董家候，鄭甲紅，何凱，左啟陽(yáng)

(1.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710021；2.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東深圳 518055)

0 前言

隨著我國(guó)船舶制造業(yè)的發(fā)展，我國(guó)大型輪船的制造技術(shù)更是走在國(guó)際前列。大型輪船是由各種類型的鋼板件分塊、分段焊接而成。在相鄰的2塊鋼板之間便會(huì)出現(xiàn)形狀不規(guī)則的焊縫，焊縫不規(guī)則、表面出現(xiàn)余高會(huì)造成應(yīng)力集中，焊縫表面將出現(xiàn)疲勞裂紋，從而影響整個(gè)船舶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1]。這就要求必須對(duì)焊縫進(jìn)行打磨，避免應(yīng)力集中的現(xiàn)象發(fā)生[2]。

傳統(tǒng)的船體焊縫打磨是通過(guò)人工作業(yè)的方式進(jìn)行的，工人懸掛在船體側(cè)壁上對(duì)焊縫進(jìn)行手工打磨，這種方式不僅僅效率非常低，而且施工者存在很大的安全隱患。一種焊縫打磨爬壁機(jī)器人代替人工作業(yè)，不僅能提高工作效率，而且能嚴(yán)格保證打磨質(zhì)量[3]。目前對(duì)焊縫打磨爬壁機(jī)器人的研究尚少，焊縫打磨的方式也大多是采用機(jī)械手?jǐn)y帶打磨裝置進(jìn)行打磨，而爬壁式焊縫打磨作業(yè)方式也只停留在理論階段。

目前最大的技術(shù)難點(diǎn)就是避免機(jī)器人掉落。由于機(jī)器人在越障和反頂?shù)箳爝^(guò)程中會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人掉落的現(xiàn)象，尤其在焊縫打磨過(guò)程中，發(fā)生掉落的概率越大。為此，本文作者通過(guò)優(yōu)化磁吸附機(jī)構(gòu)，研究實(shí)現(xiàn)機(jī)器人打磨效率最大化，研發(fā)了一款基于磁力吸附的新型焊縫打磨爬壁機(jī)器人樣機(jī)；同時(shí)開展實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在高空壁面上靈活運(yùn)動(dòng)及高空焊縫打磨機(jī)械化的目標(biāo)。

1 船體焊縫打磨機(jī)器人功能原理分析

1.1 焊縫打磨機(jī)器人設(shè)計(jì)需求分析

設(shè)計(jì)的焊縫打磨機(jī)器人在船體側(cè)壁面上運(yùn)動(dòng)，且對(duì)壁面上的焊縫進(jìn)行打磨。要求設(shè)計(jì)的機(jī)器人：應(yīng)在壁面上靈活運(yùn)動(dòng)，不會(huì)發(fā)生掉落、傾覆等狀況；在進(jìn)行焊縫打磨時(shí)，應(yīng)該避免對(duì)焊縫實(shí)體材料造成損傷；打磨后不僅要求去除焊縫表面毛刺，還需露出一定的金屬光澤。為盡可能減輕機(jī)器人的質(zhì)量和保證具有足夠的剛度，該機(jī)器人選用鋁合金材料，縮小機(jī)器人的尺寸?；谠摍C(jī)器人的作業(yè)環(huán)境及船體由很多條焊縫拼接而成，且每一條焊縫都不是筆直的，要求機(jī)器人能夠直線行走、變道、轉(zhuǎn)彎和掉頭等，同時(shí)還應(yīng)具有一定的越障和負(fù)載能力；同時(shí)考慮到爬壁機(jī)器人吸附在鋼鐵壁面，在距離地面40～50 m高的船體外側(cè)壁上高空作業(yè)，設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用遙控控制的方式。

1.2 船體焊縫打磨機(jī)器人的功能設(shè)計(jì)

