CN102807165A - 固定式多功能机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固定式多功能机械手，由机械设备、存放架、液压系统、电控系统组成，机械设备中的底座总成与回转塔身采用底座总成上的回转支承轴承连接，回转塔身上部活动铰接主臂，主臂前端分别活动铰接起重臂和多功能臂，多功能臂前端装有多功能头，主臂与回转塔身之间活动连接主臂变幅油缸，主臂与多功能臂及起重臂之间活动连接工作臂变幅油缸，多功能臂与多功能头之间活动连接多功能头收放油缸，起重臂上安装用于起吊的起升绞车和用于钩取无张力缆绳的拖缆钩及拖缆钩油缸。本发明能够完成操锚、拖缆、起吊、打捞等多种复杂的工作，对工作环境的适应性强，集成化和智能化程度非常高。

Description

固定式多功能机械手

技术领域

本发明涉及一种机械手，尤其是一种用于船舶、海洋工程装备的多功能机械手。

背景技术

伴随着世界海洋开发热潮的到来，海洋工程装备业日新月异。传统的甲板机械已经无法满足作业的需要。单纯的满足一个作业需求的甲板机械逐渐被集成化、智能化的特种甲板机械所取代。欧洲典型的甲板机械公司如英国ROLL-ROYCE公司、德国HATLAPA公司、德国NMF 公司、挪威TTS公司、挪威Aker Solutions公司的甲板机械产品能为海工船、滚装船、渔船、钻井平台等所有船舶与海洋工程装备配套。这些公司通过对传统甲板机械的集成化、智能化创新，牢牢地掌控了其核心装备的研发和生产。

与多功能机械手相关的国外几家公司的产品是在传统的船用液压起重机基础上通过集成特种作业装置形成的甲板作业系统核心部件，下面对几个主要公司的产品进行介绍：

（1）英国ROLL-ROYCE公司的自行式液压操锚吊

ROLL-ROYCE公司开发的自行式液压操锚吊主要用于海洋工程船舶上，用于收放锚、浮标等作业。对于船员来讲，传统的锚链收放作业及锚链整理是非常危险的，在恶劣海况时尤甚。该系统的核心是在船舷两侧布置了行走式液压折臂吊，每套折臂吊上有两个工作臂，其中一个工作臂带有多功能机械手，具有配合锚作业、抓取浮标和无张力缆绳等功能。

该自行式液压操锚吊有以下特点：a具有自行功能；b机械手有两个工作臂，具有操锚作业/操缆作业和起重功能；c无线遥控操纵功能：船员可以利用无线遥控设备，在安全的区域进行收锚链、缆索等作业，使得在恶劣海况下作业的安全性得到了很大的提高；d双机联动作业：对于一些复杂的作业，如收浮标等，可以利用双机联合作业完成。

（2）ODIM公司的安全锚作业系统

ODIM公司推出的安全锚作业系统（safe anchor handling system －SAHS）。该系统中的核心设备也是带有可快换式作业装置的自行式液压折臂吊，该折臂吊由公司下属的ABAS公司开发，其功能与ROLL-ROYCE公司的产品类似，但是其功能简化：只有一个工作臂，且主要为起重功能。

（3）麦基嘉集团Hydramarine公司的甲板作业机械手

为了提高甲板作业安全，麦基嘉集团开发的系统称之为甲板作业机械手系统（deck handling manipulator system －DHMS），该系统中的核心设备也是自行式液压折臂吊。

作为世界船舶配套技术的发源地，欧洲形成了较为完备的船舶配套产品研发和生产体系，并通过不断的技术创新，牢牢把握着世界配套产业的发展方向。这些新型的甲板机械与传统的甲板机械有机组合构成了新型的甲板作业系统。

