履带式船舶除锈爬壁机器人关键机构设计_王兴如

DOI :10. 13841/j . cn ki . jxsj . 2009. 12. 020第26卷第12期2009年12月

机　械　设　计

J O U R N A LO FM A C H I N ED E S I G N V o l . 26　No . 12

D e c . 　　2009

履带式船舶除锈爬壁机器人关键机构设计

王兴如

1, 2

＊

, 衣正尧, 弓永军, 王祖温, 徐杰

2222

(1. 中远船务工程集团有限公司总部, 辽宁大连　116113; 2. 大连海事大学船舶机电装备研究所, 辽宁大连　116026)

摘要:研制了一种履带式船舶除锈爬壁机器人。该机器人本体和负载质量较大, 对吸附机构的驱动性能要求较高。

设计了爬壁机器人吸附机构, 选择了磁性材料、确定了磁路结构并实现橡胶封装; 设计了爬壁机器人传动机构, 选择了传动方式, 确定了链条张紧装置; 选择了关键驱动部件。样机试验表明, 爬壁机器人结构和工艺设计合理, 工作状况良好。

关键词:爬壁机器人; 吸附机构; 传动机构; 驱动部件

中图分类号:T P 24　　　文献标识码:A 　　　文章编号:1001-2354(2009) 12-0032-03

　　船舶除锈爬壁机器人是超高压水射流船舶爬壁除锈成套

设备的执行机构, 主要功能是搭载清洗器, 吸附在船壁表面进行除锈工作[1]。在爬壁吸附方面, 与一般的爬壁机器人相同, 其应具备在钢质船体表面可靠的吸附能力。由于爬壁机器人需要对大面积的船体表面进行除锈, 并且需要回收锈渣, 其本体上要安装除锈清洗器, 作业过程中要拖带一定质量的负载, 因此, 爬壁机器人应具备一定的负载能力。此外, 要使爬壁机器人能够在船体表面上自由移动, 还应具备一定的驱动能力及良好的行走性能。

针对上述要求, 根据船舶除锈的实际特点对除锈爬壁机器人的本体结构进行合理的设计, 设计主要包括吸附机构、驱动机构、传动机构等设计, 保证机器人具有一定的壁面适应能力, 以满足船舶壁面除锈的要求。

人本体及其负载重力的作用, 使机器人不会脱落。每条履带上均匀分布36个永磁吸附单元, 每个永磁吸附单元上嵌有2块永磁体, 爬壁机器人接壁段每条履带上有15个永磁吸附单元与船体表面可靠吸附。

行走机构由履带、主动链轮和从动链轮构成。履带由链条及镶嵌在链节上的永磁吸附单元支架组成, 保证驱动系统的动力传递到驱动链轮, 使机器人行走。主动链轮和从动链轮分别安装在各自的支架上, 通过螺钉固定在机器人框架上。2个主动链轮采用对角分布, 一侧为前驱, 另一侧为后驱。

驱动系统包括交流伺服电机、减速机, 以产生驱动力驱动爬壁机器人在船体表面上行走。根据体积小和质量轻原则, 与主动链轮的分布一致, 两套伺服电机和减速机采用对角布置。

1　机器人基本结构

船舶除锈爬壁机器人主要由吸附机构、行走机构、驱动机构及框架等部分构成, 结构为中心对称, 其整体外形尺寸为:735m m×752m m×280m m 。本体结构如图1所示

。

2　吸附机构设计

船舶除锈爬壁机器人的首要功能就是在船舶壁面上能可

靠吸附, 所以磁性材料选择及磁路设计十分重要。吸附力小, 机器人会从船体脱落; 吸附力大, 对行走产生的阻力大, 机器人运动不灵活。

2. 1　永磁材料选择

磁路结构中的磁性材料包括产生磁通量的永磁材料和引导磁通量的软磁材料轭铁。选择永磁材料时需要遵循以下原则[2]:

(1) 永磁材料最大磁能积高, 即单位体积的磁块吸附力尽可能大, 使机器人体积小、移动灵活。(2) 永磁材料有较好的稳定性, 即抗环境温度变化、组织老化和磁性老化等能力好。

(3) 永磁材料有较高的强度和韧性, 保证永磁吸附单元在与船体表面不断吸附和脱离的过程中不易破损和开裂, 方便加工和装配。

(4) 永磁材料有较高的性能价格比。稀土永磁材料钕铁硼(N d -F e -B ) 是目前磁性能最佳的永磁材料, 它资源丰富, 价格便宜, 退磁曲线基本上是直线, 回复曲线近似与退磁曲线重合。因此, 干扰磁场去掉后不改变工作点的磁能积, 且内禀矫顽力极高, 在磁路中可减少漏磁。通常以

