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。設計了一種工業(yè)機械手，將機械設計、控制系統按一定規則整合為一體。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)險因素嚴重阻礙正常施工作業(yè)或救援開(kāi)展的場(chǎng)合。大型原油儲罐外壁發(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。本文據此設計一種高處作業(yè)機械手，替代人工作業(yè)，降低作業(yè)風(fēng)險。

1 機械結構

1.1 機械關(guān)節

機械手采用臂結構實(shí)現空間運行，臂構件主要組成部分是機械手關(guān)節，作用是支持機械手，并促進(jìn)其目標的運動(dòng)，實(shí)現在目標活動(dòng)區域范圍內移動(dòng)改變機械手的位置（方位角）。機械手關(guān)節選擇形狀規則的鋼結構，關(guān)節的受力分析如圖1所示。

其彎曲截面系數為：

彎曲應力為：

扭切應力為：

  按彎扭合成強度進(jìn)行校核計算，對于單向轉動(dòng)的轉軸，轉矩按脈動(dòng)循環(huán)處理，故取折合系數 a =0.6，則當量應力為：

由GB/T 699― 1999《 優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼》標準規定45#鋼抗拉強度為600 MPa、許用彎曲應力60 MPa，此處選擇45#鋼作為關(guān)節。

1.2 機械設計

工業(yè)機器人自由度數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。根據本次實(shí)際使用要求，設計擺動(dòng)和轉動(dòng)兩個(gè)自由度，支撐和改變機械手姿態(tài)。機械手結構如圖 2所示。

2 控制系統

2.1 控制芯片選擇

控制系統單片機采用正交實(shí)驗確定，考慮CPU主頻、反饋電壓檢測時(shí)間、無(wú)干擾時(shí)工作方式等三個(gè)運行參數，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， 9次實(shí)驗結果如表 2所示。

（1）結果分析

極差R最大者，對結果影響程度最高， 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(guān)分析

3號實(shí)驗結果的功耗為8.42 mW ,結果最優(yōu)，所以較好的方案為A3B1C2。

（3）位極計算

位極對應實(shí)驗結果越大，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(guān)分析”和“位極計算”結果一致。由于電流增大時(shí)電機發(fā)熱明顯， C因素又是最次要因素，對結果影響小，則選擇C1。最終確定正交實(shí)驗結果為A3B1C1。據此測定功耗如表 3所示。

通過(guò)實(shí)驗及分析，選擇主頻32 MHz、時(shí)間5 ms的單片機，可以滿(mǎn)足要求。

2.2 控制系統主控電路

采用PCB板集成控制模塊，設計控制系統主控電路單片機控制端口。通用I/O 口（32 個(gè)），復位后P1/P2/P3 是準雙向口/弱上拉； P0口是漏極開(kāi)路輸出，作為總線(xiàn)擴展用時(shí)不用加上拉電阻；作為 I/O 口用時(shí)，需加上拉電阻。 ISP（在系統可編程） /IAP（在應用可編程），可通過(guò)串口（RxD/P3.0， TxD/P3.1）直接下載用戶(hù)程序，數秒即可完成。 3 個(gè)16 位定時(shí)器/計數器，即定時(shí)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

軟件程序按照數據處理、過(guò)程控制兩個(gè)基本參數設計，主程序清單如圖 4所示。

為防止運行 “死機”，增加“看門(mén)狗”電路，如圖 5所示。

“看門(mén)狗”電路是成熟技術(shù)，其CD4060是帶振蕩器的14位計數器，振蕩頻率 f 由 RT、 CT決定。R S用于改善振蕩器的穩定性， 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）的選擇要根據情況確定。設程序實(shí)際所需工作周期為T(mén) ，分頻器記滿(mǎn)時(shí)間為T(mén)' ,當 T' >T 且系統正常工作時(shí)，程序每隔 T 對4060掃描一次，分頻且永無(wú)記滿(mǎn)輸出信號。如系統工作不正常（如程序跑飛、死循環(huán)等），程序對4060不發(fā)出掃描信號，分頻器記滿(mǎn)輸出脈沖信號使CPU復位。

3 結語(yǔ)

設計的工業(yè)機械手可替代人工作業(yè)，降低作業(yè)風(fēng)險。機械手結構和控制系統仍有許多問(wèn)題需要解決，一是不同結構和各功能模塊之間的連接，需優(yōu)化模式，提高控制系統整體水平。二是力學(xué)分析的強度、剛度和最佳的臂部結構有待應用計算機優(yōu)化，值得進(jìn)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(shí)習生，主要從事長(cháng)輸管道壓縮機維修維護，安全管理工作。