液壓成型機(jī)械活動(dòng)橫梁設(shè)計(jì),液壓,成型,機(jī)械,活動(dòng),流動(dòng),橫梁,設(shè)計(jì) 前言 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，管道運(yùn)輸作為一種高效、安全、可靠的手段應(yīng)用日益廣泛，城市中的地下排水系統(tǒng)、取暖系統(tǒng)、煤氣系統(tǒng)、自來水系統(tǒng)等都應(yīng)用了各種管道；另外，在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)、石油、化學(xué)、核工業(yè)等領(lǐng)域也大量使用了管道。經(jīng)過長期使用，它們會出現(xiàn)裂紋、腐蝕、堵塞等故障。有的管道中輸送的是劇毒或放射性介質(zhì)，若這些管道產(chǎn)生裂紋、漏孔會造成介質(zhì)泄漏，引起事故甚至發(fā)生災(zāi)難。為了防患于未然，必須對這些管道進(jìn)行定期檢測和維修。但是它們有的埋在地下，甚至埋在海底，有的口徑很小，人無法進(jìn)入。挖出管道進(jìn)行檢測、維修既不經(jīng)濟(jì)又不現(xiàn)實(shí)，由此可見，管道機(jī)器人有著廣闊的市場。 我國早在1987年就開展了管內(nèi)機(jī)器人的研究，并試制了幾種模型，但總體水平較國外差。管內(nèi)機(jī)器人研究是機(jī)電一體化的高科技研究項(xiàng)目。在石油、化工、核工業(yè)、給排水等許多管道工程中，都需要進(jìn)行管內(nèi)檢測、噴涂及加工等工作，管內(nèi)機(jī)器人在完成這些工作中會發(fā)揮重要作用，因此，開發(fā)研究管內(nèi)機(jī)器人意義很大[1]。 本次題目的內(nèi)容就是設(shè)計(jì)一種可在油管內(nèi)壁爬行，并且搭載工作體的部分可協(xié)助工作體完成相應(yīng)作業(yè)的機(jī)器人。采用機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制來達(dá)到設(shè)計(jì)目的。要實(shí)現(xiàn)的理想過程是：人對主機(jī)輸入一個(gè)控制信號，可以通過單片機(jī)對電機(jī)、電磁鐵進(jìn)行電氣控制，從而使機(jī)器人能夠按照所搭載工作體的要求進(jìn)行移動(dòng)，并在工作體的工作位置做出相應(yīng)的輔助動(dòng)作。機(jī)器人在行進(jìn)過程中可在任意位置停止前進(jìn)，并可以在該位置開始作業(yè)，工作體可在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下完成小于360度的任意角度的旋轉(zhuǎn)。 1 方案的結(jié)構(gòu)選擇 1．1 總體選擇 總體上，本次設(shè)計(jì)主要采用機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來完成指定的動(dòng)作，而用電氣設(shè)計(jì)來控制這些動(dòng)作。 1．2 前進(jìn)方案的選擇 目前在管道內(nèi)機(jī)器人的行進(jìn)方式多種多樣，本設(shè)計(jì)采用蠕動(dòng)式行進(jìn)的方式。前進(jìn)方案由旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)、直線式步進(jìn)電機(jī)、氣缸中進(jìn)行選擇?，F(xiàn)將3種方式在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行比較。由于本設(shè)計(jì)前進(jìn)方式為直線，所以其中使用直線式電機(jī)最為簡便，直線電機(jī)的電機(jī)軸是絲杠形式的，于是可以通過絲杠的導(dǎo)程來計(jì)算機(jī)器人的行進(jìn)距離。 使用旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)的原理與直線式步進(jìn)電機(jī)相似，可通過一個(gè)小型連軸器與絲杠相連組成一個(gè)直線式步進(jìn)電機(jī)，也可以通過一組齒輪減速器將絲杠與電機(jī)軸相連，簡圖見圖1-1。 圖1-1 結(jié)構(gòu)簡圖 第三種方法是使用氣缸推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。綜合比較三種方法后發(fā)現(xiàn)，氣缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)過程簡單，但其行程不易控制，要實(shí)現(xiàn)精確控制需要成本過高。兩種步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)相似，但直線式的步進(jìn)電機(jī)在安裝時(shí)不易對心，且價(jià)格遠(yuǎn)高于旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)。所以綜合考慮最終選擇采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的方案。 1．3 卡緊方案的選擇 機(jī)器人在蠕動(dòng)式爬行的時(shí)候，需要卡緊裝置進(jìn)行配合。所以需要選擇合理的卡緊方案。由于本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人需要適應(yīng)從4.5到7英寸的不同管徑的管道，這給卡緊方案的設(shè)計(jì)帶來很大的難度。 方案1為采用推拉式電磁鐵直接進(jìn)行卡緊，并使用適當(dāng)?shù)倪B桿機(jī)構(gòu)調(diào)整電磁鐵位置，當(dāng)連桿機(jī)構(gòu)將電磁鐵調(diào)整到指定位置后，電磁鐵得電，推桿伸長，機(jī)器人卡緊管壁。工作完成后，電磁鐵失電，機(jī)器人放松[6]。結(jié)構(gòu)簡圖見圖1-2 圖1-2 結(jié)構(gòu)簡圖 方案2為使用一個(gè)旋轉(zhuǎn)電磁鐵，用旋轉(zhuǎn)電磁鐵來帶動(dòng)凸輪實(shí)現(xiàn)卡緊，通過對凸輪進(jìn)行設(shè)計(jì)可以計(jì)算出支撐桿的移動(dòng)距離。當(dāng)旋轉(zhuǎn)電磁鐵得電后，旋轉(zhuǎn)一定角度，帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，使支撐桿在徑向產(chǎn)生移動(dòng)從而卡進(jìn)管壁。電磁鐵失電后，通過彈簧的作用使凸輪和支撐足復(fù)位，機(jī)器人放松。結(jié)構(gòu)簡圖見圖1-3。 圖1-3 結(jié)構(gòu)簡圖 Diagram 1-3 structure sketch plans 方案3為使用一推拉式電磁鐵推動(dòng)錐形滑塊，同時(shí)設(shè)計(jì)三個(gè)長度可調(diào)的支撐桿，當(dāng)電磁鐵得電后，電磁鐵推桿伸出并帶動(dòng)錐形滑塊沿軸向前進(jìn)。由于滑塊為錐形，支撐足產(chǎn)生徑向移動(dòng)，機(jī)器人被卡緊[7]。電磁鐵失電后，機(jī)器人放松，原理同方案2。結(jié)構(gòu)簡圖見圖1-4。 圖1-4 結(jié)構(gòu)簡圖 Diagram 1-4 structure sketch plans 綜合比較以上三種方案，首先放棄了方案1，由于管道內(nèi)空間有限，電磁鐵的體積太大，無法合理的安放電磁鐵，并且電磁鐵的重量也相對較大，設(shè)計(jì)與之相應(yīng)的連桿機(jī)構(gòu)也很困難。方案2與方案3在原理上基本相同，不同之處在于方案2用的是凸輪，而方案3用的是錐形滑塊。凸輪的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且其表面需要非常光滑，由于凸輪曲面為復(fù)雜曲面，所以普通磨床難以加工，需用數(shù)控加工中心進(jìn)行加工，這樣加大了成本。經(jīng)過綜合比較決定選擇方案3。 另外，在卡緊方面也可使用氣缸，此類型的設(shè)備已被開發(fā)，但由于空間問題并不適合于本設(shè)計(jì)，故本設(shè)計(jì)不使用該方法。 