西部管道公司甘肃输油气分公司

摘 要：大型原油储罐存在高处作业风险。工业机械手以其灵活性可以替代人工操作，降低作业风险。设计了一种工业机械手，将机械设计、控制系统按一定规则整合为一体。机械手性能优良，可以代替人工作业。

关键词：储罐；防腐；作业风险；工业机械手

机器人机械手多用于风险因素严重阻碍正常施工作业或救援开展的场合。大型原油储罐外壁发生腐蚀时喷涂防腐漆防腐，喷涂施工多采用搭脚手架人工喷涂，存在高处作业风险。本文据此设计一种高处作业机械手，替代人工作业，降低作业风险。

1 机械结构

1.1 机械关节

机械手采用臂结构实现空间运行，臂构件主要组成部分是机械手关节，作用是支持机械手，并促进其目标的运动，实现在目标活动区域范围内移动改变机械手的位置（方位角）。机械手关节选择形状规则的钢结构，关节的受力分析如图1所示。

其弯曲截面系数为：

弯曲应力为：

扭切应力为：

  按弯扭合成强度进行校核计算，对于单向转动的转轴，转矩按脉动循环处理，故取折合系数 a =0.6，则当量应力为：

由GB/T 699― 1999《 优质碳素结构钢》标准规定45#钢抗拉强度为600 MPa、许用弯曲应力60 MPa，此处选择45#钢作为关节。

1.2 机械设计

工业机器人自由度数量分为单自由度手腕、两个自由度手腕、三个自由度手腕。根据本次实际使用要求，设计摆动和转动两个自由度，支撑和改变机械手姿态。机械手结构如图 2所示。

2 控制系统

2.1 控制芯片选择

控制系统单片机采用正交实验确定，考虑CPU主频、反馈电压检测时间、无干扰时工作方式等三个运行参数，每个因素选3个位极，位极因素如表 1所示。选用L9（34）正交实验， 9次实验结果如表 2所示。

（1）结果分析

极差R最大者，对结果影响程度最高， R最小则影响程度最低，各因素重要程度依次为A→B→C。

（2）直观分析

3号实验结果的功耗为8.42 mW ,结果最优，所以较好的方案为A3B1C2。

（3）位极计算

位极对应实验结果越大，表明效果越好，从位极之和可以看出，较好的方案是A3B1C2。

（4）综合分析

“直观分析”和“位极计算”结果一致。由于电流增大时电机发热明显， C因素又是最次要因素，对结果影响小，则选择C1。最终确定正交实验结果为A3B1C1。据此测定功耗如表 3所示。

通过实验及分析，选择主频32 MHz、时间5 ms的单片机，可以满足要求。

2.2 控制系统主控电路

采用PCB板集成控制模块，设计控制系统主控电路单片机控制端口。通用I/O 口（32 个），复位后P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉； P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时不用加上拉电阻；作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。 ISP（在系统可编程） /IAP（在应用可编程），可通过串口（RxD/P3.0， TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成。 3 个16 位定时器/计数器，即定时器T0、 T1、 T2，端口配置（蓝色为使用端口）、主控电路及单片机配置如图 3所示。

2.3 软件流程

软件程序按照数据处理、过程控制两个基本参数设计，主程序清单如图 4所示。

为防止运行 “死机”，增加“看门狗”电路，如图 5所示。

“看门狗”电路是成熟技术，其CD4060是带振荡器的14位计数器，振荡频率 f 由 RT、 CT决定。R S用于改善振荡器的稳定性， R S要大于RT。一般取RS =10 RT，且RT >1 kΩ， CT ≥100 pF。如果RS=450 Ω， RT=45 Ω， CT =1 uF，则 f =10 Hz。 4060的振荡频率和Q i（ i=6， 7， 8， 9， 10， 12， 13， 4）的选择要根据情况确定。设程序实际所需工作周期为T ，分频器记满时间为T' ,当 T' >T 且系统正常工作时，程序每隔 T 对4060扫描一次，分频且永无记满输出信号。如系统工作不正常（如程序跑飞、死循环等），程序对4060不发出扫描信号，分频器记满输出脉冲信号使CPU复位。

3 结语

设计的工业机械手可替代人工作业，降低作业风险。机械手结构和控制系统仍有许多问题需要解决，一是不同结构和各功能模块之间的连接，需优化模式，提高控制系统整体水平。二是力学分析的强度、刚度和最佳的臂部结构有待应用计算机优化，值得进一步讨论和深入研究。

作者：张华强， 1991年生，西部管道公司甘肃输油气分公司实习生，主要从事长输管道压缩机维修维护，安全管理工作。