環(huán)模智能定孔疏通裝置設(shè)計研究

朱發(fā)運， 王昀， 朱發(fā)興， 董月， 陳肇麟

（1. 中國美術(shù)學(xué)院 南特設(shè)計聯(lián)合學(xué)院， 浙江 杭州 310002；2. 中國美術(shù)學(xué)院 工業(yè)設(shè)計學(xué)院， 浙江 杭州 310002；3. 南京航空航天大學(xué) 航空學(xué)院， 江蘇 南京 210016；4. 杭州漢品工業(yè)設(shè)計有限公司， 浙江 杭州 310000）

環(huán)模是飼料顆粒機的核心部件，其制造難度較大，且造價昂貴。在飼料生產(chǎn)中，因原料、環(huán)模材質(zhì)和質(zhì)量、操作工藝等的影響，常常會發(fā)生環(huán)模模孔堵塞現(xiàn)象，在模孔內(nèi)形成硬度和密度較大的固化料栓[1-2]。壓輥對物料的擠壓下，模孔壁與料栓產(chǎn)生摩擦而使環(huán)模磨損，磨損維修費占環(huán)模整體維修費的25%以上，且會使環(huán)模失效，大大縮短環(huán)模的使用壽命[3-5]。因此，對?？走M行有效的疏通和維護非常重要，可以降低設(shè)備維護成本，保障飼料生產(chǎn)順利進行。

針對堵塞的?？祝刹捎脽崴驘嵊徒蠓ㄟM行疏通，對模孔內(nèi)殘留的少量料栓，用軟質(zhì)棒進行清理，但此法耗時長、清理效率低；另一種疏通方法為鉆孔疏通法，即由人工用電鉆逐孔清理，但清理時工作強度大、效率低，且易對?？自斐晒蝹鸞6-7]。目前，國內(nèi)外針對環(huán)模定孔疏通的研究主要集中在清理裝置半自動化結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計上[8-9]；王紹等[10-11]進行了?？浊謇硌b置自動化控制研究，構(gòu)建了微控制系統(tǒng)以實現(xiàn)自動疏通，但裝置設(shè)計復(fù)雜、質(zhì)量較大、操作較難；冀勛等[12-13]進行了?？讌?shù)檢測原理等研究，設(shè)計了相關(guān)的傳感器探頭和模孔參數(shù)檢測裝置，但裝置的自動化應(yīng)用程度較低。設(shè)計合適的?？浊謇硌b置，開展高效定孔檢測、自動化疏通等的理論與實驗研究，對?？锥氯沫h(huán)模進行智能定孔疏通，對推動顆粒制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要作用。

作者在已有研究的基礎(chǔ)上[14-15]，通過對環(huán)模?？讬z測原理、裝置機械結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)軟硬件的分析，設(shè)計了一套環(huán)模智能定孔疏通裝置，其具有操作簡便、定位精度高、運行穩(wěn)定可靠及性價比高等優(yōu)點，可快速高效地對堵塞?？走M行極小磨損的疏通，提高飼料生產(chǎn)的效率和產(chǎn)量。

1 環(huán)模模孔檢測原理

高磁導(dǎo)率的鐵磁性導(dǎo)體受到外界磁場磁化后，其缺陷處的磁力線會發(fā)生扭曲，甚至有部分磁力線會從缺陷處溢出[16-18]。設(shè)正常環(huán)模壁的磁感應(yīng)強度為B1，環(huán)模壁截面積為S1，則正常環(huán)模壁截面的磁通量Φ1=B1S1；設(shè)?？滋幋鸥袘?yīng)強度為B2，?？捉孛娣e為S2，?？滋幠１诮孛娣e為S1-S2，則帶?？椎沫h(huán)模壁截面的磁通量Φ2=B2(S1-S2)；通過環(huán)模壁的總磁通量是一定的，即Φ1=Φ2，則B2=B1S1/(S1-S2)，因此，?？字車穆┐磐颗c模孔截面積和環(huán)模壁的磁感應(yīng)強度相關(guān)。

