管道检测机器人机械结构设计

密级学号040561毕业设计（论文）管道检测机器人机械结构设计院（系、部）：机械工程学院姓名：秦伟年级：2004级专业：机械电子工程指导教师：曹建树教师职称：副教授2008年6月6日·北京北京石油化工学院学位论文电子版授权使用协议论文《管道检测机器人机械结构设计》系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。院系名称：机械工程学院作者签名：秦伟学号：0405612008年6月6日管道检测机器人机械结构设计I摘要管道内检测机器人是智能机器人的重点研究领域之一。随着我国经济的发展，煤气、输水、油气、通讯、化工以及其他用途管道急剧增加。由于腐蚀、压力以及其它外力损伤等因素，管道不可避免地会出现各种破损。一般情况下，管道所处的环境往往是人们不易或不能直接接触的。因此，对于管道的检测和维护，成了工业生产中的一道难题。本文设计了一种石油管道检测机器人,分析了其总体机械结构和检测原理及方法。机器人通过轮伸缩机构来实现自适应管道直径的变化,万向节保证了机器人能够顺利通过一定曲率半径的弯道,提高了机器人的稳定性和灵活性。介绍了超声波检测的工作原理和具体方法。综上所述,该管道机器人检测系统,经过进一步改进和完善后,可以在石油、化工、钢铁、有色金属、塑料工业和兵器工业等许多部门中对各种金属与非金属管类产品进行内表面质量检测,有广泛的应用、推广价值。关键词：石油管道，管道机器人，无损检测，超声波检测管道检测机器人机械结构设计IIAbstractThedetectingrobotofpipisoneofintelligentrobot'sresearchareas.Alongwiththedevelopmentofourcountryeconomy,coalgas,waterdistribution,oilgas,communication,chemicalaswellasotherusepipelinehavegrowth.sharply,Becausecorrodes,factorsandsoonpressureaswellasotherexternalforcedamage,thepipelinewillpresenteachkindofbreakageinevitably.Intheordinarycircumstances,theenvironmentofpipelineisoftenpeoplecannotcontactimmediately.Therefore,regardingpipeline'sexaminationandthemaintenance,hasbecomeadifficultprobleminanindustrialproduction.Thepaperdesignedapassiveoilpipeinspectionrobotandanalyzeditsmachinestructureandinspectionprincipleandmethod.Robotcanadaptthechangeofpipediameterbywheelflexingmechanismandthedesignofuniversaljointsmakesurerobotsuccessfullypasstheturnwithcurvatureradius.Therefore,thetwomechanismsimprovedrobot’sstabilityandflexibility.Moreover,wedescribedtheworkprincipleandmethodofultrasonicinspection.Thisrobotcaninspectandhasawideapplicationfutureinoilpipeline.Insummary,thispipelinerobotexaminationsystem,afterpassingthroughfurtherimprovesandtheconsummation,mayinthepetroleum,thechemicalindustry,thesteelandiron,thenon-ferrousmetal,theplasticsindustryandtheweaponsindustryandsoonmanydepartmentstoeachmetalandthenonmetallictubulargoodsproductcarriesontheinternalsurfacequalitydetection,hasthewidespreadapplication,thepromotedvalue.Keywords：Oilpipeline,in-piperobot，Scathelessinspection,Ultrasonicinspection管道检测机器人机械结构设计I目录第一章绪论…………………………………………………………………………11.1管道检测机器人技术的发展…………………………………………………11.2管道检测机器人的研究现状…………………………………………………41.3管道检测机器人的应用前景…………………………………………………51.4检测技术原理…………………………………………………………………6第二章检测机器人的总体结构设计…………………………………………92.1机器人的总体结构设计……………………………………………………92.2机器人的驱动方式设计……………………………………………………102.3机器人的传动方式设计……………………………………………………122.4机体基本结构的设计………………………………………………………122.5几种典型的管道机器人……………………………………………………132.