本文是一篇机械论文，本文针对所设计的电液伺服系统，忽略弹性负载的影响，对机械臂的平摆关节建立了阀控马达伺服系统模型。在Matlab/Simulink中分析了系统对给定输入信号的响应性能，证明了系统的稳定，但系统响应速度过慢、调整时间较长，必须通过控制器加以校正。
第一章绪论
1.1研究背景与意义
近年来，随着机器人领域的研究逐渐深入，设备智能化水平的不断提升，机械臂逐步应用于生产生活的各个方面。特别地，重载机械臂在工业领域中发挥着不可替代的作用，成为我国航空工程、矿山冶金等领域的关键装备，有效保障了实际生产过程的安全性[1]。重载机械臂能够完成多自由度的高精度运动，进行大幅移动或转动，实现大范围的轨迹作业，并且在大载荷、高压力的工况下平稳运行，因此被广泛用于运输、装配重型零部件，以及维修、护理重型设备等方面[2,3]。球磨机是矿山机械领域粉碎矿石和物料的关键设备，磨机筒体内镶嵌了由耐磨材料制成的衬板。衬板的使用对球磨机研磨作业过程有了明显提升，但由于衬板受到物料、矿石的冲击力及矿浆的腐蚀作用容易发生磨损破坏，因此是一种需要时常更换的零部件[5]。传统方法是令多名工人使用专用工具在筒体内部进行换装作业，不仅耗费时间、工作效率较低、工人因劳动强度大而容易疲劳，而且由于工作条件恶劣会伴随众多的危险因素[6,7]。随着工业自动化水平的推进，专用于磨机衬板换装作业的机械臂得到研究和应用，这类机械臂针对磨机的结构特点、衬板更换的作业流程而设计，代替人工完成衬板更换作业的大部分工作，只需少量工作人员操作机械臂，因而逐渐在工程机械等领域得到使用。这类重载机械臂往往选用液压驱动方式以满足负载要求和响应速度要求。
矿用磨机逐渐大型化，磨机换衬板机械臂也需要具备更高的性能。目前，国内外对于此类重载机械臂的研究尚未成熟，国内磨机换衬板机械臂的研发更是远远落后。因此，为了满足工业领域重载机械臂迅速发展的需求，设计平稳驱动机械臂的液压系统，研究系统的高精度控制策略至关重要。这对提升磨机换衬板机械臂的性能，提高机械臂的作业效率有着重要意义，同时对国内外其他重载机械臂的研究也有一定参考和借鉴价值。
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1.2磨机换衬板机械臂国内外发展现状
大型磨机在矿山机械等领域的应用，带动了磨机换衬板机械臂的发展。在20世纪60年代末，美国PaR公司开始进行相关研究，推动了磨机换衬板机械臂的研发进程，为现今高效、安全的衬板更换作业做出巨大贡献。此外，波兰、澳大利亚等国的科研人员也取得大量研发成果，研制多种型号的磨机换衬板机械臂，并成功应用于不同种类和规模的磨机。20世纪80年代，该公司的MLH-130型机械臂大大提高了衬板换装效率，适用的磨机筒体直径最小可达2.75m、而入口直径仅为0.61m[8]。
澳大利亚的RME公司集磨机换衬板机械臂设计、研发、制造于一体，专门从事磨机换陈系统方面的研究。设计研发的磨机换衬板机械臂的最大载荷8000kg，最大自由度8个，受到国内外众多大型矿场的青睐。1990年后，RME公司研发的第一台设备锐速6将棒磨机的衬板换装时间从44小时缩短至24小时，图1.1为工人操作锐速6更换衬板的场景。2001年，RME公司的机械臂能够满足最大抓吊衬板3636 kg的需求，停机时间与传统衬板换装方法相比缩短了一半以上。2017年，RME公司开发磨机内无人操作技术，研究半自动导向和悬吊系统，将磨机换衬板机械臂推向新的技术高度[9]。
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第二章磨机换衬板机械臂液压系统设计
2.1磨机换衬板机械臂结构
磨机换衬板机械臂的机构依据磨机结构特点、作业流程进行设计，受磨机自身结构的制约，此类机械臂的形式基本相似。筒体内不同位置衬板的形状不同，重量从几百公斤高达几千公斤。
实际投入生产的磨机换衬板机械臂产品，除了机械臂以外，还包括机体、大臂以及工作人员操作台几部分。机体集成安装了电液驱动装置，根据实际需求，设计为移动式和固定安装式的机械结构，移动式机体在作业位置需要进行额外的防倾翻固定。机械臂底座固定于大臂，大臂是机械臂到达作业位置的主要装置，也是磨机内外运输的轨道，根据磨机规格可制成伸缩结构。操作台安装于机械臂大臂的转台上，方便工作人员的跟随操纵。
（1）主体回转关节
液压马达经过减速器和小齿轮驱动回转支承，通过转台带动机械臂整体转动，支持机械臂正反360°的回转运动。
（2）机械臂俯仰关节
两个俯仰缸驱动机械臂伸缩关节的外臂绕转轴运动，实现机械臂大臂的俯仰动作，俯仰角可从-35°至+45°。
（3）大臂伸缩关节
伸缩缸驱动机械臂的伸缩内臂沿内臂与外臂间的滑块作直线运动，伸缩距离最大可达1000 mm。
（4）腕部平摆关节
与伸缩内臂固定连接的摆动马达绕其转轴摆动，实现机械臂腕部的平摆动作，平摆角可从-75°至+75°。
（5）腕部进退关节
进退缸驱动联接架作短距离直线轨迹运动，实现机械臂腕部的小幅调整，最大运动距离可达300 mm。
（6）腕部滚摆关节
与联接架固定联接的摆动马达绕转轴转动，用于调整衬板的安装角度，摆动角可从-50°至+50°。
（7）抓具俯仰关节
摆动马达驱动抓具上下俯仰动作，用于抓取/放置衬板或取送衬板，俯仰角可从-115°至+25°。
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2.2机械臂基本工况和性能要求
