混泥土噴漿機(jī)器人

　　國外從20 世紀(jì)60 年代初開始采用機(jī)械手噴漿。我國從60 年代中后期起， 有不少單位研制噴漿機(jī)械手[ 1， 2 ]。但由于種種原因， 雖經(jīng)過20 多年的努力， 也未形成過關(guān)的產(chǎn)品。存在的主要問題是，結(jié)構(gòu)不合理、自動化水平低和可靠性差， 其主要表現(xiàn)為操作復(fù)雜、動作不適應(yīng)地下工程的惡劣環(huán)境�，F(xiàn)國內(nèi)采用的噴漿機(jī)械手全是進(jìn)口的， 價格比較高， 且維修和配件供應(yīng)困難。

1噴漿作業(yè)原則及其對噴漿機(jī)器人的要求

　　噴漿分為干噴和濕噴。干噴是將干的水泥、砂子、石子和速凝劑粉按一定比例送到轉(zhuǎn)子式攪拌機(jī)(俗稱噴漿機(jī)) 內(nèi)攪拌， 在攪拌機(jī)出料口被高壓風(fēng)吹到送料管內(nèi)， 送料管出口裝著噴槍(也稱噴嘴) ， 噴槍的入口處設(shè)有環(huán)形噴水器， 能連續(xù)向槍內(nèi)噴水。水與混凝土就在這1 m 左右的運(yùn)動中混合， 大部分變成混凝土漿。靠著高壓風(fēng)賦予的沖擊力， 混凝土撞到受噴面上后， 一部分粘著在受噴面上， 一部分又彈落回來， 回彈量的多少(即回彈率)主要和噴槍與受噴面之間的角度及距離有關(guān)。濕噴是將加水?dāng)嚢韬玫幕炷�土借助高壓風(fēng)的力量通過送料管送入噴槍噴射到受噴面上。濕噴的原理有幾種， 有的是靠混凝土泵將漿送至噴槍入口， 有的是靠濕式噴漿機(jī)(轉(zhuǎn)子式濕式攪拌機(jī)) 和高壓風(fēng)將漿送至噴槍入口。噴漿的最佳工藝原則是噴槍始終與受噴面保持垂直、噴槍口至受噴面的距離為1 m 左右， 在此工況下， 最有利于減少回彈。國內(nèi)廣泛采用的干噴法存在的三大技術(shù)難題(粉塵、回彈、混凝土品質(zhì)不穩(wěn)定) 長期以來困擾著人們。國內(nèi)外的施工實(shí)踐證明， 實(shí)現(xiàn)濕噴是解決這三大難題的根本途徑。由于濕噴時整個料管充滿混凝土， 人很難抱得動噴槍， 所以需要機(jī)器人和機(jī)械手。從發(fā)展趨勢看， 使用噴漿機(jī)器人將是大勢所趨。

2機(jī)器人的總體設(shè)計

　　機(jī)器人本體的設(shè)計原則是機(jī)器人應(yīng)盡可能好地滿足噴漿工藝和作業(yè)環(huán)境的要求。

　　PJR- Z 型噴漿機(jī)器人(噴射高度可達(dá)10 m )是在國家863 計劃項(xiàng)目“噴漿機(jī)器人產(chǎn)品樣機(jī)”研究成果的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的， 其結(jié)構(gòu)原理見圖1。它由機(jī)械手、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、操作器等組成。該機(jī)器人有6 個自由度， 即大臂俯仰、小臂擺動、水平伸縮臂縱向進(jìn)給、手腕轉(zhuǎn)動、噴槍擺動和噴槍轉(zhuǎn)動。動作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：①大臂1 在油缸2 驅(qū)動下做俯仰運(yùn)動；②小臂3 做水平擺動， 由于小臂采用四連桿機(jī)構(gòu)， 故擺動時其末端做平動運(yùn)動， 從而使得固定于其末端的水平伸縮臂4 與受噴面的相對距離和姿態(tài)不變；③水平伸縮臂4 能在與隧道軸線平行的方向進(jìn)給， 使得噴槍做水平移動并保持姿態(tài)不變；④手腕5 可完成噴槍沿拱部劃弧， 同時保證噴槍與受噴面垂直；⑤油缸6 可調(diào)整噴槍的姿態(tài)， 從而在遇到大凹坑時， 仍能調(diào)整噴槍與受噴面垂直；⑥借助于噴槍劃圓機(jī)構(gòu)7， 可使噴槍沿錐面運(yùn)動， 從而使噴槍口劃出一個360°的連續(xù)圓。

