专利名称：凝汽器智能移动清洗机器人的制作方法
技术领域：
本发明属于大型清洗设备领域，特指一种凝汽器智能移动清洗机器人，其主要适用 于电力、化工、制药等行业的大型凝汽器的高效清洗，也能应用于船舶、飞机等大型设 备的清洗。
背景技术：
凝汽器是火力、原子能发电厂最重要的冷却器，其交换性能的优劣直接影响发电厂 的换热效率，其内部主要由数以万计的铜管组成，在火电厂汽轮机装置的热力循环中起 冷源的作用，降低汽轮机排汽压力和排汽温度，提高汽轮发电机组的循环热效率。
目前，在工业领域中的应用的凝汽器一般釆用水冷和风冷等方式，其中大多采用水 冷，而冷却水多数是直接取自江、河、湖、海等自然水源，由于冷却水不干净、热交换 时伴随化学反应等原因，致使凝汽器铜管内壁积聚了不利于传热的污垢。污垢的存在会 引发一系列危害1、急剧降低了凝汽器的的传热系数，导致凝汽器真空度降低，使汽 轮机组排气温度升高，输出功率减少，从而降低了汽轮发电机的效率；2、增加了冷却 循环水系统的水流阻力，降低了冷却水的流量，增加了循环水泵的能耗；3、导致凝汽 器铜管堵塞，严重影响设备运行；4、凝汽器铜管发生局部腐蚀甚至破裂和穿孔。
目前一般主要采用人工冲洗、胶球清洗、化学清洗和高压水射流清洗等方法。1、 停机人工、机械方式清洗。在汽轮机检修时，由工人在机组停机条件下对凝汽器铜管进 行敲打捅刷从而除去污垢。该方法工人劳动强度大，且只能在机组停机时进行清洗，严 重影响生产安全效率。2、胶球在线清洗。胶球清洗系统由胶球泵、装球室、收球网、 分配器、阀门和相应的管道组成。密度与水相近的海绵胶球通过胶球泵，自装球室随循 环冷却水进入冷凝器水室。胶球直径比管内径大l-2mm，因是多孔柔软的弹性体，很 容易被水流带入铜管，并被压缩为卵形。在行进过程中，因其与管壁有一整圈环形带接 触而抹去管壁上的污垢。胶球流出管口后，依靠自身弹力弹掉表面的污垢，并恢复原状，随循环水流入收球网中然后再被胶球泵送入凝汽器。如此反复清洗达到除垢的目的。该 方法能实现在线清洗，可清除管侧的颗粒、微生物及腐蚀污垢，但存在胶球回收率低、
易堵塞管子、对于由化学反应而形成的析晶污坭不能完全清楚等缺点。3、化学清洗。 化学清洗是用酸、碱等药剂使污垢溶解、剥离而被清除的方法。根据不同材质凝汽器需 要，需用适宜的清洗介质、缓蚀剂和活化剂，在规定的清洗范围及系统内、遵循一定的 清洗质量控制标准，采用一定的清洗工艺(包括循环水系统加药)对凝汽器进行清洗。该 方法具有可在线实施、清洗时间短、除污垢率高、劳动强度低、工艺简单等优点。然而，
其还存在腐蚀凝汽器铜管、减短铜管寿命、易引起设备损坏、导致人身伤亡和清洗质量 事故、污染环境、不符合环保原则等缺点。因此，该方法往往只能作为机械清洗的有效 补充手段。4、高压水射流清洗。所谓高压水射流，是将普通自来水通过高压泵加压到 数百乃至数千大气压力，然后通过特殊的喷嘴，以极高的速度喷出的一股能量的水流正 向或切向冲击被清洗表面，从而将结添物剥离，完成清洗作业。该方法具有清洗成本低、 速度快、清洁率、不损坏被清洗物、应用范围广、不污染环境等优点。然后高压水射流 清洗技术仍需人工参与，其工作环境恶劣、劳动强度大。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一 种结构简单、适用范围广、自动化程度高、能够自动完成高效清洗的凝汽器智能移动清 洗机器人。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为
一种凝汽器智能移动清洗机器人，包括履带行走机构、清洗机构和电气控制机构， 其特征在于所述清洗机构的底端和电气控制机构装设在履带行走机构上，所述清洗机 构包括喷枪(3)、水下摄像机(2)、清洗臂总成、回转支承(16)、连通软管(23)、以及清水 介质源(26),所述清洗臂总成包括行走支架组件(12)、喷枪旋转支架(29)、旋转丝杆(28)、 清洗臂驱动轴(27)丝杆驱动装置(4)以及配重机构(7);
回转支承(16)通过行走支架组件(17)装设在履带行走机构上，行走支架组件(12)设置 在回转支承(16)上，所述清洗臂驱动轴(27)与行走支架组件(12)的上端连接使得喷枪 旋转支架(29)可在行走支架组件(12)的支撑下旋转，所述喷枪旋转支架的一端的内部 设置有旋转丝杆(28)，另一端的内部设有配重机构(7);
喷枪(3)通过喷枪支座(30)安装在喷枪旋转支架(29)和旋转丝杆(28)上，水下摄像机(2)安装在喷枪(3)之上，喷枪(3)内安装有喷嘴(52)，喷枪(3)通过高压水硬管(3I)与配重机 构(7)中的橡胶软管(32)相连，橡胶软管(32)通过进水管(13)与连通软管(23)相连，连通软 管(23)通过高压水出水电磁阀(22)与清洗介质源(26)连通；
