基于電液數字閥的智能型潛孔鉆機機械手研究

顏武剛,代建龍,王鋒,尹千才,龍愛民,未崴

(湖南創遠高新機械有限責任公司,湖南 長沙 410205)

0 引言

我國地下礦山大直徑深孔施工普遍以潛孔鉆機施工為主,傳統潛孔鉆機穿孔作業需要人工搬運、裝卸鉆桿,智能化程度低、輔助作業時間長、綜合工效低。

隨著國家對礦山產業結構進行調整,建設“綠色、安全、和諧、智能、高效”的智能礦山是大勢所趨,而采礦裝備的智能化是推動智能礦山建設的關鍵所在。

就潛孔鉆機而言,實現智能化的關鍵在于如何解決全流程自主接卸鉆桿。為了解決此問題,目前國內外先進同類產品都是通過在推進器上安裝鉆桿庫實現機械化接卸鉆桿,雖然其解決了人工接卸鉆桿的問題,但推進器上安裝鉆桿庫導致推進器體積龐大,嚴重限制了鉆機的鉆孔深度和直徑,使得鉆機擺幅較小,靠幫距較大(大于900 mm),作業范圍受限,難以滿足釆礦工藝的要求。

針對傳統潛孔鉆機存在智能化程度低、定位精度低、作業范圍受限等缺點,湖南創遠高新機械有限責任公司研發了多自由度機械手,應用雙閥芯電液數字閥控制技術實現了全場景、全環節的自主接卸鉆桿,同時還可以實現大直徑超深孔(100 m 以上)鉆鑿和超大距離平移,作業靠幫距小于500 mm,作業范圍更廣。

1 機械手結構

機械手主要由滑臺、擺動油缸、馬達、卡爪等組成,如圖1所示。

圖1 機械手結構

機械手在潛孔鉆機的布置如圖2所示。通過采用滑移式多自由度液壓機械手替代人工自主完成接卸鉆桿,應用雙閥芯電液數字閥控制技術和機器人控制模塊精確控制多自由度機械手自動按預設的軌跡運動,最終實現鉆桿抓取、搬運和末端高精度定位。

圖2 機械手在潛孔鉆機的布置

2 雙閥芯電液數字閥結構和原理

由圖3可知,雙閥芯電液數字閥工作聯由主級和先導級組成,先導級采用音圈驅動,只需極小電流便可實現高響應驅動,主級包含2個主閥芯,因此,可以分別實現對工作油口A、B 的壓力或流量的獨立控制,從而解決傳統閥芯進、出油口之間的機械耦合問題,使得控制更加靈活。每個主閥芯內置位移傳感器,工作油口A、B 的內嵌壓力傳感器,通過數字閥自帶的控制單元進行閥本身的小閉環控制,從而保證輸出流量穩定。

圖3 雙閥芯電液數字閥工作聯結構組成

圖4為雙閥芯電液數字閥應用于負載敏感液壓系統的原理圖。傳統電液比例閥回路中必須要有的梭閥、壓力補償器等元件都會帶來一定的壓力、能量損失和發熱,不節能,且只有一個閥芯,進、出油口之間是機械耦合聯動,無法實現工作油口A、B的獨立控制。

圖4 雙閥芯電液數字閥液壓原理

與傳統電液比例閥相比,雙閥芯電液數字閥采用負載口壓力、流量感應的方式,可以直接通過CAN bus總線控制LS壓力控制主閥來控制系統的LS反饋壓力,無需多余的管路連接,全電子化實現壓力補償和負載敏感功能[1-3]。每片數字閥通過一個三位四通電比例先導控制閥和一個三位三通主控制閥實現對執行元件壓力、流量的控制,各油口只需要用電控程序單獨控制各閥芯的開度,就可以實現各種需要的流量分配方式,如流量等比例下降、等值下降或者單獨某一個下降等。

3 雙閥芯電液數字閥在機械手的應用

3.1 雙閥芯電液數字閥控制策略

由圖1可知,機械手通過4個擺動油缸和1個移動馬達構成5個自由度,移動馬達在機械手運動過程中所承受的負載變化不大且負載方向在機械手運動過程中保持不變;4個擺動油缸在機械手抓取、搬運和末端定位鉆桿的過程中負載變化較大,負載方向在機械手運動過程中會發生變化,以擺動油缸④為例研究分析雙閥芯電液數字閥的控制策略。

