工程管道施工辅助机器人设计及控制

摘要：本文基于实际需求，设计了一种工程管道施工辅助机器人，用于城市非开挖铺设管道施工。首先依据挖掘机器人要求，以串联构型为参考，提出了一种适用于非开挖机器人的新构型；基于构型设计了机器人系统各主要构件，包括切削刀头、螺旋输送装置、滚珠丝杠等，并利用Adams软件进行虚拟样机仿真；最后，研究机器人系统的电气控制部分，搭建了主/控电路，并利用PLC编制了相应的控制程序。

关键词：非开挖 工程管道施工 机器人 电气控制

中图分类号：

1 前言

机器人技术是一门迅速发展起来的新学科，它在科技领域和生产生活的中得到了广泛的应用，它使的传统的生产发生变革，对人类社会的生产生活产生深远的意义。而随着我国城市化进程加快，人民生活水平的提高，环境保护力度的加大，传统的开挖铺设管道越来越不适应现代化建设形式的需求，城市非开挖铺设管道正在得到个方面的大力支持，如何将机器人技术广泛的应用到非开挖工程管道施工中，成为国内外研究人员的课题。

非开挖铺设地下管线的施工方法有十几种，目前主要有顶管法、微型隧道施工法、定向钻进和导向钻进法、水平螺旋钻进法、夯管施工法以及冲击矛铺管技术等。始与1896年美国北太平洋铁路铺设工程的顶管法是最早使用的非开挖施工方法，1967年美国Schamm公司生产了第一台冲击式微型顶管机，该技术在国外应用相当广泛，1975年日本推出第一台微型隧道铺设设备。我国的这项技术始与1953年北京的人工手掘式顶管，设备相当简陋。二十世纪80年代以前，非开挖铺管技术也只是在局部不允许挖槽埋管的特殊工程中使用。80年代中后期，随着不允许挖槽埋管的需求日益增多，且工程的重要性加大，北京、上海、南京等地区先后引进国外先进的机械式非开挖铺管设备，使我国的这项技术上了新台阶。但是无论在施工的技术装备设计上，还是在制造工艺上，我过仍处于较落后的状态。一些重大的大型非开挖铺管工程仍然依靠引进国外设备。

但到目前为止，国内外还没有开发出这样一种设备，能够将工业机器人同非开挖铺设管道紧密结合起来，通过遥控和自动控制相结合进行工程管道的铺设。

本文提出一种新型工程管道施工辅助机器人，用于城市非开挖铺设管道施工。首先依据挖掘机器人的要求，提出了一种适用于非开挖机器人的新构型。基于构型设计了机器人系统中主要构件，例如切削刀头、螺旋输送装置、滚珠丝杠等。对选取的零部件进行造型，并利用ADAMS进行虚拟样机仿真。最后，设计了设备的控制系统，并利用PLC编制了相应的控制程序。

