劉 璐，郭彥青，林炳乾，馬 靜

（中北大學(xué)機械工程學(xué)院，山西 太原 030051）

1 引言

粉煤光片磨拋質(zhì)量的好壞直接決定了煤巖學(xué)觀察研究的結(jié)果，不合格的粉煤光片在極端情況下會造成錯誤分析結(jié)果，不利于對煤炭的開發(fā)和綜合利用，甚至可能造成巨大的資源和資金浪費。粉煤光片通常為圓柱形，用較小的煤顆粒與黏結(jié)劑混合而成，通常采用半自動設(shè)備結(jié)合人工進行磨拋，效率低，質(zhì)量差。為此，研制一款仿生柔性磨拋設(shè)備就顯得尤為重要[1～2]。

文獻[3]利用附加彈簧雙滑塊四桿機構(gòu)設(shè)計了一種可以恒力夾持的柔順機構(gòu)；文獻[4]設(shè)計了彈簧并聯(lián)柔順結(jié)構(gòu)并對彈簧參數(shù)進行了計算說明；文獻[5]以柔性砂帶為基礎(chǔ)設(shè)計了有一定靈活性的曲面工件磨削系統(tǒng)；文獻[6]用低摩擦氣缸作為柔順元件設(shè)計了可檢測設(shè)備位移的傳感器；文獻[7]針對研磨問題設(shè)計了一種浮動平臺機器人系統(tǒng)，具有較好的抗干擾能力；文獻[8]開發(fā)了一種機器人末端打磨執(zhí)行器，解決了軌道交通車輛車體人工打磨方式存在諸多弊端；文獻[9]設(shè)計了一種可進行表面加工的三自由度并聯(lián)機構(gòu)，研究了其工作空間分布特點，并利用ADAMS對機構(gòu)的運動過程進行了運動仿真分析。目前對粉煤光片磨拋設(shè)備的研究相對較少，且存在問題較多，因此對粉煤光片高效高質(zhì)磨拋的研究必然會對未來煤炭的開發(fā)和利用產(chǎn)生積極的作用，同時采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計柔性末端執(zhí)行器在磨拋領(lǐng)域具有一定的潛力，可為其他相關(guān)方面的研究提供參考。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

粉煤光片磨拋時，磨拋盤由于人為安裝和加工誤差常常存在一定傾角，使粉煤光片端面不能垂直磨拋盤，磨拋出的端面不符合檢測要求，廢品率較高，且在磨拋過程中部分粉煤光片需要進行倒邊操作。基于此，根據(jù)國標GB/T16773—2008《煤巖分析樣品制備方法》中的工藝要求，對林炳乾，文獻[10]設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行改進，在動平臺上安裝三爪式氣缸，完成自動抓取粉煤光片動作，如圖1所示。

圖1 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure Diagram of End Effector

3 ADAMS運動仿真分析

對于并聯(lián)末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)來說，活動平臺不可能通過自身旋轉(zhuǎn)到達空間360°的某一位置，因此對并聯(lián)結(jié)構(gòu)進行粉煤光片磨拋動作仿真時，加入一個6自由度串聯(lián)機械手，用以輔助完成粉煤光片磨拋的圓周動作。

3.1 磨拋盤傾斜狀態(tài)下的運動仿真

在ADAMS軟件中將結(jié)構(gòu)模型和六自由度機械手模型按照實際運動方式進行裝配，得到粉煤光片磨拋機器人整體裝配圖，如圖2所示。

圖2 ADAMS中裝配仿真圖Fig.2 Assembly Simulation Diagram in ADAMS

對末端執(zhí)行器與機械手相連的法蘭中心設(shè)置運動副驅(qū)動，轉(zhuǎn)動角速度為30°/s；在3個活塞桿質(zhì)心處設(shè)置大小為10N的沿桿作用力，使活塞桿驅(qū)動活動平臺完成對傾斜磨拋盤的主動跟隨；對動平臺上的粉煤光片端面中心點設(shè)置驅(qū)動，使該點在磨拋盤表面做角速度為30°/s的周轉(zhuǎn)運動。為方便觀察設(shè)置24s，2000step的運動學(xué)仿真，即仿真兩個磨拋周期的運動。

選取串聯(lián)機械手底座中心處的水平面為大地平面，以此面為基準，向上運動為正向運動。氣缸活塞桿末端連接中心為測量點，此點在空間中的運動即可反應(yīng)活塞桿的運動情況，也就反應(yīng)了活動臺的位姿變化情況。氣缸活塞桿的運動情況，如圖3～圖5所示。由圖3所示曲線可知，在0時刻，通過3個氣缸的活塞桿位移曲線可以看出，活塞桿1和2的位移較大，且在同一位置，活塞桿3的位移較小，這與圖2所示的初始位姿相吻合。在6s時，運動到半個周期，由于磨拋盤的傾斜狀態(tài)和自轉(zhuǎn)運動，粉煤光片運動到磨拋盤的最低位置，活動平臺也恰好繞中心轉(zhuǎn)過180°，活塞桿3的位移由最小變化到最大；從（6～12）s時，粉煤光片從磨拋盤的最低位置向最高位置運動，活塞桿3的位移逐漸減小，在12s時運動到初始位置，完成一個周期運動。同理，活塞桿1和2的位移變化也符合運動規(guī)律。在圖5所示的加速度曲線中，在運動開始的瞬時，加速度發(fā)生微小突變，但圖4中的速度曲線沒有突變，因此會產(chǎn)生較小的柔性沖擊，柔性沖擊運動適用于中低速場合，符合對粉煤光片研磨的低速作業(yè)場景，能夠保證在傾斜磨拋盤上穩(wěn)定可靠的研磨運動。