機(jī)器人在遠(yuǎn)程遙控操縱控制下，可實(shí)現(xiàn)在壁面上靈活運(yùn)動(dòng)，如：轉(zhuǎn)彎、變道、掉頭、直線行走等諸多功能。焊縫打磨機(jī)器人的焊縫打磨執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有進(jìn)入打磨環(huán)節(jié)時(shí)，打磨頭才能與打磨面發(fā)生接觸，并且施加一定的打磨壓力，打磨停止后，打磨頭需離開打磨平面，因此，打磨頭需要具有移動(dòng)功能。同時(shí)打磨頭的打磨壓力應(yīng)該控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，此外，機(jī)器人在打磨焊縫的過(guò)程中，還需要使用柔性打磨技術(shù)。

2 焊縫打磨爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于輪式機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)靈活、速度快等特點(diǎn)[4]，設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用輪式結(jié)構(gòu)。吸附機(jī)構(gòu)提供的磁吸附力將機(jī)器人緊緊吸附在壁面上，保證機(jī)器人不會(huì)掉落和傾覆[5]。吸附機(jī)構(gòu)主要有4種吸附方式[6]：磁力吸附、負(fù)壓吸附、仿生吸附、化學(xué)吸附。船體壁面是具有一定弧度的曲面，負(fù)壓吸附不適合曲面工況，仿生吸附和化學(xué)吸附成本高，而磁力吸附效率高、成本低[7-8]。所以此次設(shè)計(jì)便采取磁力吸附的方式。永久磁鐵和電磁鐵相比，電磁鐵會(huì)由于電路發(fā)生故障而導(dǎo)致磁力消失，從而導(dǎo)致機(jī)器人掉落，永久磁鐵不會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)題，因此選擇永磁體作為磁吸附材料。

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的焊縫打磨爬壁機(jī)器人如圖1所示，機(jī)器人主要由車身車架、前后永磁體吸附機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電柜箱、打磨裝置升降機(jī)構(gòu)和打磨頭等組成。機(jī)器人前端布置打磨執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)機(jī)器人沿著焊縫向前走時(shí)，打磨機(jī)構(gòu)將對(duì)焊縫進(jìn)行打磨處理。

圖1 焊縫打磨爬壁機(jī)器人三維模型

2.2 機(jī)器人前后磁吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

如圖2所示，為了給機(jī)器人提供足夠的磁吸附力，避免機(jī)器人脫落，在后端萬(wàn)向輪兩側(cè)對(duì)稱布置1個(gè)磁鐵盒，機(jī)器人前端2個(gè)驅(qū)動(dòng)橡膠輪之間的底盤處布置1個(gè)永磁鐵盒，前后的3個(gè)永磁體盒中布置永久磁鐵提供吸附力，將打磨機(jī)器人緊緊吸附在船體外壁上。此外，設(shè)計(jì)前后吸附機(jī)構(gòu)時(shí)，不僅應(yīng)該保證吸附的穩(wěn)定性，而且應(yīng)該避免吸附力過(guò)大而造成電機(jī)過(guò)載。

圖2 前后磁吸附機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

永久磁鐵產(chǎn)生的磁吸附力穩(wěn)定可靠，所以只需后磁鐵盒各布置1塊永久磁鐵，磁鐵盒采用不銹鋼材質(zhì)，上端連接軛鐵，軛鐵通過(guò)螺栓連接到機(jī)架上，如圖3所示。軛鐵具有導(dǎo)磁和固定安裝磁鐵盒的作用。整個(gè)磁鐵盒可沿著螺栓上下移動(dòng)，避免壁面上出現(xiàn)的凹凸物卡住磁鐵盒。

圖3 后磁鐵結(jié)構(gòu)Fig.3 Rear magnet structure

前磁鐵盒里面按照一定的充磁方式布置5塊永久磁鐵，如圖4所示。前磁鐵吸附是5塊永久磁鐵搭配在一起，磁鐵在實(shí)際使用過(guò)程中，充磁方向非常重要，如果每塊磁鐵的充磁方向雜亂無(wú)章，很可能出現(xiàn)失效的現(xiàn)象，所以必須考慮每塊磁鐵的充磁方向。每塊磁鐵按照一定的充磁方向排列布置，避免相鄰磁鐵之間產(chǎn)生磁性損失，盡量使之達(dá)到最佳的磁場(chǎng)強(qiáng)度[9]。

