煤礦井下鉆錨機(jī)器人布網(wǎng)單元設(shè)計(jì)與仿真

馬宏偉，王成龍，尚東森，薛旭升，薛力猛

(西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 720000)

現(xiàn)階段影響煤礦井下巷道快速成型的主要原因在于初成型巷道永久支護(hù)慢[1]。煤礦巷道成型包括掘進(jìn)和永久支護(hù)兩個作業(yè)，對煤礦井下巷道快速成型影響較大的是永久支護(hù)[2]。傳統(tǒng)的支護(hù)方式有人工支護(hù)方式，人工支護(hù)的方式是通過人工持鉆持網(wǎng)對巷道進(jìn)行永久支護(hù)，由于人工支護(hù)方式的勞動強(qiáng)度大、支護(hù)效率低而且作業(yè)人員安全不能保障等問題，同時在進(jìn)行人工支護(hù)時，巷道掘進(jìn)作業(yè)需停止作業(yè)，嚴(yán)重影響了煤礦井下巷道成型的速度，不能滿足煤礦企業(yè)發(fā)展需求而逐漸被淘汰[3]。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展以及煤礦企業(yè)生產(chǎn)要求不斷提高，國內(nèi)外許多企業(yè)和科研人員開始研制應(yīng)用于煤礦井下巷道成型的設(shè)備[4]，如三一重工等企業(yè)研發(fā)的多種類型的掘錨一體機(jī)，是通過對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)煤礦井下巷道掘進(jìn)和支護(hù)的機(jī)械化，縮短支護(hù)時間從而提高煤礦巷道成型的速度[5]。陜西陜煤韓城礦業(yè)對煤礦移動式臨時支護(hù)設(shè)備進(jìn)行改造，在其上加裝支護(hù)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)煤礦井下巷道永久支護(hù)機(jī)械化，提高永久支護(hù)效率提高煤礦巷道成型速度[6]。以上兩種支護(hù)方式都能縮短煤礦巷道成型的速度，但是都存在一定的問題，在巷道支護(hù)布網(wǎng)時，還需通過人工將支護(hù)片網(wǎng)搬運(yùn)至頂網(wǎng)設(shè)備上同時工人是在空頂下進(jìn)行作業(yè)，還存在工人的勞動強(qiáng)度大且人身安全不能有所保障等問題。

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展且為有效解決上述問題，提出了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)器人身上集成了永久支護(hù)的布網(wǎng)單元和鉆錨單元，通過單元間的相互配合完成巷道支護(hù)作業(yè)，鉆錨機(jī)器人簡易圖如圖1所示。與掘錨一體機(jī)、可移動式臨時支護(hù)設(shè)備相比，該機(jī)器人的最大的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了布網(wǎng)、鉆錨的機(jī)器人化，減少支護(hù)時間從而提高煤礦巷道成型速度；同時降低工人勞動強(qiáng)度，保障了作業(yè)人員生命財(cái)產(chǎn)的安全。本文著重介紹了該機(jī)器人布網(wǎng)單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)鍵部件的承載受力分析，并對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。

圖1 鉆錨機(jī)器人示意圖

1 鉆錨機(jī)器人布網(wǎng)單元的設(shè)計(jì)要求

為滿足煤礦井下巷道永久支護(hù)布網(wǎng)的需求，對鉆錨機(jī)器人的布網(wǎng)單元提出以下設(shè)計(jì)要求：①環(huán)境特點(diǎn)，該機(jī)器人應(yīng)用于煤礦井下中，環(huán)境較為復(fù)雜、空間有限且較為封閉，還存有易燃易爆的氣體[7]，則布網(wǎng)單元需防爆、結(jié)構(gòu)緊湊；②抓取目標(biāo)，將機(jī)器人前方網(wǎng)庫中的支護(hù)片網(wǎng)實(shí)現(xiàn)單張抓取，且應(yīng)根據(jù)煤礦巷道常規(guī)使用的支護(hù)片網(wǎng)材料屬性要控制抓取力度防止破壞支護(hù)片網(wǎng)；③目標(biāo)任務(wù)，在煤礦巷道有限的空間內(nèi)，將抓取的支護(hù)片網(wǎng)穩(wěn)定可靠的頂放到煤礦井下巷道煤壁上，完成布網(wǎng)單元作業(yè)。