５.1蠕动式管道机器人………………………………………………………………132.５.2轮式管道机器人…………………………………………………………………132.５.3无缆管道机器人…………………………………………………………………142.6管道检测机器人的种调节机构………………………………………………152.6.1蜗轮蜗杆调节方式…………………………………………………………………152.6.2升降机调节方式………………………………………………………………………162.6.3滚珠丝杠螺母调节方式……………………………………………………………172.7管道检测机器人设计时的关键问题………………………………18第三章检测机器人的机械结构设计……………………………………………203.1电机的选择…………………………………………………………………203.2传动比的确定………………………………………………………………213.3蜗轮蜗杆的传动设计………………………………………………………223.4齿轮传动的设计………………………………………………………26第四章三维造型设计……………………………………………………………32管道检测机器人机械结构设计II第五章检测机器人运动稳定性分析……………………………………………425.1承载能力……………………………………………………………………425.2壳体选材……………………………………………………………………435.3弹簧推力对稳定性的影响…………………………………………………445.4道机器人的质量优化………………………………………………………475.5检测系统………………………………………………………………………48第六章经济技术分析报告……………………………………………………50第七章结论与展望………………………………………………………………51参考文献…………………………………………………………………………53致谢………………………………………………………………………………55管道检测机器人机械结构设计1第一章绪论1.1管道检测机器人技术的发展管道检测机器人是一种可在管道内、外行走的机电一体化装置，它可以携带一种或多种传感器及操作装置(如CCD摄像机位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道接口焊接装置、防腐喷涂装置等操作装置)，在操作人员的远距离控制下进行一系列的管道检测维修作业。一个完整的管道机器人系统应由移动载体(行走机构)、管道内部环境识别检测系统(操作系统)、信号传递和动力传输系统及控制系统组成。其中移动载体和管道内部环境识别检测系统是管道机器人系统的核心部分。随着油气工业的发展,管道机器人技术将被更加广泛地应用在石油工业管道上。从20世纪50年代起，为满足长距离管道运输、检测的需要，美、英、法等国相继展开了管道机器人的研究，其最初成果就是一种无动力的管内检测设备，一般译名称“管道猪”(PipePig)[]1。该设备依靠其首尾两端管内流体形成的压力为驱动力，随着管内流体的流动向前运动。它是一种被动的无自主动力的检测设备，依靠外力的作用而实现在管道中移动。随着计算机、传感器、控制理论及技术的发展，近些年来，人们开始研究采用具有自主动力的机器人来进行管道检测。这种管道机器人能在管道中自主行走，可以准确接近管道的故障截面,获得故障状况的可靠信息，精确到达操作位置。我国管道机器人方面的研究开始于20世纪80年代末。哈尔滨工业大学、上海交通大学、大庆石油管理局、中原油田以及胜利油田等先后参与了这方面的研究工作。国内的管道在线检测技术大部分也应用了“管道猪”。近些年来,我国也开始对带自主动力的机器人进行研究。20世纪70年代，可一次检查数百千米长输管道,并能自动记忆缺陷大小和位置的漏磁智能检测机器人(MFL-Pig)[]2和超声智能腐蚀检测机器人(US-Pig)已成功应用于欧美和中东等地。MFL-Pig更适合石油管道高灵敏度腐蚀厚度检测和轴向裂纹探伤。长输油管超声检测机器人研究是在宽频超声自动检测系统技术基础上进行的。不管道检测机器人机械结构设计2断深化研究超声智能腐蚀检测机器人多通道高集成度宽频超声系统、探头环、计算机实时高速采集数据和数据图像处理显示技术，并分别在2000年10月和2004年7月研制成旋转探头环和阵列探头宽频超声管道腐蚀检测功能样机[]3。1国外长输管道智能检测进展和超声内检测器特点近50年,德、美、英、加、俄、荷、日等国对长输管道在役检测技术进行了大量研究、试制、实用、改进工作。主要检测评价工具类型为MFL-Pig和US-Pig.在长期研究中，人们认识到超声和漏磁检测技术的机器人各有优点和局限性。MFL-Pig主要特点是不需耦合介质和易于裂纹探伤，更适合天然气管道裂纹探伤；US-Pig主要特点是高灵敏度检测腐蚀厚度和易于轴向裂纹探伤,更适合石油管道腐蚀探伤。近10年,先进工业国家开展的大量研究改进工作主要集中在：提高MFL-Pig检测腐蚀灵敏度及增加检测轴向裂纹的能力；增加US-Pig裂纹检测能研究不需耦合介质的电磁超声法EMAT-Pig检测天然气管道；研究专门评价管道截面尺寸和管道走向的机器人；研究海洋管道检测(US-PIT)先进技术[]6~4。由于超声测厚精确度高、可检测厚壁管(40~50mm)、可检测钢管、S.S管、工程塑料管及复合管；易于实现轴向裂纹和SCC裂纹探伤。近十几年,德、美、俄、荷、日等大量开展US-Pig研究改进工作，并在长输油管道和海洋管道检测中得到更广泛应用。目前最先进的超声管道检测机器人(PIT)采用多达896~1024个超声探头，同时实现高精度