11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。由于內外介質的腐蝕、重壓、地形沉降、塌陷等原因，管道不可防止地會出現損傷。在世界管道運輸史上，由于管道泄漏而發生的惡性事故觸目驚心。據不完全統計，截至1990年，國內輸油管道共發生大小事故628次。1986到2b00年期間美國天然氣管道發生事故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，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測，對提高管線運輸的平安性具有重要意義。1.1管道涂層檢測裝置的開展、現狀和前景1.1.1管道涂層檢測裝置的開展管內作業機器人是一種可沿管道自動行走,攜有一種或多種傳感器件和作業機構,在遙控操縱或計算機控制下能在極其惡劣的環境中進行一系列管道作業的機電儀一體化系統.對較長距離管道的直接檢測、清理技術的研究始于本世紀50年代美、英、法、德、日等國,受當時的技術水平的限制,主要成果是無動力的管內檢測清理設備——PIG,此類設備依靠首尾兩端管內流體的壓力差產生驅動力,隨著管內流體的流動向前移動,并可攜帶多種傳感器.由于PIG本身沒有行走能力,其移動速度、檢測區域均不易控制,所以不能算作管內機器人.圖1所示為一種典型的管內檢測PIG[5].這種PIG的兩端各安裝一個聚氨脂密封碗,后部密封碗內側環向排列的傘狀探頭與管壁相接觸,測量半徑方面的變形,并與行走距離儀的旋轉聯動,以便使裝在PIG內部的記錄儀記錄數據.它具有沿管線全程測量內徑,識別彎頭部位,測量凹陷等變形部位及管圓度的功能,并可以把測量結果和檢測位置一起記錄下來.70年代以來,石油、化工、天然氣及核工業的開展為管道機器人的應用提供了廣闊而誘人的前景,而機器人學、計算機、傳感器等理論和技術的開展,也為管內和管外自主移動機器人的研究和應用提供了技術保證.日、美、英、法、德等國在此方面做了大量研究工作,其中日本從事管道機器人研究的人員最多,成果也最多。姨鐵幸膏獄薪著銅含毒屬適圖1病管內集檢測滾典型殲PI前G樣無機擔在已單實現角的管撥內作問業機袖器人折中,吩按照眾其行作動方總式可貢分為蹈輪式征、履偽帶式鹽、振檔式、主蠕動棵式等辛幾類弓：兆(1標)簡緣輪式墨管內員機器會人享由于線輪式析驅動用機構揀具有晴結構厘簡單工,容錦易實蒸現,逮行走爸效率翼高等柄特點邪,對身此類樸機器牲人的蘋研究左比擬勇多.顆機器文人在死管內配的運窩動,界有直篩進式扮的(進即機搬器人悟在管逮內平價動)轉也有托螺旋墻運動挽式的妄(即隊機器蘋人在昆管內宣一邊挪向前墳運動去,一德邊繞安管道鼓軸線閥轉動襖);剛輪的涼布置拾有平拆面的添,也除有空噸間的展.一俗般認塌為,晴平面昂結構屆的機綱器人贊結構草簡單瞎,動益作靈翻活,逼但剛陷性、競穩定融性較獎差,置而空諸間多峰輪支貪撐結伯構的事機器蘋人穩鐵定性換、剛貍性較向好,漿但對弄彎管糾和支顫岔管圣的通救過性吹不佳魯.輪互式載絮體的束主要紀缺點方是牽罷引力其的提妖高受帝到封磚閉力冬的限冰制.表圖2系所示浙為日項本的族M.課Mi凳ur顆a等垃研制簡的輪站式螺烈旋推脆進管羅內移晉動機朝器人伶。什(2附)松初履帶壁式管掘內機任器人注履帶雹式載辜體附廉著性余能好甘,越泄障能元力強多,并出能輸隔出較新大的債牽引同力.丸為使玉管內總機器芳人在臨油污張、泥吃濘、辭障礙探等惡浸劣條科件下彼到達暗良好卷的行他走狀摟態,辛人們擦又研鴨制了匹履帶著式管付內機凡器人改.但叮由于青結構燥復雜俊,不按易小勒型化益,轉頌向性正能不紅如輪紅式載住體等耍原因陶,此慎類機碌器人淹應用冬較少墨.圖悲2導所示轉為日乳本學府者佐迷佐木臭利夫喂等研科制的聞履帶堆式管肯內移壩動機拌器人攀[1滾3]版,其傘驅動腹輪可壁變角粉度以揮適應黃管徑脫的變何化,跌可通俱過圓夜弧過田渡的思90執度彎鏟管.萄狗酷谷甜摸圖屢2掘輪式昆螺旋統推進土管內臂移動百機器接人抬總體喂結構傘圖銷圖3爆甘輪式黨螺旋眾推進死管內懸移動怖機器憲人業驅動播系統擱圖日(3駝)冒集振動照式管鴨內機加器人位振動補可以局使物浩體的找位置浴改變砌,根灰據這舉一原符理,耳日本姐學者磚森光伴武那么那等提卷出了差的振妄動式確管內罵移動伐機器石人?；鹌湓死頌槁?在逆機器雪人的寫外表份面裝儉有假設倚干與焦機體劣成一鍛定角葡度的并彈性郊針,膊靠彈末性針液的變聞形使賺其壓粒緊在芬管壁昌上.初機身爐內裝雅有偏清心重稱物,喜由電是機驅有動.鉗當偏木心重仇物旋思轉時爽,離框心力畝使彈鬧性針瞧變形以,滑辛動,縮從而哈帶動斜機器碎人移斗動.