襯板機械手的基本型式及自由度分析

胡同海，楊柳松，魏紅霞，王富勇，王 晶，王正國

1洛陽中重自動化工程有限責任公司 河南洛陽 471039

2洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

3礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

4中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

磨機是選礦行業(yè)的主流裝備，為提高經濟效益，越來越多的企業(yè)開始使用大型磨機，且更加關注系統在全生產周期的綜合效能，盡可能縮短維護時間，磨機內部襯板的更換則是影響其運轉率的重要因素之一[1]。基于提高效率、保障安全、降低工人勞動強度、減少用人等方面的因素，近年來越來越多的選礦企業(yè)開始采用機械手進行襯板換裝[2-3]，實踐證明效果良好，因此襯板機械手正在日益成為磨機領域不可或缺的工具裝備。

機械手作為一種多關節(jié)機構的機械裝備，其型式和自由度數是設計者首要考慮的基本問題。通常，在三維空間內，具有 6 個自由度的機械臂可以滿足各個位置位姿功能的需要，但是較多的自由度在使機械手變靈活的同時，也會引起機械臂的整體剛性及精度可控性下降，導致結構復雜，成本增加。因此，正確分析作業(yè)現場工況、工藝需求及相關條件，使機械手的自由度數與任務相適應[4]，綜合考量機械手的技術經濟性，具有現實意義。

眾所周知，產品設計離不開實際應用的需求，故筆者從磨機應用現場的環(huán)境條件著手分析，以確定機械手的主要任務和型式，進而再通過對機械手的作業(yè)過程進行分析，以確定其關節(jié)自由度需求。

1 環(huán)境條件

1.1 礦用磨機

筆者研究的磨機是一種筒式礦用磨機，屬非標產品，每臺磨機現場環(huán)境均有差異，但其安裝條件卻基本類似，如圖 1 所示。磨機兩端有 2 個軸承支承，磨機可繞軸承中心回轉。在磨機周邊一定的高度鋪設有2 層平臺，與磨機相關的維保工作一般在此平臺上。磨機是通過自身的連續(xù)回轉使磨內礦物與鋼球混合并拋落以達到破碎粉磨礦石的目的，因此在磨機殼體的內壁均拼裝鋪設一層耐磨襯板。由于磨機的磨礦作業(yè)，襯板會出現破裂、磨損等現象，故需要定期或不定期更換，當磨機停機維護時，磨內會留存一定量的物料和鋼球。

1.2 襯板

圖1 磨機及內部結構示意Fig.1 Structural sketch of mill and interior

目前我國礦用磨機襯板的質量從數百到數千公斤不等，屬損耗件，磨損到一定程度時必須進行更換。襯板種類如圖 2 所示，主要有筒體襯板、端部襯板，還有一種在磨機角落處安裝的角襯板。其中角襯板是筒體襯板和端襯板之間的過渡件，因數量較少，更換相對不頻繁，不作為機械手主要更換對象。磨機內壁襯板層由多塊拼裝而成，安裝時，一方面要與磨機筒壁貼合，并對正襯板的安裝螺栓孔；另一方面還要與周邊的襯板保留一定的間隙，以安裝密封條，并且不發(fā)生干涉。

圖2 襯板種類Fig.2 Types of liner

2 機械手的任務和型式

磨機內部屬于頂部封閉的有限空間，一般的起重設備難以發(fā)揮作用，且襯板質量較重，超出了人自然力范圍，因此，襯板安裝作業(yè)需要借助機械裝備。通常情況下，為實現襯板更換和安裝，該機械裝備至少應具備兩大基本功能：一是可完成新/舊襯板在磨機內外之間的運輸；二是實現磨機內腔襯板的起重搬移。在此基礎之上，增加襯板位姿調節(jié)功能以達到安裝要求，這就是較完整的多自由度機械手的功能和任務。基于此，可以采用的襯板機械手總體基本型式如圖 3 所示，主要由機體、支撐臂和作業(yè)臂構成。

圖3 襯板機械手總體基本型式Fig.3 General basic structural type of liner manipulator

機體是作業(yè)臂的總基礎，因處于懸臂作業(yè)狀態(tài)且存在多向傾翻力矩，故前后均需錨固；支撐臂承擔機械手在磨機內外方面的聯系，它一方面將作業(yè)臂送達作業(yè)位置，另一方面也是作業(yè)臂的直接承載基礎，同時還是襯板內外輸送車的軌道；作業(yè)臂承擔機械手在磨內的襯板吊重、搬移和調姿等作業(yè)功能，而其功能實現主要取決于它的自由度數量。該機械手的基本作業(yè)流程包括：新襯板送入磨內→作業(yè)臂抓取襯板→移動至目標位置，重復該過程。

