大型机械设备螺栓拆装辅助机械臂设计

河 北 水 利 电 力 学 院 学 报
JournalofHebeiUniversityof WaterResourcesandElectricEngineering
2021年3月第31卷第1期
Mar2021Vol31 No1
文章编号 2096 — 5680(2021)01 — 0051 — 05
大型机械设备螺栓拆装辅助机械臂设计
周利杰12,3,刘 辉12,3,高 波1,郝瑞林1,23,石 岩12,3
(1.河北水利电力学院 电气工程学院，河北省沧州市重庆路1号061001；
2. 河北省工业机械手控制与可靠性技术创新中心，河北省沧州市重庆路1号061001；
3. 沧州市工业机械手控制与可靠性技术创新中心，河北省沧州市重庆路1号061001)
摘要：大型机械设备在维修过程中存在着作业点位置高、作业点分散、螺栓拆装工具重量大、维修人员劳动强度高的特点，维
修效率低；本文设计了一种螺栓拆装辅助机械臂，该装备主要由助力机械臂、电控液压升降平台、电驱动模块和支撑装置组
成。

助力机械臂集成气弹簧实现助力功能，可补偿螺栓拆装工具的自重，减少维修人员的劳动强度；助力机械臂采用两段臂 的设计，可360度旋转和上下移动，作业范围大;机械臂集成液压升降平台和电驱动模块，可实现高位置点的螺栓拆装作业，并
且移动灵活，可有效提升维修效率;支撑装置可在高空维修作业过程中提供稳定的支撑。

该装备结构简单、操作方便、适用性
强，可应用于工程机械、矿山机械、大型车辆等大型机械设备的螺栓拆装作业。

关键词：螺栓拆装；助力机械臂；升降平台；电驱动
中图分类号:TH122 文献标识码:A DOI ： 10. 16046/j. cnki. issn2096-5680. 2021. 01. 010
大型机械设备具有生产效率高、装载能力强、工 作稳定可靠、工作环境恶劣、维修难度大的特点，主 要应用于煤矿开采、工程建设、物资运输、石油化工、
水电等领域。

这些大型机械设备由于长时间高负荷
工作在恶劣环境中，经常会发生各种形式的故障，导 致生产受阻［1］。

因此，在大型机械设备的使用过程
中要进行定期检查和维修。

在检修和维修过程中, 拆装螺栓是最基本的作业内容。

大型机械设备由于
体积大、载重大、工况恶劣，螺栓往往数量较多，位置 分散，没有较稳定的作业支撑。

例如，采煤机摇臂维
修过程中需要拆卸螺栓48个，维修高度达6 m 以 上［］;国内常用的载重自卸车高度约为3.5 m,混凝
土搅拌车的高度约为4 m ［］；SCHOPE 公司的地下 装载机高度约2. 8 m ［］，约有二百个连接螺栓［］;重 型矿石运输车轮毂螺栓高度约2米，螺栓数量超过
30个；重载铁路车辆车钩缓冲装置需定期检修更
换，主要依靠人工手持风动冲击扳手进行拆装6。

当这些大型机械设备需要检修或者维修时，拆装螺 栓将是一项非常棘手的工作。

维修人员不仅需要携
带工具攀爬到较高的作业点,而且需要拆装数量较 多的高扭矩螺栓。

这种维修方式劳动强度高，影响
了机械设备的维修效率，阻碍了生产，并具有一定的
危险性。

因此设计一种辅助螺栓拆装设备来减轻维 修人员劳动强度,提供可靠维修支撑,提高维修效率 是非常有必要的。

本文设计了一种适用于大型机械
设备螺栓拆装的辅助机械臂，该装备结构简单、操作
方便、适应性强，可有效提升维修效率，减轻维修人 员劳动强度，并为维修作业提供可靠支撑。

1螺栓拆装辅助机械臂总体结构及工 作方式
1.1螺栓拆装辅助机械臂总体结构介绍
本文设计的辅助机械臂主要由助力机械臂、液
压升降平台、电驱动模块和支撑装置组成，如图1所
示。

