孫帥帥 馮 辰 張志穎 宋 佳

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 引言

由于化工行業(yè)污染多、耗能高、風(fēng)險(xiǎn)高，因此安全事故頻頻發(fā)生，不僅在經(jīng)濟(jì)方面帶來(lái)巨大損失，嚴(yán)重影響了傷亡者及其家屬、企業(yè)甚至整個(gè)行業(yè)?；す拊陂L(zhǎng)期閑置后，其罐體內(nèi)壁和空氣中的氧氣會(huì)產(chǎn)生氧化反應(yīng)，使化工罐罐體內(nèi)壁生銹，無(wú)法立刻使用，需要操作人員手動(dòng)對(duì)其內(nèi)壁進(jìn)行除銹處理后，檢測(cè)其整體的穩(wěn)定性和密封性，然后可以投入使用。

采用傳統(tǒng)的除銹工藝時(shí)需要操作人員進(jìn)入罐體的內(nèi)部進(jìn)行作業(yè)，由于化工罐內(nèi)部放置化學(xué)物品，其產(chǎn)生的氣體會(huì)充滿整個(gè)罐體內(nèi)部，操作人員進(jìn)入罐體內(nèi)部后，吸入該氣體會(huì)對(duì)操作人員的身體造成傷害，針對(duì)傳統(tǒng)除銹工藝的成本高、污染嚴(yán)重、損害工人健康和效率低等問(wèn)題，整合了機(jī)器人技術(shù)和高壓水射流除銹技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款高壓水射流技術(shù)的爬壁除銹機(jī)器人。

1 除銹機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)

除銹機(jī)器人上面裝有高壓水槍，這也是這項(xiàng)設(shè)計(jì)中的重要技術(shù)，這種機(jī)器人的作業(yè)運(yùn)動(dòng)方式如下：首先，安裝在高壓水槍下方的磁吸式履帶爬壁機(jī)器人，將高壓水槍進(jìn)行移動(dòng)；其次，安裝在磁吸履帶爬壁機(jī)器人頂部的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)頂部的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于安裝的高壓水槍的水平轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)并且能夠使高壓水槍在需要上下擺動(dòng)時(shí)進(jìn)行作業(yè)。然后，驅(qū)動(dòng)構(gòu)件用于帶動(dòng)履帶構(gòu)件在化工罐內(nèi)壁上移動(dòng)，它的移動(dòng)包括上下移動(dòng)和左右移動(dòng)；最后是高壓噴水構(gòu)件，高壓噴水構(gòu)件固定連接于驅(qū)動(dòng)構(gòu)件且高壓噴水構(gòu)件用于噴出高壓水體至化工罐內(nèi)壁上，使化工罐內(nèi)壁的鐵銹脫落。

這次設(shè)計(jì)的除銹機(jī)器人能夠通過(guò)磁吸附履帶爬壁機(jī)器人將高壓水槍帶入化工罐中，省去了人工進(jìn)入化工罐中。高壓水射流清洗技術(shù)作為清洗方式之一，具有高效、環(huán)保、可持續(xù)等特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為最廣泛的清洗方式[1]。通過(guò)加壓機(jī)和高壓水槍可清除化工罐中的銹跡，從而減少污染，還可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)機(jī)構(gòu)清除不同方向的銹跡，從而降低除銹成本，提高除銹效率。

2 除銹機(jī)器人的功能設(shè)計(jì)

2.1 吸附功能設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，它將地面移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)與吸附技術(shù)結(jié)合，可在垂直壁面上附著爬行，并能攜帶工具完成一定的作業(yè)任務(wù)，擴(kuò)大了機(jī)器人的應(yīng)用范圍[2]。這次所設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人在鋼板厚度≥6 mm 的壁面上，當(dāng)靜止或移動(dòng)時(shí)不脫落，這是所有功能的基礎(chǔ)。移動(dòng)功能設(shè)計(jì)：保證機(jī)器人能夠在至少5 m 的儲(chǔ)蓄罐表面靈活移動(dòng)，包括各個(gè)方向的直行及轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，使車體的每個(gè)輪體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都能有一定的正壓力接觸罐體壁面，為機(jī)器人的移動(dòng)提供充足的摩擦力，保證爬壁機(jī)器人能夠快速準(zhǔn)確地到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)。

2.2 除銹功能設(shè)計(jì)

