多体柔性永磁吸附爬壁机器人

为实现永磁间隙吸附式爬壁机器人在复杂空间曲面上的可靠吸附与灵活运动,在分析爬壁机器人复杂空间曲面运行须解决的关键问题的基础上,基于爬壁机器人的多体动力学仿真和样机试验,设计了采用多体柔性吸附系统的间隙吸附式爬壁机器人,即爬壁机器人由轮式移动机构和吸附系统组成,吸附系统安装在轮式移动机构的底盘上,且和壁面是非接触的.吸附系统由多个相互独立的吸附装置构成,每个吸附装置通过具有2转动自由度的连接机构和轮式移动机构连接,并由被动的万向滚动轮部分或完全支撑在壁面上,各吸附装置在吸附力的作用下可自调节相对于壁面的位姿.对多体柔性吸附系统的曲面适应性进行优化.仿真及试验结果表明,多体柔性吸附爬壁机器人可自适应壁面形貌和曲率的变化,它在表面是复杂空间曲面的壁面上运行时的吸附和运动性能接近在平整壁面上运行时的相应性能,吸附可靠且运动灵活.     

复杂曲面水轮机叶片坑内修焊爬壁机器人的设计

为了实现三峡等大型电站水轮机叶片坑内修焊,设计了一种具有特殊永磁体布置方式的新型轮式爬壁机器人.该机器人采用差动驱动的轮式移动机构.机器人的永磁体围绕车轮集中、对称布置,使得机器人在叶片曲面上能保持稳定的吸附力.实验结果表明所研制的样机在叶片上吸附稳定,移动灵活,能满足水轮机叶片坑内修焊的要求.     

可自适应变曲率立面的分体柔性爬壁机器人设计与分析

为解决传统爬壁机器人在复杂大型金属立面上的变曲率自适应问题,以履带与曲面的有效接触为出发点,分析在自适应曲面运动时履带式移动构型的姿态变化规律,提出一种基于分体柔性履带移动与间隙式永磁吸附的自适应爬壁机器人;建立多状态下移动模型,分析机器人在变曲率立面移动及焊缝越障过程中利用自身姿态变化实现自适应的运动特性;构建间隙式永磁吸附模型,利用参数化仿真分析了壁厚、磁隙等对吸附能力的影响;通过样机平台试验表明,机器人能以合理的运动姿态实现在变曲率立面上的大负载灵活可靠运动,具有较好的变曲率自适应能力及越障能力.     

水轮机叶片坑内修复机器人修磨方式研究

介绍了一款自主设计的可进行水轮机叶片坑内高效率修复的磁吸附爬壁式机器人.经过实验验证得出:普通铣削的切削力、冲击过大不能用于水轮机叶片坑内修复,但可以进一步研究高速铣削的应用可行性.磨削可用于坑内修复,进一步实验证明采用缓进深切磨削修磨焊缝时效率高,磨削力较小,满足机器人的设计承载要求,可用于水轮机叶片坑内修复.     

立式金属罐容积检定爬壁机器人本体设计

介绍一种用于对立式金属罐容积检定的爬壁机器人设计方案。该爬壁机器人具有永磁吸附方式组成的吸附系统和四轮驱动式的轮式移动机构,其吸附系统镶嵌在轮式移动机构的车体中,且和壁面非接触。这种设计改进了传统爬壁机器人机械结构中存在的转向困难和容易对油罐壁造成损坏的缺陷,同时对其稳定性及可靠性进行了力学分析,并对总体控制系统设计进行了说明。着重阐述了直流电机与减速器的选型以及以AT89C51微控制器为核心构成的下位机硬件控制电路和相应的软件设计方法。     

具有自适应能力轮-履复合变形移动机器人的开发

针对非结构环境中路面软硬相间、平坦与崎岖并存的地形特征,结合轮式、履带式移动机构的运动优点,提出并研制一种对非结构环境具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人(NEZA-I).NEZA-I由控制箱体单元和两个相同的可变形轮-履复合(Transformable wheel-track,TWT)移动模块组成.每个TWT模块在一个驱动力作用下能以轮式和履带式两种运动模式在复杂路面上运动,也能根据地面约束力变化而改变运动模式(即轮-履互换)和调整运动姿态(即改变履带几何形状).对移动机构平台的设计方法不仅可提高驱动电动机的使用效率,也可简化对机器人的控制.试验表明,NEZA-I可通过调整自身机构以合理的运动模式及姿态通过复杂路面环境,具有较好的环境自适应性和越障性能,验证了该移动机构系统设计的合理性.     

