斜拉桥爬缆机构的研制.pdf

文章编号:1004-132?(2001)12-1348-04斜 拉 桥 爬 缆 机 构 的 研 制张家梁高级工程师张家梁吕恬生王钧功王殿臣摘要:研制高速度、大负荷的爬缆机构,是实现斜拉桥缆索维护作业机器人化的关键,对于桥梁安全、美观具有重要意义。针对不同的工况,研制了2类爬缆机构的工程化样机。经过实验室多次试验后,在上海徐浦大桥、南浦大桥上成功地进行了现场试验,结果表明2类爬缆机构都能在斜拉桥缆索上实现安全高效的爬升作业。关键词:机器人;爬缆机构;缆索;斜拉桥中图分类号:TP242文献标识码:A收稿日期:20000103基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目(863-512-9803-10);上海市科委科技发展基金资助项目(985511013)斜拉桥是最近几十年才兴起的新桥型,到目前为止,缆索涂装、检测和修复等维护作业很少全面开展,其关键是采用吊篮等维护工具不仅效率低,而且安全性差、成本高,迫切需要维护自动化。为此,我们首次提出了缆索维护机器人的新思想1,2。纵观国内外各种爬升模型,机构依附于线约束表面上的有直线连续爬升3、夹紧蠕动爬升4,5、螺旋攀援爬升6和吸附爬升等自动方式。其中,螺旋爬升方式有利于减小爬升阻力,但不利于操作机构及必要作业物资的携带。而缆索截面为较小的圆形或近似圆形,真空或磁力吸附其上的爬升方式难于实现。我们针对不同的工况,研制了气动蠕动式爬缆机构和电动连续式爬缆机构。气驱动爬缆机构夹紧力大,对缆索形状的适应能力强;电驱动爬缆机构连续爬升能力下降,更适于缆索涂装等作业。1气动蠕动式爬缆机构采用气动技术,爬缆机构由气缸实现蠕动式夹紧和移动,结构简单、安全方便7。如图1所示,驱动气缸缸体固接于下体上,活塞杆通过铰链与上体相联。上体和下体上分别设有圆周均布的3个夹紧气缸和3个导向气缸。驱动夹紧气缸、导向气缸分别使其前端的夹紧爪、导向轮与缆索表面夹紧、接触,二者的位置可沿径向调整以适应不同直径的缆索。上体和下体间还设有支撑机构,其中装在下体上的支撑座内设有直线运动轴承,供与上体相联的支撑杆在其内直线移动和轻微摆动。1.下体2.驱动气缸3.铰链4.上体5.导向气缸6.夹紧气缸7.支撑机构图1气动蠕动式爬缆机构力学模型简图气动蠕动式爬缆机构运动中至少保证上下夹紧爪有一组夹紧于缆索上。爬缆机构向上爬升时,首先下体夹紧爪夹紧于缆索上,上体夹紧爪松开,驱动气缸活塞杆伸出,上体向上运动;然后上体夹紧爪夹紧,下体夹紧爪松开,驱动气缸活塞杆缩回,下体向上运动;以后重复上面的动作。改变气缸动作顺序,爬缆机构完成下降功能。为使爬缆机构适应缆索曲线或缆索表面的凸起等造成的缆索直径变化,驱动气缸的活塞杆能绕铰链转动,机构的径向力由支撑机构承受,夹紧力由1组3个夹紧爪共同作用提供,夹紧爪材料采用与缆索聚乙烯(PE)表面有较大摩擦系数的硬橡胶制成。设机器人上下体自重和负荷量分别为Gr1、Gr2、Ga1、Ga2,机器人总重为G,驱动缸、夹紧缸的工作压力、内径及活塞杆直径分别为p1、p2、D1、D2、d1、d2。当下体夹紧缸夹紧、上体夹紧缸松开,或上体夹紧缸夹紧、下体夹紧缸松开时,为使机器人保持平衡,3个夹紧爪同时夹紧于缆索上,由夹紧缸活塞杆的推力产生的与缆索表面间的摩擦力应大于沿缆索轴线的下滑力,有8431中国机械工程第12卷第12期2001年12月3f4D22p2(G+Fw)sin式中,Fw为风载荷;f为夹紧爪与缆索表面的最大静摩擦系数。当上体上升时,2个驱动缸活塞杆的推力和应大于机器人上体向上移动的阻力,驱动缸工作压力为2D21p1(Gr1+Ga1+Fw+Ff)sin式中,为驱动缸的负载率;Ff为机器人爬升时导向轮的总摩擦阻力。此时驱动缸体受到向下的推力,为使下体夹紧爪仍夹紧于缆索上使机器人不下滑,有34D22p2f2D21p1+(Gr2+Ga2)sin当下体上升时,2个驱动缸活塞杆的拉力和应大于机器人下体向上移动的阻力,驱动缸工作压力为2(D21-d21)p1(Gr2+Ga2+Ff)sin因此,驱动气缸、夹紧气缸气压值应分别满足p12sin max(Gr1+Ga1+Fw+Ff)D21,(Gr2+Ga2+Ff)D21-d21(1)p22D21p1+4(Gr2+Ga2)sin3f D22(2)气动蠕动式爬缆机构对于缆索直径变化较大、表面情况恶劣的缆索具有较好的适应性。图2为研制的缆索 号机器人爬缆机构工程样机爬缆照片。图2 缆索 号爬缆机构照片2 电动连续式爬缆机构电动连续式爬缆机构模型见图3,各小车分别由电机经减速器、链轮机构驱动前后车轮,使各车轮均为主动轮。压紧调节装置的基本构件为压缩弹簧,通过铰链与小车相联。压紧调节装置和导向轮的径向位置可以调整,实现与缆索表面的抱1.主体结构 2.小车 3.压紧调节装置4.导向轮 5.电机 6.弹簧 7.铰链图3 电动连续式爬缆机构模型简图紧或接触。机构安装前,使压紧调节装置的弹簧压缩至预定位置,并根据缆索直径,调节小车与导向轮至初定位置。待机构安装于缆索上,进一步调节小车与导向轮的位置,使各小车车轮与缆索表面紧密贴合,从而使机器人与缆索表面间保持预定的抱紧力。