熄振動已式管啟內機涂器人顆結構丘簡單米,容孕易小測型化捐,但聞行走銷速度立難以乎控制護,而辜且振絕動使遲機器碰人沿紫圓周濕方向吉自轉怕,姿扭態不袋穩定課,另敵外,訊振動搞對傳緒感器鮮的工焦作和扶壽命解均會滋產生滋影響陡.席(4荒)肚塌蠕動青式管砌內機包器人仍參考貼蚯蚓糊、毛報蟲等誕動物省的運獸動,用人們懸研制礙了蠕隊動式迷管內漫機器竹人宇。訪其運點動是顛通過薪身體版的伸納縮(劇蠕動愿)實千現的飛:首會先,門尾部燙支承碰,身乖體伸與長帶餓動頭餓部向各前運烏動,委然后到,頭潤部支益承,頂身體姜收縮鄉帶動龜尾部支向前妄運動度,如爽此循喬環實嘗現機赤器人睬的行先走.罩圖鬧3薯所示令為日塘本日攏歷制錯作所正研制輝的蠕希動式孕管內贊機器腿人,盯其前反后兩癥局部縱各有寬8條泥氣缸棗驅動共的可攝伸縮攪支撐這足,塔中部惹有一拉氣缸漠作為楊蠕動鎖源鍬。激態國內慈在管照道機驗器人稅方面巖的研巨究起績步較嚼晚，攪而且名多數靈停留遲在實牛驗室帽階段盆。哈房爾濱腐工業箱大學廟鄧宗奸全教扮授在烏國家逮86且3椅〞柄方案催課題舊“蛾X射富線檢毅測實素時成宗像管義道機梢器人惜的研歪制鹽〞猶的支計持下氧，開結展了慶輪式鈴行走填方式示的管志道機諸器人炊研制惹，如平圖3摟所示怎。該凈機器咐人具原有以艦下特邁點:采(槳1)嘆適應和大管盈徑(櫻大于椅或等肉于9敗00伯mm鴉)的撇管道尋焊縫千X射庸線檢舅測。慮(2壺)一旁次作舍業距均離長后,可儀達2嘴km按。(貫3)悲焊縫懼尋址袋定位辜精度迎高為仰±害5m潤m。耽(4千)檢翠測工麥效高死,每艇道焊贏縫(左90勞0m環m為疾例)瑞檢測擾時間碑不大差于3遠mi齊n;槳實現禍了管灶內外噴機構箱同步競運動匹作業恐無纜械操作擱技術援,塊并研轎制了逝鏈式討和鋼騎帶式泄兩種盟新型何管外樂旋轉散機構擾,課盲題研扇究成尸果主朽要用痕于大下口徑藝管道權的自泰動化聞無損嫩檢測僑[8編]含。上肅海大雙學研蕩制了?！吧毿±U工業到管道投機器浴人移嘆動探昂測器倉集成競系統跳〞棗。其組主要兇包含那么20姨mm炭內徑專的垂野直排蒜列工學業管碧道中甘的機給器人爪機構翻和控限制技紛術(醋包括躬螺旋情輪移癥動機滲構、妖行星妖輪移男動機茂構和梯壓電隸片驅佳動移睬動機穿構等旁)、厲機器樣人管旨內位壘置檢鞋測技針術、撥渦流哄檢測女和視孔頻檢鵝測應隱用技捉術,沃在此武根底今上構競成管五內自鎮動探溪測機菜器人移系統磚。該餅系統糟可實爆現2淺0m錦m管蝶道內化裂紋替和缺課陷的負移動響探測昆[9跳]代。灑師篩到盾吸噸越遇圖4蠕動式管內移動機器人都讓豆煎妄偉污陪叔肉崖曬它各圖4蠕動式管內移動機器人輝1.滲1.穿2測暮量方援法的案研究邪進展孝拋餓按有猜無破端壞性必,僚外表棄涂鍍觀層厚該度測憂試方熄法可續分為馳有損覽檢測蘋和無從損檢印測。貝有損埋檢測鴨方法郵主要鐘有計宣時液福流測霉厚法朝、溶沖解法捆、電守解測悶厚法臟等繳,蓮這種減方法位一般倆比擬侮繁瑣焦,新主要復用于斤實驗州室。灰目前丘也有慣便攜坦式測躬厚儀怕,畏適合余在現地場使筒用。文常用撒的無槽損檢響測方臣法有芳庫侖窯-才電荷居法、拉磁性肥測厚盈法、往渦流職測厚葉法、善超聲矮波測銹厚法紡和放抗射測騙厚法艙等，神各種陰無損慰測厚展法均存有成距型的椒儀器曬設備滿,恐使用富起來個方便屑簡單寬,給且無團需對陳外表稀涂鍍升層進混行破扛壞翅[1貪]寫績。因簽此廳,河該類廣方法側在管謠道涂膛層的腔測量悉中已賊得到狠了廣脂泛的紹應用什。類常用敞的無向損涂榮層測銜量方藍法有蠟磁性挺測厚漫﹑燒電渦誘流測疏厚販﹑裕磁性醫/渦粱流測業厚窩﹑并超聲甘波測圖厚等槐〔1臥〕磁分性測傍厚絕磁鋤性測贈厚法晚可分司為2書種產:磁悔吸力番測厚物法和虛磁感段應測恒厚法例。磁劈吸力現測厚酷法的鐵測厚農原理蠢:漂永久親磁鐵損(測惱頭)她與導揪磁鋼恨材之梁間的渠吸力伏大小牧與處簡于這曠兩者末之間地的距炸離成礙一定減比例裂關系淹,這時個距格離就臟是覆旺層的魚厚度閃。利視用這欠一原諷理制呆成測集厚儀跟,只系要覆乞層與嘩基材探的導柜磁率窩之差持足夠濫大,鎖就可居進行里測量荒。測銜厚儀仔根本緊結構踩由磁隸鋼、仿接力繞簧、盜標尺賤及自背停機巾構組誕成。進磁鋼璃與被舍測物離吸合懇后,壟將測傘量簧繁在其造后逐們漸拉衡長,裙拉力開逐漸誘增大菊。當降拉力戰剛好飲大于擾吸力員,磁丈鋼脫愉離的皂一瞬搜間記獸錄下代拉力廟的大幟小即村可獲始得覆遵層厚釘度肆[2俊]求。新歷型的谷產品嫁可以色自動習完成劇這一串記錄宏過程瞧。茄舌磁感高應測愈厚法止的基康本原嬌理:史利用慚基體巾上的共非鐵回磁性亡涂覆汽層在沾測量螺磁回切路中跟形成學非鐵抵磁間勉隙,巡使線門圈的腥磁感鵝應強男度減承弱;觸當測魄量的獨是非熔鐵磁夕性基鏟體上哥的磁緣性涂轎鍍層腰厚度楚時,叛那么隨箏著涂何鍍層處厚度喘的增豆加,姿其磁囑感應趁強度耗也會科增加家。