上述甲板作业设备造价高、结构复杂，还无法在高海况下完成操锚、拖缆、起吊等多功能海上作业。

随着中国海洋工程的高速发展，对海洋工程装备配套设备的要求也越来越高。相对于船舶工程装备配套设备，其科技含量高、附加值高、模块化程度高等特点更加明显。根据中国船舶工业中长期发展规划（2006-2015年），要大力发展海洋工程装备，届时海洋工程船舶的需求将大大增加，其中份额占最大的是多用途工作船（操锚、运输、拖带、支持等功能），其关键设备是需要一种布置在艉部作业区两舷的多功能机械手，可以安全便捷地完成操锚、拖缆、起吊等功能，大大降低了海上作业的危险性。

另外，近几年随着海上救助打捞需求的不断提高，对海上救捞装备的要求也日新月异。中国交通部救捞系统提出了“人员精干、装备精良、技术精湛，在关键时刻能起关键作用” 总体发展目标，到 2020 年，救捞系统要基本建成“全方位覆盖、全天候运行、快速反应、救助有效”的国家现代化海上救助打捞力量，要深入开展救捞科技研发工作，机械手适时应用创造了有利契机。

中国的海上渔业近几年不断发展，正逐步从近海向远洋迈进，渔业作业设备的需求越来越多，迫切需要一种新型的、多功能的设备来促进渔业产业的发展。

伴随着我国的海洋开发计划的深入实施，海洋工程、海上救助打捞和渔业等行业的专用设备需求不断增加，多功能机械手的开发和使用具有非常广阔的前景。

发明内容

本发明是要解决多用途工作船集成起重、拖缆、操锚、绞索释放、夹持专用属具、甲板面上绳缆/锚链拖带等作业的技术问题，而提供一种固定式多功能机械手。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种固定式多功能机械手，由机械设备、存放架、液压系统、电控系统组成，机械设备包括底座总成、回转塔身、主臂、主臂变幅油缸、多功能头、多功能头收放油缸、多功能臂、工作臂变幅油缸、起重臂，底座总成与回转塔身采用底座总成上的回转支承轴承连接，回转塔身上部活动铰接主臂，主臂前端分别活动铰接起重臂和多功能臂，多功能臂前端装有多功能头，主臂与回转塔身之间活动连接主臂变幅油缸，主臂与多功能臂及起重臂之间活动连接工作臂变幅油缸，多功能臂与多功能头之间活动连接多功能头收放油缸，起重臂上安装用于起吊的起升绞车和用于钩取无张力缆绳的拖缆钩及拖缆钩油缸。

多功能头包括多功能回转头、回转减速箱、翻转机构，多功能回转头通过回转减速箱与翻转机构连接，多功能回转头两侧分别装有一个多功能头摆动油缸，用于实现围绕减速箱与上部的翻转机构连接轴的摆动动作；回转减速箱的蜗杆端安装有多功能头回转马达，用于驱动蜗杆转动，并通过蜗轮传递旋转动作到多功能头下部的多功能回转头上；多功能回转头下部还装有锚链活动夹头及锚链夹紧油缸，夹绳装置及二个钢索夹紧油缸，钢索夹具收放油缸，其中：夹绳装置及二个钢索夹紧油缸用于推动夹绳装置内的滑动夹绳块沿绳索夹具座上导向板本体方向滑动，实现多功能头夹持钢索动作；钢索夹具收放油缸用于推动导向板本体摆出和收回，实现钢索的顺利抓取；锚链夹紧油缸用于推动锚链活动夹头沿锚链夹具连接块铰接的方向摆动直至油缸达到夹持位置实现夹持锚链动作。

液压系统由液压泵组 、操纵阀组、蓄能器阀组成，液压泵组通过操纵阀组分别连接多功能头摆动油缸，多功能头回转马达，锚链夹紧油缸，钢索夹紧油缸，钢索夹具收放油缸，主臂变幅油缸，工作臂变幅油缸，多功能头收放油缸，拖缆钩油缸，起升绞车中的回转马达，回转塔身中的回转驱动马达。