2 机器人构型综合

根据实际工况，设计的机器人能够按照预先的程序实现给定的运动，设备需具备以下要求：

① 所需精度底，机构的主要作用是挖掘土壤，预铺设的管道半径是0.4mm～0.8mm，所以机构不需要很高的工作精度。

② 所占空间较小，由于整个机车在地面下切削工作，所以当机车的体积小于切削刀具的体积时，才能使整个机车工作。

③ 负荷较小，机构的负荷由自身的重量和工作负载组成，而切削土壤所需的工作负荷比较小。

④ 工程造价底，机车用于一般的工程机械，主要是非开挖铺设工程管道，它的工程造价同开挖铺设相比应相差不大，这样才能显出本机构的优点并能够得到广泛的应用。

根据串、并联结构的优缺点以及要设计的机构的特点，应选择串联机构较为合适，理由如下：

（1）工程机械施工所需的精度较底，串联机构就能保证；

（2）负载是切削土壤的阻力，所以负载比较小，不需要并联机构的高负载能力；

（3）本机械用于一般的工程施工，为了能够得到广泛的应用，它的造价不能太高，所以不选用并联机构。

串联机构是空间杆系机构，如果空间一个点的位置是杆件的末端，那么这个杆件具有3个自由度，并且由以下几种可能性来加以实现：

1）改变杆件的长度；

2）移动杆的基点；

3）饶杆的基点转动。

通过以上三种基本运动形式就能够初步设计模型。

方案一：

图1是adams对方案一的描述。机构有三部分组成，平板是整个机构的载体，行走装置安装与它的下方；与平板连接的杆件起固定手臂的作用，它与平板组成转动副；手臂的一端与杆件组成转动副另一端是用来安装切削刀具的。这样的机构在工作时，行走部分将机车运输到指定的位置后，手臂末端的刀具开始切削土壤，通过两个转动副的相互转动，刀具可以做圆周运动，这样用较小的刀具就能够切削出很大的孔，而且机车的体积不受刀具的影响。

图2是adams对方案二的描述，机构由四部分组成，底板是整个机构的载体，下方安装行走装置；与底板连接的是杆件1，与方案一不同的是，它们之间不是转动副而是固定的；杆件2与杆件1通过转动副连接：末端手臂一端与杆件2组成移动副，另一端安装切削刀具。机构工作时，机车到达工作区域后停止行走，刀头转动并通过移动副向前切削土壤，移动一段距离后返回到初始位置，然后机车再向前一段距离，刀头继续工作，如此反复工作。这个机构是直接工作的，所以刀头只能挖掘一种尺寸的孔，机车的体积也就受到刀具体积的限制，为了使机构的结构紧凑，杆件1的结构如图所示，杆件1与2的转动副是为了保证刀具轴线的水平。

比较上述两个方案，本次设计选用方案2的串联机构，理由如下：

（1）切削工作时，方案1是机车边行走刀头边切削土壤，这样定位比较困难，而方案2是机车停止后，通过移动副向前工作。

（2）方案1中刀头体积不限制机车的体积，刀头通过两个转动副绕曲线转动，但控制起来比较困难；而后者方案的刀头只绕自身转动，控制比较方便，这同时要求机车的体积受到限制。

（3）由于方案一得控制两个转动副的转动，才能使切削刀头按指定的轨迹切削土壤，这使的控制起来比较困难。方案二需要控制的只有移动副的伸缩，比较简单。

综上所述，选用方案二的串联机构作为本次设计的机构。

3 机器人机械部分设计

3.1 切削刀头

首先，设计要求铺设管道的直径为0.6m～1.2m之间，管径相对较大。这就使得在设计刀头时，由于体积相对较大，不能够将其作为一体的。根据实际的要求，将切削刀头分为三部分（如图3）。第一部分主要是转孔部分，主要是起引导刀头前进的作用；第二部分主要起过渡和扩孔的作用；接下来的第三部分是主要的切削主体部分。

第一部分是在参考钻头结构的基础上设计的，在切削土壤时，主要起定位和转孔，使得后面的切削刀头部分能够正常工作，由于重量、体积等限制，这部分体积应较小。

第二部分设计类似锥齿轮，主要是连接刀头的前后两个部分，起过渡作用，同时在第一部分钻孔的基础上，对孔进行扩大。

第三部分是挖掘部分，切削叶片主要的作用是对土壤进行切削，它的结构类似叶轮叶片，由于叶片的特殊形状，整个叶片逐渐进入土壤中，这样可以避免刀头受到很大的切削阻力，同时，切削下来的土壤不会滞留在叶片上，减少一部分切削阻力。

3.2 螺旋输土装置

机车底部的输送土壤装置仿照造纸工业中的螺旋输送机。其结构如图4所示，它由一根装有螺旋叶片的转轴和料槽组成。转轴通过轴承安装在机车上底板轴承座上，转轴一端的轴头与驱动装置（电机）相联。其工作原理是：土料从进料口进入，当转轴转动时，土料受到螺旋叶片法向推力的作用，该推力的径向分力和叶片对物料的摩擦力，有可能带着物料绕轴转动，但由于物料本身的重力和料槽对物料的摩擦力的缘故，土料不随螺旋叶片一起旋转，而在叶片法向推力的轴向分力作用下，沿着料槽轴向移动。

