堆疊角鋼自動(dòng)化吊裝轉(zhuǎn)移裝置設(shè)計(jì)

李漫天，李子毅

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

輸電線路是電力運(yùn)輸?shù)闹饕M成部分，線路大部分采用鐵塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行架設(shè)，鐵塔塔架構(gòu)成由不同規(guī)格的角鋼通過(guò)焊接或螺紋連接的結(jié)構(gòu)連接方式搭配而成[1]。目前，塔架生產(chǎn)廠商均建造有角鋼加工線，角鋼的截?cái)?、鉆孔、下料均可以自動(dòng)完成。但是，在上料過(guò)程中，由于角鋼有6 耀12 m 的長(zhǎng)度、較重的重量和特殊的物料堆疊存放方式，較難自動(dòng)完成。目前國(guó)內(nèi)外缺乏自動(dòng)化送料系統(tǒng)，需要人工對(duì)角鋼進(jìn)行姿態(tài)的調(diào)整和固定[2]。通常情況需要2～3 名工作人員一起徒手上料，將角鋼放置于上料臺(tái)上，為接下來(lái)的加工線操作做準(zhǔn)備。這種人工上料環(huán)節(jié)存在生產(chǎn)效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大和生產(chǎn)安全存在較大隱患等問(wèn)題，極需要進(jìn)行自動(dòng)化改造，以適應(yīng)生產(chǎn)效率的提高和生產(chǎn)安全要求[3]。為此，依托的自動(dòng)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，基于現(xiàn)有的實(shí)際生產(chǎn)流程，設(shè)計(jì)堆疊角鋼自動(dòng)化吊裝轉(zhuǎn)移裝置。

1 吊裝轉(zhuǎn)移系統(tǒng)工作流程及結(jié)構(gòu)方案

采用桁架角鋼吊裝系統(tǒng)替代人工上料。桁架角鋼吊裝系統(tǒng)如圖1 所示，機(jī)械部分由基于桁架結(jié)構(gòu)的二自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人、角鋼位姿翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、流水機(jī)構(gòu)三部分組成。直角坐標(biāo)機(jī)器人的垂直軸（Z軸）平動(dòng)機(jī)構(gòu)和流水機(jī)構(gòu)使用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源；角鋼位姿翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使用直流電機(jī)作為動(dòng)力源；直角坐標(biāo)機(jī)器人的水平軸（X軸）平動(dòng)使用三相異步交流電機(jī)作為動(dòng)力源。

圖1 吊裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 工作流程

桁架角鋼吊裝系統(tǒng)工作流程如下：

開(kāi)機(jī)后，系統(tǒng)默認(rèn)回初始零位，然后到達(dá)角鋼存料區(qū)設(shè)置頭尾位置的頭位，Z軸動(dòng)作機(jī)構(gòu)到達(dá)預(yù)設(shè)的角鋼吸附面，吸附吊起，識(shí)別角鋼的位置姿態(tài)。

識(shí)別完成后，機(jī)器人X軸動(dòng)作，往流水機(jī)構(gòu)位行進(jìn)。識(shí)別角鋼姿態(tài)為“V 型”，將角鋼直接放入流水機(jī)構(gòu)的角鋼入位位置；識(shí)別角鋼姿態(tài)為“倒V 型”，將角鋼放入與流水機(jī)構(gòu)相配合的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將角鋼翻轉(zhuǎn)成“V 型”，放入流水機(jī)構(gòu)的角鋼入位位置。檢測(cè)到置架料槽位置的角鋼被截?cái)鄼C(jī)的入料機(jī)器連桿臂抬入料槽，流水機(jī)構(gòu)行進(jìn)一個(gè)預(yù)存角鋼分隔區(qū)間的位置長(zhǎng)度，將離置架料槽最近的角鋼送入置架料槽內(nèi)。置架料槽識(shí)別到角鋼放置后，機(jī)器人回零位，再次進(jìn)行如上操作。角鋼存料區(qū)識(shí)別到區(qū)內(nèi)無(wú)角鋼后，機(jī)器人將會(huì)返回零位，停止工作，等待角鋼的放置。角鋼存料區(qū)存料完成后，工作人員按下存料完成按鈕，角鋼將會(huì)自動(dòng)繼續(xù)工作，執(zhí)行上述操作。

本桁架角鋼吊裝系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制基于松下PF0型號(hào)的PLC 控制系統(tǒng)，結(jié)合傳感器的使用，對(duì)強(qiáng)電部分的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，以達(dá)到控制系統(tǒng)動(dòng)作運(yùn)行的目的。

