航行船舶除銹機(jī)器人設(shè)計(jì)方案研究

張闖 徐丹陽 郝凱賓 潘慶澤 袁惲凱

【摘? 要】隨著中國船舶行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)除銹的手段已經(jīng)不能滿足船塢的需求。本文提出了一種航行船舶除銹機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，針對機(jī)械部分與控制部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過仿真驗(yàn)證了可行性，以此來供業(yè)內(nèi)人士參考交流。

【關(guān)鍵詞】船舶除銹;設(shè)計(jì)方案;PLC;仿真

引言

目前，隨著中國逐漸成為造船中心，我國船舶業(yè)蓬勃發(fā)展。船舶除銹是船舶維修的重要部分，每年船塢對大量的船舶進(jìn)行除銹并重新噴涂防銹漆。雖然除銹工藝隨著科技的發(fā)展，從人工逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱藱C(jī)械除銹，但不可避免的是除銹過程將對環(huán)境造成污染，并且能耗高、浪費(fèi)資源。目前如何高效、低污染除銹已經(jīng)成為了研究的熱點(diǎn)。

本文提出一種航行船舶除銹機(jī)器人，是一種可以在船舶航行過程中定期除銹的一種裝置，以爬壁機(jī)器人為載體，通過永磁體及真空吸附的方式緊貼在船舶表面，通過自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（AGV）的導(dǎo)航定位系統(tǒng)控制，搭載除銹刮刀實(shí)現(xiàn)“即銹即除”以達(dá)到最好的除銹效果。

1.概要設(shè)計(jì)

航行船舶除銹機(jī)器人主要是通過進(jìn)行防水、防銹處理的爬壁機(jī)器人搭載除銹裝置配合控制系統(tǒng)在船舶航行過程中對船舶定期除銹的裝置。需要進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、力學(xué)分析、樣機(jī)設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)四大部分。

本設(shè)計(jì)的核心部分為爬壁裝置，由內(nèi)置磁性吸附塊的履帶覆蓋的麥克納姆輪、真空吸附裝置、配合減速裝置的交流伺服電機(jī)、機(jī)架和防水防銹箱體組成，它通過嵌于履帶的適當(dāng)大小永磁體塊以及真空負(fù)壓吸附裝置實(shí)現(xiàn)在船舶上的吸附，配合著控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在船舶上的移動(dòng)。此外還有高效除銹刮刀裝置實(shí)現(xiàn)航行除銹;AGV導(dǎo)航定位裝置以及多傳感器融合的監(jiān)控裝置實(shí)現(xiàn)對位置、環(huán)境以及船舶表面狀況的監(jiān)控;基于C語言的PLC智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電路的設(shè)計(jì);基于AR的人機(jī)交互控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對裝置的控制。

2.機(jī)械部分設(shè)計(jì)

機(jī)器人結(jié)構(gòu)選擇了速度快、效率高、越障能力強(qiáng)的輪式機(jī)器人，雖然轉(zhuǎn)向能力較差，但使用麥克納姆輪保證了轉(zhuǎn)向的能力，同時(shí)表面嵌有永磁體塊的履帶，保證了吸附能力。高效除銹刮刀裝置選用四個(gè)刮刀均布旋轉(zhuǎn)除銹。同時(shí)安裝了多傳感器與攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控。

該設(shè)計(jì)的核心部分是用于搭載其他部件的爬壁裝置，不但要考慮到其他裝置的裝載，并且要考慮工作條件。首先考慮到其與一般的爬壁機(jī)器人相比自身受較大重力，故應(yīng)該具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。其次由于其工作環(huán)境惡劣，其也還要需要具有的吸附能力。最后要實(shí)現(xiàn)對不同需求的航行船舶的除銹，機(jī)器人應(yīng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)不同需求選擇性搭載檢測部件。

