左德仁 劉冰陽
目前,短波發(fā)射機冷卻水路管道都是由技術(shù)維護人員進行清潔維護。一方面,人力清潔比較復(fù)雜、費力、費時,且部分死角(如蒸發(fā)鍋回水管)很難清潔干凈。另一方面,波段冷卻水路管道呈螺旋狀且口徑太小,沒有辦法進行清潔,波段如圖1所示。
圖1 螺旋狀波段冷卻水路管道
為了減輕發(fā)射機清潔檢修強度,解決部分冷卻水路無法清潔、死角清潔不干凈等難題,提高發(fā)射機水路冷卻質(zhì)量,本文對微型機器人在短波發(fā)射機冷卻水路清潔中的運用進行了思考分析。
要實現(xiàn)微型機器人清潔發(fā)射機冷卻水路管道內(nèi)壁的功能,必然要求機器人的材質(zhì)輕巧、體積足夠小、翅膀韌性足夠好且能在狹小的空間內(nèi)自如行動。設(shè)計微型機器人的關(guān)鍵技術(shù)為翅膀、動力和控制,現(xiàn)進行思考如下。
翅膀的結(jié)構(gòu)和形狀應(yīng)設(shè)計得足夠小,使其能夠輕松進入口徑很小的管道內(nèi);翅膀要求輕且堅固,保證在振動清潔過程中不會斷裂;為翅膀提供足夠的動力,滿足翅膀高頻振動的需求。翅膀的設(shè)計必須以昆蟲結(jié)構(gòu)和運動特性的研究為基礎(chǔ),提取精髓并進行簡化,從而開發(fā)出更具靈活性和更優(yōu)運動性能的翅膀。
微型機器人的外形較小、質(zhì)量輕,要求驅(qū)動馬達功率高、能耗小,保證翅膀振動較長時間,完成整個管道內(nèi)壁的清潔。目前,微型電動機有微型渦輪機、熱光電發(fā)電機等,可利用化學電池、燃料電池、太陽能電池作為能源,但這類能源較重,提供能量小,且與檢修環(huán)境不相適應(yīng)。從機器人對質(zhì)量和大小的要求來看,微型電池和電機是首選。
控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于高度控制和穩(wěn)定性控制。受微型機器人質(zhì)量和體積小及工作環(huán)境的約束,控制系統(tǒng)的實現(xiàn)非常困難。目前的水平要實現(xiàn)復(fù)雜的控制是不現(xiàn)實的,必須進行簡化,一方面把條件簡化,另一方面采用多級簡單控制??刂葡到y(tǒng)的設(shè)計以智能分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展為基礎(chǔ)。
考慮到發(fā)射機冷卻水路管道口徑小、彎道多等特點,參考仿昆蟲爬行、飛行機器人現(xiàn)有研究設(shè)計成果,聯(lián)系短波發(fā)射機清潔檢修工作實際,微型機器人應(yīng)由大腦、眼睛、翅膀、腿、心臟構(gòu)成。
機器人的大腦采用一塊基于高性能、低功耗微型嵌入式專用處理器與IBMPC標準完全兼容的PC/104中央處理器模塊,工作頻率700 MHz。主控板包含DMA控制器、中斷控制器及定時器,外接后備電池,256 M字節(jié)DDR內(nèi)存。另外,高性能顯示控制器提供CRT和LCD顯示器支持。編程語言采用C語言實現(xiàn)。
機器人的眼睛采用紅外傳感器,主要包括紅外發(fā)射和接受兩部分,應(yīng)用編碼/解碼集成芯片實現(xiàn)操作控制。
機器人的“腿”設(shè)計成6條,由一個微型的伺服驅(qū)動馬達提供動力,包括一個微型直流馬達,一組變速齒輪,一個可調(diào)電位器及控制板。直流馬達提供基本動力,產(chǎn)生較高的扭力。
