用于靠绑补给的绳牵引并联起重机器人的设计.docx

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用于靠绑补给的绳牵引并联起重机器人的设计

用于靠绑补给的绳牵引并联起重机器人的设计’华侨大学吴建坡郑亚青

摘要:

介绍了用于靠绑补给法及应用该法的绳牵引并联起重机器人的基本情况,并对其机构进行设计,且对其进行动力、控制、运动补偿等方面的分析研究,阐述了其实际应用前景,并预言这种机器人将提高海上补给效率,为中国的海上补给装备事业带来变革。

关键词:

靠绑补给;绳牵引并联起重机器人;海上补给装备;设计

Abstract:

Thepaperintroducesbasicinformationaboutthewire—drivenparallelcranerobotforskin—to—skincon-nectedreplenishmentatsea,focusingonhowtodesignthemechanismsoftherobot,howtoanalyzeandresearchitsdy—namics,controlandmotioncompensation.Italsopresentsitsapplicationprospect.Itcanimproveefficiencyofreplenish-mentatseaandresultinagreatchangeforChina'sindustryofreplenishmentequipmentatsea.

Keywords:

skin—-to—-skinconnectedreplenishment;wire——drivenparallelcrallerobot;replenishmentequipmentatsea;design

1引言

靠绑补给法是在供应船和接收船停泊或低速航行时进行干液、货传送的作业J1。

目前船间物资补给的主要方式是用起重设备完成,没有过舷起吊设备的船舶在进行补给作业时主要依靠手搬肩扛,不仅劳动强度大,而且作业危险、困难,难以及时高效地完成补给任务。

因此,研制1种可快速在一般船上展开的用于靠绑货物补给的装置是十分必要的一-。

在海运业的装卸货物方面,绳牵引机器人具有广阔的应用前景。

美国国家标准与技术协会（NIST提出1种新型的6自由度绳牵引双动平台机器人,应用在靠绑转移货物方面。

这种在大海中的转移操作由于海浪运动对船的影响很不稳定,绳牵引机器人的一项基本问题就是在控制末端执行器过程中使绳的拉力为正。

在典型的靠绑转移操作中,末端执行器和目标分别位于不同船只上,两者因遭受干扰而难以相互协调。

为此,美国国家标准与技术协会（NIST提出2个平台的绳牵引机器人,每个平台具有6个自由度。

推动上平台使绳索远离目标集装箱,产生系统冗余。

下平

lit华侨大学高层次人才科研启动基金（项目编号:

06BS218福建省青年人才创新基金（项目编号:

2006F3083

一12一台用来承载集装箱。

这种双平台方案用来保证货物安全地从一艘船转移到另一艘船:

3l。

2绳牵引并联机器人的组成

靠绑补给作业分4个阶段:

靠近（操纵船只近似接触——连接船——货物转移作业——分离。

其中,货物转移作业包括船连接系统和货物转移起重机2部分。

连接系统由护弦垫、绞盘和系泊缆组成。

“。

图1所示为带有2个动平台的6自由度绳牵引并联起重机器人。

该机器人由吊杆（吊梁组件、与船相连的底座、2个运动平台（上平台和下平台和9根绳索等4部分组成。

其中,吊梁组件由1根吊杆和1个圆形盒子焊接而成。

绞盘会全部被置于吊杆中,底座与船相连,吊杆通过轴承与底座相连,可进行360。

转动,2个平台通过绳索牵引与吊杆相连,每个平台由6根钢丝绳牵引,可进行6个自由度的控制。

这种机器人具有较高的性价比。

但为了更好的适应不同结构的船只。

绳牵引并联机器人机构类型应有所不同。

绳牵引机器人的总长为40m,最宽部分是与梁相焊接的悬接部分。

该部分是1个圆形框架结构,最大外圆

《起重运输机械》2009（9

　万方数据

直径（包含钢条宽度为12m,总高16.7m,下平台到上平台的距离为5.3m。

图1用于靠绑补给的绳牵引并联机器人机构图1.底座2.吊梁组件3.钢丝绳4.上平台5.下平台

3绳牵引并联机器人的结构设计

用于靠绑补给的绳牵引并联机器人主要用于海上2艘船（如海军基地船和商用集装箱船的货物转移。

它要吊起30t左右的集装箱,还要承受自身和吊具大概10t左右的重量,故机器人的主体结构应能承受40t左右的重量。

在这里选用强度较大的钢结构,并采用中空框架结构以最大限度地减少机器人的质量。

3.1机架的结构设计

图2为与底座相连伸出的吊梁部分。

该部分中,伸出部分需承受巨大重量和压力,故这部分应由较大强度、刚度,可采用高强度的钢板焊接而成。

与动平台相连的部分是一个很大的类似国盘的框架结构,该结构由钢板焊接而成,在上面还焊有许多滑轮,所有滑轮都必须分布在框架结构的边缘上,以便更好的让绳索经动平台进行连接,实现较为准确的牵引控制。

