申兆亮,朱景紅,蔣新啟

（250100 山東省 濟(jì)南市 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院）

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始重視自動(dòng)化在車(chē)間生產(chǎn)中的應(yīng)用。南方某特種陶瓷泵廠(chǎng)為了解決泵體（質(zhì)量約1.5 t，外形為直徑1.5 m 類(lèi)圓形）在裝配中仍以行車(chē)吊裝翻轉(zhuǎn)[1]存在的效率及安全系數(shù)雙低的問(wèn)題，提出了一種自動(dòng)化翻轉(zhuǎn)裝配平臺(tái)的解決方案，極大提高了生產(chǎn)效率，并填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

1 研究現(xiàn)狀

以美國(guó)、德國(guó)、日本為首的翻轉(zhuǎn)機(jī)生產(chǎn)研發(fā)水平已經(jīng)相當(dāng)成熟。美國(guó) Bushman 設(shè)備公司是當(dāng)前全球最大、種類(lèi)最齊全的翻轉(zhuǎn)機(jī)制造商，其產(chǎn)品涉及 L 型液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)、CL 型翻轉(zhuǎn)機(jī)、O 型翻轉(zhuǎn)機(jī)、頭尾架式翻轉(zhuǎn)機(jī)等常見(jiàn)類(lèi)型的產(chǎn)品，工作能力從 0.1～120.0 t 不等，以 90°翻轉(zhuǎn)機(jī)居多，180°翻轉(zhuǎn)的機(jī)型較為稀少[2]。

國(guó)內(nèi)針對(duì)大型翻轉(zhuǎn)機(jī)的研究主要集中在單功能翻轉(zhuǎn)機(jī)。所謂單功能翻轉(zhuǎn)機(jī)是僅能實(shí)現(xiàn)工件的90 °或者 180 °翻轉(zhuǎn)的設(shè)備。郭景坤[3]等設(shè)計(jì)了一種 L 型下拉式翻轉(zhuǎn)機(jī)；燕山大學(xué)趙永生[2]教授團(tuán)隊(duì)在翻轉(zhuǎn)機(jī)變位調(diào)姿理論研究方面成績(jī)顯著。當(dāng)前國(guó)內(nèi)翻轉(zhuǎn)機(jī)的研發(fā)領(lǐng)域通常根據(jù)工況需求“單次設(shè)計(jì)”，沒(méi)有形成統(tǒng)一的行業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，適用范圍較為單一，檢修較為困難，用于泵行業(yè)的翻轉(zhuǎn)機(jī)更是寥寥無(wú)幾，為此，本文重新設(shè)計(jì)了適用于蝸牛殼泵組裝的自動(dòng)化翻轉(zhuǎn)機(jī)。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)共分為機(jī)械及控制兩部分，其中機(jī)械部分主要由運(yùn)送小車(chē)及單懸臂裝配平臺(tái)組成?？刂葡到y(tǒng)主要由PLC[4]及具有觸摸功能的上位機(jī)組成。系統(tǒng)的操作可實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)遙控、柜體按鈕操作及自動(dòng)操作3 種操作的任意一種，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員的不同需求靈活適配。

3 機(jī)械系統(tǒng)簡(jiǎn)介

3.1 運(yùn)送小車(chē)

運(yùn)送小車(chē)負(fù)責(zé)將需要裝配的泵殼運(yùn)送至單懸臂下及裝配完成后將整套泵殼運(yùn)送至初始位置，具體見(jiàn)圖1 所示。

3.2 單懸臂裝配平臺(tái)

單懸臂裝配平臺(tái)是整套系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，通過(guò)支撐體可以使單懸臂具備上下移動(dòng)、正反翻轉(zhuǎn)、前后伸縮以及旋轉(zhuǎn)盤(pán)無(wú)限制地正反旋轉(zhuǎn)等8 個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，滿(mǎn)足蝸牛殼泵裝配過(guò)程中靈活需求。升降立柱 升降裝置 回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器 支撐臂 風(fēng)炮支架

4 控制系統(tǒng)

