清仓机器人机构控制技术研究-矿业装备控制工程硕士论文

分类号：分类号：TH17TH17TH17 TH17 密密级：级：公公 开开 U D CU D CU D C U D C ：单位代码：单位代码：104210421042 1042 4 4 4 4 学学 位位 论论 文文 清仓机器人机构控制技术研究清仓机器人机构控制技术研究清仓机器人机构控制技术研究 清仓机器人机构控制技术研究 李李晓晓蕾蕾 申请学位级别申请学位级别：硕士学位硕士学位专业专业名名称：称：矿业装备与控制工矿业装备与控制工程程 指导教师姓名指导教师姓名：宋宋 志志 安安职职称：称：副副 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二一一年五月 论文题目：论文题目：论文题目： 论文题目： 清仓机器人机构控制技术研究清仓机器人机构控制技术研究清仓机器人机构控制技术研究 清仓机器人机构控制技术研究 作者姓名：作者姓名：作者姓名： 作者姓名： 李晓蕾李晓蕾入学时间：入学时间：入学时间： 入学时间： 200820082008 2008 年年 9 9 9 9 月月 专业名称：专业名称：专业名称： 专业名称： 矿业装备与控制工程矿业装备与控制工程研究方向：研究方向：研究方向： 研究方向： 矿业装备的机电液矿业装备的机电液 控制技术控制技术 指导教师：指导教师：指导教师： 指导教师： 宋宋 志志 安安职职职 职 称：称：称： 称： 副副教教授授 论文提交日期：论文提交日期：论文提交日期： 论文提交日期： 201120112011 2011 年年 5 5 5 5 月月 论文答辩日期：论文答辩日期：论文答辩日期： 论文答辩日期： 201120112011 2011 年年 6 6 6 6 月月 授予学位日期：授予学位日期：授予学位日期： 授予学位日期： THETHETHE THE CONTROLCONTROLCONTROL CONTROL TECHNOLOGYTECHNOLOGYTECHNOLOGY TECHNOLOGY RESEARCHRESEARCHRESEARCH RESEARCH OFOFOF OF THETHETHE THE CLEARANCECLEARANCECLEARANCE CLEARANCE ROBOTROBOTROBOT ROBOT MECHANISMSMECHANISMSMECHANISMS MECHANISMS A A A A DissertationDissertationDissertation Dissertation submittedsubmittedsubmitted submitted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements ofofof of thethethe the degreedegreedegree degree ofofof of MASTERMASTERMASTER MASTER OFOFOF OF PHILOSOPHYPHILOSOPHYPHILOSOPHY PHILOSOPHY fromfromfrom from ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and TechnologyTechnologyTechnology Technology b b b b y y y y LiLiLi Li XiaoleiXiaoleiXiaolei Xiaolei Supervisor:Supervisor:Supervisor: Supervisor: AssociateAssociateAssociate Associate ProfessorProfessorProfessor Professor SongSongSong Song ZhianZhianZhian Zhian CollegeCollegeCollege College ofofof of MechanicalMechanicalMechanical Mechanical andandand and E E E E lectroniclectroniclectronic lectronic EngineeringEngineeringEngineering Engineering MayMayMay May 201120112011 2011 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名：硕士生签名： 日日期：期：年年月月 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION AFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclare declare thatthatthat that thisthisthis this dissertation,dissertation,dissertation, dissertation, submittedsubmittedsubmitted submitted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements forforfor for thethethe the awardawardaward award ofofof of MasterMasterMaster Master ofofof of PhilosophyPhilosophyPhilosophy Philosophy ininin in ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and Technology,Technology,Technology, Technology, is is is is whollywhollywholly wholly mymymy my ownownown own workworkwork work unlessunlessunless unless referencedreferencedreferenced referenced ofofof of acknowledge.acknowledge.acknowledge. acknowledge. TheTheThe The documentdocumentdocument document hashashas has notnotnot not beenbeenbeen been submittedsubmittedsubmitted submitted forforfor for qualificationqualificationqualification qualification atatat at anyanyany any otherotherother other academicacademicacademic academic institute.institute.institute. institute. Signature:Signature:Signature: Signature: Date:Date:Date: Date: 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘要要 本文结合传统的清理煤仓的方法，介绍了机器人清仓技术。