电控系统由启动箱、中间箱、操纵台、声光报警器、遥控器组成，启动箱中的控制继电器和24V开关电源连接操纵台的主控制器，主控制器经回转塔身上的电滑环连接中间箱的力限器主机，力限器主机分别接收回转塔身及起升绞车编码器信号、主臂及基座、起重臂、多功能臂倾角信号以及主变幅油缸压力信号，扩展模块一接收多功能头回转及摆动到位信号并传输给主控制器，主控制器分别通过扩展模块一和扩展模块二输出控制信号给多路比例阀，比例减压阀，电磁换向阀；多路比例阀分别连接主臂变幅油缸，工作臂变幅油缸，多功能头收放油缸，起升绞车中的回转马达，回转塔身中的回转驱动马达；比例减压阀分别连接锚链夹紧油缸，钢索夹紧油缸，电磁换向阀分别连接多功能头摆动油缸、多功能头回转马达、钢索夹具收放油缸、拖缆钩油缸、锚链夹紧油缸、钢索夹紧油缸，用于实现多功能头的左/右转、左/右摆动、钢索夹具收/放、拖缆钩开/合、锚链夹具夹/放、钢索夹具夹/放。

本发明的有益效果：

作为高集成度的固定式多功能机械手，不仅集成了拖带、夹持锚链/钢索、甲板起重等传统单一作业，还增加了钩取无张力缆绳、双机协调作业等新型功能。在船舶、海工装备配套上为甲板作业提供了新型的设备组合方式。该多功能机械手能替代过去甲板上人工操作锚链/绳缆拖带工作，人工释放钢索绞盘绞紧的钢索等极高危险性作业，并且通过电控的遥控技术可以更加方便操作。

固定式多功能机械手，不仅具备了集成多种甲板作业，而且采用遥控技术扩展了作业视野、作业更加安全可靠。固定式多功能机械手是人类在进行海洋平台、工程船舶、海面救援等作业时，为了保证人员的安全和方便快捷的完成各种作业而发展出来的一种特殊的甲板机械。能够完成操锚、拖缆、起吊、打捞等多种复杂的工作，对工作环境的适应性强，技术的集成度非常高。

附图说明

图1是本发明的机械手结构示意图；

图2是多功能头结构示意图；

图3是本发明的液压原理图；

图4是本发明的电控原理框图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图4所示，本发明的固定式多功能机械手，由机械设备、存放架、液压系统、电控系统等组成。固定式多功能机械手为双折臂、双工作臂、电液驱动的船舶甲板机械。

固定式多功能机械手分别布置在船舷两侧，左、右两台设备工作范围重叠区域越大，为多功能机械手双机联动操作带来的便利越大。为此，固定式多功能机械手工作范围空间的覆盖程度对多功能机械手的使用广泛性具有决定性作用。采用最大变幅长度为12m的固定式多功能机械手双机重叠的工作范围最大宽度在11m左右，适合在甲板作业区中进行双机联动协调作业。

多功能机械手的结构基础是臂架和底座，根据船舶起重机设计规范分别对臂架、回转塔身、固定底座进行强度、刚度计算，并对主臂和固定底座进行结构优化设计，不仅减轻设备总体重量，而且也总结出底座与臂架的形变对系统的影响、提高设备的适应性和可靠性。

传统的测量均为在臂架上直接取力，对于双工作臂的多功能机械手而言，直接取力模型过于复杂。现在采用测量主臂变幅油缸的油压和各臂架组合的技术进行系统力及力矩测量，不仅简化了双臂测量系统，而且可以根据产品系列要求进行力学模型参数调整与修正，达到一体化设计要求。

测量系统可以显示系统的变幅状态以及重物重量和多功能机械手的倾覆力矩，并在系统额定载荷的95%发出报警信号，在系统额定载荷的100%～110%之间自动切断向加重载荷方向动作。

多功能机械手的驱动采用的是液压驱动方式，动力部分采用电动机带动负载敏感泵，可以对负载压力进行自适应。控制方式采用电液比例控制，由电信号控制各个比例阀的动作，当流量超过额定值时，各输出流量按控制的比例同步下降，保证每个动作可靠。执行机构主要是实现各个部分运动的油缸或马达。  

操作采用机旁控制台操作和遥控两种方式，实现功能控制和紧急停止。遥控器在正常工作情况下每秒可连续发送15条以上的指令，在左右舷同时工作时采用“接管-释放”模式允许多点操作和协调作业。

