胡同海，王新昌，王 晶，王富勇，符惜煒，魏紅霞，王正國(guó)

1洛陽(yáng)中重自動(dòng)化工程有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

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

3中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽(yáng) 471039

磨機(jī)是現(xiàn)代礦山企業(yè)生產(chǎn)和加工各類礦石中的主流裝備[1]。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，磨機(jī)襯板易磨損，成為磨機(jī)更換量最大的零部件之一[2]，進(jìn)而襯板更換效率成為影響磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率的重要因素之一。基于提高自動(dòng)化作業(yè)效率、減輕工人工作的強(qiáng)度、降低工作過(guò)程中事故發(fā)生率等方面的因素[3]，近年來(lái)，越來(lái)越多的選礦企業(yè)開(kāi)始采用機(jī)械手進(jìn)行更換襯板。

1 襯板機(jī)械手

由于磨機(jī)襯板均安裝于筒體內(nèi)部，所以襯板機(jī)械手需要探入磨機(jī)筒體內(nèi)部進(jìn)行作業(yè)。襯板機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。支承臂梁是襯板機(jī)械手的重要連接部件[4]，主要作用為：①承載磨機(jī)換襯板機(jī)械手[5]；② 為襯板輸送車提供移動(dòng)軌道；③將作業(yè)機(jī)械臂送入磨機(jī)內(nèi)部開(kāi)展襯板更換作業(yè)；④ 改變作業(yè)機(jī)械臂的姿態(tài)。因此，需要臂梁沿磨機(jī)軸線方向能夠進(jìn)行移動(dòng)，從機(jī)械臂作業(yè)方面考慮，該運(yùn)動(dòng)也可以看作是作業(yè)機(jī)械臂的一個(gè)基礎(chǔ)自由度之一。對(duì)一般的機(jī)械機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)臂梁直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)，有多種方式可以選擇。筆者論述的是一種使用短行程液壓缸通過(guò)閉環(huán)控制、斷續(xù)驅(qū)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)臂梁自動(dòng)長(zhǎng)距離移動(dòng)。

圖1 襯板機(jī)械手結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of liner manipulator

2 臂梁驅(qū)動(dòng)

由于機(jī)械手處在懸臂梁工作狀態(tài)下，所以支承臂梁一般有前后 2 個(gè)支承滑座 (或滾動(dòng)座)，支承臂梁受2 個(gè)支座的約束，在驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)下直線移動(dòng)。支承臂梁的懸臂負(fù)載較大 (5～15 t)，且伸入磨機(jī)內(nèi)位移較長(zhǎng) (4～6 m)。常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式主要有：①液壓馬達(dá) +鏈輪+鏈條驅(qū)動(dòng)；② 齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)；③短程液壓缸+人工手動(dòng)插銷驅(qū)動(dòng)。

2.1 液壓馬達(dá)+鏈輪+鏈條驅(qū)動(dòng)

鏈條驅(qū)動(dòng)原理如圖 2 所示，一般是將鏈條張緊后固定于臂梁下部，由鏈輪驅(qū)動(dòng)鏈條帶動(dòng)臂梁運(yùn)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是型式簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。鏈條是通用部件，制造成本低，且驅(qū)動(dòng)馬達(dá)位置選擇和安裝都較方便。其缺點(diǎn)是：由于鏈條在固定于臂梁上時(shí)難以完全張緊，驅(qū)動(dòng)時(shí)在鏈輪徑向力作用下會(huì)產(chǎn)生柔性避讓，故傳動(dòng)平穩(wěn)性差；由于避讓和難以實(shí)現(xiàn)良好潤(rùn)滑，可能會(huì)產(chǎn)生噪聲；由于鏈條和鏈輪精度受限，位置準(zhǔn)確度誤差較大。故鏈條驅(qū)動(dòng)只適用于沒(méi)有位置精度要求且運(yùn)動(dòng)阻力較小 (比如前后支座采用滾輪支承)的場(chǎng)合。

圖2 鏈條驅(qū)動(dòng)原理Fig.2 Principle of chain drive

2.2 齒輪齒條傳動(dòng)

齒條驅(qū)動(dòng)原理如圖 3 所示。由于齒條驅(qū)動(dòng)無(wú)柔性避讓，傳動(dòng)平穩(wěn)性較鏈條好，其噪聲較小。缺點(diǎn)是：位于臂梁下部，開(kāi)式傳動(dòng)，潤(rùn)滑困難[6]，長(zhǎng)期使用齒面磨損較大；由于裝配誤差和臂梁位移等因素影響，齒輪嚙合間隙較大，有較大的回程間隙。

圖3 齒條驅(qū)動(dòng)原理Fig.3 Principle of rack drive

2.3 短程液壓缸+人工手動(dòng)插銷驅(qū)動(dòng)

