朱 江 王耀南 余洪山 許海霞 劉 理

湖南大學(xué),長沙,410082

0 引言

大型冷凝設(shè)備是電力、化工、制藥等行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備[1]。冷凝設(shè)備內(nèi)部主要由數(shù)以萬計的冷凝管、前后水室及管板組成。由于冷卻水質(zhì)的不潔凈、熱交換時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等原因,在冷凝設(shè)備工作過程中,換熱管內(nèi)壁容易出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象,引起冷凝設(shè)備的傳熱性能惡化,增加循環(huán)水泵的能耗,導(dǎo)致冷凝管堵塞甚至造成管壁腐蝕穿孔等事故[2]。

目前多采用膠球清洗或人工清洗方法清洗大型冷凝設(shè)備的污垢[3-5]。膠球清洗存在膠球回收率低、易堵塞冷凝管等缺點,至今不能達到理想效果;人工清洗在停機條件下,采用人工敲打、捅刷除垢的方式,容易損壞機組,另外工作環(huán)境惡劣,工人的勞動強度大。隨著國內(nèi)外工業(yè)機器人共性技術(shù)的飛速發(fā)展,將機器人技術(shù)融合到現(xiàn)有清洗技術(shù)中,冷凝設(shè)備在線清洗機器人也應(yīng)運而生。

2000年,日立造船株式會社開發(fā)的冷凝器清掃檢查機器人[6]在柳井發(fā)電廠的冷凝器上實施試驗。國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)90年代末,樊紹勝等[7]研制出固定在水室壁前的二自由度關(guān)節(jié)型機器人,通過機械臂兩個關(guān)節(jié)內(nèi)裝的伺服電機轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度來改變機械臂手部的坐標(biāo),但是機械臂覆蓋面積有限。在此基礎(chǔ)上,將該固定式清洗機器人的底座安裝于導(dǎo)軌上,利用引導(dǎo)鏈及導(dǎo)軌裝置實現(xiàn)與管板面平行移動[8],有效擴大了清洗范圍。然而,導(dǎo)軌上容易結(jié)垢和堆積泥沙,嚴(yán)重影響機器人的移動。彭偉等[9]設(shè)計了一種由水平伸縮機械臂和回轉(zhuǎn)機械臂組成的固定式電廠冷凝器清洗機器人,在無滑道的情況下,機械臂清洗范圍也增大。筆者所在課題組還曾探討了一種移動式冷凝器清洗機器人設(shè)計方案[10],但并沒有付諸于實現(xiàn)。國內(nèi)現(xiàn)有相關(guān)機器人存在機動性差、清洗區(qū)域有限等缺陷,而且該機器人要密封在水下長期工作,所用的天然水中含有大量泥沙和草等,容易引起機械、線路等問題,一旦發(fā)生故障,這些機器人都無法移出水室維修,難以實用化。

本文結(jié)合國家安全高效生產(chǎn)、節(jié)能降耗的要求,針對大型冷凝設(shè)備(大于120MW裝機容量)在線清洗的具體需求,集光機電液一體化,自主研制開發(fā)了一種面向大型冷凝設(shè)備的水下作業(yè)智能清洗機器人。機器人采用履帶式移動機構(gòu),根據(jù)冷凝管的坐標(biāo),在冷凝器水室中自主移動到清洗區(qū)域,兩關(guān)節(jié)清洗機械臂配合運動實現(xiàn)精確定位(定位于冷凝管管口),通過檢測冷凝器污臟程度,自動確定最優(yōu)清洗壓力,實現(xiàn)冷凝器在線清洗。

1 清洗機器人的結(jié)構(gòu)

合理的機械結(jié)構(gòu)能夠使機器人更有效、迅速、便捷地完成清洗任務(wù),還能在一定程度上簡化機器人控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。本文采用了模塊化的思想將清洗機器人分為行走機構(gòu)與清洗機構(gòu)兩個部分,其總體設(shè)計如圖1所示。冷凝設(shè)備水室的地面因水中帶有的大量泥沙長期淤積而濕滑,采用履帶行走機構(gòu)與地面接觸面積大,與地面的附著力也大。機械臂安裝在行走機構(gòu)的回轉(zhuǎn)支承上,回轉(zhuǎn)支承能在水平方向360°旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)臂繞支撐臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在垂直地面方向360°旋轉(zhuǎn),運動軌跡如圖1b中圓形虛線1所示;噴槍在旋轉(zhuǎn)臂的上半部分來回滑動,運動軌跡如圖1b中虛直線2所示。產(chǎn)生高壓水的高壓水清洗裝置和添加化學(xué)藥劑的化學(xué)清洗裝置、監(jiān)測冷凝設(shè)備污臟程度的裝置均安裝在冷凝水室之外。