機器人的翅膀由輕質(zhì)清潔材料制成,便于清潔、清洗和更換,由微型馬達提供動力,實現(xiàn)高頻振動。
機器人的心臟由微型電池構(gòu)成,給控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)提供12 V的電壓。
微型機器人主要具備紅外控制、沿壁爬行、振動清潔等功能,實現(xiàn)了發(fā)射機冷卻水路清潔機器人化,減輕了技術(shù)維護人員工作強度。
紅外控制包括發(fā)射和接收兩大部分,用集成電路進行操作控制,如圖2所示。紅外控制的發(fā)射部分主要包括編碼調(diào)制、紅外發(fā)送器等,當按下發(fā)射器后,就會發(fā)出遙控碼,按鍵不同,發(fā)出的遙控碼也會不同。該遙控碼采用脈寬調(diào)制的串行碼,以脈寬為0.56 ms、周期為1.125 ms的組合表示二進制“0”;以脈寬為0.56 ms、周期2.25 ms的組合表示二進制“1”。
遙控編碼是連續(xù)的64位二進制編碼,前32位是用戶識別碼,主要用來區(qū)別不同的電器設(shè)備,防止不同機類的遙控碼相互干擾。后32位是功能碼,功能碼是8位,有128種不同組合的編碼,用以實現(xiàn)其控制功能。
紅外控制的接受部分主要包括光電轉(zhuǎn)換器、解碼電路等,由一個紅外接受模塊實現(xiàn)。該模塊內(nèi)部含有高頻的濾波電路,專門用來慮除紅外線合成的載波信號。當信號到達紅外接受模塊,就能得到發(fā)射器發(fā)出的編碼,經(jīng)單片機解碼處理,就能得知按下哪個鍵,進而做出相應(yīng)調(diào)整,完成整個紅外控制動作。
沿壁爬行由微型的伺服馬達控制實現(xiàn),其原理如圖3所示.
圖3 伺服馬達原理
控制端發(fā)送脈沖信號到控制電路,使驅(qū)動馬達運轉(zhuǎn)驅(qū)動減速齒輪運動,輸出端帶動一個線性的比例電位器檢測位置,通過電壓反饋給控制電路板,使馬達正向或反向轉(zhuǎn)動,進而控制機器人位置。
伺服馬達有電源、地、控制三條控制線控制。電源線及地線給內(nèi)置的直流馬達和控制線路提供大約5 V的電壓,伺服控制系統(tǒng)通過控制線將周期性的脈寬信號直接傳遞給伺服馬達,該周期性信號的高電平脈寬在2 ms左右,低電平脈寬在20 ms左右,不同的脈寬對應(yīng)不同的伺服馬達輸出臂。
振動清潔是該微型機器人的重要功能,實現(xiàn)對波段、蒸發(fā)鍋回水管等發(fā)射機冷卻水路內(nèi)壁的清潔。機器人的內(nèi)部另置一個電驅(qū)動的振動電機,讓翅膀在垂直方向完成高頻振動,但振動幅度不大,一般在3~5 ms。清潔過程中,一方面高頻振動的翅膀能高效完成刷洗管道內(nèi)壁的動作,另一方面頻率超過500 Hz的振動能夠讓洗滌劑和水的混合物產(chǎn)生大量微小的氣泡,氣泡爆裂時產(chǎn)生的壓力可深入清潔管道內(nèi)壁。
該微型機器人的設(shè)計能夠極大解放發(fā)射機技術(shù)維護人員的雙手,減輕檢修維護人員的負擔,提高發(fā)射機檢修質(zhì)量。相信在未來,隨著機器人的快速發(fā)展,會有更多種類的機器人運用到發(fā)射機的值班、檢修等工作中,有效確保發(fā)射機的安全播出。
[1]史智恒.大功率短波發(fā)射機水路的維護[J].電子制作,2014(22).
[2]黃偉.SW-50B短波發(fā)射機冷卻水監(jiān)測電路原理及故障預(yù)防[J].數(shù)字化用戶,2017(9).