大型襯板機械手概況及進化趨勢分析

楊柳松，趙 魏，胡同海，郝 兵，王正國，符惜煒

1洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3洛陽中重自動化工程有限責任公司 河南洛陽 471039

4中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

作 為連續(xù)運行的核心設(shè)備，大型礦用磨機作業(yè)率直接影響選廠的作業(yè)率和經(jīng)濟效益。磨機工況惡劣，為保護筒體并實現(xiàn)粉磨，磨機筒體內(nèi)壁安裝了上百塊不同類型的襯板。這些襯板與礦石、鋼球直接接觸而不斷發(fā)生磨損，幾個月就必須更換 1 次，且每次襯板更換都需要耗時 3～5 d。因此，大型磨機作業(yè)率的提升在于如何盡量延長整套襯板的使用壽命，同時減少每次更換襯板所用時間。對于前者，可以根據(jù)磨損規(guī)律，優(yōu)化襯板結(jié)構(gòu)[1]；對于后者，則有必要采用大型襯板機械手這種專用設(shè)備來縮短更換時間。

大型襯板機械手伴隨磨機的大型化而逐漸產(chǎn)生和發(fā)展起來，目前在大型礦用磨機上已經(jīng)得到普遍應用。大型襯板機械手的應用，不僅使襯板更換和磨機使用有巨大的效率提升，節(jié)省了勞動力，還極大地提高了操作人員的安全性，其最大起吊能力甚至決定了大型磨機的最大襯板質(zhì)量。然而，使用機械手更換襯板操作效率完全取決于施工人員經(jīng)驗和操控經(jīng)驗。為了進一步提高大型礦用磨機襯板的更換效率，必須對能實現(xiàn)柔性化、自動化的襯板機械手展開研究。李連鵬等人[2]提出了一種基于力-視覺反饋的剛?cè)狁詈狭W模型，以增強重載機械臂的控制及人機交互。筆者通過分析國內(nèi)外襯板機械手的基本發(fā)展狀況及襯板機械手的技術(shù)特點，提出柔性化和智能化將是今后襯板機械手發(fā)展的必然趨勢。

1 襯板機械手現(xiàn)狀

1.1 基本發(fā)展情況

磨機襯板機械手最早由美國 PaR 公司在 20 世紀60 年代研制。自 1990 年生產(chǎn)首臺機械手以來，該公司已為全球 200 多個礦山提供了包括多種規(guī)格的襯板機械手，其最大襯板舉升能力為 8 150 kg。除了 RME公司，美國 Mcllelan 公司也是一家歷史悠久的機械手供應商。所開發(fā)的 7 軸機械手最大襯板舉升能力為5 443 kg。在南美地區(qū)，不少礦山還采用智利 Revesol公司產(chǎn)品，Revesol 公司曾在 2009 年為秘魯特羅莫克(Toromocho) 銅礦開發(fā)了起吊能力為 2×4 500 kg 的雙7 軸襯板機械手。

國內(nèi)的永平銅礦在 20 世紀 80 年代初從加拿大Alis-Chalmers 公司引進了大型球磨機，同時也引進了由美國 PaR 公司生產(chǎn)的 3 軸襯板機械手。此后，南昌有色冶金設(shè)計研究院等單位根據(jù)實際使用情況，對這種襯板機械手進行了研究開發(fā)，并于 1991 年將改進后的產(chǎn)品應用于德興銅礦泗州選廠[3]。

進入本世紀以來，大規(guī)格礦用磨機市場迅猛發(fā)展，中信重工也開發(fā)了不同規(guī)格的襯板機械手，最大舉升能力達到 2 500 kg。目前，這些產(chǎn)品已服務于西部銅業(yè)、中鋁普朗銅礦以及幾內(nèi)亞、俄羅斯貝加爾湖項目等多個國內(nèi)外大型礦山。

另外，北方重工在 2008 年也對最大舉升能力為2 000 kg 的 7 自由度襯板機械手開展過一定研究[4]；合肥春華、鞍山天盛興等公司也生產(chǎn)了一些 3 軸磨機襯板機械手，其最大起吊能力均小于 1 500 kg，應用在中等規(guī)格磨機上。

