李龍飛，嚴(yán)寒冰，薛靜靜

LI Long-fei1, YAN Han-bing2, XUE Jing-jing1

（1.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都 610225；2.成都信息工程大學(xué) 控制工程學(xué)院，成都 610225）

0 引言

燒結(jié)礦是將多種粉料混合配料后經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的塊狀物。為了便于運(yùn)輸，燒結(jié)礦出爐后需要打散，并將打散后的礦倒于指定容器內(nèi)。長(zhǎng)期以來(lái)，打散和倒料都是由工人實(shí)施，在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)時(shí)，工人要處于高溫、粉塵等惡劣環(huán)境中，且勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下。

本文以觸摸屏和PLC為控制核心設(shè)計(jì)了自動(dòng)打散與卸料裝置，提高了燒結(jié)礦生產(chǎn)中的自動(dòng)化程度，減輕工人在惡劣環(huán)境下的作業(yè)強(qiáng)度。

自動(dòng)打散與卸料裝置采用機(jī)、電、氣一體化設(shè)計(jì)。氣動(dòng)部分用繼電器控制電磁閥的動(dòng)作帶動(dòng)氣缸，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。電氣控制系統(tǒng)采用DELTA公司的PLC與觸摸屏，德國(guó)Hamderburg公司的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器，并提供自動(dòng)移行模式與手動(dòng)模式、各機(jī)構(gòu)動(dòng)作完成提示以及物料到點(diǎn)檢測(cè)。該設(shè)備易于維護(hù)，且操作簡(jiǎn)單，可節(jié)省工人培訓(xùn)時(shí)間。各到點(diǎn)指示燈、氣缸、步進(jìn)電機(jī)等可全部在觸摸屏上設(shè)置，便于手動(dòng)控制，顯示直觀(guān)。

1 自動(dòng)打散與卸料裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

自動(dòng)打散與卸料裝置主要由機(jī)架、打散機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、Y移動(dòng)機(jī)構(gòu)、Z移動(dòng)機(jī)構(gòu)、Zˋ移動(dòng)機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)組成。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

機(jī)架用于支撐其他機(jī)構(gòu)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)高度進(jìn)行調(diào)整。打散機(jī)構(gòu)由大型號(hào)雙作用氣缸推動(dòng)法蘭盤(pán)，帶著錐形錘插入坩堝內(nèi)，將燒結(jié)后的礦物塊打散，便于卸料。夾持機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)單作用氣缸推動(dòng)機(jī)械手將盛放燒結(jié)礦的坩堝抱緊，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和卸料。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，將夾持機(jī)構(gòu)抱起的坩堝翻轉(zhuǎn)一定角度，實(shí)現(xiàn)倒料與坩堝回正。Y移動(dòng)機(jī)構(gòu)在Y方向左右移動(dòng)，將傳送帶上的坩堝移動(dòng)到倒料位置。Z移動(dòng)機(jī)構(gòu)在Z方向上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)坩堝的提起與放下。Zˋ移動(dòng)機(jī)構(gòu)也在Z方向上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)打散機(jī)構(gòu)上下移動(dòng)的功能。

該打散與卸料裝置采用自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作方式。在手動(dòng)模式下，該裝置的各個(gè)機(jī)構(gòu)可分別通過(guò)觸摸屏上的對(duì)應(yīng)部分進(jìn)行控制。同時(shí)為了設(shè)備的安全性，各移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有機(jī)械硬限位和軟限位。

圖1 結(jié)構(gòu)圖

2 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)打散與卸料裝置的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置之一，包括夾持機(jī)構(gòu)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和打散機(jī)構(gòu)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

夾持機(jī)構(gòu)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由兩個(gè)兩位三通常開(kāi)式電磁閥分別控制兩個(gè)帶彈簧復(fù)位的單作用氣缸來(lái)驅(qū)動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)的機(jī)械手，其氣動(dòng)原理圖如圖2所示，工作過(guò)程：用一個(gè)繼電器控制電磁閥1與2的線(xiàn)圈的同時(shí)接通與斷開(kāi)，當(dāng)兩個(gè)電磁閥線(xiàn)圈斷開(kāi)時(shí)，1、2口導(dǎo)通，3口堵塞，氣體經(jīng)1、2口流入兩個(gè)氣缸內(nèi)，壓縮活塞，并帶動(dòng)機(jī)械手將坩堝夾緊；而當(dāng)電磁閥線(xiàn)圈接通時(shí)，2、3口導(dǎo)通，1口堵塞，氣缸內(nèi)的彈簧復(fù)位，將氣體擠出氣缸，氣體沿2、3口排出，機(jī)械手松開(kāi)坩堝。本文中采用常開(kāi)式電磁閥能保證電磁閥線(xiàn)圈掉電時(shí)，坩堝仍處于夾緊狀態(tài)，這樣當(dāng)電源意外中斷時(shí)，只要?dú)庠闯渥?，坩堝就掉不下?lái)，減少不必要的損失。

