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1、 本 科 毕 业 设 计 第 35 页 共 35 页Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.1 引言言 管管道运输是是当今五大大运输方式式之一，已已成为油气气能源运输输工具。目目前，世界界上石油天天然气管道道总长约2200万kkm，我国国长距离输输送管道总总长度约22万km。国家重点点工程“西气东输输”工程，主主干线管道道(管径11118mmm)全长长41677km，其其主管道投投资3844亿元，主主管线和城城市管网投投资将突破破10000亿元。世界上约有有50%的的长距离运运输管道要要使用几十十
2、年、甚至至上百年时时间，这些些管道大都都埋在地下下、海底。由于内外外介质的腐腐蚀、重压压、地形沉沉降、塌陷陷等原因，管管道不可避避免地会出出现损伤。在世界管管道运输史史上，由于于管道泄漏漏而发生的的恶性事故故触目惊心心。据不完完全统计，截截至19990年，国国内输油管管道共发生生大小事故故628次次。19886到2bb00年期期间美国天天然气管道道发生事故故11844起，造成成55人死死亡、2110人受伤伤，损失约约2. 55亿美元。因此，研研究管道无无损检测自自动化技术术，提高检检测的可靠靠性和自动动化程度，加加强在建和和在役运输输管道的检检测和监测测，对提高高管线运输输的安全性性具有重要要
3、意义。1.1管道道涂层检测测装置的发发展、现状状和前景1.1.11管道涂层层检测装置置的发展管内作业机机器人是一一种可沿管管道自动行行走,携有有一种或多多种传感器器件和作业业机构,在在遥控操纵纵或计算机机控制下能能在极其恶恶劣的环境境中进行一一系列管道道作业的机机电仪一体体化系统.对较长距距离管道的的直接检测测、清理技技术的研究究始于本世世纪50年年代美、英英、法、德德、日等国国,受当时时的技术水水平的限制制,主要成成果是无动动力的管内内检测清理理设备PIG,此类设备备依靠首尾尾两端管内内流体的压压力差产生生驱动力,随着管内内流体的流流动向前移移动,并可可携带多种种传感器.由于PIIG本身没没
4、有行走能能力,其移移动速度、检测区域域均不易控控制,所以以不能算作作管内机器器人.图11所示为一一种典型的的管内检测测PIG5. 这种PIIG的两端端各安装一一个聚氨脂脂密封碗,后部密封封碗内侧环环向排列的的伞状探头头与管壁相相接触,测测量半径方方面的变形形,并与行行走距离仪仪的旋转联联动,以便便使装在PPIG内部部的记录仪仪记录数据据.它具有有沿管线全全程测量内内径,识别别弯头部位位,测量凹凹陷等变形形部位及管管圆度的功功能,并可可以把测量量结果和检检测位置一一起记录下下来. 770年代以以来,石油油、化工、天然气及及核工业的的发展为管管道机器人人的应用提提供了广阔阔而诱人的的前景,而而机器
5、人学学、计算机机、传感器器等理论和和技术的发发展,也为为管内和管管外自主移移动机器人人的研究和和应用提供供了技术保保证.日、美、英、法、德等等国在此方方面做了大大量研究工工作,其中中日本从事事管道机器器人研究的的人员最多多,成果也也最多。 图1管管内检测典典型PIGG样机在已实现的的管内作业业机器人中中,按照其其行动方式式可分为轮轮式、履带带式、振式式、蠕动式式等几类：(1) 轮轮式管内机机器人由于轮式驱驱动机构具具有结构简简单,容易易实现,行行走效率高高等特点,对此类机机器人的研研究比较多多.机器人人在管内的的运动,有有直进式的的(即机器器人在管内内平动)也也有螺旋运运动式的(即机器人人在管