1.2 襯板拆卸和安裝過程

使用襯板機械手更換襯板的過程分為舊襯板拆除和新襯板安裝 2 個環(huán)節(jié)。襯板拆除時，先用工具去除舊襯板的襯板螺栓，使其從筒體內(nèi)壁滑落到料堆上；然后用安裝在機械手旋轉(zhuǎn)吊臂上的吊具卡住襯板，通過吊臂回轉(zhuǎn)，將舊襯板吊運至襯板小車，將其運至筒體外部。

襯板安裝則是一個相反的過程。先使用襯板小車，將新襯板運到磨機筒體內(nèi)部，然后采用機械手進行安裝。對于 3 軸機械手，由坐在機械手前部的操作者操作旋轉(zhuǎn)吊臂，用安裝在吊臂前端的吊具將襯板吊起，并在筒體內(nèi)部其他施工人員的指揮下，將其吊運并調(diào)整到需要安裝的筒體內(nèi)壁位置，最后通過人工邊觀察邊用撬杠局部調(diào)整，使新襯板對準螺栓孔，插入并擰緊螺栓后完成安裝。3 軸機械手安裝磨機格子板如圖 1 所示。

圖1 3 軸機械手安裝磨機格子板Fig.1 Installation of grid plate of mill with 3-axis handler

圖2 7 軸機械手安裝磨機筒體襯板Fig.2 Installation of drum liner of mill with 7-axis handler

7 軸機械手安裝磨機筒體襯板如圖 2 所示。相比于 3 軸機械手，7 軸機械手旋轉(zhuǎn)吊臂前端增加了 1 個4 自由度襯板夾持機構(gòu)。安裝襯板時，機械手操作者可以通過夾持機構(gòu)卡住襯板吊耳，并在筒體內(nèi)部施工人員的觀察和指揮下，在襯板實際安裝位置附近，通過不斷調(diào)整旋轉(zhuǎn)吊臂和襯板夾持機構(gòu)的位置，將襯板準確對位，插入螺栓并擰緊，完成安裝。

顯然，2 種不同的機械手工作效率高低主要體現(xiàn)在襯板安裝環(huán)節(jié)，即對于新襯板是否有姿態(tài)控制能力。3 軸機械手只有吊裝轉(zhuǎn)運功能，必須通過人工反復配合調(diào)整，才能完成襯板的安裝，效率相對較低；通過操作 7 軸機械手前部的液壓襯板夾持機構(gòu)，操作者可自由調(diào)整襯板與筒壁之間的相對位置，方便襯板對位安裝。對于大型磨機，由于襯板質(zhì)量大，人力調(diào)整困難而且十分危險，因此，采用 7 軸機械手安裝襯板成為最佳的選擇。

1.3 典型機械手

1.3.1 基本組成

典型機械手如圖 3 所示。主流襯板機械手結(jié)構(gòu)均由機體、移動橫梁、襯板小車、旋轉(zhuǎn)起吊臂及襯板起吊夾持機構(gòu)組成。機體是機械手的主要承載構(gòu)件，橫梁、輪式行走部、千斤頂支腿、液壓站和電控系統(tǒng)都安裝在機體上；橫梁是主要工作平臺，通過軸向移動，將旋轉(zhuǎn)起吊臂定位于筒體內(nèi)部合適位置開展作業(yè)；襯板小車安裝在橫梁上，并沿橫梁來回移動，將新、舊襯板運進和運出磨機；在橫梁前端的旋轉(zhuǎn)吊臂是一個 360°回轉(zhuǎn)的起吊裝置，在襯板小車和不同襯板安裝位置之間起吊和轉(zhuǎn)運襯板；襯板吊具夾持機構(gòu)是起吊襯板或控制襯板姿態(tài)的工具或機構(gòu)。

