大型压力容器自动探伤车设计-开题报告

1、毕业设计（论文）开题报告1 选题背景及其意义随着科学技术的日益发展，人们对生产安全和生产效率的要求越来越高，使得机器人在各个领域中都得到了广泛的应用和发展。以机器人代替人类从事各种危险、繁重、重复、单调及有毒有害的工作是社会发展的一个趋势。而爬壁式机器人是移动机器人领域的一个重要分支，能在壁面与顶部上灵活移动，完成一定的极限任务 。目前，国内、外许多家科研机构都在这一领域展开了研制开发工作。概括起来，爬壁机器人主要用于以下几个方面1：( 1) 核工业: 对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等；( 2) 石化企业: 对圆柱形大罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐；( 3) 建筑行

2、业: 喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面清洗、擦玻璃等；( 4) 消防部门: 用于传递救援物资, 进行救援工作；( 5) 造船业: 用于喷涂船体的内、外壁等。而运用于大型压力容器上的自动探伤车，其本质就是爬壁机器人，它可在垂直壁面移动，完成壁面的探伤检测作业。大型压力容器一般储存的都是一些易燃易爆的化学物质，人工在上面进行探伤作业时存在危险度高、劳动强度大、错检漏检率高的问题。所以研制一种大型压力容器自动探伤车，代替人工进行自动探伤检测作业，实现探伤检测作业的自动化，保证了人的生命安全，提高工作效率。2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）2.1 爬壁机器人概述爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分

3、支，它把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来，可在垂直壁面上附着爬行，并能携带工具完成一定的作业任务，大大扩展了机器人的应用范围2。为了在壁面环境中执行作业任务,爬壁机器人必须具有两个基本功能3：壁面吸附功能和移动功能。按吸附方式来分，主要分为真空吸附和磁吸附两种方式。真空吸附又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式，具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凸凹不平时， 容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低;磁吸附可分为永磁铁和电磁铁两种， 要求壁面必须是导磁材料，但它的结构简单，吸附力远大于真空吸附方式，且对壁面的凹凸适应性强，不存在真空吸附漏气的问题，因而当壁面是导磁材料时优先选用磁吸附

4、爬壁机器人。按移动方式来分，有车轮式、履带式和足脚式。车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难;履带式对壁面的适应性强，着地面积大、不易转弯; 足脚式移动速度慢，但带载能力强。2.2 国外爬壁机器人的研究现状日本是世界上率先开展了壁面移动机器人研究工作的国家，1966年日本大阪府立大 学工学部的西亮教授成功研制出第一个垂直壁面移动机器人样机, 该机器人利用电风扇进气侧的低压作用作为吸附力, 使机器人贴附在垂直壁面上。1975年他又采用单吸盘结构制作出以实用化为目标的第二代爬壁机器人样机4。1989年,日本东京工业大学的宏油茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人 ,吸盘与壁面之间有一个

5、很小的倾斜角度,这样吸盘对壁面的吸力仍然很大,每个吸盘分别由一个 电动机来驱动,与壁面线接触的吸盘旋转,爬壁机器人就随着向前移动,这种吸附机构的吸 附力可以达到很大5。日本应用技术研究所研制出的车轮式磁吸附爬壁机器人，它可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是：行走稳定速度快，最大速度可达9mmin，适用于各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆6。美国也是开展壁面移动机器人研究较早的国家。 1989年，美国西雅图的 HenryR Seemann在波音公司的资助下研制出一种真空吸附履带式爬壁机器人 7

6、。其两条履带上各装有数个小吸附室 ,随着履带的移动 ,吸附室连续地成真空腔而使得履带贴紧壁面行1走。最近几年，美国的研究小组真正揭示了壁虎在墙上爬行的秘密，这个秘密就是分子间的作用力一一范德华力8。斯坦福大学教授马克·库特科斯基的研究小组开发一种具有粘性脚足的壁虎状机器人。“壁虎机器人”足底有数百万个极其微小的毛发，微小的聚合体毛垫能确保足底和墙壁接触面积大，进而使范德瓦尔斯粘性达到最大化。借助这些毛发，它就能令足底粘上壁面。除此之外，德国、西班牙、俄罗斯、英国、澳大利亚等国家都相继开展了壁面移动机器人研究。1990年以来,西班牙马德里CSIC大学工业自动化研究所研制出一种 6足式爬

7、壁机器人。该机器人为磁吸附式,具有较大的静载荷,目的是为了工业上的应用9。1997年俄罗斯莫斯科机械力学研究所研制出的用于大型壁面和窗户清洗作业的爬壁机器人也采用单吸盘结构。该机器人利用风机产生真空负压来提供吸附力, 吸盘腹部装有4个驱动轮, 机器人可在壁面全方位移动10。20世纪90年代初, 英国朴次茅斯工艺学校研制了一种多足行走式的爬壁机器人。采用模块化设计, 机器人由两个相似的模块组成 , 每个模块包括两个机械腿和腿部控制器。可根据任务需要来安装不同数量的腿, 可重构能力强。机械腿采用仿生学机构, 模拟大型动物臂部肌肉的功能, 为两节式, 包括上、下两个杆和 3个双作用气缸, 具有 3