圖4 前磁鐵結(jié)構(gòu)Fig.4 Front magnet structure

2.3 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

文中機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式如圖5所示，電機(jī)與行星減速器和直角減速器固定連接，直角減速器的輸出軸與橡膠輪連接，電機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)過(guò)減速器減速增矩后，驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最終驅(qū)動(dòng)爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。左右兩側(cè)車輪的驅(qū)動(dòng)方式是分開的，不會(huì)發(fā)生任何運(yùn)動(dòng)干涉，轉(zhuǎn)彎時(shí)，可以采用差速轉(zhuǎn)彎[10-11]；掉頭時(shí)，可以采用兩輪子旋轉(zhuǎn)方向相反，做到真正意義上的原地轉(zhuǎn)彎，大大減少轉(zhuǎn)彎半徑，使爬壁機(jī)器人更加靈活[12]。

圖5 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.5 Robot drive mechanism

2.4 焊縫打磨執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

機(jī)器人焊縫打磨執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖6所示，安裝座固定在機(jī)器人前端，電動(dòng)缸固定在安裝座上，電動(dòng)缸工作時(shí)帶動(dòng)整個(gè)打磨裝置上下移動(dòng)，打磨電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩通過(guò)同步帶傳遞到打磨頭上，驅(qū)動(dòng)打磨頭旋轉(zhuǎn)，對(duì)焊縫進(jìn)行打磨。此外，為保證柔性打磨，在打磨機(jī)構(gòu)中布置彈性機(jī)構(gòu)，維持打磨壓力的恒定，同時(shí)，在氣彈簧旁邊布置鏈條，避免彈性機(jī)構(gòu)在結(jié)束打磨時(shí)承受拉力，起到保護(hù)彈性機(jī)構(gòu)的作用：打磨開始，電動(dòng)缸帶動(dòng)整個(gè)打磨裝置向下移動(dòng)壓緊焊縫，接著打磨電機(jī)開始工作，帶動(dòng)打磨頭旋轉(zhuǎn)；停止打磨，打磨電機(jī)停止工作，電動(dòng)缸帶動(dòng)打磨裝置離開壁面。

圖6 機(jī)器人打磨執(zhí)行機(jī)構(gòu)

3 爬壁機(jī)器人靜力分析

機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)4種不穩(wěn)定的狀態(tài)：(1)沿壁面向下滑移失效；(2)橫向傾覆失效；(3)縱向傾覆失效；(4)后從動(dòng)輪脫離失效。通過(guò)對(duì)不同的失效進(jìn)行受力分析，最終可以得出前、后磁吸附機(jī)構(gòu)的最小極限磁吸附力。

3.1 沿壁面向下滑移失效

圖7為極限靜摩擦機(jī)器人的受力分析，機(jī)器人靜止停在船體外壁上，驅(qū)動(dòng)輪的電機(jī)處于自鎖狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)為了保證機(jī)器人不會(huì)沿著壁面下滑，必須滿足前面2個(gè)驅(qū)動(dòng)橡膠輪處最大靜摩擦力之和遠(yuǎn)大于重力在Z軸方向的分力，后面萬(wàn)向輪所受的滾動(dòng)摩擦力很小，可以忽略不計(jì)。而最大靜摩擦力與正壓力呈正比。機(jī)器人在驅(qū)動(dòng)輪處所受的正壓力等于磁吸附力和重力的分力之和。若焊縫打磨頭與壁面之間的正壓力100 N，即壁面對(duì)打磨頭的支持力Pd=100 N。

在圖7中，沿壁面的法向和切向建立XOZ坐標(biāo)系，其中，Z軸與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向平行，X軸與運(yùn)動(dòng)方向垂直。Fc1為爬壁機(jī)器人前磁鐵所受到的磁吸附力，Pc1、Pc2分別為機(jī)器人的左右驅(qū)動(dòng)輪與壁面接觸處所受的支持力。Fc2、Fc3為爬壁機(jī)器人的后端2個(gè)磁鐵箱與壁面之間的磁吸附力，Pc3為機(jī)器人的從動(dòng)萬(wàn)向輪與壁面接觸處所受的支持力。Ff1、Ff2分別為機(jī)器人2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪與壁面之間所受的摩擦力，F(xiàn)f3為打磨頭處所受的摩擦力。Pd為焊縫打磨頭所受的支持力。β為船體壁面與豎直面之間的最大傾斜角。G為機(jī)器人滿載總重力。由于后磁鐵箱的結(jié)構(gòu)尺寸完全一樣，因此可得：Fc2=Fc3，F(xiàn)f1=Ff2。

