【《某防爆型喷涂管道机器人初步方案设计案例》3200字】

某防爆型喷涂管道机器人初步方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u28595某防爆型喷涂管道机器人初步方案设计案例 1191971.1课题设计任务 1196291.1.1本课题主要需解决的问题： 19301.1.2机器人主要技术要求： 116972.2课题主要涉及工程复杂问题及解决方案 2128611.1.1管径自适应调节机构设计 2197291.1.2喷涂模块优化设计 4126231.1.3轻量化防爆设计 5320891.3总体方案确定 6107811.3.1整体方案设计 6162861.3.2管径适应性调节机构设计 7971.3.3喷涂机构设计 7317951.4非技术要素分析 8185941.4.1工程与社会 8299721.4.2环境与可持续发展 815851.4.3职业规范 8277611.4.4项目管理 856561.4.5个人和团队 81.1课题设计任务根据油气管道的实际情况，设计防爆型喷涂管道机器人的整体方案结构，考虑方案的可行性，经济性和操作性，查阅相关资料，完成管道喷涂机器人移动本体、喷涂模块、防爆结构等全部机械结构的设计工作。1.1.1本课题主要需解决的问题：（1）机械与控制系统总体方案设计；（2）管径自适应机器人移动本体优化设计；（3）高效高质喷涂作业模块优化设计；（4）轻量化高可靠防爆结构优化设计。1.1.2机器人主要技术要求：（1）自重≤80Kg；（2）适应管道直径500mm-800mm；（3）最大运动速度≥12m/min；（4）喷涂作业效率≥12m/min；（5）防爆等级ExdⅡBT4Gb；（6）能够在水平、倾斜、竖直管道内高效完成喷涂作业。课题主要涉及工程复杂问题及解决方案1.1.1管径自适应调节机构设计管道机器人的适应不同管径的机构有很多，比如用弹簧的，用升降台的，或者用丝杠螺母控制的等等，每种机械结构都有各自的适用范围，下文对各种调节的机械结构进行方案分析与说明，并选择确定方案。方案一：弹簧式机构示意图如图1.1(a)所示，该机构利用的是弹簧的伸缩性，管径变大时弹簧伸长，管径变小时弹簧被压缩，通过弹簧的长短变化控制驱动轮与管道内壁紧密接触，同时其之间的压力也取决于弹簧的压缩量。使用弹簧不仅使机械结构简单，而且适用范围广，但是存在有弹簧预紧力这一不可控的缺点[22]。方案二：升降台式如图1.1(b)所示，使用升降台作为适应管径变化的机构具有适应范围大，易于控制的优点。正是因为需要改变两连杆之间的夹角，所以所需的驱动力会随着管径增大而增大，因此升降台式机构常用于履带式作业机械中。方案三：丝杠螺母式如图1.1(c)所示，这种通过丝杠螺母调节管径变换的方式需要动力源，也是管道机器人常用的机构。此机构主要由电机，丝杠，螺母，支撑杆，推杆等零件组成，支撑杆与基座铰接，推杆与轴套连接于C点，与支撑杆连接于D点，电机带动丝杠旋转，螺母与套筒随之左右运动，并由推杆推动支撑杆伸张或收缩[24]。图1.1(a)弹簧支撑机构示意图Fig.1.1(a)Schematicdiagramofspringsupportmechanism图1.1(b)升降台支撑机构示意图Fig.1.1(b)Schematicdiagramofliftingplatformsupportmechanism图1.1(c)丝杠螺母支撑机构示意图Fig.1.1(c)Schematicdiagramofleadscrewnutsupportingmechanism图1.1支撑机构方案Fig.1.1Supportmechanismscheme对比说明：结合三种结构的特点与可行性，拟采用方案三。方案一能适应小范围的管径变化且弹簧预紧力变化不可控，无法满足本课题对于管径适应性的要求。方案二可适应大范围管径变化但随着管径的增大，所需动力越大，结合本体重量和经济要求，不适合作为本课题方案。方案三可行性好，相比于方案一可控性好，相比于方案二成本低，综合考虑各方面因素，最终采用丝杠螺母机构。1.1.2喷涂模块优化设计本课题已采用管道机器人本体作为喷涂系统的移动载体，所以喷涂方案只需考虑喷枪在管道内旋转喷涂的方式，以及喷涂效率的考量[25]，因此给出以下方案：方案一：三喷头连续喷涂本方案采用三种相同型号喷枪120°等间距同时进行喷涂工作的方式。在电机驱动的旋转转盘上安装三个喷枪，机器人本体电机驱动机器人进行沿管壁轴向运动的同时喷枪进行旋转运动。电机带动机器人本体连续均匀通过石油管道的过程中喷头连续均匀旋转并进行喷涂工作。