利貴用磁盞感應叼原理析的測露厚儀關,原慚那么上類可以寇測量綁導磁晝基體篩上的妄非導眉磁覆助層厚兼度,記一般朝要求瑞基材溪導磁烤率在狹50挑0俘H悅/m脈以上魚。如綿果覆房層材精料也逗有磁斃性,抖那么要胳求與吸基材瘋的導邪磁率蚊之差湊足夠摩大(胳如鋼布上鍍息鎳)潑。綠磁性鄭原理孔測厚兩儀可矩用來盤精確羅測量僑鋼鐵芬外表妙的油甚漆層皂,瓷舅、搪紀瓷防盛護層興,塑予料、憤橡膠堤覆層摩,包毫括鎳辦鉻在貧內的茅各種倘有色重金屬先電鍍棉層以便及化工工石種油行吊業的鋪各種亂防腐正蝕涂郵層。刺其特聾點是犯操作鄙簡便墓、堅我固耐需用、址不用黃電源槍、測屬量前續無須膀校準籌、價駱格較都低,耗適合忙車間灘做現普場質烘量控鬧制。甲〔2宜〕電采渦流兼測厚幻渦流鋪測厚遇儀是虛根據貓涂鍍什層與叨基體驚材料顧的導惑電性腦有足模夠的靈差異害來進債行金戶屬基辦材上洪涂覆杰層的堆物性親膜厚廉來測固量的謀。該坐方法箏實質拘上也乏屬于凳電磁裂感應瑞原理峰,但甲能否烈采用棍該方站法進遍行厚件度測番定,詳與基離體及糾涂鍍盞層材臟料的創導電笨性有鏟關,費而與捆其是販否為煮磁性三材料質無關產。其加工作隙原理挖為:疲高頻楚交流險信號咸會在領測頭碌線圈價中產宜生電喉磁場腦,當夕測頭扶靠近字導體建時,焰就在洪其中笛形成樓渦流戀。測斷頭離鎖導電變基體過愈近物,那么棉渦流摟愈大稀,反櫻射阻谷抗也淚愈大圈。這峰個反顫饋作焰用量位表征覆了測尚頭與達導電待基體驚之間紗距離珍的大艷小,屬也就叮是導杯電基妻體上沖非導盤電覆谷層厚棚度的觸大小袋。由遍于這庫類測粱頭專鼓門測辟量非監鐵磁克金屬倘基材省上的填覆層知厚度趴,所斥以通祖常稱洲之為監非磁姻性測遺頭。泉非磁敢性測虜頭采桐用高叫頻材識料做繳線圈迎鐵芯采,例下如鉑練鎳合錄金或吉其他握新材興料。票與磁覺感應物原理蒸比擬誤,主年要區病別是伯不同匯的測觸頭、帝不同蒙的信善號頻國率和袋大小叔及不鉗同的嚇標度脅關系結。抄采用皆電渦券流原終理的們測厚槳儀,業主要斧是對珠導電檔體上虧的非曾導電娃體覆蹤層厚珠度的叼測量間,但黎當覆農層材導料有未一定餐的導血電性評時,地通過木校準惠也同包樣可完以測田量,踏只是斃要求陶兩者龜的導定電率揮之比塑至少花相差送3～肅5倍激(如嗎銅上裁鍍鉻包)瘋。蝶〔3權〕磁竹性/弊渦流餅測厚檔磁性痰測厚右和渦袍流測移厚均侍有缺普點,惰為此傅,很厭多廠委家將成兩者存綜合俗在一磚起進辨行測基定,棄采用衫的探罷頭有選3種薯:津F型訪、N尋型和反FN癢型。打其中煌F型嬸探頭拾采用錯磁感蘋應原債理,洪可用震于鋼絮鐵上專的非現磁性侍涂鍍尾層,己如油限漆、活塑料勾、搪麻瓷、悄鉻和犁鋅等現;椅N型牛探頭亞采用太渦流僅原理珍,用邊于有隔色金需屬(萌如銅巨、鋁添、奧臣氏體塌不銹助鋼)袍上的屆絕緣鑒層,紫如陽址極氧葡化膜綿、油領漆和注涂料墊等;烤而F魄N型另探頭念同時邊具有愁F和軋N型胃探頭異的功慣能,土利用民兩用阿型探觀頭,泡可實漁現在湊磁性犧和非懼磁性欲基體堡上自撤動轉凳換測怨量釀[3行]倚。目癢前開許發比狠較成洽熟的仁磁性還測厚蘋儀有圍時代屢公司蓬的T耽T2洪20城,逮德國驕EP歸K喊公司逮開發校的M配I缸N叛IT法ES完T4譯10塔0烤/3惹10痰0攪/2趣10躺0瓶/1攔10曾0系牛列測迎厚儀既和P隱HY梯N醬IX萄公司竭的S剛ur無fi縫x/亭Po版ck顧et遍2S敏ur柱fi錦x便稅攜式熊涂鍍泰層測嚴厚儀逼,可央以方跑便地端實現聲各種漂條件落下的及無損暈測厚垮。團超聲崇波測街厚哈超聲屯波測矩厚儀碌是利林用超少聲波震脈沖檢反射差原理藥,通耀過發鵲射的恰超聲稱波脈糖沖至吹涂層籌/況基材堆,秤計算申脈沖待通過絮涂層麥/今基材駕界面亭反射杠回發遼射器艇所花傲的時席間來娛計算境涂層目的厚宿度。那儀器疼通過鍬一個偵發射仁器發掃射高組頻超泊聲波圍進入竟涂層假設,振磚動波證會穿森透涂揉層,索遇上更不同濫力學陽性能鄰的材卡料(芬如基衰材)偵時枝,振游動波堅會在模不同導材料烘的界騾面部立分反漁射和惡傳遞沖。反嚷射部顧分會僵被感狠應器床接收摟,傳蜘遞的貫振動域波繼帽續傳肆遞到扒底材腎,同族樣經夕歷著灶所有倒材料尸界面猴間的枝反射佳、傳準遞過庭程。松傳感孩器將炊反射約波轉苗換成描電信衫號,存這些環信號詠會被夸儀器狠數碼曬化,疫數碼瘡化反擾射波令被分沸析后黨,便狂得到解振蕩劇波所肥花的旅確切吉傳遞首時間其[5巖]豆。從辦而計翠算出紡涂層狹的厚設度。宗超聲歌波測拳厚儀姑可用斤于測僚量多繞種材毛料的萌厚度溜,如撕鋼、幻鐵、懇塑料震和玻揪璃等黨。新卻型的灶超聲宅波測擁厚儀瓦可以耀一次革測量黎即可晶測定對多層炭涂層廈的總單厚度弄及指搜定的閑各層溝厚度飼,且殼精度口很高脫。爆1.板1.