测方法，这就无法对埋地管道腐蚀受损情况进行及时准确的检测，从而造成了一些重大损失。2008年的汶川地震给我们带来了巨大的损失，很多城市的地下水管道内腔被堵塞，影响人们的正常饮水。同时每年大型工厂因管道泄露产生的化学污染、经济损失和事故也比较严重，这些都对我们产生很大冲击，发人深思。所以我们想研制一套可操行性强、成本较低、工作环境适应性较强的价格低廉的管道检测维护机器人，由它来代替人力完成各种管道检测4维护工作。开展管道超声检测技术的研究，并在此基础上开展管道检测工作，通过对管道的安全性评价和风险分析，可以制定科学的维修计划，改变过去的“事后维修”、“不足维修”、“过剩维修”为“视情维修”,保证管道的安全高效运行。1.2国内外管道检测作业机器人的研究现状和发展趋势管道检测机器人是一种可沿管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化目前，用于管道检测、探伤、维护等用途的机器人试验样机及商业化产品的种类和数量不断增加。美国、英国、日本等国家的管道检测机器人技术处于世界领先地位，其中又以日本的管道检测机器人总体技术水平和研究成果格外引人注目。1.2.1几种主要类型的管道检测机器人(1)车轮式管道检测作业机器人轮式移动机构是一个古老而至今仍得到广泛应用的移动机构。它结构简单，在相对平坦的路面上有相当优越的性能，可是在地形复杂的情况下就不适用，轮子很容易陷到坑洼里而不能前进。①一般轮式美国EverstVit公司的管道产生了多种轮式移动机构的派生机构式派生机构。如图1-1所示，采用轮式移动机构，这种移动机构在管道接头部分或者管道里污垢沉积较多时就不能行走自如。5由于基本轮式机构在环境适应性上有很多不足之处，尤其是不能在圆管、垂直管和弯管中行走。于是又出现了许多轮式管道机器人派生机构。②内支撑轮式此类管道机器人多数适用于圆管，一般是用三个互成120°的脚撑在管道内，也可称之为三轮式管道机器人。这是最开始研究圆管管道机器人时常用的机构。这种机构不能很好的适应管径，而且不容易通过弯管。因此又出现了许多派生结构。图1-2所示为韩国SungKyunKwan大学RohG、RyewM等人研制的管道检测机器人。它是由前后两节组成，中间万向节连接，每节由三组行星驱动轮均匀支撑在管壁上，可调连杆调节驱动轮以适应不同的管径，前端带CCD摄像头。图1-2内支撑轮式管道机器人图1-3螺旋推动机器人图1-3为东京工业大学开发出了基于螺旋轮式运动原理的管道机器人，该机器人的本体由几个单元体通过弹簧连接而成。每个单元体上均布有三只支撑臂，用螺旋弹簧将支撑臂上的小轮紧压在管道内壁上，产生预压力。小轮的轴线相对单元体的轴线倾斜了一个角度，通过6软轴将扭矩作用于单元体上使微机器人运动。机器人采用可调整的三轮驱动机构，解决了机器人垂直爬升、转弯等行走方面的问题，可视为基本三轮式管道机器人的派生机构。(2)履带式管道检测作业机器人履带式移动机构适合于未加工的天然路面行走，它是轮式移动机构的拓展，履带本身起着给车轮连续铺路的作用。相对于轮式机构，履带式移动机构有着诸多优点，如：支承面积大，接地比压小；适合于松软或泥泞场地进行作业，下陷度小，滚动阻力小，通过性能较好；越野机动性好；履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。与轮式管内机器人移动机构类似，履带式管内机器人移动机构也可分为一般履带式管内机器人移动机构及其派生机构。①一般履带式一般履带式移动机构多指双履带移动机构，其由左右两侧两条履带负责支撑整个机体，通过调整两侧履带的运动方向和转速来实现前进、后退和转弯。图1-4为一种采用普通履带式移动机构的管内移动机器人图1-4普通履带式管内移动机器人双履带移动机构虽然较一般的轮式机构更适应复杂环境，但其不适应圆形管道是不争的缺点。所以针对这个缺点，产生了很多改善其特性的派生机构。②变位履带式移动机构变位履带式移动机构通过改变履带的位置或履带的机构形式以达到适应不同环境的要求，如图1-5所示的一种双履带式管内机器人行走机构，履带采用刚性支承结构，两履带的夹7角可以调节，以适应不同的作业管径。两履带调节到平行位置时，可以在平地或矩形管道内行走。这样就大大改观了普通履带式机器人只能在水平管道内行走的缺陷，但是这种机器人仍然有不能再圆管中行走的缺点。图1-5变位双履带式管道机器人③履带变形式移动机构履带变形式移动机构通过改变履带形状及相关措施增加机构的适应性。双履带式管内机器人采用楔形截面的履带(图1-6),以增加履带与壁面的接触面积，并可通过车宽调整块调节两侧楔形履带的距离以适应管径变化，但与上述双履带式管内机器人行走机构一样不适应作业管径变化的场合。图1-6一种变形履带式结构示意图根据具体应用场合，可以相应的变化履带的形状为正梯形、平行四边形、倒三角形等等。(3)其他类型管道检测作业机器人管道机器人常采用轮式和履带式的移动机构，但也有其他类型的移动机构，如蠕动式机构、步行机构等。8图1-7蠕动式管道机器人图1-8步行式管内机器人图1-7所示为一种蠕动式管内机器人机构，由美国斯坦福大学研制。