1. 大臂四連桿2. 大臂油缸3. 小臂四連桿4. 水平伸縮臂
5. 手腕轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)6. 噴槍調(diào)姿油缸7. 噴槍劃圓機(jī)構(gòu)8.
噴嘴9. 送料管10. 水平伸縮臂油缸11. 小臂油缸
圖1PJR- Z 噴漿機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理圖

　　圖1 所示的6 自由度噴漿機(jī)器人可根據(jù)現(xiàn)場需要或安裝于汽車上， 或安裝在有軌底盤車上。該機(jī)器人既可與濕噴機(jī)相配套， 也可與干噴機(jī)相配套。依靠這6 個自由度， 可以實(shí)現(xiàn)噴槍作業(yè)所需的任何運(yùn)動軌跡�，F(xiàn)以典型的噴漿作業(yè)過程為例簡述之。底盤車一般不在隧道中央， 因此只能依靠小臂擺動把小臂末端擺至隧道的縱向?qū)ΨQ面上；為減少回彈， 噴漿是由下而上進(jìn)行的， 故開始時， 小臂末端位于對稱面的最下方， 使得噴槍口至受噴面的距離1 m 左右， 這就做好了作業(yè)準(zhǔn)備。噴漿開始后， 噴槍即轉(zhuǎn)動， 噴槍口劃著圓圈， 噴射物在受噴面上劃出一串螺旋線， 形成一條20 cm 寬的噴射帶；機(jī)器人水平伸縮臂在水平方向上一邊伸縮， 噴槍一邊劃著圓圈， 當(dāng)移至設(shè)定距離后， 靠大臂的仰起動作抬高20 cm ， 如此依次往復(fù)， 直至噴到邦與拱的交界線處；此后， 小臂末端一直處于拱部圓弧面的中心線上， 依靠槍轉(zhuǎn)動一個設(shè)定的角度和機(jī)器人底盤車在隧道的平移， 噴槍口在劃圓的過程中也在拱部受噴面上形成20 cm 寬的噴射帶并與邦的噴射帶緊密相接；噴拱部的過程與邦類似， 依次進(jìn)行， 直至拱頂。

　　到達(dá)拱頂后， 或返回至起始位置進(jìn)行第二次噴射， 或轉(zhuǎn)至對面的邦底(與前述過程類似) 對另半面進(jìn)行噴漿。

2. 1機(jī)器人液壓系統(tǒng)總體設(shè)計

　　由于液壓驅(qū)動具有功率重量比大、力矩慣量比大、易實(shí)現(xiàn)直線驅(qū)動和直接驅(qū)動、易于實(shí)現(xiàn)防爆等優(yōu)點(diǎn)， 因此被廣泛應(yīng)用在慣量大、承載重量大、需要防爆的工作場合所。根據(jù)噴漿的環(huán)境， 并從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、體積、適應(yīng)性、防爆性等方面綜合考慮，噴漿機(jī)器人選用了液壓驅(qū)動系統(tǒng)[ 3 ]。在設(shè)計噴漿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)時， 針對噴漿作業(yè)的特點(diǎn)、控制系統(tǒng)及操作過程的要求， 把噴漿機(jī)器人的大臂和小臂設(shè)計成一種多重四連桿機(jī)構(gòu)。

