磨機換襯板機械手的智能安全負載控制方法研究

賀向宗，王正國，白云華，何雨絲，趙 凱

洛陽中重自動化工程有限責任公司 河南洛陽 471039

磨機換襯板機械手采用機電液一體化技術(shù)，可對磨機空間內(nèi)數(shù)百公斤到數(shù)千公斤不等的襯板進行安全高效的更換，提升了工作效率，降低了勞動強度，目前已在國內(nèi)外礦山企業(yè)廣泛應(yīng)用[1]。

磨機換襯板機械手在磨機內(nèi)部封閉、有限空間作業(yè)時，還需人員操作和人力輔助，尤其是裝配工人，位于機械手夾持的重型襯板左右。在工作過程中，由于操作空間限制及操作失誤，機械手易出現(xiàn)磕碰、過載作業(yè)情況，若不采取措施，將為人員和設(shè)備帶來一定的安全隱患。針對這種情況，國外相關(guān)企業(yè)通過在設(shè)備上增加位置接近開關(guān)及液壓閥門，實現(xiàn)了過載的三級限制；國內(nèi)磨機換襯板機械手的發(fā)展相對滯后，過載及安全負載控制的相關(guān)研究報道較少[2]。

由于磨機換襯板機械手的負載情況對人員、設(shè)備的安全至關(guān)重要，而當前已有技術(shù)方案無法實現(xiàn)安全負載的連續(xù)控制，且智能化程度較低。因此，筆者通過對機械手進行受力分析和建模，研究作業(yè)臂、支撐梁、負載隨伸縮長度、俯仰角度的變化規(guī)律，進而建立一套智能安全負載控制方法，以實現(xiàn)機械手的智能安全負載控制。

1 磨機換襯板機械手工作原理

磨機內(nèi)部屬于封閉、有限空間，僅進出料口留有狹長圓形通道。為適應(yīng)磨機狹長的作業(yè)空間，磨機換襯板機械手通常采用串聯(lián)開鏈結(jié)構(gòu)[3-4]。磨機換襯板機械手的機構(gòu)如圖1 所示。

圖1 換襯板機械手機構(gòu)Fig.1 Liner replacement mechanical arm mechanism

機械手支撐梁由車體及錨點進行固定和支撐，并伸縮入磨機內(nèi)部，作為內(nèi)外連通的橋梁，懸臂長度最大時超過 14 m。在更換襯板時，襯板通過支撐梁上的小車進行運輸。襯板進入磨機后，安裝在支撐梁頭部的作業(yè)臂和腕關(guān)節(jié)完成襯板的夾持、起吊、轉(zhuǎn)運和安裝工作。作業(yè)臂是機械手的起重臂，可進行 360°回轉(zhuǎn)、上下變幅以及前后伸縮等動作，以達到將襯板搬運至安裝位置的目的，其工作半徑最大時超過 7 m。作業(yè)臂尾部安裝有腕關(guān)節(jié)，由 3 個旋轉(zhuǎn)自由度組成，可實現(xiàn)襯板的姿態(tài)調(diào)整；并可與作業(yè)臂相配合，完成襯板空間自由度的位姿調(diào)整，最終實現(xiàn)將襯板安裝孔與磨機上固定孔的對齊，完成襯板安裝。

2 受力分析

為滿足工況空間需求，機械手支撐梁、作業(yè)臂通常懸臂較長，且要求在整個工作范圍內(nèi)均能提升額定負載內(nèi)的襯板。因此，機械手水平伸展且?guī)лd時，支撐梁、作業(yè)臂承受的彎矩極大，且在機械手工作過程中，主要部件還將承受彎、扭、拉、剪、振動與沖擊等組合作用[4-5]。機械手在磨機封閉空間內(nèi)安裝襯板時，還經(jīng)常由于操作失誤等原因，與磨機內(nèi)壁發(fā)生磕碰、阻擋等過載作業(yè)情況。過載的出現(xiàn)將繼續(xù)增大支撐梁、作業(yè)臂所承受的彎矩和力，存在較大的安全隱患。

2.1 作業(yè)臂受力分析

作業(yè)臂受力情況如圖2 所示。作業(yè)臂所受負載有作業(yè)臂自重、腕部自重和襯板重力，以及變幅液壓缸的變幅拉力。其中，作業(yè)臂由 3 節(jié)同步伸縮臂組成，可進行遠近伸縮和上下俯仰運動。當伸縮范圍L0或俯仰角度q發(fā)生變化后，作業(yè)臂、腕部、襯板、變幅拉力的力臂將隨之變化。為保證計算的準確，按 3 節(jié)臂結(jié)構(gòu)將作業(yè)臂進行分解，分為基節(jié)臂、中間節(jié)臂、端節(jié)臂。