1主动链轮轴; 2主动链轮; 3联轴器; 4减速机; 5交流伺服电机; 6从动链轮; 7从动链轮轴; 8框架; 9安全锁; 10链罩; 11除锈器; 12永磁体块; 13链条

图1　除锈爬壁机器人本体结构图

吸附机构使爬壁机器人可靠地吸附在船体表面, 克服机器

＊收稿日期:2008-12-24; 修订日期:2009-06-23

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50805011) ; 交通部基础研究资助项目(225030) ; 中远船务重大资助项目(G 2-07-0060) :(-) , 男, , , :。

2009年12月王兴如, 等:履带式船舶除锈爬壁机器人关键机构设计

33

最大磁能积(B H ) 、剩磁B , 以及内禀矫顽力H C 来衡量稀土m a x r J

钕铁硼材料的性能, 这些参数的值越大, 性能就越好。选择钕铁硼系列N 35, 其性能参数见表1。

表1　钕铁硼N 35的基本性能

剩余磁感应强度/

T

磁感应内禀矫顽力/矫顽力/(k A /m) (k A/m)

>955

最大磁最高工作回复

能积/温度/磁导率/

3℃μ(k J /m) 263～279801. 05

材料退磁曲线上的A 点沿回复曲线A E D 变化到D 点。如图4a

所示, 当船体表面和磁吸附单元之间的间隙很小时, 永磁体的工作点是处在回复曲线上的E 点。此时总磁通分为两部分:通过漏磁间隙的漏磁通B , 其中L 和通过有用间隙的有用磁通B u B B B 。磁通的分布与船体表面和磁吸附单元之间的距u =m -L

离有关, 随着两者距离的逐渐减小, 漏磁通B 逐渐减小, 有用L 磁通B u 逐渐增大。合理的磁路设计就是使永磁体工作在最大磁能积所对应的E 点附近, 即B m ·H m 数值尽量接近所选材料的(B ·H ) 。图中阴影部分面积的大小与磁吸附单元和船体m a x

表面吸附时能够转变成机械能的有用磁能成正比。磁路结构的有用回复能就是用此阴影部分的面积来表示的, 有用回复能越大, 磁路结构的设计越合理, 磁能的利用率就越高。

1. 18～～1. 21876～907

2. 2　磁路设计

永磁体磁路是指磁通量通过磁介质的路径, 图2所示永磁体产生磁力线的分布情况, 磁力线从永磁体的N 极发出, 经轭铁引导进入磁力作用的工作气隙内, 又经轭铁返回永磁体, 构成闭合回路。对于有空隙的磁路, 一部分磁通量为有用的磁场, 部分磁通量在空隙附近泄漏在空气中, 形成漏磁通。选择合适的磁路类型能最大限度地发挥永磁体性能, 减少漏磁通, 确保永磁体可靠吸附。由于永磁体是要安装到链条上形成履带, 为了便于装配和移动, 磁路结构的形状采用矩形。

图2　永磁体产生的磁力线分布情况

图3所示为常见的几种磁路类型[3], 空白部分为永磁体, 阴影部分为轭铁, 网格部分为隔磁材料。经比较分析, 乙型磁路结构相比其它几种磁路有以下优点:(1) 磁路结构靠近吸附体, 磁块越靠近吸附体, 产生的吸附力越大; (2) 与丁型磁路相比, 磁块与轭铁的接触面较小, 接触面越小, 磁路结构的磁阻也越小; (3) 磁路结构采用两个磁块, 这样产生相同的磁吸附力, 相对减少了单个磁块的面积, 磁块面积越大, 磁块的磁势损失系数越大, 漏磁也越大。设计中选用乙型磁路。

2. 3　磁路的封装

稀土钕铁硼产生的磁吸附力较大, 爬壁机器人在作业过程中, 永磁吸附单元相对于船体表面处于交替的吸合和脱离状态, 碰撞难免。而N 35型钕铁硼材料是烧结体, 其韧性差, 受冲击很容易出现麻坑或裂纹, 因此必须对磁路结构进行有效的保护。

永磁体的保护可以采用镀膜、橡胶封装等工艺, 综合考虑运动平稳、耐磨性及成本等因素, 橡胶封装比较理想, 一方面它可以避免永磁体与船体表面的直接接触, 有效地保护永磁体, 并保证机器人的运动平稳; 另一方面, 橡胶封装还可以增大吸附单元与船体表面之间的滑动摩擦因数, 补偿了由于气隙增大所造成的永磁体与船体表面之间的吸附力下降。在橡胶封装

