賀向宗，王正國，白云華，何雨絲，趙 凱

洛陽中重自動(dòng)化工程有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

磨機(jī)換襯板機(jī)械手采用機(jī)電液一體化技術(shù)，可對(duì)磨機(jī)空間內(nèi)數(shù)百公斤到數(shù)千公斤不等的襯板進(jìn)行安全高效的更換，提升了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，目前已在國內(nèi)外礦山企業(yè)廣泛應(yīng)用[1]。

磨機(jī)換襯板機(jī)械手在磨機(jī)內(nèi)部封閉、有限空間作業(yè)時(shí)，還需人員操作和人力輔助，尤其是裝配工人，位于機(jī)械手夾持的重型襯板左右。在工作過程中，由于操作空間限制及操作失誤，機(jī)械手易出現(xiàn)磕碰、過載作業(yè)情況，若不采取措施，將為人員和設(shè)備帶來一定的安全隱患。針對(duì)這種情況，國外相關(guān)企業(yè)通過在設(shè)備上增加位置接近開關(guān)及液壓閥門，實(shí)現(xiàn)了過載的三級(jí)限制；國內(nèi)磨機(jī)換襯板機(jī)械手的發(fā)展相對(duì)滯后，過載及安全負(fù)載控制的相關(guān)研究報(bào)道較少[2]。

由于磨機(jī)換襯板機(jī)械手的負(fù)載情況對(duì)人員、設(shè)備的安全至關(guān)重要，而當(dāng)前已有技術(shù)方案無法實(shí)現(xiàn)安全負(fù)載的連續(xù)控制，且智能化程度較低。因此，筆者通過對(duì)機(jī)械手進(jìn)行受力分析和建模，研究作業(yè)臂、支撐梁、負(fù)載隨伸縮長(zhǎng)度、俯仰角度的變化規(guī)律，進(jìn)而建立一套智能安全負(fù)載控制方法，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的智能安全負(fù)載控制。

1 磨機(jī)換襯板機(jī)械手工作原理

磨機(jī)內(nèi)部屬于封閉、有限空間，僅進(jìn)出料口留有狹長(zhǎng)圓形通道。為適應(yīng)磨機(jī)狹長(zhǎng)的作業(yè)空間，磨機(jī)換襯板機(jī)械手通常采用串聯(lián)開鏈結(jié)構(gòu)[3-4]。磨機(jī)換襯板機(jī)械手的機(jī)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 換襯板機(jī)械手機(jī)構(gòu)Fig.1 Liner replacement mechanical arm mechanism

機(jī)械手支撐梁由車體及錨點(diǎn)進(jìn)行固定和支撐，并伸縮入磨機(jī)內(nèi)部，作為內(nèi)外連通的橋梁，懸臂長(zhǎng)度最大時(shí)超過 14 m。在更換襯板時(shí)，襯板通過支撐梁上的小車進(jìn)行運(yùn)輸。襯板進(jìn)入磨機(jī)后，安裝在支撐梁頭部的作業(yè)臂和腕關(guān)節(jié)完成襯板的夾持、起吊、轉(zhuǎn)運(yùn)和安裝工作。作業(yè)臂是機(jī)械手的起重臂，可進(jìn)行 360°回轉(zhuǎn)、上下變幅以及前后伸縮等動(dòng)作，以達(dá)到將襯板搬運(yùn)至安裝位置的目的，其工作半徑最大時(shí)超過 7 m。作業(yè)臂尾部安裝有腕關(guān)節(jié)，由 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度組成，可實(shí)現(xiàn)襯板的姿態(tài)調(diào)整；并可與作業(yè)臂相配合，完成襯板空間自由度的位姿調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)將襯板安裝孔與磨機(jī)上固定孔的對(duì)齊，完成襯板安裝。

