曾 飛，蘇俊彬，宋杰杰，劉 欣

(1.武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學精密制造研究院，湖北武漢 430081)

0 引言

帶式輸送機依靠輸送帶與傳動滾筒間摩擦力傳遞牽引力，具有節(jié)能、輸送物料范圍廣等優(yōu)點[1]。然而，因輸送帶具有黏彈性特性，當其牽引和承載的物料處于偏載工況時極易發(fā)生橫向跑偏，從而引起物料傾灑或帶邊磨損，嚴重時會造成輸送帶斷裂、燒損，從而造成損失。因此，實現(xiàn)帶式輸送機輸送帶橫向跑偏智能化檢測并及時預警，對保障企業(yè)安全運行具有重要意義。

目前，帶式輸送機輸送帶橫向跑偏檢測主要采用人工判別、機械式和光電檢測法[2-4]。其中，人工判別勞動強度高、危險系數(shù)大且控制滯后，逐漸被動態(tài)檢測所取代；機械式則需專業(yè)人員安裝、調(diào)校及定期維護傳感器，另外功能單一、智能化程度不高。近年來，光學技術(shù)以其測量精度高、可視化等優(yōu)點，被廣泛用于工業(yè)非接觸測量領(lǐng)域[5-6]。傅田[7]設(shè)計了帶式輸送機輸送帶橫向跑偏視覺檢測系統(tǒng)。文獻[8]采用Canny算法檢測輸送帶兩側(cè)邊緣輪廓，再通過設(shè)定合理的輸送帶動態(tài)監(jiān)測范圍，準確判斷輸送帶是否發(fā)生跑偏。因輸送帶橫向跑偏將導致其縱向中心線與帶式輸送機側(cè)邊機架不再保持平行[9]，文獻[10]采用激光發(fā)射器向輸送帶橫向中心投射2條垂直激光線，再通過視覺檢測算法判斷輸送帶橫向偏移角度和距離。然而，視覺檢測方法雖具有一定可行性，但受紋理特征提取、攝像機標定等因素限制，其處理速度不能滿足輸送帶橫向跑偏實時采集要求?？紤]到激光測量受散料紋理特征因素影響較小[11]，本文設(shè)計一種基于激光掃描的帶式輸送機輸送帶橫向跑偏在線檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可高效、可靠地實現(xiàn)帶式輸送機輸送帶橫向跑偏在線檢測和遠程預警，也為測控技術(shù)與儀器專業(yè)實驗室建設(shè)提供了實踐項目平臺。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和檢測方法

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由輸送帶橫向跑偏激光檢測子系統(tǒng)、網(wǎng)絡傳輸子系統(tǒng)、帶速檢測子系統(tǒng)和上位機跑偏預警子系統(tǒng)組成，實現(xiàn)物料水平輸送過程中對物料流截面輪廓精準采集、物料流區(qū)域質(zhì)量計算、跑偏量判斷和遠程預警等操作。輸送帶橫向跑偏激光檢測子系統(tǒng)包含激光掃描儀、直流穩(wěn)壓電源、高速采集器(MOXA Nport 6250)和可調(diào)節(jié)支架等；帶速檢測子系統(tǒng)包括光電編碼器、滾輪、Arduino UNO開發(fā)板等；網(wǎng)絡傳輸子系統(tǒng)采用5G通訊模塊SIM8202G-M2；上位機跑偏預警子系統(tǒng)由上位機、管理數(shù)據(jù)庫、服務器和遠程查詢終端(顯示器、平板和手機)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帶式輸送機輸送帶橫向跑偏檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

輸送帶橫向跑偏激光檢測子系統(tǒng)安裝于輸送帶承載段，當輸送帶縱向行進時，激光掃描儀實時獲取垂直向下對準的物料流截面激光點云。點云數(shù)據(jù)再經(jīng)MOXA Nport 6250模塊后采用以太網(wǎng)傳輸至本地主機，主機通過5G極速網(wǎng)絡傳輸給遠程服務器進行坐標轉(zhuǎn)換和截面輪廓擬合等。帶速檢測模塊中的滾輪緊貼輸送帶回程端上表面安裝，受行進輸送帶的摩擦力驅(qū)動而轉(zhuǎn)動，從而使與之相聯(lián)的光電編碼器采集帶速，再經(jīng)Arduino UNO開發(fā)板采集到本地主機，通過5G極速網(wǎng)絡傳輸給服務器。遠程服務器融合物料流截面激光點云和帶速數(shù)據(jù)，計算各單位時間內(nèi)左側(cè)、中間和右側(cè)托輥上物料質(zhì)量，計算輸送帶的跑偏量；上位機再根據(jù)帶速、跑偏量和左右托輥承載物料質(zhì)量綜合判定輸送帶發(fā)生橫向跑偏預警等級，并通過移動客戶端等平臺及時預警告知用戶。

