智能巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

毛杰勇，馬 勇，楊 墨，張宇舟

(湖南陽光電力科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引 言

長(zhǎng)期以來，室內(nèi)設(shè)備巡檢一般通過人工運(yùn)用感官以及一些配套的檢測(cè)儀器進(jìn)行簡(jiǎn)單定性判斷為主的檢查。不管是人工巡檢模式還是固定攝像頭模式都存在工作效率低、巡檢難以監(jiān)控到位、不具備智能分析功能等缺陷。而室內(nèi)軌道智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)是一款智能型可移動(dòng)的軌道式云臺(tái)巡檢系統(tǒng)，通過搭載高清攝像設(shè)備、智能傳感器、自動(dòng)化機(jī)電設(shè)備等，沿軌道對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行巡檢，可以輔助或替代人工，全天候?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)設(shè)備全方位(無死角)、全自主智能巡檢和監(jiān)控，也可以人工遙控，獲取設(shè)備的圖像、狀態(tài)等重要信息[1-4]。室內(nèi)軌道智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用可有效降低設(shè)備維護(hù)成本，提高設(shè)備巡檢質(zhì)量、效率和智能化水平，為智能電網(wǎng)和無人值守提供新型的技術(shù)檢測(cè)手段和可靠的安全保障，具有巨大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和安全效益，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊[5-8]。

軌道式智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)主要由軌道總成、控制系統(tǒng)、水平行走裝置、升降運(yùn)動(dòng)裝置以及云臺(tái)總成等五部分組成。水平行走裝置控制設(shè)備的行進(jìn)方向，行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)系著設(shè)備傳動(dòng)的平穩(wěn)性和定位的精確性。就智能巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行探討，采用有限元分析方法對(duì)行走支架進(jìn)行力學(xué)分析和優(yōu)化。

1 行走支架靜力分析

1.1 參數(shù)化模型構(gòu)建

為了更好地分析行走支架在工作過程中的受力、變形以及參數(shù)的優(yōu)化，建立準(zhǔn)確的行走支架的有限元模型。在Autodesk Inventor環(huán)境下建立行走支架三維模型，將其導(dǎo)入到Ansys Workbench中進(jìn)行行走支架的靜力分析，創(chuàng)建的模型如圖1所示。

行走支架板厚4 mm，材料均為Q235制造，行走支架總重為0.81 kg。在Material選項(xiàng)中設(shè)置為Structural Steel，彈性模量為200 GMPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度235 MPa。應(yīng)用ANSYS Workbench對(duì)行走支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖2所示。

圖1 行走支架三維模型圖2 行走支架網(wǎng)格劃分

1.2 施加約束及載荷

載荷和邊界條件的施加與實(shí)際工況的吻合度直接影響到有限元的分析結(jié)果，為了提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，模擬實(shí)際工作狀態(tài)加載及約束。行走支架通過支架兩側(cè)通孔螺栓連接到導(dǎo)輪固定在軌道上，約束應(yīng)加載在支架兩側(cè)通孔面上[9-11]。行走支架所受載荷主要為設(shè)備自重，取設(shè)備最大承重量50 kg,在支架底板上施加500 N。約束和載荷施加結(jié)果如圖3所示。

1.3 有限元分析結(jié)果

基于Ansys Workbench分析平臺(tái)對(duì)所建模型進(jìn)行求解，可得出行走裝置上行走支架的總變形云圖和應(yīng)力云圖，如圖4和圖5所示。

圖3 行走支架約束及載荷圖4 總變形云圖

圖5 應(yīng)力云圖

由圖4可知，行走支架發(fā)生了彎曲變形，最大變形為0.058 661 mm，變形很小，滿足剛度要求。行走支架的云圖如圖5所示，行走支架底板與鉸鏈焊接接觸處應(yīng)力最大，其值為42.385 MPa。一般鋼材的使用安全系數(shù)為1.6～2.5，則許用應(yīng)力為94～147 MPa。且求解出的最小安全系數(shù)為5.9，因此行走支架滿足強(qiáng)度要求。

2 改進(jìn)及優(yōu)化分析

智能巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)系著設(shè)備傳動(dòng)的平穩(wěn)性和定位的精確性。在市場(chǎng)要求中，既要求設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)也要求設(shè)備的輕量化。在不影響設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，對(duì)行走支架進(jìn)行輕量化處理。

