CN109677944A - 一种三自由度电液机构式数控斗轮机 - Google Patents

Abstract

一种三自由度电液机构式数控斗轮机，包含行走机构、机架、前悬臂升降机构、斗轮机构、输送***。所述前悬臂升降机构为全转动副平面两自由度机构，在计算机编程控制下，由主动杆通过连杆传动驱动前悬臂俯仰运动，进而完成两自由度掘取作业，连杆为可伸缩杆，由缸体和活塞杆组成，里面充满液体，在实际工程应用中可以有效克服前悬臂的倾覆载荷并解决过载保护的问题。该种数控斗轮机既避免了液压式斗轮机高能耗、高维护保养成本等问题，又避免了纯机械式斗轮机灵活性差、工作空间小等缺点，具有能耗低、低维护成本、高可靠性等特点，相比单自由度前悬臂升降机构具有更大的工作空间和更高的灵活性，是现代化工业大宗散状物料连续装卸的有力装备。

Description

一种三自由度电液机构式数控斗轮机

技术领域

本发明涉及臂架型斗轮机领域，特别是一种三自由度电液机构式数控斗轮机。

背景技术

斗轮机又叫斗轮堆取料机，是现代化工业大宗散状物料连续装卸的高效设备，广泛应用于港口、码头、冶金、水泥、储煤场等散料的存储料场，进行大量矿石、煤、焦炭等散料的堆料、取料作业。斗轮机连续作业效率高，并且具有很强的规律性，因此从控制角度可分为手动、半自动和自动化控制。虽然斗轮机在工程作业中得到了广泛应用，但也存在诸多技术问题。

现有臂架式斗轮机前悬臂的俯仰运动主要有两种方式，一种是纯机械臂架式斗轮机，其前悬臂通过钢丝绳卷扬机构实现俯仰运动，该种类型的斗轮机虽具有较高的可靠性以及传动效率，但灵活性差，因为斗轮机是低速重载设备，在连续作业施工过程中，前悬臂承受较大的负载，纯机械结构的臂架式斗轮机缺乏过载保护能力，机身结构件极易发生刚性破坏；另一种是液压结构的臂架式斗轮机，其前悬臂通过液压缸实现俯仰运动，该种类型的斗轮机虽灵活性好，但可靠性差、机械效率低、能耗高，液压***易发生漏油等问题，维护保养及使用成本高。若将可控机构直接引入到臂架型斗轮机的设计中，由于前悬臂承受巨大的倾覆载荷，而机械结构的臂架式斗轮机无法通过液压缸实现同步，因此前悬臂结构特别是平面并联的两主动杆承受较大的偏载，而机构的设计、制造误差进一步加剧了主动杆承载不均，造成电传动***使用寿命下降，故障率升高。另外，现有斗轮机的前悬臂机构均为平面单自由度机构，结构笨重，灵活性差、作业范围小，致使安装在前悬臂上的斗轮机构高效执行复杂的堆取料作业。

如何将可控机构、机器人等机构学前沿理论应用到斗轮机的设计研究中，基于机、液一体化技术提出并设计一种三自由度电液机构式数控斗轮机，在具有机械结构简单、低能耗、高可靠性、低维护保养成本等特点的同时，前悬臂在计算机控制下，可实现三自由度柔性可控运动，具备更大的作业空间，更高的灵活性，可满足复杂的堆取料作业要求，同时还具有过载保护能力和较好的抗偏载能力，已成为臂架型斗轮机领域一个亟需解决的工程问题。

发明内容

本发明的目的是基于机、液一体化技术提出并设计一种三自由度电液机构式数控斗轮机，在具有机械结构简单、低能耗、高可靠性、低维护保养成本等特点的同时，前悬臂在计算机控制下，可实现三自由度柔性可控运动，具备更大的作业空间，更高的灵活性，可满足复杂的堆取料作业要求，同时还具有过载保护能力和较好的抗偏载能力，能更好的满足港口、码头、冶金、水泥、储煤场等散料的存储料场的作业要求。

本发明通过以下技术方案达到上述目的：

一种三自由度电液机构式数控斗轮机，包含行走机构、机架、前悬臂升降机构、斗轮机构、输送***；所述机架通过第一转动副与行走机构连接，所述第一转动副为主动副，在电传动***的驱动控制下，机架可相对行走机构旋转运动；所述前悬臂升降机构为两自由度全转动副平面五杆机构，包含前悬臂驱动支链、第一主动杆、机架、前悬臂，所述前悬臂驱动支链包含第二主动杆、第一连杆，所述第二主动杆一端通过第二转动副与机架连接，另一端通过第三转动副与第一连杆一端连接，所述第一连杆另一端通过第四转动副与前悬臂连接，所述第一主动杆一端通过第五转动副与机架连接，另一端通过第六转动副与前悬臂连接，所述第一主动杆、第二主动杆由电传动***驱动，由计算机编程控制。

