球磨機(jī)蓋開閉機(jī)器人設(shè)計(jì)*

劉 科 ，馮立艷 ，蔡玉強(qiáng)

（華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210）

0 引言

球磨機(jī)是一種礦料粉碎機(jī)械設(shè)備，利用外在電機(jī)帶動(dòng)筒體旋轉(zhuǎn)進(jìn)而使筒體內(nèi)部的介質(zhì)球體與礦料相互碰撞和研磨，最終達(dá)到粉碎礦料的目的。球磨機(jī)設(shè)備具有操作簡(jiǎn)單、維護(hù)管理方便、粉碎比高、可適應(yīng)不同情況工作等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于選礦、化工、冶金以及火力發(fā)電等行業(yè)。本研究主要是針對(duì)賀祥公司提出的球磨機(jī)蓋自動(dòng)開閉需求，完成球磨機(jī)蓋開閉機(jī)器人設(shè)計(jì)。

目前球磨機(jī)蓋開閉工作依靠人工完成，工人使用力矩扳手將球磨機(jī)蓋上的螺栓擰松，然后利用起重輔助機(jī)械將球磨機(jī)蓋拔出，完成卸料，添加新礦物后，關(guān)閉球磨機(jī)蓋。人工開蓋、閉蓋主要存在以下問題：

1）球磨機(jī)停止旋轉(zhuǎn)后，球磨機(jī)蓋位于筒體上方，離地面高度為4.2 m，工人需要爬到高空架上作業(yè)；

2）球磨機(jī)在磨碎礦料時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵與熱量，工人在這樣的高溫與粉塵環(huán)境中進(jìn)行開、閉蓋作業(yè)，存在很大的安全隱患和健康威脅；

3）球磨機(jī)蓋上均勻分布四個(gè)螺栓，關(guān)閉球磨機(jī)蓋時(shí)，工人采用力矩扳手?jǐn)Q緊螺栓，不僅工作效率低，而且不能精準(zhǔn)控制擰緊力矩，會(huì)導(dǎo)致螺栓出現(xiàn)欠擰或超擰問題，造成擰不緊會(huì)泄漏、超擰則螺栓易斷等實(shí)際問題，會(huì)影響到球磨機(jī)的工作安全和效率。

為解決以上問題，設(shè)計(jì)能夠自主完成球磨機(jī)蓋開閉操作的機(jī)器人，以取代人工操作，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外開蓋機(jī)器人研究并不多，主要集中于螺栓擰緊機(jī)器人研究。在20世紀(jì)80年代，德國(guó)大眾汽車公司首先提出利用機(jī)器人攜帶螺栓擰緊裝置來(lái)進(jìn)行汽車生產(chǎn)時(shí)螺栓安裝的方案，并將其應(yīng)用在生產(chǎn)線上，減少了工人的工作量，提高了公司的生產(chǎn)效率[1-2]。美國(guó)的K.Feldmann和M.Steber為提高螺栓裝配效率，研發(fā)出了緊固螺栓的集成控制系統(tǒng)，可以同時(shí)控制多個(gè)電動(dòng)擰緊軸工作，并監(jiān)測(cè)每一個(gè)擰緊軸的工作情況，成功實(shí)現(xiàn)了多個(gè)電動(dòng)擰緊軸共同作業(yè)，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率[3]。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)的崔家平等針對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔筒連接螺栓的檢修問題，研究出了一種擰緊螺栓機(jī)器人，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要包括圓周運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、自適應(yīng)機(jī)構(gòu)、擰緊機(jī)構(gòu)和三點(diǎn)夾緊機(jī)構(gòu)等，能夠根據(jù)塔筒大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種機(jī)器人的設(shè)計(jì)大大提高了檢修的效率和質(zhì)量[4]。

本研究設(shè)計(jì)的球磨機(jī)蓋開閉機(jī)器人是一種桁架類機(jī)器人，首先確定機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)，對(duì)于球磨機(jī)蓋上螺栓的力矩?cái)Q緊控制方法選用轉(zhuǎn)角控制法，并利用Workbench對(duì)螺栓擰緊順序進(jìn)行仿真，確定在同時(shí)擰緊情況下，球磨機(jī)蓋和螺栓的變形量最小，所以機(jī)器人的末端執(zhí)行設(shè)計(jì)為螺栓同時(shí)擰緊機(jī)構(gòu)，最后使用SolidWorks軟件完成機(jī)器人三維模型設(shè)計(jì)。