圖7 向下滑移失效受力分析Fig.7 Sliding failure force analysis

為了保證機(jī)器人不發(fā)生滑移，需滿足：

Ff≥Gz

(1)

式(1)中：Ff為爬壁機(jī)器人受到的總摩擦力；Gz為機(jī)器人重力在Z軸方向的分力。

由式(1)及圖7可得：

(2)

由于機(jī)器人吸附在壁面上運(yùn)動(dòng)，為了避免機(jī)器人發(fā)生縱向傾覆，總有F吸附≥F支持，即：

Fc2+Fc3=2Fc2≥Pc3

(3)

所以

(4)

當(dāng)爬壁機(jī)器人前磁鐵吸附力Fc1滿足式 (4)時(shí)，該焊縫打磨機(jī)器人將不會(huì)發(fā)生沿壁面向下滑移失效。

3.2 橫向傾覆失效

機(jī)器人在船體的傾斜壁面橫向移動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)繞主動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪的接觸點(diǎn)Q發(fā)生側(cè)向傾覆。只要保證有足夠大的吸附力，機(jī)器人的輪子就能和船體壁面緊密接觸，就能保證機(jī)器人不會(huì)發(fā)生橫向傾覆失。隨著船體壁面角度在θ∈[0°,90°]內(nèi)變化，機(jī)器人所受到的力矩也會(huì)隨著發(fā)生變化。此時(shí)的受力狀態(tài)如圖8所示，在o′x′y′z′坐標(biāo)系中：L1為Fc1的作用點(diǎn)到點(diǎn)Q沿y′方向的距離；L2為Fc2的作用點(diǎn)到點(diǎn)Q沿y′方向的距離；L3為Fc3的作用點(diǎn)到點(diǎn)Q沿y′方向的距離；L4為Gy′的作用點(diǎn)到點(diǎn)Q沿X′方向的距離。

圖8 橫向傾覆失效受力分析

如圖8所示：機(jī)器人的前磁鐵的磁吸附力Fc1和后端2個(gè)磁鐵箱所提供的磁吸附力Fc2、Fc3提供抗傾覆力矩，Gy′、Gx′和Pd提供傾覆力矩。當(dāng)抗傾覆力矩MA1大于等于傾覆力矩MA2時(shí)，機(jī)器人將不會(huì)發(fā)生橫向傾覆，即：

MA1≥MA2

(5)

由于Fc1的作用點(diǎn)在機(jī)器人的中心軸線上，F(xiàn)c2、Fc3的作用點(diǎn)在機(jī)器人后端的磁鐵箱中心軸線上，即：

式中：B為兩主動(dòng)輪最內(nèi)側(cè)邊緣之間相距的長(zhǎng)度；b為主動(dòng)輪寬度；c為后端磁鐵箱的寬度。

由式(5)及圖8可得：

(6)

當(dāng)機(jī)器人前端磁吸附力滿足式(6)時(shí)，可保證機(jī)器人不會(huì)發(fā)生沿點(diǎn)Q橫向傾覆。且當(dāng)船體壁面傾斜角θ達(dá)到最大90°時(shí)，式(6)的右邊達(dá)到最大值，即：

(7)

