西部管道公司甘肅輸油氣分公司

摘 要：大型原油儲罐存在高處作業風險。工業機械手以其靈活性可以替代人工操作，降低作業風險。設計了一種工業機械手，將機械設計、控制系統按一定規則整合為一體。機械手性能優良，可以代替人工作業。

關鍵詞：儲罐；防腐；作業風險；工業機械手

機器人機械手多用于風險因素嚴重阻礙正常施工作業或救援開展的場合。大型原油儲罐外壁發生腐蝕時噴涂防腐漆防腐，噴涂施工多采用搭腳手架人工噴涂，存在高處作業風險。本文據此設計一種高處作業機械手，替代人工作業，降低作業風險。

1 機械結構

1.1 機械關節

機械手采用臂結構實現空間運行，臂構件主要組成部分是機械手關節，作用是支持機械手，并促進其目標的運動，實現在目標活動區域范圍內移動改變機械手的位置（方位角）。機械手關節選擇形狀規則的鋼結構，關節的受力分析如圖1所示。

其彎曲截面系數為：

彎曲應力為：

扭切應力為：

  按彎扭合成強度進行校核計算，對于單向轉動的轉軸，轉矩按脈動循環處理，故取折合系數 a =0.6，則當量應力為：

由GB/T 699― 1999《 優質碳素結構鋼》標準規定45#鋼抗拉強度為600 MPa、許用彎曲應力60 MPa，此處選擇45#鋼作為關節。

1.2 機械設計

工業機器人自由度數量分為單自由度手腕、兩個自由度手腕、三個自由度手腕。根據本次實際使用要求，設計擺動和轉動兩個自由度，支撐和改變機械手姿態。機械手結構如圖 2所示。

2 控制系統

2.1 控制芯片選擇

控制系統單片機采用正交實驗確定，考慮CPU主頻、反饋電壓檢測時間、無干擾時工作方式等三個運行參數，每個因素選3個位極，位極因素如表 1所示。選用L9（34）正交實驗， 9次實驗結果如表 2所示。

（1）結果分析

極差R最大者，對結果影響程度最高， R最小則影響程度最低，各因素重要程度依次為A→B→C。

（2）直觀分析

3號實驗結果的功耗為8.42 mW ,結果最優，所以較好的方案為A3B1C2。

（3）位極計算

位極對應實驗結果越大，表明效果越好，從位極之和可以看出，較好的方案是A3B1C2。

（4）綜合分析

“直觀分析”和“位極計算”結果一致。由于電流增大時電機發熱明顯， C因素又是最次要因素，對結果影響小，則選擇C1。最終確定正交實驗結果為A3B1C1。據此測定功耗如表 3所示。

通過實驗及分析，選擇主頻32 MHz、時間5 ms的單片機，可以滿足要求。

2.2 控制系統主控電路

采用PCB板集成控制模塊，設計控制系統主控電路單片機控制端口。通用I/O 口（32 個），復位后P1/P2/P3 是準雙向口/弱上拉； P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時不用加上拉電阻；作為 I/O 口用時，需加上拉電阻。 ISP（在系統可編程） /IAP（在應用可編程），可通過串口（RxD/P3.0， TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數秒即可完成。 3 個16 位定時器/計數器，即定時器T0、 T1、 T2，端口配置（藍色為使用端口）、主控電路及單片機配置如圖 3所示。

2.3 軟件流程

軟件程序按照數據處理、過程控制兩個基本參數設計，主程序清單如圖 4所示。

為防止運行 “死機”，增加“看門狗”電路，如圖 5所示。

“看門狗”電路是成熟技術，其CD4060是帶振蕩器的14位計數器，振蕩頻率 f 由 RT、 CT決定。R S用于改善振蕩器的穩定性， R S要大于RT。一般取RS =10 RT，且RT >1 kΩ， CT ≥100 pF。如果RS=450 Ω， RT=45 Ω， CT =1 uF，則 f =10 Hz。 4060的振蕩頻率和Q i（ i=6， 7， 8， 9， 10， 12， 13， 4）的選擇要根據情況確定。設程序實際所需工作周期為T ，分頻器記滿時間為T' ,當 T' >T 且系統正常工作時，程序每隔 T 對4060掃描一次，分頻且永無記滿輸出信號。如系統工作不正常（如程序跑飛、死循環等），程序對4060不發出掃描信號，分頻器記滿輸出脈沖信號使CPU復位。

3 結語

設計的工業機械手可替代人工作業，降低作業風險。機械手結構和控制系統仍有許多問題需要解決，一是不同結構和各功能模塊之間的連接，需優化模式，提高控制系統整體水平。二是力學分析的強度、剛度和最佳的臂部結構有待應用計算機優化，值得進一步討論和深入研究。

作者：張華強， 1991年生，西部管道公司甘肅輸油氣分公司實習生，主要從事長輸管道壓縮機維修維護，安全管理工作。