毕业设计-管道检测机器人

本科毕业设计第1页共35页1引言管道运输是当今五大运输方式之一，已成为油气能源运输工具。目前，世界上石油天然气管道总长约200万km，我国长距离输送管道总长度约2万km。国家重点工程“西气东输”工程，主干线管道(管径1118mm)全长4167km，其主管道投资384亿元，主管线和城市管网投资将突破1000亿元。世界上约有50%的长距离运输管道要使用几十年、甚至上百年时间，这些管道大都埋在地下、海底。由于内外介质的腐蚀、重压、地形沉降、塌陷等原因，管道不可避免地会出现损伤。在世界管道运输史上，由于管道泄漏而发生的恶性事故触目惊心。据不完全统计，截至1990年，国内输油管道共发生大小事故628次。1986到2b00年期间美国天然气管道发生事故1184起，造成55人死亡、210人受伤，损失约2.5亿美元。因此，研究管道无损检测自动化技术，提高检测的可靠性和自动化程度，加强在建和在役运输管道的检测和监测，对提高管线运输的安全性具有重要意义。1.1管道涂层检测装置的发展、现状和前景1.1.1管道涂层检测装置的发展管内作业机器人是一种可沿管道自动行走,携有一种或多种传感器件和作业机构,在遥控操纵或计算机控制下能在极其恶劣的环境中进行一系列管道作业的机电仪一体化系统.对较长距离管道的直接检测、清理技术的研究始于本世纪50年代美、英、法、德、日等国,受当时的技术水平的限制,主要成果是无动力的管内检测清理设备——PIG,此类设备依靠首尾两端管内流体的压力差产生驱动力,随着管内流体的流动向前移动,并可携带多种传感器.由于PIG本身没有行走能力,其移动速度、检测区域均不易控制,所以不能算作管内机器人.图1所示为一种典型的管内检测PIG[5].这种PIG的两端各安装一个聚氨脂密封碗,后部密封碗内侧环向排列的伞状探头与管壁相接触,测量半径方面的变形,并与行走距离仪的旋转联动,以便使装在PIG内部的记录仪记录数据.它具有沿管线全程测量内径,识别弯头部位,测量凹陷等变形部位及管圆度的功能,并可以把测量结果和检测位置一起记录下来.70年代以来,石油、化工、天然气及核工业的发展为管道机器人的应用提供了广阔而诱人的前景,而机器人学、计算机、传感器等理论和技术的发展,也为管内和管外自主移动机器人的研究和应用提供了技术保证.日、美、英、法、德等国在此方面做了大量研究工作,其中日本从事管道机器人研究的人员最多,成果本科毕业设计第2页共35页也最多。图1管内检测典型PIG样机在已实现的管内作业机器人中,按照其行动方式可分为轮式、履带式、振式、蠕动式等几类：(1)轮式管内机器人由于轮式驱动机构具有结构简单,容易实现,行走效率高等特点,对此类机器人的研究比较多.机器人在管内的运动,有直进式的(即机器人在管内平动)也有螺旋运动式的(即机器人在管内一边向前运动,一边绕管道轴线转动);轮的布置有平面的,也有空间的.一般认为,平面结构的机器人结构简单,动作灵活,但刚性、稳定性较差,而空间多轮支撑结构的机器人稳定性、刚性较好,但对弯管和支岔管的通过性不佳.轮式载体的主要缺点是牵引力的提高受到封闭力的限制.图2所示为日本的M.Miura等研制的轮式螺旋推进管内移动机器人。(2)履带式管内机器人履带式载体附着性能好,越障能力强,并能输出较大的牵引力.为使管内机器人在油污、泥泞、障碍等恶劣条件下达到良好的行走状态,人们又研制了履带式管内机器人.但由于结构复杂,不易小型化,转向性能不如轮式载体等原因,此类机器人应用较少.图2所示为日本学者佐佐木利夫等研制的履带式管内移动机器人[13],其驱动轮可变角度以适应管径的变化,可通过圆弧过渡的90度弯管.本科毕业设计第3页共35页图2轮式螺旋推进管内移动机器人总体结构图图3轮式螺旋推进管内移动机器人驱动系统图(3)振动式管内机器人振动可以使物体的位置改变,根据这一原理,日本学者森光武则等提出了的振动式管内移动机器人。其原理为:在机器人的外表面装有若干与机体成一定角度的弹性针,靠弹性针的变形使其压紧在管壁上.