　　液壓驅(qū)動系統(tǒng)的動作原理如下：大臂油缸2驅(qū)動大臂四連桿1 實(shí)現(xiàn)上下升降運(yùn)動；小臂油缸11 驅(qū)動小臂四連桿3 在水平面內(nèi)擺動， 用以調(diào)整噴槍口相對壁面的距離；水平伸縮臂油缸10 驅(qū)動水平伸縮臂4 縱向進(jìn)給；噴槍調(diào)姿油缸6 驅(qū)動噴槍頭8 做±45°的調(diào)姿擺動。由工作參數(shù)作受力分析及求解， 求得系統(tǒng)最高壓力為16M Pa。

　　液壓系統(tǒng)的工作控制方式有全自動方式與主從方式兩種。在全自動方式時， 液壓系統(tǒng)在計算機(jī)的控制下， 根據(jù)工作面的幾何尺寸， 按照設(shè)定的程序及噴漿工藝過程， 可自動順序完成各操作動作;在主從方式時， 液壓系統(tǒng)按照操作器發(fā)出的信號，可任意完成各動作的人工操作[ 4 ]。

2. 2機(jī)器人電控系統(tǒng)的總體設(shè)計

　　電控系統(tǒng)設(shè)計的指導(dǎo)思想是盡量采用先進(jìn)技術(shù)和元器件， 以確保系統(tǒng)惡劣環(huán)境下的高可靠性和操作的簡易性與直觀性；控制系統(tǒng)盡可能模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化， 以利于規(guī)范化、系列化生產(chǎn)。PJR - Z型噴漿機(jī)器人采用將全自動控制與主從遙控融為一體的控制方案， 且兩種控制方式可以隨意互相平滑地轉(zhuǎn)換， 也能夠根據(jù)用戶要求只保留一種控制方式(為簡化系統(tǒng)) ， 方便地滿足各類用戶的需求。

　　在示教再現(xiàn)的自動軌跡控制方式下， 機(jī)器人能按照人事先教給它的運(yùn)動軌跡和姿態(tài)自動地進(jìn)行作業(yè)， 無需人工操作。本機(jī)器人示教的方式有兩種， 一種是軌跡示教方式， 另一種是特征點(diǎn)示教方式。操作者可根據(jù)隧道斷面情況選擇示教方式。在遙控主從控制方式下， 借助于15～ 20 m 長的電纜， 通過遙控器對機(jī)器人進(jìn)行操作， 遙控器可看作機(jī)器人的主手， 機(jī)器人的手臂則看作從手， 從手則按照主手發(fā)出的指令， 亦步亦趨地跟隨主手動作，很直觀。特別是通過對軟硬件的精心設(shè)計， 兩種控制可在軌跡的任一點(diǎn)隨意轉(zhuǎn)換， 并能保持運(yùn)動軌跡的平滑連續(xù)。

　　控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括計算機(jī)系統(tǒng)、伺服放大器、電源、操作器、系統(tǒng)抗惡劣環(huán)境等方面。計算機(jī)控制系統(tǒng)采用二級分布式控制， 即由規(guī)劃級(上位機(jī))、CAN 總線和直接控制級(多個下位機(jī)) 組成分布式控制系統(tǒng)， 見圖2。

　　規(guī)劃級的任務(wù)是接收示教盒發(fā)出的示教數(shù)據(jù)和控制指令， 接收直接控制級的各種信息， 進(jìn)行工作環(huán)境的識別， 從而完成運(yùn)動軌跡的規(guī)劃和生成運(yùn)動軌跡的控制指令， 指示控制級完成指令規(guī)定的運(yùn)動。