歷3李管內鴉作業貞機器遇人的耐開展喝前景物為了厲使管勇內作芹業機嶺器人哀能夠雹盡快槍地走報出實得驗室鄰,進束入實機用化腫階段喇,必環須在美以下各幾個勿方面凝有所架突破奏。蛋〔1尖〕備蒜靈活材可靠荷的行灑走機青構策前面拋已經光提到仗,管更內作栽業機龍器人袍在彎甩管、漆支岔劑管中然的通碑過性框問題惠仍未敞解決使。而騙要解圈決這峰一問盜題，繼首先癥要在哪機構破上保程證機輛器人擔能夠存在這列些特跳殊環懸境中御順利涂行走士.如苗何尋揚找一館種融誤合各詳種機贈構優托點,慢既能家夠提父供較聚大的杜牽引帳力，臘又快恐速靈?；?，顯可靠遺性高午的驅補動方筋案是眉值得含研究循的問植題.贏另外勿，還確特別岡要在監動力擋系統粘、傳外動機渡構的缺小型和化方東面下勢工夫獄。應剖該指屯出的秋是，守要解寄決管怖內機烈器人蘿的通物過性蜻問題雜,除啞了要吸在機驕械結慣構方憤面推察陳出竿新之鍋外,齡還應膏該結倚合控朱制方駝案來編考慮踐。例招如前猾述日騾本于論19儉94照年推撞出的撞BE慮AG乏LE涉20香0管琴內探翁傷系海統,嗽采用被3臺譜電機點分別按驅動旱空間撲均布蠅的3蔥個主喂動輪雹，雖槽然機免構較欄復雜連，但歸由于團3個捷驅動哀輪可仆分別郵控制積，從貝而為概提高資其在顆彎管周段的愛通過娘性提債供了清可能販。律〔2挺〕班智能慮化的叢傳感赤器系涼統鋤對管嚇道內偶部這確類非現結構漿化環玩境，館現有貿的管巾內作注業機闊器人亦中的叢傳感揭器或銜無法糟正常型發揮納作用秘,或堆過多暈地依積賴人開的介側入，忘已經殊不能焰滿足后其發堅展的豎需要淹。經炸過多搜年的手實踐角，人覺們已池經認形識到專傳感盼器的矩集成刺,即朋多種皂傳感謝器(除光,拾機,仙電,燃儀)宋的綜廟合運峰用是坑解決懲上述謙問題衫的有伸效手贈段。差特別悔是以惠攝像護機為塌根底享的視陷覺傳程感器猛，由恒于其蓬直觀睜性，這應引溫起足蔽夠的渡重視盾。同掙時，屯先進辛的感到知算鎖法的崗研究傾是必肥要的用，只賴有將襯感知畫算法鬼與傳換感器有的硬園件結鴉合起仇來，漫形成驅智能蹲化的廚傳感話器，祖才能英為提固高管桶內作略業機和器人肺的控伶制水無平打給下良拆好的該根底陡。估〔3箏〕風高度穩自治蒸的控菜制系氏統鞭在管撇道內兵部復估雜的役環境辣中，旨為減慧輕操努作人寨員的夫負擔陸，機腿器人粘具有舍自主拆能力磚是必類要的翼。但標這有想賴于剖先進溜的傳礎感器祖技術需，特枯別是賺管內擱環境村識別舟技術墳作保縫證。助例如狡，目嫌前已演有人獄在機挪械手蠟控制槳中引最入視皆覺伺張服技校術，摩即利囑用視跡覺傳經感器脫來實厘現機林械手雪的位逐置閉凳環控俊制。集視覺陽對管喜內機犁器人蒜具有銹重要蓋意義握，利吳用視鐵覺,肝可以緣：蘇①殺確定雖作業教位置雪；敲②劉識別豪管內猴環境鬧(是蹲否拐詳彎,手是否雙有枝獅杈等暴)；泛③浮識別音機器惕人的童姿態穩(是劫否有陰轉體峰,相齒對于揪作業送位置借的距勿離等顆)。尼在管昌內作攝業機芝器人豬中采狐用視忽覺伺辜服技真術,索可以時有效妨地克權服現釣有傳情感器省的不成足，尼有利堅于提僚高其宜控制勞性能菜和自等主能參力,圓并對菊其智歸能化縱進程瘡有重逮要意箏義。挑目前接的關創鍵問盤題是貸如何斥提高潤圖像聽處理堡的速統度，詳神經淚網絡喜、人多工智泥能的宴引入百將有采助于舉解決嬸這一共問題阻。另蜜外，辛先進旦的控軟制策抗略，貧如路唐徑規遠劃，廁控制土器參顫數的么在線罵優化恨等的太研究錦也必塌將使驗管內督作業垂機器材人的典智能狡化水揪平得華到進遞一步燥的提茄高。井1.寸2本紛次設蓬計的亂目的族假通票過本妨次畢斧業設然計，旬到達燈溫習命穩固泉以前戀所學狐的所睛有知弟識，繪并將抱其在廢實際營設計凈中加矛以的禮運用膊。熟扒悉一價般工式程設枝計的黎步驟張方法跨：調改研收控集資爛料，熄方案兆論證捆比擬夾，確勇定方黑案，嘴完成支管道題涂層語厚度億檢測遙裝置團的設軍計，笨繪制踩裝配混圖及鑄零件潛圖等斗圖紙厲。膜2袍牧總體憲方案央的設滑計惰2.毒1管旦道涂禽層厚鞠度檢左測裝所置的耀技術挺要求玩該設勵備能淡在管閉道中料行走恰的，恒采集薦管道吐中各耍處的濾涂層閃厚度階，采枝集到婆的數忌據能繼實現燒遠程坦傳送牲。本沈設計幼主要店包括館行走拌系統搞機構互、測猶量機許構和奮控制厘局部筐，要醋求實頁現測機量系蘿統在愿管道州中行糧走，襖行走訴速度溝為恐0.杏5m河/m冷in愛。界2.帝2主伸要技姑術參獻數值食本噸次設芽計的鋪管道蠢內防柱腐涂慌層厚娛度測霉量儀搜的具鏈體指向標如催下：她1.亞內徑孔：2示00妹mm賠乓鞠當違種痕剪好嚷誓2緣管道熄長度晴20熊0m曲3涂狀層測差量范轟圍0熱～5鍛00疫μ啟m機通育紡麻草4掠誤差頌±報〔1因±限3％炸〕框μ怪m干5行完走速餃度5和00探mm雀/m狹in近詠歡妖刑全粒捎6流工作堵環境勒溫度鵝0絡—紡50練℃侵2.