8、个自由度。稳定性好, 承载能力大, 利于机器人的轻量化, 并能跨越较大的障碍物。除腿端部各有一真空吸盘外, 机器人腹部设有吸盘,使机器人具有较大的负载质量比11。2.2 国内爬壁机器人的研究现状自1988年以来,在国家“863”高技术计划的支持下,哈尔滨工业大学机器人研究所已经成功研制我国第一台壁面爬行遥控检测机器人。它采用负压吸附,全方位移动轮,用于核废液储存罐罐壁焊缝缺陷检测。该机器人采用的是单吸盘结构,弹簧气囊密封,保证了机器人具有较高爬行速度和可靠的附着能力1。1995年研制成功金属管防腐用磁吸附爬壁机器人,采用永磁吸附结构,靠两条履带的正反转移动来实现转弯2。该机器人可以为石化企业金

9、属储料罐的外壁进行喷漆、喷砂, 以及携带自动检测系统对罐壁涂层厚度进行检测。上海大学谈士力等人设计开发了面向球形存储罐检修的球面移动爬壁机器人 ,它采用真空吸附方式和腿足式移动机构 ,可以适应不同曲率半径的曲面 ,并可跨越300 mm高的障碍12。1996年以来,北京航空航天大学先后研制成功 “吊篮式擦窗机器人”和“蓝天洁宝”等幕墙清洗机器人样机。其中，该吊篮式清洗机器人依靠楼顶上的安全吊索牵引移动 ,利用风机产生的负压使机器人贴附在壁面上13。1997年研制的水冷壁清洗、检测爬壁机器人, 呈圆弧形永磁吸附块与罐壁圆弧相吻合, 提高了吸附力, 也提高了作业的效率2。近年来,上海交通大学也开展了

10、爬壁机器人的研究。设计了一种自身无行走机构而依靠壁面牵引实现机器人移动的壁面清洗机器人样机。机器人腹部的两个吸盘交替抬起和吸附可实现跨越水平窗框障碍运动14。2.3 爬壁机器人的发展趋势由于传统爬壁机器人具有很多的不足之处(如对壁面的材料和形状适应性不强，跨越障碍物的能力弱，体积大，质量重等)，因此未来爬壁机器人的结构应该向着实用化的方向发展15。(1) 吸附方式吸附技术一直是爬壁机器人发展的一个瓶颈,它决定了机器人的应用范围。目前,吸附方式主要有真空负压吸附、磁吸附、螺旋桨推力及粘结剂等几种方式。由于目前应用比较成熟的吸附技术都有很大的局限性,在很多情况下难以满足实际应用的要求。因此, 开发

11、和研究新型吸附技术是当前爬壁机器人领域的一个重要方向。近年来,人们通过研究壁虎等爬行动物脚掌的吸附机理,制作出高分子合成的粘性材料,这些材料利用分子与分子之间的范德华力,在很小的接触面积上就可获得巨大的吸附力,而且具有吸附力与表面材料特性无关的优点。模仿壁虎等动物脚掌的仿生粘性材料的发展是当前新型吸附技术发展的热点。(2) 移动方式在移动机器人中，轮式和履带式移动方式已获得广泛的应用，但是足式移动方式具有轮式和履带式所没有的优点。足式移动方式的机器人可以相对较容易地跨过比较大的障碍（如沟、坎等），并且机器人的足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凸凹不平的地形适应能力更强。足式机

12、器人的立足点是离散的，跟壁面接触的面积小，可以在可达到的范围内选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。正是由于足式结构多样、运动灵活，适应于各种形状的壁面上，而且能够跨越障碍物，因此足式结构将在爬壁机器人上有着较好的应用前景。(3) 能源供应及驱动方式传统伺服电机因功率重量比低，必须安装在远离驱动的地方，而且电机高速运行后需有减速齿轮来降低速度，致使传动系统复杂，结构累赘，不能满足实用化的要求，为此需要研制利用功能材料构成的体积小、重量轻、高效率密度的新型电机。微特电机所组成的驱动伺服系统和位置速度传感系统是机器人关键部件，研制开发直接驱动、大力矩