图3　常见的磁路类型

由于爬壁机器人的履带在移动过程中, 其磁吸附单元与船体表面是交替吸附与脱离的。因此, 所研究的磁路结构是具有变化间隙的动态永磁磁路, 其结构示意图如图4所示。

图5为具有变化间隙的磁路工作图[4], 图中纵坐标为磁通密度B , 横坐标为磁场强度H , C A K 为退磁曲线, A E D 为回复曲线。当永磁吸附单元远离船体表面时, 永磁体的工作点A 点(对应的有B 和H ) 完全由漏磁磁导率P b 所d d L 决定。如图4示, 当永磁体与船体表面吸合时, 假设接合面平整, 吸附后不存在缝隙, 由于船体表面的磁阻较小, 则永磁体的磁通全部通过船体表面。于是工作点由A 点变到了B 轴上的D 点。显然, 永, 中, 氯丁胶与天然橡胶相比具有众多优点, 其耐磨性、耐水性及和金属的结合性都比较好。将氯丁胶进行硫化处理, 可提高其强度, 从而增强它的耐磨性。采用氯丁胶对磁路作全封闭封装, 封装后的磁吸附单元与链节相连组成履带板。

永磁吸附单元经氯丁胶封装后吸附力会有一定降低。这是因为氯丁胶封装后的磁路结构是开路, 磁路两端存在自由磁极, 产生一个退磁场, 退磁场方向和永磁体内磁感应强度方向相反, 永磁体施加了一个反向磁场, 改变了磁路在回复曲线上的工作点, 降低了磁路有用回复能, 即降低了吸附力。

由文献[5]中有关爬壁机器人静态受力与稳定性分析的结论可知单个磁吸附单元所需的最小磁吸附力。选取每个永磁力为230N 每永体的规格30m m×

34

机　械　设　计第26卷第12期

20m m×20m m , 封装的氯丁胶厚度为2m m , 封装后的磁路结构如图6所示

。

条太紧时, 通过调整位于从动链轮两侧的张紧螺钉使从动链轮向靠近主动链轮的方向移动, 从而减小两链轮的中心距, 使链条放松; 当链条太松时, 通过调整位于从动链轮两侧的张紧螺钉, 使从动链轮向远离主动链轮的方向移动, 从而增大两链轮的中心距, 使链条张紧。

4　驱动系统设计

考虑到爬壁机器人的特殊作业环境, 机器人的驱动系统要求体积小、质量轻、力矩大、反应快[6], 选用性能好、可靠性高的日本富士公司生产交流伺服电机, 型号为R Y C 401D 3-V V T 2,

1螺栓螺母; 2橡胶; 3永磁体; 4隔磁材料; 5支撑板; 6轭铁; 7翼板; 8链板; 9销轴

图6　磁路封装结构图

功率为400W, 动态受力分析见文献[5]。电机主要性能指标见表2, 驱动器型号为G Y S 401D C 2-T 2C , 主要特性见表3。

表2　富士R Y C 401D 3-V V T 2伺服电机性能参数

额定额定瞬时最额定额定额定功率/转矩/大转矩/转速/电流/电压/W N ·m (N ·m (r /mi n A V 400

1. 27

3. 82

3000

2. 8

200

转动

质量/

惯量/

k g 2

(k g ·m )

40. 173×10-1. 7

3　传动机构设计

3. 1　传动方式选择

根据履带式行走方式, 采用同步带或链传动实现驱动动力传动。由于机器人要求工作可靠, 且两轴相距较远, 不允许出现打滑现象。因此, 综合考虑传动性能、成本等因素, 选用链传动。传动机构由链条和主、从动链轮组成, 依靠链轮轮齿与链节的啮合来传递运动和动力。采用短节距带侧翼板精密滚子链, 外侧翼板上镶嵌永磁吸附单元构成履带, 其结构如图7所示。

表3　GY S 401D C 2-T 2C 伺服驱动器性能参数

最大输出

电流/A

8. 5

输入电源/

控制方式

V A C 200～230单相全波整流正(50/60H z ) 弦波电流驱动

反馈增量型编码器

1024P /R

质量/

k g 1. 1

　　伺服电机是高转速、低转矩的驱动部件, 电机的输出轴要

经过减速机进行减速, 才能达到所需的转速和转矩的要求。选用德国N E U G A R T 公司生产的P L E 120-256型精密行星齿轮减速机, 其额定输出转矩为260N·m(动态受力分析见文献[5]) , 其性能指标见表4。

