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1、 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 35 頁 共 35 頁 1 引言 管道運(yùn)輸是當(dāng)今五大運(yùn)輸方式之一，已成為油氣能源運(yùn)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(diǎn)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(yùn)輸管道要使用幾十年、甚至上百年時(shí)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(huì)出現(xiàn)損傷。在世界管道運(yùn)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

2、完全統(tǒng)計(jì)，截至1990年，國內(nèi)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(dòng)化技術(shù)，提高檢測的可靠性和自動(dòng)化程度，加強(qiáng)在建和在役運(yùn)輸管道的檢測和監(jiān)測，對提高管線運(yùn)輸?shù)陌踩跃哂兄匾饬x。 1.1管道涂層檢測裝置的發(fā)展、現(xiàn)狀和前景 1.1.1管道涂層檢測裝置的發(fā)展 管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人是一種可沿管道自動(dòng)行走,攜有一種或多種傳感器件和作業(yè)機(jī)構(gòu),在遙控操縱或計(jì)算機(jī)控制下能在極其惡劣的環(huán)境中進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)電儀一體化系統(tǒng).對較長距離管道的直接檢測、清理技術(shù)的研究始于本世紀(jì)50

3、年代美、英、法、德、日等國,受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平的限制,主要成果是無動(dòng)力的管內(nèi)檢測清理設(shè)備——PIG,此類設(shè)備依靠首尾兩端管內(nèi)流體的壓力差產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力,隨著管內(nèi)流體的流動(dòng)向前移動(dòng),并可攜帶多種傳感器.由于PIG本身沒有行走能力,其移動(dòng)速度、檢測區(qū)域均不易控制,所以不能算作管內(nèi)機(jī)器人.圖1所示為一種典型的管內(nèi)檢測PIG[5]. 這種PIG的兩端各安裝一個(gè)聚氨脂密封碗,后部密封碗內(nèi)側(cè)環(huán)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(zhuǎn)聯(lián)動(dòng),以便使裝在PIG內(nèi)部的記錄儀記錄數(shù)據(jù).它具有沿管線全程測量內(nèi)徑,識(shí)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(jié)果和檢測位置一起記錄

4、下來. 70年代以來,石油、化工、天然氣及核工業(yè)的發(fā)展為管道機(jī)器人的應(yīng)用提供了廣闊而誘人的前景,而機(jī)器人學(xué)、計(jì)算機(jī)、傳感器等理論和技術(shù)的發(fā)展,也為管內(nèi)和管外自主移動(dòng)機(jī)器人的研究和應(yīng)用提供了技術(shù)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(jī)器人研究的人員最多,成果也最多。 圖1管內(nèi)檢測典型PIG樣機(jī) 在已實(shí)現(xiàn)的管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人中,按照其行動(dòng)方式可分為輪式、履帶式、振式、蠕動(dòng)式等幾類： (1) 輪式管內(nèi)機(jī)器人 由于輪式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單,容易實(shí)現(xiàn),行走效率高等特

5、點(diǎn),對此類機(jī)器人的研究比較多.機(jī)器人在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng),有直進(jìn)式的(即機(jī)器人在管內(nèi)平動(dòng))也有螺旋運(yùn)動(dòng)式的(即機(jī)器人在管內(nèi)一邊向前運(yùn)動(dòng),一邊繞管道軸線轉(zhuǎn)動(dòng));輪的布置有平面的,也有空間的.一般認(rèn)為,平面結(jié)構(gòu)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單,動(dòng)作靈活,但剛性、穩(wěn)定性較差,而空間多輪支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)器人穩(wěn)定性、剛性較好,但對彎管和支岔管的通過性不佳.輪式載體的主要缺點(diǎn)是牽引力的提高受到封閉力的限制.圖2所示為日本的M.Miura等研制的輪式螺旋推進(jìn)管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人。 (2) 履帶式管內(nèi)機(jī)器人 履帶式載體附著性能好,越障能力強(qiáng),并能輸出較大的牽引力.為使管內(nèi)機(jī)器人在油污、泥濘、障礙等惡劣條件下達(dá)到良好的行走狀態(tài),人們又研制了

6、履帶式管內(nèi)機(jī)器人.但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不易小型化,轉(zhuǎn)向性能不如輪式載體等原因,此類機(jī)器人應(yīng)用較少.圖2所示為日本學(xué)者佐佐木利夫等研制的履帶式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人[13],其驅(qū)動(dòng)輪可變角度以適應(yīng)管徑的變化,可通過圓弧過渡的90度彎管. 圖2輪式螺旋推進(jìn)管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖 圖3 輪式螺旋推進(jìn)管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖 (3) 振動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人 振動(dòng)可以使物體的位置改變,根據(jù)這一原理,日本學(xué)者森光武則等提出了的振動(dòng)式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人。其原理為:在機(jī)器人的外表面裝有若干與機(jī)體成一定角度的彈性針,靠彈性針的變形使其壓緊在管壁上.機(jī)身內(nèi)裝有偏心重物,由電機(jī)驅(qū)動(dòng).當(dāng)偏心重物

7、旋轉(zhuǎn)時(shí),離心力使彈性針變形,滑動(dòng),從而帶動(dòng)機(jī)器人移動(dòng).振動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單,容易小型化,但行走速度難以控制,而且振動(dòng)使機(jī)器人沿圓周方向自轉(zhuǎn),姿態(tài)不穩(wěn)定,另外,振動(dòng)對傳感器的工作和壽命均會(huì)產(chǎn)生影響. (4) 蠕動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人 參考蚯蚓、毛蟲等動(dòng)物的運(yùn)動(dòng),人們研制了蠕動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人。其運(yùn)動(dòng)是通過身體的伸縮(蠕動(dòng))實(shí)現(xiàn)的:首先,尾部支承,身體伸長帶動(dòng)頭部向前運(yùn)動(dòng),然后,頭部支承,身體收縮帶動(dòng)尾部向前運(yùn)動(dòng),如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走.圖3所示為日本日歷制作所研制的蠕動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人,其前后兩部分各有8條氣缸驅(qū)動(dòng)的可伸縮支撐足,中部有一氣缸作為蠕動(dòng)源。 國內(nèi)在管道機(jī)器人方面的研究起步較晚，而且多數(shù)停

