饒 剛,郭云坡

(武漢科技大學機械自動化學院,湖北武漢,430081)

起重機作為物料搬運、裝卸和安裝設備,可以減輕或替代人們的體力勞動,提高勞動生產(chǎn)率,已成為企業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的輔助設備。由于起重機將重物吊至空中實現(xiàn)搬運,因此起重機自身的安全性能至關重要。冶金行業(yè)由于生產(chǎn)對象的特殊性,對起重機的安全運行提出更高的要求。為確保起重機的安全,一般要對起重機進行定期安全檢查和維護。冶金起重機由于負荷大、工作級別高,因此大多采用箱型結構的橋式起重機。該類起重機在定期檢查時,主要是對其主梁和端梁的關鍵部位進行無損探傷檢測,以確保橋架的安全性。從起重機主梁受力角度上考慮,箱型主梁下蓋板在工作過程中主要承受拉應力,這種拉應力狀態(tài)易產(chǎn)生疲勞裂紋并使裂紋擴展,因而主梁下蓋板部位已成為起重機結構探傷的重點和難點[1-2]。

目前,對在役起重機結構的無損探傷檢測大多采用磁粉或超聲波探傷技術,這兩種探傷方式都需要先去除結構外部的保護油漆、油污以及銹蝕部分,即在結構探傷前需要對其進行打磨處理。在這種惡劣環(huán)境下打磨,尤其是從事起重機主梁下蓋板的打磨工作,在施工過程中常常存在一些安全隱患。為此,本文根據(jù)起重機無損探傷檢測要求,對起重機用打磨機器人進行總體布局和結構設計,針對其結構設計的組成,從打磨機構設計的合理性、運行機構的可行性以及支撐結構設計的有效性等方面進行合理性分析,并結合其使用環(huán)境和工作要求選擇了雙履帶、永磁吸附式的總體結構。

1 基本要求

為達到對起重機箱型主梁下蓋板打磨的目的,起重機用打磨機器人的基本要求如下:

(1)打磨機器人能夠夾持φ120 mm砂紙盤片進行打磨,打磨時砂紙盤片與被打磨對象之間的壓力可調(diào),且打磨力矩要足以克服打磨過程中的打磨阻力。

(2)配合不同的打磨要求,打磨機器人能夠完成砂紙盤片的壓上和松開動作。

(3)依據(jù)該機器人主要應用于對起重機箱型主梁下蓋板進行打磨,打磨機器人能夠固定在主梁下蓋板上。

(4)配合打磨工作需要,能夠?qū)Υ蚰C器人工作過程中的打磨軌跡進行控制并調(diào)整。

(5)依據(jù)打磨工作需要,打磨機器人能夠?qū)崿F(xiàn)在下蓋板的運動過程中可調(diào)速的低速移動。

(6)結合打磨機器人使用場合的需要,打磨機器人結構要輕巧。

2 結構設計

依據(jù)起重機用打磨機器人的用途及其基本要求,本設計中的打磨機器人由打磨機構、運行機構和支撐結構三部分組成,其總體結構如圖1所示。

2.1 打磨機構的結構設計

打磨機構主要由打磨電機、壓上和松開裝置以及外部固定結構三部分組成。打磨電機主要完成帶動φ120 mm砂紙盤片的回轉(zhuǎn)、壓上和松開運動;外部固定結構由蓋體、上箱體和下箱體組成,并構成一個箱型結構,將專用打磨電機封裝在其內(nèi)部。

圖1 打磨機器人總體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of grinding robot

圖2為打磨機構示意圖。由圖2可看出,打磨電機底部設計有銜鐵,它與固定在蓋體上的電磁鐵一同構成壓上和松開裝置;壓上和松開裝置的作用是使打磨電機產(chǎn)生上、下移動,從而帶動固定在打磨電機軸上的砂紙盤片上、下運動,以實現(xiàn)砂紙盤片與主梁下蓋板的接觸與分離。為保證打磨電機在箱體內(nèi)部能順利移動,在下箱體內(nèi)部設有滑道,同時在打磨電機本體上設有滑塊,這樣打磨電機能夠在箱體內(nèi)部沿箱體的中心軸線滑動。打磨電機在箱體內(nèi)的上、下運動由壓下彈簧和電磁鐵來配合完成。在蓋體與打磨電機之間設有壓緊彈簧,其作用是使打磨電機和砂紙盤片以一定的壓力壓在下蓋板打磨區(qū)域,確保打磨過程順利進行。壓緊力由壓緊彈簧產(chǎn)生,壓緊力的大小由壓緊螺栓來進行調(diào)節(jié)。電磁鐵的作用是在通電情況下產(chǎn)生電磁力,以吸附打磨電機底部的銜鐵,并克服壓緊彈簧所產(chǎn)生的壓緊力,使打磨電機向下移動,從而帶動砂紙盤片離開主梁下蓋板表面,不對主梁下蓋板表面進行打磨。當電磁鐵斷電時,銜鐵失去電磁鐵所產(chǎn)生的吸附力,打磨電機在壓緊彈簧的作用下向上移動,使砂紙盤片以一定的壓緊力壓緊在主梁下蓋板表面,并在打磨電機主軸高速旋轉(zhuǎn)運動的配合下實現(xiàn)對主梁下蓋板表面的有效打磨。電磁鐵采用常開工作制。

