水下船舶清洗机器人结构设计

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水下清刷作业由于可以在舰船锚泊或停靠码头时直接进行，一方面减少了船舶的停航损失，另一方面也使得船舶的燃油水泵大大地降低。这样可以解决船坞不足，特别是大坞严重不足的问题。众所周知，修船期长，船坞不足，缺少10吨以上的大坞是我国修船业发展的重要障碍。而船坞投资巨大，建设周期长，为了提高坞修能力，近年来用于坞修机械化的投资介巨大。 1．2水下清刷技术的国内外发展概况 水下清刷作业具有减小船舶阻力、减少航速损失和节约燃料等优点，特别是在全球石油危机的影响下，船舶的水下清刷作业更是得到了广泛的应用和发展。 水下清刷技术的发展分为三个阶段。第一阶段为手工操作阶段，由潜水员下水进行清刷工作。第二阶段为机械操作阶段，由专用的清洗器、涂装机等机械完成大型船舶的清刷任务，并具有较高的工作效率。第三阶段为遥控机械或机器人作业阶段，为在恶劣的海洋环境下开展工作提供了保障。 手工操作最早用于对较小船舶水下海生物的清洗，使用成形的气动或液压清洗器由潜水员来操作完成。随着大型船舶特别是大型油轮的出现，手工操作不能满足高效率和质量上的要求，从而出现了较为大型的机械装置。如多刷清扫器、刷污车等。这一阶段的快速发展一方面是由于大坞的数量满足不了修船的需求，另一方面是航运部门在石油危机、油价上涨的压力下采取了缩减开支和降低油耗的措施。特别是船级社对船舶进坞间隔期的规定放宽，允许用水下检验代替两年一次的中间检验，使得水下清刷技术的应用得到了多方认可。在此基础上，为进一步适应海洋的恶劣环境和在低能见度的情况下工作，人们开始寻求自动化和机器人技术在水下的应用，并取得了很大的进步，在水下清刷作业方面已有较成功的设备被使用。现在世界各地主要航线上都设有水下清刷维修站，如：美国东西海岸、夏威夷、加勒比海、意大利、由路特丹开始的西北欧、波斯湾、新加坡及日本等地都设有水下维修站。在国外。机器人作业装置已经日趋成熟并走向实用化。目前常用的水下清刷设备有： 1．手持单刷机械：其结构是由液压或气动马达带动一个毛刷，毛刷质地根据船体污损情况选择。作业方式是由潜水员手持转刷，利用转刷产生的负压使之紧贴船体，推动其向前运动即可。拥有这类产品的有：法国斯塔拉公司及奥切培列特公司、美国海军等，日本MACSEA清洗系统中也有此类装置，它可适用于小型船舶及小舰艇。 2．行走多刷式水下清扫装置：1966年，英国船舶研究计划中引入了水下清刷及维护项目，即SCAMP(Ship Cleaning and Maintenance Platform)。采用了水下运载工具的设计原理，使装置紧贴于船舷壳板做垂直或水平爬行，控制箱在工作艇上，遥控操作。它的工作部分由3个转刷，3个行走轮和1个中心推进器构成。动力源是液压或气动的。法国的BK型、瑞典的曲雷耳和澳大利亚的Australian型的结构与其大体相同。 3．喷射式清刷装置：是把高压水清洗用于水下作业，特点是为使喷枪紧贴于工作面，必须有一个反向射流，即使用无座力型喷枪，但这样会增加能量消耗。英国流体力学研究协会(BHRA)的研究表明，使用高压喷水器进行清洗可显著地提高清洗速率。这种装置一般适用于结构复杂的物体，如：海洋平台、螺旋桨等的清洗。 4．遥控型清洗器及水下清洗器的微机控制：美国Butterworth公司七十年代初研制成功SCAMP-A型清洗器，对于寒冷海域及能见度低的水质情况下进行清扫优点显著，其运动精度低，在船体曲度变化大的部位仍需潜水员下水纠正。法国七十年代末到八十年代初研制了水下清扫机器人装置，由计算机控制并取得了良好的效果。日本在这方面也开展了大量的研究，取得了成功经验。 在国内，水下清刷作业自1983年在湛江、厦门、天津、秦皇岛、烟台、大连等地建立了由救捞部门开展的业务以来，做了一定的工作，并引进了几台设备，但实际应用中存在着许多问题和困难，业务量较少。主要是在夏季水温较高时和在海水可见度高的港口才可以使用，有很大的局限性。主要方式是潜水员水下手工作业，与国外的无潜水员遥控操作形成了鲜明的对比。 上海救捞局有关厂曾对进口设备进行过研究，并仿制了单刷式清扫器，但效果不好，对于更高层次的产品研究则更少。目前我国船体表面的清理工作主要是在船坞里进行喷砂和高压水冲洗，如图所示的是在船坞里对船体表面进行喷砂处理，作业环境污染相当严重。所以急需研制水下船体表面清刷机器人。 二、设计要求 课题设计中结合文献分析,尽量提出多种结构和控制部分的设计方案,分析比较,完善水下清洗机器人结构设计. 适当建立模型,对于主要结构进行优化设计并运用有限元分析法进行关键结构进行受力和变形分析. 三、工作内容 　　水下船体清刷机器人的主要任务是完成水下船体表面附着海生物的清除，其工作面是船体表面。水下清刷装置是水下船体表面清刷机器人的关键部件，是用来完成水下船体表面清刷的作业工具。水下清刷装置的好坏直接决定水下船体表面清刷机器人的清刷效果。随着世界经济的发展，带来了远洋运输事业的飞速发展，船舶作为海上交通运输的主要工具正发挥着越来越大的作用。