馮海濤,史發(fā)慧,胡志華

(1.安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心有限公司,北京 100013; 2.常州科研試制中心有限公司,江蘇 常州 213000)

當(dāng)前,我國大部分煤礦井下開采搬運(yùn)仍然采用自動(dòng)工作模式,其中各類搬運(yùn)設(shè)備均需要由工作人員進(jìn)行手動(dòng)操控作業(yè)。但相對來說,井下工作條件極為惡劣,其不僅會(huì)影響到開采搬運(yùn)設(shè)備操作效果,還可能會(huì)威脅到作業(yè)人員的人身安全。因此,推動(dòng)煤礦井下開采搬運(yùn)設(shè)備自動(dòng)化發(fā)展,降低人工操作需求,提高煤礦井下開采搬運(yùn)效率及效果已經(jīng)成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)內(nèi)容。然而結(jié)合實(shí)際情況來看,國內(nèi)外井下自動(dòng)化設(shè)備主要集中在井下救援、開采掘進(jìn)等領(lǐng)域,而對于開采搬運(yùn)的相關(guān)研究則較少。針對此種情況,介紹一種煤礦井下搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì),為后續(xù)搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考,將具有一定的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 煤礦井下標(biāo)準(zhǔn)化搬運(yùn)策略

為簡化搬運(yùn)機(jī)器人的搬運(yùn)流程,實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)輸?shù)饶繕?biāo),結(jié)合煤礦井下巷道特殊工況及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),指出煤礦井下標(biāo)準(zhǔn)化搬運(yùn)策略,具體內(nèi)容如下。

煤礦井下搬運(yùn)中所涉及的物料種類相對較多,具體設(shè)計(jì)中難以根據(jù)每一種物料設(shè)計(jì)出專用的搬運(yùn)設(shè)備,所以在設(shè)計(jì)中為增強(qiáng)搬運(yùn)機(jī)器人的搬運(yùn)效果,引入標(biāo)準(zhǔn)化、通用化理念[1],構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化載具及容器,進(jìn)而形成標(biāo)準(zhǔn)化載具及容器,如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)化載具及容器示意Fig.1 Schematic diagram of standardized vehicles and containers

圖1中,標(biāo)準(zhǔn)化載具上設(shè)置有若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化卡槽,每個(gè)卡槽均有標(biāo)準(zhǔn)化容器單元組成,相鄰標(biāo)準(zhǔn)化容器單元之間間隔距離為30 cm,并根據(jù)物料體積特點(diǎn),設(shè)置3種容器規(guī)格,分別為S、M、B,對應(yīng)著小型、中型以及大型容器,容量長度分別為L、2L+d、4L+d,所有容器的寬度均為W。

其次,根據(jù)不同的物料類型,標(biāo)準(zhǔn)化容器還可以分為設(shè)備型、散料型、長料型以及液體型,分別用于運(yùn)輸設(shè)備、散料、長料以及液體,以滿足煤礦井下物料多樣化運(yùn)輸需求。根據(jù)井下運(yùn)輸設(shè)備類型差異,可將標(biāo)準(zhǔn)化載具分為有軌型標(biāo)準(zhǔn)化載具和無軌型標(biāo)準(zhǔn)化載具,其中無軌型標(biāo)準(zhǔn)化載具主要由膠輪車載運(yùn)平臺(tái)和車頭2部分組成,由于采用無人設(shè)計(jì),所以可取消駕駛室[2];有軌型標(biāo)準(zhǔn)化載具則與電機(jī)機(jī)車相連[3-4]。

最后,針對不同規(guī)格物料還需采用不同的搬運(yùn)策略。其中針對小規(guī)格物料,采用小型標(biāo)準(zhǔn)化容器打包,采用機(jī)械臂在狹窄巷道內(nèi)進(jìn)行快速轉(zhuǎn)移和裝卸;針對中規(guī)格物料,則采用中型標(biāo)準(zhǔn)化容器打包,采用搬運(yùn)鏟板實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)運(yùn)和裝卸[5];針對大規(guī)格物料,采用大型標(biāo)準(zhǔn)化容器打包,再通過多個(gè)機(jī)器人協(xié)同配合方式進(jìn)行設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)工作。

