基于PLC 的環(huán)衛(wèi)垃圾車上料機(jī)械手液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計*

張 鑫 王守城 易炳輝

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島 266061）

1 引言

隨著各種生活垃圾的增多，環(huán)衛(wèi)垃圾車作為一種垃圾集中收集處理的專用車輛，被廣泛應(yīng)用在城市、街道、鄉(xiāng)村的環(huán)衛(wèi)工作中。環(huán)衛(wèi)垃圾車需要通過上料機(jī)構(gòu)，將放置在垃圾桶中的各種垃圾收集到車載垃圾儲存箱中，直接進(jìn)行垃圾壓縮或運(yùn)回垃圾處理站進(jìn)行處理。對現(xiàn)有的上料機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計一種機(jī)電液一體化的機(jī)械手，整體安裝在環(huán)衛(wèi)垃圾車上，采用PLC作為控制器，以液壓為驅(qū)動方式，包括推出機(jī)構(gòu)、抓取機(jī)構(gòu)、提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、開合箱蓋機(jī)構(gòu)，更方便、更高效地實(shí)現(xiàn)垃圾的收集入車。

2 環(huán)衛(wèi)垃圾車上料機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)及工作原理

上料機(jī)械手搭載在環(huán)衛(wèi)垃圾車上，由推出機(jī)構(gòu)、抓取機(jī)構(gòu)、提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、開合箱蓋機(jī)構(gòu)組成，共同完成垃圾桶垃圾的收集。

推出動作由安裝在滑軌支架后方的液壓缸驅(qū)動，滑軌支架上端兩側(cè)安裝有滾輪，使其能夠沿著車身上的軌道上下滑動。液壓缸活塞伸出，使滑軌支架推出，同時帶動滑軌支架沿著軌道下移，實(shí)現(xiàn)滑軌支架的前伸，更加接近垃圾桶的位置，便于下一步的抓取動作。軌道和液壓缸共同承載滑軌支架，穩(wěn)定支撐，動作更加平穩(wěn)。

抓取機(jī)構(gòu)構(gòu)成的部分有基座、驅(qū)動液壓缸、抓取手爪，抓取手爪有兩只，安裝的位置是在基座上，抓取手爪內(nèi)表面裝有摩擦墊片，以增大摩擦力，并且防止抓取手爪過度磨損垃圾桶。當(dāng)需要抓取垃圾桶時，液壓缸驅(qū)動兩側(cè)的抓取手爪轉(zhuǎn)動，合并在一起，完成抓取垃圾桶的動作。

提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括滑軌支架、傳動鏈條、液壓馬達(dá)等構(gòu)成，當(dāng)抓取手爪完成抓取垃圾桶后，車廂蓋也隨之打開，為垃圾桶傾倒垃圾做好準(zhǔn)備。液壓馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動，帶動安裝在滑軌支架上的鏈條傳動，使基座能夠沿著滑軌支架中間的軌道移動，使抓取手爪隨鏈傳動而上下移動。當(dāng)基座和抓取手爪進(jìn)入滑軌支架頂端的弧形軌道內(nèi)，垃圾桶開始向內(nèi)傾斜，通過行程開關(guān)來確定垃圾桶的傾斜角度，傾斜角度為150°～170°。當(dāng)基座和機(jī)械手爪轉(zhuǎn)過170°時，觸發(fā)行程開關(guān)，液壓馬達(dá)卸荷停止轉(zhuǎn)動，待垃圾桶內(nèi)的垃圾全部傾倒入車后，液壓馬達(dá)開始反向轉(zhuǎn)動，帶動基座和抓取手爪向下移動，將垃圾桶送回地面。

開合箱蓋機(jī)構(gòu)包括箱蓋、滑板、舉升液壓缸等，箱蓋與滑板通過轉(zhuǎn)軸相連，滑板底端兩側(cè)安裝有滑輪。在抓取手爪完成抓取動作之后，舉升液壓缸將車箱蓋向上提升，帶動滑板沿著倒料斜切口處兩側(cè)的軌道向上滑行，倒料口被完全打開［1］。

