基于光柵和超聲波傳感器的翻堆機(jī)布料機(jī)防撞系統(tǒng)探討

劉孟夫，陳朝旭，韋建吉，曾慶東

（廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630）

基于光柵和超聲波傳感器的翻堆機(jī)布料機(jī)防撞系統(tǒng)探討

劉孟夫，陳朝旭，韋建吉，曾慶東※

（廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630）

翻堆機(jī)與布料機(jī)是有機(jī)肥生產(chǎn)成套設(shè)備中的核心設(shè)備，兩者在發(fā)酵槽中同時運(yùn)行，工作區(qū)域存在干涉，因此翻堆機(jī)與布料機(jī)防撞是十分必要的。本文提出一種基于光柵和超聲波傳感器的翻堆機(jī)布料機(jī)防撞系統(tǒng)，通過與當(dāng)今工業(yè)應(yīng)用中幾種主流的非接觸式傳感器系統(tǒng)進(jìn)行比較，闡述光柵與超聲波傳感器的優(yōu)勢，為設(shè)計者處理機(jī)械工作干涉和設(shè)計機(jī)械防撞系統(tǒng)提供一定參考。

防撞系統(tǒng)，光柵傳感器，超聲波傳感器，翻堆機(jī)，布料機(jī)

0 引言

目前，我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械化正處于蓬勃發(fā)展時期。在有機(jī)肥行業(yè)，有機(jī)肥廠依靠整套有機(jī)肥生產(chǎn)設(shè)備流水線進(jìn)行半自動化生產(chǎn)，既減輕了人力勞動，促進(jìn)了生產(chǎn)效率的提升，又改善了整體作業(yè)環(huán)境。然而，要保證半自動作業(yè)過程的高效與安全，就涉及到作業(yè)設(shè)備之間相互配合的問題。而對于有機(jī)肥生產(chǎn)的核心設(shè)備——翻堆機(jī)與布料機(jī)，兩者在發(fā)酵槽中同時運(yùn)行，工作區(qū)域存在交集——翻堆機(jī)需要進(jìn)入布料機(jī)布料區(qū)域進(jìn)行翻堆，若因操作不慎發(fā)生碰撞，就會造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至對工作人員安全造成威脅。

本文基于以上考慮，針對有機(jī)肥生產(chǎn)線中的翻堆機(jī)與布料機(jī)，提出一套基于光柵與超聲波傳感器的防撞系統(tǒng)方案，通過與現(xiàn)今工業(yè)應(yīng)用中主流的幾種非接觸式傳感器進(jìn)行比較，闡述光柵與超聲波傳感器在工業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢，為設(shè)計者處理機(jī)械工作干涉和設(shè)計農(nóng)機(jī)防撞系統(tǒng)提供一定的參考。

1 翻堆機(jī)與布料機(jī)

1.1 翻堆機(jī)

翻堆機(jī)是生產(chǎn)有機(jī)肥專用成套設(shè)備中最核心的設(shè)備，主要由行走機(jī)構(gòu)與翻堆機(jī)構(gòu)組成：行走機(jī)構(gòu)一般采用電機(jī)與傳動機(jī)構(gòu)（如鏈輪）驅(qū)動行走輪，使翻堆機(jī)整機(jī)能夠在發(fā)酵槽上前進(jìn)、后退；而翻堆機(jī)構(gòu)則通過轉(zhuǎn)子與刀片或刮板配合，構(gòu)成翻堆滾筒或者輸送鏈板，實現(xiàn)發(fā)酵槽內(nèi)物料的翻拌、蓬松以及移堆，使堆肥原料與氧氣充分接觸，保證好氧發(fā)酵順利進(jìn)行，并通過發(fā)酵熱量蒸發(fā)部分水分，最終使物料達(dá)到無害化、資源化處理的要求。圖1所示為廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所資環(huán)中心自主研發(fā)的鏈板式翻堆機(jī)。

圖1 鏈板式翻堆機(jī)

圖2所示的是鏈板式翻堆機(jī)在發(fā)酵槽中的基本工作狀態(tài)，高速行走狀態(tài)下輸送鏈板升起，翻堆機(jī)在槽上高速移動；翻堆狀態(tài)下輸送鏈板下降，同時慢速行走實現(xiàn)物料翻堆。

