CN101927797A - 一种钢铁表面自由行走作业小车 - Google Patents

Abstract

一种能在与地面成任何角度的弯曲的钢铁制品表面用车轮自由行走的作业小车，用于安装喷砂、油漆等各种作业设备进行各种作业。小车的前进、后退、转向和作业设备的操作由遥控操作箱或地面操作箱通过电缆控制。监测和操作信号通过并行或串行方式传输。曲面自适应磁性吸盘使用强力永久磁铁，有铁制的磁极靠近行走面工作。车轮与磁性吸盘之间有弹簧，或将车轮与吸盘置为一体，以适应行走面的起伏，保证吸盘与行走面之间保持最小的工作间隙。车轮外包高摩擦、高弹性材料，与车轮骨架有沟槽结合。车轮带有摆动架以适应行走面的横向倾斜。具有对行走面起伏的自适应旋转连接和转向需要的旋转连接。有配套接应车用于运送、安装、储存小车。

Description

一种钢铁表面自由行走作业小车

一、技术领域

在工业生产中、生活中常需要某些作业装置能在一定范围的一块区域内自由移动。用人工来移动这些装置可能是很费工力的事情。为此可以设计一台可以在一定范围的一块区域内自由移动的小车，将作业装置安装在小车上，随时移动作业装置进行连续的作业。

有时作业装置还需要在地面、平台以外的区域工作，比如造船厂、钢结构厂、大型机械制造厂等地方，在制造、修理船舶、钢梁、桁架、箱体等结构件时，常需在高处进行焊接、气割等工作。构件、设备制作成型后，最后还需除锈、油漆后才能交付使用。这些船舶、钢梁、绗架、箱体等结构件常常有高大的、垂直的表面，有的高大表面与地面的角度甚至超过90°。比方船体的外表面与水平面成的角度一般都超过90°。船底表面则接近为倒置的水平面，与水平面的角度接近180°。

对这些钢铁制品的表面进行作业、处理一般需搭脚手架进行作业。搭脚手架所费的辅助作业时间往往是主作业的好几倍，且高空作业易发生安全事故。为此也有使用登高车作业的，但登高车价格昂贵，作业效率也不是很高。如能使用可以吸附在钢板表面自由行走的作业小车，则可以提高工作效率。

本发明涉及用于安装作业装置进行自行走作业的小车，各种起重、运输车辆及平整地面、轨道行走的各种行走设备不在此范围。

二、背景技术

能在一定的区域自由行走的方案很多，一般多使用数对车轮行走。为了小车能在一个区域行走，小车还应有转向机构。

利用磁铁的吸力，可以使其本身并装载若干物品吸附在钢铁制品表面。用磁铁产生吸力，可以直接使用带磁性的车轮。也可以使用安装了磁铁的履带。前者由于车轮圆弧面与行走面(局部可以看成平面)只有很小的接触面，不可能构成很大的吸引工作面，因而不容易产生很大的吸力。后者有可能产生较大的吸力，但磁铁利用率多不到一半，磁铁单体与钢板吸合或分离时会对驱动机构产生额外的冲击负荷。且履带转向时磁铁会产生很大的阻力与磨损。

多数磁性吸附小车使用的吸盘，其磁路大致有以下两种方式。

一种方式是将单块的磁铁的一个磁极面对着被吸附面放置，直接作为吸引工作面。这种放置方式由于包含长距离的空气磁路，不可能产生较大的吸引力。

另一种方式是将两块磁铁一正一反地放置在一块轭铁上连接成一体，和轭铁构成一个“∏”字形磁路的吸盘。将这种吸盘的两块磁铁的另外两个磁极面对着被吸附面放置，直接作为吸引工作面。这种放置方式比单一磁铁的吸力增强。

上述吸盘都直接利用磁铁本身的磁极作为吸盘的工作磁极，很难有足够的吸力，磁铁也容易受损。

多数磁性吸附小车的吸盘直接固定在小车上，为了防止吸盘被起伏的行走面卡住，平时不得不保持较大的工作间隙，因而不可能有产生较大的吸力来承载负荷。也有的专利方案将吸盘的一头固定在小车上，另一头用小轮拖在行走面上，以图保持较小的工作间隙。但结果适得起反：间隙缩小所增强的吸力极其有限，小轮却白白浪费了吸盘的吸力。

