管道自动喷涂机器人的研究.doc

管外机器人的应用和发展研究王成军安徽理工大学机械系 研2004-3摘要：在役埋地石油输油管道受蚀后，管道外防护层就会发生老化，管外壁锈蚀变薄，造成漏油等安全隐患。而目前的国内管道喷涂仍依靠人工，效率太低，研制一种管外自动喷涂机器人已成为一个重要的研究课题，本文介绍了国内外的研究进展和应用情况，提出了管外自动喷涂机器人总体设计方案。关键词：管外机器人；喷涂；往复摆动；不完全链中图分类号：R197.39；TP216 文献标识码：A引言在工农业生产及日常生活中，管道作为一种重要的物料输送手段，其应用范围日益广泛，数量也不断增多。管道工程在国民经济许多行业中如石化、天然气、核工业、给排水、管道输送等行业起着极其重要的作用。野外运行的埋地石油管道，在运行了近30年左右，外防护层已经老化，为了保证石油管道的安全运行，同时又保证石油的不间断正常运输，需要在不停止输送石油的情况下进行外防护层的大修（采用喷涂100%固体聚氨脂/聚脲）。具体操作时，首先把埋在地下的管道四周的土壤挖开，各留出0.5m的空隙，然后再对管道进行去防腐层，除锈、喷砂等处理。最后再对处理完的管道进行喷涂作业。由于我国大修防腐工艺流程和国外不同，现有的进口喷涂设备不适合我国石油管道进行自动化喷涂，只能人工喷吐，效率低下。为了实现自动化喷涂，提高生产效率，必须对现有喷涂设备（该设备由主机、供料管、手持喷枪组成，采用人工持枪喷涂）设计配备专用的自动喷涂机器人系统。一、国内外的研究现状1. 国外管道机器人研究现状管道机器人是机器人重点应用领域之一，它是一种可沿管道自动行走，携有一种或多种传感器件和作业机构，在遥控操作或计算机控制下能在极其恶劣的环境中进行一系列管道作业的机电一体化系统。管道机器人分管道内机器人和管道外机器人两种。对较长距离管道的直接检测、清理技术的研究始于上世纪50年代美、英、法、德、日等国，受当时的技术水平的限制，主要成果是无动力的管内检测清理设备一PIG，由于PIG本身没有行走能力，其移动速度、检测区域均不易控制，所以不能算作管内机器人。70年代以后，石油、化工、天然气及核工业的发展为管道机器人的应用提供了广阔而诱人的前景，而机器人学、计算机、传感器等理论和技术的发展，也为管内和管外自主移动机器人的研究和应用提供了技术保证。日、美、法、德等国在此方面作了大量研究工作，其中日本从事管道机器人研究的人员最多，成果也最多。2. 国内管道机器人研究现状我国管内移动机器人技术的研究已有十几年的历史，中国科学院沈阳自动化研究所、上海交通大学、大庆石油管理局、胜利油田、中原油田等单位都进行了这方面的研究工作。国内有关单位也对“管内作业装置”等问题进行了多项内容的研究与开发，作出类具有一定意义的工作，它们是：(1)上海交通大学的“管内移动装置行走机构研究”。(2)中原油田研制的适用于529-630mm埋地钢质管道的内环焊缝区域喷涂常温固化液态涂料的补口机。(3)大庆油建科研所和吉林省模具厂联合研制的小口径管道（114mm）补口机。(4)中科院研发用于400mm400mm和500mm500mm空调通风管道中的清洁机器人，具有在管道中行走、对管道内污染情况进行观察和对污染物进行清洁的功能。经过多年的研究与开发，国内外己经在管内作业机器人领域取得了大量的成果，但是，距大规模实用化还用一定的差距。国内关于细小管道管外机器人的研究主要有哈尔滨工业大学机器人所研制出了一种蠕动式管外移动机器人，上海交通大学机器人研究所对斜拉桥爬缆机器人进行了研究(斜拉桥的缆索可看作是圆柱形!六棱柱形或表面有小螺旋槽的六棱柱形实心管)，研制了气动蠕动式爬缆机器人和电动连续式爬缆机器人，湖北机电研究院研制出一种折叠式机器人，可用于蒸汽发生器的管板下表面、传热管始末端和水室内表面的视频检查工作等。总体看来，我国管内机器人的研制和应用己经有了一定了基础，但仍处于起步阶段。而国内关于大管径的外管道机器人的研究比较少，在工业上的应用也更是少有报道。大多研究仅限与试验阶段。二、存在问题分析（1）国内外有关较大直径（本课题中石油管道外直径为720mm）的管道外机器人的研究比较少，没有现成的经验可以借鉴和参考。（2）现场实际工况要求较高，控制比较困难。具体要求如下：轴向运动要求实现匀速直线行走，轴向运动速度可调节，且轴向行走系统要具备可收缩性（收缩调节范围为1-4mm）。实施喷涂作业的主体径向运动系统能够实现径向往复运动（正反往复旋转90度）且速度可调节。主体部分安装4把喷枪，且喷嘴位置可调节。整机结构要求紧凑（管径之外尺寸不超过450mm），整体重量不超过80kg，要求能够快速拆装且操作和控制简便。满足系统的自动运行、自动控制、与喷涂主机一体化控制以及系统同时具备手动控制运行的四大控制要求。通过实验确定管线上行走速度、径向摆动速度，保证管线上行走系统的前进和往复摆动的协调性。要保证防止系统的翻车。鉴于以上存在的问题分析，我们必须解决如下主要技术问题：1）设计出比较合理的轴向行走系统和径向运行系统，以满足特殊的野外管道涂装工艺要求，采用PRO/E和ADAMS软件分别建立实体模型和进行仿真实验。2）优化喷涂机器人结构参数，满足实际工况关于整机重量和空间尺寸等受严格限制的要求。 