基于DOE的管道爬行机器人轻量化研究

胡啸 史继新

【摘 要】针对核电站中管道内部检修的需要，开发了一种可在竖直管道内爬行的管道检查机器人。机器人在检查时需携带摄像头以及小型抓取工具并拖拽长距离控制电缆，对机器人的负载能力要求较高;在空间尺寸受限的情况下，无法单纯通过选用大功率电机来增大机器人的负载能力，为此，需要对机器人的本体进行轻量化处理。本文以机器人本体中占重比高的关键零件——中心电机罩为轻量化对象，分析其受力情况;利用ANSYS Workbench软件，通过DOE实验设计法对其进行轻量化设计，在满足安全系数要求的前提下有效的减轻了中心电机罩的质量，依据此方法同理可将管道机器人上其他零件进行轻量化处理。

【关键词】管道机器人;ANSYS Workbench;DOE;轻量化

中图分类号： TH112 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）07-0001-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.001

【Abstract】A pipeline inspection robot that can crawl in vertical pipelines has been developed for the internal maintenance of pipelines in nuclear power plants. The robot needs to carry the camera and the small grasping tool and drag the long-distance control cable during the inspection， which requires high load capacity of the robot; in the case of limited space， it is impossible to increase the robot by simply selecting a high-power motor. Load capacity， for which it is necessary to lighten the body of the robot. In this paper， the key part of the robot body with high weight-to-weight ratio， the central motor cover， is used as a lightweight object to analyze its force. The ANSYS Workbench software is used to design lightweight design by DOE experimental design method to meet the safety factor requirements. Under the premise of effectively reducing the quality of the central motor cover， according to this method， other parts of the pipeline robot can be lightly processed.

【Key words】Pipeline robot; ANSYS Workbench; DOE; Lightweight

0 引言

随着核电站运行时间的增长，需要对一些连接关键设备的管道进行内部情况检查，管道的走向各不相同，有的倾斜幅度较大，有的甚至是竖直走向。目前比较有效的方法是通过管道爬行机器人携带检查工具沿管道内壁爬行，对管道进行检查。开发的管道机器人具有变径机构，三个独立驱动模块呈120度环形均匀分布在车身主体周围，这样的机械结构设计可以实现机器人在管道内壁竖直爬升的需求。在管道机器人研制方面，韩国汉城汉阳大学研制的双模块协作管道检测机器人[1]和Jong-hoon Kim等人研制全自动管道检查机器人[2]均具有管道竖直爬升功能。近年来工程结构优化的方法得到迅猛发展，大体分为三类：参数优化、形状优化、拓扑优化[3]。利用基于梯度的拓扑优化算法会增加优化算法的负担和落入局部优化最优的概率，因此采用DOE實验设计方法，可直接通过结果得到相对最优的设计，清华大学汽车学院基于DOE分析实现汽车车架轻量化[4]，中车株洲电力机车有限公司段华东等人利用DOE计算和敏感度分析确定优化变量，进行有轨电车车体的轻量化分析[5]。本项目以管道机器人主体的中心电机罩为例，将Inventor三维模型无缝导入ANSYS Workbench平台上，采用DOE实验设计法对其进行轻量化设计，达到减轻管道机器人质量的目的。

1 机器人整体结构设计

为了满足核电厂管道内部检查的需要，所设计的管道机器人如图1所示，机器人主要由中间车身（机器人主体）、伸展机构和三组独立驱动模块构成。三组独立驱动模块呈120度环形分布在车身周围，伸展机构的作用是可以使机器人适应不同管径的管道，同时也为机器人在竖直爬升过程中提供足够的支持力，使整个机器人依靠驱动模块和管道内壁的摩擦力实现爬升。变径机构中加入缓冲压缩弹簧，这样设计的作用在于减轻变径机构驱动电机的瞬时负载，为整个变径机构提供缓冲。机器人前端携带摄像头，可以传送管道内部视频图像信息。

2 中心电机罩受力分析

如图2所示为管道爬行机器人伸展机构受力示意图，其工作原理是依靠中心电机罩内驱动电机旋转，带动丝杆滑块机构丝杆旋转，使滑块左右移动，连杆AB和连杆CD铰接在点D，连杆CD和滑块铰接在点C，连杆AB和履带轮铰接在定点B，和机器人主体铰接在定点A，滑块的平移从而带动连杆CD，连杆CD的运动驱动四杆机构ABFE运动，从而改变履带轮到机器人主体的垂直距离，达到改变机器人外部轮廓直径的效果[6]。

