液壓成型機械活動橫梁設(shè)計,液壓,成型,機械,活動,流動,橫梁,設(shè)計 前言 隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，管道運輸作為一種高效、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、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，人無法進入。挖出管道進行檢測、維修既不經(jīng)濟又不現(xiàn)實，由此可見，管道機器人有著廣闊的市場。 我國早在1987年就開展了管內(nèi)機器人的研究，并試制了幾種模型，但總體水平較國外差。管內(nèi)機器人研究是機電一體化的高科技研究項目。在石油、化工、核工業(yè)、給排水等許多管道工程中，都需要進行管內(nèi)檢測、噴涂及加工等工作，管內(nèi)機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)機器人意義很大[1]。 本次題目的內(nèi)容就是設(shè)計一種可在油管內(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)的機器人。采用機械結(jié)構(gòu)和電氣控制來達到設(shè)計目的。要實現(xiàn)的理想過程是：人對主機輸入一個控制信號，可以通過單片機對電機、電磁鐵進行電氣控制，從而使機器人能夠按照所搭載工作體的要求進行移動，并在工作體的工作位置做出相應(yīng)的輔助動作。機器人在行進過程中可在任意位置停止前進，并可以在該位置開始作業(yè)，工作體可在步進電機驅(qū)動下完成小于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)計主要采用機械結(jié)構(gòu)設(shè)計來完成指定的動作，而用電氣設(shè)計來控制這些動作。 1．2 前進方案的選擇 目前在管道內(nèi)機器人的行進方式多種多樣，本設(shè)計采用蠕動式行進的方式。前進方案由旋轉(zhuǎn)式步進電機、直線式步進電機、氣缸中進行選擇。現(xiàn)將3種方式在本設(shè)計中的應(yīng)用進行比較。由于本設(shè)計前進方式為直線，所以其中使用直線式電機最為簡便，直線電機的電機軸是絲杠形式的，于是可以通過絲杠的導程來計算機器人的行進距離。 使用旋轉(zhuǎn)式步進電機的原理與直線式步進電機相似，可通過一個小型連軸器與絲杠相連組成一個直線式步進電機，也可以通過一組齒輪減速器將絲杠與電機軸相連，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機器人前進。綜合比較三種方法后發(fā)現(xiàn)，氣缸實現(xiàn)直線運動過程簡單，但其行程不易控制，要實現(xiàn)精確控制需要成本過高。兩種步進電機的特點相似，但直線式的步進電機在安裝時不易對心，且價格遠高于旋轉(zhuǎn)式步進電機。所以綜合考慮最終選擇采用旋轉(zhuǎn)電機的方案。 1．3 卡緊方案的選擇 機器人在蠕動式爬行的時候，需要卡緊裝置進行配合。所以需要選擇合理的卡緊方案。由于本次設(shè)計的機器人需要適應(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)計帶來很大的難度。 方案1為采用推拉式電磁鐵直接進行卡緊，并使用適當?shù)倪B桿機構(gòu)調(diào)整電磁鐵位置，當連桿機構(gòu)將電磁鐵調(diào)整到指定位置后，電磁鐵得電，推桿伸長，機器人卡緊管壁。工作完成后，電磁鐵失電，機器人放松[6]。結(jié)構(gòu)簡圖見圖1-2 圖1-2 結(jié)構(gòu)簡圖 方案2為使用一個旋轉(zhuǎn)電磁鐵，用旋轉(zhuǎn)電磁鐵來帶動凸輪實現(xiàn)卡緊，通過對凸輪進行設(shè)計可以計算出支撐桿的移動距離。當旋轉(zhuǎn)電磁鐵得電后，旋轉(zhuǎn)一定角度，帶動凸輪旋轉(zhuǎn)，使支撐桿在徑向產(chǎn)生移動從而卡進管壁。電磁鐵失電后，通過彈簧的作用使凸輪和支撐足復位，機器人放松。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錐形滑塊，同時設(shè)計三個長度可調(diào)的支撐桿，當電磁鐵得電后，電磁鐵推桿伸出并帶動錐形滑塊沿軸向前進。由于滑塊為錐形，支撐足產(chǎn)生徑向移動，機器人被卡緊[7]。電磁鐵失電后，機器人放松，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)計與之相應(yīng)的連桿機構(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)復雜，且其表面需要非常光滑，由于凸輪曲面為復雜曲面，所以普通磨床難以加工，需用數(shù)控加工中心進行加工，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，故本設(shè)計不使用該方法。 1．4 旋轉(zhuǎn)方案的選擇 旋轉(zhuǎn)部分采用一個旋轉(zhuǎn)式步進電機，電機軸帶動法蘭，可在法蘭上連接工作體，通過控制步進電機的轉(zhuǎn)動角度來控制工作體的轉(zhuǎn)動。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)計的機器人要適應(yīng)不同的管徑，所以需要設(shè)計一個結(jié)構(gòu)合理的可調(diào)機構(gòu)。 初步擬訂3個方案，方案1采用一個推拉式電磁鐵推動一個連桿機構(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構(gòu)來調(diào)整支撐足。 