鉆錨一體機(jī)工作臂的一種自動控制方法

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 400039)

1 背景

隨著以人為本理念的不斷加強(qiáng)、人力成本的不斷提升，如何更好地解放勞動力、降低勞動力成本成為所有企業(yè)面臨的新課題。液壓鉆錨一體機(jī)可以代替風(fēng)動鑿巖機(jī)(風(fēng)鉆)、氣動沖擊錨桿機(jī)實現(xiàn)井下掘進(jìn)施工作業(yè)，提高生產(chǎn)率、降低勞動強(qiáng)度、改善作業(yè)環(huán)境，為今后巷道掘進(jìn)施工的發(fā)展方向。

在掘進(jìn)工藝中，只有統(tǒng)籌考慮布孔位置數(shù)量、炸藥的填裝數(shù)量以及雷管起爆順序才能夠得到最佳的爆破效果，即隧道輪廓成型質(zhì)量好、單位進(jìn)尺炸藥需求量少、爆破效率高、爆破震動幅度小、巷道單位進(jìn)尺成本低等。特別是在爆破難度系數(shù)較高的巖石(例如花崗巖、硅質(zhì)砂巖)中采用直眼掏槽爆破作業(yè)時，優(yōu)秀的設(shè)計方案在采用一般的鉆孔設(shè)備施工時很難實現(xiàn)，例如確保開孔位置準(zhǔn)確、炮孔間相互平行、炮孔與隧道軸線平行、炮孔底部位于同一垂直面內(nèi)。采用鉆錨一體機(jī)自動控制技術(shù)可以解決上述問題。

根據(jù)空間機(jī)器人運動學(xué)原理對鉆錨一體機(jī)工作臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，將其看成六自由度冗余空間機(jī)械手；以工控機(jī)(IPC- Industrial Computer)為核心控制元件，通過IPC控制電液比例閥驅(qū)動油缸工作，帶動工作臂在巷道內(nèi)完成自動鉆孔作業(yè)。

2 工作臂機(jī)械結(jié)構(gòu)以及運動控制原理

工作臂是鉆錨一體機(jī)的主要工作部件，其結(jié)構(gòu)是由擺動座1、大臂2、鑿巖機(jī)3、錨桿機(jī)4、導(dǎo)軌部5、回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)6、托架7等七個主要部件組成，如圖1所示。根據(jù)空間機(jī)器人運動學(xué)原理，在每個部件上固結(jié)一個直角坐標(biāo)系，通過相鄰兩桿之間的位姿變換公式，利用油缸的伸縮參數(shù)以及各結(jié)構(gòu)件的尺寸參數(shù)，可以計算出鑿巖機(jī)釬頭所處的位姿[1]。其計算公式可以寫成如下形式：

1．?dāng)[動座；2.大臂；3.鑿巖機(jī)；4.錨桿機(jī)；5.導(dǎo)軌部；6.回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；7.托架。圖1 鉆錨一體機(jī)工作臂

工作臂具有6個自由度，釬頭末端位姿可以通過六個關(guān)節(jié)變量決定，這六個關(guān)節(jié)變量統(tǒng)稱為六維關(guān)節(jié)矢量，記為qn(n=1,2,3,4,5,6),所有關(guān)節(jié)矢量qn構(gòu)成的空間稱為關(guān)節(jié)空間。鑿巖機(jī)末端釬頭的位姿是在直角坐標(biāo)系中描述的，即用操作空間或作業(yè)定向空間來表示。因此，通過笛卡爾空間，即可描述釬頭的位姿，運動學(xué)方程x=x(q)可以看成是由關(guān)節(jié)空間向操作空間的映射[2]。x=x(q)可以用以下形式描述：

n=n(q1，q2，…，q6)=n(q)

o=o(q1，q2，…，q6)=o(q)

a=a(q1，q2，…，q6)=a(q)

p=p(q1，q2，…，q6)=p(q)

