大型船閘活塞桿表面檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)及有限元分析

郭煒民，陳新元

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

0 引言

三峽大壩永久船閘，是全世界最大的船閘。而船閘的啟停升降，是通過(guò)一邊一個(gè)共計(jì)兩個(gè)超大液壓缸完成的，船閘活塞桿是船閘啟停升降的關(guān)鍵[1～4]。因此，定期的對(duì)活塞桿表面進(jìn)行檢修就極為重要。目前，船閘活塞桿的表面檢測(cè)主要是通過(guò)人工檢測(cè)，在液壓缸旁建立桁架，通過(guò)肉眼仔細(xì)檢測(cè)活塞桿表面是否有缺陷，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且人工檢測(cè)存在偏差和遺漏。因此設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)化的船閘活塞桿表面檢測(cè)裝置，具有十分重要的意義[5]。

國(guó)外對(duì)攀爬機(jī)器人的研究很多，如西班牙的Juan Carlos Grieco*，Manuel Prieto等[6]成功研制了一種能夠在鐵磁壁面上攀爬的機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)工業(yè)環(huán)境中的檢測(cè)、維護(hù)，但其攀爬面為平面，現(xiàn)場(chǎng)可利用空間受限，滿(mǎn)足不了攜帶檢測(cè)裝置的要求。國(guó)內(nèi)山東建筑大學(xué)張連濱、魯守銀、曹正彬等[7,8]研發(fā)了一種負(fù)重爬樹(shù)機(jī)器人，該機(jī)器人既可實(shí)現(xiàn)攀爬運(yùn)動(dòng)，又可控制夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)樹(shù)干的夾持力。但活塞桿表面光滑，其夾緊機(jī)構(gòu)難以?shī)A住活塞桿，完成一端夾緊另一端升降的工作，且控制三個(gè)氣缸同步運(yùn)動(dòng)難度大。國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)，同濟(jì)大學(xué)等高校在攀爬機(jī)器人的研究方向上也做了很多工作，為后續(xù)攀爬機(jī)器人的研究工作積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但以上機(jī)器人的承載能力有限，不能夠攜帶檢測(cè)裝置，滿(mǎn)足不了對(duì)活塞桿表面信息的采樣需求。

本文提出一種大型船閘活塞桿表面缺陷檢測(cè)機(jī)器人，通過(guò)磁力吸附步進(jìn)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞桿的吸附、松弛，由主體電推桿來(lái)實(shí)現(xiàn)攀爬動(dòng)作，通過(guò)直流編碼電機(jī)來(lái)控制相機(jī)位于活塞桿表面的不同方位，從而將活塞桿表面的三維信息進(jìn)行二維展開(kāi)。設(shè)計(jì)出的機(jī)器人可攜帶拍照裝置完成檢測(cè)工作，對(duì)活塞桿表面無(wú)損檢測(cè)等工業(yè)信息的采集具有重要意義。

1 機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在船閘活塞桿表面檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞桿全方位的檢測(cè)，必須設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)沿著活塞桿表面攀爬并圍繞活塞桿表面旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，使得檢測(cè)裝置位于活塞桿表面的不同方位，以實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞桿表面的檢測(cè)。

大型船閘活塞桿表面檢測(cè)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，包括主體、磁力吸附步進(jìn)裝置、檢測(cè)裝置、相機(jī)載體、齒輪齒條機(jī)構(gòu)。主體上下側(cè)固定聯(lián)結(jié)磁力吸附裝置，主體的上端裝備有檢測(cè)裝置、相機(jī)載體、齒輪齒條機(jī)構(gòu)。主體上下側(cè)磁力吸附裝置可獨(dú)立控制，完成對(duì)活塞桿的吸附、松弛。主體為攀爬裝置，由改進(jìn)的電推桿構(gòu)成，通過(guò)主體電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)在活塞桿表面上攀爬。

圖1 大型船閘活塞桿表面檢測(cè)機(jī)器人

磁力吸附步進(jìn)裝置[9]機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。主體部分由2個(gè)吊裝磁鐵通過(guò)聯(lián)結(jié)軸組合在一起，聯(lián)結(jié)軸上有順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°的限位開(kāi)關(guān)。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)磁鐵正反轉(zhuǎn)90°，從而控制磁力吸附步進(jìn)裝置的吸附、松弛狀態(tài)，兩個(gè)吊裝磁鐵分別固定在電推桿上部的上下兩端，既能在一定程度糾偏，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

檢測(cè)裝置如圖1所示，電機(jī)控制相機(jī)載體沿著活塞桿表面做圓周運(yùn)動(dòng)，相機(jī)在活塞桿的不同方位拍照。為減少滑動(dòng)過(guò)程中的摩擦力，相機(jī)載體與齒條之間通過(guò)滾珠連接，絲桿電機(jī)可以調(diào)整相機(jī)與活塞桿的物距，從而改變所獲取圖像的檢測(cè)范圍。