方案2也是一種連桿機構(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槽，槽的位置分別與機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行比較，方案1的自動化程度很高，可以通過控制計算機來控制調(diào)整機構(gòu)，節(jié)省了人力。方案2的機構(gòu)很合理，調(diào)整方便。但由于管道內(nèi)空間的限制，這個方案都很難在本設(shè)計中應(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)計的很合理。并且為可換，在需要適應(yīng)新的管徑的時候，只需要重新制造支撐桿，十分方便。本設(shè)計采用方案3。 1．6 結(jié)構(gòu)方案改進 機器人采用絲杠來推動前進，在前進過程中對于部分機體的旋轉(zhuǎn)自由度沒有加以限制，所以不排除機器人在前進過程中產(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。這樣機器人在前進時，當一端被卡緊時，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。 機器人在前進的過程中，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管道內(nèi)表面的作用。 由于機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行自動定心，同時在其中一個支撐足上安裝彈簧，使三個支撐足同時抵在管壁上，保證定心。并將防劃傷的小輪安裝在這三個支撐足上。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機構(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 主要部件的計算選擇 2．1 步進電機的選擇 本次設(shè)計步進電機共使用兩個，兩個電機的功能不同所用型號也不相同。 我們先對行進用的電機進行選擇。本次設(shè)計中的前進動力全部來自這個步進電機，所以該電機提供推力必須能夠推動整個機體。 機器人制造材料為鋁，鋁的密度為 Kg/m3 可得整個機體的質(zhì)量約為1.5千克。 由于機器人工作環(huán)境所限預計工作體的質(zhì)量為1.5千克。機器人整體的質(zhì)量主要由機體、工作體、電磁鐵和電機的質(zhì)量組成，初步選擇兩個電機的質(zhì)量約為0.75千克。兩個電磁鐵的質(zhì)量為0.35千克，再補充其它部件的質(zhì)量，整個機器人的質(zhì)量約為5千克。 機器人在管道內(nèi)所受的阻力來自于小輪與管壁的滾動摩擦力。小輪與油管內(nèi)壁間的摩擦系數(shù)決定了機器人所需推力。 根據(jù)工程實踐經(jīng)驗可知，滾動摩擦系數(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。得出為使機器人前進所需推力為 9.8N 。 旋轉(zhuǎn)電機所輸出的轉(zhuǎn)距由絲杠轉(zhuǎn)化為直線運動，絲杠推力由螺旋副產(chǎn)生，由于推力已得出，所以計算所得的螺旋副間的摩擦阻力矩即所選電機需要滿足的轉(zhuǎn)矩。 計算摩擦力矩時借鑒螺紋預緊的扭緊力矩的計算方法[8]。 螺栓由于扭緊力矩T作用，使螺栓和被連接面之間產(chǎn)生預緊力F0 。由機械原理可知，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；螺旋副的當量摩擦角（f為摩擦系數(shù)，無潤滑時f0.1-0.2）；螺母與支承面間的摩擦系數(shù)可得 （2-5） 因為絲杠傳動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）計算本設(shè)計中所用電機的轉(zhuǎn)距，并且計算出的轉(zhuǎn)距一定大于推力所用的轉(zhuǎn)矩，在選用電機時留出了工作余量。 由于在工作的絲杠與電機軸之間使用了一組齒輪減數(shù)器，Z1=20，Z2=36，。 計算得出所需電機轉(zhuǎn)矩為0.0087N.m 在考慮到空間、質(zhì)量因素后決定采用35BYG310型步進電機，電機各項參數(shù)如表3-1所示： （通用技術(shù)參數(shù)）混合式步進電機 步 距 角 1.8°±5% 絕緣電阻 500V? DC? 100MΩ? Min 絕緣強度 50Hz? 1Minute? 500V Min 環(huán)境溫度? 20℃~+50℃ 溫??? 升 80℃ Max. 徑向跳動 0.02mm Max. 軸向跳動 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 選擇步進電機的步距角為，絲杠導程為1.5㎜，機器人行進的分辨率為0.0075㎜/步[9]。 工作體轉(zhuǎn)動所用步進電機的選擇。 工作體在轉(zhuǎn)動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㎏，得出所需電機轉(zhuǎn)矩為0.375N.m 。選擇57BYG008型步進電機。 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 機身長 轉(zhuǎn)動慣量 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)計卡緊部分所采用的是推拉式電磁鐵，通過錐形塊來實現(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。 因為錐度為，所以F1=F2 。機器人前進所用推力為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，保守的取滑動摩擦系數(shù)為0.5，計算得出所需電磁鐵的推力為為19.6N。