Разработка малогабаритного видеокроулера для диагностики трубопроводов

Редуктор (А2).cdw

*. Размеры для справок
**. Все оси диаметром 5 мм
Сталь 60С2А ГОСТ 14959-79

Стойка колёсная (А4).cdw

Колесо (А4).cdw

Крышка (А3).cdw

Мотор (А3).cdw

Мотор.m3d

Редуктор конический.m3d

Светодиод.m3d

Видеокамера.m3d

Разьём Лемо.m3d

Колесо.m3d

Крышка.m3d

Скоба.m3d

Скоба ромбическая.m3d

Муфта.m3d

Колпачок.m3d

Подкладка алюминиевая.m3d

Стойка крепёжная.m3d

Платформа.m3d

Стойка.m3d

Втулка.m3d

Ось.m3d

Сборочный чертёж (А1).cdw

*Размеры для справок
Клей ВК-5 Инструкция № 596-69
5 светодиодов условно не показаны

Мотор (А2).cdw

Задание.doc

ГУВПО «Белорусско-Российский университет»
Факультет электротехнический
по курсовому проектированию
Перечень графического материала (с точным указанием чертежей и графиков)
Консультатны по проекту (с указанием относящихся к ним разделов проекта)
(дата и подпись студента)

Спецификация.spw

Подкладка алюминиевая
Винт В.М 3-6g x 7 ГОСТ 1491-80
-6g x 11 ГОСТ 1491-80
Винт В.М 4-6g x 11 ГОСТ 1491-80
Винт А.М 3-6g x 7 ГОСТ 17475-80
Винт А.М 5-6g x 10 ГОСТ 17475-80
Винт А.М 5-6g x 13 ГОСТ 17475-80
-6H (S21) ГОСТ 5916-70
Гайка М4-6H.04 ГОСТ 5916-70
Гайка 2 М5-6H.04 ГОСТ 11860-85
Подшипник 25 ГОСТ 8338-75
Шайба A 3.31 ГОСТ 10450-78
Шайба A. 4.31 ГОСТ 11371-78
Видеокамера KPC-VSN700PHB
Разьём "Лемо" ЕСР.2С
Светодиод КИПД80Э20-Б1-П
Алюминий Д16 ГОСТ 4784-97
Алюминий АВ ГОСТ 4784-97
Оргстекло ТОСН ГОСТ 17622-72
Резина 1846 ТУ 38-5-1166-98
Сталь 20 ГОСТ 1050-88
Сталь 40Х ГОСТ 4543-71

Титульник.doc

Министерство образования Республики Беларусь
Министерство образования и науки Российской Федерации
ГУВПО Белорусско-Российский университет
Кафедра «Физические методы контроля»
Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу
«Проектирование приборов и систем контроля»
Разработка малогабаритного видеокроулера
для визуального контроля трубопроводов.
Руководитель: Марков А.П.

