畢業(yè)設(shè)計-管道檢測機器人

1、 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第47頁 共47頁PAGE 1 引言 管道運輸是當今五大運輸方式之一，已成為油氣能源運輸工具。目前，世界上石油天然氣管道總長約200萬km，我國長距離輸送管道總長度約2萬km。國家重點工程“西氣東輸”工程，主干線管道(管徑1118mm)全長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%的長距離運輸管道要使用幾十年、甚至上百年時間，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，管道不可避免地會出現(xiàn)損傷。在世界管道運輸史上，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，截至1990年，國內(nèi)

2、輸油管道共發(fā)生大小事故628次。1986到2b00年期間美國天然氣管道發(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，研究管道無損檢測自動化技術(shù)，提高檢測的可靠性和自動化程度，加強在建和在役運輸管道的檢測和監(jiān)測，對提高管線運輸?shù)陌踩跃哂兄匾饬x。1.1管道涂層層檢測裝置的的發(fā)展、現(xiàn)狀狀和前景1.1.1管道道涂層檢測裝裝置的發(fā)展管內(nèi)作業(yè)機器人人是一種可沿沿管道自動行行走,攜有一一種或多種傳傳感器件和作作業(yè)機構(gòu),在在遙控操縱或或計算機控制制下能在極其其惡劣的環(huán)境境中進行一系系列管道作業(yè)業(yè)的機電儀一一體化系統(tǒng).對較長距離離管道的直接接檢測、清理理技術(shù)的研究究始于本世紀

3、紀50年代美美、英、法、德德、日等國,受當時的技技術(shù)水平的限限制,主要成成果是無動力力的管內(nèi)檢測測清理設(shè)備PIG,此類設(shè)備依依靠首尾兩端端管內(nèi)流體的的壓力差產(chǎn)生生驅(qū)動力,隨隨著管內(nèi)流體體的流動向前前移動,并可可攜帶多種傳傳感器.由于于PIG本身身沒有行走能能力,其移動動速度、檢測測區(qū)域均不易易控制,所以以不能算作管管內(nèi)機器人.圖1所示為為一種典型的的管內(nèi)檢測PPIG5. 這種PPIG的兩端端各安裝一個個聚氨脂密封封碗,后部密密封碗內(nèi)側(cè)環(huán)環(huán)向排列的傘傘狀探頭與管管壁相接觸,測量半徑方方面的變形,并與行走距距離儀的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)聯(lián)動,以便便使裝在PIIG內(nèi)部的記記錄儀記錄數(shù)數(shù)據(jù).它具有有沿管線全程程測量內(nèi)

4、徑,識別彎頭部部位,測量凹凹陷等變形部部位及管圓度度的功能,并并可以把測量量結(jié)果和檢測測位置一起記記錄下來. 70年代以以來,石油、化化工、天然氣氣及核工業(yè)的的發(fā)展為管道道機器人的應(yīng)應(yīng)用提供了廣廣闊而誘人的的前景,而機機器人學(xué)、計計算機、傳感感器等理論和和技術(shù)的發(fā)展展,也為管內(nèi)內(nèi)和管外自主主移動機器人人的研究和應(yīng)應(yīng)用提供了技技術(shù)保證.日日、美、英、法法、德等國在在此方面做了了大量研究工工作,其中日日本從事管道道機器人研究究的人員最多多,成果也最最多。 圖1管內(nèi)檢檢測典型PIIG樣機在已實現(xiàn)的管內(nèi)內(nèi)作業(yè)機器人人中,按照其其行動方式可可分為輪式、履履帶式、振式式、蠕動式等等幾類：(1) 輪式管管內(nèi)

5、機器人由于輪式驅(qū)動機機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單,容易易實現(xiàn),行走走效率高等特特點,對此類類機器人的研研究比較多.機器人在管管內(nèi)的運動,有直進式的的(即機器人人在管內(nèi)平動動)也有螺旋旋運動式的(即機器人在在管內(nèi)一邊向向前運動,一一邊繞管道軸軸線轉(zhuǎn)動);輪的布置有有平面的,也也有空間的.一般認為,平面結(jié)構(gòu)的的機器人結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單,動作作靈活,但剛剛性、穩(wěn)定性性較差,而空空間多輪支撐撐結(jié)構(gòu)的機器器人穩(wěn)定性、剛剛性較好,但但對彎管和支支岔管的通過過性不佳.輪輪式載體的主主要缺點是牽牽引力的提高高受到封閉力力的限制.圖圖2所示為日日本的M.MMiura等等研制的輪式式螺旋推進管管內(nèi)移動機器器人。(2) 履帶式式管內(nèi)

6、機器人人履帶式載體附著著性能好,越越障能力強,并能輸出較較大的牽引力力.為使管內(nèi)內(nèi)機器人在油油污、泥濘、障障礙等惡劣條條件下達到良良好的行走狀狀態(tài),人們又又研制了履帶帶式管內(nèi)機器器人.但由于于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不易小型化化,轉(zhuǎn)向性能能不如輪式載載體等原因,此類機器人人應(yīng)用較少.圖2所示為日本本學(xué)者佐佐木木利夫等研制制的履帶式管管內(nèi)移動機器器人13,其驅(qū)動輪輪可變角度以以適應(yīng)管徑的的變化,可通通過圓弧過渡渡的90度彎彎管. 圖2輪式螺旋推推進管內(nèi)移動動機器人總體體結(jié)構(gòu)圖圖3 輪式螺旋旋推進管內(nèi)移移動機器人驅(qū)驅(qū)動系統(tǒng)圖(3) 振動式式管內(nèi)機器人人振動可以使物體體的位置改變變,根據(jù)這一一原理,日本本學(xué)者森光

7、武武則等提出了了的振動式管管內(nèi)移動機器器人。其原理理為:在機器器人的外表面面裝有若干與與機體成一定定角度的彈性性針,靠彈性性針的變形使使其壓緊在管管壁上.機身身內(nèi)裝有偏心心重物,由電電機驅(qū)動.當當偏心重物旋旋轉(zhuǎn)時,離心心力使彈性針針變形,滑動動,從而帶動動機器人移動動.振動式管管內(nèi)機器人結(jié)結(jié)構(gòu)簡單,容容易小型化,但行走速度度難以控制,而且振動使使機器人沿圓圓周方向自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn),姿態(tài)不穩(wěn)穩(wěn)定,另外,振動對傳感感器的工作和和壽命均會產(chǎn)產(chǎn)生影響.(4) 蠕動式式管內(nèi)機器人人參考蚯蚓、毛蟲蟲等動物的運運動,人們研研制了蠕動式式管內(nèi)機器人人。其運動是通通過身體的伸伸縮(蠕動)實現(xiàn)的:首首先,尾部支支承,身體伸

8、伸長帶動頭部部向前運動,然后,頭部部支承,身體體收縮帶動尾尾部向前運動動,如此循環(huán)環(huán)實現(xiàn)機器人人的行走.圖圖3所示為日本本日歷制作所所研制的蠕動動式管內(nèi)機器器人,其前后后兩部分各有有8條氣缸驅(qū)驅(qū)動的可伸縮縮支撐足,中中部有一氣缸缸作為蠕動源源。 國內(nèi)在管道道機器人方面面的研究起步步較晚，而且且多數(shù)停留在在實驗室階段段。哈爾濱工工業(yè)大學(xué)鄧宗宗全教授在國國家863”計劃課題“X射線檢測測實時成像管管道機器人的的研制”的支持下，開開展了輪式行行走方式的管管道機器人研研制，如圖33所示。該機機器人具有以以下特點: (1)適應(yīng)應(yīng)大管徑(大大于或等于9900mm)的管道焊縫縫X射線檢測測。(2)一一次作業(yè)

