專利名稱：一種鋼鐵表面自由行走作業(yè)小車的制作方法
技術領域：
在工業(yè)生產(chǎn)中、生活中常需要某些作業(yè)裝置能在一定范圍的一塊區(qū)域內(nèi)自由移 動。用人工來移動這些裝置可能是很費工力的事情。為此可以設計一臺可以在一定范圍的 一塊區(qū)域內(nèi)自由移動的小車，將作業(yè)裝置安裝在小車上，隨時移動作業(yè)裝置進行連續(xù)的作 業(yè)。有時作業(yè)裝置還需要在地面、平臺以外的區(qū)域工作，比如造船廠、鋼結構廠、大型 機械制造廠等地方，在制造、修理船舶、鋼梁、桁架、箱體等結構件時，常需在高處進行焊接、 氣割等工作。構件、設備制作成型后，最后還需除銹、油漆后才能交付使用。這些船舶、鋼 梁、絎架、箱體等結構件常常有高大的、垂直的表面，有的高大表面與地面的角度甚至超過 90°。比方船體的外表面與水平面成的角度一般都超過90°。船底表面則接近為倒置的水 平面，與水平面的角度接近180°。對這些鋼鐵制品的表面進行作業(yè)、處理一般需搭腳手架進行作業(yè)。搭腳手架所費 的輔助作業(yè)時間往往是主作業(yè)的好幾倍，且高空作業(yè)易發(fā)生安全事故。為此也有使用登高 車作業(yè)的，但登高車價格昂貴，作業(yè)效率也不是很高。如能使用可以吸附在鋼板表面自由行 走的作業(yè)小車，則可以提高工作效率。本發(fā)明涉及用于安裝作業(yè)裝置進行自行走作業(yè)的小車，各種起重、運輸車輛及平 整地面、軌道行走的各種行走設備不在此范圍。
背景技術：
能在一定的區(qū)域自由行走的方案很多，一般多使用數(shù)對車輪行走。為了小車能在 一個區(qū)域行走，小車還應有轉向機構。利用磁鐵的吸力，可以使其本身并裝載若干物品吸附在鋼鐵制品表面。用磁鐵產(chǎn) 生吸力，可以直接使用帶磁性的車輪。也可以使用安裝了磁鐵的履帶。前者由于車輪圓弧 面與行走面(局部可以看成平面)只有很小的接觸面，不可能構成很大的吸引工作面，因而 不容易產(chǎn)生很大的吸力。后者有可能產(chǎn)生較大的吸力，但磁鐵利用率多不到一半，磁鐵單體 與鋼板吸合或分離時會對驅(qū)動機構產(chǎn)生額外的沖擊負荷。且履帶轉向時磁鐵會產(chǎn)生很大的 阻力與磨損。多數(shù)磁性吸附小車使用的吸盤，其磁路大致有以下兩種方式。一種方式是將單塊的磁鐵的一個磁極面對著被吸附面放置，直接作為吸引工作 面。這種放置方式由于包含長距離的空氣磁路，不可能產(chǎn)生較大的吸引力。另一種方式是將兩塊磁鐵一正一反地放置在一塊軛鐵上連接成一體，和軛鐵構成 一個“Π”字形磁路的吸盤。將這種吸盤的兩塊磁鐵的另外兩個磁極面對著被吸附面放置， 直接作為吸引工作面。這種放置方式比單一磁鐵的吸力增強。上述吸盤都直接利用磁鐵本身的磁極作為吸盤的工作磁極，很難有足夠的吸力， 磁鐵也容易受損。多數(shù)磁性吸附小車的吸盤直接固定在小車上，為了防止吸盤被起伏的行走面卡