助力机械臂集成气弹簧实现助力功能，可在一 定范围内补偿螺栓拆装工具的自重。

在实际使用过
程中，助力机械臂负责螺栓拆装扳手的搬运和辅助 夹持，维修人员只是负责螺栓拆装扳手的定位和控
制。

因此，维修人员施力较小，能够有效减少维修人 员的劳动强度。

机械臂作业范围大，使用灵活。

助
收稿日期：2020-06-23 修回日期：2020-09-07
基金项目：河北省高等学校科学技术研究重点项目(ZD2019058)
第一作者简介：周利杰(1988-),男，河北献县人，河北水利电力学院助教，主要从事机器人技术、智能控制相关研究工作。

E-mail ：chinazhoulijie @163 com
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力机械臂采用两段臂的设计思想，并且可以绕基座360度旋转，可以在升降平台固定的情况下，实现水平和垂直移动。

机械臂集成了液压升降平台和电驱动模块。

液压升降平台采用剪叉式升降机构，在液压缸的驱动下，可以实现平台的高低位置调整，以满足不同位置螺栓的拆装需求。

电驱动模块包括驱动电机、刹车装置、蓄电池、控制器、操作面板等组成。

在移动该装备时采用电驱动的方式，可减轻维修人员的劳动强度，提高维修效率。

刹车装置采用可靠的气缸刹车装置，刹车稳定可靠。

支撑装置分布在装备两侧，可为辅助机械手的高空作业提供可靠支撑，防止失稳现象的发生，提高维修作业的安全性。

螺栓拆装辅助机械臂的设计参数见表1所示。

图1大型机械设备螺栓拆装辅助机械臂总体结构Fig.1Overall structure of bolt disassembly
equipment for large machinery and equipment 表1大型机械设备螺栓拆装辅助机械臂设计参数Tab1Designparametersofboltdisassembly
equipmentforlargemachineryandequipment
类型参数类型参数
最大作业高度3m助力臂最大载荷15Kg 平台升降范围03〜12m平台最大载荷200Kg 助力臂升降范围—04〜18m助力臂最大臂展2m
1.2螺栓拆装辅助机械臂工作方式介绍
在维修准备过程中，维修人员操作控制器，驱动电机运转，将机械臂移动到作业场所。

随后接通高压气源，并打开机械臂底座的四个支持装置,进行可靠支撑。

为保证机械臂位置固定，还需将行走模块的刹车装置打开。

随后根据实际维修作业点的高度调节升降平台高度。

对于位置较低的作业点，维修人员可以站立在地面进行维修作业。

对于位置较高的作业点，维修人员可以站立在升降平台上进行维修作业。

2助力机械臂设计
2.1助力机械臂作业空间
助力机械臂采用两段臂的设计结构，主要设计尺寸如图2所示。

第一段臂长550mm,第二段臂长1200mm。

在每段臂的连接处以及第一段臂和底座的连接处均采用360度旋转设计。

这种设计结构可以提高助力机械臂的柔性，满足各种工况的作业需求。

在拆装大型机械设备螺栓时，螺栓的分布分散，要求维修设备具有较大作业空间。

本文所设计的助力机械臂在固定底座的情况下作业半径最大可达2m,满足一般大型机械设备的维修需求，如图3所示。

图2助力机械臂尺寸
Fig2Dimensionofpowerassisted mechanicalarm
4000mm
图3助力机械臂的作业空间
Fig.3Work space of power assisted mechanical arm 2.2助力机械臂腕部结构设计
大型机械设备螺栓的位置分散，角度不一。

就要求助力机械臂的腕部具有非常高的柔性，能够适应各种位置和角度的螺栓拆装。

本文跟实际需要,设计出了具有高柔性的腕部结构，如图4所示。

该
第1期周利杰等：大型机械设备螺栓拆装辅助机械臂设计53
结构在X轴具有140。

的活动范围，在Y轴和Z轴具
有360°的活动范围。

图4助力机械臂的腕部结构
Fig4Wriststructureofpowerassisted mechanicalarm
2.3螺栓拆装工具的重力补偿及气弹簧选型计算
大型机械设备螺栓的数量较多，部分螺栓位置较高。