環(huán)模模孔漏磁檢測原理如圖1所示。采取針對性的檢測手段對環(huán)模進行漏磁檢測，即可對模孔定位?；魻杺鞲衅魇且环N基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，可以檢測到磁場的變化。在霍爾傳感器的探測頭接近?？住⒁浦量仔暮涂淄獾倪^程中，傳感器的輸出電壓會有一個極大值，出現(xiàn)電壓極大值時傳感器所處的位置即為檢測到的?？孜恢肹19-21]?；魻栃?yīng)可以表示為[19-21]：

圖1 環(huán)模?？茁┐艡z測原理示意Fig.1 Schematic diagram of magnetic leakage detection for ring die hole

式中：UH為霍爾電壓，V；RH為霍爾系數(shù)；I為傳感器敏感元件的電流，A；B為磁感應(yīng)強度，T；t為敏感元件厚度，mm。

2 智能定孔疏通裝置的設(shè)計

環(huán)模智能定孔疏通裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由機械結(jié)構(gòu)、下位機軟硬件和上位機軟件三部分組成。作者自主設(shè)計的?？锥ㄎ皇柰K安裝于Dobot機械手的固定端，與機械手共同組成裝置的機械結(jié)構(gòu)；控制器通過3個Tb6560步進電機驅(qū)動器實現(xiàn)對步進電機及機械手的控制；上臂步進電機通過連桿機構(gòu)實現(xiàn)機械手上臂擺動；下臂步進電機與下臂配合連接實現(xiàn)機械手下臂擺動；旋轉(zhuǎn)平臺與固定平臺通過平面推力球軸承配合連接，旋轉(zhuǎn)步進電機實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)平臺在固定平臺上的轉(zhuǎn)動；模孔定位疏通模塊在工作過程中保持水平狀態(tài)，實現(xiàn)對環(huán)模?？椎亩ㄎ慌c疏通。

圖2 環(huán)模智能定孔疏通裝置的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of intelligent fixed hole dredging device for ring die

2.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

模孔定位疏通模塊如圖3所示，其上蓋和中體架結(jié)構(gòu)如圖4所示。模塊通過其下蓋導(dǎo)槽與機械手前端的連接件進行連接固定，上蓋和中體架與電磁鐵模塊、霍爾傳感器探頭及線纜接頭進行配合固定，中體架和下蓋對疏通電機進行壓緊固定。對模塊的核心部件進行穩(wěn)固支撐與安裝，以保障模塊及其部件在?？锥ㄎ皇柰üぷ髦蟹€(wěn)定運行。

圖3 ?？锥ㄎ皇柰K示意Fig.3 Schematic diagram of die hole positioning dredging module

圖4 ?？锥ㄎ皇柰K上蓋和中體架結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of upper cover and middle frame of die hole positioning dredging module

霍爾傳感器用于堵塞模孔的定位；聯(lián)軸器和疏通電機與逆磁性鉆頭相連，實現(xiàn)對堵塞?？椎氖柰ǎ浑姶盆F模塊由電磁線圈和鐵芯組成，形成電磁磁場以實現(xiàn)檢測；模塊上蓋、中體架、下蓋、聯(lián)軸器、螺釘均由拒磁性材料制造而成；線纜接頭外皮由拒磁性屏蔽套包裹，在?？锥ㄎ粫r可減少其對磁力線的干擾，保證?？锥ㄎ痪?。

2.2 下位機軟硬件設(shè)計

下位機的硬件如圖5所示。微控制單元（microcontroller unit，MCU）采用基于ARM （advanced RISC（reduced instruction set computer）machine，高級精簡指令集計算機）的高性能Coxtex-M3內(nèi)核32位STM32F103系列處理器，其具有高性能、低電壓、低功耗等優(yōu)點。MCU結(jié)合外部的步進電機控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換、整流濾波等應(yīng)用電路和模塊，實現(xiàn)裝置運行控制、磁信號檢測、?？锥ㄎ缓褪柰皵?shù)據(jù)處理等功能。