1.2 檢測方法

輸送帶正常運行過程中，外部物料偏載是導致輸送帶橫向跑偏的關(guān)鍵因素[12]。若物料落料點位置不對中、落料距離不合適或斷續(xù)時，經(jīng)常出現(xiàn)輸送帶承載段下左右托輥承載物料質(zhì)量不等，因三托輥帶式輸送機左右托輥和水平托輥間存在夾角，則左右托輥上所承載物料重力沿左右托輥平行方向分力不同，進而使輸送帶產(chǎn)生水平方向上跑偏力。如圖2所示，輸送帶受到左右托輥軸向摩擦力為F1、F2，由于左側(cè)托輥承載物料多于右側(cè)托輥，所以軸向摩擦力F1>F2。將F1、F2進一步分解為縱向力F1y、F2y和橫向力F1x、F2x，因F1x>F2x，則輸送帶產(chǎn)生橫向跑偏力。

圖2 跑偏檢測方法

通過將實時采集的輸送帶承載段物料流截面激光點云數(shù)據(jù)和輸送帶行進距離相結(jié)合，可計算物料的瞬時流量。若將物料沿三托輥分界點依次劃分為左側(cè)傾斜托輥、中間水平托輥、右側(cè)傾斜托輥三區(qū)域，并將三區(qū)域所承載的物料質(zhì)量分別記為G1(t)、G2(t)和G3(t)。因G2(t)的受力方向是垂直于輸送帶，故對輸送帶不會產(chǎn)生水平方向跑偏力，G1(t)和G3(t)是使輸送帶發(fā)生橫向跑偏的主要原因。采集帶速所用的滾輪(表面摩擦力極小)緊貼于輸送帶回程段上表面，并將其中心軸與光電編碼器聯(lián)接。通過光電編碼器測量滾輪脈沖個數(shù)，結(jié)合滾輪周長可換算輸送帶實際帶速v(t)。

2 輸送帶橫向跑偏檢測

2.1 物料截面區(qū)域面積計算

圖3 物料截面面積計算示意圖

分別記B點處垂線與左側(cè)托輥承載的物料流截面面積為S1(tk)；B、C點兩處垂線間中間托輥上承載物料流截面面積為S2(tk)；C點處垂線與右側(cè)托輥承載的物料流截面面積為S3(tk)；則tk時刻左側(cè)托輥上物料流截面積S1(tk)為

(1)

因為空載時中間托輥上的輸送帶Z坐標為0，因此，tk時刻中間托輥上物料流截面積S2(tk)的計算公式為

(2)

tk時刻右側(cè)托輥上物料流截面積S3(tk)的計算公式：

(3)

2.2 物料區(qū)域質(zhì)量計算

輸送帶上物料可近似為密度均勻的物體，則可通過密度與單位時間內(nèi)物料流體積乘積得出物料瞬時質(zhì)量。設(shè)激光掃描儀采集頻率為fspeed，則t時刻左、中、右側(cè)托輥上物料質(zhì)量Gj(t)計算公式為

(4)

式中：j=1，2，3；ρ為物料平均密度；k為單位時間內(nèi)激光掃描儀掃描幀數(shù)，k=T·fspeed；ti為t時刻內(nèi)第i幀所對應的時間。

(5)

式中：ρ0為輸送帶的密度；h為輸送帶的厚度；j=1，2，3；b1為輸送帶在左側(cè)托輥上的寬度；b2為輸送帶在中間托輥上的寬度；b3為輸送帶在右側(cè)托輥上的寬度。

2.3 輸送帶跑偏量判定

帶式運輸機運行過程中，當物料流截面左、右側(cè)物料重力分布不均時，會出現(xiàn)輸送帶一側(cè)受到較大的沖擊力擠壓現(xiàn)象，進而驅(qū)使輸送帶產(chǎn)生跑偏。如圖4所示，右側(cè)托輥承載的物料多于左側(cè)，右側(cè)產(chǎn)生的阻力也相應較大，根據(jù)牛頓第三定律，可知阻力增加會導致推力也相應增大，進而導致輸送帶右側(cè)受到向左的推力大于左側(cè)，進而左側(cè)輸送帶產(chǎn)生撓性形變，導致輸送帶向左產(chǎn)生跑偏。

圖4 物料質(zhì)心偏移示意圖

圖4中，若輸送帶以速度為v(t)縱向行進，假設(shè)在t時刻，輸送帶橫向截面中軸線左側(cè)托輥上物料質(zhì)量為G1(t)，中間托輥上物料質(zhì)量為G2(t)，右側(cè)托輥上物料質(zhì)量為G3(t)，根據(jù)輸送帶“跑松不跑緊”的準則，當左側(cè)物料較右側(cè)物料輕，即G1(t)

(6)

式中：γ為左、右托輥與水平線的夾角，rad；μ0為托輥與輸送帶間摩擦系數(shù)；f為其他引起跑偏的力，N。

輸送帶向左發(fā)生跑偏后，就會使左側(cè)托輥上的物料增加，進而使左側(cè)輸送帶受物料而產(chǎn)生的側(cè)向力隨物料質(zhì)量的增大而增大，右側(cè)輸送帶收到的側(cè)向力隨著物料質(zhì)量的減小而減小，此時左右輸送帶側(cè)向力的合力稱為恢復力，根據(jù)偏移量δ(t)，得到恢復力[13]為