8、留在實(shí)驗(yàn)室階段。哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全教授在國家863”計(jì)劃課題“X射線檢測實(shí)時(shí)成像管道機(jī)器人的研制”的支持下，開展了輪式行走方式的管道機(jī)器人研制，如圖3所示。該機(jī)器人具有以下特點(diǎn): (1)適應(yīng)大管徑(大于或等于900mm)的管道焊縫X射線檢測。(2)一次作業(yè)距離長,可達(dá)2km。(3)焊縫尋址定位精度高為5mm。(4)檢測工效高,每道焊縫(900mm為例)檢測時(shí)間不大于3min;實(shí)現(xiàn)了管內(nèi)外機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)作業(yè)無纜操作技術(shù), 并研制了鏈?zhǔn)胶弯搸絻煞N新型管外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),課題研究成果主要用于大口徑管道的自動(dòng)化無損檢測[8]。上海大學(xué)研制了“細(xì)小工業(yè)管道機(jī)器人移動(dòng)探測器集成系統(tǒng)”。其主要包含20mm內(nèi)徑的

9、垂直排列工業(yè)管道中的機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制技術(shù)(包括螺旋輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)、行星輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)和壓電片驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)等)、機(jī)器人管內(nèi)位置檢測技術(shù)、渦流檢測和視頻檢測應(yīng)用技術(shù),在此基礎(chǔ)上構(gòu)成管內(nèi)自動(dòng)探測機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)20mm管道內(nèi)裂紋和缺陷的移動(dòng)探測[9]。 圖4 蠕動(dòng)式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人 1.1.2測量方法的研究進(jìn)展 按有無破壞性,表面涂鍍層厚度測試方法可分為有損檢測和無損檢測。有損檢測方法主要有計(jì)時(shí)液流測厚法、溶解法、電解測厚法等,這種方法一般比較繁瑣,主要用于實(shí)驗(yàn)室。目前也有便攜式測厚儀,適

10、合在現(xiàn)場使用。常用的無損檢測方法有庫侖-電荷法、磁性測厚法、渦流測厚法、超聲波測厚法和放射測厚法等，各種無損測厚法均有成型的儀器設(shè)備,使用起來方便簡單,且無需對表面涂鍍層進(jìn)行破壞[1] 。因此,該類方法在管道涂層的測量中已得到了廣泛的應(yīng)用。 常用的無損涂層測量方法有磁性測厚﹑電渦流測厚﹑磁性/渦流測厚﹑超聲波測厚等 （1）磁性測厚 磁性測厚法可分為2 種:磁吸力測厚法和磁感應(yīng)測厚法。磁吸力測厚法的測厚原理: 永久磁鐵(測頭)與導(dǎo)磁鋼材之間的吸力大小與處于這兩者之間的距離成一定比例關(guān)系,這個(gè)距離就是覆層的厚度。利用這一原理制成測厚儀,只要覆層與基材的導(dǎo)磁率之差足夠大,就可進(jìn)行測量。測厚儀

11、基本結(jié)構(gòu)由磁鋼、接力簧、標(biāo)尺及自停機(jī)構(gòu)組成。磁鋼與被測物吸合后,將測量簧在其后逐漸拉長,拉力逐漸增大。當(dāng)拉力剛好大于吸力,磁鋼脫離的一瞬間記錄下拉力的大小即可獲得覆層厚度[2]。新型的產(chǎn)品可以自動(dòng)完成這一記錄過程。 磁感應(yīng)測厚法的基本原理:利用基體上的非鐵磁性涂覆層在測量磁回路中形成非鐵磁間隙,使線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱;當(dāng)測量的是非鐵磁性基體上的磁性涂鍍層厚度時(shí),則隨著涂鍍層厚度的增加,其磁感應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)增加。利用磁感應(yīng)原理的測厚儀,原則上可以測量導(dǎo)磁基體上的非導(dǎo)磁覆層厚度,一般要求基材導(dǎo)磁率在500 H /m以上。如果覆層材 料也有磁性,則要求與基材的導(dǎo)磁率之差足夠大(如鋼上鍍鎳) 。

12、 磁性原理測厚儀可用來精確測量鋼鐵表面的油漆層,瓷、搪瓷防護(hù)層,塑料、橡膠覆層,包括鎳鉻在內(nèi)的各種有色金屬電鍍層以及化工石油行業(yè)的各種防腐蝕涂層。其特點(diǎn)是操作簡便、堅(jiān)固耐用、不用電源、測量前無須校準(zhǔn)、價(jià)格較低,適合車間做現(xiàn)場質(zhì)量控制。 （2）電渦流測厚 渦流測厚儀是根據(jù)涂鍍層與基體材料的導(dǎo)電性有足夠的差異來進(jìn)行金屬基材上涂覆層的物性膜厚來測量的。該方法實(shí)質(zhì)上也屬于電磁感應(yīng)原理,但能否采用該方法進(jìn)行厚度測定,與基體及涂鍍層材料的導(dǎo)電性有關(guān),而與其是否為磁性材料無關(guān)。其工作原理為:高頻交流信號(hào)會(huì)在測頭線圈中產(chǎn)生電磁場,當(dāng)測頭靠近導(dǎo)體時(shí),就在其中形成渦流。測頭離導(dǎo)電基體愈近,則渦流愈大,反射阻抗