6、内一一边向前运运动,一边边绕管道轴轴线转动);轮的布布置有平面面的,也有有空间的.一般认为为,平面结结构的机器器人结构简简单,动作作灵活,但但刚性、稳稳定性较差差,而空间间多轮支撑撑结构的机机器人稳定定性、刚性性较好,但但对弯管和和支岔管的的通过性不不佳.轮式式载体的主主要缺点是是牵引力的的提高受到到封闭力的的限制.图图2所示为为日本的MM.Miuura等研研制的轮式式螺旋推进进管内移动动机器人。(2) 履履带式管内内机器人履带式载体体附着性能能好,越障障能力强,并能输出出较大的牵牵引力.为为使管内机机器人在油油污、泥泞泞、障碍等等恶劣条件件下达到良良好的行走走状态,人人们又研制制了履带式式管
7、内机器器人.但由由于结构复复杂,不易易小型化,转向性能能不如轮式式载体等原原因,此类类机器人应应用较少.图2所示为日日本学者佐佐佐木利夫夫等研制的的履带式管管内移动机机器人113,其其驱动轮可可变角度以以适应管径径的变化,可通过圆圆弧过渡的的90度弯弯管. 图2轮式螺螺旋推进管管内移动机机器人总体体结构图图3 轮式式螺旋推进进管内移动动机器人驱驱动系统图图(3) 振振动式管内内机器人振动可以使使物体的位位置改变,根据这一一原理,日日本学者森森光武则等等提出了的的振动式管管内移动机机器人。其其原理为:在机器人人的外表面面装有若干干与机体成成一定角度度的弹性针针,靠弹性性针的变形形使其压紧紧在管壁
8、上上.机身内内装有偏心心重物,由由电机驱动动.当偏心心重物旋转转时,离心心力使弹性性针变形,滑动,从从而带动机机器人移动动.振动式式管内机器器人结构简简单,容易易小型化,但行走速速度难以控控制,而且且振动使机机器人沿圆圆周方向自自转,姿态态不稳定,另外,振振动对传感感器的工作作和寿命均均会产生影影响.(4) 蠕蠕动式管内内机器人参考蚯蚓、毛虫等动动物的运动动,人们研研制了蠕动动式管内机机器人。其运动是是通过身体体的伸缩(蠕动)实实现的:首首先,尾部部支承,身身体伸长带带动头部向向前运动,然后,头头部支承,身体收缩缩带动尾部部向前运动动,如此循循环实现机机器人的行行走.图33所示为日日本日历制制
9、作所研制制的蠕动式式管内机器器人,其前前后两部分分各有8条条气缸驱动动的可伸缩缩支撑足,中部有一一气缸作为为蠕动源。 国内在管管道机器人人方面的研研究起步较较晚，而且且多数停留留在实验室室阶段。哈哈尔滨工业业大学邓宗宗全教授在在国家8663”计划课题题“X射线检检测实时成成像管道机机器人的研研制”的支持下下，开展了了轮式行走走方式的管管道机器人人研制，如如图3所示示。该机器器人具有以以下特点: (1)适应大管管径(大于于或等于9900mmm)的管道道焊缝X射射线检测。(2)一一次作业距距离长,可可达2kmm。(3)焊缝寻址址定位精度度高为5mm。(4)检检测工效高高,每道焊焊缝(9000mm为
10、为例)检测测时间不大大于3miin;实现现了管内外外机构同步步运动作业业无缆操作作技术, 并研制了了链式和钢钢带式两种种新型管外外旋转机构构,课题研研究成果主主要用于大大口径管道道的自动化化无损检测测8。上上海大学研研制了“细小工业业管道机器器人移动探探测器集成成系统”。其主要要包含200mm内径径的垂直排排列工业管管道中的机机器人机构构和控制技技术(包括括螺旋轮移移动机构、行星轮移移动机构和和压电片驱驱动移动机机构等)、机器人管管内位置检检测技术、涡流检测测和视频检检测应用技技术,在此此基础上构构成管内自自动探测机机器人系统统。该系统统可实现220mm管管道内裂纹纹和缺陷的的移动探测测9。