圖2 巷道斷面輪廓鉆孔圖

由此可以求出θ1，同理即可以求出各個關(guān)節(jié)的運動量θi。

1)三個相鄰關(guān)節(jié)軸相交于一點；

2)三個相鄰關(guān)節(jié)軸相互平行。

操作臂運動學(xué)反解的數(shù)量決定于關(guān)節(jié)數(shù)量、連桿參數(shù)以及關(guān)節(jié)變量的活動范圍，非零連桿參數(shù)愈多，達(dá)到某一目標(biāo)的方式就愈多，即運動學(xué)反解的數(shù)目就愈多。如何在多個解中選擇其中的一組，是鉆錨一體機(jī)操作臂自動控制技術(shù)的關(guān)鍵。在這里，根據(jù)避免碰撞的前提下，如果存在多個解時，按“最短行程、最少時間”的準(zhǔn)則來擇優(yōu)，遵循多移動小關(guān)節(jié)，少移動大關(guān)節(jié)的原則[3，4]。

3 電液控制系統(tǒng)

在鉆錨一體機(jī)鉆孔定位作業(yè)中，利用工控機(jī)(IPC)控制工作臂上各個油缸的位移，使鑿巖機(jī)釬頭按照指定的路線移動，并完成沖擊、推進(jìn)、釬轉(zhuǎn)等動作。具體的工作原理如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

首先，通過人機(jī)交互界面(觸摸屏)將巷道斷面的尺寸、爆破孔的間距、爆破孔的數(shù)量、爆破孔的位置以及爆破孔的深度等鉆孔參數(shù)輸入進(jìn)工控機(jī)(IPC)；工控機(jī)中的上位機(jī)軟件是以VB.NET編制出來的，其軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示，上位機(jī)軟件以空間機(jī)器人反解運算方程為數(shù)學(xué)模型，根據(jù)鉆孔參數(shù)規(guī)劃出鉆孔的最優(yōu)工作路徑并計算釬頭在兩孔之間移動時，鉆臂上各個油缸位移參數(shù)；IPC將油缸位移參數(shù)通過串口通信協(xié)議RS232傳輸給PLC，通過PLC驅(qū)動電液比例閥控制板，完成對電液比例閥的控制，最終實現(xiàn)油缸的各個動作，使鑿巖機(jī)釬頭到達(dá)指定的位置[5，6]。

圖4 工控機(jī)軟件結(jié)構(gòu)圖

工作部件的液壓動力系統(tǒng)如圖5所示，工作臂的擺轉(zhuǎn)、工作臂的升降、托架的擺轉(zhuǎn)、托架補(bǔ)償以及鑿巖機(jī)推進(jìn)全部是由直線位移油缸驅(qū)動；而托架的翻轉(zhuǎn)、托架的俯仰為擺動馬達(dá)；鑿巖機(jī)的釬轉(zhuǎn)部分為齒輪馬達(dá)；沖擊馬達(dá)為將液壓能轉(zhuǎn)換成高頻沖擊動作的設(shè)備，其沖擊頻率和通過沖擊馬達(dá)的流量成比例關(guān)系。其中，鑿巖機(jī)推進(jìn)油缸、釬轉(zhuǎn)油缸、沖擊馬達(dá)完成鉆孔作業(yè)，而其余油缸的作用為鉆孔前的鑿巖機(jī)釬頭定位[7，8]。

圖5 液壓系統(tǒng)原理圖

比例油缸中的直線/角度位移傳感器將機(jī)械位移信號轉(zhuǎn)換成模擬電子信號，并傳輸給數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集卡完成A/D轉(zhuǎn)換后傳送給IPC；IPC對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波降噪，并與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行實時比較，檢測油缸是否移動到位，進(jìn)而判斷鑿巖機(jī)釬頭是否到達(dá)指定位置，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

