湯泓 賈學(xué)軍 吳音華

摘要：在復(fù)雜的深井輻射環(huán)境中設(shè)備出現(xiàn)掉漆，會導(dǎo)致設(shè)備的金屬表面暴露于空氣之中，此時需要工作人員及時對其處理，防止設(shè)備進一步被損壞而導(dǎo)致不可估量的后果。但在輻射環(huán)境下，工作人員不適合到達輻射工作室內(nèi)對設(shè)備進行除銹噴漆處理。因此，提出采用機器人代替工作人員進入輻射環(huán)境內(nèi)對故障設(shè)備進行除銹噴漆處理的方法，結(jié)合運輸小車、五軸機械手、除銹噴漆以及控制系統(tǒng)完成設(shè)計。

關(guān)鍵詞：遙控;運輸小車;輻射環(huán)境;除銹噴漆

中圖分類號：TD406

文獻標(biāo)識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.062

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對核能的利用也日趨多元。但是核輻射給人類生命財產(chǎn)帶來的危害也越來越大[1]。在工作室內(nèi)運行的過程中，設(shè)備在復(fù)雜惡劣的輻射環(huán)境下，設(shè)備表面因高溫等因素而掉漆。當(dāng)發(fā)現(xiàn)掉漆后，應(yīng)及時對設(shè)備維修。但工作人員進入輻射環(huán)境的工作室作業(yè)存在安全隱患，因此，采用遙控機器人的作業(yè)方式可以使工作人員遠離輻射環(huán)境下，完成對故障設(shè)備的除銹噴漆。針對上述問題，本文提出通過作業(yè)過程中工作人員根據(jù)返回視頻畫面信息，遙控機器人代替工作人員進入輻射環(huán)境的工作室現(xiàn)場作業(yè)的方法，再利用運輸小車與五軸機械手配合完成除銹噴漆的工作任務(wù)。

1 運輸小車

根據(jù)輻射環(huán)境下的各項問題及要求，本文設(shè)計了一款解決輻射環(huán)境下除銹噴漆的機器人，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。運輸小車作為機器人的移動方式，實現(xiàn)機器人在輻射環(huán)境下自如行走，到達工作人員指定的位置。運輸小車采用了麥克納姆輪作為驅(qū)動輪，伺服電機作為驅(qū)動方式，帶傳動作為傳動方式。麥克納姆輪作為驅(qū)動輪與橡膠輪相比，麥克納姆輪驅(qū)動方式更靈活、微調(diào)能力強、運行占地空間少、精度高、安全性能強，但耐用性低、價格高;而橡膠輪彈性大、耐用性強、價格低，但驅(qū)動方式單一、易老化、精度低?？紤]到工作室運行空間小，所以采用麥克納姆輪作為驅(qū)動輪。伺服電機作為驅(qū)動方式與步進電機相比，伺服電機閉環(huán)控制精度高、慣量小、力矩大，但負載不能超載;步進電機則控制簡單、成本低，但開環(huán)控制精度差、力矩小?？紤]到機械手的重量較大，但工作并無增加負載的情況，同時工作任務(wù)對精度要求高，所以，選擇伺服電機作為驅(qū)動方式。帶傳動作為傳動方式，相比鏈傳動有緩和的載荷沖擊，傳動更平穩(wěn)、制造費用低;而相比聯(lián)軸器，有更靈活的安裝空間和更高的傳動比，能夠得到更大的力矩，得以使用足夠的牽引力驅(qū)動運輸小車。

