梁金丹，李昊鳴，陳真，關(guān)杰，張夢(mèng)

（1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092；2.南通中遠(yuǎn)克萊芬船舶工程有限公司，江蘇 南通 226006；3.大連海洋大學(xué) 航海與船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 110623）

0 引言

隨著國(guó)家工業(yè)4.0智能制造的發(fā)展，《中國(guó)制造2025》的國(guó)家戰(zhàn)略的提出，工業(yè)機(jī)器人正在逐漸推廣，各產(chǎn)業(yè)積極利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)提升產(chǎn)能，擴(kuò)大建造規(guī)模，研發(fā)高新技術(shù)[1]。鋼制表面除銹爬壁機(jī)器人作為工業(yè)機(jī)器人中的重要組成部分，在大型石油儲(chǔ)罐、船舶、飛機(jī)、鐵路、道橋、鋼塔、風(fēng)電、核工業(yè)等領(lǐng)域越來(lái)越受到重視。該類除銹爬壁機(jī)器人具備吸附和移動(dòng)兩個(gè)基本功能，一般具有永磁體和電磁鐵兩種磁吸附壁方式，再通過高壓水射流等方式對(duì)鋼制表面進(jìn)行除銹作業(yè)。近年來(lái)歐美在爬壁機(jī)器人方面發(fā)展迅速。其中Hernando等[2]設(shè)計(jì)了一種新型自動(dòng)爬壁機(jī)器人，Nguyen等[3]針對(duì)爬壁機(jī)器人造成的應(yīng)力破壞進(jìn)行分析研究。中國(guó)在國(guó)家戰(zhàn)略提出后，相關(guān)產(chǎn)業(yè)、研究的扶持力度明顯加大。霍建玲等[4]針對(duì)石化儲(chǔ)罐壁面銹斑的清洗進(jìn)行研究，孫玲等[5]設(shè)計(jì)了一種能夠在船舶壁面上運(yùn)動(dòng)的除銹爬壁機(jī)器人，并進(jìn)行了轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，楊蔚華等[6]設(shè)計(jì)了一種輸電拉線的除銹機(jī)器人。雖然已有較多關(guān)于除銹爬壁機(jī)器人的研究，但針對(duì)除銹爬壁機(jī)器人吸附原理的研究仍然較少，這也導(dǎo)致了目前該類項(xiàng)目的投產(chǎn)過低，實(shí)際應(yīng)用程度不高，為此本文設(shè)計(jì)了針對(duì)鋼制表面的除銹爬壁機(jī)器人，重點(diǎn)對(duì)其磁吸附原理、吸附方式進(jìn)行有限元分析，并且進(jìn)行了整體規(guī)劃與設(shè)計(jì)，最后對(duì)機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行模型繪制，并制作出實(shí)物樣機(jī)。

1 作業(yè)系統(tǒng)原理及總體初步方案

1.1 磁吸除銹爬壁機(jī)器人關(guān)鍵機(jī)構(gòu)組合

典型鋼制表面的除銹爬壁機(jī)器人主要由爬壁機(jī)器人本體、電氣控制移動(dòng)單元、控制電纜、防墜安全繩、防墜卷?yè)P(yáng)機(jī)、防墜卷?yè)P(yáng)筒等組成，將搭載檢測(cè)、探傷、噴涂、除銹、視覺等設(shè)備在鋼制表面進(jìn)行作業(yè)，其基本原理圖如圖1所示。

