掘進(jìn)機(jī)截割頭齒座定位專用機(jī)器人

□ 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(jì)背景

掘進(jìn)機(jī)截割頭是煤礦掘進(jìn)的關(guān)鍵部件,合理設(shè)計(jì)截割頭能有效降低截割載荷和載荷波動(dòng)。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割頭上截齒布置形式不同時(shí),截齒與煤巖體接觸的先后順序也不同,使掘進(jìn)機(jī)在截割載荷和功率消耗等方面存在差異。設(shè)計(jì)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(jìn)機(jī)的工作效率。通過設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)合理的截割工序路徑,能夠有效提高掘進(jìn)機(jī)截割頭移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)機(jī)截割頭特殊的幾何形狀和復(fù)雜的齒座定位,導(dǎo)致在掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)制造企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)提出了各類掘進(jìn)機(jī)截割頭齒座輔助定位方法,為減小制造誤差對(duì)掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)截割頭制造效率均獲得進(jìn)一步提高。由于掘進(jìn)機(jī)工作條件和地質(zhì)的復(fù)雜性,對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭類型的需求具有多樣化,常規(guī)工業(yè)機(jī)器人對(duì)不同形狀截割頭齒座進(jìn)行定位,需要編寫大量非重復(fù)性控制代碼,這種方法僅適合大規(guī)模批量化生產(chǎn)。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割頭個(gè)別截齒或齒座出現(xiàn)磨損,需要調(diào)整位置或姿態(tài)時(shí),需要對(duì)編程代碼重新調(diào)試和驗(yàn)證,由此嚴(yán)重制約掘進(jìn)機(jī)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(fù)雜程度,筆者分析截齒在掘進(jìn)機(jī)截割頭上的布置特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法,提出采用定位專用機(jī)器人定位截割頭齒座的新技術(shù),為掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵零部件朝智能化制造方向發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

2 掘進(jìn)機(jī)工作過程

掘進(jìn)機(jī)對(duì)巷道煤巖體橫斷面的截割通過懸臂架上截割電機(jī)配合減速器驅(qū)動(dòng),在截割升降液壓油缸和回轉(zhuǎn)液壓油缸的共同作用下進(jìn)行。截齒與煤巖體接觸時(shí),會(huì)承受破煤巖體所產(chǎn)生的沖擊載荷。當(dāng)截齒處于非工作區(qū)域時(shí),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(jìn)機(jī)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(jì)參數(shù)在掘進(jìn)機(jī)截割頭表面排布。在設(shè)計(jì)過程中,截割頭截齒和齒座通常作為一個(gè)整體進(jìn)行設(shè)計(jì),作用是有利于截齒空間位姿的計(jì)算,兼顧截割頭齒座與掘進(jìn)機(jī)截割頭密合的焊接要求。就晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤峪口礦使用的縱軸式掘進(jìn)機(jī)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(jìn)行掏槽前進(jìn),同時(shí)能夠提高橫擺過程的工作效率?？v軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為小端截線間距較小、截齒排布密度相對(duì)較大,導(dǎo)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(tuán)塔山煤礦使用的橫軸式掘進(jìn)機(jī)的截割裝置由一對(duì)完全對(duì)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(dòng)能夠被有效抑制。但是受到減速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的限制,在掘進(jìn)機(jī)截割頭前進(jìn)和上下擺動(dòng)過程中,左右截割頭之間會(huì)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(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)截割頭結(jié)構(gòu)及工作方式造成的截割頭齒座干涉,進(jìn)一步改善截割效果,通常需要對(duì)存在干涉的截割頭齒座根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整。所以,在掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計(jì)中,要在確保各個(gè)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(shí),保證截割頭齒座底面能夠與掘進(jìn)機(jī)截割頭表面充分貼合。

截齒間的相對(duì)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(jì)過程中調(diào)整截齒姿態(tài),建立幾何對(duì)稱平面Si,如圖1所示。在截齒齒尖點(diǎn)P建立定向參考坐標(biāo)系XiYiZi,并規(guī)定過齒尖點(diǎn)P垂直于截割頭齒座底面的方向?yàn)閰⒖甲鴺?biāo)系XiYiZi的X軸方向,沿截齒圓周轉(zhuǎn)動(dòng)的切線方向?yàn)閅軸方向,對(duì)稱面法線方向?yàn)閆軸方向,k為截割頭齒座結(jié)構(gòu)所固有的安裝角。在掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計(jì)和制造過程中,對(duì)參考坐標(biāo)系XiYiZi進(jìn)行調(diào)整就是對(duì)截割頭截齒和齒座組合體相對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭空間位姿的確定和調(diào)整。

