【摘 要】我國是煙花爆竹生產(chǎn)大國，然而現(xiàn)階段的鞭炮生產(chǎn)還是主要以手工生產(chǎn)為主，尤其是直接與火藥接觸的鞭炮的裝藥和插引工序，危險(xiǎn)性極高、效率十分低下。本文結(jié)合這兩道工序的特點(diǎn)，經(jīng)過多方面的研究，設(shè)計(jì)了一種安全高效的基于arm的自動(dòng)裝藥和插引系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】鞭炮；裝藥；插引；arm；系統(tǒng)

0.引言

燃放鞭炮是人們慶祝重要日子的傳統(tǒng)習(xí)俗，在國內(nèi)外都有很大的需求量，我國是世界花炮貿(mào)易的主要提供者，然而現(xiàn)階段其生產(chǎn)仍然多為手工操作，生產(chǎn)效率低，安全隱患重。據(jù)統(tǒng)計(jì)近幾年每年都有三百人左右死于煙花爆竹事故，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元。對目前鞭炮生產(chǎn)的過程進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)鞭炮生產(chǎn)的工序中，裝藥和插引這兩道工序的機(jī)械化程度最低，而且由于直接和火藥接觸，安全隱患最大，因此，為了提高鞭炮生產(chǎn)的自動(dòng)化程度并降低危險(xiǎn)性，本文設(shè)計(jì)了自動(dòng)化裝藥和插引系統(tǒng)，并利用arm9芯片搭建了安全監(jiān)控系統(tǒng)。

1.鞭炮自動(dòng)裝藥和插引機(jī)構(gòu)

根據(jù)鞭炮的生產(chǎn)流程，自動(dòng)裝藥和插引機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，在直流電機(jī)電機(jī)的控制下以正六邊形排列的炮盤，經(jīng)炮盤送給和夾緊機(jī)構(gòu)被送到傳送帶上之后，傳送到引線插引和裝藥機(jī)構(gòu)處，在3個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制下完成引線的自動(dòng)送給和定長切割和炮盤旋轉(zhuǎn)，切割后的引線落入炮盤完場炮盤插引工作；然后按照國家的《GB10631-89煙花爆竹安全與質(zhì)量》規(guī)范，炮藥計(jì)量及下藥機(jī)構(gòu)將定量的炮藥途經(jīng)振動(dòng)裝藥機(jī)構(gòu)，通過兩級振動(dòng)，使得炮藥顆粒能夠平整、均勻地鋪滿裝過引線的炮盤中完成裝藥過程；緊接著在步進(jìn)電機(jī)的控制下將炮盤輸送經(jīng)毛刷機(jī)構(gòu)，刷去炮盤邊緣漏藥，再經(jīng)過振動(dòng)壓實(shí)機(jī)構(gòu)使裝入的炮藥有一定的壓實(shí)度，最后輸送漏藥到藥物回收機(jī)構(gòu)，至此完成了整個(gè)鞭炮的生產(chǎn)過程。

圖1 自動(dòng)裝藥和插引機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)過程是在程序的控制下自動(dòng)完成的，實(shí)現(xiàn)了鞭炮的自動(dòng)化流水線生產(chǎn)。另外，為了將危險(xiǎn)性降到最低，必須增加安全防護(hù)裝置。比如在監(jiān)控室和裝藥室之間安裝非常厚的防護(hù)墻；在插引和裝藥機(jī)構(gòu)外側(cè)增加10mm厚的鋼板；在裝藥室的頂部安裝安全淋噴裝置和可以人工控制的5kg的壓力水包；在室內(nèi)增加風(fēng)機(jī)裝置等。

2.運(yùn)動(dòng)控制和安全監(jiān)控硬件系統(tǒng)

自動(dòng)裝藥、插引機(jī)構(gòu)以及自動(dòng)流水線機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成以后，要想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的流水線生產(chǎn)，還必須構(gòu)建整個(gè)過程的控制系統(tǒng)，用于完成整個(gè)流水線的自動(dòng)控制和安全監(jiān)控任務(wù)。整個(gè)系統(tǒng)的控制中心是一個(gè)以arm9為內(nèi)核的S3C2410X最小系統(tǒng)，該最小系統(tǒng)的外圍電路主要包括電源電路、復(fù)位電路、始終電路、JTAG接口電路、及負(fù)責(zé)與pc機(jī)通信的以太網(wǎng)電路。

2.1運(yùn)動(dòng)控制硬件構(gòu)建

選用4個(gè)ZA系列防爆安全型直流電機(jī)，分別用于完成炮盤的送給任務(wù)、一級振動(dòng)機(jī)構(gòu)中的篩網(wǎng)振動(dòng)任務(wù)、和二級振動(dòng)機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)篩網(wǎng)振動(dòng)任務(wù)，通過S3C2410內(nèi)部有4個(gè)PWM定時(shí)器，利用PWM控制技術(shù)對4個(gè)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路選用由美國國家半導(dǎo)體公司（NS）推出的專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率集成芯片LMD18200；選用5個(gè)深圳白山機(jī)電生產(chǎn)的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)：103H7123-0440（0410），完成對引線送給、切割、炮盤回轉(zhuǎn)、炮盤加緊、炮盤輸送等工序的控制，通過S3C2410的GPIO功能對這些電機(jī)進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路選用白山機(jī)電的DQ245M。

