基于DOE的管道爬行機(jī)器人輕量化研究

胡嘯 史繼新

【摘 要】針對(duì)核電站中管道內(nèi)部檢修的需要，開發(fā)了一種可在豎直管道內(nèi)爬行的管道檢查機(jī)器人。機(jī)器人在檢查時(shí)需攜帶攝像頭以及小型抓取工具并拖拽長(zhǎng)距離控制電纜，對(duì)機(jī)器人的負(fù)載能力要求較高;在空間尺寸受限的情況下，無(wú)法單純通過(guò)選用大功率電機(jī)來(lái)增大機(jī)器人的負(fù)載能力，為此，需要對(duì)機(jī)器人的本體進(jìn)行輕量化處理。本文以機(jī)器人本體中占重比高的關(guān)鍵零件——中心電機(jī)罩為輕量化對(duì)象，分析其受力情況;利用ANSYS Workbench軟件，通過(guò)DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在滿足安全系數(shù)要求的前提下有效的減輕了中心電機(jī)罩的質(zhì)量，依據(jù)此方法同理可將管道機(jī)器人上其他零件進(jìn)行輕量化處理。

【關(guān)鍵詞】管道機(jī)器人;ANSYS Workbench;DOE;輕量化

中圖分類號(hào)： TH112 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）07-0001-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.001

【Abstract】A pipeline inspection robot that can crawl in vertical pipelines has been developed for the internal maintenance of pipelines in nuclear power plants. The robot needs to carry the camera and the small grasping tool and drag the long-distance control cable during the inspection， which requires high load capacity of the robot; in the case of limited space， it is impossible to increase the robot by simply selecting a high-power motor. Load capacity， for which it is necessary to lighten the body of the robot. In this paper， the key part of the robot body with high weight-to-weight ratio， the central motor cover， is used as a lightweight object to analyze its force. The ANSYS Workbench software is used to design lightweight design by DOE experimental design method to meet the safety factor requirements. Under the premise of effectively reducing the quality of the central motor cover， according to this method， other parts of the pipeline robot can be lightly processed.

【Key words】Pipeline robot; ANSYS Workbench; DOE; Lightweight

0 引言

隨著核電站運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，需要對(duì)一些連接關(guān)鍵設(shè)備的管道進(jìn)行內(nèi)部情況檢查，管道的走向各不相同，有的傾斜幅度較大，有的甚至是豎直走向。目前比較有效的方法是通過(guò)管道爬行機(jī)器人攜帶檢查工具沿管道內(nèi)壁爬行，對(duì)管道進(jìn)行檢查。開發(fā)的管道機(jī)器人具有變徑機(jī)構(gòu)，三個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)模塊呈120度環(huán)形均勻分布在車身主體周圍，這樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)壁豎直爬升的需求。在管道機(jī)器人研制方面，韓國(guó)漢城漢陽(yáng)大學(xué)研制的雙模塊協(xié)作管道檢測(cè)機(jī)器人[1]和Jong-hoon Kim等人研制全自動(dòng)管道檢查機(jī)器人[2]均具有管道豎直爬升功能。近年來(lái)工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法得到迅猛發(fā)展，大體分為三類：參數(shù)優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化[3]。利用基于梯度的拓?fù)鋬?yōu)化算法會(huì)增加優(yōu)化算法的負(fù)擔(dān)和落入局部?jī)?yōu)化最優(yōu)的概率，因此采用DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，可直接通過(guò)結(jié)果得到相對(duì)最優(yōu)的設(shè)計(jì)，清華大學(xué)汽車學(xué)院基于DOE分析實(shí)現(xiàn)汽車車架輕量化[4]，中車株洲電力機(jī)車有限公司段華東等人利用DOE計(jì)算和敏感度分析確定優(yōu)化變量，進(jìn)行有軌電車車體的輕量化分析[5]。本項(xiàng)目以管道機(jī)器人主體的中心電機(jī)罩為例，將Inventor三維模型無(wú)縫導(dǎo)入ANSYS Workbench平臺(tái)上，采用DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，達(dá)到減輕管道機(jī)器人質(zhì)量的目的。

1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足核電廠管道內(nèi)部檢查的需要，所設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人如圖1所示，機(jī)器人主要由中間車身（機(jī)器人主體）、伸展機(jī)構(gòu)和三組獨(dú)立驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成。三組獨(dú)立驅(qū)動(dòng)模塊呈120度環(huán)形分布在車身周圍，伸展機(jī)構(gòu)的作用是可以使機(jī)器人適應(yīng)不同管徑的管道，同時(shí)也為機(jī)器人在豎直爬升過(guò)程中提供足夠的支持力，使整個(gè)機(jī)器人依靠驅(qū)動(dòng)模塊和管道內(nèi)壁的摩擦力實(shí)現(xiàn)爬升。變徑機(jī)構(gòu)中加入緩沖壓縮彈簧，這樣設(shè)計(jì)的作用在于減輕變徑機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的瞬時(shí)負(fù)載，為整個(gè)變徑機(jī)構(gòu)提供緩沖。機(jī)器人前端攜帶攝像頭，可以傳送管道內(nèi)部視頻圖像信息。