2 五軸機械手

當(dāng)機器人達到目標(biāo)位置，需要一個能夠代替工作人員完成除銹噴漆的機構(gòu)。該功能采用五軸機械手及運輸小車共同完成，利用五軸機械手五個方向的自由度與運輸小車繞Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度，合成了六自由度機械手，而六自由度機械手結(jié)構(gòu)剛度高，位姿調(diào)整靈巧[2]，能夠完成幾乎任何軌跡或角度的工作，提高工作效率，操作非常簡便，代替工作人員在輻射環(huán)境下有害身體健康的復(fù)雜工作。第一關(guān)節(jié)對四個與麥克納姆輪連接的電機獨立控制，利用麥克納姆輪的特性，將四個麥克納姆輪合成的向量繞Z軸旋轉(zhuǎn)。第二、三關(guān)節(jié)則采用伺服電機+RV減速器驅(qū)動，獲取更大的力矩，足以驅(qū)動其他關(guān)節(jié)。第四、五關(guān)節(jié)則采用伺服電機+皮帶驅(qū)動，獲取更緊湊的體積，以便更好地規(guī)劃工作軌跡。第六關(guān)節(jié)采用伺服電機+諧波減速器驅(qū)動，在最小的體積內(nèi)獲取最大的力矩。運輸小車與五個關(guān)節(jié)之間協(xié)作配合完成除銹噴漆的工作。

3 除銹裝置及噴漆裝置

工作人員遙控機器人先對故障設(shè)備掉漆區(qū)域進行除銹處理，再進行噴漆處理。除銹裝置安裝于五軸機械手第五關(guān)節(jié)即末端關(guān)節(jié)的安裝板上，與五軸機械手及運輸小車連接。常規(guī)的除銹方式有高壓水射除銹、酸洗除銹、拋丸除銹、超聲波除銹。其中，高壓水射除銹便捷，但剩余水分容易導(dǎo)致設(shè)備再次生銹。酸洗除銹使用化學(xué)溶液去除銹跡，但剩余的溶液給工作室造成污染。拋丸除銹只能在室內(nèi)完成，但除銹不完全，而且對環(huán)境存在污染以及會損傷零部件表面。超聲波除銹只能在特定的條件下使用，不適合在輻射環(huán)境下的工作室。激光除銹能夠達到機保車車體涂裝清潔度標(biāo)準(zhǔn)，并能滿足表面粗糙度的要求，為激光除銹在目標(biāo)部件表面清洗中的應(yīng)用提供了有效的工藝參數(shù)確定方法[3]。激光除銹不但對零部件的平整表面進行有效除銹，而且不產(chǎn)生污染殘留物，非常適合在輻射工作室下除銹。因此，除銹裝置采用激光除銹的方法。噴漆裝置安裝于五軸機械手第五關(guān)節(jié)即末端關(guān)節(jié)的另一安裝板上，與五軸機械手及運輸小車連接。噴漆裝置采用噴涂槍的方式噴漆，噴涂槍具有速度快，涂膜光滑均勻，噴涂后部件表面平整的優(yōu)點。噴漆槍就是噴油漆的一種工具，通過壓縮空氣使涂料霧化成細小漆滴，在壓縮空氣帶動下噴涂到設(shè)備表面，以使設(shè)備防銹、耐磨性能的提升。

4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用有線通訊的方式，能夠保證通訊質(zhì)量，縮短指令的延時。同時采用伸縮卷管器收縮通訊線纜，防止線纜阻礙機器人前行。控制流程如圖2所示，攝像儀器將收集的現(xiàn)場畫面信息實時反饋至地面工作站，工作人員根據(jù)畫面信息對輸送小車發(fā)送命令，機器人行駛到目標(biāo)位置。工作人員通過計算機對機器人的控制器發(fā)送指令，使其完成除銹噴漆的工作。

5 結(jié)語

本文針對遙控維護設(shè)備在輻射環(huán)境下除銹噴漆的應(yīng)用進行研究，運用運輸小車作為行走平臺，加以五軸機械手完成除銹噴漆動作，運用激光除銹與噴涂槍噴漆以及控制系統(tǒng)完成設(shè)計。

參考文獻：

[1]陸思全，郁丹炯，顧燕楠.核輻射對人體生物學(xué)危害及其防治策略研究[J].綠色科技，2015（ 8）： 244-246.

[2]許超，鄭艷龍.六自由度機械手結(jié)構(gòu)及運動仿真研究[J1遼寧大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，43 （4）： 331-334.

[3]程智勇，李曉娟.機械保溫車車體激光除銹機器人的研究[J].機床與液壓，2019，47 （4）： 40.46-49.