掘进机截齿定位的数学模型及其工装设计 .pdf

第47卷第12期 煤炭工程 CO A L EN G IN EER IN G V o1 47 N o 12 doi 10 1 179 9 ce20 15 1204 2 掘进机截齿 定位 的数 学模型及 其工装设计 张北平 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 山西 太原030006 摘要 为便 于掘进机 截割 头的制 造及检验 建 立 了掘进机截齿 定位数 学模型 并运用 两点法 将对截齿空间角度定位参数检验转化为截齿轴线两点在机床全局 坐标 系下坐标值的检 验 设计 了一种截齿角度空间定位机构 介绍 了该空间定位机构的结构组成及工作原理 以及定位 方法 对提 高截齿定位装焊精度 减小人为因素造成的定位误差具有重要指导意义 关键词 掘进机 截割头 截齿定位 工装设计 数学模型 中图分类号 TD421 文献标识码 A 文章编号 1671 0959 20 15 12 0136 03 Ma th em a ti ca l Mo d el o f R o a d h e ad er P i ck L o ca ti o n a n d Its F i x tu re D esi g n Z H A N G B ei p i ng T ai yuan R esearch Insti tute Chi na Coal Technol ogy and E ngi neeri ng G roup C om pany L i m i ted Tai yuan 0 30006 C hi na A b stra ct T o faci l i tate th e m an ufacture an d i nspecti on of cutti n g h ead of roadheader a m athem ati cal m odel for pi ck l ocati on w as establ i shed T he i nsp ecti on of pi ck S space an gl e posi ti oni n g p aram eters w a s transform ed i nto the i n specti on of coordi nates of tw o poi n ts at the pi ck ax i s u si n g the tw o poi nt m eth od w hi ch al so w as checked at the m achi ne tool coordi nate system T h e fi xture for p i ck l ocati on w as d esi gn ed to m i n i sh the error cause d by p i ck h ol der w el di ng preci si on an d h um an factor K ey w ord s road header cutti ng head pi ck l ocati on fi xtu re dei gn m at h m odel 截割头是掘进机直接参与破岩的工作机构 其上采用 镐型截齿作为破岩的执行件 截割头的工作性能不仅取决 于其设计质量 更往往取决于其制造 检验质量 而截齿 定位精度是影响截割头制造质量的关键因素 不准确的截 齿定位可弓 l 起截割头振动加剧 钻进无力 齿座过度磨损 截齿过早失效等问题 故有必要对截齿定位问题进行深入 研究 对于截齿定 位 问 题 一 些 学 者 已经 进 行 了一 系列 研 究 这些研究主要是通过描述截齿的空间角度 进而 研究其空间角度的检验方法 没有对截齿定位参数进行全 面地理论刻画 对指导截齿装焊的生产实践作用甚微 笔 者通过建立截齿定位参数进行数学模型 将对截齿空间角 度参数的检验转化为截齿空间点的位置检验 同时进行截 齿定位的工装设计 以减小截齿装焊定位误差 1截齿定位参数 截齿齿尖沿若干条空间螺旋线分布于截割头外包络面 上 截齿与焊接于截割头上的齿座配合固定 因此 截齿 