11、图4 蠕动式管内移动机器人 1.1.22测量方法法的研究进进展 按有有无破坏性性,表面涂镀镀层厚度测测试方法可可分为有损损检测和无无损检测。有损检测测方法主要要有计时液液流测厚法法、溶解法法、电解测测厚法等,这种方法法一般比较较繁琐,主要用于于实验室。目前也有有便携式测测厚仪,适合在现现场使用。常用的无无损检测方方法有库仑仑-电荷法、磁性测厚厚法、涡流流测厚法、超声波测测厚法和放放射测厚法法等，各种种无损测厚厚法均有成成型的仪器器设备,使用起来来方便简单单,且无需对对表面涂镀镀层进行破破坏1 。因此,该类方法法在管道涂涂层的测量量中已得到到了广泛的的应用。常用的无损损涂层测量量方法有磁磁性测厚
12、电涡流测测厚磁性/涡涡流测厚超声波测测厚等（1）磁性性测厚 磁性测厚厚法可分为为2 种:磁吸力测测厚法和磁磁感应测厚厚法。磁吸吸力测厚法法的测厚原原理: 永永久磁铁(测头)与与导磁钢材材之间的吸吸力大小与与处于这两两者之间的的距离成一一定比例关关系,这个个距离就是是覆层的厚厚度。利用用这一原理理制成测厚厚仪,只要要覆层与基基材的导磁磁率之差足足够大,就就可进行测测量。测厚厚仪基本结结构由磁钢钢、接力簧簧、标尺及及自停机构构组成。磁磁钢与被测测物吸合后后,将测量量簧在其后后逐渐拉长长,拉力逐逐渐增大。当拉力刚刚好大于吸吸力,磁钢钢脱离的一一瞬间记录录下拉力的的大小即可可获得覆层层厚度22。新型型
13、的产品可可以自动完完成这一记记录过程。 磁感应应测厚法的的基本原理理:利用基基体上的非非铁磁性涂涂覆层在测测量磁回路路中形成非非铁磁间隙隙,使线圈圈的磁感应应强度减弱弱;当测量量的是非铁铁磁性基体体上的磁性性涂镀层厚厚度时,则则随着涂镀镀层厚度的的增加,其其磁感应强强度也会增增加。利用用磁感应原原理的测厚厚仪,原则则上可以测测量导磁基基体上的非非导磁覆层层厚度,一一般要求基基材导磁率率在5000 H /m以上。如果覆层层材料也有磁性性,则要求求与基材的的导磁率之之差足够大大(如钢上上镀镍) 。磁性原理测测厚仪可用用来精确测测量钢铁表表面的油漆漆层,瓷、搪瓷防护护层,塑料料、橡胶覆覆层,包括括镍
14、铬在内内的各种有有色金属电电镀层以及及化工石油油行业的各各种防腐蚀蚀涂层。其其特点是操操作简便、坚固耐用用、不用电电源、测量量前无须校校准、价格格较低,适适合车间做做现场质量量控制。（2）电涡涡流测厚涡流测厚仪仪是根据涂涂镀层与基基体材料的的导电性有有足够的差差异来进行行金属基材材上涂覆层层的物性膜膜厚来测量量的。该方方法实质上上也属于电电磁感应原原理,但能能否采用该该方法进行行厚度测定定,与基体体及涂镀层层材料的导导电性有关关,而与其其是否为磁磁性材料无无关。其工工作原理为为:高频交交流信号会会在测头线线圈中产生生电磁场,当测头靠靠近导体时时,就在其其中形成涡涡流。测头头离导电基基体愈近,则
15、涡流愈愈大,反射射阻抗也愈愈大。这个个反馈作用用量表征了了测头与导导电基体之之间距离的的大小,也也就是导电电基体上非非导电覆层层厚度的大大小。由于于这类测头头专门测量量非铁磁金金属基材上上的覆层厚厚度,所以以通常称之之为非磁性性测头。非非磁性测头头采用高频频材料做线线圈铁芯,例如铂镍镍合金或其其他新材料料。与磁感感应原理比比较,主要要区别是不不同的测头头、不同的的信号频率率和大小及及不同的标标度关系。采用电涡流流原理的测测厚仪,主主要是对导导电体上的的非导电体体覆层厚度度的测量,但当覆层层材料有一一定的导电电性时,通通过校准也也同样可以以测量,只只是要求两两者的导电电率之比至至少相差335倍(
