廢舊鉛酸蓄電池打孔控制系統(tǒng)的研究

史興龍，丁文捷

（寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

目前我國鉛的礦產(chǎn)資源已瀕臨枯竭，保障年限不足5年，鉛的需求越來越依靠鉛的二次資源，由此廢舊鉛酸蓄電池回收處理產(chǎn)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生[1]。我國廢舊鉛酸蓄電池回收行業(yè)總體處于一種無序狀態(tài)，其技術(shù)裝備水平低、金屬回收率低、能耗高，因此高效綠色和規(guī)范機(jī)制成為該行業(yè)發(fā)展研究的重點(diǎn)[2]。

國內(nèi)廢舊鉛酸蓄電池破拆回收采用的是切割分離方法。拆解的首要步驟是對電池頂蓋進(jìn)行打孔，目的在于將酸液從孔位排放干凈，避免在后期處理過程中造成酸液泄漏。蓄電池內(nèi)的酸液具有強(qiáng)腐蝕性，已列入《國家危險廢物名錄》其他廢物（HW49，900-044-49），因此破拆前排除酸液是必不可少的環(huán)節(jié)[3-4]。傳統(tǒng)廢舊鉛酸電池倒酸采用人工打孔方式，每次只能打出單孔，費(fèi)時費(fèi)力且效果完全依靠工人的經(jīng)驗，技術(shù)不夠規(guī)范，打孔步驟繁多，自動化程度低，并且操作時含鉛的硫酸水溶液四濺，會對環(huán)境和人體造成傷害，這種有害物質(zhì)在人體內(nèi)或自然環(huán)境中會造成永久性的損害[5]。因此，需要設(shè)計一種打孔裝置滿足機(jī)械化打孔需求，從而彌補(bǔ)人工打孔的不足，減少碎屑的產(chǎn)生，提高打孔效率。

1 控制系統(tǒng)的組成模塊

廢舊鉛酸蓄電池打孔控制系統(tǒng)由打孔硬件裝置部分和控制軟件部分組成，見圖1。硬件部分中，打孔裝置實現(xiàn)各個鉆頭的分級變距、機(jī)架升降和定位輸送電池；軟件部分中，通過RS485 串口模塊實現(xiàn)硬件裝置與PC 機(jī)的數(shù)據(jù)通信。用戶可以通過MFC窗口界面配置通訊端口和波特率，實現(xiàn)手動輸入鉆頭位置打孔和自動讀碼打孔，打孔運(yùn)行模塊和機(jī)頭位置模塊可完成啟停打孔、顯示位置等操作。

圖1 打孔控制系統(tǒng)組成部分

2 硬件基本組成

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

打孔控制系統(tǒng)的硬件部分采用了一種鉛酸蓄電池可陣列打孔輸送裝置，主要包括：動力驅(qū)動裝置、拉桿變距裝置、機(jī)架升降裝置、電池定位輸送裝置。動力驅(qū)動裝置由移動滑塊、氣缸、浮動接頭和輔助推塊組成；拉桿變距裝置由彼此連接成滑槽副的滑槽桿和滑槽塊組成；機(jī)架升降裝置由升降滑板、升降滑軌、底座板、底座氣缸及底座浮動接頭組成；電池定位輸送裝置由電機(jī)和帶周轉(zhuǎn)箱的傳送帶組成。打孔控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 打孔控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

自動化可陣列式打孔裝置可實現(xiàn)一次性同步打孔，打孔裝置的實施動作如下：將鉛酸蓄電池在同一水平線上線性排列，利用電機(jī)驅(qū)動裝置實現(xiàn)聯(lián)動，即氣缸與浮動接頭配合。浮動接頭的作用是保證鉆距的定位精度，通過彼此連接成滑槽副的拉桿變距機(jī)構(gòu)來調(diào)整鉆頭之間的距離。氣缸活塞桿伸出至輔助推塊，輔助推塊與鉆頭固定座、滑槽塊、滑槽桿聯(lián)動實現(xiàn)分級變距，以適用于不同尺寸的電池打孔。陣列鉆頭運(yùn)動至電池外殼蓋的相應(yīng)目標(biāo)區(qū)域，定位完畢后，移動板內(nèi)擋銷伸出并與鉆頭固定座鎖死，執(zhí)行打孔指令。

硬件部分具有以下特點(diǎn)：

（1）自動化同步打孔。針對某一具有6 個鉛柵隔板的鉛酸蓄電池，打孔裝置可以對隔板一次性打出6 個鉆孔。為了滿足擴(kuò)充陣列排鉆的需求，系統(tǒng)根據(jù)具體情況能夠一次性完成N 個鉆孔。

（2）可調(diào)鉆頭間距。各個電池尺寸和倉數(shù)不同，系統(tǒng)能夠?qū)︺@頭間距進(jìn)行可調(diào)控制，突破了打孔種類單一的限制。

（3）更換排鉆操作簡單。在后續(xù)設(shè)備的運(yùn)維管理方面，為了便于安裝或拆卸鉆頭，系統(tǒng)設(shè)計了陣列排鉆的更換操作。

2.2 實施接線

實現(xiàn)鉛酸蓄電池打孔控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕b置有：VSMD103_025T 微型一體化步進(jìn)電機(jī)、RS485 串口模塊。該步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）輸入電壓（IVT）：12～40 V 直流電壓。

