軌道裝備用無(wú)損檢測(cè)爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

肖敬偉

(長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春130022)

0 引言

廣泛使用于化工設(shè)備中的壓力容器在生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中多以罐體為主，由于罐體長(zhǎng)期處于腐蝕、低溫或高壓的工作環(huán)境中，易出現(xiàn)罐壁開(kāi)裂、劣化、蠕變和疲勞斷裂等。如何對(duì)壓力容器進(jìn)行快速檢測(cè)和清洗，是擺在化工工作人員面前的一道難題。目前壓力容器檢測(cè)和清洗多以“人工為主、機(jī)器為輔”，隨著科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，“機(jī)器為主、人工為輔”將得以實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)學(xué)者在這一領(lǐng)域鉆研多年，其中盧盛欣等[1]基于風(fēng)力電塔設(shè)計(jì)一款小型爬壁檢測(cè)機(jī)器人；李志等[2]針對(duì)儲(chǔ)油罐存在管壁檢測(cè)和測(cè)量難題，采用四自由度吸附式爬壁人以此來(lái)解決缺陷；李靜等[3]針對(duì)鍋爐壁厚采用多級(jí)控制方式，提高了檢測(cè)效率，實(shí)現(xiàn)了吸附式檢測(cè)和監(jiān)控。當(dāng)爬壁機(jī)器人在工作過(guò)程中履帶會(huì)與壁體直接接觸，對(duì)于一些特殊的內(nèi)徑存在達(dá)不到精確檢測(cè)的問(wèn)題。

因此，針對(duì)大型石油罐罐底與罐壁缺陷的在油檢測(cè)問(wèn)題,筆者設(shè)計(jì)一種可爬直角壁的四輪四軸液壓驅(qū)動(dòng)式磁力吸附爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人可在石油罐內(nèi)實(shí)現(xiàn)罐底與罐壁間的雙向直角過(guò)渡攀爬、90°轉(zhuǎn)向及工作間隙調(diào)節(jié)等動(dòng)作。同時(shí)，為了保證運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性能，設(shè)計(jì)多組吸附單元作為吸附機(jī)構(gòu)，采用無(wú)刷電機(jī)為雙同步帶供電，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的靈活性和速度得到了提高；其中筆者對(duì)同步帶式移動(dòng)越障機(jī)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，大大增加了機(jī)器人的越障能力，提高了實(shí)用性。

1 總體方案設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人總體尺寸為650mm×600mm×200mm，裝配體模型如圖1所示。

(a)俯視圖 (b)側(cè)視圖圖1 無(wú)損檢測(cè)爬壁機(jī)器人裝配體模型

機(jī)器人向前移動(dòng)的同時(shí)要進(jìn)行焊縫檢測(cè)和缺陷打標(biāo)，機(jī)器人移動(dòng)速度暫定為1 m/min。設(shè)計(jì)性能指標(biāo)：最大尺寸要求≤650mm×600mm×200mm；本體自身質(zhì)量≤5 kg；負(fù)載能力≤10 kg；移動(dòng)速度1～2 m/min；運(yùn)動(dòng)角度誤差≤0.5°；越障能力≥10 mm。

2 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車(chē)體下方兩側(cè)各置有同步帶，由無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，車(chē)體的速度和方向可以通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)速度來(lái)控制，當(dāng)車(chē)體在平緩表面直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，同步帶上方的2個(gè)光滑輪下移壓迫同步帶使帶面張緊[4]。當(dāng)車(chē)體需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，2輪緩慢上升，帶面由張緊狀態(tài)變?yōu)樗沙跔顟B(tài)，通過(guò)2組可以改變直徑的齒輪或者皮帶輪來(lái)控制無(wú)調(diào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的變速比[5]。

2.2 電機(jī)選型

爬壁機(jī)器人主要由同步帶、吸附裝置、電機(jī)減速器和型材等構(gòu)成[6]。由于無(wú)刷電機(jī)內(nèi)自帶減速裝置，不需再挑選減速器與其搭配。假定電機(jī)經(jīng)減速器裝置作用后的效率為η，則減速器的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率

Mr=iηMd≥MQ

(1)

(2)

式(1)和式(2)中，i為傳動(dòng)比；Md為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩；PQ，MQ分別為經(jīng)計(jì)算得出的驅(qū)動(dòng)帶輪所需的功率和轉(zhuǎn)矩；n為減速裝置的輸出速度，取n=15 r/min。

把數(shù)值代入式(2)、式(1)，得出：

Pr=15 W≥PQ=12.964 W

Mr=13.265 N·m≥MQ=11.783 N·m

因此，該爬壁機(jī)器人電機(jī)所選功率為15 W24 V的無(wú)刷電機(jī)，經(jīng)計(jì)算可以滿足爬壁所需的動(dòng)力要求。

2.3 同步帶設(shè)計(jì)選擇

同步帶外層為氯丁橡膠的環(huán)形帶狀，內(nèi)層有鋼絲和纖維構(gòu)成。由于傳輸履帶為環(huán)狀，帶溝槽、履帶最外層承載力較小，且不打滑、張力小，故帶與帶輪之間為相對(duì)滑動(dòng)構(gòu)成同步傳動(dòng)[7]。按照同步傳動(dòng)帶標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，同步帶功率

