履帶式爬壁機器人設(shè)計與研究.pdf

1、節(jié)能減排是構(gòu)建社會主義和諧社會的重大舉措,密排式鍋爐管道的熱能利用是節(jié)能減排的一條途徑。該管道制造過程中,連接板與管道的焊接工作是一項耗時多、環(huán)境惡劣的任務(wù)。為提高焊接效率,實現(xiàn)輔助人工作業(yè)甚至代替人工操作的目標(biāo),針對鍋爐管壁的幾何形態(tài),本論文提出了一種新型磁吸附爬壁機器人,該機器人可實現(xiàn)鍋爐管壁上軸向和周向行走;為保證該爬壁機器人運動靈活性與運行安全性,進(jìn)行了磁吸附模塊的優(yōu)化;在此基礎(chǔ)上,研究爬壁機器人的運動和動力性能,最后基于虛擬樣

2、機技術(shù)對其模擬仿真分析。論文主要工作如下:
　　首先,該爬壁機器人由行走運動機構(gòu),磁力吸附單元,變徑適應(yīng)機構(gòu),焊槍夾持機構(gòu)等組成。針對密排式鍋爐管道特有的幾何結(jié)構(gòu),行走機構(gòu)由周向和軸向行走機構(gòu)組成。周向行走機構(gòu)以鏈傳動實現(xiàn),鏈單元結(jié)構(gòu)不但能實現(xiàn)與鏈輪嚙合傳動,沿管壁作周向運動,又能自適應(yīng)于管壁作軸向從動。軸向行走機構(gòu)包含驅(qū)動輪和驅(qū)動輪提升機構(gòu),其輪緣外廓可與煙道小管外壁擬合。為保證軸向驅(qū)動輪不干涉周向運動,設(shè)計了具有萬向鉸的輪提升

3、機構(gòu)。
　　其次,本文機器人以磁吸附方式確保機體能附著于管壁工作,該吸附裝置由分布式變磁力吸附單元構(gòu)成,以同步齒形帶驅(qū)動磁開關(guān),實現(xiàn)磁力的改變,減小機器人能源消耗的目的。磁吸附支撐板由彈簧鋼制成,以適應(yīng)不同直徑的煙道。建立磁吸附單元磁吸附力的數(shù)學(xué)模型,對磁吸附單元幾何參數(shù)、氣隙與磁吸附單元間的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合。利用有限元分析軟件ANSYS對磁吸附單元的磁場分布進(jìn)行仿真分析,確定磁吸附單元的幾何參數(shù)和氣隙;然后根據(jù)上面確定的參數(shù)

4、,分析磁吸附單元中磁極與管壁不同角度磁吸附力的分布規(guī)律,為爬壁機器人的可變吸附力提供了理論依據(jù)。
　　最后,分別對爬壁機器人軸向行走(輪式移動)和周向行走(履帶式移動)進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)分析。建立了軸向行走時運動學(xué)和動力學(xué)模型,運用ADAMS完成軸向行走運動仿真,實現(xiàn)軸向行走的運動特性分析,其速度仿真曲線與理論模型相吻合;對周向行走進(jìn)行動力學(xué)和運動學(xué)分析,分析運動時履帶所受張力的分布情況和驅(qū)動力矩問題,建立了動力學(xué)模型。然后在確定