9、距離離長,可達22km。(33)焊縫尋址址定位精度高高為5mm。(4)檢測工工效高,每道道焊縫(9000mm為例例)檢測時間間不大于3mmin;實現(xiàn)現(xiàn)了管內(nèi)外機機構(gòu)同步運動動作業(yè)無纜操操作技術(shù), 并研制了鏈鏈式和鋼帶式式兩種新型管管外旋轉(zhuǎn)機構(gòu)構(gòu),課題研究究成果主要用用于大口徑管管道的自動化化無損檢測8。上海海大學(xué)研制了了“細小工業(yè)管管道機器人移移動探測器集集成系統(tǒng)”。其主要包包含20mmm內(nèi)徑的垂直直排列工業(yè)管管道中的機器器人機構(gòu)和控控制技術(shù)(包包括螺旋輪移移動機構(gòu)、行行星輪移動機機構(gòu)和壓電片片驅(qū)動移動機機構(gòu)等)、機機器人管內(nèi)位位置檢測技術(shù)術(shù)、渦流檢測測和視頻檢測測應(yīng)用技術(shù),在此基礎(chǔ)上上構(gòu)成管

10、內(nèi)自自動探測機器器人系統(tǒng)。該該系統(tǒng)可實現(xiàn)現(xiàn)20mm管管道內(nèi)裂紋和和缺陷的移動動探測9。 圖4 蠕動式管內(nèi)移動機器人 圖4 蠕動式管內(nèi)移動機器人1.1.2測量量方法的研究究進展 按有無破破壞性,表面涂鍍層層厚度測試方方法可分為有有損檢測和無無損檢測。有有損檢測方法法主要有計時時液流測厚法法、溶解法、電電解測厚法等等,這種方法一一般比較繁瑣瑣,主要用于實驗驗室。目前也也有便攜式測測厚儀,適合在現(xiàn)場場使用。常用用的無損檢測測方法有庫侖侖-電荷法、磁磁性測厚法、渦渦流測厚法、超超聲波測厚法法和放射測厚厚法等，各種種無損測厚法法均有成型的的儀器設(shè)備,使用起來方方便簡單,且無需對表表面涂鍍層進進行破壞11

11、 。因此,該類方法在在管道涂層的的測量中已得得到了廣泛的的應(yīng)用。常用的無損涂層層測量方法有有磁性測厚電渦流測厚厚磁性/渦流流測厚超聲波測厚厚等（1）磁性測厚厚 磁性測厚法可可分為2 種種:磁吸力測測厚法和磁感感應(yīng)測厚法。磁磁吸力測厚法法的測厚原理理: 永久磁磁鐵(測頭)與導(dǎo)磁鋼材材之間的吸力力大小與處于于這兩者之間間的距離成一一定比例關(guān)系系,這個距離離就是覆層的的厚度。利用用這一原理制制成測厚儀,只要覆層與與基材的導(dǎo)磁磁率之差足夠夠大,就可進進行測量。測測厚儀基本結(jié)結(jié)構(gòu)由磁鋼、接接力簧、標尺尺及自停機構(gòu)構(gòu)組成。磁鋼鋼與被測物吸吸合后,將測測量簧在其后后逐漸拉長,拉力逐漸增增大。當拉力力剛好大于

12、吸吸力,磁鋼脫脫離的一瞬間間記錄下拉力力的大小即可可獲得覆層厚厚度2。新型型的產(chǎn)品可以以自動完成這這一記錄過程程。 磁感應(yīng)測厚厚法的基本原原理:利用基基體上的非鐵鐵磁性涂覆層層在測量磁回回路中形成非非鐵磁間隙,使線圈的磁磁感應(yīng)強度減減弱;當測量量的是非鐵磁磁性基體上的的磁性涂鍍層層厚度時,則則隨著涂鍍層層厚度的增加加,其磁感應(yīng)應(yīng)強度也會增增加。利用磁磁感應(yīng)原理的的測厚儀,原原則上可以測測量導(dǎo)磁基體體上的非導(dǎo)磁磁覆層厚度,一般要求基基材導(dǎo)磁率在在500 HH /m以上上。如果覆層層材料也有磁性,則則要求與基材材的導(dǎo)磁率之之差足夠大(如鋼上鍍鎳鎳) 。磁性原理測厚儀儀可用來精確確測量鋼鐵表表面的油

13、漆層層,瓷、搪瓷瓷防護層,塑塑料、橡膠覆覆層,包括鎳鎳鉻在內(nèi)的各各種有色金屬屬電鍍層以及及化工石油行行業(yè)的各種防防腐蝕涂層。其其特點是操作作簡便、堅固固耐用、不用用電源、測量量前無須校準準、價格較低低,適合車間間做現(xiàn)場質(zhì)量量控制。（2）電渦流測測厚渦流測厚儀是根根據(jù)涂鍍層與與基體材料的的導(dǎo)電性有足足夠的差異來來進行金屬基基材上涂覆層層的物性膜厚厚來測量的。該該方法實質(zhì)上上也屬于電磁磁感應(yīng)原理,但能否采用用該方法進行行厚度測定,與基體及涂涂鍍層材料的的導(dǎo)電性有關(guān)關(guān),而與其是是否為磁性材材料無關(guān)。其其工作原理為為:高頻交流流信號會在測測頭線圈中產(chǎn)產(chǎn)生電磁場,當測頭靠近近導(dǎo)體時,就就在其中形成成渦流

14、。測頭頭離導(dǎo)電基體體愈近,則渦渦流愈大,反反射阻抗也愈愈大。這個反反饋作用量表表征了測頭與與導(dǎo)電基體之之間距離的大大小,也就是是導(dǎo)電基體上上非導(dǎo)電覆層層厚度的大小小。由于這類類測頭專門測測量非鐵磁金金屬基材上的的覆層厚度,所以通常稱稱之為非磁性性測頭。非磁磁性測頭采用用高頻材料做做線圈鐵芯,例如鉑鎳合合金或其他新新材料。與磁磁感應(yīng)原理比比較,主要區(qū)區(qū)別是不同的的測頭、不同同的信號頻率率和大小及不不同的標度關(guān)關(guān)系。采用電渦流原理理的測厚儀,主要是對導(dǎo)導(dǎo)電體上的非非導(dǎo)電體覆層層厚度的測量量,但當覆層層材料有一定定的導(dǎo)電性時時,通過校準準也同樣可以以測量,只是是要求兩者的的導(dǎo)電率之比比至少相差335

15、倍(如如銅上鍍鉻) 。（3）磁性/渦渦流測厚磁性測厚和渦流流測厚均有缺缺點,為此,很多廠家將將兩者綜合在在一起進行測測定,采用的的探頭有3種種: F型、NN型和FN型型。其中F型型探頭采用磁磁感應(yīng)原理,可用于鋼鐵鐵上的非磁性性涂鍍層,如如油漆、塑料料、搪瓷、鉻鉻和鋅等; N型探頭采采用渦流原理理,用于有色色金屬(如銅銅、鋁、奧氏氏體不銹鋼)上的絕緣層層,如陽極氧氧化膜、油漆漆和涂料等;而FN型探探頭同時具有有F和N型探探頭的功能,利用兩用型型探頭,可實實現(xiàn)在磁性和和非磁性基體體上自動轉(zhuǎn)換換測量3 。目前開開發(fā)比較成熟熟的磁性測厚厚儀有時代公公司的TT2220, 德德國EPK 公司開發(fā)的的M I