判3總想體方搞案的背分析毯與確決定凱該測羞量裝公置由遠行走瘦系統爸機構彎、測藥量機針構和世控制委局部堡構濕成。棗行走寇機構協和測參量機攜構要綿通過先80寬5盟1單學片機我接受腐上位算機的稈控制序，進吐行自覆動行置走和巨測量播，并染將所構測得賴的數折據進那么行整含理計蠅算傳喚送到圈上位鐘機。薦行走牧系統濁是由稼一個鈔直流疤電動坊機通巧過齒炒輪減唐速機澡構和事帶傳傻動驅灘動兩吳個驅扭動輪用，從詳而實拴現整庫個測館量裝勝置的勉前進揭和后弄退。盒測量覆機構蹈采用款超聲勒波傳旋感器鵝，其害原理臣是利虛用超壤聲波奴的反另射法假，通怕過記任錄回革波信勾號的積時間生差來友計算膜出涂鮮層的冬厚度煉。內本裝億置中波采用哪兩個隸傳感那么器呈半18攏0釋°級布置漂，可遼同時綢測量壟兩個腸點的晌涂層腔厚度究。妹在實庫際的賤測量稼中要葉求隨恐時確毅定測牽量裝壟置的示確切隊位置旨即測擱量裝敘置在丹管道浙內行秘走的旁距離劈。汗為了晝得到或測量轉裝置藍在濃管道朗中行庭走的推距離膝，專協門設樹計了情計程帆輪，褲此輪南上安持裝了丑霍爾貞元件辰，通曠過霍辰爾元是件采款集的聾脈沖汽數犯可得童到輪揀子所呈轉圈跌數，窯從而躲得出翼測量局裝置額行進錘的距袋離客。秧控制鉛系統懸以單項選擇片機集80蹦5走1為臉中心日，它屆控制誓著直世流電版機換—株機器察人的笛動力儉源的棉前進府、后基退和贊停止節、聰2服個傳沾感器前的通殊斷，迎并將烏厚度顆信號孤和轉齒換信姑號進繞行處偽理，蛙傳送壘給上濕位機臭，接姓受上吳位機剛的監芒控。弊其框銅圖如貍下：處理電路8051單片機霍爾元件繼電器開關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兩個傳感器接口電路計算機電機驅動電電機驅動電路 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19×〔1+0.07〕=11.97mm圓整后可取d=12mm。但是這樣求出的直徑，只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑dmin。按彎扭合成條件校核軸軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。計算時將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點取為載荷分布段的中點。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂的中點算起。通常把軸當作置于鉸鏈支座上的梁，這是建立力學模型的一種形式，支反力的作用點與軸承的類型和布置方式有關。在做計算簡圖時，應先求出軸上受力零件的載荷〔假設為空間力系，應把空間里分解為圓周力、徑向力和軸向力，然后把他們全部轉化到軸上〕，并將其分解為水平分力和垂直分力。然后求出各支承處的水平反力FHN和垂直反力FNV。我所校核的這根軸是錐齒輪傳動的從動軸如圖7。其上主要有齒輪，帶輪和兩個軸承。另外一根軸的受力分析和計算在這里就不再闡述。下面進行軸的設計計算和強度校核。根據設計要求可知：取齒輪傳動的效率為0.97，那么齒輪在此軸上的扭矩為：P1=p=200.97=19.4wn1=4r/min=9550000×P1/n1=46317.5N·mm,因大齒輪的分度圓直徑為d=mz=2×46=92mm，所以Ft=2T1/d=246317.5/92=1007N,Fr=Fttan20/cos8=370.2NFa=Fttan=141.5N皮帶的初拉力為Fe=1000p/v=19.4/5=3.88N由此可見由皮帶產生的彎矩可忽略不計。下面利用靜平衡原理計算F1和F2其上所受彎矩圖和剪力圖如圖9列出靜平衡方程:在垂直面內：Fv1106=Fr×75+12.5×FaFv1=278NFv2×106=Fr×31+12.5×FaFv2=125N在水平面內：Fh1×106=Ft×75Fh1=712.5NFh2×106=Ft×31Fh2=294N圖8水平面內剪力彎矩圖圖9垂直面內剪力彎矩圖圖10彎矩扭矩合成圖所以：M==23709N.mm根據第四強度理論對危險截面進行校核,又N.mm，===8941.64代入數據得=2.654MPa<60MPa所以軸的強度足夠。軸的結構設計軸結構設計原那么：軸上零件布置應使軸受力合理?！?〕軸上零件定位可靠、裝拆方便。〔3〕采用各種減小應力集中和提高疲勞強度的措施圖11軸〔4〕有良好的結構工藝性，便于加工制造和保證精度?！?〕對于要求剛性大的軸，還應從結構上考慮減小軸的變形。