大型冷凝器清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

夏漢民 王耀南 印 峰 曹文明

湖南大學(xué)，長沙，410082

0 引言

冷凝器是制藥、電力、化工等行業(yè)的大型換熱設(shè)備，在汽輪機(jī)裝置的熱力循環(huán)中起冷源的作用，以降低汽輪機(jī)排汽溫度和減小排汽壓力，提高循環(huán)熱效率，在電廠、制藥、化工等行業(yè)有廣泛應(yīng)用［1］。冷凝器內(nèi)部具有數(shù)以萬計(jì)的冷凝管，由于冷凝器運(yùn)行時(shí)冷卻水不潔凈，熱交換時(shí)常有化學(xué)反應(yīng)等原因，故在長時(shí)間使用后，會(huì)導(dǎo)致冷凝管內(nèi)壁積聚大量污垢而引發(fā)一系列危害，如增加循環(huán)水泵的能耗、降低發(fā)電機(jī)的效率和機(jī)械性能、導(dǎo)致冷凝管堵塞而影響設(shè)備的運(yùn)行甚至造成事故。因此，對(duì)冷凝管的清洗可以預(yù)防重大生產(chǎn)事故的發(fā)生，提高冷凝器的工作效率，起到節(jié)能降耗的作用。目前，對(duì)冷凝器污垢的清洗多采用人工清洗或膠球清洗，但由于電廠作業(yè)環(huán)境惡劣，冷凝管數(shù)量多，人工清洗的勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且作業(yè)時(shí)機(jī)組不能正常運(yùn)行，故無法滿足安全生產(chǎn)和大規(guī)模生產(chǎn)的要求；而使用膠球清洗則存在冷凝管容易堵塞、膠球的回收率低、由化學(xué)反應(yīng)形成的析晶污垢不能完全清除等缺點(diǎn)。因此，針對(duì)現(xiàn)有清洗方法的不足，筆者研制開發(fā)了一種能夠?qū)淠鬟M(jìn)行長期自主在線清洗，清除冷凝管內(nèi)壁的污垢的智能機(jī)器人。本文主要介紹了該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。

1 冷凝器清洗機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)要求

要求冷凝器清洗機(jī)器人能夠?qū)﹄姀S、化工、制藥等行業(yè)使用的冷凝器進(jìn)行自主在線清洗。機(jī)器人在分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制下，能夠在冷凝器水室比較惡劣的環(huán)境中安全穩(wěn)定地運(yùn)動(dòng)，快速精確地定位每一根冷凝管，并能準(zhǔn)確地在線監(jiān)測冷凝器的結(jié)垢程度，自動(dòng)確定清洗策略，進(jìn)行有效清洗。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

機(jī)器人工作于冷凝器水室，且水室地面很不平整，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、多變，對(duì)機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)的可靠性和運(yùn)行要求較高。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)清洗機(jī)器人能夠利用高壓水射流對(duì)冷凝器進(jìn)行在線清洗，其總體結(jié)構(gòu)主要包括履帶行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)支承機(jī)構(gòu)、大臂、小臂和噴槍機(jī)構(gòu)。

1.3 履帶行走機(jī)構(gòu)

要完成對(duì)整個(gè)水室中冷凝器管束的清洗，機(jī)器人就必須具有移動(dòng)性，而且采用高壓水射流清洗方式，噴出的高壓水會(huì)對(duì)機(jī)器人本體產(chǎn)生一定的反作用力，使機(jī)器人偏離預(yù)定的水平軌跡，這樣就要求機(jī)器人與地面有足夠大的摩擦力，以克服高壓水噴出時(shí)對(duì)機(jī)器人的影響。履帶結(jié)構(gòu)能夠增大與地面的摩擦力，因此采用履帶結(jié)構(gòu)作為機(jī)器人的底盤結(jié)構(gòu)。

冷凝器水室的地面有一定泥沙的堆積，并不完全是平坦的，但對(duì)機(jī)器人的越障能力要求也不高，故采用履帶行走機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)主要包括驅(qū)動(dòng)輪、底盤支架、托輪、支重輪、從動(dòng)輪、履帶、張緊裝置、履帶支架等。底盤支架是履帶行走機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)支承機(jī)構(gòu)的連接部分，固定在車架上。張緊裝置具有調(diào)節(jié)履帶張緊力的作用，它與從動(dòng)輪相連。兩個(gè)托輪托起上履帶全盤，避免了上履帶的中間部分下垂。支重輪的作用主要是使履帶機(jī)構(gòu)更平穩(wěn)可靠地移動(dòng)。清洗機(jī)器人履帶行走機(jī)構(gòu)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別由兩臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向。

1.4 大臂

大臂主要包括回轉(zhuǎn)支承機(jī)構(gòu)和主機(jī)架機(jī)構(gòu)兩部分?；剞D(zhuǎn)支承機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)左右360°任意旋轉(zhuǎn)，使槍口平面與冷凝管壁平面平行。由于運(yùn)動(dòng)過程中的高壓水反沖力以及控制誤差，清洗機(jī)器人在執(zhí)行清洗任務(wù)時(shí)，噴槍平面與冷凝管壁可能無法保持平行。清洗機(jī)器人可通過調(diào)整回轉(zhuǎn)支承的位置，使兩者重新達(dá)到平行。

