吳小輝 石 飛 申純太 徐子力 薛 卉 黃 蓉
(1上海電氣集團股份有限公司中央研究院,上海,200070;2上海大學(xué),上海,200072)
適應(yīng)大范圍內(nèi)徑的管道修磨機器人機構(gòu)設(shè)計
吳小輝1石 飛1申純太1徐子力2薛 卉1黃 蓉1
(1上海電氣集團股份有限公司中央研究院,上海,200070;2上海大學(xué),上海,200072)
本文設(shè)計了一種能夠適應(yīng)大范圍內(nèi)徑的新型輪式管道內(nèi)壁修磨機器人的機械本體機構(gòu),對機器人的受力情況與拖纜力進行了分析與計算。相關(guān)實驗證明,該機器人能夠在不同內(nèi)徑的管道中實現(xiàn)遙控爬行、焊縫修磨等預(yù)定任務(wù),完成管道內(nèi)壁修磨的工作。
機器人,多管徑,內(nèi)壁修磨
在各種工業(yè)管道的焊接過程中,可能產(chǎn)生的焊接缺陷(管道內(nèi)壁部分區(qū)域焊瘤過大)會影響焊接質(zhì)量,進而影響管道的使用,因此,對這些焊接缺陷需要進行修磨作業(yè)。目前管道內(nèi)壁焊縫修磨的工作主要是由工人鉆進管道內(nèi)操作砂輪機進行作業(yè),生產(chǎn)效率低、勞動強度大、工作環(huán)境惡劣,而且人工修磨完全依賴工人的經(jīng)驗進行操作,修磨質(zhì)量難于量化評估。另外,工業(yè)管道具有材質(zhì)多樣、內(nèi)徑尺寸規(guī)格多樣(內(nèi)徑范圍大)、管內(nèi)空間有限等特點,傳統(tǒng)的管道檢測機器人無法滿足管道焊縫修磨作業(yè)的要求。為提高管道焊縫修磨質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低工人勞動強度,研制一種適應(yīng)大范圍內(nèi)徑的管道焊縫修磨機器人具有重要意義。
在管道焊接加工車間的金屬管道中,設(shè)計的機器人能夠在操作員的操縱下,通過進出管道、在焊縫處定位頂升壓塊、環(huán)繞焊縫一周修磨等動作完成管道內(nèi)壁焊縫修磨的任務(wù)。
1.1 方案設(shè)計
如圖1所示,目前國內(nèi)外研究應(yīng)用的管道機器人移動機構(gòu)主要有輪式、履帶式、內(nèi)撐輪式和步進式[1]。輪式移動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單,應(yīng)用廣泛,在相對平整的管道內(nèi)性能優(yōu)越,可適應(yīng)多種管徑,但在地形復(fù)雜的情況下適應(yīng)性不足。相對于輪式機構(gòu),履帶式機構(gòu)有接地壓強小,滾動阻力小,通過性能較好,越野機動性好,牽引附著性能好等優(yōu)點,然而機構(gòu)復(fù)雜,而且重量較大。內(nèi)支撐輪式移動機構(gòu)和步進式移動機構(gòu),可以在軸線垂直于水平面,或者與水平面夾角較大的管道內(nèi)運動,然而其工作負(fù)載較小,不利于管道內(nèi)的修磨作業(yè)[2]。
通過對國內(nèi)外各種管道機器人進行對比研究,綜合考慮各種方案的特點與作業(yè)流程,我們最終選定“行走模塊+修磨模塊”的設(shè)計方案。行走模塊作為載體平臺使機器人移動至合適位置,修磨模塊作為工作端進行環(huán)焊縫修磨的作業(yè),通過CCD攝像頭和各類傳感器將工作情況適時顯示在控制箱內(nèi)的顯示屏上。
圖1 幾種常見管道機器人的移動機構(gòu)
1.2 機構(gòu)設(shè)計
經(jīng)過對比分析,本設(shè)計選定輪式移動機構(gòu)作為行走模塊的移動形式,為了使機器人在管道內(nèi)能夠順利完成運動、停止、頂升固定等動作,將輪子進行調(diào)整,使其與水平面成45°夾角,這樣兩對輪子成90°夾角,再加上氣缸驅(qū)動的頂升塊,就可以將機器人本體固定在管道內(nèi)壁上,并提供足夠的工作負(fù)載。