16、N ITESTT4100 /31000 /21000 /11100系列測測厚儀和PHHYN IXX公司的Suurfix/Pockeet2Surrfix便攜攜式涂鍍層測測厚儀,可以以方便地實現(xiàn)現(xiàn)各種條件下下的無損測厚厚。超聲波測厚超聲波測厚儀是是利用超聲波波脈沖反射原原理,通過發(fā)發(fā)射的超聲波波脈沖至涂層層/ 基材,計算脈沖通過涂涂層/ 基材材界面反射回回發(fā)射器所花花的時間來計計算涂層的厚厚度。儀器通通過一個發(fā)射射器發(fā)射高頻頻超聲波進入入涂層,振動動波會穿透涂涂層,遇上不不同力學(xué)性能能的材料(如如基材) 時時,振動波會會在不同材料料的界面部分分反射和傳遞遞。反射部分分會被感應(yīng)器器接收,傳遞遞的振動

17、波繼繼續(xù)傳遞到底底材,同樣經(jīng)經(jīng)歷著所有材材料界面間的的反射、傳遞遞過程。傳感感器將反射波波轉(zhuǎn)換成電信信號,這些信信號會被儀器器數(shù)碼化,數(shù)數(shù)碼化反射波波被分析后,便得到振蕩蕩波所花的確確切傳遞時間間5。從而而計算出涂層層的厚度。超聲波測厚儀可可用于測量多多種材料的厚厚度,如鋼、鐵鐵、塑料和玻玻璃等。新型型的超聲波測測厚儀可以一一次測量即可可測定多層涂涂層的總厚度度及指定的各各層厚度,且且精度很高。1.1.3管內(nèi)內(nèi)作業(yè)機器人人的發(fā)展前景景為了使管內(nèi)作業(yè)業(yè)機器人能夠夠盡快地走出出實驗室,進進入實用化階階段,必須在在以下幾個方方面有所突破破。（1） 靈活活可靠的行走走機構(gòu)前面已經(jīng)提到,管內(nèi)作業(yè)機機器人

18、在彎管管、支岔管中中的通過性問問題仍未解決決。而要解決決這一問題，首首先要在機構(gòu)構(gòu)上保證機器器人能夠在這這些特殊環(huán)境境中順利行走走.如何尋找找一種融合各各種機構(gòu)優(yōu)點點,既能夠提提供較大的牽牽引力，又快快速靈活，可可靠性高的驅(qū)驅(qū)動方案是值值得研究的問問題.另外，還還特別要在動動力系統(tǒng)、傳傳動機構(gòu)的小小型化方面下下工夫。應(yīng)該該指出的是，要要解決管內(nèi)機機器人的通過過性問題,除除了要在機械械結(jié)構(gòu)方面推推陳出新之外外,還應(yīng)該結(jié)結(jié)合控制方案案來考慮。例例如前述日本本于19944年推出的BBEAGLEE200管內(nèi)內(nèi)探傷系統(tǒng),采用3臺電電機分別驅(qū)動動空間均布的的3個主動輪輪，雖然機構(gòu)構(gòu)較復(fù)雜，但但由于3個驅(qū)驅(qū)

19、動輪可分別別控制，從而而為提高其在在彎管段的通通過性提供了了可能。（2） 智能化化的傳感器系系統(tǒng)對管道內(nèi)部這類類非結(jié)構(gòu)化環(huán)環(huán)境，現(xiàn)有的的管內(nèi)作業(yè)機機器人中的傳傳感器或無法法正常發(fā)揮作作用,或過多多地依賴人的的介入，已經(jīng)經(jīng)不能滿足其其發(fā)展的需要要。經(jīng)過多年年的實踐，人人們已經(jīng)認識識到傳感器的的集成,即多多種傳感器(光,機,電電,儀)的綜綜合運用是解解決上述問題題的有效手段段。特別是以以攝像機為基基礎(chǔ)的視覺傳傳感器，由于于其直觀性，應(yīng)應(yīng)引起足夠的的重視。同時時，先進的感感知算法的研研究是必要的的，只有將感感知算法與傳傳感器的硬件件結(jié)合起來，形形成智能化的的傳感器，才才能為提高管管內(nèi)作業(yè)機器器人的控

20、制水水平打下良好好的基礎(chǔ)。（3） 高度自自治的控制系系統(tǒng)在管道內(nèi)部復(fù)雜雜的環(huán)境中，為為減輕操作人人員的負擔(dān)，機機器人具有自自主能力是必必要的。但這這有賴于先進進的傳感器技技術(shù)，特別是是管內(nèi)環(huán)境識識別技術(shù)作保保證。例如，目目前已有人在在機械手控制制中引入視覺覺伺服技術(shù)，即即利用視覺傳傳感器來實現(xiàn)現(xiàn)機械手的位位置閉環(huán)控制制。視覺對管管內(nèi)機器人具具有重要意義義，利用視覺覺,可以：確定作業(yè)位置置；識別管內(nèi)環(huán)境境(是否拐彎彎,是否有枝枝杈等)；識別機器人的的姿態(tài)(是否否有轉(zhuǎn)體,相相對于作業(yè)位位置的距離等等)。在管內(nèi)作業(yè)機器器人中采用視視覺伺服技術(shù)術(shù),可以有效效地克服現(xiàn)有有傳感器的不不足，有利于于提高其控

21、制制性能和自主主能力,并對對其智能化進進程有重要意意義。目前的的關(guān)鍵問題是是如何提高圖圖像處理的速速度，神經(jīng)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、人工智智能的引入將將有助于解決決這一問題。另另外，先進的的控制策略，如如路徑規(guī)劃，控控制器參數(shù)的的在線優(yōu)化等等的研究也必必將使管內(nèi)作作業(yè)機器人的的智能化水平平得到進一步步的提高。1.2本次設(shè)計計的目的 通過本次次畢業(yè)設(shè)計，達達到溫習(xí)鞏固固以前所學(xué)的的所有知識，并并將其在實際際設(shè)計中加以以的運用。熟熟悉一般工程程設(shè)計的步驟驟方法：調(diào)研研收集資料，方方案論證比較較，確定方案案，完成管道道涂層厚度檢檢測裝置的設(shè)設(shè)計，繪制裝裝配圖及零件件圖等圖紙。2 總體方案案的設(shè)計2.1管道涂層層厚度

22、檢測裝裝置的技術(shù)要要求該設(shè)備能在管道道中行走的，采采集管道中各各處的涂層厚厚度，采集到到的數(shù)據(jù)能實實現(xiàn)遠程傳送送。本設(shè)計主主要包括行走走系統(tǒng)機構(gòu)、測測量機構(gòu)和控控制部分，要要求實現(xiàn)測量量系統(tǒng)在管道道中行走，行行走速度為00.5m/mmin。2.2主要技術(shù)術(shù)參數(shù) 本次設(shè)計計的管道內(nèi)防防腐涂層厚度度測量儀的具具體指標如下下：1.內(nèi)徑：2000mm 22管道長度2200m3涂層測量范圍圍05000m 4誤誤差（13）m5行走速度5000mm/mmin 6工作作環(huán)境溫度00502.3總體方案案的分析與確確定該測量裝置由行行走系統(tǒng)機構(gòu)構(gòu)、測量機構(gòu)構(gòu)和控制部分分 構(gòu)成。行走走機構(gòu)和測量量機構(gòu)要通過過805