相比两自由度电液机构式数控斗轮机前悬臂升降机构采用的平面单自由度设计，在计算机编程控制下，该种三自由度电液机构式数控斗轮机的前悬臂升降机构可进行两自由度耦合运动，进而实现前悬臂两自由度大角度、大空间、高灵活性的柔性俯仰运动，所述斗轮机构安装在前悬臂上，在计算机编程控制下，通过耦合前悬臂的俯仰运动和机架周转运动，斗轮机构可实现大角度、大空间、高灵活性三自由度可控柔性运动，进而满足港口、码头、冶金、水泥、储煤场等散料的存储料场的复杂堆取料作业要求。

所述前悬臂与中拉杆固定连接，并通过前拉杆加固，所述中拉杆与平衡架固定连接，并通过斜支撑加固，所述平衡架上安装有配重。

所述第一连杆为可伸缩杆，包含第一缸体、第一活塞杆，所述第一缸体与第一活塞杆通过第一移动副连接，所述第一缸体内充满液体。

所述输送***包含第一物料传送装置、第二物料传送装置、可控支撑机构，所述第一物料传送装置安装在前悬臂上，主要进行散装物料的输送作业；所述第二物料传送装置安装在可控支撑机构上，主要完成散装物料的输送和卸料作业，所述可控支撑机构为平面单自由度连杆机构，包含支撑臂驱动支链、支撑臂，所述支撑臂驱动支链包括第三主动杆、第二连杆，所述第三主动杆一端通过第七转动副与机架连接，另一端通过第八转动副与第二连杆一端连接，所述第二连杆另一端通过第九转动副与支撑臂连接，所述支撑臂通过第十转动副与机架连接，所述第三主动杆由电传动***驱动控制，在计算机编程控制下，通过支撑臂驱动支链的驱动控制，可实现支撑臂的俯仰运动，从而实现第二物料传送装置输送仰角的大角度柔性调整。

所述第二连杆为可伸缩杆，包含第二缸体、第二活塞杆，所述第二缸体与第二活塞杆通过第二移动副连接，所述第二缸体内充满液体。

在实际工程应用中，为了提高悬臂型斗轮机的负载能力及稳定性，该种三自由度电液机构式数控斗轮机的前悬臂升降机构采用平面并联设计，由两套前悬臂驱动支链共同驱动前悬臂进行俯仰运动，所述两套前悬臂驱动支链的缸体通过管线联通。当该种三自由度电液机构式数控斗轮机无设计、制造、安装误差的理想情形下，根据帕斯卡原理，两套前悬臂驱动支链缸体内的液体压力可实时保持平衡，所含的缸体与活塞杆可视为固定连接；当前悬臂承受较大偏载以及机构的设计、制造、安装存在误差情形下，该设计可使前悬臂驱动支链所含的缸体与活塞杆发生微小移动，实时保证缸体内的液体压力平衡，进而保证两套前悬臂驱动支链同时承载，进而保证两套前悬臂驱动支链包含的主动杆承载均衡，该设计大幅提高了前悬臂升降机构的抗偏载能力，提高了电传动***使用寿命，降低故障率。另外，通过在前悬臂升降机构中引入溢流阀等附属装置，可轻易解决前悬臂升降机构的过载保护问题。

同理，为了提高第二物料传送装置的负载能力及稳定性，该种三自由度电液机构式数控斗轮机的可控支撑机构采用平面并联设计，由两套支撑臂驱动支链共同驱动支撑臂进行输送仰角的大角度柔性调整，所述两套支撑臂驱动支链的缸体通过管线联通。当该种三自由度电液机构式数控斗轮机无设计、制造、安装误差的理想情形下，根据帕斯卡原理，两套支撑臂驱动支链的缸体内液体的压力可实时保持平衡，支撑臂驱动支链所含的缸体与活塞杆可视为固定连接，当第二物料传送装置承受较大偏载以及机构的设计、制造、安装存在误差情形下，该设计可使支撑臂驱动支链所含的缸体与活塞杆发生微小移动，实时保证缸体内的液体压力平衡，进而保证两套支撑臂驱动支链同时承载，进而保证两套支撑臂驱动支链所包含的主动杆承载均衡，该设计大幅提高了第二物料传送装置的抗偏载能力，提高电传动***使用寿命，降低故障率。另外，通过在可控支撑机构中引入溢流阀等附属装置，可轻易解决第二物料传送装置过载保护的问题。

