车载式自动除锈喷涂装置的设计及控制研究.pdf
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1、Sep.2023JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年9 月No.9Vol.40第40 卷第9 期机计设械车载式自动除锈喷涂装置的设计及控制研究*王亭沂1.2,马波3,齐静静1.2,范路1.2,张宝龙4(1.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司技术检测中心,山东东营257000;2.中国石油化工股份有限公司胜利油田检测评价研究有限公司,山东东营257000;3.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司,山东东营257000;4.中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛266580)摘要:针对油田储罐喷涂施工的复杂性,文中设计了一种车载式自动除锈喷涂装置,集自动除锈和喷涂技术于
2、一体,适用于油田储罐的自动除锈喷涂工作。首先,设计车载式自动除锈喷涂装置总体方案,并在ANSYS分析软件中进行受力分析,确保装置的安全性和可靠性;其次,对所用机械臂进行轨迹规划,设计整体装置的控制逻辑;最后,根据相似性原理设计加工测试装置,分析车载式自动除锈喷涂装置运动的准确性和轨迹规划的可行性。关键词:车载式自动除锈喷涂装置;有限元分析;轨迹规划;控制系统设计中图分类号:TE988;TU978文献标识码:A文章编号:1 0 0 1-2 354(2 0 2 3)0 9-0 1 2 2-0 7Design and control of vehicle-mounted automatic deru
3、stingand spraying deviceWANG Tingyil-2,MA Bo,QI Jingjing*2,FAN Lu-2,ZHANG Baolong*4(1.Technology Inspection Center,SINOPEC Shengli Oilfield Company,Dongying 257000;2.SINOPEC Shengli Oilfield Testing and Evaluation Research Co.,Ltd.,Dongying 257000;.3.Shengli Oilfield Branch,Sinopec,Dongying 257000;4
4、.College of Mechanical and Electronic Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580)Abstract:In view of the complex spraying construction by the oil-field storage tank,in this article the vehicle-mountedautomatic derusting and spraying device is designed.It integrates the automatic derust
5、ing and spraying technologies,whichis suitable for automatic derusting and spraying by the oil-field storage tank.The overall scheme of the vehicle-mounted auto-matic derusting and spraying device is worked out.The ANSYS software is used for the force analysis,in order to ensure thatthis device is s
6、afe and reliable.The mechanical arm is subject to trajectory planning;the control logic of the whole device isidentified.The processing and testing device is designed according to the similarity principle;efforts are made to checkwhether the vehicle-mounted automatic derusting and spraying device ca
7、n move accurately and the planned trajectory is.feasible.Key words:vehicle-mounted automatic derusting and spraying device;finite-element analysis;trajectory planning;design ofcontrol system*收稿日期:2 0 2 1-0 7-1 2;修订日期:2 0 2 3-0 3-1 0基金项目:国家自然科学基金项目(51 7 0 5534);中央高校基本科研业务专项基金(1 8 CX02085A);中央高校基本科研业务
