以常见的外径为219 mm和273 mm的工业管道为研究对象,针对其水平管段、垂直管段、弯头、变径节等部位的检测,研制了可变径内检测机器人.该机器人采用连杆支撑的3个独立履带驱动模块以适应不同管径以及不同姿态的爬行,采用柔性滑动机构以自动适应管径的微小变化并提高越障能力,采用薄膜压力传感器采集三履带与壁面之间的压力以对机器人的姿态位置进行闭环控制.试验结果表明,该机器人具有较好的工业管道检测环境适应能力,可顺利通过水平、垂直、弯头及变径管段,可以搭载各种检测模块对工业管道进行检测.
工业管道属于压力管道主要的3个类别之一,纳入特种设备监管范围。工业管道具有点多、面广、量大及布置复杂、更新频率快、服役环境恶劣、失效形式复杂等特点],容易发生腐蚀、结垢、裂纹、穿孔等缺陷,导致管道失效,因此需要通过定期检验对管道的安全状况进行监测。由于工业管道设计、管理的不到位[2,加之工业管道常常处于复杂的环境下,加大了传统检测方法的工程实施难度,这也推动了管道内检测机器人技术的快速发展。
管道检测机器人是针对油气输送工业管道的检测、喷涂、接口焊接、异物清理等维护检修作业而研制的一种特种机器人,而变径机器人是一种特殊的管道机器人,能够适用于弯管、变径管、“T”型管道及管内焊缝等复杂环境,特别适用于情况复杂的工业管道。国外关于管道检测机器人的研究始于20世纪40年代,于20世纪90年代初得到了迅猛的发展,取得了大量的研究成果。管道检测机器人按运动方式可分为介质压差式、轮式、螺旋驱动式、履带式、蛇行式、蠕动式、多足爬行式等[8]。针对弯管、变径管、“T”型管道等复杂情况下的检测机器人,距离大规模实用化和产业化还有一定的距离。
无损检测证书挂靠网以国内常见的外径为219mm和273mm的工业管道为研究对象,针对其水平管段、垂直管段、弯头、变径节等部位的检测,研制了一款工业管道可变径内检测机器人。该机器人采用连杆支撑的3个独立履带驱动模块以适应不同的管径以及不同的爬行姿态;采用柔性滑动机构以自动适应管径的微小变化并提高越障能力;采用薄膜压力传感器采集三履带与壁面之间的压力以对机器人的姿态位置进行闭环控制。试验结果表明,该机器人具有较好的工业管道检测环境适应能力,可顺利通过水平、垂直、弯头及变径管段,亦可以搭载各种检测模块对工业管道进行检测。
1变径结构设计
管道机器人预紧变径机构包括弹簧预紧变径机构、蜗杆预紧变径机构、升降机预紧变径机构和丝杠螺母副预紧变径机构等。不同变径机构结构如图1所示。相对于其他变径方式,丝杠螺母副驱动平行四边形连杆机构的变径方式具有变径范围大、驱动力小、空间布置简单等优点。笔者采用移动弹簧和丝杠螺母副混合预紧变径机构,根据管道的轴对称性和三角形的稳定性等特点,设计了3组结构相同、相互独立、周向均布的预紧变径机构,这种机构不仅可以适应大范围的变径,而且自适应越障能力更强,具有较强的自解卡能力。
由于机器人各个预紧变径机构结构相同且相互独立,因此取单个预紧变径机构进行分析。图2所示为该机构的运动原理,预紧电机通过齿轮带动丝杠转动使螺母滑动,螺母滑动带动压杆1运动压缩预紧弹簧产生预紧力,预紧力通过压杆2作用于履带模块,使履带模块压紧管壁获得一定的封闭力。
履带模块与机体之间通过平行四边形连杆机构CDFE连接,螺母与压杆1铰接于A点,压杆1与压杆2通过预紧弹簧连接,压杆2与履带模块铰接于B点(B点为CD中点)。
该预紧方式属于刚柔混合预紧,当机器人遇到障碍或微小变径时,可通过弹簧伸缩实现对管壁的机械自适应,当机器人需要适应大范围变径时,可通过变径电机运动实现主动变径。在变径功能模块的丝杠螺母机构与连杆机构之间加入弹簧滑块自适应调节机构,当丝杠螺母机构锁死之后,弹簧滑块自适应调节机构驱动连杆机构小范围摆动张开或收缩,可实现机器人的小范围变径,完成越障和过弯。
对变径机构进行受力分析。假设机器人匀速运动,因此在对预紧机构进行受力分析时可当作静态处理(不考虑重力作用),其中机体作为固定件。建立相应的坐标系xOy(见图2,x轴通过管道轴线,y轴通过连杆机构CDFE与机体的铰接点F),图中N.(垂直于机器人轴线)为由预紧机构作用产生的管壁对履带模块的封闭力,F,为由预紧机构作用产生的管壁与履带模块之间的摩擦力,F。为预紧弹簧对压杆2的作用力,T为驱动轮所受的驱动转矩,a,β分别为连杆AB、DF与x轴的夹角,L1、L2、L3为AB、DF、EF的长度,H1、H2为点A、F到x轴的距离。则有
2控制系统设计
控制系统设计集成采用多处理器、接口技术及软件技术。硬件设计采用多模块板式,各板处理器可以并行处理,板间通信采用中断或查询的方式进行。软件采用模块化设计,分装在各板处理器中,并指定一块模板作为主控制器,构成主从结构形式。
在人工控制下可实现机器人在管道内的前进、后退、转弯、越障以及在不同管径之间切换等。
机器人电路控制框图如图3所示。该系统一共有2块CPU(中央处理器),即1块机器人本体驱动和1块外部控制箱驱动,外部控制箱作为主控制器,机器人本体控制板作为从控制器;2块板之间采用CAN(控制器局域网络)总线进行通讯。机器人本体控制板控制驱动电机和变径电机采集3个限位开关的电平信号。具体控制过程为机器人本体控制板控制驱动电机运动实现机器人的前进和后退,机器人本体控制板控制变径电机运动实现机器人的张开和收缩,机器人收缩到最小范围时,限位开关1由高电平变为低电平;机器人张开到4219mm和4273mm两个位置时,限位开关2和限位开关3分别由高电平变为低电平。
3样机与测试
可变径机器人样机及测试平台现场如图4所示,完成可变径内检测机器人样机装配后,。为验证样机性能,搭建了,219~273mm的水平变径管道和垂直变径管道试验平台,该平台同时具有90°弯头,变径弯头以及垂直管段。变径试验结果表明,该样机可以顺利通过d219~273mm的水平变径
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