煤礦井下搬運機器人機械設計與仿真分析

馮海濤,史發慧,胡志華

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

當前,我國大部分煤礦井下開采搬運仍然采用自動工作模式,其中各類搬運設備均需要由工作人員進行手動操控作業。但相對來說,井下工作條件極為惡劣,其不僅會影響到開采搬運設備操作效果,還可能會威脅到作業人員的人身安全。因此,推動煤礦井下開采搬運設備自動化發展,降低人工操作需求,提高煤礦井下開采搬運效率及效果已經成為當前研究的重點內容。然而結合實際情況來看,國內外井下自動化設備主要集中在井下救援、開采掘進等領域,而對于開采搬運的相關研究則較少。針對此種情況,介紹一種煤礦井下搬運機器人機械設計,為后續搬運機器人設計開發提供參考,將具有一定的現實價值。

1 煤礦井下標準化搬運策略

為簡化搬運機器人的搬運流程,實現靈活運輸等目標,結合煤礦井下巷道特殊工況及結構特點,指出煤礦井下標準化搬運策略,具體內容如下。

煤礦井下搬運中所涉及的物料種類相對較多,具體設計中難以根據每一種物料設計出專用的搬運設備,所以在設計中為增強搬運機器人的搬運效果,引入標準化、通用化理念[1],構建標準化載具及容器,進而形成標準化載具及容器,如圖1所示。

圖1 標準化載具及容器示意Fig.1 Schematic diagram of standardized vehicles and containers

圖1中,標準化載具上設置有若干個標準化卡槽,每個卡槽均有標準化容器單元組成,相鄰標準化容器單元之間間隔距離為30 cm,并根據物料體積特點,設置3種容器規格,分別為S、M、B,對應著小型、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,根據不同的物料類型,標準化容器還可以分為設備型、散料型、長料型以及液體型,分別用于運輸設備、散料、長料以及液體,以滿足煤礦井下物料多樣化運輸需求。根據井下運輸設備類型差異,可將標準化載具分為有軌型標準化載具和無軌型標準化載具,其中無軌型標準化載具主要由膠輪車載運平臺和車頭2部分組成,由于采用無人設計,所以可取消駕駛室[2];有軌型標準化載具則與電機機車相連[3-4]。

最后,針對不同規格物料還需采用不同的搬運策略。其中針對小規格物料,采用小型標準化容器打包,采用機械臂在狹窄巷道內進行快速轉移和裝卸;針對中規格物料,則采用中型標準化容器打包,采用搬運鏟板實現快速轉運和裝卸[5];針對大規格物料,采用大型標準化容器打包,再通過多個機器人協同配合方式進行設備轉運工作。

2 煤礦井下搬運機器人總體設計方案

煤礦井下搬運機器人總體設計方案如圖2所示。

圖2 煤礦井下搬運機器人總體設計方案Fig.2 Overall design scheme of underground handling robot in coal mine

根據煤礦井下標準化搬運策略的相關要求可知,煤礦井下搬運機器人需要具備標準化容器工作機構、巷道內靈活轉運的運動底板以及自動化作業控制系統。根據以上要求,提出以下機器人主體設計方案、感知控制系統方案、運動控制器方案。

(1)機器人主體設計方案。煤礦井下搬運機器人主要由轉運機械臂、鏟叉機構以及運動底板3部分組成,其中轉運機械臂主要用于小型標準化容器轉運和裝卸作業;鏟叉機構主要用于中型標準化容器的轉運和裝卸作業;運動底盤主要采用鉸接式底板,可滿足煤礦井下巷道靈活轉運需求[6]。具體來說,煤礦井下搬運機器人最大搬運質量為5 t,最大移動速度為18 km/h,最大提升高度為1 m。

(2)感知控制系統方案。感知控制系統主要由環境感知模塊、工控機、通信模塊3部分組成,其中環境感知模塊中配置激光雷達和工業相機;工控機中集成定位模塊,可實現慣性導航和UWB等功能;通訊模塊則采用LORA和5G通信。

(3)運動控制器方案。煤礦井下搬運機器人機械部分與感知與控制部分主要以運動控制器相連,考慮到煤礦井下工作環境極為惡劣,運動控制器選用穩定性更高的PLC控制器。選用S7-1200PLC,該PLC中集成50 KB工作存儲器;1MB裝載存儲器;額定電壓為20.4～28.8 V(DC)、85～264 V(AC);IEC定時器,每個定時器16字節;IEC型DB結構計數器。同時該PLC具備16個I/O接口,支持大多數以太通信協議,可滿足諸多外界設備接入及控制[7],符合設計要求。