1.1 履帶式行走機構(gòu)

如圖1所示,清洗機器人的底座主要由回轉(zhuǎn)支承、履帶、驅(qū)動輪組、張緊機構(gòu)、托帶輪及承重輪組等組成。清洗機器人在執(zhí)行清洗任務(wù)時需要保持清洗臂與冷凝管固定板面基本平行,通過液壓馬達B驅(qū)動回轉(zhuǎn)支承調(diào)整清洗臂與冷凝管口壁平面的關(guān)系。驅(qū)動輪后置可避免在履帶的前下部處形成所謂的“履帶腹部”。張緊機構(gòu)與張緊輪相連,調(diào)節(jié)履帶張緊力使得履帶處于合適的松緊度以利于減振。為了避免上履帶的中間部分下垂,由托帶輪將上履帶托起。承重輪將整個機器人的重量均勻地傳遞給履帶,使得機器人在移動過程中平穩(wěn)、可靠。左右履帶由一對液壓馬達A驅(qū)動,當(dāng)兩個液壓馬達的轉(zhuǎn)速不同時,實現(xiàn)移動機器人的轉(zhuǎn)向。

1.2 機械臂清洗機構(gòu)

清洗機器人的機械臂清洗機構(gòu)主要由支撐臂、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)臂、噴槍、傳動機構(gòu)、供水管道和走線管路組成。為了避免在清洗冷凝管時,因為旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)和噴槍的滑動導(dǎo)致供水管、線在與清洗機器人本體纏繞、絞線等現(xiàn)象,特別設(shè)計了供水管道、傳動機構(gòu)和走線管路。

1.2.1 供水管道

機械臂內(nèi)部布置管道給噴槍提供高壓水,其關(guān)鍵機構(gòu)是具備走水功能的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和供水管收放機構(gòu)。如圖2所示,銅管的左端與進水管連接,銅管的右端嵌套于銅套內(nèi),壓蓋的一端為管狀,通過密封帶與銅管套接;出水管的一端為外擴結(jié)構(gòu)與壓蓋套接,另一端接入旋轉(zhuǎn)臂的下半部分臂內(nèi)與軟管相連。高壓水送入固定在支撐臂上的進水管1,流經(jīng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)內(nèi)的銅管2、旋轉(zhuǎn)臂下半部分臂內(nèi)的出水管和軟管3、旋轉(zhuǎn)臂上半部分的硬水管4,最后到達噴槍,水流方向如圖2中箭頭方向所示。因為傳動管分別與齒輪、壓蓋相連,當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時將帶動傳動管轉(zhuǎn)動,壓蓋也隨之轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動功能。

由于噴槍沿旋轉(zhuǎn)臂做往返滑動,必然有一段供水管路是能夠活動的,因此在旋轉(zhuǎn)臂的下半部分內(nèi)采用一段軟管連接出水管和硬水管,由導(dǎo)輪組引導(dǎo)軟管隨著噴槍的滑動也能相應(yīng)地在旋轉(zhuǎn)臂下半部分內(nèi)移動。導(dǎo)輪組由導(dǎo)輪A和導(dǎo)輪B組成,A、B兩個導(dǎo)輪由連接板連接,它們之間留有比充滿水的軟管稍大的導(dǎo)孔。軟管的一端接旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處的出水管,沿著旋轉(zhuǎn)機械臂下半部分的內(nèi)壁往機械臂的末端方向布置,在旋轉(zhuǎn)機械臂下半部分長度一半的位置穿過導(dǎo)輪組間的導(dǎo)孔,然后沿著旋轉(zhuǎn)機械臂下半部分的內(nèi)壁往旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)方向折回,最后其末端與硬水管相連。

1.2.2 機械臂的傳動機構(gòu)

驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的液壓馬達置于旋轉(zhuǎn)臂的下方(圖1的液壓馬達C)。通過馬達的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn),推拉旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處的齒條上下移動,再由齒條帶動與它咬合的從動齒輪(即圖2中的齒輪)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臂在垂直地面方向360°的旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動過程可表示為:旋轉(zhuǎn)運動→直線運動→旋轉(zhuǎn)運動。

噴槍的行程限于旋轉(zhuǎn)臂的上半部分內(nèi)滑動。采用兩根平行的導(dǎo)向桿作為噴槍滑座的運動軌道,另有一根與導(dǎo)向桿平行的絲桿位于兩根導(dǎo)向桿的正中間,絲桿的末端與液壓馬達D連接。當(dāng)液壓馬達旋轉(zhuǎn)時,通過絲桿帶動噴槍滑座內(nèi)的移動螺母實現(xiàn)噴槍沿導(dǎo)向桿的直線運動。驅(qū)動過程可表示為:旋轉(zhuǎn)運動→直線運動。

