一種支撐式管道檢測機器人的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化設(shè)計含6張CAD圖,一種,支撐,管道,檢測,機器人,結(jié)構(gòu),性能,優(yōu)化,設(shè)計,CAD 設(shè)計文獻綜述 【摘要】 管道內(nèi)檢測機器人是智能機器人的重點研究領(lǐng)域之一。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，煤氣、輸水、油氣、通訊、化工以及其他用途管道急劇增加。由于腐蝕、壓力以及其它外力損傷等因素，管道不可避免地會出現(xiàn)各種破損。一般情況下，管道所處的環(huán)境往往是人們不易或不能直接接觸的。因此，對于管道的檢測和維護，成了工業(yè)生產(chǎn)中的一道難題。 設(shè)計了一種石油管道檢測機器人,分析了其總體機械結(jié)構(gòu)和檢測原理及方法。機器人通過輪伸縮機構(gòu)來實現(xiàn)自適應(yīng)管道直徑的變化,萬向節(jié)保證了機器人能夠順利通過一定曲率半徑的彎道,提高了機器人的穩(wěn)定性和靈活性。介紹了超聲波檢測的工作原理和具體方法。 綜上所述,該管道機器人檢測系統(tǒng),經(jīng)過進一步改進和完善后,可以在石油、化工、鋼鐵、有色金屬、塑料工業(yè)和兵器工業(yè)等許多部門中對各種金屬與非金屬管類產(chǎn)品進行內(nèi)表面質(zhì)量檢測,有廣泛的應(yīng)用、推廣價值。 【前言】 管道檢測機器人是一種可在管道內(nèi)、外行走的機電一體化裝置，它可以攜帶一種或多種傳感器及操作裝置(如 CCD 攝像機位置和姿態(tài)傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器、管道清理裝置、管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置等操作裝置)，在操作人員的遠距離控制下進行一系列的管道檢測維修作業(yè)。一個完整的管道機器人系統(tǒng)應(yīng)由移動載體(行走機構(gòu))、管道內(nèi)部環(huán)境識別檢測系統(tǒng)(操作系統(tǒng))、信號傳遞和動力傳輸系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。其中移動載體和管道內(nèi)部環(huán)境識別檢測系統(tǒng)是管道機器人系統(tǒng)的核心部分。隨著油氣工業(yè)的發(fā)展,管道機器人技術(shù)將被更加廣泛地應(yīng)用在石油工業(yè)管道上。 【研究現(xiàn)狀】 從20 世紀(jì) 5 0 年代起，為滿足長距離管道運輸、檢測的需要，美、英、法等國相繼展開了管道機器人的研究，其最初成果就是一種無動力的管內(nèi)檢測設(shè)備，一般譯名稱“管道豬”。該設(shè)備依靠其首尾兩端管內(nèi)流體形成的壓力為驅(qū)動力，隨著管內(nèi)流體的流動向前運動。它是一種被動的無自主動力的檢測設(shè)備，依靠外力的作用而實現(xiàn)在管道中移動。隨著計算機、傳感器、控制理論及技術(shù)的發(fā)展，近些年來，人們開始研究采用具有自主動力的機器人來進行管道檢測。這種管道機器人能在管道中自主行走，可以準(zhǔn)確接近管道的故障截面,獲得故障狀況的可靠信息，精確到達操作位置。 我國管道機器人方面的研究開始于 20 世紀(jì) 80 年代末。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、大慶石油管理局、中原油田以及勝利油田等先后參與了這方面的研究工作。國內(nèi)的管道在線檢測技術(shù)大部分也應(yīng)用了“管道豬”。近些年來,我國也開始對帶自主動力的機器人進行研究。 20世紀(jì) 70 年代，能夠一次檢查數(shù)百千米長輸管道,并能自動記憶缺陷大小和位置的漏磁智能檢測機器人和超聲智能腐蝕檢測機器人(US-Pig)已成功應(yīng)用于歐美和中東等地。MFL-Pig 更適合石油管道高靈敏度腐蝕厚度檢測和軸向裂紋探傷。長輸油管超聲檢測機器人研究是在寬頻超聲自動檢測系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上進行的。不斷深化研究超聲智能腐蝕檢測機器人多通道高集成度寬頻超聲系統(tǒng)、探頭環(huán)、計算機實時高速采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)圖像處理顯示技術(shù)，并分別在 2000 年 10 月和 2004 年 7月研制成旋轉(zhuǎn)探頭環(huán)和陣列探頭寬頻超聲管道腐蝕檢測功能樣機。 