基于磁隙式吸附機(jī)構(gòu)的槽車清洗機(jī)器人

，，，

(上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所，上海 200240)

0 引言

當(dāng)今時(shí)代，石油與人們的生活息息相關(guān)，槽車主要用作石油的衍生品包括汽油、柴油和原油等的運(yùn)輸和儲(chǔ)存。槽車通過(guò)定期清洗保證產(chǎn)品的質(zhì)量，避免槽車裝卸油品時(shí)帶入的水分、雜質(zhì)、油垢及鐵銹影響油品的質(zhì)量。目前，槽車的清洗主要由人工完成，一方面效率低下，清洗困難，另一方面工作環(huán)境相對(duì)比較惡劣，存在安全隱患。

磁吸附技術(shù)目前在爬壁機(jī)器人中已經(jīng)有較為成熟的發(fā)展和應(yīng)用[1-2]。絕大多數(shù)磁吸附爬壁機(jī)器人采用磁輪或磁履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)[3-6]，磁輪由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與壁面接觸面積小，導(dǎo)致磁能利用率低。履帶式吸附機(jī)構(gòu)與壁面接觸面積大，能產(chǎn)生較大的吸附力，但與壁面摩擦也大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向不靈活。Weiss等[7]針對(duì)水下船舶檢修問(wèn)題所研制的爬壁機(jī)器人采用輪式永磁吸附機(jī)構(gòu)，能夠在船舶表面完成清潔、檢測(cè)、噴涂作業(yè)。Tunawattana等[8]研制了一種用于清洗船體附著物的自動(dòng)清洗機(jī)器人，利用磁吸附和海水噴射進(jìn)行清洗。張小松[9]提出了一種新型輪式懸磁吸附爬壁機(jī)器人，其主動(dòng)輪為輪式懸磁吸附裝置，既能提供驅(qū)動(dòng)力，又能提供充足的吸附力，能夠穩(wěn)定吸附在船舶表面完成作業(yè)。

由于機(jī)器人作業(yè)環(huán)境的惡劣性以及需要保證高效的清洗效率與清洗可靠性，同時(shí)清洗作業(yè)時(shí)高壓水具有反向沖擊力，會(huì)對(duì)機(jī)器人形成很大的傾覆力矩，增加了各方面的技術(shù)難度。因此，本文針對(duì)其工作環(huán)境與工作內(nèi)容，設(shè)計(jì)了一種基于磁隙式永磁吸附機(jī)構(gòu)的槽車清洗機(jī)器人，同時(shí)分析其在清洗過(guò)程中的傾覆力矩模型，驗(yàn)證磁吸附方案的可靠性。

1 槽車清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

1.1 槽車清洗機(jī)器人總體方案

槽車清洗機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 槽車清洗機(jī)器人總體方案

該機(jī)器人主要由吸附模塊、磁力調(diào)整模塊、行走模塊、人孔適應(yīng)模塊、伸縮模塊、旋轉(zhuǎn)模塊和作業(yè)模塊組成。其中，吸附模塊采用永磁式強(qiáng)力磁鐵陣列，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在油罐壁面的可靠吸附。磁力調(diào)整模塊主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在進(jìn)入和離開(kāi)工作罐體時(shí)的機(jī)器人本體與金屬罐壁順利吸附與脫離，并在機(jī)器人行走過(guò)程中起到輔助支撐的作用，此模塊通過(guò)升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)磁鐵與壁面之間距離的改變以改變吸附力的大小。行走模塊采用驅(qū)控一體伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)橡膠輪，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在罐體內(nèi)部的連續(xù)爬行。人孔適應(yīng)模塊采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠螺母副帶動(dòng)行走模塊進(jìn)行伸縮調(diào)節(jié)，保證對(duì)不同人孔尺寸的適應(yīng)性，以保證爬壁機(jī)器人本體伸縮的精準(zhǔn)性、可靠性和穩(wěn)定性。伸縮模塊采用分段式調(diào)節(jié)方式，保證機(jī)器人對(duì)不同油罐直徑尺寸的適應(yīng)性，其清洗油罐直徑范圍可保證2 700～3 100 mm。旋轉(zhuǎn)模塊采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主要實(shí)現(xiàn)作業(yè)模塊方向的調(diào)整，此模塊保證機(jī)器人在本體不進(jìn)行轉(zhuǎn)彎操作的前提下對(duì)罐內(nèi)有效清洗，同時(shí)減輕了行走模塊的控制難度。作業(yè)模塊通過(guò)高壓水槍完成槽車內(nèi)部的清洗作業(yè)。