2 機(jī)器人的控制與工作原理

2.1 控制界面設(shè)計(jì)

圖2 人機(jī)參數(shù)界面設(shè)置

大型船閘活塞桿表面檢測(cè)機(jī)器人參數(shù)設(shè)置界面如圖2所示。通過(guò)設(shè)定攀爬機(jī)器人的升降步長(zhǎng)、旋轉(zhuǎn)角度等相關(guān)參數(shù)，控制器通過(guò)分別控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)吸附、攀爬、拍照、調(diào)距等動(dòng)作，控制器通過(guò)無(wú)線(xiàn)路由器接收PC機(jī)發(fā)送的控制指令，將活塞桿表面的取樣信息傳給上位機(jī)，對(duì)所獲取的圖像進(jìn)行處理，拼接，從而獲取活塞桿的表面信息。

2.2 工作原理

操作人員把環(huán)形齒圈環(huán)繞在大型船閘活塞桿的外側(cè)后，通過(guò)肉眼檢測(cè)機(jī)器人的盲區(qū)，也即是活塞桿底部位于相機(jī)下端處。通過(guò)上下磁力吸附電機(jī)的交替工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞桿表面的吸附、松弛；通過(guò)主體推桿電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞桿表面的攀爬動(dòng)作；通過(guò)直流編碼電機(jī)來(lái)控制相機(jī)位于活塞桿表面的不同方位，進(jìn)而將活塞桿表面的三維信息進(jìn)行二維展開(kāi)。

圖3 船閘活塞桿二維信息展開(kāi)圖

3 機(jī)器人的有限元分析

由于機(jī)器人是進(jìn)行高空作業(yè)，因此，必須保證對(duì)活塞桿表面有足夠的吸附力，以免發(fā)生危險(xiǎn)。機(jī)器人的總重量約為50kg，所選磁力裝置的額定拉力為200kg，磁力裝置與活塞桿表面之間的摩擦系數(shù)為0.15[10]。

3.1 有限元模型的建立

在SoildWorks中建立大型船閘活塞桿表面檢測(cè)機(jī)器人的三維圖實(shí)體，將其進(jìn)行簡(jiǎn)化，而后導(dǎo)入Workbench中。

3.2 網(wǎng)格劃分與參數(shù)設(shè)置

建立有限元模型時(shí)，上齒圈底座為45號(hào)鋼，其彈性模量為2.09×1011，泊松0.269，其余材料均為鋁，其彈性模量為7.1×1010。下端均設(shè)為45號(hào)鋼，磁力步進(jìn)吸附裝置與活塞桿表面設(shè)為摩擦接觸，摩擦因素為0.15，其余均設(shè)為bonded，并在受力處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分。

圖4 機(jī)器人整體受力圖

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)所建立的有限元模型，進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到大型船閘活塞桿表面檢測(cè)機(jī)器人的應(yīng)變圖和應(yīng)力圖。

圖5 大型船閘活塞桿表面檢測(cè)機(jī)器人的應(yīng)力應(yīng)變圖

1）誤差大小評(píng)價(jià)

從圖5(a)、圖5(b)中可以看出，在2000N吸附力，摩擦系數(shù)f為0.15情況下，船閘活塞桿表面檢測(cè)機(jī)器人并未出現(xiàn)滑動(dòng)，從圖5(a)可知機(jī)器人上部最大變形約為14.2mm，在允許的誤差范圍內(nèi)。

2）材料安全性評(píng)價(jià)

從圖5(b)可以看出，機(jī)器人上部環(huán)形齒圈的最大應(yīng)力為68.5MPa，小于124Mpa，固材料符合安全要求。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)船閘活塞桿缺陷檢測(cè)的具體工況，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化的檢測(cè)機(jī)器人來(lái)替代人工操作。重點(diǎn)放在對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新上，利用改進(jìn)的電推桿實(shí)現(xiàn)在活塞桿表面的攀爬動(dòng)作，利用磁力吸附步進(jìn)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞桿表面的吸附、松弛動(dòng)作，利用齒輪齒條機(jī)構(gòu)使相機(jī)位于活塞桿表面的不同方位，將活塞桿表面的三維信息進(jìn)行二維展開(kāi)，從而獲取缺陷所在的位置。并對(duì)所設(shè)計(jì)的大型船閘活塞桿表面檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表面，磁力吸附步進(jìn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)活塞桿表面的吸附。檢測(cè)裝置運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最大擾度14.2mm，符合表面檢測(cè)誤差預(yù)期。齒圈承載最大應(yīng)力為68.5Mpa，符合材料安全性要求。