CN104875808B - 一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人，包括行动装置、喷磁装置、磁化装置、打标装置；在机架上安装有减震结构的磁吸附轮；四个E型探头通过柔性连接头与偏心凸轮驱动装置连接；打标装置包括推拉型电磁铁，在电磁铁的底部安装有标记印章。这种爬壁机器人可以牢固地吸附于罐体壁面，磁探头通过弹性连接可以有效地提高避障能力，完全可以替代目前的人工作业，提高探伤效率、降低人身伤害。

Description

一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人

技术领域

本发明涉及的是一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人。

背景技术

高空大型设备，如压力容器、港口物流设备等，都需要定期进行安全检测，磁粉探伤是最为常用的无损检测方法。目前，无损检测工作主要由人工实现，存在工作繁琐、效率低下、危险性高等问题。

爬壁机器人是一种能吸附在罐体表面的可移动自动化设备，可以在核工程、消防和大型非结构设备的制造和维护等危险和极限环境下代替工人完成工作。

发明内容

为解决现有技术用人工对设备的进行磁探伤检测工作繁琐、效率低下、危险性高等问题，提供一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人，这种自动化设备能极大地提高磁探伤效率，并且消灭了人员损伤。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人，包括行动装置、喷磁装置、磁化装置、打标装置；

行动装置包括机架，在机架上安装有两组磁吸附轮，每组磁吸附轮分为主动轮和从动轮，主动轮与从动轮通过同步带连接，主动轮与驱动电机连接；磁吸附轮的转轴安装在抱毂上，抱毂上固定有弹簧轴，弹簧轴穿过机架的竖向通孔，弹簧轴顶部设有挡片，在弹簧轴外侧、机架的两侧安装有弹簧；

磁化装置，磁探头包括四个E型探头，这四个E型探头固定在工字形连接件的末端，柔性连接头设有上连接板和下连接板，上、下连接板间设有弹簧销轴，弹簧销轴外套设有压簧；上连接板外侧固定有带帽弹簧销轴，带帽弹簧销轴外套设有压簧，带帽弹簧销轴的末端设有用于阻挡弹簧的挡帽；安装在机架上的步进电机通过同步带与转轴连接，转轴上安装有偏心凸轮，偏心凸轮安装在上连接板的偏心轮外架内；磁探头的工字形连接件穿过柔性连接头下连接板的磁探头外架；机架上对应于四个E型探头固定有四个竖向的导轨；

在机架上固定有打标装置，打标装置包括推拉型电磁铁，在电磁铁的底部安装有标记印章。

上述的一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人，还包括摄录装置，在车架上安装有向壁面照射的照明灯，以及可对照射区域进行摄录的摄像头。

上述的一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人，减震梁板与机架螺纹连接，在减震梁板上开设有两个竖向通孔，用于磁吸附轮减震的两支弹簧轴分别穿过减震梁板上的两个竖向通孔。

上述的一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人，磁吸附轮的外夹板与转轴螺纹连接，转轴为空心键轴，同步带轮与转轴通过键与键槽结构连接，内夹板通过螺栓与外夹板连接，阵列磁环内周面安装有环形导磁轭铁，阵列磁环的外周面安装有橡胶垫圈，环形轭铁固定于外夹板与内夹板的凹槽内；在转轴外固定有阵列磁环，阵列磁环包括若干组磁阵列单元，每组磁阵列单元依次包括N极向心到S极的径向磁块、N极到S极的顺时针环向磁块、N极外向心到S极的径向磁块，N板到S极的逆时针环向磁块。

上述的一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人，阵列磁环包括四组磁阵列单元。

上述的一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人，相邻的径向磁块和环向磁块，环向角度比为0.4-0.8。

上述的一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人，磁化装置中的偏心凸轮外固定有两个轴承，轴承之间设有隔离环，轴承安装在柔性连接头上连接板的偏心轮外架内。