13、也愈大。這個(gè)反饋?zhàn)饔昧勘碚髁藴y頭與導(dǎo)電基體之間距離的大小,也就是導(dǎo)電基體上非導(dǎo)電覆層厚度的大小。由于這類測頭專門測量非鐵磁金屬基材上的覆層厚度,所以通常稱之為非磁性測頭。非磁性測頭采用高頻材料做線圈鐵芯,例如鉑鎳合金或其他新材料。與磁感應(yīng)原理比較,主要區(qū)別是不同的測頭、不同的信號(hào)頻率和大小及不同的標(biāo)度關(guān)系。 采用電渦流原理的測厚儀,主要是對導(dǎo)電體上的非導(dǎo)電體覆層厚度的測量,但當(dāng)覆層材料有一定的導(dǎo)電性時(shí),通過校準(zhǔn)也同樣可以測量,只是要求兩者的導(dǎo)電率之比至少相差3～5倍(如銅上鍍鉻) 。 （3）磁性/渦流測厚 磁性測厚和渦流測厚均有缺點(diǎn),為此,很多廠家將兩者綜合在一起進(jìn)行測定,采用的探頭有3

14、種: F型、N型和FN型。其中F型探頭采用磁感應(yīng)原理,可用于鋼鐵上的非磁性涂鍍層,如油漆、塑料、搪瓷、鉻和鋅等; N型探頭采用渦流原理,用于有色金屬(如銅、鋁、奧氏體不銹鋼)上的絕緣層,如陽極氧化膜、油漆和涂料等;而FN型探頭同時(shí)具有F和N型探頭的功能,利用兩用型探頭,可實(shí)現(xiàn)在磁性和非磁性基體上自動(dòng)轉(zhuǎn)換測量[3] 。目前開發(fā)比較成熟的磁性測厚儀有時(shí)代公司的TT220, 德國EPK 公司開發(fā)的M IN ITEST4100 /3100 /2100 /1100系列測厚儀和PHYN IX公司的Surfix/Pocket2Surfix便攜式涂鍍層測厚儀,可以方便地實(shí)現(xiàn)各種條件下的無損測厚。 （4） 超

15、聲波測厚 超聲波測厚儀是利用超聲波脈沖反射原理,通過發(fā)射的超聲波脈沖至涂層/ 基材, 計(jì)算脈沖通過涂層/ 基材界面反射回發(fā)射器所花的時(shí)間來計(jì)算涂層的厚度。儀器通過一個(gè)發(fā)射器發(fā)射高頻超聲波進(jìn)入涂層,振動(dòng)波會(huì)穿透涂層,遇上不同力學(xué)性能的材料(如基材) 時(shí),振動(dòng)波會(huì)在不同材料的界面部分反射和傳遞。反射部分會(huì)被感應(yīng)器接收,傳遞的振動(dòng)波繼續(xù)傳遞到底材,同樣經(jīng)歷著所有材料界面間的反射、傳遞過程。傳感器將反射波轉(zhuǎn)換成電信號(hào),這些信號(hào)會(huì)被儀器數(shù)碼化,數(shù)碼化反射波被分析后,便得到振蕩波所花的確切傳遞時(shí)間[5]。從而計(jì)算出涂層的厚度。 超聲波測厚儀可用于測量多種材料的厚度,如鋼、鐵、塑料和玻璃等。新型的超聲

16、波測厚儀可以一次測量即可測定多層涂層的總厚度及指定的各層厚度,且精度很高。 1.1.3管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人的發(fā)展前景 為了使管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人能夠盡快地走出實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)入實(shí)用化階段,必須在以下幾個(gè)方面有所突破。 （1） 靈活可靠的行走機(jī)構(gòu) 前面已經(jīng)提到,管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人在彎管、支岔管中的通過性問題仍未解決。而要解決這一問題，首先要在機(jī)構(gòu)上保證機(jī)器人能夠在這些特殊環(huán)境中順利行走.如何尋找一種融合各種機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn),既能夠提供較大的牽引力，又快速靈活，可靠性高的驅(qū)動(dòng)方案是值得研究的問題.另外，還特別要在動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的小型化方面下工夫。應(yīng)該指出的是，要解決管內(nèi)機(jī)器人的通過性問題,除了要在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面推陳

17、出新之外,還應(yīng)該結(jié)合控制方案來考慮。例如前述日本于1994年推出的BEAGLE200管內(nèi)探傷系統(tǒng),采用3臺(tái)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)空間均布的3個(gè)主動(dòng)輪，雖然機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，但由于3個(gè)驅(qū)動(dòng)輪可分別控制，從而為提高其在彎管段的通過性提供了可能。 （2） 智能化的傳感器系統(tǒng) 對管道內(nèi)部這類非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，現(xiàn)有的管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人中的傳感器或無法正常發(fā)揮作用,或過多地依賴人的介入，已經(jīng)不能滿足其發(fā)展的需要。經(jīng)過多年的實(shí)踐，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到傳感器的集成,即多種傳感器(光,機(jī),電,儀)的綜合運(yùn)用是解決上述問題的有效手段。特別是以攝像機(jī)為基礎(chǔ)的視覺傳感器，由于其直觀性，應(yīng)引起足夠的重視。同時(shí)，先進(jìn)的感知算法的研究是必要的，只有

18、將感知算法與傳感器的硬件結(jié)合起來，形成智能化的傳感器，才能為提高管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人的控制水平打下良好的基礎(chǔ)。 （3） 高度自治的控制系統(tǒng) 在管道內(nèi)部復(fù)雜的環(huán)境中，為減輕操作人員的負(fù)擔(dān)，機(jī)器人具有自主能力是必要的。但這有賴于先進(jìn)的傳感器技術(shù)，特別是管內(nèi)環(huán)境識(shí)別技術(shù)作保證。例如，目前已有人在機(jī)械手控制中引入視覺伺服技術(shù)，即利用視覺傳感器來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的位置閉環(huán)控制。視覺對管內(nèi)機(jī)器人具有重要意義，利用視覺,可以： ①確定作業(yè)位置； ②識(shí)別管內(nèi)環(huán)境(是否拐彎,是否有枝杈等)； ③識(shí)別機(jī)器人的姿態(tài)(是否有轉(zhuǎn)體,相對于作業(yè)位置的距離等)。 在管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人中采用視覺伺服技術(shù),可以有效地克服現(xiàn)有傳感器

