西部管道公司甘肅輸油氣分公司

摘 要：大型原油儲(chǔ)罐存在高處作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。工業(yè)機(jī)械手以其靈活性可以替代人工操作，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)了一種工業(yè)機(jī)械手，將機(jī)械設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)按一定規(guī)則整合為一體。機(jī)械手性能優(yōu)良，可以代替人工作業(yè)。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)罐；防腐；作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；工業(yè)機(jī)械手

機(jī)器人機(jī)械手多用于風(fēng)險(xiǎn)因素嚴(yán)重阻礙正常施工作業(yè)或救援開展的場(chǎng)合。大型原油儲(chǔ)罐外壁發(fā)生腐蝕時(shí)噴涂防腐漆防腐，噴涂施工多采用搭腳手架人工噴涂，存在高處作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。本文據(jù)此設(shè)計(jì)一種高處作業(yè)機(jī)械手，替代人工作業(yè)，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)械關(guān)節(jié)

機(jī)械手采用臂結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)行，臂構(gòu)件主要組成部分是機(jī)械手關(guān)節(jié)，作用是支持機(jī)械手，并促進(jìn)其目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)活動(dòng)區(qū)域范圍內(nèi)移動(dòng)改變機(jī)械手的位置（方位角）。機(jī)械手關(guān)節(jié)選擇形狀規(guī)則的鋼結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)的受力分析如圖1所示。

其彎曲截面系數(shù)為：

彎曲應(yīng)力為：

扭切應(yīng)力為：

  按彎扭合成強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，對(duì)于單向轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)矩按脈動(dòng)循環(huán)處理，故取折合系數(shù) a =0.6，則當(dāng)量應(yīng)力為：

由GB/T 699― 1999《 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定45#鋼抗拉強(qiáng)度為600 MPa、許用彎曲應(yīng)力60 MPa，此處選擇45#鋼作為關(guān)節(jié)。

1.2 機(jī)械設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人自由度數(shù)量分為單自由度手腕、兩個(gè)自由度手腕、三個(gè)自由度手腕。根據(jù)本次實(shí)際使用要求，設(shè)計(jì)擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)自由度，支撐和改變機(jī)械手姿態(tài)。機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

2 控制系統(tǒng)

2.1 控制芯片選擇

控制系統(tǒng)單片機(jī)采用正交實(shí)驗(yàn)確定，考慮CPU主頻、反饋電壓檢測(cè)時(shí)間、無干擾時(shí)工作方式等三個(gè)運(yùn)行參數(shù)，每個(gè)因素選3個(gè)位極，位極因素如表 1所示。選用L9（34）正交實(shí)驗(yàn)， 9次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 2所示。

（1）結(jié)果分析

極差R最大者，對(duì)結(jié)果影響程度最高， R最小則影響程度最低，各因素重要程度依次為A→B→C。

（2）直觀分析

3號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的功耗為8.42 mW ,結(jié)果最優(yōu)，所以較好的方案為A3B1C2。

（3）位極計(jì)算

位極對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果越大，表明效果越好，從位極之和可以看出，較好的方案是A3B1C2。

（4）綜合分析

“直觀分析”和“位極計(jì)算”結(jié)果一致。由于電流增大時(shí)電機(jī)發(fā)熱明顯， C因素又是最次要因素，對(duì)結(jié)果影響小，則選擇C1。最終確定正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果為A3B1C1。據(jù)此測(cè)定功耗如表 3所示。

通過實(shí)驗(yàn)及分析，選擇主頻32 MHz、時(shí)間5 ms的單片機(jī)，可以滿足要求。

2.2 控制系統(tǒng)主控電路

采用PCB板集成控制模塊，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)主控電路單片機(jī)控制端口。通用I/O 口（32 個(gè)），復(fù)位后P1/P2/P3 是準(zhǔn)雙向口/弱上拉； P0口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)不用加上拉電阻；作為 I/O 口用時(shí)，需加上拉電阻。 ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應(yīng)用可編程），可通過串口（RxD/P3.0， TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成。 3 個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，即定時(shí)器T0、 T1、 T2，端口配置（藍(lán)色為使用端口）、主控電路及單片機(jī)配置如圖 3所示。

2.3 軟件流程

軟件程序按照數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個(gè)基本參數(shù)設(shè)計(jì)，主程序清單如圖 4所示。

為防止運(yùn)行 “死機(jī)”，增加“看門狗”電路，如圖 5所示。

“看門狗”電路是成熟技術(shù)，其CD4060是帶振蕩器的14位計(jì)數(shù)器，振蕩頻率 f 由 RT、 CT決定。R S用于改善振蕩器的穩(wěn)定性， R S要大于RT。一般取RS =10 RT，且RT >1 kΩ， CT ≥100 pF。如果RS=450 Ω， RT=45 Ω， CT =1 uF，則 f =10 Hz。 4060的振蕩頻率和Q i（ i=6， 7， 8， 9， 10， 12， 13， 4）的選擇要根據(jù)情況確定。設(shè)程序?qū)嶋H所需工作周期為T ，分頻器記滿時(shí)間為T' ,當(dāng) T' >T 且系統(tǒng)正常工作時(shí)，程序每隔 T 對(duì)4060掃描一次，分頻且永無記滿輸出信號(hào)。如系統(tǒng)工作不正常（如程序跑飛、死循環(huán)等），程序?qū)?060不發(fā)出掃描信號(hào)，分頻器記滿輸出脈沖信號(hào)使CPU復(fù)位。

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)械手可替代人工作業(yè)，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)械手結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)仍有許多問題需要解決，一是不同結(jié)構(gòu)和各功能模塊之間的連接，需優(yōu)化模式，提高控制系統(tǒng)整體水平。二是力學(xué)分析的強(qiáng)度、剛度和最佳的臂部結(jié)構(gòu)有待應(yīng)用計(jì)算機(jī)優(yōu)化，值得進(jìn)一步討論和深入研究。

作者：張華強(qiáng)， 1991年生，西部管道公司甘肅輸油氣分公司實(shí)習(xí)生，主要從事長(zhǎng)輸管道壓縮機(jī)維修維護(hù)，安全管理工作。