圖2 作業(yè)臂受力情況Fig.2 Force condition of operating arm

相對于鉸座，可列出作業(yè)臂的力矩平衡公式[6]：

式中：F為變幅液壓缸拉力，N；L為變幅液壓缸相對于鉸座的力臂長度，m；G1、G2、G3、G4、G5為作業(yè)臂各部件自重，N；L1、L2、L3、L4、L5為隨著伸縮范圍L0或俯仰角度q的變化，折算后的力臂長度，m；a為動載荷系數(shù)，取值為 1.36。

已知，所討論型號的作業(yè)臂變幅角度范圍為-30°～ 30°，伸縮范圍L0=0～1.5 m。當L0=0 m、q=0°時，各部件自重及初始力臂長度如表1 所列。在機械手工作過程中，要求作業(yè)臂在整個運動范圍內(nèi)滿足額定負載起吊要求。

表1 各部件自重及初始力臂長度Tab.1 Mass of each component and original length of force arm from

當L0=1.5 m 時，作業(yè)臂各部件力臂最長。而變幅液壓缸的力臂與伸縮長度無關(guān)，僅與變幅角度有關(guān)。為此，可根據(jù)式 (1) 以及表1 中各部件參數(shù)，得出在最遠距離下 (L0=1.5 m)，變幅液壓缸拉力與變幅角度關(guān)系，如圖3 所示。

圖3 額定負載下變幅液壓缸拉力與角度關(guān)系Fig.3 Relationship between tension and angle of variableamplitude hydraulic cylinder under rated load

由圖3 得出，當L0=1.5 m、q=-27°時，所需變幅液壓缸輸出拉力最大，為 524.2 kN。因此，為滿足所討論型號機械手額定負載要求，所選擇的變幅液壓缸輸出拉力應(yīng)大于 524.2 kN。

然而，當作業(yè)臂伸長量L0由最大值 1.5 m 減小時，各部件相對于鉸座的力臂長度也隨之減小。此時，若變幅液壓缸最大輸出力保持不變，依據(jù)式(1)，在q=0°時，作業(yè)臂在不同伸縮長度下的負載能力如圖4 所示。

圖4 不同伸縮長度下作業(yè)臂負載能力曲線Fig.4 Loading capacity curve of operating arm

由圖4 可以看出，作業(yè)臂伸至最遠 1.5 m 時，可滿足 25 000 N 的額定負載要求；作業(yè)臂縮回變短時，因變幅液壓缸最大輸出力保持不變，其負載能力顯著增大；在L0=0 處，負載能力約為 75 000 N，是額定負載的 3 倍。

2.2 支撐梁受力分析

作業(yè)臂工作時，其重力在支撐梁上的受力情況如圖5 所示。其中，G為作業(yè)臂自重、腕部自重和襯板重力的和，L′為作業(yè)臂重心相對于B點的距離。相對于支撐點B，作業(yè)臂對支撐梁形成的重力矩為G和L′的乘積。

圖5 支撐梁所受作業(yè)臂負載情況Fig.5 Loading condition of operating arm on supporting beam

當q=0°時，變幅液壓缸保持最大輸出力，伸長量L0由 0 至 1.5 m 變化時，作業(yè)臂各長度下最大負載對支撐梁B點形成的彎矩如圖6 所示。

圖6 作業(yè)臂最大負載能力下支撐梁所受彎矩曲線Fig.6 Bending moment curve of supporting beam under maximum loading capacity of operating arm

綜合觀察圖4、6 可以看出，隨著作業(yè)臂伸縮長度由 1.5 m 到 0 m，因變幅液壓缸最大輸出力保持不變，其負載能力增大的同時，支撐梁彎矩也隨之增加；在L0=0 處彎矩最大，相較L0=1.5 m 處增加了54.5%。

綜上所述，所討論機械手在工作過程中，當作業(yè)臂伸長至最遠距離 1.5 m 時，滿足 25 000 N 的額定負載要求。但隨著作業(yè)臂縮回、長度縮短，由于變幅液壓缸的最大輸出力保持不變，其負載能力不斷增加，最大處 (L0=0) 負載能力約為額定負載的 3 倍，對支撐梁形成的彎矩增加了 54.5%，遠遠超出了額定負載的實際需求。

該最大負載能力是由于操作空間限制下操作失誤等非必要因素造成的，且在工作中是有害的。因此，為避免機械手過載引發(fā)的安全隱患，筆者研究設(shè)計了一套可根據(jù)作業(yè)臂伸縮長度的變化，對變幅液壓缸的液壓油壓進行限制的控制系統(tǒng)，以限制變幅液壓缸輸出能力，進而將作業(yè)臂的負載能力限制在額定負載以內(nèi)。