綜上所述，當(dāng)爬壁機(jī)器人前磁鐵吸附力Fc1滿足式(7)時(shí)，該焊縫打磨機(jī)器人將不會(huì)發(fā)生橫向傾覆失效。

3.3 縱向傾覆失效

機(jī)器人以任意姿勢(shì)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，有繞后輪點(diǎn)E發(fā)生縱向傾覆的趨勢(shì)。Fc1提供抗縱向傾覆力矩，Pd、Gx′和Gz′提供縱向傾覆力矩。當(dāng)機(jī)器人處于臨界傾覆狀態(tài)時(shí)，前主動(dòng)輪處壁面對(duì)輪子的支持力將為0。此時(shí)受力分析如圖9所示，在o′x′z′坐標(biāo)系中：Gx′為重力沿x′軸方向的分力，Gz′為重力沿z′軸方向的分力；Lc為Fc1的作用點(diǎn)到點(diǎn)E沿z′方向的距離；Ld為Pd的作用點(diǎn)到點(diǎn)E沿z′方向的距離；Lg為Gx′的作用點(diǎn)到點(diǎn)E沿x′方向的距離；Hg為Gz′的作用點(diǎn)到點(diǎn)E沿z′方向的距離。

圖9 縱向傾覆失效受力分析Fig.9 Force analysis of longitudinal overturning failure

(8)

由式(8)及圖9可得：

(9)

要保證機(jī)器人不會(huì)發(fā)生縱向傾覆，即機(jī)器人前端主動(dòng)輪不會(huì)發(fā)生脫離，機(jī)器人前端的磁吸附力Fc1就必須滿足式(9)。且當(dāng)θ=0°時(shí)，右邊取得最大值，即：

(10)

3.4 后從動(dòng)輪脫離失效

后從動(dòng)輪脫離失效將影響到機(jī)器人的穩(wěn)定性，后端磁吸附力雖然沒(méi)有機(jī)器人前端磁吸附力大，但也是機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定性的重要因素之一。此時(shí)假設(shè)機(jī)器人前端磁吸附力足夠大，前主動(dòng)輪不會(huì)發(fā)生脫離。當(dāng)β=90°時(shí)，即機(jī)器人倒立吸附在船體壁面上，后從動(dòng)輪發(fā)生脫離的趨勢(shì)將達(dá)到最大，此時(shí)受力分析如圖10所示，在o′x′z′坐標(biāo)系中：L5為Fc2、Fc3的作用點(diǎn)到點(diǎn)K沿z′方向的距離；L6為Gx′的作用點(diǎn)到點(diǎn)K沿z′方向的距離。

圖10 后從動(dòng)輪脫離失效受力分析Fig.10 Failure force analysis of the rear driven wheel

(11)

由式(11)及圖10可得：

(12)

當(dāng)后從動(dòng)輪處的磁吸附力Fc2滿足式(12)時(shí)，機(jī)器人即使倒掛吸附在船體壁面上，也不會(huì)發(fā)生后從動(dòng)輪脫離壁面而繞主動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)中心K翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

4 爬壁機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)磁力仿真

4.1 磁吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人前端磁吸附力遠(yuǎn)比后端磁吸附力大，所以后端磁吸附機(jī)構(gòu)的2個(gè)磁鐵盒中各放1塊永久磁鐵。前端的磁吸附機(jī)構(gòu)為5塊永久磁鐵，為了使5塊永久磁鐵所產(chǎn)生的磁吸附力最大，將磁鐵按照Halbach Array排列在一起[13]，如圖11所示。

圖11 磁鐵排列分布Fig.11 Distribution of magnet arrangement

4.2 基于Maxwell的磁吸附力仿真

使用的計(jì)算機(jī)操作環(huán)境為Windows 10 專業(yè)版，64位操作系統(tǒng)。采用磁力仿真軟件Ansys Electronics Desktop-Maxwell 3D對(duì)永磁體進(jìn)行分析，列出能夠影響永久磁鐵磁吸附力的參數(shù)，并進(jìn)行分析[14-15]。采用控制變量法，分析其中一個(gè)參數(shù)變化與磁力大小之間的關(guān)系。

4.2.1 前磁鐵吸附力仿真

前磁鐵吸附機(jī)構(gòu)由銜鐵和5塊永久磁鐵按照Halbach Array排列在一起，磁鐵的材質(zhì)為釹鐵硼N48H，軛鐵材料為Q235。前磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖12所示。