2 中心電機(jī)罩受力分析

如圖2所示為管道爬行機(jī)器人伸展機(jī)構(gòu)受力示意圖，其工作原理是依靠中心電機(jī)罩內(nèi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絲桿滑塊機(jī)構(gòu)絲桿旋轉(zhuǎn)，使滑塊左右移動(dòng)，連桿AB和連桿CD鉸接在點(diǎn)D，連桿CD和滑塊鉸接在點(diǎn)C，連桿AB和履帶輪鉸接在定點(diǎn)B，和機(jī)器人主體鉸接在定點(diǎn)A，滑塊的平移從而帶動(dòng)連桿CD，連桿CD的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)ABFE運(yùn)動(dòng)，從而改變履帶輪到機(jī)器人主體的垂直距離，達(dá)到改變機(jī)器人外部輪廓直徑的效果[6]。

3 DOE實(shí)驗(yàn)分析

3.1 分析對(duì)象

如圖3所示為經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的中心電機(jī)罩Inventor三維模型，圖4和圖5分別為該零件主視圖和半剖視圖，從主視圖中可以看出零件外輪廓六邊形尺寸，和內(nèi)圓尺寸，從半剖視圖可以看出零件長(zhǎng)度及支柱厚度，由于外輪廓尺寸不能改變的情況下需減輕零件質(zhì)量，只能增大內(nèi)圓尺寸和減小支柱厚度。外六邊形對(duì)邊距離為100mm，內(nèi)圓直徑為86mm，支柱厚度為20mm，支柱上有10mm的開孔。中心電機(jī)罩材料為碳鋼，其彈性模量E2為216GPa，泊松比μ2為0.3，屈服強(qiáng)度為350MPa，屈服極限為600 MPa。質(zhì)量為8.75Kg。

3.2 Workbench有限元分析

在ANSYS Workbench中，網(wǎng)格劃分可以自動(dòng)生成也可以根據(jù)自己的實(shí)際需求進(jìn)行劃分，網(wǎng)格數(shù)量越多，計(jì)算精度也會(huì)有所提高，但計(jì)算時(shí)間和規(guī)模也會(huì)相應(yīng)增加，網(wǎng)格的劃分結(jié)果直接影響最后的分析結(jié)果[7]。本文將Inventor三維模型無(wú)縫導(dǎo)入Workbench后自動(dòng)劃分的網(wǎng)格模型，size選擇系統(tǒng)默認(rèn)值。

圖6所示為中心電機(jī)罩約束和載荷示意圖，本項(xiàng)目采用結(jié)構(gòu)靜力分析（Static Structural），不考慮隨時(shí)間變化的載荷，忽略慣性力和阻尼，對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中的各個(gè)位置，采用靜力平衡方程分析結(jié)構(gòu)的承載能力[8]。本例將零件前后端面采用Fixed Support固定支撐，支柱上六個(gè)開孔采用式7計(jì)算值進(jìn)行力的施加，每個(gè)開孔軸向施加220N的力，垂直軸線方向施加250N的力。圖7為應(yīng)力分布圖，所受最大應(yīng)力為89.34Mpa。圖8為安全系數(shù)分布圖，由圖可知最小安全系數(shù)為2.798。根據(jù)齒輪材料安全系數(shù)設(shè)計(jì)，在變應(yīng)力下，以材料疲勞極限為極限應(yīng)力，安全系數(shù)取1.2～1.5[9]。本項(xiàng)目硬齒面齒輪取較高安全系數(shù)1.5，設(shè)計(jì)有較大余量，故使用DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法直接進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

3.3 DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將中心電機(jī)罩支柱厚度和內(nèi)圓直徑尺寸分別設(shè)置為優(yōu)化參數(shù)P1和P2，中心電機(jī)罩的總質(zhì)量、等效應(yīng)力和最小安全系數(shù)分別設(shè)置為目標(biāo)參數(shù)P3、P4和P5。內(nèi)圓直徑尺寸優(yōu)化范圍為86-98mm，支柱厚度尺寸優(yōu)化范圍為12-20mm。如圖9所示為優(yōu)化參數(shù)和目標(biāo)參數(shù)對(duì)應(yīng)的敏感性圖。敏感度值大小表示相關(guān)性的大小，敏感值的正負(fù)表示相關(guān)性的正負(fù)。由圖9可知減小中心支柱厚度和增大偷空內(nèi)圓直徑可以減輕質(zhì)量，同時(shí)中心電機(jī)罩所受最大應(yīng)力會(huì)增大，安全系數(shù)會(huì)降低。取最低安全系數(shù)1.5，根據(jù)圖10和圖11所示的中心支柱厚度和內(nèi)圓直徑分別與最小安全系數(shù)的關(guān)系圖，可得在此安全系數(shù)情況下，中心支柱厚度取值15mm-16mm之間，由于中心支柱厚度與安全系數(shù)成正比關(guān)系，最小安全系數(shù)大于等于1.5，因此中心支柱厚度最終取值為16mm，內(nèi)圓直徑取值92mm-93mm之間， 由于內(nèi)圓直徑與安全系數(shù)成反比關(guān)系，最小安全系數(shù)大于等于1.5，因此內(nèi)圓直徑最終取值為92mm，此時(shí)最終質(zhì)量為6.2Kg。質(zhì)量減輕（8.75-6.2）/8.75*100%=29.1%。優(yōu)化前后對(duì)比如表1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種能在豎直管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的管道爬行機(jī)器人，并對(duì)其中心電機(jī)罩進(jìn)行了理論受力分析。

（2）采用Inventor與Workbench無(wú)縫對(duì)接的功能，直接將Inventor中的三維模型導(dǎo)入Workbench保證了分析模型的準(zhǔn)確性。

（3）采用了DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)中心電機(jī)罩進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，質(zhì)量在原基礎(chǔ)上減輕29.1%，輕量化效果明顯。

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