Pd=k0P=1.3×0.014=17.1 W

(3)

式(3)中，k0為載荷修正系數(shù)，取k0=1.3 ；P為單側(cè)需要傳遞的功率，取P=14 W。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，對(duì)所選的同步帶進(jìn)行抗拉強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)做如下假設(shè)：

(1)同步帶為剛體；

(2)同步帶帶齒與輪齒在不打滑的情況下，帶輪停轉(zhuǎn)，帶的伸長(zhǎng)量達(dá)到最大值，這樣保證了同步帶張緊端達(dá)到拉應(yīng)力的最大值；

(3)同步帶與帶輪嚙合處，恰好為同步帶入彎點(diǎn)，這樣保證輪齒給帶齒的剪切應(yīng)力方向應(yīng)為沿同步帶的平面，即拉應(yīng)力方向，通過(guò)分析可知，同步帶齒受到的作用力是輪齒給帶齒的剪切力

F1=Mr/d1=123.21 N

(4)

式(4)中，d1為同步帶輪直徑。

剪切力使同步帶受到橫向拉應(yīng)力，通過(guò)計(jì)算分析得知：該同步帶所受到的總拉力小于該同步帶的許用拉應(yīng)力，則表示該同步帶在正常工作中，不會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

2.4 爬壁機(jī)器人吸盤(pán)設(shè)計(jì)

車(chē)輪式結(jié)構(gòu)移動(dòng)速度快、控制靈活，尤其轉(zhuǎn)向比較容易實(shí)現(xiàn)，但車(chē)輪與壁面接觸面積小，因而維持一定的吸附力較困難；同步帶式結(jié)構(gòu)對(duì)壁面的適應(yīng)性強(qiáng)，接觸面積大，吸附力強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)速度較快，但不易轉(zhuǎn)向和壁面過(guò)渡[8]；多足步行式吸附力較強(qiáng)，易于跨越障礙，可靈活實(shí)現(xiàn)壁面過(guò)渡和轉(zhuǎn)向等功能，但移動(dòng)速度慢，各足的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性要求較高，控制難度高[9]；框架式結(jié)構(gòu)利用多層框架的交替運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體的整體移動(dòng)，雖然控制比較簡(jiǎn)單、吸附力強(qiáng)，但運(yùn)動(dòng)速度較慢，轉(zhuǎn)向和壁面過(guò)渡能力有限。

筆者設(shè)計(jì)了多組吸附單元作為吸附機(jī)構(gòu)，所提供的吸附力遠(yuǎn)大于相同規(guī)格下1組吸附單元提供的吸附力，保證了運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。在確保運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的前提下，采用無(wú)刷電機(jī)為雙同步帶供電，具有很強(qiáng)的靈活性，所設(shè)計(jì)的同步帶移動(dòng)越障機(jī)構(gòu)，使爬壁機(jī)器人的越障能力大為提升，提高了實(shí)用性[10]。該吸盤(pán)機(jī)構(gòu)主要由可變磁力吸附裝置構(gòu)成，具有體積小、吸附力高和穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。在爬壁機(jī)器人上安裝20個(gè)直徑為φ30 mm、厚度為15 mm的圓形小磁鐵，使其均布在底盤(pán)上，并且不能與壁面接觸，通過(guò)電流來(lái)控制磁場(chǎng)效應(yīng)，此外還增加了可調(diào)節(jié)吸盤(pán)來(lái)控制壁面間隙控制吸附作用，再由彈性運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高氣密性吸附。

3 力學(xué)特性分析

3.1 靜力學(xué)分析

在機(jī)器人工作壁面與水平面之間夾角呈銳角(0°<α<90°)的狀態(tài)下進(jìn)行受力分析，如圖2所示。

圖2 爬壁機(jī)器人吸附在工作壁面的力學(xué)分析

圖2中，L1為爬壁機(jī)器人中心距；Fm為爬壁機(jī)器人整體最大吸附力；Fm1為單個(gè)吸附磁塊對(duì)壁面的吸附力；Fm2為側(cè)面吸附磁鐵最大吸附力；Nm為壁面對(duì)機(jī)器人吸附力；Nm1為壁面對(duì)機(jī)器人1個(gè)吸附磁塊的支持力；H為爬壁機(jī)器人工作面與輪之間的中心距離；α為爬壁機(jī)器人工作時(shí)最大有效工作爬壁角度。

假設(shè)電機(jī)提供了足夠的制動(dòng)力使機(jī)器人可以靜止在工作壁面上，要阻止機(jī)器人沿著工作壁面下滑，需要機(jī)器人與壁面間的最大靜摩擦力大于機(jī)器人及其負(fù)載的重力分量。根據(jù)圖2可以得出

(5)

由式(5)推出

(6)