圖3 典型機械手Fig.3 Typical handler

1.3.2 自由度

機械手軸數(shù)即其自由度的總和。3 軸機械手自由度組成如圖 4 所示?！?”代表旋轉(zhuǎn)吊臂底座回轉(zhuǎn)自由度，“2”代表吊臂變幅回轉(zhuǎn)自由度，而“3”則代表了吊臂中的小臂軸向平移 (小臂伸縮) 自由度。通過合成“1”到“3”代表的 3 種運動，即可完成襯板的吊運過程。

圖4 3 軸機械手自由度組成Fig.4 Degree of freedom of 3-axis handler

在實現(xiàn)襯板吊運后，還需要進一步增加自由度，控制新襯板的姿態(tài)，才能直接將其擺放到合適位置。將 3 軸機械手小臂前的吊鉤換成 1 個帶襯板卡具的多自由度機構(gòu)，即可形成控制襯板位姿的“腕部”功能。6 軸機械手自由度如圖 5 所示。其中，“4”代表實現(xiàn)腕平擺的回轉(zhuǎn)自由度，“5”和“6”分別代表實現(xiàn)腕滾擺、腕俯仰 2 個動作的回轉(zhuǎn)自由度，襯板卡具裝在最前端。這 3 個自由度與吊臂上的自由度合成，再加上機械手橫梁平移自由度，即成為 1 臺 7 軸襯板機械手。借助觀察者的觀察和指揮，操作者通過液壓操作桿獨自操作，便可實現(xiàn)襯板的各種位姿控制，準確地對其進行對位安裝。

圖5 6 軸機械手自由度Fig.5 Degree of freedom of 6-axis handler

1.3.3 關(guān)鍵技術(shù)

磨機襯板安裝需要在有限空間、復雜工況條件下開展重載作業(yè)，安裝過程受到了諸多因素限制。對于大型襯板機械手來說，需要研究解決的關(guān)鍵技術(shù)主要有：①基于有限空間和復雜工況的構(gòu)型與機構(gòu)設(shè)計；② 高精度制造、裝配與消隙；③重載條件下的穩(wěn)定夾持技術(shù)；④ 復雜工況下目標識別、路徑規(guī)劃與避障；⑤ 系統(tǒng)集成與多技術(shù)融合。通過上述關(guān)鍵技術(shù)的解決可實現(xiàn)機械臂少人甚至無人操作，大幅提升襯板更換效率。

2 大型襯板機械手未來發(fā)展趨勢

近年來，襯板機械手大型化和重型化已成為效能提升和綜合安全考慮的必然選擇。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算等技術(shù)的蓬勃發(fā)展與廣泛應用，礦山行業(yè)已步入智能礦山時代。為更好滿足大型磨機襯板安裝要求，襯板機械手將圍繞如何適應磨內(nèi)復雜環(huán)境以及滿足客戶個性化需求進行技術(shù)升級與迭代，不斷提升市場競爭力。根據(jù)根里奇·阿奇舒勒 (Genrich S.Altshuler) 的技術(shù)進化定律可知，襯板機械手將向著重型化、柔性化和智能化的方向發(fā)展。在實現(xiàn)大負載的前提下，襯板機械手一方面通過不斷增加自由度滿足更多空間安裝需求，同時加入視覺傳感、智能控制、液壓伺服等系統(tǒng)，逐步減少人員參與環(huán)節(jié)，最終實現(xiàn)完全智能化。

2.1 機械手結(jié)構(gòu)柔性化

根據(jù)技術(shù)進化理論提高動態(tài)性定律，大型襯板機械手系統(tǒng)將沿著結(jié)構(gòu)柔性化進化，由少自由度向多自由度柔性化進化。機械手最初只有 3 個自由度，由于不能進行襯板姿態(tài)調(diào)節(jié)，機械手只是作為吊車，輔助安裝人員運送襯板至安裝位置附近，再通過多人協(xié)作和人力方式移動至目標位置。整個安裝過程實際是以機械運送+人工調(diào)姿方式完成。受人力所限，3 自由度機械手只能完成 1 500 kg 以內(nèi)小規(guī)格襯板的安裝。若襯板規(guī)格過大，調(diào)整襯板姿態(tài)所需力量超出了人力極限，人工調(diào)姿就難以實現(xiàn)。因此，為滿足進一步的安裝要求，需要增加新的移動或旋轉(zhuǎn)自由度以提高機械手末端可達空間，實現(xiàn)襯板抓取、送達、姿態(tài)調(diào)整、對正以及粗調(diào)和精調(diào)等多種功能。大型襯板機械手將持續(xù)向著多關(guān)節(jié)柔性化方向發(fā)展，實現(xiàn)在不進行任何磨機調(diào)整的條件下完成磨機內(nèi)部任一位置襯板的安裝。其演變過程如圖 6 所示。