19、的不足，有利于提高其控制性能和自主能力,并對其智能化進(jìn)程有重要意義。目前的關(guān)鍵問題是如何提高圖像處理的速度，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能的引入將有助于解決這一問題。另外，先進(jìn)的控制策略，如路徑規(guī)劃，控制器參數(shù)的在線優(yōu)化等的研究也必將使管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人的智能化水平得到進(jìn)一步的提高。 1.2本次設(shè)計(jì)的目的 通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，達(dá)到溫習(xí)鞏固以前所學(xué)的所有知識(shí)，并將其在實(shí)際設(shè)計(jì)中加以的運(yùn)用。熟悉一般工程設(shè)計(jì)的步驟方法：調(diào)研收集資料，方案論證比較，確定方案，完成管道涂層厚度檢測裝置的設(shè)計(jì)，繪制裝配圖及零件圖等圖紙。 2 總體方案的設(shè)計(jì) 2.1

20、管道涂層厚度檢測裝置的技術(shù)要求 該設(shè)備能在管道中行走的，采集管道中各處的涂層厚度，采集到的數(shù)據(jù)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳送。本設(shè)計(jì)主要包括行走系統(tǒng)機(jī)構(gòu)、測量機(jī)構(gòu)和控制部分，要求實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)在管道中行走，行走速度為0.5m/min。 2.2主要技術(shù)參數(shù) 本次設(shè)計(jì)的管道內(nèi)防腐涂層厚度測量儀的具體指標(biāo)如下： 1.內(nèi)徑：200mm 2管道長度200m 3涂層測量范圍0～500m 4誤差（13％）m 5行走速度500mm/min 6工作環(huán)境溫度0—50℃ 2.3總體方案的分析與確定 該測量裝置由行走系統(tǒng)機(jī)構(gòu)

21、、測量機(jī)構(gòu)和控制部分 構(gòu)成。行走機(jī)構(gòu)和測量機(jī)構(gòu)要通過8051單片機(jī)接受上位機(jī)的控制，進(jìn)行自動(dòng)行走和測量，并將所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算傳送到上位機(jī)。 行走系統(tǒng)是由一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)通過齒輪減速機(jī)構(gòu)和帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)測量裝置的前進(jìn)和后退。測量機(jī)構(gòu)采用超聲波傳感器，其原理是利用超聲波的反射法，通過記錄回波信號(hào)的時(shí)間差來計(jì)算出涂層的厚度。本裝置中采用兩個(gè)傳感器呈 180布置，可同時(shí)測量兩個(gè)點(diǎn)的涂層厚度。 在實(shí)際的測量中要求隨時(shí)確定測量裝置的確切位置即測量裝置在管道內(nèi)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(jì)了計(jì)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)可得到

22、輪子所轉(zhuǎn)圈數(shù)，從而得出測量裝置行進(jìn)的距離。 控制系統(tǒng)以單片機(jī)8051為中心，它控制著直流電機(jī)—機(jī)器人的動(dòng)力源的前進(jìn)、后退和停止、2個(gè)傳感器的通斷，并將厚度信號(hào)和轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行處理，傳送給上位機(jī)，接受上位機(jī)的監(jiān)控。 其框圖如下： 處理電路 8051單片機(jī) 霍爾元件 繼電器開關(guān) 兩個(gè)傳感器 接口電路 計(jì)算機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 圖5 測量裝置整體框圖 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1管道涂層測厚裝置的運(yùn)動(dòng)原理 微型管道機(jī)器人采用了有纜驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式,其運(yùn)動(dòng)機(jī)理由兩

23、組車輪沿徑向呈三等分均布,其中四個(gè)從動(dòng)輪在扇形齒輪的作用下被支撐在管道的內(nèi)壁上，另外兩個(gè)則是驅(qū)動(dòng)輪。電機(jī)帶動(dòng)錐齒輪旋轉(zhuǎn)，從而使得裝有皮帶輪的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。由于車輪與管壁之間的摩擦力，車體便可以在管中前進(jìn)或后退。尾部還有一個(gè)柔性的計(jì)程輪，其作用：1.計(jì)算小車前進(jìn)的距離。2.支撐車體，保持平衡。 3.2管道涂層測厚裝置行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊和較大的負(fù)載能力,滿足管道內(nèi)行走的基本條件。移動(dòng)機(jī)構(gòu)的前后兩組支撐中,三個(gè)車輪都是沿徑向均勻分布的,而前后兩部分都是沿軸向?qū)ΨQ的,支撐點(diǎn)共六個(gè),因此滿足形封閉條件。當(dāng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)行走時(shí),三個(gè)輪子呈徑向均勻分布,三點(diǎn)確定一個(gè)平面,三點(diǎn)

24、始終在一個(gè)圓柱面上,因此可以實(shí)現(xiàn)自定心,在支撐裝置的作用下,驅(qū)動(dòng)輪被緊緊壓在管道內(nèi)壁上,具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。整個(gè)系統(tǒng)由于利用了對稱性,抵消了機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中各方面不平衡力偶的干擾,從而使所有的力集中到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)軸線上所在的豎直平面上,同時(shí),又在通過電機(jī)軸線的豎直平面上保證機(jī)器人的重心與電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)軸心之間適當(dāng)?shù)木嚯x,從而保證了整個(gè)機(jī)器人運(yùn)行過程中的平穩(wěn)性。 3.3電動(dòng)機(jī)的選擇 由于管道的直徑很小，所以根據(jù)尺寸選擇j55ZYT—PX微型減速電機(jī)。其減速比為216.輸出轉(zhuǎn)速為14r/min。輸出轉(zhuǎn)矩18730mN.m。 其計(jì)算過程為： 車輪與管壁的摩擦系數(shù)為=0.8 車體的重量為50kg G=