1.2 吊裝轉(zhuǎn)移系統(tǒng)方案

角鋼的吊裝轉(zhuǎn)移中的使用了鉤爪抓取機(jī)構(gòu)為主、電磁吸附輔助抓取的工件吊裝方式，并在置架料槽后部設(shè)置了旋轉(zhuǎn)臂將角鋼進(jìn)行翻轉(zhuǎn)進(jìn)行位姿的調(diào)整并直接送入置架料槽，機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)圓弧路徑變成在X-Z平面往Y軸正方向看為從位翻轉(zhuǎn)至位的翻轉(zhuǎn)角度區(qū)間，并且設(shè)立了一個(gè)帶有轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼的輔助鏈輪-雙側(cè)雙孔彎板鏈條平動(dòng)滑落機(jī)構(gòu)，可使角鋼翻轉(zhuǎn)后穩(wěn)定滑落至置架料槽。此外，還設(shè)立了基于步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)作控制的鏈輪-雙側(cè)雙孔彎板鏈條機(jī)構(gòu)的流水機(jī)構(gòu)位于翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和滑落機(jī)構(gòu)之間，使得工作流程周期內(nèi)機(jī)器人的X軸平動(dòng)路程減小，也使得整個(gè)桁架角鋼吊裝系統(tǒng)有一定的工件入料預(yù)存儲(chǔ)能力，有效提高整個(gè)桁架角鋼吊裝轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

1.3 吊裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

桁架角鋼吊裝系統(tǒng)機(jī)構(gòu)分布如圖2 所示。

圖2 桁架角鋼吊裝系統(tǒng)機(jī)構(gòu)分布

1.3.1 直角坐標(biāo)動(dòng)作組-X軸設(shè)計(jì)

直角坐標(biāo)機(jī)器人的X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，基于角鋼的長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。桁架使用了由200 m 伊200 m、長(zhǎng)14 m 的封閉管型焊接內(nèi)包H 型鋼單梁作為直角坐標(biāo)機(jī)器人Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的承載體。工字梁的承載分別由梁兩端各兩個(gè)滑輪載具進(jìn)行承載，每側(cè)的兩個(gè)滑輪載具空擋各設(shè)置一個(gè)齒輪齒條機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)X軸的運(yùn)動(dòng)。每側(cè)的兩個(gè)滑輪通過(guò)鋼板焊接的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行限位，且結(jié)構(gòu)體為齒輪齒條的運(yùn)動(dòng)預(yù)設(shè)電機(jī)安裝座。

1.3.2 直角坐標(biāo)動(dòng)作組Z軸設(shè)計(jì)

直角坐標(biāo)機(jī)器人Z軸的動(dòng)作由兩個(gè)相同的動(dòng)作單元組成，動(dòng)作單元為垂直安裝的鏈輪滑臺(tái)，如圖3所示?；_(tái)由步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、主從動(dòng)鏈輪組、主從動(dòng)鏈輪軸組及相關(guān)軸承、主動(dòng)鏈輪開(kāi)放箱體、從動(dòng)鏈輪開(kāi)放箱體、滑臺(tái)結(jié)構(gòu)型材（由角鋼、槽鋼以及鋼板構(gòu)成）、滑軌組、吊裝功能模塊（固定于鏈條和滑塊上的平臺(tái)、平臺(tái)上的延伸結(jié)構(gòu)體和位于延伸結(jié)構(gòu)體末端的執(zhí)行端結(jié)構(gòu)體）所組成。電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鏈輪鏈條運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)吊裝功能模塊跟隨鏈條運(yùn)動(dòng)方向平動(dòng)。下探到指定位置后，電機(jī)反轉(zhuǎn)，吊起角鋼，回到設(shè)定初始位置，一個(gè)工作周期完成。

圖3 Z 軸機(jī)構(gòu)

1.3.3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

吊裝轉(zhuǎn)移系統(tǒng)內(nèi)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的布置為相同的兩個(gè)機(jī)構(gòu)單元進(jìn)行布置。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)單元轉(zhuǎn)動(dòng)部分主要由兩臺(tái)直流減速電機(jī)、角鋼支承結(jié)構(gòu)體組（兩個(gè)）及電磁吸附模塊、翻轉(zhuǎn)盲軸組（兩個(gè)）、保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)組（本體支承結(jié)構(gòu)體、彈簧、平面動(dòng)態(tài)適應(yīng)功能結(jié)構(gòu)體組及相關(guān)螺旋緊定桿）及其附屬通軸、保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)附屬電動(dòng)推桿組及推桿通軸（兩個(gè)）、集電環(huán)以及動(dòng)作限位阻尼桿組成。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定支承部分由立梁底座、腰座、懸臂延伸滑動(dòng)軸承座組成。初始狀態(tài)下保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)處于打開(kāi)狀態(tài)，角鋼運(yùn)載轉(zhuǎn)移與角鋼支承結(jié)構(gòu)體接觸后，保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)閉合，平面動(dòng)態(tài)適應(yīng)功能結(jié)構(gòu)體摩擦面與角鋼表面貼合，角鋼向下翻轉(zhuǎn)?；瑒?dòng)至指定位置，動(dòng)作限位阻尼桿和機(jī)構(gòu)傳感器作用下，停止翻轉(zhuǎn)，保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)打開(kāi)，電磁吸附單元撤銷(xiāo)磁力吸附，角鋼下落至流水機(jī)構(gòu)。角鋼卸載完畢，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)，在動(dòng)作限位阻尼桿和機(jī)構(gòu)傳感器作用下，停止回轉(zhuǎn)，一個(gè)工作周期完成。