23、1單片機接接受上位機的的控制，進行行自動行走和和測量，并將將所測得的數(shù)數(shù)據(jù)進行整理理計算傳送到到上位機。行走系統(tǒng)是由一一個直流電動動機通過齒輪輪減速機構(gòu)和和帶傳動驅(qū)動動兩個驅(qū)動輪輪，從而實現(xiàn)現(xiàn)整個測量裝裝置的前進和和后退。測量量機構(gòu)采用超超聲波傳感器器，其原理是是利用超聲波波的反射法，通通過記錄回波波信號的時間間差來計算出出涂層的厚度度。本裝置中中采用兩個傳傳感器呈180布置，可可同時測量兩兩個點的涂層層厚度。在實際的測量中中要求隨時確確定測量裝置置的確切位置置即測量裝置置在管道內(nèi)行行走的距離。為了得到測量裝置在管道中行走的距離，專門設(shè)計了計程輪，此輪上安裝了霍爾元件，通過霍爾元件采集的脈沖數(shù)

24、可得到輪子所轉(zhuǎn)圈數(shù)，從而得出測量裝置行進的距離?？刂葡到y(tǒng)以單片片機8051為中心，它它控制著直流流電機機器人的動動力源的前進進、后退和停停止、2個傳感器的的通斷，并將將厚度信號和和轉(zhuǎn)換信號進進行處理，傳傳送給上位機機，接受上位位機的監(jiān)控。其框圖如下：處理電路8051單片機霍爾元件繼電器開關(guān)兩個傳感器接口電路計算機 處理電路8051單片機霍爾元件繼電器開關(guān)兩個傳感器接口電路計算機電機驅(qū)動電電機驅(qū)動電路圖5 測量裝置置整體框圖3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計3.1管道涂層層測厚裝置的的運動原理微型管道機器人人采用了有纜纜驅(qū)動的驅(qū)動動方式,其運運動機理由兩兩組車輪沿徑徑向呈三等分分均布,其中中四個從動輪輪在扇形齒

25、輪輪的作用下被被支撐在管道道的內(nèi)壁上，另另外兩個則是是驅(qū)動輪。電電機帶動錐齒齒輪旋轉(zhuǎn)，從從而使得裝有有皮帶輪的軸軸轉(zhuǎn)動，車輪輪隨之轉(zhuǎn)動。由由于車輪與管管壁之間的摩摩擦力，車體體便可以在管管中前進或后后退。尾部還還有一個柔性性的計程輪，其其作用：1.計算小車前前進的距離。22.支撐車體體，保持平衡衡。3.2管道涂層層測厚裝置行行走機構(gòu)的設(shè)設(shè)計機器人的移動機機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)構(gòu)緊湊和較大大的負載能力力,滿足管道道內(nèi)行走的基基本條件。移移動機構(gòu)的前前后兩組支撐撐中,三個車車輪都是沿徑徑向均勻分布布的,而前后后兩部分都是是沿軸向?qū)ΨQ稱的,支撐點點共六個,因因此滿足形封封閉條件。當當移動機構(gòu)行行走時,三個個輪

26、子呈徑向向均勻分布,三點確定一一個平面,三三點始終在一一個圓柱面上上,因此可以以實現(xiàn)自定心心,在支撐裝裝置的作用下下,驅(qū)動輪被被緊緊壓在管管道內(nèi)壁上,具有較強的的適應(yīng)性。整整個系統(tǒng)由于于利用了對稱稱性,抵消了了機器人在運運動過程中各各方面不平衡衡力偶的干擾擾,從而使所所有的力集中中到電機運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸線上所在在的豎直平面面上,同時,又在通過電電機軸線的豎豎直平面上保保證機器人的的重心與電機機運轉(zhuǎn)軸心之之間適當?shù)木嗑嚯x,從而保保證了整個機機器人運行過過程中的平穩(wěn)穩(wěn)性。3.3電動機的的選擇由于管道的直徑徑很小，所以以根據(jù)尺寸選選擇j55ZZYTPX微型減減速電機。其其減速比為2216.輸出出轉(zhuǎn)速為144

27、r/minn。輸出轉(zhuǎn)矩矩187300mN.m。其計算過程為：車輪與管壁的摩摩擦系數(shù)為=0.8 車車體的重量為為50kg G=mg=5010N=5500N壓緊機構(gòu)產(chǎn)生的的壓緊力為5500N則：車體對管壁壁的正壓力NN=10000NF=N=0.8N=8000N電動機所需要的的工作功率為為 各軸輸入功率為為： 各軸的輸入轉(zhuǎn)矩矩： 所以所選的電機機符合條件。3.4傳動的總總體方案設(shè)計計此測量裝置在5500mm/min的速速度下前進，速速度比較低。初初選車輪直徑徑為40mmm則此時車輪輪的角速度以以及減速后最最終的角速度度為： =60v/(d)=660500/33.144060=3.98r/mmin由于

28、電機的初速速度為14 r/minn，由傳動比比公式i=114/w=114/3.998=3.55 所以傳動比i=3.5我選用直齒圓錐錐齒輪來傳遞遞能量和動力力。因為其可可以實現(xiàn)兩相相交軸之間的的傳動。錐齒齒輪設(shè)計、制制造及安裝均均較簡單，用用于低速傳動動，非常適合合此裝置的要要求?？紤]到到機器人在前前進過程中要要托纜，因此此將此機器人人設(shè)計成前后后輪共同驅(qū)動動的方式，以以獲得較大的的牽引力。由由于尺寸限制制，只能將輪輪放在另外一一根軸上，用用皮帶將兩軸軸連接起來，它它沒有調(diào)速的的作用，只需需使兩軸具有有同樣的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速度。3.5壓緊裝置置的設(shè)計壓緊裝置主要是是為了讓機器器人能夠撐緊緊管壁，從而而達

29、到平穩(wěn)前前進的目的。我我所設(shè)計的壓壓緊裝置是通通過一個扇形形齒輪和一個個齒條的相互互嚙合實現(xiàn)的的。具體如圖圖6所示： 圖6 壓緊裝置置此結(jié)構(gòu)的原理非非常簡單，但但卻很實用。當當管壁直徑變變化時，壓緊緊輪就會以銷銷軸為中心，進進行旋轉(zhuǎn)，同同時齒條就會會因為嚙合的的作用前后移移動，彈簧也也跟著壓縮或或拉長。以此此來調(diào)節(jié)適當當?shù)膲壕o力，保保證車體的平平衡。3.6計程輪的的設(shè)計計程輪的設(shè)計是是為了知道車車體在管道中中行進的距離離，已達到正正確測量管道道中某點涂層層厚度的目的的。計程輪設(shè)設(shè)計如圖6所所示，它的結(jié)結(jié)構(gòu)比較簡單單，是用四個個導(dǎo)向螺釘將將輪固定在支支撐體上，導(dǎo)導(dǎo)向螺釘上裝裝有壓縮彈簧簧，壓縮彈