1．4 旋轉(zhuǎn)方案的選擇 旋轉(zhuǎn)部分采用一個(gè)旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)軸帶動(dòng)法蘭，可在法蘭上連接工作體，通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度來控制工作體的轉(zhuǎn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。 圖1-5 Diagram 1-5 1．5 調(diào)節(jié)方案的選擇 由于本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人要適應(yīng)不同的管徑，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)合理的可調(diào)機(jī)構(gòu)。 初步擬訂3個(gè)方案，方案1采用一個(gè)推拉式電磁鐵推動(dòng)一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)與卡緊方案1相似，結(jié)構(gòu)簡圖見圖1-2。通過控制推桿伸出的長度及連桿機(jī)構(gòu)來調(diào)整支撐足。 方案2也是一種連桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)見圖1-6。通過調(diào)整螺栓來調(diào)整支撐足的高度。它的結(jié)構(gòu)與汽車修理廠所用千斤頂相似。 圖1-6 結(jié)構(gòu)簡圖 Diagram 1-6 structure sketch plans 方案3較為簡單，將支撐桿上做出幾個(gè)槽，槽的位置分別與機(jī)器人所需要工作的管徑相對應(yīng)，在外安裝套筒，并在套筒上開螺紋孔，通過緊釘螺釘將支撐桿與套筒相連。再將套筒與機(jī)體相連，通過緊定螺釘與不同槽之間的配合來適應(yīng)不同的管徑。結(jié)構(gòu)詳見圖1-7。 圖1-7 結(jié)構(gòu)簡圖 Diagram 1-7 structure sketch plans 再對以上三種方案進(jìn)行比較，方案1的自動(dòng)化程度很高，可以通過控制計(jì)算機(jī)來控制調(diào)整機(jī)構(gòu)，節(jié)省了人力。方案2的機(jī)構(gòu)很合理，調(diào)整方便。但由于管道內(nèi)空間的限制，這個(gè)方案都很難在本設(shè)計(jì)中應(yīng)用，而方案3雖然不是最精確的，但它制造方便，并且在空間上設(shè)計(jì)的很合理。并且為可換，在需要適應(yīng)新的管徑的時(shí)候，只需要重新制造支撐桿，十分方便。本設(shè)計(jì)采用方案3。 1．6 結(jié)構(gòu)方案改進(jìn) 機(jī)器人采用絲杠來推動(dòng)前進(jìn)，在前進(jìn)過程中對于部分機(jī)體的旋轉(zhuǎn)自由度沒有加以限制，所以不排除機(jī)器人在前進(jìn)過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。為了防止旋轉(zhuǎn)，我們在絲杠的平行方向上加一根光杠。這樣機(jī)器人在前進(jìn)時(shí)，當(dāng)一端被卡緊時(shí)，另一部分的旋轉(zhuǎn)自由度也被加以限制，防止了旋轉(zhuǎn)的發(fā)生。 機(jī)器人在前進(jìn)的過程中，管道內(nèi)的情況不明。有些管道的內(nèi)表面已經(jīng)作了加工，為了防止劃傷管道內(nèi)表面，我們在機(jī)器人的三大部分上分別加上三組小輪，這樣不僅可以減小摩擦力，通過對小輪表面材料的選擇也可以起到保護(hù)管道內(nèi)表面的作用。 由于機(jī)器人所載工作體需做小于360°的旋轉(zhuǎn)，所以應(yīng)該最大限度的保證機(jī)器人的中心與管道的中心重合，這樣工作體就是繞管道的中心旋轉(zhuǎn)。采用三足支撐的方法進(jìn)行自動(dòng)定心，同時(shí)在其中一個(gè)支撐足上安裝彈簧，使三個(gè)支撐足同時(shí)抵在管壁上，保證定心。并將防劃傷的小輪安裝在這三個(gè)支撐足上。結(jié)構(gòu)如圖1-8所示。 圖1-8 結(jié)構(gòu)簡圖 Diagram 1-8 structure sketch plans 在原理上可以將卡緊與支撐用一個(gè)機(jī)構(gòu)來執(zhí)行，但是由于支撐足上安裝了用來減小摩擦力的小輪，這樣電磁鐵產(chǎn)生的卡緊力將不足以卡緊，將定心與卡緊分離，可以保證卡緊力，只要在結(jié)構(gòu)上做的盡量緊湊，充分考慮空間因素，問題將得到解決。 2 主要部件的計(jì)算選擇 2．1 步進(jìn)電機(jī)的選擇 本次設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)共使用兩個(gè)，兩個(gè)電機(jī)的功能不同所用型號也不相同。 我們先對行進(jìn)用的電機(jī)進(jìn)行選擇。本次設(shè)計(jì)中的前進(jìn)動(dòng)力全部來自這個(gè)步進(jìn)電機(jī)，所以該電機(jī)提供推力必須能夠推動(dòng)整個(gè)機(jī)體。 機(jī)器人制造材料為鋁，鋁的密度為 Kg/m3 可得整個(gè)機(jī)體的質(zhì)量約為1.5千克。 由于機(jī)器人工作環(huán)境所限預(yù)計(jì)工作體的質(zhì)量為1.5千克。機(jī)器人整體的質(zhì)量主要由機(jī)體、工作體、電磁鐵和電機(jī)的質(zhì)量組成，初步選擇兩個(gè)電機(jī)的質(zhì)量約為0.75千克。兩個(gè)電磁鐵的質(zhì)量為0.35千克，再補(bǔ)充其它部件的質(zhì)量，整個(gè)機(jī)器人的質(zhì)量約為5千克。 機(jī)器人在管道內(nèi)所受的阻力來自于小輪與管壁的滾動(dòng)摩擦力。小輪與油管內(nèi)壁間的摩擦系數(shù)決定了機(jī)器人所需推力。 根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，滾動(dòng)摩擦系數(shù)在0.1與0.2之間，這里為保證推力，取摩擦系數(shù)為0.2。得出為使機(jī)器人前進(jìn)所需推力為 9.8N 。 旋轉(zhuǎn)電機(jī)所輸出的轉(zhuǎn)距由絲杠轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，絲杠推力由螺旋副產(chǎn)生，由于推力已得出，所以計(jì)算所得的螺旋副間的摩擦阻力矩即所選電機(jī)需要滿足的轉(zhuǎn)矩。 計(jì)算摩擦力矩時(shí)借鑒螺紋預(yù)緊的扭緊力矩的計(jì)算方法[8]。 螺栓由于扭緊力矩T作用，使螺栓和被連接面之間產(chǎn)生預(yù)緊力F0 。由機(jī)械原理可知，扭緊力矩T等于螺旋副間的摩擦阻力矩T1（即本設(shè)計(jì)中所需求的轉(zhuǎn)矩）和螺母環(huán)形面與被連接件支撐面間 的摩擦阻力矩之和， 即 （2-1） 螺旋副間的摩擦力矩為 （2-2） 螺母與支承面間的摩擦力矩為 （2-3） 將（2-2）、（2-3） 、代入（2-1），得 （2-4） 表2-1 綜合考慮螺紋升角；螺旋副的當(dāng)量摩擦角（f為摩擦系數(shù)，無潤滑時(shí)f0.1-0.2）；螺母與支承面間的摩擦系數(shù)可得 （2-5） 因?yàn)榻z杠傳動(dòng)過程中并無螺母與支承面間的摩擦阻力矩T2，所以可利用公式（2-5）計(jì)算本設(shè)計(jì)中所用電機(jī)的轉(zhuǎn)距，并且計(jì)算出的轉(zhuǎn)距一定大于推力所用的轉(zhuǎn)矩，在選用電機(jī)時(shí)留出了工作余量。 由于在工作的絲杠與電機(jī)軸之間使用了一組齒輪減數(shù)器，Z1=20，Z2=36，。 