馬 康, 李紹成, 周曦禾, 李偉光, 周捍東*

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210037;2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所,北京 100091)

除塵系統(tǒng)已被廣泛地應(yīng)用在各類木竹制品生產(chǎn)企業(yè),在保護(hù)室內(nèi)人機(jī)與室外大氣環(huán)境發(fā)揮著不可替代的作用。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,除塵系統(tǒng)常因產(chǎn)品生產(chǎn)工藝與機(jī)床開啟數(shù)量的變化,以及由此帶來除塵系統(tǒng)工況的變化,造成除塵系統(tǒng)主管道的氣流速度降低,從而導(dǎo)致木質(zhì)碎料在水平主管內(nèi)沉積,甚至將管道堵塞。采用人工疏通清理,費(fèi)工費(fèi)時(shí),且清理不當(dāng)會(huì)誘發(fā)粉塵爆炸[1,2];利用除塵系統(tǒng)空載時(shí)主管內(nèi)自身的高速氣流可清除沉積的碎料,以及其中夾帶的金屬雜物,但金屬雜物與管道壁面碰撞可能產(chǎn)生也足以誘發(fā)粉塵爆炸的火花[2]。2005-2015年木質(zhì)粉塵爆炸占全國(guó)粉塵爆炸事故總數(shù)的19.4%[3],位于工貿(mào)行業(yè)第二位;對(duì)2005-2020年期間發(fā)生的67起粉塵爆炸事故的點(diǎn)火源分析表明,有57.2%的事故發(fā)生在電氣設(shè)備和打磨設(shè)備,42.8%木粉爆炸引發(fā)原因是不明火花[1]。誘發(fā)木粉塵爆炸的點(diǎn)火源諸多,據(jù)筆者調(diào)查與分析,各類產(chǎn)生粉塵的加工設(shè)備均采用氣力輸送與除塵裝置,混雜在切屑碎料中磁性金屬雜物(如螺釘、螺母、鐵釘)進(jìn)入除塵裝置,與風(fēng)機(jī)、管道碰撞產(chǎn)生的火花是引起粉塵爆炸的誘因之一[2]。

針對(duì)木材加工除塵系統(tǒng)存在的上述問題,本文作者提出了一種具有清堵與除鐵功能、自適應(yīng)變徑的管道機(jī)器人,采用SolidWorks設(shè)計(jì)了其機(jī)械結(jié)構(gòu)與模型,研發(fā)了基于Wi-Fi通信的上下位機(jī)協(xié)同作用的控制系統(tǒng)。

1 功能設(shè)計(jì)

對(duì)于設(shè)計(jì)無缺陷的除塵系統(tǒng)而言,物料在水平主管道內(nèi)沉積的原因是其實(shí)際氣流量低于理論上允許的速度下限。造成氣流量降低的因素諸多,如部分支管閥門的關(guān)閉、風(fēng)機(jī)失速、除塵器阻力過大等。這些因素發(fā)生變化具有不確定性,碎料在管道內(nèi)發(fā)生沉積的時(shí)段與頻率和沉積量也是不可預(yù)測(cè)的。為避免管道堵塞的發(fā)生,采用自動(dòng)機(jī)械裝置,根據(jù)日常掌握的物料沉降狀況,定期或不定期地對(duì)除塵主管道進(jìn)行疏通以清除沉積碎料并剔除其中夾雜的磁性金屬,這是一種安全、有效、便利的防爆措施。

本文設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人工作原理為:清理管道時(shí),除塵系統(tǒng)保持運(yùn)行,關(guān)閉與機(jī)床連接的各吸塵分支管閥門,機(jī)器人順著氣流流動(dòng)方向、沿著管道長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng),撥料輪的鏟斗在管道的下部將沉積的碎料鏟起。裝有碎料的鏟斗運(yùn)行至管道截面中上部的過程中,鏟斗內(nèi)的碎料在其重力作用下自由下落,在氣流作用下,細(xì)小的顆粒以懸浮狀態(tài)重隨氣流向前運(yùn)動(dòng),粗大的顆粒則像移動(dòng)沙丘一樣在管道截面的下部被清除。同時(shí),撥料輪的輪輻安裝的圓環(huán)狀永久磁鐵在撥料輪前形成磁場(chǎng),下落碎料中的磁性金屬雜物被吸附于環(huán)形磁鐵表面,從而達(dá)到清除沉積碎料和剔除磁性雜質(zhì)的目的。

