管道环焊缝扫查器导轨夹持行走机构研究

论文摘要

油气输送管道由于处于特殊的工作环境中,因此管道对接环焊缝不可避免地会存在着缺陷,由此可能会为其作业埋下安全隐患,因此需要对输送管道的对接环焊缝进行检测。全自动超声检测(AUT)以其独特的优势成为管道环焊缝缺陷检测领域应用最为广泛的检测方法。随着我国近年来新建管线数量的急剧增加,为了保证管道环焊缝缺陷检测的可靠性并提高检测效率,研发智能化的超声检测设备已成为当务之急。本论文以国家“863计划”子课题“AUT检验设备国产化技术研究”为依托,对管道环焊缝超声扫查器的行走机构进行研究。本文首先确定了管道环焊缝自动检测设备的总体设计方案,进而对扫查器的机械结构和运动控制系统进行了简要介绍。基于扫查器总体设计方案对其导轨夹持行走机构和导轨的机械结构进行了细致研究。导轨作为扫查器的机械载体,起到联接和定位作用；行走机构主要包括四个部分：角度调整机构、夹紧自锁机构、驱动模块以及运动反馈模块。为了验证该行走机构的可靠性,本文设计并完成了与其原理完全一致的原理验证样机,同时进行了模拟扫查器沿环形导轨行走试验。试验结果表明自重24kg对其施加600N夹紧力时,行走机构能够可靠的沿环形导轨圆周运动。以试验数据为依据对主动轮与导轨的接触应力进行分析计算,并对导轨进行强度和刚度有限元分析。为了使扫查器沿环形导轨匀速运行以保证管道环焊缝检测的精度,本文建立了行走机构速度闭环控制系统的数学模型,并对其进行仿真,仿真结果表明该控制系统具有良好的精确性和动态响应特性；而后对控制系统的硬件和软件分别进行了设计,主要包括单片机控制模块,功率驱动模块和通信模块三部分,由上位机给微控制器预设扫查器行走速度,通过编码器将扫查器实际行走速度反馈给微控制器,微控制器将给定速度值与实际速度值进行比较,并通过数字PID控制算法调节直流电机转速,进而精确控制扫查器行走速度。基于理论设计本文完成了管道环焊缝超声扫查器工程样机,并进行了环焊缝缺陷检测试验,试验结果表明扫查器设计合理,缺陷检测效果良好,完全满足实际使用要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题来源及意义
• 1.3 管道外壁行走机构研究现状
• 1.3.1 磁吸附式行走机构
• 1.3.2 链式行走机构
• 1.3.3 导轨式行走机构
• 1.4 论文主要研究内容
• 第2章 管道环焊缝超声扫查器方案研究
• 2.1 管道环焊缝缺陷检测设备技术指标
• 2.2 管道环焊缝自动检测设备总体设计方案
• 2.3 管道环焊缝超声扫查器机械结构设计方案
• 2.3.1 导轨
• 2.3.2 行走机构
• 2.3.3 超声波探头调整机构
• 2.3.4 连接板
• 2.4 扫查器控制系统设计方案
• 2.5 本章小结
• 第3章 扫查器行走机构机械结构研究
• 3.1 导轨
• 3.1.1 导轨圈体
• 3.1.2 导轨接头
• 3.1.3 导轨垫板
• 3.2 行走机构
• 3.2.1 角度调整机构
• 3.2.2 夹紧自锁机构
• 3.2.3 驱动模块
• 3.2.4 运动反馈模块
• 3.3 本章小结
• 第4章 行走机构验证试验及轮轨接触分析
• 4.1 导轨夹持行走机构原理验证样机设计
• 4.1.1 行走机构原理验证样机结构设计
• 4.1.2 行走机构原理验证样机驱动元件设计计算
• 4.2 导轨夹持行走机构原理验证试验
• 4.3 主动轮与导轨接触应力分析
• 4.4 导轨强度及刚度有限元分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 扫查器运动控制系统研究
• 5.1 控制系统设计方案
• 5.2 控制系统建模及仿真分析
• 5.2.1 扫查器运动控制系统数学模型建立
• 5.2.2 扫查器运动控制系统仿真分析
• 5.3 控制系统硬件设计
• 5.3.1 H型桥式驱动电路
• 5.3.2 PWM控制技术
• 5.3.3 功率驱动模块电路设计
• 5.3.4 单片机控制模块电路设计
• 5.3.5 通信模块电路设计
• 5.4 控制系统软件设计
• 5.4.1 具有PWM功能的定时器
• 5.4.2 闭环控制系统
• 5.4.3 PID自适应控制
• 5.4.4 整体控制程序
• 5.5 扫查器焊缝缺陷检测试验
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