3 液壓系統(tǒng)搭建

所討論的磨機換襯板機械手動作關(guān)節(jié)較多，可使用電控和手動 2 種方式進行操控，通常采用電液比例多路閥搭建液壓回路。筆者針對性討論的變幅液壓缸采用雙作用缸型式，傳統(tǒng)液壓回路如圖7 所示。

圖7 機械手變幅液壓回路原理Fig.7 Elevation hydraulic circuit principle of mechanical arm

液壓回路中，電液比例多路閥通過手動或電控方式對變幅液壓缸運行方向、運行速度進行控制，平衡閥用于實現(xiàn)負載控制和負載保持。該液壓回路原理簡單可靠，但無法實現(xiàn)變幅液壓缸工作油壓的自動調(diào)節(jié)。為解決上述矛盾，限制作業(yè)臂在不同工位的最大輸出力，提高機械手的安全作業(yè)性能，在傳統(tǒng)的液壓回路中增加了電液比例溢流閥。改進后的液壓回路原理如圖8 所示，采用電液比例控制技術(shù)，根據(jù)作業(yè)臂伸縮長度對電液比例溢流閥進行在線調(diào)節(jié)，實現(xiàn)變幅液壓缸工作油壓調(diào)整，進而實現(xiàn)最大輸出力的在線、連續(xù)調(diào)整。

圖8 升級后的機械手變幅液壓回路原理Fig.8 Upgraded elevation hydraulic circuit principle of mechanical arm

根據(jù)前文受力分析可知，電液比例溢流閥需根據(jù)作業(yè)臂的伸縮長度和俯仰角度變化，進行實時調(diào)整，為此還需搭建一套安全負載控制系統(tǒng)。

4 智能安全負載控制系統(tǒng)搭建

為實現(xiàn)作業(yè)臂負載的智能安全控制，所搭建的控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖9 所示，由顯示器、控制器、壓力傳感器、位置傳感器、電液比例溢流閥組成。其中，位置傳感器采用磁致伸縮位置傳感器，用于測量作業(yè)臂伸縮液壓缸的長度及俯仰角度；控制器實時讀取位置變化，并根據(jù)式 (1)，實時對電液比例溢流閥進行調(diào)整，實現(xiàn)在線、連續(xù)的安全負載限制。

圖9 智能安全負載控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.9 Architecture of intelligent safe load control system

智能安全負載控制系統(tǒng)在變幅液壓缸兩側(cè)增加了壓力傳感器，對壓力控制效果進行實時監(jiān)測反饋。同時，還可與位置傳感器配合，利用式 (1)，對實際負載進行實時估計。當負載超出額定負載或壓力控制失效時，系統(tǒng)及時發(fā)出聲光報警，提醒操作人員和附近人員注意。智能安全負載控制系統(tǒng)的顯示器用于實時顯示變幅角度、伸縮長度、油壓、實際負載等參數(shù)，便于人機交互；同時，還能存儲數(shù)據(jù)，支持歷史回放、曲線顯示功能，方便進行歷史分析。

系統(tǒng)投入前后，支撐梁所受彎矩變化曲線如圖10 所示 (q=0)。對比可知，系統(tǒng)投入后，機械手的最大負載力矩、額定負載最大力矩與支撐梁彎矩最大點重合，即合理解決了原有的設(shè)計矛盾。

圖10 系統(tǒng)投入前后支撐梁所受彎矩變化曲線Fig.10 Changing curve of bending moment of supporting beam before and after system being put into operation

經(jīng)應(yīng)用驗證，引入智能安全負載控制系統(tǒng)后的磨機換襯板機械手，其作業(yè)臂在伸縮、俯仰范圍內(nèi)的最大起吊能力均被限制在了額定負載之內(nèi)。且當發(fā)生過載時，由于過載限制作用，有效降低了機械沖擊功，設(shè)備的受力、變形也受到了限制，對機械手起到了很好的保護作用，有效提升了設(shè)備的使用壽命，保障了作業(yè)人員的安全。

5 結(jié)論

(1) 磨機換襯板機械手在工作過程中易出現(xiàn)過載作業(yè)情況，當變幅液壓缸最大輸出力保持不變時，其負載能力可達到額定負載 3 倍，過載作業(yè)對人員和設(shè)備造成一定的安全風險隱患。

(2) 通過在磨機換襯板機械手上加入智能安全負載控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了在線、連續(xù)安全負載控制的目的，將機械手的最大起吊能力限制在了額定負載之內(nèi)。該方法不僅避免了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計難題，而且有效降低了機械沖擊功，設(shè)備的受力、變形也受到限制，對現(xiàn)場人員、設(shè)備進行了有效保護。

(3) 設(shè)計的智能安全負載控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了安全負載連續(xù)控制，且操作人員可根據(jù)實時的狀態(tài)參數(shù)和估算的負載，調(diào)整操作決策，指導(dǎo)設(shè)備操作與維護，提升了系統(tǒng)智能性。