机身内装有偏心重物,由电机驱动.当偏心重物旋转时,离心力使弹性针变形,滑动,从而带动机器人移动.振动式管内机器人结构简单,容易小型化,但行走速度难以控制,而且振动使机器人沿圆周方向自转,姿态不稳定,另外,振动对传感器的工作和寿命均会产生影响.(4)蠕动式管内机器人参考蚯蚓、毛虫等动物的运动,人们研制了蠕动式管内机器人。其运动是通过身体的伸缩(蠕动)实现的:首先,尾部支承,身体伸长带动头部向前运动,然后,头部支承,身本科毕业设计第4页共35页体收缩带动尾部向前运动,如此循环实现机器人的行走.图3所示为日本日历制作所研制的蠕动式管内机器人,其前后两部分各有8条气缸驱动的可伸缩支撑足,中部有一气缸作为蠕动源。国内在管道机器人方面的研究起步较晚，而且多数停留在实验室阶段。哈尔滨工业大学邓宗全教授在国家863”计划课题“X射线检测实时成像管道机器人的研制”的支持下，开展了轮式行走方式的管道机器人研制，如图3所示。该机器人具有以下特点:(1)适应大管径(大于或等于900mm)的管道焊缝X射线检测。(2)一次作业距离长,可达2km。(3)焊缝寻址定位精度高为±5mm。(4)检测工效高,每道焊缝(900mm为例)检测时间不大于3min;实现了管内外机构同步运动作业无缆操作技术,并研制了链式和钢带式两种新型管外旋转机构,课题研究成果主要用于大口径管道的自动化无损检测[8]。上海大学研制了“细小工业管道机器人移动探测器集成系统”。其主要包含20mm内径的垂直排列工业管道中的机器人机构和控制技术(包括螺旋轮移动机构、行星轮移动机构和压电片驱动移动机构等)、机器人管内位置检测技术、涡流检测和视频检测应用技术,在此基础上构成管内自动探测机器人系统。该系统可实现20mm管道内裂纹和缺陷的移动探测[9]。1.1.2测量方法的研究进展按有无破坏性,表面涂镀层厚度测试方法可分为有损检测和无损检测。有损检测方法主要有计时液流测厚法、溶解法、电解测厚法等,这种方法一般比较繁琐,主要用于实验图4蠕动式管内移动机器人本科毕业设计第5页共35页室。目前也有便携式测厚仪,适合在现场使用。常用的无损检测方法有库仑-电荷法、磁性测厚法、涡流测厚法、超声波测厚法和放射测厚法等，各种无损测厚法均有成型的仪器设备,使用起来方便简单,且无需对表面涂镀层进行破坏[1]。因此,该类方法在管道涂层的测量中已得到了广泛的应用。常用的无损涂层测量方法有磁性测厚﹑电涡流测厚﹑磁性/涡流测厚﹑超声波测厚等（1）磁性测厚磁性测厚法可分为2种:磁吸力测厚法和磁感应测厚法。磁吸力测厚法的测厚原理:永久磁铁(测头)与导磁钢材之间的吸力大小与处于这两者之间的距离成一定比例关系,这个距离就是覆层的厚度。利用这一原理制成测厚仪,只要覆层与基材的导磁率之差足够大,就可进行测量。测厚仪基本结构由磁钢、接力簧、标尺及自停机构组成。磁钢与被测物吸合后,将测量簧在其后逐渐拉长,拉力逐渐增大。当拉力刚好大于吸力,磁钢脱离的一瞬间记录下拉力的大小即可获得覆层厚度[2]。新型的产品可以自动完成这一记录过程。磁感应测厚法的基本原理:利用基体上的非铁磁性涂覆层在测量磁回路中形成非铁磁间隙,使线圈的磁感应强度减弱;当测量的是非铁磁性基体上的磁性涂镀层厚度时,则随着涂镀层厚度的增加,其磁感应强度也会增加。利用磁感应原理的测厚仪,原则上可以测量导磁基体上的非导磁覆层厚度,一般要求基材导磁率在500H/m以上。如果覆层材料也有磁性,则要求与基材的导磁率之差足够大(如钢上镀镍)。磁性原理测厚仪可用来精确测量钢铁表面的油漆层,瓷、搪瓷防护层,塑料、橡胶覆层,包括镍铬在内的各种有色金属电镀层以及化工石油行业的各种防腐蚀涂层。其特点是操作简便、坚固耐用、不用电源、测量前无须校准、价格较低,适合车间做现场质量控制。（2）电涡流测厚涡流测厚仪是根据涂镀层与基体材料的导电性有足够的差异来进行金属基材上涂覆层的物性膜厚来测量的。