張 勇

（深圳市時(shí)維智能裝備有限公司，廣東深圳 518133）

0 引言

目前，越來(lái)越多的煤礦設(shè)備應(yīng)用于煤礦自動(dòng)化開采。其中，煤矸分選工藝自動(dòng)化已成為重要課題方向。目前的撿矸石工序在大部分煤礦或洗煤廠是靠人工來(lái)完成。人工揀矸石車間粉塵大、噪聲大、體力勞動(dòng)強(qiáng)，嚴(yán)重影響職工身心健康。在揀矸石崗位使用煤矸分揀機(jī)械系統(tǒng)可以大幅避免人員傷亡，改善職工的工作環(huán)境，降低職業(yè)病的發(fā)生率，保護(hù)廣大煤礦職工的身體健康。機(jī)器人智能化生產(chǎn)和在線故障診斷，還可進(jìn)一步降低人工等成本投入[1]。

國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局在2019 年1 號(hào)公告《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》中共指出5 類38 種未來(lái)研發(fā)和推廣的煤礦機(jī)器人。其中，第21種是“選矸機(jī)器人”，即“研發(fā)運(yùn)輸過(guò)程中矸石及其他非煤雜物智能分揀機(jī)器人，具備目標(biāo)破碎、自動(dòng)識(shí)別、精確定位、快速分揀、分類投放等功能，實(shí)現(xiàn)煤矸高效分離”。本文所研發(fā)的針對(duì)大塊煤矸石分揀的機(jī)械系統(tǒng)，不但適用于煤礦行業(yè)，也可應(yīng)用于物流、汽車、木材、環(huán)保垃圾回收等行業(yè)的分揀裝置。

1 機(jī)械系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)控制

應(yīng)用對(duì)象為三維空間里智能抓取輸送皮帶線上質(zhì)量約50 kg 的煤矸石，顆粒寬度220～400 mm。當(dāng)PLC 控制器發(fā)出抓取信號(hào)時(shí)，作為三軸驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源的大功率伺服電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，同步帶傳動(dòng)使得橫向Y 軸長(zhǎng)距離移動(dòng)到指定位置，然后垂直Z軸在直線軸承導(dǎo)軌往下移動(dòng)至指定位置，X軸移動(dòng)用于在抓取物件時(shí)進(jìn)行被抓物件跟隨，避免沖擊。抓取裝置具有旋轉(zhuǎn)功能，根據(jù)被抓物件形狀，調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度。抓取后的矸石，被機(jī)械系統(tǒng)帶至規(guī)定溜槽位置后釋放，然后進(jìn)行下一個(gè)抓取循環(huán)。整個(gè)煤矸分揀機(jī)械系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 機(jī)械系統(tǒng)

視覺(jué)識(shí)別圖像標(biāo)定好矸石坐標(biāo)信號(hào)后傳送給控制器PLC，控制器PLC根據(jù)運(yùn)動(dòng)邏輯分配抓手機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)抓取。Y軸伺服電機(jī)5開始給減速機(jī)輸入動(dòng)力，動(dòng)力傳輸至傳動(dòng)比恒定的同步帶11[2]，同步帶11帶動(dòng)Z軸組件2和抓手控制裝置8、抓片組9 移動(dòng)到程序指定的Y 軸位置。Y 軸位置確定后，等待皮帶線上的矸石，此時(shí)旋轉(zhuǎn)組件7可以根據(jù)圖像信號(hào)提前旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，方便后序抓取與理想位置偏離一定角度的矸石。待旋轉(zhuǎn)組件7旋轉(zhuǎn)一定角度后，進(jìn)行角度位置鎖死。此時(shí)，矸石即將進(jìn)入抓手的范圍，Z軸伺服電機(jī)4開始給減速機(jī)輸入動(dòng)力，動(dòng)力傳輸給齒條3，齒條3 帶動(dòng)Z 軸組件2 下移約450 mm，此時(shí)被抓矸石已經(jīng)進(jìn)入抓片組9 的夾取范圍。抓手控制裝置8 進(jìn)行夾爪動(dòng)作，此時(shí)X 軸伺服電機(jī)6 給減速機(jī)輸入動(dòng)力，帶動(dòng)關(guān)聯(lián)部件在X 軸導(dǎo)軌12（直線軸承導(dǎo)軌）上移動(dòng)[3]，進(jìn)行速度跟隨，使得抓片組9 與矸石相對(duì)靜止開始合爪，避免了矸石對(duì)抓片的沖擊。矸石被抓片組9 抓取后，Z軸組件2上升到初始位置，然后Y軸伺服電機(jī)帶動(dòng)Z軸組件2 前往溜槽位置，到達(dá)指定位置后，抓片組9 在連桿運(yùn)動(dòng)原理上進(jìn)行抓片張開，此時(shí)矸石被釋放進(jìn)溜槽位置。然后整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)回到初始位置，等待控制器PLC 的下一個(gè)動(dòng)作循環(huán)信號(hào)。