如果通过压紧调节装置使压缩弹簧进一步压紧,可以获得比预定抱紧力更大的力。机器人在缆索上作连续运动,改变电机转动方向,机器人则反向运动。为使机器人适应缆索曲线或缆索表面的凸起等造成的缆索直径变化,机器人小车能绕铰链转动,使车轮保持与缆索表面始终接触。机器人的附着力由3台小车的6个车轮对缆索表面的摩擦力提供,故车轮材料采用与缆索PE表面有较大摩擦系数的硬橡胶制成。导向轮是机器人本体在缆索上的支撑点,使机器人在非理想缆索上或承受一定的负荷时保持运行平稳。机器人在缆索上运行时,由于受缆索螺旋六棱柱截面的侧向倾斜等因素的影响,各车轮与缆索表面接触处将作用有侧向力,产生使机器人绕缆索轴线转动的偏转力矩。设偏转力矩为M,由于机器人携带作业或平衡重物Ga的作用,机器人将处于平衡状态,有关系式GaMasincos(3)式中,a为携带重物吊点相对缆索轴线的距离;为允许偏转角度。连续式爬缆机构爬升速度高,较易实现缆索涂装作业涂膜的均匀。在研制缆索?号机器人工程样机2的基础上,我们研制了缆索 号机器人爬缆机构工程样机,图4为其爬缆照片。缆索 号爬缆机构主体采用板式结构,由顶板和3块相同肋板、联接螺柱等组成。由于缩小了结构径向尺寸(1000 mm 750 mm)而机构组成部件较多,需优化设计以充分利用板与联接螺柱间的空间,有效减小高空风对机器人在缆索上爬升的影响。将三分体改成不等分二体结构,若如9431斜拉桥爬缆机构的研制张家梁吕恬生王钧功等图4 缆索 号爬缆机构照片缆索 号爬缆机构将3台小车都设在大体上,需调整至少2台小车让出近缆索端位置方可使机构套上缆索,此时弹簧所需调整压缩量x(Rtan15+0.5B)tan30 0127R+0.29B(4)式中,R为缆索半径;B为摩擦轮宽度。设R=50 mm,B=60 mm,得 x=3019mm。而弹簧具有的较高的刚度使实现调整很困难,因此将2台小车设在大体上,另1台小车设于小体上,其间一端安装固定销并转动小体至一定角度,待机构安装于缆索上后转回小体,另一端再由销钉联结。压紧调整装置设有液压缸组件,供机构安装和高空安全收回用。液压系统(见图5)中,位于主1.油箱 2.电机齿轮泵 3.快速数字阀组4.油缸 5.弹簧 6.通气管图5 缆索 号爬缆机构液压系统原理图体结构内部的油箱内的液压油经过滤器、截止阀后,由单相电机带动齿轮泵输出压力油,油箱内设有通气管。机构在地面安装时,由人工正常操作,当快速数字阀组的1DT、2DT得电时,压紧装置松开;当1DT、2DT失电时,压紧装置压紧。而当机构在高空需遥控操作时,控制1DT、2DT失电、得电,使机构压紧装置处于压紧、松开、保持位置以控制其压紧程度。图6 缆索 号爬缆机构南浦大桥试验液压系统中采用气囊式蓄能器,它是利用气体的压缩和膨胀来储存、释放液压能的。当蓄能器向系统供出压力油的体积为 V时,油缸的压力将从p1降至p2,有V0=Vp1?n0(1?p2)1?n-(1?p1)1?n(5)式中,p0、V0分别为蓄能器额定压力和体积;n=114。由p1产生的液压推力只有大于压紧装置的弹簧力,液压系统才能正常工作。为避免机器人高空作业万一发生断失动力电等意外事故,另设有工业遥控器,包括发射器与接收器、专用强波器、发射天线等设备。3 试验在地面试验缆索(包括圆截面柔性、刚性缆索和螺旋六棱柱柔性缆索)上用长电线(400 m)、压力气管(50 m)进行了多次试验。结果表明,缆索?、号爬缆机构工程样机均能在倾斜和垂直缆索上可靠爬升;适应缆径分别为 80 200mm,90 140 mm,80 160 mm;负载分别可达250 kg、150 kg、250 kg;爬升速度分别可达10 m?m in、5m?m in、10m?m in;缆索 号弹簧液压压紧装置工作稳定。在上海徐浦大桥、南浦大桥上分别进行了试验。2类样机在中雨中爬升平稳、自如,装上相应的操作机构模块,可实现缆索涂装和检测功能,效果令人满意。参考文献:1吕恬生,罗均.斜拉桥缆索涂装与维护机器人.机器人技术与应用,1999(2):25262罗均,赵波,吕恬生.缆索?号机器人样机爬升机构的分析及试验.中国机械工程,2001,12(2):1211220531中国机械工程第12卷第12期2001年12月3Fukuda T,Hosokai H.Intelligent Pipeline Inspec2tion andM aintenance Robot.In:Proceedings of the15thInternationalSymposiumonIndustrialRobots,1985:3393464Schempf H,M utschler E,ChemelB et al.A RobotPipe-asbestos Insulation Removal System.Indus2trial Robot,1998,25(3):196204 5 Fukuda T,Hosokai H,O tsuka M.A utonomousPipeline Inspection and M aintenance Robot w ithInch Worm M obile M echanism.In:IEEE Inter.Conf.on Robotics and A utomation,1987:5395446佐藤纯一.