Записка.doc

Современные изделия металлургической промышленности отличаются многообразием размеров форм материалов конструктивного исполнения технологий и другими особенностями. Производство стальных и чугунных корпусных изделий и труб алюминиевой и медно-сплавной арматуры жаропрочных стальных лопаток и титановых изделий изделий из пластмасс и драгоценных металлов и много других наименований – все они требуют визуального контроля.
Визуальная оценка состояния обследуемой поверхности объекта предполагает зрительное восприятие ее изображения на некотором удалении от самого участка. Оптическое изображение у объекта дистанцируется потребителю (оператору) посредством технологических операций и технических устройств объединенных в единую систему визуально-оптической дефектоскопии. Важными составными частями такой системы являются техника и технологии оптического обзора предметной поверхности.
При всех различиях в технике и технологиях все виды контроля в том числе и оптический являются весьма ответственными и трудоемкими требующими значительного психо-эмоционального и физического напряжения. Значимость и объемы работ (например все изделия литейного производства подвергаются стопроцентному осмотру) предъявляют повышенные эксплуатационные и эргономические требования к технике и технологиям визуального осмотра. Они для оператора должны быть сравнительно простыми легко воспринимаемыми и производительными.
Наиболее прогрессивным направлением в оптическом виде контроля на сегодняшний день является эндоскопия которая возникла в результате сближения и частичного слияния волоконно-линзовой оптики с одной стороны и визуального контроля с другой. Эта быстро развивающаяся область визуально-оптического контроля представлена большим количеством теоретических работ и многочисленными образцами оригинальных и высокотемпературных оптических систем устройств и приборов различного назначения. Многие из этих оптических средств выпускаются промышленностью серийно [1].
Анализ технического задания и известных моделей видеокроулеров
1 Техника и технологии визуального осмотра
Простейшим видом визуального контроля является традиционно выполняемый осмотр. В соответствии с нормативно-технологическими требованиями оператор (контролер) визуально оценивает фактическое состояние поверхности отдельных ее участков и наиболее склонных к отклонениям элементов зон и других областей. Для повышения восприимчивости потенциальных отклонений применяются оптические приборы увеличения изображений (лупы микроскопы бинокли).
В линзовых приборах визуального осмотра воспринимаемое изображение осматриваемого участка (зоны) формируется и передается оптической системой построенной на элементах геометрической оптики. Посредством линзовых объективов длиннофокусных цилиндрических световодов оптических дефлекторов и других устройств осуществляется целенаправленное преобразование и передача всех элементов структуры осматриваемого предмета с их переносом к адекватному отображению у оператора. С помощью такой техники контролер больше и лучше видит и воспринимает увиденное и с учетом своего опыта и знаний по концептуальной модели делает заключение о дальнейшей пригодности изготовленного предмета. Такие действия осуществляются как при оценке готовой продукции так и при определении объемов работ и его ремонтопригодности при восстановлении в процессе ремонта [2].
В каждом конкретном случае характер визуального осмотра определяется видом контроля. Например при приемочном контроле осматривается состояние исходных комплектующих материалов сборочных единиц и других объектов. В операционном контроле визуально оценивается состояние изделия или полуфабриката на той или иной операции производственного процесса. При сдаточном контроле визуальный осмотр может быть некоторой составной частью всего комплекса контрольно-измерительных операций предназначенных для установления полного соответствия фактического состояния изделия его стандартным требованиям. Т.е. сдаточный контроль для некоторого этапа производства является заключительным.
В зависимости от характера пространственного и технологического сосредоточения потенциально значимых аномальных отклонений и источников информации используются различные виды осмотра (Рисунок 1.1)
Рисунок 1.1 – Виды визуально-оптического осмотра
При случайном осмотре пространственно-временное положение участка может быть ограничено только имеющимися статистическими данными; как пространственные характеристики так и качественные характеристики возможных дефектов не определены и не предсказуемы. Такая ситуация имеет место при отработке технологических режимов выборе материалов испытаниях и доводке конструктивных схем различных отливок и форм. Достоверность результатов определяется только статистическими данными и комбинированным применением разрушающих и неразрушающих методов контроля.