喷枪旋转支架(29)和旋转丝杆(28)的一端与旋转丝杆驱动装置(4)相连，喷枪旋转支 架(29)和旋转丝杆(28)的另一端与清洗臂驱动轴(27)相连，清洗臂驱动轴(27)通过齿轮(33) 和齿条(10)组成的传动机构与电动推杆(8)相连。
所述的履带行走机构包括支架底盘(34)、驱动轮(35)、从动轮(36)、托轮(37)、支重 轮(38)、履带(41)、车架(39)和张紧装置(40)，支架底盘(34)和张紧装置(40)安装在车架(39) 上，驱动轮(35)、从动轮(36)、托轮(37)、支重轮(38)分别与履带(41)相连，从动轮(36) 与张紧装置(40)相连，驱动轮(35)、张紧装置(40)、托轮(37)以及支重轮(38)分别与车架 (39)相连，驱动轮(35)与行走驱动装置(19)连接。
所述控制机构包括工业控制计算机(14)和可编程控制器(43)，旋转丝杆驱动装置(4) 通过导线槽轮(42)与安装在控制箱内的可编程控制器(43)相连，电动推杆驱动装置(9)和 行走驱动装置(19)分别与安装在控制箱内的可编程控制器(43)相连，可编程控制器(43) 与工业控制计算机(14)通信连接。
所述喷枪(3)顶部正前端装设有第一声纳传感器(25)，回转支承的支撑板前后端分别 安装了第二和第三声纳传感器(51),履带行走机构机架(39)的前后位置分别装设有第四和 第五声纳传感器(49)，所述的第一、第二、第三、第四和第五声纳传感器(25, 51， 49) 与安装在控制箱内的可编程控制器(43)相连。
所述的清洗介质源(26)包括高压水介质源和化学清洗介质源，所述化学清洗介质 源为化学药剂储液槽(44)，化学药剂储液槽(44)分为三个部分，分别装载有酸性化学药 剂、碱性化学药剂和缓腐蚀剂；高压水介质源为清水槽(21)。
所述配重机构(7)为中空状，控制机构的信号线路和橡胶软管(32)装设在配重机构(7)内。
采用防水材料对所述的清洗机构、履带行走机构和电气控制机构进行全密封。 所述的配重机构内设有导向槽板，所述导线轮设置在导向槽板中，所述橡胶软管绕 过导线轮，所述橡胶软管的一端接进水管，另一端接所述的喷枪，所述的喷枪由喷嘴滑 座和喷嘴组成，所述的喷嘴设置在该喷嘴滑座中，所述喷嘴和喷嘴滑座之间的空隙中设 有压簧。作为改进，所述的喷嘴的外壁或喷嘴滑座的内壁上设有凹槽，该凹槽中设有密封 圈，所述喷嘴的外端采用喇叭形状。
所述的橡胶软管卡装在2个连为一体的导线轮之间，该2个导线轮之间的间隔为 一个橡胶软管的直径。
所述的清洗介质源控制系统包括了安装在控制箱内的工业控制计算机和位于水室 外的工作站计算机，工业控制计算机通过无线网卡与工作站计算机相连，工作站计算机 与装设在化学药剂储液槽和清水槽的可编程控制器相连。
本发明所具有的有益效果有
1、 本发明结构简单、自动化程度高，通过履带行走机构的设计，清洗机器人能在 凝汽器水室内自主移动，不需要安装固定导轨，适用性更广，利用视觉伺服定位系统和 声纳传感器就可以实现机器人自主移动和冷凝管的精确定位；
2、 本发明的机器人装设有视觉伺服定位系统，能够确保机器人能在水室环境中快 速、准确地定位待清洗凝汽器铜管的位置，即对铜管的管孔进行自动识别、检测出铜管 管口中心，以便智能移动清洗机器人的喷枪精确对准管孔中心，对冷凝管进行有效的清 洗；
3、 本发明的机器人回转支承的支撑板前后端和履带机架的前后位置都设有声纳传 感器,机器人本体在水室中自主移动时，可以自动测量与前后水室壁以及清洗壁的距离， 使机器人履带行走机构的清洗面既能与清洗壁保持平行，又能保证不会与前后水室壁发 生碰撞；喷枪上也装设有声纳传感器，当喷枪与管壁面不垂直时，可以通过声纳数据计 算得到回转支承需要旋转的角度；
4、 本发明的机器人控制系统采用上下位机分布式控制方式。上位机位于工作站， 其核心是工作站工业控制计算机，下位机由控制清洗系统的可编程控制器和安装在控制 箱内的工业控制计算机组成。上位机负责采集凝汽器工况参数、计算污垢系数、高压水 压力、流量、清洗剂浓度、清洗时间和周期、下位机的控制参数设置和状态监控，上位 机通过无线网卡与机器人本体控制箱内的工业控制计算机通信并发送控制命令，上位机 还通过相应接口与清洗系统的可编程控制器通信并发送清洗命令，实现了智能移动清洗 机器人的远程监控和遥操作；
5、 本发明的机器人同时支持高压水射流清洗和化学清洗两种清洗方式，采用高压水射流清洗，以清除松散性污垢；采用化学清洗，以清除析晶污垢。二者结合，可快速、 有效地清除凝汽器内的污垢，提高清洗效率；