1.2.3 防絞線機構(gòu)

旋轉(zhuǎn)臂上安裝有帶線設(shè)備,如位置固定的液壓馬達、聲納傳感器等,其運動方式是隨旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動,在此過程中它們與旋轉(zhuǎn)臂的相對位置固定。但是線可能會略有拉長或收縮的趨勢,線路的長時間張緊容易造成線崩斷,而松弛外露的線路在旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)過程中極易與清洗機器人本體纏繞。為此采用如下走線方式:旋轉(zhuǎn)臂上半部分的導(dǎo)向桿中空用于走線,線從導(dǎo)向桿的靠近液壓馬達D的一端進入,從導(dǎo)向桿的靠近旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)端穿出,然后接入旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上的防絞線機構(gòu)。如圖3所示,線進入防絞線機構(gòu)后經(jīng)導(dǎo)線槽輪穿過導(dǎo)線管A,經(jīng)定滑輪和動滑輪,最后從導(dǎo)線管B穿出。動滑輪的上下運動實現(xiàn)線的收放。

2 清洗機器人的工作流程

清洗機器人的控制系統(tǒng)中采用西門子S7—300的PLC對所有驅(qū)動液壓馬達、產(chǎn)生高壓水的高壓泵、化學(xué)清洗中加藥計量泵、排污閥、清水泵等部件進行實時控制。現(xiàn)場監(jiān)控工作站承擔(dān)污垢程度、清洗水力等參數(shù)的顯示、存儲和記錄工作,PLC與工作站之間采用PROFIBUS通信方式連接。機器人清洗冷凝設(shè)備的步驟為:

(1)污垢測量。采用課題組前期研制的冷凝器污臟測量儀[11]實時監(jiān)測蒸汽流量、蒸汽溫度等冷凝設(shè)備的工況參數(shù),得到用于描述冷凝器結(jié)垢程度的污垢熱阻或污垢系數(shù)[12],以利于預(yù)測污垢的變化趨勢[13]。當(dāng)污垢系數(shù)大于閾值時,啟動機器人的驅(qū)動系統(tǒng)。

(2)高壓水射流清洗。將清洗機器人移動到待清洗區(qū)域,調(diào)整噴槍位置對準(zhǔn)冷凝管口;根據(jù)當(dāng)前污垢系數(shù)推導(dǎo)污垢的耐壓強度極限應(yīng)力,得到噴槍出水的壓力和流量[14],啟動高壓泵對冷凝管噴射高壓水射流。

(3)機器人復(fù)位。清洗完成后,機器人回到初始位置,清洗臂回到初始狀態(tài)。

(4)化學(xué)清洗。高壓水射流清洗能夠有效清除管內(nèi)松散性污垢,但對管內(nèi)析晶污垢作用有限。因此,在高壓水射流清洗之后若污垢系數(shù)仍未達到要求,則選取化學(xué)配劑通入水室,實施化學(xué)清洗。

3 基于視覺伺服的冷凝管空間定位

清洗機器人初始時平行位于冷凝管壁的前方,它所在的位置和每一根冷凝管的安裝位置在世界坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)均為已知,且按坐標(biāo)將冷凝管壁劃分為若干個區(qū)域。清洗機器人首先運動到待清洗冷凝管所屬區(qū)域,它在世界坐標(biāo)系下固定沿墻直線移動,本文采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒跟蹤控制策略[15]實現(xiàn)對移動機器人的平移軌跡跟蹤。然后機械臂各關(guān)節(jié)配合運動,使得噴槍對準(zhǔn)待清洗的冷凝管口。如圖4a所示,冷凝管口的中心位于B點,受機械加工精度等因素的影響,噴槍實際對準(zhǔn)的位置卻在A點,因此,根據(jù)由視覺獲取的冷凝管口中心與噴槍中心的偏差來補償校正噴槍的移動位置,圖4b所示為基于位置的視覺伺服控制原理。

首先在圖像上尋找冷凝管口的圓心。特征提取的關(guān)鍵步驟為:采用Canny算子對冷凝管口圖像邊緣檢測,在光照條件變差等情況下,檢測得到的邊緣可能不完整,這樣會給后面的管口定位帶來困難,因此需要對其進行曲線擬合。曲線擬合本質(zhì)上是尋求一個函數(shù),使該函數(shù)在某種準(zhǔn)則下與所有數(shù)據(jù)點最為接近,本文采用最小二乘法進行曲線擬合。最后由Hough變換檢測邊緣圖像中圓(即冷凝管口)的圓心。

