混泥土喷射机械手机械系统设计总体机械结构

喷浆机器人是一种专用工程化机器人,机器人的机械结构合理与否,不仅关系到其功能能否实现,而且直接影响机器人控制系统的复杂程度,从而决定了机器人的成本和性能因此，如何根据喷浆作业的工艺要求，合理设计机器人的机械结构,使其能用最简单的动作完成所要求的作业,成为一个比较关键的问题。喷浆机器人本体的设计原则是机器人应尽可满足喷浆工艺和作业环境的要求。大型喷浆机器人用于开挖高度为8m～3m范围的各种隧道的喷浆作业。

大臂俯仰与大臂伸缩能够协调动作，即当大臂俯仰时，大臂中的伸缩臂能根据需要相应地伸缩，以保证大臂俯仰时，大臂末端的运动轨迹仍是一条垂直于地面的直线，这样容易实现喷浆工艺，尤是在作业过程中能方便直了能够把喷枪调整到与受喷面之间有合理的距离,同时也有利于扩大机器人的工作空间;小臂伸缩能实现喷浆轨迹中主要的水平段;在大臂仰俯过程中,小臂应始终保持与地面平行，在腰部转动过程中，小臂应始终保持与受喷面平行,这两个“始终平行”,是靠液压系统中的平衡油缸自动实现的,这种功能是由二组液压四连杆完成的;手腕转动是为了使喷枪在喷拱部时能保持喷枪与受喷面垂直，并实现喷浆轨迹中的竖直线段；喷枪姿态调整，是为了在遇到凹坑时能调整喷枪的角度，使之仍与受喷面垂直。此外喷枪还能借助于偏心轴沿圆锥面做度转动，使得喷枪口划过的轨迹为一个圆圈。该机器人安装在一个工程车底盘或梭式矿车底盘上，以实现机器人可在有轨或无轨的隧道中行走。

2喷头结构设计

对于喷头是混泥土喷射机械手的一个重要组成部分，由于喷头直接直接操纵喷嘴，与喷射质量有着密切的关系。

2.喷头的自由度

为了得到均匀的，有一定宽度的喷射带，喷嘴轴线与喷头轴线要成一定角度，同时喷头自身必须作有规律的运动。运动形式一种是左右来回摆动，另一种是绕自身轴线旋转划圆。

喷头两种不同运动方式与伸缩臂的前后移动合成，会在受喷岩面上形成两条不同的喷射带。

喷射工艺要求喷头轴线保持与喷面垂直，这主要靠喷头前后仰俯，左右摆动来实现，但是喷射的位置和岩面的倾角都是在变化的。因此仰俯和摆动两个动作也必须变化才能保持与受喷面垂直，它们变动大的最大范围，可以通过理论计算来确定，并可作为喷头结构设计的依据。

确定了合理的喷头运动形式和变幅范围后，还必须选择一个合理的运动参数，才能得到良好的喷射效果。

2.2喷头部分的机械运动

喷枪部分主要由加长杆、液压油缸、摆动连杆机构、液压马达、曲柄滑槽连杆机构、送料管压风管、速凝剂管和喷嘴等组成。其功能一是实现喷枪口的划圆运动；二是实现喷枪身前后姿态的调整。对于喷头部分三个自由度的实现，是由液压马达带动轴的运动，从而使其运动变化方位及其运转。

其中机械手的喷头首先作左右摆动，当其走到喷面最顶端时做回转运动，控制其做划圆运动，完成对喷射面的作业。驱动头部分主要由伺服控制液压马达、一对蜗轮副和旋转变压器组成。其功能是调整喷枪口的指向。

2.3喷头变幅范围的计算

喷射工艺要求喷头轴线保持与受喷面睡直,这主要靠喷头前后仰俯、左右摆动来实现,但是喷射的位置和岩,面的倾角都是在变化的,因此抑偷和摆动两个动作也必须变化才能保持与受喷面垂直,它们变动豹最大范圈,可以通过理论计算来确定,并可作为喷头结构设计的依据。

应用机器人机构学的有关理论,可以推导出喷头变幅范圈的设什计算公式。

3喷头运动参数的确定

确定合理的喷头运动形式和变幅后，还必须选择一个合理的运动参数，才能得到良好的喷射效果。

喷头的运动参数包括喷嘴受喷岩面的距离s,喷头轴线与受喷面所形成的角度θ，喷头摆动划圆的速度n等。

3.3.距离s

合适的s值是保证回弹率最小，喷体抗压强度较高的重要因素。

距离对回弹的影响，可以用动量定律来进行解释（图3）。

当物料垂直射向受喷岩面时，如不考虑能量损失，则有

式中m-t时间内喷射的物料质量；

-回弹部分质量；

-喷射速度；

-回弹速度；

t-物料从出料口至受喷面的时间，t=s/

f-受喷面对物料的反作用力。

反作用力f和物料对岩面的粘着力之间在一定得距离下保持平衡。距离s减小，则作用时间t缩短而引起f的增大，力的平衡关系被打破，回弹率开始提高。如果s增大，则粘着力减小，物料中的砂，石挤进不了喷层，也会导致回弹率的提高和喷体抗压强度的降低。