3.8軸承的設計與校核3.8.1軸承的校核如果按滾動軸承承受載荷的作用方向分類，常用軸承可分成三類，即徑向接觸軸承、向心角接觸軸承和軸向接觸軸承。徑向接觸軸承主要用于承受徑向載荷。這類軸承有：深溝球軸承、調心球軸承、調心滾子軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承。在齒輪傳動機構的設計中，需要兩個軸承來承受齒輪嚙合傳動時產生的力，因為選取的是圓錐直齒輪，沒有軸向的力需要軸承承受，為此，在這里選取群眾而且性價比很高的深溝球軸承，在齒輪傳動機構中，軸段是懸臂布置，考慮到軸的端部會承受比擬大的徑向力，這里選取02系列的深溝球軸承。下面進行軸承的校核計算。滾動軸承壽命的計算公式為式中的單位為。為指數。對于球軸承，；對于滾子軸承，。如果改用小時數表示壽命，代表軸承的轉速〔單位為r/min〕，那么以小時數表示的軸承壽命〔單位為h〕如果載荷P和轉速n為，預期計算壽命又已取定，那么所需軸承應具有的根本額定動載荷C〔單位為N〕可根據上式計算得出：滾動軸承的根本額定動載荷是在一定的運轉條件下確定的，如載荷條件為：向心軸承僅承受純徑向載荷，推力軸承僅承受純軸向載荷。實際上，軸承在許多應用場合，常常同時承受徑向載荷和軸向載荷。因此，在進行軸承壽命計算時，必須把實際載荷轉換為與確定根本額定動載荷的載荷條件相一致的當量動載荷，用字母P表示。這個當量動載荷，對于以承受徑向載荷為主的軸承，稱為徑向當量動載荷，常用表示；對于以承受軸向載荷為主的軸承，稱為軸向當量動載荷，常用表示。當量動載荷P〔或〕的一般計算公式為式中，X、Y分別為徑向動載荷系數和軸向動載荷系數。實際上，在許多支承中還會出現一些附加載荷，如沖擊力、不平衡作用力、慣性力以及軸撓曲或軸承座變形產生的附加力等等，這些因素很難從理論上精確計算。為了記及這些影響，可對當量動載荷乘上一個根據經驗而定的載荷系數，故實際計算時，軸承的當量動載荷應為：選取的軸承代號為6205，它的根本額定負荷：，查表查的徑向動載荷系數X=0.56，軸向動載荷系數Y=1.5；已確定軸承徑向載荷765N，,取軸承轉速為，為球軸承取當量動載荷由于兩軸承所受軸向力較小，在此只對軸承所受徑向力進行校核計算，因為軸承只按徑向力計算，所以當量動載荷C=14kN計算軸承壽命對于球軸承，式中=3其強度足夠，計算結果說明，其它所選的深溝球軸承能滿足使用要求，這里就不一一校核了。3.8.2軸承的潤滑軸承運轉時，應通過潤滑防止元件外表金屬直接接觸。潤滑除降低摩擦和減輕磨損外，也有吸振、冷卻、防銹和密封等作用。軸承常用的潤滑材料有潤滑油、潤滑脂、固體潤滑劑和氣體潤滑劑。非金屬軸承也可用水進行潤滑?！?〕潤滑油液體摩擦軸承幾乎全部使用潤滑油，且多為礦物油。在眾多的物理、化學性能指標中，最重要的是黏度和油性。根據軸頸直徑d，軸的轉速n確定潤滑油的黏度區。按照確定的黏度區和軸承的壓強，查出推薦的黏度；根據軸承軸頸的圓周速度工作溫度軸承壓強等參數確定潤滑方式。〔2〕潤滑脂潤滑脂的主要性能指標是錐入度和滴點，應根據軸承的壓強、圓周速度和工作溫度選用?！?〕其他潤滑材料除潤滑油,潤滑脂外，還有其它潤滑材料，如：①固體潤滑劑，常用的有石墨、二硫化鉬、二硫化鎢等。當軸承的溫度在高溫或低速、重載條件下工作，不應使用潤滑油時，可將固體潤滑劑調配到潤滑脂或油中使用，也可涂敷或燒結在摩擦外表上，還可以將其滲入軸瓦材料中或成型鑲嵌在軸承中使用。②水，主要用于橡膠軸承或增強酚醛塑料軸承的潤滑。③液態金屬，如汞、液態鈉、鉀、鋰等，主要用于宇航中的某些軸承。滾動軸承通常采用脂潤滑，高速重載或高溫時需要用油潤滑。在本此設計中，由于軸承的在高溫、重載條件下工作，根據軸承的極限轉速知，可選擇脂潤滑。3.9齒輪的設計我采用圓錐齒輪傳動，其設計參數如下：軸交角90初選小齒輪齒數為=13那么大齒輪的齒數為Z2=13×3.5=45.5取大齒輪的齒數為46取模數為m=2，那么分度圓直徑d1=mz1=2×13=26d2=mz2=2×46=92齒寬大端齒頂高大端齒根高大端齒頂圓直徑〔大角=74.05〕錐齒輪的校核可按平均分度圓處的當量圓柱齒輪進行計算。按齒根彎曲疲勞強度計算，其公式為：其中按齒面接觸疲勞強度計算，其公式為：經校核齒輪符合強度條件。3.10帶輪的設計我設計的檢測裝置中，帶輪的作用就是將大齒輪軸上的動力原封不動的傳遞給帶有輪胎的軸，沒有速度的改變。所以帶輪的設計不必考慮傳動比的問題。因而我所設計的帶輪只要滿足強度要求即可。摩擦帶容易打滑，這是管道機器人絕對不允許的，因為一旦出事，就無法將機器人從管道中取出來。所以采用嚙合帶，也就是同步帶，其特點如下：1傳動準確，工作時無滑動，具有恒定的傳動比；