8、专项基金(1 5CX 0 2 1 0 8 A);山东省自然科学基金项目(ZR2016EEB12)1232023年9 月王亭沂置的设计及控制研究威工日动除锈喷除储罐喷涂施工是一项复杂的工艺:首先要在靠近罐体表面处搭建脚手架,搭建周期通常为1 5天左右,完成脚手架搭建后,由作业人员手持砂轮进行除锈和手持喷枪进行喷涂作业,工作量大,劳动强度高,施工质量难以保证,且高空作业安全和环境风险大1-2 。随着机器人技术在生产和生活等各大领域的广泛应用,利用机器人代替人工进行简单、重复及具有安全隐患的工作也已成为工业领域研究热点问题3-4 储罐自动除锈喷涂装置是典型的复杂壁面作业,按照结构形式和工作原理的不同
9、,壁面作业机器人和装备大致分为吸附式、悬挂式和车载式3类5-7 。美国加州理工学院针对船舶除锈研制的M2000机器人采用永磁间隙吸附和轮式行走方式,机器人底部安装两块大吸附力永磁铁,其吸附力能够承受机器人本体重力,以及近百米长的真空回收管和水射流管的重力8-9。哈尔滨工业大学研制出一种罐壁喷涂和检查爬壁机器人,该机器人采用履带上安装永磁体的方式进行吸附和行走1 0-1 。合肥工业大学设计的外墙喷涂机器人采用吊篮与真空吸附相结合的方式,通过钢丝牵引喷涂机器人上下移动,吸附足可以保证喷涂机器人的稳定移动1 2 。意大利Hammelmann公司研制了一种集成度高的除锈车设备,车体与除锈系统集成到一体
10、,并且采用机械臂的形式,通过控制机械臂伸缩及上下移动实现船体表面的除锈工作,工作高度可达28ml13。瑞士ABB公司研制的IRB5500喷涂机器人,以机械臂为主体,可配合小车工作,支持较大型工件喷涂任务1 4D在考虑机器人本体的承载能力和实际工况条件下,采用高空作业车、工业机械臂、高压水射流式清洗回收装置,以及喷涂装置相结合的方式实现储罐的自动除锈和喷涂,主要针对高空作业车吊臂末端装置进行控制系统的设计。1车载式自动除锈喷涂装置总体方案如图1 所示为车载式自动除锈喷涂装置总体方案设计图。采用伸缩臂式高空作业车,高空作业车最大作业高度为2 1.6 m,目标储罐高度为1 3m,满足施工要求。高空作
11、业车车臂末端安装工作平台,工作平台上安装机械臂及其控制柜带动水射流除锈管和喷涂管实现预定轨迹动作。末端工作平台上的摄像头负责监控机械臂的运行状态及工作状况,机械臂末端为快装机构,可根据除锈和喷涂两种不同的工作形式选择安装高压水射流装置或喷涂装置,并根据不同的工况选择不同的防护罩,其中,用于水射流除锈的防护罩带有回收装置可对除锈过程中的污水进行回收,减小环境污染。储罐工作平台高空作业车(a)整体结构防护罩快装机构传感器水射流管或涂料管机械臂摄像头回收管控制柜一工作平台(b)工作平台放大图图1车载式自动除锈喷涂装置总体方案如图2 所示为传感器测距系统示意图,机械臂末端的两个模拟量传感器信息用来判断
12、机械臂及工作平台是否对正罐体面并做距离和角度补偿,距离补偿量x,最大值为359.3mm,具体距离补偿量x,和角度补偿量。计算公式如下:一S,(1)arctanDS式中:sd距离设定值;传感器1 的读数;S2传感器2 的读数;S传感器1 和2 的间距124第40 卷第9 期机设计械307.5666.8S(a)侧视图(b)俯视图图2传感器测距系统示意图机械臂末端的模拟量传感器配合工作平台上正对罐体面的模拟量传感器共同测定机械臂和工作平台是否与罐体面平行;平台两侧的开关量传感器用来检测周围是否有障碍物,防止工作平台受到碰撞。对于AUBO-i10机械臂,末端法兰至基坐标系距离0.30 7 50.666
13、8m范围内可正常进行轨迹动作,即粗定位误差为0.3593m,也是距离补偿量x,的最大值,机械臂末端的模拟量传感器测量值在设定值(x-0.3593,x)m内可正常轨迹高空作业车末端工作平台各部件质量如表1 所示,已知高空作业车工作平台额定载荷为2 2 0 0 N,负载满足条件。表1高空作业车末端工作平台各部件质量部件名称质量/kgAUBO-i10工业机械臂62.00机械臂控制柜10.22工作平台18.75枪头、管道40.50摄像头、传感器等组件12.96预留量21.66总质量166.09如图3所示为高空作业车的4种极限工况展示,图3a,b 两图为顶部和底部极限工况示意图,能保证储罐高度包含在高空
14、作业车工作高度内。高空作业车处于正对罐体位置时,工作范围内的罐体侧面极限位置如图3c所示,侧面的最大工作转角为6 0,高空作业车需在3个位置完成储罐作业,若高空作业车往侧面移动时,能工作到的最大侧面角度为90(a)顶部极限工况(b)底部极限工况(c)定点侧面极限工况(d)移动侧面极限工况图3高空作业车极限工况展示对考虑风载情况下高空作业车车臂在顶部极限距离、底部极限距离、定点侧面极限距离和移动侧面极限距离4种极限工况下进行有限元分析,确保装置安全可靠,如图4所示,以顶部极限距离为例。ANSYSNODALSCLDTIONR15.0STEP-PLOTMO.(AVG)RSY3-ODH-06675SM
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