1.國外長輸管道智能檢測進展和超聲內(nèi)檢測器特點 近50 年,德、美、英、加、俄、荷、日等國對長輸管道在役檢測技術(shù)進行了大量研究、試制、實用、改進工作。主要檢測評價工具類型為 MFL-Pig 和 US-Pig.在長期研究中，人們認識到超聲和漏磁檢測技術(shù)的機器人各有優(yōu)點和局限性。MFL-Pig 主要特點是不需耦合介質(zhì)和易于裂紋探傷，更適合天然氣管道裂紋探傷；US-Pig 主要特點是高靈敏度檢測腐蝕厚度和易于軸向裂紋探傷,更適合石油管道腐蝕探傷。 近10 年,先進工業(yè)國家開展的大量研究改進工作主要集中在：提高 MFL-Pig 檢測腐蝕靈敏度及增加檢測軸向裂紋的能力；增加 US-Pig 裂紋檢測能研究不需耦合介質(zhì)的電磁超聲法 EMAT-Pig 檢測天然氣管道；研究專門評價管道截面尺寸和管道走向的機器人；研究海洋管道檢測(US-PIT)先進技術(shù)。 由于超聲測厚精確度高、可檢測厚壁管(40-50 mm)、可檢測鋼管、S.S 管、工程塑料管及復(fù)合管；易于實現(xiàn)軸向裂紋和 SCC 裂紋探傷。近十幾年,德、美、俄、荷、日等大量開展 US-Pig 研究改進工作，并在長輸油管道和海洋管道檢測中得到更廣泛應(yīng)用。目前最先進的超聲管道檢測機器人(PIT)采用多達 896-1024個超聲探頭，同時實現(xiàn)高精度腐蝕檢測和裂紋探傷，一次檢測長度可達 250-1000 km.1994 年以后，PIT 已是海洋管道主要檢測評價工具。 2.超聲旋轉(zhuǎn)探頭管道檢測機器人 旋轉(zhuǎn)探頭檢測機器人由旋轉(zhuǎn)超聲探頭環(huán)、驅(qū)動電機、計算機、蓄電池和定位等單元組成。由多節(jié)儀器艙和皮碗組成的機器人，在管內(nèi)進行全掃描,檢測腐蝕管壁厚度。旋轉(zhuǎn)探頭超聲檢測機器人特點是通道少、尺寸小、造價低。它適用于地下和海洋中較短管道腐蝕檢測。其缺點是檢測速度受限于探頭數(shù)目和探頭環(huán)旋轉(zhuǎn)速度。 2000年底完成功能樣機研制,通過了“863”項目專家組鑒定，達到如下技術(shù)指標(biāo)，機器人可通過 3D 彎頭管道；可檢測出 8 英寸油管內(nèi)外腐蝕，測量厚度精度優(yōu)于±0.5mm。 3.超聲內(nèi)穿過式陣列探頭環(huán)管道檢測機器人 根據(jù)大直徑長輸油管道腐蝕減薄、在線快速檢測的要求，長輸管道超聲檢測機器人要采用特別設(shè)計的穿過式探頭陣列，在油壓的推動下以 0.2-2.50 m/min 的速度在管內(nèi)前進，實現(xiàn) 130-250 km 全掃描檢測數(shù)據(jù)存儲，出管后經(jīng)數(shù)據(jù)圖像處理打印出厚度變化 B 型、C 型數(shù)字彩色地形圖。 長輸管道超聲內(nèi)檢測器是一個由機械、電子、計算機等技術(shù)集成的復(fù)雜系統(tǒng),它主要由穿過式陣列探頭環(huán)、多通道高集成度超聲系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理自動存儲、缺陷定位、電源、多節(jié)機體結(jié)構(gòu)等子系統(tǒng)組成。 寬頻超聲具有脈沖窄、高分辨力和相位識別能力的優(yōu)點，因此采用了具有脈沖和相位幅度信息特點的寬頻超聲自動檢測圖像化技術(shù)。進行腐蝕檢測時，通過多通道系統(tǒng)實現(xiàn)高速實時處理得到一系列數(shù)字化油程、管壁方波，測出管壁厚度，可以計算出管道的內(nèi)徑、外徑。此外，采用寬頻脈沖超聲檢測技術(shù)也使超聲腐蝕檢測機器人內(nèi)缺陷誤判問題得到了克服。 US-Pig功能機采用了 20個寬頻超聲探頭局部陣列組成超聲子系統(tǒng)，其中 16個探頭組成陣列自動掃描檢測油管壁厚和 4個探頭自動掃描檢測截面尺寸變化。超聲系統(tǒng)采用多通道超聲板卡積木式組合；板卡設(shè)計與接插件需滿足抗震、結(jié)構(gòu)緊湊等要求。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)由在線數(shù)據(jù)采集、處理、壓縮和離線數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)圖像再現(xiàn) 2 部分組成。管內(nèi)里程輪在一定機械壓力下緊貼管內(nèi)壁旋轉(zhuǎn);超低頻發(fā)射接收器實現(xiàn)管道內(nèi)外的通信。功能機機體由 3 節(jié)圓筒密封機艙和 1個探頭環(huán)組成，其間用萬向節(jié)聯(lián)接。