該管道機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。鑒于物料沉積易發(fā)生在氣流量出現(xiàn)變化的水平管道,且除塵主管道多為變徑管道,機(jī)器人采用三組輪組,呈三角形支撐結(jié)構(gòu),其下部?jī)山M輪組為固定式行走機(jī)構(gòu),上部一組輪組為變徑支撐。上位機(jī)的指令通過路由器的Wi-Fi通訊對(duì)機(jī)器人的撥料、往復(fù)行走及速度等進(jìn)行控制,并對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。在工作區(qū)段的兩端分別設(shè)置了兩組位置傳感器,該位置傳感器信號(hào)由上位機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號(hào)采集,用于機(jī)器人返回、復(fù)位的速度控制和運(yùn)行終端位置感知。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖1.磁性吸盤;2.撥料構(gòu)件;3.工業(yè)路由器;4.變徑機(jī)構(gòu);5.行走機(jī)構(gòu);6.主管道(變徑);7.位置傳感器

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

機(jī)器人虛擬樣機(jī)如圖2所示,由沉積物拋撒和磁性吸盤主功能機(jī)構(gòu),輪式行走和自適應(yīng)變徑輔助功能機(jī)構(gòu)組成。設(shè)計(jì)了兩組驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu),在行走機(jī)構(gòu)的上方設(shè)置了變徑機(jī)構(gòu),這樣行走機(jī)構(gòu)和變徑機(jī)構(gòu)的前后端分別組成了三組輪式機(jī)構(gòu),機(jī)器人在管道中變徑和運(yùn)行過程中,前后端的行走輪和變徑導(dǎo)向輪均與管壁保持三角接觸,從而保證了機(jī)器人變徑和運(yùn)行的穩(wěn)定性。機(jī)器人運(yùn)行時(shí),由電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人水平移動(dòng),變徑機(jī)構(gòu)可以自適應(yīng)管徑變化,同時(shí)由相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)撥料盤轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)撥料斗拋撒沉積在管道下方的雜質(zhì),被拋起的木質(zhì)粉塵雜質(zhì)隨管道氣流輸送到除塵器中,磁性金屬雜質(zhì)由安裝在撥料盤上磁性吸盤實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收集。

圖2 機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)模型

2.2 主要組件設(shè)計(jì)

2.2.1 撥料構(gòu)件

撥料構(gòu)件如圖3所示,主要由防松螺母、回轉(zhuǎn)軸、撥料盤和撥料斗構(gòu)成,撥料盤安裝在回轉(zhuǎn)軸上,通過防松螺母固定,與回轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng),12個(gè)撥料斗均勻分布在撥料盤上。為了減少撥料時(shí)的摩擦阻力,撥料斗設(shè)計(jì)為一種螺旋扇形結(jié)構(gòu),撥料時(shí)撥料斗沿頂端螺旋線切入碎料,撥料斗一側(cè)帶有擋板形成一個(gè)凹槽,使得拋起的碎料留在凹槽內(nèi),并在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中完成拋撒。為了避免撥料斗與碎料摩擦產(chǎn)生火花,撥料斗選用鋁合金材料制作。

圖3 撥料構(gòu)件與磁性吸盤1.防松螺母;2.螺絲;3.環(huán)形磁鐵;4.撥料盤;5.回轉(zhuǎn)軸;6.撥料斗

2.2.2 磁性吸盤

對(duì)于被拋起散落的磁性金屬雜質(zhì),可以利用磁力作用進(jìn)行收集。由于永磁式除鐵器具有使用壽命長(zhǎng)、不需要耗電、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn),該機(jī)器人采用永磁式除鐵器實(shí)現(xiàn)磁性金屬雜質(zhì)的收集,具體選用釹鐵硼永磁材料,其具有磁能積大,剩余磁化強(qiáng)度高,綜合性能好等特點(diǎn)。