計(jì)算得出所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩為0.0087N.m 在考慮到空間、質(zhì)量因素后決定采用35BYG310型步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)如表3-1所示： （通用技術(shù)參數(shù)）混合式步進(jìn)電機(jī) 步 距 角 1.8°±5% 絕緣電阻 500V? DC? 100MΩ? Min 絕緣強(qiáng)度 50Hz? 1Minute? 500V Min 環(huán)境溫度? 20℃~+50℃ 溫??? 升 80℃ Max. 徑向跳動(dòng) 0.02mm Max. 軸向跳動(dòng) 0.1-0.3mm 型號 相數(shù) 電流 電阻 最大靜轉(zhuǎn)矩 重量 外形尺寸 (A) (Ω) (kg.cm) (kg) L0(mm) L1(mm) 35BYG310 2 0.19 60 0.8 0.15 28 21 35BYG408 2 1.60 1.3 0.9 0.15 29 21 35BYG409 2 0.32 23 1.4 0.20 29 21 選擇步進(jìn)電機(jī)的步距角為，絲杠導(dǎo)程為1.5㎜，機(jī)器人行進(jìn)的分辨率為0.0075㎜/步[9]。 工作體轉(zhuǎn)動(dòng)所用步進(jìn)電機(jī)的選擇。 工作體在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中需要克服由重力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，由于工作體形狀未知，故設(shè)工作體重心偏移量為最大，工作體質(zhì)量為1.5㎏，得出所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩為0.375N.m 。選擇57BYG008型步進(jìn)電機(jī)。 步 距 角 1.8deg 環(huán)境溫度 25～+40℃ 絕緣等級 B 表2-2 Form 2-2 型號 電壓 電流 電阻 電感 最大靜力矩 機(jī)身長 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 重量 (V) (A) (Ω) (mh) (N.cm) (mm) (g.cm2) (kg) 57BYG007 12 0.38 32 30 29.4 41 60 0.45 57BYG008 4.0 1.3 3.1 4.4 49.0 51 118 0.6 57BYG009 2.4 2.4 1.0 1.5 58.8 56 145 0.65 2．2 推拉式電磁鐵的選擇 本設(shè)計(jì)卡緊部分所采用的是推拉式電磁鐵，通過錐形塊來實(shí)現(xiàn)卡緊。 錐形塊的錐度設(shè)定為，支撐桿受力簡圖如圖2-1所示： 圖2-1支撐桿受力簡圖 Diagram 2-1 prop up a pole to be subjected to a dint sketch plan 圖中F1為電磁鐵推力，F(xiàn)2為作用在油管內(nèi)壁的卡緊力。 因?yàn)殄F度為，所以F1=F2 。機(jī)器人前進(jìn)所用推力為9.8N，則電磁鐵所產(chǎn)生的卡緊力應(yīng)大于9.8N。在電磁鐵的卡緊足上鍍上用于增大摩擦力的橡膠，保守的取滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.5，計(jì)算得出所需電磁鐵的推力為為19.6N。由于機(jī)器人工作的空間狹小且工作條件不清楚，所以在保證足夠力的前提下，應(yīng)盡量選擇體積小行程適中的。所以電磁鐵選用TCT40Z型推拉式電磁鐵。仔細(xì)分析電磁鐵工作曲線（如圖2-2 ）后，決定選用工作行程為4㎜，功率50W。 圖2-2 Diagram2-2 3 關(guān)鍵件的校核 3．1 絲杠的校核 由于機(jī)器人前進(jìn)過程中行進(jìn)的距離要進(jìn)行精確控制，屬于精密傳動(dòng)，所以絲杠材料選用CrWMn鋼 ，公稱直徑為8mm , H = 0.75mm , 導(dǎo)程為1.5 mm , 。 其中 絲杠推力F = 9.8N ，d2 = 7.25 , Z = 7 。 計(jì)算得出：P = 0.08MP a, 所以符合要求[10]。 3．2 軸承的校核 本設(shè)計(jì)中兩處用到了軸承，其中轉(zhuǎn)動(dòng)部分需要用角接觸球軸承70000型。本設(shè)計(jì)中此處選用角接觸球軸承既能抵消所受的徑向力,又能抵消所受的附加軸向力。又因?yàn)榇藢S承所受的外摩擦力即軸向力非常小，故符合機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及壽命要求。 另外固定絲杠時(shí)也需要選用軸承。由于絲杠是與電機(jī)布置在同一部分機(jī)體內(nèi)，電機(jī)已經(jīng)占據(jù)了一定空間，且絲杠公稱直徑很小，普通軸承不能滿足要求。我們在這里選用儀器儀表軸承，d = 6mm ，D = 13mm 。 軸承的基本額定載荷KN，KN。 在輕載的情況下，軸向，即N[11]。 在機(jī)器人行進(jìn)過程中，絲杠的推力為9.8N，所以選用的軸承滿足要求。 3．3 鍵的校核 轉(zhuǎn)動(dòng)部分使用了一個(gè)普通平鍵，傳遞轉(zhuǎn)矩為 0.375N.m ，軸的直徑為16mm ，。 校核公式： 計(jì)算得出，鍵的材料為鋼，符合要求[12]。 4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的機(jī)電執(zhí)行元件。每外加一個(gè)控制脈沖，電機(jī)就運(yùn)行一步，故稱為步進(jìn)電機(jī)或脈沖馬達(dá)。與其它驅(qū)動(dòng)元件相比其控制有如下幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)： 1） 通常不需要反饋就能對位移或速度進(jìn)行精確控制； 2） 輸出的轉(zhuǎn)角或位移精度高，誤差不會累積； 3） 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，與數(shù)字設(shè)備兼容，價(jià)格便宜。 步進(jìn)電機(jī)的品種規(guī)格很多，按照其結(jié)構(gòu)和工作原理可劃分為反應(yīng)式電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)和特種步進(jìn)電機(jī)四種主要形式。本次設(shè)計(jì)中采用混合式步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行需要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移，既控制系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)脈沖信號，通過驅(qū)動(dòng)器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器擁有細(xì)分功能?？刂葡到y(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所前進(jìn)的不一定是電機(jī)的固有步距角，真正的步距角和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)通過細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)，其步距角變小了，如驅(qū)動(dòng)器工作在10細(xì)分狀態(tài)時(shí)，其步距角只有“電機(jī)固有步距角”的十分之一，也就是說：‘當(dāng)驅(qū)動(dòng)器工作在不細(xì)分的半步工作狀態(tài)驅(qū)動(dòng)所用電機(jī)時(shí)，控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；而用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在10細(xì)分狀態(tài)時(shí)，電機(jī)只轉(zhuǎn)動(dòng)了’，這就是細(xì)分功能。 驅(qū)動(dòng)器細(xì)分后的主要優(yōu)點(diǎn)為： 1）完全消除了電機(jī)的低頻振蕩。