6、本发明的机器人的清洗臂设计了配重机构，配重机构为中空状，它不仅能保证机 器人在清洗臂运动过程中保持重心平稳，内部还装设有清洗橡胶软管以及走水机构。
7、 采用橡胶软管以及导线轮和导向槽板的走管结构，可实现橡胶软管的自由收放 而不发生缠绕。
8、 喷枪的喷嘴和喷嘴滑座之间设有压簧，使得喷水时喷嘴伸出，不喷水时喷嘴收 回，可自动伸縮，清晰效果。
9、 喷嘴外端设置成喇叭形状，这样可以使高压水射也后形成一个圆圈向外喷射， 使清洗区域扩大，实现管壁四周的彻底清洗。
10、 喷嘴和喷嘴滑座之间设有密封圈，可以有效防止喷水过程中水流泄露，增强了 清洗效果。
11、 采用双导线轮结构，使得机械臂旋转到任意角度，都可以使得橡胶软管不会掉 落，仍旧可以实现收放功能，保证橡胶软管不出现纠结现象。
图1是本发明的主视结构示意图； 图2是本发明的侧视结构示意图； 图3为本发明高压水喷水装置的总体结构示意图4为本发明高压水喷水装置的喷枪结构示意图(即图3中喷枪的放大图)。 标号说明
1、铜管；2、水下摄像机；3、喷枪；4、丝杆驱动装置；5、喷枪机构6、 清洗臂机构；7、配重机构；8、电动推杆；9、电动推杆驱动装置；10、齿条；11、齿 轮导向座；12、旋转支架组件；13、进水管口； 14、工业控制计算机；15、电气控制箱； 16、回转支承；17、行走支架组件；18、履带行走机构；19、行走驱动装置；20、回转 支承驱动装置；21、高压水介质源；22、高压水出水电磁阀；23、连通软管；24、工作 站计算机；25、第一声纳传感器；26、高压水泵；27、清洗臂驱动轴；28、旋转丝杆； 29喷枪旋转支架；30、喷枪支座；31、高压水硬管；32、橡胶软管；33、齿轮；34、 履带支架底盘；35、驱动轮；36、从动轮；37、托轮；38、支重轮；39、车架；40、张紧装置；41、履带；42、导线槽；43、可编程控制器；44、化学药剂储液槽；45、缓蚀 剂电磁阀；46、加酸电磁阀；47、加碱电磁阀；48、导向轮；49、第四和第五声纳传 感器；50、清洗壁；51、第二和第三声纳传感器；52、喷嘴；64、导向糟板；66、钢管； 68、移动螺母；70、钢冒；71、扩糟；72、喷嘴滑座；73、压簧；75、密封圈。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。 实施例l :
如图1和图2所示， 一种凝汽器智能移动清洗机器人，包括履带行走机构、清洗机
构和电气控制机构，其特征在于所述清洗机构的底端和电气控制机构装设在履带行走
机构上，所述清洗机构包括喷枪3、水下摄像机2、清洗臂总成、回转支承16、连通软 管23、以及清水介质源26，所述清洗臂总成包括行走支架组件12、喷枪旋转支架29、 旋转丝杆28、清洗臂驱动轴27丝杆驱动装置4以及配重机构7;
回转支承16通过行走支架组件17装设在履带行走机构上，行走支架组件12设置 在回转支承16上，所述清洗臂驱动轴27与行走支架组件12的上端连接使得喷枪旋转 支架29可在行走支架组件12的支撑下旋转，所述喷枪旋转支架的一端的内部设置有旋 转丝杆28，另一端的内部设有配重机构7;
喷枪3通过喷枪支座30安装在喷枪旋转支架29和旋转丝杆28上，水下摄像机2 安装在喷枪3之上，喷枪3内安装有喷嘴52，喷枪3通过高压水硬管31与配重机构7 中的橡胶软管32相连，橡胶软管32通过进水管13与连通软管23相连，连通软管23 通过高压水出水电磁阀22与清洗介质源26连通；
喷枪旋转支架29和旋转丝杆28的一端与旋转丝杆驱动装置4相连，喷枪旋转支架 29和旋转丝杆28的另一端与清洗臂驱动轴27相连，清洗臂驱动轴27通过齿轮33和 齿条10组成的传动机构与电动推杆8相连。
所述的履带行走机构包括支架底盘34、驱动轮35、从动轮36、托轮37、支重轮 38、履带41、车架39和张紧装置40，支架底盘34和张紧装置40安装在车架39上， 驱动轮35、从动轮36、托轮37、支重轮38分别与履带41相连，从动轮36与张紧装 置40相连，驱动轮35、张紧装置40、托轮37以及支重轮38分别与车架39相连，驱 动轮35与行走驱动装置19连接。
所述控制机构包括工业控制计算机14和可编程控制器43，旋转丝杆驱动装置4通过导线槽轮42与安装在控制箱内的可编程控制器43相连，电动推杆驱动装置9和行走 驱动装置19分别与安装在控制箱内的可编程控制器43相连，可编程控制器43与工业 控制计算机(14)通信连接。