圖2 鏈板式翻堆機(jī)工作原理

1.2 布料機(jī)

布料機(jī)是現(xiàn)代有機(jī)肥生產(chǎn)線中的進(jìn)料設(shè)備，取代傳統(tǒng)的鏟車，對發(fā)酵槽進(jìn)行布料工作。如圖3所示，布料機(jī)外機(jī)架安裝在發(fā)酵槽上，沿著發(fā)酵槽軌道縱向前后運(yùn)行，皮帶機(jī)架則安裝在外機(jī)架內(nèi)側(cè)軌道上，相對于槽橫向左右運(yùn)行，而皮帶機(jī)架上的布料皮帶能夠正反向轉(zhuǎn)動，使皮帶機(jī)的兩端均能落料，通過三者配合，能夠?qū)崿F(xiàn)布料機(jī)在X，Y兩個方向上的矩形區(qū)域內(nèi)均勻布料，見圖4。

圖3 布料機(jī)

圖4 布料機(jī)在區(qū)域內(nèi)布料示意圖

1.3 布料機(jī)與翻堆機(jī)的配合

在有機(jī)肥廠中，為了提高生產(chǎn)效率，經(jīng)常將翻堆機(jī)與布料機(jī)同時開啟，相互配合，即在布料后，翻堆機(jī)立即對已布物料進(jìn)行翻堆操作，翻堆機(jī)和布料機(jī)之間近距離接觸，如圖5所示。但是，由于翻堆機(jī)與布料機(jī)的移動速度有所差別，2套設(shè)備又分別由不同的操作人員控制，因此當(dāng)翻堆機(jī)進(jìn)入到布料區(qū)域工作時，少量前移就有可能導(dǎo)致碰撞。而且翻堆機(jī)與布料機(jī)工作現(xiàn)場粉塵多，噪音較大，環(huán)境惡劣，操作人員的判斷容易受到影響，在人員誤操作下，甚至?xí)?dǎo)致布料機(jī)脫軌故障及人員傷亡等嚴(yán)重事故。因此，研制可靠的防撞系統(tǒng)，對有機(jī)肥生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行，有著重要的意義。

圖5 翻堆機(jī)布料機(jī)配合工作

基于以上考慮，目前部分生產(chǎn)廠家在翻堆機(jī)與布料機(jī)上加裝接觸式行程開關(guān)，通過機(jī)械接觸驅(qū)動開關(guān)的彈簧或連桿機(jī)構(gòu)，引起電路閉合接點的分?jǐn)?，使翻堆機(jī)與布料機(jī)分別停機(jī)。然而，接觸式的行程開關(guān)存在響應(yīng)速度低、精度差、壽命短等缺點，這使得在翻堆機(jī)與布料機(jī)的防撞應(yīng)用中，2機(jī)同時停止要同時觸發(fā)2個行程開關(guān)，需通過一定機(jī)械配合才能實現(xiàn)，工藝上不夠簡單；再加上機(jī)械慣性等因素，行程開關(guān)可能會被過度壓縮，引起剛性碰撞，使元件失效?？梢?，此類設(shè)備的防撞從非接觸式元件的角度進(jìn)行考慮更為合理。

2 傳感器

2.1 光柵傳感器

2．1．1 光柵傳感器的原理

由大量等寬等間距的平行光束構(gòu)成的光學(xué)現(xiàn)象稱為光柵，也稱為光幕。光柵傳感器就是利用光沿直線傳播這一特性，在光幕的起點與終點分別設(shè)計發(fā)射端與接收端。如圖6所示為德國西克公司的光柵傳感器實物圖。

