陳向偉，韓青

(東北電力大學(xué)機(jī)械學(xué)院，吉林吉林132012)

火力發(fā)電廠中的燃煤鍋爐燃燒后的剩余物稱為飛灰，飛灰中會(huì)含有燃燒不完全時(shí)殘留的碳粒，殘余碳粒占飛灰的比例就是飛灰含碳量［1］。在電力市場(chǎng)的不斷改革中，各火力發(fā)電廠為了提高自身競(jìng)爭(zhēng)力，都越來(lái)越重視如何在發(fā)電效率提高的情況下，使發(fā)電成本降低。飛灰含碳量對(duì)火電廠燃煤鍋爐來(lái)說(shuō)是非常重要的參數(shù)，它能夠反映鍋爐運(yùn)行過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性及技術(shù)性，表示了燃煤的未完全燃燒損失，所以鍋爐運(yùn)行效率的高低可以用飛灰含碳量表示?，F(xiàn)階段市場(chǎng)上針對(duì)飛灰測(cè)碳在線執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究較多，基本上解決了離線的實(shí)驗(yàn)室分析法存在的分析時(shí)間較長(zhǎng)、人工工作量大等缺陷，但是飛灰測(cè)碳在線執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于技術(shù)還不成熟，仍存在一定的改進(jìn)空間。作者主要探討在失重法飛灰測(cè)碳在線執(zhí)行機(jī)構(gòu)上使用氣動(dòng)機(jī)械手代替中心旋轉(zhuǎn)工位，并對(duì)改進(jìn)后的機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真，然后對(duì)機(jī)構(gòu)改進(jìn)前后各參數(shù)進(jìn)行分析。

1 飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

失重法飛灰測(cè)碳在線執(zhí)行機(jī)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱為飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu))采用的是失重法(即灼燒稱重法)測(cè)量飛灰含碳量，該機(jī)構(gòu)包含以下工位:取灰工位、稱重工位、灼燒工位、排灰工位和中心升降旋轉(zhuǎn)工位，其中稱重工位包含校正部分和天平部分。圖1 為飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)的工位分布，圖2 為飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)工位分布的三維立體圖。飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，這5 個(gè)工位需要準(zhǔn)確地循環(huán)執(zhí)行“采樣—干燥—稱重—燃燒—再稱重—余灰處理”這一過(guò)程。

由圖1 可知，取灰工位、稱重工位、灼燒工位及排灰工位不均勻分布在以中心升降旋轉(zhuǎn)工位為圓心的圓周上。飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)各工位作用:取灰工位執(zhí)行接灰動(dòng)作，即托舉著坩堝上升接灰(每次接灰約2.5 ～3 g)，接灰后直線下降到指定位置;校正部分只起到放置坩堝的作用，天平部分負(fù)責(zé)稱量空坩堝及接灰后坩堝的質(zhì)量;灼燒工位和排灰工位都與取灰工位類似，都需要先托舉坩堝上升再直線下降至指定位置。

圖1 飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)的工位分布

圖2 飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)工位分布三維立體圖

1.2 飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)存在的問(wèn)題

(1)飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)各工位的升降軸均采用了齒輪齒條傳動(dòng)，由于導(dǎo)程較長(zhǎng)(190 ～200 mm)，在工作過(guò)程中即使產(chǎn)生輕微振動(dòng)，這些振動(dòng)傳遞到升降軸頂端靠近坩堝處就會(huì)被成倍放大，因此在升降軸上下升降過(guò)程中托堝不穩(wěn)，容易掉堝，同時(shí)升降軸在工作過(guò)程中有噪聲產(chǎn)生，這說(shuō)明升降軸在其工作過(guò)程中運(yùn)行不穩(wěn)定，容易導(dǎo)致故障率的增加。不僅如此，由于飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)的工作環(huán)境灰塵比較多，而升降軸暴露在空氣中，潤(rùn)滑液極易與空氣中的灰塵相結(jié)合，在電廠環(huán)境下非常容易堵灰，造成升降軸無(wú)法正常工作，設(shè)備維護(hù)非常困難。