由于機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 由于機器人前進過程中行進的距離要進行精確控制，屬于精密傳動，所以絲杠材料選用CrWMn鋼 ，公稱直徑為8mm , H = 0.75mm , 導程為1.5 mm , 。 其中 絲杠推力F = 9.8N ，d2 = 7.25 , Z = 7 。 計算得出：P = 0.08MP a, 所以符合要求[10]。 3．2 軸承的校核 本設(shè)計中兩處用到了軸承，其中轉(zhuǎn)動部分需要用角接觸球軸承70000型。本設(shè)計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。又因為此對軸承所受的外摩擦力即軸向力非常小，故符合機器人的結(jié)構(gòu)及壽命要求。 另外固定絲杠時也需要選用軸承。由于絲杠是與電機布置在同一部分機體內(nèi)，電機已經(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]。 在機器人行進過程中，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)動部分使用了一個普通平鍵，傳遞轉(zhuǎn)矩為 0.375N.m ，軸的直徑為16mm ，。 校核公式： 計算得出，鍵的材料為鋼，符合要求[12]。 4 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 步進電機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電執(zhí)行元件。每外加一個控制脈沖，電機就運行一步，故稱為步進電機或脈沖馬達。與其它驅(qū)動元件相比其控制有如下幾個明顯的優(yōu)點： 1） 通常不需要反饋就能對位移或速度進行精確控制； 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，價格便宜。 步進電機的品種規(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、永磁式步進電機、混合式步進電機和特種步進電機四種主要形式。本次設(shè)計中采用混合式步進電機。 步進電機的運行需要有一電子裝置進行驅(qū)動，這種裝置就是步進電機驅(qū)動器，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)出一個脈沖信號，通過驅(qū)動器就使步進電機旋轉(zhuǎn)一步距角。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。 步進電機的驅(qū)動器擁有細分功能?？刂葡到y(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所前進的不一定是電機的固有步距角，真正的步距角和電機驅(qū)動器有關(guān)。步進電機通過細分驅(qū)動器的驅(qū)動，其步距角變小了，如驅(qū)動器工作在10細分狀態(tài)時，其步距角只有“電機固有步距角”的十分之一，也就是說：‘當驅(qū)動器工作在不細分的半步工作狀態(tài)驅(qū)動所用電機時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電機轉(zhuǎn)動；而用細分驅(qū)動器工作在10細分狀態(tài)時，電機只轉(zhuǎn)動了’，這就是細分功能。 驅(qū)動器細分后的主要優(yōu)點為： 1）完全消除了電機的低頻振蕩。低頻振蕩（約在200Hz左右）是步進電機的固有特性，而細分是消除它的唯一途徑，如果步進電機有時要工作在共振區(qū)（如走圓?。x擇細分驅(qū)動器是唯一的選擇。 2）提高了電機的的輸出轉(zhuǎn)矩。尤其是對三相反應(yīng)式電機，其力矩比不細分時提高了30-40％。 3）提高了電機的分辨率。由于減小了步距角、提高了步距的均勻度，‘提高電機的分辨率’是不言而喻的。 本設(shè)計中共使用兩個步進電機，型號分別為35BYG310和57BYG008。 為兩電機選擇的驅(qū)動器型號均為SH-2H057M，該驅(qū)動器所用的是全功能步進電機專用控制芯片，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，不會像單片機控制那樣易產(chǎn)生死機及丟步現(xiàn)象。 由于不同工作體對機器人行走的分辨率有不同要求，所選的驅(qū)動器有細分功能，對應(yīng)不同工作體的要求，選擇相應(yīng)的‘細分數(shù)’，驅(qū)動器的‘細分數(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 機器人工作過程 1）機器人置于初始狀態(tài)——電機、電磁鐵失電，卡緊桿放松管壁，支撐軸緊靠管壁。 2）給定行進量：機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。行進用步進電機得電旋轉(zhuǎn)，通過齒輪減速器的作用，電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，機器人的身體拉長，前部身體前進一個工作行程。 4）步進電機斷電。機器人后足松開管壁，卡緊足在彈簧作用下恢復原位。前足卡緊，前足行程開關(guān)給出信號，前足已到位。步進電機得電反轉(zhuǎn)，絲杠反轉(zhuǎn)，機器人身體恢復原長，后部身體前進一個工作行程。 5）不同工作體對機器人行進有不同的要求，如為給定的工作位置，機器人按程序行進，到達指定位置后，進行定位。如工作體工作位置不定，例如管道探傷的工作，機器人的行進需要受到傳感器所發(fā)信號控制，當機器人到達指定位置，傳感器發(fā)出停止信號，機器人停止前進。 