圖6 光柵傳感器實物圖

光柵傳感器工作時，由發(fā)射端的若干個直線陣列的發(fā)射端點持續(xù)發(fā)射一組平行等間距的紅外光束，沿直線傳播到達(dá)接收端，在發(fā)射端與接收端之間形成一道光柵。接收端有若干個直線陣列的接收點，對應(yīng)發(fā)射端每一個發(fā)射點，用以檢測發(fā)射點射出的光束是否到達(dá)接收端，或者說到達(dá)接收點的光量是否達(dá)到某一閥值。如圖7所示，當(dāng)有物體通過光柵時，物體可能遮擋紅外光束、使紅外光束減弱或是使紅外光束產(chǎn)生折射，從而使接收端接收的光量無法達(dá)到預(yù)設(shè)的閥值。在所有接收點經(jīng)歷了一個周期的掃描后，光柵傳感器就能知道哪些光路上有物體，以此為依據(jù)經(jīng)過其內(nèi)部運(yùn)算規(guī)則，光柵傳感器即可產(chǎn)生輸出信號，該信號可以為模擬量、開關(guān)量以及RS485通訊信號等，給使用者提供控制依據(jù)[1]。

圖7 光柵傳感器原理

2．1．2 光柵傳感器的優(yōu)點光柵傳感器可以看作是普通光電開關(guān)的一個系統(tǒng)陣列，相較于單束光路的光電開關(guān)，光柵傳感器通過多個接收點宏觀上同時判斷光量，解決了單束光路容易受外界光源照射及光路上異物遮蔽而產(chǎn)生誤信號的缺點。同時，光柵傳感器檢測區(qū)域為一個平面，相比檢測區(qū)域為單條直線的光電開關(guān)，避免了因被測物形狀差異或者被測物運(yùn)動而產(chǎn)生的漏檢問題。

2．1．3 光柵傳感器的分類

根據(jù)光柵傳感器信號的輸出及處理方式，目前工業(yè)上最主流的應(yīng)用分為測量光柵和安全光柵兩種。測量光柵能夠根據(jù)被遮蔽光束的多少，以及被測物通過的時間，經(jīng)過程序運(yùn)算，計算出被測物體在光柵截面上的投影尺寸。而安全光柵則是根據(jù)光束是否被遮蔽，判斷是否有物體侵入了光柵區(qū)域，從而作出停機(jī)判斷，以保護(hù)侵入物體或者被侵入?yún)^(qū)域內(nèi)物體的安全。本文設(shè)計的布料機(jī)與翻堆機(jī)防撞系統(tǒng)則是使用了安全光柵。

2.2 超聲波傳感器

2．2．1 超聲波傳感器的原理

超聲波是指頻率高于20 000 Hz的機(jī)械波，其傳遞原理與光波類似。而超聲波傳感器則是以超聲波為檢測手段，傳感器發(fā)射端通過逆壓電效應(yīng)，對晶體管施加交變電場，使晶體管產(chǎn)生形變，引起震動，進(jìn)而產(chǎn)生超聲波向外傳遞。超聲波在接觸到物體后，通過物體的反射特性，反射回到探頭，探頭在接收到超聲波時會產(chǎn)生超聲振動，并將超聲振動轉(zhuǎn)換為電信號，從而“感知”到被測物。圖8為德國西克公司的超聲波傳感器實物圖。

圖8 超聲波傳感器實物圖

超聲波傳感器進(jìn)行測距，采用的是TOF（time of flight），即渡越時間原理[2]，如圖9所示，傳感器內(nèi)部處理器會記錄記錄超聲波傳感器發(fā)射超聲波（t1）與接收超聲波（t2）兩個時間點之間的渡越時間Δt，渡越時間乘上超聲波的傳播速度c，即可得到超聲波傳播的總距離，即兩倍的測量距離值2D。則超聲波傳感器到被測物距離D為：