4住，平時不得不保持較大的工作間隙，因而不可能有產(chǎn)生較大的吸力來承載負荷。也有的專 利方案將吸盤的一頭固定在小車上，另一頭用小輪拖在行走面上，以圖保持較小的工作間 隙。但結果適得起反間隙縮小所增強的吸力極其有限，小輪卻白白浪費了吸盤的吸力。在行走面為平面時，車輪與行走面一般有足夠的附著力。但當行走面高低起伏時， 常常會有1個或更多車輪脫離行走面，使驅(qū)動附著力降低，行走發(fā)生異常。為此還需為小車 設計懸掛機構，但這樣一來，小車結構大為復雜。在噴砂、涂裝等作業(yè)中，需要掃描式的行走作業(yè)方式。要求后一掃描軌跡與前一掃 描軌跡保持一個比較精確的平行距離，以避免漏掃、重掃。在小車可作自由行走的情況下， 要達到該要求，往往需要人工操作，并且也不理想。作業(yè)小車因帶有強力吸盤，要其脫離工作面相當困難；有時工作面下緣離地有一 定距離，作業(yè)小車無法駛上工作面；地面上還有設備與小車配合使用，需要一個收納全套設 備的物件，以往的作業(yè)小車沒有這方面的考慮。

發(fā)明內(nèi)容
本案將吸力的產(chǎn)生與行走機構分離，可解決上述矛盾。1.磁性吸盤吸盤產(chǎn)生磁力，可以使用電磁鐵，也可以使用永久磁鐵。本發(fā)明使用釹鐵硼等強力 永久磁鐵，具有安全、省電的特點。磁性吸盤不直接使用磁鐵的磁極作為吸盤的磁極，而是 使用鐵板夾住釹鐵硼等強力永久磁鐵，利用鐵板構成吸盤的磁極。其呈S、N兩種極性的鐵 制磁極靠近行走面安放，各有一個面與行走面(被吸附的鋼鐵制品表面)保持一個較小的 工作間隙。對于總負荷能力(包括小車自重和電纜、軟管的拖拽負荷)小于It的小車，工 作間隙不超過20mm，超過It的小車，工作間隙不超過50mm。鐵制磁極的工作面積小于磁鐵 的面積。這種吸盤可以產(chǎn)生很大的吸力，并且磁鐵受到較好的保護。2.磁性吸盤曲面適應理論上說，磁性吸盤與行走面的間隙越小越好。但由于行走面不是平面，固定安裝 在小車上的吸盤不容易與被吸附的鋼鐵制品表面時時保持較小的間隙。為此考慮在吸盤與 車輪之間設置彈性連接。設置彈性連接的一般方法是通過彈簧將吸盤懸掛在車體上。當吸盤的吸力與彈簧 的彈力平衡時，吸盤即懸浮在該位置。設置彈性連接的另一個方法是使用有彈性的小車梁架，即小車梁架同時兼任彈簧 的工作。這種方法可以簡化設備結構。還有一個方法是在小車梁架和車輪之間放置彈簧。在吸盤上還設置小輪，突出吸盤工作磁極面少許。小輪一般不與被吸附的鋼鐵制 品表面接觸，不浪費吸力。當被吸附的鋼鐵制品表面有較高的拱起時，小輪接觸被吸附的鋼 鐵制品表面。由于有彈簧的作用，吸盤可以被輕松頂起，防止吸盤與被吸附的鋼鐵制品表面 刮擦。因此吸盤可以時時保持較小的工作間隙。使吸盤與被吸附的鋼鐵制品表面時時保持較小的工作間隙的另外一種方法是將 吸盤鋼鐵制的磁極安放在車輪兩旁，車輪比磁極凸出一個很小的高度，將磁鐵放置在車輪 中心面上車輪的近旁或干脆放置在車輪內(nèi)?？梢赃m應被吸附的鋼鐵制品表面較大的起伏。
3.行走機構由車輪實現(xiàn)行走。為了實現(xiàn)小車的轉向，需要設置轉向機構。一種轉向的方法是為每對驅(qū)動車輪安裝差速機構。在這種方式中，兩個車輪合用 一臺驅(qū)動機。驅(qū)動機帶動減速機和差速機構。差速機構的兩個輸出半軸可以直接帶動車輪， 也可以再經(jīng)過傳動機構帶動車輪。轉彎時，由轉向操作機構推動該對車輪，使車輪的方向偏 離原行駛方向，小車行駛方向也跟著發(fā)生偏轉。此時轉彎內(nèi)側的車輪將額外受到行走面的 阻力而減速，而外側車輪則相反，避免了兩個車輪在行駛面上的滑動。對于具有多對驅(qū)動輪 的小車，各對驅(qū)動輪的轉向由控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。