□ 劉 洋

晉能控股煤業(yè)朔州煤電山西宏宇誠鑄建設(shè)工程有限公司 山西懷仁 037041

1 設(shè)計背景

掘進機截割頭是煤礦掘進的關(guān)鍵部件,合理設(shè)計截割頭能有效降低截割載荷和載荷波動。當掘進機截割頭上截齒布置形式不同時,截齒與煤巖體接觸的先后順序也不同,使掘進機在截割載荷和功率消耗等方面存在差異。設(shè)計與巷道煤巖體相適應(yīng)的截齒配置形式,能夠有效提高掘進機的工作效率。通過設(shè)計掘進機合理的截割工序路徑,能夠有效提高掘進機截割頭移動和轉(zhuǎn)動的效率,避免截割頭截齒和齒座磨損,延長使用壽命,減小功率消耗,提高生產(chǎn)速度。

由于掘進機截割頭特殊的幾何形狀和復雜的齒座定位,導致在掘進機截割頭的制造過程中存在一定程度的定位和定向誤差,定位和定向誤差也是造成截齒發(fā)生磨損的主要因素。近年來,掘進機制造企業(yè)和研究機構(gòu)提出了各類掘進機截割頭齒座輔助定位方法,為減小制造誤差對掘進機截割頭工作性能的影響,提高截割頭齒座定位精度提供了幫助,使截割頭齒座定位精度和掘進機截割頭制造效率均獲得進一步提高。由于掘進機工作條件和地質(zhì)的復雜性,對掘進機截割頭類型的需求具有多樣化,常規(guī)工業(yè)機器人對不同形狀截割頭齒座進行定位,需要編寫大量非重復性控制代碼,這種方法僅適合大規(guī)模批量化生產(chǎn)。當掘進機截割頭個別截齒或齒座出現(xiàn)磨損,需要調(diào)整位置或姿態(tài)時,需要對編程代碼重新調(diào)試和驗證,由此嚴重制約掘進機截割頭的高效生產(chǎn)。為提高制造精度,延長使用壽命,降低代碼編寫復雜程度,筆者分析截齒在掘進機截割頭上的布置特點和設(shè)計方法,提出采用定位專用機器人定位截割頭齒座的新技術(shù),為掘進機關(guān)鍵零部件朝智能化制造方向發(fā)展做出貢獻。

2 掘進機工作過程

掘進機對巷道煤巖體橫斷面的截割通過懸臂架上截割電機配合減速器驅(qū)動,在截割升降液壓油缸和回轉(zhuǎn)液壓油缸的共同作用下進行。截齒與煤巖體接觸時,會承受破煤巖體所產(chǎn)生的沖擊載荷。當截齒處于非工作區(qū)域時,截齒上的作用載荷降低為零。在工作過程中,截齒承受劇烈的交變沖擊載荷,并伴隨局部高溫與磨損。

3 空間位姿

掘進機截割頭的形狀一般是圓柱體、圓錐體、球體等簡單幾何體的組合,截齒按一定設(shè)計參數(shù)在掘進機截割頭表面排布。在設(shè)計過程中,截割頭截齒和齒座通常作為一個整體進行設(shè)計,作用是有利于截齒空間位姿的計算,兼顧截割頭齒座與掘進機截割頭密合的焊接要求。就晉能控股煤業(yè)集團煤峪口礦使用的縱軸式掘進機截割頭而言,頂部直徑較小,靠近減速器一側(cè)的底部直徑較大,適合進行掏槽前進,同時能夠提高橫擺過程的工作效率?？v軸式掘進機截割頭的結(jié)構(gòu)特點為小端截線間距較小、截齒排布密度相對較大,導致可能發(fā)生截割頭齒座干涉現(xiàn)象。晉能控股煤業(yè)集團塔山煤礦使用的橫軸式掘進機的截割裝置由一對完全對稱的截割頭組成,在工作過程中,左右截割頭產(chǎn)生的軸向載荷波動能夠被有效抑制。但是受到減速器傳動結(jié)構(gòu)的限制,在掘進機截割頭前進和上下擺動過程中,左右截割頭之間會產(chǎn)生殘留巖脊,影響破煤巖體效果。為消除巖脊的影響,橫軸式掘進機截割頭大端截線間距通常較小,截齒排布密度通常較大,造成截割頭齒座干涉的可能性增大。為解決掘進機截割頭結(jié)構(gòu)及工作方式造成的截割頭齒座干涉,進一步改善截割效果,通常需要對存在干涉的截割頭齒座根據(jù)實際情況進行單獨調(diào)整。所以,在掘進機截割頭設(shè)計中,要在確保各個截齒處于最佳破煤巖體姿態(tài),避免截割頭齒座間發(fā)生干涉的同時,保證截割頭齒座底面能夠與掘進機截割頭表面充分貼合。

