劉曉??

摘要：基于實(shí)際需求設(shè)計(jì)了一種道路管道施工輔助機(jī)器人，用于非開挖鋪設(shè)管道施工。首先依據(jù)挖掘機(jī)器人要求，以串聯(lián)構(gòu)型為參考，提出了一種適用于非開挖機(jī)器人的新構(gòu)型；基于構(gòu)型設(shè)計(jì)了機(jī)器人系統(tǒng)各主要構(gòu)件，包括切削刀頭、螺旋輸送裝置、滾珠絲杠等，并利用Adams軟件進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真；最后，研究機(jī)器人系統(tǒng)的電氣控制部分，搭建了主/控電路，并利用PLC編制了相應(yīng)的控制程序。

關(guān)鍵詞：非開挖；道路管道施工；機(jī)器人；電氣控制

中圖分類號：U416.02 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： A kind of auxiliary robot was designed for road pipeline construction based on practical needs. According to the requirements of excavation robot， a new configuration for trenchless construction was put forward based on serial robot. Main components of the robot system were designed， including cutting cutter， screw conveyer and ball screw. The virtual prototype simulation was conducted by ADAMS. The electrical control part of the robot system was researched， and the main/control circuit was set， and corresponding control program was compiled based on PLC.

Key words： trenchless； road pipeline construction； robot； electrical control

0 引 言

機(jī)器人技術(shù)是一門迅速發(fā)展起來的新學(xué)科，它在科技領(lǐng)域和生產(chǎn)生活中得到了廣泛應(yīng)用，使傳統(tǒng)的生產(chǎn)發(fā)生變革，對人類社會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的意義。隨著中國人民生活水平的提高、環(huán)境保護(hù)力度的加大，傳統(tǒng)的開挖鋪設(shè)管道越來越不適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)的需求，非開挖鋪設(shè)管道正得到各方面的大力支持，如何將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到非開挖工程管道施工中，成為國內(nèi)外研究人員十分關(guān)注的課題。

非開挖鋪設(shè)地下管線有頂管法、定向鉆進(jìn)和導(dǎo)向鉆進(jìn)法、微型隧道施工法、夯管施工法、水平螺旋鉆進(jìn)法以及沖擊矛鋪管技術(shù)等十幾種方法[1-2]。1896年美國北太平洋鐵路鋪設(shè)工程的頂管法是最早使用的非開挖施工方法，1967年美國Schamm公司生產(chǎn)了第一臺沖擊式微型頂管機(jī)，1975年日本推出第一臺微型隧道鋪設(shè)設(shè)備[3]，推動了該技術(shù)在國外的廣泛應(yīng)用。隨著1953年北京的人工手掘式頂管出現(xiàn)，國內(nèi)開始使用這項(xiàng)技術(shù)，但設(shè)備相當(dāng)簡陋。20世紀(jì)80年代中后期，隨著工程的增多及需求的增大，中國引進(jìn)并開發(fā)了不少機(jī)械式非開挖鋪管設(shè)備，但是在施工裝備設(shè)計(jì)和制造工藝上，中國仍處于較落后的狀態(tài)，一些大型的非開挖管道鋪設(shè)工程仍然需要引進(jìn)國外設(shè)備[4]。

到目前為止，國內(nèi)外還沒有開發(fā)出這樣一種設(shè)備，能夠?qū)⒐I(yè)機(jī)器人同非開挖鋪設(shè)管道緊密結(jié)合起來，通過遙控和自動控制技術(shù)的結(jié)合進(jìn)行道路管道鋪設(shè)。

本文介紹一種新型道路管道施工輔助機(jī)器人，用于城市非開挖鋪設(shè)管道施工。首先依據(jù)挖掘機(jī)器人的要求，提出一種適用于非開挖機(jī)器人的新構(gòu)型。基于這種新構(gòu)型設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)中的主要構(gòu)件，例如切削刀頭、螺旋輸送裝置、滾珠絲杠等。對選取的零部件進(jìn)行造型，并利用ADAMS進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真。最后，設(shè)計(jì)設(shè)備的控制系統(tǒng)，并利用PLC編制相應(yīng)的控制程序。

1 機(jī)器人綜合構(gòu)型

根據(jù)實(shí)際工況，要使設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠按照預(yù)先設(shè)計(jì)的程序?qū)崿F(xiàn)給定的運(yùn)動，整個機(jī)構(gòu)需滿足以下要求。