梁采用中空形式,主要用钢板焊接而成。

中空不但可以节省大量钢材料。

实现更好的力学性能,还可用来安置电机、绞盘、减速器等组件。

梁与底座相连的部分为旋转机构,在梁末端加工的孔结构用于配合。

焊接大部分采用埋弧自动焊,所有焊缝都不能出现烧穿缺陷,焊后要及时进行除渣清理。

3.2上平台的结构设计

驱动上平台使绳索不接触目标集装箱,通过绳索控制作用于下平台间接对吊起的集装箱进行

图2吊杆（吊梁组件

1.滑轮2.吊架3.吊杆

《起重运输机械》2009（9控制。

这样就增加了系统的超静定性。

此平台采用钢结构件焊接而成,中间放空,受力大的地方增加2块钢板组成V形进行焊接,使整个架够出现i角形结构,提高了框架的力学性能。

各个与钢绳连接的部位采用穿孔形式,钢丝绳可直接绑在上面,减少了对滑轮的使用,同时减少了焊接部分,使制造工作量和成本得以降低。

3.3下平台的结构设计

下平台用于吊运集装箱,可直接控制集装箱在各个方位上的所需位置,使其平稳地被放置到所需位置。

下平台靠的是滑轮和绳索与其他部分相连接的,且要直接作用于集装箱,相对于上平台要有更严格的力学要求。

在下平台上安装有6个滑轮,6个滑轮呈对称分布,以使各滑轮的受力均等。

并且滑轮都放置在框架的边缘上,方便绳索从底下引出与上平台和吊梁相连。

3.4底座的结构设计

底座是连接船和吊梁的部分,它应有足够的高度架起绳牵引机器人使吊起的集装箱有脱离甲板足够的安全距离,为便于集装箱的搬运,底座应能同定在船上。

材料为铸钢,铸造时保证其不出现气孔,裂纹,应力集中等缺陷。

3.5底座与吊梁的转动关节连接

这里采用柱式旋转支承装置,该装置由1个立柱和1个双列圆锥滚子轴承所组成。

由于轴承是标准件有配合要求,在这里选用10979/1120轴承。

内圈采用H7/n6基孔制配合,外罔采用N7/;;6基轴制配合。

采用基孑L制配合的轴在配合处的表面粗糙度为1.6,孔为3.2。

采用基轴制配合的轴和孑L在配合处的表面粗糙度为3.2。

3.6柔性部件（绳的设计

该设计的钢丝绳既要绕过滑轮组和卷筒,还有部分绳索要直接绑在某些框架结构上,故部分绳索的端部要同定。

绑在上平台上的绳索采用绳卡固定法。

钢绳的直径23mm,所需绳卡数量为4个,绳卡的型号Y7—22。

3.7滑轮的选择

滑轮由支轴、支座和轮盘等组成,滑轮尺寸由其所承受的压力决定。

滑轮主要用来供钢丝绳导向和平衡钢丝绳拉力的作用。

3.8驱动系统组件的设计

驱动系统组件包括电机、减速器、联轴器和

一13—　万方数据

绞盘等部分。

（1绞盘中卷筒的选择

卷筒组是起升机构中用来卷绕钢丝绳的部件,由卷筒、连接盘、轴承支架等组成。

在起重行业上应用最多的卷筒组是带有齿轮连接盘的卷筒组、带大齿轮的卷筒组和短轴式卷筒组。

本文所述为短轴式卷筒组,其卷筒和减速器输出轴用法兰盘刚性连接,并用分开的短轴代替整根卷筒长轴,此结构比过盈配合的工艺性好,能提高轴的疲劳强度。

短轴式卷筒组结构简单,调整和安装方便。

卷筒一般采用不低于HT20一HT40的铸铁,特殊需求可用铸钢或3号钢板焊接而成。

（2电机的选择

电机的选择应满足机械生产、电网电力和环境的要求,并按技术经济合理的原则选择。

选定的电机应对其起动能力、过载能力,温升等进行检验。

起重行业上使用的电动机有直流和交流2大类型,其中绕线型电机应用最广泛。

该设计选用可编程序进行控制的电机。

因此只能选用伺服电机或步进电机。

（3联轴器的选择

减速器与电机连接端的联轴器选用挠性联轴器。

由于电动机转速高,起动频繁,又是变载传动,且工作环境温差变化比较大,故选用弹性圈柱销联轴器。

（4减速器的选择

在起重行业中最常用的是标准的卧式减速器及立式减速器,在重载起重的情况下一般选用传动比大的减速器。

为了适应机构布置紧凑性的要求,有时将立式减速器的被动轴做成空心的‘,直接套装在机构的轴上。

圆弧齿轮减速器应用广泛,使用证明圆弧型齿轮减速器比其他减速器寿命长,故该设计选用圆弧齿轮减速器。

4绳牵引并联机器人的动力学与控制研究

4.1绳牵引机器人的动力学研究

动力学模型是控制系统设计的基础,其准确性直接影响控制系统的性能。

首先对这种6自由度双动平台绳牵引机器人进行运动学分析,然后对其建立关于力和力矩的平衡方程。

在动力学模型中,必须考虑如海浪波动、风力等对机器人有影响的干扰因素。

一14—4.2绳牵引机器人的控制

滑膜可变结构系统的依据是通过改变控制器的结构得到预期的响应,其优点是快速响应、瞬变特性好以及对外部干扰和参数变化不敏感’6j。

而计算转矩或是逆解法这些标准控制方式对不确定性参数非常敏感。

亦即在机械臂惯量、负载或是摩擦项方面会不精确,故滑模变结构系统被广泛用来设计实际控制系统,例如伺服系统、机械手臂、飞行控制器等。

滑模变结构控制是可变结构系统的1种,可用于有不确定因素情况下的双动平台绳牵引机器人的控制。

原因是滑模变控制不仅能提供精确的鲁棒响应,还可使系统响应对于系统参数和负载扰动的变化不敏感‘孔。

采用鲁棒控制器来控制末端执行器（下平台,利用冗余度。

L来解决绳的正拉力问题。

控制的首要任务是跟踪目标的运动,所以将上平台的方位作为系统中的次要变量,额外的自由度不仅保证绳索持有正拉力,且用1个简单的方式限定了自由变量。

5绳牵引并联机器人运动补偿

实现运动补偿,可将激光扫描仪器安装到上平台的撑杆上,并令其向下对准集装箱。

起重机和上平台的构造应具有足够的刚度以进行此操作。

