掘进机截割头齿座的机器人自动定位技术

张梦奇, 闫献国, 秦国强, 王学成

(1.太原科技大学机械工程学院，太原 030024；2.山西能源学院机电工程系，晋中 030600；3.山西天地煤机装备有限公司，太原030006)

截割头是悬臂式掘进机破碎岩石的关键部件，合理的截割头设计参数能有效降低截割载荷并减小载荷波动[1]，当截割头上截齿总数量保持不变而采用不同的截齿布置形式条件下，同时参与截割的有效截齿数量平均值基本不变[2]，但由于截齿与岩石接触的先后顺序不同，对应的掘进机截割载荷和功率消耗存在一定程度的差异[3-4]。在相对稳定的地质条件下，与之相适应的截齿配置形式能有效提高采掘机械截割装置的使用效果。合理的截割工艺路径能有效减小截割功率消耗，提高掘进机工效[5-7]。控制截割头移动和转动工作参数能有效避免截齿和齿座的磨损，延长截割头使用寿命[8-9]。然而由于截割头几何形状的特殊性和齿座定位过程的复杂性，导致在制造过程中，无法避免地存在一定程度的定位和定向误差。定位误差是截齿齿尖在截割头表面的相对位置误差，可导致截齿破岩过程中交替出现相关截割和非相关截割工作状态[10-11]，而不同截割状态下作用在截齿上的载荷存在明显差异，影响截割刀具寿命的一致性[12-13]。定向误差是截齿轴线在空间的姿态，对作用在截齿上的载荷影响较显著[14-15]。定位和定向误差是造成使用寿命内截齿发生早期磨损的主要因素之一[16-17]。为降低制造误差对截割头工作性能的影响，提高截割头齿座定位精度，掘进机制造企业和研究机构提出了各类截割头齿座辅助定位方法。从早期的齿座手工定位辅助模板[18-19]到半自动辅助定位技术[20]，截割头齿座空间定位精度获得较大提升；从工业机器人应用于截割头制造理论的提出[21-22]到目前的工业机器人辅助定位技术的发展与应用[23-24]，齿座定位精度和截割头制造效率均获得进一步提高。但由于掘进机工作地质条件的复杂性导致对截割头类型的需求更加多样化。应用常规工业机器人对不同形状截割头的齿座进行定位都需要编写大量重复性较低的控制代码[21]，这种方式适合于大规模批量化生产。而截割头现场使用情况复杂，当不同型号截割头个别位置截齿或齿座出现早于预期的磨损，需要调整位置或姿态时，对机器人编程则需要较长的代码调试和验证时间，严重制约了截割头高效制造的需求。为改善截割头设计性能，提高制造精度，延长截割头使用寿命，降低机器人代码的编写复杂程度，研究了截齿在截割头上的布置特点和设计方法，提出并验证了采用专用机器人定位截割头齿座的新技术，为煤机装备关键零部件向智能化制造方向发展提供技术参考依据。

1 截割头设计理论

1.1 掘进机工作过程

安装在悬臂架上的截割电机通过减速器驱动截割头旋转，在截割升降油缸和回转油缸的共同作用下，完成对巷道横断面的截割，如图1(a)所示。齿座按照特殊的螺旋线以某种空间姿态焊接在截割头体表面，安装在齿座孔中的截齿直接与岩石相互作用，是截割过程的核心刀具，其空间姿态设计的合理性和制造的准确性是影响截割头破岩效果的重要因素。随截割头的旋转，当截齿转到与岩石接触的工作区域中，将承受旋转破岩产生的冲击载荷，与此同时，在悬臂架的移动作用下，油缸的牵引力也将作用于工作区域的截齿上；当截齿处于非工作区域中，作用在截齿上的载荷减小为零，如图1(b)所示。截割头在工作过程中，截齿承受着剧烈的交变冲击载荷，并伴随着局部高温与磨损，工作条件非常恶劣。

