行走式碼磚機(jī)器人及無線遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

石進(jìn)水

（山東交通職業(yè)學(xué)院，濰坊 261206）

行走式碼磚機(jī)器人及無線遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

石進(jìn)水

（山東交通職業(yè)學(xué)院，濰坊 261206）

0 引言

在制磚企業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中，免燒磚在生產(chǎn)成型后，要依靠人工將已經(jīng)在托板上養(yǎng)護(hù)好的磚碼成垛。根據(jù)市場調(diào)查，一般碼磚工人每天工作10小時(shí)，完成1.6萬塊；規(guī)模以上制磚企業(yè)中每臺磚機(jī)的產(chǎn)能在6萬～9萬塊/天。因此，每臺磚機(jī)需配碼磚工4～6人，碼磚工人的勞動強(qiáng)度特別大；企業(yè)的勞動力成本高、生產(chǎn)效率低。通過對山東、河北、河南等地的一些規(guī)模以上制磚企業(yè)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，市面上使用的碼磚機(jī)器人均為固定安裝式機(jī)器人，無法行走，且造價(jià)昂貴，企業(yè)都希望有一種能夠配合免燒磚機(jī)工作、代替人工碼磚的可行走式自動化碼磚設(shè)備。為此，本文設(shè)計(jì)開發(fā)出了一種行走式碼磚機(jī)器人，它能配合免燒磚成型機(jī)的工作，且性能穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高。

1 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械機(jī)構(gòu)主要由自動上料機(jī)構(gòu)、夾磚及吊裝機(jī)構(gòu)、夾鉗行走系統(tǒng)、磚塊姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)、整機(jī)行走機(jī)構(gòu)等部分組成，如圖1所示。

1.1 碼磚機(jī)器人的功能

用叉車一次性將6托板已養(yǎng)護(hù)好的磚，放于設(shè)備的上料機(jī)構(gòu)上，上料機(jī)構(gòu)完成自動上料、定位。取磚夾鉗前行將一塊托板上的磚全部夾起，然后后退，將磚放置于磚塊姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)（分磚托板）上；磚塊姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)按規(guī)定的排列方式重新對磚塊進(jìn)行交叉排列；碼磚夾鉗下行取磚后行走至磚垛位置并下放，每12層為一個(gè)磚垛。完成一垛后，設(shè)備自動前行一段距離，開始下一周期的工作。

圖1 碼磚機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

1.2 自動上料和定位機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)將放在傳送裝置上的托板自動定位至取磚夾鉗工位，便于取磚夾鉗準(zhǔn)確無誤的將托板上的磚全部夾起。上料機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架、滾筒、張緊輪、鏈條、鏈輪、電機(jī)、減速器、皮帶輪、皮帶、軌道輥總成組成；定位機(jī)構(gòu)主要由行程開關(guān)、限位螺釘、氣缸等組成。托板被置于上料機(jī)構(gòu)后，滾筒帶動托板向前移動，當(dāng)移至取磚夾鉗正下方時(shí)，定位氣缸將上料架推動到位，上料架停止運(yùn)動。取磚夾鉗下行，將磚和托板一起取走。下一塊托板在傳送裝置的作用下向前運(yùn)動，重復(fù)上述動作。

1.3 夾磚及吊裝機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)主要包含取磚夾鉗、碼磚夾鉗和夾鉗行走系統(tǒng)。取磚夾鉗將托板上的磚全部夾起，夾鉗行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動夾鉗移動，并將所有磚塊下放于磚塊姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)（分磚托板）上；磚塊姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)按規(guī)定的排列方式重新對磚進(jìn)行交叉排列；碼磚夾鉗下行取磚，行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動夾鉗移動至磚垛位置，夾鉗松開，將磚塊碼放在磚垛上。

夾鉗主要由夾鉗架、鉗口限位塊、鉗口定位彈簧、限位開關(guān)、夾鉗架導(dǎo)向桿、導(dǎo)向桿軌道輥、電動葫蘆總成、導(dǎo)向支撐鏈輪、鏈條等組成。由于夾鉗下降時(shí)慣性較大，因此采用電機(jī)帶動鏈輪拖動夾鉗實(shí)現(xiàn)其升降，可以克服采用電動葫蘆帶動鋼絲繩時(shí)出現(xiàn)的鋼絲繩纏繞現(xiàn)象。

夾鉗行走系統(tǒng)主要由鏈條、行走軌道輥、行走架、驅(qū)動電機(jī)、減速器、鏈輪、行程限位塊等組成。選取的電機(jī)型號為ZD122-4，額定功率1.5kW，減速機(jī)型號為WPWA50型蝸桿渦輪減速器，減速比為1:15，夾鉗的行走由PLC進(jìn)行控制[1]。

