燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(chē)欄板間隙密封的機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王睿訓(xùn)　邢建國(guó)

摘要： 針對(duì)燒結(jié)造塊煉鐵工藝中存在的燒結(jié)臺(tái)車(chē)欄板間漏風(fēng)問(wèn)題，本文主要對(duì)懸掛式雙機(jī)械手操作的燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(chē)欄板間隙密封系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以某鋼廠燒結(jié)生產(chǎn)線為研究背景，運(yùn)用三維建模軟件，對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)、機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案及機(jī)械手的傳動(dòng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。選用三菱FX3U及FX2N20GM兩軸插補(bǔ)模塊，通過(guò)程序擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)三菱FX3U與FX2N20GM同時(shí)對(duì)4個(gè)步進(jìn)電機(jī)的順序控制，并給出了該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)。同時(shí)，利用實(shí)驗(yàn)室步進(jìn)電機(jī)及滾珠絲杠滑臺(tái)，建立機(jī)械手模擬裝置，用于開(kāi)關(guān)模擬輸入信號(hào)，進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)狀況的模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制程序正確可行，控制系統(tǒng)達(dá)到應(yīng)用要求。該研究有效降低了燒結(jié)臺(tái)車(chē)欄板間漏風(fēng)問(wèn)題，節(jié)約電力能源，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：燒結(jié)機(jī)漏風(fēng); 懸掛式機(jī)械手; FX3U; FX2N20GM; 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

中圖分類號(hào)： TP241.2; TF802.67 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的飛速發(fā)展，各行業(yè)對(duì)鋼鐵的需求逐年增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年我國(guó)的鋼鐵產(chǎn)量達(dá)到了世界鋼鐵產(chǎn)量的56%，位居鋼鐵產(chǎn)量第一大國(guó)[1-2]。同時(shí)，國(guó)家提高了對(duì)鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排的要求，為提高燒結(jié)機(jī)產(chǎn)能，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者和鋼鐵企業(yè)對(duì)燒結(jié)機(jī)的漏風(fēng)治理問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究[3]。目前，現(xiàn)有的燒結(jié)漏風(fēng)防治技術(shù)大多集中在解決臺(tái)車(chē)與風(fēng)箱結(jié)合處兩側(cè)部（即滑道）、臺(tái)車(chē)與風(fēng)箱結(jié)合處兩端部（即頭尾）的動(dòng)密封處及大煙道灰箱排灰、風(fēng)管道系統(tǒng)的破損等靜密封處的漏風(fēng)問(wèn)題，在一定程度上解決了臺(tái)車(chē)的部分漏風(fēng)問(wèn)題[4-7]。但由于臺(tái)車(chē)欄板間設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留間隙（1 mm），加之欄板之間變形，形成2～10 mm不等的間隙，同一處的上、下間隙量也不等，對(duì)漏風(fēng)影響較大（占15%）。同時(shí)臺(tái)車(chē)間的密封還沒(méi)有有效的解決辦法，這是由于在生產(chǎn)中燒結(jié)臺(tái)車(chē)是持續(xù)運(yùn)動(dòng)，在頭尾部，臺(tái)車(chē)要相互分開(kāi)，同時(shí)要經(jīng)過(guò)點(diǎn)火區(qū)，對(duì)其進(jìn)行防漏風(fēng)處理十分困難，一些常規(guī)的密封方式無(wú)法滿足要求。孫國(guó)強(qiáng)[8]提出了一種全密封裝置，側(cè)面用擋板，料面上用皮帶，通過(guò)負(fù)壓吸附在表面，形成一個(gè)整體密封空間，使用效果較好;高彥[9]研究一種類似的全封閉裝置，側(cè)面及底部由密封帶包圍，料面上方由多行絲狀物、薄鋼板或耐高溫不透氣的布接觸料面;胡子國(guó)等人[10]設(shè)計(jì)了一種燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(chē)欄板密封裝置及密封系統(tǒng)，通過(guò)磁性密封簾，將臺(tái)車(chē)欄板之間的縫隙密封，從而防止臺(tái)車(chē)欄板漏風(fēng)，所采用的密封簾由隔熱層、不銹鋼網(wǎng)層、磁性膠體層組成，其中磁性層將密封簾吸合到臺(tái)車(chē)間。基于此，本文針對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)線的相關(guān)工況及后期便利維護(hù)保養(yǎng)，設(shè)計(jì)一種懸掛式機(jī)械手來(lái)抓取密封帶，放置到燒結(jié)臺(tái)車(chē)欄板間縫隙處，以解決漏風(fēng)問(wèn)題。首先設(shè)計(jì)機(jī)械手總體方案，運(yùn)用三維建模軟件，對(duì)機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并確定了機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式及傳動(dòng)方式。同時(shí)，選用FX3U作為機(jī)械手控制系統(tǒng)主控單元，對(duì)控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)進(jìn)行了分配，并運(yùn)用三菱FX2N20GM定位模塊進(jìn)行兩軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。該控制系統(tǒng)達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1系統(tǒng)總體方案