该方法实质上也属于电磁感应原理,但能否采用该方法进行厚度测定,与基体及涂镀层材料的导电性有关,而与其是否为磁性材料无关。其工作原理为:高频交流信号会在测头线圈中产生电磁场,当测头靠近导体时,就在其中形成涡流。测头离导电基体愈近,则涡流愈大,反射阻抗也愈大。这个反馈作用量表征了测头与导电本科毕业设计第6页共35页基体之间距离的大小,也就是导电基体上非导电覆层厚度的大小。由于这类测头专门测量非铁磁金属基材上的覆层厚度,所以通常称之为非磁性测头。非磁性测头采用高频材料做线圈铁芯,例如铂镍合金或其他新材料。与磁感应原理比较,主要区别是不同的测头、不同的信号频率和大小及不同的标度关系。采用电涡流原理的测厚仪,主要是对导电体上的非导电体覆层厚度的测量,但当覆层材料有一定的导电性时,通过校准也同样可以测量,只是要求两者的导电率之比至少相差3～5倍(如铜上镀铬)。（3）磁性/涡流测厚磁性测厚和涡流测厚均有缺点,为此,很多厂家将两者综合在一起进行测定,采用的探头有3种:F型、N型和FN型。其中F型探头采用磁感应原理,可用于钢铁上的非磁性涂镀层,如油漆、塑料、搪瓷、铬和锌等;N型探头采用涡流原理,用于有色金属(如铜、铝、奥氏体不锈钢)上的绝缘层,如阳极氧化膜、油漆和涂料等;而FN型探头同时具有F和N型探头的功能,利用两用型探头,可实现在磁性和非磁性基体上自动转换测量[3]。目前开发比较成熟的磁性测厚仪有时代公司的TT220,德国EPK公司开发的MINITEST4100/3100/2100/1100系列测厚仪和PHYNIX公司的Surfix/Pocket2Surfix便携式涂镀层测厚仪,可以方便地实现各种条件下的无损测厚。（4）超声波测厚超声波测厚仪是利用超声波脉冲反射原理,通过发射的超声波脉冲至涂层/基材,计算脉冲通过涂层/基材界面反射回发射器所花的时间来计算涂层的厚度。仪器通过一个发射器发射高频超声波进入涂层,振动波会穿透涂层,遇上不同力学性能的材料(如基材)时,振动波会在不同材料的界面部分反射和传递。反射部分会被感应器接收,传递的振动波继续传递到底材,同样经历着所有材料界面间的反射、传递过程。传感器将反射波转换成电信号,这些信号会被仪器数码化,数码化反射波被分析后,便得到振荡波所花的确切传递时间[5]。从而计算出涂层的厚度。超声波测厚仪可用于测量多种材料的厚度,如钢、铁、塑料和玻璃等。新型的超声波测厚仪可以一次测量即可测定多层涂层的总厚度及指定的各层厚度,且精度很高。1.1.3管内作业机器人的发展前景为了使管内作业机器人能够尽快地走出实验室,进入实用化阶段,必须在以下几个方面有所突破。本科毕业设计第7页共35页（1）灵活可靠的行走机构前面已经提到,管内作业机器人在弯管、支岔管中的通过性问题仍未解决。而要解决这一问题，首先要在机构上保证机器人能够在这些特殊环境中顺利行走.如何寻找一种融合各种机构优点,既能够提供较大的牵引力，又快速灵活，可靠性高的驱动方案是值得研究的问题.另外，还特别要在动力系统、传动机构的小型化方面下工夫。应该指出的是，要解决管内机器人的通过性问题,除了要在机械结构方面推陈出新之外,还应该结合控制方案来考虑。例如前述日本于1994年推出的BEAGLE200管内探伤系统,采用3台电机分别驱动空间均布的3个主动轮，虽然机构较复杂，但由于3个驱动轮可分别控制，从而为提高其在弯管段的通过性提供了可能。（2）智能化的传感器系统对管道内部这类非结构化环境，现有的管内作业机器人中的传感器或无法正常发挥作用,或过多地依赖人的介入，已经不能满足其发展的需要。经过多年的实践，人们已经认识到传感器的集成,即多种传感器(光,机,电,仪)的综合运用是解决上述问题的有效手段。特别是以摄像机为基础的视觉传感器，由于其直观性，应引起足够的重视。同时，先进的感知算法的研究是必要的，只有将感知算法与传感器的硬件结合起来，形成智能化的传感器，才能为提高管内作业机器人的控制水平打下良好的基础。（3）高度自治的控制系统在管道内部复杂的环境中，为减轻操作人员的负担，机器人具有自