摘要：PJR - Z 型噴漿機(jī)器人是一種噴射混凝土的新型專(zhuān)用設(shè)備。介紹了其整體結(jié)構(gòu)、動(dòng)作原理， 闡述了機(jī)器人液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案以及可靠性設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明， PJR- Z 型噴漿機(jī)器人噴射均勻， 回彈和粉塵大大減少。具有很高的可靠性和穩(wěn)定性， 實(shí)用性強(qiáng)， 完全滿(mǎn)足混凝土噴射工藝要求。
關(guān)鍵詞：噴漿；機(jī)器人；設(shè)計(jì)；可靠性
中圖分類(lèi)號(hào)：TH137文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
國(guó)外從20 世紀(jì)60 年代初開(kāi)始采用機(jī)械手噴漿。我國(guó)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(guò)20 多年的努力， 也未形成過(guò)關(guān)的產(chǎn)品。存在的主要問(wèn)題是，結(jié)構(gòu)不合理、自動(dòng)化水平低和可靠性差， 其主要表現(xiàn)為操作復(fù)雜、動(dòng)作不適應(yīng)地下工程的惡劣環(huán)境。現(xiàn)國(guó)內(nèi)采用的噴漿機(jī)械手全是進(jìn)口的， 價(jià)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(duì)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(chēng)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(chēng)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(dòng)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?chē)娒嫔虾螅?一部分粘著在受?chē)娒嫔希?一部分又彈落回來(lái)， 回彈量的多少(即回彈率)主要和噴槍與受?chē)娒嬷g的角度及距離有關(guān)。濕噴是將加水?dāng)嚢韬玫幕炷两柚邏猴L(fēng)的力量通過(guò)送料管送入噴槍噴射到受?chē)娒嫔稀駠姷脑碛袔追N， 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?chē)娒姹３执怪薄姌尶谥潦車(chē)娒娴木嚯x為1 m 左右， 在此工況下， 最有利于減少回彈。國(guó)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(zhǎng)期以來(lái)困擾著人們。國(guó)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(shí)整個(gè)料管充滿(mǎn)混凝土， 人很難抱得動(dòng)噴槍?zhuān)?所以需要機(jī)器人和機(jī)械手。從發(fā)展趨勢(shì)看， 使用噴漿機(jī)器人將是大勢(shì)所趨。
2機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)
機(jī)器人本體的設(shè)計(jì)原則是機(jī)器人應(yīng)盡可能好地滿(mǎn)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(guó)家863 計(jì)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(kāi)發(fā)出來(lái)的， 其結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)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(gè)自由度， 即大臂俯仰、小臂擺動(dòng)、水平伸縮臂縱向進(jìn)給、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)、噴槍擺動(dòng)和噴槍轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：①大臂1 在油缸2 驅(qū)動(dòng)下做俯仰運(yùn)動(dòng)；②小臂3 做水平擺動(dòng)， 由于小臂采用四連桿機(jī)構(gòu)， 故擺動(dòng)時(shí)其末端做平動(dòng)運(yùn)動(dòng)， 從而使得固定于其末端的水平伸縮臂4 與受?chē)娒娴南鄬?duì)距離和姿態(tài)不變；③水平伸縮臂4 能在與隧道軸線(xiàn)平行的方向進(jìn)給， 使得噴槍做水平移動(dòng)并保持姿態(tài)不變；④手腕5 可完成噴槍沿拱部劃弧， 同時(shí)保證噴槍與受?chē)娒娲怪保虎萦透? 可調(diào)整噴槍的姿態(tài)， 從而在遇到大凹坑時(shí)， 仍能調(diào)整噴槍與受?chē)娒娲怪保虎藿柚趪姌寗潏A機(jī)構(gòu)7， 可使噴槍沿錐面運(yùn)動(dòng)， 從而使噴槍口劃出一個(gè)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(dòng)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(chǎng)需要或安裝于汽車(chē)上， 或安裝在有軌底盤(pán)車(chē)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(gè)自由度， 可以實(shí)現(xiàn)噴槍作業(yè)所需的任何運(yùn)動(dòng)軌跡。現(xiàn)以典型的噴漿作業(yè)過(guò)程為例簡(jiǎn)述之。底盤(pán)車(chē)一般不在隧道中央， 因此只能依靠小臂擺動(dòng)把小臂末端擺至隧道的縱向?qū)ΨQ(chēng)面上；為減少回彈， 噴漿是由下而上進(jìn)行的， 故開(kāi)始時(shí)， 小臂末端位于對(duì)稱(chēng)面的最下方， 使得噴槍口至受?chē)娒娴木嚯x1 m 左右， 這就做好了作業(yè)準(zhǔn)備。噴漿開(kāi)始后， 噴槍即轉(zhuǎn)動(dòng)， 噴槍口劃著圓圈， 噴射物在受?chē)娒嫔蟿澇鲆淮菪€(xiàn)， 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(dòng)作抬高20 cm ， 如此依次往復(fù)， 直至噴到邦與拱的交界線(xiàn)處；此后， 小臂末端一直處于拱部圓弧面的中心線(xiàn)上， 依靠槍轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)設(shè)定的角度和機(jī)器人底盤(pán)車(chē)在隧道的平移， 噴槍口在劃圓的過(guò)程中也在拱部受?chē)娒嫔闲纬?0 cm 寬的噴射帶并與邦的噴射帶緊密相接；噴拱部的過(guò)程與邦類(lèi)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(duì)面的邦底(與前述過(guò)程類(lèi)似) 對(duì)另半面進(jìn)行噴漿。
2. 1機(jī)器人液壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
由于液壓驅(qū)動(dòng)具有功率重量比大、力矩慣量比大、易實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)、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(chǎng)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(dòng)系統(tǒng)[ 3 ]。在設(shè)計(jì)噴漿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)時(shí)， 針對(duì)噴漿作業(yè)的特點(diǎn)、控制系統(tǒng)及操作過(guò)程的要求， 把噴漿機(jī)器人的大臂和小臂設(shè)計(jì)成一種多重四連桿機(jī)構(gòu)。
