大型喷浆机器人机械结构研究

THE MECHANICAL STRUCTURE OF THE LARGE SHOTCRETE ROBOT

Li Yunjiang Fan Binghui Jiang Hao Rong Xuewen Zhu Suning
(Reseach Center of Robot,Shandong Mining Institute)

　　Abstract:In this paper,the mechanical components and their functions of the large shotcrete robot are presented,and the application is introduced.It is shown through application that the shotcrete robot is reasonable and simple in structure,and it is used and maintained easily.The shotcrete robot is reliable.
　　Keywords:Shotcrete robot,Mechanical structure

　　喷浆即喷射混凝土。当用“钻爆法”开挖出隧道或巷道后，就在其顶部和两帮的岩石上喷射一层混凝土，混凝土凝固后，就起到支护作用。喷浆支护是目前世界上广泛流行的支护方法，已取代了传统的木材和钢梁支护，大部分取代了砌碹。现在有些隧道(如地铁等)，虽然从外观看是砌碹的，但在砌碹前，已经喷有30～40cm厚的混凝土层，因此喷浆层起了支护的决定性作用，砌碹层只起支护的次要作用，这里砌碹更主要的是起装饰和规范化的作用。喷浆支护的优点很多，但它也存在着严重不足：①喷浆作业时，混凝土回弹率高达30% ～50%，即大量混凝土弹落回地面，造成材料的严重浪费；②作业现场粉尘飞扬，严重危害工人健康；③大断面隧道高度一般在6～9m，甚至更高，人工喷浆时需用脚手架，这样不仅进度慢，而且费工、费料，作业效率低；④工程质量无法控制。各国的研究指出，解决上述问题的主要措施之一是采用机械手或机器人喷浆。
　　喷浆机器人可用于一切需要进行喷浆支护的场合。目前，用量比较大的主要有两个方面：①矿山(煤矿、金属矿等)井下巷道的喷浆支护；②大断面隧道的喷浆支护，如水电站和水利涵洞的喷浆支护，铁路、公路(特别是高速公路)、地铁等隧道的喷浆支护，军用和民用地下建筑的喷浆支护，等等。后者的特点是，开挖的空间大，其断面比前者要大许多，例如，前者的一次开挖断面宽度一般为3m左右，而后者一般为9m左右。与之相适应，用于后者的喷浆机器人的尺寸要大得多，故将其称为“大型喷浆机器人”。
　　目前国家急需大型喷浆机器人产品。因工程急需，现在国内使用的大型喷浆机械手全部是由欧洲和日本进口的，价格为 26万～30万美元。价格高，而且配件和维修也较困难。现在我们拥有了我国自主知识产权的大型喷浆机器人技术，具备了替代进口和把这类产品更新换代的能力，应尽快使其产品化，解决国家的急需。

1　机械结构和功能

　　大型喷浆机器人的机械结构主要由六大部分组成，如图1所示(第六部分是运载装置，图中未给出)。各部分的结构和功能如下：
　　(1)喷枪部分
　　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。
　　(2)驱动头部分
　　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。
　　(3)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。
　　(4)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。

图1　大型喷浆机器人结构示意图

1—喷枪头；2—喷枪转动驱动马达；3—喷枪调姿驱动油缸；4—手腕转动机构；5—小臂进给机构；6—小臂调姿机构；7—小臂平衡油缸A；8—伸缩臂机构；9—基臂；10—俯仰油缸；11—小臂平衡油缸B；12—回转机构

　　(5)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。
　　(6)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。

图2　隧道断面轮廊

图3　喷枪口的运动轨迹

图4　喷枪口运动轨迹的中心线

　　依靠这六大部分，就可实现图2～图5所示的喷枪作业所需的任何运动轨迹。现以典型的喷浆作业过程为例简述之。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1m左右，这就做好了作业准备。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。

图5　喷枪的瞬间位置及姿态

2　应用情况

　　该喷浆机器人的样机1996年通过国家863专家组验收并获得好评；验收后，继续在工地工作。目前已开始产品化、系列化。
　　在使用过程中，操作者感到至少有如下几个优点：
　　(1)与人工喷浆相比，回弹明显减少。机器人喷浆，喷枪能够一直保持与受喷面垂直，喷枪口与受喷面距离保持在1m左右，特别是喷拱部时，仍能很容易地做到这些，这些是人工喷浆做不到的。因此，即使是目测也可看到回弹明显减少，经对拱部和两帮喷浆回弹率的实地测算，回弹率可减少15个百分点以上；
　　(2)操作者劳动条件大大改善、劳动强度大大降低。例如操作者可站在风筒口附近等安全、无粉尘的地方，基本脱离了作业现场；
　　(3)作业效率高。由于料管重、喷枪的后坐力及风压波动等，人工操作喷枪不如机器人自如和效率高，隧道断面越大，机器人的优势越大；
　　(4)提高了工程质量。由于设计合理，大大简化了操作，大部分操作只是让机器人的一个自由度、至多两个自由度动作，因而变得十分简单，很容易掌握。
　　理论分析、特别是实践证明，机器人的结构设计是合理的，实施后获得了十分满意的结果，受到机器人界和地下工程界的专家、工程技术人员和工人的普遍好评。操作大大简化，简化操作不仅是减少几个操作动作的问题，更重要的是，无需调整或无需经常调整，或若需调整但很快就能调整好，意味着工作在最佳工况下的时间长、偏离最佳工况的时间少；因为喷浆作业是连续进行的，如果喷浆作业从一个位置移至下一个位置时需要几个动作才能保证喷枪与受喷面垂直和等距的话，那么喷枪在连续运动中就必须连续不停地调整，这样就使得喷枪在大部时间里不处于最佳工况(垂直、等距)；而按本喷浆机器人的机构设计，只需在某几个轨迹转折点上 (如图5所示)作一个动作，调整即可完成，因此可长时间地稳定工作于最佳工况。此外，简化操作，也意味着所需的伺服控制系统少，可大大降低成本，增强竞争力。

3　结　论

　　1997年9月，经国家科委审定，将该产品列入“国家科技成果重点推广计划项目”；1998年初，国家科委和863计划专家组共同组织并主持由机器人领域、隧道领域专家组成的评审委员会对本项目进行专题评审，将其确定为863计划的目标产品项目。
　　在十年的研制实践中，我们逐步认识到，与矿山相比，大断面隧道，如铁路和公路隧道、水电站涵洞等，对喷浆机器人的要求更迫切，而机器人在这些施工中更能发挥其优势；同时，由于大型隧道的作业空间大，不安全因素相对比煤矿小，因而研制喷浆机器人的难度相对比煤矿用的要小些，尤其是机器人价格和与之带来的经济效益相比，更容易为用户所接受。基于这些考虑，近几年来，我们已将喷浆机器人开发重点转移到大型隧道方面。1998年上半年，在国家科技部支持下，已开始了产品化、系列化生产。

参考文献

〔1〕　王焕文、王继良，锚喷支护，煤炭工业出版社，1989.
〔2〕　Syd.S.Peng，Coal Mine Ground Control，Wiley-interscience Publication JOHN Wiley & Sons,New York,1988.
〔3〕　樊柄辉，李云江等，大型喷浆机器人谐调机构的参数设计，《工程图学学报》，1999，1：23～27.