高壓水射流除銹的原理是利用高壓泵打出超高壓水，并經(jīng)過(guò)管路到達(dá)噴嘴，再通過(guò)噴嘴將高壓力流速低的水轉(zhuǎn)換為低壓且流速高的射流，由于射流有很高的沖擊動(dòng)能，連續(xù)不斷地作用在表面，因此銹跡脫落，最終完成清洗。與傳統(tǒng)的人工噴砂除銹、機(jī)械方式清洗除銹相比，超高壓水射流除銹不會(huì)污染環(huán)境，不腐蝕設(shè)備并且不會(huì)造成任何機(jī)械損傷，減少對(duì)操作工人的危害。

2.3 驅(qū)動(dòng)功能設(shè)計(jì)

除銹機(jī)器人不僅能夠?yàn)楸倔w移動(dòng)提供充足的動(dòng)力，還能在拖帶20 m 以上電纜的情況下車輪扭矩充足，即擁有很強(qiáng)的負(fù)載能力并且能夠輕松跨越焊縫，有很強(qiáng)的越障能力。

2.4 控制功能設(shè)計(jì)

保證機(jī)器人在使用過(guò)程中不停機(jī)且移動(dòng)及轉(zhuǎn)向動(dòng)作指令信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸準(zhǔn)確，檢測(cè)探頭上抬、下落動(dòng)作到位。

3 除銹機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 除銹機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓水射流爬壁除銹機(jī)器人的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，這次設(shè)計(jì)的除銹機(jī)器人包括以下機(jī)構(gòu)：1）行走機(jī)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)又包括機(jī)架并且機(jī)架的內(nèi)側(cè)兩端均通過(guò)轉(zhuǎn)軸對(duì)稱，設(shè)置2個(gè)轉(zhuǎn)輪且2 個(gè)轉(zhuǎn)輪的外壁之間套設(shè)有履帶；機(jī)架的底側(cè)中間固定有磁吸模塊。2）除銹機(jī)構(gòu)。其包括安裝于機(jī)架上的高壓水泵和水箱，其中高壓水泵的進(jìn)水端通過(guò)管道與水箱相連接并且高壓水泵的出水端設(shè)置軟管，軟管相對(duì)高壓水泵的一端連接噴射管。

圖1 除銹機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

另外，行走機(jī)構(gòu)還包括驅(qū)動(dòng)組件并且驅(qū)動(dòng)組件包括通過(guò)支架固定于機(jī)架1 底側(cè)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而且驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出端與其中一個(gè)轉(zhuǎn)輪相連接。

除銹機(jī)器人的磁吸模塊包括導(dǎo)磁板，而且導(dǎo)磁板的底部對(duì)稱設(shè)置2 個(gè)永磁鐵；機(jī)架的底側(cè)固定1 個(gè)控制箱并且控制箱內(nèi)設(shè)有控制器和蓄電池。

通過(guò)以上技術(shù)方案可知：在具體使用過(guò)程中，可以通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可以控制裝置行動(dòng)且磁吸模塊上前側(cè)永磁鐵的N 級(jí)經(jīng)過(guò)導(dǎo)磁板到達(dá)后側(cè)永磁鐵的S 級(jí)，再經(jīng)過(guò)后側(cè)永磁鐵的N 級(jí)通過(guò)壁面到達(dá)前側(cè)永磁鐵的S 級(jí)構(gòu)成回路，進(jìn)而保證整個(gè)裝置能夠吸附于導(dǎo)磁壁面上；裝置在壁面上爬行的過(guò)程中，可以通過(guò)高壓水泵將水箱內(nèi)的除銹液抽入軟管內(nèi)，再通過(guò)噴射管向外高壓噴出，從而可對(duì)物體進(jìn)行清潔并除銹。

其中，如圖2 所示的調(diào)節(jié)組件包括轉(zhuǎn)動(dòng)安裝于機(jī)架頂部的轉(zhuǎn)桿并且轉(zhuǎn)桿的頂端固定有轉(zhuǎn)盤，高壓水泵和水箱均設(shè)于轉(zhuǎn)盤上；轉(zhuǎn)盤頂部的一端由支撐柱固定，支撐柱的頂端通過(guò)連接支撐板的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而且在支撐板上設(shè)有噴射管?；墼O(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)盤的一端靠近支撐板的下方并且滑槽內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)安裝有絲桿，絲桿的外壁設(shè)計(jì)帶有螺套，螺套與支撐板之間鉸接有連桿。