1.3.4 流水機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

吊裝轉(zhuǎn)移系統(tǒng)內(nèi)流水機(jī)構(gòu)的布置為兩相同機(jī)構(gòu)單元與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)單元配合布置。流水機(jī)構(gòu)單元主要由流水機(jī)構(gòu)角鋼承載結(jié)構(gòu)體及其滑面、一臺(tái)減速步進(jìn)電機(jī)及其相關(guān)鏈輪傳動(dòng)組、流水機(jī)構(gòu)暫存單元?jiǎng)虞d鏈組及附屬軸承及軸承座、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)-流水機(jī)構(gòu)同位鏈輪減速機(jī)構(gòu)（滑動(dòng)阻尼軸承、鏈輪組封閉傳動(dòng)組、下部鏈輪附屬軸承開(kāi)放支承座）、流水機(jī)構(gòu)-角鋼置架料槽同位鏈輪減速機(jī)構(gòu)（滑動(dòng)阻尼軸承、鏈輪組封閉傳動(dòng)組、上部鏈輪附屬軸承開(kāi)放支承座）組成。在角鋼接觸到流水機(jī)構(gòu)滑落至水平位時(shí)，控制系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)動(dòng)作將角鋼推進(jìn)暫存單元位，角鋼暫存于流水機(jī)構(gòu)；此時(shí)，流水機(jī)構(gòu)暫存滿(mǎn)位的情況下，機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)將離流水機(jī)構(gòu)-角鋼置架料槽位置最近的角鋼推出流水機(jī)構(gòu)暫存單元位，流水機(jī)構(gòu)的一個(gè)工作周期完成。

2 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC 程序流程

根據(jù)工作流程，得到PLC 程序的工作流程，如圖4 所示。

圖4 PLC 系統(tǒng)流程

2.2 系統(tǒng)的控制接線

PLC 系統(tǒng)的接線圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)控制接線

2.3 PLC 編程

自動(dòng)模式工作的開(kāi)始，首先要進(jìn)行一個(gè)關(guān)于吊裝轉(zhuǎn)移流程的判定。即判定流水機(jī)構(gòu)角鋼存料區(qū)是否滿(mǎn)足暫存的空間以使角鋼在吊裝轉(zhuǎn)移之后能夠暫存。在判定時(shí)，需要了解到角鋼置架料槽內(nèi)是否存在角鋼。在存料區(qū)空間全滿(mǎn)而置架料槽內(nèi)不存在角鋼時(shí)，存料區(qū)的暫存單元將會(huì)行進(jìn)一個(gè)單元長(zhǎng)度以使存料區(qū)頭部暫存單元內(nèi)的角鋼入置架料槽中，以在存料區(qū)尾部余出一個(gè)單元以暫存吊裝轉(zhuǎn)移過(guò)程中的角鋼。當(dāng)置架料槽內(nèi)存在角鋼時(shí)，將會(huì)直接判定存料區(qū)的末端是否余有單元能夠?yàn)榈跹b轉(zhuǎn)移中的角鋼提供暫存。當(dāng)存料區(qū)和置架料槽空間全滿(mǎn)時(shí)，自動(dòng)模式將會(huì)進(jìn)入預(yù)定的休眠階段等待空間的空余。

在吊起角鋼后，將會(huì)進(jìn)行X軸的動(dòng)作將角鋼送入指定位置。針對(duì)吊起的角鋼的不同位姿，設(shè)置不同的程序進(jìn)行分別動(dòng)作控制。這里主要針對(duì)正“V”位姿時(shí)的控制進(jìn)行說(shuō)明。

如圖6 所示，在正“V”型角鋼位姿下，X8 端子得電，MC 主控繼電器不得電，范圍內(nèi)程序進(jìn)行。其他相關(guān)控制端子得電后，對(duì)應(yīng)常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，X 軸動(dòng)作至流水機(jī)構(gòu)末端工位，X 軸動(dòng)作完成。X13 流水機(jī)構(gòu)-X軸指定到位識(shí)別輸入端子得電，R10 復(fù)位，R11 置位激活Z 軸運(yùn)動(dòng)。Z 軸動(dòng)作模塊進(jìn)入梯形控制模式，設(shè)置相關(guān)脈沖數(shù)，角鋼即被送入流水機(jī)構(gòu)。在Z 軸將角鋼送至指定位置時(shí)，Y6 復(fù)位，電磁吸附關(guān)閉，角鋼落入流水機(jī)構(gòu)指定位置，Z 軸回零，流程結(jié)束。

圖6 正位角鋼吊裝轉(zhuǎn)移程序

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)角鐵的自動(dòng)上料過(guò)程，轉(zhuǎn)化為自動(dòng)化的吊裝轉(zhuǎn)移準(zhǔn)備工作，解決了人工工作的高強(qiáng)度、低效率特性，保證了自動(dòng)化工作的較高效率和自動(dòng)化設(shè)計(jì)實(shí)施的較低成本，具有一定的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。