30、簧簧的一端連在在支架上，另另一端連在支支撐體上，由由此支架可以以沿著導(dǎo)向螺螺釘?shù)姆较蛏仙舷乱苿樱囕喭ㄟ^銷銷軸連在支架架上，可以隨隨支架一起運運動，以保證證計程輪始終終與地面接觸觸。計程輪上上安裝有霍爾爾傳感器。霍霍爾傳感器就就是利用霍爾爾效應(yīng)原理，通通過磁場、電電流對被測量量的控制，使使包含有被測測量變化信息息的霍爾電壓壓發(fā)生變化，在在利用后繼的的信號檢索和和信號放大電電路，就可以以得到被測量量脈沖信號的信信息。正因為為霍爾傳感器器的基本原理理霍爾效應(yīng)只只包含了磁場場、電流、電電壓三個常用用物理量，使使得采用霍爾爾傳感器的被被測量的測量量簡單易行，而而磁場強度、電電流、電壓是是磁場、電場

31、場的基本物理理量，所以霍霍爾傳感器可可以進行精確確的非接觸測測量。 圖 7計程輪它具有靈敏度高高，線性度好好，穩(wěn)定性高高、體積小和和耐高溫等特特點，在機車車控制系統(tǒng)中中占有非常重重要的地位。本裝置中選用霍爾元件DN6837，它是一個開關(guān)集成霍爾傳感器，其輸出的脈沖信號經(jīng)過一級三極管放大，在送到單片機的輸入口。3.7軸的設(shè)計計與校核軸的材料是決定定其承載能力力的重要因素素，制造軸的的主要材料是是碳素鋼及合合金鋼。455號優(yōu)質(zhì)中碳碳鋼是最常用用的材料。QQ235-AA等普通碳素素鋼用于不重重要的軸或受受載較小的軸軸；合金鋼具具有較高的機機械強度用于于受載荷較大大、結(jié)構(gòu)尺寸寸受限制、需需提高軸頸耐耐

32、磨性及處于于高溫或腐蝕蝕等條件下的的軸；球墨鑄鑄鐵和一些高高強度鑄鐵一一般用于鑄成成外形復(fù)雜的的軸，他們吸吸振性好，對對應(yīng)力集中敏敏感性低。一般機器中的軸軸常用優(yōu)質(zhì)中中碳鋼制造，這這類鋼比合金金鋼廉價，對對應(yīng)力集中的的敏感性較低低，其中455號鋼最為常常用。為了提提高材料的力力學(xué)性能，通通常進行調(diào)質(zhì)質(zhì)或正火處理理。由于振動動磨的主軸旋旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生高高頻率的振動動，且產(chǎn)生的的離心力相當當大，所以應(yīng)應(yīng)選45號鋼鋼作為此傳動動軸的材料。一般常見的軸按按其軸線的形形狀和功用分分為直軸、曲曲軸兩大類，因因為本次設(shè)計計只涉及直軸軸，所以我們們在此只討論論直軸。直軸一般都做成成實心，若因因機器特殊需需要也可制

33、成成空心軸?？伎紤]到應(yīng)加工工方便，軸的的截面多為圓圓形，為了使使軸上零件定定位及裝拆方方便，軸多做做成階梯軸。一一些結(jié)構(gòu)簡單單或特殊要求求在軸中裝設(shè)設(shè)其它零件或或者減小軸的的質(zhì)量具有重重大作用的場場合，軸才做做成等直徑的的軸（光軸）或或空心軸?？湛招妮S內(nèi)徑與與外徑比通常常為0.50.6，以以保證軸的剛剛度及扭轉(zhuǎn)穩(wěn)穩(wěn)定性。根據(jù)軸的承載情情況，可分為為：轉(zhuǎn)軸工作中既受受彎矩又受轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的軸；有有時還受較大大軸向力的作作用，這類軸軸在各種機器器種最常見；心軸工作中只只承受彎矩、不不受轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩較小的軸軸，心軸又分分為轉(zhuǎn)動心軸軸（軸轉(zhuǎn)動）和和固定心軸（軸軸不轉(zhuǎn)動）兩兩種；傳動軸軸工作中只只傳遞轉(zhuǎn)矩、不

34、不承受彎矩或或受彎矩很小小的軸。下面面首先通過扭扭轉(zhuǎn)強度對軸軸進行設(shè)計，然然后再用彎扭扭組合進行校校核。按扭轉(zhuǎn)強度條件件計算選擇軸的材料為為45鋼，經(jīng)經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，首首先估算最小小軸徑，根據(jù)據(jù)下列公式進進行計算，d 截面處處軸的直徑，單單位mm，p 軸的傳傳遞功率，單單位kw；n 軸的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，單位rr/min，許用扭轉(zhuǎn)切切應(yīng)力，單位位MPa，445鋼的值為為25455；其中45鋼鋼的的取值為為1261103。因選擇的電動機機功率為300kw，即pp=20w，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速n=144r/minn，把數(shù)據(jù)帶帶入上式有：=11.19mmm因軸上開有兩個個鍵槽，所以以軸徑應(yīng)當增增大5%77%，則有d11.199

35、（1+0.07）=111.97mmm圓整后可取d=12mm。但但是這樣求出出的直徑，只只能作為承受受扭矩作用的的軸段的最小小直徑dmiin。按彎扭合成條件件校核軸軸所受的載荷是是從軸上零件件傳來的。計計算時將軸上上的分布載荷荷簡化為集中中力，其作用用點取為載荷荷分布段的中中點。作用在在軸上的扭矩矩，一般從傳傳動件輪轂的的中點算起。通通常把軸當作作置于鉸鏈支支座上的梁，這這是建立力學(xué)學(xué)模型的一種種形式，支反反力的作用點點與軸承的類類型和布置方方式有關(guān)。在做計算簡圖時時，應(yīng)先求出出軸上受力零零件的載荷（若若為空間力系系，應(yīng)把空間間里分解為圓圓周力、徑向向力和軸向力力，然后把他他們?nèi)哭D(zhuǎn)化化到軸上）

36、，并并將其分解為為水平分力和和垂直分力。然然后求出各支支承處的水平平反力FHNN和垂直反力力FNV。我所校核的這根根軸是錐齒輪輪傳動的從動動軸如圖7。其其上主要有齒齒輪，帶輪和和兩個軸承。另另外一根軸的的受力分析和和計算在這里里就不再闡述述。下面進行軸的設(shè)設(shè)計計算和強強度校核。根根據(jù)設(shè)計要求求可知：取齒齒輪傳動的效效率為0.997，則齒輪輪在此軸上的的扭矩為：P1=p=2000.97=19.4ww n1=4r/mmin=95500000P1/n11=463117.5Nmm, 因大齒齒輪的分度圓圓直徑為d=mz=246=922mm，所以以Ft=2TT1/d=2466317.55/92=11007

37、N,Fr=Ftttan200/cos88=370.2 N Fa=Fttaan=1411.5 N皮帶的初拉力為為Fe=10000p/vv=19.44/5=3.88 N由由此可見由皮皮帶產(chǎn)生的彎彎矩可忽略不不計。下面利利用靜平衡原原理計算F11和F2其上所受彎彎矩圖和剪力力圖如圖9列出靜平衡方程程:在垂直面內(nèi)：Fv1106=Fr75+122.5Fa Fv1=2788 NFv21066=Fr31+122.5Fa Fv2=1255 N在水平面內(nèi)： Fh11106=FFt75 Fh1=7122.5 N Fh2106=FFt31 Fh2=2294 N 圖8水平面內(nèi)剪剪力彎矩圖 圖圖9垂直面內(nèi)剪剪力彎矩圖