25、mg=5010N=500N 壓緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的壓緊力為500N 則：車體對管壁的正壓力N=1000N F=μN(yùn)=0.8N=800N 電動(dòng)機(jī)所需要的工作功率為 各軸輸入功率為： 各軸的輸入轉(zhuǎn)矩：

26、

27、

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29、

30、

31、

32、

33、

34、

35、

36、

37、

38、 所以所選的電機(jī)符合條件。 3.4傳動(dòng)的總體方案設(shè)計(jì) 此測量裝置在500mm/min的速度下前進(jìn)，速度比較低。初選車輪直徑為40mm則

39、此時(shí)車輪的角速度以及減速后最終的角速度為： ω=60v/(πd)=60500/3.144060=3.98r/min 由于電機(jī)的初速度為14 r/min，由傳動(dòng)比公式i=14/w=14/3.98=3.5 所以傳動(dòng)比i=3.5 我選用直齒圓錐齒輪來傳遞能量和動(dòng)力。因?yàn)槠淇梢詫?shí)現(xiàn)兩相交軸之間的傳動(dòng)。錐齒輪設(shè)計(jì)、制造及安裝均較簡單，用于低速傳動(dòng)，非常適合此裝置的要求?？紤]到機(jī)器人在前進(jìn)過程中要托纜，因此將此機(jī)器人設(shè)計(jì)成前后輪共同驅(qū)動(dòng)的方式，以獲得較大的牽引力。由于尺寸限制，只能將輪放在另外一根軸上，用皮帶將兩軸連接起來，它沒有調(diào)速的作用，只需使兩軸具有同樣的旋轉(zhuǎn)速度。

40、 3.5壓緊裝置的設(shè)計(jì) 壓緊裝置主要是為了讓機(jī)器人能夠撐緊管壁，從而達(dá)到平穩(wěn)前進(jìn)的目的。我所設(shè)計(jì)的壓緊裝置是通過一個(gè)扇形齒輪和一個(gè)齒條的相互嚙合實(shí)現(xiàn)的。具體如圖6所示： 圖6 壓緊裝置 此結(jié)構(gòu)的原理非常簡單，但卻很實(shí)用。當(dāng)管壁直徑變化時(shí)，壓緊輪就會(huì)以銷軸為中心，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)齒條就會(huì)因?yàn)閲Ш系淖饔们昂笠苿?dòng)，彈簧也跟著壓縮或拉長。以此來調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膲壕o力，保證車體的平衡。 3.6計(jì)程輪的設(shè)計(jì) 計(jì)程輪的設(shè)計(jì)是為了知道車體在管道中行進(jìn)的距離，已達(dá)到正確測量管道中某點(diǎn)涂層厚度的目的。計(jì)程輪設(shè)

41、計(jì)如圖6所示，它的結(jié)構(gòu)比較簡單，是用四個(gè)導(dǎo)向螺釘將輪固定在支撐體上，導(dǎo)向螺釘上裝有壓縮彈簧，壓縮彈簧的一端連在支架上，另一端連在支撐體上，由此支架可以沿著導(dǎo)向螺釘?shù)姆较蛏舷乱苿?dòng)，而車輪通過銷軸連在支架上，可以隨支架一起運(yùn)動(dòng)，以保證計(jì)程輪始終與地面接觸。計(jì)程輪上安裝有霍爾傳感器。霍爾傳感器就是利用霍爾效應(yīng)原理，通過磁場、電流對被測量的控制，使包含有被測量變化信息的霍爾電壓發(fā)生變化，在利用后繼的信號(hào)檢索和信號(hào)放大電路，就可以得到被測量脈沖信號(hào)的信息。正因?yàn)榛魻杺鞲衅鞯幕驹砘魻栃?yīng)只包含了磁場、電流、電壓三個(gè)常用物理量，使得采用霍爾傳感器的被測量的測量簡單易行，而磁場強(qiáng)度、電流、電壓是磁場、電場

42、的基本物理量，所以霍爾傳感器可以進(jìn)行精確的非接觸測量。 圖 7計(jì)程輪 它具有靈敏度高，線性度好，穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點(diǎn)，在機(jī)車控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位。本裝置中選用霍爾元件DN6837，它是一個(gè)開關(guān)集成霍爾傳感器，其輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過一級(jí)三極管放大，在送到單片機(jī)的輸入口。 3.7軸的設(shè)計(jì)與校核 軸的材料是決定其承載能力的重要因素，制造軸的主要材料是碳素鋼及合

43、金鋼。45號(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼是最常用的材料。Q235-A等普通碳素鋼用于不重要的軸或受載較小的軸；合金鋼具有較高的機(jī)械強(qiáng)度用于受載荷較大、結(jié)構(gòu)尺寸受限制、需提高軸頸耐磨性及處于高溫或腐蝕等條件下的軸；球墨鑄鐵和一些高強(qiáng)度鑄鐵一般用于鑄成外形復(fù)雜的軸，他們吸振性好，對應(yīng)力集中敏感性低。 一般機(jī)器中的軸常用優(yōu)質(zhì)中碳鋼制造，這類鋼比合金鋼廉價(jià)，對應(yīng)力集中的敏感性較低，其中45號(hào)鋼最為常用。為了提高材料的力學(xué)性能，通常進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理。由于振動(dòng)磨的主軸旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生高頻率的振動(dòng)，且產(chǎn)生的離心力相當(dāng)大，所以應(yīng)選45號(hào)鋼作為此傳動(dòng)軸的材料。 一般常見的軸按其軸線的形狀和功用分為直軸、曲軸兩大類，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)只