2.1 A優(yōu)化方案

行走支架板厚3 mm，材料為Q235，行走支架總質(zhì)量為0.62 kg。在Material選項(xiàng)中設(shè)置為Structural Steel，彈性模量為200 GMPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度235 MPa。應(yīng)用ANSYS Workbench對(duì)行走支架進(jìn)行計(jì)算求解與結(jié)果分析。

2.2 B優(yōu)化方案

行走支架板厚4 mm，材料為2A12鋁合金，在Material選項(xiàng)中設(shè)置為Aluminum Alloy，彈性模量為71 GMPa，泊松比0.33，密度為2 770 kg/m3，屈服強(qiáng)度325 MPa。應(yīng)用ANSYS Workbench對(duì)行走支架進(jìn)行計(jì)算求解與結(jié)果分析。

2.3 方案對(duì)比

在A優(yōu)化方案中，通過行走支架總變形云圖行走支架模型最大總變形升為0.129 99 mm；最大應(yīng)力升為69.55 MPa。行走支架質(zhì)量降為0.62 kg，求解出的最小安全系數(shù)為3.594 5。

在B優(yōu)化方案中，通過行走支架總變形云圖行走支架模型最大總變形升為0.165 59 mm；最大應(yīng)力降為41.83 MPa。行走支架質(zhì)量降為0.28 kg，求解出的最小安全系數(shù)為6.693 8。

從表1中數(shù)據(jù)可知，兩種方案雖然對(duì)模型的總變形都有所提高，但變形都很小，滿足剛度要求。整體考慮，B方案對(duì)模型進(jìn)行了比較全面的優(yōu)化，該方案在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，支架的重量降低了3倍，也提高了安全系數(shù)， 更適用于實(shí)際效果。

表1 方案優(yōu)化前后對(duì)比表

3 模態(tài)分析

模態(tài)分析即自由振動(dòng)分析，是研究動(dòng)力特性的一種近代方法。模態(tài)分析主要用于確定機(jī)構(gòu)和設(shè)備零部件的固有頻率和振型特性，是為其他動(dòng)力學(xué)分析提供最基本的分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)[12-13]。行走支架在軌道式智能巡檢機(jī)器人巡檢工作過程中的振動(dòng)對(duì)檢測(cè)裝置(如云臺(tái))的抖動(dòng)有很大的影響，進(jìn)而對(duì)巡檢數(shù)據(jù)的效率和準(zhǔn)確率產(chǎn)生很大的影響。

3.1 模態(tài)分析結(jié)果

對(duì)行走機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析步驟與靜力分析類似，對(duì)優(yōu)化方案后結(jié)構(gòu)只施加約束條件無載荷的模態(tài)分析。機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析中的低階振動(dòng)固有頻率比高階頻率對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性影響較大，且對(duì)該結(jié)構(gòu)所關(guān)注的問題為低頻振動(dòng)，故在對(duì)行走機(jī)構(gòu)模態(tài)分析時(shí)只提取前6階固有頻率和振型。行走機(jī)構(gòu)固有頻率及振型如表2及圖6所示。

由表2可知行走機(jī)構(gòu)的1階模態(tài)頻率較低，由圖6可知行走機(jī)構(gòu)1階模態(tài)振型中底板上水平位移最大。該機(jī)型配備的電機(jī)常用工作轉(zhuǎn)速在300～1 500 r/min，由其產(chǎn)生的激勵(lì)振動(dòng)頻率為5～25 Hz。從表2中可得出行走機(jī)構(gòu)的一階固有頻率遠(yuǎn)大于電機(jī)激勵(lì)振動(dòng)頻率。故行走支架在工作狀態(tài)下不易產(chǎn)生共振。

表2 行走機(jī)構(gòu)前六階模態(tài)頻率

圖6 行走機(jī)構(gòu)前六階模態(tài)振型

4 結(jié) 論

通過Ansys Workbench對(duì)智能巡檢機(jī)器人行走支架進(jìn)行靜力學(xué)分析、改進(jìn)優(yōu)化分析及模態(tài)分析，可得出以下結(jié)論：

(1) 從靜力學(xué)分析結(jié)果來看，智能巡檢機(jī)器人行走支架的變形較小，剛度及強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 從改進(jìn)優(yōu)化分析結(jié)果來看，全部方案的變形都很小，都能滿足剛度要求。其中B方案(行走支架板厚4 mm，材料采用2A12鋁合金)在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，支架的重量降低了三倍，也提高了安全系數(shù)。綜合比較推薦使用B方案。

(3) 從模態(tài)分析結(jié)果來看，智能巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的前六階固有頻率避開了電機(jī)的激振頻率。模態(tài)分析為智能巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析提供了理論依據(jù)。