2 受力分析

為滿足工況空間需求，機(jī)械手支撐梁、作業(yè)臂通常懸臂較長(zhǎng)，且要求在整個(gè)工作范圍內(nèi)均能提升額定負(fù)載內(nèi)的襯板。因此，機(jī)械手水平伸展且?guī)лd時(shí)，支撐梁、作業(yè)臂承受的彎矩極大，且在機(jī)械手工作過程中，主要部件還將承受彎、扭、拉、剪、振動(dòng)與沖擊等組合作用[4-5]。機(jī)械手在磨機(jī)封閉空間內(nèi)安裝襯板時(shí)，還經(jīng)常由于操作失誤等原因，與磨機(jī)內(nèi)壁發(fā)生磕碰、阻擋等過載作業(yè)情況。過載的出現(xiàn)將繼續(xù)增大支撐梁、作業(yè)臂所承受的彎矩和力，存在較大的安全隱患。

2.1 作業(yè)臂受力分析

作業(yè)臂受力情況如圖2 所示。作業(yè)臂所受負(fù)載有作業(yè)臂自重、腕部自重和襯板重力，以及變幅液壓缸的變幅拉力。其中，作業(yè)臂由 3 節(jié)同步伸縮臂組成，可進(jìn)行遠(yuǎn)近伸縮和上下俯仰運(yùn)動(dòng)。當(dāng)伸縮范圍L0或俯仰角度q發(fā)生變化后，作業(yè)臂、腕部、襯板、變幅拉力的力臂將隨之變化。為保證計(jì)算的準(zhǔn)確，按 3 節(jié)臂結(jié)構(gòu)將作業(yè)臂進(jìn)行分解，分為基節(jié)臂、中間節(jié)臂、端節(jié)臂。

圖2 作業(yè)臂受力情況Fig.2 Force condition of operating arm

相對(duì)于鉸座，可列出作業(yè)臂的力矩平衡公式[6]：

式中：F為變幅液壓缸拉力，N；L為變幅液壓缸相對(duì)于鉸座的力臂長(zhǎng)度，m；G1、G2、G3、G4、G5為作業(yè)臂各部件自重，N；L1、L2、L3、L4、L5為隨著伸縮范圍L0或俯仰角度q的變化，折算后的力臂長(zhǎng)度，m；a為動(dòng)載荷系數(shù)，取值為 1.36。

已知，所討論型號(hào)的作業(yè)臂變幅角度范圍為-30°～ 30°，伸縮范圍L0=0～1.5 m。當(dāng)L0=0 m、q=0°時(shí)，各部件自重及初始力臂長(zhǎng)度如表1 所列。在機(jī)械手工作過程中，要求作業(yè)臂在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)滿足額定負(fù)載起吊要求。

表1 各部件自重及初始力臂長(zhǎng)度Tab.1 Mass of each component and original length of force arm from

當(dāng)L0=1.5 m 時(shí)，作業(yè)臂各部件力臂最長(zhǎng)。而變幅液壓缸的力臂與伸縮長(zhǎng)度無關(guān)，僅與變幅角度有關(guān)。為此，可根據(jù)式 (1) 以及表1 中各部件參數(shù)，得出在最遠(yuǎn)距離下 (L0=1.5 m)，變幅液壓缸拉力與變幅角度關(guān)系，如圖3 所示。

圖3 額定負(fù)載下變幅液壓缸拉力與角度關(guān)系Fig.3 Relationship between tension and angle of variableamplitude hydraulic cylinder under rated load

由圖3 得出，當(dāng)L0=1.5 m、q=-27°時(shí)，所需變幅液壓缸輸出拉力最大，為 524.2 kN。因此，為滿足所討論型號(hào)機(jī)械手額定負(fù)載要求，所選擇的變幅液壓缸輸出拉力應(yīng)大于 524.2 kN。

然而，當(dāng)作業(yè)臂伸長(zhǎng)量L0由最大值 1.5 m 減小時(shí)，各部件相對(duì)于鉸座的力臂長(zhǎng)度也隨之減小。此時(shí)，若變幅液壓缸最大輸出力保持不變，依據(jù)式(1)，在q=0°時(shí)，作業(yè)臂在不同伸縮長(zhǎng)度下的負(fù)載能力如圖4 所示。

圖4 不同伸縮長(zhǎng)度下作業(yè)臂負(fù)載能力曲線Fig.4 Loading capacity curve of operating arm

由圖4 可以看出，作業(yè)臂伸至最遠(yuǎn) 1.5 m 時(shí)，可滿足 25 000 N 的額定負(fù)載要求；作業(yè)臂縮回變短時(shí)，因變幅液壓缸最大輸出力保持不變，其負(fù)載能力顯著增大；在L0=0 處，負(fù)載能力約為 75 000 N，是額定負(fù)載的 3 倍。