2 煤礦井下搬運(yùn)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案

煤礦井下搬運(yùn)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 煤礦井下搬運(yùn)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案Fig.2 Overall design scheme of underground handling robot in coal mine

根據(jù)煤礦井下標(biāo)準(zhǔn)化搬運(yùn)策略的相關(guān)要求可知,煤礦井下搬運(yùn)機(jī)器人需要具備標(biāo)準(zhǔn)化容器工作機(jī)構(gòu)、巷道內(nèi)靈活轉(zhuǎn)運(yùn)的運(yùn)動(dòng)底板以及自動(dòng)化作業(yè)控制系統(tǒng)。根據(jù)以上要求,提出以下機(jī)器人主體設(shè)計(jì)方案、感知控制系統(tǒng)方案、運(yùn)動(dòng)控制器方案。

(1)機(jī)器人主體設(shè)計(jì)方案。煤礦井下搬運(yùn)機(jī)器人主要由轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂、鏟叉機(jī)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)底板3部分組成,其中轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂主要用于小型標(biāo)準(zhǔn)化容器轉(zhuǎn)運(yùn)和裝卸作業(yè);鏟叉機(jī)構(gòu)主要用于中型標(biāo)準(zhǔn)化容器的轉(zhuǎn)運(yùn)和裝卸作業(yè);運(yùn)動(dòng)底盤主要采用鉸接式底板,可滿足煤礦井下巷道靈活轉(zhuǎn)運(yùn)需求[6]。具體來說,煤礦井下搬運(yùn)機(jī)器人最大搬運(yùn)質(zhì)量為5 t,最大移動(dòng)速度為18 km/h,最大提升高度為1 m。

(2)感知控制系統(tǒng)方案。感知控制系統(tǒng)主要由環(huán)境感知模塊、工控機(jī)、通信模塊3部分組成,其中環(huán)境感知模塊中配置激光雷達(dá)和工業(yè)相機(jī);工控機(jī)中集成定位模塊,可實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航和UWB等功能;通訊模塊則采用LORA和5G通信。

(3)運(yùn)動(dòng)控制器方案。煤礦井下搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械部分與感知與控制部分主要以運(yùn)動(dòng)控制器相連,考慮到煤礦井下工作環(huán)境極為惡劣,運(yùn)動(dòng)控制器選用穩(wěn)定性更高的PLC控制器。選用S7-1200PLC,該P(yáng)LC中集成50 KB工作存儲(chǔ)器;1MB裝載存儲(chǔ)器;額定電壓為20.4～28.8 V(DC)、85～264 V(AC);IEC定時(shí)器,每個(gè)定時(shí)器16字節(jié);IEC型DB結(jié)構(gòu)計(jì)數(shù)器。同時(shí)該P(yáng)LC具備16個(gè)I/O接口,支持大多數(shù)以太通信協(xié)議,可滿足諸多外界設(shè)備接入及控制[7],符合設(shè)計(jì)要求。

在3種控制方案的支持下,煤礦井下搬運(yùn)機(jī)器人可通過設(shè)置在車身各區(qū)域的傳感器采集井下環(huán)境信息和車輛狀態(tài)信息,相關(guān)數(shù)據(jù)信息通過通訊模塊傳輸至工控機(jī),由工控機(jī)初步處理后,再交由運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行深度分析處理,運(yùn)動(dòng)控制器基于數(shù)據(jù)信息,根據(jù)預(yù)定控制方案對機(jī)械部分發(fā)出控制指令,控制機(jī)械部分實(shí)現(xiàn)物料裝載轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)。根據(jù)搬運(yùn)機(jī)器人控制要求,確定搬運(yùn)機(jī)器人定位精度為1 m、重復(fù)抓取進(jìn)度為10 mm、感知范圍為0～50 m。

3 煤礦井下搬運(yùn)機(jī)器人詳細(xì)機(jī)械設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂主要用于小型標(biāo)準(zhǔn)化容器轉(zhuǎn)運(yùn)和裝卸作業(yè),其實(shí)際設(shè)計(jì)包括機(jī)械臂主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2部分,具體內(nèi)容如下。

