襯板機械手臂梁驅動機構的設計與控制

胡同海，王新昌，王 晶，王富勇，符惜煒，魏紅霞，王正國

1洛陽中重自動化工程有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

磨機是現(xiàn)代礦山企業(yè)生產和加工各類礦石中的主流裝備[1]。在實際運行過程中，磨機襯板易磨損，成為磨機更換量最大的零部件之一[2]，進而襯板更換效率成為影響磨機運轉率的重要因素之一?；谔岣咦詣踊鳂I(yè)效率、減輕工人工作的強度、降低工作過程中事故發(fā)生率等方面的因素[3]，近年來，越來越多的選礦企業(yè)開始采用機械手進行更換襯板。

1 襯板機械手

由于磨機襯板均安裝于筒體內部，所以襯板機械手需要探入磨機筒體內部進行作業(yè)。襯板機械手結構如圖 1 所示。支承臂梁是襯板機械手的重要連接部件[4]，主要作用為：①承載磨機換襯板機械手[5]；② 為襯板輸送車提供移動軌道；③將作業(yè)機械臂送入磨機內部開展襯板更換作業(yè)；④ 改變作業(yè)機械臂的姿態(tài)。因此，需要臂梁沿磨機軸線方向能夠進行移動，從機械臂作業(yè)方面考慮，該運動也可以看作是作業(yè)機械臂的一個基礎自由度之一。對一般的機械機構來說，要實現(xiàn)臂梁直線運動的驅動，有多種方式可以選擇。筆者論述的是一種使用短行程液壓缸通過閉環(huán)控制、斷續(xù)驅動從而實現(xiàn)臂梁自動長距離移動。

圖1 襯板機械手結構Fig.1 Structure of liner manipulator

2 臂梁驅動

由于機械手處在懸臂梁工作狀態(tài)下，所以支承臂梁一般有前后 2 個支承滑座 (或滾動座)，支承臂梁受2 個支座的約束，在驅動裝置驅動下直線移動。支承臂梁的懸臂負載較大 (5～15 t)，且伸入磨機內位移較長 (4～6 m)。常見的驅動方式主要有：①液壓馬達 +鏈輪+鏈條驅動；② 齒輪齒條傳動機構驅動；③短程液壓缸+人工手動插銷驅動。

2.1 液壓馬達+鏈輪+鏈條驅動

鏈條驅動原理如圖 2 所示，一般是將鏈條張緊后固定于臂梁下部，由鏈輪驅動鏈條帶動臂梁運動。該驅動的優(yōu)點是型式簡單，容易實現(xiàn)。鏈條是通用部件，制造成本低，且驅動馬達位置選擇和安裝都較方便。其缺點是：由于鏈條在固定于臂梁上時難以完全張緊，驅動時在鏈輪徑向力作用下會產生柔性避讓，故傳動平穩(wěn)性差；由于避讓和難以實現(xiàn)良好潤滑，可能會產生噪聲；由于鏈條和鏈輪精度受限，位置準確度誤差較大。故鏈條驅動只適用于沒有位置精度要求且運動阻力較小 (比如前后支座采用滾輪支承)的場合。

圖2 鏈條驅動原理Fig.2 Principle of chain drive

2.2 齒輪齒條傳動

齒條驅動原理如圖 3 所示。由于齒條驅動無柔性避讓，傳動平穩(wěn)性較鏈條好，其噪聲較小。缺點是：位于臂梁下部，開式傳動，潤滑困難[6]，長期使用齒面磨損較大；由于裝配誤差和臂梁位移等因素影響，齒輪嚙合間隙較大，有較大的回程間隙。

