基于TRIZ理论的内套管测厚机器人设计开发
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作者:贾万东 陈映 韩海健 李俊福
摘要：氧化铝溶出内套管会被矿流磨损，行业内还没有有效的预防措施，只能依靠过度维修来预防事故发生。项目团队利用TRIZ理论和工具设计开发了满足测量速度和精度的内套管测厚机器人。
关键词：测厚机器人;TRIZ;氧化铝
1 背景和意义
氧化铝在日常生产生活中起着重要的作用，它是生产金属铝的主要原料，同时在电子、石油、化工、耐火材料、陶瓷、磨料、阻燃剂、造纸以及制药等许多领域也得到了广泛应用。2021年，中国氧化铝产量占世界54.40%，产量巨大。在氧化铝生产工艺中，矿流会造成内套管磨损，引发内管刺穿或爆管事故，带来巨大的安全威胁，造成重大的经济损失。目前，行业内还没有有效的预防措施，如果能有效预防套管的刺穿和爆管事故，对氧化铝的安全生产具有重要意义。
2 问题分析
生产中要解决的问题是减少或消除磨损。为此，首先可建立管道磨损功能模型图，如图1所示。矿流对管道各个部位的作用不同，磨损复杂，根据矿浆对内管的有害作用，建立物场模型，如图2所示。运用“76个标准解”得出消除有害作用的8个方案，经过评估，没有找到低投入解决管道磨损问题的方案。继续进行矿流分析，矿流是有害流，按照消除有害流的18个改进措施，逐条分析得出4个方案。最可行的是提前更换磨损管道，因此，解决该问题的需求是“准确、快速测量管道壁厚”。经过市场调研，现有的管道外和管道内测厚设备无法解决我公司的内管测厚问题，需要开发新的测厚设备。
3 测厚机器人设计
测厚机器人要实现驱动、测量、数据处理等功能，确定机器人的组件包含测量单元、驱动单元、操作控制单元和通讯系统。
3.1 测量单元设计
通过对主流测流技术超声波、漏磁、X射线、电涡流等进行比选，发现这些技术均不能用于管道化内套管测厚。利用TRIZ工具科学效应库，查到了测量长度的67项功能，根据“激光表面测速仪”效应，利用激光测速，通过换算距离，再换算壁厚，最终实现检测。
激光测距是以激光器作为光源进行测距。根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作于连续输出状态，用于相位式激光测距;双异质砷化镓半导体激光器，用于红外测距;红宝石、钕玻璃等固体激光器，用于脉冲式激光测距。激光测距仪由于具有激光单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体化集成化，有很高的测量精度。激光测距原理如图3所示。
由此得出以下激光测量内径方案：
由于测量旋转轴线与管路轴线存在夹角误差，使用两个夹角a的传感器测量进行测量。得到L3、L4、L5、L6。
附着物厚度补偿。使用一个电感式距离传感器对传感器到金属管内壁的距离进行测量（测量精度与附着物的外表面、成分有关），用于辅助补偿计算管路的壁厚B1-B。
内径L=L1+L2+2（B1-B）。
3.2 驱动单元设计
（1）行走方式
根据管道检测机器人运动机理和运动特征，其行走方式可分为履带式、无轮式、轮式等。管道内部有较多的污水、淤泥、废弃物等，如此复杂的工况条件对管道检测机器人的行走方式提出了更高的要求，行走方式确定为车型式轮式。
（2）动力计算
驱动单元需提供F=150N的拉力以驱动管道机器人克服相应阻力运行。已知驱动轮直径为55mm，取动力余量为1.2，则
F驱动=150×1.2=180N
T=F驱动×R=180×0.055/2=4.95N・m
同步带减速比为1，锥齿轮减速比为1.5，则
电机输出Tm=3.3N・m
（3）转弯计算
驱动单元去除驱动轮组和从动轮组，长度最大为201mm，宽度最大为63mm。管道最小转弯半径为0.9m，在内径为900mm、外径为981mm的两端圆弧中最大可放置长度200mm、宽度为75.8mm的物体，即长度为201mm、宽度为63mm的驱动单元可通过管道中的最小转弯半径。
3.3 操作控制设计
测厚机器人接收上位机软件通过CAN总线通信发送的指令，控制驱动轮转动从而实现自身在管道内的前进后退等操作，上位机软件如图8所示。
3.4 通系统设计
选择双绞线配电力猫作为管道检测机器人的通讯方式。
（1）扫描模块设计
扫描模块包括滑环、扫描模块、测量模块、采集模块和随动轮组成，如图9所示，测量模块在扫描模块的带动下沿管道轴线旋转从而测量一周的内管数据。
（2）通讯
测厚机器人采用24V直流供电，使用了RS485、CAN、以太网等通信方式，其通信原理如图10所示，控制箱原理如图11所示。
（3）数据处理
测厚机器人采集的所有数据均在上位机软件中处理。测厚机器人上位机软件通过各通信方式获取机器人的采集数据后，分析计算得到壁厚信息，绘制实时壁厚曲线并保存数据至本地以方便用户查看。
4 测厚机器人改进
4.1 实际应用情况
按照设计制造出测厚机器人，并进行了现场测量试验。测量试验结果如图12所示。测量速度71m/h，测量精度正负0.35mm，提高速度以后，测量精度下降，还要解决测量速度的问题。
4.2 机器人改进
根据机器人存在的问题，再次运用TRIZ理论求解。首先建立机器人功能模型，如图13所示。通过功能模型分析发现了检测功能的不足作用和影响速度的有害作用，再对不足作用和有害作用进行因果链分析，如图14所示，找出了导致问题的两个关键点：单个测量单元测量范围不足、行走效率低。
（1）单个测量单元测量范围不足求解
提高检测速度会导致测量难度变大，测量速度与测量难度形成技术冲突，查找冲突矩阵，得到冲突矩阵表。从冲突矩阵表中推荐的局部质量原理得出解决方案为：由点旋转测量强化为线测量，方案如图15所示。
（2）行走效率低求解
“测量速度”既要“快”又要“慢”，属于典型的物理矛盾。应用四条分离原理，我们发现“测量速度”在不同的“时间段”具有不同的特性，因此选用“时间分离”原理得出解决方案为“慢进快出”。但在实现机器人快退功能的时候，万向节影响机器人的快速倒退，万向节主要作用是连接与转弯，危害是倒退时容易分散驱动力。管道化转弯的地方不是套管，可以直接从外面测量，因此可以直接去掉转弯的功能。运用裁剪工具裁掉万向节，让驱动单元与扫描模块直接连接，裁剪方案如图16所示。
机器人改进后，在保证测量精度的同时，测量速度提高了10倍，满足了生产和检修的需求。
5 总结
运用TRIZ理论和工具设计开发测厚机器人，应用了TRIZ理论的5种工具，得出了25个方案，采用其中5个方案组合得到了所需的最优解，成功开发出满足需求的氧化铝管道化内管测厚机器人。 责编/马铭阳
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