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大型球罐壁面除漆机器人设计与实验研究

机械传动 2024年第1期48卷 151-158页

作者：杨怀林刘春华陈晓辉邓贤东高润智夏毅臧红彬西南科技大学制造过程测试技术省部共建教育部重点实验室四川绵阳621010 中国空气动力研究与发展中心四川绵阳621000

为解决大型球罐压力容器表面三层高强度环氧漆打磨问题,设计了一款大型球罐壁面除漆机器人,并对其开展了实验研究。机器人主要包括爬壁吸附系统和自适应打磨系统。通过对海尔贝克阵列永磁体研究,仿真分析履带结构永磁体吸附力与工作间... 详细信息

为解决大型球罐压力容器表面三层高强度环氧漆打磨问题,设计了一款大型球罐壁面除漆机器人,并对其开展了实验研究。机器人主要包括爬壁吸附系统和自适应打磨系统。通过对海尔贝克阵列永磁体研究,仿真分析履带结构永磁体吸附力与工作间隙的关系,研发了一款吸附稳定、越障性能优越的爬壁吸附系统;针对弧形壁面打磨情况,设计了一款基于电流反馈的自适应打磨系统,并分析金属丝打磨辊力学模型,研发多样金属丝打磨辊。对机器人进行测试,打磨效果良好,机器人可以对环氧漆打磨并露出金属光泽,且是人工打磨效率的3~10倍。该研究为球罐高强度环氧漆打磨提供了新打磨工具,保证了打磨质量,提高了打磨效率。

关键词：爬壁机器人永磁吸附磁力仿真三层环氧漆打磨打磨效果

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多履带爬壁机器人结构设计与优化

机电信息 2024年第5期 38-42页

作者：杨金磊徐国栋西南林业大学机械与交通学院云南昆明650224

近年来,爬壁机器人愈发成为行业的研究热点。针对爬壁机器人在吸附壁面运动时的安全性和可靠性问题,设计出一种多履带爬壁机器人,其特点在于能够在不同弧度的金属壁面进行工作运动,同时具有一定的越障功能。在多种不同工作状态下,对爬... 详细信息

近年来,爬壁机器人愈发成为行业的研究热点。针对爬壁机器人在吸附壁面运动时的安全性和可靠性问题,设计出一种多履带爬壁机器人,其特点在于能够在不同弧度的金属壁面进行工作运动,同时具有一定的越障功能。在多种不同工作状态下,对爬壁机器人进行静力学分析,求出机器人在保证可靠吸附时的极限吸附力,在此基础上使用Ansys Maxwell进行仿真比较,确定结构尺寸合适的永磁体及合适的吸附气隙,设计出合适的磁吸附机构,最终完成多履带爬壁机器人的整体设计。

关键词：爬壁机器人永磁体静力学分析磁力仿真

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一种基于磁力吸附的焊缝打磨爬壁机器人设计

机床与液压 2023年第3期51卷 35-43页

作者：董家候郑甲红何凯左启阳陕西科技大学机电工程学院陕西西安710021 中国科学院深圳先进技术研究院广东深圳518055

设计一种新型的船体爬壁机器人,用来对大型轮船侧壁的焊缝进行打磨,改变了依靠人力打磨作业的方式,不仅提高了工作效率,而且大大降低了安全事故的发生。该机器人包括行走机构、吸附机构和焊缝打磨执行机构。针对爬壁机器人在不同的极限... 详细信息

设计一种新型的船体爬壁机器人,用来对大型轮船侧壁的焊缝进行打磨,改变了依靠人力打磨作业的方式,不仅提高了工作效率,而且大大降低了安全事故的发生。该机器人包括行走机构、吸附机构和焊缝打磨执行机构。针对爬壁机器人在不同的极限工况下,建立静力学模型,分析爬壁机器人出现滑移失效、横向倾覆失效、纵向倾覆失效、脱离失效时的极限磁吸附力。使用Ansys Electronics Desktop-Maxwell对永磁体进行仿真和结构优化,使之满足所需的磁吸附力。搭建出样机后,对机器人进行性能测试、磁吸附力测试和焊缝打磨测试。结果表明:该机器人不仅焊缝打磨效果好,而且工作性能稳定。

关键词：爬壁机器人磁吸附焊缝打磨磁力仿真

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磁力爬柱机器人磁吸附力分析与仿真研究

石家庄铁道大学学报（自然科学版） 2020年第4期33卷 69-74页

作者：赵童王战中孙国翔石家庄铁道大学机械工程学院河北石家庄050043

为解决磁力吸附爬柱机器人圆柱壁面安全吸附问题,将48块(2 cm×4 cm×1 cm)永磁铁分为9+10+10+10+9、8+9+14+9+8、4+10+20+10+4这3种布局方式,通过Ansoft软件对这3种布局方式每次在相同工作间隙下进行磁力分析,确定最佳布局方式与工作... 详细信息