2.傳動平穩，具有緩沖、減振能力，噪聲低；

3.傳動效率高，可達0.98，節能效果明顯；

4.維護保養方便，不需潤滑，維護費用低；

5.速比范圍大，一般可達10，線速度可達50m/s，具有較大的功率傳遞范圍，可達幾瓦到幾百千瓦；

6.可用于長距離傳動，中心距可達10m以上。帶輪的結構如下圖，其外徑為32.8mm。齒高1.14mm齒形角40度，齒根厚1.14mm。節距為2.032mm。圖12帶輪其通過鍵連接在軸上。3.11鍵的選擇鍵與花鍵聯接是最常見的輪轂聯接方式，屬可拆卸聯接。鍵與花鍵主要用于軸與回轉零件輪轂間周向固定和傳遞轉矩，有的還可以實現軸向固定和傳遞軸向力。此測量裝置的輪胎，齒輪，皮帶都是通過普通平鍵來連接來實現傳動的。這是因為，平鍵結構簡單，拆裝方便，對中性較好。平鍵的橫截面是矩形，平鍵的上下外表相互平行。它的兩個側面是工作外表，與鍵槽有配合關系，工作時，靠鍵和鍵槽側面的擠壓和鍵受剪切傳遞轉矩。鍵的頂面和輪轂鍵槽的底面之間留有間隙，不影響輪轂與軸的對中。4測量系統原理及設計4.1測量系統的原理測量機構采用超聲波脈沖測厚原理，根本原理為:超聲波換能器(探頭)發出的超聲波一局部在外外表被反射回換能器,如圖12(a)所示;一局部如圖12(b)所示,在涂層與基體的接觸面反射回換能器;還有一些發生屢次反射,如圖12(c)所示。假設超聲波在外外表反射回換能器所用的時間是t1,在接觸面反射回換能器的時間是t2,超聲波在涂層內的傳播速度是c，那么涂層的厚度l為：l=c(t2-t1)。圖13超聲波測量涂層厚度原理圖霍爾傳感器是測量車輪轉數的傳感器。它由磁鋼和霍爾元件組成。將一個非磁性圓盤固定裝在車輪轉軸上，圓盤邊緣用環氧樹脂等距離粘貼塊狀磁鋼磁鋼采用永久磁鐵分割成的小磁塊，霍爾元件固定在距圓盤平面1-3mm處，當磁塊與霍爾元件相對位置發生變化時，通過霍爾元件的感磁面的磁場強度就會發生變化。圓盤轉動，磁塊靠近霍爾元件。穿過霍爾元件的磁場較強，當圓盤轉到使霍爾元件處于磁塊之間時，磁力線分散，霍爾元件輸出低電平，當磁場減弱時輸出高電平。從而使得車輪在轉動過程中，霍爾開關集成電路輸出連續脈沖信號。4.2測量系統的傳感器的選擇超聲波傳感器根據工作原理可分為壓電式、磁質伸縮式、電磁式等多種，其中以壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷。這種傳感器統稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應來工作的，逆壓電效應將高頻電震動轉換成高頻機械振動，從而產生超聲波，可作為發射探頭；兒利用正壓電效應，將超聲波轉換為電信號，可作為接收探頭。根據用途的不同，壓電式超聲波探頭有多種結構，如直探頭、斜探頭、雙探頭等。本設計中選用的是直探頭，因為本裝置一般工作在常溫環境下，所以選用常規的超聲波直探頭就可滿足要求。超聲波的發射和接收電路如下：圖14超聲波發射電路圖15超聲波接收電路4.3測量系統的結構設計測量系統是由三個傳感器、繼電器、單片機、以及電磁鐵組成。圖16測量系統的結構兩個傳感器在同一圓周上，測量圓周上不同點的涂層厚度。它們被固定在兩個套筒中，前端和尾部都有彈簧，尾部的彈簧另一端裝有磁鐵，磁鐵的對面安裝有電磁鐵，根據磁鐵同性相吸，異性互斥的原理，通過對電磁鐵通斷電的控制，來控制傳感器的移動。即當電磁鐵通電時，傳感器被頂出，進行測量，當電磁鐵斷電時，傳感器在彈簧的作用下，收縮回套筒，結束測量。其結構如圖16所示。電磁鐵產生的電磁力隨著流過線圈的電流的大小變化而變化，因此可根據需要人為進行調節。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；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。磁感應強度計算公式：B=Φ/(N×Ae)式中：B為磁感應強度，單位為Wb/m^2；Φ為感應磁通〔測量值〕，單位為Wb；N為感應線圈的匝數；Ae為測試樣品的有效截面積，單位為m^2。然后根據F=BILSINa就可以確定電磁力的大小了。本裝置中電磁鐵提供的電磁力足以將傳感器頂出4.4步進電機的選擇步進電機的作用主要是為了滿足被測量管道在同一徑向圓上不同點的涂層厚度的要求?？紤]到.其外形圖為：圖17步進電機5電氣系統設計5.1電氣系統方案的分析與確定為了實現對測量系統的自動控制，本設計采用單片機對此裝置的行走機構進行控制。通過控制直流電機的正反轉來實現測量裝置的前進，后退。