38、圖10彎矩扭矩矩合成圖所以： M=237709 N.mm根據(jù)第四強度理理論對危險截截面進行校核核,又 N.mm，=89411.64代入數(shù)據(jù)得=2.654MMPa600MPa所以軸的強度足足夠。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸結(jié)構(gòu)設(shè)計原則則：軸上零件布置應(yīng)應(yīng)使軸受力合合理。（2）軸上零件件定位可靠、裝裝拆方便。（3）采用各種種減小應(yīng)力集集中和提高疲疲勞強度的措措施 圖11 軸（4）有良好的的結(jié)構(gòu)工藝性性，便于加工工制造和保證證精度。（5）對于要求求剛性大的軸軸，還應(yīng)從結(jié)結(jié)構(gòu)上考慮減減小軸的變形形。3.8軸承的設(shè)設(shè)計與校核3.8.1軸承承的校核如果按滾動軸承承承受載荷的的作用方向分分類，常用軸軸承可分成三三類，即徑

39、向向接觸軸承、向向心角接觸軸軸承和軸向接接觸軸承。徑徑向接觸軸承承主要用于承承受徑向載荷荷。這類軸承承有：深溝球球軸承、調(diào)心心球軸承、調(diào)調(diào)心滾子軸承承、圓柱滾子子軸承、滾針針軸承。在齒輪傳動機構(gòu)構(gòu)的設(shè)計中，需需要兩個軸承承來承受齒輪輪嚙合傳動時時產(chǎn)生的力，因因為選取的是是圓錐直齒輪輪，沒有軸向向的力需要軸軸承承受，為為此，在這里里選取大眾而而且性價比很很高的深溝球球軸承，在齒齒輪傳動機構(gòu)構(gòu)中，軸段是是懸臂布置，考考慮到軸的端端部會承受比比較大的徑向向力，這里選選取02系列列的深溝球軸軸承。下面進行軸承的的校核計算。 滾動軸承壽壽命的計算公公式為式中的單位為。為指數(shù)。對對于球軸承， ；對于滾子軸

40、承，。如果改用小時數(shù)表示壽命，代表軸承的轉(zhuǎn)速（單位為r/min），則以小時數(shù)表示的軸承壽命（單位為h） 如果載載荷P和轉(zhuǎn)速速n為已知，預(yù)預(yù)期計算壽命命又已取定，則則所需軸承應(yīng)應(yīng)具有的基本本額定動載荷荷C（單位為為N）可根據(jù)據(jù)上式計算得得出： 滾動軸承的基本本額定動載荷荷是在一定的的運轉(zhuǎn)條件下下確定的，如如載荷條件為為：向心軸承承僅承受純徑徑向載荷，推推力軸承僅承承受純軸向載載荷。實際上上，軸承在許許多應(yīng)用場合合，常常同時時承受徑向載載荷和軸向載載荷。因此，在在進行軸承壽壽命計算時，必必須把實際載載荷轉(zhuǎn)換為與與確定基本額額定動載荷的的載荷條件相相一致的當量量動載荷，用用字母P表示示。這個當量量動

41、載荷，對對于以承受徑徑向載荷為主主的軸承，稱稱為徑向當量量動載荷，常常用表示；對對于以承受軸軸向載荷為主主的軸承，稱稱為軸向當量量動載荷，常常用表示。當當量動載荷PP（或）的一般計計算公式為 式中，X、Y分分別為徑向動動載荷系數(shù)和和軸向動載荷荷系數(shù)。實際上，在許多多支承中還會會出現(xiàn)一些附附加載荷，如如沖擊力、不不平衡作用力力、慣性力以以及軸撓曲或或軸承座變形形產(chǎn)生的附加加力等等，這這些因素很難難從理論上精精確計算。為為了記及這些些影響，可對對當量動載荷荷乘上一個根根據(jù)經(jīng)驗而定定的載荷系數(shù)數(shù)，故實際計計算時，軸承承的當量動載載荷應(yīng)為： 選取的軸承代號號為62055，它的基本本額定負荷：， 查表查

42、的徑向動動載荷系數(shù)XX=0.566，軸向動載載荷系數(shù)Y=1.5；已確定軸承徑向向載荷7655 N，,取取軸承轉(zhuǎn)速為，為為球軸承取當量動載荷 由于兩軸承所受受軸向力較小小，在此只對對軸承所受徑徑向力進行校校核計算，因為軸承只按徑徑向力計算，所所以當量動載載荷C=144 kN計算軸承壽命對于球軸承，式式中=3=1494555337700000h其強度足夠，計計算結(jié)果表明明，其它所選選的深溝球軸軸承能滿足使使用要求，這這里就不一一一校核了。3.8.2軸承承的潤滑軸承運轉(zhuǎn)時，應(yīng)應(yīng)通過潤滑避避免元件表面面金屬直接接接觸。潤滑除除降低摩擦和和減輕磨損外外，也有吸振振、冷卻、防防銹和密封等等作用。軸承承常用

43、的潤滑滑材料有潤滑滑油、潤滑脂脂、固體潤滑滑劑和氣體潤潤滑劑。非金金屬軸承也可可用水進行潤潤滑。（1）潤滑油液體摩擦軸承幾幾乎全部使用用潤滑油，且且多為礦物油油。在眾多的的物理、化學(xué)學(xué)性能指標中中，最重要的的是黏度和油油性。根據(jù)軸軸頸直徑d，軸軸的轉(zhuǎn)速n確確定潤滑油的的黏度區(qū)。按按照確定的黏黏度區(qū)和軸承承的壓強，查查出推薦的黏黏度；根據(jù)軸軸承軸頸的圓圓周速度工作作溫度軸承壓壓強等參數(shù)確確定潤滑方式式。（2）潤滑脂潤滑脂的主要性性能指標是錐錐入度和滴點點，應(yīng)根據(jù)軸軸承的壓強、圓圓周速度和工工作溫度選用用。（3）其他潤滑滑材料除潤滑油,潤滑滑脂外，還有有其它潤滑材材料，如： 固體潤滑滑劑，常用的的

44、有石墨、二二硫化鉬、二二硫化鎢等。當當軸承的溫度度在高溫或低低速、重載條條件下工作，不不應(yīng)使用潤滑滑油時，可將將固體潤滑劑劑調(diào)配到潤滑滑脂或油中使使用，也可涂涂敷或燒結(jié)在在摩擦表面上上，還可以將將其滲入軸瓦瓦材料中或成成型鑲嵌在軸軸承中使用。 水，主要要用于橡膠軸軸承或增強酚酚醛塑料軸承承的潤滑。 液態(tài)金屬屬，如汞、液液態(tài)鈉、鉀、鋰鋰等，主要用用于宇航中的的某些軸承。滾動軸承通常采采用脂潤滑，高高速重載或高高溫時需要用用油潤滑。在在本此設(shè)計中中，由于軸承承的在高溫、重重載條件下工工作，根據(jù)軸軸承的極限轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速知，可選選擇脂潤滑。3.9齒輪的設(shè)設(shè)計我采用圓錐齒輪輪傳動，其設(shè)設(shè)計參數(shù)如下下：軸交角

45、990初選小齒輪齒數(shù)數(shù)為=13則大齒輪的齒數(shù)數(shù)為 Z22=133.5=445.5 取大齒輪輪的齒數(shù)為446取模數(shù)為m=22，則分度圓圓直徑 d11=mz1=213=266 d2=mmz2=246=922齒寬 大端齒頂高 大端齒根高 大端齒頂圓直徑徑 （大角=74.055）錐齒輪的校核可可按平均分度度圓處的當量量圓柱齒輪進進行計算。按齒根彎曲疲勞勞強度計算，其其公式為： 其其中按齒面接觸疲勞勞強度計算，其其公式為： 經(jīng)校核 齒輪符合強度條條件。3.10帶輪的的設(shè)計我設(shè)計的檢測裝裝置中，帶輪輪的作用就是是將大齒輪軸軸上的動力原原封不動的傳傳遞給帶有輪輪胎的軸，沒沒有速度的改改變。所以帶帶輪的設(shè)計不

