基于DOE的管道爬行機器人輕量化研究

胡嘯 史繼新

【摘 要】針對核電站中管道內部檢修的需要，開發了一種可在豎直管道內爬行的管道檢查機器人。機器人在檢查時需攜帶攝像頭以及小型抓取工具并拖拽長距離控制電纜，對機器人的負載能力要求較高;在空間尺寸受限的情況下，無法單純通過選用大功率電機來增大機器人的負載能力，為此，需要對機器人的本體進行輕量化處理。本文以機器人本體中占重比高的關鍵零件——中心電機罩為輕量化對象，分析其受力情況;利用ANSYS Workbench軟件，通過DOE實驗設計法對其進行輕量化設計，在滿足安全系數要求的前提下有效的減輕了中心電機罩的質量，依據此方法同理可將管道機器人上其他零件進行輕量化處理。

【關鍵詞】管道機器人;ANSYS Workbench;DOE;輕量化

中圖分類號： TH112 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）07-0001-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.001

【Abstract】A pipeline inspection robot that can crawl in vertical pipelines has been developed for the internal maintenance of pipelines in nuclear power plants. The robot needs to carry the camera and the small grasping tool and drag the long-distance control cable during the inspection， which requires high load capacity of the robot; in the case of limited space， it is impossible to increase the robot by simply selecting a high-power motor. Load capacity， for which it is necessary to lighten the body of the robot. In this paper， the key part of the robot body with high weight-to-weight ratio， the central motor cover， is used as a lightweight object to analyze its force. The ANSYS Workbench software is used to design lightweight design by DOE experimental design method to meet the safety factor requirements. Under the premise of effectively reducing the quality of the central motor cover， according to this method， other parts of the pipeline robot can be lightly processed.

【Key words】Pipeline robot; ANSYS Workbench; DOE; Lightweight

0 引言

隨著核電站運行時間的增長，需要對一些連接關鍵設備的管道進行內部情況檢查，管道的走向各不相同，有的傾斜幅度較大，有的甚至是豎直走向。目前比較有效的方法是通過管道爬行機器人攜帶檢查工具沿管道內壁爬行，對管道進行檢查。開發的管道機器人具有變徑機構，三個獨立驅動模塊呈120度環形均勻分布在車身主體周圍，這樣的機械結構設計可以實現機器人在管道內壁豎直爬升的需求。在管道機器人研制方面，韓國漢城漢陽大學研制的雙模塊協作管道檢測機器人[1]和Jong-hoon Kim等人研制全自動管道檢查機器人[2]均具有管道豎直爬升功能。近年來工程結構優化的方法得到迅猛發展，大體分為三類：參數優化、形狀優化、拓撲優化[3]。利用基于梯度的拓撲優化算法會增加優化算法的負擔和落入局部優化最優的概率，因此采用DOE實驗設計方法，可直接通過結果得到相對最優的設計，清華大學汽車學院基于DOE分析實現汽車車架輕量化[4]，中車株洲電力機車有限公司段華東等人利用DOE計算和敏感度分析確定優化變量，進行有軌電車車體的輕量化分析[5]。本項目以管道機器人主體的中心電機罩為例，將Inventor三維模型無縫導入ANSYS Workbench平臺上，采用DOE實驗設計法對其進行輕量化設計，達到減輕管道機器人質量的目的。

1 機器人整體結構設計

為了滿足核電廠管道內部檢查的需要，所設計的管道機器人如圖1所示，機器人主要由中間車身（機器人主體）、伸展機構和三組獨立驅動模塊構成。三組獨立驅動模塊呈120度環形分布在車身周圍，伸展機構的作用是可以使機器人適應不同管徑的管道，同時也為機器人在豎直爬升過程中提供足夠的支持力，使整個機器人依靠驅動模塊和管道內壁的摩擦力實現爬升。變徑機構中加入緩沖壓縮彈簧，這樣設計的作用在于減輕變徑機構驅動電機的瞬時負載，為整個變徑機構提供緩沖。機器人前端攜帶攝像頭，可以傳送管道內部視頻圖像信息。

2 中心電機罩受力分析

如圖2所示為管道爬行機器人伸展機構受力示意圖，其工作原理是依靠中心電機罩內驅動電機旋轉，帶動絲桿滑塊機構絲桿旋轉，使滑塊左右移動，連桿AB和連桿CD鉸接在點D，連桿CD和滑塊鉸接在點C，連桿AB和履帶輪鉸接在定點B，和機器人主體鉸接在定點A，滑塊的平移從而帶動連桿CD，連桿CD的運動驅動四桿機構ABFE運動，從而改變履帶輪到機器人主體的垂直距離，達到改變機器人外部輪廓直徑的效果[6]。

