郭煒民,陳新元
(武漢科技大學 機械自動化學院,武漢 430081)
三峽大壩永久船閘,是全世界最大的船閘。而船閘的啟停升降,是通過一邊一個共計兩個超大液壓缸完成的,船閘活塞桿是船閘啟停升降的關(guān)鍵[1~4]。因此,定期的對活塞桿表面進行檢修就極為重要。目前,船閘活塞桿的表面檢測主要是通過人工檢測,在液壓缸旁建立桁架,通過肉眼仔細檢測活塞桿表面是否有缺陷,不僅費時費力,且人工檢測存在偏差和遺漏。因此設(shè)計一個自動化的船閘活塞桿表面檢測裝置,具有十分重要的意義[5]。
國外對攀爬機器人的研究很多,如西班牙的Juan Carlos Grieco*,Manuel Prieto等[6]成功研制了一種能夠在鐵磁壁面上攀爬的機器人,實現(xiàn)工業(yè)環(huán)境中的檢測、維護,但其攀爬面為平面,現(xiàn)場可利用空間受限,滿足不了攜帶檢測裝置的要求。國內(nèi)山東建筑大學張連濱、魯守銀、曹正彬等[7,8]研發(fā)了一種負重爬樹機器人,該機器人既可實現(xiàn)攀爬運動,又可控制夾緊機構(gòu)對樹干的夾持力。但活塞桿表面光滑,其夾緊機構(gòu)難以夾住活塞桿,完成一端夾緊另一端升降的工作,且控制三個氣缸同步運動難度大。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學,同濟大學等高校在攀爬機器人的研究方向上也做了很多工作,為后續(xù)攀爬機器人的研究工作積累了豐富的經(jīng)驗。但以上機器人的承載能力有限,不能夠攜帶檢測裝置,滿足不了對活塞桿表面信息的采樣需求。
本文提出一種大型船閘活塞桿表面缺陷檢測機器人,通過磁力吸附步進裝置來實現(xiàn)對活塞桿的吸附、松弛,由主體電推桿來實現(xiàn)攀爬動作,通過直流編碼電機來控制相機位于活塞桿表面的不同方位,從而將活塞桿表面的三維信息進行二維展開。設(shè)計出的機器人可攜帶拍照裝置完成檢測工作,對活塞桿表面無損檢測等工業(yè)信息的采集具有重要意義。
在船閘活塞桿表面檢測機器人的設(shè)計過程中,為了實現(xiàn)對活塞桿全方位的檢測,必須設(shè)計出一個能夠?qū)崿F(xiàn)沿著活塞桿表面攀爬并圍繞活塞桿表面旋轉(zhuǎn)的機構(gòu),使得檢測裝置位于活塞桿表面的不同方位,以實現(xiàn)對活塞桿表面的檢測。
大型船閘活塞桿表面檢測機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示,包括主體、磁力吸附步進裝置、檢測裝置、相機載體、齒輪齒條機構(gòu)。主體上下側(cè)固定聯(lián)結(jié)磁力吸附裝置,主體的上端裝備有檢測裝置、相機載體、齒輪齒條機構(gòu)。主體上下側(cè)磁力吸附裝置可獨立控制,完成對活塞桿的吸附、松弛。主體為攀爬裝置,由改進的電推桿構(gòu)成,通過主體電機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)在活塞桿表面上攀爬。
圖1 大型船閘活塞桿表面檢測機器人
磁力吸附步進裝置[9]機械結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。主體部分由2個吊裝磁鐵通過聯(lián)結(jié)軸組合在一起,聯(lián)結(jié)軸上有順時針轉(zhuǎn)動90°,逆時針轉(zhuǎn)動90°的限位開關(guān)。步進電機通過減速器帶動磁鐵正反轉(zhuǎn)90°,從而控制磁力吸附步進裝置的吸附、松弛狀態(tài),兩個吊裝磁鐵分別固定在電推桿上部的上下兩端,既能在一定程度糾偏,又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