2 螺栓擰緊力矩控制方法與擰緊順序

2.1 螺栓擰緊力矩控制方法

螺栓連接的可靠性關(guān)系到機(jī)械設(shè)備的安全性和工作的穩(wěn)定性，預(yù)緊力的精確控制是確保球磨機(jī)蓋與底座連接可靠性的關(guān)鍵。在螺栓連接過(guò)程中存在三個(gè)關(guān)鍵變量：預(yù)緊力、旋轉(zhuǎn)角度和擰緊力矩[5]。王才東團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：只有10%的擰緊力矩被轉(zhuǎn)換為預(yù)緊力，50%被螺栓頭與接觸面間的摩擦消耗，40%被螺紋摩擦消耗。

目前，常用的螺栓擰緊控制方法主要有以下四種：扭矩控制法、轉(zhuǎn)角控制法、螺栓伸長(zhǎng)量控制法、屈服點(diǎn)控制法[6-7]。各種擰緊方法對(duì)螺栓預(yù)緊力的控制精度各不相同，因此，選擇合適的擰緊方法是螺栓擰緊工作中的重要環(huán)節(jié)。扭矩控制法是螺栓連接中使用較早、操作相對(duì)簡(jiǎn)單的擰緊方法。通過(guò)監(jiān)測(cè)施加的扭矩，當(dāng)其達(dá)到額定值后，便停止擰緊。使用扭矩控制法擰緊螺栓時(shí)預(yù)緊力的大小控制精度低[8]。出于安全考慮，一般螺栓拉應(yīng)力選擇在屈服強(qiáng)度的70%左右。轉(zhuǎn)角控制法通過(guò)控制螺栓頭與被連接件面接觸后的旋轉(zhuǎn)角度控制預(yù)緊力。轉(zhuǎn)角控制法的控制精度主要取決于擰緊角度誤差大小，擰緊效果相對(duì)較好，適用于對(duì)螺栓連接要求較高的場(chǎng)合。螺栓伸長(zhǎng)量控制法是通過(guò)測(cè)微儀檢測(cè)螺栓擰緊后的伸長(zhǎng)量變化來(lái)控制預(yù)緊力大小。使用螺栓伸長(zhǎng)量控制法，不受摩擦因素影響，螺栓預(yù)緊力控制精度更高。缺點(diǎn)是需要使用測(cè)微儀或超聲波傳感器對(duì)于螺栓伸長(zhǎng)量進(jìn)行測(cè)量，成本較高[9]。屈服點(diǎn)控制法是通過(guò)測(cè)定預(yù)緊力相對(duì)于擰緊角度的上升斜率的大小來(lái)控制預(yù)緊力。屈服點(diǎn)控制法能夠充分發(fā)揮螺栓材料的強(qiáng)度性能，提供更大的螺栓軸向預(yù)緊力，缺點(diǎn)是對(duì)于螺栓材料、生產(chǎn)加工要求更高，控制系統(tǒng)也更加復(fù)雜，設(shè)備成本昂貴，一般應(yīng)用在特殊裝配上。通過(guò)對(duì)比，螺栓伸長(zhǎng)量控制法與屈服點(diǎn)控制法應(yīng)用成本較高，系統(tǒng)控制難度較大。扭矩控制法應(yīng)用成本低，但螺栓擰緊控制精度也低[10]。綜合考慮，球磨機(jī)蓋開閉機(jī)器人采用轉(zhuǎn)角控制法進(jìn)行螺栓擰緊控制，確保擰緊力矩和擰緊深度同時(shí)達(dá)到要求。

2.2 螺栓擰緊順序

進(jìn)行單軸多個(gè)螺栓擰緊時(shí)，螺栓之間會(huì)產(chǎn)生相互影響，使螺栓的預(yù)緊力不能保持在期望值。為了保證螺栓的擰緊效果，需要對(duì)螺栓的擰緊次序進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)比不同擰緊次序下，整體結(jié)構(gòu)的變形量大小，來(lái)確定球磨機(jī)蓋上螺栓的最佳擰緊次序。

利用Workbench對(duì)螺栓擰緊次序進(jìn)行分析，查看被連接件和螺栓的變形結(jié)果。首先需要將球磨機(jī)蓋和螺栓的模型畫出，如圖1所示，為了減少有限元分析的計(jì)算量，對(duì)球磨機(jī)蓋進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化，在球磨機(jī)蓋上只保留了螺栓孔。球磨機(jī)蓋的材料為Q235，M24六角螺栓材料為45鋼。螺栓的螺紋進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，所以進(jìn)行有限元分析時(shí)，需要對(duì)螺栓進(jìn)行截面處理，將其分為三部分，上半部分與球磨機(jī)蓋上層設(shè)置為bonded連接，螺栓下半部分與球磨機(jī)蓋下層中的螺栓孔設(shè)置為bonded連接，對(duì)中部光桿施加預(yù)緊力F。根據(jù)國(guó)內(nèi)螺栓擰緊力矩標(biāo)準(zhǔn)，螺栓強(qiáng)度等級(jí)為8.8的M24螺栓的擰緊力矩范圍為651 N·m~868 N·m，取680 N·m，扭矩系數(shù)K的取值范圍為0.1~0.3，一般取0.2。扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系：