磁性吸盤如圖3所示,主要由螺絲和環(huán)形磁鐵組成,通過螺絲將環(huán)形磁鐵安裝在撥料構(gòu)件中的撥料盤上。該環(huán)形磁鐵在撥料盤的側(cè)面形成磁場(chǎng),磁性金屬雜質(zhì)隨碎料從撥料斗中散開時(shí),環(huán)形磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)力作用將雜質(zhì)吸附在磁鐵表面,實(shí)現(xiàn)這類雜質(zhì)的自動(dòng)收集。

2.2.3 變徑機(jī)構(gòu)

除塵系統(tǒng)水平管道直徑范圍約為300～400 mm,為了滿足機(jī)器人對(duì)管徑的自適應(yīng)性,保持行走穩(wěn)定性,需要設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)變徑機(jī)構(gòu)。管道機(jī)器人中常用的變徑方式有:彈簧式、絲桿螺母式、蝸桿蝸輪式和升降臺(tái)式。本設(shè)計(jì)結(jié)合絲桿螺母和彈簧式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種搖桿滑塊式變徑結(jié)構(gòu),如圖4所示。當(dāng)機(jī)器人由小管徑管道進(jìn)入大管徑管道時(shí),被壓縮的彈簧伸長(zhǎng)并推動(dòng)滑塊向左移動(dòng),滑塊通過連桿作用帶動(dòng)搖桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),使得導(dǎo)向輪上移。反之當(dāng)管徑變小時(shí),管壁給導(dǎo)向輪施加壓力,使得搖桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),并通過連桿作用推動(dòng)滑塊水平向右移動(dòng),此時(shí)彈簧受到壓縮。這里前一組導(dǎo)向輪和后一組導(dǎo)向輪通過連桿鉸接在一起,具有運(yùn)動(dòng)的同步性和一致性,使得變徑和運(yùn)行過程均具有較好的穩(wěn)定性。

圖4 變徑機(jī)構(gòu)1.固定件;2.導(dǎo)向輪;3.搖桿;4.連桿;5.滑塊;6.彈簧

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件

根據(jù)前述的總體設(shè)計(jì)方案,機(jī)器人控制器通過無線通信模塊接收上位計(jì)算機(jī)的控制指令,控制機(jī)器人在管道中運(yùn)行和作業(yè)。為了滿足機(jī)器人控制功能需求,并且盡量減小該控制器的體積、重量,需要采用單片機(jī)開發(fā)。單片機(jī)的系列種類較多,綜合考慮產(chǎn)品的功耗、響應(yīng)速度,以及控制器輸入輸出接口需要等問題,選擇STM32F103RTC6作為主控元件,控制器硬件結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。

圖5 控制器硬件結(jié)構(gòu)

控制器中的傳感器、無線通信模塊、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路等具體選型、設(shè)計(jì)如下:

(1)機(jī)器人位置傳感器選用E3Z-T61對(duì)射式光電傳感器,該傳感器投光器為紅外光,檢測(cè)距離可達(dá)15 m;

(2)位置傳感器數(shù)據(jù)采集卡選用的是PCI-1761繼電器輸出卡,采集卡8路隔離數(shù)字信號(hào)輸入和8路繼電器輸出;

(3)電池溫度測(cè)量器件選用的是DS18B20溫度傳感器(溫度測(cè)量范圍為-55～125 ℃,測(cè)量精度±0.25 ℃,輸出數(shù)字量信號(hào));

(4)行走電機(jī)測(cè)速傳感器選用E6B2-CWZ6C編碼器(分辨率可達(dá)2 000脈沖/旋轉(zhuǎn));

(5)無線通信模塊選用ESP8266 Wi-Fi通訊模塊,采用串口與單片機(jī)通信,內(nèi)置 TCP/IP協(xié)議棧,串口與 Wi-Fi 之間的轉(zhuǎn)換;