图1 悬臂式掘进机工作原理Fig.1 Fig.1 Boom type roadheader working principle

1.2 齿座和截齿组合体的空间位姿

截割头体的形状通常是圆柱体、圆锥体、球体等简单几何体的组合，截齿按一定设计参数排布在截割头体表面。在设计过程中，截齿和齿座通常被作为一个整体进行设计，即有利于进行截齿空间位姿的计算，又能兼顾齿座与截割头体贴紧密合的焊接要求。纵轴式掘进机截割头通常设计成顶部直径较小，而靠近减速器一侧的底部直径较大的结构，即适合进行掏槽钻进，又能提高横摆过程的工作效率。因此按照纵轴式截割头结构特点，小端截线间距通常较小，截齿排布密度相对较大，这将会导致该区域内可能发生齿座干涉现象。而横轴式掘进机的截割装置通常由一对完全对称的截割头组成，在工作过程中左、右截割头产生的轴向载荷波动能被有效抑制。但由于减速器的传动结构限制，在钻进和上下摆动过程中，左、右两侧截割头之间往往产生残留岩脊，影响掘进机破岩效果。为消除岩脊的影响，横轴式截割头大端截线间距通常较小，截齿排布密度通常较大，进而导致该区域齿座干涉的可能性增加。为解决由于截割头结构及工作方式造成的齿座干涉，并进一步改善截割效果，通常需要对存在干涉的齿座根据实际情况进行单独调整。综上所述，截割头设计中，在确保各个截齿处于最佳破岩姿态的同时，齿座间避免发生干涉，齿座底面能与截割头表面充分贴合。

截齿间的相对位置关系和截齿的空间姿态是影响破岩效果的关键因素，处于不同位置的截齿通常具有不同的空间姿态。为便于在设计过程中调整截齿姿态，在图2所示的截齿和齿座组合体模型中，建立几何对称面Si，在齿尖P点建立截齿和齿座空间定向参考坐标系XiYiZi，并规定过齿尖P点，垂直于齿座底面的方向为XiYiZi坐标系的X方向，沿截齿圆周转动的切线为Y方向，对称面法线为Z方向，角标i为定位和定向过程对应的序号，齿座结构所固有的安装角用κ表示。截割头设计和制造过程中，截齿和齿座组合体相对截割头体空间位姿的确定和调整均是基于该对称面对参考坐标系XiYiZi进行调整。

图2 截齿和齿座组合体的对称面和坐标系Fig.2 Symmetry plane and coordinate system of pick and pick holder

1.3 截齿齿尖位置

截齿在截割头表面分布的位置和数量是确定截割载荷分配均匀性和工作平稳性的重要依据。截割头上排布截齿的数量越多，截割载荷波动越小。但由于单位表面积上的截齿密度大，各截齿的截割性能得不到充分发挥，导致切屑几何尺寸减小，工作产生的粉尘增加。对抗压强度从10 MPa到170 MPa的多种岩石的进行相关截割和非相关截割实验结果显示，作用在截齿上的切向力和法向力与岩石的单向抗压强度的相关程度最高[12]，岩石破碎效果与截线间距和截割深度有关。当截线间距与截割深度比值在2～4范围内，相邻截齿处于相关截割状态，作用在截齿上的破岩载荷相对非相关截割状态较小，对应的截割比能耗较低[25-28]。为提高截割头破岩效果，依据上述理论可以确定截齿齿尖之间的相对位置。

截齿齿尖通常布置在截割头不同几何特征对应的空间螺旋线上，以获得连续而高效的破岩效果。圆柱体、圆锥体和球体的截齿排布空间螺旋线可用式(1)～式(3)分别表示[7]。

(1)

(2)

(3)

式中：r为螺旋线某点的回转半径，m；θ为螺旋线某点对应的圆周角，rad；ε为螺旋升角，rad；ρ为圆锥极径，m；ψ为半锥顶角，rad；A为常数。

对于图3所示的纵轴式截割头，齿尖相对于截割头体的三维空间定位参数通常采用圆柱坐标系参数进行描述。将组合体齿尖P点置于截割头坐标系X0Y0Z0原点，且X1Y1Z1与X0Y0Z0分别对齐，如图3(a)所示。按R和Z参数移动P点到对应位置，建立坐标系X2Y2Z2，如图3(b)所示。绕圆柱坐标系Z0轴将X2Y2Z2旋转θ角后，齿尖P到达目标点Q，并建立新的坐标系X3Y3Z3和初始平面S3，如图3(c)所示。上述步骤可用变换矩阵式(4)表示。按照最佳破岩效果对应的截线间距数值，重复上述步骤，可实现各截齿齿尖沿空间螺旋线的定位。

