管道复杂焊缝扫查器的研究与设计

论文摘要

目前,管道焊缝全自动超声检测系统技术在国内外业内得到公认,逐步取代传统人工检测技术,成为管道焊缝检测技术发展的趋势。随着我国管道结构应用量的增大,研制出具有自主知识产权的管道焊缝自动检测系统对管道工业的应用和发展具有十分重要的意义。本论文的开展基于国家“863”项目课题——“深水海管水下回接技术及AUT检验设备国产化技术研究”,针对环焊缝、螺旋焊缝和相贯焊缝这三种复杂焊缝具有不同的检测要求,进行相应的管道扫查器系统的研究,并进行机械装置的模块化设计。论文根据不同的复杂焊缝几何特点及实际工作要求,设计出多种扫查器机械装置模块,以应用于不同工作路径的检测工作。扫查器主要由爬行机构和探头调整机构两部分组成,则模块化设计主要包括这两部分的具体设计方案。根据扫查器模块的不同工作特点,在模块间进行组装,得到可适用于不同的复杂焊缝检测的扫查器。其中,环行链式爬行机构模块和螺旋链式爬行机构模块采用链连接结构,分别适用于对中小型管道中的环焊缝和螺旋焊缝检测的装置中；可伸缩探头调整机构模块与环行链式爬行机构装配,组成相贯焊缝链式扫查器,适用于对相贯焊缝的跟踪检测。本文重点对相贯焊缝链式扫查器进行具体结构设计和研究分析。该装置的静力学分析中,首先根据重力分量分析扫查器在环行工作中的各种失稳情况,然后建立箍紧力在克服各种失稳情况下随管道倾角和姿态角变化的函数模型,利用MATLAB进行结果分析。静力学分析对研究扫查器克服失稳情况,选材以及结构布置等方面起到指导作用。在研究相贯焊缝链式扫查器的运动学问题时,采用D-H法建立扫查器末端执行机构的运动学方程,并采用递推法求出运动学逆解。利用MATLAB对正、逆运动学模型进行结果分析,求出末端执行器的仿真轨迹曲线,验证了运动学方程建立的正确性,并求出扫查器各关节变量变化曲线图,验证了逆解建立的正确性和逆解的唯一性。本文以递阶式分层控制体系为指导思想,提出了相贯焊缝链式扫查器控制系统总体方案,并对以DSP为核心的控制系统硬件电路实施方案进行了简要的设计。研制了弹性导轨式管道环焊缝扫查器系统,对样机做了爬行试验和超声探伤试验分析。其中爬行实验结果表明该扫查器运行稳定,速度误差在控制范围内,验证了该扫查器满足功能方案的要求。基于RcurDyn软件对相贯焊缝链式扫查器进行虚拟样机仿真分析,验证了该扫查器运动学模型建立的正确性以及该装置设计的合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究背景及意义
• 1.2 国内外相关技术的发展状况
• 1.2.1 国外管道爬行器的研究概况
• 1.2.2 国内管道爬行器的研究概况
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 扫查器系统总体方案设计
• 2.1 扫查器系统构成
• 2.2 机械装置设计
• 2.2.1 爬行机构设计方案
• 2.2.2 探头调整机构设计方案
• 2.3 检测原理
• 2.4 控制系统方案
• 2.5 小结
• 第3章 相贯焊缝链式扫查器结构设计
• 3.1 链式爬行机构设计
• 3.2 可伸缩探头调整机构设计
• 3.2.1 可伸缩扫查臂设计
• 3.2.2 摆动机构设计
• 3.2.3 参数计算
• 3.3 链式扫查器静力学分析
• 3.3.1 重力分量分析
• 3.3.2 失稳情况分析
• 3.3.3 链节强度校核
• 3.4 小结
• 第4章 相贯焊缝链式扫查器运动学分析
• 4.1 D-H法运动学分析
• 4.1.1 齐次坐标变换
• 4.1.2 运动学方程建立
• 4.2 运动学模型的建立与分析
• 4.2.1 坐标系的建立
• 4.2.2 正运动学分析
• 4.2.3 仿真分析
• 4.3 逆运动学分析
• 4.3.1 相贯线模型
• 4.3.2 运动学逆解
• 4.3.3 仿真分析
• 4.4 相贯焊缝与探头的位姿关系研究
• 4.5 小结
• 第5章 相贯焊缝链式扫查器控制系统设计
• 5.1 控制系统设计要求
• 5.2 控制系统硬件设计
• 5.2.1 系统电源设计方案
• 5.2.2 运动规划单元电路设计方案
• 5.2.3 电机驱动单元电路设计方案
• 5.3 控制系统软件设计方案
• 5.4 小结
• 第6章 试验研究与仿真分析
• 6.1 弹性导轨式管道环焊缝扫查器样机试验
• 6.2 相贯焊缝链式扫查器运动学仿真
• 6.3 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