CN105539614B - 利用数学建模多点同步测厚的水冷壁爬壁机器人 - Google Patents

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Abstract

利用数学建模多点同步测厚的水冷壁爬壁机器人，属于锅炉水冷壁检测领域。本发明是为了解决水冷壁管厚度检测的面积大、位置分散、不方便测量给工作人员带来很大的困难的问题。本发明所述的利用数学建模多点同步测厚的水冷壁爬壁机器人，在同步带主轮旋转的情况下，通过同步带同时带动同步带从轮和压紧轮轴同时旋转，实现机器人行走功能。磁铁支架上镶嵌多个磁铁，这些磁铁依靠磁力吸附在水冷壁表面，同时磁铁支架的结构恰好能够与水冷管的弧度相适应，并且由于磁铁支架为弹性构件，当磁铁支架卡接在水冷管上时，回力弹簧向内收紧，增加了磁铁支架夹持水冷管的力度，进一步提高机器人在水冷壁表面爬行的抓紧力，防止机器人坠落。

Description

利用数学建模多点同步测厚的水冷壁爬壁机器人
技术领域
本发明属于锅炉水冷壁检测领域，尤其涉及利用数学建模多点同步测厚的水冷壁爬壁机器人。
背景技术
电站锅炉中水冷壁常年运行，尤其是工作负荷高时，物料流化量大，在循环流动的物料冲刷下，锅炉水冷壁管非常容易被磨损，尤其在锅炉防磨弯处、水冷壁出烟口、屏式过热器底部等许多位置管子被磨损的情况非常严重，电站工作人员需要准确测出管子壁厚并及时更换确保锅炉的安全稳定运行，但水冷壁管厚度检测的面积大、位置分散、不方便测量给工作人员带来很大的困难。并且，在进行电厂锅炉水冷壁表面的厚度测量、表面积灰处理、对炉内情况拍摄等工作时，锅炉内工作环境恶劣，人工操作工作效率低下，炉膛非常高人工操作时存在人身安全隐患。
发明内容
本发明是为了解决水冷壁管厚度检测的面积大、位置分散、不方便测量给工作人员带来很大的困难的问题，现提供利用数学建模多点同步测厚的水冷壁爬壁机器人。
利用数学建模多点同步测厚的水冷壁爬壁机器人，它包括：无线传输电路一、上位机、连接部和两个呈左右对称结构的轮组；
连接部包括：减震片组、减震片支撑架16和丝杠21；
减震片组呈栅格形状，并且该减震片组在横向和纵向均能够伸缩，减震片支撑架16包括相互分离的两部分，减震片组的两端分别与减震片支撑架16的两部分铰接，丝杠21用于驱动减震片组进行伸缩运动，两个轮组分别固定在减震片支撑架16的两部分上；
每个轮组包括：无线传输电路二、同步带4、多个磁铁支架5、压紧轮7、压紧轮轴8、驱动器9、碳纤维支架10、驱动轮架11、同步带主轮12、同步带从轮14、同步带从轮支撑架17、压紧轮支撑板18、直流伺服电机19、超声波测厚仪20、从动轴22和主动轴23；
压紧轮轴8、从动轴22和主动轴23相互平行，且压紧轮轴8位于从动轴22和主动轴23的上方，压紧轮7固定在压紧轮轴8末端，同步带主轮12固定在主动轴23末端，同步带从轮14固定在从动轴22末端，同步带4同时套接在压紧轮7、同步带主轮12和同步带从轮14外侧，多个磁铁支架5均匀固定在同步带4外表面；
碳纤维支架10沿纵向设置，一个轮组通过碳纤维支架10与减震片支撑架16的一部分固定连接，驱动轮架11固定在碳纤维支架10的末端，主动轴23的首端与驱动轮架11转动连接，且主动轴23与碳纤维支架10相互垂直，同步带从轮支撑架17固定在碳纤维支架10的首端，从动轴22的首端与同步带从轮支撑架17转动连接，压紧轮支撑板18固定在驱动轮架11上，压紧轮轴8的首端与压紧轮支撑板18转动连接，无线传输电路二和驱动器9固定在驱动轮架11上；
磁铁支架5包括底和两个侧壁，两个侧壁分别固定在底的两边且相互正对，两个侧壁与底之间的夹角均为钝角，两个侧壁内侧的下方分别通过两个回力弹簧与底连接，磁铁支架5为弹性支架，两个侧壁内侧上均设有多个磁铁6；
超声波测厚仪20的探头呈阵列式排布，超声波测厚仪20的厚度信号输出端连接无线传输电路二的厚度信号输入端，无线传输电路二的控制信号输出端连接驱动器9的控制信号输入端，驱动器9的驱动信号输出端连接直流伺服电机19的驱动信号输入端，直流伺服电机19通过主动轴23带动同步带主轮12转动，超声波测厚仪20固定在碳纤维支架10上，超声波测厚仪20用于检测水冷壁上水冷壁管熔敷层的厚度；
