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履带式爬壁机器人设计与研究

蔡丽君  
【摘要】:节能减排是构建社会主义和谐社会的重大举措,密排式锅炉管道的热能利用是节能减排的一条途径。该管道制造过程中,连接板与管道的焊接工作是一项耗时多、环境恶劣的任务。为提高焊接效率,实现辅助人工作业甚至代替人工操作的目标,针对锅炉管壁的几何形态,本论文提出了一种新型磁吸附爬壁机器人,该机器人可实现锅炉管壁上轴向和周向行走;为保证该爬壁机器人运动灵活性与运行安全性,进行了磁吸附模块的优化;在此基础上,研究爬壁机器人的运动和动力性能,最后基于虚拟样机技术对其模拟仿真分析。论文主要工作如下: 首先,该爬壁机器人由行走运动机构,磁力吸附单元,变径适应机构,焊枪夹持机构等组成。针对密排式锅炉管道特有的几何结构,行走机构由周向和轴向行走机构组成。周向行走机构以链传动实现,链单元结构不但能实现与链轮啮合传动,沿管壁作周向运动,又能自适应于管壁作轴向从动。轴向行走机构包含驱动轮和驱动轮提升机构,其轮缘外廓可与烟道小管外壁拟合。为保证轴向驱动轮不干涉周向运动,设计了具有万向铰的轮提升机构。 其次,本文机器人以磁吸附方式确保机体能附着于管壁工作,该吸附装置由分布式变磁力吸附单元构成,以同步齿形带驱动磁开关,实现磁力的改变,减小机器人能源消耗的目的。磁吸附支撑板由弹簧钢制成,以适应不同直径的烟道。建立磁吸附单元磁吸附力的数学模型,对磁吸附单元几何参数、气隙与磁吸附单元间的几何参数进行优化组合。利用有限元分析软件ANSYS对磁吸附单元的磁场分布进行仿真分析,确定磁吸附单元的几何参数和气隙;然后根据上面确定的参数,分析磁吸附单元中磁极与管壁不同角度磁吸附力的分布规律,为爬壁机器人的可变吸附力提供了理论依据。 最后,分别对爬壁机器人轴向行走(轮式移动)和周向行走(履带式移动)进行运动学和动力学分析。建立了轴向行走时运动学和动力学模型,运用ADAMS完成轴向行走运动仿真,实现轴向行走的运动特性分析,其速度仿真曲线与理论模型相吻合;对周向行走进行动力学和运动学分析,分析运动时履带所受张力的分布情况和驱动力矩问题,建立了动力学模型。然后在确定驱动力矩的基础上,建立运动学模型,完成对其运动特性分析,最后运用多体动力学分析软件RECURDYN进行仿真分析,其驱动力矩曲线与理论公式相印证。理论模型和仿真分析结果,为以后爬壁机器人的运动学和动力学研究提供了一定的理论基础。


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