За счет ориентирования наблюдатель ведет целенаправленный осмотр технологически и конструктивно означенных мест (участков зон). Такое ориентирование задается заранее предусмотренными технологическими точками (в авиационно-космической отрасли) или с помощью специальной технологической оснастки.
В дефектоскопии объектов со случайно распределенными по длине или в пространстве источниками информации эффективно применение сканирования предметной поверхности. Особо важное значение имеет сканирование внутренних поверхностей протяженных длиномеров с изменяющейся формой поверхности [2].
Выбор схемы сканирования преимущественно определяется конструктивными и габаритными особенностями объектов. Для длиномеров используются:
– сканирование вращательно-поступательным движением предметной поверхности со статически фиксированными неподвижными приемниками изображений;
– сканирование перемещающимся (вращательное прямолинейное или совместное) приемником изображения при статически фиксированном положении предметной поверхности (Рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 – Схемы сканирования предметной поверхности:
(а) с сосредоточенными приемниками 1 на поверхности 2 объекта 3;
(б) передвижной приемник 1 поверхность 2;
(в) сканирование программное. 1 - сканер 2 - преобразователь
- канал передачи 5 - органы управления и регулирования.
На контрольной позиции n–приемников 1 располагаются в соответствии с алгоритмом контроля и числом аппроксимированных участков по развертке предметной поверхности 2 (рисунок 1.2 а). Информация с поступательно перемещающегося и вращающегося объекта 3 считывается приемниками. Для протяженных длиномеров рациональнее схема сканирования подвижным приемником 1 перемещающимся относительно предметной поверхности объекта 2 (рисунок 1.2 б).
Посредством сканирующего устройства 1 производится непрерывное восприятие изображения предметной поверхности объекта О (рисунок
9 в) в различных его участках. Сканируемое оптическое изображение одновременно передается на преобразователь 2 согласующий его параметры с соответствующими параметрами канала передачи 3. Вся координация операций сканирования на первичном уровне осуществляется органами регулирования 5 и управления 4 с необходимыми механическими а электрическими b и оптическими c связями. При необходимости наблюдатель может производить повторный (неоднократный) просмотр сомнительных мест за счет реверсивного привода.
Осмотр динамических объектов на основе метода наложения первичного изображения обследуемого места (элемента конструкции) и изображения эталона (образца) реализуется по схеме стробирования. Для обеспечения стробоскопического эффекта наблюдаемый элемент освещается частотно-фазовым регулируемым светом передаваемым по осветительному световоду. Фиксируемое изображение по информационному световоду передается в устройство регистрации и для зрительного восприятия наблюдателем.
Посредством сканирования и стробирования значительно улучшается качество дефектоскопии особенно труднодоступных сложнопрофильных и динамических объектов [2].
2 Техника визуально-оптической дефектоскопии
В технологическом контроле объектами дефектоскопии выступают как отдельные детали узлы и целые конструкции так и машины и аппараты. Выбор методов дефектоскопии и их применимость определяется результатами анализа конструкторско-технологической документации условиями ремонтопригодности технико-экономическими и другими показателями. Особенно для сложных объектов литейного производства эффективно применение визуально-оптических методов и технологий позволяющих наблюдать и оценивать реальное состояние труднодоступных участков без разрушения и демонтажа.
Визуальный контроль внутренних поверхностей является весьма трудоемкой и ответственной операцией и используемые технические средства и технологии контроля должны быть сравнительно просты в пользовании. При всей своей специфичности они должны быть хорошо и быстро осваиваемыми и не требовать высокой квалификации.
Массо-габаритные параметры изделий производственная структура производственных цехов и участков зачастую ограничивают применение стационарных контрольно-измерительных комплексов. Более употребительными являются переносные малогабаритные и эргономически удобные волоконно-оптические или жесткие эндоскопы с автономными и стационарными осветителями [1].
Эндоскопы или бороскопы - это смотровые приборы построенные на базе волоконной и линзовой оптики и механических устройств.
Принцип действия эндоскопов заключается в осмотре объекта контроля с помощью специальной оптической системы (часто типа микроскоп телескоп) позволяющей передавать изображение на значительные расстояния (до нескольких десятков метров) с отношением эффективной длины эндоскопа L к его наружному диаметру d: Ld >> 1.
Современный серийный эндоскоп является универсальным оптико-механическим прибором обеспечивающим любой вид визуальной диагностики и контроля внутри закрытого пространства на значительную глубину (практически до 30 м).
