萬宏鋼
(江西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江西 南昌 330000)
隨著海洋經(jīng)濟的快速發(fā)展,海洋垃圾越來越多,對沿海城市以及海洋生物造成了嚴(yán)重影響[1-3]。目前主要靠人工對海面上的大量垃圾進(jìn)行清理和收集,不僅費時費力,而且工作效率一般,這一現(xiàn)狀觸發(fā)了人們對機械化水面清掃船的需求[4]。筆者研制的“海洋環(huán)境衛(wèi)士”是一種清理和收集海面垃圾的新型工具船,如圖1所示,可以實現(xiàn)自動化控制,完成垃圾的收集、篩選、粉碎和壓縮打包等一系列無人化操作,不僅節(jié)省了人工成本,還大大提高了工作效率。目前高性能的海面清掃船僅集中在船舶建造工業(yè)發(fā)達(dá)的少數(shù)國家,但需求量卻是全球性的,因此該產(chǎn)品具有廣闊的市場前景[5-8]。
圖1 海洋環(huán)境衛(wèi)士
“海洋環(huán)境衛(wèi)士”具有操作自動化、功能模塊化、智能化等特性,包括6大系統(tǒng)。
1)攔截系統(tǒng):包括傳動和攔截兩部分。利用螺旋傳動將擋板推出,隨后通過齒輪與連桿相結(jié)合的方式驅(qū)動擋板展開,從而攔截垃圾。
2)傳送系統(tǒng):由伸縮履帶裝置和傳送裝置組成。履帶和卷揚機通過伸縮裝置伸入水面以下,卷起攔截網(wǎng)上的垃圾,隨后由傳送裝置將垃圾傳送至下一系統(tǒng)。
3)預(yù)處理系統(tǒng):通過一系列預(yù)處理可以對垃圾進(jìn)行分揀和粉碎,便于后續(xù)的打包處理。
4)打包回收系統(tǒng):經(jīng)過預(yù)處理的垃圾通過導(dǎo)槽掉落至壓縮箱,隨后電機啟動運轉(zhuǎn),帶動壓縮機體的齒輪齒條往復(fù)運動,實現(xiàn)垃圾壓縮打包處理,方便后續(xù)回收儲存。
5)智能倉儲系統(tǒng):推出裝置將壓縮箱推出,再通過智能機械夾子將壓縮箱進(jìn)行堆放。實現(xiàn)這兩個動作后推出裝置復(fù)位,再由換箱裝置進(jìn)行換箱操作。
6)智能識別系統(tǒng):利用In-Sight軟件實現(xiàn)智能視覺系統(tǒng),使其能夠?qū)ο潴w容量進(jìn)行智能化識別。
智能控制部分由4塊慧魚編程接口板和計算機聯(lián)合控制。當(dāng)接通工作開關(guān)后,程序啟動,各個部分無需單獨操作,利用計數(shù)器與限位開關(guān)聯(lián)合工作,實行精確控制,如圖2所示。攝像頭可以隨時判斷壓縮機構(gòu)是否正常運行。當(dāng)正常運行時,攝像頭捕捉畫面正常,以此來監(jiān)測壓縮裝置;當(dāng)非正常運行時,攝像頭捕捉畫面異常,電腦以及船身控制器發(fā)出警報,并能精確定位故障部位。
圖2 智能控制部分
擋板通過螺旋傳動推出,隨后通過齒輪與齒條進(jìn)行前后運動從而帶動連桿將擋板展開,如圖3所示。
圖3 攔截裝置開啟與關(guān)閉
伸縮履帶裝置如圖4所示,當(dāng)需要收集垃圾時,通過TXT控制,啟動電機帶動絲桿旋轉(zhuǎn),將卷揚機及貯帶倉伸長至水面并延伸至水下,進(jìn)行垃圾處理的準(zhǔn)備工作。
圖4 伸縮履帶裝置
當(dāng)卷揚機到達(dá)指定收集位置后,啟動電機帶動卷揚機開始運動,將需要收集的垃圾通過卷揚機的旋轉(zhuǎn)運輸?shù)铰膸胺胶?,履帶啟動,將收集到的垃圾向分揀裝置運送。裝置由鏈傳動進(jìn)行,使裝置平均傳動比準(zhǔn)確,工作可靠,效率高。
裝置通過預(yù)留間隙以及齒輪之間的嚙合達(dá)到篩選和粉碎的目的,且兩者之間完全由齒輪傳動,保證了裝置的準(zhǔn)確性和可靠性。在垃圾運送的途中,分揀裝置啟動,通過電機進(jìn)行震動,將收集到的垃圾按照體型分為小型及大中型垃圾,小型垃圾通過篩選滑至垃圾收集箱,大中型垃圾則前往粉碎裝置。分揀裝置具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 分揀裝置
在分揀裝置啟動過程中,粉碎裝置啟動,如圖6所示。大中型垃圾通過篩選裝置進(jìn)入粉碎機,粉碎機通過電機帶動兩組高速運轉(zhuǎn)的齒輪對垃圾進(jìn)行破碎,完成破碎的垃圾落入垃圾收集箱中。