无线传输电路一与无线传输电路二之间实现无线数据交互，无线传输电路一的厚度信号输出端连接上位机的厚度信号输入端；
上位机中包括以下单元：
初始值记录单元：实时采集并记录无线传输电路一获得的厚度信号，该厚度信号包括厚度信号初始值和厚度信号当前值，并将厚度信号初始值发送至标定单元，将实时采集的厚度信号当前值发送至实际值获得单元；
标定单元：利用厚度信号初始值和实际厚度给定值建立实际厚度和初始值之间的映射模型和模型参数，并将该映射模型和模型参数发送至实际值获得单元，所述实际厚度给定值为预先设定的；
实际值获得单元：将厚度信号当前值代入标定单元获得的映射模型中，获得标定后厚度信号实际值。
有益效果：本发明所述的利用数学建模多点同步测厚的水冷壁爬壁机器人，能够在锅炉水冷壁上沿管壁竖直方向自由行走，采集管子厚度，进而为后续记录下管子磨损情况提供数据，为电厂工作人员提供是否更换水冷壁管子提供参考，本发明自动化程度高，体型小巧轻便。
附图说明
图1为本发明所述的利用数学建模多点同步测厚的水冷壁爬壁机器人的立体结构示意图；
图2为本发明所述的利用数学建模多点同步测厚的水冷壁爬壁机器人的主视图；
图3为含有弹簧的磁铁支架的结构示意图；
图4为图1中A部放大图；
图5为图1中B部放大图；
图6为本发明所述的利用数学建模多点同步测厚的水冷壁爬壁机器人的电气结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图6具体说明本实施方式，本实施方式所述的利用数学建模多点同步测厚的水冷壁爬壁机器人，它包括：无线传输电路一、上位机、连接部和两个呈左右对称结构的轮组；
连接部包括：减震片组、减震片支撑架16和丝杠21；
减震片组呈栅格形状，并且该减震片组在横向和纵向均能够伸缩，减震片支撑架16包括相互分离的两部分，减震片组的两端分别与减震片支撑架16的两部分铰接，丝杠21用于驱动减震片组进行伸缩运动，两个轮组分别固定在减震片支撑架16的两部分上；
每个轮组包括：无线传输电路二、同步带4、多个磁铁支架5、压紧轮7、压紧轮轴8、驱动器9、碳纤维支架10、驱动轮架11、同步带主轮12、同步带从轮14、同步带从轮支撑架17、压紧轮支撑板18、直流伺服电机19、超声波测厚仪20、从动轴22和主动轴23；
压紧轮轴8、从动轴22和主动轴23相互平行，且压紧轮轴8位于从动轴22和主动轴23的上方，压紧轮7固定在压紧轮轴8末端，同步带主轮12固定在主动轴23末端，同步带从轮14固定在从动轴22末端，同步带4同时套接在压紧轮7、同步带主轮12和同步带从轮14外侧，多个磁铁支架5均匀固定在同步带4外表面；
碳纤维支架10沿纵向设置，一个轮组通过碳纤维支架10与减震片支撑架16的一部分固定连接，驱动轮架11固定在碳纤维支架10的末端，主动轴23的首端与驱动轮架11转动连接，且主动轴23与碳纤维支架10相互垂直，同步带从轮支撑架17固定在碳纤维支架10的首端，从动轴22的首端与同步带从轮支撑架17转动连接，压紧轮支撑板18固定在驱动轮架11上，压紧轮轴8的首端与压紧轮支撑板18转动连接，无线传输电路二和驱动器9固定在驱动轮架11上；
磁铁支架5包括底和两个侧壁，两个侧壁分别固定在底的两边且相互正对，两个侧壁与底之间的夹角均为钝角，两个侧壁内侧的下方分别通过两个回力弹簧与底连接，磁铁支架5为弹性支架，两个侧壁内侧上均设有多个磁铁6；
超声波测厚仪20的探头呈阵列式排布，超声波测厚仪20的厚度信号输出端连接无线传输电路二的厚度信号输入端，无线传输电路二的控制信号输出端连接驱动器9的控制信号输入端，驱动器9的驱动信号输出端连接直流伺服电机19的驱动信号输入端，直流伺服电机19通过主动轴23带动同步带主轮12转动，超声波测厚仪20固定在碳纤维支架10上，超声波测厚仪20用于检测水冷壁上水冷壁管熔敷层的厚度；
无线传输电路一与无线传输电路二之间实现无线数据交互，无线传输电路一的厚度信号输出端连接上位机的厚度信号输入端；
上位机中包括以下单元：