6）機器人到達指定位置后，行進用步進電機失電，機器人停止前進。同時前后足卡緊，兩處行程開關(guān)給出到位信號。機器人卡進后，旋轉(zhuǎn)用步進電機得電，工作體按要求進行旋轉(zhuǎn)。 7）工作體在第一個位置的工作完成后，給出完成信號，旋轉(zhuǎn)電機失電，機器人卡緊足放松，機器人恢復為行進狀態(tài)。 根據(jù)不同工作體的要求，機器人工作過程會有所不同，但基本會按如上步驟進行爬行動作。 6 控制系統(tǒng)的設(shè)計 6．1 電磁鐵及步進電機的控制 本設(shè)計中共有兩個步進電機和兩個推拉式電磁鐵需要控制，其中電磁鐵控制與電機控制相比較為簡單，只有得電與失電兩種狀態(tài)。而步進電機控制相對復雜。 在步進電機的計算機控制中，單片機、PLC等工業(yè)控制計算機根據(jù)要求產(chǎn)生控制信號，通過步進電機的控制接口模板，控制步進電機驅(qū)動器的脈沖輸出，從而控制步進電機啟動、運行、停止、換向等，其基本控制作用如下[13]： 1）控制換相順序：步進電機的通電換相順序嚴格按照步進電機的工作方式進行。通常將通電換相這一過程稱為脈沖分配。 2）控制步進電機的轉(zhuǎn)向：由步進電機的工作原理可知，若按給定的工作方式正序通電換相，步進電機就正轉(zhuǎn)；若反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。 3）控制步進電機的速度：如果給步進電機一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔時間越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。因此，脈沖的頻率決定了步進電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)整控制計算機發(fā)出脈沖的頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。 由單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(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 6．2．1 總體設(shè)計 本設(shè)計的控制系統(tǒng)主要采用八位單片機。單片機在一塊芯片上集成了計算機的主要硬件資源。除具有一般計算機快速性、準確性、邏輯功能強等特性外，還具有自身特點[14]。 1）體積小、重量輕、功耗低、功能強、性價比高。 2）數(shù)據(jù)大都在單片機內(nèi)部傳送，運行速度快，抗干擾能力強，可靠性高。 3）結(jié)構(gòu)靈活，易于組成各種微機應(yīng)用系統(tǒng)。 4）應(yīng)用廣泛，即可用于各種工業(yè)自動控制等場合，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)造一個機電測控系統(tǒng)時，考慮到傳感器接口、伺服控制接口以及人機對話接口等需要，最小應(yīng)用系統(tǒng)不能滿足系統(tǒng)功能的要求，必須在片外擴展相應(yīng)的外圍芯片，這就是單片機系統(tǒng)擴展。 單片機系統(tǒng)擴展一般包括程序存儲器（ROM或EPROM）擴展、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）擴展、輸入/輸出口（I/O）擴展、定時/計數(shù)器擴展、中斷系統(tǒng)擴展等。 雖然單片機芯片本身已構(gòu)成一個最小系統(tǒng)，但作為一個最小應(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，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芯片，因此，其最小應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)在片外擴展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)計中采用8031作為單片機的芯片，需進行外部程序存儲器擴展和數(shù)據(jù)存儲器擴展。 單片機的系統(tǒng)擴展能力根據(jù)地址總線的寬度，在片外可擴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，故片外允許擴展的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器各為64KB。 6．2．2 程序存儲器的擴展 程序存儲器擴展使用EPROM擴展電路。紫外線擦除電可編程只讀存儲器EPROM可作為單片機的外部程序存儲器，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，可以通過編程器將工作程序固化到這些芯片中。 本設(shè)計中使用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,讀出最大時間為250ns。擴展電路如圖6-3。 圖6-3 2764A擴展電路圖 Diagram 6-3 2764 Ashes expand electric circuit diagram 如需要在計算機系統(tǒng)中進行在線修改，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)存儲器的擴展 數(shù)據(jù)存儲器擴展可使用的有靜態(tài)讀/寫存儲器RAM，動態(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，與動態(tài)RAM相比，需要消耗更多的功率，且價格較高，動態(tài)存儲器每位的價格要比靜態(tài)存儲器低4倍。 