2.2 支撐梁受力分析

作業(yè)臂工作時(shí)，其重力在支撐梁上的受力情況如圖5 所示。其中，G為作業(yè)臂自重、腕部自重和襯板重力的和，L′為作業(yè)臂重心相對(duì)于B點(diǎn)的距離。相對(duì)于支撐點(diǎn)B，作業(yè)臂對(duì)支撐梁形成的重力矩為G和L′的乘積。

圖5 支撐梁所受作業(yè)臂負(fù)載情況Fig.5 Loading condition of operating arm on supporting beam

當(dāng)q=0°時(shí)，變幅液壓缸保持最大輸出力，伸長(zhǎng)量L0由 0 至 1.5 m 變化時(shí)，作業(yè)臂各長(zhǎng)度下最大負(fù)載對(duì)支撐梁B點(diǎn)形成的彎矩如圖6 所示。

圖6 作業(yè)臂最大負(fù)載能力下支撐梁所受彎矩曲線Fig.6 Bending moment curve of supporting beam under maximum loading capacity of operating arm

綜合觀察圖4、6 可以看出，隨著作業(yè)臂伸縮長(zhǎng)度由 1.5 m 到 0 m，因變幅液壓缸最大輸出力保持不變，其負(fù)載能力增大的同時(shí)，支撐梁彎矩也隨之增加；在L0=0 處彎矩最大，相較L0=1.5 m 處增加了54.5%。

綜上所述，所討論機(jī)械手在工作過程中，當(dāng)作業(yè)臂伸長(zhǎng)至最遠(yuǎn)距離 1.5 m 時(shí)，滿足 25 000 N 的額定負(fù)載要求。但隨著作業(yè)臂縮回、長(zhǎng)度縮短，由于變幅液壓缸的最大輸出力保持不變，其負(fù)載能力不斷增加，最大處 (L0=0) 負(fù)載能力約為額定負(fù)載的 3 倍，對(duì)支撐梁形成的彎矩增加了 54.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了額定負(fù)載的實(shí)際需求。

該最大負(fù)載能力是由于操作空間限制下操作失誤等非必要因素造成的，且在工作中是有害的。因此，為避免機(jī)械手過載引發(fā)的安全隱患，筆者研究設(shè)計(jì)了一套可根據(jù)作業(yè)臂伸縮長(zhǎng)度的變化，對(duì)變幅液壓缸的液壓油壓進(jìn)行限制的控制系統(tǒng)，以限制變幅液壓缸輸出能力，進(jìn)而將作業(yè)臂的負(fù)載能力限制在額定負(fù)載以內(nèi)。

3 液壓系統(tǒng)搭建

所討論的磨機(jī)換襯板機(jī)械手動(dòng)作關(guān)節(jié)較多，可使用電控和手動(dòng) 2 種方式進(jìn)行操控，通常采用電液比例多路閥搭建液壓回路。筆者針對(duì)性討論的變幅液壓缸采用雙作用缸型式，傳統(tǒng)液壓回路如圖7 所示。

圖7 機(jī)械手變幅液壓回路原理Fig.7 Elevation hydraulic circuit principle of mechanical arm

液壓回路中，電液比例多路閥通過手動(dòng)或電控方式對(duì)變幅液壓缸運(yùn)行方向、運(yùn)行速度進(jìn)行控制，平衡閥用于實(shí)現(xiàn)負(fù)載控制和負(fù)載保持。該液壓回路原理簡(jiǎn)單可靠，但無法實(shí)現(xiàn)變幅液壓缸工作油壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)。為解決上述矛盾，限制作業(yè)臂在不同工位的最大輸出力，提高機(jī)械手的安全作業(yè)性能，在傳統(tǒng)的液壓回路中增加了電液比例溢流閥。改進(jìn)后的液壓回路原理如圖8 所示，采用電液比例控制技術(shù)，根據(jù)作業(yè)臂伸縮長(zhǎng)度對(duì)電液比例溢流閥進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)變幅液壓缸工作油壓調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大輸出力的在線、連續(xù)調(diào)整。