檢測裝置如圖1所示,電機控制相機載體沿著活塞桿表面做圓周運動,相機在活塞桿的不同方位拍照。為減少滑動過程中的摩擦力,相機載體與齒條之間通過滾珠連接,絲桿電機可以調(diào)整相機與活塞桿的物距,從而改變所獲取圖像的檢測范圍。
圖2 人機參數(shù)界面設(shè)置
大型船閘活塞桿表面檢測機器人參數(shù)設(shè)置界面如圖2所示。通過設(shè)定攀爬機器人的升降步長、旋轉(zhuǎn)角度等相關(guān)參數(shù),控制器通過分別控制電機的正反轉(zhuǎn),來實現(xiàn)吸附、攀爬、拍照、調(diào)距等動作,控制器通過無線路由器接收PC機發(fā)送的控制指令,將活塞桿表面的取樣信息傳給上位機,對所獲取的圖像進行處理,拼接,從而獲取活塞桿的表面信息。
操作人員把環(huán)形齒圈環(huán)繞在大型船閘活塞桿的外側(cè)后,通過肉眼檢測機器人的盲區(qū),也即是活塞桿底部位于相機下端處。通過上下磁力吸附電機的交替工作,實現(xiàn)對活塞桿表面的吸附、松弛;通過主體推桿電機實現(xiàn)對活塞桿表面的攀爬動作;通過直流編碼電機來控制相機位于活塞桿表面的不同方位,進而將活塞桿表面的三維信息進行二維展開。
圖3 船閘活塞桿二維信息展開圖
由于機器人是進行高空作業(yè),因此,必須保證對活塞桿表面有足夠的吸附力,以免發(fā)生危險。機器人的總重量約為50kg,所選磁力裝置的額定拉力為200kg,磁力裝置與活塞桿表面之間的摩擦系數(shù)為0.15[10]。
在SoildWorks中建立大型船閘活塞桿表面檢測機器人的三維圖實體,將其進行簡化,而后導入Workbench中。
建立有限元模型時,上齒圈底座為45號鋼,其彈性模量為2.09×1011,泊松0.269,其余材料均為鋁,其彈性模量為7.1×1010。下端均設(shè)為45號鋼,磁力步進吸附裝置與活塞桿表面設(shè)為摩擦接觸,摩擦因素為0.15,其余均設(shè)為bonded,并在受力處進行網(wǎng)格細分。
圖4 機器人整體受力圖
根據(jù)所建立的有限元模型,進行靜力學分析,得到大型船閘活塞桿表面檢測機器人的應(yīng)變圖和應(yīng)力圖。
圖5 大型船閘活塞桿表面檢測機器人的應(yīng)力應(yīng)變圖
1)誤差大小評價
從圖5(a)、圖5(b)中可以看出,在2000N吸附力,摩擦系數(shù)f為0.15情況下,船閘活塞桿表面檢測機器人并未出現(xiàn)滑動,從圖5(a)可知機器人上部最大變形約為14.2mm,在允許的誤差范圍內(nèi)。
2)材料安全性評價
從圖5(b)可以看出,機器人上部環(huán)形齒圈的最大應(yīng)力為68.5MPa,小于124Mpa,固材料符合安全要求。
針對船閘活塞桿缺陷檢測的具體工況,設(shè)計一種自動化的檢測機器人來替代人工操作。重點放在對機器人的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新上,利用改進的電推桿實現(xiàn)在活塞桿表面的攀爬動作,利用磁力吸附步進裝置實現(xiàn)對活塞桿表面的吸附、松弛動作,利用齒輪齒條機構(gòu)使相機位于活塞桿表面的不同方位,將活塞桿表面的三維信息進行二維展開,從而獲取缺陷所在的位置。并對所設(shè)計的大型船閘活塞桿表面檢測機器人進行有限元分析,結(jié)果表面,磁力吸附步進裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對活塞桿表面的吸附。檢測裝置運動過程中的最大擾度14.2mm,符合表面檢測誤差預期。齒圈承載最大應(yīng)力為68.5Mpa,符合材料安全性要求。