在行走面为平面时，车轮与行走面一般有足够的附着力。但当行走面高低起伏时，常常会有1个或更多车轮脱离行走面，使驱动附着力降低，行走发生异常。为此还需为小车设计悬挂机构，但这样一来，小车结构大为复杂。

在喷砂、涂装等作业中，需要扫描式的行走作业方式。要求后一扫描轨迹与前一扫描轨迹保持一个比较精确的平行距离，以避免漏扫、重扫。在小车可作自由行走的情况下，要达到该要求，往往需要人工操作，并且也不理想。

作业小车因带有强力吸盘，要其脱离工作面相当困难；有时工作面下缘离地有一定距离，作业小车无法驶上工作面；地面上还有设备与小车配合使用，需要一个收纳全套设备的物件，以往的作业小车没有这方面的考虑。

三、发明内容

本案将吸力的产生与行走机构分离，可解决上述矛盾。

1.磁性吸盘

吸盘产生磁力，可以使用电磁铁，也可以使用永久磁铁。本发明使用钕铁硼等强力永久磁铁，具有安全、省电的特点。磁性吸盘不直接使用磁铁的磁极作为吸盘的磁极，而是使用铁板夹住钕铁硼等强力永久磁铁，利用铁板构成吸盘的磁极。其呈S、N两种极性的铁制磁极靠近行走面安放，各有一个面与行走面(被吸附的钢铁制品表面)保持一个较小的工作间隙。对于总负荷能力(包括小车自重和电缆、软管的拖拽负荷)小于1t的小车，工作间隙不超过20mm，超过1t的小车，工作间隙不超过50mm。铁制磁极的工作面积小于磁铁的面积。这种吸盘可以产生很大的吸力，并且磁铁受到较好的保护。

2.磁性吸盘曲面适应

理论上说，磁性吸盘与行走面的间隙越小越好。但由于行走面不是平面，固定安装在小车上的吸盘不容易与被吸附的钢铁制品表面时时保持较小的间隙。为此考虑在吸盘与车轮之间设置弹性连接。

设置弹性连接的一般方法是通过弹簧将吸盘悬挂在车体上。当吸盘的吸力与弹簧的弹力平衡时，吸盘即悬浮在该位置。

设置弹性连接的另一个方法是使用有弹性的小车梁架，即小车梁架同时兼任弹簧的工作。这种方法可以简化设备结构。

还有一个方法是在小车梁架和车轮之间放置弹簧。

在吸盘上还设置小轮，突出吸盘工作磁极面少许。小轮一般不与被吸附的钢铁制品表面接触，不浪费吸力。当被吸附的钢铁制品表面有较高的拱起时，小轮接触被吸附的钢铁制品表面。由于有弹簧的作用，吸盘可以被轻松顶起，防止吸盘与被吸附的钢铁制品表面刮擦。因此吸盘可以时时保持较小的工作间隙。

使吸盘与被吸附的钢铁制品表面时时保持较小的工作间隙的另外一种方法是将吸盘钢铁制的磁极安放在车轮两旁，车轮比磁极凸出一个很小的高度，将磁铁放置在车轮中心面上车轮的近旁或干脆放置在车轮内。可以适应被吸附的钢铁制品表面较大的起伏。

3.行走机构

由车轮实现行走。

为了实现小车的转向，需要设置转向机构。

一种转向的方法是为每对驱动车轮安装差速机构。在这种方式中，两个车轮合用一台驱动机。驱动机带动减速机和差速机构。差速机构的两个输出半轴可以直接带动车轮，也可以再经过传动机构带动车轮。转弯时，由转向操作机构推动该对车轮，使车轮的方向偏离原行驶方向，小车行驶方向也跟着发生偏转。此时转弯内侧的车轮将额外受到行走面的阻力而减速，而外侧车轮则相反，避免了两个车轮在行驶面上的滑动。对于具有多对驱动轮的小车，各对驱动轮的转向由控制系统协调控制。

推动车轮偏转的方法也有两种，一种是推动两个车轮一起绕一个共同的偏转轴线旋转，另一种是推动两个车轮绕各自的偏转轴线旋转。

另一种转向的方法是为每个驱动车轮安装一套驱动机构。驱动机构包括马达和减速机构。转弯时，由转向操作机构推动该车轮，使车轮的方向偏离原行驶方向实现转向。各驱动轮的转向由控制系统协调控制。