圖1 除銹爬壁機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)原理圖

1.2 總體初步方案

除銹作業(yè)為除銹爬壁機(jī)器人的主要功能，根據(jù)該功能特點(diǎn)，除銹爬壁機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)必須遵循小型輕量化、驅(qū)動(dòng)爬行能力強(qiáng)、附壁吸附能力強(qiáng)的原則。首先要對(duì)吸附機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行匹配組合。鋼質(zhì)表面的除銹爬壁機(jī)器人主要采用磁吸附，在磁吸附機(jī)構(gòu)方面，主要有電磁吸附和永磁吸附。電磁吸附需要額外供磁并增加電纜，并且電磁線圈體積大、質(zhì)量大，對(duì)機(jī)器人吸附產(chǎn)生較大的重力影響，且維修和控制復(fù)雜。永磁吸附可緩解因機(jī)器人本體自重而產(chǎn)生的負(fù)面影響，提高爬壁機(jī)器人的負(fù)載能力，因此一般采用永磁吸附。行走機(jī)構(gòu)主要分為履帶式、輪式、多足式等，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要分為電動(dòng)機(jī)、液壓、氣馬達(dá)等。一般進(jìn)行鋼制表面除銹作業(yè)的爬壁機(jī)器人，由于鋼制表面大、曲率小、作業(yè)范圍廣，更適合采用簡(jiǎn)單穩(wěn)定的履帶行走機(jī)構(gòu)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的組合匹配[7-9]。

2 永磁吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

永磁體材料的選擇一般基于以下原則：盡可能選擇磁能積較大的永磁體，這意味著單位體積的磁塊可以產(chǎn)生更大的磁力；永磁體材料必須穩(wěn)定，并能抵抗溫度帶來(lái)的變化，其組織退化和自身退化也相對(duì)友好；其硬度必須滿足不易折斷的要求，性價(jià)比應(yīng)盡可能高[10]。

可供選擇的永磁材料比較豐富，如釹鐵硼磁鐵、鐵氧體永磁、釤鈷磁鐵、鋁鎳鈷磁鐵、鐵鉻鈷磁鐵。其中，釹鐵硼稀土永磁材料的磁能積最大可達(dá)404.8 kJ/m3，退磁曲線通常為直線，其曲線斜率與回復(fù)磁導(dǎo)率接近，因此其與回復(fù)曲線重合，去掉干擾磁場(chǎng)后工作點(diǎn)的磁能積不發(fā)生變化。根據(jù)文獻(xiàn)[11]所述，其典型磁路間隙變化曲線如圖2所示。

圖2 具有變化間隙的磁路工作圖

2.1 材料選型

除銹爬壁機(jī)器人的吸附裝置由永磁體、磁軛和隔磁鋁塊三部分組成，文獻(xiàn)[12]指出在考慮永磁體選型時(shí)，應(yīng)考慮工作溫度、穩(wěn)定性和磁能積等因素，因此選擇汝鐵硼磁鐵Nd2Fe14B作為永磁材料，空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率取1。磁軛采用理想純鐵作為選型材料，其B-H曲線如圖3所示。

為了避免磁石與鋼質(zhì)表面的摩擦接觸，更有效地防護(hù)磁石，并保持機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，橡皮密封圈能夠提高吸收機(jī)構(gòu)與側(cè)壁間的摩擦力，可補(bǔ)償因內(nèi)部氣隙增加而引起的磁力吸收塊與側(cè)壁間磁力下降的問題，因此需要用氯丁橡膠對(duì)磁路機(jī)構(gòu)進(jìn)行密封。

2.2 靜態(tài)磁場(chǎng)模型與有限元分析

由麥克斯韋應(yīng)力張量法[13]可得出電磁場(chǎng)的應(yīng)力定義公式（1），由于本設(shè)計(jì)不涉及電場(chǎng)，因此可去除電場(chǎng)量，則電磁場(chǎng)應(yīng)力張量為式（2）。在邊界設(shè)定為磁絕緣條件下，需滿足式（3）。此時(shí)將式（2）代入式（1）可得此時(shí)載荷體曲面邊界所受到的電磁應(yīng)力公式（4）[14]。

式中：F為電磁場(chǎng)的應(yīng)力，T為電磁應(yīng)力張量，n為邊界法向量上的單位矢量，B為永磁體的磁通密度，Br為永磁體的剩余磁通密度，μ0為真空磁導(dǎo)率，μr為永磁體的相對(duì)磁導(dǎo)率，φm為磁標(biāo)勢(shì)，S為包圍吸附單元與空氣介質(zhì)的閉合面。

設(shè)計(jì)靜態(tài)磁場(chǎng)模型，包括1塊800 mm× 600 mm的鋼板（厚度為10～50 mm），2塊磁鐵橫截面為50 mm×50 mm的正方形，長(zhǎng)度為100 mm，2塊磁鐵之間的間距為20 mm，磁軛尺寸為120 mm×100 mm×30 mm，外部空氣層在各個(gè)方向上厚度為500 mm，磁鐵和鋼板之間的間隙為0.5～30 mm。幾何模型正視圖及在各個(gè)方向上各加厚0.5 cm的空氣層側(cè)視圖如圖4所示。

