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        軌道裝備用無(wú)損檢測(cè)爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2022-07-29 03:20:40肖敬偉
        關(guān)鍵詞:檢測(cè)

        肖敬偉

        (長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)春130022)

        0 引言

        廣泛使用于化工設(shè)備中的壓力容器在生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中多以罐體為主,由于罐體長(zhǎng)期處于腐蝕、低溫或高壓的工作環(huán)境中,易出現(xiàn)罐壁開(kāi)裂、劣化、蠕變和疲勞斷裂等。如何對(duì)壓力容器進(jìn)行快速檢測(cè)和清洗,是擺在化工工作人員面前的一道難題。目前壓力容器檢測(cè)和清洗多以“人工為主、機(jī)器為輔”,隨著科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,“機(jī)器為主、人工為輔”將得以實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)學(xué)者在這一領(lǐng)域鉆研多年,其中盧盛欣等[1]基于風(fēng)力電塔設(shè)計(jì)一款小型爬壁檢測(cè)機(jī)器人;李志等[2]針對(duì)儲(chǔ)油罐存在管壁檢測(cè)和測(cè)量難題,采用四自由度吸附式爬壁人以此來(lái)解決缺陷;李靜等[3]針對(duì)鍋爐壁厚采用多級(jí)控制方式,提高了檢測(cè)效率,實(shí)現(xiàn)了吸附式檢測(cè)和監(jiān)控。當(dāng)爬壁機(jī)器人在工作過(guò)程中履帶會(huì)與壁體直接接觸,對(duì)于一些特殊的內(nèi)徑存在達(dá)不到精確檢測(cè)的問(wèn)題。

        因此,針對(duì)大型石油罐罐底與罐壁缺陷的在油檢測(cè)問(wèn)題,筆者設(shè)計(jì)一種可爬直角壁的四輪四軸液壓驅(qū)動(dòng)式磁力吸附爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人可在石油罐內(nèi)實(shí)現(xiàn)罐底與罐壁間的雙向直角過(guò)渡攀爬、90°轉(zhuǎn)向及工作間隙調(diào)節(jié)等動(dòng)作。同時(shí),為了保證運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性能,設(shè)計(jì)多組吸附單元作為吸附機(jī)構(gòu),采用無(wú)刷電機(jī)為雙同步帶供電,機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的靈活性和速度得到了提高;其中筆者對(duì)同步帶式移動(dòng)越障機(jī)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì),大大增加了機(jī)器人的越障能力,提高了實(shí)用性。

        1 總體方案設(shè)計(jì)

        爬壁機(jī)器人總體尺寸為650mm×600mm×200mm,裝配體模型如圖1所示。

        (a)俯視圖 (b)側(cè)視圖圖1 無(wú)損檢測(cè)爬壁機(jī)器人裝配體模型

        機(jī)器人向前移動(dòng)的同時(shí)要進(jìn)行焊縫檢測(cè)和缺陷打標(biāo),機(jī)器人移動(dòng)速度暫定為1 m/min。設(shè)計(jì)性能指標(biāo):最大尺寸要求≤650mm×600mm×200mm;本體自身質(zhì)量≤5 kg;負(fù)載能力≤10 kg;移動(dòng)速度1~2 m/min;運(yùn)動(dòng)角度誤差≤0.5°;越障能力≥10 mm。

        2 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        車(chē)體下方兩側(cè)各置有同步帶,由無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng),車(chē)體的速度和方向可以通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)速度來(lái)控制,當(dāng)車(chē)體在平緩表面直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí),同步帶上方的2個(gè)光滑輪下移壓迫同步帶使帶面張緊[4]。當(dāng)車(chē)體需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí),2輪緩慢上升,帶面由張緊狀態(tài)變?yōu)樗沙跔顟B(tài),通過(guò)2組可以改變直徑的齒輪或者皮帶輪來(lái)控制無(wú)調(diào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的變速比[5]。

