楊柳松，趙 魏，胡同海，郝 兵，王正國(guó)，符惜煒

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039

3洛陽中重自動(dòng)化工程有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

4中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽 471039

作 為連續(xù)運(yùn)行的核心設(shè)備，大型礦用磨機(jī)作業(yè)率直接影響選廠的作業(yè)率和經(jīng)濟(jì)效益。磨機(jī)工況惡劣，為保護(hù)筒體并實(shí)現(xiàn)粉磨，磨機(jī)筒體內(nèi)壁安裝了上百塊不同類型的襯板。這些襯板與礦石、鋼球直接接觸而不斷發(fā)生磨損，幾個(gè)月就必須更換 1 次，且每次襯板更換都需要耗時(shí) 3～5 d。因此，大型磨機(jī)作業(yè)率的提升在于如何盡量延長(zhǎng)整套襯板的使用壽命，同時(shí)減少每次更換襯板所用時(shí)間。對(duì)于前者，可以根據(jù)磨損規(guī)律，優(yōu)化襯板結(jié)構(gòu)[1]；對(duì)于后者，則有必要采用大型襯板機(jī)械手這種專用設(shè)備來縮短更換時(shí)間。

大型襯板機(jī)械手伴隨磨機(jī)的大型化而逐漸產(chǎn)生和發(fā)展起來，目前在大型礦用磨機(jī)上已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。大型襯板機(jī)械手的應(yīng)用，不僅使襯板更換和磨機(jī)使用有巨大的效率提升，節(jié)省了勞動(dòng)力，還極大地提高了操作人員的安全性，其最大起吊能力甚至決定了大型磨機(jī)的最大襯板質(zhì)量。然而，使用機(jī)械手更換襯板操作效率完全取決于施工人員經(jīng)驗(yàn)和操控經(jīng)驗(yàn)。為了進(jìn)一步提高大型礦用磨機(jī)襯板的更換效率，必須對(duì)能實(shí)現(xiàn)柔性化、自動(dòng)化的襯板機(jī)械手展開研究。李連鵬等人[2]提出了一種基于力-視覺反饋的剛?cè)狁詈狭W(xué)模型，以增強(qiáng)重載機(jī)械臂的控制及人機(jī)交互。筆者通過分析國(guó)內(nèi)外襯板機(jī)械手的基本發(fā)展?fàn)顩r及襯板機(jī)械手的技術(shù)特點(diǎn)，提出柔性化和智能化將是今后襯板機(jī)械手發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 襯板機(jī)械手現(xiàn)狀

1.1 基本發(fā)展情況

磨機(jī)襯板機(jī)械手最早由美國(guó) PaR 公司在 20 世紀(jì)60 年代研制。自 1990 年生產(chǎn)首臺(tái)機(jī)械手以來，該公司已為全球 200 多個(gè)礦山提供了包括多種規(guī)格的襯板機(jī)械手，其最大襯板舉升能力為 8 150 kg。除了 RME公司，美國(guó) Mcllelan 公司也是一家歷史悠久的機(jī)械手供應(yīng)商。所開發(fā)的 7 軸機(jī)械手最大襯板舉升能力為5 443 kg。在南美地區(qū)，不少礦山還采用智利 Revesol公司產(chǎn)品，Revesol 公司曾在 2009 年為秘魯特羅莫克(Toromocho) 銅礦開發(fā)了起吊能力為 2×4 500 kg 的雙7 軸襯板機(jī)械手。

國(guó)內(nèi)的永平銅礦在 20 世紀(jì) 80 年代初從加拿大Alis-Chalmers 公司引進(jìn)了大型球磨機(jī)，同時(shí)也引進(jìn)了由美國(guó) PaR 公司生產(chǎn)的 3 軸襯板機(jī)械手。此后，南昌有色冶金設(shè)計(jì)研究院等單位根據(jù)實(shí)際使用情況，對(duì)這種襯板機(jī)械手進(jìn)行了研究開發(fā)，并于 1991 年將改進(jìn)后的產(chǎn)品應(yīng)用于德興銅礦泗州選廠[3]。

進(jìn)入本世紀(jì)以來，大規(guī)格礦用磨機(jī)市場(chǎng)迅猛發(fā)展，中信重工也開發(fā)了不同規(guī)格的襯板機(jī)械手，最大舉升能力達(dá)到 2 500 kg。目前，這些產(chǎn)品已服務(wù)于西部銅業(yè)、中鋁普朗銅礦以及幾內(nèi)亞、俄羅斯貝加爾湖項(xiàng)目等多個(gè)國(guó)內(nèi)外大型礦山。

