伞形管道爬行器控制系统设计

伞形管道爬行器控制系统设计 杜家熙 郭贵中 苏会朋 宁李普 1河南科技学院新 乡4 5 3 0 0 3 2新乡学院新 乡4 5 3 0 0 3 3河南豫联 能源集团有限责任公 司 新 乡4 5 1 2 0 0 摘要 分析 了伞形管道爬 行器的动作 和电机 的选取 对驱 动 电机 和伞足 电机均采用 直流 电机 和脉宽调 制 调速 重点研究了伞形管道爬行器的前进 后退 停止 伞足的张开 闭合 转弯时电机的顺序动作控制电路 等 对伞形管道爬行器的控制和应用有重要意义 关键词 伞形管道爬行器 脉宽调制调速 伞足张开闭合 电机顺序动作 中图分类号 T P 2 4 2 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 1 0 2 0 0 5 8 0 4 Ab s t r a c t T h e p a p e r a n aly z e s t h e o p e r a t i o n o f t h e u mb r e l l a t y p e p i p e c r a w l e r a n d t h e s e l e c t i o n of t h e mo t o r T h e c r a wl e r a p p l i e s DC mo t o r a nd p u l s e wi d t h mo du l a t i o n s p e e d g o v e r n i n g t o t he driv e mo t o r a n d t he mo t o r a t t h e u mb r e l l a f o o t Th e ma i n d e s c r i p t i o n i s o n t h e a d v a n c i n g b a c k o f f a n d s t o p p i n g o f t h e u mb r e l l a t y p e p i p e c r a w l e r u mb r e l l a f o o t s o p e n i n g c l o s i n g a n d s e q u e n t i al o p e r a t i o n c o n t r o l c i r c u i t o f t h e mo t o r wh e n t u rni n g a n d S O o n I t b e a r s s i g n i f i c a n c e i n t h e c o n t r o l l i n g a n d印 p l i c a t i o n o f umb r e l l a t y pe p i pe c r a wl e r Ke y wo r d s u mb r e ll a t y p e p i p e c r a wl e r p u l s e w i d t h mo d u l a t i o n s p e e d g o v e rni n g o p e n i n g a n d c l o s i n g o f u mb r e ll a f o o t mo t o r s e q u e n t i a l o p e r a t i o n 管道爬行器 是在狭 窄空间中进行操 作 检测 或作业的机器人 系统 为 了节省 大量的人 力 物 力和 财力 不 在维修 维 护管道 时挖开 道路 等 管道 自动检查技 术的研 究十分必要 目前 管道 爬行器都是以履带 轮子等实现在管道 中的移动 不能适应大范 围的管道 内径变 化 运行 中姿态 的 调整不够理想 在十字型 丁字型等较复杂 的管 道中不能较平稳通过 技术存在 缺陷 市场 尚不 成熟 本设计采用伸缩式伞形 结构 吊篮装置等 巧妙地解决了这些问题 1 伞形管道爬行器的动作 根据伞形 管道爬行器 的设计要求 伞 形 6足 爬行器在管道 中要完成前进 后退 转弯 以及前 伞 后伞 的张开和闭合等动作 动力设计为 1 由6个 电机来控制机器人 的爬行 前进 后退 停止 2 由2个 电机控制前后伞足的张开和闭合 3 控制管 道 中的转弯动 作顺序 为前 伞 足闭 合一后伞 足前进一前伞 足打开一后伞 