所述喷枪3顶部正前端装设有第一声纳传感器25,回转支承的支撑板前后端分别安 装了第二和第三声纳传感器51,履带行走机构机架39的前后位置分别装设有第四和第五 声纳传感器49，所述的第一、第二、第三、第四和第五声纳传感器(25， 51， 49)与 安装在控制箱内的可编程控制器43相连。
所述的清洗介质源26包括高压水介质源和化学清洗介质源，所述化学清洗介质源 为化学药剂储液槽44，化学药剂储液槽44分为三个部分，分别装载有酸性化学药剂、 碱性化学药剂和缓腐蚀剂；高压水介质源为清水槽21 。
所述配重机构7为中空状，控制机构的信号线路和橡胶软管32装设在配重机构7内。
采用防水材料对所述的清洗机构、履带行走机构和电气控制机构进行全密封。
如图3和图4，喷水装置走管结构由进水管13、橡胶软管32、导向槽板64、导向 轮48和钢管66组成。其中进水管13布置于行走支架组件17上，末端与橡胶软管32 连接，橡胶软管32穿过导向轮48中间，另一端与钢管66连接，导向轮48由两个互相 连接的轮子组成，中间有一个管子大小的间距，两个轮子均固定在导向糟板64之间， 可在导向糟板64中做直线运动。钢管的另一端与喷枪3的钢冒70连接。钢冒70固定 在移动螺母68上，移动螺母68可随旋转丝杆28的转动做上下滑动。旋转丝杆28设置 在喷枪支架29中。
当旋转丝杆28顺时针转动的时候，移动螺母68带动钢管66沿旋转丝杆28向下 滑动，在钢管66的推力下，橡胶软管答的右侧也会跟着向下移动，于是导向轮48在导 向糟板64内会向下运动，橡胶软管32右侧部分便会向左侧移动，将水管向内收。反之， 当旋转丝杆28逆时针转动时，橡胶软管32左侧部分便会向右侧移动，将水管向外放， 这样实现水管运动中的收放。
同时，由于机械臂要进行旋转运动，将两个导向轮48相互连接，这样可避免在机 械臂旋转卯度后导向装置至上端时，橡胶软管32不会掉下来,仍旧可以实现收放功能， 保证橡胶软管32不出现纠结现象。如图4所示，本发明喷枪机构由扩糟71、喷嘴滑座72、压簧73、喷嘴52和密封 圈75组成。扩糟的一边与钢冒70连接，另一端与喷嘴滑座72连接，喷嘴52设置在喷 嘴滑座72内，喷嘴52和喷嘴滑座72之间放有压簧73，在扩糟71与喷嘴滑座72相接 处及喷嘴滑座与喷嘴52的间隙内均放置了圆形密封圈75.
当高压水开的时候，由于喷嘴52承受高压水的压力，会有向前的驱动力，这个力 推动喷嘴52产生相对于喷嘴滑座72的向前位移，从而进入清洗管子内部，同时使得压 簧73产生形变，当高压水关的时候，压簧73的形变便会产生一个拉力，将喷嘴52拉 回喷嘴滑座72内，喷嘴縮回，实现喷嘴的自伸縮。
同时，当高压水开的时候，密封圈75会自动膨胀，将喷嘴滑座12与扩糟71之间 的空隙及喷嘴滑座72与喷嘴52之间的间隙堵住，防止高压水外泄。在喷嘴52的设计 中，采用向外扩展的喇叭状，这样可以使高压水射也后形成一个圆圈向外喷射，使清洗 区域扩大，实现管壁四周的彻底清洗。
本实施例中，清洗臂轴的上端安装了喷枪旋转支架29和旋转丝杆28，喷枪3通过 喷枪支座30安装在喷枪旋转支架29和旋转丝杆28上，喷枪旋转支架29起固定作用， 使喷枪3与清洗臂平面垂直，旋转丝杆驱动装置4采用直流电机，用来带动丝杆28旋 转，使喷枪能沿着清洗臂上下滑动，滑动范围为清洗臂顶端到清洗臂驱动轴27之间。 喷枪的滑动过程旋转丝杆驱动装置4接收到控制信号驱动丝杆28旋转，旋转丝杆28 和喷枪支座30通过螺杆和螺母构成了螺旋传动，喷枪通过喷枪支座30顺着旋转丝杆上 下滑动，其滑动距离又由直流电机光电编码器测试的旋转角度信号反馈给可编程控制器 PLC43，构成闭环控制系统。喷枪的顶部安装了一个带光源的无线水下摄像机2，水下 摄像机2与喷枪3前端的喷嘴的相对位置固定不变，主要用于水下对凝汽器铜管1的管 孔特征和位置的识别，图像采集卡通过无线收发装置将水下摄像机2采集到的铜管1图 像信息传到工业控制计算机14，计算机通过图像处理会将识别好的铜管管口中心坐标 转换成旋转角度控制命令发送给可编程控制器43。喷枪3内安装了可伸縮的喷嘴52， 喷嘴通过压簧与喷嘴滑座相连，喷嘴滑座与喷枪相连，清洗时高压水的水压迫使喷嘴 52伸出喷枪而伸入到铜管管孔，清洗完毕后，压簧又迫使喷嘴52收回到喷枪3内。喷 枪3的顶部正前端安装有声纳传感器25，声纳传感器25将喷嘴与凝汽管的距离信息传 送给可编程控制器43，由可编程控制器43结合安装在履带行走机构机架上的声纳传感 器49距离信息计算出使喷嘴垂直于凝汽器铜管清洗平面回转支承16需要旋转的角度。清洗臂轴的下端设计了配重机构7，配重机构为中空状，里面装设了导向槽板和导向轮 48，橡胶软管32与硬水管相连，清洗介质通过橡胶软管32和硬水管31流入喷枪内， 导向槽板保证了硬水管31随喷枪只能作上下直线滑动而不会发生倾斜，橡胶软管32通 过导向轮48而随喷枪的上下滑动自由巻曲不会拖坠。