牽引式排水管道清淤機(jī)器人的研究

李成群，馬利平，路春光，李華明

（1.河北聯(lián)合大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，唐山 063009；2.承德鋼鐵集團(tuán)有限公司，承德 067002）

0 引言

在我國，城市排水管道大多埋于地下，由于居民生活垃圾、工廠廢物、基建工地泥漿等在排水管道中發(fā)生沉淀，淤積過多造成了管道堵塞，污水溢流，小則影響居民日常生活，嚴(yán)重時會打亂整個城市的正常生活節(jié)奏，因此必須對其及時進(jìn)行清理和疏通。

目前，城市排水管道清淤主要采用的方法是：絞車清淤、高壓水清淤、沖刷清淤、清淤球清淤和通溝機(jī)清淤等。其中絞車清淤和高壓水清淤在我國最為常用。高壓水清淤需用飲用水質(zhì)的干凈水，所以成本很高，而且這種清淤方法對于管徑還有一定的限制。絞車清淤相對于高壓水清淤來說成本低，對于管徑無特定限制，但是需要人工來完成穿纜作業(yè)，井下的工作環(huán)境非常惡劣，給工人工作帶來極大不便，危害工人的健康，甚至危及工人的生命[1]。所以為了改善傳統(tǒng)清淤作業(yè)的工作環(huán)境，減輕工人的勞動強(qiáng)度，提高清淤作業(yè)的自動化水平，介紹了一種牽引式城市排水管道清淤機(jī)器人，此機(jī)器人采用一種新型機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng),為其更有效地完成排水管道的清淤工作提供了解決方案。

1 清淤機(jī)器人結(jié)構(gòu)及工作原理

牽引式排水管道清淤機(jī)器人主要由清淤機(jī)器人本體、鋼絲繩牽引裝置、清淤斗、清淤斗舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、監(jiān)控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

圖1 城市排水管道清淤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）為保證清淤機(jī)器人清淤作業(yè)行程和靈活性，此清淤機(jī)器人車體，底部設(shè)有車輪，以自攜的蓄電池作為動力源，采用電機(jī)驅(qū)動車輪的運(yùn)動方式，帶動清淤斗和牽引鋼絲繩一起向遠(yuǎn)離窨井井口的方向運(yùn)動至計劃清淤的位置。

2）考慮到排水管道為圓柱狀，為了與排水管道內(nèi)壁的圓形輪廓相吻合，清淤機(jī)器人車體的車輪制成具有一定弧度的形狀。車輪的材料采用耐磨、耐腐蝕的橡膠，并在輪子的表面制有凹凸花紋[2]，以達(dá)到增加車輪與管壁間接觸摩擦系數(shù)的目的，以此防止清淤作業(yè)過程中的打滑現(xiàn)象。

3）清淤機(jī)器人在管道內(nèi)部清淤作業(yè)需要有足夠的牽引力，為此設(shè)計了鋼絲繩牽引裝置，牽引鋼絲繩的一端和清淤機(jī)器人車體連接，另一端通過牽引鋼絲繩支架的過渡和安裝于工程車?yán)锏臓恳摻z繩電機(jī)連接；用于拖拽清淤機(jī)器人車體連同清淤斗向靠近窨井井口的方向運(yùn)動，在運(yùn)動過程將淤泥收入清淤斗內(nèi)，完成清淤作業(yè)。

4）受到排水管道形狀的限制，清淤斗整體形狀為橫向放置的筒體，一端封閉為斗底，另一端為開口，開口的上半部為半圓形缺口，開口的下部為圓弧狀坡口，清淤斗靠近管道內(nèi)壁；清淤斗底部裝有清淤斗輪，便于清淤作業(yè)時清淤斗在管道內(nèi)部行走。

