木竹加工氣力除塵系統(tǒng)管道沉積物清除機器人的設(shè)計

馬 康, 李紹成, 周曦禾, 李偉光, 周捍東*

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210037;2.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所,北京 100091)

除塵系統(tǒng)已被廣泛地應(yīng)用在各類木竹制品生產(chǎn)企業(yè),在保護室內(nèi)人機與室外大氣環(huán)境發(fā)揮著不可替代的作用。然而,在實際應(yīng)用中,除塵系統(tǒng)常因產(chǎn)品生產(chǎn)工藝與機床開啟數(shù)量的變化,以及由此帶來除塵系統(tǒng)工況的變化,造成除塵系統(tǒng)主管道的氣流速度降低,從而導(dǎo)致木質(zhì)碎料在水平主管內(nèi)沉積,甚至將管道堵塞。采用人工疏通清理,費工費時,且清理不當(dāng)會誘發(fā)粉塵爆炸[1,2];利用除塵系統(tǒng)空載時主管內(nèi)自身的高速氣流可清除沉積的碎料,以及其中夾帶的金屬雜物,但金屬雜物與管道壁面碰撞可能產(chǎn)生也足以誘發(fā)粉塵爆炸的火花[2]。2005-2015年木質(zhì)粉塵爆炸占全國粉塵爆炸事故總數(shù)的19.4%[3],位于工貿(mào)行業(yè)第二位;對2005-2020年期間發(fā)生的67起粉塵爆炸事故的點火源分析表明,有57.2%的事故發(fā)生在電氣設(shè)備和打磨設(shè)備,42.8%木粉爆炸引發(fā)原因是不明火花[1]。誘發(fā)木粉塵爆炸的點火源諸多,據(jù)筆者調(diào)查與分析,各類產(chǎn)生粉塵的加工設(shè)備均采用氣力輸送與除塵裝置,混雜在切屑碎料中磁性金屬雜物(如螺釘、螺母、鐵釘)進入除塵裝置,與風(fēng)機、管道碰撞產(chǎn)生的火花是引起粉塵爆炸的誘因之一[2]。

針對木材加工除塵系統(tǒng)存在的上述問題,本文作者提出了一種具有清堵與除鐵功能、自適應(yīng)變徑的管道機器人,采用SolidWorks設(shè)計了其機械結(jié)構(gòu)與模型,研發(fā)了基于Wi-Fi通信的上下位機協(xié)同作用的控制系統(tǒng)。

1 功能設(shè)計

對于設(shè)計無缺陷的除塵系統(tǒng)而言,物料在水平主管道內(nèi)沉積的原因是其實際氣流量低于理論上允許的速度下限。造成氣流量降低的因素諸多,如部分支管閥門的關(guān)閉、風(fēng)機失速、除塵器阻力過大等。這些因素發(fā)生變化具有不確定性,碎料在管道內(nèi)發(fā)生沉積的時段與頻率和沉積量也是不可預(yù)測的。為避免管道堵塞的發(fā)生,采用自動機械裝置,根據(jù)日常掌握的物料沉降狀況,定期或不定期地對除塵主管道進行疏通以清除沉積碎料并剔除其中夾雜的磁性金屬,這是一種安全、有效、便利的防爆措施。

本文設(shè)計的管道機器人工作原理為:清理管道時,除塵系統(tǒng)保持運行,關(guān)閉與機床連接的各吸塵分支管閥門,機器人順著氣流流動方向、沿著管道長度方向運動,撥料輪的鏟斗在管道的下部將沉積的碎料鏟起。裝有碎料的鏟斗運行至管道截面中上部的過程中,鏟斗內(nèi)的碎料在其重力作用下自由下落,在氣流作用下,細(xì)小的顆粒以懸浮狀態(tài)重隨氣流向前運動,粗大的顆粒則像移動沙丘一樣在管道截面的下部被清除。同時,撥料輪的輪輻安裝的圓環(huán)狀永久磁鐵在撥料輪前形成磁場,下落碎料中的磁性金屬雜物被吸附于環(huán)形磁鐵表面,從而達到清除沉積碎料和剔除磁性雜質(zhì)的目的。

該管道機器人的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。鑒于物料沉積易發(fā)生在氣流量出現(xiàn)變化的水平管道,且除塵主管道多為變徑管道,機器人采用三組輪組,呈三角形支撐結(jié)構(gòu),其下部兩組輪組為固定式行走機構(gòu),上部一組輪組為變徑支撐。上位機的指令通過路由器的Wi-Fi通訊對機器人的撥料、往復(fù)行走及速度等進行控制,并對其運行狀態(tài)進行檢測。在工作區(qū)段的兩端分別設(shè)置了兩組位置傳感器,該位置傳感器信號由上位機通過數(shù)據(jù)采集卡進行信號采集,用于機器人返回、復(fù)位的速度控制和運行終端位置感知。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖1.磁性吸盤;2.撥料構(gòu)件;3.工業(yè)路由器;4.變徑機構(gòu);5.行走機構(gòu);6.主管道(變徑);7.位置傳感器