16、如铜上镀镀铬) 。（3）磁性性/涡流测测厚磁性测厚和和涡流测厚厚均有缺点点,为此,很多厂家家将两者综综合在一起起进行测定定,采用的的探头有33种: FF型、N型型和FN型型。其中FF型探头采采用磁感应应原理,可可用于钢铁铁上的非磁磁性涂镀层层,如油漆漆、塑料、搪瓷、铬铬和锌等; N型探探头采用涡涡流原理,用于有色色金属(如如铜、铝、奥氏体不不锈钢)上上的绝缘层层,如阳极极氧化膜、油漆和涂涂料等;而而FN型探探头同时具具有F和NN型探头的的功能,利利用两用型型探头,可可实现在磁磁性和非磁磁性基体上上自动转换换测量33 。目目前开发比比较成熟的的磁性测厚厚仪有时代代公司的TTT2200, 德国国E
17、PK 公司开发发的M IIN ITTEST44100 /31000 /22100 /11000系列测测厚仪和PPHYN IX公司司的Surrfix/Pockket2SSurfiix便携式式涂镀层测测厚仪,可可以方便地地实现各种种条件下的的无损测厚厚。（4） 超声波测厚厚超声波测厚厚仪是利用用超声波脉脉冲反射原原理,通过过发射的超超声波脉冲冲至涂层/ 基材,计算脉冲通通过涂层/ 基材界界面反射回回发射器所所花的时间间来计算涂涂层的厚度度。仪器通通过一个发发射器发射射高频超声声波进入涂涂层,振动动波会穿透透涂层,遇遇上不同力力学性能的的材料(如如基材) 时,振动动波会在不不同材料的的界面部分分反射
18、和传传递。反射射部分会被被感应器接接收,传递递的振动波波继续传递递到底材,同样经历历着所有材材料界面间间的反射、传递过程程。传感器器将反射波波转换成电电信号,这这些信号会会被仪器数数码化,数数码化反射射波被分析析后,便得得到振荡波波所花的确确切传递时时间5。从而计计算出涂层层的厚度。超声波测厚厚仪可用于于测量多种种材料的厚厚度,如钢钢、铁、塑塑料和玻璃璃等。新型型的超声波波测厚仪可可以一次测测量即可测测定多层涂涂层的总厚厚度及指定定的各层厚厚度,且精精度很高。1.1.33管内作业业机器人的的发展前景景为了使管内内作业机器器人能够尽尽快地走出出实验室,进入实用用化阶段,必须在以以下几个方方面有所
19、突突破。（1） 灵活可靠靠的行走机机构前面已经提提到,管内内作业机器器人在弯管管、支岔管管中的通过过性问题仍仍未解决。而要解决决这一问题题，首先要要在机构上上保证机器器人能够在在这些特殊殊环境中顺顺利行走.如何寻找找一种融合合各种机构构优点,既既能够提供供较大的牵牵引力，又又快速灵活活，可靠性性高的驱动动方案是值值得研究的的问题.另另外，还特特别要在动动力系统、传动机构构的小型化化方面下工工夫。应该该指出的是是，要解决决管内机器器人的通过过性问题,除了要在在机械结构构方面推陈陈出新之外外,还应该该结合控制制方案来考考虑。例如如前述日本本于19994年推出出的BEAAGLE2200管内内探伤系统
20、统,采用33台电机分分别驱动空空间均布的的3个主动动轮，虽然然机构较复复杂，但由由于3个驱驱动轮可分分别控制，从从而为提高高其在弯管管段的通过过性提供了了可能。（2） 智智能化的传传感器系统统对管道内部部这类非结结构化环境境，现有的的管内作业业机器人中中的传感器器或无法正正常发挥作作用,或过过多地依赖赖人的介入入，已经不不能满足其其发展的需需要。经过过多年的实实践，人们们已经认识识到传感器器的集成,即多种传传感器(光光,机,电电,仪)的的综合运用用是解决上上述问题的的有效手段段。特别是是以摄像机机为基础的的视觉传感感器，由于于其直观性性，应引起起足够的重重视。同时时，先进的的感知算法法的研究是