推動車輪偏轉的方法也有兩種，一種是推動兩個車輪一起繞一個共同的偏轉軸線 旋轉，另一種是推動兩個車輪繞各自的偏轉軸線旋轉。另一種轉向的方法是為每個驅(qū)動車輪安裝一套驅(qū)動機構。驅(qū)動機構包括馬達和減 速機構。轉彎時，由轉向操作機構推動該車輪，使車輪的方向偏離原行駛方向?qū)崿F(xiàn)轉向。各 驅(qū)動輪的轉向由控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。 上述的轉向的概念是改變車體的方向。還有一種改變小車行進方向的辦法是將各 個車輪同時相對車體偏轉一個相同的角度。則車體的方向不變，而小車可以相對于車體方 向斜走甚至于橫走。斜走或橫走對小車的掃描式作業(yè)非常有用。但是，光有斜走、橫走能力的小車并不 實用，因為假如小車主軸方向有了偏差，或各車輪的方向不完全一致，小車的反方就無法得 到方便的糾正，因此有斜走功能的小車也必須考慮轉向功能。4.行走曲面起伏適應小車在曲面上行走時，如果行走面起伏引起某個車輪脫離行走面，將使未脫離行 走面的車輪的驅(qū)動負擔加重，并可能導致轉向機構異常動作。一般的超過三個車輪的行走系統(tǒng)中，如未設計懸掛機構，則在曲面上行走時，經(jīng)常 只有三個車輪接觸行走面，并且經(jīng)常只有兩個車輪與行走面保持較高的附著力。本發(fā)明設計了一種曲面起伏適應旋轉機構。將每對車輪安裝在一個橫臂上，該橫 臂通過一根與車體軸線方向平行的旋轉軸與另一對車輪的橫臂連接。其中一對車輪的橫臂 可以由車體充當。該種旋轉機構可以保證車輪均接觸行走曲面，并保持原有的附著力不變。5.車輪及曲面橫向傾斜適應為了使車輪在爬坡、爬壁時由足夠的附著力，在輪輞外包裹既有較大的摩擦力，又 有良好彈性的材料，比如橡膠或聚氨酯等來增加接觸面積。另外，在車輪骨架上制作溝槽以 保證與包裹材料的緊密結合。小車在曲面上行走時，如果車輪下行走面橫向傾斜，將引起車 輪與行走面的接觸面積大幅度降低，靠彈性材料也不能保證車輪與行走面有足夠的接觸面 積，車輪將迅速磨損或損壞。為此可以設置沿車輪的行進方向的擺動轉軸，行走面橫向傾斜 時，車輪因壓力而自動擺動旋轉，經(jīng)常保持與行走面的良好接觸。6.掃描式行走為了在噴砂、涂裝等作業(yè)中實現(xiàn)自動掃描作業(yè)，本發(fā)明使用剩磁檢測技術檢測前 一掃描時磁性吸盤在行走面上留下的微弱剩磁，送往智能控制設備(如PLC)進行判斷分 析。具體方法是，在小車上安裝檢測臂，上面安裝剩磁探頭，探頭可受搜索指令而作搜索移
6動。當磁跡正常(信號明顯，極性正確，轉彎曲率半徑符合小車行走特點)時小車由磁跡控 制行走路線；當磁跡不正常時則暫時保持直走，加大磁跡搜索范圍，直到搜索到正確磁跡， 或發(fā)出故障停機信號。7.接應車本發(fā)明使用了一個接引車作為自走式小車的配套附件。接引車有一個鋼鐵制的行 走面，移動接引小車將該行走面靠近工作面，可幫助小車駛上工作面和駛離工作面。小車不 使用時儲存在接引車內(nèi)。電纜、較細的軟管、操作箱等也收納在接應車上。
四