上述的转向的概念是改变车体的方向。还有一种改变小车行进方向的办法是将各个车轮同时相对车体偏转一个相同的角度。则车体的方向不变，而小车可以相对于车体方向斜走甚至于横走。

斜走或横走对小车的扫描式作业非常有用。但是，光有斜走、横走能力的小车并不实用，因为假如小车主轴方向有了偏差，或各车轮的方向不完全一致，小车的反方就无法得到方便的纠正，因此有斜走功能的小车也必须考虑转向功能。

4.行走曲面起伏适应

小车在曲面上行走时，如果行走面起伏引起某个车轮脱离行走面，将使未脱离行走面的车轮的驱动负担加重，并可能导致转向机构异常动作。

一般的超过三个车轮的行走系统中，如未设计悬挂机构，则在曲面上行走时，经常只有三个车轮接触行走面，并且经常只有两个车轮与行走面保持较高的附着力。

本发明设计了一种曲面起伏适应旋转机构。将每对车轮安装在一个横臂上，该横臂通过一根与车体轴线方向平行的旋转轴与另一对车轮的横臂连接。其中一对车轮的横臂可以由车体充当。该种旋转机构可以保证车轮均接触行走曲面，并保持原有的附着力不变。

5.车轮及曲面横向倾斜适应

为了使车轮在爬坡、爬壁时由足够的附着力，在轮辋外包裹既有较大的摩擦力，又有良好弹性的材料，比如橡胶或聚氨酯等来增加接触面积。另外，在车轮骨架上制作沟槽以保证与包裹材料的紧密结合。小车在曲面上行走时，如果车轮下行走面横向倾斜，将引起车轮与行走面的接触面积大幅度降低，靠弹性材料也不能保证车轮与行走面有足够的接触面积，车轮将迅速磨损或损坏。为此可以设置沿车轮的行进方向的摆动转轴，行走面横向倾斜时，车轮因压力而自动摆动旋转，经常保持与行走面的良好接触。

6.扫描式行走

为了在喷砂、涂装等作业中实现自动扫描作业，本发明使用剩磁检测技术检测前一扫描时磁性吸盘在行走面上留下的微弱剩磁，送往智能控制设备(如PLC)进行判断分析。具体方法是，在小车上安装检测臂，上面安装剩磁探头，探头可受搜索指令而作搜索移动。当磁迹正常(信号明显，极性正确，转弯曲率半径符合小车行走特点)时小车由磁迹控制行走路线；当磁迹不正常时则暂时保持直走，加大磁迹搜索范围，直到搜索到正确磁迹，或发出故障停机信号。

7.接应车

本发明使用了一个接引车作为自走式小车的配套附件。接引车有一个钢铁制的行走面，移动接引小车将该行走面靠近工作面，可帮助小车驶上工作面和驶离工作面。小车不使用时储存在接引车内。电缆、较细的软管、操作箱等也收纳在接应车上。

四、附图说明

图1是吸盘的结构示意图。其中图1a是使用一个磁极作工作面的吸盘，图1b是两块磁铁用一块轭铁连接的吸盘，图1c是用两块磁极钢板夹住永久磁铁构成的吸盘。图中1是磁铁，2是轭铁，3是吸盘钢板磁极的工作面，4是被吸附的钢铁制品表面。

图2a和2b是磁性吸盘曲面自适应机构的弹性连接结构示意图。其中图2a使用压簧，图2b使用弹性横梁。图中11是吊杆，与吸盘18相连，杆上部有螺纹，12是螺母，13是压盖，14是弹簧，15是弹簧座筒，与横梁16连接，17是小轮，19是车轮，20是车轮支架。

图3是车轮摆动及单轮独立转向机构示意图。图中21是摆动架支架，22是车轮摆动轴，23是车轮包覆材料，24是轮辋，25是轮轴，26是车轮摆动架长边，可兼作磁铁内藏式吸盘的磁极，27是转向节外壳，与小车横梁相连，28是转向轴，29是车轮摆动架短边，30是车轮内空间，磁铁内藏式吸盘的磁铁装在该位置。

图4是行走曲面起伏自适应及双轮共轴转向机构的示意图。图中21是摆动架支架，27是转向节外壳，16是小车横梁，33是小车主梁，31是曲面起伏自适应转轴。32是双轮共同转向轴。