在维修作业过程中，维修人员长时间手持沉重的拆卸工具会非常劳累，阻碍了维修效率。

因此需要机械臂实现拆装工具的重力补偿，从而减轻维修人员的劳动强度，提高维修效率。

本装备采用气弹簧作为助力机械臂的重力补偿元件。

气弹簧是一种可以实现支撑、缓冲、高度调节的部件，广泛应用于机械设备中。

本装备采用自由式气弹簧，该类型气弹簧主要起支撑作用，只有最短、最长两个工作位置［7］,在行程中需要维修人员施加辅助力固定机械臂。

所施加的辅助力远小于维修工具的重力，从而实现维修工具的重力补偿,减轻维修人员的负担，提高维修效率。

气弹簧在整个工作行程内力值变化较小，在最短和最长两个工作位置的推力相差不大，运动平稳8,因此为方便计算，可以将气弹簧的输出力近似为恒力。

本文将机械臂的长臂、气弹簧、长臂座作为研究对象，进行受力分析，受力分析简图如图5所示。

为了计算方便，忽略了长臂的自重。

由图可知维修工具的重力为G,气弹簧的输出力为F,长臂的长度为/,气弹簧相对于长臂旋转中心的力臂为/】，维修工具重力的力臂为仇，气弹簧与长臂连接点到旋转中心的距离为厶，气弹簧旋转中心与长臂旋转中心的距离为心，气弹簧的长度为厶，气弹簧与长臂
Fig5Stressanalysisofpowerassisted mechanicalarm 的夹角为a,长臂与垂直方向的夹角为0。

根据力矩平衡，可得：
犉犾二犌2(1犾5=犾+犾--2犾犾coS(7T―0)(2
犾=犾sin(a)(3
犾=Z sin(0)(4
犾—犾
(5
sin(7r—0)sin a
根据公式（1）〜（5）可得:
G—F犾犾(6
/槡犾2+犾+2犾犾cos0
由公式（6）可知，当助力机械臂的长臂向下旋转时,角0逐渐增大，若仍然要保证助力机械臂力矩平衡,那么所需维修工具的重力G也是逐渐增大的。

由此可见，当维修工具的重力不变的情况下，助力机械臂有停留在上极限位置（气弹簧完全伸展的位置）的趋势。

因此，本文以助力机械臂的上极限位置计算气弹簧的输出力。

常用的大型螺栓拆装气动扳手重量约为10Kg,本装备采用两根气弹簧设计，将相关参数带入公式（6）,可得单根气弹簧的输出力F约为1200N。

因此本装备应选用两根承重不小于1200N的气弹簧。

3液压升降平台设计
升降平台采用剪叉式结构，利用液压油缸驱动平台升降。

剪叉式升降平台具有结构紧凑、可控性好、适合于高空作业的优点［9］。

大多数升降平台采用人力脚踩或者手摇的方式控制平台升降，效率较低。

为了减轻维修人员劳动强度，提供维修效率，本装备采用电控液压的方式控制平台升降，维修人员可以通过上升和下降按钮方便快速的控制平台高度。

电控液压系统原理图如图6所示。

平台上升时先打开手动开关，然后按下控制面板的上升按钮。

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液压油在电动泵的驱动下由油箱经油滤流向液压缸，液压缸伸展驱动平台上升。

