【文章內(nèi)容簡介】 由于爬壁機器人的作業(yè)環(huán)境惡劣，本控制系統(tǒng)采用 STD 總線工業(yè)控制機，它能夠適應(yīng)控制現(xiàn)場的震動、灰塵、潮濕、有害氣體和各種電磁干擾，具有較高的可靠性和靈活的外圍模板配置。電氣控制柜是整個控制系統(tǒng)的核心，包括一套 STD 工業(yè)控制機，兩套交流伺服單元，開關(guān)電源、繼電器等。鑒于機器人工作在有爆炸性氣體的環(huán)境中，電機選用日本三木公司生產(chǎn)的永磁式交流伺服電機，型號為 SAH120，并分別安裝了隔爆外殼和隔爆電氣接線盒，具有全封閉結(jié)構(gòu)，可靠性高。驅(qū)動器采用配套的伺服單元，型號為 SAPII，可實現(xiàn)電 機的位置閉環(huán)控制和制動控制，具有過流、過壓、過載、超速、過熱、電源異常、短路與再生吸收能量等的保護。遙控器采用 STD 工控機的遙控系統(tǒng)，遙控距離 ≥25m ，控制機器人的運動、噴涂、測厚等，操作方便。 (2) 水冷壁清掃、除渣、測厚爬壁機器人 火力發(fā)電站大型排管鍋爐中的水冷壁的向火側(cè)管壁表面上存在著積灰、結(jié)渣、磨損和腐蝕等問題，對鍋爐的安全、經(jīng)濟運行會造成很大危害。為實現(xiàn)電站鍋爐水冷壁的定期自動清掃和檢修， 1997 年，哈工大機器人研究所和天力機器人工程有限責(zé)任公司聯(lián)合研制開發(fā)出一套適用電站鍋爐水冷壁排管清掃、 敲渣、檢測的履帶式磁吸附爬壁機器人試驗樣機，并于 1998 年得到國家 “863” 高科技計劃資助，如圖 6 所示。該設(shè)備的使用可使工作效率提高 10 以上，大幅度地縮短了檢修時間，經(jīng)濟效益可觀。 圖 16 水冷壁爬管機器人 (1) 具體技術(shù)指標(biāo) a) 吸附方式：永磁吸附； b) 移動機構(gòu)：履帶式； c) 移動速度： 2～ 8m/min。 d) 負重能力： 40kg。 e) 控制方式：有線遙控， PLC 控制 。 f) 爬行壁面：由 Φ60mm 管組成的排管水冷壁， 高度為 46m。 g) 作業(yè)功能：帶附件后 ，能實現(xiàn)清掃、敲渣、測厚、打標(biāo)記等。 (2) 機械結(jié)構(gòu) 機器人的永磁吸附塊形狀呈圓弧形，與管壁圓弧相吻合，從而減少磁路中的氣隙，提高磁 第 11 頁 吸附力。為使機器人能安全跨越一定高度的焊縫設(shè)計了抗傾覆機構(gòu)，并可使行走平穩(wěn)可靠。在履帶式水冷壁清掃、檢測爬壁機器人中，通過鏈條傳動帶動搖桿機構(gòu)，使鋼絲刷做來回往復(fù)運動，實現(xiàn)對管壁表面的清掃。敲渣電機帶動棘輪棘爪機構(gòu)，使鋼錘間歇性地敲打管壁表面，實現(xiàn)對管壁表面結(jié)渣部分的清除。在機器人上方安置 5 個超聲波探頭，可同時測量 5根管子的壁厚，并且紀錄在案，一旦檢測到壁厚過薄，能自動報 警并做標(biāo)記，便于維修。 (3) 控制系統(tǒng) 電氣控制柜包括一套可編程控制器、一套交流電機驅(qū)動器、開關(guān)電源、繼電器等?？删幊炭刂破鬟x用德國西門子公司的 S7200 型 PLC， CPU214 模塊處理遙控盒的輸入信號，發(fā)出脈沖指令，控制機器人的上、下行走，并執(zhí)行清掃、敲渣、檢測作業(yè)，檢測電機的運行狀態(tài)，以此構(gòu)成爬壁機器人的控制系統(tǒng)。電機采用日本松下的交流伺服電機 MSM042A1，驅(qū)動器采用相配套的交流數(shù)字伺服單元 MSD043A1XB。 