圖3 齒條驅動原理Fig.3 Principle of rack drive

2.3 短程液壓缸+人工手動插銷驅動

短程液壓缸驅動原理如圖 4 所示。該方式的優(yōu)點是：采用液壓缸直接驅動，結構簡單，運行平穩(wěn)，工作可靠[7]，傳動效率高，傳動件質量小，傳動成本低。缺點是：采用手動插銷斷續(xù)驅動方式，對液壓缸的行程位置準確度操作要求高，易反復插孔，效率低，可能存在安全隱患。為了便于人工完成插銷動作，需要加大銷孔尺寸，這便會產生行程間隙，導致臂梁的實際到達位置不精確。

圖4 短程液壓缸驅動原理Fig.4 Principle of short-stroke hydraulic cylinder drive

采用液壓缸傳動時，一般要采用與運動同行程的液壓缸，在大負載和長行程時就需要考慮液壓缸活塞桿的的穩(wěn)定性，且安裝空間也會受到限制?；跅U穩(wěn)定因素，往往要采用較大規(guī)格的液壓缸在較低液壓力下工作，這樣就不能充分發(fā)揮液壓缸的輸出能力，且不經(jīng)濟。對襯板機械手而言，在大多情況下，采用等行程液壓缸往往不具有可行的空間條件。如果采用單絲桿傳動，同樣存在桿穩(wěn)定和經(jīng)濟性問題，且其傳動效率不高 (滾珠絲杠效率較高，但經(jīng)濟性較差)。所以在實踐中幾乎無應用實例。

綜合上述，液壓馬達+鏈輪+鏈條驅動傳動平穩(wěn)性差，位置準確度誤差較大；齒輪齒條傳動機構驅動的開式傳動致使齒面磨損較大，齒輪嚙合間隙較大，位置準確度不高；短程液壓缸+人工手動插銷驅動的人工插銷效率低，可能存在安全隱患。為了精確控制臂梁行程，并消除人工操作的安全隱患，筆者設計了 1 套“短程液壓缸+插銷裝置+行程閉環(huán)控制”的自動插銷機構，結合電液控制系統(tǒng)，實現(xiàn)臂梁的前進和后退自動運行，并能準確地控制支承臂梁到達指定位置，為實現(xiàn)作業(yè)機械臂整機的自動作業(yè)奠定了基礎。

3 自動插銷驅動

3.1 機構組成

自動插銷驅動原理如圖 5 所示，驅動液壓缸與車架體通過支座鉸連接，插拔銷機構與液壓缸活塞桿鉸連接，并跟隨驅動液壓缸活塞桿移動。插拔銷液壓缸與插拔銷機構裝配成一體，插拔銷機構如圖 6 所示。

圖5 自動插銷驅動原理Fig.5 Principle of automatic pin drive

圖6 插拔銷機構Fig.6 Plug pin device

插拔銷機構原理如圖 7 所示。插拔銷機構采用雙擺桿，通過連桿將液壓力施加于插銷上，實現(xiàn)對插銷的插拔動作。插拔銷機構的 4 個滾輪支承于臂梁下部的軌道上，并在主液壓缸活塞桿的推拉力作用下移動。

圖7 插拔銷機構原理Fig.7 Principle of plug pin device

驅動液壓缸內置位移傳感器，為臂梁移動提供驅動力；插拔銷液壓缸內置傳感器或外置行程開關，為插拔銷機構實現(xiàn)插拔銷動作提供驅動力；制動器用于在拔銷后再次插銷前臂梁的失控檔期提供制動力，防止臂梁因傾斜、振動或其他意外因素發(fā)生位置滑移。

3.2 可行性分析

自動插銷機構的基本工作模式是：插銷插入臂梁銷孔后，驅動液壓缸帶動臂梁移動；插銷拔離臂梁銷孔后，驅動液壓缸帶動插拔銷機構移動至下一個銷孔位，再次將插銷插入臂梁銷孔，如此實現(xiàn)臂梁的移動。

根據(jù)自動插銷驅動原理，結合液壓閥的動作分析機構的工作情況。設計要求：停止 (即初始) 狀態(tài)時，驅動液壓缸與臂梁之間必須使插銷處于插入結合狀態(tài)。自動插銷工作邏輯流程如表 1 所列。