圖2 打磨機構示意圖Fig.2 Schematic diagram of polishing mechanism

2.2 運行機構的結構設計

打磨機器人的運行機構采用雙履帶結構,兩邊履帶分別由獨立的步進電機進行驅(qū)動。履帶采用鏈式結構,在鏈上封裝有一定長度的永磁吸附塊,確保在履帶與主梁下蓋板之間產(chǎn)生足夠的永磁吸附力,從而使打磨機器人牢固地吸附在主梁下蓋板上[3-4]。

運行機構的結構設計主要完成對運行機構中驅(qū)動部件的定位和連接。本結構設計中采用內(nèi)、外連接板的形式對鏈輪進行支撐和定位;內(nèi)、外連接板之間采用螺栓連接,連接板之間的間距以固定套作保證。鏈輪采用滾動軸承支撐,以減小運行摩擦阻力。為了固定鏈輪軸承,在內(nèi)、外連接板上設有相應的軸承座孔。采用L型安裝板對運行機構的步進電機進行安裝和定位,同時選用端部固定步進電機,以減小打磨機器人的總體尺寸。

運行機構內(nèi)連接板上設計的3-ФD孔中心連線與垂直方向夾角設定為5°,利用3-ФD孔將運行機構與打磨機構連接,確保打磨機構電機的中心軸線與垂直方向夾角產(chǎn)生5°偏轉(zhuǎn),這樣可避免砂紙盤片對主梁下蓋板表面過度打磨的現(xiàn)象。打磨機器人運行機構的結構示意圖如圖3所示。

圖3 運行機構的結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of transmission mechanism

2.3 支撐結構的設計

支撐結構設計采用交叉支撐的結構形式,即運用不同機構之間的結構相互支撐方式來實現(xiàn)不同機構之間的連接與支撐,以減小總體結構尺寸。圖4為打磨機器人支撐結構示意圖。由圖4可看出,支撐結構1上的6-ФC孔與打磨機構上箱體的法蘭進行連接,8-ФD孔與運行機構驅(qū)動電機安裝板進行連接,這樣可實現(xiàn)運行機構步進電機安裝板與打磨機構上箱體之間的連接與固定。將支撐結構2上的6-ФB孔與上箱體、下箱體連接在一起,6-ФA孔借助于連接角鋼分別與左、右運行機構支架上的內(nèi)連板連接在一起,實現(xiàn)打磨機構在運行機構內(nèi)連板上的定位,連接方式如圖1中的Ⅰ、Ⅱ號放大圖所示。不難看出,利用支撐結構1與支撐結構2可將運行機構與打磨機構連接成一個完整的打磨機器人。

圖4 打磨機器人支撐結構示意圖Fig.4 Supporting parts of grinding robot

3 設計合理性分析

打磨機器人結構設計的合理性是打磨機器人能夠滿足其功能的基本保障。由于焊接會引起結構產(chǎn)生焊接變形,而鉚接不便于打磨機器人各個組成部分之間的安裝與調(diào)整。為便于打磨機器人的安裝、調(diào)整,同時有效地防止結構變形,本設計對打磨機器人結構之間的連接均采用螺栓連接方式。

3.1 打磨機構設計的適應性

打磨機構的主要功能是完成對主梁下蓋板表面的打磨,既要保證能快速將其表面打磨干凈,又不能對其表面過度打磨。如果主梁下蓋板表面打磨不徹底,則會影響后續(xù)無損探傷檢測的判斷;如果主梁下蓋板表面打磨過度,則會影響主梁的總體強度,進而影響起重機的安全運行。對于使用場合、使用年限不同的起重機,由于其主梁表面保護油漆層的厚度、表面銹蝕程度不同,因此在打磨過程中為保證主梁下蓋板被充分打磨,需要施加不同大小的打磨壓力。

本設計采用壓緊彈簧結構來實現(xiàn)打磨過程中對打磨砂紙盤片上打磨壓力的施加,并通過壓緊螺栓調(diào)整壓緊彈簧壓縮量的方式來調(diào)整壓緊力的大小,這樣可以使得打磨機器人能夠適應不同的打磨場合。通過對打磨過程中打磨力的調(diào)整,既保證了打磨工作的徹底性,同時也提高了打磨機器人對不同打磨場合應用的適應性。將打磨電機的軸線設計成向后偏斜5°的形式,這樣使得砂紙盤片對主梁下蓋板打磨時,只有砂紙盤片的局域與下蓋板表面接觸,從而有效防止主梁下蓋板表面過度打磨的現(xiàn)象。另外,在打磨機構中設有壓上和松開裝置,并利用電磁控制其壓上和松開動作,利用這種裝置可以實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的砂紙盤片能夠快速進入打磨區(qū)域以及快速脫離打磨區(qū)域,從而保證打磨機器人只對主梁下蓋板所需要打磨的區(qū)域進行打磨,避免了對主梁下蓋板非打磨區(qū)域的打磨現(xiàn)象。