初始值记录单元：实时采集并记录无线传输电路一获得的厚度信号，该厚度信号包括厚度信号初始值和厚度信号当前值，并将厚度信号初始值发送至标定单元，将实时采集的厚度信号当前值发送至实际值获得单元；
标定单元：利用厚度信号初始值和实际厚度给定值建立实际厚度和初始值之间的映射模型和模型参数，并将该映射模型和模型参数发送至实际值获得单元，所述实际厚度给定值为预先设定的；
实际值获得单元：将厚度信号当前值代入标定单元获得的映射模型中，获得标定后厚度信号实际值。
超声波测厚仪20的探头呈阵列式排布，获得一定区域内的多点厚度同步信号，多个同步信号作为一组初始值记录单元采集的值，无线传输电路一与无线传输电路二之间实现无线数据交互，将检测到大面积的熔敷层厚度信号采集出来，然后通过上位机的建模运算，大大提高测量准确率，获得实际厚度值。进而实现远程控制爬壁机器人的行动，避免工作人员进入炉膛内控制机器人，减少了工作人员的工作量，也保证了人员安全。
本实施方式中，减震片组包括2个减震栅，每个减震栅包括4片减震片15；每个减震栅中的2片减震片15中点相互铰接，一个减震栅首端的两个减震片端分别与另一个减震栅首端的两个减震片端铰接，这种减震片组的可伸缩栅格结构使得减震片组在横向和纵向上能够同时伸缩，用以调整两个轮组的间距，丝杠21位于2个减震栅的纵向方向，驱动减震片组沿纵向伸缩，进而使得减震片组横向同时产生伸缩动作。减震片组能够防止在行走过程中出现震动现象。并且减震片15为弹性构件，还能够保证在水冷壁不平坦时，减震片15由于其弹性产生轻微变形，机器人的磁铁支架5依旧能够紧密的吸附在水冷管上，并能够调节因管道凸起变形而引起的测厚探头距管道表面距离的变化。
同步带4、同步带主轮12、同步带从轮14和压紧轮轴8的结构中，在同步带主轮12旋转的情况下，通过同步带4同时带动同步带从轮14和压紧轮轴8同时旋转，实现机器人行走功能。
磁铁支架5上镶嵌多个磁铁6，这些磁铁6依靠磁力吸附在水冷壁表面，同时磁铁支架5的结构恰好能够与水冷管的弧度相适应，并且由于磁铁支架5为弹性构件，当磁铁支架5卡接在水冷管上时，回力弹簧向内收紧，增加了磁铁支架5夹持水冷管的力度，进一步提高机器人在水冷壁表面爬行的抓紧力，防止机器人坠落。同时吸附力使爬壁机器人吸附在锅炉水冷屏上，并起到导向的作用，使爬壁机器人能够沿着锅炉水冷壁管的轨迹爬行。
每个轮组还包括：压紧轮弹簧13，该压紧轮弹簧13用于为压紧轮7提供缓冲。压紧轮7、从动轴22和主动轴23共同将同步带4张紧。
碳纤维支架10的中段上设有测厚仪支撑架，超声波测厚仪20和压紧轮支撑板18均固定在该测厚仪支撑架上。测厚仪支撑架上设有测厚仪夹子，用于夹持测厚仪，使得测厚仪为可拆卸的结构。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的利用数学建模多点同步测厚的水冷壁爬壁机器人作进一步说明，本实施方式中，它还包括：前探头支架1、探头套筒2和后探头支架3；
后探头支架3固定在同步带从轮支撑架17上，前探头支架1固定在后探头支架3上，探头套筒2固定在前探头支架1上，探头套筒2用于支撑超声波测厚仪20的探头。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的利用数学建模多点同步测厚的水冷壁爬壁机器人作进一步说明，本实施方式中，同步带主轮12和同步带从轮14的横截面均为梯形。
同步带主轮12和同步带从轮14是驱动同步带4运动的主要构件，同步带主轮12和同步带从轮14的断面成梯形；压紧轮7主要起到张紧同步带4的作用，并能使该爬壁机器人在爬行的过程中遇到障碍时，起到减震的作用。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的利用数学建模多点同步测厚的水冷壁爬壁机器人作进一步说明，本实施方式中，同步带4的断面为梯形，材质为硅橡胶。
同步带4断面成梯形，材质为硅橡胶，由轮子带动旋转并在水冷壁表面行走，起到减震的作用。

Claims (4)