圖5所示為用Canny算子提取邊緣、最小二乘法和Hough變換檢測冷凝管口中心的結(jié)果。對于不完整的邊緣,第二行的左右兩端的管口盡管只拍到一半的圖像,但還是很好地擬合出了管口的邊緣和定位了圓心。

目標(biāo)的圖像位置與期望位置的誤差定義在圖像2D空間,而機器人各關(guān)節(jié)的控制量輸入通常在3D工作空間中表示,所以必須完成2D/3D的坐標(biāo)變換。建立圖6所示的坐標(biāo)變換關(guān)系,圖中,Oxyz是世界坐標(biāo)系,面Oxy為冷凝管板所在平面;Orxryrzr代表機器人本體坐標(biāo)系,面Orxryr平行于Oxy;Ohxhyhzh代表清洗臂末端控制點坐標(biāo)系;Ocxcyczc為攝像機坐標(biāo)系,這4個坐標(biāo)系都是三維坐標(biāo)系;Opxpyp為攝像機成像靶面的像素坐標(biāo)系,其坐標(biāo)原點在圖像的左上角。

目標(biāo)點(冷凝管口中心)的圖像信息位置為(u,v),是在二維坐標(biāo)系Opxpyp下表示的像素坐標(biāo)。根據(jù)攝像機成像模型參數(shù)標(biāo)定結(jié)果,考慮一階徑向畸變情況下,將目標(biāo)點位置轉(zhuǎn)換到三維攝像機坐標(biāo)系Ocxcyczc下表示:

式中,k為透鏡的徑向畸變系數(shù);(cx,cy)為攝像機圖像平面坐標(biāo)的坐標(biāo)原點Oi的像素坐標(biāo);sx、sy為攝像機成像靶面上的單位距離的像素數(shù),由攝像機參數(shù)標(biāo)定獲得;f為攝像機的焦距。

根據(jù)標(biāo)定得到的機器人手—眼關(guān)系[16],將目標(biāo)點在攝像機坐標(biāo)系的表示(xc,yc,zc)變換到機器人首部末端控制點坐標(biāo)系Ohxhyhzh下表示,變換過程為

式中,hcT為標(biāo)定所獲得的清洗機器人手—眼關(guān)系變換矩陣。

在攝像機取像時刻,從機器人控制器實時讀取機器人手部末端控制點坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù),然后將其變換到機器人本體坐標(biāo)系下:

式中,rhR、rhT分別為機器人手部末端控制點坐標(biāo)系相對于機器人本體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣,是從機器人控制器讀取的數(shù)據(jù)。

同理,將機器人本體坐標(biāo)系變換到世界坐標(biāo)系:

式中,R、T分別為機器人本體坐標(biāo)系相對于世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。

至此,在圖像平面上某像素目標(biāo)點(u,v),根據(jù)式(1)～式(4)變換到世界坐標(biāo)系描述。

4 清洗機器人樣機研制

以湖南某電廠300 MW機組的冷凝設(shè)備水室為原型(水室的冷卻面積為15 300m2,冷凝管為21 552根,冷凝管長度為11.46m,冷凝管外徑為25～36mm,管壁厚度為1.5mm)開發(fā)了圖7所示的樣機,其技術(shù)指標(biāo)見表1,能基本滿足大型冷凝設(shè)備在線清洗的要求。

該300MW機組一直采用以化學(xué)清洗為主、膠球清洗為輔的混合清洗方法,年運行費用160萬元左右。該廠為本清洗機器人初始投資為80萬元,平時系統(tǒng)運行主要為電費 (清洗一根冷凝器管需消耗1kW˙h電能)和化學(xué)藥劑,運行和維護費用15萬元。實際應(yīng)用表明,在不影響生產(chǎn)的情況下,實現(xiàn)該機組冷凝設(shè)備的在線清洗,清洗效果優(yōu)于之前的混合清洗方法的效果,二者的比較如表2所示。

表1 樣機技術(shù)指標(biāo)

表2 機器人清洗與混合清洗效果比較

5 結(jié)論

本文提出了一種面向電廠120MW以上容量機組的大型冷凝設(shè)備的水下智能清洗機器人,并設(shè)計了機械結(jié)構(gòu)、工作流程和控制系統(tǒng)。根據(jù)冷凝水室的特點,在滿足機器人所需機械動作前提下,采取多項措施使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、清洗動作簡練,實驗測試表明樣機的性能指標(biāo)能基本滿足大型冷凝設(shè)備在線清洗的需要。我國是能耗大國,節(jié)能降耗一直是我國發(fā)展的主題,該機器人的研制成功將為大型冷凝設(shè)備的合理、高效運行奠定基礎(chǔ),對促進電力、化工、制藥等行業(yè)的安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗,提高經(jīng)濟和社會效益具有重大意義。

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