短程液壓缸驅(qū)動(dòng)原理如圖 4 所示。該方式的優(yōu)點(diǎn)是：采用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行平穩(wěn)，工作可靠[7]，傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)件質(zhì)量小，傳動(dòng)成本低。缺點(diǎn)是：采用手動(dòng)插銷斷續(xù)驅(qū)動(dòng)方式，對(duì)液壓缸的行程位置準(zhǔn)確度操作要求高，易反復(fù)插孔，效率低，可能存在安全隱患。為了便于人工完成插銷動(dòng)作，需要加大銷孔尺寸，這便會(huì)產(chǎn)生行程間隙，導(dǎo)致臂梁的實(shí)際到達(dá)位置不精確。

圖4 短程液壓缸驅(qū)動(dòng)原理Fig.4 Principle of short-stroke hydraulic cylinder drive

采用液壓缸傳動(dòng)時(shí)，一般要采用與運(yùn)動(dòng)同行程的液壓缸，在大負(fù)載和長(zhǎng)行程時(shí)就需要考慮液壓缸活塞桿的的穩(wěn)定性，且安裝空間也會(huì)受到限制?；跅U穩(wěn)定因素，往往要采用較大規(guī)格的液壓缸在較低液壓力下工作，這樣就不能充分發(fā)揮液壓缸的輸出能力，且不經(jīng)濟(jì)。對(duì)襯板機(jī)械手而言，在大多情況下，采用等行程液壓缸往往不具有可行的空間條件。如果采用單絲桿傳動(dòng)，同樣存在桿穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，且其傳動(dòng)效率不高 (滾珠絲杠效率較高，但經(jīng)濟(jì)性較差)。所以在實(shí)踐中幾乎無(wú)應(yīng)用實(shí)例。

綜合上述，液壓馬達(dá)+鏈輪+鏈條驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)平穩(wěn)性差，位置準(zhǔn)確度誤差較大；齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)式傳動(dòng)致使齒面磨損較大，齒輪嚙合間隙較大，位置準(zhǔn)確度不高；短程液壓缸+人工手動(dòng)插銷驅(qū)動(dòng)的人工插銷效率低，可能存在安全隱患。為了精確控制臂梁行程，并消除人工操作的安全隱患，筆者設(shè)計(jì)了 1 套“短程液壓缸+插銷裝置+行程閉環(huán)控制”的自動(dòng)插銷機(jī)構(gòu)，結(jié)合電液控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)臂梁的前進(jìn)和后退自動(dòng)運(yùn)行，并能準(zhǔn)確地控制支承臂梁到達(dá)指定位置，為實(shí)現(xiàn)作業(yè)機(jī)械臂整機(jī)的自動(dòng)作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

3 自動(dòng)插銷驅(qū)動(dòng)

3.1 機(jī)構(gòu)組成

自動(dòng)插銷驅(qū)動(dòng)原理如圖 5 所示，驅(qū)動(dòng)液壓缸與車架體通過(guò)支座鉸連接，插拔銷機(jī)構(gòu)與液壓缸活塞桿鉸連接，并跟隨驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞桿移動(dòng)。插拔銷液壓缸與插拔銷機(jī)構(gòu)裝配成一體，插拔銷機(jī)構(gòu)如圖 6 所示。

圖5 自動(dòng)插銷驅(qū)動(dòng)原理Fig.5 Principle of automatic pin drive

圖6 插拔銷機(jī)構(gòu)Fig.6 Plug pin device

插拔銷機(jī)構(gòu)原理如圖 7 所示。插拔銷機(jī)構(gòu)采用雙擺桿，通過(guò)連桿將液壓力施加于插銷上，實(shí)現(xiàn)對(duì)插銷的插拔動(dòng)作。插拔銷機(jī)構(gòu)的 4 個(gè)滾輪支承于臂梁下部的軌道上，并在主液壓缸活塞桿的推拉力作用下移動(dòng)。

圖7 插拔銷機(jī)構(gòu)原理Fig.7 Principle of plug pin device

驅(qū)動(dòng)液壓缸內(nèi)置位移傳感器，為臂梁移動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力；插拔銷液壓缸內(nèi)置傳感器或外置行程開(kāi)關(guān)，為插拔銷機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)插拔銷動(dòng)作提供驅(qū)動(dòng)力；制動(dòng)器用于在拔銷后再次插銷前臂梁的失控檔期提供制動(dòng)力，防止臂梁因傾斜、振動(dòng)或其他意外因素發(fā)生位置滑移。

3.2 可行性分析

自動(dòng)插銷機(jī)構(gòu)的基本工作模式是：插銷插入臂梁銷孔后，驅(qū)動(dòng)液壓缸帶動(dòng)臂梁移動(dòng)；插銷拔離臂梁銷孔后，驅(qū)動(dòng)液壓缸帶動(dòng)插拔銷機(jī)構(gòu)移動(dòng)至下一個(gè)銷孔位，再次將插銷插入臂梁銷孔，如此實(shí)現(xiàn)臂梁的移動(dòng)。

根據(jù)自動(dòng)插銷驅(qū)動(dòng)原理，結(jié)合液壓閥的動(dòng)作分析機(jī)構(gòu)的工作情況。設(shè)計(jì)要求：停止 (即初始) 狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)液壓缸與臂梁之間必須使插銷處于插入結(jié)合狀態(tài)。自動(dòng)插銷工作邏輯流程如表 1 所列。

