劉 洋

（中國神華能源股份有限公司哈爾烏素露天煤礦設(shè)備維修中心生產(chǎn)技術(shù)部，鄂爾多斯 010300）

目前，國家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)哈爾烏素露天煤礦有共計(jì)55臺MT系列電動(dòng)輪自卸卡車，主要承擔(dān)哈爾烏素露天煤礦黃土巖石剝離和采煤運(yùn)輸任務(wù)，設(shè)備已持續(xù)運(yùn)行13年。礦用卡車行駛道路干線為礦山等級路，道路多為碎石、混合泥土、表面凹凸不平、多塵或泥濘的非等級道路，坡度最大為12%，在設(shè)備運(yùn)行過程中易造成顛簸、瞬時(shí)沖擊等。

1 MT系列卡車油缸裝配難點(diǎn)

MT系列卡車用于露天礦巖石和煤炭的運(yùn)輸，每天3班，每班8 h?？酉碌缆奉嶔?dǎo)致卡車各缸長期疲勞運(yùn)行，縮短了卡車油缸更換周期，影響了設(shè)備出動(dòng)率和企業(yè)的生產(chǎn)安全。為了解決上述問題，需要定期更換卡車油缸。當(dāng)前常用機(jī)械輔助設(shè)備如吊車、千斤頂?shù)雀鼡Q油缸，但油缸最大質(zhì)量達(dá)2.225 t，且所處空間狹小，導(dǎo)致當(dāng)下的換油缸方式效率低、難度大、安全性較差。

2 MT系列卡車油缸裝配機(jī)器人研究目標(biāo)與實(shí)施方案

2.1 MT系列卡車油缸裝配機(jī)器人研究目標(biāo)

根據(jù)檢修工作需要，研發(fā)了一臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的MT系列卡車油缸更換機(jī)器人，主要用于卡車油缸（可兼容懸掛油缸）的拆裝作業(yè)，達(dá)到同類產(chǎn)品先進(jìn)技術(shù)水平。自主研發(fā)的卡車油缸更換機(jī)器人，各裝置使用性能需完全滿足卡車油缸（可兼容懸掛油缸）現(xiàn)場的拆裝性能要求，其技術(shù)先進(jìn)性和可靠性必須滿足或高于現(xiàn)用更換油缸各環(huán)節(jié)的輔助設(shè)備工作原理?？ㄜ囉透赘鼡Q機(jī)器人工作裝置系統(tǒng)預(yù)留一定空間，方便以后兼容、升級和改造設(shè)計(jì)。研發(fā)成功的機(jī)器人，系統(tǒng)各元器件、結(jié)構(gòu)件必須是國內(nèi)檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品，屬于特種設(shè)備時(shí)還應(yīng)出具國家特檢局的檢驗(yàn)合格證，確保其質(zhì)量、性能、壽命達(dá)到國內(nèi)相關(guān)規(guī)定。

2.2 MT系列卡車油缸裝配機(jī)器人實(shí)施方案

卡車油缸更換機(jī)器人需要具備系統(tǒng)先進(jìn)、自主可控以及工作可靠等特點(diǎn)。通過對比日常檢修方法，研究叉車、吊車等輔助設(shè)備輔助更換各類缸的工藝，以期實(shí)現(xiàn)缸類更換工序的機(jī)械自動(dòng)化。依據(jù)卡車油缸類更換工藝要求和使用環(huán)境特點(diǎn)，確保更換油缸安全可靠高效使用。油缸更換機(jī)器人在更換過程中起到輔助支撐的作用，主要用于卸舊油缸和裝新油缸兩個(gè)環(huán)節(jié)[1]。卸舊油缸的流程為“機(jī)器人到位→人控機(jī)器人末端屬具夾取固定油缸→人主導(dǎo)拆卸油缸→油缸拆卸完成→人控機(jī)器人將油缸放在地上”。裝新油缸的流程為“行車準(zhǔn)備油缸（豎向）方便機(jī)器人夾取→人控機(jī)器人夾取油缸→人控機(jī)器人移動(dòng)油缸至安裝位→人主導(dǎo)完成油缸安裝→機(jī)器人撤離”。