在3種控制方案的支持下,煤礦井下搬運機器人可通過設置在車身各區域的傳感器采集井下環境信息和車輛狀態信息,相關數據信息通過通訊模塊傳輸至工控機,由工控機初步處理后,再交由運動控制器進行深度分析處理,運動控制器基于數據信息,根據預定控制方案對機械部分發出控制指令,控制機械部分實現物料裝載轉運作業。根據搬運機器人控制要求,確定搬運機器人定位精度為1 m、重復抓取進度為10 mm、感知范圍為0～50 m。

3 煤礦井下搬運機器人詳細機械設計

3.1 轉運機械臂設計

轉運機械臂主要用于小型標準化容器轉運和裝卸作業,其實際設計包括機械臂主體結構設計、機械臂驅動系統設計2部分,具體內容如下。

3.1.1 轉運機械臂主體結構設計

煤礦井下轉運區域處于運輸大巷與工作面運輸巷交叉位置,一般情況下,運輸大巷較寬而運輸巷較窄,所以為提高轉運效率,將轉運點設置在運輸大巷側,采用機械臂將小型標準化容器轉運到順槽車上。根據轉運點空間及環境特征,結合小型標準化容器轉運需求,確認機械臂必須要具備結構緊湊、轉運靈活等特性,并且由于井下運載量較大,所以機械臂還需要具備良好的負載能力[8]。綜合以上需求,確認轉運機械臂應具備1 t以上的負載能力,并且轉運中振動幅度較小,整體結構緊湊,靈活性較高,可滿足煤礦井下復雜環境工況下轉運需求。

參考現有機械人機械臂結構,可將轉運機械臂分為直角坐標型轉運機械臂、圓柱坐標型轉移機械臂、球坐標型轉運機械臂、多關節型轉運機械臂等4種結構類型[9]。其中直角坐標型轉運機械臂具有剛性大,操作控制簡單等優勢,但同時也存在可操作性空間小、運行效率低等不足;圓柱坐標型轉運機械臂則具備工作范圍大,操作控制簡單方便的優勢,但同時也存在著障礙規避困難、工作污染大等不足;球坐標型轉運機械臂則具備工作空間大、可實現復雜轉運動作等優勢,但同時其也存在的結構密封性較差,運動死區較多等不足;多關節型轉運機械臂則具有結構緊湊、運動靈活等優勢,但同時也存在著控制難度大的不足。綜合分析后,確認搬運機器人采用多關節型轉運機械臂結構,其主要驅動關節包含1個旋轉底座和2個俯仰關節[10]。

3.1.2 機械臂驅動系統設計

轉運機械臂驅動系統采用當前機械臂驅動最為常用的電驅動模式,所配置的驅動設備為直流伺服電機。由于搬運機器人轉運過程需要長時間在同一轉運點進行重復轉運工作,所以設計中轉運過程采用定點式轉運模式,機械臂中機械結構的減速器采用具有體積小、安裝方便、環境適應能力強的擺線減速器[11]。根據以上硬件結構初步實現機械臂基本結構模型,采用三維建模軟件進行模型構建后,形成的機械臂基本結構如圖3所示。

圖3 轉運機械臂基本結構Fig.3 Basic structure diagram of transfer mechanical arm

由圖3可知,轉運機械臂主要包括底座旋轉自由度、前臂旋轉自由度、后臂旋轉自由度3個自由度,具體設計中需要分別為轉運機械臂各旋轉自由度設置對應的回轉角度范圍,綜合需求及機械臂基本結構特征后,確認底座旋轉、前臂旋轉、后臂旋轉的回轉角度范圍分別為0°～270°、0°～150°、0°～90°。另外,根據工作作用可將轉運機械臂分為工作機構和維穩機構2部分,其中工作機構主要包含前臂、后臂、旋轉底座以及驅動電機,相關結構直接影響轉運機械臂的工作性能及抓取范圍;維穩機構則包括前后平衡桿、平衡臂、水平保持架等,相關結構直接影響轉運機械臂運動中維穩效果。轉運機械臂末端設置有鏟叉式夾持結構,具體結構如圖4所示。

圖4 鏟叉式夾持結構Fig.4 Fork type clamping structure

3.2 鏟叉機構設計

根據標準化容器搬運策略要求,確認鏟叉機構應用具備5 t以上的載重性能,離地間隙和抬升高度分別為500、400 mm。

鏟叉機構采用舉升傾翻式結構,此種結構更適用于較大型外側設備的提升轉運操作。驅動結構則同樣采用電驅動方式,可有效保障鏟機機構的承載能力、工作效率以及精準控制。根據鏟叉機構基本設計結構,通過三維模型軟件構建仿真模型如圖5所示。