1.2 行走模塊

行走模塊如圖2所示。此模塊主要包括一號(hào)輪組、二號(hào)輪組、導(dǎo)向模塊和傳動(dòng)模塊，可以實(shí)現(xiàn)一號(hào)輪組與二號(hào)輪組之間軸向距離的自動(dòng)調(diào)整。其調(diào)整過(guò)程如下：傳動(dòng)模塊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠螺母副帶動(dòng)二號(hào)輪組相對(duì)于一號(hào)輪組產(chǎn)生伸縮運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)向模塊主要保證二號(hào)輪組運(yùn)動(dòng)方向的精確性和穩(wěn)定性。此模塊可通過(guò)的最小人孔尺寸為500 mm。機(jī)器人在工作過(guò)程中調(diào)整2個(gè)輪組之間的距離可有效保證清洗機(jī)器人工作過(guò)程的穩(wěn)定性。

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圖2 行走模塊

1.3 作業(yè)模塊

作業(yè)模塊如圖3所示。此模塊機(jī)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)和改變作業(yè)角度的功能。作業(yè)過(guò)程中推桿電機(jī)通過(guò)同步帶輪傳遞至推桿，控制推桿前進(jìn)后退，從而改變清洗噴槍的夾角，使其能夠清理槽罐兩端的球面。旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制清洗噴槍繞軸旋轉(zhuǎn)，清洗槽罐內(nèi)壁。采用對(duì)稱噴槍設(shè)計(jì)，使得質(zhì)量關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱分布，降低旋轉(zhuǎn)電機(jī)的輸出力矩，提高其相應(yīng)速度；噴槍口可安裝清洗延長(zhǎng)桿或除塵裝置，適應(yīng)不同作業(yè)需求。

圖3 作業(yè)模塊

1.4 機(jī)器人功能方案

根據(jù)安全性槽車清洗機(jī)器人的技術(shù)要求和性能指標(biāo)，清洗機(jī)器人在槽罐內(nèi)部執(zhí)行清洗作業(yè)時(shí)的效果分別如圖4和圖5所示，工作過(guò)程中機(jī)器人在槽罐底部沿罐體母線方向行進(jìn)。

圖4 機(jī)器人工作效果示意

圖5 機(jī)器人工作局部示意

工作過(guò)程中機(jī)器人一邊沿著槽罐母線方向行進(jìn)，一邊旋轉(zhuǎn)作業(yè)模塊，清洗油罐內(nèi)壁。到達(dá)槽罐兩端球冠時(shí)機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，同時(shí)調(diào)整噴槍之間的夾角，保證兩端球面能夠完全清洗，簡(jiǎn)化模型如圖6所示。

圖6 機(jī)器人工作簡(jiǎn)化示意

在清洗槽罐圓周內(nèi)壁時(shí)，可以得到2個(gè)噴槍清洗軌跡為

(1)

v為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度；t為時(shí)間；lt為作業(yè)模塊長(zhǎng)度；β為噴槍與垂直方向的夾角；H為工作模塊高度；ω為作業(yè)模塊旋轉(zhuǎn)角速度。

在清洗兩端球冠時(shí)，可以得到2個(gè)噴槍清洗軌跡為

(2)

ωt為作業(yè)模塊張合角速度。

2 非接觸式磁吸附模塊方案

吸附力大小是保證機(jī)器人壁面安全性和負(fù)載能力的直接因素，通過(guò)吸附力平衡清洗過(guò)程中由于高壓水槍反向沖擊力造成的傾覆力矩，提高作業(yè)穩(wěn)定性。本文設(shè)計(jì)了一種新型非接觸式磁吸附機(jī)構(gòu)，同時(shí)配備磁力調(diào)整機(jī)構(gòu)，能夠根據(jù)壁面情況對(duì)吸附做出相應(yīng)調(diào)整，保證清洗機(jī)器人在完成作業(yè)后能夠方便地從壁面脫落下來(lái)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 新型非接觸磁吸附模塊示意

磁力調(diào)節(jié)模塊如圖8所示，此模塊由上到下分別有升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、十字架附件安裝部件、萬(wàn)向輪部件和尼龍支撐部件4個(gè)部分組成。