(6)撥料電機(jī)選用60GA775直流減速電機(jī)(工作電壓為12 V,額定轉(zhuǎn)速為10 r/min),行走電機(jī)選用37GB555直流電機(jī)(工作電壓為12 V,額定轉(zhuǎn)速為600 r/min)。兩種電機(jī)分別采用PWM信號(hào)通過相應(yīng)的L298N驅(qū)動(dòng)模塊控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向;

(7)供電部分選用18650鋰電池(輸出電壓為12 V),采用LM2576-5. 0 芯片設(shè)計(jì)的降壓電路將其輸出電壓降至5 V,通過AMS1117-3.3 芯片設(shè)計(jì)的降壓電路再將其輸出電壓降至3. 3 V,為機(jī)器人控制器所需的能夠提供三種輸出電壓的電路供電。

3.2 控制系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)軟件包含上位機(jī)監(jiān)控軟件和機(jī)器人控制軟件兩個(gè)部分,上位機(jī)軟件采用Labview軟件開發(fā),主要包含通信參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行控制和狀態(tài)信息三個(gè)主要功能模塊,上位機(jī)軟件功能模塊如圖6所示。通信參數(shù)設(shè)置模塊負(fù)責(zé)上位計(jì)算機(jī)和機(jī)器人控制器之間的具體通信參數(shù)設(shè)置,設(shè)置完成后,上位機(jī)和機(jī)器人控制器可以基于Wi-Fi進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;運(yùn)行控制模塊用于控制機(jī)器人啟停狀態(tài)、管道行走和自動(dòng)撥料等;狀態(tài)信息模塊是采集機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)信息,包括機(jī)器人行走速度、運(yùn)行位置和電池溫度信息,其中位置信息是通過數(shù)據(jù)采集卡獲取位置傳感器的信號(hào)感知的。

圖6 上位機(jī)軟件功能模塊

機(jī)器人控制軟件是基于 MDK平臺(tái)采用C語言開發(fā)的,其主要功能是接收上位機(jī)復(fù)位、運(yùn)行控制等命令信息,以及布置在管道兩端的四個(gè)位置傳感器之間的距離信息,并根據(jù)這些信息對(duì)行走電機(jī)進(jìn)行啟停、加速運(yùn)行、勻速運(yùn)行、減速運(yùn)行等具體控制,以及對(duì)撥料電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)控制。為避免清理過程中造成再次堵塞,機(jī)器人的行走速度和撥料構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)速度需要根據(jù)具體的作業(yè)狀況進(jìn)行確定。另外,機(jī)器人在管道正常作業(yè)時(shí),行走電機(jī)在管道中運(yùn)行方式為先加速再勻速后減速,其要求機(jī)器人啟動(dòng)運(yùn)行之前需要處于停止完成狀態(tài),即機(jī)器人處于管道端部位置傳感器a或d設(shè)定的位置,這樣機(jī)器人在管道清理運(yùn)行過程中可以保持較好的運(yùn)行平穩(wěn)性。

在機(jī)器人運(yùn)行過程中,上位機(jī)實(shí)時(shí)采集機(jī)器人的狀態(tài)信息,當(dāng)電池溫度過高,超過設(shè)定值時(shí),上位機(jī)立即發(fā)送停止運(yùn)行命令,控制機(jī)器人停止運(yùn)行。等電池溫度降低到滿足運(yùn)行要求時(shí),通過手動(dòng)控制機(jī)器人完成剩余作業(yè)。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)木竹加工企業(yè)除塵系統(tǒng)主管道沉積物清理實(shí)際需求,同時(shí)為了避免在清理沉積碎料時(shí)引起火花誘發(fā)粉塵燃爆,提出了一種能夠在除塵系統(tǒng)主管道清理沉積碎料的同時(shí)自動(dòng)收集磁性金屬雜質(zhì)的機(jī)器人,初步完成了機(jī)器人的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該機(jī)器人研制成功后,可以解決木竹加工企業(yè)除塵系統(tǒng)主管道沉積物人工清理效率低、風(fēng)險(xiǎn)隱患大等問題,具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。