13、、小体积、重量轻、精度高、反应灵敏、工作可靠的各类微特电机是提高我国机器人的研究开发水平，满足国内机器人高性能微特电机的基础保障。因此微特电机在机器人应用的前景是非常乐观的，而且要求微特电机技术的发展，满足机器人智能化、可靠、灵活、长寿命的需要。因此爬壁机器人使用微特电机技术的发展趋势可归纳为朝高精度、高可靠性、直接驱动、新原理、新结构、机电一体化、超微化方向发展。综上所述，目前国内外对于爬壁机器人的研究正处于飞速发展水平，因其可在垂直壁面或高空极限空间代替人进行危险作业，已被广泛地应用于清洗、消防、检测等多个行业。但爬壁机器人在吸附能力和运动灵活性上还存在一些问题。在实际的工程应用中， 一般

14、要求爬壁机器人携带一定重量的负载，这就要求它具备可靠、稳定而又足够大的吸附力。但这一要求得到满足的同时，其运动速度、越障能力、转向灵活性、壁面适应能力等必然会受到不同程度的限制。因此，为解决这一矛盾，需要寻找一种可以方便地控制其吸附力大小的吸附方式以及设计灵活轻便的移动机构。这是爬壁机器人在相当长一段时间所要面对的问题之一。3 研究内容本课题名为大型压力容器自动探伤车，其研究目标是对大型压力容器壁面上的探伤作业，提供可以代替人工进行作业的专用爬壁机器人。为了安全有效地工作，该探伤车要保证爬行可靠、移动灵活、定位准确。在此基础上，要尽可能使其本体质量轻、体积小、操作方便。与其他爬壁机器人一样，该

15、探伤车应该具有良好的吸附功能和爬行功能并具备转弯功能。该探伤车最主要的特点就是垂直作业，因此，机器人必须具备安全可靠的爬壁吸附功能。3.1 吸附机构探伤车要想在垂直的壁面上运动，必须保证机构能够稳定吸附在壁面上，防止滑落、倾倒等不利因素的产生，因此要设计合理而可行的吸附机构。爬壁探伤车现有的吸附方式主要分为真空吸附、磁吸附和推力吸附。由于液压容器表面是导磁性材料，且凹凸不平，为了提高吸附力，选用永磁吸附法。但采用永磁吸附的爬壁探伤车在与壁面剥离时需要很大的力，为此，专门设计了电磁脚的吸附机构。本次课题要求能够通齿轮传动机构和电磁脚的吸附机构，实现探伤车整体的稳定移动。其中的难点在于磁力大小的计

16、算、吸附力与重量、摩擦力的综合考量。3.2 移动机构爬壁探伤仪按移动功能主要分为腿足式、车轮式和履带式。车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难;履带式对壁面的适应性强，着地面积大，但不易转弯;腿足式吸附能力强，承载能力大，能跨越一定的障碍，但是移动速度慢。通过对三种方式的比较，选用腿足式移动，为此设计了一个用于调节电磁脚前后的移动机构。设计的难点在于移动机构如何带动电磁脚前后移动。3.3 升降机构当探伤仪通过升降机构带动电磁脚上下移动，从而达到与壁面的吸附以及离合这两个功能。该机构是通过滚珠丝杠将旋转运动转变成直线运动，从而带动电磁脚上下移动。当探伤仪垂直爬行时，其本体最易产生倾

17、覆现象。为此，在探伤仪的前后方向和中间方向上配有电磁脚。设计的难点在于电磁脚的分布安排。3.4 旋转机构由步进电机提供动力，通过减速器连接在探伤仪的中心轴上，通过电机的转动带动探伤车进行旋转，从而达到在壁面上改变运动方向的功能。设计的难点在于电机减速器。3.5 驱动机构常用于探伤仪的驱动方式有液压、气压和电动。由于采用磁盘吸附的行走方式，所以采用电机驱动的方式。电机驱动具有很多优点：电机体积小、重量轻，驱动反应快、控制性能好，正反转反应快，相对气动驱动、液压驱动等驱动方式具有明显的优越性。在电机驱动中，可选择以下几种电机：减速电机、步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机和无刷直流电机。3.6 传

18、动机构由步进电机提供动力，通过滚珠丝杠传动，将探伤仪固定在丝杠导轨的滑块上，使探伤仪能够自由的在导轨上滑行。设计的难点在于滚珠丝杠的选择和计算。4 研究方案4.1 总体方案本课题研究的是一个爬壁式压力容积自动探伤仪机构，其结构主要分为4个部分： 传动机构、升降机构、旋转机构、电磁脚机构。该爬壁探伤仪的工作原理是：探伤仪中间的3个电磁脚吸附在金属壁面上，传动机构的电机的旋转带动导轨上的4个电磁脚向前运动，当运动到要求距离时，升降机构的电机带动滚珠丝杠使整个探伤仪下降，直到安装在导轨上的4个电磁脚接触并吸附在壁面上且中间 3个电磁脚脱离壁面并保持规定距离为止，这时传动机构的电机旋转通过丝杠带动固定