清洗臂通过法兰连接于清洗臂驱 动轴27上，清洗臂驱动轴经铜套、密封圈、压盖、齿轮33与电动推杆8连接，电动推 杆驱动装置9采用直流恒速马达，直流恒速马达通过驱动器与控制箱内的可编程控制器 43相连，可编程控制器43根据工业控制计算机14的控制命令控制直流恒速马达驱动 电动推杆8作直线运动，通过电动推杆的齿条10与齿轮33的连接，可把电动推杆的直 线运动转换成清洗臂的旋转运动，使其实现360。转动。清洗臂驱动轴27与行走支架组 件12相连，行走支架组件12和控制箱15安装在回转支承16上，回转支承16通过行 走支架组件17装设在履带行走机构上，回转支承驱动装置20驱动回转支承旋转360° 从而调节清洗臂平面与凝汽器铜管清洗平面的位置关系。回转支承16的支撑板前后端 各安装了一个声纳传感器51，机器人移动时两个声纳传感器51将机器人本体与前后水 室壁的距离值送给控制箱内的可编程控制器43，达到某一设定值(可调)时控制器产生中 断信号停止机器人的移动，避免了机器人本体与前后水室壁的碰撞。履带行走机构包括 支架底盘34、驱动轮35、从动轮36、托轮37、支重轮38、履带41、车架39和张紧装 置40，支架底盘34固定在车架39上，驱动轮35装设在车架39上，履带41绕设于驱 动轮35和从动轮36上，张紧装置40安装在车架39上并与从动轮36连接，根据履带 41与机架39的配合关系而伸縮，保证履带具有一定的张力，车架39上方设有托轮37， 用来支撑上面的履带41不使其凹下来，车架39下方装设有一排支重轮38，支重轮38 既负责整个履带行走机构还有安装在支架底盘34上的所有设备的重量承托。采用履带 41结构的优点高压水射流清洗时会对机器人带来一定的反作用力，有可能导致机器 人车体偏离预定水平轨迹，履带41的结构由于会增大与地面的摩擦力而解决此问题， 驱动轮35安装了行走驱动装置19，行走驱动装置19为直流无刷电机，直流无刷电机 通过驱动器与控制箱内的可编程控制器43相连，履带行走机构采用两轮差分驱动方式， 左右驱动轮分别由直流无刷电机独立驱动，可编程控制器43根据工业控制计算机14的 控制命令控制左右驱动轮的直流无刷电机，履带41由两驱动轮驱动旋转，其旋转角度 由光电编码器经驱动器反馈到可编程控制器43,构成闭环控制系统。在履带行走机构 车架39的前后各安设有一个声纳传感器49(型号SRF05)主要用于测试与清洗壁50的距离，避免机器人在行进中与清洗壁50相碰撞，当机器人车体距离清洗壁50小于某一 设定值(可调)时，相应的声纳传感器49向可编程控制器43发送中断命令，可编程控制 器43响应中断后，停止机器人的移动然后通过预定距离值计算出机器人的旋转角度， 最后使机器人本体与清洗壁50的距离调整到设定值，当履带行走机构车架39前后的声 纳传感器49将各自所测距离信息传到PLC,当两个声纳传感器49的测量值不相同时 PLC将参照较大的距离值计算出履带行走机构需要旋转的角度，调整机器人位置使其清 洗平面与清洗壁面50保持平行位置。清洗介质源包括高压水介质源和化学清洗介质源， 高压水介质源的高压水泵26，主要用于连续产生采用高压水射流清洗方式时所需的高 压水，水压为20-40Mpa(根据具体清洗要求而定)，通过压力传感器(型号PPM241Z) 测量。化学药剂储液槽44和高压水泵26与连通软管23相连，连通软管23通过进水管 13与橡胶软管32相连，在化学清洗方式中，化学药剂储液槽44内存储了酸液、碱液 和缓蚀剂三种化学药剂，需要三个计量槽，每个计量槽中都安装液位传感器(型号 JW-0.85/2.5计量泵)，当计量槽的液位小于某一设定值时，由相应的液位传感器向控制 清洗系统的PLC发出中断请求，PLC相应中断后，向相应的计量泵电机发出控制命令 加药剂直到液位达到预定值。如图3所示，本实施例中，控制机构采用分布式控制方式， 由一台上位机和多台下位机组成，上位机为工作站工业控制计算机24，下位机分为控 制机器人的工业控制计算机14和控制清洗系统的可编程控制器。清洗机器人安装在现 场，控制机器人的工业控制计算机14设置在控制箱内，水下摄像机将凝汽器铜管图像 传到工业控制计算机14，工业控制计算机14对图像进行处理并识别出铜管管口中心然 后将其转换成旋转角度参数，最后工业控制计算机14将电机控制参数传送给可编程控 制器43,再由其控制履带行走机构和清洗机构的运动。控制清洗系统的可编程控制器 接收上位机传送来的控制命令分别控制化学清洗和高压水射流清洗。上位机位于工作室 内，其核心为工业控制计算机IPC，负责采集凝汽器工况参数、计算污垢系数、高压水 压力、流量、清洗剂浓度、清洗时间和周期、下位机的控制参数设置和状态监控，具有 动态显示、历史数据存储、报表打印等功能。工作站工业控制计算机24通过无线网卡 与控制箱内的工业控制计算机14进行通信，还通过PC/MPI电缆与控制清洗系统的可 编程控制器进行通信。