本研究以某鋼廠燒結(jié)生產(chǎn)線為背景，擬在臺(tái)車(chē)欄板間隙上放置密封帶，對(duì)系統(tǒng)總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用懸掛式機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)操作，具體操作步驟如下：

1）在臺(tái)車(chē)首尾及點(diǎn)火區(qū)外的直線運(yùn)行段進(jìn)行密封，不必考慮轉(zhuǎn)彎段欄板間隙變化和臺(tái)車(chē)運(yùn)行跑偏，以及點(diǎn)火區(qū)高溫和燒烤的影響，降低了對(duì)密封材料的要求。

2）利用負(fù)壓作用，使密封帶吸貼在欄板縫隙上，可在密封帶上增加磁性條，使密封帶吸附更牢靠。

3）采用機(jī)械手結(jié)構(gòu)貼放和取下密封帶，通過(guò)三菱FX3U48MT控制，完成機(jī)械手操作和臺(tái)車(chē)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)密封帶的自動(dòng)取、放和位置要求。

4）一條燒結(jié)線共設(shè)4臺(tái)懸掛式機(jī)械手，并通過(guò)鏈條傳送帶輸送密封帶，不占用燒結(jié)線的地面空間，對(duì)生產(chǎn)監(jiān)控和維修沒(méi)有影響。

5）密封起始位置在點(diǎn)火段之后，終止位置在機(jī)尾卸礦處之前，共有16處臺(tái)車(chē)欄板間隙需要密封。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要，根據(jù)臺(tái)車(chē)長(zhǎng)度、高度以及臺(tái)車(chē)運(yùn)行速度等因素，進(jìn)行了機(jī)械手與傳送帶相對(duì)位置的布置。密封帶效果圖如圖1所示，機(jī)械手及傳送帶布置方案平面示意圖如圖2所示。

2機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案

2.1機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

為了適應(yīng)不同生產(chǎn)線工況的需求，機(jī)械手可采用多種運(yùn)動(dòng)形式和結(jié)構(gòu)。機(jī)械手的具體形式需要根據(jù)實(shí)

際生產(chǎn)線作業(yè)要求和現(xiàn)場(chǎng)布局位置等條件進(jìn)行選擇。

工業(yè)機(jī)械手主要有4種坐標(biāo)形式，即直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式[11]。通過(guò)分析對(duì)比工業(yè)機(jī)械手各種坐標(biāo)式的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，因此選用直角坐標(biāo)式作為本機(jī)械手的坐標(biāo)形式，其具有機(jī)械臂各個(gè)運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)獨(dú)立解耦、控制方便、可實(shí)現(xiàn)大行程、高精度、長(zhǎng)壽命、操作簡(jiǎn)單、安裝使用和維護(hù)簡(jiǎn)便、成本低等特點(diǎn)[12]。整個(gè)機(jī)械手包括X軸、Y軸、Z軸3個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)及一個(gè)機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，具有4個(gè)自由度。其中X軸長(zhǎng)為1 000?mm，Y軸長(zhǎng)為1 500 mm，Z軸長(zhǎng)為500 mm，旋轉(zhuǎn)手臂長(zhǎng)為350 mm。機(jī)械手三維模型如圖3所示。

2.2機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

機(jī)械手可采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)3種驅(qū)動(dòng)方式以及組合驅(qū)動(dòng)[13]。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用情況，電機(jī)驅(qū)動(dòng)可通過(guò)連接PLC和個(gè)人計(jì)算機(jī)，精確地控制機(jī)械手的工作位置和姿態(tài)，因此該機(jī)械手選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

機(jī)械手的電機(jī)驅(qū)動(dòng)又分為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，本文所設(shè)計(jì)的為懸掛式機(jī)械手，工作時(shí)負(fù)載較小，精度要求不高，因此選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其具有控制簡(jiǎn)單、可靠性較高、成本較低等特點(diǎn)[12]。其中，X軸與Z軸選用86 mm三相步進(jìn)電機(jī)，絲杠螺距為6 mm，脈沖當(dāng)量為0.01 mm;Y軸選用57 mm三相步進(jìn)電機(jī)，絲杠螺距為6 mm，脈沖當(dāng)量為0.01 mm;旋轉(zhuǎn)手臂選用57 mm三相步進(jìn)電機(jī)，步距角為0.1°。