为解决磁力吸附爬柱机器人圆柱壁面安全吸附问题,将48块(2 cm×4 cm×1 cm)永磁铁分为9+10+10+10+9、8+9+14+9+8、4+10+20+10+4这3种布局方式,通过Ansoft软件对这3种布局方式每次在相同工作间隙下进行磁力分析,确定最佳布局方式与工作间隙。建立永磁铁块三维模型并考虑圆柱壁面的真实几何形状,完成磁铁块的弧形布局,磁铁块的布局弧形曲率与圆柱壁面曲率相等。充分考虑磁吸附力的方向垂直永磁铁的表面,采用对每块永磁铁分别建立相对坐标系的方法,完成66组仿真实验,并最终确定最佳布局方式为4+10+20+10+4型横排布局和理想工作间隙为2 mm,该结果可用于指导磁力吸附爬柱机器人的制作。

关键词：爬柱机器人磁吸附装置 Ansoft软件磁力仿真

正交异性钢桥面板焊缝检测爬壁机器人永磁吸附关键技术研究

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机械设计 2022年第7期39卷 10-16页

作者：李战斌王海波宋伟薛朝军西南交通大学机械工程学院四川成都610036 轨道交通运维技术与装备四川省重点实验室四川成都610031 浙江大学海洋学院浙江舟山316000

正交异性钢桥面板的焊缝开裂危害巨大,目前主要由人工通过超声波检测装置对焊缝进行检测,因此设计一种可以搭载超声波焊缝检测装置的爬壁机器人来实现对焊缝的检测。通过对壁面特性研究及各种方法的综合比较分析给出爬壁机器人的总体方... 详细信息

正交异性钢桥面板的焊缝开裂危害巨大,目前主要由人工通过超声波检测装置对焊缝进行检测,因此设计一种可以搭载超声波焊缝检测装置的爬壁机器人来实现对焊缝的检测。通过对壁面特性研究及各种方法的综合比较分析给出爬壁机器人的总体方案,结合方案将爬壁机器人在壁面上的吸附状态分为两种,对此进行力学分析得出对于吸附力的要求,最后通过Maxwell软件进行磁力仿真,对永磁轮的吸力进行验证,为机器人的磁轮设计和可靠行走提供理论依据。

关键词：焊缝检测爬壁机器人磁力仿真壁面过渡

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罐体壁面打磨机器人的机械系统研发

罐体壁面打磨机器人的机械系统研发

作者：杨怀林西南科技大学

学位级别：硕士

目前,大型压力球罐广泛地应用于空气动力研究、石油、化工等领域。大型压力球罐大都处于开放的环境中,长时间受到自然环境的腐蚀和正负压力载荷影响,使得球罐容易在焊缝连接处出现裂纹、凹坑、孔洞等缺陷。如果不及时处理会导致球罐内... 详细信息

目前,大型压力球罐广泛地应用于空气动力研究、石油、化工等领域。大型压力球罐大都处于开放的环境中,长时间受到自然环境的腐蚀和正负压力载荷影响,使得球罐容易在焊缝连接处出现裂纹、凹坑、孔洞等缺陷。如果不及时处理会导致球罐内部物质泄露,严重的对于石油化工等企业会引发火灾、爆炸等危险。为此需要对球罐焊缝进行定期检测。为了便于检测,需要对球罐外部焊缝区域的三层环氧漆进行打磨并露出金属光泽。目前对于焊缝打磨常用人工进行作业,也存在较少的爬壁打磨机器人,但大都存在除漆效率低、除漆效果差等情况。本文基于此情况研发了一款罐体壁面打磨机器人,实现对球罐焊缝三层环氧漆的高效、高质量打磨。本文的主要工作如下:1.罐体壁面打磨机器人机械系统方案设计。对罐体壁面打磨机器人的应用场景和功能需求进行分析,并对机器人底盘系统的运行方式、吸附方式进行对比分析,确定机器人底盘系统结构,再对机器人底盘系统进行静力学分析,确定了单一永磁体最小吸附力和机器人底盘系统电机最小扭矩;设计了一款基于电流反馈的自适应打磨系统;基于金属丝呈现均匀分布但独立使用的情况设计多款金属丝打磨辊,并以此为启发设计千叶轮打磨辊,金属丝和千叶轮片可以实现对球罐表面三层环氧漆的高效打磨,对焊缝连接缝处的有效打磨,且自身的韧性使得其在工作中消耗较少;对机器人关键零部件进行强度校核,确保强度满足设计要求。2.罐体壁面打磨机器人机械系统仿真分析。对机器人底盘系统永磁体排列方式、永磁体形状与吸附力的关系进行仿真分析,在使用尽量少永磁体数量的情况下满足本文吸附力设计需求;同时采用虚拟样机技术对于机器人底盘系统的运行情况和打磨系统的减震效果进行仿真分析,验证设计的合理性同时进一步优化。3.爬壁打磨机器人实物样机实验测试。对本文研发制造的罐体壁面打磨机器人进行实验测试,验证设计的合理性和机器人底盘系统的负载能力、越障能力、运行稳定性,自适应打磨系统对于球罐表面三层环氧漆的除漆效果与除漆效率。该型机器人的成功研制相对于传统机器人提高了吸附稳定性同时也提升了机器人越障能力,自适应打磨系统搭配自主设计的打磨辊实现了对三层环氧漆的高质量、高效率打磨,相对于传统人工打磨效率提高了3-10倍,并且能够对焊缝的余高进行削减。该研究为球罐表面高强度环氧漆打磨提出了新打磨工具,保证了打磨质量,提高了打磨效率。

