大型襯板機械手概況及進化趨勢分析

楊柳松，趙 魏，胡同海，郝 兵，王正國，符惜煒

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 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洛陽中重自動化工程有限責任公司 河南洛陽 471039

4中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

作 為連續運行的核心設備，大型礦用磨機作業率直接影響選廠的作業率和經濟效益。磨機工況惡劣，為保護筒體并實現粉磨，磨機筒體內壁安裝了上百塊不同類型的襯板。這些襯板與礦石、鋼球直接接觸而不斷發生磨損，幾個月就必須更換 1 次，且每次襯板更換都需要耗時 3～5 d。因此，大型磨機作業率的提升在于如何盡量延長整套襯板的使用壽命，同時減少每次更換襯板所用時間。對于前者，可以根據磨損規律，優化襯板結構[1]；對于后者，則有必要采用大型襯板機械手這種專用設備來縮短更換時間。

大型襯板機械手伴隨磨機的大型化而逐漸產生和發展起來，目前在大型礦用磨機上已經得到普遍應用。大型襯板機械手的應用，不僅使襯板更換和磨機使用有巨大的效率提升，節省了勞動力，還極大地提高了操作人員的安全性，其最大起吊能力甚至決定了大型磨機的最大襯板質量。然而，使用機械手更換襯板操作效率完全取決于施工人員經驗和操控經驗。為了進一步提高大型礦用磨機襯板的更換效率，必須對能實現柔性化、自動化的襯板機械手展開研究。李連鵬等人[2]提出了一種基于力-視覺反饋的剛柔耦合力學模型，以增強重載機械臂的控制及人機交互。筆者通過分析國內外襯板機械手的基本發展狀況及襯板機械手的技術特點，提出柔性化和智能化將是今后襯板機械手發展的必然趨勢。

1 襯板機械手現狀

1.1 基本發展情況

磨機襯板機械手最早由美國 PaR 公司在 20 世紀60 年代研制。自 1990 年生產首臺機械手以來，該公司已為全球 200 多個礦山提供了包括多種規格的襯板機械手，其最大襯板舉升能力為 8 150 kg。除了 RME公司，美國 Mcllelan 公司也是一家歷史悠久的機械手供應商。所開發的 7 軸機械手最大襯板舉升能力為5 443 kg。在南美地區，不少礦山還采用智利 Revesol公司產品，Revesol 公司曾在 2009 年為秘魯特羅莫克(Toromocho) 銅礦開發了起吊能力為 2×4 500 kg 的雙7 軸襯板機械手。

國內的永平銅礦在 20 世紀 80 年代初從加拿大Alis-Chalmers 公司引進了大型球磨機，同時也引進了由美國 PaR 公司生產的 3 軸襯板機械手。此后，南昌有色冶金設計研究院等單位根據實際使用情況，對這種襯板機械手進行了研究開發，并于 1991 年將改進后的產品應用于德興銅礦泗州選廠[3]。

進入本世紀以來，大規格礦用磨機市場迅猛發展，中信重工也開發了不同規格的襯板機械手，最大舉升能力達到 2 500 kg。目前，這些產品已服務于西部銅業、中鋁普朗銅礦以及幾內亞、俄羅斯貝加爾湖項目等多個國內外大型礦山。

另外，北方重工在 2008 年也對最大舉升能力為2 000 kg 的 7 自由度襯板機械手開展過一定研究[4]；合肥春華、鞍山天盛興等公司也生產了一些 3 軸磨機襯板機械手，其最大起吊能力均小于 1 500 kg，應用在中等規格磨機上。

1.2 襯板拆卸和安裝過程

使用襯板機械手更換襯板的過程分為舊襯板拆除和新襯板安裝 2 個環節。襯板拆除時，先用工具去除舊襯板的襯板螺栓，使其從筒體內壁滑落到料堆上；然后用安裝在機械手旋轉吊臂上的吊具卡住襯板，通過吊臂回轉，將舊襯板吊運至襯板小車，將其運至筒體外部。

襯板安裝則是一個相反的過程。先使用襯板小車，將新襯板運到磨機筒體內部，然后采用機械手進行安裝。對于 3 軸機械手，由坐在機械手前部的操作者操作旋轉吊臂，用安裝在吊臂前端的吊具將襯板吊起，并在筒體內部其他施工人員的指揮下，將其吊運并調整到需要安裝的筒體內壁位置，最后通過人工邊觀察邊用撬杠局部調整，使新襯板對準螺栓孔，插入并擰緊螺栓后完成安裝。3 軸機械手安裝磨機格子板如圖 1 所示。