低頻振蕩（約在200Hz左右）是步進(jìn)電機(jī)的固有特性，而細(xì)分是消除它的唯一途徑，如果步進(jìn)電機(jī)有時(shí)要工作在共振區(qū)（如走圓?。x擇細(xì)分驅(qū)動(dòng)器是唯一的選擇。 2）提高了電機(jī)的的輸出轉(zhuǎn)矩。尤其是對三相反應(yīng)式電機(jī)，其力矩比不細(xì)分時(shí)提高了30-40％。 3）提高了電機(jī)的分辨率。由于減小了步距角、提高了步距的均勻度，‘提高電機(jī)的分辨率’是不言而喻的。 本設(shè)計(jì)中共使用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，型號分別為35BYG310和57BYG008。 為兩電機(jī)選擇的驅(qū)動(dòng)器型號均為SH-2H057M，該驅(qū)動(dòng)器所用的是全功能步進(jìn)電機(jī)專用控制芯片，是由超大規(guī)模的硬件集成，具有高度的抗干擾性及快速的響應(yīng)性，不會像單片機(jī)控制那樣易產(chǎn)生死機(jī)及丟步現(xiàn)象。 由于不同工作體對機(jī)器人行走的分辨率有不同要求，所選的驅(qū)動(dòng)器有細(xì)分功能，對應(yīng)不同工作體的要求，選擇相應(yīng)的‘細(xì)分?jǐn)?shù)’，驅(qū)動(dòng)器的‘細(xì)分?jǐn)?shù)’調(diào)法非常簡單，只需要根據(jù)面板上的提示，通過撥位開關(guān)設(shè)定即可。 5 機(jī)器人工作過程 1）機(jī)器人置于初始狀態(tài)——電機(jī)、電磁鐵失電，卡緊桿放松管壁，支撐軸緊靠管壁。 2）給定行進(jìn)量：機(jī)器人到工作體工作位置的距離。 3）后足卡緊，前足放松。后足處行程開關(guān)給出信號，后足已到位。行進(jìn)用步進(jìn)電機(jī)得電旋轉(zhuǎn)，通過齒輪減速器的作用，電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人的身體拉長，前部身體前進(jìn)一個(gè)工作行程。 4）步進(jìn)電機(jī)斷電。機(jī)器人后足松開管壁，卡緊足在彈簧作用下恢復(fù)原位。前足卡緊，前足行程開關(guān)給出信號，前足已到位。步進(jìn)電機(jī)得電反轉(zhuǎn)，絲杠反轉(zhuǎn)，機(jī)器人身體恢復(fù)原長，后部身體前進(jìn)一個(gè)工作行程。 5）不同工作體對機(jī)器人行進(jìn)有不同的要求，如為給定的工作位置，機(jī)器人按程序行進(jìn)，到達(dá)指定位置后，進(jìn)行定位。如工作體工作位置不定，例如管道探傷的工作，機(jī)器人的行進(jìn)需要受到傳感器所發(fā)信號控制，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)指定位置，傳感器發(fā)出停止信號，機(jī)器人停止前進(jìn)。 6）機(jī)器人到達(dá)指定位置后，行進(jìn)用步進(jìn)電機(jī)失電，機(jī)器人停止前進(jìn)。同時(shí)前后足卡緊，兩處行程開關(guān)給出到位信號。機(jī)器人卡進(jìn)后，旋轉(zhuǎn)用步進(jìn)電機(jī)得電，工作體按要求進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。 7）工作體在第一個(gè)位置的工作完成后，給出完成信號，旋轉(zhuǎn)電機(jī)失電，機(jī)器人卡緊足放松，機(jī)器人恢復(fù)為行進(jìn)狀態(tài)。 根據(jù)不同工作體的要求，機(jī)器人工作過程會有所不同，但基本會按如上步驟進(jìn)行爬行動(dòng)作。 6 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6．1 電磁鐵及步進(jìn)電機(jī)的控制 本設(shè)計(jì)中共有兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)和兩個(gè)推拉式電磁鐵需要控制，其中電磁鐵控制與電機(jī)控制相比較為簡單，只有得電與失電兩種狀態(tài)。而步進(jìn)電機(jī)控制相對復(fù)雜。 在步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算機(jī)控制中，單片機(jī)、PLC等工業(yè)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)要求產(chǎn)生控制信號，通過步進(jìn)電機(jī)的控制接口模板，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸出，從而控制步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行、停止、換向等，其基本控制作用如下[13]： 1）控制換相順序：步進(jìn)電機(jī)的通電換相順序嚴(yán)格按照步進(jìn)電機(jī)的工作方式進(jìn)行。通常將通電換相這一過程稱為脈沖分配。 2）控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向：由步進(jìn)電機(jī)的工作原理可知，若按給定的工作方式正序通電換相，步進(jìn)電機(jī)就正轉(zhuǎn)；若反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 3）控制步進(jìn)電機(jī)的速度：如果給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。因此，脈沖的頻率決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整控制計(jì)算機(jī)發(fā)出脈沖的頻率，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖6-1 所示。 圖7-1 Diagram7-1 6．2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 6．2．1 總體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主要采用八位單片機(jī)。單片機(jī)在一塊芯片上集成了計(jì)算機(jī)的主要硬件資源。除具有一般計(jì)算機(jī)快速性、準(zhǔn)確性、邏輯功能強(qiáng)等特性外，還具有自身特點(diǎn)[14]。 1）體積小、重量輕、功耗低、功能強(qiáng)、性價(jià)比高。 2）數(shù)據(jù)大都在單片機(jī)內(nèi)部傳送，運(yùn)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。 3）結(jié)構(gòu)靈活，易于組成各種微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 4）應(yīng)用廣泛，即可用于各種工業(yè)自動(dòng)控制等場合，又可用于測量儀器、醫(yī)療儀器及家用電器等領(lǐng)域。 但是，在許多情況下，例如在構(gòu)造一個(gè)機(jī)電測控系統(tǒng)時(shí)，考慮到傳感器接口、伺服控制接口以及人機(jī)對話接口等需要，最小應(yīng)用系統(tǒng)不能滿足系統(tǒng)功能的要求，必須在片外擴(kuò)展相應(yīng)的外圍芯片，這就是單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展。 單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展一般包括程序存儲器（ROM或EPROM）擴(kuò)展、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）擴(kuò)展、輸入/輸出口（I/O）擴(kuò)展、定時(shí)/計(jì)數(shù)器擴(kuò)展、中斷系統(tǒng)擴(kuò)展等。 