凌張偉,孔 帥,陳永貴,繆存堅(jiān),郭偉燦

(1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院, 杭州 310020;2.浙江省特種設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 310020)

工業(yè)管道屬于壓力管道主要的3個(gè)類別之一，納入特種設(shè)備監(jiān)管范圍。工業(yè)管道具有點(diǎn)多、面廣、量大及布置復(fù)雜、更新頻率快、服役環(huán)境惡劣、失效形式復(fù)雜等特點(diǎn)[1]，容易發(fā)生腐蝕、結(jié)垢、裂紋、穿孔等缺陷，導(dǎo)致管道失效，因此需要通過(guò)定期檢驗(yàn)對(duì)管道的安全狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于工業(yè)管道設(shè)計(jì)、管理的不到位[2]，加之工業(yè)管道常常處于復(fù)雜的環(huán)境下，加大了傳統(tǒng)檢測(cè)方法的工程實(shí)施難度，這也推動(dòng)了管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展。

管道檢測(cè)機(jī)器人是針對(duì)油氣輸送工業(yè)管道的檢測(cè)、噴涂、接口焊接、異物清理等維護(hù)檢修作業(yè)而研制的一種特種機(jī)器人，而變徑機(jī)器人是一種特殊的管道機(jī)器人，能夠適用于彎管、變徑管、“T”型管道及管內(nèi)焊縫等復(fù)雜環(huán)境，特別適用于情況復(fù)雜的工業(yè)管道。國(guó)外關(guān)于管道檢測(cè)機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)40年代，于20世紀(jì)90年代初得到了迅猛的發(fā)展，取得了大量的研究成果。管道檢測(cè)機(jī)器人按運(yùn)動(dòng)方式可分為介質(zhì)壓差式、輪式、螺旋驅(qū)動(dòng)式、履帶式、蛇行式、蠕動(dòng)式、多足爬行式等[3-7]。針對(duì)彎管、變徑管、“T”型管道等復(fù)雜情況下的檢測(cè)機(jī)器人，距離大規(guī)模實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離。

筆者以國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的外徑為219 mm和273 mm的工業(yè)管道為研究對(duì)象，針對(duì)其水平管段、垂直管段、彎頭、變徑節(jié)等部位的檢測(cè)，研制了一款工業(yè)管道可變徑內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人。該機(jī)器人采用連桿支撐的3個(gè)獨(dú)立履帶驅(qū)動(dòng)模塊以適應(yīng)不同的管徑以及不同的爬行姿態(tài);采用柔性滑動(dòng)機(jī)構(gòu)以自動(dòng)適應(yīng)管徑的微小變化并提高越障能力;采用薄膜壓力傳感器采集三履帶與壁面之間的壓力以對(duì)機(jī)器人的姿態(tài)位置進(jìn)行閉環(huán)控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人具有較好的工業(yè)管道檢測(cè)環(huán)境適應(yīng)能力，可順利通過(guò)水平、垂直、彎頭及變徑管段，亦可以搭載各種檢測(cè)模塊對(duì)工業(yè)管道進(jìn)行檢測(cè)。

1 變徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管道機(jī)器人預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)包括彈簧預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)、蝸桿預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)、升降機(jī)預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)和絲杠螺母副預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)等。不同變徑機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。相對(duì)于其他變徑方式，絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)的變徑方式具有變徑范圍大、驅(qū)動(dòng)力小、空間布置簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。筆者采用移動(dòng)彈簧和絲杠螺母副混合預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)，根據(jù)管道的軸對(duì)稱性和三角形的穩(wěn)定性等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了3組結(jié)構(gòu)相同、相互獨(dú)立、周向均布的預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)不僅可以適應(yīng)大范圍的變徑，而且自適應(yīng)越障能力更強(qiáng)，具有較強(qiáng)的自解卡能力。

圖1 不同變徑機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

由于機(jī)器人各個(gè)預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同且相互獨(dú)立，因此取單個(gè)預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。圖2所示為該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，預(yù)緊電機(jī)通過(guò)齒輪帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)使螺母滑動(dòng)，螺母滑動(dòng)帶動(dòng)壓桿1運(yùn)動(dòng)壓縮預(yù)緊彈簧產(chǎn)生預(yù)緊力，預(yù)緊力通過(guò)壓桿2作用于履帶模塊，使履帶模塊壓緊管壁獲得一定的封閉力。履帶模塊與機(jī)體之間通過(guò)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)CDFE連接，螺母與壓桿1鉸接于A點(diǎn)，壓桿1與壓桿2通過(guò)預(yù)緊彈簧連接，壓桿2與履帶模塊鉸接于B點(diǎn)(B點(diǎn)為CD中點(diǎn))。

圖2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理示意

該預(yù)緊方式屬于剛?cè)峄旌项A(yù)緊，當(dāng)機(jī)器人遇到障礙或微小變徑時(shí)，可通過(guò)彈簧伸縮實(shí)現(xiàn)對(duì)管壁的機(jī)械自適應(yīng)，當(dāng)機(jī)器人需要適應(yīng)大范圍變徑時(shí)，可通過(guò)變徑電機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)變徑。在變徑功能模塊的絲杠螺母機(jī)構(gòu)與連桿機(jī)構(gòu)之間加入彈簧滑塊自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，當(dāng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)鎖死之后，彈簧滑塊自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)小范圍擺動(dòng)張開(kāi)或收縮，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的小范圍變徑，完成越障和過(guò)彎。