圖4 幾何模型圖

經(jīng)過計(jì)算及有限元仿真的分析，鋼板受力結(jié)果如圖5所示，其受力隨磁鐵和鋼板之間的間隙數(shù)值的變化曲線如圖6所示。

圖5 鋼板受力結(jié)果

圖6 鋼板受力隨間隙的變化曲線

由圖6可見，鋼板受力隨磁鐵和鋼板之間的間隙的增大而減小，減小率v約為15.36×104N/m，間隙越小，鋼板受力越大，則磁鐵吸附能力越強(qiáng)。

3 行走傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于鏈條具備了無(wú)彈性滑動(dòng)和打滑的優(yōu)勢(shì)，能夠保證正確的傳動(dòng)比，因此傳動(dòng)效能較高，而且作用在軸承上的徑向壓力很小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)也比較緊密，所以傳動(dòng)系統(tǒng)使用鏈條。設(shè)計(jì)中選擇了短節(jié)點(diǎn)間隙傳動(dòng)，用精密滾子鏈中的兩端帶翅板的滾動(dòng)鏈，以便于在翅子板上安放磁塊構(gòu)成的吸附機(jī)構(gòu)。

查詢《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，鏈傳動(dòng)的主要參數(shù)有：鏈輪齒數(shù)z1、z2，傳動(dòng)比i，鏈條節(jié)距p，中心距a，鏈長(zhǎng)節(jié)數(shù)Lp，以及鏈輪主要尺寸等。

1）鏈輪齒數(shù)z1、z2和傳動(dòng)比i的選擇。由于爬壁機(jī)器人的速度應(yīng)該不是通過減速來(lái)降低的，所以主副輪的齒數(shù)是一樣的。鏈輪齒數(shù)太少，則鏈輪運(yùn)轉(zhuǎn)不均，動(dòng)載荷增大，鏈條和鏈輪運(yùn)動(dòng)加快。考慮到磁塊固定吸附的干擾問題，鏈條上的齒數(shù)不能太少。

2）鏈條節(jié)距p的選擇。鏈條節(jié)距p與箱體的穩(wěn)定性和承載能力相關(guān)，p越高，箱體承載能力越高。如果需要穩(wěn)定的移動(dòng)緊湊設(shè)計(jì)和較長(zhǎng)的鏈條使用壽命，嘗試使用節(jié)距較小的鏈條。

3）鏈傳動(dòng)中心距a和鏈長(zhǎng)節(jié)數(shù)Lp的選擇。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 606:1994《短節(jié)距傳動(dòng)用精密滾子鏈和鏈輪》，中心距a計(jì)算公式為式（5），鏈長(zhǎng)節(jié)數(shù)Lp計(jì)算公式為式（6），分度圓直徑計(jì)算公式為式（7），齒頂圓直徑計(jì)算公式為式（8），齒根圓直徑計(jì)算公式為式（9）[15]。

式中：a為鏈傳動(dòng)中心距，p為鏈條節(jié)距，Lp為鏈長(zhǎng)節(jié)數(shù)，z1、z2為鏈輪齒數(shù)，i為傳動(dòng)比，d為分度圓直徑，da為齒頂圓直徑，dr為剩余直徑，df為齒根圓直徑。

4）鏈條的松緊程度。鏈條包在鏈輪上要保證有合適的松緊程度，松邊垂度f(wàn)=（0.01～0.02）a。如果鏈條太松，會(huì)影響齒輪和鏈條的振動(dòng)，造成爬壁機(jī)器人履帶本身與鋼面接觸不良。

