球磨機蓋開閉機器人設(shè)計*

劉 科 ，馮立艷 ，蔡玉強

（華北理工大學(xué)機械工程學(xué)院，河北 唐山 063210）

0 引言

球磨機是一種礦料粉碎機械設(shè)備，利用外在電機帶動筒體旋轉(zhuǎn)進而使筒體內(nèi)部的介質(zhì)球體與礦料相互碰撞和研磨，最終達到粉碎礦料的目的。球磨機設(shè)備具有操作簡單、維護管理方便、粉碎比高、可適應(yīng)不同情況工作等優(yōu)點，應(yīng)用于選礦、化工、冶金以及火力發(fā)電等行業(yè)。本研究主要是針對賀祥公司提出的球磨機蓋自動開閉需求，完成球磨機蓋開閉機器人設(shè)計。

目前球磨機蓋開閉工作依靠人工完成，工人使用力矩扳手將球磨機蓋上的螺栓擰松，然后利用起重輔助機械將球磨機蓋拔出，完成卸料，添加新礦物后，關(guān)閉球磨機蓋。人工開蓋、閉蓋主要存在以下問題：

1）球磨機停止旋轉(zhuǎn)后，球磨機蓋位于筒體上方，離地面高度為4.2 m，工人需要爬到高空架上作業(yè)；

2）球磨機在磨碎礦料時會產(chǎn)生大量的粉塵與熱量，工人在這樣的高溫與粉塵環(huán)境中進行開、閉蓋作業(yè)，存在很大的安全隱患和健康威脅；

3）球磨機蓋上均勻分布四個螺栓，關(guān)閉球磨機蓋時，工人采用力矩扳手擰緊螺栓，不僅工作效率低，而且不能精準控制擰緊力矩，會導(dǎo)致螺栓出現(xiàn)欠擰或超擰問題，造成擰不緊會泄漏、超擰則螺栓易斷等實際問題，會影響到球磨機的工作安全和效率。

為解決以上問題，設(shè)計能夠自主完成球磨機蓋開閉操作的機器人，以取代人工操作，具有重要的現(xiàn)實意義和實際應(yīng)用價值。

1 研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外開蓋機器人研究并不多，主要集中于螺栓擰緊機器人研究。在20世紀80年代，德國大眾汽車公司首先提出利用機器人攜帶螺栓擰緊裝置來進行汽車生產(chǎn)時螺栓安裝的方案，并將其應(yīng)用在生產(chǎn)線上，減少了工人的工作量，提高了公司的生產(chǎn)效率[1-2]。美國的K.Feldmann和M.Steber為提高螺栓裝配效率，研發(fā)出了緊固螺栓的集成控制系統(tǒng)，可以同時控制多個電動擰緊軸工作，并監(jiān)測每一個擰緊軸的工作情況，成功實現(xiàn)了多個電動擰緊軸共同作業(yè)，進一步提高了生產(chǎn)效率[3]。沈陽工業(yè)大學(xué)的崔家平等針對風(fēng)電機組塔筒連接螺栓的檢修問題，研究出了一種擰緊螺栓機器人，該機器人結(jié)構(gòu)主要包括圓周運動機構(gòu)、自適應(yīng)機構(gòu)、擰緊機構(gòu)和三點夾緊機構(gòu)等，能夠根據(jù)塔筒大小進行調(diào)節(jié)，這種機器人的設(shè)計大大提高了檢修的效率和質(zhì)量[4]。

本研究設(shè)計的球磨機蓋開閉機器人是一種桁架類機器人，首先確定機器人總體方案設(shè)計，對于球磨機蓋上螺栓的力矩擰緊控制方法選用轉(zhuǎn)角控制法，并利用Workbench對螺栓擰緊順序進行仿真，確定在同時擰緊情況下，球磨機蓋和螺栓的變形量最小，所以機器人的末端執(zhí)行設(shè)計為螺栓同時擰緊機構(gòu)，最后使用SolidWorks軟件完成機器人三維模型設(shè)計。

