羅洋，祁宇明，黃賢振

（1.天津市武清區(qū)職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，天津300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究所，天津300222；3.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究所，天津300222）

新產(chǎn)品開發(fā)

超高壓水射流破拆機(jī)器人噴槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

羅洋1，祁宇明2，黃賢振3

（1.天津市武清區(qū)職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，天津300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究所，天津300222；3.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究所，天津300222）

我國是水泥混凝土的產(chǎn)銷大國，許多早期的混凝土建筑需要進(jìn)行破碎和修復(fù)，而采用傳統(tǒng)機(jī)械破碎方式不僅效率低下，易造成環(huán)境污染和材料浪費(fèi)。采用移動機(jī)器人平臺搭載超高壓水射流噴槍，可以在多種環(huán)境下對混凝土建筑物進(jìn)行破碎拆除而不損傷內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及周邊混凝土材料性能，優(yōu)勢明顯。通過對國內(nèi)外超高壓水射流破拆機(jī)器人進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了破拆機(jī)器人機(jī)械臂架機(jī)械臂架，優(yōu)化了破拆機(jī)器人機(jī)械臂架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)。

超高壓水射流；破拆機(jī)器人；機(jī)械臂

目前在我國采用機(jī)器人作為超高壓水射流技術(shù)搭載平臺的工程設(shè)備主要有超高壓清洗機(jī)器人、超高壓消防機(jī)器人、水切割機(jī)器人和儲油罐清理機(jī)器人[1]。與傳統(tǒng)機(jī)械破碎工藝相比，混凝土的超高壓水射流破碎具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）作業(yè)無振動，可以逐層破碎，這是采用應(yīng)力傳遞、通透破碎的傳統(tǒng)液壓錘擊工藝不可比擬的，在很多工程場合極大減少了作業(yè)量。

（2）作業(yè)無粉塵現(xiàn)象。由于用水作業(yè)，清潔、環(huán)保，破碎作業(yè)全程不出現(xiàn)粉塵，保障了人身安全，降低了社會危害。

（3）極好的粗糙結(jié)合面，不遺留粉塵和疏松雜物，有利于新鋪材料與舊結(jié)合面的良好結(jié)合，其對橋梁道面維護(hù)極為重要，南京長江大橋橋面屢鋪屢毀、凹坑遍布，就是機(jī)械破碎未形成良好結(jié)合面的原因[2]。

噴槍是高壓水射流破拆機(jī)器人的末端執(zhí)行器，負(fù)責(zé)機(jī)器動作的執(zhí)行，由于高壓水在進(jìn)行破拆過程中具有較大的反作用力，所以需要設(shè)計(jì)一個可以緩解反作用力，可以穩(wěn)定執(zhí)行破拆作業(yè)的執(zhí)行裝置。本文依據(jù)水力破拆的實(shí)際作業(yè)工況設(shè)計(jì)出一種可以緩解高壓水反作用力的噴槍及機(jī)器人連接移動機(jī)構(gòu)，并通過對機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析實(shí)現(xiàn)對噴槍機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

1 噴槍的設(shè)計(jì)

1.1 噴槍機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

噴槍屬于管型物件，其一端固定著高壓噴嘴，一端連接高壓水管，對噴槍桿進(jìn)行機(jī)械固定時還需要考慮其破拆時的擺動動作。噴槍的擺動以及整個噴槍固定機(jī)構(gòu)的擺動均采用液壓馬達(dá)進(jìn)行帶動，但兩者具有一定的區(qū)別，噴槍的擺動動作是由一個曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動，液壓馬達(dá)帶動曲柄，曲柄通過連桿以及具有減震塊的鉸鏈連接在噴槍的固定件上；為了方便噴槍的更換同時確保其工作過程中的安全性能，噴槍通過夾塊以及高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行固定，以保證工作時噴槍在反作用力的作用下不產(chǎn)生滑動和脫落。

根據(jù)對破拆噴槍固定方式、驅(qū)動方式及破拆功能需求的綜合分析，利用三維繪圖軟件對破拆噴槍的固定機(jī)構(gòu)進(jìn)行了簡要的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

圖1 噴槍三維圖

1.2 噴槍結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

將破拆機(jī)器人噴槍擺動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖取出進(jìn)行分析，噴槍擺動軸線水平距離馬達(dá)旋轉(zhuǎn)中心距離為105 mm，噴槍擺動軸心距旋轉(zhuǎn)中心垂直方向?yàn)?5 mm，連桿與噴槍固定機(jī)構(gòu)鉸接點(diǎn)距旋轉(zhuǎn)中心為75 mm.根據(jù)該機(jī)構(gòu)圖，作機(jī)構(gòu)簡圖，如圖2所示。

圖2 噴槍擺動機(jī)構(gòu)簡圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求的噴槍擺動角度為±10°，對該機(jī)構(gòu)的曲柄偏心距AA1以及曲柄桿長A1B進(jìn)行計(jì)算。

由AO＝151 mm，DO＝85 mm，且AO⊥DO，可得：

由余弦公式可得：

可得：

可得曲柄偏心距為：

連桿長為：

2 噴槍托盤移動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 噴槍托盤移動機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超高壓水射流破拆機(jī)器人噴槍能夠在一定的水平橫向范圍內(nèi)進(jìn)行移動，通過橫向的往復(fù)運(yùn)動，控制噴槍在水平方位的破拆作業(yè)，擴(kuò)大橫向混凝土的破拆范圍，其三維模型圖如圖3所示。