如图1所示，机械手包括底座总成1、回转塔身2、主臂3、主臂变幅油缸4、多功能头5、多功能头收放油缸6、多功能臂7、工作臂变幅油缸8、起重臂9等。

底座总成1与回转塔身2采用底座总成上的回转支承轴承连接，回转塔身2上部活动铰接主臂3，主臂前端分别活动铰接起重臂9和多功能臂7，多功能臂7前端装有多功能头5，主臂3与回转塔身2之间活动连接主臂变幅油缸4，主臂3与多功能臂7及起重臂9之间活动连接工作臂变幅油缸8，多功能臂7与多功能头5之间活动连接多功能头收放油缸6，起重臂9上安装用于起吊的起升绞车21和用于钩取无张力缆绳的拖缆钩及拖缆钩油缸20。

如图2所示，多功能头5包括多功能回转头10、回转减速箱11、翻转机构12，多功能回转头10通过回转减速箱11与翻转机构12连接，多功能回转头10的两侧分别装有一个多功能头摆动油缸15，用于实现围绕减速箱与上部的翻转机构连接轴的摆动动作；回转减速箱11的蜗杆端安装有多功能头回转马达14，用于驱动蜗杆转动，并通过蜗轮传递旋转动作到多功能头下部的多功能回转头10上；多功能回转头下部还装有锚链活动夹头及锚链夹紧油缸16， 二个钢素夹紧油缸17，用于推动滑动夹绳块沿导向板本体方向滑动，实现多功能头夹持钢索动作和钢索夹具收放油缸18，用于推动导向板本体摆出和收回，实现钢索的顺利抓取。

多功能头动作分别为a多功能头收放动作；b多功能头摆动动作；c多功能头旋转动作；d多功能头下部夹锚链的夹紧/放松；e夹钢索的夹紧/放松和收紧/放出。

     为实现多功能头动作，采用了不同形式的油缸和马达进行结构组合：

a多功能头收放动作：多功能头收放油缸6一端铰接在多功能臂7上，一端铰接在多功能头5上部翻转支架的撑杆上轴上，翻转架、连杆组、撑杆组、多功能臂组成了曲柄摇杆机构，通过多功能头收放油缸6推动使翻转架带动整个多功能头5绕连接轴旋转；多功能头收放油缸6在最大行程时达到收起/存放状态，最小行程时，多功能头达到最大工作位置； 

b 多功能头摆动动作：采用一对并联的多功能头摆动油缸15分别布置在多功能头的两侧，中部铰接在翻转架上，活塞杆端连接在回转减速箱的上盖上，油缸动作从而使减速箱及多功能回转头绕减速箱连接轴向两侧方向摆动；

c 多功能头旋转动作：采用安装在回转减速箱蜗杆端的摆线马达14驱动蜗杆转动，并通过蜗轮传递旋转动作到多功能头下部的多功能回转头上；回转减速箱的蜗轮蜗杆机构将马达的转速降低到工作转速，保证动作运转平稳；下部的液压油缸采用安装在减速箱下端的液压滑环进行输送液压介质；

d多功能头下部锚链夹具的夹紧/放松是采用锚链夹紧油缸16推动锚链活动夹头沿锚链夹具连接块铰接的方向摆动直至油缸达到夹持位置实现夹持锚链动作；

e两个钢索夹紧油缸17推动滑动夹绳块沿绳索夹具座上的导向板方向滑动，从而使滑动夹绳块到达夹持位置实现多功能头夹持钢索动作；安装在多功能回转头上的钢索夹具收放油缸18可推动夹绳装置摆出和收回，实现钢索的顺利抓取和释放。

如图3所示，液压系统由液压泵组 、操纵阀组、蓄能器阀组成，液压泵组通过操纵阀组分别连接多功能头摆动油缸15，多功能头回转马达14，锚链夹紧油缸16，钢素夹紧油缸17，钢索夹具收放油缸18，主臂变幅油缸4，多功能臂变幅油缸8，多功能头收放油缸6，拖缆钩油缸20，起升绞车21中的回转马达。