2 重要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 Y軸電機(jī)和減速機(jī)計(jì)算

Y 軸運(yùn)行距離最大跨度1.5 m，從初始位置運(yùn)行到最遠(yuǎn)距離時(shí)間需在1.5 s 內(nèi)，需要對(duì)整個(gè)Y 軸的機(jī)械傳動(dòng)進(jìn)行分析，選擇合適的伺服電機(jī)和減速機(jī)，盡量選擇滿足負(fù)載率的伺服電機(jī)和減速機(jī)。電機(jī)的作用對(duì)象參數(shù)如表1所示，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度與位置如表2所示。

表1 Y軸電機(jī)作用對(duì)象參數(shù)

表2 Y軸電機(jī)速度與位置

本文選用某1.3 kW 中慣量電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定扭矩8.28 N·m。按照表1和表2的參數(shù)輸入仿真，結(jié)果顯示：電機(jī)負(fù)載的實(shí)效轉(zhuǎn)矩為41%（小于80%合格），運(yùn)行轉(zhuǎn)矩為19.3%（小于80%合格），最大轉(zhuǎn)矩為41.4%（少于80%合格）。慣量比為5.7（小于8合格）[4]。此款中慣量伺服電機(jī)性能允許偶爾超出額定轉(zhuǎn)速至2 500 r/min。因負(fù)載率低于伺服電機(jī)允許值，故選用此伺服電機(jī)和減速比為5 的雙軸輸出減速機(jī)。

2.2 Z軸電機(jī)和減速機(jī)計(jì)算

Z軸運(yùn)行距離最大跨度0.49 m從初始位置運(yùn)行到最遠(yuǎn)距離時(shí)間需在1.1 s 內(nèi)，需要對(duì)整個(gè)Z 軸的機(jī)械傳動(dòng)進(jìn)行分析，選擇合適的伺服電機(jī)和減速機(jī)，盡量選擇滿足負(fù)載率的伺服電機(jī)和減速機(jī)。電機(jī)的作用對(duì)象參數(shù)如表3所示，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度與位置如表4所示。

表3 Z軸電機(jī)作用對(duì)象參數(shù)

表4 Z軸電機(jī)速度與位置

本文選用某1.3 kW 中慣量電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定扭矩8.28 N·m。按照表3和表4的參數(shù)輸入仿真，結(jié)果顯示：電機(jī)負(fù)載的實(shí)效轉(zhuǎn)矩為74.5%（小于80%合格），運(yùn)行轉(zhuǎn)矩為90%（允許范圍內(nèi)），最大轉(zhuǎn)矩為43%（小于80%合格）。慣量比為2.8（小于10合格）[5]。因負(fù)載率低于伺服電機(jī)允許值，故選用此伺服電機(jī)和減速比為9的減速機(jī)。