图3 截齿空间位置的确定方法Fig.3 Method for determining special position of pick and pick holder

(4)

1.4 截齿空间姿态

截齿最终空间姿态由截齿轴线相对于初始平面S3中的X3Y3Z3坐标系确定。由截齿轴线与齿尖运动轨迹的切线Y3轴在空间形成的锐角称为打击角。在设计计算过程中，打击角由X3Y3Z3坐标按一定顺序绕对应轴线旋转确定。对岩石进行截割试验的结果显示，打击角是影响截齿破岩效果和磨损的关键因素,在截割头常规设计参数范围内，随打击角的增加，截齿破岩效果明显提高[14-15, 29-33]。为使截齿最终空间姿态对应的打击角与设计值一致，对P点处的截齿和齿座组合体进行空间姿态调整，如图4所示。采用笛卡尔坐标系对截齿姿态相对于截割头体空间定向设计参数。

图4 截齿空间姿态的确定Fig.4 Determining process of pick spatial attitude

将位于P点的初始平面S3绕Y3轴旋转β后形成的新对称面S4称为倒角平面，X3相应转动到新位置X4，Z3转动到Z4，原Y3轴重新命名为Y3/4，如图4(a)所示，β在截割头设计过程中定义为倒角。绕X4轴将倒角平面S4旋转α角度形成新对称面S5，并命名为转角平面，Y3-4相应转动到新位置Y5，Z4转动到Z5，原X4轴重新命名为X4/5，如图4(b)所示，α定义为转角。在转角平面S5中，绕Z5轴旋转X4/5至新位置X6或旋转Y5至Y6位置，均可获得截齿和齿座组合体的新对称面S6，为区别于创建转角过程形成的转角平面，将该平面命名为仰角平面, 旋转角μ称为仰角。S5与S6为相互重合的同一平面，截齿轴线在仰角平面S6中的最终姿态与Y3轴的空间夹角即为设计打击角δ。截齿空间姿态变换特征矩阵N如式(5)所示。

(5)

按上述参数确定的截齿和齿座组合体任一点K′=[x,y,z,1]-1在空间经坐标变换后确定的最终位置K可表示为K=K′×M×N。

在截齿空间位姿调整过程中既要合理确定截齿在截割头表面的排布位置和空间姿态，又要避免齿座底面与截割头体发生干涉或产生较大的间隙，因此在截割头设计中通常采用确定截割头体的几何外形与调整截齿位姿同时进行的方式，使截割头获得最好的设计性能和制造条件，便于通过专用机器人实现齿座自动定位技术。

2 齿座定位专用机器人

2.1 总体结构

工业机器人具有良好的工作适应性，前期研究和应用结果表明，常规结构多自由度工业机器人可应用于截割头齿座定位[24]。由于齿座和截割头体存在相对复杂的空间姿态，增加了从设计到制造过程的角度坐标系统转换编程的复杂性，当其中某一参数设定不恰当时，齿座定位结果与理论设计参数间会产生较大误差[23]，影响截割头的实际工作效果。对批量生产的截割头产品，虽然可以采用机器人示教功能避免复杂程序代码的编写，但对于根据具体地质条件而特殊设计和制造的小批量或单个非定型截割头产品，机器人示教调试过程将占用大量生产准备时间，工业机器人的工作高效性无法得到充分体现。为降低机器人定位齿座工艺文件编写的复杂性，提出一种基于截齿排布设计方法的新型专用机器人装置。根据截齿在空间的定位和定向设计步骤，控制机器人各机构执行对应动作，既能有效降低控制编程的难度，又能有效降低截割头齿座定位机器人工作站的建设成本。