3.1.1 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

煤礦井下轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)域處于運(yùn)輸大巷與工作面運(yùn)輸巷交叉位置,一般情況下,運(yùn)輸大巷較寬而運(yùn)輸巷較窄,所以為提高轉(zhuǎn)運(yùn)效率,將轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)設(shè)置在運(yùn)輸大巷側(cè),采用機(jī)械臂將小型標(biāo)準(zhǔn)化容器轉(zhuǎn)運(yùn)到順槽車上。根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)空間及環(huán)境特征,結(jié)合小型標(biāo)準(zhǔn)化容器轉(zhuǎn)運(yùn)需求,確認(rèn)機(jī)械臂必須要具備結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)運(yùn)靈活等特性,并且由于井下運(yùn)載量較大,所以機(jī)械臂還需要具備良好的負(fù)載能力[8]。綜合以上需求,確認(rèn)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂應(yīng)具備1 t以上的負(fù)載能力,并且轉(zhuǎn)運(yùn)中振動(dòng)幅度較小,整體結(jié)構(gòu)緊湊,靈活性較高,可滿足煤礦井下復(fù)雜環(huán)境工況下轉(zhuǎn)運(yùn)需求。

參考現(xiàn)有機(jī)械人機(jī)械臂結(jié)構(gòu),可將轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂分為直角坐標(biāo)型轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂、圓柱坐標(biāo)型轉(zhuǎn)移機(jī)械臂、球坐標(biāo)型轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂、多關(guān)節(jié)型轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂等4種結(jié)構(gòu)類型[9]。其中直角坐標(biāo)型轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂具有剛性大,操作控制簡單等優(yōu)勢,但同時(shí)也存在可操作性空間小、運(yùn)行效率低等不足;圓柱坐標(biāo)型轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂則具備工作范圍大,操作控制簡單方便的優(yōu)勢,但同時(shí)也存在著障礙規(guī)避困難、工作污染大等不足;球坐標(biāo)型轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂則具備工作空間大、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作等優(yōu)勢,但同時(shí)其也存在的結(jié)構(gòu)密封性較差,運(yùn)動(dòng)死區(qū)較多等不足;多關(guān)節(jié)型轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂則具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)靈活等優(yōu)勢,但同時(shí)也存在著控制難度大的不足。綜合分析后,確認(rèn)搬運(yùn)機(jī)器人采用多關(guān)節(jié)型轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂結(jié)構(gòu),其主要驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)包含1個(gè)旋轉(zhuǎn)底座和2個(gè)俯仰關(guān)節(jié)[10]。

3.1.2 機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用當(dāng)前機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)最為常用的電驅(qū)動(dòng)模式,所配置的驅(qū)動(dòng)設(shè)備為直流伺服電機(jī)。由于搬運(yùn)機(jī)器人轉(zhuǎn)運(yùn)過程需要長時(shí)間在同一轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)轉(zhuǎn)運(yùn)工作,所以設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)運(yùn)過程采用定點(diǎn)式轉(zhuǎn)運(yùn)模式,機(jī)械臂中機(jī)械結(jié)構(gòu)的減速器采用具有體積小、安裝方便、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的擺線減速器[11]。根據(jù)以上硬件結(jié)構(gòu)初步實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂基本結(jié)構(gòu)模型,采用三維建模軟件進(jìn)行模型構(gòu)建后,形成的機(jī)械臂基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂基本結(jié)構(gòu)Fig.3 Basic structure diagram of transfer mechanical arm