蠕动式管道机器人主要的应用领域是小型管道，而正常的轮式和履带式移动机构能够适用于小型、中小型和大型一种管内步行式机器人，其行走过程如图1-8,通过左右两侧脚锁死和前后腿的机构变化实现机器人在管内的行进。但该机构较复杂，而且控制起来较繁琐。管道发生腐蚀后，通常表现为管道的管壁变薄，出现局部的凹坑和麻点等。管道内腐蚀检测技术就是主要针对管壁的变化来进行测量分析的。在没有开挖管道的情况下进行的管道内腐蚀检测技术一般有漏磁通法、超声波法、涡流法、激光法、电视法等。其中激光检测法和电视测量法需和其他方法配合才能得出有效准确的腐蚀数据，而涡流检测法虽然可适用于多种黑色和有色金属，探测蚀孔、裂纹、全面腐蚀和局部腐蚀，但是涡流对于铁磁材料的穿透力很弱，只能用来检查表面腐蚀。而且，如果在金属表面的腐蚀产物中有磁性垢层或存在磁性氧化物，就可能给测量结果带来难以避免的误差。另外，由于涡流法的检测结果与被测金属的电导率有密切关系，为了提高测量精度还要求被测体系最好保持恒温。所以，现在使用较为广泛的管道腐蚀检测方法是超声波检测法和漏磁检测法。其中，超声检测具有直接测量和定量化的特点，检测精度高。漏磁检测则局限于材料表面和近表面的检测，被测管壁不能太厚，且检测干扰因素多，精度较低，但是漏磁检测能够9适应比较恶劣的检测环境。管内漏磁检测I]的工作原理如图1-9所示，当对管道进行内部检测时，线圈产生交变磁场进入被测管壁。此时，若被测管壁没有受损，即不存在缺陷，则磁力线将不外溢；若被测管壁已受损减薄或存在裂缝，部分磁力线将外溢，此时，利用磁敏探头采集信号，通过对信号的分析，即可确定管道壁的受损情况。图1-9管内漏磁检测原理由于漏磁法不是直接测定管壁厚度，且漏磁信号和缺陷之间为非线性关系，检测信号易受到管壁腐蚀缺陷的长度、深度和缺陷形状等因素的影响。因此，使用漏磁法检测管壁厚度时要求被测管壁较薄，它不适合于厚壁管道的无损检测。当腐蚀缺陷的面积大于探头的灵敏区时，壁厚的检测精度高，而当腐蚀缺陷的面积小于探头的灵敏区时，壁厚的检测精度难以得到保证。因此，漏磁检测分为高分辨率检测和低分辨率检测两种方法。高、低分辨率的划分以所用探头数的多少，或各探头间的周向间距而定，一般为8-60mm。探头数愈多，各探头之间的周向间距愈小，分辨率愈高，则检测精度愈高。高分辨率漏磁检测法对槽型缺陷具有良好的检测效果，对长宽比大于2,宽度小于探头周向间距的槽型缺陷(约30×10mm)而言，当采用探头周向间距为30-40mm的漏磁检测法检测时，壁厚的检测值明显偏小。而采用探头周向间距为8mm的漏磁检测法再次对这种缺陷进行检测时，则能精确测量出壁厚。图1-10超声波检测原理图超声波检测[8法主要是利用超声波的脉冲反射原理来测量管壁受蚀后的厚度，其检测原理如图1-10所示，检测时垂直于管道壁的超声探头对管壁发出一个超声脉冲后，探头首先接收到由管壁内表面反射的回波，随后接收到由管壁外表面反射的回波。于是，探头至内壁的距离A与壁厚T,可以通过内表面反射回波的时间，以及内、外表面反射回波的时间差来确定。管道存在内、外壁受损时，仅仅根据壁厚T曲线尚无法判别管道属内壁受损还是外壁受损，还需要参照探头至内壁的距离A曲线。当外壁受损减薄时，距离A曲线不变；而当内壁受损减薄时，距离T曲线与壁厚A曲线呈反对称。于是，根据距离A和壁厚T两条曲线，即可确定管壁厚度，以及管道是内壁受损减薄还是外壁受损减薄。这种检测方法是管道腐蚀缺陷深度和位置的直接检测方法，检测原理简单，对管道材料的敏感性小，检测时不受管道材料杂质的影响。此外，超声波法的检测数据简单准确，且无需校验，检测数据非常适合作为管道最大允许输送压力的计算，为检测后确定管道的使用期限和维修方案提供了极大的方便，并能够检测出管道的应腐蚀破裂和管壁内的缺陷如夹杂等。这种方法的不足之处就是超声波在空气中衰减很快，检测时一般要有声波的传播介质，如油或水等。1.2.3管道检测机器人的发展趋势(1)国外管道腐蚀检测机器人的发展趋势国外漏磁检测机器人(MagneticFluxLeakageIntelligentPig简称MFLPig)的研制始于70年代中期，至今已发展到第二代，而超声波技术是80年代末才引入机器人的。国外最先将超声波技术引入腐蚀检测智能机器人的是日本的NKK(日本钢管株式会社)和德国Pipetroix公司，以后加拿大、美国等也相继研制了这类超声机器人。与漏磁检测机器人相比，超声检测机器人(UltrasonicIntelligentPig简称UTPig)由于检测时不受管道壁厚的限制，它的出现被认为是管道检测技术的一大进步，现在许多国家的管道检测技术人员也都在致力于这方面的研究。实践也证明采用超声波检测法得出的数据确实比漏磁法更为精确。现在国外的超声检测机器人的轴向判别精度可达3.3mm,管道圆周分辨精度可达8mm,机体外径可由159mm到1504mm,机器人的行程可达50~200km,行走速度最高可达2m/s。目前国外管道公司在长输管道腐蚀检测中，广泛采用的主要是第二代漏磁管道腐蚀检测器和超声波管道腐蚀检测器，世界上接受腐蚀检测服务的油气管道已达数十万公里，并取得了很好的效果[]。