西部管道公司甘肅輸油氣分公司

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

關(guān)鍵詞：儲罐；防腐；作業(yè)風(fēng)險；工業(yè)機械手

機器人機械手多用于風(fēng)險因素嚴(yán)重阻礙正常施工作業(yè)或救援開展的場合。大型原油儲罐外壁發(fā)生腐蝕時噴涂防腐漆防腐，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。本文據(jù)此設(shè)計一種高處作業(yè)機械手，替代人工作業(yè)，降低作業(yè)風(fēng)險。

1 機械結(jié)構(gòu)

1.1 機械關(guān)節(jié)

機械手采用臂結(jié)構(gòu)實現(xiàn)空間運行，臂構(gòu)件主要組成部分是機械手關(guān)節(jié)，作用是支持機械手，并促進其目標(biāo)的運動，實現(xiàn)在目標(biāo)活動區(qū)域范圍內(nèi)移動改變機械手的位置（方位角）。機械手關(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：

  按彎扭合成強度進行校核計算，對于單向轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)矩按脈動循環(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 機械設(shè)計

工業(yè)機器人自由度數(shù)量分為單自由度手腕、兩個自由度手腕、三個自由度手腕。根據(jù)本次實際使用要求，設(shè)計擺動和轉(zhuǎn)動兩個自由度，支撐和改變機械手姿態(tài)。機械手結(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)單片機采用正交實驗確定，考慮CPU主頻、反饋電壓檢測時間、無干擾時工作方式等三個運行參數(shù)，每個因素選3個位極，位極因素如表 1所示。選用L9（34）正交實驗， 9次實驗結(jié)果如表 2所示。

（1）結(jié)果分析

極差R最大者，對結(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號實驗結(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）位極計算

位極對應(yīng)實驗結(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“位極計算”結(jié)果一致。由于電流增大時電機發(fā)熱明顯， C因素又是最次要因素，對結(jié)果影響小，則選擇C1。最終確定正交實驗結(jié)果為A3B1C1。據(jù)此測定功耗如表 3所示。

通過實驗及分析，選擇主頻32 MHz、時間5 ms的單片機，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)計控制系統(tǒng)主控電路單片機控制端口。通用I/O 口（32 個），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，作為總線擴展用時不用加上拉電阻；作為 I/O 口用時，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16 位定時器/計數(shù)器，即定時器T0、 T1、 T2，端口配置（藍色為使用端口）、主控電路及單片機配置如圖 3所示。

2.3 軟件流程

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

為防止運行 “死機”，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 ，分頻器記滿時間為T' ,當(dāng) T' >T 且系統(tǒng)正常工作時，程序每隔 T 對4060掃描一次，分頻且永無記滿輸出信號。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，分頻器記滿輸出脈沖信號使CPU復(fù)位。

3 結(jié)語

設(shè)計的工業(yè)機械手可替代人工作業(yè)，降低作業(yè)風(fēng)險。機械手結(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)分析的強度、剛度和最佳的臂部結(jié)構(gòu)有待應(yīng)用計算機優(yōu)化，值得進一步討論和深入研究。

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