通过对国内外的相关工 作机器人进行收集和研究，我们在此基础上结合现状研究设计了清仓机器人，机械结构 设计及电气、液压控制是该机器人的核心技术。 机械机构设计方面，可伸缩机械臂是该机器人的主要组成部分。其可伸缩的特点更 好的适应了煤仓内部不同空间的定位和粘煤清理。通过使用 UG 三维建模软件建立了机 械臂的三维模型，为各部件工作时的受力分析和动力学分析打下了基础。 电气控制方面， 我们利用 GX Developer 编程软件将机器人清理粘煤所需的动作编写 程式，输入PLC，由它将信号传递给机器人需要动作的部位。程序就是机器人的 “大脑”， 这个大脑会接受来自外部的信号输入， 然后翻译为机器人的语音将信号传递给各个部位。 外部信号的输入就是通过维纶 EB8000 人机界面输入。这样人们仅仅靠点击人机界面就 轻松实现了清仓的过程。 关键词：关键词：煤仓，清仓机器人，机械臂，电气控制，编程 山东科技大学硕士学位论文摘要 A A A A BSTRACTBSTRACTBSTRACT BSTRACT This article mainly introduces the technology of cleaning coal bunker by robot, combining methods of traditional bunker clearance. Based on the collection and research on related work robots at home and abroad, we designed the clearance robot. The mechanical structure design, electrical control and hydraulic control are the topic technology of the robot. The retractable mechanical armisthe main component of the robot. Because of Its retractable function,Itcan be better suited to work under variable space in the coal bunker. By using UG 3d modeling software,the mechanical armsare established forallparts of 3d model. It lays the foundation for analysis of stress and dynamic during the robot working in the future. We use the programming software Developer GX to program forallthe activities of the robot during cleaning the coal bunker. Then we enter the it will enter the program to PLC, which transmits the signals to different parts of the robot which need to be action. The programisthe “brain“ of the robot. It will accept signals from external input, translate into a robot voice and transmit the voice to each place. External signalisinput through the WeiGuan EB8000 human- machine interface. So workers can easily achieve a clearance process just by clicking the human-machine interface. KeyKeyKey Key words:words:words: words: coal bunker, robot of clearance, mechanical arm, electrical control, program. 山东科技大学硕士学位论文目录 目目录录 1绪论1 1.1清仓方法. 1 1.2清洁机器人的发展. 2 1.3本课题的研究目的及意义. 5 1.4本章小结. 6 2清仓机器人的基础理论7 2.1清仓机器人机械机构简介. 7 2.2机器人理论基础. 8 2.3机器人运动学. 13 2.4井下清仓机器人运动学方程. 14 2.5机械化清仓. 15 2.6本章小结. 18 3清仓机器人机械臂的结构设计19 3.1工作环境和技术要求. 19 3.2煤仓清仓机器人机械臂结构方案. 19 3.3本章小结. 300 4清仓机器人机械臂的控制方式311 4.1清仓机器人的清仓机构. 311 4.2清仓机器人机械臂需检测的参数和技术要求. 311 4.3清仓机器人机械臂的电气控制原理. 322 4.4本章小结. 344 5电气控制编程355 5.1PLC 及编程软件的选型.355 山东科技大学硕士学位论文目录 5.2人机界面及编辑软件的选型. 400 5.3人机界面编辑. 422 5.4PLC 编程.488 5.5本章小结. 49 6结论与展望500 6.1主要结论. 500 6.2工作展望. 511 致谢522 参考文献533 攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况566 附录A577 附录B588 山东科技大学硕士学位论文目录 ContentsContentsContents Contents 1 1 1 1 IntroductionIntroductionIntroduction Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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clearanceclearanceclearance clearance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7 7 7 2.1The clearancerobot mechanical institution profile. 