（1）所需精度低。機(jī)構(gòu)的主要作用是挖掘土壤，預(yù)鋪設(shè)的管道直徑是0.8～1.6 m，所以機(jī)構(gòu)不需要很高的工作精度。

（2）所占空間較小。由于整個機(jī)車在地面以下進(jìn)行切削工作，所以只有當(dāng)機(jī)車的體積小于切削刀具的體積時，才能使整個機(jī)車工作。

（3）負(fù)荷較小。機(jī)構(gòu)的負(fù)荷由自身的重量和工作負(fù)載組成，而切削土壤所需的工作負(fù)荷比較小。

（4）工程造價低。機(jī)車用于一般的工程機(jī)械，主要是非開挖鋪設(shè)管道，它的工程造價同開挖鋪設(shè)比相差不大，這樣才能體現(xiàn)出本機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)并得到廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)以及要設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，選擇串聯(lián)機(jī)構(gòu)較為合適，理由如下：串聯(lián)機(jī)構(gòu)就能保證工程機(jī)械施工所需的較低精度；負(fù)載是切削土壤的阻力，比較小，不需要并聯(lián)機(jī)構(gòu)的高負(fù)載能力；本機(jī)械用于一般的工程施工，為了能夠得到廣泛應(yīng)用，造價不能太高，故選用空間桿系串聯(lián)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)桿件末端基點(diǎn)具有3個自由度，通過改變桿件長度、繞基點(diǎn)轉(zhuǎn)動和沿基點(diǎn)移動3種方式來加以實(shí)現(xiàn)[5]。通過以上3種基本運(yùn)動形式就能夠設(shè)計(jì)初步模型，下面給出2種設(shè)計(jì)方案。

1.1 方案一

圖1是對方案一的描述。機(jī)構(gòu)由3個部分組成，平板是整個機(jī)構(gòu)的載體，行走裝置安裝于它的下方；與平板連接的桿件起固定手臂的作用，它與平板組成轉(zhuǎn)動副；手臂的一端與桿件組成轉(zhuǎn)動副，另一端是用來安裝切削刀具的。這樣的機(jī)構(gòu)在工作時，行走部分將機(jī)車運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢煤螅直勰┒说牡毒唛_始切削土壤，通過2個轉(zhuǎn)動副的相互轉(zhuǎn)動，刀具可以做圓周運(yùn)動，這樣用較小的刀具就能夠切削出很大的孔，而且機(jī)車的體積不受刀具影響。

1.2 方案二

圖2是對方案二的描述，機(jī)構(gòu)由4個部分組成，底板是整個機(jī)構(gòu)的載體，下方安裝行走裝置；與底板連接的是桿件1，與方案一不同的是，它們之間不是轉(zhuǎn)動副而是固定的；桿件2與桿件1通過轉(zhuǎn)動副連接；手臂末端與桿件2組成移動副，另一端安裝切削刀具。機(jī)構(gòu)工作時，機(jī)車到達(dá)工作區(qū)域后停止行走，刀頭轉(zhuǎn)動并通過移動副向前切削土壤，移動一段距離后返回到初始位置，然后機(jī)車再向前一段距離，刀頭繼續(xù)工作，如此反復(fù)。這個機(jī)構(gòu)是直接工作的，所以刀頭只能挖掘一種尺寸的孔，機(jī)車的體積也受到刀具體積的限制。

比較上述2個方案，本次設(shè)計(jì)選用方案二的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，理由如下。

（1）切削工作時，方案一是機(jī)車一邊行走，刀頭一邊切削土壤，這樣定位比較困難；而方案二是機(jī)車停止后通過移動副向前工作。

（2）方案一中刀頭體積不限制機(jī)車的體積，刀頭通過2個轉(zhuǎn)動副繞曲線轉(zhuǎn)動，但控制起來比較困難；而方案二的刀頭只繞自身轉(zhuǎn)動，控制比較方便，同時這使機(jī)車的體積受到限制。

（3）由于方案一必須控制2個轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動才能使切削刀頭按指定的軌跡切削土壤，這樣控制起來比較困難；而方案二需要控制的只有移動副的伸縮，比較簡單。

綜上所述，選用方案二的串聯(lián)機(jī)構(gòu)作為本次設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)。