另外，北方重工在 2008 年也對(duì)最大舉升能力為2 000 kg 的 7 自由度襯板機(jī)械手開展過一定研究[4]；合肥春華、鞍山天盛興等公司也生產(chǎn)了一些 3 軸磨機(jī)襯板機(jī)械手，其最大起吊能力均小于 1 500 kg，應(yīng)用在中等規(guī)格磨機(jī)上。

1.2 襯板拆卸和安裝過程

使用襯板機(jī)械手更換襯板的過程分為舊襯板拆除和新襯板安裝 2 個(gè)環(huán)節(jié)。襯板拆除時(shí)，先用工具去除舊襯板的襯板螺栓，使其從筒體內(nèi)壁滑落到料堆上；然后用安裝在機(jī)械手旋轉(zhuǎn)吊臂上的吊具卡住襯板，通過吊臂回轉(zhuǎn)，將舊襯板吊運(yùn)至襯板小車，將其運(yùn)至筒體外部。

襯板安裝則是一個(gè)相反的過程。先使用襯板小車，將新襯板運(yùn)到磨機(jī)筒體內(nèi)部，然后采用機(jī)械手進(jìn)行安裝。對(duì)于 3 軸機(jī)械手，由坐在機(jī)械手前部的操作者操作旋轉(zhuǎn)吊臂，用安裝在吊臂前端的吊具將襯板吊起，并在筒體內(nèi)部其他施工人員的指揮下，將其吊運(yùn)并調(diào)整到需要安裝的筒體內(nèi)壁位置，最后通過人工邊觀察邊用撬杠局部調(diào)整，使新襯板對(duì)準(zhǔn)螺栓孔，插入并擰緊螺栓后完成安裝。3 軸機(jī)械手安裝磨機(jī)格子板如圖 1 所示。

圖1 3 軸機(jī)械手安裝磨機(jī)格子板Fig.1 Installation of grid plate of mill with 3-axis handler

圖2 7 軸機(jī)械手安裝磨機(jī)筒體襯板Fig.2 Installation of drum liner of mill with 7-axis handler

7 軸機(jī)械手安裝磨機(jī)筒體襯板如圖 2 所示。相比于 3 軸機(jī)械手，7 軸機(jī)械手旋轉(zhuǎn)吊臂前端增加了 1 個(gè)4 自由度襯板夾持機(jī)構(gòu)。安裝襯板時(shí)，機(jī)械手操作者可以通過夾持機(jī)構(gòu)卡住襯板吊耳，并在筒體內(nèi)部施工人員的觀察和指揮下，在襯板實(shí)際安裝位置附近，通過不斷調(diào)整旋轉(zhuǎn)吊臂和襯板夾持機(jī)構(gòu)的位置，將襯板準(zhǔn)確對(duì)位，插入螺栓并擰緊，完成安裝。

顯然，2 種不同的機(jī)械手工作效率高低主要體現(xiàn)在襯板安裝環(huán)節(jié)，即對(duì)于新襯板是否有姿態(tài)控制能力。3 軸機(jī)械手只有吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)功能，必須通過人工反復(fù)配合調(diào)整，才能完成襯板的安裝，效率相對(duì)較低；通過操作 7 軸機(jī)械手前部的液壓襯板夾持機(jī)構(gòu)，操作者可自由調(diào)整襯板與筒壁之間的相對(duì)位置，方便襯板對(duì)位安裝。對(duì)于大型磨機(jī)，由于襯板質(zhì)量大，人力調(diào)整困難而且十分危險(xiǎn)，因此，采用 7 軸機(jī)械手安裝襯板成為最佳的選擇。

1.3 典型機(jī)械手

1.3.1 基本組成

典型機(jī)械手如圖 3 所示。主流襯板機(jī)械手結(jié)構(gòu)均由機(jī)體、移動(dòng)橫梁、襯板小車、旋轉(zhuǎn)起吊臂及襯板起吊夾持機(jī)構(gòu)組成。機(jī)體是機(jī)械手的主要承載構(gòu)件，橫梁、輪式行走部、千斤頂支腿、液壓站和電控系統(tǒng)都安裝在機(jī)體上；橫梁是主要工作平臺(tái)，通過軸向移動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)起吊臂定位于筒體內(nèi)部合適位置開展作業(yè)；襯板小車安裝在橫梁上，并沿橫梁來回移動(dòng)，將新、舊襯板運(yùn)進(jìn)和運(yùn)出磨機(jī)；在橫梁前端的旋轉(zhuǎn)吊臂是一個(gè) 360°回轉(zhuǎn)的起吊裝置，在襯板小車和不同襯板安裝位置之間起吊和轉(zhuǎn)運(yùn)襯板；襯板吊具夾持機(jī)構(gòu)是起吊襯板或控制襯板姿態(tài)的工具或機(jī)構(gòu)。