2 鉆錨機(jī)器人布網(wǎng)單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

布網(wǎng)單元和網(wǎng)庫都集成在鉆錨機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)上，網(wǎng)庫位于機(jī)器人的最前方，布網(wǎng)單元則次之，這樣既確立了布網(wǎng)單元工作平臺也確定了抓取的位置，便于控制布網(wǎng)單元抓取以及完成作業(yè)。鉆錨機(jī)器人布網(wǎng)單元采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要是由機(jī)械手和機(jī)械手臂組成。機(jī)械手是對網(wǎng)庫的支護(hù)片網(wǎng)進(jìn)行單張抓取，機(jī)械手臂是將抓取的支護(hù)片網(wǎng)頂放到煤礦井下巷道煤壁上，驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要是由液壓缸和防爆電機(jī)組成。工作原理是通過布網(wǎng)單元的機(jī)械手將網(wǎng)庫中的支護(hù)片網(wǎng)抓取，應(yīng)用布網(wǎng)單元的機(jī)械手臂將支護(hù)片網(wǎng)頂放到巷道需支護(hù)的煤壁上。

2.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支護(hù)片網(wǎng)抓取的關(guān)鍵部件是機(jī)械手其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與支護(hù)片網(wǎng)規(guī)格相關(guān)。煤礦井下巷道支護(hù)片網(wǎng)的規(guī)格：鋼筋直徑為5mm、10mm，長×寬1500mm×2900mm、1000mm×2000mm，網(wǎng)格大小為100mm×100mm，以此種類型的支護(hù)片網(wǎng)進(jìn)行機(jī)械手設(shè)計(jì)。鉆錨機(jī)器人布網(wǎng)單元的機(jī)械手由伸縮導(dǎo)軌、機(jī)械手指、機(jī)械指架、限位件、雙桿液壓缸組成。伸縮導(dǎo)軌作為機(jī)械手的主要承載工具，安裝有機(jī)械指架，機(jī)械指架通過圓柱銷將機(jī)械手指和機(jī)械手指上的限位件連接在一起，如圖2所示，伸縮導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)主要是針對兩種不同規(guī)格的支護(hù)片網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)機(jī)械手抓取支護(hù)片網(wǎng)的位置，以達(dá)到抓取的穩(wěn)定性；機(jī)械手指上的限位件的設(shè)計(jì)主要考慮每次只抓取單張支護(hù)片網(wǎng)，機(jī)械手指的運(yùn)動軌跡如圖3所示。

圖2 機(jī)械手

圖3 機(jī)械手指抓取軌跡

2.2 機(jī)械手臂選取

在煤礦巷道永久支護(hù)布網(wǎng)中，對于鉆錨機(jī)器人上網(wǎng)庫中的支護(hù)片網(wǎng)到達(dá)支護(hù)的位置，上頂需要3個自由度，側(cè)頂需要4個自由度；在進(jìn)行巷道頂部進(jìn)行布網(wǎng)時，需要布網(wǎng)單元實(shí)現(xiàn)對支護(hù)片網(wǎng)的抓取、升降、俯仰、回轉(zhuǎn)和移動5個動作，側(cè)幫進(jìn)行布網(wǎng)時，需要抓取、升降、俯仰、回轉(zhuǎn)、回和移動6個動作，為了滿足上述的要求，則機(jī)械手臂需要6個自由度去完成作業(yè)，為完成煤礦巷道永久支護(hù)布網(wǎng)，基于一般煤礦巷道的尺寸(寬×高：5000mm×3000mm)進(jìn)行選擇機(jī)械手臂的類型。

據(jù)現(xiàn)階段機(jī)械手臂的發(fā)展?fàn)顩r，鉆錨機(jī)器人布網(wǎng)單元機(jī)械手臂可以選擇滿足布網(wǎng)單元需求的現(xiàn)有機(jī)械手臂，機(jī)械手臂按坐標(biāo)系可以分為：直角坐標(biāo)系、圓柱坐標(biāo)系、極坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型[8]。連桿機(jī)構(gòu)為面接觸所受到的壓強(qiáng)小、能承受較大的載荷、抗沖擊能力強(qiáng)、適應(yīng)能力強(qiáng)，也可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)動軌跡，且選用液壓驅(qū)動關(guān)節(jié)型三連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械手臂[9]，如圖4所示。