3.3 驱动电机

设备需要三个电机，分别用来驱动螺旋装置转动、切削叶片转动以及与滚珠丝杠相连的移动板的移动。在机车工作时，这三个电机的相互运动规律较简单，所以采用异步电机作驱动源。初步选取Y系列（IP44）三相异步电机。与其它系列相比，IP44类电机为封闭自扇冷式鼠轮型三相异步电动机，效率高、节能，堵转转矩高、噪音底、震动小，运动安全可靠。能防止铁屑或其他杂物侵入电机内部；更重要的一点是，具有与Y系列（IP23）相同的用途外，还能适用于灰尘多、水土飞溅的场所，如球磨机、碾米机、磨粉机、脱谷机及其他农业机械、食品机械、矿山机械等。

3.4 传动连接部分

本次设计中，由电机到切削叶片之间采用齿轮传动，在起减速作用的同时，降底了电动机承受的挖掘阻力矩，又因为挖掘轴向力由滚珠丝杠承受，所以采用直齿圆柱齿轮。

采用滚珠丝杠传动实现移动板与导轨之间的相对移动。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将电动机的旋转运动变为移动板的直线运动，以达到机车工作所需要的运动形式。丝杠的一端与电机相连接，位置是固定的；另一端是位于移动板上的，位置是在变化的，故将滚珠丝杠的支撑选择为一端固定一端自由，其固定端采用两个角接触轴承支撑。

轴用来支撑其上的回转零件，传递转矩和运动。在一般情况下，轴的工作能力决定于它的强度和刚度，对于高转速轴，有时还决定于它的震动稳定性。在设计轴时，除了要按这些工作能力准则进行设计计算或校核计算以外，在结构设计上还须使轴能满足其他一系列要求，例如轴上零件固定的要求、特处理要求、运转维护要求，等等。

4 虚拟样机仿真

虚拟样机是在设计阶段对于产品进行性能测试，从而使生产出来的产品最大可能地满足设计目标，它能节省开发费用，缩短开发周期，提高开发效率，是一个有效的设计手段。软件ADAMS以计算机多体系统动力学为基础，包含多个专业模块和专业领域的虚拟样机开发系统软件，利用它可以建立复杂机械系统的运动和动力学模型。

ADAMS具有很强的运动和动力学仿真能力，但它建模的能力相对比较弱，所以本次设计中，用Solidworks对形状复杂的零件进行建模，然后导入ADAMS中，建立简单的模型并添加一定的约束和动力仿真。将上面的零件导入ADAMS中，设定零件的材料，这样就能找到零件的重心，利用ADAMS的建模能力，在这些零件的基础上，建立轴、轴承、轴承座、移动板等模型，将这些零件装配起来。

现在这个系统有多个构件组成，各个构件之间存在某些约束关系，即一个构件限制另一个构件的运动，两个构件之间的这种约束关系，通常称为运动副或者铰链。要模拟系统的真实运动情况，就需要根据实际情况抽象出相应的运动副，并在构件间定义运动副。要使系统能够运动起来，还需要在运动副上添加驱动和载荷，以及在构件之间施加载荷。

考虑机车实际工作中，各构件的运动关系，将其抽象为各种运动副，并在零件上定义这些约束副，在3个电机轴处添加旋转驱动，这样机构就可以进行仿真了，最后的机构如图5所示。

通过仿真可以看出，机构没有发生运动干涉，所以预先设计的各个零件在机车运动过程中，不发生运动学干涉。

5 电气部分设计

前面的章节已经选择了电机的型号，本章主要介绍控制三相异步电动机的电路，拟采用PLC控制。设计中需要的运动过程是：

1）闭合开机开关，螺旋排土装置运行

2）机车由静止开始运动0.3m后静止不动。

3）切削叶片开始转动；

4）叶片转动3s后，滚珠丝杠开始转动移动板向前运动3min（0.3m）；

5）移动板快退回到初始位置，这过程用时10s；

6）切削叶片停止转动。这是机车工作的第一个循环过程，然后继续重复2）～6）的步骤。

上面是设计机车的运动过程，每个运动过程都是电动机的转动引起的，所以通过设计电路控制电动机的转动就能够得到所需的运动。采用软、硬件结合组成控制电路，主/控电路分别如图6、7所示。