而超聲波在空氣中的傳播速度受環(huán)境溫度T影響，其計算公式為：

圖9 超聲波傳感器測距原理

2．2．2 超聲波傳感器與接近開關(guān)應(yīng)用比較

在工業(yè)非接觸式檢測領(lǐng)域，電感式接近開關(guān)因為價格優(yōu)勢，比起超聲波傳感器，應(yīng)用更為廣泛。接近開關(guān)通過其前端的振蕩器產(chǎn)生一個交變磁場，當(dāng)有金屬物體進(jìn)入交變磁場內(nèi)時，磁場會在金屬物體內(nèi)產(chǎn)生波流，從而導(dǎo)致震蕩衰減，震蕩的變化被接近開關(guān)后級的放大電路處理后轉(zhuǎn)換為開關(guān)量信號輸出，并以此為依據(jù)控制設(shè)備啟停。然而作為一款到位檢測的產(chǎn)品，接近開關(guān)通常檢測距離為8～30 mm，為保證傳感器有足夠的反應(yīng)時間，設(shè)備有足夠的制動距離，使設(shè)備停定之前接近開關(guān)不與被測物碰撞，檢測探頭不能垂直于被測物，而是應(yīng)該采取被測物平行于探頭端面的形式，比如在被測物體上加裝懸臂，如圖10所示。

圖10 接近開關(guān)測量方法

然而，在翻堆機(jī)布料機(jī)防撞的案例中，由于布料機(jī)通常橫跨5～10條發(fā)酵槽，而每1條槽上都可能有翻堆機(jī)在運(yùn)行。因此，若在翻堆機(jī)上安裝接近開關(guān)檢測布料機(jī)，為準(zhǔn)確檢測，布料機(jī)機(jī)身在對應(yīng)每一條槽的相同位置均需要加裝一懸臂供接近開關(guān)檢測；同理，若在布料機(jī)上安裝接近開關(guān)檢測布料機(jī)，情況則變得更加復(fù)雜，不僅需要在翻堆機(jī)上加裝懸臂供檢測，并且布料機(jī)機(jī)身對應(yīng)每一條槽的相同位置均需安裝接近開關(guān)。在這樣設(shè)計下，不僅安裝麻煩，需要逐條發(fā)酵槽校正，并且每一條懸臂在發(fā)酵槽腐蝕環(huán)境下都有可能脫焊或者生銹，使得接近開關(guān)無法正常檢測，防撞系統(tǒng)整體的可靠性也大大降低。

與接近開關(guān)相比，超聲波傳感器對檢測距離限制更小，安裝在翻堆機(jī)上可直接檢測布料機(jī)機(jī)架本身，不需加裝懸臂。并且超聲波傳感器的被測物可以是任意物體，不局限于檢測金屬，當(dāng)被測物生銹時不會影響檢測結(jié)果，在其他非金屬設(shè)備檢測領(lǐng)域也有更好的兼容性。

3 防撞系統(tǒng)設(shè)計

基于上述理論，設(shè)計防撞系統(tǒng)如下。

3.1 布料機(jī)端防撞系統(tǒng)設(shè)計

如圖11所示，在布料機(jī)的左側(cè)和右側(cè)向前方向，順著軌導(dǎo)位置，安裝一條50 cm的伸長臂，在左側(cè)伸長臂上安裝安全光柵的發(fā)射端，同時在右側(cè)伸長臂上安裝安全光柵的接收端，在布料機(jī)工作區(qū)域內(nèi)形成光柵。

圖11 布料機(jī)防撞設(shè)計

圖12 多組安全光柵

若發(fā)射端與接收端直接對射距離過長（通常一組光柵最大檢測距離為19 m），或者在發(fā)射端與接收端之間可能存在不可移動的遮擋物，則安裝時可以不直接覆蓋所有發(fā)酵槽與過道，而是將每兩過道間的數(shù)條發(fā)酵槽作為一組，分別設(shè)計安裝，建立多組安全光柵，如圖12所示。