44、涉及直軸，所以我們在此只討論直軸。 直軸一般都做成實(shí)心，若因機(jī)器特殊需要也可制成空心軸?？紤]到應(yīng)加工方便，軸的截面多為圓形，為了使軸上零件定位及裝拆方便，軸多做成階梯軸。一些結(jié)構(gòu)簡單或特殊要求在軸中裝設(shè)其它零件或者減小軸的質(zhì)量具有重大作用的場合，軸才做成等直徑的軸（光軸）或空心軸。空心軸內(nèi)徑與外徑比通常為0.5～0.6，以保證軸的剛度及扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。 根據(jù)軸的承載情況，可分為：轉(zhuǎn)軸——工作中既受彎矩又受轉(zhuǎn)矩的軸；有時(shí)還受較大軸向力的作用，這類軸在各種機(jī)器種最常見；心軸——工作中只承受彎矩、不受轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)矩較小的軸，心軸又分為轉(zhuǎn)動(dòng)心軸（軸轉(zhuǎn)動(dòng)）和固定心軸（軸不轉(zhuǎn)動(dòng)）兩種；傳動(dòng)軸——工作中只傳遞轉(zhuǎn)

45、矩、不承受彎矩或受彎矩很小的軸。下面首先通過扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度對軸進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再用彎扭組合進(jìn)行校核。 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算 選擇軸的材料為45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，首先估算最小軸徑，根據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算 ， d ——截面處軸的直徑，單位mm， p ——軸的傳遞功率，單位kw； n ——軸的轉(zhuǎn)速，單位r/min， ——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位MPa，45鋼的值為25～45； ——其中45鋼的的取值為126～103。 因選擇的電動(dòng)機(jī)功率為30kw，即p=20w，轉(zhuǎn)速n=14r/min，把數(shù)據(jù)帶入上式有： =11.19mm 因軸上開有兩個(gè)鍵槽，所以軸徑應(yīng)當(dāng)增大5%～7%，則有 d≥11.19（1

46、+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(jì)算時(shí)將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點(diǎn)取為載荷分布段的中點(diǎn)。作用在軸上的扭矩，一般從傳動(dòng)件輪轂的中點(diǎn)算起。通常把軸當(dāng)作置于鉸鏈支座上的梁，這是建立力學(xué)模型的一種形式，支反力的作用點(diǎn)與軸承的類型和布置方式有關(guān)。 在做計(jì)算簡圖時(shí)，應(yīng)先求出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應(yīng)把空間里分解為圓周力、徑向力和軸向力，然后把他們?nèi)哭D(zhuǎn)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

47、FNV。 我所校核的這根軸是錐齒輪傳動(dòng)的從動(dòng)軸如圖7。其上主要有齒輪，帶輪和兩個(gè)軸承。另外一根軸的受力分析和計(jì)算在這里就不再闡述。 下面進(jìn)行軸的設(shè)計(jì)計(jì)算和強(qiáng)度校核。根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知：取齒輪傳動(dòng)的效率為0.97，則齒輪在此軸上的扭矩為： P1=p=200.97=19.4w n1=4r/min =9550000P1/n1=46317.5Nmm, 因大齒輪的分度圓直徑為d=mz=246=92mm，所以Ft=2T1/d=246317.5/92=1007N,Fr=Fttan20/cos8=370.2 N Fa=Fttan=141.5 N 皮帶的初拉力為Fe=1000p/v

48、=19.4/5=3.88 N由此可見由皮帶產(chǎn)生的彎矩可忽略不計(jì)。下面利用靜平衡原理計(jì)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(nèi)： Fv1106=Fr75+12.5Fa Fv1=278 N Fv2106=Fr31+12.5Fa Fv2=125 N 在水平面內(nèi)： Fh1106=Ft75 Fh1=712.5 N Fh2106=Ft31 Fh2=294 N

49、 圖8水平面內(nèi)剪力彎矩圖 圖9垂直面內(nèi)剪力彎矩圖 圖10彎矩扭矩合成圖 所以： M==23709 N.mm 根據(jù)第四強(qiáng)度理論對危險(xiǎn)截面進(jìn)行校核 ,又 N.mm， ===8941.64 代入數(shù)據(jù)得 =2.

50、654MPa<60MPa 所以軸的強(qiáng)度足夠。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則： （1） 軸上零件布置應(yīng)使軸受力合理。 （2）軸上零件定位可靠、裝拆方便。 （3）采用各種減小應(yīng)力集中和提高疲勞強(qiáng)度的措施 圖11 軸 （4）有良好的結(jié)構(gòu)工藝性，便于加工制造和保證精度。 （5）對于要求剛性大的軸，還應(yīng)從結(jié)構(gòu)上考慮減小軸的變形。 3.8軸承的設(shè)計(jì)與校核 3.8.1軸承的校核 如果按滾動(dòng)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

51、球軸承、調(diào)心球軸承、調(diào)心滾子軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承。 在齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，需要兩個(gè)軸承來承受齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的力，因?yàn)檫x取的是圓錐直齒輪，沒有軸向的力需要軸承承受，為此，在這里選取大眾而且性價(jià)比很高的深溝球軸承，在齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，軸段是懸臂布置，考慮到軸的端部會(huì)承受比較大的徑向力，這里選取02系列的深溝球軸承。 下面進(jìn)行軸承的校核計(jì)算。 滾動(dòng)軸承壽命的計(jì)算公式為 式中的單位為。為指數(shù)。對于球軸承， ；對于滾子軸承，。如果改用小時(shí)數(shù)表示壽命，代表軸承的轉(zhuǎn)速（單位為r/min），則以小時(shí)數(shù)表示的軸承壽命（單位為h） 如果載荷P和轉(zhuǎn)速n為已知，預(yù)期計(jì)算壽命又

52、已取定，則所需軸承應(yīng)具有的基本額定動(dòng)載荷C（單位為N）可根據(jù)上式計(jì)算得出： 滾動(dòng)軸承的基本額定動(dòng)載荷是在一定的運(yùn)轉(zhuǎn)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(shí)際上，軸承在許多應(yīng)用場合，常常同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷。因此，在進(jìn)行軸承壽命計(jì)算時(shí)，必須把實(shí)際載荷轉(zhuǎn)換為與確定基本額定動(dòng)載荷的載荷條件相一致的當(dāng)量動(dòng)載荷，用字母P表示。這個(gè)當(dāng)量動(dòng)載荷，對于以承受徑向載荷為主的軸承，稱為徑向當(dāng)量動(dòng)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(dāng)量動(dòng)載荷，常用表示。當(dāng)量動(dòng)載荷P（或）的一般計(jì)算公式為