2.3機(jī)械手傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

本機(jī)械手的X軸、Y軸和Z軸移動(dòng)關(guān)節(jié)均采用圓柱導(dǎo)軌支承、滾珠絲杠傳動(dòng)，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

3機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)所設(shè)計(jì)的懸掛式機(jī)械手的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，控制流程比較簡(jiǎn)單，因此選用PLC作為控制器，其抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，同時(shí)具有各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，功能完善，配套齊全[14-16]。本文選用三菱FX3U[17]及FX2N20GM兩軸插補(bǔ)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的動(dòng)作。燒結(jié)線前端機(jī)械手控制流程圖如圖4所示，燒結(jié)線末端機(jī)械手控制流程圖如圖5所示。

3.1確定控制系統(tǒng)的I/O數(shù)

通過(guò)結(jié)合主程序流程圖，確定控制系統(tǒng)的I/O數(shù)量。I/O地址分配表如表1所示。

3.2控制系統(tǒng)接線原理圖

本系統(tǒng)選用三菱FX3U48MT作為主控單元，F(xiàn)X2N20GM作為核心定位單元，二者通過(guò)連接電纜FX2NGM5EC進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，其中兩軸定位模塊FX2N20GM的CON3和CON4分別對(duì)應(yīng)連接X(jué)軸和Y軸的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器端子[18]，而Z軸與旋轉(zhuǎn)臂則由FX3U48MT直接進(jìn)行高速脈沖輸出，選用威綸觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互，與FX3U48MT通過(guò)通信電纜進(jìn)行通訊，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制[19]?？刂葡到y(tǒng)接線原理圖如圖6所示。

3.3FX2N20GM定位模塊程序

三菱FX2N20GM定位模塊采用FXVPSE專用編程軟件，可輸出高速脈沖序列，還可以同時(shí)控制兩根軸運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)，可通過(guò)絕對(duì)驅(qū)動(dòng)方法和增量驅(qū)動(dòng)方法指定位移，并且具有兩軸絕對(duì)位置檢測(cè)功能，可以通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)軌跡[18]。

FX2N20GM定位模塊通過(guò)PLC的FROM指令，可以把其緩沖區(qū)BFM#20和BFM#21中的內(nèi)容讀取到PLC中，通過(guò)TO指令，可以把PLC寄存器中的內(nèi)容寫(xiě)入緩沖區(qū)BFM中[20]。FX2N20GM控制流程如圖7所示。圖7中，在寄存器DD100中，存儲(chǔ)直線X軸方向的終點(diǎn)坐標(biāo)值;在寄存器DD102中，存儲(chǔ)直線Y軸方向的終點(diǎn)坐標(biāo)值;在寄存器DD104中，存儲(chǔ)暫停時(shí)間值。FX2N20GM的參數(shù)寫(xiě)入程序如圖8所示。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用實(shí)驗(yàn)室的步進(jìn)電機(jī)及滾珠絲杠滑臺(tái)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)所設(shè)計(jì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)形式和結(jié)構(gòu)，建立機(jī)械手的模擬裝置，將PLC與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器以及各控制開(kāi)關(guān)正確接線，用手動(dòng)開(kāi)關(guān)模擬接近開(kāi)關(guān)和限位開(kāi)關(guān)，模擬輸入信號(hào)，將編寫(xiě)的程序?qū)懭隤LC中，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)，模擬工業(yè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，該機(jī)械手可滿足燒結(jié)生產(chǎn)線的實(shí)際生產(chǎn)需求，控制程序正確可行。

5結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種4個(gè)自由度的懸掛式雙機(jī)械手。該設(shè)計(jì)給出了機(jī)械手及傳送帶布置方案、密封板的設(shè)計(jì)，機(jī)械手的坐標(biāo)形式及驅(qū)動(dòng)方案，并對(duì)機(jī)械手進(jìn)行三維建模，并采用三菱PLC及FX2N20GM兩軸插補(bǔ)模塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，最后通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證控制程序的正確性和可行性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本研究所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求，在實(shí)際生產(chǎn)中，可有效降低燒結(jié)臺(tái)車(chē)欄板間漏風(fēng)率，節(jié)約能源，產(chǎn)生可觀的直接經(jīng)濟(jì)效益。該機(jī)械手可以滿足燒結(jié)生產(chǎn)線的實(shí)際生產(chǎn)需求，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]龔?qiáng)J彰， 黃秀玉. 鋼鐵行業(yè)碳減排技術(shù)應(yīng)用與展望[J]. 中國(guó)冶金， 2021， 31（9）： 5358.

