管道槽口檢測平臺定位誤差分析

孟祥宇，趙言正，付莊

(上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室，上海 200240)

0 前言

圖1 互為基準測量原理圖

有些長距離、封閉式管道內部充滿油垢，當對管道槽口進行檢測時一些傳感器探頭直接暴露在外部會被油污腐蝕，降低傳感器的使用壽命，甚至導致傳感器無法正常工作。文中設計一種檢測方式，使精密的傳感器探頭置于檢測裝置的內側，讓檢測裝置外部零件與管道槽口側壁接觸。圖1是測量原理簡圖，檢測裝置的部件I和部件II分別與槽口兩側壁接觸，傳感器和其中一個部件固定，檢測兩個測量部件之間的距離，這個檢測的位移量與兩部件厚度之和即為槽口的寬度。這種測量方式不是以某一個平面作為測量的基準，而是采用槽口兩側壁互為基準進行槽口寬度測量。

管道槽口檢測系統平臺上面安裝有檢測裝置，其結構如圖2所示，其中上沿導向輪和履帶之間依靠彈簧力夾緊管道槽口上沿和管道內圓表面，檢測裝置左右錐銷依靠彈簧力壓緊在管道槽口兩側壁，并且通過軸承座實現轉動以適應平臺沿管道圓周的姿態偏轉。

圖2 檢測裝置安放

1 定位基準誤差對檢測的影響

檢測平臺位于管道工作時，由于姿態的偏移、定位基準面尺寸誤差以及履帶的壓縮等原因都會產生一定的機械誤差。以下分別單獨對平臺行走方向姿態偏移、管道圓周姿態偏轉、管道側棱高度差以及履帶壓縮產生的檢測偏差進行分析。

1.1 行走方向姿態偏移產生的誤差

檢測平臺沿管道槽口方向的偏移主要是由于前后導向輪與槽口之間有一定的間隙，導致了管道槽口檢測平臺行走的方向與槽口方向出現了不平行的現象，其結構示意圖如圖3所示。

圖3 行走姿態偏移產生的誤差

由圖中簡單的幾何關系有:

式中:δ是檢測平臺行走方向與槽口方向的偏移角度;Rth是左右錐銷圓弧外表面半徑;Rgwheel是前后導向輪半徑;Lgwheel是前后導向輪間距;Lins1是槽口檢測寬度;Lr1是槽口實際寬度。綜合以上兩式可以得出檢測誤差Ldev1的表達式:

經過公式(4)結果可以看出，Lgwheel和Rgwheel(始終小于Lr1)越小，Ldev1越小，在結構允許的情況下可以通過增加前后導向輪間距減小檢測誤差。同時當2Rth=Lr1時，誤差為零，綜合管道槽口實際寬度的公差，適當選取Rth可以減小檢測誤差。

1.2 管道圓周方向姿態偏轉產生的誤差

履帶采用圓弧形特種履帶，檢測平臺在工作時會發生沿管道內圓周向偏轉的情況。檢測裝置底有一個轉動的自由度，左右錐銷在彈簧力作用下貼緊槽口壁面，在理想狀況下(槽口側壁平行)，這種誤差被完全消除掉的。實際上，由于槽口加工的原因，管道槽口兩側壁呈V型夾角，檢測平臺行走穩定后，一側錐銷會貼緊槽口壁面，另外一側的錐銷不能與管道槽口側壁貼緊，如圖4所示。根據測量需求，指定沿槽口側棱向上Horient的位置寬度作為測量點，根據幾何推導有以下公式:

式中:Lr2是測量基準值;Lins2是檢測值;a是槽口側棱到檢測錐銷下表面的距離;λ是槽口側壁夾角;s是槽口兩側棱間距。綜合以上兩式可以得出檢測誤差Ldev2的表達式:

當槽口夾角λ一定時，測量點越高，即Horient越大，Lr2越大。當Lr2＞Lins2時，a越大，檢測誤差Ldev2越小;當Lr2＜Lins2時，a越小，檢測誤差Ldev2越小。故可以根據測量點的高度Horient適當調整a的值來減小由于周向姿態偏轉導致的誤差。

圖4 管道圓周方向姿態偏轉導致的誤差

1.3 側棱高度差和履帶變形導致的誤差

由于機械加工變形，槽口側棱存在一定的高度差，高度差影響檢測裝置在高度方向的位置，也就是圖4中a值會發生一定的變化。此時極限情況是a值減小量剛好等于側棱的高度差，圖5給出這種極限情況的示意圖。

圖5 側棱高度差引起的定位誤差

類似地，履帶受到壓力產生壓縮變形，或設備使用一段時間之后履帶發生磨損，這些因素都會影響檢測裝置在高度上的變化，也就是a值得變化。

根據式(6)可以推導出以下寬度檢測值公式:

式中:ΔHorient是側棱的高度差;ΔHcompress是履帶的壓縮量。可以根據下式計算履帶的壓縮量ΔHcompress:

式中:F0是上沿滾輪和履帶間的夾緊力;Erubber是橡膠的彈性模量;Acontact是履帶與管道內壁的接觸面積。

2 總結

綜合以上結果分析，減小或者消除平臺行走方向姿態偏移、管道圓周姿態偏轉、側棱高度差以及履帶壓縮磨損產生的定位基準誤差，可以通過增大前后導向輪的間距Lgwheel和前后導向輪半徑Rgwheel，根據槽口具體情況適當選取錐銷外圓半徑Rth，并適當調節檢測錐銷距離槽口側棱的距離a。

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