主機(jī)架機(jī)構(gòu)是小臂和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的連接機(jī)構(gòu)，用以將小臂牢牢固定在回轉(zhuǎn)支承上，它主要包括主機(jī)架、齒條、齒條座、電機(jī)控制線伸收機(jī)構(gòu)及進(jìn)水管等部分。圓底盤和回轉(zhuǎn)支承連接在一起，圓底盤上的機(jī)器人機(jī)構(gòu)通過控制回轉(zhuǎn)支承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。主機(jī)架主要包括主軸、中間立柱、側(cè)立柱、方形斜立柱等，是機(jī)器人小臂的固定支撐機(jī)構(gòu)。齒條的主要作用是帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，使小臂能完成360°任意旋轉(zhuǎn)。進(jìn)水管連接著外部高壓水管，高壓水由進(jìn)水管進(jìn)入，從而實(shí)現(xiàn)噴槍的高壓水射流清洗。電機(jī)控制線伸收機(jī)構(gòu)的主要作用是防止在小臂運(yùn)動(dòng)時(shí)控制信號(hào)線發(fā)生絞線。

1.5 小臂

小臂與主機(jī)架主軸相連，能夠繞主軸360°上下任意旋轉(zhuǎn)，主要包括進(jìn)水管伸縮機(jī)構(gòu)和噴槍移動(dòng)機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分。

噴槍沿著小臂長絲桿上下移動(dòng)時(shí)會(huì)引起進(jìn)水軟管上下拉伸。進(jìn)水軟管的伸縮由進(jìn)水管伸縮機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)。進(jìn)水軟管通過進(jìn)水管口與伸縮機(jī)構(gòu)相連，然后通過導(dǎo)輪沿著伸縮機(jī)構(gòu)壁與噴槍機(jī)構(gòu)上的進(jìn)水管相連。在旋轉(zhuǎn)過程中，為使清洗臂兩端達(dá)到平衡，進(jìn)水管伸縮機(jī)構(gòu)還具有配重的作用，使清洗臂旋轉(zhuǎn)所需要的推力大大減小。

噴槍移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括噴槍導(dǎo)桿組件、進(jìn)水管導(dǎo)座、進(jìn)水管、長絲桿、絲桿伺服電機(jī)、清洗噴槍及攝像機(jī)等。絲桿伺服電機(jī)通過螺母帶動(dòng)長絲桿旋轉(zhuǎn)，使噴槍能夠沿著噴槍導(dǎo)桿組件和絲桿上下移動(dòng)。在噴槍移動(dòng)到位后，高壓水會(huì)經(jīng)軟管及與軟管相連的硬水管注入噴槍，形成高壓水射流。攝像機(jī)主要用于冷凝管的視覺定位，具有位置補(bǔ)償作用。

1.6 噴槍機(jī)構(gòu)

機(jī)器人的噴槍是執(zhí)行清洗的關(guān)鍵部件，當(dāng)噴槍口定位到冷凝管管口中心時(shí)，就可以啟動(dòng)相應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行高壓水射流清洗。噴槍機(jī)構(gòu)主要包括緊定螺釘、銅螺母、噴嘴、噴嘴支座、噴嘴滑座、O形密封圈、壓簧等。噴嘴支座通過緊定螺釘固定在噴槍移動(dòng)機(jī)構(gòu)的長絲桿上，噴槍在銅螺母的作用下，能夠沿著長絲桿上下移動(dòng)。O形密封圈的主要作用是防止水的溢出。壓簧裝在噴嘴與噴嘴滑座之間，當(dāng)高壓水的壓力大于壓簧的彈簧反壓力時(shí)，就迫使噴嘴伸出到冷凝管內(nèi)，同時(shí)高壓水從噴槍里射出，對(duì)冷凝管進(jìn)行清洗。

2 D－H坐標(biāo)系統(tǒng)

冷凝器清洗機(jī)器人的機(jī)械臂主要包括三個(gè)部分：大臂、小臂和噴槍。大臂可以實(shí)現(xiàn)左右360°任意旋轉(zhuǎn)，小臂可繞大臂的出水管進(jìn)行上下360°任意旋轉(zhuǎn)，噴槍可以沿小臂做直線運(yùn)動(dòng)。噴槍依賴大臂、小臂和自身的運(yùn)動(dòng)對(duì)冷凝管進(jìn)行精確定位。機(jī)械臂有三個(gè)自由度，其關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)1、2和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)3。采用D－H方法［2］建立連桿坐標(biāo)系，如圖1所示，其中α為大臂與水平方向的夾角，l1、l2分別為大臂和小臂的長度，噴槍沿小臂能夠移動(dòng)的最大距離為l3，d為噴槍的長度。由于噴槍的長度對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析并無太多影響，為便于分析，假定噴槍長度為0，起始位置時(shí)噴槍移動(dòng)了最大距離l3。相應(yīng)的連桿參數(shù)如表1所示。其中，θ1、θ2表示兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)1、2旋轉(zhuǎn)的角度，θ3表示噴槍沿小臂移動(dòng)的距離，其范圍為0～l3（0～2.5m）。