随着现代科学技术的进步，机器人检测技术有望在以下几个方面取得进一步发展：将定位轮的纯机械传动与现有的光、电技术相结合，势必提高内定位的精度、减少对外定位的依赖；利用现今机器人的一些行走技术，增添检测机器人的自我行走机构，可大大提高机器人随着电池行业向着高能、高效方向的发展，以新型电池(如塑料电池)替代理电池将是可能的。这会减少机器人的体积、降低机器人的造价、提高机器人的续航能力。在不远的将来，有望实现以管道为信号载体或利用其它手段将检测信号传至地面做到在役管道的实时检测。(2)国内管道腐蚀检测机器人的发展趋势相比较而言，我国的地下管道检测技术仍处于起步探索阶段，大部分管线不仅没有使用网络系统进行监控，而且各种检测管道腐蚀的技术也大都停留在管外检测，方法传统落后。管道的各种智能检测机器人仍在研究中，成熟的产品尚未开发出来。尽管某些科研单位己研制出了几种功能样机，但它们只能对空管道进行检测，很难满足实际要求。由于国外的智能检测机器人设计复杂，价格昂贵，通常是几百万元一套仪器。现在我国的大部分油田都没有引进这种设备，而只是采用传统的管道外检测方法，这就无法对埋地管道腐蚀受损情况进行及时准确的检测，从而造成了一些重大损失。此外，从国内管道技术公司买进的超声波机器人和漏磁机器人的使用情况来看，使用超声机器人检测的过程中存在的最大问题是：与国外的石油品质相比，我国的石油大部分是稠油，石油在管道内的结蜡较厚，每次探测都需清洗数次。但检测时在管壁上和液体介质中仍会有少量的蜡片存在，这些蜡片往往严重影响检测结果的准确性，从而导致检测精度的降低；而漏磁机器人检测时不受蜡片的影响，但其检测精度不如超声机器人高，对管道上的轴向裂缝检测还有一定的困难，而且由于漏磁技术是检测管道壁厚的间接检测方法，用其检测的数据实现直观显示管壁的缺陷也比较困难。从上述分析可知，用智能机器人在管道内检测管道腐蚀状况己成为现在世界石油天然气行业的趋势，而且目前管道内智能机器人在国内尚属一项空白技术。因国外对智能机器人技术施行技术保密，所以我国应针对国外智能机器人的不足之处，结合国内的实际情况，在管道内腐蚀检测技术方面加大研究的力度，研制开发出自己的适合我国国情的智能检测机器人，并进一步提高机器人检测时的抗干扰能力，完善检测数据的视图工具。1.3本课题研究思路与主要内容本论文结合石油管道裂纹检测作业机器人设计要求，拟完成φ300mm石油管道裂纹检测作业机器人总体设计，主要内容如下：第1章：根据石油管道的特殊环境与行走、检测作业要求，提出了一种基于万向节联接的驱动电机与旋转电机共同作用的两段式内螺旋推进行走管道机器人总体方案；第2章：对机器人内螺旋推进行走机构与驱动电机进行设计计算与选型的基础上，保证机器人在管内正常行走；第3章：设计里程轮机构，以实现管内定位，即确定所检测到裂纹缺陷的位置，然后提出了采用超声波检测技术从内部对管道进行检测，并完成了超声波检测探头的固定与检测装置的设计；提出了超声波检测管道裂纹的软硬件测控系统方案；第4章：对管道机器人总结结构进行了SolidWorks三维建模，通过导入到ADAMS2005中，建立管道机器人虚拟样机模型，并对其运动学与动力学进行了仿真，以验证所设计的总体方案是否符合φ300mm石油管道裂纹超声波检测的需要。1.4本章小结智能机器人在管道内检测管道腐蚀状况己成为现在世界石油天然气行业的趋势，而且目前管道内智能机器人在国内尚属一项空白技术。因国外对智能机器人技术施行技术保密，所以我国应针对国外智能机器人的不足之处，结合国内的实际情况，在管道内腐蚀检测技术方面加大研究的力度，研制开发出自己的适合我国国情的智能检测机器人，并进一步提高机器人检测时的抗干扰能力，实现监测数据的可视化。中南大学本科毕业论文第2章管道检测作业机器人的总体方案设计第2章管道检测作业机器人的总体方案设计本机器人的设计目标是：符合φ300mm石油管道的适用要求和工作环境，研究石油管道超声检测技术。本章将对机器人的总体结构、检测系统的设计以及机器人动力系统和机器人在管道中的定位系统进行设计。由于采用超声波检测技术从内部对管道进行检测，因此本文考虑检测探头的固定，即要完成对检测装置的设计；其次要考虑机器人的推进动力和机械结构，以保证机器人在管内正常行走；再次要确定所检测到缺陷的位置，这就要设计一个里程机构(管内定位);最后还要建立一个数据采集和处理系统。2.1管道检测作业机器人总体设计方案2.1.1管道检测作业机器人总体方案要求的提出机器人在沿石油管道检测时，需要克服石油管道截面变形、内壁不平产生突起或凹坑、过弯管等因素的影响，这就需要机器人对管道直径变化有一定的适应能力。此次设计的要求如下：①管道内径D=300mm,驱动力F=800N;②行进速度v=0.1m/s,能通过U型管道；③能够搭载微型CCD和无损检测传感器对管道内的裂纹和腐蚀缺陷等进行检测。在设计之前，通过比较多种目前比较成熟的管道机器人的设计方案，并进行设计方案的优选，以便设计出最适合石油管道、生活用管道的检测机器人。