4 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制方案

除銹爬壁機(jī)器人通常采用的驅(qū)動(dòng)方式包括：液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與機(jī)械驅(qū)動(dòng)相結(jié)合。由于電動(dòng)機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)矩高、反應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)，所以鋼制表面爬壁機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式選用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可供選擇的電動(dòng)機(jī)類型有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)。因?yàn)殇撝茐Ρ诘囊苿?dòng)需要精確定位和其他因素，所以爬墻機(jī)器人除銹器的整體表面需要有一個(gè)快速反應(yīng)的推進(jìn)系統(tǒng)。因此選擇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為交流伺服電動(dòng)機(jī)，交流伺服最穩(wěn)定，基本可以滿足需求。

每個(gè)服務(wù)器都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的單元，沒有伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服電動(dòng)機(jī)就會(huì)無(wú)法旋轉(zhuǎn)。本文在探討的案例中，選用性能好、可靠性高的日本安川的Σ-Ⅱ系列交流伺服系統(tǒng)中的SGMAH-02AAA21型伺服電動(dòng)機(jī)，相對(duì)應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為SGDM-02AD，可控制速度和轉(zhuǎn)矩，具有過載、過壓、CPU故障、編碼器故障等保護(hù)功能。

同時(shí)，高轉(zhuǎn)矩低速電動(dòng)機(jī)必須減速才能產(chǎn)生高轉(zhuǎn)矩。使用行星齒輪箱的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、體積小、傳動(dòng)比大、轉(zhuǎn)矩大、間隙小、效率高、容量大、噪聲低、安裝方便、平穩(wěn)性持久，可搭配德國(guó)NEUGART公司精密行星履帶PLE80-200。

鋼制表面作業(yè)的除銹爬壁機(jī)器人，一般可以采用遠(yuǎn)程人工遙控的半自動(dòng)化控制、上下位機(jī)二級(jí)分布式控制方式。其中，下位機(jī)主要感應(yīng)左、右伺服運(yùn)動(dòng)控制，與上位機(jī)通信，負(fù)責(zé)控制機(jī)器人。上位機(jī)是對(duì)下位機(jī)遙控器進(jìn)行識(shí)別，并控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)速和朝向。除銹爬壁機(jī)器人通過左、右驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及2個(gè)伺服系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)行走與轉(zhuǎn)彎，在伺服電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與方向盤轉(zhuǎn)速相等的情況下，機(jī)器人會(huì)沿著平臺(tái)直線移動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)器人就前進(jìn)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)器人會(huì)后退。在舵機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行的時(shí)候，機(jī)器人會(huì)回到平臺(tái)上。機(jī)器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示[16]。

圖7 除銹爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 初步設(shè)計(jì)方案流程及模型

設(shè)計(jì)鋼制表面除銹爬壁機(jī)器人的第一步是根據(jù)小型輕型機(jī)器人的原則仔細(xì)選擇吸附和驅(qū)動(dòng)模式。通過以上逐步分析和方案選擇來(lái)確定攀爬機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)、行走、吸附能力、控制方式。經(jīng)過上述分析和選型，用于去除鋼制表面銹跡的爬壁機(jī)器人的初步設(shè)計(jì)方案路線流程如圖8所示。

圖8 初步設(shè)計(jì)方案路線流程

根據(jù)上述分析和選型，為體現(xiàn)吸附機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)和控制系統(tǒng)總體形貌，以驗(yàn)證該類鋼制表面爬壁機(jī)器人總體設(shè)計(jì)效果，應(yīng)用SolidWorks三維軟件建立了設(shè)計(jì)樣機(jī)的三維模型，并制作其實(shí)物樣機(jī)，如圖9所示。

圖9 除銹爬壁機(jī)器人外觀

6 結(jié)論

隨著智能制造的發(fā)展，鋼制表面除銹作業(yè)的爬壁機(jī)器人將在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域逐漸發(fā)展，本文研究了鋼制爬壁機(jī)器人的作業(yè)原理，建立了初步方案，分析了永磁吸附機(jī)構(gòu)、履帶鏈輪行走機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選型，并建立了初步控制策略，提出了一種鋼制表面除銹作業(yè)的爬壁機(jī)器人初步設(shè)計(jì)方案路線，并建立了樣機(jī)三維模型，從三維形貌上分析，該機(jī)器人初步的設(shè)計(jì)方案可行。該機(jī)器人裝置未來(lái)將在石化、船舶、核工業(yè)等大型設(shè)備作業(yè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。