3 DOE实验分析

3.1 分析对象

如图3所示为经过简化后的中心电机罩Inventor三维模型，图4和图5分别为该零件主视图和半剖视图，从主视图中可以看出零件外轮廓六边形尺寸，和内圆尺寸，从半剖视图可以看出零件长度及支柱厚度，由于外轮廓尺寸不能改变的情况下需减轻零件质量，只能增大内圆尺寸和减小支柱厚度。外六边形对边距离为100mm，内圆直径为86mm，支柱厚度为20mm，支柱上有10mm的开孔。中心电机罩材料为碳钢，其弹性模量E2为216GPa，泊松比μ2为0.3，屈服强度为350MPa，屈服极限为600 MPa。质量为8.75Kg。

3.2 Workbench有限元分析

在ANSYS Workbench中，网格划分可以自动生成也可以根据自己的实际需求进行划分，网格数量越多，计算精度也会有所提高，但计算时间和规模也会相应增加，网格的划分结果直接影响最后的分析结果[7]。本文将Inventor三维模型无缝导入Workbench后自动划分的网格模型，size选择系统默认值。

图6所示为中心电机罩约束和载荷示意图，本项目采用结构静力分析（Static Structural），不考虑随时间变化的载荷，忽略惯性力和阻尼，对结构运动中的各个位置，采用静力平衡方程分析结构的承载能力[8]。本例将零件前后端面采用Fixed Support固定支撑，支柱上六个开孔采用式7计算值进行力的施加，每个开孔轴向施加220N的力，垂直轴线方向施加250N的力。图7为应力分布图，所受最大应力为89.34Mpa。图8为安全系数分布图，由图可知最小安全系数为2.798。根据齿轮材料安全系数设计，在变应力下，以材料疲劳极限为极限应力，安全系数取1.2～1.5[9]。本项目硬齿面齿轮取较高安全系数1.5，设计有较大余量，故使用DOE实验设计法直接进行轻量化设计。

3.3 DOE实验设计

将中心电机罩支柱厚度和内圆直径尺寸分别设置为优化参数P1和P2，中心电机罩的总质量、等效应力和最小安全系数分别设置为目标参数P3、P4和P5。内圆直径尺寸优化范围为86-98mm，支柱厚度尺寸优化范围为12-20mm。如图9所示为优化参数和目标参数对应的敏感性图。敏感度值大小表示相关性的大小，敏感值的正负表示相关性的正负。由图9可知减小中心支柱厚度和增大偷空内圆直径可以减轻质量，同时中心电机罩所受最大应力会增大，安全系数会降低。取最低安全系数1.5，根据图10和图11所示的中心支柱厚度和内圆直径分别与最小安全系数的关系图，可得在此安全系数情况下，中心支柱厚度取值15mm-16mm之间，由于中心支柱厚度与安全系数成正比关系，最小安全系数大于等于1.5，因此中心支柱厚度最终取值为16mm，内圆直径取值92mm-93mm之间， 由于内圆直径与安全系数成反比关系，最小安全系数大于等于1.5，因此内圆直径最终取值为92mm，此时最终质量为6.2Kg。质量减轻（8.75-6.2）/8.75*100%=29.1%。优化前后对比如表1所示。

4 结语

（1）本項目设计了一种能在竖直管道内运动的管道爬行机器人，并对其中心电机罩进行了理论受力分析。

（2）采用Inventor与Workbench无缝对接的功能，直接将Inventor中的三维模型导入Workbench保证了分析模型的准确性。

（3）采用了DOE实验设计方法对中心电机罩进行轻量化设计，质量在原基础上减轻29.1%，轻量化效果明显。

【参考文献】

[1]Kwon，Y-S;Yi，B-J.Design and Motion Planning of a Two-Module Collaborative Indoor Pipeline Inspection Robot[J].Robotics，2012，28（3）：681-696.

[2]Jong-hoon Kim. Design Of A Fully Autonomous Mobile Pipeline Exploration Robot[D].South Korea，National University of Technology，2008：9-77.

[3]曾多，近达锋.基于DOE分析实现汽车车架轻量化.[J]汽车实用技术.2014（5）：1-4.

[4]Yildiz A R.A new design optimization framework based on immune algorithm and Taguchis method.Computers in industry.2009，60（8）：613-20.

[5]段华东，蒋忠诚，刘亚妮.有轨电车车体轻量化优化分析.[J]机电车传动.2018（6）：201-105.

[6]王治国.非等径垂直管道机器人机械系统研究[D].上海，东华大学，2009;18-28.

[7]刘笑天.ANSYS Workbench结构工程高级应用[M].北京：中国水利水电出版社，2015：75-78.

[8]许京荆.ANSYS Workbench工程实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2015：80-93.

[9]西北工业大学机械原理及机械零件教研室.机械原理[M].第七版.北京：高等教育出版社，2006：198-201.