2.2.1基本工况
磨机换衬板机械臂通过液压泵站输出的高压油液驱动各个关节动作，使机械臂能够完成衬板换装过程，整个过程大致分为几个阶段：
（1）准备工作：通过移动车体，机械臂整机移动到磨机内部适当位置，在到达作业位置后对车体进行防倾倒的固定安装。工人操作机械臂迅速伸展，使机械臂末端到达待更换衬板处。
（2）拆除衬板：工人去除衬板的固定螺栓后，调整机械臂的姿态，稳定地夹持旧衬板并通过轨道运出磨机外。
（3）安装衬板：新衬板通过大臂轨道运至磨机内部，工人操作机械臂夹持新衬板安装到指定位置并进行位置调整。然后，工人固定新衬板的螺栓，完成安装工作。
（4）快速定位：通过各关节复合运动，控制机械臂快速动作，使机械臂末端以最快速度到达下一个待更换衬板的位置。
2.2.2性能要求
为了提升磨机换衬板机械臂作业效率，提高其轨迹跟踪精度，应满足以下性能要求：
（1）机械臂额定负载2500 kg，额定负载下的机械臂运动速度应超过0.2 m/s，末端重复定位精度应保持在0.4 mm内。
（2）机械臂各关节在运动范围内运行平稳，可根据需要实现多关节配合运动。
（3）阀控马达驱动关节的重复定位精度应达到0.01°，阀控液压缸驱动关节的重复定位精度应达到0.01 mm。
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第三章阀控马达电液伺服系统性能分析.............................23
3.1阀控马达伺服系统数学模型......................23
3.1.1阀控马达基本方程...........................23
3.1.2阀控马达传递函数................................26
第四章电液伺服系统控制策略研究............................32
4.1伺服系统非线性数学模型...............................32
4.2自适应积分鲁棒控制..................................35
第五章磨机换衬板机械臂样机实验..................................56
5.1实验目的及方案..................................56
5.1.1实验目的.................................56
5.1.2实验方案.............................56
第五章磨机换衬板机械臂样机实验
5.1实验目的及方案
5.1.1实验目的
开展单关节控制实验和机械臂控制实验，考察阀控马达关节的跟踪误差能否达到定位精度0.01°要求，机械臂末端累积误差能否达到定位精度0.4 mm的要求，以验证所研究控制策略的有效性。
5.1.2实验方案
1.单关节控制实验
重复定位精度表征机械臂或关节对同一指令姿态或位置，重复响应多次后，实际位置和期望信号的不一致程度。在空载条件下对机械臂各个关节进行调节测试，每个关节调试时锁定其他关节。通过单个关节对给定信号进行跟踪，获得该关节的控制误差。单关节控制实验如图5.1所示。
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第六章总结与展望
6.1总结
随着工业智能化水平的推进，矿山行业对于球磨机的工作效率提出了更高的要求。衬板在磨机研磨物料过程中发挥重要作用，它的更换速度和安全性将影响矿山领域的经济效益，磨机换衬板机械臂随之出现。液压系统作为此类重载机械臂的常用驱动方式，研究设计节能高效的液压系统是十分必要的。此外，系统控制策略的好坏会直接影响机械臂的性能和精度，关系到工作现场的安全问题。由于电液伺服系统自身特性，传统控制方法难以满足高性能、高精度的需要，必须研究更优异的控制策略。本文以磨机换衬板机械臂的液压伺服系统为研究对象，主要完成了以下工作：
（1）分析磨机换衬板机械臂的结构，明确了机械臂的基本工况和性能要求，对现行的磨机换衬板机械臂的液压系统方案进行分析，根据液压基本回路的功能，选择适当回路，拟定了液压系统原理图。同时完成了液压系统主要元件的参数计算和选型，确定了油箱尺寸，并对液压泵站的进行合理布局。
（2）针对所设计的电液伺服系统，忽略弹性负载的影响，对机械臂的平摆关节建立了阀控马达伺服系统模型。在Matlab/Simulink中分析了系统对给定输入信号的响应性能，证明了系统的稳定，但系统响应速度过慢、调整时间较长，必须通过控制器加以校正。
（3）考虑系统非线性、时变参数、非线性外干扰等因素，采用状态空间法建立系统的非线性模型，设计了一种自适应积分鲁棒控制器，旨在应对系统中存在的时变参数和非线性干扰问题，并通过Lyapunov理论分析了系统的稳定性。在Matlab中针对不同输入信号和干扰情况，对控制器的性能进行研究，自适应积分鲁棒控制器获得的控制效果优于自适应鲁棒控制和PID控制，该控制策略展现了良好的控制能力。考虑到干扰对控制器参数估计的严重影响，结合有限时间干扰观测器，研究了基于观测器的自适应积分鲁棒控制策略，将自适应控制对不确定参数、干扰观测对非线性干扰的补偿作用结合，同时利用积分鲁棒控制项抵消干扰估计的误差，使设计的控制器表现出更好的性能。
参考文献（略）