圖1是吸盤的結構示意圖。其中圖Ia是使用一個磁極作工作面的吸盤，圖Ib是 兩塊磁鐵用一塊軛鐵連接的吸盤，圖Ic是用兩塊磁極鋼板夾住永久磁鐵構成的吸盤。圖中 1是磁鐵，2是軛鐵，3是吸盤鋼板磁極的工作面，4是被吸附的鋼鐵制品表面。圖2a和2b是磁性吸盤曲面自適應機構的彈性連接結構示意圖。其中圖2a使用 壓簧，圖2b使用彈性橫梁。圖中11是吊桿，與吸盤18相連，桿上部有螺紋，12是螺母，13 是壓蓋，14是彈簧，15是彈簧座筒，與橫梁16連接，17是小輪，19是車輪，20是車輪支架。圖3是車輪擺動及單輪獨立轉向機構示意圖。圖中21是擺動架支架，22是車輪擺 動軸，23是車輪包覆材料，24是輪輞，25是輪軸，26是車輪擺動架長邊，可兼作磁鐵內(nèi)藏式 吸盤的磁極，27是轉向節(jié)外殼，與小車橫梁相連，28是轉向軸，29是車輪擺動架短邊，30是 車輪內(nèi)空間，磁鐵內(nèi)藏式吸盤的磁鐵裝在該位置。圖4是行走曲面起伏自適應及雙輪共軸轉向機構的示意圖。圖中21是擺動架支 架，27是轉向節(jié)外殼，16是小車橫梁，33是小車主梁，31是曲面起伏自適應轉軸。32是雙輪 共同轉向軸。圖5是1種4輪4變頻馬達驅(qū)動可斜走的小車的實施方案。圖中41是減速機，42 是馬達，21是擺動架支架，27是轉向節(jié)外殼，與小車橫梁16相連，45是轉向臂，一頭固定在 擺動架支架，一頭與轉向動力缸52相連，47是轉向臂連桿，48是磁性吸盤小輪，18是磁性 吸盤，50是磁性吸盤懸掛彈簧筒，31是曲面起伏自適應轉軸，53是小車縱軸線，33是小車主 梁，55是安裝在小車上的自動噴砂作業(yè)裝置。圖6是1種4輪2變頻馬達差速機構驅(qū)動的油漆涂裝作業(yè)小車的實施方案。圖中 57是車輪總成，包括車輪、擺動架和車輪內(nèi)藏磁鐵的磁性吸盤，58是傳動鏈條，52是轉向動 力缸，41是減速機，54是差速器，32是轉向軸，42是馬達，33是小車主梁，56是油漆涂裝設 備安裝區(qū)。圖7是1種2輪2伺服馬達驅(qū)動的小車的實施方案簡略示意圖。圖中21是車輪 擺動架支座，22是車輪擺動軸，59是車輪擺動架，41是減速機，42是馬達，60是小車底板。W 是萬向非驅(qū)動輪總成，其中19是車輪，25是輪軸，20是輪叉(車輪支架)，28是轉向軸，27 是轉向節(jié)外殼。
五具體實施例方式圖5是1種使用4輪小車進行噴砂作業(yè)的實施方案。在該實施方案中，小車由兩 部分構成，裝有四個驅(qū)動車輪。每一個車輪均有自己的變頻驅(qū)動馬達42、減速機41、擺動機構(圖中只畫出了擺動架支架21)和轉向節(jié)(圖中只畫出了轉向節(jié)外殼27)，構成一個車輪 總成。每兩個車輪總成的轉向節(jié)外殼通過橫梁16連接在一起。磁性吸盤18安裝在兩個驅(qū) 動車輪之間，通過兩個彈簧50懸掛在橫梁上，吸盤兩側有最小工作間隙限制小輪48。其中 一對車輪的橫梁與車體33通過平行于車體縱軸53的旋轉軸31相連接。每個車輪總成上 都有一個轉向臂45，共用一根橫梁的兩個車輪總成的轉向臂用一根連桿47連在一起，用一 個動力缸52推動。連桿的長度根據(jù)需要而異，需要轉向時，沒置成梯形機構；需要斜走或橫 走時，設置成平行四邊形機構。車體主梁下安裝鋼板表面處理用的噴砂設備，圖中僅畫出了 除塵罩55。小車通過電纜、氣管與地面操作控制箱、電源、空壓機、除塵設備等連接，地面操作 控制箱通過電纜控制小車的行走和噴砂作業(yè)。車上的磁跡檢測、小車方向、行走路徑終點、 噴砂作業(yè)參數(shù)、噴砂處理品質(zhì)等各種信號通過電纜與地面連接。