凝汽器清洗系统在功能上包括高压水射流清洗子系统和化学清洗子系统。该系统基 本工作原理为冷凝器运行时，清洗系统实时监测凝汽器的污垢程度。当污垢系数大于某一设定值时，即启动高压水射流清洗，高压水射流清洗能够有效清除管内松散性，但 对管内析晶污垢则不能完全清除，因此，高压水射流清洗后若污垢系数仍未达到要求， 则启动化学清洗，直至析晶污垢完全清楚。
1、 高压水射流清洗子系统
(1) PLC系统
PLC系统由西门子模块组成，包括CPU模块(S7-226)、数字量输入输出模块 (SM223)、模拟量输入模块(SM231)、模拟量输出模块(SM232)。 PLC系统用来获取高压 水压力值和控制各种电磁阀、变频器(西门子变频器MicroMaster430)及其高压水泵电机； 此外为了显示状态信息和故障信息，安设了液晶显示屏。
(2) 喷枪3的定位控制
为了保证凝汽器的高效清洗，喷枪3对凝汽器铜管1的精确定位是本清洗系统工作 的核心。喷枪的视觉伺服控制系统采用了水下摄像机，以直流马达作为关节驱动部件， 并配以光电编码器组成闭环控制系统。定位过程是水下摄像机将所拍摄到的图像由无 线发射器发送到接收器，再由接收器经图像采集卡送至工控机，工控机对图像进行处理 后将凝汽器的管口布置的位置坐标参数送至控制电机的可编程控制器，可编程控制器根 据管口位置坐标参数，完成清洗臂的驱动控制，最终使喷嘴正对准待清洗的铜管管口中 心；此外，为了减少机械振动，对所有驱动装置的控制都采取了电气制动的方式，这些 保证了喷枪的精确定位控制。
(3) 高压水清洗控制
压力传感器测量的清洗压力值输入到PLC模拟量输入模块，由PLC启动高压水泵 电机，并调节变频器，使高压水压力达到设定值。待喷枪定位完毕，喷枪对准凝汽器铜 管中心，高压水出水电磁阀动作，高压水由连通软管与橡胶软管相连，再经硬水管到达 喷枪，高压水的压力迫使喷枪内的喷嘴伸出喷枪伸入到管孔内对凝汽器铜管进行高压水 射流清洗。清洗完毕后，喷嘴回缩，高压水出水电磁阀关闭，再进行下一根铜管的清洗。
(4) 通信
PLC通过PC/MPI适配器与工控机进行通信；水下摄像机通过无线收发设备再加图 像采集卡与工控机通信。
2、 化学清洗子系统
主要包括加缓蚀剂、加酸、中和置换等步骤，其控制过程如下(1) 加缓蚀剂
在加酸前，先加缓蚀剂，可以降低冷凝器的腐蚀速率。缓蚀剂剂量与盐酸浓度有关， 通过缓蚀剂电磁阀45(型号40型通过电磁阀)控制。
(2) 加酸
PLC根据设定的盐酸浓度值参数，启动各相关的电磁阀46和加药计量泵。加药量 的调节通过计量泵电机变频调速来实现。在清洗过程中，保持冷却水入口的pH值不变 (pH值传感器型号GW24-WQ201)，以维持酸的浓度。上位机监视污垢系数，当污垢 系数降低至某一设定值(可调)且冷却水出口浊度、硬度显著增大时，停止加酸。
(3) 中和置换
将化学清洗后的酸液通过排污阀置换出系统，当冷却水浊度〈20mg/L(可调)，启动 碱计量泵47加碱中和，并将冷却水pH值调到7以上，运行20 30小时后，即完成化 学清洗。
综上所述，该机器人的传动系统、各种传感器以及多台PLC和视觉伺服机构都必 须在电气控制系统的精确控制下，才能协调完成凝汽器的在线高效清洗任务。 参见图4所示，具体工作过程为
1、 清洗前的准备
(1) 初始化
包括上位机和所有下位机的初始化。
(2) 选择清洗的方式
智能移动清洗机器人主要能够实现高压水射流清洗和化学清洗两种在线清洗方式。 一般采用高压水射流清洗，以清除松散性污垢，只有当析晶污垢达到某一程度(根据污 添系数的大小确定)时，才采用化学清洗，以清除析晶污垢。
2、 高压水射流清洗方式
(1) 选择高压水射流清洗方式后，由行走驱动装置19驱动履带行走机构使机器人本 体移动到水室的右侧(从正对清洗臂的角度看)，清洗臂直立，喷枪3至于清洗臂顶端。
