爬壁機器人在大型立式儲罐徑向偏差測量中的研究與應(yīng)用

佟 林, 張竟月, 王金濤, 魏 凱, 時文才, 暴雪松, 郭立功(. 中國計量科學(xué)研究院, 北京 0009; . 中國計量大學(xué), 浙江 杭州 008;. 青島市計量技術(shù)研究院, 山東 青島 66000)

1 引 言

大型立式儲罐作為國家強制檢定的工作計量器具,廣泛應(yīng)用在在國際、國內(nèi)石油貿(mào)易結(jié)算中[1]。隨著近年我國石油化工建設(shè)的飛速發(fā)展,大型立式圓柱形金屬儲油罐逐年增多,但伴隨著石油這一不可再生能源的日益較少,立式金屬罐容積的準(zhǔn)確與否就具有舉足輕重的作用。

按照J(rèn)JG 168—2005《立式金屬罐容量》檢定規(guī)程[2]的規(guī)定,儲罐圈板半徑是儲罐容量計算的必要參數(shù),因而,在儲罐容量檢定時,必須確定儲罐所有圈板的半徑。立式金屬罐圈板半徑檢測主要采用幾何測量法[3～4],而作為其中一種測量方法的徑向偏差測量法一般采用光學(xué)垂準(zhǔn)線法,即采用人工拉動移動式徑向偏差測量儀與光學(xué)垂準(zhǔn)儀相結(jié)合的方法,但該方法存在勞動強度大、操作危險、由于罐體高導(dǎo)致人工找點存在誤差等缺點。

參照該測量方法，研制了一種能夠攜帶測量儀器的爬壁機器人[5～7],并使其按照垂直方向進行上下運動,并于指定位置停留以方便操作人員進行測量,同時永磁性履帶及抗傾覆機構(gòu)的設(shè)計也大大增強了測量過程的安全性,為了驗證該爬壁機器人徑向偏差的測量精度[8],課題組選取一座1 000 m3的立式儲罐進行試驗驗證,試驗結(jié)果表明爬壁機器人的測量精度能夠達到1 mm。

2 爬壁機器人整體設(shè)計

2.1 爬壁機器人的機械系統(tǒng)

爬壁機器人的機械系統(tǒng)主要由4大機構(gòu)組成,分別是吸附機構(gòu)、傳動機構(gòu)、測量機構(gòu)及抗傾覆機構(gòu)。爬壁機器人本體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 爬壁機器人機械系統(tǒng)圖

吸附機構(gòu)主要包含有永磁性履帶,磁性履帶是由磁鐵通過磁鐵座固定到鏈條上,磁鐵表面設(shè)有橡膠薄膜,以增大滑動摩擦系數(shù)。傳動機構(gòu)主要包含有傳動齒輪箱、鏈輪及張緊輪,通過齒輪箱保證機器能夠獲得足夠大的扭矩,張緊輪則通過彈簧的拉力保持一定力量壓緊磁性履帶,使磁性履帶前部行走時總是貼緊到金屬罐壁上。測量機構(gòu),包括活動軸、車輪、滑塊和配重,活動軸的雙側(cè)設(shè)有車輪,活動軸上設(shè)有能夠在其上滑動的滑塊,將標(biāo)尺安裝在滑塊上,配重也安裝在滑塊上?？箖A覆機構(gòu)是爬壁機器人的一個重要組成部分,它主要由2部分組成：一是爬壁機器人機頭位置下面安放的一塊大的永磁鐵;二是測量機構(gòu)中的后支撐板及支撐輪。此兩部分的設(shè)計能夠避免爬壁機器人在爬行過程中產(chǎn)生打滑及傾覆的危險。除此之外,基于應(yīng)用的危險性,本系統(tǒng)加入了防爆設(shè)計,防爆設(shè)計主要包含防爆外殼的設(shè)計,以及一些防爆插座和密封膠體,防爆機構(gòu)的主要作用就是保障測試過程中系統(tǒng)的安全。

2.2 爬壁機器人的電氣系統(tǒng)

爬壁機器人的電氣系統(tǒng)主要由3部分組成,即硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和通信部分,如圖2所示。硬件系統(tǒng)包含爬壁小車的硬件、電源通信箱的硬件及手控器。軟件系統(tǒng)包含爬壁小車的主控軟件和手控器的軟件。通信部分由兩塊通信單元組成：一是手控器和電源通信箱的433 MHz無線通信,通信協(xié)議采用MODBUS協(xié)議,手控器為主機,電源通信箱為從機;二是通信箱和爬壁機器人的RS485通信。

圖2 爬壁機器人電氣系統(tǒng)圖

爬壁小車的硬件主要由主控板、雙電機、雙電機驅(qū)動器、傾角傳感器、溫度傳感器組成,其中主控板為其核心部件,采用32位ARM單片機設(shè)計,配以輸入輸出接口,主要用來輸出步進電機的控制脈沖信號,采集步進電機的轉(zhuǎn)速、溫度,以及機器人的兩個方向的角度,通過RS485通信接口接收來自電源通信箱的指令,并發(fā)送當(dāng)前機器人的各個參數(shù)。

電源通信箱主要功能是為機器人提供電源,并可以通過一個觸摸屏顯示器顯示機器人當(dāng)前的工作狀態(tài),包括速度、高度、角度、溫度等信息,同時可以通過觸摸屏對機器人的基本工作過程進行設(shè)置,包括安全高度、運行速度、脈沖距離等關(guān)鍵參數(shù)。

手控器主要實現(xiàn)機器人的控制功能,選用了通用的手機型手持終端,帶LCD字符顯示屏和19個按鍵,通過按鍵和無線通信,實現(xiàn)機器人的啟動、停止、轉(zhuǎn)彎,以及自動化測量控制。

