面向物流的锚杆自动生产线关键技术研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III 面向物流的锚杆自动生产线关键技术研究 摘 要 锚杆支护是目前煤矿巷道支护的主要形式，锚杆是其最基本的组成部 分。随着煤炭产量增加和开采难度的加大，对锚杆的需求量和质量要求也 越来越高，传统的人工搬运、分散加工的生产方式因劳动强度大、生产效 率低下以及质量不稳定等缺点，已渐渐不能适应生产需要，锚杆自动化生 产线在这样的背景下发展起来。 国内的锚杆自动生产线出现不足十年时间，市场上现有锚杆自动生产 线都是面向锚杆加工设备的，只能适应单一生产工艺，而且普遍效率不高， 一旦工艺改变，就要重新设计锚杆自动生产线。另外现有自动线自动化水 平有限，只能实现锚杆加工的部分自动化。针对这些缺点，开发了一种面 向物流的锚杆自动生产线系统方案，它以锚杆的转运、输送为核心，辅以 不同的锚杆加工设备可组合成不同的锚杆自动生产线。 根据锚杆细长刚性差且表面不光滑的特点以及对生产效率的要求，明 确了锚杆输送设备的设计要求。研发了步进转移装置、自动喂料装置和转 运机械手三种锚杆转运输送设备，它们组成了物流自动线，是面向物流的 锚杆自动生产线的核心。详细说明了这三种设备的机械系统方案，对其进 行了运动和受力分析并给出了电机选型的依据。 根据生产控制要求，设计了面向物流的锚杆自动生产线控制系统总体 方案以及主控程序结构。阐述了模块化的设计思想，针对锚杆自动生产线 的组成，设计了步进转移模块、自动喂料模块、机械手臂模块以及信息交 换模块。根据每种装置的控制任务和要求，对控制模块的设计思路和结构 组成进行了详细说明，并设计了控制模块的控制算法。针对锚杆质量不合 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV 格的问题，提出了不合格锚杆去除方案，并对不合格锚杆的识别和去除原 理进行了详细阐述。 根据面向物流的锚杆自动生产线系统方案，为山东九佳矿用装备制造 有限公司设计制造了锚杆自动生产线，该自动线具有安全平稳，布局灵活、 生产率高等优点，证明面向物流的锚杆自动生产线方案基本满足实际生产 的需要，具有广阔的应用前景。 关键词锚杆，自动生产线，物流，步进转移，自动喂料 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V RESEARCH ON THE KEY TECHNOLOGY OF LOGISTIC ORIENTED AUTOMATIC PRODUCTION LINE OF ANCHOR BOLT ABSTRACT Bolt support is the main of the coal roadway support at present, anchor bolt is the most basic part. With the increased coal production and the difficulty of exploration, the demand for the quantity and quality of coal is increasingly higher. The traditional process which is according to manual handling and distributed processing has some shortcomings, such as high labor intensity and low production efficiency and quality unstable, it has gradually unable to meet the need of production. Therefore, the automatic production line of anchor bolt developed under such background. It has been less than ten years since the appearance of the bolt production line in domestic. The existing bolt production line in the market is oriented to the anchor bolt processing equipment. So it can only adapt to a single production process, and generally the efficiency is not high. Once the process has changed, it has to be redesigned. In addition, the automation level is not high, so it can only realized part of the automatic processing. Focusing on these shortcomings, an system scheme of automatic production line of anchor bolt which is Logistic Oriented is put forward. It takes the transportation as the core, it can be combined into a production line of anchor bolt with different processing equipment. According to the characteristics of anchor bolt which is long and thin and rigidity is bad, and the surface is non smooth, and the requirement of the 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI production efficiency, the design requirements of the anchor conveying equipment are identified. Three transportation equipments such as the step transfer device, the automatic feeding device and the transfer manipulator are designed. They make up the logistics line which is the core. The mechanical systems of the three devices are described in detail, the kinematics and force analysis are carried out, and the basis of the selection of the motor is given. According to the control requirements, the overall scheme of the automatic production line of anchor bolt and the main control program structure are designed. The idea of modularization is described. According to the composition of automatic production line of anchor bolt, the step transfer module, the automatic feeding module, the transfer manipulator module and the ination exchange module are designed. According to the control tasks and requirements of each device, the design idea and structure of the control module are described in detail, and the control algorithm of the control module is designed. In view of the problem that the anchor rod is not