3 DOE實驗分析

3.1 分析對象

如圖3所示為經過簡化后的中心電機罩Inventor三維模型，圖4和圖5分別為該零件主視圖和半剖視圖，從主視圖中可以看出零件外輪廓六邊形尺寸，和內圓尺寸，從半剖視圖可以看出零件長度及支柱厚度，由于外輪廓尺寸不能改變的情況下需減輕零件質量，只能增大內圓尺寸和減小支柱厚度。外六邊形對邊距離為100mm，內圓直徑為86mm，支柱厚度為20mm，支柱上有10mm的開孔。中心電機罩材料為碳鋼，其彈性模量E2為216GPa，泊松比μ2為0.3，屈服強度為350MPa，屈服極限為600 MPa。質量為8.75Kg。

3.2 Workbench有限元分析

在ANSYS Workbench中，網格劃分可以自動生成也可以根據自己的實際需求進行劃分，網格數量越多，計算精度也會有所提高，但計算時間和規模也會相應增加，網格的劃分結果直接影響最后的分析結果[7]。本文將Inventor三維模型無縫導入Workbench后自動劃分的網格模型，size選擇系統默認值。

圖6所示為中心電機罩約束和載荷示意圖，本項目采用結構靜力分析（Static Structural），不考慮隨時間變化的載荷，忽略慣性力和阻尼，對結構運動中的各個位置，采用靜力平衡方程分析結構的承載能力[8]。本例將零件前后端面采用Fixed Support固定支撐，支柱上六個開孔采用式7計算值進行力的施加，每個開孔軸向施加220N的力，垂直軸線方向施加250N的力。圖7為應力分布圖，所受最大應力為89.34Mpa。圖8為安全系數分布圖，由圖可知最小安全系數為2.798。根據齒輪材料安全系數設計，在變應力下，以材料疲勞極限為極限應力，安全系數取1.2～1.5[9]。本項目硬齒面齒輪取較高安全系數1.5，設計有較大余量，故使用DOE實驗設計法直接進行輕量化設計。

3.3 DOE實驗設計

將中心電機罩支柱厚度和內圓直徑尺寸分別設置為優化參數P1和P2，中心電機罩的總質量、等效應力和最小安全系數分別設置為目標參數P3、P4和P5。內圓直徑尺寸優化范圍為86-98mm，支柱厚度尺寸優化范圍為12-20mm。如圖9所示為優化參數和目標參數對應的敏感性圖。敏感度值大小表示相關性的大小，敏感值的正負表示相關性的正負。由圖9可知減小中心支柱厚度和增大偷空內圓直徑可以減輕質量，同時中心電機罩所受最大應力會增大，安全系數會降低。取最低安全系數1.5，根據圖10和圖11所示的中心支柱厚度和內圓直徑分別與最小安全系數的關系圖，可得在此安全系數情況下，中心支柱厚度取值15mm-16mm之間，由于中心支柱厚度與安全系數成正比關系，最小安全系數大于等于1.5，因此中心支柱厚度最終取值為16mm，內圓直徑取值92mm-93mm之間， 由于內圓直徑與安全系數成反比關系，最小安全系數大于等于1.5，因此內圓直徑最終取值為92mm，此時最終質量為6.2Kg。質量減輕（8.75-6.2）/8.75*100%=29.1%。優化前后對比如表1所示。

4 結語

（1）本項目設計了一種能在豎直管道內運動的管道爬行機器人，并對其中心電機罩進行了理論受力分析。

（2）采用Inventor與Workbench無縫對接的功能，直接將Inventor中的三維模型導入Workbench保證了分析模型的準確性。

（3）采用了DOE實驗設計方法對中心電機罩進行輕量化設計，質量在原基礎上減輕29.1%，輕量化效果明顯。

【參考文獻】

[1]Kwon，Y-S;Yi，B-J.Design and Motion Planning of a Two-Module Collaborative Indoor Pipeline Inspection Robot[J].Robotics，2012，28（3）：681-696.

[2]Jong-hoon Kim. Design Of A Fully Autonomous Mobile Pipeline Exploration Robot[D].South Korea，National University of Technology，2008：9-77.

[3]曾多，近達鋒.基于DOE分析實現汽車車架輕量化.[J]汽車實用技術.2014（5）：1-4.

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[5]段華東，蔣忠誠，劉亞妮.有軌電車車體輕量化優化分析.[J]機電車傳動.2018（6）：201-105.

[6]王治國.非等徑垂直管道機器人機械系統研究[D].上海，東華大學，2009;18-28.

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[9]西北工業大學機械原理及機械零件教研室.機械原理[M].第七版.北京：高等教育出版社，2006：198-201.