(2) 移动机器人本体在水室中的位置。移动过程中由机器人本体前端声纳传感器 51(从正对清洗臂的角度看，机器人本体左侧为前端，右侧为后端，机器人后退时利用 后端声纳传感器)测量机器人本体与前端水室壁的距离，达到某一设定值时(可调)时停止 移动，同时移动过程中履带行走机构机架39上的两个声纳传感器49测量机器人本体与清洗壁50的距离，当两个声纳传感器49测量值不相同时，PLC将参照较大的距离值计 算出履带行走机构需要旋转的角度，再通过差分驱动方式控制履带行走机构的驱动装置 调整机器人的位置，使其清洗平面与清洗壁50保持平行位置。机器人移动到冷凝管待 清洗区域后，电机产生制动信号使机器人在该位置锁死而不会产生任何偏移。由喷枪3 顶部正前端的声纳传感器25和履带机架声纳传感器49测量的距离值计算出旋转参数调 整回转支承16，保证了喷嘴垂直于凝汽器铜管清洗面
(3) 启用水下摄像机2，将拍摄的待清洗凝汽器铜管图像经图像采集卡送至工业控制 计算机14，工业控制计算机14对图像进行处理后计算出铜管管口坐标再转换成电动推 杆驱动装置9和旋转丝杆驱动装置4的旋转角度，调整清洗臂和喷枪3的位置，再根据 电动推杆驱动装置9和旋转丝杆驱动装置4的光电编码器反馈参数构成闭环控制系统， 实现角度的调整，使喷嘴与待清洗的铜管管口精确对准。
(4) 打开高压水出水电磁阀22，高水压的压力促使喷嘴伸到铜管管孔里，清洗已经 对准的凝汽器铜管l;同时启动清洗定时器，控制一根铜管的清洗时间。定时器定时时 间(可调)一到，关闭高压水出水电磁阀22，喷嘴回縮，清洗定时器清零。
(5) 判断该清洗区域是否还有凝汽器铜管没有清洗。如果还有铜管没有清洗则转至 步骤(3)，通过图像识别出下一跟待清洗铜管1的管口中心坐标，调整清洗臂和喷枪3 的位置，使喷嘴对准铜管的管口，重复步骤(3) (5)。
(6) 判断水室中已清洗完毕的区域左边是否还有待清洗的区域。如果还有区域需要 清洗则转至步骤(2)，移动机器人本体在水室中的位置，对下一片待清洗区域进行清洗， 重复步骤(2) (6)
(7) 如果凝汽器没有需要清洗的区域，则确定本次的高压水射流清洗完成，执行结 束清洗程序。关闭高压水泵，使机器人清洗臂恢复直立，喷枪回到清洗臂的顶端位置， 驱动履带行走机构使机器人移动到水室右侧的设定位置，移动过程中回转支承的支撑板 后端的声纳传感器51起作用，最后显示"高压水射流清洗方式结束"，自动关闭电源。
3、化学清洗方式
(l)选择化学清洗方式后，由行走驱动装置19驱动履带行走机构使机器人本体移动 到水室的中央，移动过程中履带行走机构机架39上的两个声纳传感器49测量机器人本 体与清洗壁50的距离，当两个声纳传感器49测量值不相同时，PLC将参照较大的距离 值计算出履带行走机构需要旋转的角度，再通过差分驱动方式控制履带行走机构的驱动装置调整机器人的位置，使其清洗平面与清洗壁50保持平行位置，然后按照预设的旋 转参数控制旋转丝杆驱动装置4的旋转角度，使喷枪3移动到清洗臂的中间位置。
(2) 启动循环水泵，使水室中的水进入循环系统。加入一定量的缓蚀剂，根据现场 的情况加入适当的缓蚀剂，以降低凝汽器的腐蚀速率。缓蚀剂剂量与盐酸浓度有关，由 缓蚀剂电磁阀45控制，同时启动加缓蚀剂定时器。
(3) 加缓蚀剂定时器时间(可调)到，开始加酸。清洗系统可编程控制器根据设定的盐 酸浓度值参数，启动各相关的电磁阀46和加药计量泵。加药量的调节通过计量泵电机 变频调速来实现。在清洗过程中，由pH值传感器实时地测量冷却水入口的pH值，将 该参数反馈到加酸电磁阀46，以保持冷却水入口的pH值不变，以维持酸的浓度。上位 机监视污垢参数，当污垢参数降低至某一设定值(可调)且冷却水出口浊度、硬度显著增 大时，停止加酸。
(4) 将清洗后的酸液通过排污阀置换出系统，当冷却水浊度〈Omg/L(可调)时，启动 碱计量泵47加碱中和，并将冷却水pH值调到7以上，运行20 30小时(时间由定时器 或者人为控制)后，即完成化学清洗。
(5) 执行结束清洗程序。按照预设定结束指令参数，使喷枪回到清洗臂的顶端位置， 驱动履带行走机构使机器人移动到水室右侧的设定位置，这时回转支承的支撑板后端的 声纳传感器起作用，最后显示"化学清洗方式结束"，自动关闭电源。
权利要求
1. 一种凝汽器智能移动清洗机器人，包括履带行走机构、清洗机构和电气控制机构，其特征在于所述清洗机构的底端和电气控制机构装设在履带行走机构上，所述清洗机构包括喷枪(3)、水下摄像机(2)、清洗臂总成、回转支承(16)、连通软管(23)、以及清水介质源(26)，所述清洗臂总成包括行走支架组件(12)、喷枪旋转支架(29)、旋转丝杆(28)、清洗臂驱动轴(27)丝杆驱动装置(4)以及配重机构(7)；回转支承(16)通过行走支架组件(17)装设在履带行走机构上，旋转支架组件(12)设置在回转支承(16)上，所述清洗臂驱动轴(27)与旋转支架组件(12)的上端连接使得喷枪旋转支架(29)可在旋转支架组件(12)的支撑下旋转，所述喷枪旋转支架的一端的内部设置有旋转丝杆(28)，另一端的