2.3 爬壁機器人的軟件系統(tǒng)

爬壁機器人的軟件系統(tǒng)主要包括兩部分,分別是爬壁機器人的主控軟件部分以及手控器的軟件部分。主控軟件有3個功能:1)實現(xiàn)電機的控制和位置的計數(shù);2)實現(xiàn)一些數(shù)據(jù)的采集,如溫度,傾斜角度,編碼器計數(shù),通過數(shù)據(jù)的采集來實現(xiàn)小車更精準(zhǔn)的控制;3)實現(xiàn)和地面控制器的通信,采用了標(biāo)準(zhǔn)的RS485 MOBUS串行協(xié)議。

手控器軟件的主要功能:給爬壁小車發(fā)送相應(yīng)的控制指令,指揮小車的運動,如啟動、停止、前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動作,同時還能夠顯示當(dāng)前的狀態(tài)和一些運動參數(shù),如運動狀態(tài)、高度、傾角、速度、行程、電量等。除此之外,手控軟件還可以對一些運動參數(shù)進行設(shè)置,如速度、行程、脈沖當(dāng)量等,如圖3所示。

3 試驗驗證

選擇一座1 000 m3的拱頂立式金屬罐作為試驗對象,按照J(rèn)JG 168—2005《立式金屬罐容量》檢定規(guī)程的要求,徑向偏差測量應(yīng)在每一圈板的1/4及3/4處,因此在每一圈板所要測量處做好相應(yīng)標(biāo)記,通過與現(xiàn)行有效的光學(xué)垂準(zhǔn)線法及全站儀法的試驗比對來判斷該方法的可行性。

3.1 光學(xué)垂準(zhǔn)線法

首先,采用規(guī)程中所規(guī)定的光學(xué)垂準(zhǔn)儀和移 動 式 徑 向 偏差測量儀組合的方法對該水平測站進行測量,保持光學(xué)垂準(zhǔn)儀靜止不動,拉繩使移動式徑向偏差測量儀按垂直方向向上運動,停于各圈板的垂直測量點上,逐一讀取各圈板的移動式徑向偏差測量儀標(biāo)尺的讀數(shù),共往返6次測量,數(shù)據(jù)如表1所示。

在表1中以第一圈板3/4處測試數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)值,其它各圈板所測得的數(shù)據(jù)均與標(biāo)準(zhǔn)值相減,所得出的差值即為徑向偏差,其中負(fù)值表明罐壁向外凸起,正值表明罐壁向內(nèi)凹陷,其它儀器所測數(shù)據(jù)的處理均以此方法處理。

圖3 手控器軟件框圖

表1 光學(xué)垂準(zhǔn)線法6次測量數(shù)據(jù) mm

3.2 爬壁機器人法

采用光學(xué)垂準(zhǔn)儀和爬壁機器人組合的方法對該水平測站進行測量,調(diào)整爬壁機器人的左右位置,使垂準(zhǔn)儀能清楚地看到標(biāo)尺的讀數(shù)。

將第一圈板3/4處設(shè)置為零位,然后在軟件界面輸入各個圈板的高度值,軟件將計算出機器人自動停止的位置,并在測試時能夠確保機器人所停止的位置與所做標(biāo)記處重合。測試從第一圈板3/4處開始,讀數(shù)后按下啟動鍵,爬壁機器人按照設(shè)定速度自動垂直上行,到達第二處位置時停止,再讀數(shù)、啟動,以此類推測試到第6圈板3/4處并讀數(shù),然后按下行按鈕,機器人自動下行,測試下行數(shù)據(jù)。共往返6次測量,數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 爬壁機器人法6次測量數(shù)據(jù) mm

3.3 全站儀法

用全站儀對該水平測站的各標(biāo)記測試點進行測試,將全站儀設(shè)立于罐體標(biāo)記點的垂直方向上。將全站儀調(diào)整水平,將激光瞄準(zhǔn)器打開,測試時利用激光光斑來瞄準(zhǔn)罐壁所做標(biāo)記點,點擊測試按鍵則全站儀將測量出罐壁標(biāo)記點至全站儀垂直軸線的水平間距。共上下往返6次測量,數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 全站儀法6次測量數(shù)據(jù) mm

由3種不同設(shè)備進行測試后,可以得出移動式徑向偏差測量儀和爬壁機器人所測出的徑向偏差最大差值為1 mm,見表4;爬壁機器人和全站儀所測出的徑向偏差最大差值為0.5 mm,見表5。

按照現(xiàn)行的JJG 988—2004 《立式金屬罐徑向偏差測量儀檢定規(guī)程》[9]要求,徑向偏差測量最大允許誤差應(yīng)優(yōu)于±2 mm,因此通過本次現(xiàn)場試驗可以驗證爬壁機器人滿足規(guī)程要求。

表4 移動式徑向偏差測量儀與爬壁機器人徑向偏差測量結(jié)果差值表 mm

表5 全站儀與爬壁機器人徑向偏差測量結(jié)果差值表 mm

4 結(jié)束語

研制了一種能夠攜帶測量儀器的爬壁機器人，實現(xiàn)立式金屬罐徑向偏差的自動測量。設(shè)計了獨特的抗傾覆機構(gòu)及手動控制機構(gòu),同時通過現(xiàn)場試驗及數(shù)據(jù)處理分析,試驗結(jié)果與參照值之差最大為1 mm,肯定了爬壁機器人測量大型立式儲罐徑向偏差的可行性。經(jīng)現(xiàn)場試驗證明該爬壁機器人具有運動靈活、操縱性好、對工作面適應(yīng)性好、安全穩(wěn)定的特點。

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