Использование в эндоскопах холодных источников света высокой яркости открыло безопасный метод контроля поверхностей в полостях содержащих взрывчатые материалы жидкости или газы а также обеспечило качественное фотографирование киносъемку и телевизионную передачу изображения указанных поверхностей при малых размерах входного отверстия контролируемой полости.
Эффективные методы жидкого и газового охлаждения позволяют использовать эндоскопы в горячих местах ядерных реакторов ракетных установок и металлургических печах при температуре до 2000 °С.
Существуют линзовые волоконно-оптические и комбинированные эндоскопы.
Линзовые (жесткие) эндоскопы.
Оптическая схема современного типичного линзового эндоскопа показана на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 - Структурная схема линзового (жесткого) эндоскопа:
- объектив; 2 - металлическая трубка; 3 - система оборачивающих линз; 4 - световод передающий световую энергию от источника в металлическую трубку для освещения ОК; 5 – окуляр.
Освещенное с использованием световода изображение участка объекта контроля (ОК) передается наблюдателю по цепочке содержащей линзы объектива иногда и призм систему поворачивающих линз служащих для увеличения эффективности рабочей длины прибора и линз окуляра. Эндоскопы этого типа снабжаются системой фокусировки позволяющей получать резкое изображение анализируемого участка ОК как в ближней так и в дальней зоне. Управляя поворотной ручкой можно поворачивать трубку на угол более 360° и легко изменять анализируемый участок ОК.
Вводимые в ОК элементы линзового эндоскопа работоспособны при температурах от -40 до +150 °С и под давлением 4 атм. Водонепроницаемая конструкция трубки эндоскопа позволяет вести контроль в воде и масле. Линзовыми эндоскопами можно контролировать стены зданий поверхности разнообразных трубопроводов авиационные двигатели автомобильные литые детали и т.п. и обнаруживать царапины трещины коррозионные пятна выбоины и другие дефекты размерами 003 008 мм в изделиях длиной 10 м и диаметром 5 100 мм и более.
Линзовые эндоскопы обычно представляют собой жесткую конструкцию. Но уже созданы приборы имеющие участки корпуса с гибкой оболочкой изгибающиеся в пределах 5 10°. [1]
Волоконно-оптические эндоскопы.
Возможности технической эндоскопии существенно расширены благодаря созданию волоконно-оптических элементов.
Волоконные световоды представляют собой набор тонких стеклянных светопроводящих волокон диаметром 9 30 мкм собранных в жгут. Каждый элементарный световод (волокно с большим показателем преломления) покрыт снаружи тонким слоем (1 2 мкм) стекла с более низким показателем преломления.
На границе волокно-покрытие происходит полное внутреннее отражение света входящего в основное волокно что обеспечивает его прохождение по световоду с минимальным ослаблением (рисунок 1.4). При значительных размерах световода число отражений бывает более 10 . Это приводит к ослаблению сигнала которое связано с длиной световода экспоненциальной зависимостью.
Рисунок 1.4 - Структурные схемы волоконных световодов
а - с прямыми торцами; б - с косыми торцами; в - изогнутые; г - фокен (уменьшает размеры передаваемого изображения); д - афокен (увеличивает размеры передаваемого изображения)
Для работы в ультрафиолетовой области используют кварцевые волокна прозрачные в диапазоне 02 4 мкм.
В инфракрасном диапазоне (09 10 мкм и более) применяют волокна из специальных халькогенидных бескислородных стекол.
Световоды для передачи световой энергии изготовляют из беспорядочно уложенных волокон диаметром около 30 мкм.
Для передачи изображения используют пучок волоконно-оптических элементов с упорядоченной структурой. При этом число элементарных волокон может превышать 106 на 1 см2 при диаметре волокон 9 мкм. Торцы световодов полируют. При использовании световодов следует иметь в виду что они могут сильно деполяризировать проходящий свет.
Разрешающая способность серийных световодов составляет в среднем 15 20 мм. Лучшие образцы могут иметь разрешающую способность до 50 мм1.
В целом волоконные световоды используемые в эндоскопах пока уступают по качеству изображения линзовым системам. Однако разрабатываются меры по устранению мозаичной структуры изображения в световодах и повышению их разрешающей способности.
Волоконные световоды обладают преимуществами делающими их незаменимыми при решении многих задач. Так они позволяют передавать изображение без искажения при их изгибе по любому криволинейному профилю. Высокая световая эффективность световодов используется при создании осветительных систем эндоскопов. При этом источник света располагается вне прибора что позволяет исключить нагрев изделия.
Волоконные осветители "холодного" света могут иметь торцы любой формы например кольцевой что обеспечивает высокую равномерность освещения объекта [1].
3 Обоснование разработки малогабаритного видеокроулера
Несмотря на свои преимущества перед жёсткими эндоскопами гибкие волоконно-оптические эндоскопы тоже обладают некоторыми недостатками которые особенно проявляются при контроле внутренней поверхности труб.