如圖2所示,修磨模塊通過導(dǎo)桿和絲桿與行走模塊相連接,通過絲桿調(diào)整其高度以適應(yīng)不同內(nèi)徑的管道,通過伺服電機帶動的周向旋轉(zhuǎn)模塊來實現(xiàn)周向回轉(zhuǎn)運動,通過伺服電機帶動的絲桿-螺母來實現(xiàn)徑向長度的調(diào)整,通過氣源驅(qū)動的氣動砂輪機來進行管道內(nèi)壁焊縫的修磨工作。
圖2 管道焊縫修磨機器人本體機構(gòu)設(shè)計圖
2.1 車輪受力分析
移動機器人能夠正常行走需要滿足兩個條件,即動力必須大于行駛阻力的總和(否則動力不足);電機輸出動力必須小于或等于管道與履帶之間的附著力(否則就會打滑)[3]。為了提高附著力,可以提高機器人的重量,提高附著系數(shù)(摩擦系數(shù))。增大驅(qū)動輪的扭矩可以提高輸出牽引力,但輸出牽引力的提高受附著力的限制。在附著系數(shù)一定時,附著力與車體重量成正比。所以,機器人的重量與附著系數(shù)決定了機器人所能產(chǎn)生的輸出牽引力的最大值[4]。
圖3 機器人車輪受力分析圖
如圖3所示,機器人在管道內(nèi)運動時,對2個主動輪進行受力分析,圖中,f為機器人在管道內(nèi)運動所受到的摩擦力,N為車輪所受到管壁的正壓力,F(xiàn)1和F2為機器人本體對車輪的作用力,M為伺服電機對車輪的驅(qū)動力矩,a為車輪與水平面的夾角[5]。經(jīng)分析可得:
2.2 砂輪受力分析
如圖4所示,機器人進行焊縫修磨作業(yè)時,通過砂輪旋轉(zhuǎn)對焊縫進行修磨,同時砂輪繞著管道中心進行圓周運動。圖中,N為管道內(nèi)壁對砂輪的正壓力,f1為管道內(nèi)壁對砂輪繞砂輪軸心轉(zhuǎn)動的摩擦力,f2為管道內(nèi)壁對砂輪繞管道軸心轉(zhuǎn)動的摩擦力,M1為氣動馬達(dá)對砂輪轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩,M2為伺服電機對砂輪繞著管道軸心轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩。分析可得:
圖4 機器人修磨作業(yè)時砂輪受力分析圖
2.3 拖纜力分析
為便于分析計算[6],假設(shè):機器人在管道內(nèi)做勻速直線運動,速度為v;電纜與氣管均為理想的柔韌體,質(zhì)量分布均勻,線密度恒定,無軸向伸長,無內(nèi)摩擦,不考慮電纜與氣管之間的相互作用對拖纜力的影響;電纜與氣管在管道內(nèi)與管壁均勻接觸。
圖5 機器人在管道內(nèi)運動時拖纜力分析圖
如圖5所示的力學(xué)模型,由于電纜與氣管的受力狀況基本相同,管道與水平面呈角,在纜線上截取長度為的一段小單元進行分析。小單元兩端的受力分別為受到的重力為,管壁的支撐力為,設(shè)管壁與纜線之間的摩擦系數(shù)為,纜線的線密度為。則該段小單元的力學(xué)平衡方程為[7]:
上述公式(12)即為直管中的拖線力計算公式。
根據(jù)圖2所示的設(shè)計方案,加工裝配成如圖6所示的樣機進行修磨作業(yè)實驗。本文主要介紹修磨效率試驗和拖纜力試驗。
圖6 管道焊縫修磨機器人樣機實物圖
3.1 修磨效率試驗
由式(4)可知,修磨作業(yè)時,在砂輪直徑與砂輪機輸出扭矩恒定的情況下,砂輪與焊縫之間的摩擦力主要與管道內(nèi)壁對砂輪的正壓力N以及砂輪與焊縫的滑動摩擦系數(shù)有關(guān),管道內(nèi)壁對砂輪的正壓力N和滑動摩擦系數(shù)越大,砂輪與焊縫之間的摩擦力越大,修磨效率越高,為此進行圖7所示的修磨效率試驗,修磨作業(yè)完成后的效果如圖8所示。
圖7 修磨效率試驗圖
圖8 修磨效果圖
在圖8中,1號是指正壓力20N,進給速度0.5°/s,2號是指正壓力30N,進給速度0.5°/s;通過圖9可以看出,2號的修磨效率要高于1號,經(jīng)過精確測量的數(shù)據(jù)(表1)也證明了這一點。
表1:修磨效率測試數(shù)據(jù)記錄表
通過試驗可以得出,在其他條件(電壓、氣壓)相同的情況下,正壓力N越大,修磨效率越高;滑動摩擦系數(shù)越大(砂輪粒度越大),修磨效率越高,這與式(4)的結(jié)論是一致的。
本項目獲2013年度上海市重大技術(shù)裝備研制專項資助,項目編號: ZB-ZBYZ-01-13-2083