2 機(jī)器人機(jī)械部分設(shè)計(jì)

2.1 切削刀頭

首先，設(shè)計(jì)要求鋪設(shè)管道的直徑為0.8～1.6 m，相對較大，所需要的刀頭也較大，故不能采用一體設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際要求，將切削刀頭分為3個部分（圖3）：第一部分是鉆孔部分，主要用來引導(dǎo)刀頭前進(jìn)；第二部分主要起過渡和擴(kuò)孔的作用；第三部分是切削主體部分。

第一部分是在參考鉆頭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，在切削土壤時，主要用來定位、鉆孔，使得后面的切削刀頭部分能夠正常工作，由于重量、體積等限制，這部分體積應(yīng)較小。

第二部分是設(shè)計(jì)類似錐齒輪，主要是連接刀頭的前后2個部分，起過渡作用，同時，在第一部分鉆孔的基礎(chǔ)上，對孔進(jìn)行擴(kuò)大。

第三部分是挖掘部分，切削葉片主要的作用是對土壤進(jìn)行切削，它的結(jié)構(gòu)類似葉輪葉片，由于葉片的形狀特殊，整個葉片逐漸進(jìn)入土壤中，這樣可以避免刀頭受到很大的切削阻力，同時，切削下來的土壤不會滯留在葉片上，減少一部分切削阻力。

2.2 螺旋輸土裝置

機(jī)車底部的輸送土壤裝置仿照造紙工業(yè)中的螺旋輸送機(jī)，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)由裝有螺旋葉片的轉(zhuǎn)軸和料槽組成，通過軸承將轉(zhuǎn)軸裝在機(jī)車底板的軸承座上，轉(zhuǎn)軸由電機(jī)驅(qū)動。其工作原理是：土料從進(jìn)料口進(jìn)入，隨著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，土料受到來自葉片的法向推力，土料在葉片法向推力的軸向分力作用下，沿著料槽軸向移動[6]。

2.3 驅(qū)動電機(jī)

設(shè)備需要3個電機(jī)，分別用來驅(qū)動螺旋裝置、切削葉片的轉(zhuǎn)動以及與滾珠絲杠相連的移動板的移動。在機(jī)車工作時，這3個電機(jī)的相互運(yùn)動規(guī)律較簡單，所以采用異步電機(jī)作驅(qū)動源。初步選取Y系列（IP44）三相異步電機(jī)。IP44類電機(jī)為封閉自扇冷式鼠輪型三相異步電動機(jī)，與其他系列相比有效率高、節(jié)能、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、震動小、運(yùn)動安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，還能防止鐵屑或其他雜物侵入電機(jī)內(nèi)部；更重要的一點(diǎn)是，IP44類電機(jī)除了具有與Y系列（IP23）相同的用途外，還適用于灰塵多、水土飛濺的場所，如球磨機(jī)、碾米機(jī)、磨粉機(jī)、脫谷機(jī)及其他農(nóng)業(yè)機(jī)械、食品機(jī)械、礦山機(jī)械等。

2.4 傳動連接部分

本次設(shè)計(jì)中，電機(jī)與切削葉片之間采用齒輪傳動，在起減速作用的同時，減小了電動機(jī)承受的挖掘阻力矩，又因?yàn)橥诰蜉S向力由滾珠絲杠承受，所以采用直齒圓柱齒輪。

采用滾珠絲杠傳動實(shí)現(xiàn)移動板與導(dǎo)軌之間的相對移動。滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機(jī)械元件，其作用是將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橐苿影宓闹本€運(yùn)動，以達(dá)到機(jī)車工作所需要的運(yùn)動形式。絲杠的一端與電機(jī)相連接，位置是固定的；另一端在移動板上，位置是變化的。故將滾珠絲杠的支撐選擇為一端固定一端自由，其固定端采用2個角接觸軸承支撐。

用軸來支撐回轉(zhuǎn)零件，傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動。在一般情況下，軸的工作能力取決于它的強(qiáng)度和剛度，對于高轉(zhuǎn)速軸，有時還取決于它的震動穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)軸時，在按上述要求進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算或校核計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)還要滿足運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)要求、特殊處理要求等。

3 虛擬樣機(jī)仿真

在設(shè)計(jì)階段，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以使生產(chǎn)的產(chǎn)品滿足要求，并有效地縮短開發(fā)周期，提高開發(fā)效率，節(jié)省開發(fā)費(fèi)用。本文采用ADAMS軟件建立運(yùn)動和動力學(xué)模型，進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真。