Во-первых это длина гибких эндоскопов. В большинстве случаев она составляет от 05 до 15 метров и этого естественно не достаточно для контроля объектов большой длины. С увеличением длины эндоскопа многократно возрастает его стоимость т.к. качественное оптоволокно на сегодняшний день стоит не дёшево. К примеру качественный эндоскоп ЭТГ 10-27 Российского производства с диной кабеля 27м и диаметром рабочей части 10мм по состоянию на октябрь 2009 года стоит 102000 российских рублей ( 3400 у.е.).
Во-вторых это качество изображения. В результате многократных отражений в оптоволокне световой сигнал испытывает ослабление что приводит к ухудшению видимого изображения на окуляре. Для увеличения разрешающей способности изображения требуется увеличить количество оптических волокон в кабеле что в свою очередь ведёт к увеличению диаметра кабеля и как следствие к удорожанию эндоскопа.
Некоторым решением вышеописанных недостатков является применение цифровых эндоскопов. В них сигнал поступает на цифровую видеокамеру находящуюся на конце рабочего кабеля и передаётся по проводам. Однако из-за дороговизны элементной базы стоимость этих эндоскопов ещё выше чем у их оптоволоконных аналогов.
Из вышесказанного можно сделать вывод что для контроля внутренних поверхностей достаточно длинных объектов необходимо создание иного устройства. Одним из таких устройств является видеокроулер. Кроулеры – это устройства предназначенные для самостоятельного перемещения по ОК и несущие на своём борту аппаратуру для его контроля. Кроулеры как правило делаются на колёсном или гусеничном ходу но существуют также модели для перемещения на плаву.
Круг задач решаемых с помощью видеокроулеров следующий:
а) контроль коррозионного состояния внутренних поверхностей ОК.
б) контроль задымлённости и затуманенности ОК.
в) визуальный осмотр сварных швов.
г) поиск засоров и утерянных деталей.
Области применения видеокроулеров:
а)Воздушные каналы и кабелепроводы.
б)Масло- и паропроводы.
в)Малые сосуды высокого давления и резервуары.
Обзор готовых решений имеющихся на рынке.
Низкопрофильный робот ROVVER 400 оценен во всем мире за его широкую универсальность. Система ROVVER 400 имеет модульную конструкцию и максимальную адаптируемость. Обеспечивает широкий обзор в горизонтальной трубе или туннеле с помощью обзорной или курсовой телевизионных камер. Обе камеры имеют дистанционно-регулируемый фокус и всегда дают четкую картинку [3].
Длина: 247 мм с курсовой телекамерой 339 мм с обзорной телекамерой
Материал: Никелированная медь нержавеющую сталь алюминий
Двигатель: два двигателя постоянного тока на 20 Вт 6 колес измененяемое направление регулируемые скорости
Допустимая глубина: 1 бар - Эквивалентно глубине воды в 10 м
мм диски для 100.0 мм трубы
мм диски для 150.0 мм трубы
мм расширенные диски для 175 мм трубы
Тип: Цветная 12” CCD матрица
Разрешение: 380000 пикселей 360 HTV линий
Линза: 4 мм 1.2 удалённая фокусировка
Линза FOV: 68 град. x 90град. x 100 град.
Фокус: 6 мм до бесконечности (дистанционно регулируемый)
Габариты: Курсовая - ø 48 мм x 78 мм обзорная при панорамировании (175 град.) при наклоне (135 град.) – ø 88 мм x 192 мм
Габариты: 420 мм x 343 мм x 292 мм
Управляемые величины: Направление движения скорость хода сила света управление
картами расширенийприспособления
Мощность: 110230 В 5060 Гц CE
Выходы: композитный NTSC (EIA-170A) видео (PAL)
дюймовый устанавливаемый в стенда контроллер
На камера: 10 Вт 16 x 0.6 Вт галоген
На платформе: 40 Вт 2 x 20 Вт галоген
Дополнительный: 40 Вт 2 x 20 Вт дихроичный рефлектор
Барабан: кабельный барабан с контактными кольцами под кабель различной длинны
Опционально - автоматический моторизованный кабельный барабан с регулируемой подачей
Вес: Приблизительно 23 кг - модель в зависимости от длины кабеля
ROVVER 600 низкопрофильный робот - мобильный и универсальный способ инспекции трубопроводов. Идеально подходит для различных применений благодаря его модульной конструкции и его способности осматривать внутренности труб с диаметрами в пределах от 150мм до 900мм. Это малый гусеничный робот в своем классе что дает ему способность пройти через замусоренные трубы большие выступы и выдающиеся трубные швы. Дистанционное управление робота ROVVER дает способность контролировать фокус и освещение а также направлять ход когда есть препятствия типа мусора или ответвлений [3].
Длина: 282 мм с курсовой телекамерой 374 мм с обзорной телекамерой
Уклон: +- 10 % опционально
0 мм диски для 200.0 мм трубы
5 мм расширенные диски для 225 мм трубы
Тип:Цветная 12” CCD матрица
Мощность: 110230 ВА 5060 Гц CE
прочностью на разрыв 227 кгс и полиэтиленовой внешней оболочкой
ROVVER 900 несет курсовую и обзорную цветные видео камеры с которыми может осуществлять поиск и осмотр на расстоянии до 200м. Эти характеристики идеально удовлетворяют многие потребности из-за его модульной конструкции и способности осмотреть внутренние трубы с диаметрами большими чем 225 мм. Управляемая платформа системы ROVVER позволяет оператору поднимать и опускать камеру управлять фокусировкой и освещением управлять сцеплением и направлением движения транспортера когда на пути его движения встречаются препятствия [3].