由圖3可知,轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂主要包括底座旋轉(zhuǎn)自由度、前臂旋轉(zhuǎn)自由度、后臂旋轉(zhuǎn)自由度3個(gè)自由度,具體設(shè)計(jì)中需要分別為轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂各旋轉(zhuǎn)自由度設(shè)置對應(yīng)的回轉(zhuǎn)角度范圍,綜合需求及機(jī)械臂基本結(jié)構(gòu)特征后,確認(rèn)底座旋轉(zhuǎn)、前臂旋轉(zhuǎn)、后臂旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)角度范圍分別為0°～270°、0°～150°、0°～90°。另外,根據(jù)工作作用可將轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂分為工作機(jī)構(gòu)和維穩(wěn)機(jī)構(gòu)2部分,其中工作機(jī)構(gòu)主要包含前臂、后臂、旋轉(zhuǎn)底座以及驅(qū)動(dòng)電機(jī),相關(guān)結(jié)構(gòu)直接影響轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂的工作性能及抓取范圍;維穩(wěn)機(jī)構(gòu)則包括前后平衡桿、平衡臂、水平保持架等,相關(guān)結(jié)構(gòu)直接影響轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)中維穩(wěn)效果。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂末端設(shè)置有鏟叉式夾持結(jié)構(gòu),具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 鏟叉式夾持結(jié)構(gòu)Fig.4 Fork type clamping structure

3.2 鏟叉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化容器搬運(yùn)策略要求,確認(rèn)鏟叉機(jī)構(gòu)應(yīng)用具備5 t以上的載重性能,離地間隙和抬升高度分別為500、400 mm。

鏟叉機(jī)構(gòu)采用舉升傾翻式結(jié)構(gòu),此種結(jié)構(gòu)更適用于較大型外側(cè)設(shè)備的提升轉(zhuǎn)運(yùn)操作。驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)則同樣采用電驅(qū)動(dòng)方式,可有效保障鏟機(jī)機(jī)構(gòu)的承載能力、工作效率以及精準(zhǔn)控制。根據(jù)鏟叉機(jī)構(gòu)基本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),通過三維模型軟件構(gòu)建仿真模型如圖5所示。

圖5 鏟叉機(jī)構(gòu)Fig.5 Shovel fork mechanism

3.3 運(yùn)動(dòng)底板設(shè)計(jì)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化容器搬運(yùn)策略要求,確認(rèn)運(yùn)動(dòng)底板總體長度應(yīng)控制在10 m以上,并且整體結(jié)構(gòu)緊湊,可滿足靈活轉(zhuǎn)運(yùn)需求。

綜合分析后確認(rèn)運(yùn)動(dòng)底板采用鉸接式結(jié)構(gòu),其車架主體采用盒型框架結(jié)構(gòu),共有前車架和后車架2部分組成,2部分車架均采用焊接成型,其中應(yīng)力集中區(qū)域采用HG40E高強(qiáng)度鋼板,其他區(qū)域采用Q345鋼板。整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4 煤礦井下搬運(yùn)機(jī)器人有限元仿真分析

4.1 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂

采用Simulation Premium有限元仿真軟件對煤礦井下搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行有限元仿真分析,仿真中將運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和容器自重設(shè)置為300 kg,載重設(shè)置為1 t,靜載荷設(shè)置為1.5 t,具體分析結(jié)果如下。

圖6 搬運(yùn)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Overall structure diagram of handling robot

轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂應(yīng)力分布云圖如圖7所示,轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂所承受的最大應(yīng)力值為136 MPa,對應(yīng)的最大位移區(qū)域?yàn)闄C(jī)械臂后臂鍵槽區(qū)域,該應(yīng)力值小于材料最大許用應(yīng)力值206 MPa,確認(rèn)符合應(yīng)力要求。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂位移分布云圖如圖8所示,轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂所承受的最大位移值為0.024 mm,對應(yīng)的最大位移區(qū)域?yàn)闄C(jī)械臂前臂前端區(qū)域,該位移小于1 mm,確認(rèn)符合位移要求。

圖7 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂應(yīng)力分布云圖Fig.7 Cloud chart of stress distribution of transfer mechanical arm

4.2 鏟叉機(jī)構(gòu)

