机器人外部滑轨定量化除尘方法

技术领域

本发明属于铁路货车检修自动切割作业技术领域。

背景技术

铁路货车在检修中主要围绕厂修、段修、临修以及正在试运行的状态修等方面开展，根据运载情况、使用年限等进行针对性维修，其中厂修指的是货车进入车间后会进行全方位的检修，主要进行侧墙、端墙、底板等长期经受外力撞击、腐蚀的车体进行切除、修补工作，其中利用火焰切割高适应性、低成本等方面的优势成为废旧车体切割的主要方式，随着智能制造的普及，利用机器人柔性切割工作站进行废旧车体切割作业已经成为铁路货车检修领域的主要攻关对象。但是由于火焰切割造成的金属颗粒、粉尘量极大，这些粉尘极易进入机器人本体、电机、控制柜以及外部轴运动系统中，前者可以通过利用密闭防尘服进行包裹，但是外部轴运行系统中滑块和滑轨要频繁运动，而三维滑轨最长可达20余米，并且这种“十字操作机”模式的三维外部轴在运动过程中滑板间隙较大，传统的风琴护罩无法完全防护，一旦金属颗粒和灰尘进入后清理难度大增，还会增加滑块磨损的概率。

发明内容

本发明是为了解决现有三维滑轨防尘采用传统的风琴护罩无法完全防护，金属颗粒和灰尘进入后清理难度大增，还会增加滑块磨损的概率的问题，现提供一种机器人外部滑轨定量化防尘装置及方法。

本发明所述的机器人外部滑轨定量化除尘方法，该方法基于机器人外部滑轨定量化防尘装置实现，该装置包括：空气压缩机、气动三联件、阀座和吹气头；

空气压缩机的出气口通过导气管连接气动三联件的进气口，所述气动三联件的出气口通过导气管连接阀座的进气口，所述阀座上设置有四个出气口，所述四个出气口分别通过导气管与四个吹气头的进气口联通，所述四个吹气头分别朝向机器人外部滑轨的三个轴，所述除尘方法包括：

步骤一、在待除尘的作业工况中，在机器人外部三维滑轨的三个轴上分别设置一个集尘盒进行N天的积尘测试，根据测试结果计算三维滑轨的三个轴上单位面积内平均每小时附着金属颗粒的重量；

步骤二、根据三维滑轨的三个轴上单位面积内平均每小时附着金属颗粒的重量，计算实时除尘所需的风压；

步骤三、采用均相法计算压缩空气在管道中单位长度的气压的降低数值，并根据管道的整体长度，计算压缩空气经整体管道后的压降衰减值；

步骤四、利用压缩空气经整体管道后的压降衰减值和步骤二计算的实时除尘所需风压，计算空气压缩机实时输出风力。

进一步地，本发明中，步骤三中，计算压缩空气经整体管道后的压降衰减值为：

ΔP＝ΔP

其中，ΔP为管路整体压降，ΔP

进一步地，本发明中，直线管部分压力降低ΔP

其中，λ

弯头处的局部压降值ΔP

其中，Le为管当量长度M；

管内气体平均流速u

其中，W

流体力学确定摩擦阻力系数用布拉修斯公式获得：

μ为压缩空气平均粘度(pa.s)。

进一步地，本发明中，步骤二中，计算实时除尘所需的风压为：

P

其中，P

P

其中，V为风速，P为空气密度，P＝1.293kg/m3；

P

其中，ρ为密度，g为重力常数，g＝9.8N/Kg，h为压缩空气输出端高度。

进一步地，本发明中，步骤四中，计算空气压缩机实时输出风力为：

F

其中，F

其中，C为空气阻力系数，ρ为空气密度，S为物体迎风面积，θ为喷头的压缩空气机喷射的扇形展开角，x为管长。

本发明风动除尘不是单一的吹风形式，是通过精准称量装置测量在单位时间内单位面积上的金属颗粒的重量，通过不同重量的金属颗粒所对应的风量进行匹配，以自动的形式实时调控风量大量，从设计理念和控制方式上更先进，而且量化程度更好，更能避免能源浪费，做到精准量化。通过理论计算的方式提供一种建立基于火焰切割工况下定量吹气的专家数据库计算方式，跟以往经验判断相比更有数据支撑，更精准。

附图说明

图1为本发明所述方法流程图；

图2为机器人外部滑轨定量化防尘装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的机器人外部滑轨定量化除尘方法，该方法基于机器人外部滑轨定量化防尘装置实现，该装置包括：空气压缩机1、气动三联件2、阀座3和吹气头4；

空气压缩机1的出气口通过导气管连接气动三联件2的进气口，所述气动三联件2的出气口通过导气管连接阀座3的进气口，所述阀座3上设置有四个出气口，所述四个出气口分别通过导气管与四个吹气头4的进气口联通，所述四个吹气头4分别朝向机器人外部滑轨的三个轴，所述除尘方法包括：

步骤一、在待除尘的作业工况中，在机器人外部三维滑轨的三个轴上分别设置一个集尘盒进行N天的积尘测试，根据测试结果计算三维滑轨的三个轴上单位面积内平均每小时附着金属颗粒的重量；