由于擺動油缸④在機械手抓取、搬運和末端定位鉆桿過程中的負載方向發生變化,因此,通過閥專用的PRO-FX Configure 2.0軟件選擇IFC 智能流量控制模式,在該模式下可以分別設定正負載和負負載工況下工作油口A、B 的背壓值。在IFC 智能流量控制模式下閥自帶的控制單元可根據工況自動選擇壓力控制模式、流量控制模式或壓力流量復合控制模式,控制擺動油缸④工作油口A、B的流量或壓力,從而在保證系統穩定的同時還可實現低能耗和高精度控制。

機械手從抓取鉆桿到運動至垂直90°的過程中,擺動油缸④承載為正負載,此時采取“進油流量控制,回油壓力控制”策略,進油口A 流量控制是通過閥內置的壓力傳感器檢測主閥芯兩側的壓差,再根據所需流量的多少,計算出閥芯位移大小;回油口B采用壓力控制,使該側維持一個低值的壓力,使得系統更加節能、高效,如圖5所示。

圖5 擺動油缸④承載為正負載時的控制策略

機械手從垂直90°運動至鉆桿末端定位過程中,擺動油缸④承載為負負載,此時采取“進油壓力控制,回油流量控制”策略,由于回油口B 采取了流量控制,因此,可將平衡閥用液壓鎖替換,從而在提高系統穩定性的同時也保證了系統的保壓性能。進油口A 采取壓力控制,通過壓力傳感器的閉環控制來維持一個較低的壓力,在提高系統效率降低系統能耗的同時也可防止系統出現氣穴[4],如圖6所示。

圖6 擺動油缸④承載為負負載時的控制策略

當機械手將鉆桿從推進器抓取、搬運及存放至鉆桿庫時,擺動油缸④的控制策略與上述過程一致。

以擺動油缸④承載為正負載為例,對壓力流量復合控制模式進行理論分析[5]。

(1)進油口A 采用流量控制,流量方程為:

式中,Qj為進油流量,L/min;n為擺動油缸④的轉速,r/min;q為擺動油缸④的排量,m L/r;Xj為進油口A 主閥芯位移,mm;ρ為油液密度,kg/m3;ΔP為主閥芯前后壓差,×105Pa。

由式(1)可知,通過閥內置的壓力傳感器檢測進油口A 主閥芯兩側的壓差ΔPj,根據預設流量Qj就可以計算出閥芯位移Xj,準確控制擺動油缸④的運動速度實現精確定位,如果擺動油缸④運動過程中主閥芯兩側的壓差ΔPj或閥芯位移Xj出現變化,則數字閥自帶的控制單元進行閥本身的小閉環(見圖7)控制修正閥芯位移Xj,從而保證輸出流量穩定。

圖7 數字閥小閉環控制框架圖

(2)回油口B 采用壓力控制,在忽略擺動油缸④泄漏的情況下,進油流量等于回油流量,即Qj=Qh,為了使回油口B 主閥芯保持一個恒定的背壓Ph,則回油口B主閥芯位移Xh為:

式中,Xh為回油口B 主閥芯位移,mm;Qh為回油流量,L/min;d為主閥芯直徑,mm;Δ 為閥芯與閥體內孔徑向間隙,mm。

由式(2)可知,通過閥內置的壓力傳感器檢測回油口B主閥芯兩側的壓力Ph、Pt,根據預設流量Qj就可以計算出回油口B 主閥芯位移,準確控制擺動油缸④的回油背壓Ph,如果擺動油缸④運動過程中主閥芯兩側的壓差ΔP或閥芯位移Xh出現變化,則數字閥自帶的控制單元進行閥本身的小閉環(見圖7)控制修正閥芯位移Xh從而保證回油背壓Ph的穩定。

3.2 雙閥芯數字液壓控制系統框架

為了最終實現多自由度機械手運動過程的精準控制,搭建了圖8所示的雙閥芯數字液壓控制系統框架,整個閉環控制和實現過程如下。

圖8 雙閥芯數字液壓控制系統框架

(1)首先將多自由度機械手的數學模型導入工控機,并根據使用要求完成機械手運動路徑規劃,工控機內置的機器人控制模塊發出指令。

(2)車載端控制器接受來自工控機的控制指令,將工控機指令轉換為數字液壓閥的控制信號并向數字液壓閥發出控制指令。

(3)數字液壓閥接受來自車載端控制器的控制指令,并根據指令要求控制閥芯的開度和系統壓力,使機械手各自由度的執行元件(馬達、油缸等)按預設的參數開始運動。

(4)實時檢測多自由度機械手各自由度的角度、位移等數據,并將該數據反饋至車載端控制器;同時數字液壓閥將壓力、流量等信息也反饋至車載端控制器。

(5)車載端控制器將接受到的反饋數據和信息進行轉換并反饋至工控機。

(6)工控機將反饋回來的機械手各個自由度的角度、位移等實時數據與預設值進行比較,并根據比較結果及時對數字閥控制參數值進行修正,直至機械手各個自由度的角度、位移值達到預設要求,閉環控制完成。

