襯板機械手的基本型式及自由度分析

胡同海，楊柳松，魏紅霞，王富勇，王 晶，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洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

3礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

4中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

磨機是選礦行業的主流裝備，為提高經濟效益，越來越多的企業開始使用大型磨機，且更加關注系統在全生產周期的綜合效能，盡可能縮短維護時間，磨機內部襯板的更換則是影響其運轉率的重要因素之一[1]?；谔岣咝?、保障安全、降低工人勞動強度、減少用人等方面的因素，近年來越來越多的選礦企業開始采用機械手進行襯板換裝[2-3]，實踐證明效果良好，因此襯板機械手正在日益成為磨機領域不可或缺的工具裝備。

機械手作為一種多關節機構的機械裝備，其型式和自由度數是設計者首要考慮的基本問題。通常，在三維空間內，具有 6 個自由度的機械臂可以滿足各個位置位姿功能的需要，但是較多的自由度在使機械手變靈活的同時，也會引起機械臂的整體剛性及精度可控性下降，導致結構復雜，成本增加。因此，正確分析作業現場工況、工藝需求及相關條件，使機械手的自由度數與任務相適應[4]，綜合考量機械手的技術經濟性，具有現實意義。

眾所周知，產品設計離不開實際應用的需求，故筆者從磨機應用現場的環境條件著手分析，以確定機械手的主要任務和型式，進而再通過對機械手的作業過程進行分析，以確定其關節自由度需求。

1 環境條件

1.1 礦用磨機

筆者研究的磨機是一種筒式礦用磨機，屬非標產品，每臺磨機現場環境均有差異，但其安裝條件卻基本類似，如圖 1 所示。磨機兩端有 2 個軸承支承，磨機可繞軸承中心回轉。在磨機周邊一定的高度鋪設有2 層平臺，與磨機相關的維保工作一般在此平臺上。磨機是通過自身的連續回轉使磨內礦物與鋼球混合并拋落以達到破碎粉磨礦石的目的，因此在磨機殼體的內壁均拼裝鋪設一層耐磨襯板。由于磨機的磨礦作業，襯板會出現破裂、磨損等現象，故需要定期或不定期更換，當磨機停機維護時，磨內會留存一定量的物料和鋼球。

1.2 襯板

圖1 磨機及內部結構示意Fig.1 Structural sketch of mill and interior

目前我國礦用磨機襯板的質量從數百到數千公斤不等，屬損耗件，磨損到一定程度時必須進行更換。襯板種類如圖 2 所示，主要有筒體襯板、端部襯板，還有一種在磨機角落處安裝的角襯板。其中角襯板是筒體襯板和端襯板之間的過渡件，因數量較少，更換相對不頻繁，不作為機械手主要更換對象。磨機內壁襯板層由多塊拼裝而成，安裝時，一方面要與磨機筒壁貼合，并對正襯板的安裝螺栓孔；另一方面還要與周邊的襯板保留一定的間隙，以安裝密封條，并且不發生干涉。

圖2 襯板種類Fig.2 Types of liner

2 機械手的任務和型式

磨機內部屬于頂部封閉的有限空間，一般的起重設備難以發揮作用，且襯板質量較重，超出了人自然力范圍，因此，襯板安裝作業需要借助機械裝備。通常情況下，為實現襯板更換和安裝，該機械裝備至少應具備兩大基本功能：一是可完成新/舊襯板在磨機內外之間的運輸；二是實現磨機內腔襯板的起重搬移。在此基礎之上，增加襯板位姿調節功能以達到安裝要求，這就是較完整的多自由度機械手的功能和任務?；诖耍梢圆捎玫囊r板機械手總體基本型式如圖 3 所示，主要由機體、支撐臂和作業臂構成。

圖3 襯板機械手總體基本型式Fig.3 General basic structural type of liner manipulator

機體是作業臂的總基礎，因處于懸臂作業狀態且存在多向傾翻力矩，故前后均需錨固；支撐臂承擔機械手在磨機內外方面的聯系，它一方面將作業臂送達作業位置，另一方面也是作業臂的直接承載基礎，同時還是襯板內外輸送車的軌道；作業臂承擔機械手在磨內的襯板吊重、搬移和調姿等作業功能，而其功能實現主要取決于它的自由度數量。該機械手的基本作業流程包括：新襯板送入磨內→作業臂抓取襯板→移動至目標位置，重復該過程。

