大型船閘活塞桿表面檢測機器人的設計及有限元分析

郭煒民，陳新元

（武漢科技大學 機械自動化學院，武漢 430081）

0 引言

三峽大壩永久船閘，是全世界最大的船閘。而船閘的啟停升降，是通過一邊一個共計兩個超大液壓缸完成的，船閘活塞桿是船閘啟停升降的關鍵[1～4]。因此，定期的對活塞桿表面進行檢修就極為重要。目前，船閘活塞桿的表面檢測主要是通過人工檢測，在液壓缸旁建立桁架，通過肉眼仔細檢測活塞桿表面是否有缺陷，不僅費時費力，且人工檢測存在偏差和遺漏。因此設計一個自動化的船閘活塞桿表面檢測裝置，具有十分重要的意義[5]。

國外對攀爬機器人的研究很多，如西班牙的Juan Carlos Grieco*，Manuel Prieto等[6]成功研制了一種能夠在鐵磁壁面上攀爬的機器人，實現工業環境中的檢測、維護，但其攀爬面為平面，現場可利用空間受限，滿足不了攜帶檢測裝置的要求。國內山東建筑大學張連濱、魯守銀、曹正彬等[7,8]研發了一種負重爬樹機器人，該機器人既可實現攀爬運動，又可控制夾緊機構對樹干的夾持力。但活塞桿表面光滑，其夾緊機構難以夾住活塞桿，完成一端夾緊另一端升降的工作，且控制三個氣缸同步運動難度大。國內哈爾濱工業大學，同濟大學等高校在攀爬機器人的研究方向上也做了很多工作，為后續攀爬機器人的研究工作積累了豐富的經驗。但以上機器人的承載能力有限，不能夠攜帶檢測裝置，滿足不了對活塞桿表面信息的采樣需求。

本文提出一種大型船閘活塞桿表面缺陷檢測機器人，通過磁力吸附步進裝置來實現對活塞桿的吸附、松弛，由主體電推桿來實現攀爬動作，通過直流編碼電機來控制相機位于活塞桿表面的不同方位，從而將活塞桿表面的三維信息進行二維展開。設計出的機器人可攜帶拍照裝置完成檢測工作，對活塞桿表面無損檢測等工業信息的采集具有重要意義。

1 機器人的總體結構設計

在船閘活塞桿表面檢測機器人的設計過程中，為了實現對活塞桿全方位的檢測，必須設計出一個能夠實現沿著活塞桿表面攀爬并圍繞活塞桿表面旋轉的機構，使得檢測裝置位于活塞桿表面的不同方位，以實現對活塞桿表面的檢測。

大型船閘活塞桿表面檢測機器人總體結構設計如圖1所示，包括主體、磁力吸附步進裝置、檢測裝置、相機載體、齒輪齒條機構。主體上下側固定聯結磁力吸附裝置，主體的上端裝備有檢測裝置、相機載體、齒輪齒條機構。主體上下側磁力吸附裝置可獨立控制，完成對活塞桿的吸附、松弛。主體為攀爬裝置，由改進的電推桿構成，通過主體電機的正反轉實現在活塞桿表面上攀爬。

圖1 大型船閘活塞桿表面檢測機器人

磁力吸附步進裝置[9]機械結構設計如圖1所示。主體部分由2個吊裝磁鐵通過聯結軸組合在一起，聯結軸上有順時針轉動90°，逆時針轉動90°的限位開關。步進電機通過減速器帶動磁鐵正反轉90°，從而控制磁力吸附步進裝置的吸附、松弛狀態，兩個吊裝磁鐵分別固定在電推桿上部的上下兩端，既能在一定程度糾偏，又能提高系統的穩定性。

檢測裝置如圖1所示，電機控制相機載體沿著活塞桿表面做圓周運動，相機在活塞桿的不同方位拍照。為減少滑動過程中的摩擦力，相機載體與齒條之間通過滾珠連接，絲桿電機可以調整相機與活塞桿的物距，從而改變所獲取圖像的檢測范圍。

2 機器人的控制與工作原理

2.1 控制界面設計

圖2 人機參數界面設置

大型船閘活塞桿表面檢測機器人參數設置界面如圖2所示。通過設定攀爬機器人的升降步長、旋轉角度等相關參數，控制器通過分別控制電機的正反轉，來實現吸附、攀爬、拍照、調距等動作，控制器通過無線路由器接收PC機發送的控制指令，將活塞桿表面的取樣信息傳給上位機，對所獲取的圖像進行處理，拼接，從而獲取活塞桿的表面信息。

2.2 工作原理

操作人員把環形齒圈環繞在大型船閘活塞桿的外側后，通過肉眼檢測機器人的盲區，也即是活塞桿底部位于相機下端處。通過上下磁力吸附電機的交替工作，實現對活塞桿表面的吸附、松弛；通過主體推桿電機實現對活塞桿表面的攀爬動作；通過直流編碼電機來控制相機位于活塞桿表面的不同方位，進而將活塞桿表面的三維信息進行二維展開。

圖3 船閘活塞桿二維信息展開圖

3 機器人的有限元分析

由于機器人是進行高空作業，因此，必須保證對活塞桿表面有足夠的吸附力，以免發生危險。機器人的總重量約為50kg，所選磁力裝置的額定拉力為200kg，磁力裝置與活塞桿表面之間的摩擦系數為0.15[10]。

3.1 有限元模型的建立

在SoildWorks中建立大型船閘活塞桿表面檢測機器人的三維圖實體，將其進行簡化，而后導入Workbench中。

3.2 網格劃分與參數設置

建立有限元模型時，上齒圈底座為45號鋼，其彈性模量為2.09×1011，泊松0.269，其余材料均為鋁，其彈性模量為7.1×1010。下端均設為45號鋼，磁力步進吸附裝置與活塞桿表面設為摩擦接觸，摩擦因素為0.15，其余均設為bonded，并在受力處進行網格細分。

圖4 機器人整體受力圖

3.3 結果分析

根據所建立的有限元模型，進行靜力學分析，得到大型船閘活塞桿表面檢測機器人的應變圖和應力圖。

圖5 大型船閘活塞桿表面檢測機器人的應力應變圖

1）誤差大小評價

從圖5(a)、圖5(b)中可以看出，在2000N吸附力，摩擦系數f為0.15情況下，船閘活塞桿表面檢測機器人并未出現滑動，從圖5(a)可知機器人上部最大變形約為14.2mm，在允許的誤差范圍內。

2）材料安全性評價

從圖5(b)可以看出，機器人上部環形齒圈的最大應力為68.5MPa，小于124Mpa，固材料符合安全要求。

4 結語

針對船閘活塞桿缺陷檢測的具體工況，設計一種自動化的檢測機器人來替代人工操作。重點放在對機器人的結構創新上，利用改進的電推桿實現在活塞桿表面的攀爬動作，利用磁力吸附步進裝置實現對活塞桿表面的吸附、松弛動作，利用齒輪齒條機構使相機位于活塞桿表面的不同方位，將活塞桿表面的三維信息進行二維展開，從而獲取缺陷所在的位置。并對所設計的大型船閘活塞桿表面檢測機器人進行有限元分析，結果表面，磁力吸附步進裝置能夠實現對活塞桿表面的吸附。檢測裝置運動過程中的最大擾度14.2mm，符合表面檢測誤差預期。齒圈承載最大應力為68.5Mpa，符合材料安全性要求。