根据截齿的空间位姿特点，提高设计和制造工艺基准的一致性，降低机器人控制复杂性，6自由度齿座定位专用机器人采用了焊接变位机联合十字滑移装置的设计结构，如图5所示。具有2自由度的焊接变位机布置在机器人主机架的一端，回转台绕自身轴线的旋转角度由伺服蜗轮减速器MC进行控制，其中旋转角度θT与设计参数θ对应相等，角标T表示机器人制造过程所使用的参数；回转台绕C1C2轴线的翻转由伺服蜗轮减速器MD进行控制，翻转角度βT与设计参数β对应相等。基于齿座定位机器人的结构特点，采用笛卡尔坐标系对截齿的空间位置进行描述。XMYMZM为机器人绝对坐标系，坐标原点M在过截割头轴线的定位平面ST中,ZM与导轨竖直滑轨运动方向一致,XM和YM确定的平面通过翻转中心C1C2，UM和WM为机器人本体的结构尺寸和截割头的工装结构尺寸。为提高对不同几何尺寸截割头的齿座定位效率，通常采用相对坐标系XTYTZT确定齿座定位过程的工艺参数，原点T位于定位平面ST中，是机器人坐标系的相对零点，相对于绝对坐标系原点M的偏移量分别为xM和zM。在当截割头绕回转台轴线旋转θT角度后，待定位齿座对应的截齿齿尖P转动到定位平面ST中，这样就使定位工艺参数yT为零，从而降低了机器人控制的编程难度。齿尖P点的其余两个定位参数xT和zT由安装在主机架另一端的H向和V向导轨的移动和回转台翻转联合确定。具有2自由度的十字滑移装置分别由伺服蜗轮减速器MA和MB驱动导轨内丝杠转动，实现齿尖P沿水平和竖直方向移动。相对坐标系XTYTZT与截齿排布设计过程中采用的圆柱坐标系的转换关系为

xT=UM-xM-[(Z+WM)sinβ+Rcosβ]

(6)

zT=zM+[(Z+WM)cosβ-Rsinβ]

(7)

图5 齿座定位机器人结构和参数Fig.5 Structure and parameters of pick holder position robot

2.2 手部结构

为降低机器人结构复杂性，并使截齿获得正确的最终空间姿态，齿座定位专用机器人的手部采用了具有2自由度的串联式关节结构，这种结构既能使机器人的末端执行机构得以有效简化，又能按照设计参数对应的转角和打击角直接调整齿座姿态。机器人手部结构如图6所示，转角关节安装在水平滑轨末端，由伺服蜗轮减速器ME实现对转角的调整。在转角关节的输出端安装了与转角关节工作原理相同的打击角关节，齿座架安装在打击角关节的输出端。这种串联式关节结构能保证齿尖P点始终位于转角关节和打击角关节输出轴线的交点上，无须再进行复杂的空间角度转换计算，有效降低机器人控制程序调试的难度。

图6 机器人手部结构及缓冲装置工作原理Fig.6 Robot hand structure and working principle of buffer device

此外，为避免由于元部件制造误差、系统传动误差等因素对齿座定位最终位姿的影响，使齿座底面和截割头表面实现充分贴合，提高齿座焊接可靠性，在机器人手部转角关节位置处设计了弹簧压入式接触缓冲装置。在实际制造过程中，导轨沿水平方向的移动量的设定值比齿尖定位的理论计算值略大ΔXT，同时该值小于弹簧的许用压缩行程量。当齿尖到达设计位置时，齿座底面与截割头表面刚好发生接触，此时由于水平导轨继续执行ΔXT所对应的移动量，机器人手部缩入水平导轨中，弹簧被压缩，在弹性恢复力作用下，上述两个表面获得充分接触。这种工艺即能有效避免工件间存在的间隙对焊接强度的影响，又能降低机器人因发生刚性碰撞频繁产生错误报警，提升制造过程的流畅性。

图7 机器人手部的齿座空间姿态调整过程Fig.7 Pick holder special attitude adjustment process of robot hand

