起重機(jī)用打磨機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

饒 剛,郭云坡

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院,湖北武漢,430081)

起重機(jī)作為物料搬運、裝卸和安裝設(shè)備,可以減輕或替代人們的體力勞動,提高勞動生產(chǎn)率,已成為企業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的輔助設(shè)備。由于起重機(jī)將重物吊至空中實現(xiàn)搬運,因此起重機(jī)自身的安全性能至關(guān)重要。冶金行業(yè)由于生產(chǎn)對象的特殊性,對起重機(jī)的安全運行提出更高的要求。為確保起重機(jī)的安全,一般要對起重機(jī)進(jìn)行定期安全檢查和維護(hù)。冶金起重機(jī)由于負(fù)荷大、工作級別高,因此大多采用箱型結(jié)構(gòu)的橋式起重機(jī)。該類起重機(jī)在定期檢查時,主要是對其主梁和端梁的關(guān)鍵部位進(jìn)行無損探傷檢測,以確保橋架的安全性。從起重機(jī)主梁受力角度上考慮,箱型主梁下蓋板在工作過程中主要承受拉應(yīng)力,這種拉應(yīng)力狀態(tài)易產(chǎn)生疲勞裂紋并使裂紋擴(kuò)展,因而主梁下蓋板部位已成為起重機(jī)結(jié)構(gòu)探傷的重點和難點[1-2]。

目前,對在役起重機(jī)結(jié)構(gòu)的無損探傷檢測大多采用磁粉或超聲波探傷技術(shù),這兩種探傷方式都需要先去除結(jié)構(gòu)外部的保護(hù)油漆、油污以及銹蝕部分,即在結(jié)構(gòu)探傷前需要對其進(jìn)行打磨處理。在這種惡劣環(huán)境下打磨,尤其是從事起重機(jī)主梁下蓋板的打磨工作,在施工過程中常常存在一些安全隱患。為此,本文根據(jù)起重機(jī)無損探傷檢測要求,對起重機(jī)用打磨機(jī)器人進(jìn)行總體布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計,針對其結(jié)構(gòu)設(shè)計的組成,從打磨機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性、運行機(jī)構(gòu)的可行性以及支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效性等方面進(jìn)行合理性分析,并結(jié)合其使用環(huán)境和工作要求選擇了雙履帶、永磁吸附式的總體結(jié)構(gòu)。

1 基本要求

為達(dá)到對起重機(jī)箱型主梁下蓋板打磨的目的,起重機(jī)用打磨機(jī)器人的基本要求如下:

(1)打磨機(jī)器人能夠夾持φ120 mm砂紙盤片進(jìn)行打磨,打磨時砂紙盤片與被打磨對象之間的壓力可調(diào),且打磨力矩要足以克服打磨過程中的打磨阻力。

(2)配合不同的打磨要求,打磨機(jī)器人能夠完成砂紙盤片的壓上和松開動作。

(3)依據(jù)該機(jī)器人主要應(yīng)用于對起重機(jī)箱型主梁下蓋板進(jìn)行打磨,打磨機(jī)器人能夠固定在主梁下蓋板上。

(4)配合打磨工作需要,能夠?qū)Υ蚰C(jī)器人工作過程中的打磨軌跡進(jìn)行控制并調(diào)整。

(5)依據(jù)打磨工作需要,打磨機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)在下蓋板的運動過程中可調(diào)速的低速移動。

(6)結(jié)合打磨機(jī)器人使用場合的需要,打磨機(jī)器人結(jié)構(gòu)要輕巧。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)起重機(jī)用打磨機(jī)器人的用途及其基本要求,本設(shè)計中的打磨機(jī)器人由打磨機(jī)構(gòu)、運行機(jī)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)三部分組成,其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 打磨機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

打磨機(jī)構(gòu)主要由打磨電機(jī)、壓上和松開裝置以及外部固定結(jié)構(gòu)三部分組成。打磨電機(jī)主要完成帶動φ120 mm砂紙盤片的回轉(zhuǎn)、壓上和松開運動;外部固定結(jié)構(gòu)由蓋體、上箱體和下箱體組成,并構(gòu)成一個箱型結(jié)構(gòu),將專用打磨電機(jī)封裝在其內(nèi)部。