圖6 粉碎裝置
通過電機帶動鏈傳動,實現(xiàn)兩端螺桿的同步上下運動,使隔擋門實現(xiàn)開啟和關(guān)閉狀態(tài),進(jìn)而更好地控制垃圾的進(jìn)入量,從而使壓縮裝置更好地工作,隔擋裝置如圖7所示。
圖7 隔擋裝置
粉碎后的垃圾和小型垃圾落入垃圾收集箱后,壓縮裝置啟動,如圖8所示。通過電機運轉(zhuǎn),帶動壓縮機體的齒輪齒條傳動進(jìn)行往復(fù)運動,由自身重力對垃圾進(jìn)行壓縮打包。
圖8 壓縮裝置
當(dāng)垃圾壓縮完成后,通過電機帶動箱體下方的齒輪齒條傳動,進(jìn)行箱體的前后運動,達(dá)到將箱體推出的目的,以便切換箱體。推出裝置及齒條導(dǎo)軌如圖9所示。
圖9 推出裝置
通過電機驅(qū)動螺桿前后運動,使新的箱體被推至壓縮裝置下,儲存好的箱子通過重力下落,進(jìn)行下一輪回。換箱裝置具體結(jié)構(gòu)如圖10所示。
圖10 換箱裝置
上端具有導(dǎo)軌可供智能抓取裝置在倉庫內(nèi)上下左右運動,從而能夠?qū)崿F(xiàn)自動化入庫,智能堆疊。下方具有承重柱,具有承重量大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點。智能倉儲裝置總體視圖如圖11所示。
圖11 智能倉儲裝置總體視圖
當(dāng)箱體推出時,智能抓取裝置將通過導(dǎo)軌移動到箱體上方進(jìn)行抓取,裝置設(shè)有自動升降,可在倉庫內(nèi)全方位移動進(jìn)行貨物堆疊。智能抓取裝置主體部分如圖12所示,可實現(xiàn)以下操作。
圖12 智能抓取裝置主體部分
1)爬升:通過齒輪與齒條嚙合進(jìn)行爬升,傳遞動力大、壽命長,工作平穩(wěn),可靠性高。
2)左右:通過鏈條傳動,實現(xiàn)左右精確運動。
3)前后:利用4個負(fù)重輪在導(dǎo)軌上進(jìn)行前后運動,負(fù)重輪上有橡膠包裹,用于增加摩擦力。
4)夾抓:兩條螺桿并排放置,二者之間通過齒輪傳動達(dá)到開合的目的。
通過太陽能和風(fēng)能搭建風(fēng)光互補供電系統(tǒng),從而實現(xiàn)節(jié)能,具體如圖13所示。
圖13 節(jié)能裝置
推進(jìn)裝置利用3組相互嚙合的齒輪,由編碼電機帶動齒輪運動,實現(xiàn)船體的前進(jìn)與后退,具體如圖14所示。
圖14 推進(jìn)裝置
利用In-Sight軟件的智能視覺系統(tǒng),使其能夠?qū)ο潴w容量進(jìn)行智能化識別,智能識別裝置如圖15所示。
圖15 智能識別裝置
本裝置的智能控制系統(tǒng)由ROBO Pro控制軟件、接口板和傳感器組成,能夠?qū)ι炜s裝置的伸出與縮回等步驟進(jìn)行控制[9-10],科學(xué)性和先進(jìn)性在于:
1)對接口板進(jìn)行了擴展操作,電機接口由原來的4個變成了8個,同時I/O口的數(shù)量也擴展為原來的兩倍,保證作品所需的電源、輸入信號、輸出信號都可以連入控制器中,控制環(huán)衛(wèi)車完成所有的動作??刂破鲗Ω麟姍C、傳感器的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,進(jìn)一步保證了“海洋環(huán)境衛(wèi)士”運行的可靠性。
2)本裝置利用限位開關(guān)檢測機構(gòu)運行的位置,控制機器的運行、停止或計數(shù),把數(shù)字量的結(jié)果即0或1返回給控制器。相比其他類型的傳感器采用延時的控制方式,本設(shè)計中的限位開關(guān)可以精確控制電機運行的時間,這大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。
1)智能倉儲:智能機械平臺能夠?qū)崿F(xiàn)在倉庫內(nèi)上下左右運動,從而能夠?qū)崿F(xiàn)自動化入庫。
2)伸縮裝置:能有效收集水面垃圾和漂浮垃圾,大大提高了工作效率。
3)換箱裝置:通過電機驅(qū)動螺桿前后運動,進(jìn)而使新的箱體被推送至壓縮裝置,存儲好的箱子則通過重力下落進(jìn)行下一道工序。