3 齿座定位制造过程

3.1 齿座相对机器人手部的定位方法

为提高齿座在机器人手部的安装精度，通过利用齿座自身结构的重力特性获得其相对于机器人手部关节的初始空间姿态。在齿座定位的准备过程中，机器人手部被设定为初始状态，如图7(a)所示，此时齿座位于安装轴上，齿尖的理论位置位于P′点并处于自由下垂状态，齿座架与打击角关节的轴线共线。由于齿座结构的特殊性，其重心始终位于安装轴的铅直正下方。当齿座安装架上的电磁铁得电，在磁力作用下齿座向安装架移动，其前端面与安装架凸台表面贴合，P′点移动到转角和打击角轴线的理论交点P，如图7(b)所示。为消除移动过程对齿座自动定位准确性的影响，重复电磁铁快速通断电若干次，可进一步提高齿座的初始安装精度。完成齿座的初始位置的确定后，打击角关节绕转角关节旋转制造旋转αT；安装架绕打击角关节旋转δT，使齿座相对于机器人手部处于最终空间定位姿态，如图7(c)所示，而用于确定齿座姿态的倒角则已经在回转台翻转βT角过程中完成了设定。机器人手部的转角关节和打击角关节同时执行调整动作能有效缩短齿座空间姿态的调整时间。

3.2 齿座定位过程模拟分析

齿座空间位置和姿态由6个参数确定，专用位机器人执行相应的6个动作完成齿座的定位。从截割头设计参数到机器人制造参数的转换关系如表1所示。在制造过程中，通常将水平导轨移动作为最后一个执行动作，并将其分为快速高效移动和慢速安全抵进两个过程，快速移动有利于减少移动的耗时，慢速抵进能有效降低由刚性碰撞而触发停机保护的风险。

表1 设计参数和制造参数的关系Table 1 Relationship of design parameters and manufacturing parameters

由于截割头、转台以及连接二者的工装的质量远大于机器人手部及被抓取的齿座的质量，因此回转台旋转速度相对较低，以减小回转台转动惯量对定位精度的影响。图8所示是依照表2截齿排布设计参数对1号螺旋线各齿座依次执行各定位步骤，并忽略齿座装拆辅助时间的模拟耗时统计。结果显示，由于截割头小端截齿布置的圆周角的间距较大，回转台沿圆周方向旋转所需的时间显著增加，对应的总时间消耗相应增加。各齿座定位过程中，回转台的旋转圆周角度的增量Δθ对应的时间tΔθ在齿座定位过程中的时间占比最大，其次是滑轨正、反向以增量模式移动的耗时tΔX+及tΔX-，以及导向接头升降耗时tΔZ。因此，在机器人工作过程中，通常控制回转台的旋转与H向滑轨的正、反向移动同时进行，从而提高制造效率。为对比回T点上料工作模式中不同制造工艺过程的时间消耗，优化机器人手部末端工作路径，采用3种工艺方案对齿座定位过程进行模拟。

图8 同一螺旋线上定位相邻齿座耗时模拟Fig.8 Time consumption for adjacent pick holder positioning on same spiral

表2 1号螺旋线的截齿排布设计参数Table 2 Pick arrangement parameter of No.1 spiral line

方案A:沿截割头轴向高度按截齿设计顺序从1～46号依次定位齿座。

方案B:依照螺旋线序号，在同一螺旋线上沿截割头轴向高度定位齿座。为避免发生干涉和碰撞，对截割头小端齿座定位顺序进行局部调整。定位顺序为1号螺旋线1～40号齿座，2号螺旋线2～44号齿座,3号螺旋线3～42号齿座，最后按顺序定位第45、43和46号齿座。

方案C:优先定位相邻螺旋线末端齿座，使转台旋转角度最小。定位顺序为1号螺旋线从1～46号齿座，2号螺旋线从44～2号,3号螺旋线从3～45号。

当齿座定位完成后，机器人手部退回到避免与截割头发生碰撞且便于上料的安全区域中。在上述过程及机器人手部重新移向截割头准备进行下一个齿座定位的过程中，回转台的旋转和翻转，以及齿座在机器人手部的姿态初始化均可在此过程中完成，因此采用手部移动向截割头和反向远离截割头的时间之和评估机器人工作效率。此外，合理的确定T点位置能起到减低时间消耗，提高制造效率的作用。不计入上下料辅助时间的截割头齿座定位模拟分析结果如图9所示，由于机器人手部完成快速移动后，按照截齿排布轴向高度在整个圆周方向切换螺旋线时，回转台转动速度较低而产生的等待时间造成方案A定位截割头上所有齿座的总耗时超过采用B,C方案的1.5倍，而且等待时间会随手部移动速度的增加而变长。方案 B和C所需的制造时间相对较小，每把截齿定位的机器人位姿调整所需的平均时间不超过20 s，其优势在于按同一螺旋线相邻顺序依次定位各齿座,圆周角增量较小以及切换螺旋线所需的时间相对较少。