利用功能機、缺陷樣管段、掃描實驗裝置對Φ426 樣管段和模擬管道腐蝕缺陷和截面變形進行了檢測。通過實時檢測數(shù)據(jù)采集處理和 B 型、C 型和三維顯示。實驗證明： (1)探頭環(huán)、多通道超聲板卡、在線數(shù)據(jù)采集處理、厚度和腐蝕情況顯示軟件設(shè) 計合理； (2)實現(xiàn)了超聲掃描數(shù)字化直觀 B 型、C 型和三維顯示； (3)掃描檢測速度達到 0.2-2.5 m/s 時，可檢測出 10 mm×10 mm 腐蝕缺陷，測厚精度優(yōu)于±0.5 mm；檢測直徑精度優(yōu)于±1 mm； (4)采用寬頻超聲相位分析技術(shù)，解決了長輸管道超聲內(nèi)檢測器的誤判、漏判問題。 4.管道檢測機器人的研究現(xiàn)狀 管道機器人是一種可沿管道內(nèi)壁行走的機械，它可以攜帶一種或多種傳感器及操作裝置，如 CCD 攝像機、位置和姿態(tài)傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器、管道清理裝置、管道裂紋及管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置、簡單的操作機械手等。在操作人員的遠距離控制下進行一系列的管道檢測維修作業(yè)。 國內(nèi)外管道機器人發(fā)展進程管道機器人技術(shù)始于 20 世紀(jì) 50 年代，天然氣等大口徑管道的發(fā)展激勵人們研究一種管內(nèi)檢測設(shè)備，這就是通常所說的一種無動力的管內(nèi)清理檢測設(shè)備 PIG，它主要靠首尾兩端管內(nèi)流體形成的壓力差作為驅(qū)動力向前運動。由于 PIG 類設(shè)備無自行行走能力,移動速度及檢測區(qū)域均不易控制，到了 80 年代初，由于微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動化技術(shù)的發(fā)展和進步，它才進入快速發(fā)展期。 日本東京油氣有限公司曾開發(fā)出世界上第一臺無纜管道爬行機器人;TOKYO-Toshiba 公司開發(fā)了世界上第一臺微型管道檢測機器人。此外，韓國的 ASIA PROTECH 公司所研制的管道清潔機器人在世界上有很成功的應(yīng)用。在最近幾年內(nèi)，國外各類管道機器人研究發(fā)展很快，管道機器人現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了許多類型。 在國內(nèi),隨著我國對管道機器人的重視，國內(nèi)一些科研院所已開始著手研制各種各樣的管道機器人，對蠕動類管道機器人的研究，上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、石油大學(xué)等院校都已有樣品,但國內(nèi)自己研制的管道機器人距離工業(yè)應(yīng)用還有一段距離。 5.應(yīng)用前景 油氣管道輸送(管輸)在國民經(jīng)濟中占有極其重要的戰(zhàn)略地位。管輸?shù)幕疽笫前踩⒏咝?。管輸一旦發(fā)生事故，不僅會造成巨大經(jīng)濟損失，而且會對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重危害。因此，工業(yè)發(fā)達國家都非常重視油氣管道檢測技術(shù)的研究和開發(fā)，重視對在役油氣管道實行法制性的檢測。我國在役長距離油氣輸送管道總長 20 000 千米左右，目前多數(shù)油氣管道已進入中老年期。由于歷史原因,這些始建于 20 世紀(jì)六七十年代的油氣管道，從設(shè)計到施工都存在著許多缺陷，經(jīng)過多年的運行大都已進入事故多發(fā)階段。為防止管道發(fā)生腐蝕穿孔、爆管等惡性事故的發(fā)生，我國每年用于油氣管道的維修費用達數(shù)億元，且有逐漸增加的趨勢。受檢測手段的制約,管道損傷狀況多數(shù)不明，維修手段不科學(xué)，往往造成盲目開挖、盲目報廢，從而造成人力物力的巨大浪費。因此，對于管道檢測技術(shù)設(shè)備的需求非常迫切。 從60 年代開始,國外工業(yè)發(fā)達國家已投入數(shù)十億美元用于開展管道檢測技術(shù)的研究,目前已研制出漏滋法、超聲法、渦流法、電磁超聲法等不同原理的管道檢測器達 30多種。借鑒國外管道檢測技術(shù)，研究開發(fā)或選用適合我國管道實際狀況的油氣管道檢測技術(shù)或設(shè)備，將管道的安全狀況置于運行管理之中，使我國油氣管道從現(xiàn)行的“過剩維護”、“不足維護”進入到科學(xué)的“視情維護”方式，防止惡性事故的發(fā)生，大幅降低管道維護費用，是非常有必要的。 