信號較多時采用信號編碼 技術，將并行信號轉換成串行信號傳送。當作業(yè)范圍較大時，使用遙控操作箱操作。圖6是另1種4輪小車的實施方案。在該實施方案中，小車由兩部分構成，通過轉 向軸32連接。裝有四個驅(qū)動車輪總成57。吸盤的磁鐵安放在車輪內(nèi)。車輪通過鏈條58與 差速器54連接。每兩個車輪使用一套變頻驅(qū)動馬達42、減速機41和差速器。轉向通過動力缸52 推動一對車輪的總體繞轉向軸旋轉來實現(xiàn)。小車梁架33中部為油漆涂裝設備安裝區(qū)56。小車與涂裝作業(yè)的控制與前一方案相類似。圖7是1種2輪驅(qū)動小車的實施方案。在該實施方案中，每一個驅(qū)動車輪(圖中僅 畫出了擺動架)，均有自己的伺服驅(qū)動馬達42、減速機41、擺動架59與磁性吸盤，與其構成 一個吸盤一體式驅(qū)動輪總成。擺動架支座21直接固定在小車底板60上，擺動架擺動軸22 可在擺動架支座中旋轉。吸盤的磁鐵安放在車輪內(nèi)。另有2個非驅(qū)動輪，安裝得靠近行走 面，但與行走面之間保留一個小間隙，僅在車體前后傾斜時才有一個非驅(qū)動輪接觸行走面。 非驅(qū)動輪使用萬向輪結構，包括車輪19，輪軸25，輪叉20，和轉向節(jié)。輪叉與轉向軸28固 定，轉向軸可在轉向節(jié)殼27內(nèi)通過軸承旋轉。小車轉向時會自行調(diào)整方向，永遠保持車輪 方向與行走方向一致。該方案不需特意設置的轉向機構。只要分別控制兩個驅(qū)動輪的轉速 即可實現(xiàn)前進、后退和轉向。在底板60上可以安裝作業(yè)設備。該方案因只有兩個驅(qū)動輪， 成本較低，適合在行走面起伏較大，作業(yè)設備分量較輕的場合使用。該方案如要求可以斜走，則需要為每一個驅(qū)動輪配置轉向機構。該方案也可將驅(qū)動輪和非驅(qū)動輪的位置互換，則兩個車輪可以等速驅(qū)動。如不要 求斜走，則非驅(qū)動輪可以不使用萬向輪結構。
權利要求
一種使用磁力吸盤在鋼鐵制品表面用車輪自由行走的作業(yè)小車，作為各種需要自由移動的自動化作業(yè)設備的行走裝置。鋼鐵制品表面可以是平面，也可以是曲面，與水平面可以成任何角度的。車輪分驅(qū)動輪與非驅(qū)動輪兩種。其特征是小車使用變頻馬達(或伺服馬達)驅(qū)動。驅(qū)動車輪的輪轂、幅板、輪輞使用鋼鐵、鋁合金等材料制作，輪輞外周包裹橡膠、聚氨酯等具有高摩擦系數(shù)、高彈性的材料，輪輞上制作凹凸結構以保證與包裹材料可靠結合。車上裝有主體由釹鐵硼等強力永久磁鐵和鐵制磁極構成的行走面起伏自適應磁力吸盤，鐵制磁極的工作面積小于磁鐵的面積，S、N兩種極性的鐵制磁極靠近行走面(被吸附的鋼鐵制品表面)，與其保持的距離不超過50mm。作業(yè)小車可根據(jù)作業(yè)設備而異，在其上設計安裝作業(yè)設備的地方。在地面或方便人員操作的平臺上有一個操作控制箱，可以操縱小車的前進、后退、轉向等，及操作安裝在其上的作業(yè)設備。小車通過電纜與地面控制箱相連。另外還可以有一個無線電或紅外線遙控操作箱，同樣可以操縱小車及安裝在其上的作業(yè)設備。另外還有一個接引車作為自走式小車的配套附件。接引車有一個鋼鐵制的行走面，移動接引車將該行走面靠近工作面，可幫助小車駛上工作面和駛離工作面。小車不使用時儲存在接引車內(nèi)。