        2.2 電機(jī)選型

        爬壁機(jī)器人主要由同步帶、吸附裝置、電機(jī)減速器和型材等構(gòu)成[6]。由于無(wú)刷電機(jī)內(nèi)自帶減速裝置,不需再挑選減速器與其搭配。假定電機(jī)經(jīng)減速器裝置作用后的效率為η,則減速器的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率

        Mr=iηMd≥MQ

        (1)

        (2)

        式(1)和式(2)中,i為傳動(dòng)比;Md為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩;PQ,MQ分別為經(jīng)計(jì)算得出的驅(qū)動(dòng)帶輪所需的功率和轉(zhuǎn)矩;n為減速裝置的輸出速度,取n=15 r/min。

        把數(shù)值代入式(2)、式(1),得出:

        Pr=15 W≥PQ=12.964 W

        Mr=13.265 N·m≥MQ=11.783 N·m

        因此,該爬壁機(jī)器人電機(jī)所選功率為15 W24 V的無(wú)刷電機(jī),經(jīng)計(jì)算可以滿(mǎn)足爬壁所需的動(dòng)力要求。

        2.3 同步帶設(shè)計(jì)選擇

        同步帶外層為氯丁橡膠的環(huán)形帶狀,內(nèi)層有鋼絲和纖維構(gòu)成。由于傳輸履帶為環(huán)狀,帶溝槽、履帶最外層承載力較小,且不打滑、張力小,故帶與帶輪之間為相對(duì)滑動(dòng)構(gòu)成同步傳動(dòng)[7]。按照同步傳動(dòng)帶標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,同步帶功率

        Pd=k0P=1.3×0.014=17.1 W

        (3)

        式(3)中,k0為載荷修正系數(shù),取k0=1.3 ;P為單側(cè)需要傳遞的功率,取P=14 W。

        為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程,對(duì)所選的同步帶進(jìn)行抗拉強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)做如下假設(shè):

        (1)同步帶為剛體;

        (2)同步帶帶齒與輪齒在不打滑的情況下,帶輪停轉(zhuǎn),帶的伸長(zhǎng)量達(dá)到最大值,這樣保證了同步帶張緊端達(dá)到拉應(yīng)力的最大值;

        (3)同步帶與帶輪嚙合處,恰好為同步帶入彎點(diǎn),這樣保證輪齒給帶齒的剪切應(yīng)力方向應(yīng)為沿同步帶的平面,即拉應(yīng)力方向,通過(guò)分析可知,同步帶齒受到的作用力是輪齒給帶齒的剪切力

        F1=Mr/d1=123.21 N

        (4)

        式(4)中,d1為同步帶輪直徑。

        剪切力使同步帶受到橫向拉應(yīng)力,通過(guò)計(jì)算分析得知:該同步帶所受到的總拉力小于該同步帶的許用拉應(yīng)力,則表示該同步帶在正常工作中,不會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

        2.4 爬壁機(jī)器人吸盤(pán)設(shè)計(jì)

        車(chē)輪式結(jié)構(gòu)移動(dòng)速度快、控制靈活,尤其轉(zhuǎn)向比較容易實(shí)現(xiàn),但車(chē)輪與壁面接觸面積小,因而維持一定的吸附力較困難;同步帶式結(jié)構(gòu)對(duì)壁面的適應(yīng)性強(qiáng),接觸面積大,吸附力強(qiáng),運(yùn)動(dòng)速度較快,但不易轉(zhuǎn)向和壁面過(guò)渡[8];多足步行式吸附力較強(qiáng),易于跨越障礙,可靈活實(shí)現(xiàn)壁面過(guò)渡和轉(zhuǎn)向等功能,但移動(dòng)速度慢,各足的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性要求較高,控制難度高[9];框架式結(jié)構(gòu)利用多層框架的交替運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體的整體移動(dòng),雖然控制比較簡(jiǎn)單、吸附力強(qiáng),但運(yùn)動(dòng)速度較慢,轉(zhuǎn)向和壁面過(guò)渡能力有限。