1.利用数学建模多点同步测厚的水冷壁爬壁机器人，其特征在于，它包括：无线传输电路一、上位机、连接部和两个呈左右对称结构的轮组；
连接部包括：减震片组、减震片支撑架(16)和丝杠(21)；
减震片组呈栅格形状，并且该减震片组在横向和纵向均能够伸缩，减震片支撑架(16)包括相互分离的两部分，减震片组的两端分别与减震片支撑架(16)的两部分铰接，丝杠(21)用于驱动减震片组进行伸缩运动，两个轮组分别固定在减震片支撑架(16)的两部分上；
每个轮组包括：无线传输电路二、同步带(4)、多个磁铁支架(5)、压紧轮(7)、压紧轮轴(8)、驱动器(9)、碳纤维支架(10)、驱动轮架(11)、同步带主轮(12)、同步带从轮(14)、同步带从轮支撑架(17)、压紧轮支撑板(18)、直流伺服电机(19)、超声波测厚仪(20)、从动轴(22)和主动轴(23)；
压紧轮轴(8)、从动轴(22)和主动轴(23)相互平行，且压紧轮轴(8)位于从动轴(22)和主动轴(23)的上方，压紧轮(7)固定在压紧轮轴(8)末端，同步带主轮(12)固定在主动轴(23)末端，同步带从轮(14)固定在从动轴(22)末端，同步带(4)同时套接在压紧轮(7)、同步带主轮(12)和同步带从轮(14)外侧，多个磁铁支架(5)均匀固定在同步带(4)外表面；
碳纤维支架(10)沿纵向设置，一个轮组通过碳纤维支架(10)与减震片支撑架(16)的一部分固定连接，驱动轮架(11)固定在碳纤维支架(10)的末端，主动轴(23)的首端与驱动轮架(11)转动连接，且主动轴(23)与碳纤维支架(10)相互垂直，同步带从轮支撑架(17)固定在碳纤维支架(10)的首端，从动轴(22)的首端与同步带从轮支撑架(17)转动连接，压紧轮支撑板(18)固定在驱动轮架(11)上，压紧轮轴(8)的首端与压紧轮支撑板(18)转动连接，无线传输电路二和驱动器(9)固定在驱动轮架(11)上；
磁铁支架(5)包括底和两个侧壁，两个侧壁分别固定在底的两边且相互正对，两个侧壁与底之间的夹角均为钝角，两个侧壁内侧的下方分别通过两个回力弹簧与底连接，磁铁支架(5)为弹性支架，两个侧壁内侧上均设有多个磁铁(6)；
超声波测厚仪(20)的探头呈阵列式排布，超声波测厚仪(20)的厚度信号输出端连接无线传输电路二的厚度信号输入端，无线传输电路二的控制信号输出端连接驱动器(9)的控制信号输入端，驱动器(9)的驱动信号输出端连接直流伺服电机(19)的驱动信号输入端，直流伺服电机(19)通过主动轴(23)带动同步带主轮(12)转动，超声波测厚仪(20)固定在碳纤维支架(10)上，超声波测厚仪(20)用于检测水冷壁上水冷壁管熔敷层的厚度；
无线传输电路一与无线传输电路二之间实现无线数据交互，无线传输电路一的厚度信号输出端连接上位机的厚度信号输入端；
上位机中包括以下单元：
初始值记录单元：实时采集并记录无线传输电路一获得的厚度信号，该厚度信号包括厚度信号初始值和厚度信号当前值，并将厚度信号初始值发送至标定单元，将实时采集的厚度信号当前值发送至实际值获得单元；
标定单元：利用厚度信号初始值和实际厚度给定值建立实际厚度和初始值之间的映射模型和模型参数，并将该映射模型和模型参数发送至实际值获得单元，所述实际厚度给定值为预先设定的；
实际值获得单元：将厚度信号当前值代入标定单元获得的映射模型中，获得标定后厚度信号实际值。
2.根据权利要求1所述的利用数学建模多点同步测厚的水冷壁爬壁机器人，其特征在于，它还包括：前探头支架(1)、探头套筒(2)和后探头支架(3)；
后探头支架(3)固定在同步带从轮支撑架(17)上，前探头支架(1)固定在后探头支架(3)上，探头套筒(2)固定在前探头支架(1)上，探头套筒(2)用于支撑超声波测厚仪(20)的探头。
3.根据权利要求1所述的利用数学建模多点同步测厚的水冷壁爬壁机器人，其特征在于，同步带主轮(12)和同步带从轮(14)的横截面均为梯形。
4.根据权利要求1所述的利用数学建模多点同步测厚的水冷壁爬壁机器人，其特征在于，同步带(4)的断面为梯形，材质为硅橡胶。
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