方案二：单喷头间歇式喷涂本方案采用单喷头间歇式喷涂的工作方式，机器人移动本体末端的旋转转盘上仅安装一个喷头。工作方式为先由机器人在管道内进行一段行程后停止再由旋转转盘上的喷枪以管道轴线为中心旋转360°喷涂并停止的过程。机器人不断重复以上过程至喷涂任务完成停止。图1.2(a)喷涂方案一图1.2(b)喷涂方案二Fig.1.2(a)SprayingScheme1Fig.1.2(b)SprayingScheme2图1.2喷涂方案示意图Fig.1.2Schematicdiagramofsprayingscheme1.1.3轻量化防爆设计机器人所需要进行防爆设计的电气元件为车身内部的电机、驱动器、传感模块和喷涂系统的电机、控制模块等。考虑喷漆机器人的安全性、可靠性、灵活性和模块化，分别对这两部分进行隔爆型防爆设计[26]。方案一：隔爆型原理如图1.3(a)所示，此类型需要有足够强度的外壳作为保护壳，要能够承受可燃物在内部爆炸的压力，并且外壳不能变形，接合面要满足隔爆长度和间隙，壳内爆炸不能传导到外界环境产生连带爆炸。方案二：增安型原理如图1.(b)所示，此类型是对设备为其提高安全性能所采用一定的附加措施，目的是为防止产生爆炸所需条件即危险温度、电弧和火花等。大多数情况采用的是降温控温或者增加绝缘体的措施。方案三：正压型原理如图1.3(c)所示，此类型需要爆炸环境所需压力低于外壳内部保护气体的压力，正压型可分为正压补偿型和正压通风型两种，目前电气设备外壳箱体大部分都采用正压型防爆。图1.3(a)隔爆型图1.3(b)增安型图1.3(c)正压型Fig.1.3(a)FlameprooftypeFig.1.3(b)IncreasedsafetytypeFig.1.3(c)Positivepressuretype图1.3防爆类型Fig.1.3Typesofexplosionproof通过对以上多种防爆型式的研究，隔爆型和正压型更适合机器人防爆设计要求。机器人要求运动灵活、质量轻、体积小，同时自身涉及较多电器元器件，如电机、驱动器、电源模块等，且相对分离。因此，机器人更适合采用隔爆型防爆，只需对机器人电气元件部位进行隔爆设计，避免其它防爆附加措施影响机器人工作灵活性、外观整洁性，更有利于机器人模块化设计，使机器人具有更高的安全性和可靠性。1.3总体方案确定1.3.1整体方案设计管道机器人的整体方案设计对于后续计算与校核尤为重要，合理的方案设计才能满足机器人技术要求和整体性能的要求，整体方案设计需要对机器人本体结构进行设计，机械结构主要包括机器人本体的移动方式，适应管径变化的调节机构设计，通关弯曲管道的机械机构设计，动力传动设计以及喷涂方案设计等等。根据能源供给与喷涂涂料供给的实用性和稳定性，本文采用直流电机驱动方式的单喷头喷涂管道机器人。机器人整体结构如图1.4所示，首先将机器人放置管口，然后腰部电机驱动机器人六足展开支撑管壁，足部控制电机开始驱动机器人本体向管道深处移动，移动一段距离后停止，转盘上的电机驱动转盘旋转，喷枪开始喷涂工作，旋转一周后停止，机器人继续移动，依次重复此过程直至工作任务完成。图1.4本体结构Fig.1.4Ontologystructure1.3.2管径适应性调节机构设计参观后管道喷涂机器人实际工作环境并大量查阅管道机器人文献后，综合考虑，本文采用电机驱动的三足等夹角120°的丝杠螺母调节机构。如图1.5所示，轴套，丝杠螺母连为一体并与推杆连接一端，推杆另一端连接支撑杆中部铰接，套筒通过滑杆确定轴向运动，丝杠起管径变化的定位作用。图1.5调节机构Fig.1.5Adjustingmechanism1.3.3喷涂机构设计如图1.6所示，机器人本体带动喷涂系统进行轴向运动，所以只需要喷涂系统满足旋转功能并且喷涂距离足够即可。此喷涂系统结构较为简单，主要由转盘、电机、编码器、减速器、喷枪、歧管等组成，此喷涂方案通过电机带动转盘上的喷枪旋转，能够做到易于控制，机器人喷涂系统的喷涂距离可达400mm，满足实际需求。图1.6喷涂机构Fig.1.6Sprayingmechanism1.4非技术要素分析1.4.1工程与社会本课题来源于实际工程项目，在设计的过程中我们要充分考虑设计的合理性、可行性，选取的外购件或者设计的零部件都要符合社会的要求，并且尤其考虑市场的兼容性。本课题目的是提升公司企业的生产效率，创造更大的社会效益。1.4.2环境与可持续发展课题设计过程中我们尽量选取环境友好型的材料，尤其不要对环境造成污染，努力节约资源，能够设计紧凑型部件节省空间资源，做到可持续发展。1.4.3职业规范做到诚实守信，对待工作认真负责，对于设计部分保持严谨的态度，要符