圖4 機(jī)械手臂

2.3 布網(wǎng)單元實(shí)現(xiàn)的方法

布網(wǎng)單元的SolidWorks三維裝配圖如圖5所示，首先確定煤礦井下巷道支護(hù)片網(wǎng)的規(guī)格，調(diào)整機(jī)械手的伸縮導(dǎo)軌使抓取能達(dá)到一定的穩(wěn)定性，其次通過機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)到達(dá)煤礦井下巷道需永久支護(hù)的位置，調(diào)整布網(wǎng)單元機(jī)械手臂，使布網(wǎng)單元機(jī)械手到達(dá)鉆錨機(jī)器人網(wǎng)庫上方，再調(diào)整機(jī)械手臂的各個液壓缸使機(jī)械手下降，當(dāng)機(jī)械手指上的限位件與網(wǎng)格邊界相接觸，產(chǎn)生一定的擠壓力后停止機(jī)械手下降，機(jī)械手指上的雙桿液壓缸伸長驅(qū)動機(jī)械手指進(jìn)行抓取動作，當(dāng)網(wǎng)格邊界與限位件和機(jī)械手指產(chǎn)生一定擠壓力時，停止液壓缸的伸長；再通過調(diào)整機(jī)械手臂攜帶機(jī)械手和支護(hù)片網(wǎng)頂放到煤礦井下巷道煤壁上，完成布網(wǎng)作業(yè)。

圖5 布網(wǎng)單元

3 布網(wǎng)單元機(jī)械手關(guān)鍵部件受力分析并進(jìn)行有限元分析

3.1 機(jī)械手指受力分析

F4y+F4y’=G

(3)

圖6 機(jī)械手指的受力情況

設(shè)計(jì)機(jī)械手指的材料選用45鋼，此材料有良好的剛度和韌性，能滿足機(jī)械手指長時間工作的要求，取安全系數(shù)ns=3，機(jī)械手指的許用極限值：

3.2 導(dǎo)軌受力分析

機(jī)械手導(dǎo)軌是布網(wǎng)單元主要承載機(jī)構(gòu)也是布網(wǎng)單元的關(guān)鍵部件，要對其強(qiáng)度以及受力變形進(jìn)行分析，首先根據(jù)導(dǎo)軌的受力情況進(jìn)行受力分析，如圖7所示。導(dǎo)軌主要受兩端機(jī)械手指、機(jī)械指架、支護(hù)片網(wǎng)的重力。為了滿足機(jī)械手長時間穩(wěn)定工作的需求，設(shè)計(jì)伸縮導(dǎo)軌的材料也選用45鋼。

F=g1+g2+G

(5)

圖7 導(dǎo)軌受力情況

3.3 支護(hù)片網(wǎng)的受力分析

永久支護(hù)是將支護(hù)片網(wǎng)無損壞的頂放在煤礦井下巷道煤壁上，為了滿足煤礦井下支護(hù)的要求，要確定機(jī)械手抓取支護(hù)片網(wǎng)使的受力大小，如圖8所示，根據(jù)查閱的相關(guān)資料可知，支護(hù)片網(wǎng)的材料一般為CRB550級冷軋帶肋鋼筋或GB1499規(guī)定牌號的熱軋帶肋鋼筋，取安全系數(shù)ns=2，支護(hù)片網(wǎng)的許用極限值：

圖8 支護(hù)片網(wǎng)受力分析

3.4 有限元分析結(jié)果

為了保證鉆錨機(jī)器人布網(wǎng)單元的順利進(jìn)行，對布網(wǎng)單元部件以及支護(hù)片網(wǎng)進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，主要是基于ANSYS對其進(jìn)行有限元分析計(jì)算[11]。將部件的SolidWorks三維模型導(dǎo)出成ANSYS可以識別的文件，Workbench集成與ANSYS軟件中，可以進(jìn)行對象的靜力學(xué)分析，得出分析對象的形變量和應(yīng)力值。將模型導(dǎo)入到Workbench中以后，在Engineering Data中添加前面所確定的材料屬性，同時在Mechanical中設(shè)定分析對象合適的網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格類型，根據(jù)機(jī)械手和支護(hù)片網(wǎng)的實(shí)際受力情況進(jìn)行添加載荷以及約束，在result中添加所需的分析結(jié)果并開始進(jìn)行分析計(jì)算。

完成上述前期處理后，即可進(jìn)行對象的有限元分析計(jì)算，得出對象的計(jì)算結(jié)果(形變以及應(yīng)力特性)，如圖9所示。通過形變圖(見圖9(a)(c)(e))可以看出，支護(hù)片網(wǎng)、機(jī)械手指、伸縮導(dǎo)軌的位移量，但是都在允許的范圍內(nèi)，滿足布網(wǎng)單元強(qiáng)度要求；通過應(yīng)力圖(見圖9(b)(d)(f))可以看出，支護(hù)片網(wǎng)的最大應(yīng)力值約為28MPa，機(jī)械手指和伸縮導(dǎo)軌的最大應(yīng)力值為67MPa、68MPa，三者的應(yīng)力值都在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，符合材料屬性的強(qiáng)度要求。