该种三自由度电液机构式数控斗轮机引入的液压***仅作为必要的过载保护手段，以及作为前悬臂升降机构、可控支撑机构的设计、制造、安装误差的主动补偿，确保采用平面并联设计的两套前悬臂驱动支链、支撑臂驱动支链所含的主动杆受载均衡，而非主要的动力传递***，因此避免了现有液压结构的臂架式斗轮机机械效率低、能耗高等问题，同时相比现有纯机械臂架式斗轮机又可通过引入溢流阀等装置实现较好的过载保护能力。

该种三自由度电液机构式数控斗轮机利用连杆传动取代了现有斗轮机的液压结构，克服了现有液压结构的臂架式斗轮机可靠性差、机械效率低、能耗高，液压***易发生漏油等问题，具有机械效率高、可靠性好等特点，同时大幅降低了斗轮机维护保养及使用成本高。相比臂架式斗轮机采用的单自由度前悬臂升降机构或者钢丝绳卷扬机控制的前悬臂机构，该种三自由度电液机构式数控斗轮机运动空间更大、作业范围更广、灵活性更高等优点，可以很好的满足港口、码头、冶金、水泥、储煤场等散料的存储料场的复杂堆取料作业要求。

与现有技术相比，本发明的突出优点在于：

1.相比采用全转动副平面单自由度设计的前悬臂升降机构，该种三自由度电液机构式数控斗轮机的前悬臂升降机构采用两自由度全转动副平面五杆机构设计，在计算机编程控制下，前悬臂可实现两自由度俯仰运动，在机架周转运动配合下，可实现三自由度柔性可控运动，具备更大的作业空间，更高的灵活性，可满足复杂的堆取料作业要求。

2.相比现有纯机械臂架式斗轮机采用钢丝绳卷扬机控制前悬臂俯仰运动，造成的前悬臂灵活性差、工作空间小、结构笨重等缺点，该种三自由度电液机构式数控斗轮机结构简单，前悬臂升降机构采用两自由度四杆可控机构，在计算机编程控制下可实现前悬臂的大空间、高灵活性、高可控性的智能化柔性运动。另外，通过在可伸缩杆上加入溢流阀等装置，可轻易实现过载保护功能，有效解决了纯机械臂架式斗轮机缺乏过载保护的问题，大幅提升了斗轮机的可靠性，降低了故障率。

3.该种三自由度电液机构式数控斗轮机利用连杆传动取代了现有斗轮机的液压传动，克服了现有液压结构的臂架式斗轮机可靠性差、机械效率低、能耗高，液压***易发生漏油等问题，具有机械效率高、可靠性好等特点，同时大幅降低了斗轮机的故障率，有效节省了维护保养及使用成本高。

4.该种三自由度电液机构式数控斗轮机输送***的可控支撑机构结构简单，机构耦合度低，编程控制容易，第二物料传送装置的输送倾角可根据实际作业需要进行数控化单自由度调整；在机架回转作用下，安装在前悬臂上的斗轮机构在计算机编程控制下，可实现三自由度堆取料作业。该种三自由度电液机构式数控斗轮机具有结构简单、能耗低，可靠性好、维护及适用成本低等特点，相比现有斗轮机具有巨大的技术优势。

附图说明

图1为本发明所述三自由度电液机构式数控斗轮机示意图。

图2为本发明所述三自由度电液机构式数控斗轮机机构示意图。

图3为本发明所述前悬臂结构示意图。

图4为本发明所述三自由度电液机构式数控斗轮机大角度作业示意图。

图5为本发明所述三自由度电液机构式数控斗轮机三维姿态示意图之一。

图6为本发明所述三自由度电液机构式数控斗轮机三维姿态示意图之二。

图7为本发明所述三自由度电液机构式数控斗轮机三维姿态示意图之三。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