圖5 下位機硬件Fig.5 Hardware of lower computer

下位機控制流程如圖6所示。系統(tǒng)啟動后首先進行初始化，然后掃描輸入的按鍵并進行處理。當按鍵為K2時，進行系統(tǒng)及機械手復(fù)位。當按鍵為K1時，其控制流程為：1）MCU控制電磁鐵通電，形成?？讬z測所需的磁場。2）ADS1110模數(shù)轉(zhuǎn)換器實時將霍爾傳感器采集的磁場模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并發(fā)送給MCU。3）LCD（liquid crystal display，液晶顯示屏）顯示模塊顯示裝置的實時運行狀態(tài)。4）MCU通過串口或無線模塊將信號數(shù)據(jù)傳送至上位機，同時控制機械手運行。5）?？锥ㄎ皇柰K檢測模孔：若檢測到環(huán)模壁上無?？?，則判斷所有模孔是否檢測完成，若所有模孔檢測完畢，則結(jié)束任務(wù)，否則系統(tǒng)繼續(xù)運行：若檢測到環(huán)模壁上有?？祝瑒tMCU控制電磁鐵斷電，控制機械手將?？资柰K的逆磁性鉆頭運動至?？孜恢?，疏通電機運行，鉆頭疏通?？祝瓿珊驦ED和蜂鳴器提示本次?？资柰ㄍ瓿?，并繼續(xù)進行下一個?？椎臋z測及疏通，直至所有?？讬z測、疏通完成。

圖6 下位機控制流程Fig.6 Control flow of lower computer

2.3 上位機軟件設(shè)計

采用PC作為上位機，軟件采用VC（Virtual C++）開發(fā)語言。上位機采用了Microsoft Communications Control控件、按鈕控件、組合框控件、靜態(tài)文本控件和list control控件等。上位機界面如圖7所示。通過設(shè)置串口參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收并轉(zhuǎn)化成波形；可調(diào)節(jié)、控制ADS1110數(shù)模轉(zhuǎn)換器的增益和轉(zhuǎn)換速率，顯示并存儲其轉(zhuǎn)換數(shù)值信息和用戶個人信息；電壓值表征?？椎穆┐磐?，來反映對環(huán)模模孔的檢測情況。同時，設(shè)計了上位機對疏通電機的控制操作，以進行裝置的調(diào)試及控制。

圖7 上位機界面Fig.7 Interface of upper computer

3 智能定孔疏通實驗

3.1 實驗方案

按照圖8所示的方案開展環(huán)模智能定孔疏通實驗。將機械手底端安裝在其下側(cè)固定臺上，環(huán)模固定在環(huán)模固定臺上，機械手旋轉(zhuǎn)電機的旋轉(zhuǎn)軸位于環(huán)模中心位置，以保證其精確便捷地進行環(huán)模定孔疏通?？刂破骷熬€纜安裝固定在機械手固定臺上，機械手固定臺面低于環(huán)模固定臺面。機械手上臂保持伸展狀態(tài)，?？锥ㄎ皇柰K、機械手及相關(guān)線纜在移動過程中不與環(huán)模接觸，以免發(fā)生干涉。

圖8 環(huán)模智能定孔疏通實驗方案示意Fig.8 Schematic diagram of experimental scheme of intelligent fixed hole dredging for ring die

智能定孔疏通裝置安裝在待檢測環(huán)模內(nèi)側(cè)，其與上位機通過串口模塊通信?；魻杺鞲衅骱湍娲判糟@頭的初始位置位于環(huán)模壁第1排無?？滋?，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機，使機械手、疏通模塊旋轉(zhuǎn)并檢測?？?。當檢測、定位到第1個?？缀?，系統(tǒng)控制上臂、下臂步進電機及疏通電機，使逆磁性鉆頭對模孔進行疏通。疏通完成后依次完成環(huán)向360°內(nèi)第1排所有模孔的檢測及疏通，然后回到第1排初始位置。系統(tǒng)控制機械手向下運動1個環(huán)模間距而到達第2排無?？滋?，然后進行第2排所有?？椎亩ㄎ患笆柰?，當檢測完環(huán)模所有?？缀?，裝置運行結(jié)束并復(fù)位。