圖3 典型機(jī)械手Fig.3 Typical handler

1.3.2 自由度

機(jī)械手軸數(shù)即其自由度的總和。3 軸機(jī)械手自由度組成如圖 4 所示?！?”代表旋轉(zhuǎn)吊臂底座回轉(zhuǎn)自由度，“2”代表吊臂變幅回轉(zhuǎn)自由度，而“3”則代表了吊臂中的小臂軸向平移 (小臂伸縮) 自由度。通過合成“1”到“3”代表的 3 種運(yùn)動(dòng)，即可完成襯板的吊運(yùn)過程。

圖4 3 軸機(jī)械手自由度組成Fig.4 Degree of freedom of 3-axis handler

在實(shí)現(xiàn)襯板吊運(yùn)后，還需要進(jìn)一步增加自由度，控制新襯板的姿態(tài)，才能直接將其擺放到合適位置。將 3 軸機(jī)械手小臂前的吊鉤換成 1 個(gè)帶襯板卡具的多自由度機(jī)構(gòu)，即可形成控制襯板位姿的“腕部”功能。6 軸機(jī)械手自由度如圖 5 所示。其中，“4”代表實(shí)現(xiàn)腕平擺的回轉(zhuǎn)自由度，“5”和“6”分別代表實(shí)現(xiàn)腕滾擺、腕俯仰 2 個(gè)動(dòng)作的回轉(zhuǎn)自由度，襯板卡具裝在最前端。這 3 個(gè)自由度與吊臂上的自由度合成，再加上機(jī)械手橫梁平移自由度，即成為 1 臺(tái) 7 軸襯板機(jī)械手。借助觀察者的觀察和指揮，操作者通過液壓操作桿獨(dú)自操作，便可實(shí)現(xiàn)襯板的各種位姿控制，準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行對(duì)位安裝。

圖5 6 軸機(jī)械手自由度Fig.5 Degree of freedom of 6-axis handler

1.3.3 關(guān)鍵技術(shù)

磨機(jī)襯板安裝需要在有限空間、復(fù)雜工況條件下開展重載作業(yè)，安裝過程受到了諸多因素限制。對(duì)于大型襯板機(jī)械手來說，需要研究解決的關(guān)鍵技術(shù)主要有：①基于有限空間和復(fù)雜工況的構(gòu)型與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；② 高精度制造、裝配與消隙；③重載條件下的穩(wěn)定夾持技術(shù)；④ 復(fù)雜工況下目標(biāo)識(shí)別、路徑規(guī)劃與避障；⑤ 系統(tǒng)集成與多技術(shù)融合。通過上述關(guān)鍵技術(shù)的解決可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂少人甚至無人操作，大幅提升襯板更換效率。

2 大型襯板機(jī)械手未來發(fā)展趨勢(shì)

近年來，襯板機(jī)械手大型化和重型化已成為效能提升和綜合安全考慮的必然選擇。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)的蓬勃發(fā)展與廣泛應(yīng)用，礦山行業(yè)已步入智能礦山時(shí)代。為更好滿足大型磨機(jī)襯板安裝要求，襯板機(jī)械手將圍繞如何適應(yīng)磨內(nèi)復(fù)雜環(huán)境以及滿足客戶個(gè)性化需求進(jìn)行技術(shù)升級(jí)與迭代，不斷提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。根據(jù)根里奇·阿奇舒勒 (Genrich S.Altshuler) 的技術(shù)進(jìn)化定律可知，襯板機(jī)械手將向著重型化、柔性化和智能化的方向發(fā)展。在實(shí)現(xiàn)大負(fù)載的前提下，襯板機(jī)械手一方面通過不斷增加自由度滿足更多空間安裝需求，同時(shí)加入視覺傳感、智能控制、液壓伺服等系統(tǒng)，逐步減少人員參與環(huán)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)完全智能化。