4.1 裝配工藝控制需求

本裝配平臺(tái)共完成裝泵殼及卸泵殼2 個(gè)工序。其中，裝泵殼主要是依靠單懸臂將小車(chē)運(yùn)送過(guò)來(lái)的下泵殼抓取上升并翻轉(zhuǎn)180°，然后下降至最低位置，等待陶瓷蝸殼及上泵殼的裝配，其流程見(jiàn)圖3。

圖3 裝泵殼流程圖Fig.3 Flow chart of pump casing installation

裝泵殼簡(jiǎn)述就是抓取下泵殼等待裝配的工序。其狀態(tài)如圖4 所示。

圖4 抓取下泵殼待裝配狀態(tài)圖Fig.4 State diagram of grabbing lower pump shell to be assembled

卸泵殼是將裝配完成的泵體總成上升至最高位置，并反旋轉(zhuǎn)180°然后下降至小車(chē)的表面并將泵殼釋放，再由小車(chē)將裝配好的泵殼運(yùn)送至初始位置（狀態(tài)如圖5 所示），其流程見(jiàn)圖6。

圖5 裝配完畢的陶瓷泵體Fig.5 Assembled ceramic pump body

圖6 卸泵殼流程圖Fig.6 Flow chart of discharge pump shell

4.2 單臂翻轉(zhuǎn)裝配平臺(tái)智能控制系統(tǒng)原理

智能控制系統(tǒng)離不開(kāi)遍布于機(jī)體上的傳感器[5]，只有將各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)反饋給上位機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)才能有條不紊地工作，其控制系統(tǒng)原理如圖7 所示。

PLC 是整個(gè)控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，采用了西門(mén)子Smart200PLC，所有傳感器采集的信號(hào)均為數(shù)字量信號(hào)，使控制系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單，壽命更長(zhǎng)。對(duì)于控制精度比較高的物理量，如單臂旋轉(zhuǎn)盤(pán)初始角度定位控制，則結(jié)合變頻器，采用2 組傳感器接力控制方式，避免了因泵體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，造成剎車(chē)抖動(dòng)及停車(chē)不到位情況的出現(xiàn)。整個(gè)控制過(guò)程完全依照?qǐng)D3 或圖6 的裝配流程工作，控制信號(hào)觸發(fā)后進(jìn)入下一步的工序，依次自動(dòng)完成。

圖7 控制系統(tǒng)原理圖Fig.7 Schematic diagram of control system

在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，最容易出現(xiàn)的安全事故是單臂將泵殼抓取后，鎖緊滑塊突然縮回，造成泵殼墜落砸傷人員情況，所以，無(wú)線(xiàn)遙控及柜體按鈕的泵殼松開(kāi)按鈕成為整個(gè)控制系統(tǒng)的短板，為了避免操作人員勿操作加入了延時(shí)功能，只有長(zhǎng)按5 s 后，鎖緊滑塊才會(huì)縮回將泵殼松開(kāi)。部分PLC 控制代碼如下：

為了能實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，上位機(jī)采用了C#[6]語(yǔ)言編寫(xiě)的人機(jī)界面，如圖8 所示。

圖8 人機(jī)界面Fig.8 Human-machine interface diagram

人機(jī)界面主要分為系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示區(qū)及按鈕操作區(qū)2 部分。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示區(qū)主要將系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示出來(lái)，方便操作人員進(jìn)行手動(dòng)操作，及設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，方便維修人員及時(shí)查找到故障點(diǎn)；操作區(qū)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行的操作，在自動(dòng)化運(yùn)行過(guò)程中，如果操作人員想停止自動(dòng)化過(guò)程，可按無(wú)線(xiàn)遙控或者柜體按鈕的任意鍵。部分程序代碼如下：

圖9 是某企業(yè)正在運(yùn)用的翻轉(zhuǎn)機(jī)樣機(jī)。

圖9 樣機(jī)照片F(xiàn)ig.9 Photos of prototype

5 總結(jié)

特種陶瓷渣漿泵自動(dòng)翻轉(zhuǎn)裝配平臺(tái)解決了泵廠(chǎng)急需的大型自動(dòng)化設(shè)備，自投入使用以來(lái)運(yùn)行良好，得到廠(chǎng)家的一致好評(píng)。下一步將根據(jù)泵型號(hào)需求充實(shí)不同的翻轉(zhuǎn)機(jī)型號(hào)。