农作业作业移动型.日本 学会讠志,1995,13(7):9249277张家梁,吕恬生,罗均等.气动蠕动式缆索维护机器人的研制.机器人,2000,22(5):397401(编辑卢湘帆)作 者简介:张家梁,男,1964年生。上海交通大学(上海市200030)机械工程学院高级工程师、博士研究生。研究方向为特种机器人及仿生机械。发表论文10余篇。吕恬生,男,1945年生。上海交通大学机械工程学院教授,博士研究生导师。王钧功,男,1940年生。上海交通大学机械工程学院副教授。王殿臣,男,1941年生。上海交通大学机械工程学院副教授。文章编号:1004-132?(2001)12-1351-03多学科设计优化方法及其在微型飞行器设计中的应用王爱俊博士王爱俊陈大融摘要:微型飞行器是复杂的微机电系统,研究涉及微机械设计、微结构力学、微动力学、微流体力学、微气体动力学、微热学、微摩擦学、电子控制等多个学科。阐述了多学科设计优化方法的基本思想,综合考虑了微型飞行器设计在推力、重量、控制、通讯导航等方面的限制要求,探讨了该方法在微型飞行器设计中的应用,并给出了初步应用范例。关键词:微机电系统;微型机械设计;微型飞行器;多学科设计优化方法中图分类号:TH16;V 221文献标识码:A随着现代科技的发展,特别是在微机电系统(M EM S)技术的研究取得进展后,微型飞行器(MAV)等微型机电产品的应用技术日益成熟1,2,使得微型飞行器等机电产品的实现成为可能,并且有广泛的应用领域。微型飞行器是指飞行器整体尺寸在150 mm以内,飞行速度在3080 km?h,具有侦察、导航等功能的超微型无人飞行器。微型飞行器机身上可装置通讯器、导航器、微型摄像机组等有效载荷,可进行遥控或自身智能飞行操作,完成侦察等任务。微型飞行器的零部件尺寸在毫米及亚毫米范围内,零部件精度在微纳米范围内。可用于军事侦察、安全监视、特殊通讯、救援侦察、森林防护、气象气球、海运监控、临时通讯天线、环境监测等。由于微型飞行器具有重大的国防、民用等应用前景,近年来西方国家相继投入大量资金,开展了收稿日期:20000309修回日期:20010908基金项目:清华大学985微型飞机研究基金资助项目对微型飞行器的研制。1994年美国麻省理工学院建议制造世界上第一架搜集情报的微型飞行器。德国梅恩兹微技术学院开展了重量只有015 g的微型直升机研究。目前国外对微型飞行器的研究已取得一定成果,但未达到实用阶段。自1998年起,我国开展了对微型飞行器的初步研究。目前国内在这方面的研究处于起步阶段,在微型飞行器设计方法与理论研究方面,还未有人进行较深入的研究。微型飞行器是一个复杂的微型机电系统,它的设计研究涉及一系列综合性的科学技术问题,要满足微型结构和传动机构、空气动力学、动力系统、飞行控制与通讯系统、微型侦察系统等子系统的要求。因此从事设计微型飞行器研究需涉及多领域、多学科,必须组成多学科的设计研究队伍,采用科学的综合设计方法,才能完成设计一个满足各子系统要求的微型飞行器设计任务。多学科设计优化(M ultidisciplinary DesignOpti m ization,简称MDO3)方法,是近年来在西1531多学科设计优化方法及其在微型飞行器设计中的应用王爱俊陈大融cyclic stress amplitude and crack grow th rate.Seven com2monly used distributions,namely,three-parameterW eibull,two-parameter W eibull,normal,lognormal,extreme maxi mum value,extremem ini mum value and ex2ponential,are analyzed.Their statisticalparameter evalu2ation and statistical reference are made by a linear regres2sion technique.The approach makes allowance to checkthe above three considerations.The fatigue life data ofthreekindsofweldedjoints,16 M n,Q 235and1Cr18N i9T i steel,respectively,and the cyclic stress am2plitude and short crack grow th rate data of 1Cr18N i9T isteel-weld metal during low cycle fatigue are analyzed.The results reveal that the extreme maxi mum value andlognormal distributions are appropriate for the