牵引式排水管道清淤机器人的研究.pdf

务l 甸 化 牵引式排水管道清淤机器人的研究 The r esear ch on t r a ct i on sew er dr edgi n g r obot 李成群 ，马利平 ，路春光 ，李华明 L I Ch e n g q u n ， MA L i p i n g ， L U Ch u n g u a n g ， L I Hu a mi n g ( 1 河北联合大学 机械工程学院，唐山 0 6 3 0 0 9 ；2 承德钢铁集团有限公司，承德 0 6 7 0 0 2 ) 摘 要 ： 研究了一种新型排水管道清淤机器人，对其组成及工作原理做了论述，以及对基于P L C 的软、 硬件控制做了详细介绍。用钢丝绳牵引装置带动清淤车体连同清淤斗完成有载清淤作业，保 证清淤作业有足够的牵引力。通过清淤机器人本体 自带动力源带动清淤斗在管道内部空载运 动 ，代替了传统清淤机器人沉重的有缆作业。通过监控系统适时监控管道内部清淤作业状 况，采用无线通讯方式传输数据，根据作业要求完成对清淤动作的控制。 关键词：清淤机器人；清淤 ； 控制；P L O 中图分类号：T P 2 4 文献标识码：A D o i ：1 0 3 9 6 9 J i s s n 1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 4 1 1 ( 上) 1 5 0 引言 在我国 ，城市排水管道大 多埋 于地下 ， 由于 居 民生活垃圾 、工厂废物、基 建工地泥浆等在排 水管道 中发生沉淀 ，淤积过 多造 成了管道堵 塞， 污水溢流 ，小则影 响居 民 日常 生活 ，严重时 会打 乱整个城市的正 常生活节奏 ，因此必 须对其及时 进行清理和疏通 。 目前 ，城 市 排水 管 道清 淤 主 要 采用 的 方法 是 ：绞车清淤、高压水清淤、冲刷清淤 、清淤球 清淤和通沟机清淤等 。其 中绞车清淤和高压水清 淤 在我国最为常用 。高压水清淤需用饮用水质的 干 净水 ，所 以成本很 高，而且 这种 清淤方法对于 管径还 有一定 的限制。绞车 清淤相对于高压水清 淤来说成本低 ，对 于管径无特定限制 ，但是需要 人工 来 完成 穿 缆作 业 ，井下 的 工作 环境 非 常恶 劣 ，给 工人 工作 带来 极 大不 便 ，危 害工 人 的健 康，甚至危及工人的生命n 。所以为 了改善传统清 淤作业的工作环境 ，减轻工人 的劳动强度 ，提高 清淤作业的 自动化水平 ，介绍 了一种牵引式城市 排水管道清淤机器人 ，此机 器人采用一种新型机 械结构和控制系统， 为其更有效地完成排水管道的 清淤工作提供 了解决方案。 1 清淤机器人结构及工作原理 牵引式排水管道清淤机器人 主要 由清淤机器 人本体、钢丝绳牵引装置、清淤斗、清淤斗举升 翻转机构 、监 控系统 和控制 系统等部分组 成 ，如 图1 所示 。 文章编号：1 0 0 9 -0 1 3 4 ( e o i 4 ) 1 1 (I- ) 一 0 0 5 7 0 4 1 清淤工程车：2 控制柜 ；3 钢 丝绳 牵引装置 ；4 牵引钢丝绳支架；5 排水 管道；6 牵引钢丝绳 ：7 清淤斗：8 电动缸 ；9 清淤斗轮 ；1 0 连杆；1 1 摄 像 头：1 2 轴 承座；1 3 减速器 ：1 4 电机 ：1 5 车轮；1 6 车体 图1 城 市排水管道清淤系统结构图 1 )为保 证清淤 机器人 清淤作 业行程和 灵活 性 ，此清淤机 器人 车体，底部设 有车轮 ，以自携 的蓄 电池作 为动 力源 ，采 用电机驱动车轮的运动 方式 ，带动清淤斗 和牵引钢丝绳一起 向远离窨井 井 口的方向运动至计划清淤的位置。 2 )考虑到排水管道为圆柱状，为 了与排水管 道 内壁 的圆形轮廓相吻合 ，清淤机器人车体 的车 轮制成具有一定弧度的形状 。车轮的材料采 用耐 磨、耐腐蚀的橡胶 ，并在轮子的表面制有凹凸花 纹 ，以达到增加车轮与管壁间接触摩擦 系数的目 的，以此防止清淤作业过程 中的打滑现象 。 