磁轮能使爬壁机器人牢牢地吸附于导磁罐体表面，通过本发明对磁轮阵列的优化，增强了磁轮的磁吸附力。

环形Halbach的排列方式变化多样，人们常把一个径向的N极永磁单元和一个环向的S极永磁单元形成的磁极称为一个极对。多极的Halbach环形阵列极对数有偶数和奇数两类，奇数极对数Halbach圆形阵列为对内加强型，偶数极对数Halbach阵列为对外加强型。根据爬壁机器人需要用到外加强型把爬壁机器人吸附在导磁体，通常吸附在铁罐体上用于检测铁罐体的性能使用，故以4，6，8，12，16偶数极对数，进行仿真分析。

附图18中X为磁轮旋转角度，单位为°；Y为吸附力，单位为N。由附图18可知极对数越多，吸附力越趋于平稳，极对数较少的磁轮吸附力大小峰值波动越大。采用8极对数磁轮吸附力波动控制在5%以内，而且磁吸附力也较高。

针对8个极对数组成的磁环，相邻纵向永磁单元和横向永磁单元的体积配比对吸附力也有不同的影响。为直观的反应两者的大小引入系数环向角度比k，

k=n/(n+m)

上式中：n为径向永磁单元角度；m为环向永磁单元角度。

附图19中X1为k值；Y为吸附力，单位为N。由附图19可知对有限元的仿真图中，可见吸附力在k=0.6左右，磁轮吸附力将达到峰值。而k在0.4-0.8的区间内，吸附力也是令人满意的。

本发明优化了永磁吸附轮中永磁吸附单元结构，排列了永磁吸附单元充磁角度，使得磁环的外圈吸附力增强，内圈吸附力几乎为零。同时提高了永磁单元的单位磁效能，达到了同体积磁环近2倍的吸附力。

爬壁机器人通过四个磁轮吸附在壁面上，吸轮的减震梁弹性自适应结构使得机器人与壁面紧密贴合。每个主动轮由电机单独驱动，依靠同步带带动后轮转动，可依靠两侧轮子的差速实现转弯。同步带轮分别与前后轮的转轴相连，通过同步带使主动轮和从动轮的运转方式相同，保证了爬壁机器人在行进时有着合理的摩擦力分布，大大提高了吸附的可靠性与安全性。

在遇到曲面环境或者局部突起时，由于车架悬挂，即安装于抱毂上的弹簧使得磁吸附轮有一定的弹性活动范围，从而保证车轮与壁面四点接触，同时安全行进。

磁吸附轮在同一支弹簧轴上、在机架通孔的两侧安装弹簧，使得爬壁机器人能适应导磁面在机器人下方，和导磁面在机器人上方两种正爬和悬爬的方式，延长弹簧的使用寿命，使爬壁机器人适应更多的壁面攀爬工况。

步进电机转动180°，驱动同步带带动偏心轮转动，偏心轮将这一运动通过轴承传递给柔性连接头，带动E型探头组成的磁探头的升降。当磁探头下降时，对四个E型探头采用交流电移相技术,使之产生随时间变化的合成旋转磁场，所谓旋转磁场即磁感应矢量在空间以固定频率旋转的一种磁场，从而可以对喷涂于罐体表面的磁液进行磁化，罐体损伤处与非损伤处的磁液排列不一样，从而通过摄录功能判断罐体的损伤情况。

磁化装置的柔性连接头的弹簧组可因磁探头碰到壁面的障碍而被压缩，使磁探头能向机架一侧缩回，不致被电机带动直接向壁面挤压而遭致损坏。使用2组弹簧，是为了满足当机器人正常吸附在壁面上端、倒悬吸附于壁面下端这两种情况时，由不同组的弹簧进行收缩回复，延长弹簧的使用寿命。解决了机器人行进过程中磁探头对壁面障碍的避障，而且驱动磁探头下降也解决了机器人重心高的问题，减少了爬壁机器人行进过程中的阻力，提高了作业的自动化程度。

喷磁装置采用市售的通用喷磁装置，爬壁机器人行进过程中，磁液通过液泵从雾化喷嘴中向壁面喷出，以便磁化装置对磁液进行磁化。爬壁机器人通常的工作流程是先喷磁液，然后驱动机器人对这块面积的磁液进行磁化，再对通过磁化后的磁液进行观察，对疑似损伤或者损伤处进行标记。

