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(1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院， 山東 青島　266590； 2.山東科技大學(xué) 文法學(xué)院， 山東 青島　266590)

引言

近年來(lái)隨著對(duì)海洋油氣資源的大力開發(fā)，水下管道鋪設(shè)作業(yè)也逐漸增加，對(duì)于管道連接件的安裝速度等也提出了新的要求。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水下管道連接件安裝機(jī)器人的研究多集中在法蘭式連接件安裝機(jī)器人和卡壓式連接件安裝機(jī)器人方面，對(duì)溝槽式連接件安裝機(jī)器人的研究相對(duì)較少[1-3]。為了完成大口徑溝槽式連接件的深水安裝工作，實(shí)驗(yàn)室研制了水下大口徑溝槽式管道連接件安裝機(jī)器人，該機(jī)器人屬于有纜機(jī)器人。

國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)水下纜索動(dòng)力學(xué)及纜索在水下機(jī)器人中的應(yīng)用等進(jìn)行了大量的研究， 指出減小纜索直徑可以有效地降低纜索對(duì)水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的影響[4,5]。但是對(duì)涉及到包含液壓管路的纜索直徑控制方法方面的研究較少， 雖然有人提出了海水液壓技術(shù)在水下裝備中的應(yīng)用[6-9]，但是目前來(lái)看該技術(shù)成本較高。本研究在前期研究基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)驗(yàn)室研制的機(jī)器人具體結(jié)構(gòu)，提出了通過(guò)對(duì)液壓系統(tǒng)管路布置方案進(jìn)行優(yōu)化以減小纜索直徑的具體實(shí)施方案。

1　初始設(shè)計(jì)方案

實(shí)驗(yàn)室研制的水下大口徑管道溝槽式連接件安裝機(jī)器人系統(tǒng)組成如圖1所示，該機(jī)器人包含水下作業(yè)主體5和控制柜2兩部分，母船1和絞車系統(tǒng)3為輔助裝置，其中水下作業(yè)主體攜帶連接件進(jìn)行水下作業(yè)，控制柜安放在母船上進(jìn)行控制?？刂乒窈退伦鳂I(yè)主體通過(guò)纜索4連接，纜索4中含有液壓管路和通訊線路[10,11]，液壓源安放在母船上。該機(jī)器人的關(guān)鍵作業(yè)部分是水下作業(yè)主體。

1.母船　2.控制柜　3.絞車系統(tǒng)　4.纜索　5.水下作業(yè)主體圖1　連接件安裝機(jī)器人系統(tǒng)組成示意圖

水下作業(yè)主體在作業(yè)時(shí)的管道夾緊、密封圈推送、連接件抓取與下放、夾持手開合、螺栓預(yù)緊等關(guān)鍵機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動(dòng)。初始設(shè)計(jì)方案的液壓原理圖如圖2所示。圖2中所有電磁閥均由點(diǎn)觸開關(guān)控制，虛線框A部分安裝在水下作業(yè)主體上，虛線框B部分中的電磁

圖2　液壓系統(tǒng)原理圖

閥組安裝在控制柜上。虛線框A和B之間的液壓管路與其他線路共同鎧裝成一根纜索。

在初始設(shè)計(jì)中，纜索內(nèi)液壓管路數(shù)目為16根，導(dǎo)致整根纜索的直徑較大，同時(shí)使得纜索的彎曲剛度和單元質(zhì)量較大，這樣會(huì)對(duì)對(duì)水下作業(yè)主體的運(yùn)動(dòng)造成較大的影響，而且纜索彎曲剛度的增大需要較大直徑的絞車滾筒。而且管路中需要大量的液壓油，使得纜索造價(jià)較高。

2　液壓管路精簡(jiǎn)方案

初始方案中導(dǎo)致纜索直徑較大的最直接的原因是纜索中液壓管路過(guò)多，因此在改進(jìn)方案中將主供液管路和回油管路安放在纜索中，將電磁閥由原來(lái)的控制中心移到水下作業(yè)主體上。改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)如圖3所示。圖3中虛線框A′部分安裝在水下作業(yè)主體上，虛線框B′部分安裝在控制柜上。

圖3　改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)原理圖

以本原理樣機(jī)為例，共有8個(gè)電磁閥，改進(jìn)后纜索中減少了14根供氣管路(為了制作的方便，制作原理樣機(jī)時(shí)，采用氣動(dòng)系統(tǒng)代替了液壓系統(tǒng))，每根氣動(dòng)管路的直徑為6 mm，則使得整根纜索的直徑減小了15 mm。 減小了纜索的直徑及其重量。在實(shí)際使用中還節(jié)省了液壓油，也降低了對(duì)母船上絞車功率的要求。

將電磁閥移到水下作業(yè)主體上，就需要將電磁閥的控制線也接入水下，8個(gè)電磁閥并聯(lián)使用，共需要9根電線對(duì)電磁閥進(jìn)行控制，因此改進(jìn)后纜索中需要增加9根電磁閥控制線，但為了減小纜索的直徑，應(yīng)該采取措施減少控制線的數(shù)量。

3　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電磁閥開關(guān)的控制系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩大部分。改進(jìn)后采用無(wú)線水聲通訊進(jìn)行控制信號(hào)的傳輸。在原理樣機(jī)研制過(guò)程中， 采用無(wú)線通訊模塊代替了水聲換能器。