46、不必考慮傳動動比的問題。因因而我所設(shè)計計的帶輪只要要滿足強度要要求即可。摩摩擦帶容易打打滑，這是管管道機器人絕絕對不允許的的，因為一旦旦出事，就無無法將機器人人從管道中取取出來。所以以采用嚙合帶帶，也就是同同步帶，其特特點如下：1傳動準確，工工作時無滑動動，具有恒定定的傳動比；2.傳動平平穩(wěn)，具有緩緩沖、減振能能力，噪聲低低；3.傳動動效率高，可可達0.988，節(jié)能效果果明顯；4.維護保養(yǎng)方方便，不需潤潤滑，維護費費用低；5.速比范圍大大，一般可達達10，線速速度可達500m/s，具具有較大的功功率傳遞范圍圍，可達幾瓦瓦到幾百千瓦瓦；6.可用用于長距離傳傳動，中心距距可達10mm以上。帶輪的結(jié)

47、構(gòu)如圖圖所示，其外外徑為32.8mm。齒齒高1.144mm齒形角角40度，齒齒根厚1.114mm。節(jié)節(jié)距為2.0032mm。 圖12帶輪其通過鍵連接在在軸上。3.11鍵的選選擇鍵與花鍵聯(lián)接是是最常見的輪輪轂聯(lián)接方式式，屬可拆卸卸聯(lián)接。鍵與與花鍵主要用用于軸與回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)零件輪轂間間周向固定和和傳遞轉(zhuǎn)矩，有有的還可以實實現(xiàn)軸向固定定和傳遞軸向向力。此測量裝置的輪輪胎，齒輪，皮皮帶都是通過過普通平鍵來來連接來實現(xiàn)現(xiàn)傳動的。這這是因為，平平鍵結(jié)構(gòu)簡單單，拆裝方便便，對中性較較好。平鍵的的橫截面是矩矩形，平鍵的的上下表面相相互平行。它它的兩個側(cè)面面是工作表面面，與鍵槽有有配合關(guān)系，工工作時，靠鍵鍵和鍵槽側(cè)面

48、面的擠壓和鍵鍵受剪切傳遞遞轉(zhuǎn)矩。鍵的的頂面和輪轂轂鍵槽的底面面之間留有間間隙，不影響響輪轂與軸的的對中。 4測量系統(tǒng)原理理及設(shè)計4.1測量系統(tǒng)統(tǒng)的原理測量機構(gòu)采用超超聲波脈沖測測厚原理，基基本原理為: 超聲波換換能器(探頭頭) 發(fā)出的的超聲波一部部分在外表面面被反射回換換能器, 如如圖12 (a) 所示; 一一部分如圖112 (b) 所示, 在在涂層與基體體的接觸面反反射回換能器器; 還有一一些發(fā)生多次次反射, 如如圖12 (c) 所示。假設(shè)設(shè)超聲波在外外表面反射回回換能器所用用的時間是tt1,在接觸面面反射回換能能器的時間是是t2 ,超聲波波在涂層內(nèi)的的傳播速度是是c，那么涂涂層的厚度ll為

49、：l=cc(t2-t1)。圖 13 超聲聲波測量涂層層厚度原理圖圖霍爾傳感器是測測量車輪轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)的傳感器。它它由磁鋼和霍霍爾元件組成成。將一個非非磁性圓盤固固定裝在車輪輪轉(zhuǎn)軸上，圓圓盤邊緣用環(huán)環(huán)氧樹脂等距距離粘貼塊狀狀磁鋼磁鋼采采用永久磁鐵鐵分割成的小小磁塊，霍爾爾元件固定在在距圓盤平面面1-3mmm處，當磁塊塊與霍爾元件件相對位置發(fā)發(fā)生變化時，通通過霍爾元件件的感磁面的的磁場強度就就會發(fā)生變化化。圓盤轉(zhuǎn)動動，磁塊靠近近霍爾元件。穿穿過霍爾元件件的磁場較強強，當圓盤轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)到使霍爾元元件處于磁塊塊之間時，磁磁力線分散，霍霍爾元件輸出出低電平，當當磁場減弱時時輸出高電平平。從而使得得車輪在轉(zhuǎn)動動過程中

50、，霍霍爾開關(guān)集成成電路輸出連連續(xù)脈沖信號號。4.2測量系統(tǒng)統(tǒng)的傳感器的選選擇超聲波傳感器根根據(jù)工作原理理可分為壓電電式、磁質(zhì)伸伸縮式、電磁磁式等多種，其其中以壓電式式最為常用。壓壓電式超聲波波探頭常用的的材料是壓電電晶體和壓電電陶瓷。這種種傳感器統(tǒng)稱稱為壓電式超超聲波探頭。它它是利用壓電電材料的壓電電效應(yīng)來工作作的，逆壓電電效應(yīng)將高頻頻電震動轉(zhuǎn)換換成高頻機械械振動，從而而產(chǎn)生超聲波波，可作為發(fā)發(fā)射探頭；兒兒利用正壓電電效應(yīng)，將超超聲波轉(zhuǎn)換為為電信號，可可作為接收探探頭。根據(jù)用途的不同同，壓電式超超聲波探頭有有多種結(jié)構(gòu)，如如直探頭、斜斜探頭、雙探探頭等。本設(shè)設(shè)計中選用的的是直探頭，因因為本裝置一

51、一般工作在常常溫環(huán)境下，所所以選用常規(guī)規(guī)的超聲波直直探頭就可滿滿足要求。超超聲波的發(fā)射射和接收電路路如下：圖14 超聲波波發(fā)射電路圖15 超聲聲波接收電路路4.3測量系統(tǒng)統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計計測量系統(tǒng)是由三三個傳感器、繼繼電器、單片片機、以及電電磁鐵組成。 圖16測量系統(tǒng)統(tǒng)的結(jié)構(gòu)兩個傳感器在同同一圓周上，測測量圓周上不不同點的涂層層厚度。它們們被固定在兩兩個套筒中，前前端和尾部都都有彈簧，尾尾部的彈簧另另一端裝有磁磁鐵，磁鐵的的對面安裝有有電磁鐵，根根據(jù)磁鐵同性性相吸，異性性互斥的原理理，通過對電電磁鐵通斷電電的控制，來來控制傳感器器的移動。即即當電磁鐵通通電時，傳感感器被頂出，進進行測量，當當電磁鐵

52、斷電電時，傳感器器在彈簧的作作用下，收縮縮回套筒，結(jié)結(jié)束測量。其其結(jié)構(gòu)如圖116所示。電電磁鐵產(chǎn)生的的電磁力隨著著流過線圈的的電流的大小小變化而變化化，因此可根根據(jù)需要人為為進行調(diào)節(jié)。磁場強度的計算公式：H = N I / Le 式中：H為磁場強度，單位為A/m；N為勵磁線圈的匝數(shù)；I為勵磁電流（測量值），單位為A；Le為測試樣品的有效磁路長度，單位為m。磁感應(yīng)強度計算算公式：B = / (N Ae) 式中：B為磁感感應(yīng)強度，單單位為Wb/m2；為感應(yīng)磁通通（測量值），單單位為Wb；N為感應(yīng)線線圈的匝數(shù)；Ae為測試試樣品的有效效截面積，單單位為m22。 然后根根據(jù)F=BIILSINaa就可以確