关键词：爬壁机器人永磁吸附磁力仿真三层环氧漆打磨打磨效果

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船舶货舱清洗爬壁机器人设计与研究

船舶货舱清洗爬壁机器人设计与研究

作者：陈建坤中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)

学位级别：硕士

随着我国海运的发展,我国的船队运力规模已经达到了世界第二,成为了全球海运大国。伴随着海运的发展,我国在船舶制造和维护等方面的需求也越来越显著。船舶货舱的清洗一直是海运船舶维护的关键一环。传统的货舱清洗大多是依靠工人手持... 详细信息

随着我国海运的发展,我国的船队运力规模已经达到了世界第二,成为了全球海运大国。伴随着海运的发展,我国在船舶制造和维护等方面的需求也越来越显著。船舶货舱的清洗一直是海运船舶维护的关键一环。传统的货舱清洗大多是依靠工人手持高压喷枪清洗作业,该种作业方式安全隐患大、工作效率低、清洗质量差。磁吸附爬壁机器人可以吸附于船舶金属壁面来代替工人执行清洗任务,这极大地解决了人工清洗的弊端,但目前市场上应用的船舶清洗爬壁机器人还无法适应货舱多壁面之间过渡的场景。基于上述船舶货舱清洗的问题,本文研制了一种用于货舱清洗的壁面自适应爬壁机器人。首先,针对船舶货舱内多种壁面的特点,本文对爬壁机器人提出了货舱壁面自适应的要求。通过对机器人吸附、行走、驱动和清洗等不同方案的分析,提出了适用于货舱清洗的爬壁机器人具体方案,根据该方案设计了机器人的磁吸附机构、驱动行走机构和自适应清洗机构。其次,为了验证机器人壁面吸附的可靠性和舱内行走的稳定性,对设计的爬壁机器人进行了力学性能研究,由静力学和动力学分析得到爬壁机器人的货舱清洗的力学模型。同时,对整机关键结构的可靠性进行了ANSYS有限元分析。再次,为了机器人达到额定的磁吸附能力,对磁吸附机构进行了磁路的设计和多参数的优化。本文利用Ansoft Maxwell软件对Halbach阵列的磁路进行了分析,并对前后磁吸附机构的安装位置、尺寸大小与磁吸附力之间的关系进行了仿真优化,确定了最优的参数关系。最后,本文对机器人各个零部件进行了加工并装配出机器人样机,搭建了货舱测试平台,对磁吸附机构的吸附力大小和机器人样机壁面行走能力进行了试验。结果表明机器人可以在货舱多个壁面之间过渡行走,打水清洗效率和清洗质量较传统人工清洗都有了明显的提升,真正实现了船舶货舱的自动化清洗作业。

关键词：爬壁机器人货舱清洗结构设计磁力仿真壁面自适应

永磁吸附式爬壁机器人结构设计及运动性能分析

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永磁吸附式爬壁机器人结构设计及运动性能分析

作者：张宇长安大学

学位级别：硕士

随着重工业的快速发展,越来越多的大型建筑需要用到金属钢材,长期放置在空气中的金属钢材会出现锈蚀、裂缝等问题,从而导致泄露、坍塌等严重安全事故,因此,对高空中大型金属钢材的检测及维护等工作至关重要。目前采用最多的方式是搭建... 详细信息