圖3 活塞桿位移變化圖Fig.3 Piston Rod Displacement Changes

圖4 活塞桿速度變化圖Fig.4 Piston Rod Speed Changes

圖5 活塞桿加速度變化圖Fig.5 Piston Rod Acceleration Changes

3.2 仿腕部倒邊磨拋運動仿真

在該工況下，磨拋盤水平安裝，動平臺水平面與磨拋盤水平面初始位置夾角為30°，其余參數(shù)同上一小節(jié)。在ADAMS軟件中裝配初始狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 ADAMS中仿手腕動作裝配圖Fig.6 Assembly Diagram of the Imitation Wrist Movement in ADAMS

對末端執(zhí)行器與機械手相連的法蘭中心設(shè)置轉(zhuǎn)動角速度為30°/s，定平臺的中心點繞磨拋盤軸線角速度為30°/s，在粉煤光片被磨拋面中心點添加點驅(qū)動函數(shù)：

TraZdisp（time）=0×time，

RotXdisp（time）=30d×sin（time），

RotYdisp（time）=30d×sin（time）。

設(shè)置24s，2000step的運動學(xué)仿真，即仿真兩個周期的仿腕部磨拋動作。磨拋盤安裝臺平面為大地平面，以此面為基準，向下運動為正向運動。氣缸活塞桿的運動情況，如圖7～圖9所示。

圖7 活塞桿位移變化圖Fig.7 Piston Rod Displacement Changes

圖9 活塞桿加速度變化圖Fig.9 Piston Rod Acceleration Changes

根據(jù)設(shè)置的相關(guān)參數(shù)可知，粉煤光片將隨活動平臺在磨拋盤表面做2圈周轉(zhuǎn)運動和2圈自轉(zhuǎn)運動。由圖7所示，氣缸活塞桿行程的位移規(guī)律在2個運動周期內(nèi)，均為正弦運動曲線，位移變化平穩(wěn)，在運動開始階段，通過3個氣缸的活塞桿位移可以看出，活塞桿1處在最大位移處，活塞桿2和3均處在最小位移處，符合圖6所設(shè)置的初始狀態(tài)。在圖9的加速度曲線中，在運動開始的瞬時，同樣發(fā)生了微小突變，由圖8的速度曲線分析可知，3個活塞桿速度變化趨勢平穩(wěn)，所產(chǎn)生的柔性沖擊并不影響整體運動，能夠滿足柔性腕部動作需求。

綜上，該并聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠很好地解決目前剛性磨拋存在的問題，具有較好的柔性和適應(yīng)性，運行流暢穩(wěn)定。

4 磨拋實驗及結(jié)果分析

搭建磨拋實驗平臺，對粉煤光片進行磨拋實驗，如圖10所示。結(jié)合國標中對粉煤光片磨拋動作的要求及上一節(jié)的動作仿真可知，需對不同工況下的磨拋項目進行實驗驗證，并設(shè)定具體實驗項目和相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

圖10 磨拋實驗平臺Fig.10 Grinding and Polishing Experiment Platform

表1 實驗項目及參數(shù)Tab.1 Experimental Items and Parameters

根據(jù)表中相關(guān)參數(shù)對設(shè)備進行設(shè)置，按照表中所列實驗項目依次進行粉煤光片磨拋實驗，粉煤光片為直徑30mm高15mm的圓柱形，對2種工況下的粉煤光片磨拋結(jié)果對比，如圖11所示。

圖11 磨拋實驗前后對比圖Fig.11 Comparison Chart Before and After the Grinding and Polishing Experiment

由圖11所示的磨拋結(jié)果可以看出，不同工況下的粉煤光片磨拋效果均較好，沒有肉眼可見的瑕疵，磨拋質(zhì)量較高。將上述各實驗中磨拋后的粉煤光片使用電子顯微鏡放大（20～50）倍進行煤相的煤巖學(xué)觀察分析，如圖12所示。

圖12 粉煤光片顯微檢測放大圖Fig.12 Enlarged Photomicrograph of Pulverized Coal Light Sheet

通過對各實驗項目粉煤光片顯微圖像的檢測分析可以看出，在以上不同工況下，經(jīng)過柔性并聯(lián)末端執(zhí)行器磨拋后的粉煤光片表面平整，無明顯突起、凹痕，煤顆粒表面顯微組分界線清晰、無明顯劃道且表面清潔，無污點，具有較高的磨拋質(zhì)量，完全滿足粉煤光片檢測的標準。

對于粉煤光片的磨拋，在采用傳統(tǒng)的手工研磨和拋光時，每個光片的磨拋時間需要（30～40）min，費時費力，不僅極不方便，且難以保證粉煤光片的磨拋質(zhì)量[11]。利用所設(shè)計的柔性末端執(zhí)行器對粉煤光片進行磨拋加工，根據(jù)表1所列磨拋參數(shù)可知，每個磨拋工序的環(huán)節(jié)只需用時3.3min左右，整個磨拋流程需用時13.2min，在保證對粉煤光片磨拋質(zhì)量的前提下，磨拋速度較手工磨拋平均提高了2.65倍。

5 結(jié)論

（1）針對粉煤光片磨拋過程中存在的問題，提出了一種柔性并聯(lián)末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)。

（2）在ADAMS中對兩種常見工況進行了運動仿真分析，仿真結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)運行穩(wěn)定可靠，對不同工況均具有良好的柔性和適應(yīng)性。

（3）搭建實驗平臺，并對三種常見工況進行磨拋實驗。磨拋后的粉煤光片經(jīng)檢測后均為合格品，磨拋質(zhì)量和效率較人工操作顯著提高，磨拋速度較手工磨拋的速度平均提高了2.65倍，驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真分析的可行性，具有實際使用價值，也為其他自動磨拋設(shè)備的研制提供參考。