高佳晨,馬宏偉,2,王川偉,2,薛旭升,2,姚 陽(yáng)
(1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,陜西 西安 710054;2.陜西省礦山機(jī)電裝備智能監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054)
煤礦巷道掘進(jìn)作為煤礦開采的重要環(huán)節(jié),掘進(jìn)速度和質(zhì)量與工人的生產(chǎn)安全和企業(yè)的開采效益息息相關(guān)。目前巷道掘進(jìn)工藝主要分為掘進(jìn)作業(yè)和支護(hù)作業(yè)兩個(gè)方面,隨著掘進(jìn)機(jī)截割速度的提高以及在智能截割、智能控制等方面的突破,掘進(jìn)裝備向自動(dòng)化、智能化快速發(fā)展,但與其配套的支護(hù)工藝與裝備卻無(wú)法滿足掘進(jìn)速度,嚴(yán)重影響了煤礦巷道成型速度[1-3]?,F(xiàn)階段支護(hù)作業(yè)一般分為臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)兩種,限制煤礦巷道快速成型的主要原因是永久支護(hù)效率較低[4]。在進(jìn)行煤礦巷道的永久支護(hù)時(shí),鉆錨過(guò)程中錨網(wǎng)的運(yùn)輸與布放通常全程依靠人工搬運(yùn)、上架。錨網(wǎng)通常由鋼筋等材料組成,其自身較重,人工搬運(yùn)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率較低,且礦下工作環(huán)境危險(xiǎn)系數(shù)較高,工作空間有限,不適合多人作業(yè),出現(xiàn)緊急狀況容易造成人員傷亡。近年來(lái),許多科研人員和企業(yè)開始研發(fā)用于提高煤礦巷道支護(hù)效率的設(shè)備,如張東寶等人提出的帶鋪網(wǎng)裝置的錨桿鉆車,通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的錨桿鉆車進(jìn)行改造,研制了具有自動(dòng)鋪網(wǎng)功能的臨時(shí)支護(hù)裝置,該裝置實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化鋪網(wǎng)[5]。馬宏偉等人提出的一種適用于煤礦井下巷道永久支護(hù)的鉆錨機(jī)器人,該機(jī)器人本體上集成了布網(wǎng)單元和鉆錨單元,通過(guò)相互配合完成巷道支護(hù)作業(yè),減少了支護(hù)時(shí)間從而提高巷道的成型速度[6]。久益環(huán)球研發(fā)的12CM30掘錨一體機(jī),在掘進(jìn)機(jī)機(jī)體集成支護(hù)裝置以及錨網(wǎng)存儲(chǔ)機(jī)構(gòu),該設(shè)備臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)集為一體,減少了支護(hù)設(shè)備對(duì)頂板的反復(fù)加壓,避免發(fā)生頂板破碎或離層現(xiàn)象;支持多鉆機(jī)協(xié)同作業(yè),在減少空頂距的同時(shí)提高了錨護(hù)效率[7]。以上方案相比傳統(tǒng)人工作業(yè)雖提高了錨網(wǎng)運(yùn)輸與布放的效率,但在巷道布網(wǎng)過(guò)程中只能對(duì)頂網(wǎng)或側(cè)幫網(wǎng)完成布放,不能同時(shí)完成一個(gè)斷面的兩側(cè)幫及頂網(wǎng)布放,或者受機(jī)體空間限制,不能設(shè)置多鉆機(jī)協(xié)同作業(yè)方式,影響了鉆錨作業(yè)效率。
隨著自動(dòng)化采掘技術(shù)的不斷發(fā)展,本團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種煤礦智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng),其中錨網(wǎng)運(yùn)輸與布放裝置是該系統(tǒng)的重要組成部分[8]。本文提出一種新型煤礦智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)的錨網(wǎng)運(yùn)輸與布放系統(tǒng)方案,實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在復(fù)雜工作環(huán)境下將錨網(wǎng)及時(shí)、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)輸至鉆錨機(jī)器人的運(yùn)網(wǎng)單元。主要研究分析取網(wǎng)單元的工作機(jī)制,設(shè)計(jì)一種桁架式機(jī)械臂取網(wǎng)機(jī)構(gòu),建立其力學(xué)模型,進(jìn)行有限元分析計(jì)算;求解取網(wǎng)單元系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡,通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。
在煤礦巷道掘進(jìn)時(shí),受不同地質(zhì)條件影響,巷道支護(hù)的空頂距要求不同,通常留距越小越安全,為減小巷道掘進(jìn)空頂距,鉆錨支護(hù)應(yīng)緊隨掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行作業(yè)。研究設(shè)計(jì)可以適應(yīng)多機(jī)協(xié)同鉆錨作業(yè)的錨網(wǎng)運(yùn)輸及布放系統(tǒng),能有效解決鉆錨支護(hù)作業(yè)時(shí)錨網(wǎng)布放需求,提高永久支護(hù)效率。