3.3 雙閥芯數字液壓控制技術在機械手的應用

根據3.1、3.2節的分析,分別對擺動油缸④承載為正負載時采取“進油流量控制,回油壓力控制”策略及承載為負負載時采取“進油壓力控制,回油流量控制”策略兩種工況進行測試,測試結果如圖9至圖12所示。

圖9 正負載時各油口壓力變化

圖9、圖10為擺動油缸④承載為正負載時采取“進油流量控制,回油壓力控制”策略時的壓力、閥芯位移曲線,由圖10可知,在系統穩定后,各油口壓力基本保持穩定,B 口回油背壓維持在預設壓力1 MPa左右;圖11、圖12為擺動油缸④承載為負負載時采取“進油壓力控制,回油流量控制”策略時的壓力、閥芯位移曲線,由圖12可知,在系統穩定后,各油口壓力基本保持穩定,A 口回油背壓維持在預設壓力1.5 MPa左右,實現了進油控制速度,回油控制壓力的流量壓力復合控制功能。

圖10 正負載時A、B油口閥芯位移變化

圖11 負負載時各油口壓力變化

圖12 負負載時A、B油口閥芯位移變化

同時,分別對閥芯彈簧復位、閥芯動態響應特性做了相關測試,測試結果如下。

(1)在P口壓力為32.5 MPa,回油壓力為0.1 MPa,液壓油溫為49℃的狀態下,將彈簧壓縮4.5 mm 后突然斷電。測試結果表明,彈簧復位動態響應時間為19 ms,彈簧位移偏差為1μm,如圖13所示。

圖13 閥芯彈簧位移動態響應曲線

(2)在P 口壓力為2.9 MPa,回油壓力為0.1 MPa,液壓油溫為53℃的狀態下,將閥芯開度從最大階梯變化至中位。測試結果表明,閥芯2次動態響應時間分別為17 ms、7 ms,如圖14所示。

圖14 閥芯動態響應曲線

(3)在P 口壓力為4.8 MPa,回油壓力為0.1 MPa,液壓油溫為53℃的狀態下,將閥芯開度從正1.8 mm 瞬時變化至負1.8 mm。測試結果表明,閥芯動態響應時間為61 ms,如圖15所示。

圖15 閥芯動態響應曲線

4 UMD6i智能型潛孔鉆機及機械手的應用

湖南創遠高新機械有限責任公司專為大中型智能礦山建設研制的UMD6i智能型潛孔鉆機已成功應用于山西紫金礦業有限公司的義興寨金礦,并在890 m 中段智慧試驗采場中實現了全場景、全流程的智能化自主穿孔作業,如圖16至圖19所示。

圖16 鉆機轉場

圖17 機械手抓取鉆桿

圖18 機械手搬運鉆桿

圖19 鉆機自主穿孔作業

該智能鉆機通過雙閥芯數字液壓控制技術及機械手的應用,有效提高了設備的作業效率和安全水平,極大地改善了井下工人的作業環境,現已穿孔1500余米,純穿孔進尺效率約為4 min/m,機械手輔助作業時間約為2 min。

5 結論

(1)本文分析了雙閥芯電液數字閥的結構、工作原理及特點,總結了雙閥芯電液數字閥控制技術與傳統電液比例閥控制系統相比所具有的優勢。

(2)搭建了雙閥芯數字液壓控制系統框架,并對雙閥芯電液數字閥控制策略進行了研究,對機械手進行了壓力流量復合控制模式的測試,測試結果表明,在不同工況下,通過壓力流量復合控制模式可以精準實現系統壓力、流量的匹配,提高系統的節能性及控制的精準性;對數字閥的彈簧復位及閥芯動態響應性能進行了相關測試,測試結果表明,閥的動態響應特性良好,能夠滿足機械手的高精度定位要求。

(3)搭載雙閥芯數字液壓控制系統及機械手的UMD6i智能型潛孔鉆機已在山西紫金礦業有限公司的義興寨金礦實現了全場景、全流程的智能化、高效自主穿孔作業,該設備的成功研制和應用彌補了國內智能潛孔施工裝備領域的空白,對我國大中型智能礦山的建設起到了積極的推動和促進作用。