足闭合一前 攻关项 目 河南省教育厅科技攻关项 目 2 0 0 6 5 2 0 0 2 7 一 58 一 伞足前进一后伞 足打开 要求 前后伞足 的张开及 闭合为独立事 件 相互 不干扰 才能完成 转弯时 伞足的独立动作 2 电气控制基本 元器件 的选取 2 1 电机 的选取 根据 设 计 计算 确 定 驱 动 轮 电机 的功 率 为 1 2 w 主电机 功率 为 8 9 w 根据 电机工 程手 册 直径在 3 0 m m以下 功率在 1 0 0 W 以下的直 流电机一般都选用 中小 功率 电机 因此采用铁氧 体永磁 rZ Y T以及 Y 1 5 Z的圆筒式钢板外壳 电机 经 查表 主电机选用额定电压为 2 4 V的 Z Y T一8 0 0 8 的直流电机 主要技术参数为 空载时转速 8 2 0 0 r mi n 内阻 1 0 Q 电 流 6 3 2 A 负 载 下转 速 5 0 0 0 r m i n 电流 0 6 8 A 效率 4 3 驱动轮电机 的选取 根据 电器元 件配合 的简 单 方便原则 结合主 电机的额定电压 2 4 V 选 择小电机额定电压为 2 4 V 查 电机工程手册 驱 动 轮 电机 选用 Z Y 0 1 O型 起重运输机械 2 0 1 1 2 2 2电源 的选 取 爬行器的工作场所一 般在野外 户外 对 于 电源的便携性 耐久 性 可靠性要 求较 高 所 以 选用可充电的 6 V蓄电池直流电源 它重量轻 体 积小 电量大 是较为理想的恒压源 2 3 新型调节脉宽 P WM 型调速的实现 P WM脉宽调制调速系统是对于直流电机无极 调速的最优化 的调速 系统 它相 比改 变 电压 改 变磁通参数 改变 电枢 电流调速等 具有相 当大 的 优越性 脉宽调制就是使功率放大器 中的晶体管 工作在开关状态下 开关频率保持恒定 用调整 开关周期内晶体管导通时间的方法来改 变其输 出 从而使电机 电枢 两端 获得宽度随时间变化 的给定 频率的电压脉冲 驱动电机 的功放一般选用 H型桥式开关放大 器 由4个晶体 管构成换 向 放大 电路 其 电路 图如图 1所示 这种 电机驱动 电路可 以通 过激发 不同的晶体管的工作 方式 进行 电机正 反装 控制 和电机 的调速 A C B D 图 1 H 型桥式 电路 图 3控制 电路设计 3 1 伞形管道爬行器 的前进 后退 停止的 电路 设计 对轮足电机进行编号 前 足 3个 电机分别是 M M M 后足 3个 电机分别是 M M M 对于直流电机的正转与反转 主要采用 的方 法是 电枢接线 的正接 与反接 用开关直接控制接 线方 法 如图 2所示 电路 中 接 串联 调速 电阻 R R R R 相同 为 0 2 0 0 Q 用三位开关 左 接通为正转 右接通为反转 中位为停止 3 2前后伞足张开 闭合电路设计 前后伞足要求能 张开和闭合 为此 要求 电 起重运输机械 2 0 1 1 l 2 Dc D C 一 Q Jl l n l l l r r l I l 展开 一 J 卜 l 上 l 上 凡一0 J 一 地 Q 图 2电机控制总 电路 机能带动螺旋丝杠进行 正 反转 采用反接 的方 法进行正反转控制 如图 2所示 伞形管道爬行器中电机有 8 个 采用 1个电源 显然不能满 足电机 的能量消耗 所 以采用 2个 电 源同时供 电 以便满 足 电机 的长 时间工作 要求 图中 Q Q Q Q Q Q 均为 3位开关 开 关左 位接 通 为 反转 右位 接 通 为正 转 中位 为 断路 3 3电机 顺序 动作 电路 设计 由转弯的方法可以分离 出电机的顺序动作有 电机 M 反转一 电机 M M M 前进一 电机 M 正 转一 电机 M 反转 电机 M M M 正转 电机 M 正转 电机的顺序 动作有以下几种选择 1 采用手 动开关通过摄像头观察 人为进行控制 2 采用 电磁 电气 控制 电路进 行逻 辑控 制 3 采用 单 片 机 P L C 进行 自动控制 3 3 1 人为控制 如图 2所 示 可以人为进行 电机的顺序动作 控制 先闭合 开关 Q 的左边再 断开一闭合 Q 的 右边再断开一闭合 Q 的右边再断 开一闭合 Q 的 左边再断开一闭合 Q 的右边再断开一 闭合 Q 的 右边再断开 3 3 2 逻辑控制 如图 3 图 4所示的由电磁铁 继电器组成的 电磁控制电路 