剪叉式高空作業平臺與機器人的集成設計及研究

徐彩云/XU Cai-yun

（江蘇柳工機械有限公司，江蘇 鎮江 212000）

1 研究背景

1.1 自行剪叉式高空作業平臺

自行剪叉式高空作業平臺的底盤采用箱型結構；剪叉式結構的臂架，以高強度材質方管為主體，能承載較大的載荷，同時保障工作平臺的起升和下降有較高的穩定性。承載工具及操作人員的工作平臺，由主平臺及延伸平臺兩部分組成。延伸平臺可橫向延伸出去，使高空作業范圍更大、效率更高。電池、電機和控制閥等重要元器件均布置于底盤，加大整體穩定性的同時，具備良好的維修性。蓄電池為自行剪叉式高空作業平臺提供動力，通過底盤上的下控操作面板或工作平臺上控制手柄的操縱，使其轉向和行走至所需位置，上升或下降至不同高度。

自行剪叉式高空作業平臺具備較高的安全性能，設備在進行所有動作時都有報警提示，標配底盤傾斜報警裝置和坑洞保護裝置，剪叉臂舉升后自動切換到慢速行駛等，這一系列安全裝置及控制邏輯，保障設備和操作人員的安全。

1.2 工業機器人

工業機器人是適用于工業領域的多關節、多自由度的機械手。工業機器人可以通過接受指令或預先編排的程序運行，其動作靈敏、精準，按設定的軌跡及步驟完成動作。

工業機器人被廣泛應用于汽車制造業、電子電氣等輕工業和食品行業等。工業機器人在工業生產中受到無比青睞的主要原因是：某些單調、重復和頻繁的長時間作業，與人工操作相比，它更易把控、效率更高、質量更好；沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝等工序的操作危險、環境惡劣，工人在長時間作業下，對人體健康有相當大的影響，而工業機器人只需定期保養即可。

工業機器人代替人工作業，是工業化時代發展的必然結果，不僅可以提高勞動生產率、降低成本，還可提高產品質量。

1.3 集成方案設想

以上兩者分別是高空作業和工業化智能制造領域的佼佼者。將兩者集成于一體，以自行剪叉式高空作業平臺為基座，機器人為執行主體，便賦予了自行剪叉式高空作業平臺一位八面玲瓏的自動化“操作手”，實現在高空的無人化作業；賦予了機器人強壯的“雙腿”與“臂膀”，“雙腿”可行走和轉向至目標位置，“臂膀”可舉升至目標高度。

集成后的設備（以下簡稱“剪叉機器人”），可應用于高空的自動化焊接、涂裝和打磨等工況，實現高空無人化安全作業的同時，提高勞動生產率、提高生產質量、降低生產成本應用前景良好。

2 剪叉機器人的設計

某公司的鑄件產品是高度約3.5m，形狀規則，因鑄造件表面較粗糙，需增加打磨工序來保證外觀要求?？紤]打磨會產生較多粉塵，對打磨工人的健康危害較大，且屬于單一重復工作，剪叉機器人這一設備可滿足此工況需求。

考慮工件較大，選用了某品牌5 寸自動化氣動打磨頭，偏擺直徑5mm，空轉速度12000rpm，耗 氣 量0.38m3/min，噪 音 值60dMa，重量1.1kg。

機器人選用某品牌垂直關節六自由度多用途機器人，最大可搬運重量50kg，位置重復精度±0.05mm，電源容量10kVA，頂點動作范圍2000mm，本體重量520kg。

考慮工件的高度及機器人本體的重量，選用現有最小型號剪叉，即2 層叉臂，最大平臺作業高度為4m 的剪叉來改裝較為合適，可同時滿足作業高度及載重量。

3 總體及結構件設計

考慮工況所需求的高度和機器人自身可工作范圍，剪叉的平臺高度2m 即可，故需將現有2層叉臂，最大平臺作業高度為4m 的剪叉，改裝成1 層叉臂，最大平臺作業高度為2m 的剪叉。