截齒間的相對位置關(guān)系和截齒的空間姿態(tài)是影響破煤巖體效果的關(guān)鍵,處于不同位置的截齒,通常具有不同的空間姿態(tài)。為便于在設(shè)計過程中調(diào)整截齒姿態(tài),建立幾何對稱平面Si,如圖1所示。在截齒齒尖點P建立定向參考坐標系XiYiZi,并規(guī)定過齒尖點P垂直于截割頭齒座底面的方向為參考坐標系XiYiZi的X軸方向,沿截齒圓周轉(zhuǎn)動的切線方向為Y軸方向,對稱面法線方向為Z軸方向,k為截割頭齒座結(jié)構(gòu)所固有的安裝角。在掘進機截割頭設(shè)計和制造過程中,對參考坐標系XiYiZi進行調(diào)整就是對截割頭截齒和齒座組合體相對掘進機截割頭空間位姿的確定和調(diào)整。

4 定位專用機器人總體結(jié)構(gòu)

由于工業(yè)機器人具有良好的工作適應(yīng)性,因此可以將常規(guī)結(jié)構(gòu)多自由度工業(yè)機器人應(yīng)用于截割頭齒座定位。但是,截割頭齒座和掘進機截割頭存在相對復雜的空間姿態(tài),從而提高了角度坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為編程的復雜性。當某一參數(shù)設(shè)定不恰當時,截割頭齒座定位結(jié)果與理論設(shè)計參數(shù)間就會產(chǎn)生較大誤差,影響掘進機截割頭的實際工作效果。對于大規(guī)模批量生產(chǎn)的掘進機截割頭產(chǎn)品,可以采用工業(yè)機器人校效功能,避免復雜程序代碼的編寫,但對于針對具體地質(zhì)條件而特殊設(shè)計和制造的小批量或單個非定型掘進機截割頭產(chǎn)品,工業(yè)機器人校效過程將占用大量生產(chǎn)準備時間,造成工業(yè)機器人的工作高效性無法得到充分體現(xiàn)。為降低機器人定位齒座工藝編寫的復雜性,筆者提出一種基于截齒排布的截割頭齒座定位專用機器人。根據(jù)截齒在空間的定位和定向步驟,控制定位專用機器人各部件執(zhí)行對應(yīng)動作,既能有效降低編程的難度,又能降低截割頭齒座定位機器人的建設(shè)成本。根據(jù)截齒的空間位姿特點,提高設(shè)計和制造工藝基準的一致性,降低控制復雜度,定位專用機器人采用焊接變位機聯(lián)合十字滑移裝置的設(shè)計結(jié)構(gòu),如圖2所示。具有二自由度的焊接變位機布置在定位專用機器人主機架的左端,回轉(zhuǎn)臺繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)角度θT由減速器MC 進行控制?；剞D(zhuǎn)臺繞C1C2軸線翻轉(zhuǎn),由減速器MD進行控制,翻轉(zhuǎn)角度為βT。采用笛卡爾坐標系對截齒的空間位置進行描述。XMYMZM為定位專用機器人絕對坐標系,ZM與導軌豎直滑軌運動方向一致,通過翻轉(zhuǎn)中心C1C2,與XM和YM確定平面。UM為定位專用機器人本體的結(jié)構(gòu)尺寸,WM為掘進機截割頭的工裝結(jié)構(gòu)尺寸。為提高對不同幾何尺寸截割頭齒座的定位效率,采用相對坐標系XTYTZT確定截割頭齒座定位過程的工藝參數(shù),原點T位于定位平面ST中,確定為定位專用機器人坐標系的相對零點。掘進機截割頭繞回轉(zhuǎn)臺軸線旋轉(zhuǎn)角度θT后,待定位截割頭齒座對應(yīng)的截齒齒尖點P轉(zhuǎn)動到定位平面ST中,這樣就使定位工藝參數(shù)yT為零,從而降低定位專用機器人控制的編程難度。截齒齒尖點P的其余兩個定位參數(shù)xT和zT由安裝在主機架另一端的H向?qū)к?、V向?qū)к壍囊苿雍突剞D(zhuǎn)臺翻轉(zhuǎn)聯(lián)合確定。具有二自由度的十字滑移裝置分別由減速器MA和MB驅(qū)動導軌內(nèi)絲杠轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)截齒齒尖點P沿水平和豎直方向移動。