2.1.2管道检测作业机器人总体方案的比较(1)车轮式[11管道机器人该机器人具有如下优点：采用了一种简单的运动方式，并且只用了一个电机；能耗低；可以在水平的、垂直的、弯曲的管道中工作；可以自适应变直径的管道，并且能够通过管道内的小障碍物。中南大学本科毕业论文第2章管道检测作业机器人的总体方案设计图2-1管道内轮式机器人该机器人结构特点：采用轮式载体，牵引力强，速度快，转向容易，能够实现垂直行走及90°弯管，对管径的变化具有一定适应性；由三个或多个行走单元组成，在管道截面上平均分布。每个行走单元由电机、减速传动系统、支撑系统和行走系统组成；减速传动系统由一对蜗轮蜗杆副组成，能够输出较大的扭矩；支撑系统采用剪刀式结构，依靠拉伸弹簧将行走单元紧压在管道内壁上，依靠车轮与内壁的摩擦力前进或后退；每个单元的行走系统由一个主动轮和一个被动轮组成。(2)脚式管道检测作业机器人西门子公司WernerNeubauer等人研制的管道机器人有4、6、8支脚三种类型，可在各种类型的管里移动，其基本原理是利用腿推压管壁来支撑个体，多腿可以便地在各种形状的弯管图2-2管内脚式机器人国内的太原理工大学研制成功管内脚式行走机器人。该机器人可在管内双向行走，自动中南大学本科毕业论文第2章管道检测作业机器人的总体方案设计随管道弯度转向。该机器人由撑脚机构、牵引机构和转向机构构成，如图2-2。该机器人主要适用于较大管径的管道，尤其以非圆形管道为主，在圆形管道方面不如轮式机器人的适应性(3)蠕动式管道检测作业机器人基于爬行生物的运动原理，以各种驱动器为动力，专家们设计并研制出多种形式的蠕动式管道检测机器人。由于蠕动式管道机器人行动较为缓慢，不适合于需要迅速查清管道内部缺陷的要求，在设计方面也需要一些生物知识，较难实现。图2-3蠕动式管道检测作业机器人清华大学研制了一套小型蠕动机器人系统，其机构如图2-3,由1蠕动体和2、3、4电致伸缩微位移器组成。蠕动体的蠕动变形形态由粘贴于柔性铰链部位的电阻应变实时感应，机器人的外形尺寸为150×61×46mm,重2kg,最大步距10μm,行程40mm,运动精度0.2μm。(4)利用介质压差驱动的管道检测机器人利用管道流体压力[12I对管道进行直接检测和清理技术的研究始于上世纪50年代，最具代表性的是美国研制的一种介质压差驱动的管内清理及检测设备，由于该检测机器人是靠管道内部流体在其前后所形成的压力差作用下在管道内运行的，因此被称为介质压差驱动的管道检测机器人，如图2-4所示。中南大学本科毕业论文第2章管道检测作业机器人的总体方案设计利用介质压差驱动的管道检测机器人结构需要较为轻巧，而且要求机械本体密封性较高，在使用的过程中需要管内的流体有一定流速，对管道的自适应不是很强。(5)通过弹性杆外加推力的管道检测机器人日本东京科技学院利用外加推力研制成“螺旋原理”的微型机器人，如图2-5。利用在管外的电机推动带有弹性的线推动驱动部件前进，该驱动部件可以越过小的台阶。该管道机器人的结构较为简单，但是其对于较长管道的适应性不如轮式。图2-5通过弹性杆外加推力的管道检测机器人2.2管道检测作业机器人总体方案的组成经过对以上几种行走、驱动方案的比较，决定采用以下的设计方案[31来实现设计要求，示意图如2-6所示。图2-6管道检测作业机器人本体结构图图2-6所示的管道检测作业机器人主要包含三个部分：驱动行走部分、里程轮定位部分和超声波探测缺陷部分。驱动电机的旋转带动旋转体上面的6个驱动轮沿着管壁进行螺旋旋转，前端和后端的驱动电机旋转方向相反，在与管壁的摩擦作用下，使整体的前进方向一致。驱动电机在启动后，带动行星齿轮系进行减速后，以稳定的速度驱动整个机器人进行管道内石油管道检测环境要求机器人的行程很长，这就对机器人的动力提出了要求。为了适应长距离的行走，这里采用双驱动电机来提供动力，以实现在管道内部的正常行走和检控。在此基础上，需要在机器人的尾端使用线索连接上，这是为了防止机器人在计策过程中出现卡死现象时，可以采用人工拖拉将机器人带回安全的地面环境并进行检修。2.2.1管道检测作业机器人里程轮定位系统管道检测作业机器人里程轮定位系统是在机器人通过超声波检测系统发现裂纹、腐蚀等缺陷之后，能够准确定位缺陷的位置，从而便于修复设备对所在管道段进行修复。由于管道内检测器拾取的管道腐蚀或者形变信号是同管道位置一一对应的。因此对于判断管道腐蚀位置，选择开挖地点，要依据管道内检测器在管道中运行时对自身位置的测量。管道器上的装置。在检测过程中，它沿着管道壁滚动，轮子每转过一定角度(对应检测器走过一定距离),安装在轮子上的传感器发出一个脉冲信号，计算机连续收集此信号可以计算出检测器相对计的误差就越大，地面标记系统的作用是将几十千米的长输管道分成几千米的小段，在管道内检测器经过这些小段的端点时，检测器记录下自身计量的里程值。因为已知这些端点的准确位管道内情况复杂，里程轮可能出现打滑、故障等情况，因此一般在管道径向圆周内安装3个或者4个里程轮，每个里程轮在转动过程中都会发出1路脉冲信号，此信号携带管道内检测器运行速度信息。这里必须选择其中1路误差最小的信号作为里程计量信号进行跟踪。在实际运行定当前跟踪的信号是否正常。若正常，则继续跟踪此路信号；若不正常，则要选择其他的里程轮信号进行跟踪。