圖12 前磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

對(duì)前主動(dòng)輪磁吸附機(jī)構(gòu)的永磁體磁力線分布進(jìn)行了仿真運(yùn)算，得到如圖13所示的磁力線分布。

圖13 前磁鐵磁力線分布Fig.13 Distribution of magnetic field lines of front magnets

對(duì)前磁吸附機(jī)構(gòu)的磁吸附力Fc1進(jìn)行了磁力仿真運(yùn)算，其與壁面間距d之間的關(guān)系見圖14。

圖14 Fc1-d關(guān)系曲線Fig.14 Fc1-d relationship curve

由于船體壁面上存在多條焊縫，焊縫的高度為3～4 mm，機(jī)器人前端磁鐵與壁面之間的安裝距離設(shè)為5 mm，根據(jù)式(4)(7)(10)可得出：機(jī)器人不發(fā)生危險(xiǎn)的臨界值Fc1≥1 160 N。由圖14可知：在安裝距離為5 mm的條件下Fc1=2.15 kN，所以前磁鐵提供的磁吸附力滿足所需要求。

船體壁面的厚度也是影響機(jī)器人磁吸附力大小的一個(gè)重要因素。將前磁鐵與壁面之間的安裝距離固定為6 mm時(shí)，對(duì)前磁吸附機(jī)構(gòu)的磁吸附力Fc1進(jìn)行了磁力仿真運(yùn)算，它與壁面厚度h之間的關(guān)系見圖15所示的得到Fc1-h關(guān)系曲線。

圖15 Fc1-h關(guān)系曲線Fig.15 Fc1-h relationship curve

由圖15可知：在9 mm以內(nèi)，磁吸附力隨著壁面厚度的增大而增大；但當(dāng)厚度大于等于9 mm時(shí)，磁吸附力將基本保持不變。

4.2.2 后磁鐵吸附力仿真

后磁鐵是一整塊永久磁鐵，材質(zhì)為釹鐵硼N48H。軛鐵材料為Q235，船體壁面最小厚度10 mm。后磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖16所示。對(duì)后輪磁吸附機(jī)構(gòu)永磁體的磁力線分布進(jìn)行了仿真運(yùn)算，得到如圖17所示的磁力線分布情況。

圖16 后磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖17 后磁鐵磁力線分布Fig.17 Distribution of magnetic field lines of the rear magnet

對(duì)后磁吸附機(jī)構(gòu)的磁吸附力Fc2進(jìn)行了仿真運(yùn)算，它與壁面間距d之間的關(guān)系如圖18所示?？芍捍盼搅﹄S著間隙的增大而減小。機(jī)器人質(zhì)量45 kg，根據(jù)式(12)可得，機(jī)器人后端磁鐵的磁吸附力需滿足Fc2≥100 N。當(dāng)機(jī)器人后端磁鐵盒被動(dòng)地上下移動(dòng)間隙在2～10 mm時(shí)，F(xiàn)c2均滿足Fc2≥100 N，所以后磁鐵提供的磁吸附力滿足所需要求。

圖18 Fc2-d關(guān)系曲線Fig.18 Fc2-d relationship curve

5 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

將機(jī)器人的各個(gè)模塊進(jìn)行組裝，得到如圖19所示樣機(jī)，包括行走機(jī)構(gòu)、磁吸附機(jī)構(gòu)、焊縫打磨執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，樣機(jī)的整機(jī)質(zhì)量大約為45 kg。為了驗(yàn)證機(jī)器人在船壁上運(yùn)行的穩(wěn)定性和焊縫打磨效果，通過(guò)模擬機(jī)器人在船壁上運(yùn)動(dòng)和對(duì)焊縫進(jìn)行打磨，做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