圖5 鏟叉機構Fig.5 Shovel fork mechanism

3.3 運動底板設計

根據標準化容器搬運策略要求,確認運動底板總體長度應控制在10 m以上,并且整體結構緊湊,可滿足靈活轉運需求。

綜合分析后確認運動底板采用鉸接式結構,其車架主體采用盒型框架結構,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,其中應力集中區域采用HG40E高強度鋼板,其他區域采用Q345鋼板。整體結構如圖6所示。

4 煤礦井下搬運機器人有限元仿真分析

4.1 轉運機械臂

采用Simulation Premium有限元仿真軟件對煤礦井下搬運機器人進行有限元仿真分析,仿真中將運動機構和容器自重設置為300 kg,載重設置為1 t,靜載荷設置為1.5 t,具體分析結果如下。

圖6 搬運機器人整體結構示意Fig.6 Overall structure diagram of handling robot

轉運機械臂應力分布云圖如圖7所示,轉運機械臂所承受的最大應力值為136 MPa,對應的最大位移區域為機械臂后臂鍵槽區域,該應力值小于材料最大許用應力值206 MPa,確認符合應力要求。轉運機械臂位移分布云圖如圖8所示,轉運機械臂所承受的最大位移值為0.024 mm,對應的最大位移區域為機械臂前臂前端區域,該位移小于1 mm,確認符合位移要求。

圖7 轉運機械臂應力分布云圖Fig.7 Cloud chart of stress distribution of transfer mechanical arm

4.2 鏟叉機構

仿真分析中設置鏟叉機構材料為普通碳鋼,載重為5 t,具體仿真分析結果如下。

鏟叉機構所承受的最大應力值為387.4 MPa,最大應力區域位于運動底板車架結合區域。該應力值已超過普通碳鋼的最大許用應力220 MPa,為保障安全性,應將抬升曲柄材料更換為強度性能為640.4MPa的合金鋼。更換材料后,鏟叉機構所承受的最大變形為0.254 mm,低于1 mm,確認符合位移要求。

圖8 轉運機械臂位移分布云圖Fig.8 Displacement distribution chart of transfer mechanical arm

4.3 運動底板

仿真分析中設置運動底板材料為普通碳鋼板材料,通過仿真分析可知,運動底板所承受的最大應力值為0.792 MPa,遠低于普通碳鋼板材料的282 MPa最大區域強度。同時,運動底板所承受的最大位移為0.112 mm,小于1 mm確認運動底板強度和剛度均符合要求。

5 煤礦井下搬運機器人機械設計工程應用

在介紹煤礦井下搬運機器人設計,并初步確認設計可滿足使用要求后,根據設計對某煤礦中現有的井下搬運設備進行結構有何調整,再將優化調整后的井下搬運機器人應用于生產實踐,確認其應用價值。在經過應用分析后,獲取到搬運機器人卸載運動數據和裝載運動數據變化如圖9和圖10所示。

圖9 搬運機器人卸載速度和加速度曲線Fig.9 Unloading speed and acceleration curves of handling robot

圖10 搬運機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,搬運機器人卸載速度呈現出3段式勻速運動變化,其中第1段速度相對較快,此過程中主要用于實現機械臂對接效果;第2段速度最慢,主要用于為卸載時機械臂抓取重物過程預留出足夠的緩沖距離;第3段速度則處于中間狀態,其主要作用在于降低卸載過程中重物運動所產生的慣性力?？傮w來說,搬運機器人卸載過程具有更強的連續性,實際卸載化抓取動作可滿足井下物料卸載需求。

由圖10可知,搬運機器人裝載速度也呈現出3段式運輸變化,其中第1段速度處于中間狀態,其主要在于減少重物裝載過程中所產生的慣性力;第2段速度最慢,主要目的在于避免重物裝載過程中產生過大碰撞沖擊;第3段速度最快,此時已完成重物裝載操作,機械臂需要快速復位?？傮w來說,搬運機器人裝載速度較為穩定,可有效減少作業時間,提高轉運工作效率。

6 結語

綜上所述,基于煤礦井下標準化搬運策略,結合井下巷道特殊環境及場景特點,介紹一種煤礦井下搬運機器人機械設計方案。此方案主要包括轉運機械臂、鏟叉機構、運動底板3部分內容,根據有限元仿真分析和工程應用結果可知,此煤礦井下搬運機器人機械設計方案具有較強可行性,并且應用效果可有效提高工作效率,減少作業時間,保障煤礦井下搬運作業的持續穩定進行,并增強煤礦井下作業自動化水平,符合未來煤礦自動化發展需求,所以可在后續煤礦井下搬運機器人設計中進行參考應用。