3 機械臂的自由度

作業(yè)臂是機械手實現功能的核心組成部分，也就是通常所說的機械臂，在分析其自由度之前先要確定機械臂的作業(yè)位置和作業(yè)范圍。

3.1 機械臂換裝襯板的可作業(yè)范圍

盡管磨機內壁鋪滿襯板，但由于磨機內腔中下部有物料和鋼球積存，導致磨機停止時該處襯板無法拆裝更換；同時由于襯板固定螺栓需要人工傳送和固定，使位于磨機中上部較高位置處的襯板換裝難以實施。針對這種情況，通常做法是通過磨機的間斷回轉停機，使需要換裝的襯板到達設定的作業(yè)區(qū)間。由于磨機規(guī)格不同，襯板換裝的作業(yè)區(qū)間略有不同，但均位于磨機中心水平面偏下的一定范圍內，以便于人工協作。如圖 4 所示，在磨內物料形成的平面以上30°～ 40°區(qū)間具備襯板安裝和更換條件。

3.2 機械臂在磨機內的軸向作業(yè)位置

圖4 磨機內作業(yè)區(qū)間示意Fig.4 Sketch of operation section inside mill

機械臂在磨內作業(yè)時，選擇 1 或 2 個作業(yè)位置，一方面可使機械臂處于某一相對穩(wěn)定的狀態(tài)，另一方面可提高作業(yè)效率。通常可按以下兩種情況選擇機械臂的作業(yè)位置：對于自磨或半自磨類長徑比較小的磨機，機械臂應能夠在磨內軸向的 1 個位置完成作業(yè)區(qū)間所有襯板的換裝作業(yè)，如圖 5 所示；對于球磨或棒磨類長徑比較大的磨機，機械臂可在磨內軸向的 2 個位置開展襯板換裝作業(yè)，如圖 6 所示。

圖5 (半)自磨機作業(yè)臂及作業(yè)位置Fig.5 Manipulator arm of SAG/AG mill and its operation location

圖6 磨機作業(yè)臂及作業(yè)位置Fig.6 Manipulator arm and operation location of mill

在確定機械臂的作業(yè)位置和作業(yè)范圍后就可根據作業(yè)工況確定機械臂的自由度。由于機械臂處于有限空間內，一方面要考慮到它的功能性，另一方面還要考慮機械臂在有限空間內的自由運動通過性，使之不與磨機內壁發(fā)生干涉和碰撞，并到達需要的任何位置。

3.3 三自由度機械臂

確定機械臂的自由度時，首先要確定到達襯板所需的基本自由度。機械臂所需基本自由度示意如圖 7所示，可知：

(1) 因襯板分布于磨機水平面一周的位置，且只能通過磨機的進/出料口進出襯板，因此機械臂應具備 360°水平面內回轉的能力；

圖7 機械臂基本自由度示意Fig.7 Sketch of basic degree of freedom required by mechanical arm

(2) 襯板的位置距離機械臂回轉中心 (作業(yè)位置)的距離是不同的，同時磨機的直徑和長度也是不同的，因此要使機械臂在磨機一定空間內自由運動并可達到任意襯板位置，機械臂的回轉半徑應該具備可變化功能，通常實現變徑的方法是采用伸縮臂機構或折臂機構；

(3) 機械臂還應具備對工件 (襯板) 的起升和下放能力。

因此，具備上述 3 個自由度機械臂就能夠將工件送達至目標位置附近，但是無法對工件的姿態(tài)進行調整，因此，三軸機械手一般不配備抓具，而是配備鋼繩或鋼鏈等柔性索具吊掛襯板實現拆裝任務，而且三自由度機械臂需要工人輔助進行襯板姿態(tài)調節(jié)，主要適用于質量較小 (1 000 kg 以下) 的工件安裝，且其作業(yè)范圍要考慮到人員基本條件和能力，一般位于磨機中心水平面靠下的位置。對于小型磨機來說，因其磨口可通過尺寸小，在實際作業(yè)時采用三自由度仍有必要。

