衬板机械手的基本型式及自由度分析.pdf

第 48 卷 2020 年第 6 期 编辑 翟晓华 破磨 44 衬板机械手的基本型式及 自由度分析 胡同海1，杨柳松2,3，魏红霞1，王富勇4，王 晶1，王正国1 1洛阳中重自动化工程有限责任公司 河南洛阳 471039 2洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039 3矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039 4中信重工机械股份有限公司 河南洛阳 471039 摘要衬板机械手型式对衬板安装功能的实现非常重要，为了更好地确定机械手基本型式及自由度， 根据矿用磨机结构、衬板形式和实际作业过程确定了磨机衬板机械手的作业范围和作业位置，对机械 臂的自由度具体需求进行了分析和研究，在此基础上得出了机械臂自由度和构型的选择思路，并对实 际产品设计中的多自由度协作与布置进行了探讨，为相关机械手设计提供参考。 关键词磨机；衬板机械手；机械臂；自由度 中图分类号TD453 文献标志码B 文章编号1001-3954202006-0044-05 Analysis on basic structural type and degree of freedom of liner manipulator HU Tonghai1, YANG Liusong2,3, WEI Hongxia1, WANG Fuyong4, WANG Jing1, WANG Zhengguo1 1Luoyang CITICHIC Automation Engineering Co., Ltd., Luoyang 471039, Henan, China 2Luoyang Mining Machinery Engineering Design Institute Co., Ltd., Luoyang 471039, Henan, China 3State Key Laboratory of Mining Heavy Equipment, Luoyang 471039, Henan, China 4CITIC Heavy Industries Co., Ltd., Luoyang 471039, Henan, China AbstractThe type of the liner manipulator is very important for the realization of liner installation. In order to better determine the basic structural type and the degree of freedom of the manipulator, according to the mill structure, liner type and actual operation process, the operation scope and location of the mill liner manipulator were determined, and then the specific requirements of the degree of freedom of the manipulator were analyzed. Based on which, the ideas of selecting the degree of freedom and the structural type of the manipulator were obtained, and the cooperation and arrangement of multiple degree of freedom were discussed. The analysis offered reference for the design of the manipulator. Key Wordsmill; liner manipulator; manipulator arm; degree of freedom 磨 机是选矿行业的主流装备，为提高经济效 益，越来越多的企业开始使用大型磨机，且更 加关注系统在全生产周期的综合效能，尽可能缩短维 护时间，磨机内部衬板的更换则是影响其运转率的重 要因素之一[1]。