吳小輝 石 飛 申純太 徐子力 薛 卉 黃 蓉

（1上海電氣集團(tuán)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(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(tuán)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(jì)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(jī)器人的機(jī)械本體機(jī)構(gòu)，對(duì)機(jī)器人的受力情況與拖纜力進(jìn)行了分析與計(jì)算。相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，該機(jī)器人能夠在不同內(nèi)徑的管道中實(shí)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(jī)器人，多管徑，內(nèi)壁修磨

0 引言

在各種工業(yè)管道的焊接過(guò)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(guò)大）會(huì)影響焊接質(zhì)量，進(jìn)而影響管道的使用，因此，對(duì)這些焊接缺陷需要進(jìn)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(jìn)管道內(nèi)操作砂輪機(jī)進(jìn)行作業(yè)，生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣，而且人工修磨完全依賴(lài)工人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，修磨質(zhì)量難于量化評(píng)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(diǎn)，傳統(tǒng)的管道檢測(cè)機(jī)器人無(wú)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(dòng)強(qiáng)度，研制一種適應(yīng)大范圍內(nèi)徑的管道焊縫修磨機(jī)器人具有重要意義。

1 本體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在管道焊接加工車(chē)間的金屬管道中，設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠在操作員的操縱下，通過(guò)進(jìn)出管道、在焊縫處定位頂升壓塊、環(huán)繞焊縫一周修磨等動(dòng)作完成管道內(nèi)壁焊縫修磨的任務(wù)。

1.1 方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，目前國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用的管道機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有輪式、履帶式、內(nèi)撐輪式和步進(jìn)式[1]。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，在相對(duì)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(duì)于輪式機(jī)構(gòu)，履帶式機(jī)構(gòu)有接地壓強(qiáng)小，滾動(dòng)阻力小，通過(guò)性能較好，越野機(jī)動(dòng)性好，牽引附著性能好等優(yōu)點(diǎn)，然而機(jī)構(gòu)復(fù)雜，而且重量較大。內(nèi)支撐輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)和步進(jìn)式移動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)，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(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外各種管道機(jī)器人進(jìn)行對(duì)比研究，綜合考慮各種方案的特點(diǎn)與作業(yè)流程，我們最終選定“行走模塊+修磨模塊”的設(shè)計(jì)方案。行走模塊作為載體平臺(tái)使機(jī)器人移動(dòng)至合適位置，修磨模塊作為工作端進(jìn)行環(huán)焊縫修磨的作業(yè)，通過(guò)CCD攝像頭和各類(lèi)傳感器將工作情況適時(shí)顯示在控制箱內(nèi)的顯示屏上。

圖1 幾種常見(jiàn)管道機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，本設(shè)計(jì)選定輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)作為行走模塊的移動(dòng)形式，為了使機(jī)器人在管道內(nèi)能夠順利完成運(yùn)動(dòng)、停止、頂升固定等動(dòng)作，將輪子進(jìn)行調(diào)整，使其與水平面成45°夾角，這樣兩對(duì)輪子成90°夾角，再加上氣缸驅(qū)動(dòng)的頂升塊，就可以將機(jī)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(guò)導(dǎo)桿和絲桿與行走模塊相連接，通過(guò)絲桿調(diào)整其高度以適應(yīng)不同內(nèi)徑的管道，通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)的周向旋轉(zhuǎn)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)周向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)的絲桿-螺母來(lái)實(shí)現(xiàn)徑向長(zhǎng)度的調(diào)整，通過(guò)氣源驅(qū)動(dòng)的氣動(dòng)砂輪機(jī)來(lái)進(jìn)行管道內(nèi)壁焊縫的修磨工作。

圖2 管道焊縫修磨機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 受力分析

2.1 車(chē)輪受力分析

移動(dòng)機(jī)器人能夠正常行走需要滿足兩個(gè)條件，即動(dòng)力必須大于行駛阻力的總和(否則動(dòng)力不足)；電機(jī)輸出動(dòng)力必須小于或等于管道與履帶之間的附著力(否則就會(huì)打滑)[3]。為了提高附著力，可以提高機(jī)器人的重量，提高附著系數(shù)(摩擦系數(shù))。增大驅(qū)動(dòng)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(shí)，附著力與車(chē)體重量成正比。所以，機(jī)器人的重量與附著系數(shù)決定了機(jī)器人所能產(chǎn)生的輸出牽引力的最大值[4]。

圖3 機(jī)器人車(chē)輪受力分析圖

如圖3所示，機(jī)器人在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)2個(gè)主動(dòng)輪進(jìn)行受力分析，圖中，f為機(jī)器人在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)所受到的摩擦力，N為車(chē)輪所受到管壁的正壓力，F(xiàn)1和F2為機(jī)器人本體對(duì)車(chē)輪的作用力，M為伺服電機(jī)對(duì)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力矩，a為車(chē)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(jī)器人進(jìn)行焊縫修磨作業(yè)時(shí)，通過(guò)砂輪旋轉(zhuǎn)對(duì)焊縫進(jìn)行修磨，同時(shí)砂輪繞著管道中心進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。圖中，N為管道內(nèi)壁對(duì)砂輪的正壓力，f1為管道內(nèi)壁對(duì)砂輪繞砂輪軸心轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力，f2為管道內(nèi)壁對(duì)砂輪繞管道軸心轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力，M1為氣動(dòng)馬達(dá)對(duì)砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩，M2為伺服電機(jī)對(duì)砂輪繞著管道軸心轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩。分析可得：

圖4 機(jī)器人修磨作業(yè)時(shí)砂輪受力分析圖

2.3 拖纜力分析

為便于分析計(jì)算[6]，假設(shè)：機(jī)器人在管道內(nèi)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，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(wú)軸向伸長(zhǎng)，無(wú)內(nèi)摩擦，不考慮電纜與氣管之間的相互作用對(duì)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(jī)器人在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)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(zhǎng)度為的一段小單元進(jìn)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(jì)算公式。

3 相關(guān)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)圖2所示的設(shè)計(jì)方案，加工裝配成如圖6所示的樣機(jī)進(jìn)行修磨作業(yè)實(shí)驗(yàn)。本文主要介紹修磨效率試驗(yàn)和拖纜力試驗(yàn)。

圖6 管道焊縫修磨機(jī)器人樣機(jī)實(shí)物圖

3.1 修磨效率試驗(yàn)

由式(4)可知，修磨作業(yè)時(shí)，在砂輪直徑與砂輪機(jī)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(duì)砂輪的正壓力N以及砂輪與焊縫的滑動(dòng)摩擦系數(shù)有關(guān)，管道內(nèi)壁對(duì)砂輪的正壓力N和滑動(dòng)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(jìn)行圖7所示的修磨效率試驗(yàn)，修磨作業(yè)完成后的效果如圖8所示。

圖7 修磨效率試驗(yàn)圖

圖8 修磨效果圖

在圖8中，1號(hào)是指正壓力20N，進(jìn)給速度0.5°/s，2號(hào)是指正壓力30N，進(jìn)給速度0.5°/s；通過(guò)圖9可以看出，2號(hào)的修磨效率要高于1號(hào)，經(jīng)過(guò)精確測(cè)量的數(shù)據(jù)(表1)也證明了這一點(diǎn)。

表1：修磨效率測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

通過(guò)試驗(yàn)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(dòng)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(xiàng)目獲2013年度上海市重大技術(shù)裝備研制專(zhuān)項(xiàng)資助，項(xiàng)目編號(hào)： ZB-ZBYZ-01-13-2083