5）此清淤機(jī)器人采用了清淤斗舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，工作原理為：

通過清淤機(jī)器人車體上的電機(jī)帶動傳動軸運(yùn)動，進(jìn)而帶動連桿翻轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)過一定角度），傳動軸通過軸承底座設(shè)置在清淤機(jī)器人車體上；電動缸兩端分別和清淤斗、連桿鉸接，通過電動缸伸縮桿的伸長和縮短使清淤斗進(jìn)一步翻轉(zhuǎn)；此機(jī)構(gòu)的作用是清淤作業(yè)開始前，將清淤斗調(diào)整，使清淤斗開口位于和管道內(nèi)壁相切的位置，以便清淤，清淤結(jié)束后將清淤斗舉升并翻轉(zhuǎn)，避免清淤斗內(nèi)淤泥外泄。

6）清淤作業(yè)過程中要求機(jī)器人在存有污水和污泥的排水管道內(nèi)部行走，這就要求機(jī)器人具備良好的密封性，所以此清淤機(jī)器人采用動靜結(jié)合的密封方式，即對于清淤車體的密封采用密封墊片進(jìn)行靜密封，對于輸出軸處的密封采用旋轉(zhuǎn)格來圈進(jìn)行動密封[3]。

7）清淤機(jī)器人車體上安裝有配帶雨刷的紅外防水?dāng)z像頭[3]。通過工業(yè)攝像頭CCD實(shí)時采集排水管道內(nèi)部的工作狀況，采集的數(shù)據(jù)通過無線傳輸至位于地面上方工程車內(nèi)部的上位機(jī)進(jìn)行顯示，操作人員根據(jù)顯示畫面實(shí)時進(jìn)行操作。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

本控制系統(tǒng)采用上、下位機(jī)的二級分布結(jié)構(gòu)，控制組成框圖如圖2所示。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)檢查清淤機(jī)器人的運(yùn)行情況并顯示管道內(nèi)部清淤作業(yè)現(xiàn)狀。下位機(jī)選用S7-200系列CPU226的PLC即可，主要完成對直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和電動缸的動作控制。直流電機(jī)M1用于驅(qū)動清淤機(jī)器人車體在排水管道內(nèi)部空載運(yùn)動，步進(jìn)電機(jī)M2和電動缸用于驅(qū)動清淤斗舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動。具體操作過程為：當(dāng)用升降機(jī)將清淤機(jī)器人吊送至排水管道的窨井井口后，按下啟動鍵S1，啟動清淤機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)M1正轉(zhuǎn)，當(dāng)清淤機(jī)器人運(yùn)動至計劃清淤位置后，按下停止鍵S2，行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。按下啟動鍵S3，啟動電動缸電機(jī)M3，使電動缸伸縮桿伸長至極限位置，電動缸停止運(yùn)動，此時在電動缸的帶動下清淤斗斗口朝向和連桿平行，隨后按下啟動鍵S4，舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電機(jī)M2正轉(zhuǎn)，將清淤斗放下，當(dāng)清淤斗和管道內(nèi)壁相切時，按下停止鍵S5，電機(jī)M2停止轉(zhuǎn)動。接下來啟動鋼絲繩牽引裝置電機(jī)正轉(zhuǎn)，收縮鋼絲繩，拖拽清淤車體連同清淤斗向靠近窨井井口方向運(yùn)動，在運(yùn)動過程中，將清淤斗前方的淤泥收入斗內(nèi)。淤泥收集結(jié)束后，鋼絲繩牽引裝置電機(jī)停轉(zhuǎn)，按下啟動鍵S6，使電機(jī)M2反轉(zhuǎn)，將清淤斗舉起一定高度，按下停止鍵S5，電機(jī)M2停轉(zhuǎn)。按下電動缸停止鍵S7，電動缸伸縮桿縮短至最短位置后停止運(yùn)動，此時清淤斗反向翻轉(zhuǎn)一定角度，使斗口朝上，避免斗內(nèi)淤泥外泄。啟動鋼絲繩牽引裝置電機(jī)正轉(zhuǎn)繼續(xù)帶動牽引鋼絲繩運(yùn)動，拖拽清淤機(jī)器人車體連同清淤斗運(yùn)動至窨井井口位置。