圖1 3 軸機械手安裝磨機格子板Fig.1 Installation of grid plate of mill with 3-axis handler

圖2 7 軸機械手安裝磨機筒體襯板Fig.2 Installation of drum liner of mill with 7-axis handler

7 軸機械手安裝磨機筒體襯板如圖 2 所示。相比于 3 軸機械手，7 軸機械手旋轉吊臂前端增加了 1 個4 自由度襯板夾持機構。安裝襯板時，機械手操作者可以通過夾持機構卡住襯板吊耳，并在筒體內部施工人員的觀察和指揮下，在襯板實際安裝位置附近，通過不斷調整旋轉吊臂和襯板夾持機構的位置，將襯板準確對位，插入螺栓并擰緊，完成安裝。

顯然，2 種不同的機械手工作效率高低主要體現在襯板安裝環節，即對于新襯板是否有姿態控制能力。3 軸機械手只有吊裝轉運功能，必須通過人工反復配合調整，才能完成襯板的安裝，效率相對較低；通過操作 7 軸機械手前部的液壓襯板夾持機構，操作者可自由調整襯板與筒壁之間的相對位置，方便襯板對位安裝。對于大型磨機，由于襯板質量大，人力調整困難而且十分危險，因此，采用 7 軸機械手安裝襯板成為最佳的選擇。

1.3 典型機械手

1.3.1 基本組成

典型機械手如圖 3 所示。主流襯板機械手結構均由機體、移動橫梁、襯板小車、旋轉起吊臂及襯板起吊夾持機構組成。機體是機械手的主要承載構件，橫梁、輪式行走部、千斤頂支腿、液壓站和電控系統都安裝在機體上；橫梁是主要工作平臺，通過軸向移動，將旋轉起吊臂定位于筒體內部合適位置開展作業；襯板小車安裝在橫梁上，并沿橫梁來回移動，將新、舊襯板運進和運出磨機；在橫梁前端的旋轉吊臂是一個 360°回轉的起吊裝置，在襯板小車和不同襯板安裝位置之間起吊和轉運襯板；襯板吊具夾持機構是起吊襯板或控制襯板姿態的工具或機構。

圖3 典型機械手Fig.3 Typical handler

1.3.2 自由度

機械手軸數即其自由度的總和。3 軸機械手自由度組成如圖 4 所示。“1”代表旋轉吊臂底座回轉自由度，“2”代表吊臂變幅回轉自由度，而“3”則代表了吊臂中的小臂軸向平移 (小臂伸縮) 自由度。通過合成“1”到“3”代表的 3 種運動，即可完成襯板的吊運過程。

圖4 3 軸機械手自由度組成Fig.4 Degree of freedom of 3-axis handler

在實現襯板吊運后，還需要進一步增加自由度，控制新襯板的姿態，才能直接將其擺放到合適位置。將 3 軸機械手小臂前的吊鉤換成 1 個帶襯板卡具的多自由度機構，即可形成控制襯板位姿的“腕部”功能。6 軸機械手自由度如圖 5 所示。其中，“4”代表實現腕平擺的回轉自由度，“5”和“6”分別代表實現腕滾擺、腕俯仰 2 個動作的回轉自由度，襯板卡具裝在最前端。這 3 個自由度與吊臂上的自由度合成，再加上機械手橫梁平移自由度，即成為 1 臺 7 軸襯板機械手。借助觀察者的觀察和指揮，操作者通過液壓操作桿獨自操作，便可實現襯板的各種位姿控制，準確地對其進行對位安裝。

圖5 6 軸機械手自由度Fig.5 Degree of freedom of 6-axis handler

1.3.3 關鍵技術

磨機襯板安裝需要在有限空間、復雜工況條件下開展重載作業，安裝過程受到了諸多因素限制。對于大型襯板機械手來說，需要研究解決的關鍵技術主要有：①基于有限空間和復雜工況的構型與機構設計；② 高精度制造、裝配與消隙；③重載條件下的穩定夾持技術；④ 復雜工況下目標識別、路徑規劃與避障；⑤ 系統集成與多技術融合。通過上述關鍵技術的解決可實現機械臂少人甚至無人操作，大幅提升襯板更換效率。