        筆者設(shè)計(jì)了多組吸附單元作為吸附機(jī)構(gòu),所提供的吸附力遠(yuǎn)大于相同規(guī)格下1組吸附單元提供的吸附力,保證了運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。在確保運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的前提下,采用無(wú)刷電機(jī)為雙同步帶供電,具有很強(qiáng)的靈活性,所設(shè)計(jì)的同步帶移動(dòng)越障機(jī)構(gòu),使爬壁機(jī)器人的越障能力大為提升,提高了實(shí)用性[10]。該吸盤(pán)機(jī)構(gòu)主要由可變磁力吸附裝置構(gòu)成,具有體積小、吸附力高和穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。在爬壁機(jī)器人上安裝20個(gè)直徑為φ30 mm、厚度為15 mm的圓形小磁鐵,使其均布在底盤(pán)上,并且不能與壁面接觸,通過(guò)電流來(lái)控制磁場(chǎng)效應(yīng),此外還增加了可調(diào)節(jié)吸盤(pán)來(lái)控制壁面間隙控制吸附作用,再由彈性運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高氣密性吸附。

        3 力學(xué)特性分析

        3.1 靜力學(xué)分析

        在機(jī)器人工作壁面與水平面之間夾角呈銳角(0°<α<90°)的狀態(tài)下進(jìn)行受力分析,如圖2所示。

        圖2 爬壁機(jī)器人吸附在工作壁面的力學(xué)分析

        圖2中,L1為爬壁機(jī)器人中心距;Fm為爬壁機(jī)器人整體最大吸附力;Fm1為單個(gè)吸附磁塊對(duì)壁面的吸附力;Fm2為側(cè)面吸附磁鐵最大吸附力;Nm為壁面對(duì)機(jī)器人吸附力;Nm1為壁面對(duì)機(jī)器人1個(gè)吸附磁塊的支持力;H為爬壁機(jī)器人工作面與輪之間的中心距離;α為爬壁機(jī)器人工作時(shí)最大有效工作爬壁角度。

        假設(shè)電機(jī)提供了足夠的制動(dòng)力使機(jī)器人可以靜止在工作壁面上,要阻止機(jī)器人沿著工作壁面下滑,需要機(jī)器人與壁面間的最大靜摩擦力大于機(jī)器人及其負(fù)載的重力分量。根據(jù)圖2可以得出

        (5)

        由式(5)推出

        (6)

        式(5)和式(6)中,Ni為壁面對(duì)機(jī)器人1個(gè)吸附磁塊的支持力,Ni=60 N;μmax為壁面與吸附磁塊之間的靜摩擦因數(shù),μmax=0.663~0.748;G為機(jī)器人及其負(fù)載1/2的重量,G=50 N;α為壁面與垂直方向的傾斜角度,0°<α<90°;Fmi為單個(gè)吸附磁塊對(duì)壁面的吸附力,F(xiàn)mi=3.6 N ;n′為一側(cè)發(fā)揮吸附作用的吸附磁鐵的個(gè)數(shù),n′=10。

        3.2 爬壁機(jī)器人向上運(yùn)動(dòng)的力學(xué)分析

        爬壁機(jī)器人向上爬行,機(jī)器人單側(cè)輸出力矩應(yīng)克服單側(cè)所有吸附磁鐵的吸附力和支持力形成的阻力矩以及重力產(chǎn)生的力矩。爬壁機(jī)器人向上爬行的示意圖如圖3所示。

        圖3 爬壁機(jī)器人向上爬行示意圖

        根據(jù)上面分析得出

        MQ-Mf-MG=0

        (7)

        式(7)中,Mf為支持力形成的阻力矩;MG為重力產(chǎn)生的力矩。

        根據(jù)實(shí)際要求,使MQ≥0,即

        MQ≥aFm+GHcosα

        (8)