(2)由于飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)對(duì)精度要求較高，長(zhǎng)期運(yùn)行后，中心升降旋轉(zhuǎn)工位及其他工位累積的誤差會(huì)導(dǎo)致懸臂在各工位處與坩堝碰撞，增加掉堝概率。

(3)電機(jī)軸與各工位升降軸之間不是剛性連接，信號(hào)傳輸存在延遲性:當(dāng)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，中心升降旋轉(zhuǎn)工位處的懸臂不能及時(shí)停止，這種情況同樣也會(huì)造成掉堝和碰撞。

綜上所述，飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)需要從兩方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn):(1)取灰工位、稱重工位、灼燒工位和排灰工位升降軸的傳動(dòng)方式。由于取灰、稱重、灼燒和排灰工位升降軸的傳動(dòng)方式由原來(lái)的齒輪齒條傳動(dòng)改進(jìn)為絲杠絲母?jìng)鲃?dòng)，這種傳動(dòng)方式不僅使升降軸振動(dòng)大幅減小，更重要的是密封性好，解決了堵灰的問(wèn)題，提高了設(shè)備的性能及壽命，所以取灰、稱重、灼燒和排灰工位的優(yōu)化已經(jīng)完成;(2)中心升降旋轉(zhuǎn)工位在工作時(shí)與其他工位不同，不僅其自身做升降旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而且在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中需要與其他各工位進(jìn)行協(xié)調(diào)合作，精度要求、穩(wěn)定性及可靠性要求需要比其他工位更高，因此中心升降旋轉(zhuǎn)工位的優(yōu)化是飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)優(yōu)化的主要部分。作者主要針對(duì)中心升降旋轉(zhuǎn)工位的優(yōu)化進(jìn)行分析。

2 氣動(dòng)機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì)

氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，可進(jìn)行大量往復(fù)單調(diào)的運(yùn)動(dòng)及實(shí)現(xiàn)高精度定位的工作。由于準(zhǔn)確、快速地抓取工件是機(jī)械手的基本功能，而氣動(dòng)機(jī)械手不僅具有機(jī)械手的基本功能，而且還具備相當(dāng)程度的承載能力、自由度比較靈活、精度高、反應(yīng)快速和自動(dòng)定位時(shí)不受定位點(diǎn)位置限制的特性［2－3］。

2.1 氣動(dòng)機(jī)械手整體設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手需要在平面中的圓周范圍內(nèi)抓取坩堝，該機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)的裝配圖如圖3所示。文中的氣動(dòng)機(jī)械手具有6 個(gè)關(guān)節(jié)自由度，如圖4所示。其中，決定氣動(dòng)機(jī)械手末端位置的關(guān)節(jié)有小臂俯仰關(guān)節(jié)、大臂俯仰關(guān)節(jié)、腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這3 個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)機(jī)械手末端軌跡精度的控制起決定性的作用，決定了氣動(dòng)機(jī)械手的負(fù)載特性。其他關(guān)節(jié)，主要決定機(jī)械手末端的姿態(tài)，對(duì)末端軌跡控制進(jìn)行微調(diào)，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較獨(dú)立，對(duì)負(fù)載特性影響不大。

圖3 氣動(dòng)機(jī)械手整體裝配圖

圖4 氣動(dòng)機(jī)械手原理簡(jiǎn)圖

氣動(dòng)機(jī)械手的原理見(jiàn)圖5。大臂1 的運(yùn)動(dòng)主要為繞鉸接中心(大臂俯仰關(guān)節(jié))的俯仰運(yùn)動(dòng)。小臂3的運(yùn)動(dòng)有:繞鉸接中心(小臂俯仰關(guān)節(jié))的俯仰(通過(guò)氣缸2 的伸縮實(shí)現(xiàn))和沿小臂的伸縮(通過(guò)氣缸4 的伸縮實(shí)現(xiàn))。由圖5 可以看出，氣缸2 的缸體部分鉸接在大臂處，活塞連桿則與小臂鉸接，因此該氣缸的運(yùn)動(dòng)能夠帶動(dòng)小臂俯仰，從而實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)機(jī)械手的俯仰運(yùn)動(dòng);氣缸4 的缸體與小臂連接在一起，缸體內(nèi)活塞的運(yùn)動(dòng)能夠帶動(dòng)小臂產(chǎn)生伸縮運(yùn)動(dòng)。而腕部關(guān)節(jié)處的氣缸可以進(jìn)行伸縮和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，主要控制手爪的開(kāi)閉距離和開(kāi)閉時(shí)間，同時(shí)起到微調(diào)的作用，使氣動(dòng)機(jī)械手末端接近被夾持工件時(shí)，及時(shí)調(diào)整夾持姿態(tài)，確保手爪在氣缸的作用下，準(zhǔn)確快速地執(zhí)行夾持和放開(kāi)工件的操作。