卡車油缸更換機(jī)器人主要由叉車基座、伸縮臂、旋轉(zhuǎn)側(cè)傾連接器、自適應(yīng)夾具及智能控制系統(tǒng)組成。自適應(yīng)夾具基于剛?cè)狁詈显?，最大限度地保證了整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)的穩(wěn)定性和可靠性。整個(gè)系統(tǒng)通過可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制，實(shí)現(xiàn)夾具端點(diǎn)的精確軌跡控制，防止與卡車車體碰磨，并結(jié)合MT系列卡車油缸的幾何外形尺寸、結(jié)構(gòu)及重量進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2.1 叉車基座

主體選擇平衡重型叉車作為支座。它具有可靠的臂架及結(jié)構(gòu)件，能夠滿足卡車各類油缸的更換需求，且駕駛室滿足強(qiáng)度要求。裝配的最大油缸質(zhì)量為2.225 t。 叉車負(fù)載包括伸縮臂、屬具及夾具等。所選用的平衡重型叉車能夠滿足作業(yè)要求。

2.2.2 伸縮臂

伸縮臂根據(jù)各類油缸更換的空間要求，收縮后臂長不超過2 m，級數(shù)為2級。伸縮臂的工作原理，如圖1所示。它的基座可以根據(jù)需要自由轉(zhuǎn)動(dòng)，通過機(jī)械限位或傳感器預(yù)警限制左右旋轉(zhuǎn)角度在30°以內(nèi)。伸縮臂末端負(fù)載能力為3.5 t，能夠滿足MT系列卡車大尺寸重型油缸的更換需求。伸縮臂采用液壓伸縮系統(tǒng)，伸縮深度不小于1.5 m，保證伸縮可在相對狹小的拆裝空間工作。通過有限元軟件，驗(yàn)證設(shè)計(jì)屬具結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性能。采用動(dòng)力學(xué)軟件對自適應(yīng)屬具系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)屬具拆裝油缸過程動(dòng)力學(xué)性能。利用液壓系統(tǒng)仿真軟件可以方便地建立并分析仿真模型，保證屬具液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性[2]。

圖1 伸縮臂原理圖

2.2.3 旋轉(zhuǎn)側(cè)傾平臺

旋轉(zhuǎn)側(cè)傾平臺能夠?qū)崿F(xiàn)雙旋轉(zhuǎn)自由度運(yùn)動(dòng)，保證更換機(jī)器人能夠完成整個(gè)系列油缸、各種拆裝工藝傾斜位置需求，輔助實(shí)現(xiàn)油缸的抱夾、保持、松抱夾等動(dòng)作。旋轉(zhuǎn)側(cè)傾平臺末端負(fù)載能力為3～5 t。液壓側(cè)傾旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置包括側(cè)傾旋轉(zhuǎn)裝置、控制系統(tǒng)、上連接架或上快換裝置以及下連接架或下快換裝置，如圖2所示。

圖2 液壓側(cè)傾旋轉(zhuǎn)裝置

2.2.4 自適應(yīng)夾具

自適應(yīng)夾具采用自適應(yīng)柔性夾持結(jié)構(gòu)，屬具和末端夾具系統(tǒng)能夠完成開合夾緊動(dòng)作，設(shè)計(jì)夾具的夾緊范圍滿足MT系列所有卡車油缸外徑尺寸（直徑為300～450 mm），結(jié)構(gòu)如圖3所示。夾緊力根據(jù)油缸的自重可以進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和控制，最大承載質(zhì)量為2.5 t。 夾具通過一級夾具夾緊，二級柔性結(jié)構(gòu)與油缸表面形成變曲率貼合。夾具配置有“路徑識別、跟蹤、回饋控制”裝置的接口，并配置有“視覺系統(tǒng)”的接口。