ADAMS具有很強(qiáng)的運(yùn)動和動力學(xué)仿真能力，但它建模的能力相對比較弱，所以本次設(shè)計(jì)中，用Solidworks對形狀復(fù)雜的零件進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入ADAMS中，建立簡單的模型并添加一定的約束和動力仿真。將上面的零件導(dǎo)入ADAMS中，設(shè)定零件材料，找到零件重心，利用ADAMS的建模能力，在這些零件的基礎(chǔ)上，建立軸、軸承、軸承座、移動板等模型，再將這些零件裝配起來[7]。

本管道施工輔助機(jī)器人由多個構(gòu)件組成，且它們之間存在約束關(guān)系，即通常所說的運(yùn)動副或鉸鏈。為了模擬其運(yùn)動情況，需要在構(gòu)件間定義運(yùn)動副的同時，在構(gòu)件之間和運(yùn)動副上添加載荷，并在運(yùn)動副上加以驅(qū)動，以使機(jī)構(gòu)可以模擬仿真運(yùn)動。

考慮機(jī)車實(shí)際工作中各構(gòu)件的運(yùn)動關(guān)系，將其抽象為各種運(yùn)動副，并在零件上定義這些約束副，在轉(zhuǎn)動副處添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，建立仿真模型，如圖5所示。

通過仿真可以看出，機(jī)構(gòu)沒有發(fā)生運(yùn)動干涉，所以預(yù)先設(shè)計(jì)的各個零件在機(jī)車運(yùn)動過程中不發(fā)生運(yùn)動學(xué)干涉。

4 電氣部分設(shè)計(jì)

前面已經(jīng)選擇了電機(jī)的型號，本節(jié)主要介紹控制三相異步電動機(jī)的電路，電路擬采用PLC控制。設(shè)計(jì)中機(jī)車需要完成的運(yùn)動過程如下。

（1）閉合開機(jī)開關(guān)，螺旋排土裝置運(yùn)行。

（2）機(jī)車由靜止開始運(yùn)動0.3 m后停止。

（3）切削葉片開始轉(zhuǎn)動。

（4）葉片轉(zhuǎn)動3 s后，滾珠絲杠開始轉(zhuǎn)動移動板向前運(yùn)動3 min（0.3 m）。

（5）移動板快退回到初始位置，這個過程用時10 s。

（6）切削葉片停止轉(zhuǎn)動。這是機(jī)車工作的第一個循環(huán)過程，然后繼續(xù)重復(fù)（2）～（6）的步驟。

以上每個運(yùn)動過程都是電動機(jī)的轉(zhuǎn)動引起的，所以通過設(shè)計(jì)電路控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)動就能夠得到所需的運(yùn)動。采用軟、硬件結(jié)合組成控制電路，主/控電路分別如圖6、7所示。

4.1 主電路圖的設(shè)計(jì)

主電路圖由以下6個部分組成。

（1）機(jī)車行走分支。從三相線出來通過繼電器KM1的常開觸點(diǎn)連接到電機(jī)1上，觸點(diǎn)的開閉控制電機(jī)轉(zhuǎn)動與否，從而控制機(jī)車的啟停，繼電器KM1在控制電路中連接。

（2）刀頭轉(zhuǎn)動分支。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速比較快，依靠一級齒輪減速很困難，所以采用變頻調(diào)速，利用變頻器的作用使電機(jī)降低到理想的轉(zhuǎn)速，同樣通過KM2常開觸點(diǎn)的斷開和閉合控制電機(jī)2的轉(zhuǎn)停，從而控制切削葉片的轉(zhuǎn)停。

（3）導(dǎo)軌移動分支。移動板在滾珠絲杠的作用下前后移動，切削土壤時移動板以較慢的速度向前移動，相反，切削完畢后移動板以較快的速度返回到初始的位置。這一過程由一個電動機(jī)控制，將三相中的任意兩相對換就能夠使電機(jī)的轉(zhuǎn)向發(fā)生變化，所以繼電器KM3、KM4 的2個常開觸點(diǎn)的斷開和閉合就能控制電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)。因?yàn)橐苿影迩昂笠苿铀俣炔灰粯樱詰?yīng)連接2個不同的變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的不同轉(zhuǎn)速。