圖1 環(huán)衛(wèi)垃圾車上料機(jī)械手動作流程圖

具體動作流程圖如圖1 所示，駕駛員駕駛垃圾車，通過位移傳感器檢測車體與垃圾桶的距離，側(cè)向接近垃圾桶的合適位置停下。推出液壓缸啟動，將滑軌支架向前推出，同時滑軌支架向下移動，抓取手爪將垃圾桶抓住，車箱蓋打開，液壓馬達(dá)驅(qū)動鏈條轉(zhuǎn)動，將抓取手爪提升、翻轉(zhuǎn)，垃圾桶傾倒垃圾，傾倒完畢后，液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)，將抓取手爪向下移動至垃圾桶底接觸地面，機(jī)械手爪松開，車箱蓋關(guān)閉，垃圾桶放回原地，推出缸縮回，將滑軌支架放回［2］。

2 環(huán)衛(wèi)垃圾車上料機(jī)械手液壓系統(tǒng)工作原理

上料機(jī)械手液壓系統(tǒng)主要包括四個部分，分別為推出機(jī)構(gòu)液壓回路、抓取機(jī)構(gòu)液壓回路、開合箱蓋機(jī)構(gòu)液壓回路、提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓回路，整部分液壓系統(tǒng)由一套液壓泵源供油，以液壓作為動力傳輸，驅(qū)動各個機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，整體液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 環(huán)衛(wèi)垃圾車上料機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理圖

推出機(jī)構(gòu)回路：推出機(jī)構(gòu)負(fù)載平穩(wěn)，在回路中串聯(lián)節(jié)流閥，通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)液壓缸運(yùn)動的速度。具體工作原理為：當(dāng)1YA 得到電時，三位四通電磁換向閥6 左位接通，壓力油從泵口流出，經(jīng)過換向閥6 的左位、節(jié)流閥7，最后流入推出液壓缸8 的無桿腔，有桿腔油壓小于無桿腔油壓，推出缸的活塞桿因此伸出，活塞運(yùn)動速度可以由節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，推出液壓缸將滑軌支架完全推出；然后1YA 失電，換向閥7 處于中位，滑軌支架始終處于被推出的狀態(tài)；當(dāng)垃圾傾倒完成，垃圾桶重新放回原地時，2YA 得電，換向閥右位接通，油液經(jīng)過換向閥右位進(jìn)入推出液壓缸8 的有桿腔，活塞桿縮回，回油路中，油液經(jīng)過節(jié)流閥流回油箱，滑軌支架平穩(wěn)收回［3］。

提升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回路：以液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)帶動鏈條的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而將抓取手爪提升，由于液壓馬達(dá)的功率較大，當(dāng)系統(tǒng)停止供油時，在自身和負(fù)載的慣性作用下，仍然會繼續(xù)轉(zhuǎn)動，所以在回路中用制動器來對液壓馬達(dá)進(jìn)行制動。具體工作原理為：抓取手爪完成抓取垃圾桶后，3YA 和5YA 同時得電，液壓油經(jīng)過二位二通換向閥5，一部分通過單向節(jié)流閥13 進(jìn)入制動液壓缸12，另一部分通過三位四通電磁換向閥左位、平衡閥10，進(jìn)入液壓馬達(dá)11 左腔。因?yàn)橹苿踊芈肥怯泄?jié)流閥，因此液壓油將會先進(jìn)入液壓馬達(dá)，這使得液壓馬達(dá)產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)矩，從而防止負(fù)載帶著馬達(dá)轉(zhuǎn)動，待制動液壓缸壓力大于彈簧調(diào)定壓力后，再解除制動，液壓馬達(dá)啟動、開始正轉(zhuǎn)，將抓取手爪提升起來；當(dāng)抓取手爪觸翻轉(zhuǎn)觸發(fā)導(dǎo)軌終點(diǎn)行程開關(guān)時，3YA 和5YA 失電，三位四通電磁換向閥處于中位，制動液壓缸油液馬上流回油箱，彈簧復(fù)位，迅速使液壓馬達(dá)制動，延時數(shù)秒，待垃圾桶內(nèi)垃圾完全傾倒后［4］，4YA 和5YA 得電，液壓油先經(jīng)過三位四通電磁換向閥右位進(jìn)入液壓馬達(dá)右腔，產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)矩后，制動液壓缸頂開彈簧，解除制動，液壓馬達(dá)開始反轉(zhuǎn)，將抓取手爪送回地面，進(jìn)油壓力大于回油壓力，回油路上的順序閥被打開，油液流回油箱；觸發(fā)起點(diǎn)行程開關(guān)時，4YA和5YA 失電，制動液壓缸迅速制動，液壓馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動。