图5是1种4轮4变频马达驱动可斜走的小车的实施方案。图中41是减速机，42是马达，21是摆动架支架，27是转向节外壳，与小车横梁16相连，45是转向臂，一头固定在摆动架支架，一头与转向动力缸52相连，47是转向臂连杆，48是磁性吸盘小轮，18是磁性吸盘，50是磁性吸盘悬挂弹簧筒，31是曲面起伏自适应转轴，53是小车纵轴线，33是小车主梁，55是安装在小车上的自动喷砂作业装置。

图6是1种4轮2变频马达差速机构驱动的油漆涂装作业小车的实施方案。图中57是车轮总成，包括车轮、摆动架和车轮内藏磁铁的磁性吸盘，58是传动链条，52是转向动力缸，41是减速机，54是差速器，32是转向轴，42是马达，33是小车主梁，56是油漆涂装设备安装区。

图7是1种2轮2伺服马达驱动的小车的实施方案简略示意图。图中21是车轮摆动架支座，22是车轮摆动轴，59是车轮摆动架，41是减速机，42是马达，60是小车底板。W是万向非驱动轮总成，其中19是车轮，25是轮轴，20是轮叉(车轮支架)，28是转向轴，27是转向节外壳。

五、具体实施方式

图5是1种使用4轮小车进行喷砂作业的实施方案。在该实施方案中，小车由两部分构成，装有四个驱动车轮。每一个车轮均有自己的变频驱动马达42、减速机41、摆动机构(图中只画出了摆动架支架21)和转向节(图中只画出了转向节外壳27)，构成一个车轮总成。每两个车轮总成的转向节外壳通过横梁16连接在一起。磁性吸盘18安装在两个驱动车轮之间，通过两个弹簧50悬挂在横梁上，吸盘两侧有最小工作间隙限制小轮48。其中一对车轮的横梁与车体33通过平行于车体纵轴53的旋转轴31相连接。每个车轮总成上都有一个转向臂45，共用一根横梁的两个车轮总成的转向臂用一根连杆47连在一起，用一个动力缸52推动。连杆的长度根据需要而异，需要转向时，没置成梯形机构；需要斜走或横走时，设置成平行四边形机构。车体主梁下安装钢板表面处理用的喷砂设备，图中仅画出了除尘罩55。

小车通过电缆、气管与地面操作控制箱、电源、空压机、除尘设备等连接，地面操作控制箱通过电缆控制小车的行走和喷砂作业。车上的磁迹检测、小车方向、行走路径终点、喷砂作业参数、喷砂处理品质等各种信号通过电缆与地面连接。信号较多时采用信号编码技术，将并行信号转换成串行信号传送。当作业范围较大时，使用遥控操作箱操作。

图6是另1种4轮小车的实施方案。在该实施方案中，小车由两部分构成，通过转向轴32连接。装有四个驱动车轮总成57。吸盘的磁铁安放在车轮内。车轮通过链条58与差速器54连接。

每两个车轮使用一套变频驱动马达42、减速机41和差速器。转向通过动力缸52推动一对车轮的总体绕转向轴旋转来实现。

小车梁架33中部为油漆涂装设备安装区56。

小车与涂装作业的控制与前一方案相类似。

图7是1种2轮驱动小车的实施方案。在该实施方案中，每一个驱动车轮(图中仅画出了摆动架)，均有自己的伺服驱动马达42、减速机41、摆动架59与磁性吸盘，与其构成一个吸盘一体式驱动轮总成。摆动架支座21直接固定在小车底板60上，摆动架摆动轴22可在摆动架支座中旋转。吸盘的磁铁安放在车轮内。另有2个非驱动轮，安装得靠近行走面，但与行走面之间保留一个小间隙，仅在车体前后倾斜时才有一个非驱动轮接触行走面。非驱动轮使用万向轮结构，包括车轮19，轮轴25，轮叉20，和转向节。轮叉与转向轴28固定，转向轴可在转向节壳27内通过轴承旋转。小车转向时会自行调整方向，永远保持车轮方向与行走方向一致。该方案不需特意设置的转向机构。只要分别控制两个驱动轮的转速即可实现前进、后退和转向。在底板60上可以安装作业设备。该方案因只有两个驱动轮，成本较低，适合在行走面起伏较大，作业设备分量较轻的场合使用。