3 )清淤机器人在管道内部清淤作业需要有足 够的 牵引力，为此设计 了钢丝绳牵引装置，牵引 钢丝绳 的一端和清淤机器人车体连接 ，另_端通 过牵 引钢丝绳支架 的过渡和安装于工程 车里的牵 引钢丝绳 电机连接 ；用于拖拽清淤机 器人 车体连 同清淤斗 向靠近窨井井 口的方向运动，在运 动过 程将淤泥收入清淤斗内，完成清淤作业。 收稿日期：2 0 1 4 - 0 7 - 0 6 作者简介：李成群 ( 1 9 6 3一)，男，河北唐山人，副教授，博士，研究方向为机电一体化。 第3 6 卷第1 1 期2 0 1 4 1 1 ( 上) 5 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 造 訇 化 4 )受到排水管道形状的限制，清淤斗整体形 状为横向放置的筒体 ，一端封 闭为斗底 ，另一端 为开 口，开 口的上半部为半 圆形缺 口，开 口的下 部为圆弧状坡 口，清淤斗靠近管道 内壁 ；清淤斗 底部装有清淤斗轮 ，便于 清淤作业时清淤斗在管 道内部行走。 5 )此清淤机 器人采 用了清淤 斗举升 翻转机 构，工作原理为： 通过清淤机器人车体上 的电机带动传动轴运 动 ，进而带动连杆翻转 ( 转过一定角度)，传动 轴 通过 轴 承底 座设 置在 清淤 机器 人车 体上 ；电 动缸两端分别和清淤斗、连杆铰接，通过 电动缸 伸缩杆 的伸长和缩短使清淤斗进一步翻转 ；此机 构 的作用是清淤作业开始前 ，将清淤斗调整，使 清淤斗开 口位于和管道内壁相切的位置 ，以便清 淤 ，清淤结束后将清淤斗举升并翻转，避免清淤 斗 内淤泥外泄。 6 )清淤作业过程 中要求机器人在存有污水和 污泥 的排水管道 内部行走 ，这就要求机 器人具备 良好 的密封性 ，所 以此清淤机器人采用动静 结合 的密封方式 ，即对于清淤车体的密封 采用密封垫 片进行静密封 ， 对于输 出轴处 的密封采用旋转格 来 圈进行动密封 。 7 )清淤机器人车体上安装有配带雨刷 的红外 防水摄像头口 】 。通过工业摄像头C C D实时采集排水 管道内部的工作状况 ，采集的数据通过无线传输 至位于地 面上 方工程车 内部 的上位机进行显示 ， 操作人员根据显示画面实时进行操作 。 2 控制系统的硬件设计 2 1总体设计 本控 制 系统 采 用上 、下位 机 的 二级 分布 结 构 ，控 制组成框 图如图2 所 示 。上位机 主要 负责 检查清淤机器人的运行情 况并 显示管道 内部清淤 作业现状 。下位机选用S 7 2 0 0 系列C P U2 2 6 的P L C 即可 ，主要完成对直流电机 、步进 电机和 电动缸 的动作控制。直流电机M1 用于驱动清淤机器人车 体在排水管道内部空载运动 ，步进电机M2 和电动 缸用于驱动清淤斗举升翻转机 构运动 。具体操作 过程为： 当用升降机将清淤机器人 吊送至排水管 道的窨井井 口后，按下启动键S 1 ，启动清淤机器 人行走机构驱动电机M1 正转 ，当清淤机器人运动 至计划清淤位置后 ，按下停止键S 2 ，行走机构驱 动 电机停 止转动 。按下启动键 S 3 ，启动 电动缸 电 K 5 8 】 第3 6 卷第1 1 期2 0 1 4 -1 1 ( 1 - ) 机M3 ，使电动缸伸缩杆伸长至极限位置，电动缸 停止运动 ，此时在 电动缸 的带动下清淤斗斗 口朝 向和连杆平行 ，随后按下启动键S 4 ，举升翻转机 构电机M2 正转 ，将清淤斗放下 ，当清淤斗和管道 内壁相切时，按下停止键S 5 ，电机M2 停止转动 。 接下来启动钢丝绳牵引装置 电机正转 ，收缩钢丝 绳 ，拖拽清淤车体连同清淤 斗向靠近窨井井 口方 向运动 ，在运动过程中，将 清淤斗前方 的淤泥收 入斗 内。淤泥收集结束后，钢丝绳 牵引装置 电机 停转，按下启动键S 6 ，使电机M2 反转，将清淤斗 举起一定高度，按下停止键s 5 ，电机M2 停转 。按 下 电动缸停止键S 7 ，电动缸伸缩杆缩短至最短位 置后停止运动，此时清淤斗反向翻转一定角度，使 斗 口朝上，避免斗内淤泥外泄。