雖然單片機(jī)芯片本身已構(gòu)成一個(gè)最小系統(tǒng)，但作為一個(gè)最小應(yīng)用系統(tǒng)來說，仍需在片外加接一些沒有集成在片內(nèi)的功能器件。如8051/8751的本身既是最小應(yīng)用系統(tǒng)。由于集成度的限制，這種最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。 另外，對于片內(nèi)無ROM/EPROM的單片機(jī)，還必須配置外部程序存儲器。 8031是片內(nèi)無程序存儲器的單片機(jī)芯片，因此，其最小應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)在片外擴(kuò)展EPROM。 結(jié)構(gòu)如圖6-2。 圖6-2 結(jié)構(gòu)圖 Diagram 6-2 structure plans 本次設(shè)計(jì)中采用8031作為單片機(jī)的芯片，需進(jìn)行外部程序存儲器擴(kuò)展和數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展。 單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展能力根據(jù)地址總線的寬度，在片外可擴(kuò)展的存儲器容量最大為64KB，地址范圍為0000H～FFFFH。 片外數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器的操作使用不同的指令和控制信號，允許兩者地址重復(fù)，故片外允許擴(kuò)展的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器各為64KB。 6．2．2 程序存儲器的擴(kuò)展 程序存儲器擴(kuò)展使用EPROM擴(kuò)展電路。紫外線擦除電可編程只讀存儲器EPROM可作為單片機(jī)的外部程序存儲器，其典型產(chǎn)品有2716A（2K×8）、2732A（8K×8）、27128A（16K×8）、27256A（32K×8）和27512A（64K×8）等。這些芯片上均有一個(gè)玻璃窗口，在紫外光下照射20分鐘左右，存儲器中的各位信息均變?yōu)?。此時(shí)，可以通過編程器將工作程序固化到這些芯片中。 本設(shè)計(jì)中使用2764A 。2764A是一種8K×8位EPROM，單一+5V供電，工作電流為75mA,維持電流為35mA,讀出最大時(shí)間為250ns。擴(kuò)展電路如圖6-3。 圖6-3 2764A擴(kuò)展電路圖 Diagram 6-3 2764 Ashes expand electric circuit diagram 如需要在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行在線修改，并能在斷電的情況下保持修改的結(jié)果的，可使用EEPROM。EEPROM是一種電擦除可編程只讀存儲器，在需要的情況下，此種存儲器可滿足要求。 6．2．3 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展可使用的有靜態(tài)讀/寫存儲器RAM，動(dòng)態(tài)讀/寫存儲器RAM和EEPROM等。靜態(tài)RAM是最常用的，這種存儲器的設(shè)計(jì)無需考慮刷新問題，故它與微處理器的接口很簡單。靜態(tài)RAM是通過有源電路來保持存儲器中的信息，與動(dòng)態(tài)RAM相比，需要消耗更多的功率，且價(jià)格較高，動(dòng)態(tài)存儲器每位的價(jià)格要比靜態(tài)存儲器低4倍。 由于靜態(tài)RAM接口簡單，本次設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展使用靜態(tài)RAM芯片6264。6264是8K×8位靜態(tài)隨機(jī)存儲器芯片，CMOS工藝制造，單一+5V供電，額定功耗200MW，典型存取時(shí)間200ns。擴(kuò)展電路如圖6-4。 圖6-4 6264擴(kuò)展電路圖 Diagram 6-4 6264 Ashes expand electric circuit diagram 6．2．4 輸入\輸出口的擴(kuò)展 8031芯片只提供四個(gè)8位并行I/O口，但這些I/O口不能完全提供給用戶。只有在使用具有片內(nèi)ROM/EPROM的8051/8751芯片且不需要作外部擴(kuò)展時(shí)，才允許將這四個(gè)I/O口作為用戶I/O口使用。對于大多數(shù)使用8031能夠使用的I/O口只有P1口和部分P3口線。在大部分MCS-51單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要進(jìn)行I/O口擴(kuò)展。 單片機(jī)擴(kuò)展的I/O口有兩種基本類型：簡單I/O口擴(kuò)展和可編程I/O口擴(kuò)展。前者功能單一，多用于簡單外設(shè)的數(shù)據(jù)輸入或輸出；后者功能豐富，應(yīng)用廣泛，但芯片價(jià)格相對較貴。 1） 簡單I/O口擴(kuò)展 簡單I/O口擴(kuò)展有兩種，用并行口擴(kuò)展I/O口和用串行口擴(kuò)展I/O口。兩種擴(kuò)展方法均有缺陷，這里只對并行口擴(kuò)展I/O口進(jìn)行簡單介紹。其擴(kuò)展方法可參照圖6-5所示連接方法。 圖6-5 連接方法 Diagram 6-5 conjunction methods 2）可編程I/O口擴(kuò)展 可編程I/O口擴(kuò)展是使用一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的接口芯片，以完成各種復(fù)雜的操作。這類芯片一般具有多種功能，在使用前，必須由CPU對其編程，以設(shè)定其工作方式，之后才能使芯片按設(shè)定的方式進(jìn)行操作，這就是可編程接口。本次設(shè)計(jì)使用這種方法進(jìn)行I/O口擴(kuò)展。使用的芯片為8155，8031可直接和8155連接而不需要任何外加邏輯，可以直接為系統(tǒng)增加256字節(jié)外部RAM、22根I/O線及一個(gè)14位定時(shí)器。 8155具有如下結(jié)構(gòu)： a 256字節(jié)的靜態(tài)RAM，存取時(shí)間為400ns。 b 三個(gè)通用的輸入/輸出口。 c 一個(gè)14位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器。 d 地址鎖存器及多路轉(zhuǎn)換的地址和數(shù)據(jù)總線。 e 單一+5V電源，40腳雙列直插式封裝。 當(dāng)8155作為單片機(jī)的擴(kuò)展芯片時(shí)，是按外部數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址的，為16位地址數(shù)據(jù)，其高8位由片選線提供，而低8位地址為片內(nèi)地址。用好8155I/O口的關(guān)鍵在于正確理解各個(gè)I/O口每一位的功能含義，據(jù)此編寫準(zhǔn)確的控制字，并寫入命令寄存器。其基本硬件連接方法如圖6-6所示。 圖6-6 連接方法 Diagram 6-6 conjunction methods 6．2．5 抗干擾的設(shè)計(jì) 在實(shí)際環(huán)境中原本可正常運(yùn)行的系統(tǒng)卻不能正常工作。問題出在干擾上。為了提高單片機(jī)系統(tǒng)工作的可靠性，需要為抑制干擾做很多工作。要使單片機(jī)系統(tǒng)能在實(shí)際工作環(huán)境中正常運(yùn)行，抗干擾技術(shù)尤為重要。 常見的硬件抗干擾的措施有[15]： 1）光電隔離：在輸入與輸出之間，采用光耦合器來完成前后級間信號耦合，從根本上切斷了前后兩級間的電氣電路連接，保證了干擾信號無法在前后級間傳輸。 2）濾波電路：采用RC低通濾波、整流元件上并接濾波電容等各種濾波電路，主要切斷來自電網(wǎng)的各種干擾。 3）采用過壓保護(hù)、良好的接地和合理的屏蔽。 雖然硬件措施抗干擾要增加系統(tǒng)的投資和設(shè)備的體積，但它的優(yōu)點(diǎn)是效率很高。本次設(shè)計(jì)采用硬件措施抗干擾，使用光電隔離法。