磁液喷出后，再通过磁探头进行磁化，通过照明灯和摄像头，远程获取磁化后的磁液图像，驱动爬壁机器行进到合适的位置，通过推拉电磁铁驱动标记印章在罐体的损伤部位盖上标记。使检测人员通过远程操作实现了以前需要通过在罐体内外搭设脚手架进行的人工检测，避免了人身伤害的危险和操作的麻烦。并且检测过程摄录的视频可能保存，方便观察、记录、查实与存档。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明爬壁机器人行动装置结构示意图。

图3为本发明磁轮减震结构示意图。

图4为本发明磁吸附轮的外轮廓示意图。

图5为本发明磁吸附轮的侧剖视结构示意图。

图6为本发明磁吸附轮的正剖视结构示意图。

图7为本发明磁吸附轮磁场阵列示意图。

图8为本发明磁化装置与机架的连接结构示意图。

图9为本发明磁化装置的结构示意图。

图10为本发明偏心凸轮结构示意图。

图11为本发明偏心凸轮爆炸图。

图12为本发明柔性连接头的结构示意图。

图13为本发明磁探头结构示意图。

图14为本发明柔性连接头与磁探头连接结构示意图。

图15为本发明打标装置结构示意图。

图16为本发明喷磁部件结构示意图。

图17为本发明磁液雾化喷头结构示意图。

图18磁吸附力与极数的有限元模拟图。

图19不同环向角度比与磁吸附力的有限元模拟图。

图中标记为：

301摄像头，302为LED照明灯，303推拉电磁铁，304标记印章，310磁液雾化喷嘴，311磁液存储罐，312封盖，313单向阀，314胶管，315水泵；

1内夹板， 2橡胶垫圈，3连接外夹板与转轴的螺栓，4环形轭铁，5转轴，51转轴上的键槽，6连接内夹板与外夹板的螺栓，7外夹板，8环形阵列磁环，81为N极向心到S极的径向磁块、82为N极到S极的顺时针环向磁块、83为N极外向心到S极的径向磁块，84为N板到S极的逆时针环向磁块，9机架，91步进电机，92抱毂，93主动磁吸附轮，94同步带，95从动磁吸附轮，96同步带轮，97带帽弹簧轴，98弹簧，99带帽弹簧轴顶部的挡帽，100减震梁板；

211固定在机架上的E型探头的竖向导轨，221步进电机，222同步带，203为E型探头，231磁探头的工字型连接件，232工字型连接件上与柔性连接头下连接板的固定螺孔，204转轴，205偏心凸轮，251将偏心凸轮固定在转轴上的卡簧，252固定轴承的卡簧，253轴承，255隔离环，206柔性连接头的上连接板，261柔性连接头与偏心凸轮抵触配合的偏心轮外架，262带帽弹簧销轴，263弹簧，207柔性连接头的下连接板，271柔性连接头与磁探头配合的磁探头外架，272弹簧销轴，273弹簧。

具体实施方式

实施例一

参照附图，一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人，包括行动装置、喷磁装置、磁化装置、打标装置；

行动装置包括机架9，在机架上安装有两组磁吸附轮，每组磁吸附轮分为主动轮93和从动轮95，主动轮与从动轮通过同步带94连接，主动轮与驱动电机连接；磁吸附轮的转轴5安装在抱毂92上，减震梁板100与机架螺纹连接，在减震梁板上开设有两个竖向通孔，用于磁吸附轮减震的两支弹簧轴97分别穿过减震梁板上的两个竖向通孔；弹簧轴顶部设有挡片，在弹簧轴外侧、机架的两侧安装有弹簧98。

磁吸附轮的外夹板7与转轴螺纹连接，转轴为空心键轴，同步带轮96与转轴通过键与键槽结构连接，内夹板1通过螺栓3与外夹板连接，阵列磁环内周面安装有环形导磁轭铁4，阵列磁环的外周面安装有橡胶垫圈2，环形轭铁固定于外夹板与内夹板的凹槽内；在转轴外固定有阵列磁环，阵列磁环包括四组磁阵列单元，每组磁阵列单元依次包括N极向心到S极的径向磁块81、N极到S极的顺时针环向磁块82、N极外向心到S极的径向磁块83，N板到S极的逆时针环向磁块84。相邻的径向磁块和环向磁块，环向角度比为0.6。