随着重工业的快速发展,越来越多的大型建筑需要用到金属钢材,长期放置在空气中的金属钢材会出现锈蚀、裂缝等问题,从而导致泄露、坍塌等严重安全事故,因此,对高空中大型金属钢材的检测及维护等工作至关重要。目前采用最多的方式是搭建脚手架进行人工检测,由于在高空中进行人工作业的安全系数低、作业效率低和作业成本高,迫切需要使用特殊的机器来代替人工操作。本文针对这一问题,设计了一款可越障的履带式爬壁机器人,可以携带作业工具代替人工进行高空作业。本文对爬壁机器人的主要研究工作如下:(1)结合爬壁机器人的实际工作条件,提出了爬壁机器人的功能要求和设计指标。通过对爬壁机器人的行走方案、吸附方案和驱动方案的分析,最终选择了永磁吸附式履带爬壁机器人的机械结构方案,进而完成了爬壁机器人的结构设计。并利用Solidworks软件对爬壁机器人的整体结构进行了三维建模。(2)建立了爬壁机器人的力学空间模型,通过静力学分析,得出了爬壁机器人静止在金属壁面上时不发生滑移和倾覆失效的最小吸附力。通过运动学分析,得出了爬壁机器人在金属壁面进行直行和转向运动时所需驱动力矩的最小值,并使用Matlab软件计算出了磁吸附单元应满足的最小吸附力和驱动电机需输出的最小驱动力矩,并在爬壁机器人越障原理的基础上对其越障过程进行了计算分析,得到了爬壁机器人能越过障碍物的最大值,最后通过Adams软件对爬壁机器人进行动力学和运动学分析,验证了上述结构设计的合理性。(3)在磁吸附装置结构设计的基础上,通过Maxwell磁场分析软件对各种磁路进行仿真分析,确定了磁吸附装置的磁路类型。采用控制单一变量的方式分别对磁吸附装置中的各尺寸参数进行仿真分析,并依据仿真结果对其结构尺寸做出优化调整,从而获得较大的磁吸附力。(4)采用远程无线遥控的方式对爬壁机器人进行控制,根据控制要求并结合实际情况,设计了一套完整的爬壁机器人控制方案,并对主控制器和无线收发器的各个模块进行了硬件设计和软件设计,并给出了硬件设计的部分电路图和软件的设计流程图,通过CAN总线的方式完成指令的发送和接收。(5)基于以上的研究完成了爬壁机器人样机的制作,搭建了样机的实验平台和控制系统,并对爬壁机器人的移动性能、转向性能、负载能力和越障能力进行了测试实验,测试结果符合预期要求。

关键词：爬壁机器人结构设计越障分析磁力仿真力学分析

风电塔筒磁吸附式爬壁检测机器人结构设计与实验研究

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风电塔筒磁吸附式爬壁检测机器人结构设计与实验研究

作者：赵浩中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

随着风力发电行业的快速发展,对风电塔筒维护的需求也越来越大。传统的风电塔筒壁面维护大多通过架设吊绳或脚手架到达预定的高度后进行人工作业,该种作业方式危险性高、检测效率低,因此风电塔筒壁面维护的自动化作业需求促进了爬壁检... 详细信息

随着风力发电行业的快速发展,对风电塔筒维护的需求也越来越大。传统的风电塔筒壁面维护大多通过架设吊绳或脚手架到达预定的高度后进行人工作业,该种作业方式危险性高、检测效率低,因此风电塔筒壁面维护的自动化作业需求促进了爬壁检测机器人的发展。爬壁检测机器人可以吸附在风电塔筒壁面上来代替人工执行维护作业,极大解决了人工作业的弊端,但现有的爬壁机器人多为永磁履带式结构,存在自重大、拆卸困难、运动灵活性差等问题,无法满足风电塔筒壁面维护的需求。基于上述问题,本文设计了一种可以搭载检测设备的爬壁检测机器人,用来代替人工对风电塔筒进行检测维护任务。论文主要研究内容如下:(1)针对风电塔筒的工作环境进行分析,根据技术指标提出总体方案,对机器人的吸附机构、驱动机构、移动机构等进行了设计,最终完成爬壁检测机器人总体结构设计,并使用ANSYS对车体进行强度校核,验证车体强度满足设计要求。(2)根据爬壁检测机器人在风电塔筒壁面上工作的主要失效形式,建立机器人的力学模型,对爬壁检测机器人进行力学分析,计算出该爬壁检测机器人在风电塔筒上稳定工作的许用吸附力和许用驱动力矩。(3)利用ANSYS Maxwell对爬壁机器人吸附机构的磁单元结构进行磁场和磁力仿真,确定吸附机构的最优结构尺寸,利用灰色模糊综合评价法分析优选磁吸附结构的布局参数。(4)研制并加工爬壁检测机器人样机,并且搭建实验平台对爬壁检测机器人样机的吸附能力、负载能力等性能进行实验。结果表明,机器人实现了携带大负载时沿垂直壁面的稳定爬行,满足了风电塔筒壁面维护自动化作业的工程需求。

关键词：爬壁检测机器人结构设计力学分析磁力仿真实验研究