我國油氣管道大多是在 60-70 年代建設(shè)的，迄今僅在役時間近 30 年、處于中老齡期和事故多發(fā)性階段的長輸管線已逾 1.7萬千米，正面臨著管道進入中老齡期，處于事故多發(fā)階段，油氣管道的檢測和評價的需求已日趨迫切。 【結(jié)論】 工業(yè)管道系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工及城市水暖供應(yīng)等領(lǐng)域。工業(yè)管道的工作環(huán)境非常惡劣,容易發(fā)生腐蝕、疲勞破壞或使管道內(nèi)部潛在的缺陷發(fā)展成破損而引起泄漏事故等，因此管道的監(jiān)測、診斷、清理和維護就成為保障管道系統(tǒng)安全、暢通和高效運營的關(guān)鍵,管道的在役和在線探查也就成了管道無損檢測技術(shù)應(yīng)用、發(fā)展的重要方向之一 。然而管道所處的環(huán)境往往受人力或人手不及所限，檢修難度很大，故通常對重要和不允許泄漏的管道采用定期或提前報廢的辦法，從而造成了巨大人力和物力損失。目前關(guān)于地下管道的質(zhì)檢，常采用工程量十分巨大的“開挖”抽檢方法，不但勞動強度大、效益低，而且由于隨機抽樣法經(jīng)常出現(xiàn)漏檢，因而準(zhǔn)確率低、效果并不理想，并且往往會妨礙道路交通。因此開發(fā)適應(yīng)在管道這一特殊環(huán)境下工作的特種管道機器人，使人脫離危險作業(yè)的生產(chǎn)第一線，減輕人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率，減少不必要的損失是機器人發(fā)展的一個必然方向。 【本設(shè)計的研究思路和方法】 1．通過查閱和掌握大量有關(guān)文獻和資料，熟悉和了解管道機器人的發(fā)展技術(shù)以及國內(nèi)外對此的研究現(xiàn)狀。 2. 通過查閱文獻及相關(guān)資料，結(jié)合本課題任務(wù)書要求，初步確定管道檢測機器人的總體結(jié)構(gòu)，初步設(shè)想整個檢測系統(tǒng)由管內(nèi)移動機器人、圖像采集系統(tǒng)和控制器主機組成。 3.根據(jù)本課題任務(wù)書實情，在設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)的時候一定要保證機器人有較大的承載能力，均勻的移動速度，較好的彎管通過性，同時保證有較好的柔性。在查找文獻分析各種驅(qū)動方式的優(yōu)缺點并結(jié)合本課題實際情況后最終確定機器人的驅(qū)動方式，完成驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計。 4. 在確定了機器人的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計后，下一步將考慮機器人的基本機體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，通過查找現(xiàn)有文獻以及現(xiàn)存的各種機器人機體結(jié)構(gòu)，分析其機體機構(gòu)，并根據(jù)本課題實情完成機器人機體結(jié)構(gòu)設(shè)計。 5.在確定了管道機器人的機體結(jié)構(gòu)以后，進一步討論機器人的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，最終完成管道機器人的機體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。 6.在確定機器人的機體構(gòu)建后，通過SolidWorks三維設(shè)計軟件繪制出實際尺寸大小的零部件三維圖，并完成整個管道機器人的機體三維模型構(gòu)建。最后根據(jù)課題要求，使用CAD繪制出機器人的總裝配圖、關(guān)鍵部件圖、零件圖等圖紙，完成課題設(shè)計要求。 7.對管道機器人進行受力分析以及穩(wěn)定性分析，分析其結(jié)構(gòu)強度，結(jié)合對這種機器人的越障能力和過彎能力進行分析，以質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)進行優(yōu)化。 8.對本次課題設(shè)計進行總結(jié)，分析本次設(shè)計取得的主要成果，思考本次設(shè)計存在的一些問題，提出一些相應(yīng)的進一步研究方向及意見等。 【參考文獻】 [1] 陳瀟.管道內(nèi)支撐式檢測機器人運動控制與檢測研究.武漢大學(xué)，2018. 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