3 機械臂的自由度

作業臂是機械手實現功能的核心組成部分，也就是通常所說的機械臂，在分析其自由度之前先要確定機械臂的作業位置和作業范圍。

3.1 機械臂換裝襯板的可作業范圍

盡管磨機內壁鋪滿襯板，但由于磨機內腔中下部有物料和鋼球積存，導致磨機停止時該處襯板無法拆裝更換；同時由于襯板固定螺栓需要人工傳送和固定，使位于磨機中上部較高位置處的襯板換裝難以實施。針對這種情況，通常做法是通過磨機的間斷回轉停機，使需要換裝的襯板到達設定的作業區間。由于磨機規格不同，襯板換裝的作業區間略有不同，但均位于磨機中心水平面偏下的一定范圍內，以便于人工協作。如圖 4 所示，在磨內物料形成的平面以上30°～ 40°區間具備襯板安裝和更換條件。

3.2 機械臂在磨機內的軸向作業位置

圖4 磨機內作業區間示意Fig.4 Sketch of operation section inside mill

機械臂在磨內作業時，選擇 1 或 2 個作業位置，一方面可使機械臂處于某一相對穩定的狀態，另一方面可提高作業效率。通常可按以下兩種情況選擇機械臂的作業位置：對于自磨或半自磨類長徑比較小的磨機，機械臂應能夠在磨內軸向的 1 個位置完成作業區間所有襯板的換裝作業，如圖 5 所示；對于球磨或棒磨類長徑比較大的磨機，機械臂可在磨內軸向的 2 個位置開展襯板換裝作業，如圖 6 所示。

圖5 (半)自磨機作業臂及作業位置Fig.5 Manipulator arm of SAG/AG mill and its operation location

圖6 磨機作業臂及作業位置Fig.6 Manipulator arm and operation location of mill

在確定機械臂的作業位置和作業范圍后就可根據作業工況確定機械臂的自由度。由于機械臂處于有限空間內，一方面要考慮到它的功能性，另一方面還要考慮機械臂在有限空間內的自由運動通過性，使之不與磨機內壁發生干涉和碰撞，并到達需要的任何位置。

3.3 三自由度機械臂

確定機械臂的自由度時，首先要確定到達襯板所需的基本自由度。機械臂所需基本自由度示意如圖 7所示，可知：

(1) 因襯板分布于磨機水平面一周的位置，且只能通過磨機的進/出料口進出襯板，因此機械臂應具備 360°水平面內回轉的能力；

圖7 機械臂基本自由度示意Fig.7 Sketch of basic degree of freedom required by mechanical arm

(2) 襯板的位置距離機械臂回轉中心 (作業位置)的距離是不同的，同時磨機的直徑和長度也是不同的，因此要使機械臂在磨機一定空間內自由運動并可達到任意襯板位置，機械臂的回轉半徑應該具備可變化功能，通常實現變徑的方法是采用伸縮臂機構或折臂機構；

(3) 機械臂還應具備對工件 (襯板) 的起升和下放能力。

因此，具備上述 3 個自由度機械臂就能夠將工件送達至目標位置附近，但是無法對工件的姿態進行調整，因此，三軸機械手一般不配備抓具，而是配備鋼繩或鋼鏈等柔性索具吊掛襯板實現拆裝任務，而且三自由度機械臂需要工人輔助進行襯板姿態調節，主要適用于質量較小 (1 000 kg 以下) 的工件安裝，且其作業范圍要考慮到人員基本條件和能力，一般位于磨機中心水平面靠下的位置。對于小型磨機來說，因其磨口可通過尺寸小，在實際作業時采用三自由度仍有必要。

3.4 六自由度機械臂

對于質量高達數噸的大型襯板，由于質量、勞動強度及安全性等因素，通過三自由度機械臂和人員輔助調姿就相當困難，此時增加其他自由度就顯得尤為必要。機械臂在抓具穩定夾持工件條件下，通過機械臂調姿各關節的組合運動，可使工件的姿態達到安裝要求。下面就根據磨機襯板安裝過程的幾個典型工況，分析確定機械臂調姿關節的自由度需求。