对照图1、图2、图3，一种三自由度电液机构式数控斗轮机，包含行走机构1、机架3、前悬臂升降机构、斗轮机构21、输送***；所述机架3通过第一转动副2与行走机构1连接，所述第一转动副2为主动副，在电传动***的驱动控制下，机架3可相对行走机构旋转运动；所述前悬臂升降机构为两自由度全转动副平面五杆机构，包含前悬臂驱动支链、第一主动杆11、机架3、前悬臂9，所述前悬臂驱动支链包含第二主动杆5、第一连杆7，所述第二主动杆5一端通过第二转动副4与机架3连接，另一端通过第三转动副6与第一连杆7一端连接，所述第一连杆7另一端通过第四转动副8与前悬臂9连接，所述第一主动杆11一端通过第五转动副12与机架3连接，另一端通过第六转动副10与前悬臂9连接，所述第一主动杆11、第二主动杆5由电传动***驱动，由计算机编程控制。

对照图1、图4，相比两自由度电液机构式数控斗轮机前悬臂升降机构采用的平面单自由度设计，在计算机编程控制下，该种三自由度电液机构式数控斗轮机的前悬臂升降机构可进行两自由度耦合运动，进而实现前悬臂9两自由度大角度、大空间、高灵活性的柔性俯仰运动，所述斗轮机构21安装在前悬臂9上，在计算机编程控制下，通过耦合前悬臂9的俯仰运动和机架3周转运动，斗轮机构21可实现大角度、大空间、高灵活性三自由度可控柔性运动，进而满足港口、码头、冶金、水泥、储煤场等散料的存储料场的复杂堆取料作业要求。

对照图1、图3，所述前悬臂9与中拉杆24固定连接，并通过前拉杆25加固，所述中拉杆24与平衡架26固定连接，并通过斜支撑27加固，所述平衡架26上安装有配重20。

对照图1、图2，所述第一连杆7为可伸缩杆，包含第一缸体7.1、第一活塞杆7.3，所述第一缸体7.1与第一活塞杆7.3通过第一移动副7.2连接，所述第一缸体7.1内充满液体。

对照图1、图2，所述输送***包含第一物料传送装置、第二物料传送装置、可控支撑机构，所述第一物料传送装置安装在前悬臂9上，主要进行散装物料的输送作业；所述第二物料传送装置安装在可控支撑机构上，主要完成散装物料的输送和卸料作业，所述可控支撑机构为平面单自由度连杆机构，包含支撑臂驱动支链、支撑臂19，所述支撑臂驱动支链包括第三主动杆15、第二连杆17，所述第三主动杆15一端通过第七转动副14与机架3连接，另一端通过第八转动副16与第二连杆17一端连接，所述第二连杆17另一端通过第九转动副18与支撑臂19连接，所述支撑臂19通过第十转动副13与机架3连接，所述第三主动杆15由电传动***驱动控制，在计算机编程控制下，通过支撑臂驱动支链的驱动控制，可实现支撑臂15的俯仰运动，从而实现第二物料传送装置输送仰角的大角度柔性调整。

对照图1、图2，所述第二连杆17为可伸缩杆，包含第二缸体17.1、第二活塞杆17.3，所述第二缸体17.1与第二活塞杆17.3通过第二移动副17.2连接，所述第二缸体17.1内充满液体。

对照图1、图2、图5，在实际工程应用中，为了提高悬臂型斗轮机的负载能力及稳定性，该种三自由度电液机构式数控斗轮机的前悬臂升降机构采用平面并联设计，由两套前悬臂驱动支链共同驱动前悬臂9进行俯仰运动，所述两套前悬臂驱动支链的缸体7.1.1、缸体7.1.2通过管线28联通。当该种三自由度电液机构式数控斗轮机无设计、制造、安装误差的理想情形下，根据帕斯卡原理，缸体7.1.1与缸体7.1.2内的液体压力可实时保持平衡，第一缸体7.1与第一活塞杆7.3可视为固定连接，当前悬臂9承受较大偏载以及机构的设计、制造、安装存在误差情形下，该设计可使前悬臂驱动支链中的第一缸体7.1与第一活塞杆7.3发生微小移动，实时保证缸体7.1.1与缸体7.1.2内的液体压力平衡，进而保证两套前悬臂驱动支链同时承载，进而保证两套前悬臂驱动支链包含的主动杆承载均衡，该设计大幅提高了前悬臂升降机构的抗偏载能力，提高了电传动***使用寿命，降低故障率。另外，通过在前悬臂升降机构中引入溢流阀等附属装置，可轻易解决前悬臂升降机构的过载保护问题。