fatiguelives.The extremem ini mum value and normalmodels arebetter for the short crack grow th rates.These two mod2els are also suitable for the cyclic stress amplitudes.Key words:fatigueli m ited datareliabilityextreme maxi mum value distributionextreme m ini2mum value distributionStudy on Cable-cli mbingM echan ism for Cable-stayedBridgeZHAN G Jialiang(Shanghai Jiaotong U niversi2ty,Shanghai,China)LU T ianshengWAN G JungongWAN G D ianchenp 134821451Abstract:Developing cable-cli mbing mechanismw ith high velocity and large holding force is amajor prob2lem in the research of cable inspecting and maintenancerobot for cable-stayed bridge,which is very i mportantfor bridge safety and beautification.Concerning differentoperating conditions,thispaper presents two sets of engi2neering prototype including pneumatic worm ing cable-cli mbing mechanism and electric running cable-cli mbingmechanism.A fter tested in the laboratory,both proto2types were run experi mentally on the Xupu and N anpuBridge in Shanghai respectively.The results indicate thattwo cable-cli mbing mechanism can cli mb stay cablessafely and efficiently.Key words:robotcable-cli mbing mechanismcablecable-stayed bridgeM ultidisciplinary Design Opti m ization(MDO)M ethodol-ogy and Applications in M icro A ir Vehicle DesignWAN GA ijun(T singhuaU niversity,Beijing,China)CHENDarongp 135121353Abstract:M icro A ir V ehicles(MAV)are complicat2edM icro ElectroM echanical System s(M EM S).They in2volve multidisciplines such as m icro machine design,m i2cro structural mechanics,m icro dynam ics,m icro fluidmechanics,m icro aerodynam ics,m icro themology,m icrotribology,electronic control.MDO methodology is a newmethodologytodeal w ithcomplexsystem,suchasMAV.In this paper the basic idea and formulations ofMDO methodology are presented.U nder synthetical con2siderations,the MAVrequirements for restriction ele2ments of thrust,weight,control communication,naviga2tionet al.,application approaches to MAV design arediscussed and an example is given.Key words:M EM Sm icro machine designm i2cro air vehiclesMDO methodologyResearch on M echan ical Safety Design M ethod SHEN G Xiaom in(Hunan U niversity,Changsha,China)HUAN