21、是必要的，只只有将感知知算法与传传感器的硬硬件结合起起来，形成成智能化的的传感器，才才能为提高高管内作业业机器人的的控制水平平打下良好好的基础。（3） 高高度自治的的控制系统统在管道内部部复杂的环环境中，为为减轻操作作人员的负负担，机器器人具有自自主能力是是必要的。但这有赖赖于先进的的传感器技技术，特别别是管内环环境识别技技术作保证证。例如，目目前已有人人在机械手手控制中引引入视觉伺伺服技术，即即利用视觉觉传感器来来实现机械械手的位置置闭环控制制。视觉对对管内机器器人具有重重要意义，利利用视觉,可以：确定作业业位置；识别管内内环境(是是否拐弯,是否有枝枝杈等)；识别机器器人的姿态态(是否有有转
22、体,相相对于作业业位置的距距离等)。在管内作业业机器人中中采用视觉觉伺服技术术,可以有有效地克服服现有传感感器的不足足，有利于于提高其控控制性能和和自主能力力,并对其其智能化进进程有重要要意义。目目前的关键键问题是如如何提高图图像处理的的速度，神神经网络、人工智能能的引入将将有助于解解决这一问问题。另外外，先进的的控制策略略，如路径径规划，控控制器参数数的在线优优化等的研研究也必将将使管内作作业机器人人的智能化化水平得到到进一步的的提高。1.2本次次设计的目目的 通过过本次毕业业设计，达达到温习巩巩固以前所所学的所有有知识，并并将其在实实际设计中中加以的运运用。熟悉悉一般工程程设计的步步骤方法
23、：调研收集集资料，方方案论证比比较，确定定方案，完完成管道涂涂层厚度检检测装置的的设计，绘绘制装配图图及零件图图等图纸。2 总体体方案的设设计2.1管道道涂层厚度度检测装置置的技术要要求该设备能在在管道中行行走的，采采集管道中中各处的涂涂层厚度，采采集到的数数据能实现现远程传送送。本设计计主要包括括行走系统统机构、测测量机构和和控制部分分，要求实实现测量系系统在管道道中行走，行行走速度为为0.5mm/minn。2.2主要要技术参数数 本次次设计的管管道内防腐腐涂层厚度度测量仪的的具体指标标如下：1.内径：200mmm 2管管道长度2200m3涂层测量量范围0500m 4误差差（13）m5行走速
24、度度500mmm/miin 6工作环环境温度00502.3总体体方案的分分析与确定定该测量装置置由行走系系统机构、测量机构构和控制部部分 构成成。行走机机构和测量量机构要通通过80551单片机机接受上位位机的控制制，进行自自动行走和和测量，并并将所测得得的数据进进行整理计计算传送到到上位机。行走系统是是由一个直直流电动机机通过齿轮轮减速机构构和带传动动驱动两个个驱动轮，从从而实现整整个测量装装置的前进进和后退。测量机构构采用超声声波传感器器，其原理理是利用超超声波的反反射法，通通过记录回回波信号的的时间差来来计算出涂涂层的厚度度。本装置置中采用两两个传感器器呈180布布置，可同同时测量两两个点
25、的涂涂层厚度。在实际的测测量中要求求随时确定定测量装置置的确切位位置即测量量装置在管管道内行走走的距离。为了得到到测量装置置在管道中中行走的距距离，专门门设计了计计程轮，此此轮上安装装了霍尔元元件，通过过霍尔元件件采集的脉脉冲数可得得到轮子所所转圈数，从从而得出测测量装置行行进的距离离。控制系统以以单片机88051为中心心，它控制制着直流电电机机器人的的动力源的的前进、后后退和停止止、2个传感器器的通断，并并将厚度信信号和转换换信号进行行处理，传传送给上位位机，接受受上位机的的监控。其框图如下下：处理电路8051单片机霍尔元件继电器开关两个传感器接口电路计算机 电机驱动电路图5 测量量装置整体
26、体框图3 机械结结构设计3.1管道道涂层测厚厚装置的运运动原理微型管道机机器人采用用了有缆驱驱动的驱动动方式,其其运动机理理由两组车车轮沿径向向呈三等分分均布,其其中四个从从动轮在扇扇形齿轮的的作用下被被支撑在管管道的内壁壁上，另外外两个则是是驱动轮。电机带动动锥齿轮旋旋转，从而而使得装有有皮带轮的的轴转动，车车轮随之转转动。由于于车轮与管管壁之间的的摩擦力，车车体便可以以在管中前前进或后退退。尾部还还有一个柔柔性的计程程轮，其作作用：1.计算小车车前进的距距离。2.支撑车体体，保持平平衡。3.2管道道涂层测厚厚装置行走走机构的设设计机器人的移移动机构具具有结构紧紧凑和较大大的负载能能力,满足