2.如權利要求1所述的自走式小車，其特征還在于所述的行走面起伏自適應磁力吸 盤與驅(qū)動輪之間為彈性連接。磁力吸盤通過彈簧懸掛在小車梁架上，或懸掛在有彈性的梁 架上，或在小車梁架和車輪之間安裝彈簧。磁力吸盤下裝有小輪以防止碰擦行走面。
3.如權利要求1所述的自走式小車，其特征還在于所述的行走面起伏自適應磁力吸 盤的永久磁鐵安裝于行走車輪之內(nèi)或近旁，工作磁極緊靠在車輪兩側，可兼作車輪軸兩端 的支撐架。
4.如權利要求1所述的自走式小車，其特征還在于小車可以由兩部分或更多的部分 構成，兩個相鄰的部分用關節(jié)相連。關節(jié)可分兩種，一種是繞平行于前進方向的軸線的轉 動，可保證每個驅(qū)動輪都與行走面接觸。一種是改變車輪在行走面上行走方向的轉動，以實 現(xiàn)轉向。
5.如權利要求1所述的自走式小車，其特征還在于驅(qū)動輪可沿與車輪行進方向平行 的軸線擺動，自動保持驅(qū)動輪踏面中部與行走面相切。
6.如權利要求1所述的自走式小車，其特征還在于小車裝有數(shù)個驅(qū)動車輪。每個車 輪均有自己的驅(qū)動機及減速機，部分或全部輪子帶有轉向機構，其前進方向可以通過轉向 機構隨意改變。通過分別或同時控制部分或全部車輪的方向及轉速，可以實現(xiàn)小車的前進、 后退、橫行、斜行、轉彎或定位。
7.如權利要求1所述的自走式小車，其特征還在于小車有數(shù)對驅(qū)動車輪。每對車輪 均有驅(qū)動機和減速機。其中的數(shù)對車輪的軸被分為兩個半軸，該對車輪由同一個動力通過 差速機構驅(qū)動，其前進方向可以通過轉向機構隨意改變，實現(xiàn)實現(xiàn)小車的前進、后退、橫行、 斜行、轉彎或定位。
8.如權利要求1所述的自走式小車，其特征還在于在地面操作控制箱和車上控制箱 的信號傳輸中，使用了信號編碼技術，各種檢測信號和控制信號被轉換成串行信號在兩者 之間通過有線或無線方式傳送?？刂葡鋬?nèi)使用PLC作為核心控制器件。
9.如權利要求1所述的自走式小車，其特征還在于使用剩磁檢測分析技術實現(xiàn)小車 的自動掃描作業(yè)。
10.如權利要求1所述的自走式小車，其特征還在于車上可以安裝噴砂、噴丸、拋丸或 涂裝等設備進行相應作業(yè)，噴嘴安裝在除塵罩內(nèi)。噴嘴、除塵罩各有軟管與地面空壓機、除 塵等設備相連。
全文摘要
一種能在與地面成任何角度的彎曲的鋼鐵制品表面用車輪自由行走的作業(yè)小車，用于安裝噴砂、油漆等各種作業(yè)設備進行各種作業(yè)。小車的前進、后退、轉向和作業(yè)設備的操作由遙控操作箱或地面操作箱通過電纜控制。監(jiān)測和操作信號通過并行或串行方式傳輸。曲面自適應磁性吸盤使用強力永久磁鐵，有鐵制的磁極靠近行走面工作。車輪與磁性吸盤之間有彈簧，或?qū)④囕喤c吸盤置為一體，以適應行走面的起伏，保證吸盤與行走面之間保持最小的工作間隙。車輪外包高摩擦、高彈性材料，與車輪骨架有溝槽結合。車輪帶有擺動架以適應行走面的橫向傾斜。具有對行走面起伏的自適應旋轉連接和轉向需要的旋轉連接。有配套接應車用于運送、安裝、儲存小車。
文檔編號B60B39/00GK101927797SQ20091006271
公開日2010年12月29日 申請日期2009年6月18日 優(yōu)先權日2009年6月18日
發(fā)明者戴韡 申請人:戴韡