5 手部結(jié)構(gòu)及緩沖裝置

定位專用機器人手部結(jié)構(gòu)及緩沖裝置如圖3所示。為降低結(jié)構(gòu)的復雜性,并使截齒獲得正確的最終空間姿態(tài),定位專用機器人的手部采用具有二自由度的串聯(lián)式關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。這種串聯(lián)式關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)既能使定位專用機器人的末端執(zhí)行機構(gòu)有效簡化,又能按照設(shè)計的轉(zhuǎn)角直接調(diào)整截割頭齒座姿態(tài)。轉(zhuǎn)角關(guān)節(jié)安裝在水平滑軌末端,由輪減速器實現(xiàn)對轉(zhuǎn)角的調(diào)整。這種串聯(lián)式關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)能夠保證截齒齒尖點P始終位于轉(zhuǎn)角關(guān)節(jié)和打擊角關(guān)節(jié)輸出軸線的交點上,不需要再進行復雜的空間角度轉(zhuǎn)換計算,進而有效降低定位專用機器人控制程序的調(diào)試難度。

為避免零部件制造誤差、系統(tǒng)傳動誤差等因素對截割頭齒座定位最終位姿的影響,使截割頭齒座底面和掘進機截割頭表面實現(xiàn)充分貼合,在定位專用機器人手部轉(zhuǎn)角關(guān)節(jié)位置設(shè)計了彈簧壓入式接觸緩沖裝置。為了提高截割頭齒座的焊接可靠性,在實際制造過程中,導軌沿水平方向移動量的設(shè)定值相比齒尖定位的理論計算值略大ΔxT,并且小于彈簧的許用壓縮行程量。當截齒齒尖到達設(shè)計位置時,截割頭齒座底面與掘進機截割頭表面剛好發(fā)生接觸,此時水平導軌執(zhí)行ΔxT所對應(yīng)的移動量,定位專用機器人手部縮入水平導軌中,彈簧被壓縮。這種工藝既能有效避免工件間存在的間隙對焊接強度的影響,又能減少定位專用機器人因發(fā)生剛性碰撞頻繁產(chǎn)生錯誤報警,提升制造過程的流暢性。

6 定位過程

定位專用機器人手部的截割頭齒座空間姿態(tài)調(diào)整過程如圖4所示。為提高截割頭齒座在定位專用機器人手部的安裝精度,利用截割頭齒座自身結(jié)構(gòu)的重力特性獲得相對于定位專用機器人手部關(guān)節(jié)的初始空間姿態(tài)。當截割頭齒座處于自由狀態(tài)時,截割頭齒座位于安裝軸上,截齒齒尖的理論位置位于點P′,并處于自由下垂狀態(tài),齒座架與打擊角關(guān)節(jié)的軸線共線。由于截割頭齒座結(jié)構(gòu)的特殊性,質(zhì)心始終位于安裝軸的豎直正下方。當截割頭齒座處于初始定位狀態(tài)時,截割頭齒座安裝架上的電磁鐵得電,截割頭齒座向安裝架移動,前端面與安裝架凸臺表面貼合,點P′移動到轉(zhuǎn)角和打擊角軸線的理論交點P。為消除截割頭齒座自動定位準確性受到的影響,重復電磁鐵快速通斷電,并可進一步提高截割頭齒座的初始安裝精度。在截割頭齒座的初始位置確定后,截割頭齒座進入最終定位狀態(tài),打擊角關(guān)節(jié)繞轉(zhuǎn)角關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度αT,安裝架繞打擊角關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度δT。在回轉(zhuǎn)臺翻轉(zhuǎn)角度βT過程中確定截割頭齒座姿態(tài)的倒角。定位專用機器人手部的轉(zhuǎn)角和打擊角關(guān)節(jié)同時執(zhí)行調(diào)整動作,能有效縮短截割頭齒座空間姿態(tài)的調(diào)整時間。

7 結(jié)束語

筆者設(shè)計了掘進機截割頭齒座定位專用機器人,用于實現(xiàn)截割頭齒座復雜空間姿態(tài)設(shè)計與制造。

根據(jù)截割頭齒座空間姿態(tài)設(shè)計方法,將常規(guī)工業(yè)機器人復雜的末端位置控制簡化為分步驟簡單執(zhí)行過程,有效提高了截割頭齒座的空間定位精度和定向精度,同時又能有效降低機器人工作代碼編寫復雜程度,提高機器人制造過程的效率、靈活性、精確性。定位專用機器人實現(xiàn)了掘進機截割頭制造過程的柔性化,可以推廣應(yīng)用于礦山機械中采礦機滾筒等關(guān)鍵零部件的制造,是破煤巖體截割裝置制造技術(shù)提升的重要保障。