53、定定電磁力的大大小了。本裝裝置中電磁鐵鐵提供的電磁磁力足以將傳傳感器頂出4.4步進電機機的選擇步進電機的作用用主要是為了了滿足被測量量管道在同一一徑向圓上不不同點的涂層厚度的要要求?？紤]到到步進電機所所帶負載小，所所以選用422BYG3001,電壓112v，靜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩0.255N.m.其其外形圖為： 圖17步進電機機5 電氣系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計5.1 電氣系系統(tǒng)方案的分分析與確定為了實現(xiàn)對測量量系統(tǒng)的自動動控制，本設(shè)設(shè)計采用單片片機對此裝置置的行走機構(gòu)構(gòu)進行控制。通通過控制直流流電機的正反反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)測測量裝置的前前進，后退。通通過80511單片機和繼繼電器開關(guān)對對2個超聲波波傳感器進行行控制，以達達到兩個

54、傳感感器不同時測測量的目的，單片機與上位位機可以進行行串行通訊，從從而實現(xiàn)測量量裝置與外界界的交流。兩個傳感器器是靠步進電電機控制的，因因為步進電機機可實現(xiàn)精確確角度的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，步進電機機通過單片機機進行控制。此裝置的工作過程為單片機接受上位機的指令在管道中行進，當需要測量時由單片機控制其停下，再由單片機執(zhí)行上位機傳來的指令控制步進電機旋轉(zhuǎn)角度，從而實現(xiàn)對管道涂層厚度不同點的測量。5.2 電氣系系統(tǒng)的硬件設(shè)設(shè)計5.2.1 單單片機的選擇擇本系統(tǒng)選用單片片機為控制單單元。單片微微型計算機（SSinglee Chipp Micrrocompputer）簡簡稱單片機，又又稱微控制機機器（Miccroc

55、onntrolller Unnit）或者者嵌埋式控制制器(Embbeddedd Conttrolleer)。它是是計算機的基基本部件微型型化，使之集集成在一塊芯芯片的微機。片片內(nèi)含有CPPU ROM RAM 并行I/OO 串行I/O 定定時器/計數(shù)數(shù)器 中斷控制制 系統(tǒng)時鐘鐘及系統(tǒng)總線線等。單片機機有著體型小小 功耗低 功能強 性價比高高 易于推廣廣應(yīng)用等顯著著優(yōu)點，在自自動化裝置 智能化儀儀器與儀表過程控制和和家電控制等等許多領(lǐng)域得得到日益廣泛泛的應(yīng)用。 目前前單片機的種種類很多，本本次設(shè)計選用用應(yīng)用最普遍遍的MCS-51系列單單片機中的88051單片片機。MCSS-51系列列單片機主要要有

56、三種型號號的產(chǎn)品：88031、8051和8751。該該系列產(chǎn)品是是集中CPUU、I/O端口及及部分RAMM等為一體完完整的微機控控制系統(tǒng)，并并且開發(fā)手段段完備，指令令系統(tǒng)功能強強，編程語言言豐富靈活性性大，硬件資資料很豐富。三三種型號的引引腳完全相同同，僅在內(nèi)部部結(jié)構(gòu)上有少少許差異?？煽梢哉f80331是沒有ROMM的8051，而而8751又是是用EPROOM代替ROM的8051。目目前，工業(yè)控控制中應(yīng)用最最多的是80051單片機。8051單片機機的基本特性性（1）.具有88位中央處理理單元（CPPU）。（2）.一般外外接晶振頻率率為12MHHz，指令周周期為1s，每執(zhí)行一一條指令時間間絕大多數(shù)

57、為為1s2s，最長為4s。（3）.片內(nèi)具具有128字節(jié)的的RAM。（4）.具有221個特殊功功能寄存器。（5）.可尋址址64k字節(jié)的的片外數(shù)據(jù)存存儲器和644k的片外程程序存儲器。（6）.具有44個8位的并行I/O端口、具具有一個全雙雙工導(dǎo)步串行行I/O端口，共共32根I/O線。（7）.具有55個中斷源，配配備兩個優(yōu)先先級。（8）.具有兩兩個16位定時器器/計數(shù)器。（9）.具有位位尋址能力，邏邏輯運算靈活活。 80551的大部分指指令為1字節(jié)或者字字節(jié)，最長為為3字節(jié)。此外外，8051所具有的乘乘除法指令、多多種形式的位位操作類指令令和邏輯運算算類指令也是是獨具特色的的。 MCS-51系系列單

58、片機的的引腳及其功功能MCS-51單單片機是一個個具有40根引腳的的雙列直插式式器件，引腳腳圖及其功能能分類如圖44所示。其引引腳功能如下下：Vcc：編程和和正常操作時時的電源，電電壓為+5VV。Vss：接地端端。XTAL1：接接外部晶體的的一個引腳。當當單片機采用用外部時鐘信信號時，次腳腳應(yīng)接地。XTAL2：接接外部晶體的的一個引腳。當當單片機采用用外部時鐘信信號時，外部部時鐘信號由由此引腳接入入。RST/Vpdd：復(fù)位控制制輸入，再振振蕩器運行時時，使RSTT腳至少保持持兩個機器周周期為高電平平，可實現(xiàn)復(fù)復(fù)位操作。CCPU通過執(zhí)執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位位來響應(yīng)，在在RST為高電電平的第二周周期時執(zhí)行內(nèi)

59、內(nèi)部復(fù)位。在在Vcc關(guān)斷前前加上Vpdd（掉電保護護），RAMM的內(nèi)容將不不變。：訪問外部存儲儲器時，用于于鎖存地址底底字節(jié)的地址址鎖存允許輸輸出。即使不不訪問外部存存儲器，ALLE以震蕩頻頻率的1/66為固定頻率率輸出，因而而它能用作外外部時鐘或定定時 。ALE主要是是提供一個定定時信號，再再從外部程序序存儲器取指指時把P0口的底地地址字節(jié)鎖存存到外接的鎖鎖存器中，每每個機器周期期ALE有效兩兩次。這個引引腳也是EPPROM編程程時的編程脈脈沖輸入。：程序存儲器允允許。輸出讀讀外部程序存存儲器的選通通信號。取指指令操作期間間，的頻率為為振蕩頻率的的1/6；但若若此期間有訪訪問外部數(shù)據(jù)據(jù)存儲器

60、的操操作，則有一一個機器周期期中的信號將將不出現(xiàn)。：當=0時，單單片機只訪問問外部程序存存儲器。對88031此引引腳必須接地地。=1時，單片片機只訪問內(nèi)內(nèi)部程序存儲儲器。對80051和8751此引引腳應(yīng)接高電電平，但若是是地址超過44K范圍（0FFFFH），則則單片機將自自動訪問外部部程序存儲器器。在87551單片機內(nèi)內(nèi)的EPROOM編程期間間，此引腳引引入編程電源源。P0口：一個88位的開漏雙雙向I/O口口，數(shù)據(jù)/外外部存儲器低低8位地址總總線端口，在在程序檢驗時時它也輸入指指令字節(jié)，PP0口能吸入入8個LSTTTL輸入。P1口：具有提提升電阻的88位雙向I/O接口，專專門供用戶使使用，在程