4 定位專用機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

由于工業(yè)機(jī)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(jī)器人應(yīng)用于截割頭齒座定位。但是,截割頭齒座和掘進(jìn)機(jī)截割頭存在相對(duì)復(fù)雜的空間姿態(tài),從而提高了角度坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為編程的復(fù)雜性。當(dāng)某一參數(shù)設(shè)定不恰當(dāng)時(shí),截割頭齒座定位結(jié)果與理論設(shè)計(jì)參數(shù)間就會(huì)產(chǎn)生較大誤差,影響掘進(jìn)機(jī)截割頭的實(shí)際工作效果。對(duì)于大規(guī)模批量生產(chǎn)的掘進(jìn)機(jī)截割頭產(chǎn)品,可以采用工業(yè)機(jī)器人校效功能,避免復(fù)雜程序代碼的編寫,但對(duì)于針對(duì)具體地質(zhì)條件而特殊設(shè)計(jì)和制造的小批量或單個(gè)非定型掘進(jìn)機(jī)截割頭產(chǎn)品,工業(yè)機(jī)器人校效過程將占用大量生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間,造成工業(yè)機(jī)器人的工作高效性無法得到充分體現(xiàn)。為降低機(jī)器人定位齒座工藝編寫的復(fù)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(jī)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(jī)器人各部件執(zhí)行對(duì)應(yīng)動(dòng)作,既能有效降低編程的難度,又能降低截割頭齒座定位機(jī)器人的建設(shè)成本。根據(jù)截齒的空間位姿特點(diǎn),提高設(shè)計(jì)和制造工藝基準(zhǔn)的一致性,降低控制復(fù)雜度,定位專用機(jī)器人采用焊接變位機(jī)聯(lián)合十字滑移裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),如圖2所示。具有二自由度的焊接變位機(jī)布置在定位專用機(jī)器人主機(jī)架的左端,回轉(zhuǎn)臺(tái)繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)角度θT由減速器MC 進(jìn)行控制?；剞D(zhuǎn)臺(tái)繞C1C2軸線翻轉(zhuǎn),由減速器MD進(jìn)行控制,翻轉(zhuǎn)角度為βT。采用笛卡爾坐標(biāo)系對(duì)截齒的空間位置進(jìn)行描述。XMYMZM為定位專用機(jī)器人絕對(duì)坐標(biāo)系,ZM與導(dǎo)軌豎直滑軌運(yùn)動(dòng)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(jī)器人本體的結(jié)構(gòu)尺寸,WM為掘進(jìn)機(jī)截割頭的工裝結(jié)構(gòu)尺寸。為提高對(duì)不同幾何尺寸截割頭齒座的定位效率,采用相對(duì)坐標(biāo)系XTYTZT確定截割頭齒座定位過程的工藝參數(shù),原點(diǎn)T位于定位平面ST中,確定為定位專用機(jī)器人坐標(biāo)系的相對(duì)零點(diǎn)。掘進(jìn)機(jī)截割頭繞回轉(zhuǎn)臺(tái)軸線旋轉(zhuǎn)角度θT后,待定位截割頭齒座對(duì)應(yīng)的截齒齒尖點(diǎn)P轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)器人控制的編程難度。截齒齒尖點(diǎn)P的其余兩個(gè)定位參數(shù)xT和zT由安裝在主機(jī)架另一端的H向?qū)к?、V向?qū)к壍囊苿?dòng)和回轉(zhuǎn)臺(tái)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(dòng)導(dǎo)軌內(nèi)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)截齒齒尖點(diǎn)P沿水平和豎直方向移動(dòng)。

5 手部結(jié)構(gòu)及緩沖裝置

定位專用機(jī)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(fù)雜性,并使截齒獲得正確的最終空間姿態(tài),定位專用機(jī)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(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)有效簡化,又能按照設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)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(diǎn)上,不需要再進(jìn)行復(fù)雜的空間角度轉(zhuǎn)換計(jì)算,進(jìn)而有效降低定位專用機(jī)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(dòng)誤差等因素對(duì)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(jìn)機(jī)截割頭表面實(shí)現(xiàn)充分貼合,在定位專用機(jī)器人手部轉(zhuǎn)角關(guān)節(jié)位置設(shè)計(jì)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(shí)際制造過程中,導(dǎo)軌沿水平方向移動(dòng)量的設(shè)定值相比齒尖定位的理論計(jì)算值略大ΔxT,并且小于彈簧的許用壓縮行程量。當(dāng)截齒齒尖到達(dá)設(shè)計(jì)位置時(shí),截割頭齒座底面與掘進(jìn)機(jī)截割頭表面剛好發(fā)生接觸,此時(shí)水平導(dǎo)軌執(zhí)行ΔxT所對(duì)應(yīng)的移動(dòng)量,定位專用機(jī)器人手部縮入水平導(dǎo)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(duì)焊接強(qiáng)度的影響,又能減少定位專用機(jī)器人因發(fā)生剛性碰撞頻繁產(chǎn)生錯(cuò)誤報(bào)警,提升制造過程的流暢性。

6 定位過程

定位專用機(jī)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(jī)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(duì)于定位專用機(jī)器人手部關(guān)節(jié)的初始空間姿態(tài)。當(dāng)截割頭齒座處于自由狀態(tài)時(shí),截割頭齒座位于安裝軸上,截齒齒尖的理論位置位于點(diǎn)P′,并處于自由下垂?fàn)顟B(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(dāng)截割頭齒座處于初始定位狀態(tài)時(shí),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(dòng),前端面與安裝架凸臺(tái)表面貼合,點(diǎn)P′移動(dòng)到轉(zhuǎn)角和打擊角軸線的理論交點(diǎn)P。為消除截割頭齒座自動(dòng)定位準(zhǔn)確性受到的影響,重復(fù)電磁鐵快速通斷電,并可進(jìn)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(jìn)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(tái)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(jī)器人手部的轉(zhuǎn)角和打擊角關(guān)節(jié)同時(shí)執(zhí)行調(diào)整動(dòng)作,能有效縮短截割頭齒座空間姿態(tài)的調(diào)整時(shí)間。

7 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了掘進(jìn)機(jī)截割頭齒座定位專用機(jī)器人,用于實(shí)現(xiàn)截割頭齒座復(fù)雜空間姿態(tài)設(shè)計(jì)與制造。

根據(jù)截割頭齒座空間姿態(tài)設(shè)計(jì)方法,將常規(guī)工業(yè)機(jī)器人復(fù)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(shí)又能有效降低機(jī)器人工作代碼編寫復(fù)雜程度,提高機(jī)器人制造過程的效率、靈活性、精確性。定位專用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)截割頭制造過程的柔性化,可以推廣應(yīng)用于礦山機(jī)械中采礦機(jī)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。