qualified, the device and the control technology for the removal of the unqualified bolt are put forward, and the identification and removal principle of the unqualified bolt are expounded in detail. According to scheme of logistic oriented automatic production line system, an automatic production line is designed and manufactured for Shandong Jiujia mining equipment manufacturing Co., Ltd. The automatic line has the advantages of safety, stability, flexible layout and high productivity. It is proved that the logistic oriented automatic production line of anchor bolt can basically meet the needs of the actual production, and it has broad application prospects. KEY WORDS anchor bolt, automatic production line, logistic oriented, step transport, automatic feeding 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 目录 第一章 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1锚杆支护概述 ............................................................................................................. 1 1.2国内外锚杆支护技术研究现状 ................................................................................. 3 1.2.1国外锚杆支护技术 ........................................................................................... 3 1.2.2国内锚杆支护技术 ........................................................................................... 4 1.3 锚杆自动生产线研究背景 ......................................................................................... 4 1.4锚杆自动生产线研究现状 ......................................................................................... 5 1.5课题研究的目的及意义 ............................................................................................. 5 1.6论文主要研究内容 ..................................................................................................... 6 第二章 面向物流的锚杆生产组织形式 .................................................................................. 9 2.1现有锚杆自动生产线分析 ......................................................................................... 9 2.1.1凯博锚杆自动生产线 ....................................................................................... 9 2.1.2盛昌锚杆自动生产线 ..................................................................................... 12 2.1.3楚源锚杆自动生产线 ..................................................................................... 14 2.1.4晓进锚杆自动生产线 ..................................................................................... 15 2.2 面向物流的锚杆生产组织 ....................................................................................... 15 2.2.1锚杆自动生产线设计要求 ............................................................................. 15 2.2.2面向物流的设计思想 ..................................................................................... 16 2.2.3面向物流的锚杆生产线结构布局 ................................................................. 17 2.3 本章小结 ................................................................................................................... 19 第三章 锚杆自动生产线关键机械设备 ................................................................................ 21 3.1自动喂料装置 ........................................................................................................... 21 3.1.1自动喂料装置结构设计 ................................................................................. 21 3.1.2自动喂料装置运动和受力分析 ..................................................................... 23 3.2 步进转移装置 ........................................................................................................... 28 3.2.1步进转移装置设计要求 ................................................................................. 28 3.2.2步进转移装置运动和受力分析 ..................................................................... 30 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 3.3 转运机械手 .............................................................................................................. 