“新政”是經(jīng)濟(jì)危機(jī)的結(jié)果，它對國民經(jīng)濟(jì)的干預(yù)擴(kuò)大了政府的權(quán)力與責(zé)任，但覆蓋范圍仍不夠廣，它的受益者主要是中產(chǎn)階級、農(nóng)民和那些有組織的具有優(yōu)勢的城市工薪階層中的白人，黑人、印第安人的遭遇仍然很悲慘，他們深受種族歧視、失業(yè)、貧困的折磨。

抓取機(jī)構(gòu)回路：抓取手爪是兩個液壓缸一起驅(qū)動，因此液壓缸的同步性需要考慮，在回路中增設(shè)分流集流閥，以此保證兩個液壓缸進(jìn)出油的同步，活塞桿縮回的時候，發(fā)揮集流的作用，活塞桿伸出的時侯，發(fā)揮分流的作用，在負(fù)載不均的情況下，仍然可以時兩個液壓缸分的相同的流量。抓取手爪在抓取垃圾桶時保持抓緊狀態(tài)，會存在壓力降低導(dǎo)致夾緊力變小的情況，因此需要進(jìn)行補(bǔ)油保壓，采用液控單向閥與電接觸式壓力表的保壓回路［5］。具體工作原理為：當(dāng)導(dǎo)軌支架推出后，抓取手爪接近垃圾桶，7YA 得電，三位四通電磁換向閥14 右位接通，油液經(jīng)過換向閥液控單向閥15、分流集流閥16，然后分別進(jìn)入抓取液壓缸18和19的無桿腔，活塞桿將會伸出，活塞桿伸出使得抓取手爪開始合并，完成抓取，當(dāng)壓力提升到電接觸式壓力表17 上限時，7YA 將會失電，三位四通電磁換向閥將會處于中位，液壓泵會卸荷，系統(tǒng)保壓，當(dāng)壓力下降到電接觸式壓力表17 下限時，7YA 再次得電，進(jìn)行補(bǔ)油，壓力回升。當(dāng)垃圾桶重新放回后，6YA得電，三位四通電磁換向閥此時處于左位，液壓油進(jìn)入抓取液壓缸有桿腔，回油路上的液控單向閥將被反向頂開，油液流回油箱［6］。

開合箱蓋回路：在抓取手爪完成抓取的時，8YA 得電，三位四通電磁換向閥20 處于左位，油液經(jīng)過節(jié)流閥21 進(jìn)入開合液壓缸22 的無桿腔［7］，活塞桿伸出，箱蓋被打開，然后8YA失電，換向閥處于中位，箱蓋保持打開狀態(tài)；當(dāng)抓取手爪松開后，9YA得電，換向閥將處于右位，油液會進(jìn)入液壓缸有桿腔，活塞桿縮回，油液經(jīng)過節(jié)流閥流回油箱［8］，箱蓋關(guān)閉。

根據(jù)各部分液壓回路原理和各個機(jī)構(gòu)的動作，可以得到環(huán)衛(wèi)垃圾車上料機(jī)械手液壓系統(tǒng)的電磁鐵動作邏輯表，如表1 所示，“-”表示電磁鐵失電，表中”+”表示電磁鐵得電。