圖3 自制屬具、夾具結(jié)構(gòu)圖

2.2.5 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)覆蓋整個(gè)裝配機(jī)器人，采用高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及中量程距離傳感器等功能件，能夠?qū)崟r(shí)反饋夾具末端夾抓和油缸的相對位置，輔助司機(jī)判斷夾爪相對于目標(biāo)物的具體距離，實(shí)現(xiàn)油缸的夾緊動(dòng)作[3]。駕駛室集成叉車的駕駛，伸縮臂的旋轉(zhuǎn)伸縮控制，屬具的雙旋轉(zhuǎn)控制，末端夾具系統(tǒng)的抱夾、保持、松抱夾等控制功能，由手動(dòng)推桿控制伸縮臂實(shí)現(xiàn)。通過PLC系統(tǒng)控制屬具旋轉(zhuǎn)、伸縮，末端抓夾各類液壓缸，結(jié)合傳感器反饋，實(shí)現(xiàn)夾具端點(diǎn)路徑智能規(guī)劃，獲得裝夾工藝最優(yōu)路徑。駕駛室布置了顯示器，具備視頻監(jiān)控系統(tǒng)。通過安裝監(jiān)控?cái)z像頭、距離傳感器等，可實(shí)時(shí)顯示末端夾爪系統(tǒng)夾取油缸的視頻、夾具與油缸距離、夾持力大小等信息。通過PLC控制系統(tǒng)采集壓力、距離等參數(shù)，當(dāng)夾具與油缸達(dá)到預(yù)定距離時(shí)，聲音提示可進(jìn)行拆裝作業(yè)。實(shí)時(shí)控制拆裝作業(yè)過程中，若出現(xiàn)與周圍環(huán)境距離過近的情況，持續(xù)報(bào)警提示可能出現(xiàn)碰撞。夾持油缸時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測夾持力。當(dāng)夾持力達(dá)到預(yù)定值時(shí)，提示可進(jìn)行拆除作業(yè)。屬具、夾具設(shè)計(jì)成手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作方式，且兩種操作方式可通過系統(tǒng)進(jìn)行切換[4]。由于舉升油缸操作空間狹小，在油缸拆裝作業(yè)時(shí)，完全自動(dòng)化作業(yè)難度較大，對檢測系統(tǒng)、計(jì)算性能等要求較高，成本也會大幅提升。本設(shè)計(jì)采取手自動(dòng)可切換的操作設(shè)計(jì)，在油缸拆裝作業(yè)時(shí)的精細(xì)化動(dòng)作可由操作員手動(dòng)控制操作完成。設(shè)置手動(dòng)緊急制動(dòng)開關(guān)，保證系統(tǒng)在緊急情況下迅速關(guān)停。結(jié)合整車液壓控制系統(tǒng)的平衡回路保壓功能，分別對叉車升降、伸縮臂液壓伸縮、伸縮臂旋轉(zhuǎn)和屬具夾取開合動(dòng)力失效液壓系統(tǒng)進(jìn)行自鎖保護(hù)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)置安全保障機(jī)制，當(dāng)檢測到漏油、油路壓降過快、系統(tǒng)故障等情況時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止，并給出故障警告。系統(tǒng)留有一定的擴(kuò)展接口，便于產(chǎn)品的升級和功能擴(kuò)展，并預(yù)留智慧礦山接口。裝配機(jī)器人是機(jī)、電、液系統(tǒng)共同組成的產(chǎn)品，主要控制對象有旋轉(zhuǎn)側(cè)傾平臺的雙旋轉(zhuǎn)控制、屬具的伸縮、夾具的抱夾以及松抱夾控制。