32 3.4 本章小结 .................................................................................................................. 34 第四章 锚杆自动生产线关键控制技术 ................................................................................ 35 4.1 控制系统总体方案 .................................................................................................. 35 4.1.1控制模型的建立 ............................................................................................. 35 4.1.2主控程序模块化设计 ..................................................................................... 36 4.2 变频器、USS通信及伺服驱动系统 ...................................................................... 38 4.2.1变频器 ............................................................................................................. 38 4.2.2USS 通信 ......................................................................................................... 42 4.2.3伺服驱动系统 ................................................................................................. 47 4.3 控制模块设计 .......................................................................................................... 49 4.3.1步进转移模块 ................................................................................................. 50 4.3.2自动喂料模块 ................................................................................................. 52 4.3.3机械手臂模块 ................................................................................................. 54 4.3.4信息交换模块的设计 ..................................................................................... 57 4.4 不合格锚杆去除技术 .............................................................................................. 60 4.4.1不合格锚杆去除机构 ..................................................................................... 61 4.4.2不合格锚杆的识别 ......................................................................................... 61 4.4.3不合格锚杆的去除原理 ................................................................................. 63 4.5 本章小结 .................................................................................................................. 66 第五章 锚杆自动生产线应用实例 ........................................................................................ 67 5.1 九佳锚杆自动生产线 .............................................................................................. 67 5.2 生产线实际生产效果 .............................................................................................. 69 5.3 本章小结 .................................................................................................................. 71 第六章 总结与展望 ................................................................................................................ 73 6.1 全文总结 .................................................................................................................. 73 6.2 不足与展望 .............................................................................................................. 73 参考文献 .................................................................................................................................. 75 致谢 .......................................................................................................................................... 79 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录 .............................................................................. 81 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 锚杆支护概述 锚杆是现代化煤矿巷道支护系统的最基本组成部分[1]，它将巷道的围岩锚固在一起， 使其利用自身支护自身[2]。锚杆应用广泛，不仅应用于煤矿巷道中，也应用于工程技术 中，对边坡、坝体等地表工程和隧道进行主动加固[3]。 锚杆经多年发展，现已形成完善的锚杆家族体系[4]，可将锚杆分类如图 1-1。 图 1-1 锚杆分类 Fig.1-1 Anchor bolt classification 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 锚杆支护技术首先在美国和前苏联发展起来，自出现以来就在许多领域发挥着重 要作用[5]。