　　直接控制級是直接面對被控對象的， 噴漿機(jī)器人共有6 個自由度， 每個自由度都有自己的相對獨(dú)立的控制器。它由控制器、功率放大器、I/O驅(qū)動電路組成。其任務(wù)是接收規(guī)劃級發(fā)來的指令，完成規(guī)劃級規(guī)定的運(yùn)動控制；接收相關(guān)自由度的傳感器信息并進(jìn)行預(yù)處理， 然后送規(guī)劃級， 以便進(jìn)行下一輪的運(yùn)動軌跡規(guī)劃；完成對控制器、伺服放大器等的故障診斷， 并把診斷結(jié)果送規(guī)劃級， 以便做出相應(yīng)處理。

　　控制器是伺服控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件， 其核心由In tel80c196KC 單片微機(jī)系統(tǒng)及CAN 控制器構(gòu)成。為了滿足控制性和可靠性的要求， CAN 控制器與其接口之間采用了隔離措施， 反饋元件選用了高可靠性、高精度和長壽命的旋轉(zhuǎn)變壓器及數(shù)字轉(zhuǎn)換器XSZ�？刂破鞯目刂屏枯敵霾捎镁�度高的高速輸出HSO 來獲得PWM 輸出， 經(jīng)光電隔離后， 再經(jīng)有源濾波器獲得直流控制電壓送往伺服放大器。

2. 3惡劣環(huán)境下的可靠性設(shè)計

　　可靠性問題是工程化機(jī)器人的最關(guān)鍵問題之一， 也是我國機(jī)器人產(chǎn)品普遍存在的弱點(diǎn)和難點(diǎn)，惡劣環(huán)境下的機(jī)器人可靠性問題則更難[ 5 ]。就整機(jī)而言， 最易出問題的是電控系統(tǒng)， 其次是液壓系統(tǒng)。

2. 3. 1電控系統(tǒng)的可靠性設(shè)計

為了獲得噴漿機(jī)器人的高可靠性， 采用了高可靠的元器件、容錯技術(shù)、三防技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、抗干擾技術(shù)和防爆技術(shù)。

(1) 為了解決控制系統(tǒng)的可靠性問題， 對規(guī)劃級和控制級分別作了冗余配置， 實(shí)現(xiàn)了容錯設(shè)計，它們的結(jié)構(gòu)示意圖見圖3 和圖4。


(2) 為解決電磁兼容性、散熱與冷卻、防潮、防蝕、防霉變和抗振等， 考慮到本機(jī)器人的工作環(huán)境與野戰(zhàn)設(shè)備相近， 故完全按軍用計算機(jī)加固技術(shù)進(jìn)行了加固。所以， 該電控系統(tǒng)實(shí)為加固計算機(jī)控制系統(tǒng)。 (3) 為提高電路本身可靠性， 單片微機(jī)與I/O通道均采用了嚴(yán)格的隔離措施， 對模擬量和開關(guān)量均實(shí)行隔離， 在輸入通道中采用雙線采樣、差動輸入、線性隔離和有源濾波等；對電源， 采用變壓器隔離， 干擾抑制器濾波等。
(4) 防爆方面， 本系統(tǒng)設(shè)計成隔爆兼本安型，并取得了國家級防爆檢驗(yàn)合格證。

2. 3. 2液壓系統(tǒng)的可靠性設(shè)計

　　液壓系統(tǒng)中最易出問題的是電液比例閥， 為了提高液壓系統(tǒng)的可靠性， 一是精心設(shè)計， 為了防爆和保護(hù)惡劣環(huán)境中的比例閥及各種電磁閥， 對油路采用集成化設(shè)計， 將所有閥集中設(shè)計在同一配流塊的同一面上， 而后將該面設(shè)計為防爆箱的一面， 使所有閥均處于防爆箱內(nèi)， 達(dá)到既防爆又防護(hù)的雙重效果， 十分經(jīng)濟(jì)、合理；二是注重整體質(zhì)量， 對任何一個局部都十分重視， 防止出現(xiàn)某個元件、甚至一個管接頭影響全局的情況。