7 2.2Robot theoretical basis.8 2.3The robot kinematics13 2.4Robot kinematics equations downhole pleased.14 2.5Mechanization pleased.15 2.6This chapter summary18 3 3 3 3 TheTheThe The clearanceclearanceclearance clearance robotrobotrobot robot structurestructurestructure structure designdesigndesign design ofofof of mechanicalmechanicalmechanical mechanical armarmarm arm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191919 19 3.1Working environment and technical requirements19 3.2Stockpile robot manipulator coal structurescheme.19 3.3This chapter summary300 4 4 4 4 TheTheThe The controlcontrolcontrol control ofofof of thethethe the clearanceclearanceclearance clearance robotrobotrobot robot mechanicalmechanicalmechanical mechanical armarmarm arm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313131 31 1 1 1 1 4.1The clearancerobot a clearanceinstitution. 311 4.2The clearancerobot mechanical arm to check the parameters and technical requirements311 4.3The clearancerobot mechanical arm of electrical control principle.322 4.4This chapter summary344 5 5 5 5 ElectricalElectricalElectrical Electrical controlcontrolcontrol control programmingprogrammingprogramming programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353535 35 5 5 5 5 5.1PLCand programming softwareselection 355 5.2The man-machine interfaceand editing softwareselection400 5.3Human-computer interfaceeditor422 山东科技大学硕士学位论文目录 5.4PLCprogramming. 488 5.5This chapter summary49 6 6 6 6 ConclusionConclusionConclusion Conclusion andandand and prospectprospectprospect prospect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505050 50 0 0 0 0 6.1The main conclusions 500 6.2Job prospect.511 AcknowledgementAcknowledgementAcknowledgement Acknowledgement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525252 52 2 2 2 2 R R R R e e e e ferencesferencesferences ferences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565656 56 6 6 6 6 AppendixAppendixAppendix Appendix A A A A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585858 58 8 8 8 8 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 1 1 1 绪绪绪 绪 论论论 论 1.11.11.1 1.1 清仓方法清仓方法清仓方法 清仓方法 近年来随着煤矿矿井自动化程度的不断提高， 煤矿的生产能力有了很大幅度的提高。 同时由于工作面和采区的生产能力具有波动性，生产的时候出煤量时多时少，从而导致 运煤设备在生产的时候忙闲不均，设备的产能不能完全的发挥出来8。此外生产的各环 节中，设备的工作时间、动作方式的不同以及可能发生的各种机械设备或电器故障的影 响，都可能使生产和运输环节出现各种无法预测的问题，从而造成一些设备的间断运行， 降低了整个矿井的实际运输能力和提升能力，导致煤无法从矿井顺利的运出去，甚至影 响到整个矿井生产的正常进行。为了解决上面中提到的问题，在矿井的运输和提升各环 节之间设置了井下煤仓。 井下煤仓是煤矿生产中联系各生产环节和运输环节的重要枢纽，一旦发生故障便会 造成某个工作面或采区甚至整个矿井停产。特别是自动化程度和机械化程度不断提高的 今天，对煤矿生产的安全性要求越来越高，煤仓中最容易出现的问题就是仓壁的粘结问 题，而引起这一问题的原因主要有几下几种情况： 由于煤在生产过程中会含有一定的水分，当这种含有水分的煤落到煤仓并靠近仓壁 时，在其自身压力的影响下会被挤压在仓壁上，而煤仓中的煤都会储存上一定的时间， 于是煤在富含水分的情况下会与仓壁紧密粘附在一起，这样就导致了上面所说的粘壁现 象的出现。煤中含水量越大，粘壁现象出现的机率就会越高，这是因为煤中含水量的增 加也增大了煤自身的粘结性，降低了煤在煤仓的流动性。 煤中所含的杂质也会致使粘壁现象的发生，当所挖掘的煤层中含有粘土质或泥质页 岩夹石这类杂质时，杂质会同煤流一起流入煤仓，加上煤中本身就含有一定的水分，此 时的粘土质或泥质页岩就起到了粘合剂的作用将煤粘结在仓壁上面。尤其是当煤仓壁面 粗糙凹凸不平时，一旦煤在煤仓中的存储时间稍长这种现象就非常的明显。另一种造成 粘壁的原因就是煤仓的在安置过程中发生了倾斜， 如果煤仓的倾斜度超过了一定的角度， 就会造成上面的煤直接冲击仓壁，如果此时仓壁再凹凸不平便会造成粘结，再经上部落 煤继续打击夯实最终集结成型。随着时间延长仓壁越粘越厚，煤仓的有效断面不断缩小， 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 煤仓有效容量的缩小，降低了煤仓的储煤能力同时也影响了煤在煤仓中的流通。粘仓大 致呈漏斗型或壁炉型煤仓下部粘结比上部要严重，粘结段最严重的部位通常会在煤仓的 下段 1/3 长度， 粘结严重时就变成了堵仓。 所以煤仓的粘结问题是一个急需解决的问题 。 为了解决煤仓出现的粘结问题，除了积极的预防，及时的清理非常重要，由于没有 合适的机械设备目前我们都是用人工清仓的方法。发现煤仓有粘结现象需要清理时，派 工人进入仓内针对粘结部位进行清理。主要的清理方法是用大锤敲打，这种方法劳动强 度大效率低，清理一个煤仓往往需要几天的时间，从而耽误了宝贵的生产时间。同时由 于煤仓空间相对比较密闭空气流通不畅很可能造成瓦斯超标威胁工作人员生命安全，加 上煤仓高度至