首先叉臂部分，叉臂的舉升和下降是靠液壓油缸的伸縮來實現，原2 層叉臂結構，舉升油缸的缸頭安裝于第一節叉臂，桿頭安裝于第二節叉臂，現由2 層叉臂改為1 層叉臂，舉升油缸的安裝點位需重新設計。在結構不干涉的前提下，初定油缸的2 個安裝點位，然后借助于ADAMS 機械系統動力學自動分析軟件建模（圖1），從舉升高度、鉸點受力等多維度，對點位進行優化，得出點位，同時可得到舉升油缸推力曲線（圖2），和舉升油缸長度曲線（圖3）。

圖1 ADAMS機械系統動力學自動分析軟件建模

圖2 舉升油缸推力曲線

圖3 舉升油缸長度曲線

工作平臺部分，原平臺的功能是載人載工具，現需改裝成安裝機器人的堅實底板，故取消工作平臺的延伸平臺及護欄，將底板由3mm 厚加至12mm厚，機器人安裝部位加焊16mm墊板，增加機器人安裝螺絲的旋入深度，保證機器人的平穩。

至此，剪叉機器人的主體結構已搭建完成，因重量、點位等發生了變化，有必要對關鍵叉臂做CAE 分析，Ansys 分析結果顯示，舉升油缸根部強度不夠，應力集中，應力值超出材料的許用安全應力（圖4），需對此處進行加強，加強后再次分析，加強有效，應力分散，應力值降低（圖5）。

圖4 應力值超出材料許用安全應力

圖5 加強后應力值分散

3.1 液壓系統設計

較原剪叉式高空作業平臺，液壓系統的變化僅是舉升油缸，由圖2、圖3 舉升油缸推力曲線和舉升油缸長度曲線，可計算出舉升油缸的各項參數：最小安裝距560mm，最大安裝距810mm，油缸最大靜載荷68000N，系統允許最大壓力17MPa，缸徑80mm，桿徑63mm。

3.2 電氣及控制系統

剪叉式高空作業平臺自帶的蓄電池提供行走與舉升的動力，外接電源為機器人提供動力。

剪叉式高空作業平臺的控制系統集成于機器人的控制系統，由機器人的控制界面，同時控制剪叉的所有動作，包括故障代碼的顯示等等，如此二合一的控制系統，操作方便，有助于設定自動化作業程序等。

4 樣機制造及測試

依據以上設計方案，按樣機制造管理流程制造整機并下線（圖6），經調試，樣機具備設計定義的所有功能，經測試，滿足設計定義的所有參數。

圖6 樣機

設備工作時的穩定性是否符合要求，是衡量設備是否合格的一項重要指標。此剪叉機器人結合自行剪叉式高空作業平臺和工業機器人的使用條件，根據其具體使用工況，將剪叉機器人分別置于工作允許最大角度：橫向1.5°，縱向3°，再加0.5°富余的斜坡上，將剪叉舉至最高，在前后左右4 個方位，將機器人手臂伸至最不利于穩定性的位置，將所有的力折算成最高點的側向拉力，判斷設備是否有傾翻風險，試驗結果證明其各個位置均滿足穩定性要求。

5 工況適應性驗證

針對前期確定的工況，按實際工作時整個過程中的軌跡及動作，對剪叉機器人設置了自動化作業程序，剪叉行走、轉向、舉升、下降動作，機器人的旋轉、各關節的復合動作均由控制系統完成，高效完成高空狀態的無人化作業。

6 結語

剪叉式高空作業平臺與機器人的成功集成與應用，證實了不同領域的機械設備是可以通過改裝設計，集成一體，發揮各自優勢的，在新的領域、新的工況，更好地實現新的功能。智能控制技術，賦予了傳統機械設備“超強大腦”，推動了工業生產的進步。