該系統(tǒng)由錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人和鉆錨機(jī)器人組成,主要包含儲(chǔ)網(wǎng)單元、取網(wǎng)單元、運(yùn)網(wǎng)單元、布網(wǎng)單元等,通過(guò)各單元之間相互配合完成永久支護(hù)作業(yè),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。儲(chǔ)網(wǎng)單元為可升降式液壓支架,取網(wǎng)機(jī)械臂每次完成取網(wǎng)后,支架上升一個(gè)層距,保證機(jī)械臂取網(wǎng)在固定位置,層距由單張折疊錨網(wǎng)高度確定。
圖1 錨網(wǎng)運(yùn)輸與布放結(jié)構(gòu)
在傳統(tǒng)巷道支護(hù)時(shí),受煤礦巷道工作空間限制,支護(hù)作業(yè)通常采用分片錨護(hù)方式,一個(gè)進(jìn)尺斷面支護(hù)需要多片錨網(wǎng)拼接,麻煩且低效。為適應(yīng)目前快速掘進(jìn)的支護(hù)需求,研究設(shè)計(jì)了一種U型可折疊錨網(wǎng),如圖2所示,由頂板錨網(wǎng)及兩側(cè)幫錨網(wǎng)組成,頂板網(wǎng)由兩張網(wǎng)疊放,可左右伸長(zhǎng);側(cè)幫網(wǎng)可折疊,固定于頂板網(wǎng)兩側(cè)。
圖2 U型折疊錨網(wǎng)
U型折疊錨網(wǎng)通過(guò)鉆錨機(jī)器人平臺(tái)的鏈?zhǔn)竭\(yùn)網(wǎng)機(jī)構(gòu)運(yùn)到布網(wǎng)單元,此時(shí)折疊錨網(wǎng)在布網(wǎng)單元通過(guò)展網(wǎng)、頂網(wǎng)等裝置實(shí)現(xiàn)錨網(wǎng)布置。
取網(wǎng)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)如圖3所示。錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人取網(wǎng)單元主要分為桁架式機(jī)架及取網(wǎng)機(jī)械臂,桁架式機(jī)架由二階液壓龍門立柱與橫梁組成,以實(shí)現(xiàn)不同高度取網(wǎng)作業(yè),桁架底部與錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人平臺(tái)采用滑軌連接,實(shí)現(xiàn)取網(wǎng)單元整體在錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人上移動(dòng);取網(wǎng)機(jī)械臂為左右對(duì)稱布置,由托臂、滑臂等組成,滑臂在托臂上可以前后伸縮,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)抓取前置儲(chǔ)網(wǎng)架和后置儲(chǔ)網(wǎng)倉(cāng)上的支護(hù)錨網(wǎng),保證永久支護(hù)作業(yè)時(shí)使用的錨網(wǎng)充足。
圖3 機(jī)械臂三維模型
其工作原理為:錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至取網(wǎng)位置,滑臂伸出到折疊錨網(wǎng)中間架空位置,機(jī)械臂帶動(dòng)折疊錨網(wǎng)上升,直至鉆錨機(jī)器人頂面之上的高度之后,滑臂帶動(dòng)錨網(wǎng)在托臂上前移,桁架由底部液壓缸推動(dòng),帶動(dòng)取網(wǎng)單元整體前移,在錨網(wǎng)到達(dá)鉆錨機(jī)器人頂架上方時(shí),機(jī)械臂下降,將錨網(wǎng)搭接在鉆錨機(jī)器人平臺(tái)的鏈?zhǔn)竭\(yùn)網(wǎng)機(jī)構(gòu),取網(wǎng)作業(yè)完成。
為保證構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)度,能滿足工作要求,機(jī)械臂在外力作用下的最大工作應(yīng)力必須小于材料的極限應(yīng)力?;奂拌旒艿牟牧暇x用45鋼,取安全系數(shù)ns=2,則滑臂的許用應(yīng)力為:
U型錨網(wǎng)材料選用Q195,質(zhì)量初步估算約為68kg,其后處理結(jié)果如圖4所示。
圖4 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析云圖
根據(jù)應(yīng)力分析云圖(見圖4(a))可以看出,機(jī)械臂在取網(wǎng)時(shí),最大應(yīng)力主要集中在滑臂與托臂的連接處,為2.47MPa,即σmax<[σs],應(yīng)力值在許用應(yīng)力范圍,符合材料強(qiáng)度要求;通過(guò)總形變分析云圖(見圖4(b))可以看出,滑臂在位移極限處為懸臂梁結(jié)構(gòu),前沿位置容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形,其最大形變量為0.19mm,可以滿足取網(wǎng)要求。
模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ),在取網(wǎng)機(jī)械臂運(yùn)網(wǎng)過(guò)程中通過(guò)模態(tài)分析研究結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性,可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振或者以特定的頻率振動(dòng)[9]。由經(jīng)典力學(xué)理論可知,物體的動(dòng)力學(xué)通用方程為:
[M]{x″}+[C]{x′}+[K]{x}={F(t)}(2)
式中,[M]為質(zhì)量矩陣;[C]為阻尼矩陣;[K]為剛度矩陣;{x}為位移矢量;{F(t)}為力矢量。無(wú)阻尼自由振動(dòng)為簡(jiǎn)諧振動(dòng),其運(yùn)動(dòng)方程可表示為:
([K]-ω2[M]){x}={0}(3)
表1 機(jī)械臂前六階模態(tài)頻率
圖5 機(jī)械臂前六階振型云圖
根據(jù)圖5可以看出,機(jī)械臂最低階頻率為31.938Hz,前四階頻率范圍較為集中,第五階和第六階頻率逐漸增高,因此,在選擇液壓管路時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇合適的管路參數(shù)使系統(tǒng)脈動(dòng)頻率遠(yuǎn)離機(jī)械臂低階固有頻率。
錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人取網(wǎng)單元采用桁架式結(jié)構(gòu),左右兩側(cè)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)具有通用性。為了簡(jiǎn)化分析,選擇單側(cè)機(jī)械臂建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,依據(jù)改進(jìn)D-H方法建立連桿坐標(biāo)系[10-12],基坐標(biāo)系原點(diǎn)定義在關(guān)節(jié)1所在軌道的左側(cè),Z軸與關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)所在的軸線共線,X軸與兩關(guān)節(jié)的公垂線重合,如圖6所示。
圖6 D-H建模
其中ai-1為連桿長(zhǎng)度,αi-1為相鄰連桿之間的轉(zhuǎn)角,di為連桿長(zhǎng)度,θi為相鄰連桿之間的夾角?;趫D6建立的連桿坐標(biāo)系,可得D-H參數(shù)表,見表2。
表2 機(jī)械臂D-H參數(shù)表
相鄰坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為:
根據(jù)得到的D-H參數(shù)代入上述轉(zhuǎn)換矩陣,通過(guò)相鄰關(guān)節(jié)坐標(biāo)系之間的矩陣變化,連乘得到的D-H矩陣得到滑臂相對(duì)于基坐標(biāo)系的正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,即滑臂基于基坐標(biāo)系空間位姿。
工作空間是根據(jù)機(jī)械臂每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍得到其執(zhí)行機(jī)構(gòu)在空間中目標(biāo)點(diǎn)的集合,即取網(wǎng)機(jī)械臂可以達(dá)到的空間范圍[13]。如圖6所示的笛卡爾型機(jī)械臂,連桿0軌道長(zhǎng)為L(zhǎng)0,關(guān)節(jié)1在z1方向移動(dòng)距離為d1;連桿1軌道長(zhǎng)為L(zhǎng)1,關(guān)節(jié)2在z2方向移動(dòng)距離為d2;連桿2軌道長(zhǎng)為L(zhǎng)2,關(guān)節(jié)3在z3方向移動(dòng)距離為d3,執(zhí)行機(jī)構(gòu)長(zhǎng)為L(zhǎng)3、寬為B,由此可得,基于0坐標(biāo)系的執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作空間為:
E={x,y,z|x=B,L1≤y≤L1+d2,
-(d3+L3/2)≤z≤d1+(d3+L3/2)}
受工作環(huán)境和工作任務(wù)影響,機(jī)械臂的真實(shí)工作環(huán)境如圖7所示,陰影部分表示存在空間障礙。
圖7 滑臂工作環(huán)境示意圖
基于蒙特卡洛方法分析取網(wǎng)滑臂工作空間,繪制雙滑臂實(shí)際工作空間,如圖8所示。Ⅰ為左側(cè)滑臂的工作空間,Ⅱ?yàn)橛覀?cè)滑臂的工作空間,藍(lán)色點(diǎn)集代表空間所處范圍在錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人上,以圖6所示的坐標(biāo)系為基準(zhǔn),機(jī)械臂第一空間作業(yè)高度在2~3.2m之間,第二空間作業(yè)高度在2.8~3.2m之間;綠色點(diǎn)集代表空間所處范圍在鉆錨機(jī)器人上,第三空間作業(yè)高度在2.6~3.2m之間。結(jié)合巷道參數(shù)及錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人尺寸,可以得出機(jī)械臂結(jié)構(gòu)及參數(shù)滿足取網(wǎng)要求。
圖8 雙滑臂工作空間