19、在导轨滑块上的探伤仪，使得探伤仪向前移动，达到规定距离后停止，这时升降机构的电机旋转，中间的3个电磁脚下降， 直到3个电磁脚与壁面接触且导轨上的4个电磁脚脱离壁面达到规定距离为止，就是这样一前一后的运动的，当遇到需要转弯时，在导轨上 4个电磁脚脱离壁面的情况下，旋转机构的电机转动，带动整个探伤车在壁面上调整前进方向。4.2 拟采取的技术措施（1） 吸附机构探伤仪的吸附部分采用的是电磁脚结构，虽然电磁脚要达到吸附功能是需要电源的提供，但因为电磁铁与的壁面脱离比起永磁铁来讲更为方便，所以只要在操作过程中多加注意电源的走向问题，就可以很轻松的达到吸附与脱离壁面的功能。（2） 移动机构探伤仪的机身固定

20、在导轨的滑块上，通过导轨顶端电机的转动，带动丝杠，丝杠的旋转带动滑块，使得探伤机身，直线前进。（3） 升降机构探伤仪的升降机构是由蜗轮蜗杆和滚珠丝杠组成的，蜗轮蜗杆主要是起到一个减速的作用，以输出低转速大转矩功能。而滚珠丝杠则是将旋转运动转变为直线运动。当螺母被固定在机器上时，通过内部的滚珠，使得丝杠螺旋状前进。而电磁脚机构则是安装在升降机构上的。（4） 旋转机构旋转机构是固定在探伤仪机身上的，由步进电机提供动力，通过减速器连接在探伤仪的中心轴上，通过电机的转动带动探伤车主体进行旋转，从而达到在壁面上改变运动方向的功能。（4） 电磁脚的结构电磁脚主要由铁心和线圈组成，当线圈通电时，在其内部形成

21、一个封闭的磁路机构，从而使其带有电磁力，以牢牢吸附在壁面上。该电磁脚的分布是左右两导轨的两端各有一个电磁铁组成一个腿部机构。而中间部分则安装一个由三个电磁铁吸盘组成的电磁脚。当机器在壁面上运动时，中间的3个电磁脚便可牢牢吸附在壁面上，待两导轨移动到规定距离后，并通过升降机构和传动机构的相互配合，就能不断往前了。（5） 传动装置该探伤仪的传动机构中包括电动机、导轨、丝杠、联轴器、轴承等。电动机：把电能转化为机械能。电动机的功率的消耗取决于机器人移动时所受到的阻力。根据电动机的功率，综合各种要求，选择电动机的型号。减速器：电机和执行机构之间的独立闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要

22、。主要对减速器的齿轮、轴、轴承等进行设计计算，强度、刚度校核计算分析等。联轴器：联接不同机构中的两根轴使之共同旋转传递扭矩。轴承：确定滚珠丝杠与其他零件相对运动位置，起支撑或导向作用。轴承的类型很多，主要依据其承载情况和调心等要求，进行选择。5 进度计划2013.12-2014.01查阅相关文献和技术资料，准备开题报告，翻译英文资料；2014.01-2014.03构思方案，草图设计，开题报告答辩；2014.03-2014.04确认方案，中期检查；2014.04-2014.05三维建模，运动和动力分析，设计整定；2013.05-2013.05编写论文，准备答辩；2013.05答辩；6 参考文献1

23、 刘淑霞.赵言正.王炎. 徐殿国.爬壁机器人技术的应用 J.机器人.1999, 21( 2): 148- 155.2 付宜利,李志海. 爬壁机器人的研究进展J. 机械设计，2008.25(4):3 王荣华. 爬壁机器人设计及动力性能研究D. 沈阳: 沈阳工业大学. 2007.4 杨建元. 吸附型壁面攀爬机器人研究D. 西安: 西北工业大学. 20075 王田苗,孟偲,裴葆青,戴振东. 仿壁虎机器人研究综述J. 机器人, 2007,29(3).6 潘沛霖,韩秀琴,赵言正,等.日本磁吸附爬壁机器人的研究现状J. 机器人, 1994, 16(6)：379-382.7 Mel Siege.l Remo

24、te and automated inspection: status and prospectsC. In: The First Joint DoD /FAA/NASA Conference on Aging Aircraft, OgdenUT, 1997.8 门广亮, 赵言正, 王炎.爬壁机器人技术及应用 J.机器人技术与应用, 1996(1):14-19.9 Juan Carlos Grieco, Manuel Prieto, Manuel Armada, et a.l A six-legged climbing robot for high payloads C. In: Proceedings of 1998 IEEE International Conference on Control Applications, Tries-te, Italy, 1998: 446-450.10 G radetsky V, Rachkov M, Kalinichenko S,et a.l Service robot for cleaning of vertical surfaces C.In:IARP Internati