轮足式磁吸附越障爬壁机器人设计与分析

针对现有爬壁机器人负载能力弱、复杂障碍地形下适应能力差以及运动柔顺性不足等特点,提出了一种基于轮足复合式运动与非接触变间隙永磁吸附的柔顺越障爬壁机器人。在分析石化储罐、船舶等非结构化设备作业环境特点和功能需求的基础上,融合构型主被动理念,设计了机器人移动本体并对主被动越障步态进行了规划;对机器人在不同工况下的稳定性进行分析,建立了机器人安全吸附的数学模型;建立了机器人直行与转向下的动力学模型,分析了机器人的转向灵活性;结合机器人金属立面智能控制需求,对机器人的智能控制系统进行了设计。通过样机平台实验表明,机器人能够实现灵活的主被动越障,具有自适应柔顺运动以及大负载的能力。     

多适应性轮履复合载物移动系统的设计

针对复杂的非结构化工作环境,为提高载物移动能力,提出了一种具有多适应性的新型轮履复合式移动系统。该移动系统由变径步行轮和履带系统组成,既发挥了轮式结构平地行走的转弯灵活性和运动高效的特点,又结合了履带式结构爬坡时良好的稳定性和适应性。同时,为进一步提高爬坡时货物的安全性,设计了自适应载物升降平台,通过陀螺仪运用卡尔曼算法进行平台倾角的闭环控制,实现了平台的水平载物。运用RECURDYN软件进行动力学仿真,并制作了实物模型实施了验证,结果表明：该移动系统具有较好的复杂工作环境的适应性和载物的平稳性。     

高通过性与平稳性月球车移动系统设计

月表行驶环境恶劣,这对月球车移动系统提出了更高的要求。为提高月球车的移动能力,提出一种具有高通过性和载荷平台平稳性的新型月球车移动系统。该移动系统由正反四边形机构悬架和伸缩叶片复式步行轮组成。正反四边形悬架是一种适用于六轮月球车的非独立悬架,通过与摇臂式悬架进行受力和姿态运动的对比分析和仿真对比分析可知,它可以使月球车具有较高的越障性能并在越障过程中保证载荷平台的相对平稳。同时,针对不同松散程度的月壤,根据车轮―土壤力学原理,设计出伸缩叶片复式步行轮。该种车轮最突出的特点是能够根据车轮与土壤间的相互作用关系,自适应调节叶片入土深度,从而改变车轮的牵引能力、平顺性和能耗。对该种移动系统进行多项移动性能试验,结果表明,该种新型移动系统具有较高的越障能力和保持载荷平台平稳能力,能够在恶劣路况下最大限度的发挥车轮的牵引能力,而且在路面通过性良好时尽可能的节约能耗,增加车轮滚动的平顺性。     

油罐内壁除锈爬壁机器人吸附机构设计

为提高在役油罐内壁除锈作业的安全性与可靠性,可采用爬壁机器人替代人工作业,在进行除锈爬壁机器人设计时,吸附机构尤为重要。考虑到爬壁机器人的作业表面为凹凸不平的锈蚀表面,以及要克服喷枪除锈的反作用力,文中设计了一种基于新型稳态永磁吸附操动机构原理的永磁吸附机构,基于传统的永磁操动机构,用永磁体代替传统永磁操动机构通过动铁芯作为驱动部件,磁力直接作用永磁体使合、分闸速度达到一致;针对传统永磁操动机构在合、分闸过程中不能准确复位问题,该永磁操动机构采用三稳态操动机构的理念,增设刚性弹簧来达到该永磁操动机构的自锁功能,该机构通过驱动轴连接永磁吸盘进行非接触吸附,着重解决了爬壁机器人在运行过程中吸附的稳定性及工作完成后摘取的方便性。文中还研究分析在该永磁吸附机构下,爬壁机器人在壁面静态失稳状态下的吸附力分布情况及运动学分析,结果表明该永磁吸附机构能够满足油罐内壁除锈机器人的吸附与移动要求。     

Mobile platform for hydraulic turbine blade repair robot

The wall-climbing mobile platform (MP) of a robot for repairing a hydraulic turbine blade onsite is developed. The MP is equipped with ferromagnetic adhesive devices and can work on a spatial curved surface. The contradiction between mobility and load-bearing ability is analyzed, and the problem of self-adaptation to the curved face is solved using differential-driven wheeled locomotion with ferromagnetic adhesive devices. The platform adheres to the blade surface through the force provided by the ferromagnetic devices, and a certain gap exists between the magnetic devices and the blade’s surface. A mechanism of three revolution degrees of freedom, which connects the magnetic devices with the platform’s chassis, is developed to make the platform self-adapt to the complex curved surface of the turbine blade. A proof-of-principle prototype has been manufactured, and experiments prove the success of the MP. The payload of the zero-turn-radius MP with excellent maneuverability exceeds 80 kg. The platform can automatically adapt to complex spatial surfaces, which satisfy the requirements of a hydraulic turbine blade in-situ repair robot.     