第 12 頁 2. 總體設(shè)計 機器人的功能分析 爬墻機器人的主要功能是能夠自行爬上墻壁，為此爬墻機器人必須能夠獲得足夠的吸力和牽引力。作為一種自動爬行裝置，其主運動為直線運動，因此設(shè)計采用具有循環(huán)往復(fù)運動特點的液壓缸或氣缸較為有利。這樣，既利于獲得連續(xù)或單步兩種爬升方式，又可以方便地進行手動、自動遙控操縱。但由于機器人最大的爬升高度為 2~3 米，如果采用液壓傳動作為動力，油液的傳送、油管的布置和現(xiàn)場施工中液壓有的獲得都是難以解決的問題，此外，液壓油的重量也會對機器人整體重量產(chǎn)生巨大影響。所以，根據(jù)機器人功能要求，本設(shè)計確定采用氣壓傳動作為機器人動力，完全可 以滿足荷重要求，也有利于使機器人自重控制在范圍內(nèi)，同時氣源又可以滿足清洗、噴涂等作業(yè)的用氣需要。 出于工作效率上的考慮，對爬行速度的要求不高 ,其速度也可以手動設(shè)定，故設(shè)計確定采用單片機。它的特點體現(xiàn)在體積小，重量輕，成本低，變成簡單，容易掌握。配合安裝與氣缸上進行行程控制的電磁閥可以很容易地實現(xiàn)機器人運動控制要求。 機器人的大體設(shè)計就如上所述，它的外觀可以參考圖紙。為直觀觀察，可見如圖 21的立體圖。 圖 21 機器人立體圖 零件說明 對于零件的說明請參考圖紙： 第 13 頁 1． QGEW2 LA 50B 100 型氣缸 外購件，此氣缸由生產(chǎn)，材料為硬鋁，是本機器人主要的動力來源。 2．托盤一 材料為硬鋁，其周圍是輪齒，其下面的軸與托盤二上裝的軸承聯(lián)接。當(dāng)機器人想轉(zhuǎn)彎時，由它旁邊的小齒輪帶動，可以向各方向旋轉(zhuǎn)，從而達到轉(zhuǎn)彎的目的。它的上面有兩個缺口，其作用由下面提到。 3．托盤二 材料為硬鋁，中間的孔用來安裝軸承，與托盤一聯(lián)接，旁邊突出的部分上安裝電機，帶動托盤一轉(zhuǎn)動，使機器人可以轉(zhuǎn)彎。四個小螺紋孔用來安裝四根滑桿，滑桿的作用下面提到。 4．托盤三 材料為硬鋁，中間的螺紋孔用來安裝吸盤支架，四個小孔用來 安裝套筒，套筒中安裝 直線軸承，與托盤二上的滑桿聯(lián)接。除下的大孔用來安裝軸承，與一個電機聯(lián)接。 5． GB281988 型螺釘 標(biāo)準件，用來聯(lián)接氣缸支架與氣缸。 6．氣缸支架 材料為 45 號鋼，用來固定氣缸，使氣缸與托盤一可以很好的聯(lián)接在一起，不會有相對運動。 7．吸盤 外購件，抓住墻面的主要力量來源，機器人靠它吸附在墻面上。 8．軸承 6204 標(biāo)準件，型號 GB/T2761994，安裝在托盤三上。 9．彈性擋圈 第 14 頁 標(biāo)準件，型號 GB/，安裝在托盤三內(nèi)的套筒中，用來阻擋其中直線 軸承滑動。 10．直線軸承 標(biāo)準件 11．軸承 6210 標(biāo)準件，型號 GB/T2761994，安裝在托盤二上。 12．滑桿 材料為硬鋁，用來保持兩個托盤之間的平行。 13． GB/ 型螺釘 用來固定氣缸支架與托盤一。 14．吸盤支架 焊接件，材料為硬鋁，安裝在托盤三上，由四部分焊接而成，上面安裝吸盤。 15．焊接框架 焊接件，材料為硬鋁，是本機器人的總體框架，由六種零件焊接而成，它們是： 1） QGEW2 LA 50B 100 型氣缸 其功用等上面已經(jīng)提起過，在這里就不再詳細介紹了。 