取網(wǎng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)要求為取網(wǎng)點(diǎn)以及放置點(diǎn),兩側(cè)滑臂為同步運(yùn)動(dòng),選擇對(duì)單側(cè)滑臂所在機(jī)械臂進(jìn)行研究。軌跡規(guī)劃主要包括關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃和笛卡爾空間軌跡規(guī)劃兩類,常用的解算方法主要有插補(bǔ)算法和多項(xiàng)式算法[14]。在此采用多項(xiàng)式算法在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行軌跡規(guī)劃,不需要經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解運(yùn)算可以直觀地看到各關(guān)節(jié)的軌跡參數(shù)[15]。根據(jù)支護(hù)要求,考慮到運(yùn)網(wǎng)機(jī)構(gòu)以及上網(wǎng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)間,滑臂從取網(wǎng)開始到放置錨網(wǎng)在鏈?zhǔn)竭\(yùn)網(wǎng)機(jī)構(gòu)時(shí)間定義為10s。由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人機(jī)架等環(huán)境因素的干擾,不能直接在兩點(diǎn)之間進(jìn)行軌跡規(guī)劃,因此關(guān)節(jié)2在整段運(yùn)動(dòng)時(shí)間內(nèi)采用分段規(guī)劃,首先滑臂上升;其次滑臂在水平方向沿直線運(yùn)動(dòng),關(guān)節(jié)2為靜止?fàn)顟B(tài),速度加速度均為0;最后滑臂下降,將錨網(wǎng)放置在鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)。
不平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致機(jī)械臂產(chǎn)生較大的振動(dòng)和沖擊,運(yùn)動(dòng)軌跡必須是平滑且連續(xù)的,三次多項(xiàng)式函數(shù)規(guī)劃在起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的加速度存在不連續(xù)現(xiàn)象,五次多項(xiàng)式函數(shù)可以滿足軌跡函數(shù)在起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的速度和加速度光滑連續(xù)要求,為避免運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的剛性沖擊,實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng),在此采用五次多項(xiàng)式函數(shù)規(guī)劃關(guān)節(jié)軌跡。定義起始點(diǎn)為L(zhǎng)0,終止點(diǎn)為L(zhǎng)t。軌跡函數(shù)L(t)的約束條件:
以上約束條件唯一確定了一個(gè)五次多項(xiàng)式,即軌跡函數(shù)L(t):
L(t)=a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5(4)
將以上約束條件帶入式(4),求解得:
根據(jù)始末位置的機(jī)械臂參數(shù)代入求解,通過(guò)仿真得到機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的位移、速度和加速度變化曲線,如圖9所示。
圖9 五次多項(xiàng)式規(guī)劃各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)曲線圖
根據(jù)關(guān)節(jié)速度曲線(見圖9(a))可以看出,關(guān)節(jié)2在中間時(shí)段為靜止?fàn)顟B(tài),關(guān)節(jié)3可實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)關(guān)節(jié)速度曲線(見圖9(b))和關(guān)節(jié)加速度(見圖9(c))可以看出,三個(gè)關(guān)節(jié)在取網(wǎng)過(guò)程中速度變化均為光滑曲線,沒(méi)有突變點(diǎn),在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不存在剛性沖擊;關(guān)節(jié)2在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中加速度有兩個(gè)尖點(diǎn),產(chǎn)生慣性力,但其運(yùn)動(dòng)方向與錨網(wǎng)預(yù)運(yùn)動(dòng)方向垂直,速度較低,可以滿足整體作業(yè)要求。
根據(jù)各關(guān)節(jié)變量得到取網(wǎng)滑臂在笛卡爾空間的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示。
圖10 滑臂笛卡爾空間運(yùn)動(dòng)軌跡
1)針對(duì)煤礦智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)錨網(wǎng)運(yùn)輸與布放裝置的需求,設(shè)計(jì)了一種新型錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和U型折疊網(wǎng),建立了樣機(jī)模型。
2)建立了錨網(wǎng)運(yùn)輸系統(tǒng)中取網(wǎng)機(jī)械手的模型,依據(jù)優(yōu)化的工作機(jī)制,進(jìn)行了有限元計(jì)算、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,結(jié)果表明錨網(wǎng)運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,操控方便,穩(wěn)定可靠,運(yùn)網(wǎng)效率高。