启动钢丝绳牵引装 置 电机正转继续带动牵引钢丝绳运动，拖拽清淤机 器人车体连同清淤斗运动至窖井井口位置。 图2 清淤机器人控制系统组成框图 2 2 无线通讯 清淤机器人 在狭窄的排 水管道 内部作 业，若 采用 有缆作 业，机器人就需要拖带动力电缆和信 号 电缆 进 行作 业 ， 当机 器人 行 至一 定距 离时 ， 电缆 与管壁之 间的摩擦力变大 ，甚至超过驱动电 机 的 牵引 力 ，严重 影 响清淤 作 业效 率 。相 比之 下 ，无缆机器人工作时所需能量 由自携式蓄电池 提供 ，省去 了沉重 的电缆 ，不但简化了系统的结 构 ，而且机器人的作业行程及运动灵活性均 得到 提高 。基于上述优缺点，本清淤机器人采用无线 通讯方式 。设计采用西 门子DT D4 3 3 M无线收发模 块 ，该模块是西 门子P L C专用远距离数据传输模 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I 注 匐 缈 似 块，可以通过MD B U s 协议与 匕 位机进行数据的交互。 2 3 P L C控制电路 2 3 1 P L C 控制直流电机调速 清淤机 器人在清淤作业过程 中，当空载 行走 于计划清理 的淤 泥上方 时，要 求清淤机器人 以较 慢的速度行驶，当清淤机器人 空载行走于已经清理干净的管 道内部时 ，要求机器人快速行 驶 ，以节省清淤作业的时间。 机器人在管道 内部以不同的速 度行驶 ，通过P L C输 出P WM 信号控制机器人驱动 电机转速 来完成。 2 3 2 P L C 控制步进电机运动 清淤机器人在清淤作业时 要求清淤斗被放下，清淤斗装 满 淤 泥后 要求 被举 起 。通 过 P LC控制步 进电机M2 正反 向 转动4 5 。 ，带动连杆使清淤斗 被举起和放下 。此动作简单 ， 只需P L C正反向输 出一定量的 脉冲数即可 。 2 。 3 3 P L C 控制电动缸运动 电动缸 的作用是当清淤斗 被 举起 后 ，电动缸 伸 缩杆 缩 短，使清淤斗翻转一定角度至 斗 口朝上的位置 ，防止斗内的 淤泥回流至管道内部 。当准备 清淤作业时，电动缸伸缩杆伸 长，使清淤斗复位 。此动作通 过P L C 控制两个继电器KM1 和 K M2 的通断电来完成。 2 3 4 P L C 控制各I ， O口功能分 配表 S 7 2 0 0系列 PLC有 两 个 P T O P WM发生器 ，分别为Q 0 0 和Q 0 1 ，因此I O 功 能分配如表1 N示。 3 控制系统的软件设计 系统采用模块化结构设计，控制系统主程序流程 图3 控制系统主程序流程图 第3 6 卷第1 1 期2 o 1 1 1 ( 上) 【 5 g 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图如图3 所示，主要包括主模块和功能子程序模块。 主模块主要完成系统初始化 、与上位机 建立 连接和机器人测试运行。 功 能子程序模块 主要包括直 流电机 ( 行走机 构 )模块 、步进 电机 ( 清淤斗举升机构 )模块和 电动缸 ( 清淤 斗翻转机构 )模块 。各功能子模块 采用顺序控制 ，当接收到上位机指令后 ，严格按 照程序指定顺序执行相应动作 。 4 结论 设计的牵引式排水管道清淤机 器人 ，简单可 靠的机械 结构保证 了机器人在管道 内部的 自由行 走，钢 丝绳牵引装置的 引用使得清淤机器人在有 载清淤作 业过程 中具有足够的动力 。模块化的控 制系统软件设计 ，保证清淤机器人严格按照指定 程序顺序执行相应动作 。监控系统适时监控 管道 内部清淤作 业情况 ，并通过无线通讯设备传输数 据 ，进而通过S 7 2 0 0 系 IJ P L C 对直流电机 、步进电 机 以及 电动缸进行控制 完成清淤动作 。整个清淤 系统大大提 高了清淤作业的 自动化水平 ，具 有广 阔的市场推广前景 。 