2.2安全監(jiān)控硬件構(gòu)建

鞭炮生產(chǎn)中直接面對的火藥對溫度、濕度、靜電、粉塵、火花等因素十分的敏感，所以必須通過傳感器對這些信號進(jìn)行安全監(jiān)控。為了提高系統(tǒng)的安全性和響應(yīng)頻率，同時(shí)降低電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，安全監(jiān)控系統(tǒng)中用到的所有傳感器都采用數(shù)字式的集成防爆傳感器，以便能夠安全方便地讀取環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。

溫濕度和氧氣濃度的監(jiān)控分別選用防爆型溫濕度數(shù)字傳感器JWSM-2A和防爆型數(shù)字式的氧氣濃度傳感器GYH25，這兩種傳感器通過S3C2410的IIC總線進(jìn)行信號的傳輸；明火監(jiān)控選用火焰探測器FS-2000E，該傳感器報(bào)警輸出端通過干簧繼電器與裝藥室內(nèi)的安全淋噴滅火裝置連接，并將數(shù)字信號送到S3C2410芯片的相應(yīng)管腳上。另外還可以通過屋頂?shù)膲毫λ鼘⑽ｋU(xiǎn)系數(shù)降到最低；對于粉塵可以通過密封性較好的CCD攝像頭進(jìn)行檢測；另外，自動(dòng)裝藥機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中，振動(dòng)裝藥機(jī)構(gòu)由于運(yùn)行頻率較高，容易產(chǎn)生較多的熱量，為了提高安全性，應(yīng)當(dāng)對振動(dòng)網(wǎng)篩部分溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。振動(dòng)網(wǎng)篩溫度監(jiān)測采用DS18B20智能數(shù)字溫度傳感器，通過簡單的單總線方式實(shí)現(xiàn)與微控制器的數(shù)據(jù)通訊。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

3.運(yùn)動(dòng)控制和安全監(jiān)控軟件系統(tǒng)

自動(dòng)裝藥硬件系統(tǒng)為自動(dòng)裝藥機(jī)械機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的支持和安全的保障，在此基礎(chǔ)上，增加應(yīng)用軟件為整個(gè)系統(tǒng)提供“思想”，就可以控制整個(gè)系統(tǒng)高效安全的自動(dòng)運(yùn)行。整個(gè)軟件系統(tǒng)主要包括兩大部分：下位機(jī)系統(tǒng)軟件和上位人機(jī)交互軟件。軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1下位機(jī)系統(tǒng)軟件

首先完成下位機(jī)內(nèi)核的移植，即在下位機(jī)中裝入實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的嵌入式linux操作系統(tǒng)，用來管理和控制內(nèi)存、多任務(wù)、周邊資源，以提高系統(tǒng)的可靠性，降低應(yīng)用軟件開發(fā)的復(fù)雜性。然后在嵌入式Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用linux系統(tǒng)的多線程調(diào)度來完成整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)、安全監(jiān)控任務(wù)和通信任務(wù)，具體的任務(wù)包括：炮盤送給和夾緊、炮盤插引、振動(dòng)裝藥和炮盤輸送等運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)；開機(jī)環(huán)境監(jiān)測、溫濕度、氧氣濃度監(jiān)測、篩網(wǎng)溫度檢測及明火監(jiān)測等安全監(jiān)控任務(wù)；下位機(jī)與上位機(jī)之間的UDP通信任務(wù)，用來完成下位機(jī)和上位機(jī)之間的通信，以保證操作者能在遠(yuǎn)程的上位機(jī)上完成整個(gè)鞭炮生產(chǎn)過程的監(jiān)測和控制任務(wù)，提高系統(tǒng)的安全性。

圖3 人機(jī)交互主窗口

3.2上位機(jī)系統(tǒng)軟件

在完成了下位機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制、安全監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)UDP通訊任務(wù)之后，上位機(jī)軟件主要的任務(wù)就是利用windows下的Visual C++6.0軟件開發(fā)出一個(gè)友好的人機(jī)交互界面，使得系統(tǒng)操作者能在遠(yuǎn)離裝藥室的基礎(chǔ)上，監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行過程。上位機(jī)的人機(jī)交互窗口如上圖3所示：

4.結(jié)束語

針對現(xiàn)階段的鞭炮生產(chǎn)存在著危險(xiǎn)性高、效率低下的問題，經(jīng)過對鞭炮生產(chǎn)的過程研究，發(fā)現(xiàn)主要問題集中在鞭炮的裝藥和插引兩道工序中，因此，本文利用嵌入式ARM9芯片搭建了鞭炮自動(dòng)裝藥及插引過程的運(yùn)動(dòng)控制和安全監(jiān)測平臺(tái)，并將監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸給PC機(jī)，通過安全監(jiān)控人機(jī)交互軟件監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)過程，更加充分保證了裝藥和插引過程的安全性，最終實(shí)現(xiàn)高效率、高安全性的鞭炮自動(dòng)裝藥和插引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]任振鎖.基于ARM的鞭炮自動(dòng)裝藥系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)[D].洛陽：河南科技大學(xué)，2011.

[2]江俊輝.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005，21（7）.

[3]朱奉春，姜德成.鞭炮引線插裝自動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2003，（1）：59-60.