基于提高效率、保障安全、降低工人 劳动强度、减少用人等方面的因素，近年来越来越多 的选矿企业开始采用机械手进行衬板换装[2-3]，实践 证明效果良好，因此衬板机械手正在日益成为磨机领 域不可或缺的工具装备。 机械手作为一种多关节机构的机械装备，其型式 基金项目国家重点研发计划项目“液压重载机械臂关键技术研 究与应用验证” 2017YFB1302100 之课题一“刚柔耦合液压重载 机械臂设计与建模研究”2017YFB1302101；课题五“多关节液 压重载机械臂集成、应用验证与产业化”2017YFB1302105 作者简介胡同海，男，1965 年生，高级工程师，主要从事液 压重型衬板机械手的研制设计工作。 万方数据 第 48 卷 2020 年第 6 期 破 磨 编辑 翟晓华 45 和自由度数是设计者首要考虑的基本问题。通常，在 三维空间内，具有 6 个自由度的机械臂可以满足各个 位置位姿功能的需要，但是较多的自由度在使机械手 变灵活的同时，也会引起机械臂的整体刚性及精度可 控性下降，导致结构复杂，成本增加。因此，正确分 析作业现场工况、工艺需求及相关条件，使机械手的 自由度数与任务相适应[4]，综合考量机械手的技术经 济性，具有现实意义。 众所周知，产品设计离不开实际应用的需求，故 笔者从磨机应用现场的环境条件着手分析，以确定机 械手的主要任务和型式，进而再通过对机械手的作业 过程进行分析，以确定其关节自由度需求。 1 环境条件 1.1 矿用磨机 笔者研究的磨机是一种筒式矿用磨机，属非标产 品，每台磨机现场环境均有差异，但其安装条件却基 本类似，如图 1 所示。磨机两端有 2 个轴承支承，磨 机可绕轴承中心回转。在磨机周边一定的高度铺设有 2 层平台，与磨机相关的维保工作一般在此平台上。 磨机是通过自身的连续回转使磨内矿物与钢球混合并 抛落以达到破碎粉磨矿石的目的，因此在磨机壳体的 内壁均拼装铺设一层耐磨衬板。由于磨机的磨矿作 业，衬板会出现破裂、磨损等现象，故需要定期或不 定期更换，当磨机停机维护时，磨内会留存一定量的 物料和钢球。 1.2 衬板 目前我国矿用磨机衬板的质量从数百到数千公斤 不等，属损耗件，磨损到一定程度时必须进行更换。 衬板种类如图 2 所示，主要有筒体衬板、端部衬板， 还有一种在磨机角落处安装的角衬板。其中角衬板是 筒体衬板和端衬板之间的过渡件，因数量较少，更换 相对不频繁，不作为机械手主要更换对象。磨机内壁 衬板层由多块拼装而成，安装时，一方面要与磨机筒 壁贴合，并对正衬板的安装螺栓孔；另一方面还要与 周边的衬板保留一定的间隙，以安装密封条，并且不 发生干涉。 2 机械手的任务和型式 磨机内部属于顶部封闭的有限空间，一般的起 重设备难以发挥作用，且衬板质量较重，超出了人自 c 角衬板 图 2 衬板种类 Fig. 2 Types of liner 1. 端衬板 2. 角衬板 3. 筒体衬板 4. 轴承 图 1 磨机及内部结构示意 Fig. 1 Structural sketch of mill and interior 万方数据 第 48 卷 2020 年第 6 期 编辑 翟晓华 破磨 46 然力范围，因此，衬板安装作业需要借助机械装备。 通常情况下，为实现衬板更换和安装，该机械装备至 少应具备两大基本功能一是可完成新/旧衬板在磨 机内外之间的运输；二是实现磨机内腔衬板的起重搬 移。在此基础之上，增加衬板位姿调节功能以达到安 装要求，这就是较完整的多自由度机械手的功能和任 务。基于此，可以采用的衬板机械手总体基本型式如 图 3 所示，主要由机体、支撑臂和作业臂构成。 机体是作业臂的总基础，因处于悬臂作业状态且 存在多向倾翻力矩，故前后均需锚固；支撑臂承担机 械手在磨机内外方面的联系，它一方面将作业臂送达 作业位置，另一方面也是作业臂的直接承载基础，同 时还是衬板内外输送车的轨道；作业臂承担机械手在 磨内的衬板吊重、搬移和调姿等作业功能，而其功能 实现主要取决于它的自由度数量。该机械手的基本作 业流程包括新衬板送入磨内→作业臂抓取衬板→移 动至目标位置，重复该过程。 