式(5)和式(6)中，Ni為壁面對(duì)機(jī)器人1個(gè)吸附磁塊的支持力，Ni=60 N；μmax為壁面與吸附磁塊之間的靜摩擦因數(shù)，μmax=0.663～0.748；G為機(jī)器人及其負(fù)載1/2的重量，G=50 N；α為壁面與垂直方向的傾斜角度，0°<α<90°；Fmi為單個(gè)吸附磁塊對(duì)壁面的吸附力，F(xiàn)mi=3.6 N ；n′為一側(cè)發(fā)揮吸附作用的吸附磁鐵的個(gè)數(shù)，n′=10。

3.2 爬壁機(jī)器人向上運(yùn)動(dòng)的力學(xué)分析

爬壁機(jī)器人向上爬行，機(jī)器人單側(cè)輸出力矩應(yīng)克服單側(cè)所有吸附磁鐵的吸附力和支持力形成的阻力矩以及重力產(chǎn)生的力矩。爬壁機(jī)器人向上爬行的示意圖如圖3所示。

圖3 爬壁機(jī)器人向上爬行示意圖

根據(jù)上面分析得出

MQ-Mf-MG=0

(7)

式(7)中，Mf為支持力形成的阻力矩；MG為重力產(chǎn)生的力矩。

根據(jù)實(shí)際要求，使MQ≥0,即

MQ≥aFm+GHcosα

(8)

式(8)中，a為吸附力和支持力的距離，取其最大值，a=23 mm。

則：MQ≥1 440+4 125cosα，只有當(dāng)α=0時(shí)，所要MQ的最大值為6 Nm。

3.3 爬壁機(jī)器人向下運(yùn)動(dòng)的力學(xué)分析

機(jī)器人向下勻速爬行受力情況與向上勻速爬行相似，為防止機(jī)器人向下滑落需要1個(gè)制動(dòng)力矩，此時(shí)摩擦阻力矩為驅(qū)動(dòng)力矩和電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩，重量分量產(chǎn)生的力矩達(dá)到力矩平衡。

MQ-MG+Mf=0

(9)

式(8)和式(9)對(duì)比，得出向上爬行需要的電機(jī)力矩更大。

機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩為

Mq=2PL

(10)

式(10)中，L為2帶輪中心矩，L=280 mm；P為單側(cè)同步帶受到的牽引力，P=40 N。計(jì)算得：Mq=11.2 N·m

4 爬壁機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)的控制設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人的控制主要是通過(guò)對(duì)無(wú)刷電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)的。將外部接收系統(tǒng)和無(wú)刷電機(jī)連接，并由24 V鋰電池為電機(jī)提供直流驅(qū)動(dòng)電流，供其工作。工作人員可通過(guò)外部遙控器控制電機(jī)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前后左右運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。無(wú)刷直流電機(jī)采用電子換向器，取代了直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向器。電子換向器裝配在功率電路板上，同時(shí)在電機(jī)本體上配有轉(zhuǎn)子位置傳感器，轉(zhuǎn)子位置傳感器隨時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子所在的位置，電子換向器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息決定繞組的通電方向，實(shí)現(xiàn)換相功能，如圖4所示。

圖4 無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子永磁體成對(duì)安裝在轉(zhuǎn)子上，按照其安裝方式不同可以分為2種：(1)凸極式——將瓦片狀的永磁體貼于轉(zhuǎn)子外表面，如圖5(a)所示；(2)內(nèi)嵌式——將條狀永磁體嵌入轉(zhuǎn)子鐵芯中，如圖5(b)所示。

(a)凸極式 (b)內(nèi)嵌式圖5 無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體的安裝方式

給無(wú)刷電機(jī)加上信號(hào)接收模塊，工作人員通過(guò)外部遙控器發(fā)送控制信號(hào)，改變電機(jī)的狀態(tài)從而改變機(jī)器人的行進(jìn)路線。最后，根據(jù)圖紙經(jīng)裝配后得到無(wú)損檢測(cè)爬壁機(jī)器人的實(shí)物圖，如圖6所示。

(a)俯視圖 (b)側(cè)視圖圖6 無(wú)損檢測(cè)爬壁機(jī)器人裝配后的實(shí)物圖

5 結(jié)論

為了提高壓力容器快速檢測(cè)、降本增效，筆者設(shè)計(jì)了一種新型裝備用無(wú)損檢測(cè)爬壁機(jī)器人。該爬壁機(jī)器人主要由履帶機(jī)構(gòu)、車(chē)體機(jī)構(gòu)和吸附裝置3部分組成，使用SolidWords軟件對(duì)機(jī)器人各個(gè)零部件進(jìn)行三維數(shù)據(jù)建模，分別采用靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)雙同步式爬壁機(jī)器人進(jìn)行分析計(jì)算，最后結(jié)合圖紙做出了實(shí)物樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明：該機(jī)器人各裝置設(shè)計(jì)合理，由多組吸附單元組成的吸附機(jī)構(gòu)保證了運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，采用無(wú)刷電機(jī)為雙同步帶供電，使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和靈活性得到提高。