参考文献： 【 1 】杨清 梅， 王立权 ， 王知行 一种 新型 排水管 道机 器人研 究 f J 机床与液压， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 1 2 5 1 2 7 【 2 】王丰 ， 董小 蕾， 蔡玉强， 段润保 中小 直径排水 管道缆控 清 淤机器人的研究 J 】 机械设计 与制造， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 1 6 5 1 6 7 【 3 】嵇鹏程， 沈惠平， 邓嘉鸣， 朱伟， 许建 国， 计玉根 一种新 型排 水管道清淤机器人控制系统的设计 J 中国农村水利水 电， 2 0 1 0 ( 7 ) ： 6 9 7 1 4 4 王丰， 秦保新， 刘学东 无缆式城市排水管道清淤机器人的 通讯设计 J 机床与液压， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 1 0 1 1 0 3 童 岛 蠡 出 童 生 j岛I j蠡 矗 矗 岛 矗 矗 j矗I 矗 k 出 蠡I 盘j 童 如 【 上接第4 8 页】 决 了针对三维设计 实践 中的形式部件和参考部件 导致的B OM统计的逻辑混乱问题。2 )该算法实际 上也适 用于设 备装配树结构变型的多样性统计需 求 。无论 何种 类似需求 ，均能通过柔性模式 自动 展开或删 除某些部件 ，将该部件里面的零部件暴 露出来 ，并通过统计卷积算法将耦合引用的不同 层级零部件合并加入到设备的BO M统计 ，从而形 成特定需求的BOM报表 ，以供ER P 管理或其他需 要 。 参考文献 ： 【 1 】饶 上 荣 ， 白 似 雪 ， 李 士 才 面 向对 象数 据 模 型 的 表 格 模 板 规 则 设 计 【 J 】 计 算 机 辅 助 设 计 与 图 形 学 学 报 ， 2 0 0 4 ， 1 6 ( I 1 ) ： 1 5 9 0 1 5 9 3 【 2 】张 亚勤， 廖文和 ， 刘长毅 基 于实体装配 模型 的装配B 0M 的 自动 生成 J 1 机械制造 与 自动化， 2 0 0 6 ， 3 5 ( 2 ) ： 1 3 2 1 3 5 【 3 】叶红朝，孙毅基于双阶分离式BOM的物料需求计 6 0 1 第3 6 卷第1 1 期2 0 1 4 -1 1 ( 上) 划算 法的研 究与实现【 J 】 成组技 术与生 产现 代化 ， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 4 ) ： 5 3 5 6 【 4 】黄峥 CA D材料统计表运用层次模板技术的设计和实践 【 J 1 硫磷设 计与粉体工程 ， 2 0 0 3 ， ( 4 ) ： 3 9 4 1 【 5 】邱胜海， 袁新 芳， 马银忠， 贾晓林 产品全生命周期 内 统 一 BOM 管 理 组 件 设 计 实 现 【 J 】 机 械设 计 与 制 造 ， 2 0 0 8 ， 6 ( 6 ) ： 2 1 9 2 2 1 【 6 】洪鑫华 ， 王杰， 王玫 基于P r o E 的铁塔 虚拟装配 系统 中螺 栓的统计及其BO M表的生成【 J 1 机械制造与 自动化， 2 0 0 9 ， 3 8 ( 1 ) ： 1 0 6 1 0 7 ， 1 1 5 【 7 朱 安 庆 ， 周 卫 鹏 ， 马 晓 平 ， 龙 伟 基 于TRI BON 的 船 体 生 产 设 计 BOM表 自动 生 成程 序 开 发 【 J 】 江 苏 船 舶 ， 2 0 0 4 ， 2 1 ( 6 ) ： 3 4 【 8 】程 好 秋 ， 费 少 梅 ， 张 树 有 面 向 动 态 订 单 的 产 品 BOM模型构建与求解方 法研 究【 J 】 中国机械工程， 2 0 1 0 ， 2 1 ( 1 3 ) ： 1 5 5 6 1 5 6 1 9 】王魁生 ， 刘 夏 石油 钻井B O M结构树 生成算法 的研究 J 】 制造业 自动化， 2 0 1 3 ， 3 5 ( 1 0 ) ： 7 6 - 7 8 ， l l 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m