圖9 分析結(jié)果

4 基于ADAMS鉆錨機(jī)器人布網(wǎng)單元的運(yùn)動學(xué)仿真

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性以及提高實(shí)驗(yàn)的效率，利用ADAMS建立布網(wǎng)單元虛擬機(jī)并對機(jī)器人布網(wǎng)單元的抓網(wǎng)、上頂和側(cè)頂進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真。

4.1 鉆錨機(jī)器人布網(wǎng)單元虛擬機(jī)建立

鉆錨機(jī)器人布網(wǎng)單元的運(yùn)動仿真以布網(wǎng)單元機(jī)械手、機(jī)械手臂以及支護(hù)片網(wǎng)的坐標(biāo)系為基礎(chǔ)[12]。將SolidWorks模型導(dǎo)出成parasolid格式，在ADAMS中導(dǎo)入parasolid格式的模型并進(jìn)行保存，在ADAMS中對模型再進(jìn)行簡化處理，減少一些不必要的機(jī)構(gòu)和連接，簡化的布網(wǎng)單元虛擬機(jī)如圖10所示，從而減少前期處理的時間以及仿真時的計(jì)算量[13]。之后要對簡化后的模型進(jìn)行添加運(yùn)動副和運(yùn)動副的驅(qū)動，由于機(jī)械手臂關(guān)節(jié)運(yùn)動以及機(jī)械手關(guān)節(jié)運(yùn)動是有順序可言，因此運(yùn)動副驅(qū)動函數(shù)選用的是step(x，x0，h0，x1，h1)進(jìn)行設(shè)定運(yùn)動副按順序運(yùn)動。

圖10 簡化后的布網(wǎng)單元模型

4.2 運(yùn)動仿真分析

按照機(jī)器人布網(wǎng)單元實(shí)際工作的運(yùn)動情況進(jìn)行仿真運(yùn)動，仿真結(jié)果如圖11、12所示。

圖11 鉆錨機(jī)器人布網(wǎng)單元上頂曲線圖

圖12 鉆錨機(jī)器人布網(wǎng)單元側(cè)頂曲線圖

通過對布網(wǎng)單元的上頂和側(cè)頂進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真得到的軌跡圖可以看出，隨著時間的推移，支護(hù)片網(wǎng)的位移-時間圖與布網(wǎng)單元上頂、側(cè)頂時機(jī)械手的位移-時間圖在2s后曲線軌跡幾乎一致，支護(hù)片網(wǎng)的軌跡圖也沒有出現(xiàn)明顯的波動，支護(hù)片網(wǎng)的位移時間圖的最高位移小于3500mm和5400mm，根據(jù)以上可以得出：①機(jī)械手可以單張抓取支護(hù)片網(wǎng)并隨動；②在進(jìn)行作業(yè)時機(jī)械手能穩(wěn)定可靠的運(yùn)輸支護(hù)片網(wǎng)；③選取的機(jī)械手臂將支護(hù)片網(wǎng)能夠在巷道中將支護(hù)片網(wǎng)頂放到支護(hù)位置。

5 結(jié) 語

對鉆錨機(jī)器人布網(wǎng)單元的關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)以及選取，詳細(xì)的說明了布網(wǎng)單元一些部件的作用以及布網(wǎng)單元實(shí)現(xiàn)永久支護(hù)布網(wǎng)作業(yè)的實(shí)現(xiàn)方法；對布網(wǎng)單元關(guān)鍵部件機(jī)械手進(jìn)行受力分析并進(jìn)行有限元分析計(jì)算，對機(jī)械手的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行校核，校核結(jié)果都在許用范圍內(nèi)，滿足布網(wǎng)單元布網(wǎng)要求；在ADAMS中建立鉆錨機(jī)器人布網(wǎng)單元簡化模型，并進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真分析，結(jié)果表明鉆錨機(jī)器人布網(wǎng)單元能單張抓取支護(hù)片網(wǎng)且能隨著布網(wǎng)單元穩(wěn)定的將支護(hù)片網(wǎng)頂放到煤礦井下巷道煤壁上，驗(yàn)證了鉆錨機(jī)器人布網(wǎng)單元結(jié)構(gòu)的合理性。