里程轮工作状态的判断要快速准确，这样才能减少里程计量误差。2.2.2管道检测作业机器人行走机构目前国内外的管道中既有圆管又有方管，同时还有垂直方向的管道，针对各种管道和不同工况，提出了螺旋式和履带式两种机器人移动机构方案，但鉴于石油管道和生活用管道大多采用圆形，因此只分析螺旋式移动方案4]。螺旋式移动机构由驱动电机、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8°。随着电机的转动，驱动电机带动旋转体转动，使驱动轮沿管壁作螺旋运动，保持机构沿管道中心轴线移动。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。驱动电机采用内嵌方式安装在支撑体上。旋转体和支撑体的轮腿上装有弹性机构。腿轮与本体之间有弹簧连接，靠螺钉固定，弹簧的伸缩自动调节位置，腿轮可以伸缩，从而可以自动适应管道内径的变化，结构如图2-8所示。 本方案仅适用于圆形管道，具有以下优点：管道机器人在管道内部实际受力情况很复杂，本文只考虑机器人垂直管道上升时的情况，负载能力有一定的安全系数，所以只考虑12个驱动轮的负载能力来平衡机械本体的负载，受2.2.3管道检测作业机器人检测控制系统在役输油管道检测机器人的研制开发中，很重要的环节就是机器人要能准确检测到管道缺陷，即通过传感器的作用，在管道机器人的运动过程中测定管道的壁厚厚度，准确处理测到的数据。本文主要介绍了旋转超声探头的检测原理以及处理方法。超声波检测是目前应用最为广泛的一种无损检测方法，它具有灵敏度高、穿透力强、探伤灵活、效率高、成本低，对人体无伤害等优点，不仅可探测金属及非金属材料的缺陷(内部和表面的),还可以测定材料的厚度及强度。超声测距151的原理也是通过检测超声波从发射到反射的时间来进行测距的，通常其所选择的基本频率与所要测量的距离相关。在移动机器人研究中，单个超声波传感器的测量开角有限，为获取平面内更大范围信息，通常将多个传感器排着环形或其他形状阵列。超声传感器的环境适应能力相对较强，体积小，价格低廉，在早期的移动机器人研究中使用较多，但它同激光测距仪相比在性能和精度上存在明显不足：(1)由于超声波在空气中的传播时能量会有较大的衰减，因此如果反射的超声能量太弱以至于低于某一门限值，那就会得不到距离信息，而且通常超声的返回信号会有比较大的噪声干扰，导致难以得到准确的距离信息。Birsel和Barshan等人为超声反射信号的幅度建立了模型，并采用了证据推理方法来得到相对可靠的距离；(2)超声的波长一般在几个毫米级别，比一般室内环境表面的粗糙度要大很多，因此容易发生镜面反射现象。这样换能器发射出去的声波往往要经过多次镜面反射才能到达接收器，导致测得距离出错；(3)超声波波束角较大，且存在不同传感器间交叉干扰的问题，使得反射目标点的准确方位难以确定。相对激光雷达，超声测距的数据采集延迟也比较大。因此，超声波传感器一般仅应用于对感知精度要求不高的场合。超声波是指频率在2000Hz以上，不能引起正常人听觉反应的机械振动波，是物体的机械振动在弹性介质中的传播所形成的机械振动波。由于声源在介质中施力方向与波在介质中的传播方向不同，声波的波形也不同，声波的波形可分为：纵波、横波、表面波、兰姆波。纵波、横波及表面波的速度取决于介质的弹性常数及介质密度。在役石油管道的受蚀缺中南大学本科毕业论文第2章管道检测作业机器人的总体方案设计陷主要是管壁的受蚀减薄，用超声检测技术来探测输油管道壁厚的厚度最为简便和直接，其检测原理如图2-7。壁厚壁厚反射脉冲整形方波信号放大脉冲填充图2-7管道机器人测量壁厚的原理图当超声探头对管壁发出一个超声脉冲后，探头首先接收到由管壁的内表面反射回来的脉冲，这个脉冲与基准脉冲之间的间距是很容易测量的，该间距值表示为。然后，超声探头又会接收到由管壁的外表面反射回来的脉冲，这个脉冲与内表面产生的脉冲之间的间距为值就反映了管壁的厚度。对于反射波，要经处理、整形后形成厚度方波，为了达到预求的精度，该方波还要被放大数十倍，另外还需对放大的方波进行脉冲填充，脉冲填充的个数的多少就构成了所测厚度的具体数据，在检测时，这些数据需实时存入机器人体内的存储器中，最终的数据分析由地面的计算机完成。本章在分析各种管道检测机器人各种方案的基础上，结合本课题设计目标，提出了基于内螺旋推进管道检测机器人总体方案，其中行走机构采用行星齿轮系传递动力和胶轮式可转橡胶轮，裂纹位置确定采用里程轮定位系统，裂纹检测采用超声波检测方案，为后续具体设计与仿真实验提供了理论基础。中南大学本科毕业论文第3章管道检测作业机器人的机械本体设计第3章管道检测作业机器人的机械本体设计管道作业机器人的机械本体是机器人检测控制系统的安装、稳定工作的载体。本章主要就机器人的里程轮定位系统和超声波检测系统的工作原理和零部件组成以及各个部件的具体设计和校核。在此基础上，通过SolidWorks对设计的主要零部件进行了三维建模，为后续的虚拟样机仿真提供了准备工作。3.1机械本体的结构设计弯道是管道机器人工作时常遇到的障碍，管道机器人若想顺利完成任务，就必须能够顺利通过弯管，所以机器人的设计必须满足弯道的几何约束61。