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

機器人虛擬樣機如圖2所示,由沉積物拋撒和磁性吸盤主功能機構(gòu),輪式行走和自適應(yīng)變徑輔助功能機構(gòu)組成。設(shè)計了兩組驅(qū)動行走機構(gòu),在行走機構(gòu)的上方設(shè)置了變徑機構(gòu),這樣行走機構(gòu)和變徑機構(gòu)的前后端分別組成了三組輪式機構(gòu),機器人在管道中變徑和運行過程中,前后端的行走輪和變徑導(dǎo)向輪均與管壁保持三角接觸,從而保證了機器人變徑和運行的穩(wěn)定性。機器人運行時,由電機驅(qū)動行走輪轉(zhuǎn)動實現(xiàn)機器人水平移動,變徑機構(gòu)可以自適應(yīng)管徑變化,同時由相應(yīng)的電機驅(qū)動撥料盤轉(zhuǎn)動,帶動撥料斗拋撒沉積在管道下方的雜質(zhì),被拋起的木質(zhì)粉塵雜質(zhì)隨管道氣流輸送到除塵器中,磁性金屬雜質(zhì)由安裝在撥料盤上磁性吸盤實現(xiàn)自動收集。

圖2 機器人三維結(jié)構(gòu)模型

2.2 主要組件設(shè)計

2.2.1 撥料構(gòu)件

撥料構(gòu)件如圖3所示,主要由防松螺母、回轉(zhuǎn)軸、撥料盤和撥料斗構(gòu)成,撥料盤安裝在回轉(zhuǎn)軸上,通過防松螺母固定,與回轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動,12個撥料斗均勻分布在撥料盤上。為了減少撥料時的摩擦阻力,撥料斗設(shè)計為一種螺旋扇形結(jié)構(gòu),撥料時撥料斗沿頂端螺旋線切入碎料,撥料斗一側(cè)帶有擋板形成一個凹槽,使得拋起的碎料留在凹槽內(nèi),并在轉(zhuǎn)動的過程中完成拋撒。為了避免撥料斗與碎料摩擦產(chǎn)生火花,撥料斗選用鋁合金材料制作。

圖3 撥料構(gòu)件與磁性吸盤1.防松螺母;2.螺絲;3.環(huán)形磁鐵;4.撥料盤;5.回轉(zhuǎn)軸;6.撥料斗

2.2.2 磁性吸盤

對于被拋起散落的磁性金屬雜質(zhì),可以利用磁力作用進行收集。由于永磁式除鐵器具有使用壽命長、不需要耗電、環(huán)境適應(yīng)性好等特點,該機器人采用永磁式除鐵器實現(xiàn)磁性金屬雜質(zhì)的收集,具體選用釹鐵硼永磁材料,其具有磁能積大,剩余磁化強度高,綜合性能好等特點。

磁性吸盤如圖3所示,主要由螺絲和環(huán)形磁鐵組成,通過螺絲將環(huán)形磁鐵安裝在撥料構(gòu)件中的撥料盤上。該環(huán)形磁鐵在撥料盤的側(cè)面形成磁場,磁性金屬雜質(zhì)隨碎料從撥料斗中散開時,環(huán)形磁鐵產(chǎn)生的磁場力作用將雜質(zhì)吸附在磁鐵表面,實現(xiàn)這類雜質(zhì)的自動收集。

2.2.3 變徑機構(gòu)

除塵系統(tǒng)水平管道直徑范圍約為300～400 mm,為了滿足機器人對管徑的自適應(yīng)性,保持行走穩(wěn)定性,需要設(shè)計一種自適應(yīng)變徑機構(gòu)。管道機器人中常用的變徑方式有:彈簧式、絲桿螺母式、蝸桿蝸輪式和升降臺式。本設(shè)計結(jié)合絲桿螺母和彈簧式的結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計了一種搖桿滑塊式變徑結(jié)構(gòu),如圖4所示。當(dāng)機器人由小管徑管道進入大管徑管道時,被壓縮的彈簧伸長并推動滑塊向左移動,滑塊通過連桿作用帶動搖桿逆時針轉(zhuǎn)動,使得導(dǎo)向輪上移。反之當(dāng)管徑變小時,管壁給導(dǎo)向輪施加壓力,使得搖桿順時針轉(zhuǎn)動,并通過連桿作用推動滑塊水平向右移動,此時彈簧受到壓縮。這里前一組導(dǎo)向輪和后一組導(dǎo)向輪通過連桿鉸接在一起,具有運動的同步性和一致性,使得變徑和運行過程均具有較好的穩(wěn)定性。