圖4　系統(tǒng)硬件框圖

3.1　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件框圖如圖4所示，上位機(jī)和單片機(jī)1安裝在控制柜上，無(wú)線通信模塊(水聲換能器)安裝在浮力球上，浮力球安置在母船周圍。上位機(jī)與單片機(jī)1通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口線進(jìn)行連接。上位機(jī)通過(guò)串口通信將設(shè)定的控制信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)1，單片機(jī)1判斷上位機(jī)發(fā)送的控制信號(hào)后，通過(guò)無(wú)線通信模塊以無(wú)線的方式將該控制信號(hào)發(fā)送出去。

單片機(jī)2、單片機(jī)3、繼電器和電磁換向閥都安裝在水下作業(yè)主體上。單片機(jī)2，通過(guò)無(wú)線通信模塊，即水下作業(yè)主體上的水聲換能器接收單片機(jī)1發(fā)送的控制信號(hào)，判斷該控制信號(hào)后，再通過(guò)串口通信將繼電器控制指令以波特率為9600的速度發(fā)送給單片機(jī)3，單片機(jī)3判斷繼電器控制指令，控制相應(yīng)繼電器動(dòng)作。繼電器吸合時(shí)，電磁換向閥動(dòng)作，繼電器斷開時(shí)，電磁換向閥另一個(gè)方向?qū)?。通過(guò)電磁換向閥的動(dòng)作控制氣缸活塞桿的伸出與縮回。

這樣就可以把母船和水下作業(yè)主體上電磁閥之間的電線取消，進(jìn)一步減小纜索直徑。

3.2　控制軟件設(shè)計(jì)

使用C#設(shè)計(jì)了水下大口徑管道溝槽式連接件安裝作業(yè)機(jī)器人控制軟件，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循美觀、便攜、易于操作、安全可靠的原則?？刂栖浖ù谠O(shè)置、裝置定位等功能。將開關(guān)虛擬成軟件按鈕，單擊按鈕一次為閉合，再單擊一次則為斷開。軟件界面如圖5所示。虛擬按鈕的設(shè)計(jì)為后期的功能升級(jí)提供了方便。

4　原理樣機(jī)制作與測(cè)試

通過(guò)對(duì)機(jī)器人液壓系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)的改進(jìn)，大大減少了控制柜和水下作業(yè)主體之間液壓管路和電線的數(shù)目，減小了纜索的直徑，改進(jìn)后制作的原理樣機(jī)如圖6所示。為了模型制作的方便，采用氣動(dòng)代替了液壓系統(tǒng)。

圖5　系統(tǒng)功能界面

圖6　改進(jìn)后原理樣機(jī)總體圖

由圖6可以看出，改進(jìn)后的機(jī)器人控制柜和水下作業(yè)主體之間連接線路為2根。初始設(shè)計(jì)方案中原理樣機(jī)的纜索直徑為27 mm。改進(jìn)后原理樣機(jī)中的纜索直徑為12 mm，比初始方案減少了15 mm。如果將原理樣機(jī)中的氣路換成液壓管路，則纜索的直徑優(yōu)化后至少減小15 cm。

為了對(duì)精簡(jiǎn)后的氣動(dòng)系統(tǒng)和無(wú)線通訊系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證管路精簡(jiǎn)方案的可行性，對(duì)原理樣機(jī)進(jìn)行了陸地測(cè)試，在實(shí)際使用時(shí)一個(gè)完整的流程如圖7所示。

圖7　安裝作業(yè)流程圖

固定機(jī)構(gòu)可以使得水下作業(yè)主體固定在待連接管道上，為水下作業(yè)主體上機(jī)械手的工作提供了穩(wěn)定的平臺(tái)。機(jī)械手移動(dòng)到連接件庫(kù)中，抓取連接件。抓取連接件后的機(jī)械手將連接件對(duì)準(zhǔn)管道接口位置。機(jī)械手上的升降液壓缸活塞桿伸出，將使得連接件上端內(nèi)表面與管道外壁貼合，再控制機(jī)械手上的兩個(gè)并聯(lián)的閉合氣缸活塞桿伸出，使得連接件的敞開端閉合，最后使用力矩扳手對(duì)連接件的連接螺栓進(jìn)行預(yù)緊。

在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了以下問(wèn)題：

(1) 固定裝置的氣缸、機(jī)械手閉合氣缸均為并聯(lián)，測(cè)試時(shí)存在動(dòng)作不一致性；

(2) 由于原理樣機(jī)的制造精度問(wèn)題，在進(jìn)行連接件的抓取、連接件的安裝作業(yè)時(shí)，動(dòng)作順暢性還存在一定問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，在后期改進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)加裝限流閥、調(diào)節(jié)管路長(zhǎng)度等方法使得并聯(lián)氣缸的動(dòng)作時(shí)間差在可接受范圍之內(nèi)；進(jìn)一步提高加工制造精度，保證動(dòng)作的順暢性。

5　結(jié)論

通過(guò)將電磁閥移到水下作業(yè)主體上和采用無(wú)線通訊的方式可以減少水下纜索中液壓管路和通訊線路的數(shù)目，減小纜索直徑， 降低纜索對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的影響，提高機(jī)器人的靈活性和作業(yè)精度，節(jié)省設(shè)備投資，而且可以減小纜索的彎曲剛度，降低對(duì)母船上絞車的性能要求。在海水液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的可行性尤其是經(jīng)濟(jì)性取得實(shí)質(zhì)性突破之前，本方案提出的水下作業(yè)系統(tǒng)液壓系統(tǒng)管路優(yōu)化思路可以為其他水下液壓作業(yè)裝備纜索直徑的控制提供一定的參考價(jià)值。

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