大型冷凝器清洗機器人設計及運動學分析

夏漢民 王耀南 印 峰 曹文明

湖南大學，長沙，410082

0 引言

冷凝器是制藥、電力、化工等行業的大型換熱設備，在汽輪機裝置的熱力循環中起冷源的作用，以降低汽輪機排汽溫度和減小排汽壓力，提高循環熱效率，在電廠、制藥、化工等行業有廣泛應用［1］。冷凝器內部具有數以萬計的冷凝管，由于冷凝器運行時冷卻水不潔凈，熱交換時常有化學反應等原因，故在長時間使用后，會導致冷凝管內壁積聚大量污垢而引發一系列危害，如增加循環水泵的能耗、降低發電機的效率和機械性能、導致冷凝管堵塞而影響設備的運行甚至造成事故。因此，對冷凝管的清洗可以預防重大生產事故的發生，提高冷凝器的工作效率，起到節能降耗的作用。目前，對冷凝器污垢的清洗多采用人工清洗或膠球清洗，但由于電廠作業環境惡劣，冷凝管數量多，人工清洗的勞動強度大，而且作業時機組不能正常運行，故無法滿足安全生產和大規模生產的要求；而使用膠球清洗則存在冷凝管容易堵塞、膠球的回收率低、由化學反應形成的析晶污垢不能完全清除等缺點。因此，針對現有清洗方法的不足，筆者研制開發了一種能夠對冷凝器進行長期自主在線清洗，清除冷凝管內壁的污垢的智能機器人。本文主要介紹了該機器人的結構及運動學特性。

1 冷凝器清洗機器人機械系統結構

1.1 設計要求

要求冷凝器清洗機器人能夠對電廠、化工、制藥等行業使用的冷凝器進行自主在線清洗。機器人在分布式計算機控制系統的控制下，能夠在冷凝器水室比較惡劣的環境中安全穩定地運動，快速精確地定位每一根冷凝管，并能準確地在線監測冷凝器的結垢程度，自動確定清洗策略，進行有效清洗。

1.2 總體結構

機器人工作于冷凝器水室，且水室地面很不平整，作業環境復雜、多變，對機器人本體機構的可靠性和運行要求較高。本文設計的自動清洗機器人能夠利用高壓水射流對冷凝器進行在線清洗，其總體結構主要包括履帶行走機構、回轉支承機構、大臂、小臂和噴槍機構。

1.3 履帶行走機構

要完成對整個水室中冷凝器管束的清洗，機器人就必須具有移動性，而且采用高壓水射流清洗方式，噴出的高壓水會對機器人本體產生一定的反作用力，使機器人偏離預定的水平軌跡，這樣就要求機器人與地面有足夠大的摩擦力，以克服高壓水噴出時對機器人的影響。履帶結構能夠增大與地面的摩擦力，因此采用履帶結構作為機器人的底盤結構。

冷凝器水室的地面有一定泥沙的堆積，并不完全是平坦的，但對機器人的越障能力要求也不高，故采用履帶行走機構，其結構主要包括驅動輪、底盤支架、托輪、支重輪、從動輪、履帶、張緊裝置、履帶支架等。底盤支架是履帶行走機構和回轉支承機構的連接部分，固定在車架上。張緊裝置具有調節履帶張緊力的作用，它與從動輪相連。兩個托輪托起上履帶全盤，避免了上履帶的中間部分下垂。支重輪的作用主要是使履帶機構更平穩可靠地移動。清洗機器人履帶行走機構的兩個驅動輪分別由兩臺伺服電機驅動，能夠實現機器人的直線運動和轉向。

1.4 大臂

大臂主要包括回轉支承機構和主機架機構兩部分。回轉支承機構能夠實現左右360°任意旋轉，使槍口平面與冷凝管壁平面平行。由于運動過程中的高壓水反沖力以及控制誤差，清洗機器人在執行清洗任務時，噴槍平面與冷凝管壁可能無法保持平行。清洗機器人可通過調整回轉支承的位置，使兩者重新達到平行。