圖19 機(jī)器人樣機(jī)Fig.19 Robot prototype

5.1 機(jī)器人性能測(cè)試

組裝好的樣機(jī)進(jìn)行了防下滑測(cè)試、防橫向翻轉(zhuǎn)測(cè)試、爬坡能力測(cè)試、負(fù)載能力測(cè)試和倒掛測(cè)試等，對(duì)上述仿真結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證：(1)在90°的壁面上進(jìn)行下滑測(cè)試，如圖20(a)所示，機(jī)器人由于電機(jī)自鎖，前主動(dòng)輪被鎖住不動(dòng)，機(jī)器人將靜止在壁面上，磁吸附力提供的摩擦力克服重力防止機(jī)器人向下滑動(dòng)；(2)在90°的壁面上橫向移動(dòng)和任意多方向轉(zhuǎn)向測(cè)試，如圖20(b)所示，測(cè)試機(jī)器人是否會(huì)發(fā)生橫向翻轉(zhuǎn)；(3)在90°壁面上向上移動(dòng)的爬坡能力和越障能力測(cè)試，如圖20(c)所示，電機(jī)由電調(diào)輸出控制電流信號(hào)，閉環(huán)控制轉(zhuǎn)速，機(jī)器人在垂直壁面上均速向上移動(dòng)，未出現(xiàn)低速爬行的現(xiàn)象；在越障過(guò)程中，機(jī)器人越障平穩(wěn)；(4)在90°壁面上向上移動(dòng)負(fù)載能力測(cè)試，如圖20(d)所示，機(jī)器人懸掛30 kg的重物進(jìn)行測(cè)試；(5)倒掛在壁面上移動(dòng)測(cè)試，如圖20(e)所示，測(cè)試機(jī)器人后輪是否會(huì)發(fā)生脫離而掉落。壁面材料為Q235，厚度15 mm。

圖20 爬壁機(jī)器人性能測(cè)試

5.2 磁吸附力測(cè)試

將機(jī)器人的磁吸附機(jī)構(gòu)單獨(dú)裝在磁力測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)控制不同的間隙測(cè)試磁吸附力的大小，文中測(cè)試的間隙d在2～10 mm，每次增加1 mm，便可通過(guò)該磁力測(cè)試平臺(tái)測(cè)試出在不同間隙時(shí)的磁吸附力，如圖21所示。

圖21 磁力測(cè)試平臺(tái)Fig.21 Magnetic test platform

表1和表2為前、后磁吸附力仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果的對(duì)比，與機(jī)器人前后吸附機(jī)構(gòu)所提供的磁吸附力的仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)量出來(lái)的基本吻合。由此，實(shí)際加工出來(lái)的磁鐵滿足設(shè)計(jì)要求，可以保證機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)。

表1 前磁吸附力對(duì)比Tab.1 Comparison of front magnetic adsorption force

表2 后磁吸附力對(duì)比Tab.2 Comparison of rear magnetic adsorption force

5.3 機(jī)器人焊縫打磨測(cè)試

將機(jī)器人置于帶有焊縫的鋼鐵壁面上進(jìn)行了焊縫打磨測(cè)試，在打磨過(guò)程中機(jī)器人運(yùn)行良好，未出現(xiàn)打滑、傾覆和翻轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)比焊縫打磨前、后，可得出打磨結(jié)束后，焊縫表面光滑，未出現(xiàn)焊縫余高，且露出一定的金屬光澤，如圖22所示。

圖22 焊縫打磨測(cè)試

6 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)大型船舶側(cè)壁的焊縫打磨機(jī)器人，通過(guò)對(duì)機(jī)器人各種失穩(wěn)狀態(tài)下的極限吸附力的設(shè)計(jì)計(jì)算、仿真運(yùn)算及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的焊縫打磨機(jī)器人具有運(yùn)行穩(wěn)定、轉(zhuǎn)向靈活和打磨效果良好性能：(1)通過(guò)力學(xué)分析和仿真，可以得到機(jī)器人在各個(gè)極限位置的極限磁吸附力，保證機(jī)器人不會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)、掉落和傾覆。通過(guò)磁力仿真可以得出磁吸附力的大小與間隙值、壁厚之間的變化關(guān)系；(2)由機(jī)器人性能測(cè)試可知，機(jī)器人在鋼鐵壁面上運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)向下滑動(dòng)、橫向翻轉(zhuǎn)和倒掛脫離的現(xiàn)象，該機(jī)器人爬坡、越障和負(fù)載能力良好；(3)通過(guò)機(jī)器人焊縫打磨實(shí)驗(yàn)可知：機(jī)器人在打磨過(guò)程中運(yùn)行良好，未出現(xiàn)任何危險(xiǎn)狀況，打磨結(jié)束后，焊縫表面光滑，未出現(xiàn)焊縫余高，且露出一定的金屬光澤。