基于ROBO Pro的管道除渣机器人的设计(郑轩).docVIP

基于ROBO Pro的管道除渣机器人的设计 郑 轩1，韩 蕾2 （1.天威英利新能源有限公司，河北 保定，071051；2..华北电力大学机械工程学院，河北 保定，071003） 摘 要：本文采用基于模型的设计方法进行机器人系统设计。采用慧鱼创意组合模型搭建成除渣机器人模型，采用ROBO Pro模块化编程语言编制控制程序对机器人模型进行控制，并对该系统的计算机控制过程进行仿真分析。该套系统中，没有考虑结构参数对控制系统的影响，仅分析机电系统控制过程中的问题，这种新的设计方法设计周期短，能够使设计系统优化。 关键词：慧鱼创意组合模型；除渣机器人；ROBO Pro模块化语言 中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1672-4801(2007)03 1 引言 机械除渣系统是循环流化床锅炉的关键配套系统，对其安全稳定的运行具有重要影响[1]。燃料制备系统将原煤加工为合格燃料，解决的是锅炉的入口问题。而除渣系统将锅炉排出的炉渣安全运出，解决的是锅炉的出口问题，其目的是将锅炉排出的炽热灰渣(温度一般为800OC左右)通过冷渣器将温度降至150OC后从锅炉底部运至灰仓，然后运出。但是锅炉在运行期间，常常会发生灰渣在锅炉排渣口到冷渣器这一段管道中的堵塞问题。通常由人工在压火停炉后立即进行疏通管道工作,然后再启动锅炉，升负荷。这种方法虽可快速压火停炉不停机，但很麻烦，同时存在人员安全问题。最近20年来，国内外对管道机器人进行了较为深入的研究，设计出多种移动检测机构和通讯及控制系统。根据移动载体和驱动原理的不同，可以分为全驱动直进式［2］、螺旋驱动式［3］、电磁驱动式［4］、压电驱动式［5］以及履带式［6］等。 本文在分析现有管道机器人的基础上，利用慧鱼模型搭建机器人，该机器人采用履带型驱动结构，在管道中能够完成预定任务。 2 ROBO Pro模块化编程语言 ROBO Pro模块化图形化编程语言软件简洁、直观、易懂。用ROBO Pro编写的程序同其他程序相比最大的优点就是其编程比较形象化，能够让人一目了然[7]。一般软件都是运用命令来编程的，由于语言命令多且不易记忆等语言本身存在的复杂性因素，使人们在编程的过程中容易出错，而运用ROBO Pro模块化编程语言进行编程可克服上述缺点。 3除渣机器人结构设计 3.1 机器人本体结构 根据管道中灰渣的情况，机器人的机械结构分为行走机构、除垢机构、碎渣机构和运渣机构四部分。由于管道内灰渣不平，宜采用履带式行走结构，这种移动方式支承面积大，接地比压小，同时由于履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性好[8]。机器人两侧履带分别由一个带有齿轮减速箱的直流电机驱动，电机功率2.4W，额定转速为400r/min，传动结构如图1所示。 图1 带减速箱的直流电机驱动方式 除垢机构位于机器人后端，由旋转工作台和伸缩刀具组成。刀具伸缩通过螺旋传动实现，即螺杆转动、螺母直线移动。碎渣机构位于机器人中部，由刀具进给和刀具旋转组成。运渣机构位于机器人前方，完成螺杆伸缩、翻转铲斗的任务。 采用“慧鱼创意组合模型”来搭建除渣机器人的基本结构，组成的实物模型如图2所示。慧鱼创意组合模型是德国慧鱼公司的产品，是以机械传动为核心，融传感器技术、计算机技术、自动控制技术、机器人技术为一体的教学及仿真模型，基本结构独特，六面都可拼装[9]。 图2除渣机器人的组合模型 其中，机械传动主要采用了齿轮传动、蜗杆传动、链传动。电气部分主要由直流电机和接口板和扩展板组成。传感检测部分主要使用了行程开关，即接触式传感器，它有两个状态，常开和常闭。当行程开关被碰触后，状态有所改变，这时通过接口板将信号传递来控制电机。 3.2 机器人密封方式 机器人在管道中的除渣作业，由于管道中有煤粉尘存在，所以必须重点解决机器人的密封性问题，使机器人能适应恶劣的工作环境。利用旋转格来圈进行动力输出轴的动密封，具有摩擦力小、抗摩性、尺寸稳定性好及密封效果好等优点。 4 除渣机器人计算机控制系统设计 因为机器人是由电动机控制运动的，所以对机器人位置的控制也就相应的转化为对电动机转动圈数的控制。这是一个典型的计算机对机械系统的位置量进行控制的问题，由于采用计算机作为控制器，所以该系统为离散控制系统。 4.1 确定控制任务 根据机器人结构确定了机器人除垢、碎渣和运渣的任务，当机器人进入管道后除垢机构开始运作，刀具伸缩并旋转，完成除垢功能。机器人向前行走过程中遇到炉渣停止向前行走，同时碎渣机的刀具前伸并旋转运动进行碎渣。碎渣完成，铲斗向前伸出，铲渣并把灰渣运送到存渣仓处。 4.2 控制系统的硬件设计 控制系统采用上位机和下位机组合方式，以个人PC机作为上位机，进行编程和监测，下位机采用慧鱼专用的接口板，接口板的微处理器采用Intel公司的8082芯片。该