3.2 運行機構設計的可行性

打磨機器人運行機構是將整個機器人安全、牢固地吸附在主梁下蓋板上,并能在主梁下蓋板上沿主梁方向?qū)崿F(xiàn)前進、后退運動以及在運行過程中對其運行軌跡進行調(diào)整。

本設計中運行機構采用雙履帶結構,兩邊履帶分別由獨立的步進電機進行驅(qū)動。采用鏈結構式履帶,在鏈節(jié)中間封裝永磁鐵并充當鏈節(jié)的一部分。采用雙履帶結構,一方面可以提高打磨機器人的整體穩(wěn)定性,確保在打磨過程中機器人不出現(xiàn)晃動現(xiàn)象;另一方面,通過增加永磁鐵的數(shù)量,可以增強打磨機器人與主梁下蓋板之間的吸附力,保證打磨機器人工作時能夠牢固地吸附在主梁下蓋板上,避免了打磨機器人從高空墜落所造成的危險。運行機構中采用小尺寸永磁塊,在保證足夠的吸附力情況下,采用小尺寸永磁鐵可以減小運行阻力,降低運行電機功率,從而進一步減輕總體結構的自重,降低打磨機器人從高空墜落的可能性,確保機器人運行的安全性。另外,運行機構兩邊的履帶分別采用驅(qū)動的方式,這種設計可以保證打磨機器人在工作過程中,依據(jù)不同的工作場合進行運行速度的調(diào)整,同時利用兩邊運行速度的變化,完成對打磨機器人運動軌跡的調(diào)整以及運動方向的改變。這種兩邊分別驅(qū)動的永磁吸附式運行機構設計,可以實現(xiàn)該機構的預定功能,為確保運行機構設計的可行性提供了條件。

3.3 支撐結構設計的有效性

支撐結構的作用是對打磨機構和運行機構進行固定,并將兩者連接成為一個有機整體,以實現(xiàn)打磨機器人的總體功能。本設計中支撐結構采用交叉支撐的結構形式,其作用是減少連接結構中零部件的數(shù)量,減小結構尺寸,從而達到減輕結構總重的目的。支撐結構設計總體思路是,將打磨機構封裝在由上箱體、下箱體構成的固定體內(nèi),并通過支撐結構2對其進行定位(見圖2),支撐結構2又通過連接角鋼與運行機構內(nèi)連板相連接;同時利用支撐機構1的一邊與打磨機構上箱體法蘭相連,另一邊與運行機構的電機固定裝置相連(見圖1)。利用這種定位的結構形式,可以實現(xiàn)打磨機構與運行機構之間的有效支撐,一方面可以有效地將打磨機構與運行機構連接成為一個整體,另一方面還可以有效地將打磨機構的重心上移,減小打磨機構重心至主梁下蓋板之間的距離。在整體結構中,由于打磨機構最重,因此打磨機構自身的重心位置對整體設備的重心位置影響較大。在減小打磨機構重心至主梁下蓋板之間距離的同時,采用本設計中支撐定位方式可有效地減小整機的重心至主梁下蓋板之間的距離,避免由于打磨機構重心至支撐面距離偏大而造成的整體不穩(wěn)定,從而提高了整機運行的穩(wěn)定性。

本設計運行機構中內(nèi)連接板上中心軸線偏轉(zhuǎn)5°的3-ФD連接孔(見圖3),通過連接角鋼與支撐結構2相連(見圖1),確保了打磨機構中軸線向后偏斜5°的要求。這種連接方式較為簡單,可以精度加工來確保打磨機構軸線的偏斜角度。以打磨機構軸線向后偏斜角度作保證,可實現(xiàn)對打磨區(qū)域的有效打磨。

4 結語

打磨機器人設計主要用于起重機主梁下蓋板無損探傷前對探傷區(qū)域進行有效打磨,由于打磨機器人是在高空作業(yè),且吸附吊掛在主梁下蓋板上,因此打磨機器人的設計既要滿足主梁下蓋板探傷的使用環(huán)境,還要防止其在主梁下蓋板上高空墜落。本文依據(jù)起重機用打磨機器人的使用場合及其功能,設計出由打磨機構、運行機構和支撐結構三部分組成的打磨機器人,并針對其結構設計的組成,從打磨機構設計的適應性、運行機構設計的可行性以及支撐結構設計的有效性等方面進行合理性分析,本設計滿足了起重機用打磨機器人從事現(xiàn)場打磨的要求。

[1] 陳道南.起重運輸機械[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2005:30-69.

[2] 黃大巍,李風,毛文杰,等.現(xiàn)代起重運輸機械[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006:46-95.

[3] 王茁,張波,裴榮國,等.壁面爬行機器人本體的設計[J].吉林化工學院學報,2004,21(4):78-80.

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