图9 采用不同工艺路线定位齿座的耗时对比Fig.9 Time-consuming comparison of positioning pick holders by using different process

图10 齿座定位过程中相对运动部件的最小间隙Fig.10 Minimum clearance of relatively moving parts during pick holders positioning process

此外，在模拟过程中计算各运动机构之间的最小间隙也是确保截割头设计参数合理性和制造过程可行性的重要依据。如图10(a)所示，在44号齿座在定位过程中，打击角关节与相邻且已经完成定位的42号齿座的间隙较小。为避免发生潜在的运动碰撞风险，对定位工艺过程进行合理调整。依据优先定位相邻齿座原则，采用先定位第44号齿座，再定位第42号齿座，如图10(b)所示，使存在相对运动零部件的最小间隙得以进一步扩大。虽然截割头小端局部齿座的制造效率相对原方案可能有所降低，但却能有效避免碰撞风险。因此，在实际制造过程中由于横轴式截割头小端齿座间距较大，通常采用方案C获得较高的生产效率，而对于纵轴式截割头由于小端齿座密度较大，通常采用方案B，以确保制造过程的可行性。这里仅就机器人定位齿座的工艺进行原理性介绍，对于不同截割头排齿参数，需进行进一步具体分析优化，确保机器人制造技术的可靠性和高效性。

4 截割头现场制造

通过齿座定位机器人按表2设计参数对排布46枚截齿的纵轴式截割头进行现场制造，如图11所示。为增加齿座间的最小间隙，对42号和44号齿座的现场调整制造过程如图12所示。

图11 截割头实际制造过程Fig.11 The actual manufacturing process of cutting head

图12 定位第44号齿座的现场制造过程Fig.12 On-site manufacturing process for positioning No. 44 pick holder

按照表2中的截齿排布参数进行现场制造的统计数据显示，齿座定位及点焊所需的时间范围为52～87 s，定位每个齿座所需的平均时间约为68 s，手部退移回T点和齿座上料的辅助工序时间占一个齿座定位总耗时的43%，如图13所示。

图13 1号螺旋线上齿座定位耗时Fig.13 Time-consuming of pick holders on spiral No.1

随着被定位齿座在截割头上轴向坐标的增加，相邻截齿间圆周角差值ΔθT增加，回转台转动耗时增加s导致了定位点焊所需的时间逐渐增加。同时，从截割头大端到小端，由于制造倒角βT逐渐增加，H向导轨及V向导轨的相对移动距离相对减少，完成上一个齿座定位后的回零上料所需要的时间缩短。在确保每个齿座都能获得慢速抵进的安全定位模式下，每个齿座从上料到完成点焊定位，机器人手部回上料区消耗的时间约为118 s。因此，设计合理的齿座专用上下料系统，优化机器人手部的移动行程等措施将能进一步降低辅助工序的时间消耗，提高截割头制造效率。

5 结论

基于截割头截齿排布设计方法的截齿定位专用机器人，实现了截割头齿座复杂空间姿态设计参数与制造参数统一。根据齿座空间姿态设计方法，将常规工业机器人复杂的末端位置控制简化为齿座定位专用机器人的分步骤简单执行过程，有效提高齿座的空间定位和定向精度，同时又能有效降低机器人工作代码编写难度，提高机器人制造过程的高效性和灵活性。以高定位精度和高生产效率为特征的机器人定位齿座技术，实现了截割头制造过程的柔性化，将逐步取代传统齿座定位制造方法。机器人辅助定位齿座技术可推广应用于矿山领域掘锚机、连续采煤机、采煤机滚筒的制造，以及工程领域中露天采矿机滚筒等关键零部件的制造，是未来破岩截割装置制造技术提升的重要保障手段。