（2）波特率（BDR）：2 400～912 600 b/s。

（3）微步細(xì)分（MCS）：1/32 微步～全步。

（4）速度（SPD）：-192 000～192 000 r/min，正值代表電機(jī)正轉(zhuǎn)，負(fù)值代表電機(jī)反轉(zhuǎn)。

（5）勻速電流（CRN）：0～2.5 A，勻速狀態(tài)下降低電流，可減小電機(jī)發(fā)燙現(xiàn)象。

步進(jìn)電機(jī)1、步進(jìn)電機(jī)2、步進(jìn)電機(jī)3 分別驅(qū)動打孔鉆頭X，Y，Z 的運(yùn)動方向。步進(jìn)電機(jī)與RS485總線級聯(lián)在一起，可便于擴(kuò)展。RS485 接口最大可級聯(lián)16 個從設(shè)備。打孔裝置硬件接線圖如圖3 所示。

圖3 打孔裝置硬件接線圖

2.3 理論依據(jù)

打孔鉆頭運(yùn)行狀態(tài)和電機(jī)運(yùn)動距離的計算是保證裝置順利工作的重要依據(jù)。打孔鉆頭的選型計算主要包括鉆削力[6]，公式如下：

式中：Fc為打孔鉆的鉆削力，N；CFc為材料加工系數(shù)；fyfc為材料加工指數(shù)等于0.7 時的鉆削進(jìn)給量，mm/r；dzfc為材料加工指數(shù)等于1 時的打孔孔徑，mm；KFc為材料的硬度系數(shù)。

步進(jìn)電機(jī)的脈沖與裝置移動距離計算公式如下[7]：

式中：P 為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周需要的脈沖，個；l 為裝置移動的線位移，mm；C 為同步輪旋轉(zhuǎn)一周時行進(jìn)的距離，mm；d 為同步輪的直徑，mm。

3 軟件操作流程

3.1 控制界面

基于Visual Studio 2015（VS）MFC 窗口功能設(shè)計的打孔控制器界面如圖4 所示。程序代碼通過PC機(jī)發(fā)送至驅(qū)動裝置，實現(xiàn)打孔等操作。廢舊鉛酸蓄電池打孔控制系統(tǒng)軟件部分需要完成以下功能。

圖4 打孔控制器界面

（1）通訊模塊。打開/關(guān)閉通訊端口：用于實現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)RS485 串口模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。

（2）打孔碼模塊。讀碼：打開PC 機(jī)內(nèi)編譯程序文件，執(zhí)行打孔代碼指令。保存：將用戶編譯完成后的文件保存至PC 機(jī)。

（3）鉆頭位置調(diào)整模塊。置零：將實時運(yùn)動鉆頭X，Y，Z 軸位置清零。調(diào)整：執(zhí)行輸入鉆頭位置參數(shù)的指令?；亓阄唬簩崟r運(yùn)動鉆頭X，Y，Z 軸返回移動參考點(diǎn)。

（4）機(jī)頭位置模塊。實時顯示鉆頭X，Y，Z 軸移動位置和計時器讀數(shù)。

（5）打孔運(yùn)行模塊。打孔：開啟串口模塊通訊和電機(jī)使能，執(zhí)行打孔程序文件代碼。繼續(xù)：將系統(tǒng)的停運(yùn)狀態(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。終止：拒絕讀取當(dāng)前打孔程序代碼。急停：若遇特殊狀況，打孔裝置停止當(dāng)前工作。

軟件按鈕的功能在C++基礎(chǔ)上進(jìn)行編寫，文件項目為VSMD_LIB 應(yīng)用程序，程序函數(shù)主要包括以下內(nèi)容。

（1）“VSMD_LIB.cpp”：打孔軟件主應(yīng)用程序源文 件，包 含“stdafx.cpp”“VSMD_LIB.cpp”“VSMD_LIBDIg.cpp”。

（2）“VSMD_LIB.vcxproj”：向?qū)傻腣C++項目的主項目文件，包含項目文件版本、平臺、配置和項目功能信息。

（3）“VSMD_LIB.vcxproj.filters”：篩選器文件，包含有關(guān)項目文件與篩選器之間的關(guān)聯(lián)信息。

（4）“VSMD_LIB.h”：應(yīng)用程序的主頭文件，包括“Resource.h”“stdafx.h”“Vsmd.h”“VSMD_LIB.h”“VSMD_LIBDIg.h”。