3 机械臂的自由度 作业臂是机械手实现功能的核心组成部分，也就 是通常所说的机械臂，在分析其自由度之前先要确定 机械臂的作业位置和作业范围。 3.1 机械臂换装衬板的可作业范围 尽管磨机内壁铺满衬板，但由于磨机内腔中下 部有物料和钢球积存，导致磨机停止时该处衬板无法 拆装更换；同时由于衬板固定螺栓需要人工传送和固 定，使位于磨机中上部较高位置处的衬板换装难以实 施。针对这种情况，通常做法是通过磨机的间断回转 停机，使需要换装的衬板到达设定的作业区间。由于 磨机规格不同，衬板换装的作业区间略有不同，但 均位于磨机中心水平面偏下的一定范围内，以便于 人工协作。如图 4 所示，在磨内物料形成的平面以上 30 40区间具备衬板安装和更换条件。 3.2 机械臂在磨机内的轴向作业位置 机械臂在磨内作业时，选择 1 或 2 个作业位置， 一方面可使机械臂处于某一相对稳定的状态，另一方 面可提高作业效率。通常可按以下两种情况选择机械 臂的作业位置对于自磨或半自磨类长径比较小的磨 机，机械臂应能够在磨内轴向的 1 个位置完成作业区 间所有衬板的换装作业，如图 5 所示；对于球磨或棒 磨类长径比较大的磨机，机械臂可在磨内轴向的 2 个 位置开展衬板换装作业，如图 6 所示。 在确定机械臂的作业位置和作业范围后就可根 据作业工况确定机械臂的自由度。由于机械臂处于有 限空间内，一方面要考虑到它的功能性，另一方面还 要考虑机械臂在有限空间内的自由运动通过性，使之 不与磨机内壁发生干涉和碰撞，并到达需要的任何位 置。 3.3 三自由度机械臂 确定机械臂的自由度时，首先要确定到达衬板所 需的基本自由度。机械臂所需基本自由度示意如图 7 所示，可知 1 因衬板分布于磨机水平面一周的位置，且只 能通过磨机的进/出料口进出衬板，因此机械臂应具 备 360 水平面内回转的能力； 2 衬板的位置距离机械臂回转中心 作业位置 1. 支撑臂 2. 输送车 3. 作业臂 4. 机体 图 3 衬板机械手总体基本型式 Fig. 3 General basic structural type of liner manipulator 图 5 半自磨机作业臂及作业位置 Fig. 5 Manipulator arm of SAG/AG mill and its operation location 图 6 磨机作业臂及作业位置 Fig. 6 Manipulator arm and operation location of mill 图 4 磨机内作业区间示意 Fig. 4 Sketch of operation section inside mill 万方数据 第 48 卷 2020 年第 6 期 破 磨 编辑 翟晓华 47 的距离是不同的，同时磨机的直径和长度也是不同 的，因此要使机械臂在磨机一定空间内自由运动并可 达到任意衬板位置，机械臂的回转半径应该具备可变 化功能，通常实现变径的方法是采用伸缩臂机构或折 臂机构； 3 机械臂还应具备对工件 衬板 的起升和下放 能力。 因此，具备上述 3 个自由度机械臂就能够将工件 送达至目标位置附近，但是无法对工件的姿态进行调 整，因此，三轴机械手一般不配备抓具，而是配备钢 绳或钢链等柔性索具吊挂衬板实现拆装任务，而且三 自由度机械臂需要工人辅助进行衬板姿态调节，主要 适用于质量较小 1 000 kg 以下 的工件安装，且其作 业范围要考虑到人员基本条件和能力，一般位于磨机 中心水平面靠下的位置。对于小型磨机来说，因其磨 口可通过尺寸小，在实际作业时采用三自由度仍有必 要。 3.4 六自由度机械臂 对于质量高达数吨的大型衬板，由于质量、劳 动强度及安全性等因素，通过三自由度机械臂和人员 辅助调姿就相当困难，此时增加其他自由度就显得尤 为必要。机械臂在抓具稳定夹持工件条件下，通过机 械臂调姿各关节的组合运动，可使工件的姿态达到安 装要求。下面就根据磨机衬板安装过程的几个典型工 况，分析确定机械臂调姿关节的自由度需求。 3.4.1 衬板抓取 磨机衬板一般装有 2 个同轴吊耳，所以抓具可设 计成双销对插方式，通过机械臂的关节运动将抓具插 销快速顺利插入衬板吊耳孔中实现抓取。参照衬板抓 取所需自由度，分析抓具和衬板之间的空间位置关系 可知，衬板抓取需要进退、横移、升降、滚摆和平摆 5 个自由度，如图 8 所示。 