主機架機構是小臂和驅動系統的連接機構，用以將小臂牢牢固定在回轉支承上，它主要包括主機架、齒條、齒條座、電機控制線伸收機構及進水管等部分。圓底盤和回轉支承連接在一起，圓底盤上的機器人機構通過控制回轉支承實現轉動。主機架主要包括主軸、中間立柱、側立柱、方形斜立柱等，是機器人小臂的固定支撐機構。齒條的主要作用是帶動主軸旋轉，使小臂能完成360°任意旋轉。進水管連接著外部高壓水管，高壓水由進水管進入，從而實現噴槍的高壓水射流清洗。電機控制線伸收機構的主要作用是防止在小臂運動時控制信號線發生絞線。

1.5 小臂

小臂與主機架主軸相連，能夠繞主軸360°上下任意旋轉，主要包括進水管伸縮機構和噴槍移動機構兩個部分。

噴槍沿著小臂長絲桿上下移動時會引起進水軟管上下拉伸。進水軟管的伸縮由進水管伸縮機構負責。進水軟管通過進水管口與伸縮機構相連，然后通過導輪沿著伸縮機構壁與噴槍機構上的進水管相連。在旋轉過程中，為使清洗臂兩端達到平衡，進水管伸縮機構還具有配重的作用，使清洗臂旋轉所需要的推力大大減小。

噴槍移動機構主要包括噴槍導桿組件、進水管導座、進水管、長絲桿、絲桿伺服電機、清洗噴槍及攝像機等。絲桿伺服電機通過螺母帶動長絲桿旋轉，使噴槍能夠沿著噴槍導桿組件和絲桿上下移動。在噴槍移動到位后，高壓水會經軟管及與軟管相連的硬水管注入噴槍，形成高壓水射流。攝像機主要用于冷凝管的視覺定位，具有位置補償作用。

1.6 噴槍機構

機器人的噴槍是執行清洗的關鍵部件，當噴槍口定位到冷凝管管口中心時，就可以啟動相應機構進行高壓水射流清洗。噴槍機構主要包括緊定螺釘、銅螺母、噴嘴、噴嘴支座、噴嘴滑座、O形密封圈、壓簧等。噴嘴支座通過緊定螺釘固定在噴槍移動機構的長絲桿上，噴槍在銅螺母的作用下，能夠沿著長絲桿上下移動。O形密封圈的主要作用是防止水的溢出。壓簧裝在噴嘴與噴嘴滑座之間，當高壓水的壓力大于壓簧的彈簧反壓力時，就迫使噴嘴伸出到冷凝管內，同時高壓水從噴槍里射出，對冷凝管進行清洗。

2 D－H坐標系統

冷凝器清洗機器人的機械臂主要包括三個部分：大臂、小臂和噴槍。大臂可以實現左右360°任意旋轉，小臂可繞大臂的出水管進行上下360°任意旋轉，噴槍可以沿小臂做直線運動。噴槍依賴大臂、小臂和自身的運動對冷凝管進行精確定位。機械臂有三個自由度，其關節結構包括兩個轉動關節1、2和一個移動關節3。采用D－H方法［2］建立連桿坐標系，如圖1所示，其中α為大臂與水平方向的夾角，l1、l2分別為大臂和小臂的長度，噴槍沿小臂能夠移動的最大距離為l3，d為噴槍的長度。由于噴槍的長度對運動學分析并無太多影響，為便于分析，假定噴槍長度為0，起始位置時噴槍移動了最大距離l3。相應的連桿參數如表1所示。其中，θ1、θ2表示兩個轉動關節1、2旋轉的角度，θ3表示噴槍沿小臂移動的距離，其范圍為0～l3（0～2.5m）。