（4）螺旋排土分支。螺旋排土裝置主要是利用電動機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動螺旋葉片的轉(zhuǎn)動，從而將切削下來的土壤排到機(jī)車的后面，它的控制原理同刀頭轉(zhuǎn)動分支的控制。

（5）交直流轉(zhuǎn)化電路。由于控制電路選用PLC的電源電壓是直流24 V，為了使供電方便，設(shè)計(jì)這樣的電路能夠?qū)⑷嗑€的交流380 V轉(zhuǎn)化為直流24 V。

（6）指示燈。每個指示燈通過對應(yīng)繼電器的常開觸點(diǎn)連接到電路中，以表示每個動作的執(zhí)行與否。指示燈之間是并聯(lián)的，互不影響，它們分別指示的內(nèi)容為：電源供電與否、機(jī)車前進(jìn)與停止、刀頭轉(zhuǎn)動、導(dǎo)軌前進(jìn)、導(dǎo)軌后退以及排土裝置的運(yùn)行。

4.2 控制電路的設(shè)計(jì)

以上介紹了主電路圖的設(shè)計(jì)過程，下面設(shè)計(jì)控制電路，將預(yù)先設(shè)計(jì)的程序輸入PLC中控制主電路的電機(jī)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)要求的運(yùn)動形式。

控制電路的核心元件是FX1N系列微型可編程控制器，此PLC的供電電壓是+24V，通過主電路交直流轉(zhuǎn)化電路可得到這一電壓。控制電路由軟硬件同時組成。

將PLC的X0端作為輸入端，當(dāng)閉合開機(jī)開關(guān)時，PLC得電，通過事先存儲的程序控制繼電器得電，近而控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動，這樣由程序自動控制機(jī)車工作，而不需要人的干涉。PLC的輸出點(diǎn)Y0、Y1、Y2、Y3、Y4分別與繼電器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5連接，這5個繼電器控制著主電路的5個電機(jī)。也就是說，PLC的5個輸出點(diǎn)控制著整個機(jī)車的運(yùn)動過程。由于KM2、KM3控制著移動板的正反運(yùn)動，即電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，為了避免損壞電機(jī)，應(yīng)該使用軟、硬件同時進(jìn)行互瑣，確保KM2、KM3不同時得電。硬件的互鎖措施是將繼電器常閉觸點(diǎn)KM2、KM3與繼電器KM3、KM2串聯(lián)。

將KM5的常開觸點(diǎn)與開機(jī)開關(guān)并聯(lián)，因?yàn)槔^電器KM5控制排土裝置的電機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，工作時排土裝置是一直運(yùn)行的，所以當(dāng)按下開機(jī)開關(guān)時KM5得電，它的常開觸點(diǎn)閉合，使得控制電路閉合[8]。當(dāng)需要關(guān)機(jī)時，按下關(guān)機(jī)開關(guān)，各繼電器都失電，開關(guān)KM5斷開，電路中斷。

通過GX Developer Version 7 軟件繪制設(shè)備的控制梯形圖，生成指令語句并寫入PLC中，實(shí)現(xiàn)自動化控制。

5 結(jié) 語

根據(jù)實(shí)際工況，以串聯(lián)機(jī)器人基本構(gòu)型為基礎(chǔ)，結(jié)合虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)了道路管道施工輔助機(jī)器人，對機(jī)器人的工作條件、工作性能、電氣控制進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論。

（1）傳統(tǒng)的非開挖設(shè)備只能鋪設(shè)直徑很小的管道，而本次設(shè)計(jì)的設(shè)備能夠鋪設(shè)直徑為0.8～1.6 m的比較大的管道，改善過去鋪設(shè)大管道時先開挖后填埋的現(xiàn)象。

（2）設(shè)計(jì)了切削刀頭和螺旋排土裝置，經(jīng)過理論分析，這2個部分的設(shè)計(jì)都是合理的。

（3）機(jī)車各部分的電機(jī)都由PLC控制，通過預(yù)先設(shè)計(jì)的程序能夠?qū)崿F(xiàn)給定的運(yùn)動，機(jī)車自動控制一方面能夠保證施工的效率和速度，另一方面，這樣的非開挖自動施工與傳統(tǒng)的開挖施工相比，不僅施工過程變得簡單，而且成本降低。

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[責(zé)任編輯：王玉玲]