3.4.1 襯板抓取

磨機襯板一般裝有 2 個同軸吊耳，所以抓具可設計成雙銷對插方式，通過機械臂的關節運動將抓具插銷快速順利插入襯板吊耳孔中實現抓取。參照襯板抓取所需自由度，分析抓具和襯板之間的空間位置關系可知，襯板抓取需要進退、橫移、升降、滾擺和平擺5 個自由度，如圖 8 所示。

圖8 襯板抓取自由度示意Fig.8 Sketch of degree of freedom required for grasping liner

3.4.2 襯板的安裝姿態調整

磨機筒體襯板和端襯板在外形上雖略有差異，端襯板一般呈扇形，筒體襯板近似于平行四邊形，但其安裝要求基本一致，即：襯板背部弧面與磨機筒壁貼合，并對正螺栓安裝孔，同時還要注意襯板外邊緣與相鄰襯板的間距控制。參照圖 9，分析磨機筒壁和襯板之間的空間位置關系可知，姿態調整對正安裝需要橫移、滾擺、舉擺、升降、進退和平擺 6 個自由度。

圖9 機械臂調姿自由度示意Fig.9 Sketch of degree of freedom required for controlling manipulator posture

圖10 不同位置襯板安裝自由度示意Fig.10 Sketch of degree of freedom required for installing liner at various location

3.4.3 不同襯板位置對自由度要求

由前述可知，磨機內不同襯板位置對自由度的要求亦不相同，圖 10 所示為不同位置對機械臂自由度的需求示意，可以看出，要使襯板底部平行于筒壁面，需要有一個平擺關節；要使襯板底部貼合磨機圓筒內壁，需要有一個舉擺關節；襯板拼接時需要有一個滾擺調節 (見圖 9)。

需要注意的是，從圖 10 分析關節運動可以發現，當平擺軸線不垂直時，其平擺運動會使襯板原姿態發生滾擺角度變化，這時就需要有相應的滾擺關節對平擺調節進行修正。另外，機械臂基本自由度中的舉升自由度與舉擺自由度，看起來功能類似，但仔細分析二者在三維空間的不同狀態后可以發現，只在特定位置和條件下有重復性，無空間適用性，因此二者無法相互替代。

因此，在確定機械臂的自由度時要綜合考慮機械臂在不同位置、狀態的情況，要能滿足作業區內任意位置的調姿需求，既要有普遍性，同時還要考慮機械臂不同關節間運動的相互影響。對于大中型磨機來說，任何移動和姿態調整均超出了人類的極限，為滿足磨內任何位置襯板拆裝要求，增加自由度顯得尤為重要。

3.5 多自由度的協作與布置

對于串聯結構機械手，各自由度在空間的運動方位和軌跡是相互影響的，實際上工件的實際運動方位、位置、姿態調節是多個關節組合運動的結果。比如圖 10 中，要使襯板沿磨機軸線方向直線移動，需要伸縮和平擺聯合運動，如果在此過程中需要保持襯板姿態不變，滾擺運動也需要參與進來。諸如此類。

另外，在分析確定所需自由度數量和類型后，進行實際產品設計時，不同自由度的放置順序也需要考慮，比如調位姿的平擺、滾擺、舉擺 3 個自由度的布置時，通過分析可以發現，這 3 個自由度的前后順序對功能的實現并沒有實質性差別，但在具體實現方式上，由于受到關節的結構型式、驅動方式、驅動元器件、運動范圍、受力條件等多方面的影響，會有一個相對合理的布置方式，這還需要結合機械手實際應用情況具體分析。

4 結語

通過分析可知，機械手作為具有多關節運動和較好靈活適應性的一種工業產品，由于其應用環境場合的不同，其型式也各不相同，但最終均需滿足實際工況的功能需求，自由度數確定需要在統籌考慮任務、功能、效率、適應性和經濟性的基礎上進行合理取舍，以實現最佳性價比。