3.4 六自由度機械臂

對于質量高達數噸的大型襯板，由于質量、勞動強度及安全性等因素，通過三自由度機械臂和人員輔助調姿就相當困難，此時增加其他自由度就顯得尤為必要。機械臂在抓具穩(wěn)定夾持工件條件下，通過機械臂調姿各關節(jié)的組合運動，可使工件的姿態(tài)達到安裝要求。下面就根據磨機襯板安裝過程的幾個典型工況，分析確定機械臂調姿關節(jié)的自由度需求。

3.4.1 襯板抓取

磨機襯板一般裝有 2 個同軸吊耳，所以抓具可設計成雙銷對插方式，通過機械臂的關節(jié)運動將抓具插銷快速順利插入襯板吊耳孔中實現抓取。參照襯板抓取所需自由度，分析抓具和襯板之間的空間位置關系可知，襯板抓取需要進退、橫移、升降、滾擺和平擺5 個自由度，如圖 8 所示。

圖8 襯板抓取自由度示意Fig.8 Sketch of degree of freedom required for grasping liner

3.4.2 襯板的安裝姿態(tài)調整

磨機筒體襯板和端襯板在外形上雖略有差異，端襯板一般呈扇形，筒體襯板近似于平行四邊形，但其安裝要求基本一致，即：襯板背部弧面與磨機筒壁貼合，并對正螺栓安裝孔，同時還要注意襯板外邊緣與相鄰襯板的間距控制。參照圖 9，分析磨機筒壁和襯板之間的空間位置關系可知，姿態(tài)調整對正安裝需要橫移、滾擺、舉擺、升降、進退和平擺 6 個自由度。

圖9 機械臂調姿自由度示意Fig.9 Sketch of degree of freedom required for controlling manipulator posture

圖10 不同位置襯板安裝自由度示意Fig.10 Sketch of degree of freedom required for installing liner at various location

3.4.3 不同襯板位置對自由度要求

由前述可知，磨機內不同襯板位置對自由度的要求亦不相同，圖 10 所示為不同位置對機械臂自由度的需求示意，可以看出，要使襯板底部平行于筒壁面，需要有一個平擺關節(jié)；要使襯板底部貼合磨機圓筒內壁，需要有一個舉擺關節(jié)；襯板拼接時需要有一個滾擺調節(jié) (見圖 9)。

需要注意的是，從圖 10 分析關節(jié)運動可以發(fā)現，當平擺軸線不垂直時，其平擺運動會使襯板原姿態(tài)發(fā)生滾擺角度變化，這時就需要有相應的滾擺關節(jié)對平擺調節(jié)進行修正。另外，機械臂基本自由度中的舉升自由度與舉擺自由度，看起來功能類似，但仔細分析二者在三維空間的不同狀態(tài)后可以發(fā)現，只在特定位置和條件下有重復性，無空間適用性，因此二者無法相互替代。

因此，在確定機械臂的自由度時要綜合考慮機械臂在不同位置、狀態(tài)的情況，要能滿足作業(yè)區(qū)內任意位置的調姿需求，既要有普遍性，同時還要考慮機械臂不同關節(jié)間運動的相互影響。對于大中型磨機來說，任何移動和姿態(tài)調整均超出了人類的極限，為滿足磨內任何位置襯板拆裝要求，增加自由度顯得尤為重要。

3.5 多自由度的協作與布置

對于串聯結構機械手，各自由度在空間的運動方位和軌跡是相互影響的，實際上工件的實際運動方位、位置、姿態(tài)調節(jié)是多個關節(jié)組合運動的結果。比如圖 10 中，要使襯板沿磨機軸線方向直線移動，需要伸縮和平擺聯合運動，如果在此過程中需要保持襯板姿態(tài)不變，滾擺運動也需要參與進來。諸如此類。

另外，在分析確定所需自由度數量和類型后，進行實際產品設計時，不同自由度的放置順序也需要考慮，比如調位姿的平擺、滾擺、舉擺 3 個自由度的布置時，通過分析可以發(fā)現，這 3 個自由度的前后順序對功能的實現并沒有實質性差別，但在具體實現方式上，由于受到關節(jié)的結構型式、驅動方式、驅動元器件、運動范圍、受力條件等多方面的影響，會有一個相對合理的布置方式，這還需要結合機械手實際應用情況具體分析。

4 結語

通過分析可知，機械手作為具有多關節(jié)運動和較好靈活適應性的一種工業(yè)產品，由于其應用環(huán)境場合的不同，其型式也各不相同，但最終均需滿足實際工況的功能需求，自由度數確定需要在統籌考慮任務、功能、效率、適應性和經濟性的基礎上進行合理取舍，以實現最佳性價比。