圖1 球磨機(jī)蓋簡(jiǎn)化模型

系數(shù)的大小受螺栓的型式、尺寸、加工精度、螺栓和螺母表面處理方法等影響，即使是相同規(guī)格的螺栓，也會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，再加上工人操作時(shí)的人為因素，使用扭矩控制法擰緊螺栓時(shí)預(yù)緊力的大小控制精度低。計(jì)算得F為141 666 N。

由圖1可知，球磨機(jī)蓋上方均勻四個(gè)M24螺栓，按照不同次序進(jìn)行擰緊，對(duì)比不同次序擰緊方式下的整體變形結(jié)果，確定最優(yōu)擰緊次序。螺栓的擰緊次序可以被分為以下三種：按照1—2—3—4的次序擰緊、按照1—3—2—4的對(duì)角擰緊、四個(gè)螺栓同時(shí)擰緊。按照次序產(chǎn)生的整體變形結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同擰緊次序的應(yīng)變?cè)茍D

由圖2可知，螺栓擰緊順序不同，球磨機(jī)蓋和螺栓的變形程度不同，順序擰緊的最大變形量為0.098 937 mm，對(duì)角擰緊的最大變形量為0.093 99 mm，同時(shí)擰緊的最大變形量為0.089 043 mm，表明同時(shí)擰緊螺栓時(shí)整體變形量最小。所以在進(jìn)行球磨機(jī)蓋開閉機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)，按照四個(gè)螺栓同時(shí)擰緊擰松要求設(shè)計(jì)螺栓拆卸裝配設(shè)備。

3 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)球磨機(jī)蓋開閉機(jī)器人設(shè)計(jì)要求，完成機(jī)器人三維模型設(shè)計(jì)，如圖3所示。球磨機(jī)蓋開閉機(jī)器人包括三個(gè)功能模塊：桁架、桁架行走系統(tǒng)、六自由度機(jī)械臂。

圖3 球磨機(jī)蓋開閉機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖

桁架行走系統(tǒng)安裝在桁架結(jié)構(gòu)上，包括X軸行走系統(tǒng)和Y軸行走系統(tǒng)。桁架結(jié)構(gòu)通過(guò)地腳螺栓固定在地面，作為整個(gè)系統(tǒng)的支撐?？紤]開閉機(jī)器人負(fù)責(zé)多個(gè)球磨機(jī)蓋啟閉，設(shè)置了X軸行走系統(tǒng)。考慮到機(jī)器人啟蓋工作位置和等待位置距離要求，設(shè)置了Y軸行走系統(tǒng)。六自由度機(jī)械臂安裝在Y軸行走系統(tǒng)上，由Y軸行走系統(tǒng)攜帶運(yùn)動(dòng)，在工作位置和等待位置之間切換。為更精準(zhǔn)地完成球磨機(jī)蓋開閉和搬運(yùn)任務(wù)，特別研發(fā)了兩功能末端執(zhí)行器。為了實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器與球磨機(jī)蓋之間的精準(zhǔn)定位，采用六自由度機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的位姿調(diào)整。

3.1 桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

桁架是球磨機(jī)蓋開閉機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的支撐部分。在模型中，桁架行走系統(tǒng)與六自由度機(jī)械臂都安裝在桁架上，所以桁架的力學(xué)動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性都會(huì)影響到球磨機(jī)蓋開閉機(jī)器人末端執(zhí)行器的定位精度。由圖3可知，X軸桁架需要承受X軸桁架行走系統(tǒng)、Y軸桁架行走系統(tǒng)、六自由度機(jī)械臂、球磨機(jī)蓋等載荷，所以在設(shè)計(jì)桁架時(shí)，為保證桁架行走系統(tǒng)直線運(yùn)動(dòng)精度，要考慮到桁架的承載能力。行走系統(tǒng)在桁架上的運(yùn)動(dòng)和機(jī)械臂的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)都是通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)，電機(jī)的啟停會(huì)對(duì)桁架產(chǎn)生較大沖擊，這對(duì)桁架的剛度也提出了要求。如果剛度不足，在機(jī)械臂調(diào)整位姿時(shí)桁架會(huì)振動(dòng)，影響到機(jī)器臂末端執(zhí)行器的定位精度。