表1 自動插銷工作邏輯流程Tab.1 Process flow of working logic of automatic plug pin

由表 1 可知，該機構通過傳感器的判斷和液壓閥的邏輯控制，可以實現(xiàn)過程循環(huán)，從而滿足臂梁實現(xiàn)朝指定方向運動的功能需求。

3.3 電氣控制設計

臂梁進退控制如表 2 所列?？刂撇糠诌x用西門子S7-200 SMART，該型號 PLC 結構緊湊，安裝方便，比較適合小型集成化設備。

表2 臂梁進退控制Tab.2 Control of beam advancing and withdrawing

手動模式下，根據(jù)現(xiàn)場工況需要，通過遙控器手動給定來控制運行速度和插銷電磁閥的動作。手動模式下必須根據(jù)實際的位移傳感器反饋數(shù)值操作插銷。

自動模式下，插銷自動循環(huán)部分使用順序控制的 SCR、SCRT、SCRE 指令。插銷自動控制流程如圖 8 所示。允許自動運行的條件主要包括：選擇自動模式、位移傳感器在自動允許范圍內、插銷接近開關動作等。該控制流程可以滿足表 1 中插銷裝置的起始狀態(tài)，并在運行過程中根據(jù)位置反饋自動進行速度控制，在起步和到位時速度較低，中間部分速度較高，可以減少起步和停止時的慣性沖擊，保證臂梁的穩(wěn)定性。

圖8 插銷自動控制流程Fig.8 Process flow of automatic control of plug pin

4 工程設計中的注意要點

根據(jù)自動插銷原理設計了臂梁推進機構，經(jīng)樣機的工作實踐驗證，該原理能夠保證臂梁的連續(xù)推進，位置精度控制較高。由于采用位置閉環(huán)控制，運動狀態(tài)穩(wěn)定。誤差是所有機械機構和控制系統(tǒng)不可避免而又不可回避的問題，有時其關鍵誤差對機構設計的成敗具有決定意義。

機構的誤差主要表現(xiàn)在機械誤差和控制誤差。由于驅動臂梁移動的過程是通過插拔銷和液壓缸往復運動而實現(xiàn)的，所以該機構可行的關鍵是插拔銷功能的實現(xiàn)，依此確定其機械誤差主要有：①臂梁孔距誤差；② 插銷與銷孔的配合誤差；③插銷與銷孔的高度位置誤差；④ 插銷與銷孔的同軸度誤差。控制誤差主要取決于驅動液壓缸位移傳感器的精度。

為減少上述可能影響機構的誤差問題，在工程設計中采取了以下幾方面的措施：①保證臂梁插銷孔距尺寸的一致性，每 2 個相鄰插銷孔距尺寸誤差小于0.05 mm；② 插銷與銷孔的配合采用 H7/f7；③臂梁制造時，保證銷孔距軌道滾輪面的高度誤差小于0.05 mm，減小高度誤差對插銷功能的影響；④插拔銷機構的滾輪設置有輪緣，以減小插拔銷機構的運動方向誤差，即降低插銷與銷孔的同軸度誤差；⑤插銷的插入端倒角，以利于插銷插入銷孔；⑥ 驅動液壓缸與機體之間、驅動液壓缸活塞桿與插拔銷機構之間均采取球鉸連接，以減小裝配誤差對插拔銷機構的影響。

5 結語

綜合分析目前常見臂梁驅動的不足，設計了一套“短程液壓缸+插銷裝置+行程閉環(huán)控制”的自動插銷機構，通過電液比例控制實現(xiàn)了對臂梁的長行程直線運動，并能準確地控制支承臂梁到達指定位置。該機構提高了機械臂作業(yè)效率，降低了勞動強度，為實現(xiàn)機械臂整機的自動作業(yè)奠定了基礎，避免了采用長行程液壓缸出現(xiàn)穩(wěn)定性和空間受限等問題，同時在一定程度上降低了成本，消除了人工操作的安全隱患。