當(dāng)安全光柵光路有物體遮擋時，即觸發(fā)斷開布料機(jī)的控制電源，從而急停布料機(jī)，達(dá)到防撞功能。

3.2 翻堆機(jī)端防撞系統(tǒng)設(shè)計

翻堆機(jī)端防撞系統(tǒng)在翻堆機(jī)向布料機(jī)方向，中間位置安裝一超聲波測距傳感器，并使超聲波探頭對準(zhǔn)布料機(jī)機(jī)架，確保超聲波能夠可靠地反射。并根據(jù)超聲波傳感器反饋的距離信息，設(shè)計PLC程序，對翻堆機(jī)進(jìn)行控制[3]，參考邏輯為：①當(dāng)超聲波傳感器檢測到翻堆機(jī)運(yùn)行方向上大于安全制動距離范圍內(nèi)無布料機(jī)時，可控制翻堆機(jī)高速行走正常工作；②當(dāng)超聲波傳感器感應(yīng)到前方布料機(jī)越來越近，到達(dá)預(yù)設(shè)的減速距離時，程序?qū)⒎褭C(jī)高速前進(jìn)功能鎖死，只能低速前進(jìn)或高低速后退；③當(dāng)超聲波傳感器感應(yīng)到前方布料機(jī)與翻堆機(jī)距離達(dá)到某一安全剎車距離時，則將翻堆機(jī)急停，在此距離內(nèi)，程序鎖死翻堆機(jī)的前移功能，操作人員只能操作翻堆機(jī)原地翻堆或后退；④當(dāng)檢測到超聲波傳感器故障時，立即停機(jī)。如圖13所示，為翻堆機(jī)防撞設(shè)計方案。

圖13 翻堆機(jī)防撞設(shè)計

4 結(jié)語

設(shè)備防撞是一個復(fù)雜的課題，針對不同設(shè)備，不同工作環(huán)境（溫度，酸堿，光照，電磁干擾，機(jī)械振動等）以及不同的使用者理念，會有不同的防撞設(shè)計；設(shè)備防撞也是一門綜合性強(qiáng)的課題，一個合理的防撞設(shè)計要考慮機(jī)械的運(yùn)動，電氣系統(tǒng)的走線，傳感器的安裝以及程序的編寫，需要不同領(lǐng)域的工程師配合完成；同時，在設(shè)備自動化高速發(fā)展的今天，為保證自動化生產(chǎn)線的高效、安全運(yùn)作，設(shè)備防撞又是一個必不可少的課題。

本文簡單介紹了有機(jī)肥生產(chǎn)線中翻堆機(jī)與布料機(jī)的工作模式，重點分析了光柵和超聲波傳感器這兩套技術(shù)較為成熟的傳感器的原理與檢測特點，并通過與市場上應(yīng)用較廣的傳感器進(jìn)行比較，闡述了光柵與超聲波技術(shù)在設(shè)備防撞上的優(yōu)勢，同時提出了一種現(xiàn)實可行的防撞系統(tǒng)方案。

[1]覃明毅．采用光幕測量技術(shù)的鐵路火車輪對軸徑自動測量機(jī)研究及應(yīng)用[J]．計量與測試技術(shù)，2015，42（2）：34-36．

[2]孫菁宇，高國偉，王夏雨，等．基于超聲波的車輛倒車防撞告警器的設(shè)計[J]．傳感器世界，2016，22（2）：25-28．

[3]李敬．列車防撞系統(tǒng)在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的應(yīng)用探討：重慶工程師論文集[G]．重慶：2014：319-322．

Discussions on A Collision Avoidance System for Pile-turning Machine and Belt Feeder Based on the Grating and Ultrasonic Sensor

Liu Mengfu,Chen Zhaoxu,Wei Jianji,Zeng Qingdong
(Guangdong Agricultural Machinery Research Institute,Guangzhou 510630,China)

The pile-turning Machine and belt feeder are the core equipment in fertilizer industry.While this two equipment operate on the fermentation slot at the same time,there will be a cross working zone between them.So it is necessary to find out methods to prevent the equipment from collision.The essay raises a collision avoidance system based on grating and ultrasonic sensors.By comparing with some other mainstream sensor systems,the essay shows the advantages of grating and ultrasonic sensors and provides an useful reference for the designers in this field.

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項目來源：2014年度省級現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展建設(shè)專項資金粵財農(nóng)[2014]422號。

劉孟夫（1991—），男，助理工程師，主要從事廢棄物資源化機(jī)械設(shè)備的設(shè)計及其自動化研究開發(fā)工作。Email：1034272441@qq.com

※通訊作者：曾慶東（1969—），男，高級工程師，主要從事復(fù)混肥、有機(jī)肥、農(nóng)業(yè)廢棄物資源化處理工藝及設(shè)備的研究開發(fā)工作。Email：Feiliao-jx@163.com