圖1 打磨機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of grinding robot

圖2為打磨機(jī)構(gòu)示意圖。由圖2可看出,打磨電機(jī)底部設(shè)計有銜鐵,它與固定在蓋體上的電磁鐵一同構(gòu)成壓上和松開裝置;壓上和松開裝置的作用是使打磨電機(jī)產(chǎn)生上、下移動,從而帶動固定在打磨電機(jī)軸上的砂紙盤片上、下運動,以實現(xiàn)砂紙盤片與主梁下蓋板的接觸與分離。為保證打磨電機(jī)在箱體內(nèi)部能順利移動,在下箱體內(nèi)部設(shè)有滑道,同時在打磨電機(jī)本體上設(shè)有滑塊,這樣打磨電機(jī)能夠在箱體內(nèi)部沿箱體的中心軸線滑動。打磨電機(jī)在箱體內(nèi)的上、下運動由壓下彈簧和電磁鐵來配合完成。在蓋體與打磨電機(jī)之間設(shè)有壓緊彈簧,其作用是使打磨電機(jī)和砂紙盤片以一定的壓力壓在下蓋板打磨區(qū)域,確保打磨過程順利進(jìn)行。壓緊力由壓緊彈簧產(chǎn)生,壓緊力的大小由壓緊螺栓來進(jìn)行調(diào)節(jié)。電磁鐵的作用是在通電情況下產(chǎn)生電磁力,以吸附打磨電機(jī)底部的銜鐵,并克服壓緊彈簧所產(chǎn)生的壓緊力,使打磨電機(jī)向下移動,從而帶動砂紙盤片離開主梁下蓋板表面,不對主梁下蓋板表面進(jìn)行打磨。當(dāng)電磁鐵斷電時,銜鐵失去電磁鐵所產(chǎn)生的吸附力,打磨電機(jī)在壓緊彈簧的作用下向上移動,使砂紙盤片以一定的壓緊力壓緊在主梁下蓋板表面,并在打磨電機(jī)主軸高速旋轉(zhuǎn)運動的配合下實現(xiàn)對主梁下蓋板表面的有效打磨。電磁鐵采用常開工作制。

圖2 打磨機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of polishing mechanism

2.2 運行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

打磨機(jī)器人的運行機(jī)構(gòu)采用雙履帶結(jié)構(gòu),兩邊履帶分別由獨立的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。履帶采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu),在鏈上封裝有一定長度的永磁吸附塊,確保在履帶與主梁下蓋板之間產(chǎn)生足夠的永磁吸附力,從而使打磨機(jī)器人牢固地吸附在主梁下蓋板上[3-4]。

運行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要完成對運行機(jī)構(gòu)中驅(qū)動部件的定位和連接。本結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用內(nèi)、外連接板的形式對鏈輪進(jìn)行支撐和定位;內(nèi)、外連接板之間采用螺栓連接,連接板之間的間距以固定套作保證。鏈輪采用滾動軸承支撐,以減小運行摩擦阻力。為了固定鏈輪軸承,在內(nèi)、外連接板上設(shè)有相應(yīng)的軸承座孔。采用L型安裝板對運行機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行安裝和定位,同時選用端部固定步進(jìn)電機(jī),以減小打磨機(jī)器人的總體尺寸。

運行機(jī)構(gòu)內(nèi)連接板上設(shè)計的3-ФD孔中心連線與垂直方向夾角設(shè)定為5°,利用3-ФD孔將運行機(jī)構(gòu)與打磨機(jī)構(gòu)連接,確保打磨機(jī)構(gòu)電機(jī)的中心軸線與垂直方向夾角產(chǎn)生5°偏轉(zhuǎn),這樣可避免砂紙盤片對主梁下蓋板表面過度打磨的現(xiàn)象。打磨機(jī)器人運行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 運行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of transmission mechanism

2.3 支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計

支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計采用交叉支撐的結(jié)構(gòu)形式,即運用不同機(jī)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)相互支撐方式來實現(xiàn)不同機(jī)構(gòu)之間的連接與支撐,以減小總體結(jié)構(gòu)尺寸。圖4為打磨機(jī)器人支撐結(jié)構(gòu)示意圖。由圖4可看出,支撐結(jié)構(gòu)1上的6-ФC孔與打磨機(jī)構(gòu)上箱體的法蘭進(jìn)行連接,8-ФD孔與運行機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)安裝板進(jìn)行連接,這樣可實現(xiàn)運行機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)安裝板與打磨機(jī)構(gòu)上箱體之間的連接與固定。將支撐結(jié)構(gòu)2上的6-ФB孔與上箱體、下箱體連接在一起,6-ФA孔借助于連接角鋼分別與左、右運行機(jī)構(gòu)支架上的內(nèi)連板連接在一起,實現(xiàn)打磨機(jī)構(gòu)在運行機(jī)構(gòu)內(nèi)連板上的定位,連接方式如圖1中的Ⅰ、Ⅱ號放大圖所示。不難看出,利用支撐結(jié)構(gòu)1與支撐結(jié)構(gòu)2可將運行機(jī)構(gòu)與打磨機(jī)構(gòu)連接成一個完整的打磨機(jī)器人。