Длина: 488 мм с курсовой телекамерой 582 мм с обзорной телекамерой
Материал: Никелированная медь нержавеющая сталь алюминий
Уклон: +- 10% опционально
0 мм диски для 225.0 мм трубы
5 мм диски для 300.0 мм трубы
0 мм расширенные диски для 400 мм трубы
Фокус: от 6 мм до бесконечности (дистанционно регулируемый)
Подъём телекамеры: удалённо-управляемая в трубах от 225 мм до 800 мм
P-200 – это комплекс на базе колёсного самоходного робота с цветной видеокамерой имеющей функцию увеличения (10х оптическое и 4х цифровое). Робот заполняется сухим азотом для предотвращения конденсации влаги внутри корпуса и на стекле видеокамеры при работе в условиях перепада температур. Предназначен для телеинспекции трубопроводов диаметром от 250 до 1500 мм. Определяет профиль залегания трубопровода на основе показаний датчика тангажа. Наличие системы бортового поворота для маневрирования в трубах. Пантографический механизм подъёма видеокамеры обеспечивает расположение видеокамеры по оси трубопровода в трубах диаметром до 1200 мм [4].
Видеокроулер SUPERVISION модель для инспекций трубопроводов диаметром от 150 до 2000 мм длиной до 500 м. 6 ведущих колес водонепроницаемость до 10 бар.
Из вышеприведённого обзора видно что на сегодняшний день на рынке видеокроулеров присутствует немало качественных разработок. Однако подавляющее большинство моделей не предназначено для контроля труб диаметром порядка 100 мм. Кроме того все разработки имеют импортное происхождение что ведёт к увеличению их стоимости для конечного потребителя в РБ. К примеру цена некоторых кроулеров в полной комплектации (вместе с промышленным ноутбуком) может составлять порядка 18000 у.е.
Поэтому возникает вопрос о целесообразности создания малогабаритного видеокроулера предназначенного для контроля труб относительно небольших диаметров (от 100 до 250 мм). Готовое решение предполагается быть более простым по сравнению со своими аналогами однако и более доступным по цене.
Моделирование и расчёт механической и оптико-электронной части кроулера.
1 Моделирование и расчёт механической части кроулера.
По техническому заданию максимальная длина обследуемой части трубы должна составлять 50 м. Для этого необходимо использовать многожильный кабель соответствующей длины. Для решения этой задачи был выбран 8-ми жильный кабель КСПВ производства фирмы «Паритет» (РФ). Данный тип кабеля предназначен для использования в системах сигнализации и телекоммуникации. Технические характеристики кабелей данного типа представлены ниже [5].
Таблица 2.1 – Технические характеристики кабелей КСПВ.
Число жил диаметр жилы (мм)
Номинальный наружный диаметр (мм)
Электрическое сопротивление проводящих жил 04 мм постоянному току при 200С
Из таблицы видно что удельная масса 8-ми жильного кабеля составляет 2062 гм. Следовательно масса кабеля длинной 50 м составит:
Кроме того предполагается что масса самого кроулера не превысит полутора килограмм. Следовательно максимальная масса груза которую необходимо перемещать не превысит 25 кг.
После предварительного эскизирования положения кроулера в трубе диаметром 100 мм было выяснено что для эффективного использования всего свободного пространства трубы такого диаметра угол скоса колёс должен составлять 50° а ширина колес 10 мм. Скос колёс нужен для того чтобы во время продвижения по трубам с малым радиусом кривизны кроулер всё время сохранял прямой курс. Диаметр колёс был конструктивно выбран равным 60 мм а зазор между колесом и корпусом кроулера 3 мм.
Ширина платформы кроулера составила при этом 50 мм. Из этого следовало что двигатель необходимый для передвижения кроулера с общей массой 25 кг нужно располагать вдоль платформы а для передачи вращательного движения на колёса потребуется конический редуктор.
Основные характеристики передач:
–мощность Р1 на входе и Р2 на выходе Вт;
–быстроходность которая выражается частотой вращения n1 на входе и n2 на выходе мин-1 или угловыми скоростями 1 и 2 с-1.
Эти характеристики минимально необходимы и достаточны для проектного расчёта любой передачи [6].
Проведём энергетический и кинематический расчёт привода. Исходными данными для этого расчёта являются:
–Максимальная масса кроулера вместе с проводом: m = 25 кг
–Максимальная скорость кроулера v = 01 мс
–Ускорение свободного падения: g = 9.8 мс2
–Коэффициент сопротивления перекатыванию: fk = 0.08 (приближённо)
–Коэффициент сопротивления качению: Х = 10 (приближённо)
–КПД всего привода: 0 = 0.7 (конструктивно)
Сила сопротивления качению F:
Сила сопротивления движению кроулера Fc:
Мощность потребляемая рабочим органом Рс:
Мощность потребляемая электродвигателем Рэд:
Угловая скорость вращения колеса КОЛ:
Частота вращения колеса nКОЛ:
В качестве силовой установки было принято решение использовать коллекторный микродвигатель постоянного тока. Эти двигатели находят широкое применение в системах автоматики телемеханики в вычислительной технике выполняя различные порой уникальные функции. Электрические микромашины отличаются от машин средней и большой мощности не только малыми размерами. Для них характерны очень широкие диапазоны частоты вращения (от одного оборота в сутки для двигателя с редуктором до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту) иное соотношение активных и индуктивных сопротивлений обмоток относительно большое значение тока холостого хода (до 90 %) мало или практически совсем не насыщенные магнитные цепи значительно меньшие потери в стали по сравнению с потерями в обмотках большие плотности тока в обмотках. Недостатком данных двигателей по сравнению с шаговыми приводами является невозможность точного позиционирования вала. Вместе с тем когда не требуется прецизионное позиционирование а только управление скоростью коллекторный двигатель постоянного тока с редуктором является наиболее экономичным решением поскольку в отличие от шаговых двигателей не требует сложных схем управления. Это очень важно так как стоимость схемы управления шаговым двигателем сопоставима со стоимостью самого двигателя. Кроме того проблема позиционирования вала может частично решаться установкой оптических и магнитных энкодеров (датчиков Холла). Несмотря на скромные габариты уровень вращающего момента и допустимые скорости вращения впечатляюще высоки.
Исходя из расчётной мощности двигателя и ширины платформы был выбран мотор-редуктор серии IG-32GM фирмы KING RIGHT MOTOR (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 – Мотор-редуктор IG-32GM
Мотор-редуктор серии IG-32GM состоит из реверсивного коллекторного двигателя постоянного тока и планетарного редуктора. Электродвигатель необслуживаемый. Двигатель может снабжаться энкодером. Передаточные числа редукторов 5~721. Количество ступеней 1~4. Температурный диапазон эксплуатации от -10°С до +50°С. Модуль зубчатых колес 05 мм. Радиальное биение выходного вала редуктора не более 005 мм осевое биение не более 03мм.
Напряжение питания двигателя 12В. Выходная мощность 4 Вт. Номинальная частота вращения данного двигателя nЭД составляет 5300 мин-1. Следовательно общее передаточное число всего привода U0:
Передаточное отношение следует разделить на 2 ступени. Первой ступенью будет являться планетарный редуктор который встраивается в мотор-редуктор IG-32GM а второй ступенью будет являться конический редуктор. Исходя из габаритных характеристик из поставляемых к данному электродвигателю понижающих передач был выбран планетарный редуктор с передаточным числом равным U1 = 14. Следовательно передаточное отношение конического редуктора U2 должно составлять:
Исходя из габаритных хараткеристик (ширина платформы) и передаточного отношения был выбран конический редуктор с двумя выходными валами фирмы SHAYANG YE INDUSTRIAL (рисунок 2.2).
Рисунок 2.2 – Конический редуктор с двумя выходными валами.
Некоторые характеристики данного устройства:
–Передаточное отношение U = 12
–Номинальный срок службы t = 12000 ч.
2 Моделирование и расчёт оптико-электронной части кроулера.
По техническому заданию разрешающая способность видеокамеры должна составлять не менее 420 ТВ линий. Исходя из этого была взята миникорпусная камера KPC-VSN700PHB (рисунок 2.3) фирмы KT&C (Южная Корея).
Рисунок 2.3 – Миникорпусная камера KPC-VSN700PHB.
Технические характеристики данного устройства представлены в таблице 2.2 [5].
Таблица 2.2 – Технические характеристики камеры KPC-VSN700PHB.
” SONY Super HAD CCD II
PAL:15625 кГц (Г) 50 Гц (В)
PAL: 752(Г) х 582(В)
Рисунок 2.4 – Светодиоды серии КИПД.
Основные характеристики светодиодов марки КИПД 80Э20-Б1-П представлены в таблице 2.3.
Таблица 2.3 – Характеристики светодиодов КИПД 80Э20-Б1-П.
Диапазон рабочих температур
Основные характеристики при Т
Сила света при If = 20 мА мкд
Прямое напряжение Uf (номинал.макс.) В
Полный угол обзора град. (не менее)
Светодиоды следует включать в цепь через балластные сопротивления т.к. напряжение питания источника превышает прямое напряжение светодиодов. Кол-во светодиодов используемых для освещения 7 штук. Диоды будем включать в цепь по следующей схеме:
Рисунок 2.5 – Схема включения светодиодов в электрическую цепь.
Произведём расчёт балластных сопротивлений. Исходными данными для расчёта являются:
UПИТ = 12 В Uf = 35 В If = 20 мА = 0.02 А.
Падение напряжения на резисторах R1 и R2 UБАЛЛАСТН.:
Сопротивления резисторов R1 и R2:
Из стандартного ряда Е48 выбираем резисторы номиналом 249 Ом. Аналогично проводим расчет для резистора R3. Полученное сопротивление при этом составило 75 Ом.
Проектирование и разработка видеокроулера
Спроектированное устройство представлено на сборочном чертеже ВКМ 00.00.000 СБ. Устройство состоит из платформы 5 с просверленными в ней отверстиями для крепежа. На платформу клеем ВК-5 приклеивается алюминиевая подкладка 6 толщиной 1 мм которая предназначена для обеспечения соосности осей конического редуктора и мотор-редуктора. После установки конического редуктора 30 на подкладку 6 редуктор закрепляется на платформе с помощью ромбической скобы 9 а также винта гайки и шайбы М4 16 21и 27.
