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矿井救援及探测机器人的设计与分析

2017/8/22    来源:互联网    作者:赵东辉  孙小芳      
关键字:矿井救援  机器人  气动控制  探测  PLC  应力分析  
对矿山井下救援及探测机器人的结构及控制模块进行了设计。在结构设计方面,采用Creo 2.0有限元软件,选取强度、耐腐蚀性良好的合金钢作为机械手选材,建立了物理模型;通过加载手指表面压力和侧面扭矩力作为载荷,进行了三维应力分析。在控制模块设计方面,通过气动控制回路实现了机械手的升降、松紧、回转动作及其速度控制;通过电气控制设计实现了视觉传感器、压力传感器的控制。实践表明:结构设计满足了受力及安全系数等需求;控制设计能够准确支配机械手动作程度、实时监测井下生命体征状况。多项技术融合应用于矿井救援及探测机器人,使设备整体结构紧凑、工作稳定,提高了推广应用可行性。

    零件结构及受力分析采用有限元应力分析方法,即对分析部分按实际情况进行固定,对受力部分施加载荷。由图4可知,深 红色部分受力较大,故可以通过对深红色受力部分进行优化设计。

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    图4 手指位移分析图

    由图5可知,机械手的最大位移在手指末端,为1.17×10-1 mm,最小位移在手指根部,为1×10-3 mm,由Creo2.0软件分析,在对手指施加3 000 N载荷时,手指仍能保证不低于9的安全系数,满足实际工作需求。

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    图5 末端执行器气动回路图

    3 机器人控制设计

    3.1 气动控制回路设计

    机械手动力装置采用了电机与气动混合控制。该动力控制系统由电机带动气泵工作,通过如图5所示3个气动回路分别控制机械手的升降、松紧、回转三个动作。输出信号通过3个两位四通的电磁换向阀换向来实现上述动作,输入信号则通过压力继电器、行程开关等实现。通过调节节流阀的节流口大小控制空气流量大小,从而有效控制执行元件,达到支配机械手运动速度的目的。

    3.2 电气控制设计

    矿井救援及探测机器人的电气控制部分采用了S7-200可编程逻辑控制器(PLC),通过安装在手抓部分的各种传感器及行程开关等对输入部分进行控制,如视觉传感器、压力传感器等,其输出部分通过输出点控制执行元件如气缸、气马达等结合微型气泵控制手抓抓紧张开、手抓伸缩、手臂抬升等动作。如图6所示为机械手动作接线端子图。

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    图6 机械手PLC接线端子图

    通过编程软件编写程序,并下载到PLC芯片中,通过与气动控制系统的传感器装置、电磁换向阀、压力继电器、行程开关等输入信号的联合作用,通过输出装置如气缸等完成对该机械手动作的控制,从而实现对障碍物的自动清理。

    4 结束语

    本文对救援及探测机器人的结构和控制进行了设计与分析,从三维造型到应力分析都采用了CAD/CAE软件,如Creo2.0,大大提高了设计效率。针对当前井下作业环境的复杂性,对机械手手指部分采用了气动技术与PLC相结合的控制方式。气动技术在该机械手中的应用,使设备可以应对比较复杂的环境。西门子组态系统在总控制中的应用,使得该装置在救援工作时更加稳定。

责任编辑:张纯子
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