(7)

式中：qd為輸送帶的單位長度質(zhì)量，kg；B為輸送帶的帶寬，m；z為輸送帶跑偏恢復力系數(shù)，通常為非線性。

根據(jù)物料和輸送帶受力平衡條件，由式(6)～式(7)可得出t時刻輸送帶橫向偏移量δ(t)為

(8)

將式(4)～式(5)所得結(jié)果帶入式(8)，即可得到跑偏量δ(t)。

3 輸送帶橫向跑偏預警

為實現(xiàn)輸送帶橫向跑偏實時預警，可利用輸送帶橫向偏移量、帶速、輸送帶承載段三托輥上物料質(zhì)量作為輸送帶橫向跑偏影響參數(shù)，建立輸送帶橫向跑偏預警模型，以判斷輸送帶橫向偏移危害程度。假設(shè)k1、k2和k3為橫向偏移量、帶速和物料質(zhì)量三參數(shù)影響量的權(quán)重系數(shù)(k1+k2+k3=1)，建立t時刻輸送帶橫向偏移危害程度計算式H(t)為

(9)

式中：δ0為輸送帶橫向偏移量允許最大值，據(jù)規(guī)定取帶寬B的5%左右較合適[14]，δ(t)一旦大于0.1B時，輸送機則需停機整頓，故δ0≈0.05B；v0約為額定帶速vm的一半，取為v0≈0.5vm，因帶式輸送機采用調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)，v(t)工作范圍通常為0～vm，以達到與物料質(zhì)量最佳匹配效果；G0≈0.5Gm；Gm為額定帶速vm下輸送帶單位時間所能承載物料載荷最大值。

特征系數(shù)大小直接影響預警模型效果，因此特征參數(shù)對應權(quán)重系數(shù)設(shè)置上，根據(jù)橫向偏移量與帶速近視成5倍比例、物料和帶速最佳匹配關(guān)系為正比例，近似取值為k1≈5k2≈5k3，即k1≈5/7，k2≈k3≈1/7[14-15]。

為實現(xiàn)輸送帶跑偏實時預警，將得出的輸送帶橫向偏移危害程度H(t)細分等級，并實行相應預警。預警流程圖如圖5所示。

圖5 輸送帶跑偏預警流程圖

4 平臺搭建與實驗分析

基于上述檢測原理，設(shè)計了帶式輸送機橫向跑偏激光檢測系統(tǒng)，如圖6所示，該系統(tǒng)主要測量系統(tǒng)硬件和測量系統(tǒng)軟件組成。測量硬件系統(tǒng)由激光掃描儀、MOXA Nport 6250模塊、24 V直流電源等組成。測量軟件系統(tǒng)包括激光檢測儀所配套的掃描軟件SOPAS和自行開發(fā)的基于MATLAB的數(shù)據(jù)處理軟件。

圖6 實驗平臺

該實驗采用長3.5 m、寬1.0 m的輸送帶進行物料瞬時流量掃描。在檢測物料瞬時流量時，將激光掃描儀放置在輸送帶的正上方，與物料流垂直向下對準，使物料流方向和激光掃描截面垂直。激光掃描儀選用LMS511型激光儀。上位機通過激光掃描儀配套設(shè)置軟件SOPAS設(shè)置激光掃描儀角度范圍100°、測量精度24 mm、激光波長為905 nm，激光等級為1級，以滿足物料瞬時流量采集需要。激光掃描儀在完成物料流輪廓數(shù)據(jù)采集后，需要對有效數(shù)據(jù)進行提取。

為實現(xiàn)遠程通訊，采用MOXA Nport 6250 模塊將激光掃描數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)通訊上傳至上位機。上位機通過物料流激光數(shù)據(jù)采集與處理軟件實時獲取物料流輪廓三維激光點云，實現(xiàn)物料流截面輪廓提取和激光測量數(shù)據(jù)處理。本文利用MATLAB的交互界面GUI制作程序界面，對掃描的數(shù)據(jù)進行處理。如圖7所示。

圖7 軟件界面

5 結(jié)論

本文基于激光掃描技術(shù)設(shè)計了偏載工況下輸送帶橫向跑偏檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能通過激光掃描儀實時獲取輸送帶縱向行進時物料流量截面輪廓，根據(jù)輸送帶橫向跑偏檢測算法分析、判斷輸送帶是否發(fā)生橫向跑偏，發(fā)現(xiàn)輸送帶橫向跑偏時上位機能實時將偏移量通過5G網(wǎng)絡遠程發(fā)送至管理中心數(shù)據(jù)庫，企業(yè)相關(guān)部門可通過多種方式訪問數(shù)據(jù)庫進行信息查詢、遠程監(jiān)控和管理。該系統(tǒng)的設(shè)計能有效提升帶式輸送機智能化水平，保障輸送帶運行安全。