输灰管道机器人铣削结构的设计

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煤粉灰的主要成分是钙、镁等物质形成的混合物。火力发电厂在对煤灰进行运输处理时，一般选用陆路运输和陆下管道运输，其中陆路运输主要是通过运输卡车将其拉走再进行倾倒填埋等，陆下运输主要是将煤灰粉加水稀释，形成具有一定浓度的浆液，通过地下埋藏的管道进行运送，之后再做一些后续处理。随着人们环保意识的不断地提高，后者被提倡，并且被应用。在管道运输煤灰粉的过程中，煤灰粉由于所含物质具有的物理性质，会在一定程度上粘结在管道内壁上，逐渐积累形成管壁垢层，导致管道的运送能力下降，甚至阻碍管道的正常输送，因此相应的管道除垢问题就产生了。

一、现今国内外管道清污技术发展状况及设计要求

针对在管道使用过程中发生的问题，国内外部分研究人员对问题进行了深入的分析，并且得到了部分成果，把他们的研究成果进行综合，按处理的机理进行分类，可以简单分为物理清洗法及化学清洗法。

二、管道机器人的设计要求

在综合考虑国内外管道机器人的发展情况及实际使用状况的基础上，可以得出在进行管道机器人的铣削结构设计时，需要特别注意的有以下几个问题：管道的尺寸需要和机器人的最大直径相贴合；对刀具的设计在性能上要匹配工作环境；铣削装置的驱动能源提供方案要合理；铣削的效果和现有的清污方法对比，其在某些方面应有明显的优势；铣削装置应具有自我保护模式以及良好的人机交互功能。

笔者以现有的设计要求为背景，加上设计任务书要求（一是输灰管道直径限制在φ250～φ300mm范围内；二是机器人的行走速度要根据铣削时的进给速度进行选择与设计），将二者进行结合，通过功能对比及设计优化来实现作业功能件，确定最终方案。笔者以下设计主要通过自由形态设计以及软件辅助模型设计，来完成铣削机构本体的形态。

一是通过对管道的分析，对铣削机构上的各种配置组件进行自由设计，主要涉及的组件有铣削刀具部分、机体承载部分以及电动机部分。二是通过对模型的结构设计，在工程软件Pro/E中进行构建及装配，实现整个机构的三维可视化。

三、输灰管道机器人铣削机构的设计方案

1.铣削刀具设计方案

根据实时工作情况，对管道的除污方法基本可以归为两大类，一是物理法，二是化学法。本设计选择物理除污法，刀具结构采用自行设计。通过对现有的几种物理方法进行简要分析，并确定最终方案及刀具形态设计。

本设计综合人工击振方式以及移动铣削机械式两种方案进行刀具设计。刀具架设在移动机器（管道机器人）上并由电动机带动，使得刀具绕着电动机轴进行旋转。在刀具旋转的过程中，刀具紧贴着管道内壁，并适应内壁的情况，且具有一定的半径变化，以达到能够适应一定范围变化的管道的目的。

按照以上的刀具要求，将铣削刀具设计成多片可分离式组合刀具，选择刀具类似敲击锤的形态，且连接的部位具有一定的滑动槽口，在连接的同时能够相对连接中心具有一定的半径变化。由此联想到铣削刀具安装在电动机轴上，开始使用一块支撑钣金件，在对应的两边分别安装上两个刀具（敲击锤）。如果铣削的污垢层较厚，还需要在钣金上再添加一块钣金，上面再安装上两个刀具，并与第一组安装的刀具成90度的角度偏差。应注意的是第一组刀具切削的直径范围应比第二组安装的刀具切削直径范围大。其他方面可以在钣金件的边缘设置一些折弯叶片，这样可以具有推进机器本体前进的附加作用，减小行走机构的负载。

2.作业电动机设计方案

根据铣削环境，铣削机构的作业电动机由于受到外壳直径的限制，故不能从现有标准电动机中选择。电动机的设计需要满足两方面的要求，一是外壳直径根据实际工作情况，需要限制在直径为φ100mm的范围之内；二是根据电动机作业的情况，其额定功率不能小于1kW。根据情况参照选取无刷直流电动机，生产商为宁波安川大道机电科技有限公司，电动机型号为：36BL.100.550.005。电动机安装在万向调整组件内圈相连接的钢桶内部，并用螺钉进行固定。

3.万向调整组件设计方案

管道在长期使用后，难以避免会出现内壁贴合了一些难以甚至不能去除的东西。管道机器人在用常规设计的铣削头进行作业时，在管道内作业的铣削机构往往会发生打刀故障，甚至机器电动机烧毁，导致机器损毁。针对这些问题，有必要去设计一种具有柔性的铣削头，当铣削部件的刀具运动到此位置时，可以利用自身的柔性避开管道内壁上的贴合物质，从而可以延长刀具的使用寿命，也使得管道机器人的作业过程更加顺利。

为了达到预期效果，这里的结构设计时是根据万向陀螺仪的基本结构加以改进和优化而来的。装置是将陀螺仪的最外圈与机器人铣削机构的整体机架焊接在一起，内圈通过两销轴固定在电动机的外圆柱面，从而使得电动机能够在空间里全自由度旋转。关于控制旋转角度的方法，则可以通过在电动机组件外面包裹的外壳后盖，添加一个口沿，利用拉簧与平衡轮基盘进行连接来保持平衡，使之在一定角度范围之内进行可控转动。

4.定心平衡轮组件设计方案

铣削装置进行作业时，铣削装置一方面需要基本的结构支撑，另一方面由于刀具旋转对管道内壁进行切削而产生出较大的扭力，会使整个管道机器人装置具有向相反方向转动的趋势，所以需要设计一种能够在起到支撑作用的同时也具有一定的平衡扭力作用的轮子或轮组。本方案使用6组轮子，对机器人本体进行设计，能够达到良好的支撑作用，同时每个支撑腿所承受刀具带来的扭力也不至于过大。

在设计时考虑到管道直径也会有所变化，所以在平衡轮组件中使用凸轮机构，使得轮子的半径可以随着管道的变化而变化。

5.控制电路模块设计方案

输灰管道机器人本体形态是自由设计的，除了机械功能部件以外，还配置有电路控制模块部分，并将其分成两块，机器人部分安装在铣削电动机后端处，包裹在钢桶内，外部模块安装在控制端里。应用了控制模块之后，能够让其实现机器操作的可控性，帮助其对自身的环境做出判断以及发出应急反应。比如铣削装置在作业过程中遇到大块异常物体而不能实现铣削时，电路控制模块会启动自我保护，使得铣削刀具以及行走装置都能及时有效停止。

电路模块还配置有外部的显示屏，进行友好的交互，能够让操作者更好地去使用它，对机器人的工作模式进行及时、适当的调节。

四、铣削机构特点简述及配置速度

铣削机构与行走机构在设计时为分离体。这样的设计结构具有很多的优势，首先能够为管道的转弯空间带来很大提升，相较于整体式设计，它的转弯角度扩大到原来的6倍，这意味着它的作业环境会更广；其次在增加了一组支撑轮后，只要具有相应的动力装置，它就能独立在管道中进行作业；最后分离式设计也使得机器本体的动力装置更换方便快捷，在维修上也具有很大的便利。

以行走机构的运行速度表作为基本要求后，根据软件模拟测试，得出铣削电动机转速配置与行走速度挡位、管道直径、驱动轮偏角的关系，且速度由机器上的管径检测机构以及机器挡位决定，如下表所示。

（作者单位：江苏省东台中等专业学校）