但海水的强腐蚀性和海洋生物的强附着力，使得船体表面附着难以清除的贝类、锈皮和锈斑等，为了延长船舶的使用寿命，保证船舶的安全运行，船舶必须定期进坞进行检验。这就存在着修船期长，船坞不足的问题，同时也增加了船舶的非营运时间和燃油的消耗。所以开展船舶水下清刷作业，提高水下清刷作业的自动化水平，是目前急需解决的问题。本课题完成机器人的机构设计，该机器人的结构主要分成两部分：一部分是移动部分，另一部分是清洗部分.移动部分主要解决的问题是机器人在曲面上的移动，现如今主要的移动机构都只是适应机器人在平面上的移动，而在曲面上的移动却研究的很少。该课题研究试图提出利用球连接来适应曲面的移动，采用三个支撑点的结构，其中两个是固定的，而第三个是利用球连接，同时采用大小两个三角吸盘，循环移动来实现机器人的移动，当然该机构也不可避免的存在一些问题。.清洗部分的结构设计利用清洗盘的转动来实现清洗。本次设计主要完成这两部分的结构设计，利用直流电机驱动，同时完成二维图和运动仿真. 四、设计方案和技术路线 　　机器人要完成在船体表面的爬行，一方面通过电磁吸附吸附在船体上，同时机器人在船体上要完成移动。 　　爬行部分主要解决两个问题，一个问题是机器人在曲面的移动，另一个问题是机器人在船体表面的吸附. 　　对于移动机器人现在的研究主要集中在平面里的移动，例如清洗玻璃的机器人，在玻璃上爬行，清洗管道的机器人等等.下面是现在已经存在的几种机器人及其移动方案： 多吸盘真空吸附式壁面清洗机器人系统，该机器人用于清洗高空玻璃，传统的清洗方法是靠升降平台或吊篮承载清洁工进行玻璃幕墙的清洗 ,虽简便易行,但劳动强度大,工作效率又低 ,属于高空极限作业 ,对人身安全及玻璃壁面都有很大的危险性.该机器人可以代替人工清洗. 　　　考虑到现场实际中的一些特点以及对壁面清洗机器人的要求 ,该壁面清洗机器人多采用真空式吸附方式。另外，坞内清刷也可在船坞里进行船体表面的高压水清洗和喷砂(丸)处理。 1．高压水清洗 　　　高压水清洗是一种既环保又经济的表面处理手段，在工业和海洋工程中得到了广泛的应用。高压水清洗对环境没有灰尘产生，可以方便、快速而又经济回收清理物，而且旧涂膜表面清洁处理不用担心引起涂膜受冲击而裂开。但清洗船体表面的海洋附着物为海蝠等贝类时，清洗效果并不理想。 2．喷砂 　　喷砂是以压缩空气为动力，将磨料以一定速度喷向被处理的船体表面，对船体表面产生冲击和切削作用，以除去氧化皮、铁锈和海洋污损物的一种有效的表面处理方法。绝大多数喷砂处理需要工人参与，喷砂的扶尘大、噪声高还有一定的危险性。 机器人系统可以采用由机械本体、清刷作业装置和控制系统三部分组成的方案，其已有的系统方案见下图： 其工作原理为：在船体甲板上放置有一个可自由移动的运载小车，它可使机器人自动爬上或爬下船体表面，克服由于机器人具有的永久吸力带来的放上取下的不便，并起到运输作用。小车上有控制柜、CRT显示器、动力源及卷扬装置。动力源为水下机器人的移动和清刷作业提供动力，卷扬装置随着机器人的上下移动及时地收放保护缆绳，为机器人提供安全保障条件，同时为机器人输送动力和控制电缆。显示器通过安装在机器人本体上的摄像机，实时地显示机器人的工作环境，便于操作者及时了解机器人的工作状态。机器人从运载小车爬上船体，先按从上至下的路径移动，当到达船的底部时，机器人旋转180 ，然后再从下至上移动。 五、预期目标 1、完成机器人的结构设计，使所设计的机器人达到所需要的使用功能，结构科学合理。 2、设计对象的测试与性能评价符号相关标准要求。 3、通过毕业设计训练，提高设计计算绘图能力，提升分析问题、解决问题能力。 六、时间安排 3-4周：进行文献检索，论文收集，熟悉课题，调查研究，收集资料，撰写开题报告； 5-7周：总体方案拟定，功能原理设计，外文资料翻译； 8-11周：机械结构设计，总图、部装图绘制； 12-13周：方案细化，总图、部件图审定、修改； 14-16周： 编写设计计算说明书； 17-18周： 提交修改毕业设计资料，准备答辩。 七、参考文献 1、王丽惠.水下船体表面清刷机器人及相关技术研究.哈尔滨工程人学博士论文 2002.6 2、尹龙. 船体表面水下清刷机器人关键技术研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文 2004.2 刘淑霞，赵炎正等.高楼壁面清洗机器人及相关技术的研究.自动化博览. 1999 邵浩，赵言正等. 爬壁机器人在弧面上爬行时的吸附稳定性分析.机器人 2000 在我国开展船舶水下维修的可行性．中船总平台公司.1990 沈为民，潘涣涣等.水冷壁清扫检测爬壁机器人.机器人. 1999 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见，设计的结果预测或论文的可行性评价）： 指导教师：　　　　　　　　年 月 日 系部意见： 系主任： 年 月 日 注：开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，应在导师的指导下，由学生填写，经导师签署意见及系部审核后生效。