定位参数实际上也是齿座焊接位置参数 不考虑齿座绕截齿 旋转的自由度 定位参数包括两部分 一部分是截齿齿尖的位置参数 主要由轴间距离 z 切割半径 始 圆周角 0 这三个参数表 达 如图 1 所示 它们决定了截齿齿尖在截割头包络面的 空间分布 主要影响截割头的负荷分配 截割功率等 另 一 部分是截齿空间角度参数 主要 由切削功能角度 截 割角 6 扭转角 s 这两个参数表达 但实际生产实践 中 常 常利用装配工艺角度 倒角卢 转角 仰角 这三个参 数描述 J 截齿空间角度参数主要影响截齿截割力学行为 截齿自磨砺性 齿座磨损等 2 截齿定位数学模型 2 1截齿齿尖位置参数 截齿齿尖位置可直接利用三维空间参数描述 截齿齿 尖位置参数如图 1 所示 在截割头大端面中心 0 点建立柱 坐标系R 一 一z 则齿尖位置坐标为 Rg 0 Z 为后续 计算方便 在 0 点建立归一化笛卡尔坐标系 X YZ 计为 0 收稿 日期 2015 02 03 作者简介 张北平 1988 一 女 吉林吉林人 现主要从事采掘机械设计与研究工作 E m ai l bei pi ng 一2010 126 corn 引用格式 张北平 掘进机截齿定位的数学模型及其工装设计 J 煤炭工程 2015 47 12 136 138 136 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2015 年第 12 期 煤炭工程 X 图 1截齿齿尖位置参数 号坐标系 则在此坐标系下 齿尖位置坐标为 RgcosO Rgsi nO Z 1 2 2 截齿空间角度参数 截齿空间参数定义过程如下 1 在截齿齿尖处建立局部坐标系 置 z 计为 1 号坐 标系 如图 1 所示 其中 轴 与截齿截割轨迹切线重合 此截割轨迹是实际截割轨迹的近似表达 由于截割时进给 速度远低于截割头截割速度 因此截齿齿运动轨迹接近于 圆 五 轴与 齿尖 点 到截 割 头轴 线 的垂 线重 合 则 X o L面为该截齿所处的切削平面 根据坐标张量变换原 理 由1 号坐标系转换为 0 号坐标系的转换矩阵为 r si n 一 c s 0 o f I cosO si nO 0 0 I 2 船c 趣 r i z 1j 截齿空间角度参数如图 2 所示 设截齿轴线初始位置 在 X o r 面 切削平面 内 点 P 位于 X o L面 且 0 P 为该轴线的单位方向向量 截齿轴线与 轴 截割轨迹切 线 之间的夹角为 定义为仰角 不同文献对仰角定义有 所不同 在此不讨论齿座安装角的定义 则 0 P 在 1 号坐标系下可表达为 0 l P 1 si ny cost 0 1 3 图2截齿空间角度参数 2 将 1 号 坐标系 绕 yl轴旋转 卢角 形成 坐标系 计为 2 号坐标系 定义 卢为倒角 0 为倒角 平面 随动点 P 也随之到达 P2点 由2 号坐标系转换为 l 号坐标 系的转换矩 阵为 COs8 0 一 si n8 0 0 si 嵋0 1 O 0 0 COs8 0 O 0 1 4 3 将 2 号坐标 系绕 轴 旋转 角 形 成坐标 系 y3 z 3 计为 3 号坐标系 定义 为转角 X 30 y3 为转角 平面 随动点 P2 也随之到达 点 向量 0 P 为截齿轴线 最终方向向量 由3 号坐标系转换为 2 号坐标系的转换矩 阵为 V 1 0 0 cos 0 si na 0 O 0 0 一 si f诏0 COSO 0 0 1 5 P 在3 号坐标系下的坐标为 si nT cosT 0 1 6 P 在 1 号坐标系下的坐标为 P 2 i ny cos 3 一 cosy si nfl si na C OS si nysi n cosy cosfl si na 1 c0s I I 7 至此 截齿空间角度 倒角 转角 仰角定义完毕 2 3截齿角度参数的转化 切削功能角与装配工艺角的换算关系有助于将截割头 设计与加工制造有机结合起来 截割角6 为截齿轴线与截齿截割轨迹切线的夹角 即 向量 0 P 与 y1 轴的夹角 如图 2 所示 于是 器 cosTcoso cos8 1 扭转角 8 为截齿轴线与切削平面夹角 定义单位向量 为X O Y1 面的法向量 