考慮到設(shè)備不易過大，設(shè)備箱體外形尺寸應(yīng)小于1000mm×1000 mm×500 mm，同時(shí)設(shè)備不易過重，質(zhì)量應(yīng)小于200kg。由于設(shè)備在海水中工作，其首先要保證自身的防銹與防水。海水強(qiáng)腐蝕性和天然電解質(zhì)，設(shè)備箱體必須具有良好的耐腐蝕性，通常海洋開發(fā)水下裝備常用鎳基合金蒙乃爾400（Ni68Cu28Fe），具有良好的耐腐蝕性，同時(shí)其密度比鐵稍大，可以滿足質(zhì)量的要求。在防水上，防水等級(jí)需要達(dá)到IPX8，同時(shí)考慮到設(shè)備的能源問題，選擇通過聚氨酯PUR防水電纜進(jìn)行供電，同時(shí)起到防丟失的作用，通過密封膠圈密封，保證設(shè)備的防水性。

目前，普通的爬壁機(jī)器人一般在10kg左右，普通船舶除銹機(jī)器人約80kg左右，考慮到該裝置的性能要求以及材料，質(zhì)量要比以往的爬壁機(jī)器人大得多，整體重力約在2000N，選用電機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)足夠大，保證機(jī)器人可以沿著船舶表面正常前進(jìn)與轉(zhuǎn)彎。同時(shí)考慮到船舶航行過程中海浪的沖擊，需要具有較大的吸附力保證機(jī)器人能在船舶表面40°的傾斜下能夠在航行過程中不脫落船體，通過永磁體及真空吸附兩種方式結(jié)合吸附。

此外高效除銹刮刀裝置由伺服電機(jī)、減速裝置、四個(gè)特制的刮刀組成，刮刀獨(dú)特的可伸縮設(shè)計(jì)可以滿足不同除銹的需求。該部分要保證輸出的扭矩足夠大，但又不傷及船體，同時(shí)轉(zhuǎn)速也不能太慢才能達(dá)到除銹的效果，刮刀要保證強(qiáng)度、硬度以及耐腐蝕性。由于該設(shè)計(jì)為航行中除銹，除銹難度較為簡單，該裝置可以滿足質(zhì)量Sa2.5級(jí)的除銹效果。

3.控制部分設(shè)計(jì)

在我國智能機(jī)電裝備的工業(yè)設(shè)計(jì)中，PLC被廣泛使用，具有精度高、易操作、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且可以應(yīng)用于航行中的惡劣環(huán)境。故航行船舶除銹機(jī)器人主要采用PLC控制，使用高度集成的PLC硬件用程序代替接線設(shè)計(jì)，其編程語言簡單、技術(shù)成熟，可以使用Keil軟件編程，并且出現(xiàn)問題時(shí)調(diào)試方便。

其通過上機(jī)位（PC機(jī)）與下機(jī)位（PLC）通過CAN（Controller Area Network）總線通訊控制，主要有電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電路穩(wěn)壓模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊三大部分。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)主要通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)來通過減速裝置驅(qū)動(dòng)麥克納姆輪進(jìn)行控制，采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向（4WID-4WIS）控制機(jī)器人的移動(dòng)。其除銹工作方式有兩種。一是智能除銹，通過安裝設(shè)備前錄入的船舶結(jié)構(gòu)信息通過AGV（Automatic Guided Vehicle）導(dǎo)航技術(shù)，結(jié)合環(huán)境監(jiān)測模塊采集的信息，自行規(guī)劃軌跡除銹。二是人工控制，通過環(huán)境監(jiān)測模塊采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以及傳回的影像通過渲染與虛擬信息相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，采用人工的操控的方式進(jìn)行除銹。

4.三維建模與仿真

UG是一個(gè)交互式的CAD/CAM系統(tǒng)軟件，廣泛用來應(yīng)用在三維建模、模擬分析等領(lǐng)域，能夠毫不費(fèi)力把復(fù)雜的模型建立出來。該設(shè)計(jì)通過UG建立出樣機(jī)模型，通過Adams對磁力的仿真數(shù)據(jù)、計(jì)算的電氣元件參數(shù)，使用UG進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真航行中裝置的工作狀況，對其進(jìn)行測試，說明所設(shè)計(jì)的航行除銹爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)是可行的。

5.結(jié)語

本文提出了一種航行船舶除銹機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案， 給出了其設(shè)計(jì)方案，并驗(yàn)證了可行性。設(shè)計(jì)了一種可以在航行過程中除銹的裝置，較傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)相比融入了新技術(shù)的創(chuàng)新。其可以減少資源的消耗與環(huán)境污染生產(chǎn)成本較船塢除銹低、適用性強(qiáng)、便于操作，值得技術(shù)推廣。

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