圖3 噴槍托盤移動機(jī)構(gòu)三維設(shè)計(jì)圖

托盤移動機(jī)構(gòu)包括托盤支架、托盤導(dǎo)向輪、托盤面板、齒輪齒條傳動件以及液壓驅(qū)動馬達(dá)等部件。其中托盤支架承受噴槍固定以及運(yùn)動機(jī)構(gòu)的重量，同時支架的底部還裝有防護(hù)罩，防止在混凝土破拆過程中，破碎的混凝土飛出傷人。托盤機(jī)構(gòu)通過托盤面板四角的導(dǎo)輪在支架上的“V”型槽內(nèi)滾動，平面設(shè)計(jì)圖如3所示。托盤面板上固定有液壓驅(qū)動的馬達(dá)，液壓馬達(dá)經(jīng)過減速箱將動力傳遞給穿過托盤面板的小齒輪，而對應(yīng)的齒條固定在支架上，通過齒輪的轉(zhuǎn)動，小齒輪帶動整個托盤在支架上運(yùn)動。

2.2 噴槍托盤移動機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)托盤齒輪齒條傳動的設(shè)計(jì)要求，確定小齒輪參數(shù)m=2.5，z=30，根據(jù)托盤快速移動速度vmax=0.2 m/s，可求得小齒輪轉(zhuǎn)速

液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速

其中i為減速器傳動比。選定馬達(dá)額定工作壓力p2=16 MPa，綜合考慮系統(tǒng)總功率以及使用維修性，泵的功率應(yīng)小于2.5 kW，選取CMK04型外嚙合齒輪液壓馬達(dá)。其參數(shù)見表1.

表1 齒輪馬達(dá)參數(shù)表

根據(jù)表1以及馬達(dá)轉(zhuǎn)速，計(jì)算馬達(dá)輸入功率其中η為總效率，滿足功率要求，通過減速機(jī)減速后的小齒輪輸出轉(zhuǎn)矩：

T＝T0·i·η'=10.82×30×0.75=243.45 N·m（8）

其中η'為減速機(jī)傳動效率。

托盤通過支重輪在支架上移動時，會受到來自支架的摩擦阻力，為克服摩擦阻力驅(qū)動托盤運(yùn)動所需最大轉(zhuǎn)矩為：

式中：

N為支重輪受到的正壓力（N）；α為V型導(dǎo)軌夾角，通常取α＝90°；h為支重輪距小齒輪中心水平距離（m）；μ為導(dǎo)軌的動摩擦因素，其值可以參考相關(guān)設(shè)計(jì)手冊；k為傳動效率；

取μ=0.2，k=0.8則

而小齒輪輸出轉(zhuǎn)矩T≥Tmax，因此該齒輪馬達(dá)滿足設(shè)備動力需求且可適當(dāng)過載。

經(jīng)過優(yōu)化后的噴槍托盤移動機(jī)構(gòu)通過螺栓和旋轉(zhuǎn)馬達(dá)與噴槍相連接，組成超高壓水射流破拆機(jī)器人的機(jī)械臂系統(tǒng)，其三維模型如圖4所示。

圖4 機(jī)械臂架三維設(shè)計(jì)圖

3 結(jié)束語

以超高壓水射流破拆機(jī)器人作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的混凝土破拆裝備能夠針對不同類型、不同混凝土材質(zhì)的建筑物進(jìn)行破拆作業(yè)，而作為其執(zhí)行裝置，破拆機(jī)器人采用液壓驅(qū)動的履帶式移動底盤作為行走部件，以及具有多個自由度的機(jī)械臂作為其噴槍的夾持和動作機(jī)構(gòu)，能夠靈活的應(yīng)對其所面對的待修復(fù)或破碎的混凝土結(jié)構(gòu)。本文采用三維造型軟件對破拆機(jī)器人噴槍結(jié)構(gòu)以及噴槍托盤移動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，為后續(xù)的機(jī)械臂架建模和動力學(xué)仿真分析做好了準(zhǔn)備。

[1]祁宇明，鄧三鵬，王仲民，等.坍塌現(xiàn)場高壓水射流破拆機(jī)器人系統(tǒng)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013，（6）：209-211.

[2]邢嘉珍.超高壓水射流破拆機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究[D].天津：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，2015.

Ultra High Pressure Water Jet Breaking Gun Structure Design of Robot

LUO Yang1，QI Yu-ming2，HUANG Xian-zhen3
（1.Tianjin City Wuqing District Occupation Specialized Secondary Schools，Tianjin 300222，China；2.Tianjin Occupation Technology Normal University Robotics and Intelligent Equipment Research Institute，Tianjin 300222，China；3.Tianjin Occupation Technology Normal University Robotics and Intelligent Equipment Research Institute，Tianjin 300222，China）

China is the cement production and sales，many early concrete buildings need to be broken and repaired，and the use of the traditional mechanical crushing method is not only inefficient，causing environmental pollution and waste materials.The mobile robot platform is equipped with super high pressure water jet gun，which can demolish the concrete structure in many environments without damaging the internal structure and the performance of the surrounding concrete material.Based on the research of the super high pressure water jet demolition robot at home and abroad，the mechanical arm frame of the robot arm is designed，and the key parameters of the robot arm structure are optimized.

ultra high pressure water jet；rescue robot manipulator

TH113.2

：A

：1672-545X（2017）01-0073-03

2016-10-10

國家科技支撐計(jì)劃課題（2015BAK06B04）；天津市科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（14ZCZDSF00022）；天津市智能制造科技重大專項(xiàng)（15ZXZNGX00260）；國家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（61301040）

羅洋（1975-），男，天津武清人，學(xué)士，中學(xué)高級，研究方向：機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用。