圖4 變徑機構(gòu)1.固定件;2.導(dǎo)向輪;3.搖桿;4.連桿;5.滑塊;6.彈簧

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)硬件

根據(jù)前述的總體設(shè)計方案,機器人控制器通過無線通信模塊接收上位計算機的控制指令,控制機器人在管道中運行和作業(yè)。為了滿足機器人控制功能需求,并且盡量減小該控制器的體積、重量,需要采用單片機開發(fā)。單片機的系列種類較多,綜合考慮產(chǎn)品的功耗、響應(yīng)速度,以及控制器輸入輸出接口需要等問題,選擇STM32F103RTC6作為主控元件,控制器硬件結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。

圖5 控制器硬件結(jié)構(gòu)

控制器中的傳感器、無線通信模塊、電機及其驅(qū)動電路等具體選型、設(shè)計如下:

(1)機器人位置傳感器選用E3Z-T61對射式光電傳感器,該傳感器投光器為紅外光,檢測距離可達15 m;

(2)位置傳感器數(shù)據(jù)采集卡選用的是PCI-1761繼電器輸出卡,采集卡8路隔離數(shù)字信號輸入和8路繼電器輸出;

(3)電池溫度測量器件選用的是DS18B20溫度傳感器(溫度測量范圍為-55～125 ℃,測量精度±0.25 ℃,輸出數(shù)字量信號);

(4)行走電機測速傳感器選用E6B2-CWZ6C編碼器(分辨率可達2 000脈沖/旋轉(zhuǎn));

(5)無線通信模塊選用ESP8266 Wi-Fi通訊模塊,采用串口與單片機通信,內(nèi)置 TCP/IP協(xié)議棧,串口與 Wi-Fi 之間的轉(zhuǎn)換;

(6)撥料電機選用60GA775直流減速電機(工作電壓為12 V,額定轉(zhuǎn)速為10 r/min),行走電機選用37GB555直流電機(工作電壓為12 V,額定轉(zhuǎn)速為600 r/min)。兩種電機分別采用PWM信號通過相應(yīng)的L298N驅(qū)動模塊控制轉(zhuǎn)動速度和方向;

(7)供電部分選用18650鋰電池(輸出電壓為12 V),采用LM2576-5. 0 芯片設(shè)計的降壓電路將其輸出電壓降至5 V,通過AMS1117-3.3 芯片設(shè)計的降壓電路再將其輸出電壓降至3. 3 V,為機器人控制器所需的能夠提供三種輸出電壓的電路供電。

3.2 控制系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)軟件包含上位機監(jiān)控軟件和機器人控制軟件兩個部分,上位機軟件采用Labview軟件開發(fā),主要包含通信參數(shù)設(shè)置、運行控制和狀態(tài)信息三個主要功能模塊,上位機軟件功能模塊如圖6所示。通信參數(shù)設(shè)置模塊負(fù)責(zé)上位計算機和機器人控制器之間的具體通信參數(shù)設(shè)置,設(shè)置完成后,上位機和機器人控制器可以基于Wi-Fi進行數(shù)據(jù)交換;運行控制模塊用于控制機器人啟停狀態(tài)、管道行走和自動撥料等;狀態(tài)信息模塊是采集機器人運行狀態(tài)信息,包括機器人行走速度、運行位置和電池溫度信息,其中位置信息是通過數(shù)據(jù)采集卡獲取位置傳感器的信號感知的。

圖6 上位機軟件功能模塊

機器人控制軟件是基于 MDK平臺采用C語言開發(fā)的,其主要功能是接收上位機復(fù)位、運行控制等命令信息,以及布置在管道兩端的四個位置傳感器之間的距離信息,并根據(jù)這些信息對行走電機進行啟停、加速運行、勻速運行、減速運行等具體控制,以及對撥料電機進行轉(zhuǎn)動控制。為避免清理過程中造成再次堵塞,機器人的行走速度和撥料構(gòu)件的轉(zhuǎn)動速度需要根據(jù)具體的作業(yè)狀況進行確定。另外,機器人在管道正常作業(yè)時,行走電機在管道中運行方式為先加速再勻速后減速,其要求機器人啟動運行之前需要處于停止完成狀態(tài),即機器人處于管道端部位置傳感器a或d設(shè)定的位置,這樣機器人在管道清理運行過程中可以保持較好的運行平穩(wěn)性。

在機器人運行過程中,上位機實時采集機器人的狀態(tài)信息,當(dāng)電池溫度過高,超過設(shè)定值時,上位機立即發(fā)送停止運行命令,控制機器人停止運行。等電池溫度降低到滿足運行要求時,通過手動控制機器人完成剩余作業(yè)。

4 結(jié)束語

本文針對木竹加工企業(yè)除塵系統(tǒng)主管道沉積物清理實際需求,同時為了避免在清理沉積碎料時引起火花誘發(fā)粉塵燃爆,提出了一種能夠在除塵系統(tǒng)主管道清理沉積碎料的同時自動收集磁性金屬雜質(zhì)的機器人,初步完成了機器人的虛擬樣機設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計。該機器人研制成功后,可以解決木竹加工企業(yè)除塵系統(tǒng)主管道沉積物人工清理效率低、風(fēng)險隱患大等問題,具有較好的市場應(yīng)用前景。