圖5 氣動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

2.2 氣動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程

氣動(dòng)機(jī)械手的初始位置是其手爪正對(duì)稱重工位的校正部分(即坩堝初始放置位置)，與坩堝成90°夾角，小臂根據(jù)該夾角設(shè)在相應(yīng)位置。氣動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5所示。氣動(dòng)機(jī)械手為完成一次完整的飛灰含碳量測(cè)量，需要完成如下幾個(gè)動(dòng)作:

(1)氣缸4 帶動(dòng)小臂3 由初始位置伸出，到達(dá)坩堝初始位置(校正部分);氣缸2 運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)小臂3 繞小臂俯仰關(guān)節(jié)擺動(dòng)，機(jī)械手停留在與坩堝相同的高度，在腕部氣缸5 的作用下，水平移動(dòng)，對(duì)準(zhǔn)坩堝，手爪6 閉合，夾持住坩堝，完成夾取動(dòng)作(因此機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)范圍會(huì)是一個(gè)扇形區(qū)域，此扇形區(qū)域在同一平面內(nèi)，要想氣動(dòng)機(jī)械手可以在360°旋轉(zhuǎn)，則需要腰部回轉(zhuǎn))。

(2)氣缸2 的活塞桿伸出，小臂3 抬起，腰部旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°至天平部分，氣缸2縮回，小臂降下;腕部氣缸5 的活塞桿伸出，手爪6 張開(kāi)(將坩堝放在天平部分托盤處)，待稱量完成后，氣缸5 的活塞桿縮回，手爪6 閉合，夾持住坩堝。

(3)小臂3 抬起，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°至取灰工位，小臂放下，手爪張開(kāi)，然后小臂在氣缸作用下縮回一定的位移，等待取灰完成，然后重復(fù)夾取動(dòng)作。

(4)氣動(dòng)機(jī)械手在取灰工位、灼燒工位及清灰工位的動(dòng)作是重復(fù)進(jìn)行的。在不同工位處，除了機(jī)械手旋轉(zhuǎn)的角度不同外，機(jī)械手的動(dòng)作區(qū)別是:在氣動(dòng)機(jī)械手初始動(dòng)作時(shí)，小臂3 由初始位置伸出，到達(dá)坩堝所在位置;氣動(dòng)機(jī)械手在天平部分只需要將手爪張開(kāi)放下坩堝，不需要縮回。

3 飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)模擬仿真

一般情況下，機(jī)械手是多連桿、多自由度的空間結(jié)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)比較繁瑣，若是人工計(jì)算則極易出錯(cuò)，所以要想提高工作效率與降低成本，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及運(yùn)行階段出現(xiàn)的問(wèn)題，就必須使用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)［4］。

3.1 氣動(dòng)機(jī)械手仿真過(guò)程分析

3.1.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真步驟

在運(yùn)用Pro/E 進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真中，可以通過(guò)添加各種運(yùn)動(dòng)軸的方式，使機(jī)構(gòu)隨伺服電機(jī)移動(dòng)的同時(shí)，分析其運(yùn)動(dòng)。使用運(yùn)動(dòng)仿真觀察并測(cè)量機(jī)構(gòu)的任意點(diǎn)的位置、速度以及加速度的變化情況，并能夠把這些測(cè)量值用圖形表示出來(lái)，創(chuàng)建軌跡曲線及運(yùn)動(dòng)包絡(luò)。根據(jù)分析，可以把機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分為以下6 個(gè)部分［2－3］:

(1)創(chuàng)建機(jī)構(gòu)模型。添加模型并定義連接集(如銷釘、圓柱、平面等)，確保機(jī)構(gòu)達(dá)到預(yù)期的運(yùn)動(dòng)方式，并定義運(yùn)動(dòng)軸。

(2)檢測(cè)模型。拖動(dòng)組件檢測(cè)機(jī)構(gòu)是否能夠按預(yù)期的要求運(yùn)動(dòng)，主題可到達(dá)的位置范圍。

(3)添加建模圖元。根據(jù)運(yùn)動(dòng)類型，選擇合適的伺服電機(jī)作為動(dòng)力源進(jìn)行添加。

(4)準(zhǔn)備分析。定義機(jī)構(gòu)初始位置的同時(shí)創(chuàng)建快照，即使用幾何約束來(lái)獲得特定配置，并作為快照記錄下來(lái)，方便以后使用。

(5)分析模型。進(jìn)行位置和運(yùn)動(dòng)分析。這兩種分析方式相似，但是有一點(diǎn)重要的差別:運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可記錄機(jī)構(gòu)中的點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)軸的位置、速度以及加速度，而位置分析僅測(cè)量位置。所以，要求在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)定義的任何伺服電機(jī)輪廓能明確分辨;在位置分析時(shí)使用幾何伺服電機(jī)。

(6)獲取結(jié)果。在分析期間可繪制并分析特征值的圖形及參數(shù)變化情況，然后將測(cè)量圖形保存到表格文件，獲得模型的自由度和冗余數(shù)。軌跡曲線是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的圖形描述，使用該曲線可以創(chuàng)建凸輪輪廓及Pro/E 基準(zhǔn)曲線。運(yùn)動(dòng)包絡(luò)表示在運(yùn)動(dòng)分析期間，由機(jī)構(gòu)的零件所掃描的體積塊，可將運(yùn)動(dòng)包絡(luò)文件運(yùn)用到Pro/E 中的零件。

3.1.2 氣動(dòng)機(jī)械手三維模型的創(chuàng)建

圖6 為氣動(dòng)機(jī)械手三維實(shí)體模型，圖7 為氣動(dòng)手爪三維實(shí)體模型。

圖6 氣動(dòng)機(jī)械手三維實(shí)體模型

圖7 氣動(dòng)手爪三維實(shí)體

3.2 仿真數(shù)據(jù)曲線輸出

在飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)中，應(yīng)用氣動(dòng)機(jī)械手的主要目的是為了解決中心升降旋轉(zhuǎn)工位在工作過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)及其升降軸在上下升降過(guò)程中托堝不穩(wěn)、容易掉堝的問(wèn)題。這是由于在工作過(guò)程中，中心升降旋轉(zhuǎn)工位從靜止直接到達(dá)某個(gè)速度會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，所以要想解決這個(gè)問(wèn)題，就必須改變坩堝在被夾持過(guò)程中加速度變化過(guò)快的現(xiàn)象。作者在運(yùn)用Pro/E 仿真軟件進(jìn)行氣動(dòng)機(jī)械手動(dòng)態(tài)模擬仿真后，輸出其數(shù)據(jù)分析曲線，其力、力矩及扭矩分析曲線見(jiàn)圖8—10。

圖8 力變化曲線

圖9 力矩變化曲線

圖10 扭矩變化曲線

由于氣動(dòng)機(jī)械手的抓取工件為坩堝，抓重較小，由圖8—10 可知:機(jī)械手在工作過(guò)程中其力、力矩及扭矩變化波動(dòng)不大，所以在作者對(duì)力、力矩及扭矩不再作具體討論。此處重點(diǎn)分析氣動(dòng)機(jī)械手不同部位的位置、速度、加速度曲線，選取過(guò)程為氣動(dòng)機(jī)械手從靜止→小臂伸出→手爪張開(kāi)→手爪閉合→小臂抬起→腰部旋轉(zhuǎn)，氣動(dòng)機(jī)械手添加驅(qū)動(dòng)具體位置見(jiàn)圖11所示，觀察分析此過(guò)程中機(jī)械手相關(guān)部位:位置1 處氣缸、位置2 處氣缸、位置3 處氣缸以及機(jī)械手爪末端點(diǎn)A(見(jiàn)圖11)的位置、速度及加速度的變化曲線，見(jiàn)圖12—17。