圖2 除銹機(jī)器人機(jī)架處的側(cè)視圖

調(diào)節(jié)組件還包括固定在轉(zhuǎn)盤一側(cè)的第二電機(jī)并且第二電機(jī)的輸出端延伸到滑槽內(nèi)、并與絲桿相連接。

設(shè)計(jì)在機(jī)架底側(cè)的第一電機(jī)，它的輸出端貫穿機(jī)架、并與轉(zhuǎn)桿固定連接。通過(guò)第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，然后轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)除銹機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可以對(duì)噴射管的噴射方向進(jìn)行360°調(diào)整，代替了行走機(jī)構(gòu)移動(dòng)而調(diào)整方向，使除銹更方便。

通過(guò)第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠使絲桿帶動(dòng)螺套在滑槽內(nèi)移動(dòng)，螺套帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，使連桿拉動(dòng)支撐板在支撐柱上轉(zhuǎn)動(dòng)，從而快速調(diào)節(jié)噴射管的上下朝向，可以靈活地調(diào)整噴射角度，進(jìn)一步擴(kuò)大噴射范圍，提高裝置的實(shí)用性。

高壓水射流爬壁除銹機(jī)器人還包括固定組件，固定組件包括設(shè)置在支撐板上的固定環(huán)且固定環(huán)內(nèi)設(shè)置多個(gè)彈簧，彈簧相對(duì)固定環(huán)的一端固定1 個(gè)夾環(huán)。

通過(guò)上述技術(shù)方案以及圖3 可知：這次設(shè)計(jì)將噴射管插入固定環(huán)內(nèi)，彈簧受到擠壓發(fā)生收縮，停止穿插后，在彈簧的作用下，夾環(huán)貼緊在噴射管的外壁，從而將噴射管夾緊在固定環(huán)內(nèi)，防止噴射管活動(dòng)，而且撥開(kāi)夾環(huán)就可以將噴射管抽出固定環(huán)，進(jìn)而更快速地拆裝噴射管，操作簡(jiǎn)單方便，從而提高裝置的使用效果。

圖3 除銹機(jī)器人的轉(zhuǎn)盤與撐板連接時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 除銹機(jī)器人的吸附底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖4 所示，這次設(shè)計(jì)的除銹機(jī)器人的吸附底盤包括底座，底座上開(kāi)設(shè)第二凹槽，底座的前后端兩側(cè)均對(duì)稱，安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其輸出端貫穿底座，并延伸至底座的外側(cè)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出端安裝齒輪，2 個(gè)齒輪上分別懸掛履帶，齒輪與履帶內(nèi)側(cè)凸出部互相嵌合連接，履帶的外側(cè)凸出部都是等間距對(duì)稱的，安裝吸盤并且履帶的凸出部?jī)?nèi)部都開(kāi)設(shè)第三凹槽，第三凹槽的內(nèi)部也都有永磁鐵，底座的前后兩端都安裝了把手。

圖4 除銹機(jī)器人的底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

這次的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：在使用前，要將使用的設(shè)備放置并固定在第二凹槽的內(nèi)部，將底座兩側(cè)的把手作為發(fā)力點(diǎn)，將設(shè)備整體送入化工罐內(nèi)部，通過(guò)履帶上的吸盤將履帶吸附在罐體內(nèi)壁上，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)履帶旋轉(zhuǎn)，使搭載除銹設(shè)備的底盤通過(guò)吸盤罐體內(nèi)壁上移動(dòng)，對(duì)罐體內(nèi)壁進(jìn)行除銹工作，不需要操作人員進(jìn)入，就可以解決傳統(tǒng)除銹工藝的成本高、污染嚴(yán)重、損害工人健康以及效率低的問(wèn)題，此外，在履帶的凸出部?jī)?nèi)部設(shè)置永磁鐵，當(dāng)履帶旋轉(zhuǎn)移動(dòng)時(shí)，通過(guò)永磁鐵與罐體的磁鐵吸附性，進(jìn)一步加強(qiáng)整個(gè)設(shè)備在罐體上的吸附性，保證除銹工作正常進(jìn)行。

另外，底座的兩側(cè)并且位于出氣槽與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間對(duì)稱開(kāi)設(shè)了第一凹槽，第一凹槽的內(nèi)部都安裝了蓄電池，第一凹槽的內(nèi)部且位于蓄電池的兩端均對(duì)稱安裝了阻擋板。