1.4 磚塊姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了磚層間的錯(cuò)位擺放，兩層之間形成十字交叉，提高了磚垛的抗傾倒性，每層磚的高度由開關(guān)信號傳到PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制，不易受到干擾。

該機(jī)構(gòu)主要由推磚機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動托板、轉(zhuǎn)動托板轉(zhuǎn)臺、驅(qū)動電機(jī)、移動托板、支撐托板、支撐托板轉(zhuǎn)臺、聯(lián)軸器、減速器、接近開關(guān)等部件組成。如圖2所示，當(dāng)取磚夾鉗將整個(gè)托板上的磚（30塊）放置于托板后，磚塊姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)開始工作：將其中的14塊磚分離后置于移動托板上，其他16塊磚留在轉(zhuǎn)動托板上；移動托板左移一段距離，轉(zhuǎn)動托板轉(zhuǎn)動90°，然后移動托板回移，實(shí)現(xiàn)16塊磚與14塊磚的垂直交叉排列；下一托板的磚被放置于托板后，托板先轉(zhuǎn)動180°，然后重復(fù)上述動作。這樣可以保證碼放后磚塊層與層之間交叉堆放。

圖2 磚塊姿態(tài)調(diào)整動作圖

1.5 整機(jī)行走機(jī)構(gòu)

為了便于將碼好的磚垛裝運(yùn)，磚垛之間必須留有一定的距離，因此整機(jī)要能夠行走,且距離間隔一定。整機(jī)行走機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、減速器、鏈輪、鏈條、皮帶、皮帶輪、驅(qū)動軸、驅(qū)動輪、從動輪、轉(zhuǎn)速傳感器（編碼器）、計(jì)數(shù)器等組成。碼磚機(jī)器人的移動與汽車的運(yùn)動相似，采用前橋或后橋驅(qū)動等驅(qū)動方式，因此參照了專用汽車的運(yùn)動方程對各部分進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。碼垛機(jī)器人行走時(shí)，PLC根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器（編碼器）發(fā)出的脈沖數(shù)計(jì)算其行進(jìn)的距離，并控制其前進(jìn)設(shè)定的距離（一般為20CM）。磚塊的自動碼放效果如圖3所示。

圖3 磚塊自動碼放效果圖

2 PLC控制系統(tǒng)

該機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)以可編程控制器PLC為核心，配合外圍繼電器回路，控制各機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)動作；操作者只需啟動相應(yīng)運(yùn)行程序，碼磚機(jī)就會按照設(shè)定流程周而復(fù)始的工作；考慮到經(jīng)濟(jì)性、功能性、冗余配置等方面原因，PLC采用臺達(dá)DVP-64EH00R2，HMI采用威綸通TK6100，通過HMI可對設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，提高了人機(jī)設(shè)備的交互性。PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 PLC輸入輸出點(diǎn)分配

DVP-64EH00R2 PLC共有輸入點(diǎn)32個(gè)，輸出點(diǎn)32個(gè)，綜合考慮系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)可靠性、可擴(kuò)展性、易維護(hù)等因素，分配的每個(gè) I/O點(diǎn)的地址如表1所示。

表1 PLC控制系統(tǒng)I/O地址分配表

2.2 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)碼磚機(jī)器人能協(xié)調(diào)工作的核心部分，其功能和實(shí)現(xiàn)的流程，直接決定了碼磚機(jī)器人的實(shí)際工作過程。結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和碼磚應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了如圖5所示的軟件實(shí)現(xiàn)流程。

3 無線遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)

該碼磚機(jī)器人的限位開關(guān)和行程開關(guān)較多，動作流程復(fù)雜，且現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣，運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)各種故障。為了在故障發(fā)生時(shí)能及時(shí)通知維護(hù)人員，并提供相應(yīng)的故障信息，指導(dǎo)檢修人員及時(shí)準(zhǔn)確的處理故障，保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)了一套碼磚機(jī)器人遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)傳輸通道如圖6所示。

圖5 PLC軟件流程圖

圖6 遠(yuǎn)程故障診斷數(shù)據(jù)傳輸示意圖

DTU是構(gòu)建遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要設(shè)備，本系統(tǒng)中的DTU采用的是COMWAY WG8010型號產(chǎn)品，其主要功能就是為現(xiàn)場PLC（RS485接口）經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)與一臺連接到Internet的PC之間建立一個(gè)透明的數(shù)據(jù)通道。遠(yuǎn)程PC中安裝的COMWAY無線串口軟件，使上位機(jī)擁有了“無限延長的串口線”，能夠方便的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間的無線對接。圖5所示的無線通信信道是基于設(shè)立在專業(yè)機(jī)房中的Comway Data-Server集群服務(wù)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)向用戶永久免費(fèi)提供電信級無線數(shù)據(jù)通信服務(wù)[2]。