随着锚杆支护理论和技术的发展，锚杆在种类、材料和支护方式上有了很大 改变，人们越来越认识到其重要性，因此世界各主要产煤国家都大力发展锚杆支护技 术[6]。锚杆支护自 20 世纪 50 年代末引入我国起，就因其诸多优点得到普及应用，成为 目前我国煤巷支护的主要形式[7-8]。我国是产煤大国，煤炭产量每年 30～40 亿吨[8]，位 居世界第一，对锚杆的需求巨大，每年大约消耗数亿根锚杆，锚杆使用量巨大，因此 锚杆加工市场的潜力巨大。 在煤巷支护中，尤以树脂锚杆的使用最为广泛[9]。树脂锚杆是指树脂金属杆体型锚 杆及附件，是一种由树脂锚固剂、金属锚杆体、托盘、螺母等附件组成的锚杆系统[10]。 按照金属锚杆体的类型分为三类[11] （1）无纵肋螺纹钢式树脂锚杆 （2）麻花式树脂锚杆，螺纹头部一定长度是麻花式构造 （3）等强螺纹钢式树脂锚杆 树脂锚杆具有安装操作简单、成本低，锚固性能好等诸多优点，在各类锚杆中得 到快速发展[12]，而其中集中锚固类的树脂锚杆在全国大部分煤矿中都有应用，使用量 很大，上述三种树脂锚杆中以无纵肋螺纹钢式树脂锚杆使用量最多[13]。本文探讨的锚 杆自动生产线的加工对象是左旋无纵肋螺纹钢树脂锚杆，图 1-2 是锚杆实物图。 图 1-2 锚杆实物图 Fig.1-2 Physical map of anchor bolt 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1.2 国内外锚杆支护技术研究现状 1.2.1 国外锚杆支护技术 世界各国经济技术发展水平、煤炭产量以及煤炭开采难度存在很大差别，因此锚 杆支护技术的发展有所差异[14]。自上世纪 40 年代开始，美国和前苏联率先推广应用锚 杆及锚杆支护技术[15]。由于锚杆支护具有结构简单、施工方便、适应性强、成本低廉 等优点而得到快速发展，澳大利亚、英国、法国、德国等均引进该技术[16]。美国和澳 大利亚锚杆支护技术发展较早，现在采用了全锚杆支护煤矿巷道，处于世界先进水平 [17]。随着锚杆支护理论的发展以及煤炭开采量和开采难度的增加，世界各国都在积极 研究锚杆支护技术[18]。世界上主要的产煤国家都在大力发展锚杆支护技术，锚杆支护 成为世界主要产煤国家煤巷支护的主要形式之一[19-20]。实践证明，锚杆支护技术是一 种快速、安全、经济的煤巷支护技术。 美国是世界上最早使用锚杆的国家，目前其锚杆支护技术属于世界领先水平[21]。 在上世纪 60 年代中后期，美国率先在锚杆上使用了树脂锚固剂，并对锚杆进行了全长 锚固，同时锚杆的直径和强度都有增加[22]。美国还创造性地将涨壳式锚杆与锚固剂进 行了结合，提高了锚杆预应力，锚杆在直径和材料强度上提高后，更增加了锚固力[23]。 澳大利亚是个产煤大国，由于煤炭开采量大以及地质条件的特点，从美国引进了 锚杆支护技术后进行大力发展，成为世界上锚杆支护先进国家[24]。澳大利亚现在正大 力发展全长锚固类锚杆支护技术，并且结合地质条件以及锚杆安装等各个过程探索出 的锚杆重要参数，形成了锚杆设计的系统方法[25]。 英国的煤炭开采历史悠久，但受本国地质条件的限制一直没有推广锚杆支护技术， 上世纪四、五十年代在部分地区使用涨壳式锚杆，但是没能得到大范围的推广[26]。直 到后来澳大利亚推广了全长锚固类高强度锚杆后，英国引进了这种锚杆支护技术并大 力发展至今[27]。 德国最开始使用钢支架支护技术，随着煤炭开采难度增加以及钢支架生产成本以 及巷道维护成本的增加，钢支架支护技术的缺点越加显现，于是德国于上世纪 60 年代 末引进了锚杆支护技术并发展至今[28]。法国于上世纪 60 年代引进了商品化全长锚固的 锚杆支护技术，在上世纪 80 年代开始大力发展锚杆支护技术，锚杆使用量连年增长[29]。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 1.2.2 国内锚杆支护技术 我国于上世纪 50 年代末引进了锚杆支护技术，由于锚杆支护的优越性，自引进起 就受到煤矿和工程技术人员的认可。近几年我国的锚杆支护技术发展迅速，煤矿对锚 杆的使用量剧增，另外锚杆支护也广泛应用于矿山、铁路、国防等地下及地上岩土工 程。 50、60 年代锚杆主要应用于稳定的岩层巷道，使用的是钢丝水泥砂浆锚杆。到了 70、80 年代，国家重点发展软岩锚杆支护。80 年代后期，中国从澳大利亚引进新型锚 杆支护技术，研制成功了全长锚固的高强度锚杆，在这一时期锚杆支护技术得到快速 发展以及广泛应用[30]。 由于煤炭开采难度的加大，锚杆支护技术的作用也越加凸显，因此近些年，锚杆 支护技术得到快速发展，随后各种材料的锚杆相继出现，如树脂锚杆、管缝式锚杆等， 这些锚杆具有锚固力大、全长锚固、可靠性高以及适应性强等诸多优点，到了 80 年代 后期，树脂锚杆凭借其便捷的生产加工、简单的安装工艺以及优良的锚固性能，迅速 占领市场，成为使用率最高的锚杆类型[31]。 1.3 锚杆自动生产线研究背景 锚杆种类很多，生产方式各有不同。目前国内煤矿使用较广泛的是左旋无纵肋螺 纹钢式树脂锚杆，其加工工艺一般有正切、45斜切、挤压、滚丝、戴螺母和捆扎等工 序，有些还有戴垫圈、打眼等附加工序。传统的锚杆加工采用人工搬运、分散加工的 形式，是典型的劳动密集型的产业[32]。人工作业方式劳动强度大、生产效率低、安全 性低、产品质量难以保证。随着锚杆支护理论和技术的发展、煤炭开采量的增长以及 开采难度的增加，锚杆用量大幅增加，对锚杆的质量也提出了更高的要求，传统的锚 杆生产方式已渐渐不能满足生产要求[33]。 随着锚杆加工专用设备的完善成熟和自动化水平的提高，锚杆生产的自动化得以 实现。国内外锚杆支护先进国家针对此课题进行了相关研究，提出了许多锚杆自动化 生产线方案[34]，国外的锚杆自动化生产线研究起步早，技术较为先进，国内某些锚杆 生产厂家和研究机构借鉴国外先进技术[35]，研发了锚杆自动生产线并将其投入实际生 产中，实现了锚杆生产的自动化。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 1.4 锚杆自动生产线研究现状 我国的锚杆自动生产线的研究起始于 10 年前，中国建筑科学研究院建筑机械化研 究分院对矿用金属锚杆杆体自动化生产线技术进行了研究，后经廊坊凯博建设机械科 技有限公司进行了科技成果转化，于 2008 年推出了锚杆自动生产线。这是国内第一条 锚杆自动生产线，该自动生产线包括挤压、滚丝两个工序，后来有他们对该锚杆自动 生产线进行了几次技术改造升级，改造之后的锚杆自动生产线增加了一些锚杆加工工 序，在生产效率上也有一定提高。 太原市环宇液压机械有限公司在 2009 年进行了技术攻关，为山西晋城矿务局设计 研发了一条锚杆自动生产线，可以对锚杆自动进行挤压、滚丝、戴螺母和捆扎，在锚 杆生产工艺上进行了扩展和完善，适合大部分锚杆生产企业的锚杆加工工艺流程。但 是该锚杆自动生产线的生产效率不高，无故障工作时间达不到理想水平。 从这一时期之后，一些锚杆生产企业陆续进行了自动化改造，设计了各自的锚杆 自动生产线，如焦作市盛昌矿业支护有限公司和安徽楚源工贸有限公司的锚杆自动生 产线，但是他们的锚杆自动生产线无论在设备组成，布局形式还是工作原理上都借鉴 了上面的两条锚杆自动生产线，同样存在生产效率不高等缺点。 目前，各厂家的研发重点都集中在完善锚杆自动生产线的功能，设计更加合理的 锚杆输送装置，探索更加合理的设备布局形式，努力提高锚杆生产效率和自动化水平， 增加无故障工作时间以及降低故障率等方面。 锚杆自动生产线未来的发展趋势是更加智能化和人性化，适应性更强，将来可以 实现网络化，与企业级网络进行组网，实现远程监控[36]。 1.5 课题研究的目的及意义 如前所述，目前市场上现有的锚杆自动生产线普遍存在工艺路线短，集成度不高， 自动化水平有限，生产效率低、故障率高等不足，无法实现锚杆自动加工的无人值守 工作。而且现有锚杆自动生产线都是面向加工设备的生产线组织形式，如果生产工艺 或锚杆加工设备改变，原有的生产线就不再适合，只能针对新生产线进行重新设计， 生产线的适应性差。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 基于上面的分析，有必要选择一种适合锚杆特点的生产组织形式，能大幅提高锚 杆加工生产率，并且当生产工艺改变时，稍加改造就可以适应新生产线的生产要求， 实现快速应变。笔者所在的研究团队联合太原市环宇液压机械有限公司研发了面向物 流的锚杆自动化生产线方案，该锚杆自动生产线以锚杆输送为核心，辅以锚杆加工设 备就可组成锚杆自动生产线。锚杆输送设备是标准设备，在数量和顺序上可自由组合 实现生产线的快速组织。 本文围绕面向物流的锚杆自动生产线方案，对面向物流的锚杆生产组织形式