衬板机械手臂梁驱动机构的设计与控制

胡同海，王新昌，王 晶，王富勇，符惜炜，魏红霞，王正国

1洛阳中重自动化工程有限责任公司 河南洛阳 471039

2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039

3中信重工机械股份有限公司 河南洛阳 471039

磨机是现代矿山企业生产和加工各类矿石中的主流装备[1]。在实际运行过程中，磨机衬板易磨损，成为磨机更换量最大的零部件之一[2]，进而衬板更换效率成为影响磨机运转率的重要因素之一。基于提高自动化作业效率、减轻工人工作的强度、降低工作过程中事故发生率等方面的因素[3]，近年来，越来越多的选矿企业开始采用机械手进行更换衬板。

1 衬板机械手

由于磨机衬板均安装于筒体内部，所以衬板机械手需要探入磨机筒体内部进行作业。衬板机械手结构如图 1 所示。支承臂梁是衬板机械手的重要连接部件[4]，主要作用为：①承载磨机换衬板机械手[5]；② 为衬板输送车提供移动轨道；③将作业机械臂送入磨机内部开展衬板更换作业；④ 改变作业机械臂的姿态。因此，需要臂梁沿磨机轴线方向能够进行移动，从机械臂作业方面考虑，该运动也可以看作是作业机械臂的一个基础自由度之一。对一般的机械机构来说，要实现臂梁直线运动的驱动，有多种方式可以选择。笔者论述的是一种使用短行程液压缸通过闭环控制、断续驱动从而实现臂梁自动长距离移动。

图1 衬板机械手结构Fig.1 Structure of liner manipulator

2 臂梁驱动

由于机械手处在悬臂梁工作状态下，所以支承臂梁一般有前后 2 个支承滑座 (或滚动座)，支承臂梁受2 个支座的约束，在驱动装置驱动下直线移动。支承臂梁的悬臂负载较大 (5～15 t)，且伸入磨机内位移较长 (4～6 m)。常见的驱动方式主要有：①液压马达 +链轮+链条驱动；② 齿轮齿条传动机构驱动；③短程液压缸+人工手动插销驱动。

2.1 液压马达+链轮+链条驱动

链条驱动原理如图 2 所示，一般是将链条张紧后固定于臂梁下部，由链轮驱动链条带动臂梁运动。该驱动的优点是型式简单，容易实现。链条是通用部件，制造成本低，且驱动马达位置选择和安装都较方便。其缺点是：由于链条在固定于臂梁上时难以完全张紧，驱动时在链轮径向力作用下会产生柔性避让，故传动平稳性差；由于避让和难以实现良好润滑，可能会产生噪声；由于链条和链轮精度受限，位置准确度误差较大。故链条驱动只适用于没有位置精度要求且运动阻力较小 (比如前后支座采用滚轮支承)的场合。

图2 链条驱动原理Fig.2 Principle of chain drive

2.2 齿轮齿条传动

齿条驱动原理如图 3 所示。由于齿条驱动无柔性避让，传动平稳性较链条好，其噪声较小。缺点是：位于臂梁下部，开式传动，润滑困难[6]，长期使用齿面磨损较大；由于装配误差和臂梁位移等因素影响，齿轮啮合间隙较大，有较大的回程间隙。

图3 齿条驱动原理Fig.3 Principle of rack drive

2.3 短程液压缸+人工手动插销驱动

短程液压缸驱动原理如图 4 所示。该方式的优点是：采用液压缸直接驱动，结构简单，运行平稳，工作可靠[7]，传动效率高，传动件质量小，传动成本低。缺点是：采用手动插销断续驱动方式，对液压缸的行程位置准确度操作要求高，易反复插孔，效率低，可能存在安全隐患。为了便于人工完成插销动作，需要加大销孔尺寸，这便会产生行程间隙，导致臂梁的实际到达位置不精确。

图4 短程液压缸驱动原理Fig.4 Principle of short-stroke hydraulic cylinder drive

采用液压缸传动时，一般要采用与运动同行程的液压缸，在大负载和长行程时就需要考虑液压缸活塞杆的的稳定性，且安装空间也会受到限制。基于杆稳定因素，往往要采用较大规格的液压缸在较低液压力下工作，这样就不能充分发挥液压缸的输出能力，且不经济。对衬板机械手而言，在大多情况下，采用等行程液压缸往往不具有可行的空间条件。如果采用单丝杆传动，同样存在杆稳定和经济性问题，且其传动效率不高 (滚珠丝杠效率较高，但经济性较差)。所以在实践中几乎无应用实例。

综合上述，液压马达+链轮+链条驱动传动平稳性差，位置准确度误差较大；齿轮齿条传动机构驱动的开式传动致使齿面磨损较大，齿轮啮合间隙较大，位置准确度不高；短程液压缸+人工手动插销驱动的人工插销效率低，可能存在安全隐患。为了精确控制臂梁行程，并消除人工操作的安全隐患，笔者设计了 1 套“短程液压缸+插销装置+行程闭环控制”的自动插销机构，结合电液控制系统，实现臂梁的前进和后退自动运行，并能准确地控制支承臂梁到达指定位置，为实现作业机械臂整机的自动作业奠定了基础。