3 重要受力分析

3.1 齒輪齒條強(qiáng)度

本文設(shè)計(jì)的Z 軸組件與抓取裝置質(zhì)量約90 kg，按抓取50 kg 矸石計(jì)算，齒輪帶動(dòng)的總質(zhì)量為140 kg。齒輪強(qiáng)度分析，選用安全系數(shù)1.28，齒輪的作用對(duì)象質(zhì)量約180 kg，加速度為2.6 m/s2，抓取矸石克服重力向上，得到T1=85 050 N·mm，齒輪設(shè)計(jì)系數(shù)YF=Yfa×Ysa=2.62×1.59=4.165[6]，齒寬系數(shù)為0.53，齒輪傳動(dòng)比u=1，暫定齒數(shù)Z1=25，模數(shù)m=3，齒根彎曲系數(shù)K=1.3。許用應(yīng)力σ=650 MPa（齒輪材料為調(diào)質(zhì)淬火鋼），許用應(yīng)力安全系數(shù)為1.2，[σF]=650/1.2=541.6 MPa。進(jìn)行彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算，如下所示：

將各參數(shù)值代入式（1）得：m≥2.72，故選取模數(shù)m=3。

3.2 抓片應(yīng)力

抓片組的抓片是直接與煤矸石撞擊并執(zhí)行抓取的執(zhí)行件，由于應(yīng)用工況比較惡劣，經(jīng)常受到比較大的沖擊力，故需選擇高強(qiáng)度和高安全系數(shù)的材料。本文選取鈦合金材料，牌號(hào)為TC4。這種材料在常溫下，抗拉強(qiáng)度能達(dá)到861 MPa[7]，屈服強(qiáng)度達(dá)744.6 MPa，斷彈性模量113 GPa，泊松比為0.3。設(shè)定抓取質(zhì)量為50 kg 矸石，摩擦因數(shù)為0.2，單邊抓片受力1 250 N 便可。因此，對(duì)抓片進(jìn)行有限元靜力分析[8]，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知，抓片受到應(yīng)力最大為86.71 MPa，遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度744.6 MPa。安全系數(shù)最低為8.64。根據(jù)應(yīng)用工況，參考特種裝備安全系數(shù)，最低達(dá)到6便可。而本設(shè)計(jì)的安全系數(shù)可達(dá)8以上，故能應(yīng)用于所要求的工況。抓片的弧形設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的抓取的牢固性和可靠性。

圖2 應(yīng)力與安全系數(shù)

4 抓手的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

三維空間聯(lián)動(dòng)抓取物件。前、后X 軸通過(guò)大功率伺服電機(jī)和雙軸輸出減速機(jī)帶動(dòng)同步帶，快速拉動(dòng)整個(gè)垂直Z軸和Y軸移動(dòng)進(jìn)行跟隨，使得抓取機(jī)構(gòu)跟隨被抓物件同步運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中平穩(wěn)抓取移動(dòng)物件。Z軸垂直方向，采用伺服大功率電機(jī)和減速機(jī)，輸出動(dòng)力至齒條，帶動(dòng)垂直軸上下快速、平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。Z軸帶動(dòng)抓手裝置實(shí)現(xiàn)抓取煤矸動(dòng)作。抓手裝置帶有旋轉(zhuǎn)功能，根據(jù)識(shí)別信息進(jìn)行角度偏轉(zhuǎn)，更有效地抓取異形物件。抓片采用鈦合金材料，具有很好的耐磨和抗撞擊能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用三維空間機(jī)械抓取系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)中大型煤矸石進(jìn)行自動(dòng)化分揀，通過(guò)評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)工況，中、大塊煤矸石的三軸抓取機(jī)械系統(tǒng)是洗煤廠皮帶分選工藝實(shí)現(xiàn)智能化重要部分。本文提出了新型機(jī)械煤矸分揀機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用了空間三軸聯(lián)動(dòng)跟蹤原理，根據(jù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析來(lái)確認(rèn)各零部件的選型和設(shè)計(jì)，并通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件模擬仿真進(jìn)行驗(yàn)證。該產(chǎn)品在應(yīng)用工況的實(shí)施情況，證明了該機(jī)械系統(tǒng)具有中大塊煤矸石的動(dòng)態(tài)分揀功能，具有一定的安全性和可靠性。