管道内壁减阻结构加工机器人关键技术研究

摘要

本课题源自“哈尔滨市优秀学科带头人基金项目”。论文提出了采用热辊压的方法在管道内壁涂层上加工减阻沟槽结构的管道内壁加工方法，从而确定论文的主要目的是开发出一台能在管道内进行减阻结构表面加工的机器人，研究并分析样机的相关性能参数，为管道内壁减阻结构加工机器人的实际推广应用奠定基础。
　　 对机器人的功能要求和性能指标进行分析后，将机器人总体结构划分为行走、加工、管径适应三大模块。通过对管道作业机器人的常用行走结构、管径适应结构进行了对比研究，确定了本文采用的蠕动行走方案和丝杠螺母径向调节方案。通过对管道内壁减阻结构加工特点进行研究，确定了四刀头同步旋转的加工方案。依据模块化思想对机器人总体结构方案进行了设计研究。
　　 机器人行走模块主要由杆系结构组成。杆系结构运动和受力关系复杂，计算比较困难，针对这一特点本文引入了行走模块整机优化设计的思路。以结构质量最轻为目标函数，以管径适应能力、零部件强度要求、位置干涉等作为约束条件，用MATLAB自带的GA工具箱函数对行走模块进行了优化设计。
　　 机器人加工模块主要是轮系传动结构。首先应用轮系传动理论对加工模块结构进行了模型的构建，建立了加工模块的动力学方程。然后采用ADAMS仿真分析的方法，以凸轮为例对传动结构中比较复杂的零件进行了仿真优化。最后利用有限元分析软件对关键零部件进行校核，完成了加工模块结构的优化设计。
　　 在机器人结构设计的基础上对机器人整体结构的受力情况和运动状态进行了分析，创建了机器人行走状态和加工状态的空间运动方程。应用Pro/E软件对机器人进行了虚拟装配、运动仿真和干涉检查。采用ADAMS仿真软件对支撑杆组件和双凸轮组件进行了动力学仿真与分析。在确定整体结构最优后，完成了机器人零部件加工、结构装配调试及管道行走实验。