2 大型襯板機械手未來發展趨勢

近年來，襯板機械手大型化和重型化已成為效能提升和綜合安全考慮的必然選擇。隨著工業物聯網、大數據和云計算等技術的蓬勃發展與廣泛應用，礦山行業已步入智能礦山時代。為更好滿足大型磨機襯板安裝要求，襯板機械手將圍繞如何適應磨內復雜環境以及滿足客戶個性化需求進行技術升級與迭代，不斷提升市場競爭力。根據根里奇·阿奇舒勒 (Genrich S.Altshuler) 的技術進化定律可知，襯板機械手將向著重型化、柔性化和智能化的方向發展。在實現大負載的前提下，襯板機械手一方面通過不斷增加自由度滿足更多空間安裝需求，同時加入視覺傳感、智能控制、液壓伺服等系統，逐步減少人員參與環節，最終實現完全智能化。

2.1 機械手結構柔性化

根據技術進化理論提高動態性定律，大型襯板機械手系統將沿著結構柔性化進化，由少自由度向多自由度柔性化進化。機械手最初只有 3 個自由度，由于不能進行襯板姿態調節，機械手只是作為吊車，輔助安裝人員運送襯板至安裝位置附近，再通過多人協作和人力方式移動至目標位置。整個安裝過程實際是以機械運送+人工調姿方式完成。受人力所限，3 自由度機械手只能完成 1 500 kg 以內小規格襯板的安裝。若襯板規格過大，調整襯板姿態所需力量超出了人力極限，人工調姿就難以實現。因此，為滿足進一步的安裝要求，需要增加新的移動或旋轉自由度以提高機械手末端可達空間，實現襯板抓取、送達、姿態調整、對正以及粗調和精調等多種功能。大型襯板機械手將持續向著多關節柔性化方向發展，實現在不進行任何磨機調整的條件下完成磨機內部任一位置襯板的安裝。其演變過程如圖 6 所示。

機械手自由度的增加將會導致系統尺寸增大、結構復雜、適用性和操控性降低。例如現有 7 自由度和 3 自由度系統，自由度的增加帶來了系統功能的提升，但同時也限制了機械手的應用范圍。隨著機械手材料性能的不斷提升和關鍵元器件技術的持續進步，當前機械手所存在的一系列限制柔性化發展的問題將會逐步得到解決，更多自由度的機械手將會出現。

2.2 機械手系統智能化

根據技術進化理論提高可控性定律，隨著機械結構可靠性和穩定性逐漸提高，機械手將向著自動控制進化。

圖6 襯板機械手系統柔性化的演進路線Fig.6 Evolution course of liner handler in f lexibility

初級階段機械手產品的出現是用來解決重載襯板吊運、輔助安裝等問題，主要是作為一種襯板更換裝備，機械手最初只是關注具體功能的實現。

人工操作階段，在機械系統逐步完善后，機械手開始加入操控系統，工作人員可進行主動操控，通過手動進行單關節控制完成襯板安裝，初步實現了人在環路的操作，改善作業環境，安全性大為提高；在人員操控的基礎上進一步增加傳感系統，使機械手具備外界感知能力，操作人員可獲得更多的力、速度和姿態等信息，實現了準確量化的操作，大幅提升了作業準確性和作業效率。

智能化階段，進一步增加視覺系統，讓機械手替代或部分替代人進行位置與姿態識別。增加智能控制系統，在智能控制系統作用下，機械手自主完成目標識別、襯板抓取、運動學與動力學解算、路徑規劃并發送指令至液壓伺服系統，液壓伺服系統根據指令信息自主驅動各個關節完成作業任務，并可根據具體路徑情況實時進行避障和路徑規劃。機械手的終極目標是進化成為智能機器人，實現襯板更換的智能化無人作業。

但就目前來說，機械手要實現完全自主運行還存在較大的技術障礙，磨機內部環境制約，重載條件下的動態穩定夾持、剛柔耦合、液壓視覺伺服等控制技術還有待于進一步突破，襯板機械手距離成為真正的智能機器人還有很長的路要走。

3 結語

襯板機械手的廣泛應用，不僅節省了襯板更換時間，減少了勞動力，同時降低了施工安全風險，提高了選礦廠作業率和經濟效益。通過增加多自由度襯板夾持機構，操作者可以自主控制襯板安裝姿態，進一步提高襯板安裝效率；通過技術進化定律對機械手發展趨勢進行預測，襯板機械手將朝著柔性化和智能化方向發展。隨著技術的不斷進步和發展，未來有可能成為完全柔性化并能自主運行的智能機器人，最終實現襯板更換的智能化無人作業。