在三維模型中，桁架的設(shè)計(jì)參數(shù)是依據(jù)賀祥公司球磨機(jī)實(shí)際尺寸確定的，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。考慮到球磨機(jī)的高度和機(jī)械臂調(diào)整位姿所需的工作空間，將桁架的高度設(shè)計(jì)為6.6 m。球磨機(jī)兩側(cè)距離為3.6 m，為方便機(jī)械臂在不同球磨機(jī)間運(yùn)動(dòng)，桁架寬度設(shè)計(jì)為4.5 m。桁架整體結(jié)構(gòu)由鋼板和矩形方管通過(guò)焊接和螺栓連接組成。桁架下方的支撐柱使用的是200 mm×200 mm的矩形管，每根支撐柱通過(guò)四個(gè)加強(qiáng)筋與地面鋼板焊接，最后使用地腳螺栓將支撐柱固定。X軸桁架使用的是360 mm×200 mm的矩形管。支撐柱和桁架采用的材料為Q235，材料特性如表1所示。

表1 Q235材料特性

3.2 末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

末端執(zhí)行器是球磨機(jī)蓋開閉機(jī)器人設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)，模型圖如圖4所示，主要零件包括力矩?cái)Q緊機(jī)、電動(dòng)缸、氣缸、電磁吸盤、抱爪等。末端執(zhí)行器完成將球磨機(jī)蓋上螺栓擰松，然后將球磨機(jī)蓋拔出、抱緊的工作。工作過(guò)程如下：六自由度機(jī)械臂攜帶末端執(zhí)行器到球磨機(jī)蓋上方合適位置，四個(gè)力矩?cái)Q緊機(jī)將螺栓同時(shí)擰松，磁性套筒吸附住螺栓；電動(dòng)缸帶動(dòng)電磁吸盤下降，吸住球磨機(jī)蓋，然后拔出；電磁吸盤的吸力大小為200 kg，可以攜帶球磨機(jī)蓋懸空放置，但是為了防止斷電出現(xiàn)意外，增加了機(jī)械抱爪結(jié)構(gòu)，利用氣缸帶動(dòng)四個(gè)抱爪同時(shí)夾緊球磨機(jī)蓋，保證球磨機(jī)蓋懸空時(shí)的安全性。

圖4 末端執(zhí)行器

3.3 力矩?cái)Q緊機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

力矩?cái)Q緊機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，主要零件包括伺服電機(jī)、編碼器、減速器、扭矩倍增器、力矩傳感器、磁性套筒等。伺服電機(jī)是力矩?cái)Q緊機(jī)的動(dòng)力源，提供螺栓擰緊擰松所需的扭矩；減速器將伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速降低，輸出扭矩放大；扭矩倍增器進(jìn)一步放大輸出扭矩，滿足螺栓擰緊擰松所需；驅(qū)動(dòng)桿連接套筒和動(dòng)力源，同時(shí)在套筒定位螺栓時(shí)起到柔性調(diào)節(jié)作用；磁性套筒能夠吸附住螺栓，而且可以根據(jù)螺栓型號(hào)進(jìn)行更換；力矩傳感器能夠?qū)崟r(shí)反映末端套筒的輸出扭矩大小，編碼器能夠記錄末端套筒的旋轉(zhuǎn)擰緊角度，通過(guò)力矩傳感器和編碼器，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)利用扭矩法和轉(zhuǎn)角法控制螺栓預(yù)緊力。

圖5 力矩?cái)Q緊機(jī)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語(yǔ)

本研究根據(jù)球磨機(jī)開蓋實(shí)際需求，設(shè)計(jì)出球磨機(jī)蓋自主開閉機(jī)器人方案，對(duì)球磨機(jī)蓋上螺栓的力矩?cái)Q緊控制方法進(jìn)行選擇，利用Workbench對(duì)螺栓擰緊最佳順序進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最終使用SolidWorks軟件進(jìn)行模型建立。主要得出以下結(jié)論：

1）通過(guò)對(duì)比螺栓擰緊力矩控制方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，最終選擇使用轉(zhuǎn)角控制法控制螺栓擰緊力矩。

2）使用Workbench對(duì)球磨機(jī)蓋上螺栓擰緊次序進(jìn)行仿真驗(yàn)證，根據(jù)球磨機(jī)蓋和螺栓的變形量大小，確定球磨機(jī)蓋開閉機(jī)器人的末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)為同時(shí)擰緊裝置。