圖4 打磨機(jī)器人支撐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Supporting parts of grinding robot

3 設(shè)計合理性分析

打磨機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性是打磨機(jī)器人能夠滿足其功能的基本保障。由于焊接會引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生焊接變形,而鉚接不便于打磨機(jī)器人各個組成部分之間的安裝與調(diào)整。為便于打磨機(jī)器人的安裝、調(diào)整,同時有效地防止結(jié)構(gòu)變形,本設(shè)計對打磨機(jī)器人結(jié)構(gòu)之間的連接均采用螺栓連接方式。

3.1 打磨機(jī)構(gòu)設(shè)計的適應(yīng)性

打磨機(jī)構(gòu)的主要功能是完成對主梁下蓋板表面的打磨,既要保證能快速將其表面打磨干凈,又不能對其表面過度打磨。如果主梁下蓋板表面打磨不徹底,則會影響后續(xù)無損探傷檢測的判斷;如果主梁下蓋板表面打磨過度,則會影響主梁的總體強度,進(jìn)而影響起重機(jī)的安全運行。對于使用場合、使用年限不同的起重機(jī),由于其主梁表面保護(hù)油漆層的厚度、表面銹蝕程度不同,因此在打磨過程中為保證主梁下蓋板被充分打磨,需要施加不同大小的打磨壓力。

本設(shè)計采用壓緊彈簧結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)打磨過程中對打磨砂紙盤片上打磨壓力的施加,并通過壓緊螺栓調(diào)整壓緊彈簧壓縮量的方式來調(diào)整壓緊力的大小,這樣可以使得打磨機(jī)器人能夠適應(yīng)不同的打磨場合。通過對打磨過程中打磨力的調(diào)整,既保證了打磨工作的徹底性,同時也提高了打磨機(jī)器人對不同打磨場合應(yīng)用的適應(yīng)性。將打磨電機(jī)的軸線設(shè)計成向后偏斜5°的形式,這樣使得砂紙盤片對主梁下蓋板打磨時,只有砂紙盤片的局域與下蓋板表面接觸,從而有效防止主梁下蓋板表面過度打磨的現(xiàn)象。另外,在打磨機(jī)構(gòu)中設(shè)有壓上和松開裝置,并利用電磁控制其壓上和松開動作,利用這種裝置可以實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的砂紙盤片能夠快速進(jìn)入打磨區(qū)域以及快速脫離打磨區(qū)域,從而保證打磨機(jī)器人只對主梁下蓋板所需要打磨的區(qū)域進(jìn)行打磨,避免了對主梁下蓋板非打磨區(qū)域的打磨現(xiàn)象。

3.2 運行機(jī)構(gòu)設(shè)計的可行性

打磨機(jī)器人運行機(jī)構(gòu)是將整個機(jī)器人安全、牢固地吸附在主梁下蓋板上,并能在主梁下蓋板上沿主梁方向?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)、后退運動以及在運行過程中對其運行軌跡進(jìn)行調(diào)整。

本設(shè)計中運行機(jī)構(gòu)采用雙履帶結(jié)構(gòu),兩邊履帶分別由獨立的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。采用鏈結(jié)構(gòu)式履帶,在鏈節(jié)中間封裝永磁鐵并充當(dāng)鏈節(jié)的一部分。采用雙履帶結(jié)構(gòu),一方面可以提高打磨機(jī)器人的整體穩(wěn)定性,確保在打磨過程中機(jī)器人不出現(xiàn)晃動現(xiàn)象;另一方面,通過增加永磁鐵的數(shù)量,可以增強打磨機(jī)器人與主梁下蓋板之間的吸附力,保證打磨機(jī)器人工作時能夠牢固地吸附在主梁下蓋板上,避免了打磨機(jī)器人從高空墜落所造成的危險。運行機(jī)構(gòu)中采用小尺寸永磁塊,在保證足夠的吸附力情況下,采用小尺寸永磁鐵可以減小運行阻力,降低運行電機(jī)功率,從而進(jìn)一步減輕總體結(jié)構(gòu)的自重,降低打磨機(jī)器人從高空墜落的可能性,確保機(jī)器人運行的安全性。另外,運行機(jī)構(gòu)兩邊的履帶分別采用驅(qū)動的方式,這種設(shè)計可以保證打磨機(jī)器人在工作過程中,依據(jù)不同的工作場合進(jìn)行運行速度的調(diào)整,同時利用兩邊運行速度的變化,完成對打磨機(jī)器人運動軌跡的調(diào)整以及運動方向的改變。這種兩邊分別驅(qū)動的永磁吸附式運行機(jī)構(gòu)設(shè)計,可以實現(xiàn)該機(jī)構(gòu)的預(yù)定功能,為確保運行機(jī)構(gòu)設(shè)計的可行性提供了條件。