Далее на входной вал редуктора одевается жёсткая муфта 3. В муфту вставляется выходной вал мотор-редуктора 28. Под мотор-редуктор предварительно ложится резиновая подкладка 7 а сам он крепится к платформе с помощью винта гайки и шайбы М35 15 20 и 26. После на платформу крепятся колёсные стойки 10. В них устанавливают с натягом подшипники а в подшипники устанавливают ось 4 (посадка с натягом).
Стойку 12 для крепежа видеокамеры приклеивают к платформе клеем ВК-5. Видеокамера крепится к стойке винтом и шайбой М3 14 и 25.
Перед установкой крышки 11 в неё заранее устанавливают разъем «Лемо» 29 который крепится с внутренней стороны крышки гайкой М14 22. Светодиоды 31 устанавливаотся на тонкую резиновую полоску шириной 8 мм а затем вставляются в отверстия на передней части крышки. Лента со светодиодами клеится к внутренней стороне крышки клеем типа «Момент». По верхней части крышки прокладывают необходимую электропроводку. На переднюю стенку крышки снаружи наклеивают клеем ВК-5 защитный колпачок из оргстекла. Затем крышку устанавливают на платформу и крепят с помощью винтов М5 19. Редуктор дополнительно крепится к крышке с помощью 8-ми винтов М3 (тип А) 17.
На втулки 1 насаживают резиновые колёса 2 а затем втулки насаживают на выходные оси. Колёса крепятся на осях колпачковыми гайками М5 23.
После моделирования видеокроулера в системе Kompas 3D расчет МЦХ модели показал что масса кроулера без провода составила 1090 г. Т.е. у силовой установки привода есть достаточный запас по мощности.
Разработка методики контроля
Устройство по своей конструкции не герметично и поэтому не предназначено для контроля труб с сильным затоплением или же с повышенной влажностью воздуха (относительная влажность воздуха не более 80%). Также следует учитывать уклон поверхности ОК относительно линии горизонта. Он должен быть небольшим и составлять порядка ± 5°. Это предотвратит самопроизвольное скатывание кроулера вниз или же невозможность его подъема вверх.
Перед началом работ проверяется уровень заряда питающей батареи. Его должно хватать для запланированного времени контроля. Силовые провода кабеля подключаются к источнику питания через регулятор тока который позволяет изменять по необходимости скорость движения кроулера. Провода по которым передаётся видеосигнал подключаются к любому регистрирующему устройству способному обрабатывать видеосигнал в формате PAL. В этом случае целесообразно использовать любой ноутбук вычислительной мощности которого хватит для приёма и последующей записи сигнала в видеофайл.
По мере продвижения кроулера по ОК оператор внимательно наблюдает за состоянием его внутренних стенок. В частности нужно оценить степень коррозии металла. Также следует обратить внимание на наличие посторонних выступающих частей (например подтёков сварных швов) или же на наличие посторонних предметов внутри контролируемого объекта.
По окончании работ целесообразно отключить питание кроулера в целях экономии заряда батареи а затем извлечь устройство с помощью кабеля.
Расшифровка результатов контроля может проводиться непосредственно во время контроля объекта или же в случае записи видеосигнала в файл после проведения работ.
В процессе работы над техническим заданием было разработано устройство для визуального контроля труб – малогабаритный видеокроулер. Данная разработка по своей конструкции и возможностям уступает своим зарубежным аналогам однако по стоимости для конечного потребителя в РБ превосходит. Кроме того конструкция изделия допускает его дальнейшую модернизацию. В дальнейшем планируется снабдить кроулер устройством обратной связи (энкодером) для более точного контроля его перемещения по ОК а также разработать поворотное устройство для камеры и улучшить систему освещения.
Бусурин В.И. Волоконно-оптические датчики. Физические основы вопросы расчёта и применения В.И. Бусурин Ю.Р. Носов. – М.: Энергоатомиздат 1990. – 256 с.
Марков П.И. Волоконно-оптическая интроскопия П.И. Марков А.А. Кеткович Д.К. Сатаров. – Л.: Машиностроение 1987. – 286 с.
Иванов М.Н. Детали машин: Учебник для машиностроительных специальностей вузов М.Н. Иванов В.А. Фигенов. – 12-е изд. испр. – М.: Высш. шк. 2008. – 408.: ил.
Соломахо В.Л. Справочник конструктора-приборостроителя: Детали и механизмы приборов. – Мн.: Высшая школа 1990. – 440 с.
ГОСТ 2.106-96. ЕСКД. Общие требования к текстовым документам. – М.: Изд-во стандартов 1997. – 28 с.: ил.

Содержание.doc

Анализ технического задания и известных моделей видеокроулеров5
1 Техника и технология визуального осмотра5
2 Техника визуально-оптической дефектоскопии8
3 Обоснование разработки малогабаритного видеокроулера12
Моделирование и расчет механической и оптико-электронной части кроулера18
1 Моделирование и расчёт механической части кроулера18
2 Моделирование и расчёт оптико-электронной части кроулера22
Проектирование и разработка видеокроулера25
Разработка методики контроля26