圖11 氣動(dòng)機(jī)械手添加驅(qū)動(dòng)具體位置

圖12 位置1 處氣缸位置s、速度v 及加速度a 曲線

圖13 位置2 處氣缸位置s、速度v 及加速度a 曲線

圖14 位置3 處氣缸位置s、速度v 及加速度a 曲線

圖15 手爪末端點(diǎn)A 位置變化曲線

圖16 手爪末端點(diǎn)A速度變化曲線

圖17 手爪末端點(diǎn)A 加速度變化曲線

3.3 仿真數(shù)據(jù)結(jié)果分析

輸出的上述曲線代表了氣動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程的一個(gè)階段:從靜止→小臂伸出→手爪張開(kāi)→手爪閉合→小臂抬起→腰部旋轉(zhuǎn)，由于氣動(dòng)機(jī)械手在飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)上的一個(gè)工作循環(huán)是所選取階段的重復(fù)，所以，輸出的曲線具有代表性。

從圖12 可知:由于腕部氣缸直接控制手爪對(duì)坩堝的抓取，氣動(dòng)手爪氣缸的速度首先逐漸升高，然后逐漸減低，在接觸到坩堝之前其速度降至最低(v =0)，這樣可有效減少抓取過(guò)程對(duì)坩堝造成的沖擊。抓取到坩堝以后，可以看到氣動(dòng)手爪氣缸的速度又逐漸提高。

從圖13—14 可知:小臂伸縮氣缸與小臂俯仰氣缸是勻速運(yùn)動(dòng)的(a =0，v =2 mm/s)，可以比較平穩(wěn)地控制小臂的伸縮與俯仰，從而使氣動(dòng)機(jī)械手整體運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

從圖15—17 可知:氣動(dòng)手爪在抓取坩堝時(shí)，在接觸到坩堝時(shí)其速度概乎降為0，這就大大降低了手爪在接觸坩堝時(shí)的沖擊和振動(dòng)，從而減少掉堝概率，由于氣動(dòng)手爪處有觸覺(jué)傳感器及三維指力傳感器，所以坩堝在被抓起后由于滑動(dòng)引起的放置時(shí)與其他工位的碰撞問(wèn)題可以得到解決。

4 結(jié)論

根據(jù)飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程，分析了飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)存在的問(wèn)題，如:中心升降旋轉(zhuǎn)工位在升降過(guò)程中托堝不穩(wěn)，容易掉堝;飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)的工作環(huán)境灰塵比較多，潤(rùn)滑液極易與空氣中的灰塵相結(jié)合，在電廠環(huán)境下非常容易堵灰，設(shè)備維護(hù)非常困難等。在此基礎(chǔ)上，對(duì)飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)應(yīng)用氣動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行了探索，指出了應(yīng)用氣動(dòng)機(jī)械手的優(yōu)勢(shì)。氣動(dòng)機(jī)械手代替中心升降旋轉(zhuǎn)工位在飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)上應(yīng)用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的抓取和放開(kāi)，運(yùn)行更精確，振動(dòng)沖擊比較小，有效地解決了中心升降旋轉(zhuǎn)工位在工作過(guò)程中托堝不穩(wěn)，容易掉堝以及中心主軸在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的沖擊較大的問(wèn)題;而且由于氣動(dòng)機(jī)械手使用的是壓縮空氣，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較清潔，這樣有效解決了飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)在電廠環(huán)境下油污染嚴(yán)重，容易堵灰，設(shè)備維護(hù)困難的問(wèn)題?？傊?，在飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)使用機(jī)械手可以降低機(jī)構(gòu)故障率，延長(zhǎng)其使用壽命。但是，文中研究的不足之處在于:未能明顯提高飛灰測(cè)碳機(jī)構(gòu)完成一次飛灰含碳量測(cè)量的測(cè)量時(shí)間(20 min)，氣動(dòng)機(jī)械手完成一次飛灰含碳量測(cè)量用時(shí)12 min 左右。

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