2 螺栓擰緊力矩控制方法與擰緊順序

2.1 螺栓擰緊力矩控制方法

螺栓連接的可靠性關(guān)系到機械設(shè)備的安全性和工作的穩(wěn)定性，預(yù)緊力的精確控制是確保球磨機蓋與底座連接可靠性的關(guān)鍵。在螺栓連接過程中存在三個關(guān)鍵變量：預(yù)緊力、旋轉(zhuǎn)角度和擰緊力矩[5]。王才東團隊發(fā)現(xiàn)：只有10%的擰緊力矩被轉(zhuǎn)換為預(yù)緊力，50%被螺栓頭與接觸面間的摩擦消耗，40%被螺紋摩擦消耗。

目前，常用的螺栓擰緊控制方法主要有以下四種：扭矩控制法、轉(zhuǎn)角控制法、螺栓伸長量控制法、屈服點控制法[6-7]。各種擰緊方法對螺栓預(yù)緊力的控制精度各不相同，因此，選擇合適的擰緊方法是螺栓擰緊工作中的重要環(huán)節(jié)。扭矩控制法是螺栓連接中使用較早、操作相對簡單的擰緊方法。通過監(jiān)測施加的扭矩，當其達到額定值后，便停止擰緊。使用扭矩控制法擰緊螺栓時預(yù)緊力的大小控制精度低[8]。出于安全考慮，一般螺栓拉應(yīng)力選擇在屈服強度的70%左右。轉(zhuǎn)角控制法通過控制螺栓頭與被連接件面接觸后的旋轉(zhuǎn)角度控制預(yù)緊力。轉(zhuǎn)角控制法的控制精度主要取決于擰緊角度誤差大小，擰緊效果相對較好，適用于對螺栓連接要求較高的場合。螺栓伸長量控制法是通過測微儀檢測螺栓擰緊后的伸長量變化來控制預(yù)緊力大小。使用螺栓伸長量控制法，不受摩擦因素影響，螺栓預(yù)緊力控制精度更高。缺點是需要使用測微儀或超聲波傳感器對于螺栓伸長量進行測量，成本較高[9]。屈服點控制法是通過測定預(yù)緊力相對于擰緊角度的上升斜率的大小來控制預(yù)緊力。屈服點控制法能夠充分發(fā)揮螺栓材料的強度性能，提供更大的螺栓軸向預(yù)緊力，缺點是對于螺栓材料、生產(chǎn)加工要求更高，控制系統(tǒng)也更加復(fù)雜，設(shè)備成本昂貴，一般應(yīng)用在特殊裝配上。通過對比，螺栓伸長量控制法與屈服點控制法應(yīng)用成本較高，系統(tǒng)控制難度較大。扭矩控制法應(yīng)用成本低，但螺栓擰緊控制精度也低[10]。綜合考慮，球磨機蓋開閉機器人采用轉(zhuǎn)角控制法進行螺栓擰緊控制，確保擰緊力矩和擰緊深度同時達到要求。

2.2 螺栓擰緊順序

進行單軸多個螺栓擰緊時，螺栓之間會產(chǎn)生相互影響，使螺栓的預(yù)緊力不能保持在期望值。為了保證螺栓的擰緊效果，需要對螺栓的擰緊次序進行研究，通過對比不同擰緊次序下，整體結(jié)構(gòu)的變形量大小，來確定球磨機蓋上螺栓的最佳擰緊次序。

利用Workbench對螺栓擰緊次序進行分析，查看被連接件和螺栓的變形結(jié)果。首先需要將球磨機蓋和螺栓的模型畫出，如圖1所示，為了減少有限元分析的計算量，對球磨機蓋進行了部分簡化，在球磨機蓋上只保留了螺栓孔。球磨機蓋的材料為Q235，M24六角螺栓材料為45鋼。螺栓的螺紋進行了簡化處理，所以進行有限元分析時，需要對螺栓進行截面處理，將其分為三部分，上半部分與球磨機蓋上層設(shè)置為bonded連接，螺栓下半部分與球磨機蓋下層中的螺栓孔設(shè)置為bonded連接，對中部光桿施加預(yù)緊力F。根據(jù)國內(nèi)螺栓擰緊力矩標準，螺栓強度等級為8.8的M24螺栓的擰緊力矩范圍為651 N·m~868 N·m，取680 N·m，扭矩系數(shù)K的取值范圍為0.1~0.3，一般取0.2。扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系：

