基于ROBOPro的管道除渣机器人的设计(郑轩)

1基于ROBOPro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ROBOPro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；ROBOPro模块化语言中图分类号：TP24文献标识码：A文章编号：1672-4801(2007)031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。2ROBOPro模块化编程语言ROBOPro模块化图形化编程语言软件简洁、直观、易懂。用ROBOPro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ROBOPro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2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。该接口板共有8个数字信号输入通道和4个数字信号输出通道。该接口板的功能主要是实现机械系统与上位机的通信，包括信号采集与信号输出。另外该单板机还可以独立的执行已经预编译的机器控制代码，该机器代码可以在上位机中生成，然后通过数据线传输到下位机。接口板有4个数字输出端口和8个数字信号采集端口，另外还有2个模拟信号输入端口，用来测量连续变化的输入值[10]。由于在实际生产线中，电动机的数量以及传感器的数量往往不止4个和8个,为此该接口板增加了1个串行数据线接口，利用串行数据线可以连接另外1个扩展板。同样扩展板上有4个数字输出端口和8个数字信号采集端口。扩展板需要单独的电源，接收以及发送的信号都通过与接口板的串行线传送。接口板与计算机通过USB口连接，将在计算机上编制好的程序移植到接口板上。4.3控制系统的软件设计根据控制任务，采用模块化的设计方法，将机器人的整个运动过程分为4部分：（1）向前运动；（2）除垢运动；（3）碎渣运动；（4）运渣运动。主程序的控制流程框图见图3。机器人开始运动后，当机器人前方的接触式传感器I8检测到前面有灰渣，机器人向后退一段距离，这个距离在程序中由延时模块3设定，到达预定时间机器人停止行走，开始完成碎渣工作，即程序中的刀具运动。刀具运动完成后，进行运渣动作，将碎好的灰渣铲运到渣斗里。在这个碎渣和运渣过程中，除垢动作一直运动，它和碎渣、运渣和并行的。在主程序中，大部分是调用子程序来完成整个运动控制的。其中除垢子程序图如图4所示，图4中入口和出口分别代表子程序的入口和出口，主程序或上层子程序通过入口将控制转入子程序，通过出口将控制转出。图3控制主程序流程图图4除垢子程序图4.4调试通过对移动机器人模型多次改装以及控制程序的反复调试，我们所设计的管道除渣机器人实现了预定的设计目标，能够按照预定的任务完成动作。通过改变图形功能模块的参数，即控制程序中参数Ml～M12的正反转再配合上相应的延时模块可以很容易的改变系统的运动状态，从而快速的设计新的控制方案，解决新的问题。5结论本文所设计的除渣机器人利用慧鱼公司的组装模型快速进行组装实验，使新的创意思想迅速转化为现实，然后通过计算机仿真进行检测。这种创新设计方法鼓励设计人员进行大胆的创新设计，从而会大大缩短设计周期，并且能够实现技术上的突破，为设计的发展带来无穷的活力。同时由于设计仅停留于模型阶段，要开发一个完整机器人还需要进一步研究。参考文献：4[1]卢啸风.大型循环流化床锅炉设备与运行[M].北京：中国电力出版社,2006.2.[2]张秀丽,郑浩峻,赵里遥.一种小型管道检测机器人[J].机器人，2001,23(7),626－629.[3]钱晋武,章亚男等.螺旋轮驱动的细小管内移动机器人的研究[J].光学精密工程,1999,7(4):54-58.[4]宋一然,颜国正等.基于电磁驱动的蠕动型微机器人运动机理[J].上海交通大学学报,2000，34(11).1504-1507[5]孙萍,孙麟治等.压电式细小管道微机器人结构特点与运动分析[J].仪器仪表学报,2001增刊,335-336.[6]龚进峰,彭商贤.履带式可变结构管道机器人及其双控制系统的研究[J].高技术通讯，2001(12):70-72.[7]ROBOPro软件中文手册[S][8]程常运,杨建国等.履带式管内机器人控制系统研究[J].机械工程师.2006（3）：40-42[9]蔡理,郭鲁家.“慧鱼”模型在本科教学中的多层次应用[J].实验室研究与探索.2004,23(7):81-82[10]ROBO接口板中文手册[S]作者简介：郑轩（1981～），男，助理工程师，主要从事设备管理韩蕾（1982～），女，在读硕士研究生，研究方向：机械电子工程通信地址：河北省保定市华北电力大学二校区323＃信箱，韩蕾收。邮编：071003联系电话：[phone]Email：[e-mail]