[2]趙明珠. 鋼鐵冶煉系統(tǒng)中的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用[J]. 山西冶金， 2020， 43（2）： 170171， 177.

[3]張安煜. 燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)控制技術(shù)探究[D]. 青島： 青島大學(xué)， 2019.

[4]王興連. 我國(guó)燒結(jié)裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及指標(biāo)分析[J]. 冶金管理， 2011（11）： 5760.

[5]趙軍凱， 侯建， 姜林. 邯鋼435m2燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)治理與節(jié)能[J]. 冶金能源， 2020， 39（3）： 4347.

[6]李安平. 132m2燒結(jié)機(jī)全密封漏風(fēng)治理[J]. 中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)， 2012， 229（22）： 5557.

[7]馬濤， 張遠(yuǎn)東， 李春泉， 等. 燒結(jié)一部燒結(jié)機(jī)系統(tǒng)漏風(fēng)治理[J]. 包鋼科技， 2018， 44（4）： 2326.

[8]孫國(guó)強(qiáng). 提高燒結(jié)機(jī)產(chǎn)能的措施[J]. 河北冶金， 2014（7）： 4042.

[9]高彥. 用于燒結(jié)機(jī)或帶式焙燒機(jī)全密封的臺(tái)車(chē)料面密封裝置： 中國(guó)， 102767949 A[P]. 20120726.

[10]胡子國(guó)， 李咸偉， 劉道清， 等. 燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(chē)欄板密封裝置： 中國(guó)， 107782143 A[P]. 20180309.

[11]田樂(lè)帥. 沖床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究[D]. 青島： 青島科技大學(xué)， 2016.

[12]李佳. 自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)研究[D]. 北京： 北京郵電大學(xué)， 2019.

[13]歐斯文. 一類自動(dòng)上下料機(jī)械手的研究與開(kāi)發(fā)[D]. 合肥： 合肥工業(yè)大學(xué)， 2018.

[14]徐帥. 基于PLC的氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器， 2016（9）： 7578.

[15]鮑澤富， 胡廣珊. 基于PLC的二層臺(tái)自動(dòng)排管機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化， 2019， 41（12）： 8689.

[16]Zhang G L， Sun S L， Wang L， et al. Control system design of three axis manipulator based on PLC and kingview[J]. Manufacturing Automation， 2018， 40（11）： 9396.

[17]三菱公司. FX3U·FX3UC系列微型可編程控制器編程手冊(cè)[Z]. 日本： 三菱公司， 2005.

[18]FX2N10GM. FX2N20GM Hardware/Programming Manual[Z]. Japan： Mitsubishi Corporation， 2000.

[19]韓桂榮， 陳緒兵. 基于PLC、機(jī)器人和視覺(jué)系統(tǒng)的汽車(chē)輪轂全自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代制造工程， 2017（9）： 5258.

[20]薛永風(fēng)， 朱學(xué)軍， 方赟. 基于FX2N20GM的雙軸步進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)， 2011（9）： 7376.

作者簡(jiǎn)介： 王睿訓(xùn)（1996），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程。

通信作者： 邢建國(guó)（1964），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)。Email： xingjg@qdu.edu.cn

Design of the Manipulator System for the Gap Sealing of the Sintering Machine Trolley

WANG Ruixun， XING Jianguo

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract： ?Aiming at the problem of air leakage between the sintering trolley rails in the sintering lump ironmaking process， this paper mainly designs the gap sealing system of the sintering trolley rails operated by a suspended dualmanipulator. It takes a steel plant sintering production line as the research background， and uses threedimensional modeling software to design the manipulator structure， manipulator drive scheme and manipulator transmission scheme. It choose Mitsubishi FX3U and FX2N20GM twoaxis interpolation module， through program expansion， realizes the sequence control of Mitsubishi FX3U and FX2N20GM to 4 stepping motors at the same time， and gives the hardware circuit design of the system. At the same time， the laboratory stepper motor and ball screw slide are used to establish a manipulator simulation device for switching analog input signals and performing simulation experiments on actual production conditions. The experimental results show that the control program is correct and feasible， and the control system meets the application requirements. The research effectively reduces the air leakage between the sintering trolley bars， saves electricity and energy， and produces considerable direct economic benefits.

Key words： air leakage from sintering machine; suspended manipulator; FX3U; FX2N20GM; motion platform