機械手自由度的增加將會導致系統(tǒng)尺寸增大、結(jié)構(gòu)復雜、適用性和操控性降低。例如現(xiàn)有 7 自由度和 3 自由度系統(tǒng)，自由度的增加帶來了系統(tǒng)功能的提升，但同時也限制了機械手的應用范圍。隨著機械手材料性能的不斷提升和關(guān)鍵元器件技術(shù)的持續(xù)進步，當前機械手所存在的一系列限制柔性化發(fā)展的問題將會逐步得到解決，更多自由度的機械手將會出現(xiàn)。

2.2 機械手系統(tǒng)智能化

根據(jù)技術(shù)進化理論提高可控性定律，隨著機械結(jié)構(gòu)可靠性和穩(wěn)定性逐漸提高，機械手將向著自動控制進化。

圖6 襯板機械手系統(tǒng)柔性化的演進路線Fig.6 Evolution course of liner handler in f lexibility

初級階段機械手產(chǎn)品的出現(xiàn)是用來解決重載襯板吊運、輔助安裝等問題，主要是作為一種襯板更換裝備，機械手最初只是關(guān)注具體功能的實現(xiàn)。

人工操作階段，在機械系統(tǒng)逐步完善后，機械手開始加入操控系統(tǒng)，工作人員可進行主動操控，通過手動進行單關(guān)節(jié)控制完成襯板安裝，初步實現(xiàn)了人在環(huán)路的操作，改善作業(yè)環(huán)境，安全性大為提高；在人員操控的基礎(chǔ)上進一步增加傳感系統(tǒng)，使機械手具備外界感知能力，操作人員可獲得更多的力、速度和姿態(tài)等信息，實現(xiàn)了準確量化的操作，大幅提升了作業(yè)準確性和作業(yè)效率。

智能化階段，進一步增加視覺系統(tǒng)，讓機械手替代或部分替代人進行位置與姿態(tài)識別。增加智能控制系統(tǒng)，在智能控制系統(tǒng)作用下，機械手自主完成目標識別、襯板抓取、運動學與動力學解算、路徑規(guī)劃并發(fā)送指令至液壓伺服系統(tǒng)，液壓伺服系統(tǒng)根據(jù)指令信息自主驅(qū)動各個關(guān)節(jié)完成作業(yè)任務，并可根據(jù)具體路徑情況實時進行避障和路徑規(guī)劃。機械手的終極目標是進化成為智能機器人，實現(xiàn)襯板更換的智能化無人作業(yè)。

但就目前來說，機械手要實現(xiàn)完全自主運行還存在較大的技術(shù)障礙，磨機內(nèi)部環(huán)境制約，重載條件下的動態(tài)穩(wěn)定夾持、剛?cè)狁詈稀⒁簤阂曈X伺服等控制技術(shù)還有待于進一步突破，襯板機械手距離成為真正的智能機器人還有很長的路要走。

3 結(jié)語

襯板機械手的廣泛應用，不僅節(jié)省了襯板更換時間，減少了勞動力，同時降低了施工安全風險，提高了選礦廠作業(yè)率和經(jīng)濟效益。通過增加多自由度襯板夾持機構(gòu)，操作者可以自主控制襯板安裝姿態(tài)，進一步提高襯板安裝效率；通過技術(shù)進化定律對機械手發(fā)展趨勢進行預測，襯板機械手將朝著柔性化和智能化方向發(fā)展。隨著技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，未來有可能成為完全柔性化并能自主運行的智能機器人，最終實現(xiàn)襯板更換的智能化無人作業(yè)。