为了感应货物相对于下平台的运动,激光雷达和照相机被安装在上平台。

从补给船取货之初（或是装载期间,激光扫描仪可扫描补给船来收集关于集装箱、单元位置和方位的信息。

为了提供起重机工作空间,光雷达测距信息被接收后将保存在控制存储器。

一旦被扫描,吊运集装箱或船室放置集装箱将进入其视野,此时激光雷达收集局部伺服撑杆到目标集装箱的位置和方位。

上平台突出的梁可让激光雷达和摄像机绕过平台进行观察。

在保持离集装箱或单元有1个安全距离直到可以提取或放置集装箱时,起重机控制电脑利用雷达数据获取撑杆到集装箱或放置集装箱的单元位置和方位。

操作者可利用照相机对集装箱、下撑杆和船的甲板进行近距离观察。

从获得的数据中提取所放置目标的三维坐标值,输入到电脑的控制系统中去,经过处理后,数据输出到控制器上,通过控制器准确地将集装《起重运输机械》2009（9

　万方数据

箱放置到所要放置的地方。

6结束语

通过对海上绳牵引并联机器人的设计开发,采用部分柔性化的机器人将会更好的经受住海上风浪的影响,增加了整个结构的超静定性,使吊装机构能更准确的吊起和放置货物。

框架式的平台可简化机器人的结构,减轻吊具重量,使机器人能够吊起更多载荷。

但系统要采用的控制系统比较复杂,且其运动补偿也比较困难,这些将是今后研究的重点。

参考文献

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7郑亚青.绳牵引并联机构若干关键理论问题及其在风动支撑系统中的应用研究:

[博士学位论文].泉州:

华侨大学。

2004:

2一104

作者:

吴建坡

地址:

福建泉州市华侨大学机电及自动化学院150号信箱

邮编:

362021

收稿日期:

2008—10—22

圆管带式输送机桁架粱的简化计算

太原科技大学郭遐文豪王全伟

摘要:

分析了圆管带式输送机平行弦桁架梁的受力特点,归纳了特殊结点中各种零杆的判别方法,综合运用结点法和截面法,总结出桁架梁各个杆件内力计算递推公式,使桁架梁内力计算简单方便。

关键词:

圆管带式输送机;桁架梁;内力;结点;结构设计

Abstract:

ThepaperanalyzesloadsexertedOilparallelchordtrussedbeamforpipebeltconveyorandsummarizesthemethodfordistinguishingtheVSIjOUSzeromembersatthespecialnodes.Italsoderivestherecursiveformulaforcalculatinginternalforceofthemembers,makingthecalculationofinternalforceofthetrussedbeamsimpleandeasy.

Keywords:

pipebeltconveyor;trussedbeam;internalforce;node;structuraldesign

圆管带式输送机作为1种可空间弯曲布置的大倾角环保型连续输送设备,目前已逐步引起国民经济各行业的重视。

由于围管带式输送机使用现场线路复杂,经常出现较大跨度和水平弯曲与空间弯曲的组合,给梁的设计带来很多不利的因素,圆管带式输送机梁结构的稳定性和可靠性直接影响着整机的性能与安全。

本文研究了圆管带式输送机桁架梁的设计,总结了桁架梁计算公式。

《起重运输机械》2009（9l托辊窗体结构形式

圆管带式输送机箱形桁架梁的结构形式和尺寸与托辊窗体结构形式和托辊布置有关,托辊窗体结构根据托辊个数分为以下几种:

（11辊式如图1a所示,中间为一弧形主辊,两边用压辊封住,垂直面转弯时立放,水平面转弯时平放,托辊窗体的形式多为矩形;

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用于靠绑补给的绳牵引并联起重机器人的设计

作者:

吴建坡,郑亚青

作者单位:

福建泉州市华侨大学机电及自动化学院150号信箱,362021刊名:

起重运输机械

英文刊名:

HOISTINGANDCONVEYINGMACHINERY年,卷（期:

2009（9

参考文献（7条

1.陈明;宇可;张海洋船舶海上锚泊并靠货物补给装置研制[期刊论文]-机电设备2005（02

2.WilliamESchulz;MichaelMusatow;ChangbenJiang;ChristopherHiggins,JamesAlbus,RogerBostelmanSkin-to-skinreplenishment2008（02

3.郑亚青绳牵引并联机构若干关键理论问题及其在风动支撑系统中的应用研究2004

4.UtkinVIVariableStructuresystemswithslidingmode:

ASurvey[外文期刊]1977（225.陈国璋;孙桂林集装箱龙门起重机19836.王官逊;孟宪蕙;裘为章起重机设计手册1980

7.So-RyeokOh;So-RyeokOh;SunilKAgrawal;JamesS.AlbusAdual-stageplanarcablerobot:

dynamicmodelinganddesignofarobustcontrollerwithpositiveinputs[外文期刊]2005（04

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