弯管的主要参数有曲率半径R、弯曲角度a和管道内径D,设计时必须考虑周全，且当参数确定时，相对细长或短粗的机器人都会发生卡死现象。下面将讨论这三个参数对机器人几何尺寸的影响.机器人在管道中最恶劣的情况如图2所示，处于弯管正中央的位置，其中L为机器人主体长度，d为机器人主体径向最大尺寸.在弯管几何参数满足(R+D/2)COS(2,)-(R-D/2)>0的情况下，机器人通过弯管时需考虑两种情况：①机器人的两个端面在弯管的直边部分(见图3-1(a));②机器人的两个端面在弯管的弯曲部分(见图3-1(b)).图3-1机器人本体在管道内收到的几何约束当机器人的两个端面在弯管的直边部分时，机器人的直径和长度应满足下式： 第3章管道检测作业机器人的机械本体设计综上所述，可确定L取值为250mm。经过设计形成了管道检测作业机器人总体方案的三维模型如图3-2。4.4.行走机构3、万向节2、固定装置5、超声波系统6、里程轮系统1、驱动电机图3-2管道检测作业机器人总体结构图3.2里程轮工作原理由于管道内检测器拾取的管道腐蚀或者形变信号是同管道位置一一对应的。因此对于判中南大学本科毕业论文第3章管道检测作业机器人的机械本体设计断管道腐蚀位置，选择开挖地点，要依据管道内检测器在管道中运行时对自身位置的测量。管道内检测器的定位方法由两部分组成：一是里程轮定位],二是地面标记系统。管道内情况复杂，里程轮可能出现打滑、故障等情况，因此一般在管道径向圆周内安装3个或者4个里程轮，每个里程轮在转动过程中都会发出1路脉冲信号，此信号携带管道内检测器运行速度信息，必须选择其中1路误差最小的信号作为里程计量信号进行跟踪。在实际运行过程前跟踪的信号是否正常。正常，则继续跟踪此路信号；不正常，则要选择其他的里程轮信号进行跟踪。里程轮工作状态的判断要快速准确，这样才能减少里程计量误差。本设计方案中采用霍尔元件感应效应来得出里程轮的行走路程。霍尔元件的原理是当磁铁接近霍尔元件时，产生一个霍尔电压，经过电路处理放大，再由单片机接受，再将数据送至计算机进行处理。这里采用的霍尔磁流传感器[i⁸],当里程轮在管道内壁行走过程中，每行进一周，霍尔元件即产生四个脉冲电流(电压),这样通过单片机接受信号并处理放大，可以记下里程轮走过的路程。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应(如图3-3)是指在半导体薄片两端通以控制电流I,并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为u。的霍尔电压。图3-3霍尔效应开关型霍尔效应传感器是磁敏接近式传感器，具有应用灵活、宽工作电压范围和采样频率高等特点，是一种可靠性高无接触清洁型传感器，在位置传感、旋转测量等方面得到了广泛应用。开关型霍尔效应传感器主要采用双极锁存型。中南大学本科毕业论文第3章管道检测作业机器人的机械本体设计霍尔芯片某一个感应面为磁体的S极敏感，假设该面为S面，那么另一面一定是N极敏感，假设该面叫N面。将两个开关型霍尔芯片A、B贴近叠放在一起，A芯片在前且S面朝外，B芯片在后且N面朝外，两芯片的开路输出0a、Ob连接作为一个输出端，共用同一电源，并封装在一个铜质罗栓装置中，芯片的作用面朝向磁体的磁极N或S,结构原理参见图3-3。由于A、B芯片前后叠放，磁场要穿过A芯片作用B芯片的敏感面，显然B芯片的灵敏度会有所下降。实验证明磁体对底层B芯片的触发距离与A芯片相比减少1.5mm左右，为补偿B芯片灵敏度的降低，可通过在其背后衬加一小铁磁质材料的方法来补偿。稀土磁钢的磁场无须补偿就能够穿过A芯片并能作用触发B芯片，当S极接近传感器时，A芯片输出，N极接近传感器时，B芯片输出。这样，无论磁体的那个磁极接近传感器，总有一个芯片输出，而对磁体的极性无需关心。双极性开关型霍尔效应传感器优点是无须关心磁体极性，传感器的互换性强，更换维护方便。不足的是采用两个芯片，成本稍有增加，B芯片的作用距离稍微减少。图3-4双霍尔芯片采样原理图本里程轮技术系统采用最为简单可靠的爽霍尔芯片取样，因此使用的是如图3-4的设计原理。只须将霍尔元件放在里程轮连杆的事先制造好的槽内，并用固体胶将其固定。这样霍尔元件也将跟随弹簧的伸缩而运动，但是测定里程轮的周长所在不变，计量准确。3.3里程轮系统的结构设计基于对管道检测作业机器人的里程轮定位需求和精度要求，在里程轮[91的设计中，不能使里程轮在行进过程中产生径向的位移，需要在径向对里程轮结构进行完全的固定，同时，在轴向必须让里程轮行动自如，不受箱体的约束和管道的限制，在此基础上，管道机器人必 第3章管道检测作业机器人的机械本体设计须要有一定的管道自适应性，这样就是用了压缩弹簧在一定范围内进行压缩和拉伸。在本管道检测作业机器人的里程轮系统设计中，由于机械本体设计已将里程轮箱体设计为φ250mm,同时最大的机器人本体(弹簧在最初始的压缩状态)在开始时为φ300mm,因此设计测弹簧可以自由伸缩的范围为考虑到弹簧的伸缩量不能使里程轮的最外边缘超出箱体的最外边缘，因此取弹簧的自由3.3.1里程轮系统的总体结构根据上述结构和功能设计要求，采用里程轮进行距离测量是智能清管器常用的缺陷定位方法，里程轮由非导磁金属制成，踏面压花纹防止打滑。