在鑿巖鉆孔工作中，推進(jìn)壓力、沖擊頻率以及釬轉(zhuǎn)速度為重要的工作參數(shù)，其正確的匹配影響了鑿巖的效率。在本系統(tǒng)中，通過電子脈沖計數(shù)器、壓力傳感器、流量傳感器實時監(jiān)控鑿巖機(jī)的釬轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)壓力沖擊器的流量，得出實時數(shù)據(jù)并與鉆孔速度進(jìn)行比較分析，得出相對合適的匹配值。

4 控制過程的軟件實現(xiàn)

鉆錨一體機(jī)程序控制過程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

其中關(guān)鍵的控制單元為工作臂的鉆孔定位。具體實現(xiàn)過程為：首先，工控機(jī)讀取數(shù)據(jù)儲存卡中的巷道尺寸參數(shù)文件以及鉆孔方案文件等，然后根據(jù)所提供的鉆孔參數(shù)進(jìn)行空間機(jī)器人運動學(xué)反解，計算出工作臂的釬頭處于每個鉆孔點時各個驅(qū)動油缸伸縮/旋轉(zhuǎn)位移。當(dāng)一個爆破孔鉆孔完畢，鉆頭需要移動到下一個鉆孔位置時，工控機(jī)讀取本鉆孔位置的油缸參數(shù)以及下一個鉆孔位置的油缸參數(shù)，電液比例閥按照擬定的速度曲線控制油缸伸縮，驅(qū)動工作臂移動。在移動過程中，位移傳感器實時采集油缸位移數(shù)據(jù)并傳輸給工控機(jī)，工控機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)與目標(biāo)孔的油缸參數(shù)進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)吻合后，電液比例閥關(guān)閉，油缸停止移動，工作臂進(jìn)行下一個工序(鉆孔)[9，10]。

5 結(jié)論

通過IPC控制操作臂實現(xiàn)自動定位鉆孔作業(yè)，增加了鉆孔成型質(zhì)量，提高了工作效率。不足之處為利用IPC中的VB.BET軟件進(jìn)行空間機(jī)器人運動學(xué)反解運算時采用了簡化處理，有待優(yōu)化改進(jìn)；鑿巖機(jī)釬頭的位置是根據(jù)工作臂上各個結(jié)構(gòu)件的尺寸以及油缸的伸縮/擺轉(zhuǎn)位移計算出來的，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)件加工誤差的存在，使最終的控制結(jié)果存在一定的誤差。因此，后續(xù)工作為如何進(jìn)一步提高定位效率以及控制誤差范圍。

[1] 熊有倫. 機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002

[2] 王益群，高殿榮.液壓工程師技術(shù)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010

[3] 王少純，傅秀云，等.基于PLC的電池盒沖壓運料機(jī)械手研制[J]. 鍛壓技術(shù)，2013，38(1)：89-92

[4] 劉松國，朱世強(qiáng)，吳文祥.具有運動時間約束的機(jī)械手最優(yōu)平滑軌跡規(guī)劃[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報, 2009, 13(6): 897-902

[5] 衛(wèi)征.嵌入式軟件測試自動化技術(shù)研究[D]． 北京: 北京工業(yè)大學(xué)，2009

[6] Couloud J B, Campion G. Gap-singular systems:Definition and consequences in trajectory planning[J]. International Journal of Control, 2009, 82(5): 837-848

[7] 劉慶波, 余躍慶. 平面2R 欠驅(qū)動機(jī)器人的軌跡規(guī)劃與控制[J].中國機(jī)械工程, 2007, 18(24): 2899-2902

[8] 王衛(wèi)忠, 趙杰, 高永生, 等. 機(jī)器人的平面曲線軌跡規(guī)劃方法[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2008, 40(3): 389-392

[9] 王攀峰, 梅江平, 黃田. 高速并聯(lián)機(jī)械手抓放操作時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃[J]. 天津大學(xué)學(xué)報, 2007, 40(10): 1139-1145

[10] Boryga M, Grabos A. Planning of manipulator motion trajectorywith higher-degree polynomials use[J]. Mechanism and Machine Theory, 2009, 44(7): 1400-1419