由于靜態(tài)RAM接口簡單，本次設(shè)計中數(shù)據(jù)存儲器擴展使用靜態(tài)RAM芯片6264。6264是8K×8位靜態(tài)隨機存儲器芯片，CMOS工藝制造，單一+5V供電，額定功耗200MW，典型存取時間200ns。擴展電路如圖6-4。 圖6-4 6264擴展電路圖 Diagram 6-4 6264 Ashes expand electric circuit diagram 6．2．4 輸入\輸出口的擴展 8031芯片只提供四個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展時，才允許將這四個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單片機的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中，要進行I/O口擴展。 單片機擴展的I/O口有兩種基本類型：簡單I/O口擴展和可編程I/O口擴展。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，但芯片價格相對較貴。 1） 簡單I/O口擴展 簡單I/O口擴展有兩種，用并行口擴展I/O口和用串行口擴展I/O口。兩種擴展方法均有缺陷，這里只對并行口擴展I/O口進行簡單介紹。其擴展方法可參照圖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口擴展 可編程I/O口擴展是使用一些結(jié)構(gòu)復雜的接口芯片，以完成各種復雜的操作。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)定的方式進行操作，這就是可編程接口。本次設(shè)計使用這種方法進行I/O口擴展。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14位定時器。 8155具有如下結(jié)構(gòu)： a 256字節(jié)的靜態(tài)RAM，存取時間為400ns。 b 三個通用的輸入/輸出口。 c 一個14位的可編程定時/計數(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8155作為單片機的擴展芯片時，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I/O口每一位的功能含義，據(jù)此編寫準確的控制字，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 在實際環(huán)境中原本可正常運行的系統(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。要使單片機系統(tǒng)能在實際工作環(huán)境中正常運行，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、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)點是效率很高。本次設(shè)計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)壁爬行的管道機器人。設(shè)計的目的是，可以為制造可進行特殊作業(yè)的管道機器人提供一個穩(wěn)定合適的載體，本文從機械結(jié)構(gòu)和電氣控制兩方面對機器人設(shè)計做了說明。在不確定工作體的情況下，對機器人的工作過程也有一定的介紹。 通過對管道機器人在國內(nèi)外發(fā)展的了解，知道了管道機器人工業(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)計對工作生產(chǎn)有很大的實際意義。 本次機器人的設(shè)計的完成提供了一種適應(yīng)能力出色的載體，在行進過程中可在任意位置停止前進，工作體可在步進電機驅(qū)動下完成小于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，為進一步工作打下了良好的基礎(chǔ)。設(shè)計的機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)計的任務(wù)。 參考文獻 [1] 甘小明，徐濱士．管道機器人的發(fā)展現(xiàn)狀[M]．北京：科學出版社，2003．72． [2] Tokuji Okada ．A there-wheeled self-adjusting vehicles in a pine 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10）且（x3 < 10），那么X =x3；以上方法實現(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，X射線系統(tǒng)經(jīng)從管道外遙控操縱。因為這機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實現(xiàn)自動化。如果一個機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實現(xiàn)自動化。焊接接縫獨立尋找及定位技術(shù)是有形的具體化的智能機器人，也保證了機器人工作的高可靠性。低頻電磁波實現(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.因為這機器人安裝有一小的焦點以及定向波束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