圖2 清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)組成框圖

2.2 無線通訊

清淤機(jī)器人在狹窄的排水管道內(nèi)部作業(yè)，若采用有纜作業(yè)，機(jī)器人就需要拖帶動力電纜和信號電纜進(jìn)行作業(yè)，當(dāng)機(jī)器人行至一定距離時，電纜與管壁之間的摩擦力變大，甚至超過驅(qū)動電機(jī)的牽引力，嚴(yán)重影響清淤作業(yè)效率。相比之下，無纜機(jī)器人工作時所需能量由自攜式蓄電池提供，省去了沉重的電纜，不但簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而且機(jī)器人的作業(yè)行程及運(yùn)動靈活性均得到提高[4]?；谏鲜鰞?yōu)缺點(diǎn)，本清淤機(jī)器人采用無線通訊方式。設(shè)計采用西門子DTD433M無線收發(fā)模塊，該模塊是西門子PLC專用遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸模塊，可以通過MDBUS協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。

表1 PLC控制I/O功能分配表

2.3 PLC控制電路

2.3.1 PLC控制直流電機(jī)調(diào)速

清淤機(jī)器人在清淤作業(yè)過程中，當(dāng)空載行走于計劃清理的淤泥上方時，要求清淤機(jī)器人以較慢的速度行駛，當(dāng)清淤機(jī)器人空載行走于已經(jīng)清理干凈的管道內(nèi)部時，要求機(jī)器人快速行駛，以節(jié)省清淤作業(yè)的時間。機(jī)器人在管道內(nèi)部以不同的速度行駛，通過PLC輸出PWM信號控制機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速來完成。

2.3.2 PLC控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動

清淤機(jī)器人在清淤作業(yè)時要求清淤斗被放下，清淤斗裝滿淤泥后要求被舉起。通過PLC控制步進(jìn)電機(jī)M2正反向轉(zhuǎn)動45°，帶動連桿使清淤斗被舉起和放下。此動作簡單，只需PLC正反向輸出一定量的脈沖數(shù)即可。

2.3.3 PLC控制電動缸運(yùn)動

電動缸的作用是當(dāng)清淤斗被舉起后，電動缸伸縮桿縮短，使清淤斗翻轉(zhuǎn)一定角度至斗口朝上的位置，防止斗內(nèi)的淤泥回流至管道內(nèi)部。當(dāng)準(zhǔn)備清淤作業(yè)時，電動缸伸縮桿伸長，使清淤斗復(fù)位。此動作通過PLC控制兩個繼電器KM1和KM2的通斷電來完成。

2.3.4 PLC控制各I/O口功能分配表

S7-200系列PLC有兩個PTO/PWM發(fā)生器，分別為Q0.0和Q0.1，因此I/O功能分配如表1所示。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

圖3 控制系統(tǒng)主程序流程圖

系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示，主要包括主模塊和功能子程序模塊。

主模塊主要完成系統(tǒng)初始化、與上位機(jī)建立連接和機(jī)器人測試運(yùn)行。

功能子程序模塊主要包括直流電機(jī)（行走機(jī)構(gòu)）模塊、步進(jìn)電機(jī)（清淤斗舉升機(jī)構(gòu)）模塊和電動缸（清淤斗翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)）模塊。各功能子模塊采用順序控制，當(dāng)接收到上位機(jī)指令后，嚴(yán)格按照程序指定順序執(zhí)行相應(yīng)動作。

4 結(jié)論

設(shè)計的牽引式排水管道清淤機(jī)器人，簡單可靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)保證了機(jī)器人在管道內(nèi)部的自由行走，鋼絲繩牽引裝置的引用使得清淤機(jī)器人在有載清淤作業(yè)過程中具有足夠的動力。模塊化的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計，保證清淤機(jī)器人嚴(yán)格按照指定程序順序執(zhí)行相應(yīng)動作。監(jiān)控系統(tǒng)適時監(jiān)控管道內(nèi)部清淤作業(yè)情況，并通過無線通訊設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過S7-200系列PLC對直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)以及電動缸進(jìn)行控制完成清淤動作。整個清淤系統(tǒng)大大提高了清淤作業(yè)的自動化水平，具有廣闊的市場推廣前景。

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