圖8 升級(jí)后的機(jī)械手變幅液壓回路原理Fig.8 Upgraded elevation hydraulic circuit principle of mechanical arm

根據(jù)前文受力分析可知，電液比例溢流閥需根據(jù)作業(yè)臂的伸縮長(zhǎng)度和俯仰角度變化，進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，為此還需搭建一套安全負(fù)載控制系統(tǒng)。

4 智能安全負(fù)載控制系統(tǒng)搭建

為實(shí)現(xiàn)作業(yè)臂負(fù)載的智能安全控制，所搭建的控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖9 所示，由顯示器、控制器、壓力傳感器、位置傳感器、電液比例溢流閥組成。其中，位置傳感器采用磁致伸縮位置傳感器，用于測(cè)量作業(yè)臂伸縮液壓缸的長(zhǎng)度及俯仰角度；控制器實(shí)時(shí)讀取位置變化，并根據(jù)式 (1)，實(shí)時(shí)對(duì)電液比例溢流閥進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在線、連續(xù)的安全負(fù)載限制。

圖9 智能安全負(fù)載控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.9 Architecture of intelligent safe load control system

智能安全負(fù)載控制系統(tǒng)在變幅液壓缸兩側(cè)增加了壓力傳感器，對(duì)壓力控制效果進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋。同時(shí)，還可與位置傳感器配合，利用式 (1)，對(duì)實(shí)際負(fù)載進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。當(dāng)負(fù)載超出額定負(fù)載或壓力控制失效時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒操作人員和附近人員注意。智能安全負(fù)載控制系統(tǒng)的顯示器用于實(shí)時(shí)顯示變幅角度、伸縮長(zhǎng)度、油壓、實(shí)際負(fù)載等參數(shù)，便于人機(jī)交互；同時(shí)，還能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，支持歷史回放、曲線顯示功能，方便進(jìn)行歷史分析。

系統(tǒng)投入前后，支撐梁所受彎矩變化曲線如圖10 所示 (q=0)。對(duì)比可知，系統(tǒng)投入后，機(jī)械手的最大負(fù)載力矩、額定負(fù)載最大力矩與支撐梁彎矩最大點(diǎn)重合，即合理解決了原有的設(shè)計(jì)矛盾。

圖10 系統(tǒng)投入前后支撐梁所受彎矩變化曲線Fig.10 Changing curve of bending moment of supporting beam before and after system being put into operation

經(jīng)應(yīng)用驗(yàn)證，引入智能安全負(fù)載控制系統(tǒng)后的磨機(jī)換襯板機(jī)械手，其作業(yè)臂在伸縮、俯仰范圍內(nèi)的最大起吊能力均被限制在了額定負(fù)載之內(nèi)。且當(dāng)發(fā)生過載時(shí)，由于過載限制作用，有效降低了機(jī)械沖擊功，設(shè)備的受力、變形也受到了限制，對(duì)機(jī)械手起到了很好的保護(hù)作用，有效提升了設(shè)備的使用壽命，保障了作業(yè)人員的安全。

5 結(jié)論

(1) 磨機(jī)換襯板機(jī)械手在工作過程中易出現(xiàn)過載作業(yè)情況，當(dāng)變幅液壓缸最大輸出力保持不變時(shí)，其負(fù)載能力可達(dá)到額定負(fù)載 3 倍，過載作業(yè)對(duì)人員和設(shè)備造成一定的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。

(2) 通過在磨機(jī)換襯板機(jī)械手上加入智能安全負(fù)載控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在線、連續(xù)安全負(fù)載控制的目的，將機(jī)械手的最大起吊能力限制在了額定負(fù)載之內(nèi)。該方法不僅避免了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難題，而且有效降低了機(jī)械沖擊功，設(shè)備的受力、變形也受到限制，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員、設(shè)備進(jìn)行了有效保護(hù)。

(3) 設(shè)計(jì)的智能安全負(fù)載控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了安全負(fù)載連續(xù)控制，且操作人員可根據(jù)實(shí)時(shí)的狀態(tài)參數(shù)和估算的負(fù)載，調(diào)整操作決策，指導(dǎo)設(shè)備操作與維護(hù)，提升了系統(tǒng)智能性。