當(dāng)安裝設(shè)備時(shí)，將蓄電池與除銹設(shè)備相互連接，不需要考慮設(shè)備電源的問(wèn)題，通過(guò)設(shè)置的阻擋板限制蓄電池在第一凹槽的移動(dòng)，提高設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。

如圖5 所示，底座底部開(kāi)設(shè)計(jì)1 個(gè)進(jìn)氣槽，進(jìn)氣槽的內(nèi)部設(shè)置螺旋槳，進(jìn)氣槽的頂部且相對(duì)第二凹槽的底部設(shè)計(jì)了等間距對(duì)稱的散熱孔，進(jìn)氣槽的頂部?jī)啥艘捕紝?duì)稱設(shè)計(jì)了出氣槽。螺旋槳的進(jìn)氣口設(shè)置1 個(gè)過(guò)濾板，螺旋槳的旋轉(zhuǎn)葉片與進(jìn)氣槽頂部之間的距離大于螺旋槳底部與進(jìn)氣槽頂部之間的距離，螺旋槳底部的出氣口也都是對(duì)稱設(shè)計(jì)的。

圖5 除銹機(jī)器人底部側(cè)視圖

這次的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明以下幾點(diǎn)：在進(jìn)行除銹工作的過(guò)程中，通過(guò)螺旋槳帶動(dòng)底座底部的空氣通過(guò)進(jìn)氣槽進(jìn)入底座內(nèi)部并且通過(guò)進(jìn)氣槽頂部的散熱孔為第二凹槽內(nèi)部的除銹設(shè)備進(jìn)行散熱，從而使除銹設(shè)備穩(wěn)定地工作，多余的空氣則通過(guò)出氣槽排出底座外部，由于螺旋槳旋轉(zhuǎn)葉片正對(duì)罐體內(nèi)壁，其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生帶動(dòng)底座底部產(chǎn)生負(fù)壓，進(jìn)而將設(shè)備整體壓在罐體內(nèi)部，在對(duì)除銹設(shè)備進(jìn)行散熱的同時(shí)，提高設(shè)備的吸附力，保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

另外，在底座的兩側(cè)上方且位于出氣槽的下方以及2 個(gè)蓄電池之間設(shè)計(jì)一個(gè)懸掛槽。當(dāng)需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行探傷時(shí)，將探傷儀安裝在懸掛槽內(nèi)部并且通過(guò)蓄電池為其供電。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人的使用不僅可以有效降低對(duì)工人身體的傷害，提高工作效率，而且減輕對(duì)環(huán)境的危害[3]。高壓水射流技術(shù)爬壁機(jī)器人的主要作用就是攜帶超高壓水射流清洗模塊，安全可靠地吸附在壁面表面進(jìn)行爬壁除銹工作。同時(shí)該技術(shù)是集爬壁、除銹、回收于一體的，除銹高壓水射流技術(shù)爬壁機(jī)器人工作時(shí)是沿著壁面進(jìn)行上下往復(fù)爬行工作的。這次的高壓水射流技術(shù)爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)中，筆者針對(duì)傳統(tǒng)除銹工藝的成本高、污染嚴(yán)重、損害工人健康以及效率低等問(wèn)題，將機(jī)器人技術(shù)和高壓水射流除銹技術(shù)進(jìn)行整合，設(shè)計(jì)一款結(jié)合高壓水射流技術(shù)的爬壁除銹機(jī)器人吸附底盤。通過(guò)支撐板、支撐柱、連桿和滑槽等結(jié)構(gòu)的配合，可使連桿拉動(dòng)支撐板在支撐柱上轉(zhuǎn)動(dòng)，從而快速調(diào)節(jié)噴射管的上下朝向，以便于靈活調(diào)整噴射角度，對(duì)于高壓水射流技術(shù)而言，其不僅清洗、除銹效率高，而且可以降低設(shè)備清洗成本， 同時(shí)也不會(huì)損傷化工設(shè)備，所以其將成為化工企業(yè)最常用的清洗、除銹方式[4]。所以，高壓水射流技術(shù)的爬壁除銹機(jī)器人也將會(huì)成為對(duì)化工罐除銹維護(hù)的重要技術(shù)，前景很廣闊。