该方案如要求可以斜走，则需要为每一个驱动轮配置转向机构。

该方案也可将驱动轮和非驱动轮的位置互换，则两个车轮可以等速驱动。如不要求斜走，则非驱动轮可以不使用万向轮结构。

Claims (10)

1.一种使用磁力吸盘在钢铁制品表面用车轮自由行走的作业小车，作为各种需要自由移动的自动化作业设备的行走装置。钢铁制品表面可以是平面，也可以是曲面，与水平面可以成任何角度的。车轮分驱动轮与非驱动轮两种。其特征是：小车使用变频马达(或伺服马达)驱动。驱动车轮的轮毂、幅板、轮辋使用钢铁、铝合金等材料制作，轮辋外周包裹橡胶、聚氨酯等具有高摩擦系数、高弹性的材料，轮辋上制作凹凸结构以保证与包裹材料可靠结合。车上装有主体由钕铁硼等强力永久磁铁和铁制磁极构成的行走面起伏自适应磁力吸盘，铁制磁极的工作面积小于磁铁的面积，S、N两种极性的铁制磁极靠近行走面(被吸附的钢铁制品表面)，与其保持的距离不超过50mm。作业小车可根据作业设备而异，在其上设计安装作业设备的地方。在地面或方便人员操作的平台上有一个操作控制箱，可以操纵小车的前进、后退、转向等，及操作安装在其上的作业设备。小车通过电缆与地面控制箱相连。另外还可以有一个无线电或红外线遥控操作箱，同样可以操纵小车及安装在其上的作业设备。另外还有一个接引车作为自走式小车的配套附件。接引车有一个钢铁制的行走面，移动接引车将该行走面靠近工作面，可帮助小车驶上工作面和驶离工作面。小车不使用时储存在接引车内。

2.如权利要求1所述的自走式小车，其特征还在于：所述的行走面起伏自适应磁力吸盘与驱动轮之间为弹性连接。磁力吸盘通过弹簧悬挂在小车梁架上，或悬挂在有弹性的梁架上，或在小车梁架和车轮之间安装弹簧。磁力吸盘下装有小轮以防止碰擦行走面。

3.如权利要求1所述的自走式小车，其特征还在于：所述的行走面起伏自适应磁力吸盘的永久磁铁安装于行走车轮之内或近旁，工作磁极紧靠在车轮两侧，可兼作车轮轴两端的支撑架。

4.如权利要求1所述的自走式小车，其特征还在于：小车可以由两部分或更多的部分构成，两个相邻的部分用关节相连。关节可分两种，一种是绕平行于前进方向的轴线的转动，可保证每个驱动轮都与行走面接触。一种是改变车轮在行走面上行走方向的转动，以实现转向。

5.如权利要求1所述的自走式小车，其特征还在于：驱动轮可沿与车轮行进方向平行的轴线摆动，自动保持驱动轮踏面中部与行走面相切。

6.如权利要求1所述的自走式小车，其特征还在于：小车装有数个驱动车轮。每个车轮均有自己的驱动机及减速机，部分或全部轮子带有转向机构，其前进方向可以通过转向机构随意改变。通过分别或同时控制部分或全部车轮的方向及转速，可以实现小车的前进、后退、横行、斜行、转弯或定位。

7.如权利要求1所述的自走式小车，其特征还在于：小车有数对驱动车轮。每对车轮均有驱动机和减速机。其中的数对车轮的轴被分为两个半轴，该对车轮由同一个动力通过差速机构驱动，其前进方向可以通过转向机构随意改变，实现实现小车的前进、后退、横行、斜行、转弯或定位。

8.如权利要求1所述的自走式小车，其特征还在于：在地面操作控制箱和车上控制箱的信号传输中，使用了信号编码技术，各种检测信号和控制信号被转换成串行信号在两者之间通过有线或无线方式传送。控制箱内使用PLC作为核心控制器件。

9.如权利要求1所述的自走式小车，其特征还在于：使用剩磁检测分析技术实现小车的自动扫描作业。

10.如权利要求1所述的自走式小车，其特征还在于：车上可以安装喷砂、喷丸、抛丸或涂装等设备进行相应作业，喷嘴安装在除尘罩内。喷嘴、除尘罩各有软管与地面空压机、除尘等设备相连。

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