圖1 球磨機蓋簡化模型

系數(shù)的大小受螺栓的型式、尺寸、加工精度、螺栓和螺母表面處理方法等影響，即使是相同規(guī)格的螺栓，也會在一定范圍內(nèi)波動，再加上工人操作時的人為因素，使用扭矩控制法擰緊螺栓時預(yù)緊力的大小控制精度低。計算得F為141 666 N。

由圖1可知，球磨機蓋上方均勻四個M24螺栓，按照不同次序進行擰緊，對比不同次序擰緊方式下的整體變形結(jié)果，確定最優(yōu)擰緊次序。螺栓的擰緊次序可以被分為以下三種：按照1—2—3—4的次序擰緊、按照1—3—2—4的對角擰緊、四個螺栓同時擰緊。按照次序產(chǎn)生的整體變形結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同擰緊次序的應(yīng)變云圖

由圖2可知，螺栓擰緊順序不同，球磨機蓋和螺栓的變形程度不同，順序擰緊的最大變形量為0.098 937 mm，對角擰緊的最大變形量為0.093 99 mm，同時擰緊的最大變形量為0.089 043 mm，表明同時擰緊螺栓時整體變形量最小。所以在進行球磨機蓋開閉機器人設(shè)計時，按照四個螺栓同時擰緊擰松要求設(shè)計螺栓拆卸裝配設(shè)備。

3 機器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)球磨機蓋開閉機器人設(shè)計要求，完成機器人三維模型設(shè)計，如圖3所示。球磨機蓋開閉機器人包括三個功能模塊：桁架、桁架行走系統(tǒng)、六自由度機械臂。

圖3 球磨機蓋開閉機器人整體結(jié)構(gòu)示意圖

桁架行走系統(tǒng)安裝在桁架結(jié)構(gòu)上，包括X軸行走系統(tǒng)和Y軸行走系統(tǒng)。桁架結(jié)構(gòu)通過地腳螺栓固定在地面，作為整個系統(tǒng)的支撐。考慮開閉機器人負責(zé)多個球磨機蓋啟閉，設(shè)置了X軸行走系統(tǒng)。考慮到機器人啟蓋工作位置和等待位置距離要求，設(shè)置了Y軸行走系統(tǒng)。六自由度機械臂安裝在Y軸行走系統(tǒng)上，由Y軸行走系統(tǒng)攜帶運動，在工作位置和等待位置之間切換。為更精準地完成球磨機蓋開閉和搬運任務(wù)，特別研發(fā)了兩功能末端執(zhí)行器。為了實現(xiàn)末端執(zhí)行器與球磨機蓋之間的精準定位，采用六自由度機械臂實現(xiàn)末端執(zhí)行器的位姿調(diào)整。

3.1 桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計

桁架是球磨機蓋開閉機器人整體結(jié)構(gòu)的支撐部分。在模型中，桁架行走系統(tǒng)與六自由度機械臂都安裝在桁架上，所以桁架的力學(xué)動態(tài)特性與靜態(tài)特性都會影響到球磨機蓋開閉機器人末端執(zhí)行器的定位精度。由圖3可知，X軸桁架需要承受X軸桁架行走系統(tǒng)、Y軸桁架行走系統(tǒng)、六自由度機械臂、球磨機蓋等載荷，所以在設(shè)計桁架時，為保證桁架行走系統(tǒng)直線運動精度，要考慮到桁架的承載能力。行走系統(tǒng)在桁架上的運動和機械臂的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)都是通過伺服電機帶動，電機的啟停會對桁架產(chǎn)生較大沖擊，這對桁架的剛度也提出了要求。如果剛度不足，在機械臂調(diào)整位姿時桁架會振動，影響到機器臂末端執(zhí)行器的定位精度。