里程轮安装于清管器壳体上，通过弹性支撑装置与管道内壁紧密接触，在里程轮边缘沿圆周均匀嵌入多块小型稀土钕铁硼磁铁，用霍耳磁敏传感器检测里程轮的转数，里程轮每转动一周，产生多个脉冲信号，通过里程轮直径及其转数得到清管器的行驶里程。为防止里程轮在清管器行进过程中打滑造成转数数据的丢失，通常在清管器壳体上安装多个里程轮，将各里程轮产生的脉冲通过相关算法运算可实现精确定位。里程轮系统的总体结构如图3-5所示。图3-5里程轮系统中南大学本科毕业论文第3章管道检测作业机器人的机械本体设计3.3.2超声波检测系统驱动电机的选择根据小组成员朱凯同学对超声波系统的转速要求为330r/min,选择的微电机[20]必须是额定转速超出330r/min,而满载转速与330r/min相差为±20r/min。经过在淘宝网一店家处咨询查的有如下直流驱动微电机合适本系统的设计要求，其参数如表3-1。表3-1超声波系统驱动电机参数型号电压空载转速满载转速输出扭矩重量根据设计要求，在根据所选电机型号。可得电机的结构如图3-6图3-6超声波系统驱动电机根据生产厂家提供的数据参数可知，电机的最大外径为φ37mm,而整体长度为112mm,左端外伸轴的直径为φ6mm,长度为15mm(其中平键槽宽度为2mm,长度为13mm)。3.3.3里程轮系统箱体的结构设计里程轮箱体内需要放置超声波系统的驱动电机，因此首先需要选择超声波系统驱动电机的类型，由此得出电机的结构尺寸，再进行里程轮箱体[21](如图3-7)的结构设计。由以上对超声波系统驱动电机的选择之后，可知箱体最少需要轴向长度超出112mm。在设计过程中，里程轮箱体的壁厚设计为5mm,并在X-Y正负相交于箱体的地方切除一个54×50mm的空框架。整体的圆筒直径为250mm,上下底面的厚度设计为13mm(包括挡住轴承厚度的2mm,轴承的宽度B=5mm以及为驱动电机外神舟设计的6mm)。这样箱体部分中南大学本科毕业论文第3章管道检测作业机器人的机械本体设计在底板上先钻出一个φ6mm的通孔，再在靠内面镗出一个直径为φ15mm深度为11mm的孔即可)。由于设计的电机需要被固定，本人设计的是由四块圆弧板将电机卡在中间，然后电机的外伸轴由凸缘性联轴器的销钉固定。因此需要在箱体、箱体盖(如图3-8)上的φ19-21范围内掏出一个宽度为5mm,深度为5mm的槽孔来放置四块固定板。图3-7里程轮箱体图3-8里程轮箱体盖鉴于设计考虑需要在箱体、箱体盖上四周设计四个螺钉孔，以装配好里程轮部分后将箱体和箱体盖封住。这里采用的螺钉尺寸为4×M2×16mm。3.4里程轮系统各零件的参数设计与验算里程轮的设计需要将霍尔元件嵌于里程轮和里程轮连杆之上，这样可以随弹簧的压缩和伸缩而霍尔元件相对于里程轮的位置不变，可以继续计数，并通过一定的信号输出存储在由单片机设计的存储空间内，再有计算机经过一定的算法得出里程轮走过的路程，再配合超声波系统检测信号的同步实现，可以精确定位到管道缺陷的位置。通过上述的超声波系统驱动电机的数据参数可以得出电机伸出轴的直径φ=6mm,根据设计手册取以下滚动轴承，其参数见表3-2。表3-2超声波驱动电机基本尺寸mm安装尺寸mm其他尺寸mm基本额定载荷/kN极限转速r/min重量kg轴承代号dDBr油W65根据参数可以得到超声波驱动电机所在的轴承为内径为d=6mm,而最大外径取为中南大学本科毕业论文第3章管道检测作业机器人的机械本体设计D=15mm,宽度B=5mm,型号为619/6GB/T2721993图3-9里程轮、超声波系统轴支承轴承由于超声波系统需要较高速旋转，而本身机器人的受力并不大，所以采用脂润滑，一方面可以适应管道内部的复杂环境，也可以承受住较高频率的周期性力。里程轮的在行进过程属于被动滚动前进，因此需要要求里程轮的外部架构能够适应管道的不平坦、光滑等不利环境。在设计过程中，里程轮的直径采用D=φ50mm的脚轮结构，宽度定为20mm,在里程轮的半径为R=15～17mm范围内挖出4个1mm深，2mm宽度的槽，在槽内放入小磁块，并用固体胶固定。这样里程轮在行进过程中，每转到小磁块的位置即产生一个脉冲信号，这样既可计算出机器人在管道内部行进的路程。计算公式为式中：s——机器人行进的路程；D——里程轮的最大外径；n——由单片机系统记录的脉冲数目里程轮结构如图3-10所示中南大学本科毕业论文第3章管道检测作业机器人的机械本体设计图3-10里程轮结构在里程轮选定设计好后，里程轮轴是将连杆、轴承、固定螺母、垫圈等组装结构设计尺寸决定的设计的，其外形如下图3-11所示。图3-11里程轮装配示意图选定里程轮轮轴后，考虑结构设计的对称性及其稳定性，需要将结构从里程轮为中心进行设计。在如图3-11所示，左端套筒为了固定住里程轮和轴承的内圈，采用锥形套筒。然后使用垫圈(兼定位件)对螺母和轴承进行隔离。防止螺母的拧紧干涉轴承的运动。总体长度在里程轮的霍尔效应测里程的结构设计中，将连杆套住轴承(一方面可以防止连杆的跳动，另一方面可以阻止润滑油的外泄，污染管道)。