通過8051單片機和繼電器開關對2個超聲波傳感器進行控制，以到達兩個傳感器不同時測量的目的，單片機與上位機可以進行串行通訊，從而實現測量裝置與外界的交流。兩個傳感器是靠步進電機控制的，因為步進電機可實現精確角度的旋轉，步進電機通過單片機進行控制。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，再由單片機執行上位機傳來的指令控制步進電機旋轉角度，從而實現對管道涂層厚度不同點的測量。5.2電氣系統的硬件設計5.2.1單片機的選擇本系統選用單片機為控制單元。單片微型計算機〔SingleChipMicrocomputer〕簡稱單片機，又稱微控制機器〔MicrocontrollerUnit〕或者嵌埋式控制器(EmbeddedController)。它是計算機的根本部件微型化，使之集成在一塊芯片的微機。片內含有CPU﹑ROM﹑RAM﹑并行I/O串行﹑I/O定時器/計數器﹑中斷控制﹑系統時鐘及系統總線等。單片機有著體型小﹑功耗低﹑功能強﹑性價比高﹑易于推廣應用等顯著優點，在自動化裝置﹑智能化儀器與儀表﹑過程控制和家電控制等許多領域得到日益廣泛的應用。目前單片機的種類很多，本次設計選用應用最普遍的MCS-51系列單片機中的8051單片機。MCS-51系列單片機主要有三種型號的產品：8031、8051和8751。該系列產品是集中CPU、I/O端口及局部RAM等為一體完整的微機控制系統，并且開發手段完備，指令系統功能強，編程語言豐富靈活性大，硬件資料很豐富。三種型號的引腳完全相同，僅在內部結構上有少許差異。可以說8031是沒有ROM的8051，而8751又是用EPROM代替ROM的8051。目前，工業控制中應用最多的是8051單片機。8051單片機的根本特性〔1〕.具有8位中央處理單元〔CPU〕?！?〕.一般外接晶振頻率為12MHz，指令周期為1μs，每執行一條指令時間絕大多數為1μs-----2μs，最長為4μs。〔3〕.片內具有128字節的RAM?！?〕.具有21個特殊功能存放器。〔5〕.可尋址64k字節的片外數據存儲器和64k的片外程序存儲器?！?〕.具有4個8位的并行I/O端口、具有一個全雙工導步串行I/O端口，共32根I/O線?！?〕.具有5個中斷源，配備兩個優先級。〔8〕.具有兩個16位定時器/計數器。〔9〕.具有位尋址能力，邏輯運算靈活。8051的大局部指令為1字節或者字節，最長為3字節。此外，8051所具有的乘除法指令、多種形式的位操作類指令和邏輯運算類指令也是獨具特色的。MCS-51系列單片機的引腳及其功能MCS-51單片機是一個具有40根引腳的雙列直插式器件，引腳圖及其功能分類如圖4所示。其引腳功能如下：Vcc：編程和正常操作時的電源，電壓為+5V。Vss：接地端。XTAL1：接外部晶體的一個引腳。當單片機采用外部時鐘信號時，次腳應接地。XTAL2：接外部晶體的一個引腳。當單片機采用外部時鐘信號時，外部時鐘信號由此引腳接入。RST/Vpd：復位控制輸入，再振蕩器運行時，使RST腳至少保持兩個機器周期為高電平，可實現復位操作。CPU通過執行內部復位來響應，在RST為高電平的第二周期時執行內部復位。在Vcc關斷前加上Vpd〔掉電保護〕，RAM的內容將不變。：訪問外部存儲器時，用于鎖存地址底字節的地址鎖存允許輸出。即使不訪問外部存儲器，ALE以震蕩頻率的1/6為固定頻率輸出，因而它能用作外部時鐘或定時。ALE主要是提供一個定時信號，再從外部程序存儲器取指時把P0口的底地址字節鎖存到外接的鎖存器中，每個機器周期ALE有效兩次。這個引腳也是EPROM編程時的編程脈沖輸入。：程序存儲器允許。輸出讀外部程序存儲器的選通信號。取指令操作期間，的頻率為振蕩頻率的1/6；但假設此期間有訪問外部數據存儲器的操作，那么有一個機器周期中的信號將不出現。：當=0時，單片機只訪問外部程序存儲器。對8031此引腳必須接地。=1時，單片機只訪問內部程序存儲器。對8051和8751此引腳應接高電平，但假設是地址超過4K范圍〔0FFFH〕，那么單片機將自動訪問外部程序存儲器。在8751單片機內的EPROM編程期間，此引腳引入編程電源。P0口：一個8位的開漏雙向I/O口，數據/外部存儲器低8位地址總線端口，在程序檢驗時它也輸入指令字節，P0口能吸入8個LSTTL輸入。P1口：具有提升電阻的8位雙向I/O接口，專門供用戶使用，在程序檢驗時〔指8051和8751〕它也接收低位地址字節，P1能吸入或放出3個LSTTL的輸入。P2口：具提升電阻的8位雙向I/O口，可供系統擴展時作高8位地址線用。在沒有外部存儲器擴展時，它也可以是為用戶作I/O線使用。在程序檢驗時，它也接收高位地址和控制信號