液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作原理如下：大臂油缸2驅(qū)動(dòng)大臂四連桿1 實(shí)現(xiàn)上下升降運(yùn)動(dòng)；小臂油缸11 驅(qū)動(dòng)小臂四連桿3 在水平面內(nèi)擺動(dòng)， 用以調(diào)整噴槍口相對(duì)壁面的距離；水平伸縮臂油缸10 驅(qū)動(dòng)水平伸縮臂4 縱向進(jìn)給；噴槍調(diào)姿油缸6 驅(qū)動(dòng)噴槍頭8 做±45°的調(diào)姿擺動(dòng)。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(dòng)方式與主從方式兩種。在全自動(dòng)方式時(shí)， 液壓系統(tǒng)在計(jì)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(guò)程， 可自動(dòng)順序完成各操作動(dòng)作;在主從方式時(shí)， 液壓系統(tǒng)按照操作器發(fā)出的信號(hào)，可任意完成各動(dòng)作的人工操作[ 4 ]。
2. 2機(jī)器人電控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jiǎn)易性與直觀(guān)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(dòng)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(hù)要求只保留一種控制方式(為簡(jiǎn)化系統(tǒng)) ， 方便地滿(mǎn)足各類(lèi)用戶(hù)的需求。
在示教再現(xiàn)的自動(dòng)軌跡控制方式下， 機(jī)器人能按照人事先教給它的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)自動(dòng)地進(jìn)行作業(yè)， 無(wú)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(zhǎng)的電纜， 通過(guò)遙控器對(duì)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(dòng)作，很直觀(guān)。特別是通過(guò)對(duì)軟硬件的精心設(shè)計(jì)， 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(dòng)軌跡的平滑連續(xù)。
控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括計(jì)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用二級(jí)分布式控制， 即由規(guī)劃級(jí)(上位機(jī))、CAN 總線(xiàn)和直接控制級(jí)(多個(gè)下位機(jī)) 組成分布式控制系統(tǒng)， 見(jiàn)圖2。
規(guī)劃級(jí)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(jí)的各種信息， 進(jìn)行工作環(huán)境的識(shí)別， 從而完成運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃和生成運(yùn)動(dòng)軌跡的控制指令， 指示控制級(jí)完成指令規(guī)定的運(yùn)動(dòng)。
直接控制級(jí)是直接面對(duì)被控對(duì)象的， 噴漿機(jī)器人共有6 個(gè)自由度， 每個(gè)自由度都有自己的相對(duì)獨(dú)立的控制器。它由控制器、功率放大器、I/O驅(qū)動(dòng)電路組成。其任務(wù)是接收規(guī)劃級(jí)發(fā)來(lái)的指令，完成規(guī)劃級(jí)規(guī)定的運(yùn)動(dòng)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(jí)， 以便進(jìn)行下一輪的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃；完成對(duì)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(jí)， 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(mǎn)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(zhǎng)壽命的旋轉(zhuǎn)變壓器及數(shù)字轉(zhuǎn)換器XSZ。控制器的控制量輸出采用精度高的高速輸出HSO 來(lái)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(jì)
可靠性問(wèn)題是工程化機(jī)器人的最關(guān)鍵問(wèn)題之一， 也是我國(guó)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(wèn)題則更難[ 5 ]。就整機(jī)而言， 最易出問(wèn)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(jì)
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(cuò)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(wèn)題， 對(duì)規(guī)劃級(jí)和控制級(jí)分別作了冗余配置， 實(shí)現(xiàn)了容錯(cuò)設(shè)計(jì)，它們的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)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(jì)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(jì)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(duì)模擬量和開(kāi)關(guān)量均實(shí)行隔離， 在輸入通道中采用雙線(xiàn)采樣、差動(dòng)輸入、線(xiàn)性隔離和有源濾波等；對(duì)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(jì)成隔爆兼本安型，并取得了國(guó)家級(jí)防爆檢驗(yàn)合格證。
2. 3. 2液壓系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)
液壓系統(tǒng)中最易出問(wèn)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(jì)， 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(duì)油路采用集成化設(shè)計(jì)， 將所有閥集中設(shè)計(jì)在同一配流塊的同一面上， 而后將該面設(shè)計(jì)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(duì)任何一個(gè)局部都十分重視， 防止出現(xiàn)某個(gè)元件、甚至一個(gè)管接頭影響全局的情況。
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作者簡(jiǎn)介：李云江， 男， 1966 年生。山東科技大學(xué)(濟(jì)南市250031) 機(jī)器人研究中心副教授。主要研究方向?yàn)樘胤N機(jī)器人。獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1 項(xiàng)、山東省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1 項(xiàng)。出版專(zhuān)著2 部， 發(fā)表論文40 余篇。
榮學(xué)文， 男， 1973 年生。山東科技大學(xué)機(jī)器人研究中心工程師。
樊炳輝， 男， 1958 年生。山東科技大學(xué)機(jī)器人研究中心教授。
江浩， 男， 1959 年生。山東科技大學(xué)機(jī)器人研究中心高級(jí)工程師。