表4　PL E 120-256精密行星齿轮减速机性能参数

转动额定输最高输最大径减出转矩/入转速/惯量/速

2

(N ·m (r /mi n (k g ·m N 比260

6500

1. 3×10-4

2000

256

传动

级数3

满负载质量/效率/%k g

90

10

1翼板; 2销轴; 3滚子; 4内链板图7　带翼板的短节距精密滚子链结构图

　　依据爬壁机器人要求体积小、质量轻、运动灵活的原则, 两

套伺服电机和减速机采用斜对角线对称布置, 如图1所示。

3. 2　链条张紧装置

链条包在链轮上即不能太松也不能太紧, 其松紧程度用松边垂度f 来表示。合适的松边垂度为f =(0. 01～0. 02) a 。链c

条垂度过大时, 会产生与链轮啮合不良和链条振动等现象, 进而导致永磁吸附单元与船体表面接触不良, 影响爬壁机器人的吸附和移动功能。此外, 链条在正常使用过程中也会因磨损而逐渐伸长, 也需适时地调整链条的松紧程度。采用调整主从链轮中心距的方法来控制链条的张紧, 其结构如图8所示。

当链

5　实验样机

图9所示为所设计的船舶除锈爬壁机器人三维图及实物

样机, 爬壁机器人质量73k g , 最大行进速度为50m m/s。爬壁试验表明:机器人关键结构和工艺设计合理, 能较好地进行工作, 实现搭载除锈清洗器的功能。

　(a ) 机器人三维图　　　　　　　(b ) 机器人实体

1锁紧螺母; 2从动链轮轴; 3张紧螺钉; 4支架; 5从动链轮

图8　链条张紧装置

图9　爬壁机器人样机

(下转第71页)

2009年12月徐跃进:齿轮箱中齿轮故障的振动分析与诊断

统[J ]. 重庆大学学报, 1999, 22(4) :45-48.

71

实验结果证实了上述齿轮故障诊断的高频共振方法的有

效性。该故障诊断方法具有可以较准确地辨别出故障齿的位置, 以及诊断早期齿轮故障的优点。

[4]　M c f a d d e nPD .D e t e c t i n gf a t i g u ec r a c k s i ng e a r s b y a m p l i t u d ea n d

p h a s e d e m o d u l a t i o no f t h e m e s h i n gv i b r a t i o n [J ].A S M EJ o u r n a l o f V i b r a t i o na n dA c o u s t i c s , 1986, 108:165-169.

5　结束语

在建立了齿轮箱中轴承无故障、齿轮有故障时齿轮箱振动信号的理论模型的基础上, 介绍了齿轮箱中齿轮故障诊断的高

频共振方法。该方法把齿轮故障冲击激起的高频共振频率作为带通滤波器的中心频率, 不同于以时域同步平均信号频谱中某阶突出的啮合频率谐波作为带通滤波器的中心频率的解调分析方法。

实际应用表明, 这种方法能有效地诊断齿轮箱中齿轮的局部损伤故障, 可以在齿轮箱的齿轮故障诊断加以应用。

参考文献

[1]　孟涛, 廖明夫, 李辉. 齿轮故障诊断的时延相关解调法[J ]. 航空

动力学报, 2003, 18(1) :109-113.

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障诊断中的应用[J ]. 东南大学学报, 1998, 28(2) :101-104.

[3]　王文利, 黄世琦, 谢志江, 等. 一种齿轮箱信号分析与故障诊断系

V i b r a t i o na n a l y s i sa n d d i a g n o s i s o ng e a rf a i l u r eo fg e a r

b o x

X UY u e -j i n

(S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g , H u n a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , Z h u z h o u 412007, C h i n a ) A b s t r a c t :Th et h e o r e t i c a l m o d e l o f g e a r b o xv i b r a t i o ns i g n a l w a s e s t a b l i s h e df i r s t l yw h i l eb e a r i n gf a u l t -f r e ea n dg e a r m a l f u n c -t i o n .T h e h i g h -f r e q u e n c y r e s o n a n c e m e t h o df o r t h eg e a r f a i l u r e d i -a g n o s i s i nt h eg e a r b o xw a s i n t r o d u c e d .T h e s i g n a l p r o c e s s i n ga n d d i a g n o s i s f l o wo f t h i s d i a g n o s i s m e t h o d w e r e e x p o u n d e d , a n d p r a c t i -c a l v e r i f i c a t i o nw a s c a r r i e do u t o nt h eu s ee f f e c t o f t h i s d i a g n o s i s m e t h o d . T h e r e s u l t o f a p p l i c a t i o n s h o w e d t h a t t h i s d i a g n o s i s m e t h o d c o u l d e f f e c t i v e l y d i a g n o s e t h e p a r t i a l d a m a g e f a i l u r e o f g e a r s i n t h e g e a r b o x .