        式(8)中,a為吸附力和支持力的距離,取其最大值,a=23 mm。

        則:MQ≥1 440+4 125cosα,只有當(dāng)α=0時(shí),所要MQ的最大值為6 Nm。

        3.3 爬壁機(jī)器人向下運(yùn)動(dòng)的力學(xué)分析

        機(jī)器人向下勻速爬行受力情況與向上勻速爬行相似,為防止機(jī)器人向下滑落需要1個(gè)制動(dòng)力矩,此時(shí)摩擦阻力矩為驅(qū)動(dòng)力矩和電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩,重量分量產(chǎn)生的力矩達(dá)到力矩平衡。

        MQ-MG+Mf=0

        (9)

        式(8)和式(9)對(duì)比,得出向上爬行需要的電機(jī)力矩更大。

        機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩為

        Mq=2PL

        (10)

        式(10)中,L為2帶輪中心矩,L=280 mm;P為單側(cè)同步帶受到的牽引力,P=40 N。計(jì)算得:Mq=11.2 N·m

        4 爬壁機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)的控制設(shè)計(jì)

        爬壁機(jī)器人的控制主要是通過(guò)對(duì)無(wú)刷電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)的。將外部接收系統(tǒng)和無(wú)刷電機(jī)連接,并由24 V鋰電池為電機(jī)提供直流驅(qū)動(dòng)電流,供其工作。工作人員可通過(guò)外部遙控器控制電機(jī),驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前后左右運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。無(wú)刷直流電機(jī)采用電子換向器,取代了直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向器。電子換向器裝配在功率電路板上,同時(shí)在電機(jī)本體上配有轉(zhuǎn)子位置傳感器,轉(zhuǎn)子位置傳感器隨時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子所在的位置,電子換向器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息決定繞組的通電方向,實(shí)現(xiàn)換相功能,如圖4所示。

        圖4 無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

        無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子永磁體成對(duì)安裝在轉(zhuǎn)子上,按照其安裝方式不同可以分為2種:(1)凸極式——將瓦片狀的永磁體貼于轉(zhuǎn)子外表面,如圖5(a)所示;(2)內(nèi)嵌式——將條狀永磁體嵌入轉(zhuǎn)子鐵芯中,如圖5(b)所示。

        (a)凸極式 (b)內(nèi)嵌式圖5 無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體的安裝方式

        給無(wú)刷電機(jī)加上信號(hào)接收模塊,工作人員通過(guò)外部遙控器發(fā)送控制信號(hào),改變電機(jī)的狀態(tài)從而改變機(jī)器人的行進(jìn)路線(xiàn)。最后,根據(jù)圖紙經(jīng)裝配后得到無(wú)損檢測(cè)爬壁機(jī)器人的實(shí)物圖,如圖6所示。

        (a)俯視圖 (b)側(cè)視圖圖6 無(wú)損檢測(cè)爬壁機(jī)器人裝配后的實(shí)物圖

        5 結(jié)論

        為了提高壓力容器快速檢測(cè)、降本增效,筆者設(shè)計(jì)了一種新型裝備用無(wú)損檢測(cè)爬壁機(jī)器人。該爬壁機(jī)器人主要由履帶機(jī)構(gòu)、車(chē)體機(jī)構(gòu)和吸附裝置3部分組成,使用SolidWords軟件對(duì)機(jī)器人各個(gè)零部件進(jìn)行三維數(shù)據(jù)建模,分別采用靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)雙同步式爬壁機(jī)器人進(jìn)行分析計(jì)算,最后結(jié)合圖紙做出了實(shí)物樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明:該機(jī)器人各裝置設(shè)計(jì)合理,由多組吸附單元組成的吸附機(jī)構(gòu)保證了運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性,采用無(wú)刷電機(jī)為雙同步帶供電,使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和靈活性得到提高。

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