在三維模型中，桁架的設(shè)計參數(shù)是依據(jù)賀祥公司球磨機實際尺寸確定的，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。考慮到球磨機的高度和機械臂調(diào)整位姿所需的工作空間，將桁架的高度設(shè)計為6.6 m。球磨機兩側(cè)距離為3.6 m，為方便機械臂在不同球磨機間運動，桁架寬度設(shè)計為4.5 m。桁架整體結(jié)構(gòu)由鋼板和矩形方管通過焊接和螺栓連接組成。桁架下方的支撐柱使用的是200 mm×200 mm的矩形管，每根支撐柱通過四個加強筋與地面鋼板焊接，最后使用地腳螺栓將支撐柱固定。X軸桁架使用的是360 mm×200 mm的矩形管。支撐柱和桁架采用的材料為Q235，材料特性如表1所示。

表1 Q235材料特性

3.2 末端執(zhí)行器設(shè)計

末端執(zhí)行器是球磨機蓋開閉機器人設(shè)計中最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)，模型圖如圖4所示，主要零件包括力矩擰緊機、電動缸、氣缸、電磁吸盤、抱爪等。末端執(zhí)行器完成將球磨機蓋上螺栓擰松，然后將球磨機蓋拔出、抱緊的工作。工作過程如下：六自由度機械臂攜帶末端執(zhí)行器到球磨機蓋上方合適位置，四個力矩擰緊機將螺栓同時擰松，磁性套筒吸附住螺栓；電動缸帶動電磁吸盤下降，吸住球磨機蓋，然后拔出；電磁吸盤的吸力大小為200 kg，可以攜帶球磨機蓋懸空放置，但是為了防止斷電出現(xiàn)意外，增加了機械抱爪結(jié)構(gòu)，利用氣缸帶動四個抱爪同時夾緊球磨機蓋，保證球磨機蓋懸空時的安全性。

圖4 末端執(zhí)行器

3.3 力矩擰緊機結(jié)構(gòu)設(shè)計

力矩擰緊機結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，主要零件包括伺服電機、編碼器、減速器、扭矩倍增器、力矩傳感器、磁性套筒等。伺服電機是力矩擰緊機的動力源，提供螺栓擰緊擰松所需的扭矩；減速器將伺服電機輸出轉(zhuǎn)速降低，輸出扭矩放大；扭矩倍增器進一步放大輸出扭矩，滿足螺栓擰緊擰松所需；驅(qū)動桿連接套筒和動力源，同時在套筒定位螺栓時起到柔性調(diào)節(jié)作用；磁性套筒能夠吸附住螺栓，而且可以根據(jù)螺栓型號進行更換；力矩傳感器能夠?qū)崟r反映末端套筒的輸出扭矩大小，編碼器能夠記錄末端套筒的旋轉(zhuǎn)擰緊角度，通過力矩傳感器和編碼器，可以實現(xiàn)同時利用扭矩法和轉(zhuǎn)角法控制螺栓預(yù)緊力。

圖5 力矩擰緊機結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

本研究根據(jù)球磨機開蓋實際需求，設(shè)計出球磨機蓋自主開閉機器人方案，對球磨機蓋上螺栓的力矩擰緊控制方法進行選擇，利用Workbench對螺栓擰緊最佳順序進行仿真驗證，最終使用SolidWorks軟件進行模型建立。主要得出以下結(jié)論：

1）通過對比螺栓擰緊力矩控制方法的優(yōu)點和缺點，最終選擇使用轉(zhuǎn)角控制法控制螺栓擰緊力矩。

2）使用Workbench對球磨機蓋上螺栓擰緊次序進行仿真驗證，根據(jù)球磨機蓋和螺栓的變形量大小，確定球磨機蓋開閉機器人的末端執(zhí)行器設(shè)計為同時擰緊裝置。