遠(yuǎn)程PC端監(jiān)控軟件采用KingView6.55進(jìn)行設(shè)計(jì)，kingview6.55軟件支持通過虛擬串口與遠(yuǎn)端串口設(shè)備建立通信。通過Modbus RTU協(xié)議，上位機(jī)監(jiān)控軟件對遠(yuǎn)端PLC的狀態(tài)信息和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并實(shí)施控制。圖7所示的監(jiān)控界面中，紅燈為各限位開關(guān)、行程開關(guān)的狀態(tài)指示，當(dāng)某個(gè)開關(guān)信號有效時(shí)，其對應(yīng)的紅色信號燈閃爍；綠燈為機(jī)器人的動作狀態(tài)指示，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行至某個(gè)動作時(shí)，其對應(yīng)的綠色信號燈閃爍。因此，通過該系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程查看PLC的實(shí)時(shí)輸入輸出狀態(tài)，判斷碼磚機(jī)器人的工作過程，也可對機(jī)器人的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，為設(shè)備的遠(yuǎn)程故障診斷和維修提供了方便[3,4]。

圖7 碼磚機(jī)器人遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)界面

4 結(jié)束語

該碼磚機(jī)器人集機(jī)、電、氣控制技術(shù)于一體，PLC為控制核心，能夠?qū)崿F(xiàn)自動上料、定位、轉(zhuǎn)向、夾磚、碼磚和自動行走，磚塊姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了磚塊排列方向的轉(zhuǎn)化，較好地防止了磚垛倒塌；采用雙夾鉗同時(shí)工作，提高了生產(chǎn)效率，無污染，無噪音，節(jié)能環(huán)保。經(jīng)多家制磚企業(yè)試驗(yàn)，該行走式碼磚機(jī)器人每分鐘碼磚100塊以上，每天碼磚6萬塊左右，可為每臺磚機(jī)節(jié)省碼磚工3～4人，改變了原來制磚企業(yè)人工碼磚的局面，降低了勞動力成本，提高了制磚企業(yè)的生產(chǎn)效率。因此，該碼磚機(jī)器人特別適合應(yīng)用于大中型制磚企業(yè)的碼磚工序，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

[1]董晶,姜永增,郭艷宏.一種全自動化肥包裝碼垛機(jī)碼垛控制單元的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014.36(3):98-101.

[2]王莉,李艷貞,牛群峰,等.一種基于無線通訊的橋式碼垛機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動化,2014.36(5):93-96.

[3]周林,鄭晟,寇曉穎.基于PLC和組態(tài)王的酚酞合成監(jiān)控系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化,2013.35(3):28-30.

[4]劉二林,柳彥虎,姜香菊.基于LabVIEW的無線多點(diǎn)實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動化,2015.37(3):141-144.

Design of walking stack brick robot and wireless remote diagnosis system

SHI Jin-shui

針對目前免燒磚在養(yǎng)護(hù)完成后，需要人工碼垛的生產(chǎn)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)開發(fā)出了一種行走式碼磚機(jī)器人。主要設(shè)計(jì)了自動上料、夾磚及吊裝、雙夾鉗行走、磚塊姿態(tài)調(diào)整、整機(jī)行走等機(jī)械機(jī)構(gòu)，PLC與HMI組成的電氣控制系統(tǒng)及碼磚機(jī)器人的工作流程?；贑OMWAY WG8010 DTU與Kingview6.55設(shè)計(jì)的無線遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控碼磚機(jī)器人的工作狀態(tài)，為設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)和檢修提供了方便。在多家制磚企業(yè)的現(xiàn)場試驗(yàn)表明，該設(shè)備采用的雙夾鉗設(shè)計(jì)大大提高了碼磚機(jī)器人的工作效率，為企業(yè)降低了勞動力成本，增加了效益。

行走式機(jī)器人；碼磚；PLC；遠(yuǎn)程診斷

石進(jìn)水（1981 -），男，山東高青人，講師，工學(xué)碩士，主要從事自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)控制與仿真方面的研究。

TH69

B

1009-0134(2015)07(下)-0012-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.07(下).04

2015-03-22

濰坊市2012年科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（20121384）