圖8 磁力調(diào)整模塊結(jié)構(gòu)示意

升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用驅(qū)控一體電機(jī)驅(qū)動(dòng)梯形螺母副以實(shí)現(xiàn)模塊的上下移動(dòng)。十字形附件安裝部件主要為非金屬支撐部件和萬(wàn)向輪提供安裝與支撐。萬(wàn)向輪部件有2個(gè)功能：在機(jī)器人本體進(jìn)入罐體和離開(kāi)罐體時(shí)磁鐵與金屬壁面之間的距離加大以減小吸附力，從而保證機(jī)器人進(jìn)入與脫離的可靠性和安全性；在機(jī)器人正常工作行走時(shí)，其可為機(jī)器人本體提供側(cè)向支撐防止傾覆。非金屬支撐部件主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體進(jìn)入罐體和離開(kāi)罐體時(shí)使磁鐵和金屬壁面之間的距離加大以減小吸附力，從而保證機(jī)器人進(jìn)入和脫離的可靠性與安全性。

3 槽車清洗機(jī)器人穩(wěn)定性分析

3.1 傾覆力矩模型

在機(jī)器人清洗過(guò)程中，尤其是清洗兩端球冠時(shí)，需要調(diào)整2個(gè)高壓水槍之間的夾角，角度在調(diào)整過(guò)程中始終保持對(duì)稱，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)跟機(jī)器人行進(jìn)方向平行的反向沖擊力，會(huì)對(duì)機(jī)器人形成很大的傾覆力矩。因此，本文采用磁隙式永磁吸附技術(shù)，在機(jī)器人底盤安裝永磁吸附模塊。

根據(jù)對(duì)清洗機(jī)器人作業(yè)流程分析可知，當(dāng)2個(gè)高壓水槍之間的夾角為0時(shí)，此時(shí)與機(jī)器人行進(jìn)方向平行的反向沖擊力最大，即最容易造成機(jī)器人的傾覆。因此需要磁吸附裝置提供充足的吸附力，來(lái)抵消反向沖擊帶來(lái)的傾覆力矩。為了簡(jiǎn)化計(jì)算同時(shí)保證模型盡可能接近實(shí)際問(wèn)題，作以下假設(shè)：

a.4個(gè)非接觸磁吸附裝置提供的吸附力相同，并且每個(gè)吸附裝置提供均勻力。

b.2個(gè)高壓水槍反向沖擊力相同，合力作用線與機(jī)器人行進(jìn)方向平行。

簡(jiǎn)化模型如圖9所示。

圖9 簡(jiǎn)化模型

由于機(jī)器人實(shí)際工作時(shí)不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向，而是直接反向移動(dòng)并將作業(yè)模塊旋轉(zhuǎn)180°工作來(lái)達(dá)到反向清洗的效果，因此僅需分析一側(cè)清洗時(shí)的受力情況。當(dāng)高壓水槍噴水方向如圖9所示時(shí)，機(jī)器人受到反向沖擊力，容易以圖9中A點(diǎn)為支點(diǎn)傾覆，據(jù)此建立力矩方程，即

H(FC1+FC2)-Gl-(NH3+NH4)L=0

(3)

H為高壓水槍距離地面高度；FC1和FC2分別為2個(gè)高壓水槍的反向沖擊力；G為機(jī)器人重力；l為重心離較近輪組的水平距離；NH3和NH4分別為前輪側(cè)2個(gè)磁吸附裝置的吸附力；L為前后輪之間的水平距離。

根據(jù)之前的假設(shè)，同時(shí)結(jié)合式(3)，可以得到

(4)

FC為單個(gè)高壓水槍清洗時(shí)反向沖擊力；NH為單個(gè)磁吸附裝置提供的吸附力。

因此，只要保證在機(jī)器人正常工作時(shí)，單個(gè)磁吸附裝置所能達(dá)到的吸附力超過(guò)NH，機(jī)器人就能夠安全可靠地進(jìn)行清洗作業(yè)。

3.2 仿真

本方案中采用的磁吸附模塊如圖10所示，其中h1、h2、h4分別為軛鐵、磁鐵與鋼板的厚度；h3為氣隙高度；w1、w2分別為磁鐵寬度；d為磁鐵間隙；L為磁鐵總寬。采用ANSYS Electronics Desktop平臺(tái)下的Maxwell對(duì)單個(gè)磁吸附模塊進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖10 磁吸附模塊簡(jiǎn)化模型