對(duì)變徑機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析。假設(shè)機(jī)器人勻速運(yùn)動(dòng)，因此在對(duì)預(yù)緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析時(shí)可當(dāng)作靜態(tài)處理(不考慮重力作用)，其中機(jī)體作為固定件。建立相應(yīng)的坐標(biāo)系xOy(見(jiàn)圖2，x軸通過(guò)管道軸線，y軸通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)CDFE與機(jī)體的鉸接點(diǎn)F)，圖中Nt(垂直于機(jī)器人軸線)為由預(yù)緊機(jī)構(gòu)作用產(chǎn)生的管壁對(duì)履帶模塊的封閉力，F(xiàn)t為由預(yù)緊機(jī)構(gòu)作用產(chǎn)生的管壁與履帶模塊之間的摩擦力，F(xiàn)s為預(yù)緊彈簧對(duì)壓桿2的作用力，T為驅(qū)動(dòng)輪所受的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，α,β分別為連桿AB、DF與x軸的夾角，L1、L2、L3為AB、DF、EF的長(zhǎng)度，H1、H2為點(diǎn)A、F到x軸的距離。則有

(1)

對(duì)式(1)進(jìn)行微分可以得到

(2)

根據(jù)虛位移原理，管壁對(duì)履帶模塊的正壓力Nt、彈簧力Fs與摩擦力Ft在該位置由微小位移引起的虛功之和應(yīng)為0，可得到方程

NtdyB+FscosαdxA-FtdxB=0

(3)

同時(shí)有

Ft=μN(yùn)t

(4)

式中：μ為履帶與管壁之間的摩擦系數(shù)。

將式(2)和(4)帶入式(3)中，可以求得預(yù)緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的封閉力Nt為

(5)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成采用多處理器、接口技術(shù)及軟件技術(shù)。硬件設(shè)計(jì)采用多模塊板式，各板處理器可以并行處理，板間通信采用中斷或查詢的方式進(jìn)行。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，分裝在各板處理器中，并指定一塊模板作為主控制器，構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)形式。在人工控制下可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、越障以及在不同管徑之間切換等。

機(jī)器人電路控制框圖如圖3所示。該系統(tǒng)一共有2塊CPU(中央處理器)，即1塊機(jī)器人本體驅(qū)動(dòng)和1塊外部控制箱驅(qū)動(dòng)，外部控制箱作為主控制器，機(jī)器人本體控制板作為從控制器；2塊板之間采用CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))總線進(jìn)行通訊。機(jī)器人本體控制板控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)和變徑電機(jī)采集3個(gè)限位開(kāi)關(guān)的電平信號(hào)。具體控制過(guò)程為機(jī)器人本體控制板控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)和后退，機(jī)器人本體控制板控制變徑電機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的張開(kāi)和收縮，機(jī)器人收縮到最小范圍時(shí)，限位開(kāi)關(guān)1由高電平變?yōu)榈碗娖?；機(jī)器人張開(kāi)到φ219 mm和φ273 mm兩個(gè)位置時(shí)，限位開(kāi)關(guān)2和限位開(kāi)關(guān)3分別由高電平變?yōu)榈碗娖健?/p>

圖3 機(jī)器人電路控制框圖

3 樣機(jī)與測(cè)試

可變徑機(jī)器人樣機(jī)及測(cè)試平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示，完成可變徑內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人樣機(jī)裝配后，。為驗(yàn)證樣機(jī)性能，搭建了φ219273 mm的水平變徑管道和垂直變徑管道試驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)同時(shí)具有90°彎頭，變徑彎頭以及垂直管段。變徑試驗(yàn)結(jié)果表明，該樣機(jī)可以順利通過(guò)φ219273 mm的水平變徑管道、垂直變徑管道和90°彎頭，具有較好的通過(guò)性能。

圖4 可變徑機(jī)器人樣機(jī)及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié)論

(1) 工業(yè)管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人是保障工業(yè)管道安全運(yùn)行的重要檢測(cè)工具，筆者研制的工業(yè)管道可變徑內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人，可搭載各種檢測(cè)模塊對(duì)工業(yè)管道進(jìn)行檢測(cè)，有助于提高工業(yè)管道內(nèi)檢測(cè)作業(yè)的自動(dòng)化水平和效率，具有良好的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

(2) 設(shè)計(jì)了移動(dòng)彈簧和絲杠螺母副混合預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)，根據(jù)管道的軸對(duì)稱性和三角形的穩(wěn)定性等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了3組結(jié)構(gòu)相同、相互獨(dú)立、周向均布的預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)，不但可以適應(yīng)大范圍的變徑，而且自適應(yīng)越障能力強(qiáng)，具有較強(qiáng)的自解卡能力。

(3) 設(shè)計(jì)的工業(yè)管道可變徑內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人樣機(jī)可以順利通過(guò)φ219273 mm的水平變徑管道、垂直變徑管道和90°彎頭，具有較優(yōu)越的通過(guò)性能。