圖1 冷凝器清洗機(jī)器桿件坐標(biāo)系

表1 冷凝器清洗機(jī)器人各連桿參數(shù)

3 冷凝器清洗機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1 正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

假設(shè)Ai為連桿坐標(biāo)系i相對(duì)于連桿坐標(biāo)系i－1的齊次變換矩陣。根據(jù)表1的各連桿參數(shù)，可求得各桿系的變換矩陣及機(jī)器人末端在基礎(chǔ)坐標(biāo)系的位姿矩陣。即

其中，cθi表示cosθi，sθi表示sinθi。

機(jī)器人末端在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的位姿矩陣為

機(jī)器人的位置矢量為

得

在表1所描述的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，由式（3）～式（5），采用蒙特卡羅方法［3］，得到末端工具相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的三維工作空間，如圖2所示。圖3所示為垂直平面的工作空間。冷凝器清洗機(jī)器人噴槍必須在冷凝器管板平面上運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)管孔的精確定位，它的工作空間范圍是一個(gè)平面。由圖2和圖3可以看出，該機(jī)器人機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)范圍可以覆蓋整個(gè)平面，能夠滿足噴槍的工作空間要求。

圖2 機(jī)器人三維工作空間

圖3 機(jī)器人垂直平面工作空間

3.2 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解

逆解實(shí)質(zhì)上是根據(jù)機(jī)器人末端操作器的位姿反求機(jī)器人各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角。根據(jù)正解結(jié)果，由式（5）、式（6）得

則有

由以上分析可知，θ2、θ3都有兩個(gè)解，因此機(jī)器人的關(guān)節(jié)變量有4組解，這容易引發(fā)關(guān)節(jié)突變問題。為了保證關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)路徑的連續(xù)性，除了表1的各關(guān)節(jié)變量的限制外，還應(yīng)使關(guān)節(jié)的改變（即｜Δθ2｜＋｜Δθ3｜）最小，其中Δθ2、Δθ3分別為關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3的改變量。

4 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真與分析

圖4為冷凝器管板實(shí)物圖。冷凝器清洗機(jī)器人必須根據(jù)凝汽器的管束布置，沿x、y、z方向精確定位，保證每一根銅管均能得到清洗。假定清洗機(jī)器人按圖5所示的軌跡運(yùn)動(dòng)。

圖4 冷凝器水室管板

圖5 機(jī)器人在oxz平面上的軌跡

假定關(guān)節(jié)的初始位置分別為π／3、0、0，末端執(zhí)行 器 的 速 度 分 別 為 0.3rad／s、－0.4rad／s、0.5mm／s，仿真時(shí)間t的范圍是0～8s。機(jī)器人的參數(shù)如下：各桿長度分別為1.0m、0.7m、0.6m，質(zhì)量分別為5kg、3kg、2kg，大臂與水平方向的夾角α＝π／4。機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律見圖6，機(jī)器人各關(guān)節(jié)的速度曲線見圖7。

圖6 機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖7 機(jī)器人各關(guān)節(jié)的速度曲線

從圖6可以看出，在運(yùn)動(dòng)過程中，關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2的角位移隨時(shí)間逐步增大，當(dāng)角位移達(dá)到1.5rad以后，很快就趨于平穩(wěn)。關(guān)節(jié)3是移動(dòng)關(guān)節(jié)，其平移量隨時(shí)間平穩(wěn)增大。這些都與實(shí)際情況基本吻合。剛開始時(shí)，關(guān)節(jié)1方向有變化，運(yùn)動(dòng)不是很平穩(wěn)，這可以通過改變初始位置來進(jìn)行調(diào)整。在圖7中，關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2的角速度隨時(shí)間逐步增大，當(dāng)達(dá)到峰值后就逐漸減小，然后很快就趨于穩(wěn)定，速度趨近于0，這與實(shí)際情況也基本相符?？傮w來看，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)還是比較平穩(wěn)的，運(yùn)動(dòng)性能相對(duì)穩(wěn)定，具有一定的靈活性，能夠滿足末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)要求。

5 結(jié)論

（1）本文設(shè)計(jì)了大型冷凝器清洗機(jī)器人，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，能夠?qū)淠鬟M(jìn)行長期自主在線清洗。

（2）建立了冷凝器清洗機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，機(jī)器人的工作空間能夠覆蓋整個(gè)冷凝器管束的分布空間，具有一定的靈活性，能夠滿足機(jī)器人的定位要求，可以定位到冷凝器的任意銅管。

（3）獲得了運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，解決了逆解的多值問題。

（4）對(duì)冷凝器清洗機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性表明，其設(shè)計(jì)是合理的，能夠滿足其工作需要，為進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

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