有效地保證系統(tǒng)的正常工作。 7 結(jié)論 本文介紹了一種針對油管的可在油管內(nèi)壁爬行的管道機(jī)器人。設(shè)計(jì)的目的是，可以為制造可進(jìn)行特殊作業(yè)的管道機(jī)器人提供一個(gè)穩(wěn)定合適的載體，本文從機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制兩方面對機(jī)器人設(shè)計(jì)做了說明。在不確定工作體的情況下，對機(jī)器人的工作過程也有一定的介紹。 通過對管道機(jī)器人在國內(nèi)外發(fā)展的了解，知道了管道機(jī)器人工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)有著很廣泛的應(yīng)用，它可以輕松的完成很多人力不易完成的工作，本次設(shè)計(jì)對工作生產(chǎn)有很大的實(shí)際意義。 本次機(jī)器人的設(shè)計(jì)的完成提供了一種適應(yīng)能力出色的載體，在行進(jìn)過程中可在任意位置停止前進(jìn)，工作體可在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下完成小于360度的任意角度的旋轉(zhuǎn)，它可以搭載工作體穩(wěn)定的工作，為進(jìn)一步工作打下了良好的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的機(jī)器人在一定精度范圍內(nèi)基本滿足了不同工作體的要求，成功地完成了這次設(shè)計(jì)的任務(wù)。 參考文獻(xiàn) [1] 甘小明，徐濱士．管道機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀[M]．北京：科學(xué)出版社，2003．72． [2] Tokuji Okada ．A there-wheeled self-adjusting vehicles in a pine FERRET-1:The International Journal of Robotics Research[M]．New York: Academic Press, 2002. 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[RTIIT]的自動(dòng)化平臺。該機(jī)器人在管道內(nèi)可以獨(dú)立尋找并確定焊接接縫位置，在同步控制技術(shù)的控制下可以完成對焊縫進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)的任務(wù)。該機(jī)器人系統(tǒng)安裝有一個(gè)小的焦點(diǎn)和具有定向波束的X射線管，因此可以獲得清晰度較高的焊接接縫圖像。關(guān)于該機(jī)器人系統(tǒng)個(gè)別的關(guān)鍵技術(shù)也將被詳細(xì)說明。它的結(jié)構(gòu)是（？） 。 關(guān)鍵詞：X射線探傷、實(shí)時(shí)影象、機(jī)器人 0 介紹 與射線照相檢查方法（RET）相比較，X射線實(shí)時(shí)圖像檢查法（RTIIT）有許多優(yōu)勢，比如較高的效率、較低的成本，更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和對焊接缺陷進(jìn)行即時(shí)評估。此外，最新的技術(shù)允許X射線RTIIT被用在對管道進(jìn)行無損檢測（NDT），并且這個(gè)方法的檢查品質(zhì)和RET[1，2]是一樣的。因此，無損檢測設(shè)備，通常用于管道檢驗(yàn)的基于RET的設(shè)備，需要通過改造變成基于X射線實(shí)時(shí)圖像檢查法的。 使用X射線實(shí)時(shí)圖像檢查法對管道進(jìn)行無損檢測一定要有一個(gè)自動(dòng)化平臺，X射線探傷實(shí)時(shí)影象管道機(jī)器人（irtipr）就是為該目的而設(shè)計(jì)的。事實(shí)上，除了已經(jīng)被解決[３]的涉及X射線探傷實(shí)時(shí)影象管道機(jī)器人的問題之外，一些集中在機(jī)器人的智能控制的關(guān)鍵技術(shù)也出現(xiàn)在這篇論文中。，例如，機(jī)器人在管道內(nèi)的獨(dú)立動(dòng)作，同步控制技術(shù)和在管道內(nèi)外之間信息交流配合，我們也將機(jī)器人的結(jié)構(gòu)（ ？ ）。 1 機(jī)器人的工作原理 這個(gè)X射線探傷實(shí)時(shí)影象管道機(jī)器人由管道內(nèi)和管道外兩部分組成，結(jié)構(gòu)詳見圖1。管道外的部分由圖像采集處理系統(tǒng)（8，9，10），管道外同步旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（11，12）組成。圖像擴(kuò)大器由管道外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來推動(dòng)并圍繞管道中心旋轉(zhuǎn)進(jìn)行采集焊接圖像及通過圖像采集卡將圖象信號傳達(dá)給圖像處理計(jì)算機(jī)。管道內(nèi)的部分由管道內(nèi)電腦（1）、電源和換流器系統(tǒng)（２）、行走及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（３）、X射線系統(tǒng)（４）、管道內(nèi)同步旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（５,6）和焊接接縫獨(dú)立尋找及定位系統(tǒng)（７）。X射線系統(tǒng)中的X射線管由管道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)推動(dòng)圍繞管道的中心旋轉(zhuǎn)。 圖1 X射線探傷實(shí)時(shí)影象管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu) 機(jī)器人主要工作原理說明如下：在焊接接縫獨(dú)立尋找及定位系統(tǒng)的控制下管內(nèi)爬行器完成工作位置的定位，并在定位的位置上處于等待的狀態(tài)。當(dāng)它收到從管道外由低頻電磁波傳達(dá)的指令信號時(shí)，管道內(nèi)的電腦立即操縱X射線系統(tǒng)的控制器來實(shí)現(xiàn)管道外的控制。管道內(nèi)和管道外的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由同步控制技術(shù)控制圍繞相同的管道中心旋轉(zhuǎn)并按旋轉(zhuǎn)-照射-旋轉(zhuǎn)的方式完成焊接接縫檢查。 ２ 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 與工藝步驟的工作原理相比，X射線irtipr的控制系統(tǒng)主要由一些關(guān)鍵技術(shù)組成，例如以X射線圖象標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?yàn)榛A(chǔ)的同步控制技術(shù)和以數(shù)據(jù)合成及低頻電磁波傳遞為基礎(chǔ)的焊接接縫獨(dú)立尋找及定位技術(shù)。 2.1 管道內(nèi)和管道外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的同步控制技術(shù) 根據(jù) X射線實(shí)時(shí)圖象檢查法的技術(shù)要求，X射線管和圖像增強(qiáng)器必須圍繞同時(shí)地同一個(gè)中心旋轉(zhuǎn)。因?yàn)閄射線irtipr采用無線的工作方式，機(jī)器人管道內(nèi)同管道外的部分是不可能的由電纜連接著的。如何在管道內(nèi)外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)同步信息通信，或如何實(shí)現(xiàn)同步控制，變成必須被解決的關(guān)鍵技術(shù)。 