3 自动插销驱动

3.1 机构组成

自动插销驱动原理如图 5 所示，驱动液压缸与车架体通过支座铰连接，插拔销机构与液压缸活塞杆铰连接，并跟随驱动液压缸活塞杆移动。插拔销液压缸与插拔销机构装配成一体，插拔销机构如图 6 所示。

图5 自动插销驱动原理Fig.5 Principle of automatic pin drive

图6 插拔销机构Fig.6 Plug pin device

插拔销机构原理如图 7 所示。插拔销机构采用双摆杆，通过连杆将液压力施加于插销上，实现对插销的插拔动作。插拔销机构的 4 个滚轮支承于臂梁下部的轨道上，并在主液压缸活塞杆的推拉力作用下移动。

图7 插拔销机构原理Fig.7 Principle of plug pin device

驱动液压缸内置位移传感器，为臂梁移动提供驱动力；插拔销液压缸内置传感器或外置行程开关，为插拔销机构实现插拔销动作提供驱动力；制动器用于在拔销后再次插销前臂梁的失控档期提供制动力，防止臂梁因倾斜、振动或其他意外因素发生位置滑移。

3.2 可行性分析

自动插销机构的基本工作模式是：插销插入臂梁销孔后，驱动液压缸带动臂梁移动；插销拔离臂梁销孔后，驱动液压缸带动插拔销机构移动至下一个销孔位，再次将插销插入臂梁销孔，如此实现臂梁的移动。

根据自动插销驱动原理，结合液压阀的动作分析机构的工作情况。设计要求：停止 (即初始) 状态时，驱动液压缸与臂梁之间必须使插销处于插入结合状态。自动插销工作逻辑流程如表 1 所列。

表1 自动插销工作逻辑流程Tab.1 Process flow of working logic of automatic plug pin

由表 1 可知，该机构通过传感器的判断和液压阀的逻辑控制，可以实现过程循环，从而满足臂梁实现朝指定方向运动的功能需求。

3.3 电气控制设计

臂梁进退控制如表 2 所列。控制部分选用西门子S7-200 SMART，该型号 PLC 结构紧凑，安装方便，比较适合小型集成化设备。

表2 臂梁进退控制Tab.2 Control of beam advancing and withdrawing

手动模式下，根据现场工况需要，通过遥控器手动给定来控制运行速度和插销电磁阀的动作。手动模式下必须根据实际的位移传感器反馈数值操作插销。

自动模式下，插销自动循环部分使用顺序控制的 SCR、SCRT、SCRE 指令。插销自动控制流程如图 8 所示。允许自动运行的条件主要包括：选择自动模式、位移传感器在自动允许范围内、插销接近开关动作等。该控制流程可以满足表 1 中插销装置的起始状态，并在运行过程中根据位置反馈自动进行速度控制，在起步和到位时速度较低，中间部分速度较高，可以减少起步和停止时的惯性冲击，保证臂梁的稳定性。

图8 插销自动控制流程Fig.8 Process flow of automatic control of plug pin

4 工程设计中的注意要点

根据自动插销原理设计了臂梁推进机构，经样机的工作实践验证，该原理能够保证臂梁的连续推进，位置精度控制较高。由于采用位置闭环控制，运动状态稳定。误差是所有机械机构和控制系统不可避免而又不可回避的问题，有时其关键误差对机构设计的成败具有决定意义。

机构的误差主要表现在机械误差和控制误差。由于驱动臂梁移动的过程是通过插拔销和液压缸往复运动而实现的，所以该机构可行的关键是插拔销功能的实现，依此确定其机械误差主要有：①臂梁孔距误差；② 插销与销孔的配合误差；③插销与销孔的高度位置误差；④ 插销与销孔的同轴度误差。控制误差主要取决于驱动液压缸位移传感器的精度。

为减少上述可能影响机构的误差问题，在工程设计中采取了以下几方面的措施：①保证臂梁插销孔距尺寸的一致性，每 2 个相邻插销孔距尺寸误差小于0.05 mm；② 插销与销孔的配合采用 H7/f7；③臂梁制造时，保证销孔距轨道滚轮面的高度误差小于0.05 mm，减小高度误差对插销功能的影响；④插拔销机构的滚轮设置有轮缘，以减小插拔销机构的运动方向误差，即降低插销与销孔的同轴度误差；⑤插销的插入端倒角，以利于插销插入销孔；⑥ 驱动液压缸与机体之间、驱动液压缸活塞杆与插拔销机构之间均采取球铰连接，以减小装配误差对插拔销机构的影响。

5 结语

综合分析目前常见臂梁驱动的不足，设计了一套“短程液压缸+插销装置+行程闭环控制”的自动插销机构，通过电液比例控制实现了对臂梁的长行程直线运动，并能准确地控制支承臂梁到达指定位置。该机构提高了机械臂作业效率，降低了劳动强度，为实现机械臂整机的自动作业奠定了基础，避免了采用长行程液压缸出现稳定性和空间受限等问题，同时在一定程度上降低了成本，消除了人工操作的安全隐患。