3.2 實驗過程

首先對環(huán)模智能定孔疏通裝置進行調(diào)試，如圖9所示。對裝置的機械結(jié)構(gòu)、軟硬件進行聯(lián)動調(diào)試，使機械手運行正常，下位機和上位機的運行及其通信正常，以確保疏通裝置可以穩(wěn)定運行。

圖9 環(huán)模智能定孔疏通裝置的調(diào)試Fig.9 Debugging of intelligent fixed hole dredging device for ring die

疏通裝置調(diào)試完成后，進行裝置的性能測試，對堵塞的環(huán)模進行智能定孔疏通實驗。實驗現(xiàn)場如圖10所示。需修復(fù)環(huán)模的外徑為350 mm，內(nèi)徑為320 mm；?？咨疃葹?0 mm，直徑為3 mm。調(diào)整機械手固定臺，使旋轉(zhuǎn)電機的旋轉(zhuǎn)軸與環(huán)模中心保持同軸心；將?？锥ㄎ皇柰K置于環(huán)模壁第1排無模孔處；啟動裝置，系統(tǒng)開始運行，進行?？椎亩ㄎ患笆柰ā?/p>

圖10 環(huán)模智能定孔疏通實驗現(xiàn)場Fig.10 Experimental site of intelligent fixed hole dredging for ring die

在無?？滋幧衔粰C界面顯示的波形如圖11所示，所測環(huán)模壁處的電壓約為0.894 V，波形無波動，此處無漏磁，系統(tǒng)判定為無模孔。裝置繼續(xù)運行，波形發(fā)生波動，?？滋庪妷杭s上升至0.944 V，如圖12所示，表明該處出現(xiàn)了漏磁，系統(tǒng)判定為有?？祝藭r電磁鐵斷電，疏通模塊運行至模孔處，逆磁性鉆頭對?？走M行疏通；疏通完成后，電磁鐵再次上電，繼續(xù)進行?？讬z測及疏通，直至所有模孔疏通完成。

圖11 無模孔時的電壓波形Fig.11 Waveform diagram without die hole

圖12 有?？讜r的電壓波形Fig.12 Waveform with die hole

3.3 實驗結(jié)果與分析

實驗所測試的?？卓倲?shù)為3 591個，共用時約2.85 h，?？资柰ㄐ矢哌_1 260個/h。經(jīng)檢查，被刮傷的?？子?個，刮傷率約為0.139%。發(fā)生刮傷的主要原因是，部分?？滋幜粲蓄B固廢屑，一些?？椎谋砻娌粔蚬饣?、存在毛邊，以及裝置出現(xiàn)非正?；味?。但刮傷傷痕較小，不影響環(huán)模在飼料生產(chǎn)中的正常使用。可見，采用智能定孔疏通裝置疏通模孔，疏通效率高，刮傷率低，可有效解決飼料顆粒生產(chǎn)中堵塞環(huán)模的疏通問題。

4 結(jié) 論

作者設(shè)計了環(huán)模智能定孔疏通裝置。裝置整體結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，成本低；通過?？锥ㄎ皇柰K和漏磁通量檢測方法可實現(xiàn)模孔的高精度檢測與定位。采用該裝置，可實現(xiàn)?？鬃詣踊ㄎ患笆柰ǎ啾扔趥鹘y(tǒng)的疏通方法，能較大程度地降低刮傷率，提高疏通效率，滿足了行業(yè)的應(yīng)用需求，促進了金屬模孔探測疏通技術(shù)的發(fā)展。