3.2喷射角度

影响喷射质量的另一个重要因素是喷头轴线与受喷岩面所成角度，也称为喷射角度。当距离S一定时，’“:为叫尸时回弹率最小，‘喷体抗压强度最高。即使偏移一个很小的角度都会引起两个指标的显著变化。当偏斜角为犷时，抗压强度比垂直情况下降低近0%，回弹率提高近30%。手工操作中，采用这个角度进行喷射是很常见的。而机械手能够把喷射距离和喷射角度控制在最佳值，获得良好的喷射效果。

3.3喷头自身运动速度n

喷头划圆或摆动的速度与一次喷射厚度、回弹率等参数有关，这个速度还必须与水平伸缩油缸的运动速度相匹配才能获得满意的喷射效果。当划圆转速从r/min提高到5r/min，回弹率比原有值降低了约6%。但是，喷头转速过高会降低喷头的转矩，同时还会引起水平臂油缸速度增大，一次喷射厚度减少等一系列问题。一般喷头的转速为60r/min左右。

4小臂部分

小臂主要由小臂体、支承架、小臂体行走驱动油缸、小臂调姿油缸连杆机构等组成。其功能是实现喷枪的纵向往复进给与小臂姿态的调整。

5大臂部分

大臂部分主要由基臂、伸缩臂、伺服控制的调幅用液压油缸、伺服控制的伸缩用液压马达、一对液压平衡油缸、两个旋转变压器及驱动旋转变压器的传动机构等组成。其主要功能是实现喷枪的上下起降运动。

6回转台部分

该部分主要由回转支承、伺服控制的液压马达、可制动变速箱与支承台面等组成。其主要功能是实现大型喷浆机器人腰部的转动。

7运载装置

大型喷浆机器人的运载装置是起重机底盘。它主要由驾驶台、行走底盘和支承油缸等组成。其主要功能是实现机器人在工程现场的工位间转移和在喷浆现场实现机器人可靠地定位。

8运动方式

8.大臂

在油缸驱动下做俯仰运动。

8.2小臂

做水平摆动，由于小臂采用四连杆机构，故摆动时其末端做平动运动，从而使得固定于其末端的水平伸缩臂与受喷面的相对距离和姿态不变。

8.3水平伸缩臂

能在与隧道轴线平行的方向进给,使得喷枪做水平移动并保持姿态不变。

3.8.4油缸

可调整喷枪的姿态，从而在遇到大凹坑时，仍能调整喷枪与受喷面垂直。

3.8.5借助于喷枪划圆机构

可使喷枪沿锥面运动,从而使喷枪口划出一个°的连续圆。喷浆机器人可根据现场需要或安装于汽车上，或安装在有轨底盘车上。该机器人既可与湿喷机相配套，也可与干喷机相配套。依靠这8个自由度,可以实现喷枪作业所需的任何运动轨迹。

9、工作方式

喷浆机器人有两种工作方式,一是自动轨迹工作方式，即示教再现的全自动工作方式;二是遥控主从工作方式。前者就是根据巷道参数把机器人将要运动的轨迹通过示教的方式告知机器人,然后机器人根据示教数据自动实现轨迹的规划和控制，完成喷浆作业。这种方式是本机器人用的最多的方式。后者是通过操作器(相当于主手)向从手(即机器人的手臂)发出命令，从手根据这些命令，亦步亦趋地进行工作,对某些需要加厚喷浆的地方进行喷浆。现以典型的喷浆工作方式为例简述之。

底盘车一般不在隧道中央,因此只能依靠小臂调姿把小臂末端摆至隧道的纵向对称面上;为减少回弹，喷浆是由下而上进行的，故开始时，小臂末端位于对称面的最下方，使得喷枪口至受喷面的距离m左右，这就做好了准备。喷浆开始后,喷枪即转动,喷枪口划着圆圈,喷射物在受喷面上划出一串螺旋线,形成一条20cm宽的喷射带;机器人水平伸缩臂在水平方向上一边伸缩,喷枪一边划着圆圈,当移至设定距离后,靠大臂的仰起动作抬高20cm,如此依次往复,直至喷到帮与拱的交界线处;此后,小臂末端一直处于拱部圆弧面的中心线上,依靠喷枪转动一个设定的角度和机器人底盘车在隧道的平移,喷枪口在划圆的过程中也在供部受喷面上形成20cm宽的喷射带并与帮的喷射带紧密相接;喷拱部的过程与帮类似,依次进行,直至拱顶。到达拱顶后,或返回至起始位置进行第二次喷射,或转至对面的帮底(与前述过程类似)对另半面进行喷浆。

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