如图4所示，电控系统由启动箱30、中间箱31、操纵台32、声光报警器、遥控器33组成。启动箱30中的控制继电器和24V开关电源连接操纵台32的主控制器，主控制器经回转塔身上的电滑环连接中间箱31的力限器主机，力限器主机分别接收回转塔身及起升绞车编码器信号、主臂及基座、起重臂、多功能臂倾角信号以及主变幅油缸压力信号，扩展模块一接收多功能头回转及摆动到位信号后并传输给主控制器，主控制器分别通过扩展模块一和扩展模块二输出控制信号给多路比例阀，比例减压阀，电磁换向阀；多路比例阀分别连接主臂变幅油缸4，工作臂变幅油缸8，多功能头收放油缸6，起升绞车21中的回转马达，回转塔身中的回转驱动马达。比例减压阀分别连接锚链夹紧油缸16，钢索夹紧油缸17，电磁换向阀分别连接多功能头摆动油缸15、多功能头回转马达14、钢索夹具收放油缸18、拖缆钩油缸20、锚链夹紧油缸16、钢索夹紧油缸17，用于实现多功能头5的左/右转、左/右摆动、钢索夹具收/放、拖缆钩开/合、锚链夹具夹/放、钢索夹具夹/放。

固定式多功能机械手采用的负载敏感泵与负载敏感多路阀与电子操作系统协同控制的精确的、可调的负载敏感控制系统。这种负载感应式柱塞泵与负载敏感控制阀的组合使用，将负载传感油路引入到泵的变量机构，使泵的输出压力随负载压力的升高而升高（始终为较小的固定压差），使泵的输出流量与系统的实际需要流量相等，使整个液压系统具有根据载荷情况提供作需压力-流量的特性，此即负载敏感系统的基本功能。

各种类型的传感器可为微处理器提供反馈信息，微处理器进行偏差比较及处理后输出控制电流给比例电磁控制阀，其控制作用使得负载敏感变量泵根据作动器的需求按比例提供准确的压力和流量。

负载敏感控制系统的功率损耗较低，效率远高于常规液压系统。高效率、功率损失小意味着燃料的节省以及液压系统较低的发热量。

流量比例分配功能的目的是当负载使用流量超出主泵系统提供流量时，程序自动按比例的减少各负载流量消耗量，使总流量维持在泵额定流量范围内。避免人为操纵对主泵系统的影响，起到超载保护的作用。同时使负载执行机构都有动作能力，流量不会都流向较轻负载，造成重载端停滞。因为这种有操作而无动作的现象存在一定危险性，应避免出现。

多功能机械手各动作均采用液压驱动方式且每个作业均为多动作组合，当动作的实现需要超出油泵最大排量时采用独立流量分配技术，并利用负载敏感泵以满足不同动作的不同压力需求。

型号为HMF-3012-M的固定式多功能机械手技术参数：

a)    型式：双折臂、双工作臂、箱式结构

b)    驱动型式：电动机-液压驱动

c)    主电机功率：55kW/380V；

d)    额定起重量：3t；

e)    起重臂最大工作半径：～12m；

f)    起重臂最小工作半径：～4m

g)    起重臂最大起升高度：30m；

h)    起重臂最大起升速度：30m/min；

i)    多功能臂安全工作负荷：20kN；

j)    回转角度：360°；

k)    回转速度：1r/min；

l)    工作倾角：纵倾5°/横倾2°。

固定式多功能机械手作为特殊甲板机械，解决了以下技术问题：

a)    集成起重、拖缆、操锚、绞索释放、夹持专用属具、甲板面上绳缆拖带等作业；

b)    在各回转及变幅的环节应保证液压介质的输送；

c)    控制信号传输准确、有效、操控与动作实现要准确无误； 

通过电控的遥控技术可以更加方便操作，保证双机能够实现联动。

Claims (4)