磁化装置的磁探头包括四个E型探头203，这四个E型探头固定在工字形连接件231的末端，柔性连接头设有上连接板206和下连接板207，上、下连接板间设有弹簧销轴272，弹簧销轴外套设有压簧273；上连接板外侧固定有带帽弹簧销轴262，带帽弹簧销轴外套设有压簧263，带帽弹簧销轴的末端设有用于阻挡弹簧的挡帽；安装在机架上的步进电机221通过同步带222与转轴204连接，转轴上安装有偏心凸轮205，偏心凸轮外固定有两个轴承253，轴承之间设有隔离环255，轴承安装在柔性连接头上连接板的偏心轮外架261内；磁探头的工字形连接件穿过柔性连接头下连接板的磁探头外架271；机架上对应于四个E型探头固定有四个竖向的导轨211。

在机架上固定有打标装置，打标装置包括推拉型电磁铁303，在电磁铁的底部安装有标记印章304。

在车架上安装有向壁面照射的LED照明灯302，以及可对照射区域进行摄录的摄像头301。将摄像头的影像通过无线方式传给终端显示器，操作者只需通过屏幕便可获取壁面路况信息与探伤信息。

Claims (6)

1.一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人，包括行动装置、喷磁装置、磁化装置、打标装置；其特征在于

行动装置包括机架，在机架上安装有两组磁吸附轮，每组磁吸附轮分为主动轮和从动轮，主动轮与从动轮通过同步带连接，主动轮与驱动电机连接；磁吸附轮的转轴安装在抱毂上，抱毂上固定有弹簧轴，弹簧轴穿过机架的竖向通孔，弹簧轴顶部设有挡片，在弹簧轴外侧、机架的两侧安装有弹簧；

磁化装置，磁探头包括四个E型探头，这四个E型探头固定在工字形连接件的末端，柔性连接头设有上连接板和下连接板，上、下连接板间设有弹簧销轴，弹簧销轴外套设有压簧；上连接板外侧固定有带帽弹簧销轴，带帽弹簧销轴外套设有压簧，带帽弹簧销轴的末端设有用于阻挡弹簧的挡帽；安装在机架上的步进电机通过同步带与转轴连接，转轴上安装有偏心凸轮，偏心凸轮安装在上连接板的偏心轮外架内；磁探头的工字形连接件穿过柔性连接头下连接板的磁探头外架；机架上对应于四个E型探头固定有四个竖向的导轨；

在机架上固定有打标装置，打标装置包括推拉型电磁铁，在电磁铁的底部安装有标记印章；

磁吸附轮的外夹板与转轴螺纹连接，转轴为空心键轴，同步带轮与转轴通过键与键槽结构连接，内夹板通过螺栓与外夹板连接，阵列磁环内周面安装有环形导磁轭铁，阵列磁环的外周面安装有橡胶垫圈，环形导磁轭铁固定于外夹板与内夹板的凹槽内；在转轴外固定有阵列磁环，阵列磁环包括若干组磁阵列单元，每组磁阵列单元依次包括N极向心到S极的径向磁块、N极到S极的顺时针环向磁块、N极外向心到S极的径向磁块，N板到S极的逆时针环向磁块。

2.如权利要求1所述的一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人，其特征在于还包括摄录装置，在车架上安装有向壁面照射的照明灯，以及可对照射区域进行摄录的摄像头。

3.如权利要求1所述的一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人，其特征在于减震梁板与机架螺纹连接，在减震梁板上开设有两个竖向通孔，用于磁吸附轮减震的两支弹簧轴分别穿过减震梁板上的两个竖向通孔。

4.如权利要求1所述的一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人，其特征在于阵列磁环包括四组磁阵列单元。

5.如权利要求1所述的一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人，其特征在于相邻的径向磁块和环向磁块，环向角度比为0.4-0.8。

6.如权利要求1所述的一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人，其特征在于磁化装置中的偏心凸轮外固定有两个轴承，轴承之间设有隔离环，轴承安装在柔性连接头上连接板的偏心轮外架内。