2.3 更換舉升油缸的操作

更換舉升油缸時(shí)，工作人員需提前布置枕木位于翻斗與車架之間。翻斗降下壓實(shí)枕木，保證更換過程的安全性。機(jī)器人駛?cè)牍ぷ魑恢?，通過手自動(dòng)一體控制系統(tǒng)展開伸縮臂，調(diào)整屬具、夾具，自動(dòng)規(guī)劃運(yùn)動(dòng)路徑至接近油缸處后切換為手動(dòng)控制。操作人員通過人機(jī)交互界面，對正、對中舉升油缸進(jìn)行油缸夾持。末端夾具夾持油缸至目標(biāo)夾持力并保持穩(wěn)定，通過夾具附件限制油缸下部柱塞的軸向運(yùn)動(dòng)。工作人員抽出油缸的上下連接銷，將油缸旋轉(zhuǎn)出車架接附點(diǎn)（連接耳），通過收縮屬具將故障油缸從安裝位置取出。安裝過程為拆卸過程的反過程。

2.4 更換懸掛的操作

更換懸掛時(shí)，先采用千斤頂將需更換懸掛一側(cè)的車架頂起，直至該側(cè)車輪以微小距離懸空，然后機(jī)器人按照更換舉升油缸的過程操作。另外，對于前懸架油缸還需要在前車輪懸空后拆除前車輪。安裝過程為拆卸過程的反過程。

3 MT系列卡車油缸更換機(jī)器人特點(diǎn)

3.1 有效作業(yè)距離大，作業(yè)高度高

伸縮臂叉車通過伸縮臂結(jié)構(gòu)可以達(dá)到遠(yuǎn)距離作業(yè)，伸縮臂的變幅也可以達(dá)到較高的作業(yè)高度。因此，它可以在底盤不變的情況下對離前輪較遠(yuǎn)的物資進(jìn)行作業(yè)。通過調(diào)整伸縮臂和屬具，可以從多個(gè)方位拆卸油缸，拓寬了傳統(tǒng)叉車的適應(yīng)范圍。

3.2 能越過部分障礙直接裝卸油缸

伸縮臂叉車可以跨越小溝、臺階、小坡進(jìn)行裝卸作業(yè)。由于具有負(fù)的變幅角度，也可以對低于輪胎平面的貨物進(jìn)行作業(yè)，更適用于越野環(huán)境。

3.3 具有寬廣的視野

伸縮臂叉車沒有門架結(jié)構(gòu)，且駕駛室側(cè)向布置，大大改善了駕駛員的前方視野，為油缸拆卸提供了安全、良好的作業(yè)條件，減輕了疲勞，提高了作業(yè)效率。

3.4 具有較好的作業(yè)安全性能

伸縮臂叉車具有負(fù)載伸縮功能。在不平路面進(jìn)行拆裝作業(yè)時(shí)，可在遠(yuǎn)離堆垛點(diǎn)的位置停車，打開穩(wěn)定支腿，運(yùn)用伸臂、變幅動(dòng)作完成對油缸的裝卸作業(yè)。伸縮臂叉車的工作裝置在伸縮臂的前端，可方便地更換工作屬具。

3.5 適用的作業(yè)范圍廣

伸縮臂式叉車不僅可以跨越障礙進(jìn)行油缸裝卸作業(yè)，還可通過變換叉車屬具進(jìn)行多種作業(yè)。

4 結(jié)語

自主研發(fā)的卡車油缸裝配機(jī)器人從生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際出發(fā)，以問題為導(dǎo)向，能夠更加契合生產(chǎn)實(shí)際的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)，其技術(shù)的先進(jìn)性和可靠性可滿足更換油缸各環(huán)節(jié)的使用要求。此項(xiàng)目不僅滿足更換MT系列卡車的技術(shù)要求，而且能夠排除之前更換卡車油缸的安全風(fēng)險(xiǎn)。卡車油缸裝配機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)用拓展了今后科技創(chuàng)新項(xiàng)目的研發(fā)創(chuàng)新思路，解放了勞動(dòng)生產(chǎn)力，有助于提升企業(yè)的安全生產(chǎn)能力。