1.一种固定式多功能机械手，由机械设备、存放架、液压系统、电控系统组成，其特征在于：所述机械设备包括底座总成（1）、回转塔身（2）、主臂（3）、主臂变幅油缸（4）、多功能头（5）、多功能头收放油缸（6）、多功能臂（7）、工作臂变幅油缸（8）、起重臂（9），底座总成（1）与回转塔身（2）采用底座总成上的回转支承轴承连接，回转塔身（2）上部活动铰接主臂（3），主臂（3）前端分别活动铰接起重臂（9）和多功能臂（7），多功能臂（7）前端装有多功能头（5），主臂（3）与回转塔身（2）之间活动连接主臂变幅油缸（4），主臂（3）与多功能臂（7）及起重臂（9）之间活动连接工作臂变幅油缸（8），多功能臂（7）与多功能头（5）之间活动连接多功能头收放油缸（6），起重臂（9）上安装用于起吊的起升绞车（21）和用于钩取无张力缆绳的拖缆钩及拖缆钩油缸（20）。

2.根据权利要求1所述的固定式多功能机械手，其特征在于：所述多功能头（5）包括多功能回转头（10）、回转减速箱（11）、翻转机构（12），多功能回转头（10）通过回转减速箱（11）与翻转机构（12）连接，多功能回转头（10）两侧分别装有一个多功能头摆动油缸（15），用于实现围绕减速箱与上部的翻转机构连接轴的摆动动作；回转减速箱（11）的蜗杆端安装有多功能头回转马达（14），用于驱动蜗杆转动，并通过蜗轮传递旋转动作到多功能头下部的多功能回转头（10）上；多功能回转头（10）下部还装有锚链活动夹头及锚链夹紧油缸（16），夹绳装置及二个钢索夹紧油缸（17），钢索夹具收放油缸（18），其中：夹绳装置及二个钢索夹紧油缸（17）用于推动夹绳装置内的滑动夹绳块沿绳索夹具座上导向板本体方向滑动，实现多功能头夹持钢索动作；钢索夹具收放油缸（18）用于推动导向板本体摆出和收回，实现钢索的顺利抓取；锚链夹紧油缸（16）用于推动锚链活动夹头沿锚链夹具连接块铰接的方向摆动直至油缸达到夹持位置实现夹持锚链动作。

3.根据权利要求1所述的固定式多功能机械手，其特征在于：所述液压系统由液压泵组 、操纵阀组、蓄能器阀组成，液压泵组通过操纵阀组分别连接多功能头摆动油缸（15），多功能头回转马达（14），锚链夹紧油缸（16），钢索夹紧油缸（17），钢索夹具收放油缸（18），主臂变幅油缸（4），工作臂变幅油缸（8），多功能头收放油缸（6），拖缆钩油缸（20），起升绞车（21）中的回转马达，回转塔身(2)中的回转驱动马达。

4.根据权利要求1所述的固定式多功能机械手，其特征在于：所述电控系统由启动箱（30）、中间箱（31）、操纵台（32）、声光报警器、遥控器（33）组成，启动箱（30）中的控制继电器和24V开关电源连接操纵台（32）的主控制器，主控制器经回转塔身（2）上的电滑环连接中间箱（31）的力限器主机，力限器主机分别接收回转塔身及起升绞车编码器信号、主臂及基座、起重臂、多功能臂倾角信号以及主变幅油缸压力信号， 扩展模块一接收多功能头回转及摆动到位信号并传输给主控制器，主控制器分别通过扩展模块一和扩展模块二输出控制信号给多路比例阀，比例减压阀，电磁换向阀；多路比例阀分别连接主臂变幅油缸（4），工作臂变幅油缸（8），多功能头收放油缸（6），起升绞车（21）中的回转马达，回转塔身中的回转驱动马达；比例减压阀分别连接锚链夹紧油缸（16），钢索夹紧油缸（17），电磁换向阀分别连接多功能头摆动油缸（15）、多功能头回转马达（14）、钢索夹具收放油缸（18）、拖缆钩油缸（20）、锚链夹紧油缸（16）、钢索夹紧油缸（17），用于实现多功能头（5）的左/右转、左/右摆动、钢索夹具收/放、拖缆钩开/合、锚链夹具夹/放、钢索夹具夹/放。

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