3.4.2 衬板的安装姿态调整 磨机筒体衬板和端衬板在外形上虽略有差异，端 衬板一般呈扇形，筒体衬板近似于平行四边形，但其 安装要求基本一致，即衬板背部弧面与磨机筒壁贴 合，并对正螺栓安装孔，同时还要注意衬板外边缘与 相邻衬板的间距控制。参照图 9，分析磨机筒壁和衬 图 8 衬板抓取自由度示意 Fig. 8 Sketch of degree of freedom required for grasping liner 图 7 机械臂基本自由度示意 Fig. 7 Sketch of basic degree of freedom required by mechanical arm 1. 端衬板 2. 筒体衬板 3. 磨机筒壁 4, 5. 衬板 图 9 机械臂调姿自由度示意 Fig. 9 Sketch of degree of freedom required for controlling manipulator posture 万方数据 第 48 卷 2020 年第 6 期 编辑 翟晓华 破磨 48 板之间的空间位置关系可知，姿态调整对正安装需要 横移、滚摆、举摆、升降、进退和平摆 6 个自由度。 3.4.3 不同衬板位置对自由度要求 由前述可知，磨机内不同衬板位置对自由度的 要求亦不相同，图 10 所示为不同位置对机械臂自由 度的需求示意，可以看出，要使衬板底部平行于筒壁 面，需要有一个平摆关节；要使衬板底部贴合磨机圆 筒内壁，需要有一个举摆关节；衬板拼接时需要有一 个滚摆调节 见图 9。 需要注意的是，从图 10 分析关节运动可以发 现，当平摆轴线不垂直时，其平摆运动会使衬板原姿 态发生滚摆角度变化，这时就需要有相应的滚摆关节 对平摆调节进行修正。另外，机械臂基本自由度中的 举升自由度与举摆自由度，看起来功能类似，但仔细 分析二者在三维空间的不同状态后可以发现，只在特 定位置和条件下有重复性，无空间适用性，因此二者 无法相互替代。 因此，在确定机械臂的自由度时要综合考虑机 械臂在不同位置、状态的情况，要能满足作业区内任 意位置的调姿需求，既要有普遍性，同时还要考虑机 械臂不同关节间运动的相互影响。对于大中型磨机来 说，任何移动和姿态调整均超出了人类的极限，为满 足磨内任何位置衬板拆装要求，增加自由度显得尤为 重要。 3.5 多自由度的协作与布置 对于串联结构机械手，各自由度在空间的运动 方位和轨迹是相互影响的，实际上工件的实际运动方 位、位置、姿态调节是多个关节组合运动的结果。比 如图 10 中，要使衬板沿磨机轴线方向直线移动，需 要伸缩和平摆联合运动，如果在此过程中需要保持衬 板姿态不变，滚摆运动也需要参与进来。诸如此类。 另外，在分析确定所需自由度数量和类型后，进 行实际产品设计时，不同自由度的放置顺序也需要考 虑，比如调位姿的平摆、滚摆、举摆 3 个自由度的布 置时，通过分析可以发现，这 3 个自由度的前后顺序 对功能的实现并没有实质性差别，但在具体实现方式 上，由于受到关节的结构型式、驱动方式、驱动元器 件、运动范围、受力条件等多方面的影响，会有一个 相对合理的布置方式，这还需要结合机械手实际应用 情况具体分析。 4 结语 通过分析可知，机械手作为具有多关节运动和较 好灵活适应性的一种工业产品，由于其应用环境场合 的不同，其型式也各不相同，但最终均需满足实际工 况的功能需求，自由度数确定需要在统筹考虑任务、 功能、效率、适应性和经济性的基础上进行合理取 舍，以实现最佳性价比。 参 考 文 献 [1] 杨 溢，耿洪臣．大型磨机换衬板机械手研究现状 [J]．矿山 机械，2009，37570-74. [2] 刘祚时，童 乐，黄高荣．磨机换衬板机械手结构设计及运 动学分析 [J]．机械设计与制造，2016785-88. [3] 杨怀东．磨机换衬板机械手的应用及结构特点 [J]．有色冶金 设计与研究，1995，16143-48. [4] 熊有伦．机器人技术基础 [M]．武汉华中理工大学出版社， 19966-11. □ 收稿日期2020-04-13 图 10 不同位置衬板安装自由度示意 Fig. 10 Sketch of degree of freedom required for installing liner at various location 万方数据