2.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)柔性化

根據(jù)技術(shù)進(jìn)化理論提高動(dòng)態(tài)性定律，大型襯板機(jī)械手系統(tǒng)將沿著結(jié)構(gòu)柔性化進(jìn)化，由少自由度向多自由度柔性化進(jìn)化。機(jī)械手最初只有 3 個(gè)自由度，由于不能進(jìn)行襯板姿態(tài)調(diào)節(jié)，機(jī)械手只是作為吊車，輔助安裝人員運(yùn)送襯板至安裝位置附近，再通過多人協(xié)作和人力方式移動(dòng)至目標(biāo)位置。整個(gè)安裝過程實(shí)際是以機(jī)械運(yùn)送+人工調(diào)姿方式完成。受人力所限，3 自由度機(jī)械手只能完成 1 500 kg 以內(nèi)小規(guī)格襯板的安裝。若襯板規(guī)格過大，調(diào)整襯板姿態(tài)所需力量超出了人力極限，人工調(diào)姿就難以實(shí)現(xiàn)。因此，為滿足進(jìn)一步的安裝要求，需要增加新的移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)自由度以提高機(jī)械手末端可達(dá)空間，實(shí)現(xiàn)襯板抓取、送達(dá)、姿態(tài)調(diào)整、對(duì)正以及粗調(diào)和精調(diào)等多種功能。大型襯板機(jī)械手將持續(xù)向著多關(guān)節(jié)柔性化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)在不進(jìn)行任何磨機(jī)調(diào)整的條件下完成磨機(jī)內(nèi)部任一位置襯板的安裝。其演變過程如圖 6 所示。

機(jī)械手自由度的增加將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)尺寸增大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、適用性和操控性降低。例如現(xiàn)有 7 自由度和 3 自由度系統(tǒng)，自由度的增加帶來了系統(tǒng)功能的提升，但同時(shí)也限制了機(jī)械手的應(yīng)用范圍。隨著機(jī)械手材料性能的不斷提升和關(guān)鍵元器件技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，當(dāng)前機(jī)械手所存在的一系列限制柔性化發(fā)展的問題將會(huì)逐步得到解決，更多自由度的機(jī)械手將會(huì)出現(xiàn)。

2.2 機(jī)械手系統(tǒng)智能化

根據(jù)技術(shù)進(jìn)化理論提高可控性定律，隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性和穩(wěn)定性逐漸提高，機(jī)械手將向著自動(dòng)控制進(jìn)化。

圖6 襯板機(jī)械手系統(tǒng)柔性化的演進(jìn)路線Fig.6 Evolution course of liner handler in f lexibility

初級(jí)階段機(jī)械手產(chǎn)品的出現(xiàn)是用來解決重載襯板吊運(yùn)、輔助安裝等問題，主要是作為一種襯板更換裝備，機(jī)械手最初只是關(guān)注具體功能的實(shí)現(xiàn)。

人工操作階段，在機(jī)械系統(tǒng)逐步完善后，機(jī)械手開始加入操控系統(tǒng)，工作人員可進(jìn)行主動(dòng)操控，通過手動(dòng)進(jìn)行單關(guān)節(jié)控制完成襯板安裝，初步實(shí)現(xiàn)了人在環(huán)路的操作，改善作業(yè)環(huán)境，安全性大為提高；在人員操控的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加傳感系統(tǒng)，使機(jī)械手具備外界感知能力，操作人員可獲得更多的力、速度和姿態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確量化的操作，大幅提升了作業(yè)準(zhǔn)確性和作業(yè)效率。

智能化階段，進(jìn)一步增加視覺系統(tǒng)，讓機(jī)械手替代或部分替代人進(jìn)行位置與姿態(tài)識(shí)別。增加智能控制系統(tǒng)，在智能控制系統(tǒng)作用下，機(jī)械手自主完成目標(biāo)識(shí)別、襯板抓取、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)解算、路徑規(guī)劃并發(fā)送指令至液壓伺服系統(tǒng)，液壓伺服系統(tǒng)根據(jù)指令信息自主驅(qū)動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)完成作業(yè)任務(wù)，并可根據(jù)具體路徑情況實(shí)時(shí)進(jìn)行避障和路徑規(guī)劃。機(jī)械手的終極目標(biāo)是進(jìn)化成為智能機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)襯板更換的智能化無人作業(yè)。

但就目前來說，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)完全自主運(yùn)行還存在較大的技術(shù)障礙，磨機(jī)內(nèi)部環(huán)境制約，重載條件下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定夾持、剛?cè)狁詈?、液壓視覺伺服等控制技術(shù)還有待于進(jìn)一步突破，襯板機(jī)械手距離成為真正的智能機(jī)器人還有很長(zhǎng)的路要走。

3 結(jié)語

襯板機(jī)械手的廣泛應(yīng)用，不僅節(jié)省了襯板更換時(shí)間，減少了勞動(dòng)力，同時(shí)降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了選礦廠作業(yè)率和經(jīng)濟(jì)效益。通過增加多自由度襯板夾持機(jī)構(gòu)，操作者可以自主控制襯板安裝姿態(tài)，進(jìn)一步提高襯板安裝效率；通過技術(shù)進(jìn)化定律對(duì)機(jī)械手發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，襯板機(jī)械手將朝著柔性化和智能化方向發(fā)展。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，未來有可能成為完全柔性化并能自主運(yùn)行的智能機(jī)器人，最終實(shí)現(xiàn)襯板更換的智能化無人作業(yè)。