内部设有配重机构(7)；喷枪(3)通过喷枪支座(30)安装在喷枪旋转支架(29)和旋转丝杆(28)上，水下摄像机(2)安装在喷枪(3)之上，喷枪(3)内安装有喷嘴(52)，喷枪(3)通过高压水硬管(31)与配重机构(7)中的橡胶软管(32)相连，橡胶软管(32)通过进水管(13)与连通软管(23)相连，连通软管(23)通过高压水出水电磁阀(22)与清洗介质源(26)连通；喷枪旋转支架(29)和旋转丝杆(28)的一端与旋转丝杆驱动装置(4)相连，喷枪旋转支架(29)和旋转丝杆(28)的另一端与清洗臂驱动轴(27)相连，清洗臂驱动轴(27)通过齿轮(33)和齿条(10)组成的传动机构与电动推杆(8)相连。
2、 根据权利要求1所述的凝汽器智能移动清洗机器人，其特征在于所述的履带 行走机构包括支架底盘(34)、驱动轮(35)、从动轮(36)、托轮(37)、支重轮(38)、履带(41)、 车架(39)和张紧装置(40)，支架底盘(34)和张紧装置(40)安装在车架(39)上，驱动轮(35)、 从动轮(36)、托轮(37)、支重轮(38)分别与履带(41)相连，从动轮(36)与张紧装置(40)相连， 驱动轮(35)、张紧装置(40)、托轮(37)以及支重轮(38)分别与车架(39)相连，驱动轮(35) 与行走驱动装置(19)连接。
3、 根据权利要求1或2所述的凝汽器智能移动清洗机器人，其特征在于所述控 制机构包括工业控制计算机(14)和可编程控制器(43),旋转丝杆驱动装置(4)通过导线槽 轮(42)与安装在控制箱内的可编程控制器(43)相连，电动推杆驱动装置(9)和行走驱动装 置(19)分别与安装在控制箱内的可编程控制器(43)相连，可编程控制器(43)与工业控制计 算机(14)通信连接。
4、 根据权利要求3所述的凝汽器智能移动清洗机器人，其特征在于所述喷枪(3)顶部正前端装设有第一声纳传感器(25)，回转支承的支撑板前后端分别安装了第二和第 三声纳传感器(51)，履带行走机构机架(39)的前后位置分别装设有第四和第五声纳传感器 (49)，所述的第一、第二、第三、第四和第五声纳传感器(25, 51, 49)与安装在控制 箱内的可编程控制器(43)相连。
5、 根据权利要求4所述的凝汽器智能移动清洗机器人，其特征在于所述的清洗 介质源(26)包括高压水介质源和化学清洗介质源，所述化学清洗介质源为化学药剂储 液槽(44)，化学药剂储液槽(44)分为三个部分，分别装载有酸性化学药剂、碱性化学药 剂和缓腐蚀剂；高压水介质源为清水槽(21)。
6、 根据权利要求5所述的凝汽器智能移动清洗机器人，其特征在于所述配重机 构(7)为中空状，控制机构的信号线路和橡胶软管(32)装设在配重机构(7)内。
7、 根据权利要求6的凝汽器智能移动清洗机器人，其特征在于采用防水材料对 所述的清洗机构、履带行走机构和电气控制机构进行全密封。
8、 根据权利要求7所述的凝汽器智能移动清洗机器人，其特征在于所述的配重 机构内设有导向槽板，所述导线轮设置在导向槽板中，所述橡胶软管绕过导线轮，所述 橡胶软管的一端接进水管，另一端接所述的喷枪，所述的喷枪由喷嘴滑座和喷嘴组成， 所述的喷嘴设置在该喷嘴滑座中，所述喷嘴和喷嘴滑座之间的空隙中设有压簧。
9. 根据权利要求8所述的凝汽器智能移动清洗机器人，其特征在于所述的喷嘴 的外壁或喷嘴滑座的内壁上设有凹槽，该凹槽中设有密封圈，所述喷嘴的外端采用喇叭 形状。
10. 根据权利要求8或9所述的凝汽器智能移动清洗机器人，其特征在于所述 的橡胶软管卡装在2个连为一体的导线轮之间，该2个导线轮之间的间隔为一个橡胶软 管的直径。
全文摘要
本发明公开了一种凝汽器智能移动清洗机器人，可用于大型清洗设备领域，包括履带行走机构、清洗机构和电气控制机构；喷枪连接在清洗臂的喷枪旋转支架上，喷枪上装有水下摄像机，喷枪通过连通软管与清洗介质源相连；清洗臂通过驱动轴与清洗臂行走支架组件相连，清洗臂驱动轴与电动推杆相连；清洗臂行走支架组件安装于回转支承上，回转支承通过行走支架组件装设在履带行走机构上；喷枪顶部正前端、回转支承的支撑板前后端和履带机架的前后位置安装有声纳传感器。本发明机器人关节少，结构简单，加工装配方便，同时能在凝汽器水室中自主移动完成凝汽器铜管的精确定位和高效清洗，其适用范围广，自动化程度高。
文档编号F28G1/16GK101430176SQ20081014370
公开日2009年5月13日 申请日期2008年11月25日 优先权日2008年11月25日
发明者余洪山, 夏汉民, 孙程鹏, 伟 宁, 江 朱, 王耀南, 淼 胡, 许海霞, 霞 邓, 钱存海 申请人:湖南大学