遙控維護設備在輻射環境下除銹噴漆的應用

湯泓 賈學軍 吳音華

摘要：在復雜的深井輻射環境中設備出現掉漆，會導致設備的金屬表面暴露于空氣之中，此時需要工作人員及時對其處理，防止設備進一步被損壞而導致不可估量的后果。但在輻射環境下，工作人員不適合到達輻射工作室內對設備進行除銹噴漆處理。因此，提出采用機器人代替工作人員進入輻射環境內對故障設備進行除銹噴漆處理的方法，結合運輸小車、五軸機械手、除銹噴漆以及控制系統完成設計。

關鍵詞：遙控;運輸小車;輻射環境;除銹噴漆

中圖分類號：TD406

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.062

隨著科學技術的發展，人們對核能的利用也日趨多元。但是核輻射給人類生命財產帶來的危害也越來越大[1]。在工作室內運行的過程中，設備在復雜惡劣的輻射環境下，設備表面因高溫等因素而掉漆。當發現掉漆后，應及時對設備維修。但工作人員進入輻射環境的工作室作業存在安全隱患，因此，采用遙控機器人的作業方式可以使工作人員遠離輻射環境下，完成對故障設備的除銹噴漆。針對上述問題，本文提出通過作業過程中工作人員根據返回視頻畫面信息，遙控機器人代替工作人員進入輻射環境的工作室現場作業的方法，再利用運輸小車與五軸機械手配合完成除銹噴漆的工作任務。

1 運輸小車

根據輻射環境下的各項問題及要求，本文設計了一款解決輻射環境下除銹噴漆的機器人，結構示意圖如圖1所示。運輸小車作為機器人的移動方式，實現機器人在輻射環境下自如行走，到達工作人員指定的位置。運輸小車采用了麥克納姆輪作為驅動輪，伺服電機作為驅動方式，帶傳動作為傳動方式。麥克納姆輪作為驅動輪與橡膠輪相比，麥克納姆輪驅動方式更靈活、微調能力強、運行占地空間少、精度高、安全性能強，但耐用性低、價格高;而橡膠輪彈性大、耐用性強、價格低，但驅動方式單一、易老化、精度低?？紤]到工作室運行空間小，所以采用麥克納姆輪作為驅動輪。伺服電機作為驅動方式與步進電機相比，伺服電機閉環控制精度高、慣量小、力矩大，但負載不能超載;步進電機則控制簡單、成本低，但開環控制精度差、力矩小。考慮到機械手的重量較大，但工作并無增加負載的情況，同時工作任務對精度要求高，所以，選擇伺服電機作為驅動方式。帶傳動作為傳動方式，相比鏈傳動有緩和的載荷沖擊，傳動更平穩、制造費用低;而相比聯軸器，有更靈活的安裝空間和更高的傳動比，能夠得到更大的力矩，得以使用足夠的牽引力驅動運輸小車。

2 五軸機械手

當機器人達到目標位置，需要一個能夠代替工作人員完成除銹噴漆的機構。該功能采用五軸機械手及運輸小車共同完成，利用五軸機械手五個方向的自由度與運輸小車繞Z軸的旋轉自由度，合成了六自由度機械手，而六自由度機械手結構剛度高，位姿調整靈巧[2]，能夠完成幾乎任何軌跡或角度的工作，提高工作效率，操作非常簡便，代替工作人員在輻射環境下有害身體健康的復雜工作。第一關節對四個與麥克納姆輪連接的電機獨立控制，利用麥克納姆輪的特性，將四個麥克納姆輪合成的向量繞Z軸旋轉。第二、三關節則采用伺服電機+RV減速器驅動，獲取更大的力矩，足以驅動其他關節。第四、五關節則采用伺服電機+皮帶驅動，獲取更緊湊的體積，以便更好地規劃工作軌跡。第六關節采用伺服電機+諧波減速器驅動，在最小的體積內獲取最大的力矩。運輸小車與五個關節之間協作配合完成除銹噴漆的工作。

3 除銹裝置及噴漆裝置

工作人員遙控機器人先對故障設備掉漆區域進行除銹處理，再進行噴漆處理。除銹裝置安裝于五軸機械手第五關節即末端關節的安裝板上，與五軸機械手及運輸小車連接。常規的除銹方式有高壓水射除銹、酸洗除銹、拋丸除銹、超聲波除銹。其中，高壓水射除銹便捷，但剩余水分容易導致設備再次生銹。酸洗除銹使用化學溶液去除銹跡，但剩余的溶液給工作室造成污染。拋丸除銹只能在室內完成，但除銹不完全，而且對環境存在污染以及會損傷零部件表面。超聲波除銹只能在特定的條件下使用，不適合在輻射環境下的工作室。激光除銹能夠達到機保車車體涂裝清潔度標準，并能滿足表面粗糙度的要求，為激光除銹在目標部件表面清洗中的應用提供了有效的工藝參數確定方法[3]。激光除銹不但對零部件的平整表面進行有效除銹，而且不產生污染殘留物，非常適合在輻射工作室下除銹。因此，除銹裝置采用激光除銹的方法。噴漆裝置安裝于五軸機械手第五關節即末端關節的另一安裝板上，與五軸機械手及運輸小車連接。噴漆裝置采用噴涂槍的方式噴漆，噴涂槍具有速度快，涂膜光滑均勻，噴涂后部件表面平整的優點。噴漆槍就是噴油漆的一種工具，通過壓縮空氣使涂料霧化成細小漆滴，在壓縮空氣帶動下噴涂到設備表面，以使設備防銹、耐磨性能的提升。

4 控制系統

控制系統采用有線通訊的方式，能夠保證通訊質量，縮短指令的延時。同時采用伸縮卷管器收縮通訊線纜，防止線纜阻礙機器人前行?？刂屏鞒倘鐖D2所示，攝像儀器將收集的現場畫面信息實時反饋至地面工作站，工作人員根據畫面信息對輸送小車發送命令，機器人行駛到目標位置。工作人員通過計算機對機器人的控制器發送指令，使其完成除銹噴漆的工作。

5 結語

本文針對遙控維護設備在輻射環境下除銹噴漆的應用進行研究，運用運輸小車作為行走平臺，加以五軸機械手完成除銹噴漆動作，運用激光除銹與噴涂槍噴漆以及控制系統完成設計。

參考文獻：

[1]陸思全，郁丹炯，顧燕楠.核輻射對人體生物學危害及其防治策略研究[J].綠色科技，2015（ 8）： 244-246.

[2]許超，鄭艷龍.六自由度機械手結構及運動仿真研究[J1遼寧大學學報（自然科學版），2016，43 （4）： 331-334.

[3]程智勇，李曉娟.機械保溫車車體激光除銹機器人的研究[J].機床與液壓，2019，47 （4）： 40.46-49.