仿真分析中設(shè)置鏟叉機(jī)構(gòu)材料為普通碳鋼,載重為5 t,具體仿真分析結(jié)果如下。

鏟叉機(jī)構(gòu)所承受的最大應(yīng)力值為387.4 MPa,最大應(yīng)力區(qū)域位于運(yùn)動(dòng)底板車架結(jié)合區(qū)域。該應(yīng)力值已超過普通碳鋼的最大許用應(yīng)力220 MPa,為保障安全性,應(yīng)將抬升曲柄材料更換為強(qiáng)度性能為640.4MPa的合金鋼。更換材料后,鏟叉機(jī)構(gòu)所承受的最大變形為0.254 mm,低于1 mm,確認(rèn)符合位移要求。

圖8 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂位移分布云圖Fig.8 Displacement distribution chart of transfer mechanical arm

4.3 運(yùn)動(dòng)底板

仿真分析中設(shè)置運(yùn)動(dòng)底板材料為普通碳鋼板材料,通過仿真分析可知,運(yùn)動(dòng)底板所承受的最大應(yīng)力值為0.792 MPa,遠(yuǎn)低于普通碳鋼板材料的282 MPa最大區(qū)域強(qiáng)度。同時(shí),運(yùn)動(dòng)底板所承受的最大位移為0.112 mm,小于1 mm確認(rèn)運(yùn)動(dòng)底板強(qiáng)度和剛度均符合要求。

5 煤礦井下搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)工程應(yīng)用

在介紹煤礦井下搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì),并初步確認(rèn)設(shè)計(jì)可滿足使用要求后,根據(jù)設(shè)計(jì)對某煤礦中現(xiàn)有的井下搬運(yùn)設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)有何調(diào)整,再將優(yōu)化調(diào)整后的井下搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐,確認(rèn)其應(yīng)用價(jià)值。在經(jīng)過應(yīng)用分析后,獲取到搬運(yùn)機(jī)器人卸載運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和裝載運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)變化如圖9和圖10所示。

圖9 搬運(yùn)機(jī)器人卸載速度和加速度曲線Fig.9 Unloading speed and acceleration curves of handling robot

圖10 搬運(yùn)機(jī)器人裝載速度和加速度曲線Fig.10 Loading speed and acceleration curves of handling robot

由圖9可知,搬運(yùn)機(jī)器人卸載速度呈現(xiàn)出3段式勻速運(yùn)動(dòng)變化,其中第1段速度相對較快,此過程中主要用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對接效果;第2段速度最慢,主要用于為卸載時(shí)機(jī)械臂抓取重物過程預(yù)留出足夠的緩沖距離;第3段速度則處于中間狀態(tài),其主要作用在于降低卸載過程中重物運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力。總體來說,搬運(yùn)機(jī)器人卸載過程具有更強(qiáng)的連續(xù)性,實(shí)際卸載化抓取動(dòng)作可滿足井下物料卸載需求。

由圖10可知,搬運(yùn)機(jī)器人裝載速度也呈現(xiàn)出3段式運(yùn)輸變化,其中第1段速度處于中間狀態(tài),其主要在于減少重物裝載過程中所產(chǎn)生的慣性力;第2段速度最慢,主要目的在于避免重物裝載過程中產(chǎn)生過大碰撞沖擊;第3段速度最快,此時(shí)已完成重物裝載操作,機(jī)械臂需要快速復(fù)位。總體來說,搬運(yùn)機(jī)器人裝載速度較為穩(wěn)定,可有效減少作業(yè)時(shí)間,提高轉(zhuǎn)運(yùn)工作效率。

6 結(jié)語

綜上所述,基于煤礦井下標(biāo)準(zhǔn)化搬運(yùn)策略,結(jié)合井下巷道特殊環(huán)境及場景特點(diǎn),介紹一種煤礦井下搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)方案。此方案主要包括轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂、鏟叉機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)底板3部分內(nèi)容,根據(jù)有限元仿真分析和工程應(yīng)用結(jié)果可知,此煤礦井下搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)可行性,并且應(yīng)用效果可有效提高工作效率,減少作業(yè)時(shí)間,保障煤礦井下搬運(yùn)作業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行,并增強(qiáng)煤礦井下作業(yè)自動(dòng)化水平,符合未來煤礦自動(dòng)化發(fā)展需求,所以可在后續(xù)煤礦井下搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)中進(jìn)行參考應(yīng)用。