3.3 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效性

支撐結(jié)構(gòu)的作用是對打磨機(jī)構(gòu)和運行機(jī)構(gòu)進(jìn)行固定,并將兩者連接成為一個有機(jī)整體,以實現(xiàn)打磨機(jī)器人的總體功能。本設(shè)計中支撐結(jié)構(gòu)采用交叉支撐的結(jié)構(gòu)形式,其作用是減少連接結(jié)構(gòu)中零部件的數(shù)量,減小結(jié)構(gòu)尺寸,從而達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)總重的目的。支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計總體思路是,將打磨機(jī)構(gòu)封裝在由上箱體、下箱體構(gòu)成的固定體內(nèi),并通過支撐結(jié)構(gòu)2對其進(jìn)行定位(見圖2),支撐結(jié)構(gòu)2又通過連接角鋼與運行機(jī)構(gòu)內(nèi)連板相連接;同時利用支撐機(jī)構(gòu)1的一邊與打磨機(jī)構(gòu)上箱體法蘭相連,另一邊與運行機(jī)構(gòu)的電機(jī)固定裝置相連(見圖1)。利用這種定位的結(jié)構(gòu)形式,可以實現(xiàn)打磨機(jī)構(gòu)與運行機(jī)構(gòu)之間的有效支撐,一方面可以有效地將打磨機(jī)構(gòu)與運行機(jī)構(gòu)連接成為一個整體,另一方面還可以有效地將打磨機(jī)構(gòu)的重心上移,減小打磨機(jī)構(gòu)重心至主梁下蓋板之間的距離。在整體結(jié)構(gòu)中,由于打磨機(jī)構(gòu)最重,因此打磨機(jī)構(gòu)自身的重心位置對整體設(shè)備的重心位置影響較大。在減小打磨機(jī)構(gòu)重心至主梁下蓋板之間距離的同時,采用本設(shè)計中支撐定位方式可有效地減小整機(jī)的重心至主梁下蓋板之間的距離,避免由于打磨機(jī)構(gòu)重心至支撐面距離偏大而造成的整體不穩(wěn)定,從而提高了整機(jī)運行的穩(wěn)定性。

本設(shè)計運行機(jī)構(gòu)中內(nèi)連接板上中心軸線偏轉(zhuǎn)5°的3-ФD連接孔(見圖3),通過連接角鋼與支撐結(jié)構(gòu)2相連(見圖1),確保了打磨機(jī)構(gòu)中軸線向后偏斜5°的要求。這種連接方式較為簡單,可以精度加工來確保打磨機(jī)構(gòu)軸線的偏斜角度。以打磨機(jī)構(gòu)軸線向后偏斜角度作保證,可實現(xiàn)對打磨區(qū)域的有效打磨。

4 結(jié)語

打磨機(jī)器人設(shè)計主要用于起重機(jī)主梁下蓋板無損探傷前對探傷區(qū)域進(jìn)行有效打磨,由于打磨機(jī)器人是在高空作業(yè),且吸附吊掛在主梁下蓋板上,因此打磨機(jī)器人的設(shè)計既要滿足主梁下蓋板探傷的使用環(huán)境,還要防止其在主梁下蓋板上高空墜落。本文依據(jù)起重機(jī)用打磨機(jī)器人的使用場合及其功能,設(shè)計出由打磨機(jī)構(gòu)、運行機(jī)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)三部分組成的打磨機(jī)器人,并針對其結(jié)構(gòu)設(shè)計的組成,從打磨機(jī)構(gòu)設(shè)計的適應(yīng)性、運行機(jī)構(gòu)設(shè)計的可行性以及支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效性等方面進(jìn)行合理性分析,本設(shè)計滿足了起重機(jī)用打磨機(jī)器人從事現(xiàn)場打磨的要求。

[1] 陳道南.起重運輸機(jī)械[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2005:30-69.

[2] 黃大巍,李風(fēng),毛文杰,等.現(xiàn)代起重運輸機(jī)械[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:46-95.

[3] 王茁,張波,裴榮國,等.壁面爬行機(jī)器人本體的設(shè)計[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報,2004,21(4):78-80.

[4] 劉淑良,趙言正,高學(xué)山,等.噴砂、噴漆、測量用磁吸附爬壁機(jī)器人[J].高技術(shù)通訊,2000,10(9):86-88.