G HongwuL I U JianningZHOU ShuitingCHEN Genyup 135421356Abstract:This paper describes the definition andcharacteristics of mechanical safety.The system construc2tions and contents of the mechanical safety design tech2nology(M SDT)are offered.The basic contents,designprinciples and design program sofM SDT are presented.Inorder to promote the progress research and developmentofM SDT in China new methods ofM SDT are presented.Key words:advanced manufacturing technologymodern design methodsafety designmethod re2searchStudy on the Predictive Control of Position Tracking Sys-temsSU Yixin(Huazhong U niversity of Science andTechnology,W uhan,China)ZHOU ZudeCHEN Youp2ingHUAN G Shuhuaip 135621358Abstract:To i mprove the tracking performance of aposition tracking system,the plant is modeled by usingthe step response method.Then,the ideas of predictivecontrol are used to the control of position tracking sys2tem,a new design method for the position tracking con2troller is proposed andmethod of controller parameter se2lection is discussed.The si mulation and the experi ment ofreal-ti me control are carried out for the X-axis perma2nent magnet synchronous motor in a rapid prototypingsystem.It is shown by the results that the designed con2troller has perfect tracking ability and satisfactory robust2ness.Key words:position trackingmodelingpre2dictive controlrapid prototypingA Novel Architecture of 6-DOF Parallel Machine Tooland Analysis of Local IsotropyJ I N Zhenlin(YanshanU niversity,Q inhuangdao,Hebei,China)GAO Fengp135921361Abstract:The problemthat the isotropy and thetechnological efficiency of a parallelmachine tool based onStewart platform are not satisfactory,a novel architec2ture of 62DOF parallel machine tool is presented.U singthe theory of parallel roboticmechanism s,the presence oftheisotroplicconfigurationisdemonstratedintheworkspace.The parallelmachine tool has opti mum prop2erties ofmotion and force transm ission.A nd the isotropicconfiguration is selected as the initial assembly configura2tion,which makes the parallel machine tool be manufac2tured as easily as possible.CXCH I NA M ECHAN ICAL EN GI N EER I N G Vol.12,No.12,2001