到达预定高度后，按下控制面板停止按钮，电动泵停止工作，单向阀可以防止液压油回流，再关闭手动开关，防止液压系统泄压。

当液压缸达到最大行程后，未关闭电动泵时液压系统的油压会急剧升高,容易损坏系统元件。

因此本系统设计有安全阀，可有效防止系统油压过高造成的危害。

平台下降时需打开手动开关，平台利用自重下降。

本系统设计有快速下降和慢速下降两种下降方式，由控制面板按钮控制。

快速下降时，液压油由液压缸经快速泄压电磁阀和油滤直接回流油箱。

慢速下降时，液压油由液压缸经慢速泄压电磁阀、节流阀、油滤流回油箱。

两种下降方式的设计不仅可以满足复杂的作业工况，而且提升了维修作业效率。

4电驱动模块设计
电驱动模块主要由驱动电机、刹车装置、蓄电池、控制器、操作面板等组成。

驱动电机使用直流无刷电机，功率大，寿命高，适合于恶劣作业环境。

刹车装置采用气动盘刹结构，工作稳定，刹车可靠。

蓄电池使用48V铅酸电池组，稳定性高。

控制器与控制面板相连，可以进行前进后退控制、速度调节刹车以及平台的上升下降。

电驱动模块的系统原理和结构图如图7、图8所示。

5支撑装置结构设计
在高空进行维修作业时，要求装备必须能够提供稳定的支撑，因此本装备设计有支撑结构。

该支撑结构收缩后可贴附于装备两侧，占地空间小，便于装备的灵活移动。

支撑结构打开后可为装备提供稳定的维修支撑，安全性高。

该装置设计有快速支撑收放机构，可根据场地高低实现支撑柱的快速收放,该装置结构如图9所示。

当按下锁体的突出按钮时可以解锁支撑柱，支撑柱就可以上下自由移动。

当释放锁体的突出按钮时，在弹簧的推动下支撑柱上的凹槽与锁体上的凸起相互插入，实现支撑柱的锁止。

图7电驱动模块原理图
Fig7Systems diagram of electrical powered module
module
图8电驱动模块结构图
6结束语
本文针对大型机械设备的维修特点设计了螺栓拆装辅助机械臂，该装备结构简单、操作方便、移动灵活、工作可靠、能够有效提升维修效率。

适用于工
第1期周利杰等：大型机械设备螺栓拆装辅助机械臂设计55
程机械、矿山机械、大型车辆等大型机械设备的螺栓拆装作业。

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88-90
Design of Bolt Disassembly Equipment for
Large Machinery and Equipment
ZHOU Li-jie1，，,LIU Hui1'2'3,GAO Bo1,HAO Rui-lin1，，,SHI Yan1，，
(1.School of Electrical Engineering,Hebei Universty of Water Resources and Electric Engineering,061001,Cangzhou,Hebei,China；
2.Hebei Technology Innovation Center of Industrial Manipulator and Reliability,061001,Cangzhou,Hebei,China；
3CangzhouTechnologyInnovationCenterofIndustrialManipulatorandReliability061001，Cangzhou，Hebei China)
Abstract:In the repair process of large machinery and equipment,it has the characteristics of high op-eratingposition，sca t eredoperatingpoints，heavyboltdisassemblytools，andhighlaborintensity These characteristicsreducethemaintenancee f iciency Inviewofthesecharacteristics，inthispaper，aauxiliary armisdesignedforboltdisassembling Thisequipmentconsistsofpowerassistedmechanicalarm，electric hydrauliclifting platform，electrical powered module and supporting apparatus Integrated with air springs，thepowerassisted mechanical arm can not only compensate the gravity of service tools but also canreducethelaborofrepairmen Thepowerassistedmechanicalarmhaslarge-scaleoperationspace With thedesignoftwo-stagearms，thepowerassisted mechanicalarm canturn360degreesand moveupand down Theauxiliaryarmforboltdisassemblingcontainselectrichydraulicliftingplatform andelectrical powered module Theelectrichydraulicliftingplatformisavailabletohighoperatingposition Theelectri-calpoweredmodulecanbeusedtomoveflexiblyande f iciently Thesupportingapparatuscanprovideef-ectivesupportfortheauxiliaryarminhigh-altitudeoperations Theequipmentissimpleinstructure，con-venientinoperation，and we l-adapted，whichcanbeusedtoboltdisassemblyoperationforengineering machinery，mineralequipment，oversizevehicle，andsoon
Keywords：boltdisassembly；powerassisted mechanicalarm；liftingplatform；electricalpowered mod­ule
(责任编辑：张鹏程)。