同步旋轉(zhuǎn)可以被描述為：當(dāng)管道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)X射線管到旋轉(zhuǎn)α角時(shí)，管道外的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)也帶動(dòng)圖像增強(qiáng)器同時(shí)繞同樣的中心旋轉(zhuǎn)到相同的角度（圖2）。因?yàn)榻饘俟艿赖恼趽踝饔煤蜔o線的特征，現(xiàn)有的通信手段很難完成在管道內(nèi)外控制信息的通信（４,5）。根據(jù)X射線探傷實(shí)時(shí)影象管道機(jī)器人的特殊性，我們提出這同步控制方案如下：將一個(gè)垂直于焊接接縫的標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€設(shè)置在X射線管的照射窗上；當(dāng) X射線照射到焊接接縫時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€也在管道外的電腦上成像。只要管道內(nèi)和管道外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于同步的位置，即X射線管的照射窗和圖像增強(qiáng)器的軸是重合的（α=0）（圖2），標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€成像在電腦屏幕的中心位置。標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€的成像和標(biāo)準(zhǔn)檢查程序的中心線重合，看圖3。當(dāng)管道內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)α角時(shí)，在屏幕上標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€的成像偏離標(biāo)準(zhǔn)檢查程序中心線，距離為H 。距離H被用作管道外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的錯(cuò)誤輸入使調(diào)節(jié)自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直到這距離H為零或小于指定值，管道外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同步動(dòng)作可以被實(shí)現(xiàn)。 試驗(yàn)和模擬證明以上同步控制技術(shù)是正確的。這種同步動(dòng)作滿足X射線探傷實(shí)時(shí)影象管道機(jī)器人的技術(shù)要求。 這種方法以 X射線當(dāng)做觀測信號源，管道內(nèi)和管道外的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同步動(dòng)作信息通過X射線圖象的標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€偏離標(biāo)準(zhǔn)檢查程序中心線距離確定，從而執(zhí)行同步動(dòng)作.這種方法已經(jīng)申請發(fā)明專利。 圖2 同步旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 圖3 X射線圖象的標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€ ⒉２焊接接縫的獨(dú)立尋找及定位技術(shù) 獨(dú)立尋找并定位意味著在管道內(nèi)機(jī)器人沒有任何其他干涉僅借助于傳感器自動(dòng)地決定哪里是工作位置.這種控制方式就是“智能控制”。尋找及定位系統(tǒng)的精確度和可靠性與機(jī)器人是否可以實(shí)現(xiàn)在管道內(nèi)獨(dú)立行動(dòng)有直接關(guān)系。如果這個(gè)系統(tǒng)是無效的，機(jī)器人將在管道中“死亡”或“迷路”[6]。 大略地說，檢測焊接位置接縫方法如下：（1）利用編碼器或圓弧測定器；（２）利用焊接接縫表面伸出凹面變化的位移所引起位移；（３）利用焊縫表面接縫導(dǎo)電；（４）利用放射性同位素（比如γ射線信號源）；（５）利用觀測；（６）利用低頻電磁波。 因?yàn)檫@種方法受許多因素的影響，例如：行進(jìn)時(shí)剎車、管道內(nèi)的環(huán)境、人為的因素、放射性的傷害、定位的精確度和效率，僅僅使用一種方法是不能獲得滿意效果的。 考慮到焊接接縫的規(guī)則排列,即每個(gè)焊接接縫的間距大約12m,和各種位置檢測方法優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),以多種成象設(shè)備為基礎(chǔ)的焊接接縫獨(dú)立尋找及定位系統(tǒng)被提出來改善和提高精確度、效率和可靠性的局限。多種成象設(shè)備由圓弧測定器、CCD攝像機(jī)和低頻電磁波的接收器和發(fā)射極組成。系統(tǒng)的框圖如圖4。 圖4 焊接接縫獨(dú)立尋找并定位系統(tǒng) 系統(tǒng)采用定位反饋來提高定位的效率。反饋成像構(gòu)成的視覺反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確的定位。 合成數(shù)據(jù)以三種測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，圓弧測定器的數(shù)據(jù)、低頻電磁波以及圖象，使用優(yōu)先估計(jì)算法處理數(shù)據(jù)。根據(jù)三種定位法的特征，上述數(shù)據(jù)在不同的范圍分別地有效。如果x1表示圓弧測定器的測量數(shù)據(jù)，x2是低頻電磁波，x3是圖象。X表示機(jī)器人在管道的內(nèi)實(shí)際位置，各個(gè)焊接接縫的間距是12m。那么，三種測量數(shù)據(jù)的有效作用范圍如下：x∈[1 ,12m]；x2∈[0.1m ,1m]；x3 ∈[-10cm,10cm]，最后的定位目標(biāo)是x3 = 0.三種測量數(shù)據(jù)有效范圍描述如下：當(dāng)距離x1相距焊接接縫位置是大于100cm時(shí)，使用圓弧測定器是為了提高定位效率，并且機(jī)器人在管道內(nèi)以高速移動(dòng)；當(dāng)數(shù)據(jù)x2是小于100cm時(shí)，控制器變成低頻電磁波，并且讓機(jī)器人以低速度移動(dòng)；當(dāng)焊接接縫進(jìn)入這圖象范圍時(shí)，采用圖象伺服系統(tǒng)獲得精確的定位。 數(shù)據(jù)合成規(guī)律可以表示為：X = X1 如果（x3 > - 10）且（x3 < 10），那么X =x3；以上方法實(shí)現(xiàn)了模糊控制并且完美地解決了精確度以及定位效率之間的矛盾。定位精確度的測試結(jié)果在≤±3毫米內(nèi)，可以滿足這設(shè)計(jì)要求。 ⒉３低頻電磁波的傳遞 除了定位的作用，低頻電磁波還被利用于傳送管道內(nèi)外部分之間的開—關(guān)信號?？紤]它的危險(xiǎn)，X射線系統(tǒng)經(jīng)從管道外遙控操縱。因?yàn)檫@機(jī)器人是無線的以及考慮到金屬管道的遮擋作用，其他的方法不能完成管道內(nèi)外部分之間傳送開—關(guān)信號的任務(wù)。所以低頻電磁波被采用來發(fā)送操作命令到管道內(nèi)控制x射線系統(tǒng)。 3 結(jié)論 這X射線irtipr的關(guān)鍵技術(shù)是保證為X射線rtiit實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。如果一個(gè)機(jī)器人采用沒有電纜的工作方式且它的管道內(nèi)外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同步控制技術(shù)沒有被解決，它根本不可能為X射線rtiit實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。焊接接縫獨(dú)立尋找及定位技術(shù)是有形的具體化的智能機(jī)器人，也保證了機(jī)器人工作的高可靠性。