53、 式中，X、Y分別為徑向動(dòng)載荷系數(shù)和軸向動(dòng)載荷系數(shù)。 實(shí)際上，在許多支承中還會(huì)出現(xiàn)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(chǎn)生的附加力等等，這些因素很難從理論上精確計(jì)算。為了記及這些影響，可對當(dāng)量動(dòng)載荷乘上一個(gè)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定的載荷系數(shù)，故實(shí)際計(jì)算時(shí)，軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷應(yīng)為： 選取的軸承代號(hào)為6205，它的基本額定負(fù)荷：， 查表查的徑向動(dòng)載荷系數(shù)X=0.56，軸向動(dòng)載荷系數(shù)Y=1.5； 已確定軸承徑向載荷765 N，,取 軸承轉(zhuǎn)速為，為球軸承取 當(dāng)量動(dòng)載荷 由

54、于兩軸承所受軸向力較小，在此只對軸承所受徑向力進(jìn)行校核計(jì)算， 因?yàn)檩S承只按徑向力計(jì)算，所以當(dāng)量動(dòng)載荷C=14 kN 計(jì)算軸承壽命 對于球軸承，式中=3 =14945533770000h 其強(qiáng)度足夠，計(jì)算結(jié)果表明，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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)通過潤滑避免元件表面金屬直接接觸。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(jìn)行潤滑。 （1）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(xué)性能指標(biāo)

55、中，最重要的是黏度和油性。根據(jù)軸頸直徑d，軸的轉(zhuǎn)速n確定潤滑油的黏度區(qū)。按照確定的黏度區(qū)和軸承的壓強(qiáng)，查出推薦的黏度；根據(jù)軸承軸頸的圓周速度工作溫度軸承壓強(qiáng)等參數(shù)確定潤滑方式。 （2）潤滑脂 潤滑脂的主要性能指標(biāo)是錐入度和滴點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)軸承的壓強(qiáng)、圓周速度和工作溫度選用。 （3）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(dāng)軸承的溫度在高溫或低速、重載條件下工作，不應(yīng)使用潤滑油時(shí)，可將固體潤滑劑調(diào)配到潤滑脂或油中使用，也可涂敷或燒結(jié)在摩擦表面上，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

56、軸承或增強(qiáng)酚醛塑料軸承的潤滑。 ③ 液態(tài)金屬，如汞、液態(tài)鈉、鉀、鋰等，主要用于宇航中的某些軸承。 滾動(dòng)軸承通常采用脂潤滑，高速重載或高溫時(shí)需要用油潤滑。在本此設(shè)計(jì)中，由于軸承的在高溫、重載條件下工作，根據(jù)軸承的極限轉(zhuǎn)速知，可選擇脂潤滑。 3.9齒輪的設(shè)計(jì) 我采用圓錐齒輪傳動(dòng)，其設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 軸交角 90 初選小齒輪齒數(shù)為=13 則大齒輪的齒數(shù)為 Z2=133.5=45.5 取大齒輪的齒數(shù)為46 取模數(shù)為m=2，則分度圓直徑 d1=mz1=213=26 d2=mz2=246=92 齒寬 大端齒頂高 大端齒根高 大端齒頂圓

57、直徑 （大角=74.05） 錐齒輪的校核可按平均分度圓處的當(dāng)量圓柱齒輪進(jìn)行計(jì)算。 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算，其公式為： 其中 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算，其公式為： 經(jīng)校核 齒輪符合強(qiáng)度條件。 3.10帶輪的設(shè)計(jì) 我設(shè)計(jì)的檢測裝置中，帶輪的作用就是將大齒輪軸上的動(dòng)力原封不動(dòng)的傳遞給帶有輪胎的軸，沒有速度的改變。所以帶輪的設(shè)計(jì)不必考慮傳動(dòng)比的問題。因而我所設(shè)計(jì)的帶輪只要滿足強(qiáng)度要求即可。摩

58、擦帶容易打滑，這是管道機(jī)器人絕對不允許的，因?yàn)橐坏┏鍪拢蜔o法將機(jī)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(diǎn)如下： 1傳動(dòng)準(zhǔn)確，工作時(shí)無滑動(dòng)，具有恒定的傳動(dòng)比； 2.傳動(dòng)平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低； 3.傳動(dòng)效率高，可達(dá)0.98，節(jié)能效果明顯； 4.維護(hù)保養(yǎng)方便，不需潤滑，維護(hù)費(fèi)用低； 5.速比范圍大，一般可達(dá)10，線速度可達(dá)50m/s，具有較大的功率傳遞范圍，可達(dá)幾瓦到幾百千瓦； 6.可用于長距離傳動(dòng)，中心距可達(dá)10m以上。 帶輪的結(jié)構(gòu)如圖所示，其外徑為32.8mm。齒高1.14mm齒形角40度，齒根厚1.14mm。節(jié)距為2.032mm。 圖12帶輪

59、其通過鍵連接在軸上。 3.11鍵的選擇 鍵與花鍵聯(lián)接是最常見的輪轂聯(lián)接方式，屬可拆卸聯(lián)接。鍵與花鍵主要用于軸與回轉(zhuǎn)零件輪轂間周向固定和傳遞轉(zhuǎn)矩，有的還可以實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的。這是因?yàn)椋芥I結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，對中性較好。平鍵的橫截面是矩形，平鍵的上下表面相互平行。它的兩個(gè)側(cè)面是工作表面，與鍵槽有配合關(guān)系，工作時(shí)，靠鍵和鍵槽側(cè)面的擠壓和鍵受剪切傳遞轉(zhuǎn)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(tǒng)原理及設(shè)計(jì) 4.1測量系統(tǒng)的原理 測量機(jī)構(gòu)采用超聲波脈沖測厚原理，基本原理為: 超聲波換