2）直 角管接頭 用來連接腿與橫梁。 3）腿 用來支撐整個機器人的 “ 身體 ” ，下端接吸盤，中空，通氣的管子由此通過；行走時起到邁進的作用。 4）橫板 聯(lián)接前后兩個支撐架，可以加強穩(wěn)定性；嵌在托盤一的兩個缺口中，防止支架在行走過程中左右晃動。另外，可以在橫板上安裝電機驅(qū)動器、氣流控制閥、電磁閥等器件。 5）前后擋板 加強腿的穩(wěn)定性，還為橫板提供焊接點。 6）橫梁 連接兩腿，固定氣缸，也是中空，可以讓管道在此通過。 第 15 頁 以上為各零件的簡單介紹，下面來說一下機器人的工作原理。 工作原理 制作本機器人的目 的是可以使機器人在人的控制下獨立的爬上墻壁，因此如何使機器人吸附在墻壁上就是本設(shè)計中首要解決的問題，另外，吸附在墻壁上后如何行走是另一個在問題，解決了這兩個問題后，其它問題就比較容易解決了。 對于第一個問題我采取的措施是使用了吸盤，通過吸盤的吸力使機器人吸附在墻壁上。吸盤可以抓的住的粗糙度比較大，一般的就可以吸起像石頭一樣粗糙的物體，因此，對于吸附墻壁來說，吸盤可以輕松的應(yīng)付。 解決了這個問題下個問題就是如何讓機器人行走。對于大部分可獨立運動的物體，如動物、車輛等，運動的方式主要有兩種：一是像動物一樣，幾個 支撐點相互交錯著支撐身體，并且移動位置來達到行走的目的；另一個就是像車輛一樣，通過輪子的轉(zhuǎn)動來向前運動。由于本機器人需要用吸盤吸附在墻上，所以，用輪子轉(zhuǎn)動的方式比較困難，因此，我采用了第一種方式，就是兩個吸附點或者說幾個吸盤相互交換位置，輪換著吸附墻面，從而使機器人行走。 從圖紙上可以清楚的看到，機器人大體上可分為兩個相對靜止的部分，一是焊接框架和氣缸的活塞桿（后面簡稱為支架）；一是其它的如三個托盤）等和氣缸筒（后面簡稱為下盤，因此，機器人的行走就靠這兩部分上的吸盤輪換著吸附墻面，并且交換位置來行走。大體的 行走過程是這樣的： 以向上走為例，先讓支架上的吸盤吸住墻面，使機器人可以固定在墻上，此時如果下盤處于位置比較靠下的地方，則對氣缸上位置在上面的氣口（后面簡稱為 1 口）輸入氣體，位置在下面的氣口（后面簡稱為 2 口）輸出氣體，使氣缸向上運動，從而帶動下盤向上運動。當(dāng)下盤到達頂部時，此時氣缸的行程也已近最大，停止輸入氣體，使下盤上的吸盤吸住墻壁，吸牢后，支架上的吸盤放開墻壁， 1 口輸出氣體， 2 口輸入氣體，使氣缸向下運動，下盤也隨之下移，當(dāng)下盤到達底部后，支架上的吸盤再吸附住墻面，而下盤上的吸盤放開，再重復(fù)上面所述的過程 ，即可向上運動。 同理，也可以向下運動。 如果在運動過程中，想讓機器人轉(zhuǎn)彎，則可通過小齒輪的轉(zhuǎn)動帶動托盤一，使支架轉(zhuǎn)動到想要的位置，從而改變方向。 運動過程中，在支架和下盤相對運動時，如果不做任何調(diào)整，吸盤會與墻面產(chǎn)生摩 第 16 頁 擦，而使運動難以順利進行，因此，在托盤三上安裝了一個電機，帶動一根螺紋桿轉(zhuǎn)動，螺紋桿與托盤二上的螺紋孔聯(lián)接，當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，可以帶動托盤三和托盤二間的相對分開與接近的運動，這樣，在運動時，就需加入這項運動。在支架和下盤同時抓住墻壁時，根據(jù)情況，選擇電機的正反轉(zhuǎn)，這樣就可以避免摩擦。 整個行走過 程可用圖 22 表示： 圖 22 機器人的行走過程 3. 機械機構(gòu)設(shè)計 第 17 頁 機械機