对照图1、图2、图6，同理，为了提高第二物料传送装置的负载能力及稳定性，该种三自由度电液机构式数控斗轮机的可控支撑机构采用平面并联设计，由两套支撑臂驱动支链共同驱动支撑臂19进行输送仰角的大角度柔性调整，所述两套支撑臂驱动支链的缸体17.1.1、缸体17.1.2通过管线29联通。当该种三自由度电液机构式数控斗轮机无设计、制造、安装误差的理想情形下，根据帕斯卡原理，缸体17.1.1与缸体17.1.2内的液体压力可实时保持平衡，第二缸体17.1与第二活塞杆17.3可视为固定连接，当第二物料传送装置承受较大偏载以及机构的设计、制造、安装存在误差情形下，该设计可使支撑臂驱动支链所含的第二缸体17.1与第二活塞杆17.3发生微小移动，实时保证缸体17.1.1与缸体17.1.2内的液体压力平衡，进而保证两套支撑臂驱动支链同时承载，进而保证两套支撑臂驱动支链所包含的主动杆承载均衡，该设计大幅提高了第二物料传送装置的抗偏载能力，提高电传动***使用寿命，降低故障率。另外，通过在可控支撑机构中引入溢流阀等附属装置，可轻易解决第二物料传送装置过载保护的问题。

对照图1、图2、图5、图6，该种三自由度电液机构式数控斗轮机引入的液压***仅作为必要的过载保护手段，以及作为前悬臂升降机构、可控支撑机构的设计、制造、安装误差的主动补偿，确保采用平面并联设计的两套前悬臂驱动支链、支撑臂驱动支链所含的主动杆受载均衡，而非主要的动力传递***，因此避免了现有液压结构的臂架式斗轮机机械效率低、能耗高等问题，同时相比现有纯机械臂架式斗轮机又可通过引入溢流阀等装置实现较好的过载保护能力。

对照图1、图4、图5、图6、图7，该种三自由度电液机构式数控斗轮机利用连杆传动取代了现有斗轮机的液压结构，克服了现有液压结构的臂架式斗轮机可靠性差、机械效率低、能耗高，液压***易发生漏油等问题，具有机械效率高、可靠性好等特点，同时大幅降低了斗轮机维护保养及使用成本高。相比臂架式斗轮机采用的单自由度前悬臂升降机构或者钢丝绳卷扬机控制的前悬臂机构，该种三自由度电液机构式数控斗轮机运动空间更大、作业范围更广、灵活性更高等优点，可以很好的满足港口、码头、冶金、水泥、储煤场等散料的存储料场的复杂堆取料作业要求。

Claims (3)

1.一种三自由度电液机构式数控斗轮机，其特征在于：包含行走机构、机架、前悬臂升降机构、斗轮机构、输送***；所述机架通过第一转动副与行走机构连接，所述第一转动副为主动副；所述前悬臂升降机构为两自由度全转动副平面五杆机构，包含前悬臂驱动支链、第一主动杆、机架、前悬臂，所述前悬臂驱动支链包含第二主动杆、第一连杆，所述第二主动杆一端通过第二转动副与机架连接，另一端通过第三转动副与第一连杆一端连接，所述第一连杆另一端通过第四转动副与前悬臂连接，所述第一主动杆一端通过第五转动副与机架连接，另一端通过第六转动副与前悬臂连接。

2.根据权利要求1所述的输送***，其特征在于：包含可控支撑机构，所述可控支撑机构为平面单自由度连杆机构，包含支撑臂驱动支链、支撑臂，所述支撑臂驱动支链包括第三主动杆、第二连杆，所述第三主动杆一端通过第七转动副与机架连接，另一端通过第八转动副与第二连杆一端连接，所述第二连杆另一端通过第九转动副与支撑臂连接，所述支撑臂通过第十转动副与机架连接。

3.根据权利要求1所述的一种三自由度电液机构式数控斗轮机，其特征在于：所述前悬臂与中拉杆固定连接，并通过前拉杆加固，所述中拉杆与平衡架固定连接，并通过斜支撑加固，所述平衡架上安装有配重，

所述第一连杆为可伸缩杆，包含第一缸体、第一活塞杆，所述第一缸体与第一活塞杆通过第一移动副连接，所述第一缸体内充满液体，

所述第二连杆为可伸缩杆，包含第二缸体、第二活塞杆，所述第二缸体与第二活塞杆通过第二移动副连接，所述第二缸体内充满液体，

所述主动副、第一主动杆、第二主动杆、第三主动杆均由电传动***驱动，

所述前悬臂升降机构采用平面并联设计，由两套前悬臂驱动支链共同驱动前悬臂，所述两套前悬臂驱动支链的缸体通过管线联通，

所述可控支撑机构采用平面并联设计，由两套支撑臂驱动支链共同驱动支撑臂，所述两套支撑臂驱动支链的缸体通过管线联通。