表1 自動(dòng)插銷工作邏輯流程Tab.1 Process flow of working logic of automatic plug pin

由表 1 可知，該機(jī)構(gòu)通過(guò)傳感器的判斷和液壓閥的邏輯控制，可以實(shí)現(xiàn)過(guò)程循環(huán)，從而滿足臂梁實(shí)現(xiàn)朝指定方向運(yùn)動(dòng)的功能需求。

3.3 電氣控制設(shè)計(jì)

臂梁進(jìn)退控制如表 2 所列。控制部分選用西門(mén)子S7-200 SMART，該型號(hào) PLC 結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，比較適合小型集成化設(shè)備。

表2 臂梁進(jìn)退控制Tab.2 Control of beam advancing and withdrawing

手動(dòng)模式下，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況需要，通過(guò)遙控器手動(dòng)給定來(lái)控制運(yùn)行速度和插銷電磁閥的動(dòng)作。手動(dòng)模式下必須根據(jù)實(shí)際的位移傳感器反饋數(shù)值操作插銷。

自動(dòng)模式下，插銷自動(dòng)循環(huán)部分使用順序控制的 SCR、SCRT、SCRE 指令。插銷自動(dòng)控制流程如圖 8 所示。允許自動(dòng)運(yùn)行的條件主要包括：選擇自動(dòng)模式、位移傳感器在自動(dòng)允許范圍內(nèi)、插銷接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作等。該控制流程可以滿足表 1 中插銷裝置的起始狀態(tài)，并在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)位置反饋?zhàn)詣?dòng)進(jìn)行速度控制，在起步和到位時(shí)速度較低，中間部分速度較高，可以減少起步和停止時(shí)的慣性沖擊，保證臂梁的穩(wěn)定性。

圖8 插銷自動(dòng)控制流程Fig.8 Process flow of automatic control of plug pin

4 工程設(shè)計(jì)中的注意要點(diǎn)

根據(jù)自動(dòng)插銷原理設(shè)計(jì)了臂梁推進(jìn)機(jī)構(gòu)，經(jīng)樣機(jī)的工作實(shí)踐驗(yàn)證，該原理能夠保證臂梁的連續(xù)推進(jìn)，位置精度控制較高。由于采用位置閉環(huán)控制，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定。誤差是所有機(jī)械機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)不可避免而又不可回避的問(wèn)題，有時(shí)其關(guān)鍵誤差對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的成敗具有決定意義。

機(jī)構(gòu)的誤差主要表現(xiàn)在機(jī)械誤差和控制誤差。由于驅(qū)動(dòng)臂梁移動(dòng)的過(guò)程是通過(guò)插拔銷和液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的，所以該機(jī)構(gòu)可行的關(guān)鍵是插拔銷功能的實(shí)現(xiàn)，依此確定其機(jī)械誤差主要有：①臂梁孔距誤差；② 插銷與銷孔的配合誤差；③插銷與銷孔的高度位置誤差；④ 插銷與銷孔的同軸度誤差?？刂普`差主要取決于驅(qū)動(dòng)液壓缸位移傳感器的精度。

為減少上述可能影響機(jī)構(gòu)的誤差問(wèn)題，在工程設(shè)計(jì)中采取了以下幾方面的措施：①保證臂梁插銷孔距尺寸的一致性，每 2 個(gè)相鄰插銷孔距尺寸誤差小于0.05 mm；② 插銷與銷孔的配合采用 H7/f7；③臂梁制造時(shí)，保證銷孔距軌道滾輪面的高度誤差小于0.05 mm，減小高度誤差對(duì)插銷功能的影響；④插拔銷機(jī)構(gòu)的滾輪設(shè)置有輪緣，以減小插拔銷機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向誤差，即降低插銷與銷孔的同軸度誤差；⑤插銷的插入端倒角，以利于插銷插入銷孔；⑥ 驅(qū)動(dòng)液壓缸與機(jī)體之間、驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞桿與插拔銷機(jī)構(gòu)之間均采取球鉸連接，以減小裝配誤差對(duì)插拔銷機(jī)構(gòu)的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合分析目前常見(jiàn)臂梁驅(qū)動(dòng)的不足，設(shè)計(jì)了一套“短程液壓缸+插銷裝置+行程閉環(huán)控制”的自動(dòng)插銷機(jī)構(gòu)，通過(guò)電液比例控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)臂梁的長(zhǎng)行程直線運(yùn)動(dòng)，并能準(zhǔn)確地控制支承臂梁到達(dá)指定位置。該機(jī)構(gòu)提高了機(jī)械臂作業(yè)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂整機(jī)的自動(dòng)作業(yè)奠定了基礎(chǔ)，避免了采用長(zhǎng)行程液壓缸出現(xiàn)穩(wěn)定性和空間受限等問(wèn)題，同時(shí)在一定程度上降低了成本，消除了人工操作的安全隱患。