Mobile platform for hydraulic turbine blade repair robot

The wall-climbing mobile platform (MP) of a robot for repairing a hydraulic turbine blade onsite is developed. The MP is equipped with ferromagnetic adhesive devices and can work on a spatial curved surface. The contradiction between mobility and load-bearing ability is analyzed, and the problem of self-adaptation to the curved face is solved using differential-driven wheeled locomotion with ferromagnetic adhesive devices. The platform adheres to the blade surface through the force provided by the ferromagnetic devices, and a certain gap exists between the magnetic devices and the blade’s surface. A mechanism of three revolution degrees of freedom, which connects the magnetic devices with the platform’s chassis, is developed to make the platform self-adapt to the complex curved surface of the turbine blade. A proof-of-principle prototype has been manufactured, and experiments prove the success of the MP. The payload of the zero-turn-radius MP with excellent maneuverability exceeds 80 kg. The platform can automatically adapt to complex spatial surfaces, which satisfy the requirements of a hydraulic turbine blade in-situ repair robot. __________ Translated from Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006, 42(11): 156–161 [译自:机械工程学报]     

基于Pro/E软件平台的混流式水轮机转轮叶片形状拟合

根据混流式水轮机叶片设计方程，基于Pro／ENGEINEER软件设计平台，对混流式水轮机叶片进行了形状拟合，得到了叶片拟合形状，完全符合叶片加工的工艺要求，也为研制水轮机修复专用机器人提供了研制条件。     

基于UG的汽轮机叶片叶身自动造型系统

汽轮机叶片叶身型面比较复杂,在通用CAD系统中,根据数据点拟合出内、背弧样条曲线,修进出汽边圆角,最后根据每个截面形状得到叶身实体,都是比较复杂的过程.文章通过对常用UG二次开发的方法的研究,提供了一种叶片三维参数化造型方法,简化了造型过程,在实践中,此系统高效,便捷,并有较强的适应性,提高了生产效率.     

基于UG/Open GRIP的汽轮机叶片三维自动建模研究

在对汽轮机叶片型面特征分析的基础上,基于UG4.0软件平台,利用其二次开发工具UG/Open,完成了汽轮机叶片三维自动建模系统软件的开发,实现了汽轮机叶片的快速造型,大大提高了叶片造型的效率和品质,为后续的叶片分析和数控加工研究奠定了基础。     

基于中弧线的叶片蜡模模具型面优化方法

针对高精度复杂涡轮叶片成形精度难控制的问题,提出了基于叶型中弧线的蜡模模具型腔优化设计方法。对反映中弧线几何特征的参数进行提取与偏差分析后进行逆向迭代,经过对叶型的复原和对叶身的重构,建立优化的蜡模模具型腔,实现了对叶片凝固和冷却过程中非线性变形的补偿。与有限元法模具型腔逆向设计方法相比,无需后续复杂的曲面拼接和光顺技术。采用该方法对某型涡轮叶片蜡模模具型面进行优化,使铸件的尺寸误差得到了大幅度降低。数值模拟与实验结果吻合情况良好,经过4次迭代优化,得到的仿真铸件模型与设计模型的二维偏差平均值由优化前的0.350 94 mm降低至0.111 51 mm。     

汽轮机叶片参数化设计关键技术研究

为提高汽轮机叶片的设计质量和设计效率，以Access数据库为核心，利用VC＋＋语言开发了一套基于UG平台的汽轮机叶片参数化设计软件。研究了叶片3维造型及2维工程图绘制的关键技术，给出了叶身造型的关键步骤。为了生成参数化的叶片2维工程图，给出了工程图布局的算法，提出了用优化与样条插值相结合求相贯线的方法和工程图尺寸函数开发的旋转法。应用该项技术开发的叶片设计系统已在某汽轮机厂的叶片设计中得到应用。     

基于Pro/E的钻井涡轮叶片造型设计

针对涡轮叶片复杂的型线造型,探讨了利用Pro/E进行建模的方法,根据现有的几种设计方法提出不同的造型方案。对不同的造型方案进行了比较,最后对生成的实体表面进行了曲面分析。     

叶片厚度对混流式核主泵叶轮能量性能影响研究

基于三维不可压缩流体N-S方程和RNGκ-ε湍流模型,对混流式核主泵叶轮水力模型的能量性能进行了数值预测,研究了不同叶片厚度及其分布规律对混流叶轮模型水力性能的影响。通过分析叶轮叶片压力面、吸力面的静压分布,获得叶片表面的载荷分布及其变化规律。结果表明:随着叶轮叶片厚度减薄,最高效率值有所增大且高效点向大流量工况偏移;当叶片最厚处位置在靠近进口边约1/3处时,叶轮水力效率值最大;随着叶片最厚位置由进口向出口移动时,最高效率点向大流量工况偏移。     

复杂背景下三维弯曲表面红外测温修正

航空发动机涡轮叶片的断裂脱落与叶片温度密切相关,准确测量涡轮叶片温度对航空发动机的安全运行具有重要意义。针对涡轮叶片材料发射率不均匀、周围高温物体反射严重以及探测角度变化等因素导致传统红外辐射测温方法精度难以保证的问题,基于辐射传输理论与红外热成像测温原理,分析了对红外测温结果影响的主要因素,提出了复杂背景下三维弯曲表面红外辐射测温的修正模型。通过设计实验测量获得弯曲表面的发射率、双向反射分布函数、角系数等重要参数,根据提出的温度修正模型,得到弯曲表面红外修正温度。通过与典型位置上热电偶的测温结果对比,测温误差由修正前的4%左右下降到1%以内,证明了所提的修正模型具有较高的精度和适应性,可为涡轮叶片气动传热试验技术的提升和航空发动机等重大装备的研制提供支撑。