低頻電磁波實(shí)現(xiàn)了管道內(nèi)外部分控制系統(tǒng)之間在金屬管道遮擋條件下的信息交流，并且起到了閉環(huán)的控制系統(tǒng)的作用。以這些關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)的X射線irtipr可被用于對這大口徑管道（在660～1400mm）的檢查，工作距離大約2km，工作速度在18m / min.因?yàn)檫@機(jī)器人安裝有一小的焦點(diǎn)以及定向波束X射線管，與其它X射線管相比可以獲得較高的清晰度的焊接接縫圖像。這些關(guān)鍵技術(shù)在測試中被證明是完美地滿足了X射線rtiit的技術(shù)要求。 附錄B Key Techniques of the X2ray Inspection Real-timeImaging Pipeline Robot This paper presents a robotic system for weld-joint inspection of the big-caliber pipeline , which is developed for the purpose of being utilized as automation platform for X-ray real-time imaging inspection technique (RTIIT) . The robot can perform autonomous seeking and locating of weld-seam position in-pipe , and under the control of synchro-follow control technique it can accomplish the technologic task of weld inspection. The robotic system is equipped with a small focal spot and directional beam X-ray tube ,so the higher definition image of weld-seam can be obtained.Several key techniques about the robotic system developed are also explained in detail . Its construction is outlined. Key words : X-ray inspection ； real-time imaging ； robot 0 　Introduction Compared with radiographic examination technique(RET) , X-ray real time imaging inspection technique(RTIIT) has many advantages such as higher efficiency ,lower cost , better feasible automation and weld-defects evaluation on-line. Furthermore , up to date technology allows the X-ray RTIIT to be used in Non-Destructive Testing (NDT) of pipelines , and the inspection quality of this Technique is as good as that of the RET[1 ,2 ] . Therefore ,NDT equipments , which are used commonly in pipeline inspection and basing on the RET , need to be renovated by basing on the X-ray RTIIT. To employ the X-ray RTIIT in NDT of pipeline there must be an automation platform , and X-ray inspection real-time imaging pipeline robot ( IRTIPR) is designed for the purpose. In fact , besides the problems that have been resolved[3 ] and are involved in the X-ray IRTIPR , several key techniques are presented in this paper , in which we address the robot focusing on its intelligent control, i . e.the autonomous motion in-pipe , the synchro-follow controltechnique and the communication of cooperation between in-pipe and out-pipe , and we also outline the construction of the robot . 1 　Composing and Working Principle of the Robot The X-ray IRTIPR consists of the two parts of in-pipe and out-pipe , as illustrated in Figl 1. The out-pipe part is composed of image collecting and processing system (8 ,9 ,10) , out-pipe synchro-rotary mechanism and its driving system (11 ,12) . The image intensifier is driven by the out-pipe rotary mechanism to rotate round the center of pipeline to collect weld image and transmit video signal to image processing computer by image-collecting card. The in-pipe part is composed of in-pipe computer (1) , power and inverters system (2) , walking and driving system (3) , X-ray system (4) , in-pipe synchro-rotary mechanism and its driving system (5 ,6) and weld-seam autonomous seeking and locating system (7) . The X-ray tube in X-ray system is driven by the in-pipe rotary mechanism to rotate round the center of pipeline. Fig.1 The structure of X-ray IRTIPR The main working principle of the robot is explained as follows : Under the control of weld-seam autonomous seeking and locating system the in-pipe crawler finishes the localization of working position , at which the in-pipe crawler is in a state of waiting. When it receives the command signal from out-pipe , which is transmitted by low frequency electromagnetic wave , the in-pipe computer operates immediately the controller