表1 電磁鐵動作邏輯表

3 環(huán)衛(wèi)垃圾車上料機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計

以PLC（可編程邏輯控制器）作為系統(tǒng)的控制單元，接收傳感器的反饋信息，輸出指令來控制液壓泵驅(qū)動電機(jī)和電磁閥中的電磁鐵的得電與失電，實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)油液的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各個機(jī)構(gòu)的順序動作［9］。在設(shè)計控制系統(tǒng)之前，需要明確被控的對象，分析各個動作的邏輯關(guān)系，根據(jù)總體設(shè)計需求，來選擇PLC的基本單元和輸入輸出接口的分配，然后設(shè)計硬件的電氣線路連接圖，再編寫具體的PLC 程序，并進(jìn)行模擬和調(diào)試，直至結(jié)果滿足設(shè)計要求。

3.1 控制系統(tǒng)動作流程

設(shè)計完整的垃圾車上料機(jī)械手的動作流程圖，有助于后續(xù)的I∕O口的分配和軟件程序的編寫。垃圾車上料機(jī)械手的工作模式是順序工作［10］，在工作之前和工作完之后，上料機(jī)械手將都會處在原始位置，詳細(xì)的動作流程如圖3所示。

圖3 整體動作流程圖

1）各個機(jī)構(gòu)均處于初始狀態(tài)，等待操作信號發(fā)出；

3）推出缸伸出，滑軌支架被向前推出、并沿著導(dǎo)軌向下滑動，當(dāng)?shù)竭_(dá)限位開關(guān)1 時，停止，到達(dá)抓取的合適位置［11］；

4）抓取缸伸出，抓取手爪開始合并，直至限位開關(guān)2，抓緊垃圾桶，停止，同時箱蓋缸伸出，車箱蓋被打開，當(dāng)觸碰到限位開關(guān)3時，停止；

5）液壓馬達(dá)開始正轉(zhuǎn)，將抓取手爪提升起來至滑軌支架的上極限4，制動缸壓下，開始制動，液壓馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動，定時器開始計時，5s 后，制動缸退回，液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)，將抓取手爪下降，當(dāng)觸碰到滑軌支架的下極限5 時，垃圾桶到達(dá)地面，制動缸壓下，液壓馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動［12］；

6）抓取缸縮回，抓取手爪松開垃圾桶，當(dāng)觸碰限位開關(guān)6 時，停止，抓取手爪收回，同時箱蓋缸縮回，箱蓋下落，觸碰到限位開關(guān)7 時，停止，箱蓋完全關(guān)閉；

7）推出缸縮回，滑軌支架向后回動、并沿著導(dǎo)軌向上滑動，當(dāng)觸碰到限位開關(guān)8 時，停止，滑軌支架完全收回［13］；

8）液壓泵驅(qū)動電機(jī)停止。

3.2 PLC的地址分布和端子接線圖

根據(jù)動作流程圖的要求，選用西門子S7-200系列PLC，系統(tǒng)需要輸入接口20 個［14］，其中包括：電動機(jī)的啟停、推出缸的伸出與縮回、抓取缸的伸出與縮回、液壓馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)、制動缸的壓下與退回、箱蓋缸的伸出與縮回；垃圾桶傾倒延時；滑軌支架推出和收回的限位、抓取手爪抓住和收回的限位、滑軌支架的上下極限、箱蓋的上下極限。需要輸出量9 個，其中包括：液壓泵驅(qū)動電機(jī)啟動、滑軌支架的推出與收回、抓取手爪抓住垃圾桶與松開垃圾桶、抓取手爪將垃圾桶舉到料口和降到地面、箱蓋的打開與關(guān)閉。另外需要一個定時器，用于垃圾桶傾舉升到極限位置傾倒的延時［15］。輸入輸出接口均與CPU 相連，系統(tǒng)的電氣接線路如圖4所示。

圖4 PLC接線圖

4 結(jié)語

通過PLC控制的液壓系統(tǒng)，驅(qū)動上料機(jī)械手的各個機(jī)構(gòu)順序地動作，完成垃圾桶內(nèi)垃圾倒入車載收集箱的過程。整體設(shè)備實(shí)現(xiàn)了機(jī)電液一體化的設(shè)計，運(yùn)動平穩(wěn)，具有良好的自動化水平，可以運(yùn)用在城市街道和鄉(xiāng)村主干道的路邊垃圾收集，快速地實(shí)現(xiàn)各個垃圾點(diǎn)的垃圾回收。