60、能器(探頭) 發(fā)出的超聲波一部分在外表面被反射回?fù)Q能器, 如圖12 (a) 所示; 一部分如圖12 (b) 所示, 在涂層與基體的接觸面反射回?fù)Q能器; 還有一些發(fā)生多次反射, 如圖12 (c) 所示。假設(shè)超聲波在外表面反射回?fù)Q能器所用的時(shí)間是t1,在接觸面反射回?fù)Q能器的時(shí)間是t2 ,超聲波在涂層內(nèi)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(zhuǎn)數(shù)的傳感器。它由磁鋼和霍爾元件組成。將一個(gè)非磁性圓盤固定裝在車輪轉(zhuǎn)軸上，圓盤邊緣用環(huán)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1-3m

61、m處，當(dāng)磁塊與霍爾元件相對位置發(fā)生變化時(shí)，通過霍爾元件的感磁面的磁場強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生變化。圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，磁塊靠近霍爾元件。穿過霍爾元件的磁場較強(qiáng)，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)到使霍爾元件處于磁塊之間時(shí)，磁力線分散，霍爾元件輸出低電平，當(dāng)磁場減弱時(shí)輸出高電平。從而使得車輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，霍爾開關(guān)集成電路輸出連續(xù)脈沖信號(hào)。 4.2測量系統(tǒng)的傳感器的選擇 超聲波傳感器根據(jù)工作原理可分為壓電式、磁質(zhì)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(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的，逆壓電效應(yīng)將高頻電震動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)

62、射探頭；兒利用正壓電效應(yīng)，將超聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可作為接收探頭。 根據(jù)用途的不同，壓電式超聲波探頭有多種結(jié)構(gòu)，如直探頭、斜探頭、雙探頭等。本設(shè)計(jì)中選用的是直探頭，因?yàn)楸狙b置一般工作在常溫環(huán)境下，所以選用常規(guī)的超聲波直探頭就可滿足要求。超聲波的發(fā)射和接收電路如下： 圖14 超聲波發(fā)射電路 圖15 超聲波接收電路 4.3測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 測量系統(tǒng)是由三個(gè)傳感器、繼電器、單片機(jī)、以及電磁鐵組成。 圖16測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

63、兩個(gè)傳感器在同一圓周上，測量圓周上不同點(diǎn)的涂層厚度。它們被固定在兩個(gè)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(jù)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(dòng)。即當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，傳感器被頂出，進(jìn)行測量，當(dāng)電磁鐵斷電時(shí)，傳感器在彈簧的作用下，收縮回套筒，結(jié)束測量。其結(jié)構(gòu)如圖16所示。電磁鐵產(chǎn)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(jù)需要人為進(jìn)行調(diào)節(jié)。磁場強(qiáng)度的計(jì)算公式：H = N I / Le 式中：H為磁場強(qiáng)度，單位為A/m；N為勵(lì)磁線圈的匝數(shù)；I為勵(lì)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

64、為m。 磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算公式：B = Φ / (N Ae) 式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為Wb/m^2；Φ為感應(yīng)磁通（測量值），單位為Wb；N為感應(yīng)線圈的匝數(shù)；Ae為測試樣品的有效截面積，單位為m^2。 然后根據(jù)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(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)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(diǎn)的涂層厚度的要求?？紤]到步進(jìn)電機(jī)所帶負(fù)載小，所以選用42BYG301,電壓12v，靜轉(zhuǎn)矩0.25N.m.其外形圖為：

65、 圖17步進(jìn)電機(jī) 5 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1 電氣系統(tǒng)方案的分析與確定 為了實(shí)現(xiàn)對測量系統(tǒng)的自動(dòng)控制，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)對此裝置的行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。通過控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)測量裝置的前進(jìn)，后退。通過8051單片機(jī)和繼電器開關(guān)對2個(gè)超聲波傳感器進(jìn)行控制，以達(dá)到兩個(gè)傳感器不同時(shí)測量的目的，單片機(jī)與上位機(jī)可以進(jìn)行串行通訊，從而實(shí)現(xiàn)測量裝置與外界的交流。兩個(gè)傳感器是靠步進(jìn)電機(jī)控制的，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)精確角度的旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)通過單片機(jī)進(jìn)行控制。此裝置的工作過程為單片機(jī)接受上位機(jī)的指令在管道中行進(jìn)，當(dāng)需要測量時(shí)由單片機(jī)控制其停下，再由單片機(jī)執(zhí)行上位機(jī)傳來的指令控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角

66、度，從而實(shí)現(xiàn)對管道涂層厚度不同點(diǎn)的測量。 5.2 電氣系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 5.2.1 單片機(jī)的選擇 本系統(tǒng)選用單片機(jī)為控制單元。單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer）簡稱單片機(jī)，又稱微控制機(jī)器（Microcontroller Unit）或者嵌埋式控制器(Embedded Controller)。它是計(jì)算機(jī)的基本部件微型化，使之集成在一塊芯片的微機(jī)。片內(nèi)含有CPU﹑ ROM ﹑RAM ﹑并行I/O 串行﹑I/O 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器﹑ 中斷控制﹑ 系統(tǒng)時(shí)鐘及系統(tǒng)總線等。單片機(jī)有著體型小﹑ 功耗低﹑ 功能強(qiáng)﹑ 性價(jià)比高﹑ 易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化裝置﹑ 智能化儀器與儀表﹑過程控制和家電控制等許多領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。 目前單片機(jī)的種類很多，本次設(shè)計(jì)選用應(yīng)用最普遍的MCS-51系列單片機(jī)中的8051單片機(jī)。MCS-51系列單片機(jī)主要有三種型號(hào)的產(chǎn)品：8031、8051和8751。該系列產(chǎn)品是集中CPU、I/O端口及部分RAM等為一體完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段完備，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)，