于是 sins c s 9 一 尚 si nysi 一cosTco si na 9 于是 切削功能角与装配工艺角的换算公式为 J 占 眦 y a 10 L arcsi n si nysi 一cosycos 3si na 切削功能角与装配工艺角的逆换算公式为 令倒角 转 角 仰角其中某一参数为已知量 现按倒角为已知量 p p ccos 考 arcsi n si si n 6 一 si n s cos cosS 11 可见 截割角与倒角无关 只与仰角和转角相关 对 1 3 7 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 煤炭工程 2015 年第 12 期 于截割头设计而言 仰角往往是固定不变且唯一的 此时 当转角变化不大时 其截割角与仰角大小近似 这样可以 保证截割过程中截齿合力方向在截齿线附近小范围变化 3 截齿角度定位工装 装配工艺角虽按照装配流程给出了截齿空问度参数 但实际装焊过程中 由于空间基准定位困难 目前大多数 依靠装焊工人经验来完成 人为定位误差较大 故有必要 设计切实可行的工装来确保截齿空间角度的准确性 根据装配工艺角的定义 设计了截齿角度定位工装机 构 如图 3所示 工装截齿 需根据实际截齿来设计 保 证出刀量 转动架 其与工装截齿角度可调节 从而调节 仰角值 转角转动杆 其与转动架铰接 其上刻有分度值 用来调节其与转动架的转角值 倒角转动杆 其与转角转 动杆铰接且二者相互垂直 机架 其与倒角转动杆铰接 其上刻有分度值 用来调节倒角值 图3截齿角度定位工装机构简图 其工作原理 为 1 首先利用万能千分表架等仪器确定齿尖位置 0 和 X 轴方向 将转角转动杆的一端对准齿尖位置 并使得转 角转动杆与 轴重合 2 将焊接齿座装入工装截齿中 固定机架 调节工装 截齿和转动架的角度 使其达到仰角值要求 3 转动倒角转动杆 工装截齿 转动架 转角转动杆 及齿座 使得机架分度值为倒角值 固定倒角转动杆与机 架之间的铰接副 4 开启转动架与转角转动杆之间的铰接副 转动转动 架 使得转角转动杆上的分度值为转角值 装焊齿座 4截齿定位的检验 截齿定位的检验包括对齿尖位置的检验和对截齿空间 角度的检验两部分 前者利用万能千分表架或机床数显工 作台可容易完成 而后者利用万能角度尺或其它仪器均较 困难 将对空间角度参数的检验转化为对空间点参数的检 验是一种有效方法 如果可以测得截齿轴线空间向量 那么截齿空间角度 参数可以利用上述数学模型推导得出 故只需测量截齿上 的两个点即可 称之为 两点法 设需测量的截齿轴线一 3 8 Asin O B 5 结语 通过推导截齿定位参数数学模型 并运用 两点法 将对截齿空间角度定位参数检验转化为截齿轴线两点在机 床全局坐标系下坐标值的检验 降低截割头截齿安装参数 检验难度 同时 设计了一种截齿角度空间定位机构 对 提高截齿定位装焊精度 减小人为因素造成的定位误差具 有重要指导意义 掘进机截齿定位数学模型对连续采煤机 采煤机 刨煤机 露天铣刨机等类似装备的工作机构的制 造 检验具有借鉴意义 参考文献 7 8 9 徐 小粤 掘进 机截割 头截齿 安装参数 的检 验 J 煤 炭科 学 技术 2005 33 5 59 61 史秀宝 张战民 掘进机截齿定位模型及 其面向制造 的简化 研究 J 矿山机械 201l 39 1O l 3 一 l 6 王长友 掘进机截 齿定位方 式的 探讨 J 中国高 新技术 企业 20 13 247 4 63 65 罗世魁 王 国强 李欣 等 掘进 机截 割头 的虚 拟装配 J 煤炭学报 2003 28 6 655 658 李晓豁 掘进机截害 4的关键技术研究 M 北京 机械工 业 出版社 2008 E K i m J R ostam i C Sw ope M easurem ent of C oni cal B i t Rotati on J Proc 43th U S Rock Mechani cs Sym p and 4th U S 一C anada Sym p A shevi l l e N C 2009 E K i m j R ostami C Sw ope and S C o