步骤二、根据三维滑轨的三个轴上单位面积内平均每小时附着金属颗粒的重量，计算实时除尘所需的风压；

步骤三、采用均相法计算压缩空气在管道中单位长度的气压的降低数值，并根据管道的整体长度，计算压缩空气经整体管道后的压降衰减值；

步骤四、利用压缩空气经整体管道后的压降衰减值和步骤二计算的实时除尘所需风压，计算空气压缩机实时输出风力。

进一步地，本实施方式中，步骤三中，计算压缩空气经整体管道后的压降衰减值为：

ΔP＝ΔP

其中，ΔP为管路整体压降，ΔP

进一步地，本实施方式中，直线管部分压力降低ΔP

其中，λ

弯头处的局部压降值ΔP

其中，Le为管当量长度M；

管内气体平均流速u

其中，W

流体力学确定摩擦阻力系数用布拉修斯公式获得：

μ为压缩空气平均粘度(pa.s)。

进一步地，本实施方式中，步骤二中，计算实时除尘所需的风压为：

P

其中，P

P

其中，V为风速，P为空气密度，P＝1.293kg/m3；

P

其中，ρ为密度，g为重力常数，g＝9.8N/Kg，h为压缩空气输出端高度。

进一步地，本实施方式中，步骤四中，计算空气压缩机实时输出风力为：

F

其中，F

其中，C为空气阻力系数，ρ为空气密度，S为物体迎风面积，θ为喷头的压缩空气机喷射的扇形展开角，x为管长。

本实施方式中，F

一、建立基于火焰切割作用工况下以及硬件设备条件下的专家数据库：

(1)进行模拟测试：正常工况下，利用专用集尘盒(Dust collecting box)：尺寸为100×100×20mm，分别固定在X轴滑块上方、Y轴滑块上方、Z轴滑块上方，分别为D

(2)基于上述实验数据，根据实验量进行上下范围扩充，基于公式计算形成专家数据库，风压的值需要充分计算管道材质、管道直径、气嘴截面积、吹气角度、气嘴距钢轨表面距离、弯头处压降等具体问题，从而得到

采用均相法计算压缩空气在管道中的气压的降低情况，从而测算整体的衰减值以及管路布置长度，由于实际工况中只存在直线管部分摩擦导致压降和弯头处的局部压降值，因此简化计算公式，单位均为MPa；

1)ΔP＝ΔP

2)直线管部分压力降低值：

其中λ

3)弯头处的局部压降值：

4)管内气体流速计算：

5)流体力学确定摩擦阻力系数用布拉修斯公式知：

μ为压缩空气平均粘度(pa.s)；

通过(1)-(5)总的公式可以计算出在标准大气环境下、5弯头数量、10-12mm聚乙烯气管、气管长度24m条件下的管路整体压降ΔP的具体数值；

(3)基于空压机型号和管道材质进行风压计算：

1)风压计算：P

2)风速

3)P

最终可以计算全压，计算出风压P

(4)风压已知，计算吹风头的距离和衰减数据；喷头出来的风压达到清理表面时的风力大小直接影响到表面灰尘的清理情况，如果出口的流速较小，压缩空气为互不混合的层流状态、流速增加，流线呈波浪状摆动，导致清洁效果变差以及受力不均，为紊流，因此不是说流量越大越好，通过雷诺数的计算，确定黏滞力和惯性力的数值对比，从而调控流场分布情况。

计算衰减数据时，其空气阻力的作用是不可忽视的，空气阻力往往起到了决定作用，喷头的压缩空气整体形貌为圆锥喷射，扇形展开角θ直接决定作用面积大小，此时衰减阻力最大的就是空气阻力，因此需要计算出空气阻力的大小：

由于这是一个圆锥体，按照微积分计算，每个瞬间的阻力值均不相同，将从喷头到工件表面的距离L这段长度中的阻力求和，及为整体受到的阻力为：

1)

2)

其中，C为空气阻力系数，ρ为空气密度，S为物体迎风面积，V为相对运动速度忽略空气中不同气体分子区别没有考虑分子之间的相互作用。通过这个可以算出来整体阻力值；距离L越远，迎风面积越大，受到的阻力值越大；

3)作用到滑轨和表面的风力：F

4)喷嘴倾斜角度计算：受限确定角度

根据

通过上述计算，可以确定最终数据库的具体数值，以及喷嘴的倾斜角度以及距离滑轨表面的距离，建立风压与金属颗粒U

二、喷嘴对应关系以及控制原理

外置聚氯乙烯热固性塑料刮板，减少对滑道的损伤，利用支架的形式安装在滑块前端，将大颗粒和硬质颗粒去除；

喷嘴利用强磁安装盘吸附在滑块表面，该安装方式简单高效，便于随时调整，尤其解决在高空作业条件下进行钻眼、攻丝等长时间作业带来的安全隐患；

喷嘴分布情况：X轴滑座四个角均匀分布吹气单通；Y方向利用吹气三通同时吹上下两个滑道，Y方向滑座前后各一组；由于Z方向竖直向下运动，因此Z方向滑座上方布置一组吹气三通，，每个机器人外部轴上上分布7组喷嘴和3组电磁阀；利用plc对电磁阀进行分别控制。

控制逻辑为：一旦对应的外部轴移动，该外部轴所对应的电磁阀打开，进行吹气。那个轴进行运动，通过PLC控制那个轴的电磁阀开，预制2s，进行吹气，就是在运行之前时刻吹导轨，避免金属颗粒进入滑块内部，导致其损坏

喷嘴分布按照N

气管中间加上干燥装置，避免水气通过管路与金属颗粒混合形成“泥沙”膏状物品阻碍喷嘴的除尘效果。

三、精确化除尘控制

精确化除尘控制是为了最大程度上减少能源的浪费，并能够为狭小空间内的空气压缩机布置提供解决方案；

集尘盒下方带有数字秤盘，精度为0.1g，时刻检测灰尘量；

利用PLC设置采集周期和采集频率，并通过整点汇报的方式测定每个时间点的金属颗粒重量，形成报表上载至管理系统；

PLC根据报表中的数据，基于专家系统，利用smc数显流量传感器针对性调节压缩空气流量，形成设备的定量化除尘控制，

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。