3）选择合理的控制方案，以满足系统的自动运行、自动控制、与喷涂主机一体化控制以及系统同时具备手动控制运行的四大控制要求。三、管外自动喷涂机器人的总体设计方案本人研究的是一种适合于野外运行的石油管道大修防腐用的管道（外）自动喷涂机器人，完成该机器人的结构设计、运动学仿真和样机试制工作。该机器人系统主要包括以下几个部分：轴向行走系统；径向运动系统；支撑连接系统；自动控制系统。轴向行走系统由3对6个轮子组成的行走机构，其中一对为主动轮，其余为随动轮，各对轮子上有柔性减振和退让装置，可以越过焊缝等障碍。径向运动系统由不完全链传动机构组成，可实现圆周方向的往复摆动，且摆动速度均匀，满足喷涂的工艺要求。四、结束语管道工程在石化、天然气、核工业、给排水、管道输送等行业起着极其重要的作用。作为一种重要的物料输送手段，其应用范围日益广泛，数量也不断增多。野外运行的埋地石油管道，在运行了近30年左右，外防护层已经老化，为了保证石油管道的安全运行，同时又保证石油的不间断正常运输，需要在不停止输送石油的情况下进行外防护层的大修。而我国大修防腐工艺流程和国外不同，现有的进口喷涂设备不适合我国石油管道进行自动化喷涂，只能人工喷吐，效率低下。为了实现自动化喷涂，提高生产效率，必须对现有喷涂设备设计配备专用的自动喷涂机器人系统。管道机器人是一种可沿管道自动行走，携有一种或多种传感器件和作业机构，在遥控操作或计算机控制下能在极其恶劣的环境中进行一系列管道作业的机电一体化系统。国外早在上世纪50年代就开展管道机器人研究，近年来发展比较快，取得了比较多的研究成果。而我们国家尚处于起步阶段，关于大直径的工业级管道外机器人的研究非常少，和国外的差距很大。因而开展管道外机器人的研究显得非常有理论和实际意义。参考文献1黄微波.喷涂聚脲弹性体技术.北京：化学工业出版社，2005.72 叶扬详，潘肇基. 涂装技术实用手册（第2版）.北京：机械工业出版社，2003.63 沈守范，张纪元等.机构学的数学工具.上海：上海交通大学出版社，1999.14 孙靖民.机械优化设计. 北京：机械工业出版社，2004.25 马履中，尹小琴.一类多自由度并联机构组合弹性减振装置P.中国专利：02137948.3,2002-07.6 宁鹏. 管道清灰机器人结构设计及运动学仿真.兰州理工大学硕士学位论文.20057 杨廷力.机器人机构拓扑结构学M.北京:机械工业出版社出版, 2003:5580.8 韩亚丽、马履中、杨廷力、尹小琴.一种并联机器人机构智能化型综合方法.中国专利200610038352.1，2006.2.17。9 罗朝盛.Visual Basic 6.0 程序设计教程M.北京：人民邮电出版社2002：3658.10 杨廷力,等.基于单开链单元的三平移并联机器人机构型综合及其分类J.机械工程学报,2002,38(8):313611 黄真.空间机构学M.北京:机械工业出版社出版,1991：160175.12 师汉民. 机械振动系统分析测试建模对策. 武汉：华中科技大学出版社.200413 Merlet J.P.An Initiative for The Kinematics Study of Parallel Manipulators. Pr-oc.of the Workshop on Fundamental Issues and Future Research Direction for Parallel Mechanisms and Manipolators,2002,Que-bec ,2914 Brogardh T.PKM Research-Important Issues,as Seen from a Product Dev-elopement Perspective at ABB Robotics,Proc.of the WORKSHOP on Fu-ndemental Issues and Future Research Diretions for Parallel Mechanisms and Mechanisms and Manipulators,2002,Quebec,688215 Delta C R.A fast with parallel geometry.Proc of the Int Symp on Industrial Robot, Switzerland,1991.65108.16马履中、郭宗合、杨启志、尹小琴、韩亚丽等.三平移弱耦合并联机器人机构精度分析.江苏大学学报，2005，26(3):198202.17 尹小琴、马履中、杨廷力.新型虚拟轴三维坐标测量机构3-RRC的运动分析J.中国机械工程，2003，14(13):11471149.18马履中、尹小琴、杨廷力.新型三平移并联机器人机构动力分析与动态仿真.农业机械学报，2002，33(2):8083.19 尹小琴、马履中.三平移并联机构3-RRC的工作空间分析.中国机械工程.2003，14(18)20 郑建荣.ADAMS虚拟样机技术入门与提高M. 北京:机械工业出版社出版2002：93102.21 刘竹清.Pro/E Wildfire 实用教程M.北京：中国铁道出版社2004：295320.22 尹小琴.江苏大学博士毕业论文.江苏镇江.2005：