采用时 间继 电器来 控制元件 的顺 序动作 6个 K T 通过不同的 K T得电实现 6个 顺序动作 时 间继 电器 K T的延时为 5 S 也可 以 根据不 同的伸缩要求设定动作时间 K M K M 分 别控制步骤 1 6 一 5 9 图 3 逻辑控制 1 图 4 逻辑控制 2 3 3 3 单片机 P L C进行 自动控制 采用单片 P L C自动控制电路 把顺序动作 分解为由不 同的使能端输 出 由 1个初始激发信 号使 P L C上 电 同时执行程序 从而输 出各个 电 信号 驱动各 执行原 件控制 电机 的动作 图 5所 示为由I O端 口分配接线图 图6为电机主回路接 线图 图 7为 P L C程序梯形图构成 的 P L C组合控 制电路 X O Y t F P O C1 6 Y Y Y4 2 4 V Y DC 一 CoM COM 一 6 0 一 图 5 I O端 口分 配接线 图 图 6 电机主回路接 线图 图7 P L C 程序 梯形图 3 3 4 电路分析 对于图 5所示 I O接线 图 由 s B 闭合 P L C 上电发出启动程序指令 由 x 端 口接 收 由图 7 所示程序梯形 图的执行程序可 以进行顺序 的动作 执行 通过定时器来设定元件 的接 电时序 输出 电信号 使 Y Y Y Y Y Y 按顺序得电 共 6步 Y Y Y Y Y Y 依次控制转 弯时各电机的顺序动作 并 由 K M K M K M K M K M K M 依次执行元件动作 由图 6所示 电机主 回路接线图可 以进行执行元件的直接执行 动作 由 K M K M2 K M3 K M4 K M5 K M6触 点的接通和断开来直接驱动电机的顺序动作 电路的比较与选择如下 图 2所示 电路方便 简单 结构精炼 但要人为控制 并且步骤复杂 开关较多 操作麻烦 图 3 4所示 电路 能够 由 1 个激励信号完成所有的顺序动作 操作简单 但 结构复杂 并且继电器电路一般需要 2 4 V以上的 电源配合 还要连接各个 触点 不符合伞形管道 爬行器的 电路系统要求 还要重新配置 电气 系统 起重运输机械 2 0 1 1 2 和控制箱 系统 庞大 不太符 合野 外工 作要 求 图5 6 7所示 电路 可以用 P L C进 行 自动化控 制 一般 P L C也需要 2 4 V的电源配合 并且价格 较高 并且需要 K M接触器来进行控制 用在伞形 管道爬行器上 显然也是大材小用 通过以上 电路 的比较 以及伞形管道爬 行器 的 工作要求及 条件 选用人为手动开关控制 转弯动 作 并且可 以随时调整 采用这种控制方 法可 以 省很多元器件 节约线材 简单快捷 价格低廉 适合低压控制 电路 并且 可 以随意地人 为执行动 作 适合不同丁作环境下 的动作执行 接线简单 采用手柄式 控制盒 布线 体 积小 重量 轻 适合 仟何电源 具有一定的通用性 左 一右 图 8 伞形管道爬行器控制 电路 4 结论 通过以上 的电路分析及比较 选用手动开关 电路进 行整合 电源 负载平均分 配 可得 如 图 8 所示电路 其中 O 为驱动电路 总开关 Q 为调 整电路总开关 Q 为前轮正反转控制开关 Q 为 后轮正反转控制开关 Q 为前伞足张合开关 Q 为后伞足张合开 关 Q 为机 器人左 右转动开 关 R R R R 为 同型号 的滑动变阻器 阻值为 0 2 0 0 n L L 2为照明元件 K Ml K M6控制 爬行器的左转 K M K M 控制爬行器的右转 也 可以只在前轮上安装 K M 一K M 6个电磁铁同样 可以完成 管道内调整方 向的动 作 由前轮转 向带 动后轮跟着 动作 可 以省掉 后轮 的 3个 电机 由 前 轮拉 动前 进 或后退 2 参考文献 齐占庆 机床电气控制技术 M 北京 机械工业出 版社 1 9 9 4 杨天明 电机与拖动 M 北京 北京大学出版社 2 00 6 3 电机丁程手册编委会 电机 程手册 M 北京 机 械丁业 出版社 1 9 9 6 4 李 国厚 杨青杰 P L C原理 与应用设计 M 北京 化 学工业 版社 2 0 0 5 5 王永章 数控技术 M 北京 高等教育 出版社 20 01 6 黄立培 电动机控制 M1 北京 清华大学出版社 20 0 3 7 李中年 控制电气及应用 M 北京 清华大学出版 社 2 0 0 6 作