27、足管道内行行走的基本本条件。移移动机构的的前后两组组支撑中,三个车轮轮都是沿径径向均匀分分布的,而而前后两部部分都是沿沿轴向对称称的,支撑撑点共六个个,因此满满足形封闭闭条件。当当移动机构构行走时,三个轮子子呈径向均均匀分布,三点确定定一个平面面,三点始始终在一个个圆柱面上上,因此可可以实现自自定心,在在支撑装置置的作用下下,驱动轮轮被紧紧压压在管道内内壁上,具具有较强的的适应性。整个系统统由于利用用了对称性性,抵消了了机器人在在运动过程程中各方面面不平衡力力偶的干扰扰,从而使使所有的力力集中到电电机运转轴轴线上所在在的竖直平平面上,同同时,又在在通过电机机轴线的竖竖直平面上上保证机器器人的重
28、心心与电机运运转轴心之之间适当的的距离,从从而保证了了整个机器器人运行过过程中的平平稳性。3.3电动动机的选择择由于管道的的直径很小小，所以根根据尺寸选选择j555ZYTPX微型型减速电机机。其减速速比为2116.输出出转速为114r/mmin。输输出转矩1187300mN.mm。其计算过程程为：车轮与管壁壁的摩擦系系数为=00.8 车车体的重量量为50kg G=mmg=50010N=500NN压紧机构产产生的压紧紧力为5000N则：车体对对管壁的正正压力N=10000NF=N=0.8N=8000N电动机所需需要的工作作功率为 各轴输入功功率为： 各轴的输入入转矩： 所以所选的电机符合条件。3
29、.4传动的总体方案设计此测量装置在500mm/min的速度下前进，速度比较低。初选车轮直径为40mm则此时车轮的角速度以及减速后最终的角速度为： =60v/(d)=60500/3.144060=3.98r/min由于电机的初速度为14 r/min，由传动比公式i=14/w=14/3.98=3.5 所以传动比i=3.5我选用直齿圆锥齿轮来传递能量和动力。因为其可以实现两相交轴之间的传动。锥齿轮设计、制造及安装均较简单，用于低速传动，非常适合此装置的要求。考虑到机器人在前进过程中要托缆，因此将此机器人设计成前后轮共同驱动的方式，以获得较大的牵引力。由于尺寸限制，只能将轮放在另外一根轴上，用皮带将两
30、轴连接起来，它没有调速的作用，只需使两轴具有同样的旋转速度。3.5压紧装置的设计压紧装置主要是为了让机器人能够撑紧管壁，从而达到平稳前进的目的。我所设计的压紧装置是通过一个扇形齿轮和一个齿条的相互啮合实现的。具体如图6所示： 图6 压紧装置此结构的原理非常简单，但却很实用。当管壁直径变化时，压紧轮就会以销轴为中心，进行旋转，同时齿条就会因为啮合的作用前后移动，弹簧也跟着压缩或拉长。以此来调节适当的压紧力，保证车体的平衡。3.6计程轮的设计计程轮的设计是为了知道车体在管道中行进的距离，已达到正确测量管道中某点涂层厚度的目的。计程轮设计如图6所示，它的结构比较简单，是用四个导向螺钉将轮固定在支撑体上，导向螺钉上装有压缩弹簧，压缩弹簧的一端连在支架上，另一端连在支撑体上，由此支架可以沿着导向螺钉的方向上下移动，而车轮通过销轴连在支架上，可以随支架一起运动，以保证计程轮始终与地面接触。计程轮上安装有霍尔传感器。霍尔传感器就是利用霍尔效应原理，通过磁场、电流对被测量的控制，使包含有被测量变化信息的霍尔电压发生变化，在利用后继的信号检索和信号放大电路，就可以得到被测量脉冲信号的信息。正因为霍尔传感器的基本原理霍尔效应只包含了磁场、电流、电压三个常用物理量，使得采用霍尔传感