（5）“VSMD_LIB.rc”：可編輯MFC 圖標(biāo)窗口界面等資源列表文件。

（6）“VSMD_LIB.ico”：應(yīng)用程序圖標(biāo)文件，包括標(biāo)題欄圖標(biāo)和machine 圖標(biāo)。

3.2 操作方法

打孔軟件可實現(xiàn)自動化打孔作業(yè)需求，輸入打孔程序代碼即可實現(xiàn)廢舊鉛酸蓄電池的打孔工序。打孔控制軟件運(yùn)行流程如圖5 所示。

圖5 打孔控制軟件運(yùn)行流程圖

具體實施步驟如下。

（1）連接完成打孔裝置的硬件連線后，利用RS485串口模塊實現(xiàn)打孔裝置軟、硬件之間的數(shù)據(jù)交互傳輸。信息流上傳至PC 機(jī)，此時串口模塊運(yùn)行燈閃爍。當(dāng)串口模塊通過USB 端口接入PC 機(jī)時，PC 機(jī)自動為其分配一個COM 端口，可在“我的電腦”下“設(shè)備管理器”的端口欄查看。打開Visual Studio 2015 界面程序，開啟裝置電源，電鉆頭空轉(zhuǎn)，預(yù)測試打孔裝置的平穩(wěn)性與安全性。待打孔裝置平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)后，將待破拆的廢舊鉛酸蓄電池放在打孔工作臺上。

（2）打開本地Windows 調(diào)試器，系統(tǒng)自動顯示Visual Studio 2015 MFC 打孔控制器窗口。用戶可以在通訊模塊輸入端口COM3 和波特率9 600 b/s；也可以在配置文件configuration.ini 中調(diào)整通訊參數(shù)，包括COM 端口和波特率。為了滿足RS485 串口模塊與PC 機(jī)適配要求，在記事本里自行輸入要更改的參數(shù)，保存后的配置文件及數(shù)據(jù)會自動更新至打孔控制器界面中。打開通訊端口按鈕后，若裝置正常運(yùn)行電機(jī)使能，串口模塊運(yùn)行燈閃爍并且可以聽到VSMD 步進(jìn)電機(jī)啟動響聲。

（3）當(dāng)鉆頭X，Y，Z 軸處于（0,0,0）位置時，鉆頭位置調(diào)整模塊里所有按鈕無效觸發(fā)，僅當(dāng)輸入鉆頭位置參數(shù)后才能有效觸發(fā)。點(diǎn)擊回零位按鈕，機(jī)頭運(yùn)動至程序預(yù)先設(shè)置好的重置點(diǎn)，為后續(xù)執(zhí)行打孔指令做好準(zhǔn)備。點(diǎn)擊打孔碼模塊中的讀碼按鈕，PC機(jī)自動彈出程序文件窗口，選擇預(yù)先編譯完成的標(biāo)準(zhǔn)測試文件，此時打孔碼模塊區(qū)域自動讀取“時刻，軸，脈沖數(shù)”參數(shù)程序，例如顯示：1，1，500；6，2，6 000；19，3，-5 500。其中軸1，2，3 分別代表步進(jìn)電機(jī)X，Y，Z的方向，“1，1，500”3 個參數(shù)含義為：當(dāng)計時器運(yùn)行時間為1 s 時，步進(jìn)電機(jī)僅移動X方向，電機(jī)運(yùn)行至設(shè)置位置的脈沖數(shù)為500 個。點(diǎn)擊打孔運(yùn)行模塊中打孔按鈕，打孔裝置可執(zhí)行打孔編譯程序，完成指令。機(jī)頭位置模塊可以實時顯示鉆頭X，Y，Z軸移動位置和計數(shù)信息。

（4）自動化打孔裝置在工作過程中一旦發(fā)生程序讀碼錯誤，產(chǎn)生碰撞打框等安全事故，可在打孔運(yùn)行模塊中點(diǎn)擊急停按鈕，打孔裝置會立即響應(yīng)，使電機(jī)脫機(jī)，并且同時關(guān)閉通訊端口，即串口模塊運(yùn)行燈不再閃爍，電機(jī)啟動響聲停止。再次點(diǎn)擊繼續(xù)按鈕時，可以恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)，即串口模塊運(yùn)行燈閃爍，電機(jī)啟動響聲，打孔裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

本文針對廢舊鉛酸蓄電池自動化打孔作業(yè)需求，設(shè)計了一種廢舊鉛酸蓄電池打孔控制系統(tǒng)，得出以下結(jié)論。

（1）打孔裝置硬件部分可實現(xiàn)自動化同步打孔、可調(diào)鉆頭間距、擴(kuò)充陣列排鉆功能。系統(tǒng)采用機(jī)械化生產(chǎn)代替人工操作，能夠提高生產(chǎn)效率，滿足工廠實際作業(yè)需求。

（2）軟件部分的基本組成模塊包括：通訊模塊、打孔碼模塊、鉆頭位置調(diào)整模塊、機(jī)頭位置模塊、打孔運(yùn)行模塊。軟件界面簡單易懂，用戶操作方便，靈活便捷，可調(diào)整端口設(shè)置以滿足機(jī)器適配需求，并且便于監(jiān)控和判斷打孔裝置的運(yùn)行狀態(tài)和程序讀碼的正誤，提升了軟、硬件交互的安全指數(shù)。

（3）本文給出了一種具體的打孔控制軟件操作方法。系統(tǒng)結(jié)合打孔裝置的技術(shù)參數(shù)范圍，選擇了適合本機(jī)使用的打孔運(yùn)行狀態(tài)，為用戶提供了清晰的操作邏輯。