K e yw o r d s :g e a r b o x ;g e a r f a i l u r e ;v i b r a t i o na n a l y s i s ; d i a g -n o s i s F i g 5T a b 0R e f 4

[5][6]

“J i x i e S h e j i ”8675

(上接第34页)

王兴如, 衣正尧, 王祖温, 等. 超高压水射流船舶爬壁除锈机器人力学特性分析[J ]. 机床与液压, 2008, 36(224) :67-70. 徐泽亮, 马培荪. 永磁吸附履带式爬壁机器人转向灵活性分析[J ]. 上海交通大学学报, 2003, 37(11) :58-61, 65.

6　结论

(1) 根据爬壁机器人的各项功能要求, 确定了机器人采用

永磁吸附、履带行走以及交流伺服电机驱动的方案, 并给出了爬壁机器人的本体结构。

(2) 吸附机构采用了稀土钕铁硼N 35永磁材料和乙型磁路结构, 对永磁吸附单元采用氯丁胶进行封装, 并设计了永磁吸附单元结构。

(3) 传动机构采用短节距带侧翼板精密滚子链, 外侧翼板上镶嵌永磁吸附单元构成履带。

(4) 驱动系统采用了日本富士交流电机, 型号R Y C 401D 3-V V T 2, 以及与之匹配的德国N E U G A R TP L E 120-256型精密行星齿轮减速机, 斜对角线对称布置。(5) 最后给出所研制的船舶除锈爬壁机器人试验样机。样机试验表明, 结构和工艺设计合理, 爬壁机器人工作状况良好。

参考文献

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D e s i g no n k e yme c h a n i s mso fc a t e r p i l l a rt y p e ds h i p p i n g

r u s t r e m o v a l w a l l c l i mb i n g r o b o t

1, 22

WA N G X i n g -r u , Y IZ h e n g -y a o ,

22

WA N G Z u -w e n , X UJ i e

2

G O N G Y o n g -j u n ,

(1. C O S C OS h i p y a r d , D a l i a n 116113, C h i n a ; 2.I n s t i t u t eo f

S h i p p i n g E l e c t r o m e c h a n i c s E q u i p m e n t , D a l i a n M a r i t i m e U n i v e r s i t y , D a l i a n 116026, C h i n a )

A b s t r a c t :Ak i n do f c a t e r p i l l a rt y p e ds h i p p i n gr u s t r e m o v a l w a l l c l i m b i n gr o b o t w a s d e s i g n e d .T h em a s s e sw e r er a t h e r b i gf o r n o u m e n o n o f r o b o t a n dl o a d i n g , a n dt h e r ea r e h i g h e r r e q u i r e m e n t s o n t h e d r i v i n g p e r f o r m a n c e o f a b s o r p t i o n m e c h a n i s m . T h e a b s o r p t i o n m e c h a n i s m o f w a l l c l i m b i n g r o b o t w a s d e s i g n e d , t h e m a g n e t i c m a t e -r i a l s w e r es e l e c t e d , t h em a g n e t i cc i r c u i t s t r u c t u r ew a s d e t e r m i n e d a n dt h er u b b e r s e a l i n gp a c k a g i n gw a s a c h i e v e d .T h et r a n s m i s s i o n m e c h a n i s m o f w a l l c l i m b i n gr o b o t w a sd e s i g n e d , t h et r a n s m i s s i o n m o d e w a s s e l e c t e d , t h e c h a i nt i g h t e n i n g d e v i c e w a s d e t e r m i n e da n d t h e k e y d r i v i n g c o m p o n e n t w a s c h o s e n . T h e e x p e r i m e n t o f p r o t o t y p e s h o w e d t h a t t h e s t r u c t u r e a n d t e c h n o l o g i c a l d e s i g n o f t h e w a l l c l i m b -i n g r o b o t w e r er e a s o n a b l ea n d w i t h a g o o d w o r k i n g s i t u a t i o n .

K e y w o r d s :w a l lc l i m b i n g r o b o t ; a b s o r p t i o n m e c h a n i s m ; t r a n s m i s s i o n m e c h a n i s m ;d r i v i n g c o m p o n e n t s F i g 9T a b 4R e f 6

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