一、主电路图的设计

主电路图由六部分组成，分别是：

（1）机车行走分支 从三相线出来通过继电器KM1的常开触点连接到电机1上，触点的开闭控制电机转动与否从而控制机车的行走，继电器KM1在控制电路中连接。

（2）刀头转动分支 由于电机的转速比较快，依靠一级齿轮减速很困难，所以采用变频调速，利用变频器的作用使电机的速度降低到理想的转速，同样通过KM2常开触点的断开和闭合控制电机2的转停，从而控制切削叶片的转停。

（3）导轨移动分支 移动板在滚珠丝杠的作用下前后移动，切削土壤时移动板以较慢的速度向前移动，相反，切削完毕后移动板以较快的速度返回到初始的位置。这一过程由一个电动机控制，将三相中的任意两相对换就能够使电机的转向发生变化，所以继电器KM3、KM4 的两个常开触点的断开和闭合就能控制电动机的正反转。因为移动板正、反行程速度不一样，所以应连接两个不同的变频器实现电机正、反转转速不同。

（4）螺旋排土分支 螺旋排土装置主要是利用电动机的转动代动螺旋叶片的转动，从而将切削下来的土壤排到机车的后面，它的控制原理同刀头转动分支的控制。

（5）交直流转化电路 由于控制电路选用PLC的电源电压是直流24V，为了使供电方便，设计这样的电路，能够将三相线的交流380V转化为直流24V。

（6）指示灯 每个指示灯通过对应继电器的常开触点连接到电路中，以表示每个动作的执行与否。指示灯之间是并联的，互不影响，它们分别指示的内容为：电源供电与否、机车前进与停止、刀头转动、导轨前进、导轨后退以及排土装置的运行。

以上介绍了主电路图的设计过程，下面设计控制电路，将预先的程序输入PLC中控制主电路的电机转动，实现要求的运动形式。

二、控制电路的设计

控制电路的核心元件是FX1N系列微型可编程控制器，此PLC的供电电压是+24V，通过主电路交直流转化电路可得到这一电压。控制电路有软硬件同时组成，如图7。

将PLC的X0端作为输入端，当闭合开机开关时，PLC得电，通过事先存储的程序控制继电器得电，近而控制电动机转动，如此由程序自动控制机车工作而不需要人的干涉。PLC的输出点Y0、Y1、Y2、Y3、Y4分别与继电器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5连接，这五个继电器控制着主电路的五个电机。也就是说，PLC的五个输出点控制着整个机车的运动过程。由于KM2、KM3控制着移动板的正反运动，即电机的正反转，为了避免损坏电机，应该使用软、硬件同时进行互琐，确保KM2、KM3不同时得电。硬件的互琐措施是将继电器常闭触点KM2、KM3与继电器KM3、KM2串联。

将KM5的常开触点与开机开关并联，因为继电器KM5控制排土装置的电机，根据设计的要求，工作时排土装置是一直运行的，所以当按下开机开关时则KM5得电，它的常开触点闭合，使得控制电路是闭合的。关机开关一常闭开关，当需要关机时，按下此开关，各继电器都失电，开关KM5断开电路中断。

通过GX Developer Version 7 软件，绘制设备的控制梯形图，生成指令语句并写入PLC中，实现自动化控制。

6 结论

根据实际工况，以串联机器人基本构型为基础，结合虚拟样机设计了一种工程管道施工辅助机器人，对机器人的工作条件、工作性能、电气控制进行了研究，得到了如下结论：

（1）传统的非开挖设备只能铺设直径很小的管道，而本次设计的设备能够铺设直径在0.8m～1.6m之间比较大的管道，这就能够在工程施工中使用，改善过去铺设大管道时，先开挖后填埋的现象。

（2）设计了切削刀头和螺旋排土装置，由于这样的设备在国内外还没有开发出来，所以仿照了相关机械产品后设计的。经过理论分析，这两部分的设计都是合理的。

（3）机车各部分的电机都由PLC控制，通过预先的程序就能够实现给定的运动，机车自动控制一方面能够保证施工的效率和速度，另一方面这样的非开挖自动施工与传统的开挖施工相比较，不仅施工过程变的简单而且成本比较底。

参 考 文 献

[1] 成大先.机械设计手册.第1卷[M].北京：化学工业出本社，2001.

[2] 徐晓刚，等.Visual C++入门与提高[M].北京：清华大学出版社，2002