连杆的结构设计如图3-12所示。中南大学本科毕业论文第3章管道检测作业机器人的机械本体设计图3-12里程轮连杆该连杆距离孔径15-17mm处放置的空槽是将霍尔元件通过导线等连接到这里，然后用固体胶进行固定，再在外面由单片机计数电路来实现里程轮每转一周计算四个脉冲，这样就可以精确快捷地计算出机器人走过的里程。连杆的下低端圆盘是压缩弹簧用的挡板，可以随着管径的变化在内槽(如图3-13)和外槽板(如图3-14)形成的中间圆柱腔体内来回移动，这就使机器人具有了管道自适应性。图3-13内槽板结构示意图图3-14外槽板结构示意图里程轮机构能够在管道内部自由自适应是由于连杆机构和压缩弹簧的共同作用下，里程轮也就随着弹簧的压缩和伸长适应管道。这部分的原理如图3-15所示。将以上各部分经过配合安装可得里程轮的装配效果如图3-16所示。 第3章管道检测作业机器人的机械本体设计图3-17里程轮轮轴结构示意图由于里程轮在行进过程中受力极其的小，我们选取这个力F=10N,情况下，由P=Fvr/min代入数据计算可得p=0.001kwr/min由公式T——轴所受的扭矩，N·mm;W,——轴的抗扭截面系数，mm³;在速度v=0.1m/s的中南大学本科毕业论文第3章管道检测作业机器人的机械本体设计n——轴的转速，r/min;d——计算截面处轴的直径，mm轴的材料Q235-A、20Q275、35(1Cr18Ni9Ti)40Cr、35SiMn、38SiMnMo、3Cr1320-3525-4535-55由由通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸，轴上零件的位置，以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，轴上的载荷(弯矩和扭矩)已可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。一般的轴用这种方法计算即可，其计算步骤如下：(1)做出轴的计算简图(即力学模型) 第3章管道检测作业机器人的机械本体设计轴所受的载荷是从轴上零件[3]传来的。计算时，常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。作用在传动件轮毂宽度的中点算起。通常把轴当做置于铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型和布置方式有关，可按图3-18来确定。a)向心轴承b)向心推力轴承c)并列向心轴承d)滑动轴承图3-18轴的支反力作用点在做计算简图时，莺先求出轴上手里零件的载荷(若为空间力系，应把空间力分解为圆周力、径向力和轴向力，然后把它们全部转化到轴上),并将其分解为水平分力和垂直分力，(2)作出弯矩图根据上述简图，分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩[24],并按计算结果分别作出水平面上的弯矩M,图和垂直面上的弯矩M,图；然后按下式计算总弯矩并作出M图。6a)图3-19轴的载荷分布图 第3章管道检测作业机器人的机械本体设计这里1=54mm,F=10N代入(式3-8)得，(3)作出扭矩图由于里程轮轮轴为心轴，其不受扭矩，故扭矩T=0。(4)校核轴的强度已知轴的弯矩和扭矩后，可针对某些危险截面(即弯矩和扭矩大而轴径可能不足的界面)做弯扭合成强度校核计算。按第三强度理论，计算应力通常由弯矩所产生的弯曲应力σ是对称循环变应力，而由扭矩所产生的扭转切应力r则常常不是对称循环变应力。为了考虑两者循环性不同的影响，引入折合系数α,则计算应力为式中的弯曲应力为对称循环变应力。当扭转切应力为静应力时，取α≈0.3;当扭转切应力为脉动循环变应力时，取α≈0.6;若扭转切应力为对称循环变应力时，则取α≈1。对于直径为d的圆轴，弯曲应力,扭转切应力为,将σ和r代入式(3-11),则轴的弯扭合成强度条件为式中：σ——轴的计算应力，MPa;M——轴所受的弯矩，N·mm;T——轴所受的扭矩，N·mm;中南大学本科毕业论文第3章管道检测作业机器人的机械本体设计W——轴的抗弯截面系数，mm²,计算公式见表3-4表3-4抗弯、抗扭截面系数计算公式WWm0.1d²(1-β)*0.2d(1-p)z一花罅齿数:-花键齿数注：近似计算时，单、双键槽一般可忽略，花键轴截面可视为直径等于平均直径的圆截面代入计算得， 第3章管道检测作业机器人的机械本体设计平键连接传递扭矩时，连接中个零件的受力情况见图3-20。对于采用常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平键练剑(静连接),其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断(图3-20中沿a-a面剪断)。因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。对于导向平键连接和滑键连接(动连接),其主要失效形式是工作面的过度磨损。因此，通常按工作面上的