本方案中采用的參數(shù)如表1所示。

表1 吸附模塊參數(shù) mm

在改變磁鐵厚度與軛鐵厚度時(shí)，吸附力變化結(jié)果如圖11所示。

圖11 磁體厚度與軛鐵厚度對(duì)吸附力的影響

由圖11可知:當(dāng)軛鐵厚度相同時(shí)，磁吸附力隨著磁鐵厚度增加而增加；當(dāng)磁鐵厚度相同時(shí)，增大軛鐵厚度則磁吸附力迅速增加，后來(lái)逐漸變慢，并趨于穩(wěn)定。這是由于當(dāng)軛鐵厚度達(dá)到一定時(shí)，磁路中的漏磁已經(jīng)很小，再增加軛鐵厚度不會(huì)對(duì)吸附力產(chǎn)生多大影響。

同時(shí)分析了不同氣隙高度時(shí)吸附力的大小，結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，隨著氣隙高度的增加，單個(gè)磁吸附模塊提供的吸附力逐漸減小。因此在機(jī)器人工作過(guò)程中可根據(jù)工況調(diào)整氣隙高度從而調(diào)整吸附力的大小，保證具有充足的吸附力來(lái)抵消高壓水槍反向沖擊力帶來(lái)的傾覆力矩，同時(shí)在完成作業(yè)后增加氣隙高度，使機(jī)器人能夠方便地從壁面脫離。

圖12 氣隙高度與磁吸附力關(guān)系

3.3 穩(wěn)定性分析

本方案中采用第三方高壓水槍噴頭，管徑為1.12 mm，流量為11 L/min，最高壓力為20 MPa，根據(jù)式(5)可得水流速度為186 m/s，同時(shí)根據(jù)動(dòng)量定理，即式(6)計(jì)算高壓水槍清洗時(shí)反向沖擊力[10]。

Q=πr2v

(5)

FCt=mv=ρQtv

(6)

Q為流量；r為噴頭半徑；v為噴水速度；t為時(shí)間；m為水的質(zhì)量；ρ為水的密度。

因此可以得到

FC=ρQv

(7)

將以上數(shù)據(jù)代入式(7)計(jì)算，可以得到反向沖擊力為34 N。本方案中前后輪組之間距離可調(diào)，范圍為200～300 mm，機(jī)器人重力G=1 100 N，H=1 800 mm，針對(duì)不同輪組之間距離以及重心離較近輪組距離分別做計(jì)算，得到所需要的吸附力，結(jié)果如圖13所示。

由圖13可知，所需吸附力隨著重心離較近輪組距離的增加而減小，隨不同輪組之間的距離的增加而減小，極限狀態(tài)下L=0.20 m，l=0.05 m，得到單個(gè)磁吸附裝置需要提供的吸附力NH=169 N，因此，有

圖13 吸附力計(jì)算

Nr=k·NH

(8)

k為安全系數(shù)，一般取3；Nr為單個(gè)磁吸附裝置實(shí)際至少需要提供的吸附力。

若要保證機(jī)器人能夠在任意工況下穩(wěn)定運(yùn)行，單個(gè)磁吸附裝置至少需要提供508 N的吸附力。根據(jù)之前的仿真計(jì)算，采用2塊40 mm×40 mm×15 mm與2塊80 mm×40 mm×15 mm的永磁鐵，當(dāng)磁鐵間隙為10 mm、軛鐵厚度為9 mm、氣隙高度為10 mm時(shí)，單個(gè)磁吸附裝置能夠提供693 N的吸附力，保證機(jī)器人能夠在20 MPa水壓、3倍安全系數(shù)下穩(wěn)定地進(jìn)行清洗作業(yè)，同時(shí)可以靈活地調(diào)整氣隙高度來(lái)調(diào)整吸附力，適用于多種工況。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種用于槽車清洗作業(yè)的磁隙式槽車清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。針對(duì)機(jī)器人在清洗過(guò)程中由于高壓水槍反向沖擊力帶來(lái)的傾覆力矩，采用磁吸附方案，并優(yōu)化磁吸附機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。通過(guò)建立傾覆力矩模型、仿真計(jì)算分析，得到當(dāng)采用2塊40 mm×40 mm×15 mm與2塊80 mm×40 mm×15 mm的永磁鐵，磁鐵間隙為10 mm，軛鐵厚度為9 mm，氣隙高度為10 mm時(shí)，單個(gè)磁吸附裝置能夠提供693 N的吸附力，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人在20 MPa水壓、3倍安全系數(shù)下穩(wěn)定地進(jìn)行清洗作業(yè)，保證了磁吸附方案的安全性與可靠性。