圖1 冷凝器清洗機器桿件坐標系

表1 冷凝器清洗機器人各連桿參數

3 冷凝器清洗機器人運動學分析

3.1 正運動學分析

假設Ai為連桿坐標系i相對于連桿坐標系i－1的齊次變換矩陣。根據表1的各連桿參數，可求得各桿系的變換矩陣及機器人末端在基礎坐標系的位姿矩陣。即

其中，cθi表示cosθi，sθi表示sinθi。

機器人末端在基礎坐標系中的位姿矩陣為

機器人的位置矢量為

得

在表1所描述的關節運動范圍內，由式（3）～式（5），采用蒙特卡羅方法［3］，得到末端工具相對于慣性坐標系的三維工作空間，如圖2所示。圖3所示為垂直平面的工作空間。冷凝器清洗機器人噴槍必須在冷凝器管板平面上運動，以實現對管孔的精確定位，它的工作空間范圍是一個平面。由圖2和圖3可以看出，該機器人機械臂的運動范圍可以覆蓋整個平面，能夠滿足噴槍的工作空間要求。

圖2 機器人三維工作空間

圖3 機器人垂直平面工作空間

3.2 逆運動學求解

逆解實質上是根據機器人末端操作器的位姿反求機器人各關節的關節角。根據正解結果，由式（5）、式（6）得

則有

由以上分析可知，θ2、θ3都有兩個解，因此機器人的關節變量有4組解，這容易引發關節突變問題。為了保證關節運動路徑的連續性，除了表1的各關節變量的限制外，還應使關節的改變（即｜Δθ2｜＋｜Δθ3｜）最小，其中Δθ2、Δθ3分別為關節2和關節3的改變量。

4 運動學仿真與分析

圖4為冷凝器管板實物圖。冷凝器清洗機器人必須根據凝汽器的管束布置，沿x、y、z方向精確定位，保證每一根銅管均能得到清洗。假定清洗機器人按圖5所示的軌跡運動。

圖4 冷凝器水室管板

圖5 機器人在oxz平面上的軌跡

假定關節的初始位置分別為π／3、0、0，末端執行 器 的 速 度 分 別 為 0.3rad／s、－0.4rad／s、0.5mm／s，仿真時間t的范圍是0～8s。機器人的參數如下：各桿長度分別為1.0m、0.7m、0.6m，質量分別為5kg、3kg、2kg，大臂與水平方向的夾角α＝π／4。機器人各關節的運動規律見圖6，機器人各關節的速度曲線見圖7。

圖6 機器人各關節的運動規律

圖7 機器人各關節的速度曲線

從圖6可以看出，在運動過程中，關節1和關節2的角位移隨時間逐步增大，當角位移達到1.5rad以后，很快就趨于平穩。關節3是移動關節，其平移量隨時間平穩增大。這些都與實際情況基本吻合。剛開始時，關節1方向有變化，運動不是很平穩，這可以通過改變初始位置來進行調整。在圖7中，關節1和關節2的角速度隨時間逐步增大，當達到峰值后就逐漸減小，然后很快就趨于穩定，速度趨近于0，這與實際情況也基本相符?？傮w來看，各關節的運動還是比較平穩的，運動性能相對穩定，具有一定的靈活性，能夠滿足末端執行器的運動要求。

5 結論

（1）本文設計了大型冷凝器清洗機器人，該機器人結構簡單，易于控制，能夠對冷凝器進行長期自主在線清洗。

（2）建立了冷凝器清洗機器人運動學模型，機器人的工作空間能夠覆蓋整個冷凝器管束的分布空間，具有一定的靈活性，能夠滿足機器人的定位要求，可以定位到冷凝器的任意銅管。

（3）獲得了運動學逆解，解決了逆解的多值問題。

（4）對冷凝器清洗機器人進行了運動學仿真分析，機器人運動的連續性表明，其設計是合理的，能夠滿足其工作需要，為進一步研究奠定了基礎。

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