打散機(jī)構(gòu)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由一個(gè)兩位五通單電控的電磁閥控制一個(gè)雙作用氣缸推動(dòng)打散機(jī)構(gòu)上的錐形錘上下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)礦塊的打散，其氣動(dòng)原理圖如圖3所示，工作過(guò)程：電磁閥線(xiàn)圈通電，1、4口，2、3口導(dǎo)通，5口堵塞，1口是氣源口，氣體經(jīng)1、4口流入氣缸1室，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，氣缸2室的氣體經(jīng)擠壓通過(guò)2、3口排出，實(shí)現(xiàn)錐形錘擊打礦塊的功能；線(xiàn)圈掉電時(shí)，1、2口，4、5口導(dǎo)通，3口堵塞，氣體經(jīng)1、2口流入氣缸2室，頂動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，氣缸1室的氣體經(jīng)4、5口排出，將錐形錘拉起回初始位置。3口和5口是排氣孔，應(yīng)加裝消音器，降低噪音。

圖2 夾持機(jī)構(gòu)氣動(dòng)原理圖

圖3 打散機(jī)構(gòu)氣動(dòng)原理

3 控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PLC是控制系統(tǒng)的核心，在選型時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的控制要求以及所需輸入輸出點(diǎn)的數(shù)量、輸出方式、存儲(chǔ)器容量等來(lái)確定，選擇一款滿(mǎn)足要求的高性?xún)r(jià)比的PLC。在該系統(tǒng)中，由于要用PLC發(fā)送脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，須采用晶體管輸出方式的PLC。本設(shè)計(jì)采用DELTA公司型號(hào)為DVP40EH00T3的可編程控制器，其具有24個(gè)輸入，16個(gè)輸出，且輸出口中有6個(gè)為200kHz高速脈沖輸出口，有2個(gè)10kHz脈沖輸出口，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。在步進(jìn)電機(jī)選型時(shí)，要根據(jù)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、機(jī)械運(yùn)動(dòng)的分辨率等來(lái)選擇合適的步進(jìn)電機(jī)。本文選用Hamderburg公司的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)和配套驅(qū)動(dòng)器，其中一個(gè)為Y移動(dòng)機(jī)構(gòu)的單輸出軸2303HS30D8步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器ASD545R，兩個(gè)控制Z移動(dòng)機(jī)構(gòu)、Zˋ移動(dòng)機(jī)構(gòu)的雙輸出3404HS40U14-2步進(jìn)電機(jī)和配套驅(qū)動(dòng)ASD880R，一個(gè)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的單輸出軸步進(jìn)電機(jī)3404HS40U14和驅(qū)動(dòng)ASD880R。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的直流供電電源由驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓和電機(jī)的相電流來(lái)選定，電源的輸出電壓可選擇驅(qū)動(dòng)器輸入電壓的典型值，而輸出電流應(yīng)當(dāng)是配套電機(jī)額定電流的1.6倍，因此采用輸出功率為150W，輸出電壓為24V的開(kāi)關(guān)電源給ASD545R驅(qū)動(dòng)供電，用輸出功率為1000W，輸出電壓為48V的開(kāi)關(guān)電源給ASD880R驅(qū)動(dòng)器供電。觸摸屏選用DELTA的8寸高彩寬屏DOP-B08S515，工作過(guò)程可在屏上動(dòng)態(tài)顯示。系統(tǒng)組成框圖如圖4所示，供電電路圖如圖5所示，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)電路圖如圖6所示。

圖4 系統(tǒng)組成框圖

圖5 供電電路圖

圖6 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)電路圖

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，而程序的優(yōu)劣會(huì)直接影響到各個(gè)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)性能以及人為操作的便利。本系統(tǒng)中控制程序設(shè)計(jì)為三個(gè)環(huán)節(jié)：復(fù)位程序、手動(dòng)模式操作程序和自動(dòng)模式操作程序。其中手動(dòng)操作和自動(dòng)運(yùn)行是通過(guò)旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。程序設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。

圖7 程序設(shè)計(jì)框圖

圖8 PLC的I/O端子接線(xiàn)

3.2.1 復(fù)位

按下復(fù)位按鈕，各個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)到達(dá)設(shè)置的原點(diǎn)信號(hào)位，在復(fù)位過(guò)程中，機(jī)械手始終保持夾緊狀態(tài)，打散機(jī)構(gòu)的氣缸在拉起位。當(dāng)各機(jī)構(gòu)回歸原點(diǎn)后，觸摸屏上的原點(diǎn)信號(hào)燈亮。

3.2.2 自動(dòng)模式

自動(dòng)模式下，當(dāng)光電開(kāi)關(guān)1檢測(cè)到坩堝到位后，傳送帶停止運(yùn)動(dòng)，Z'軸將打散機(jī)構(gòu)從原點(diǎn)處下降到到位開(kāi)關(guān)處，PLC控制電磁閥推動(dòng)錐形錘，將燒結(jié)塊打散，接著拉起錐形錘，將打散機(jī)構(gòu)上升到原點(diǎn)位置。傳送帶帶動(dòng)坩堝移動(dòng)，當(dāng)光電開(kāi)關(guān)2檢測(cè)到坩堝到位后停止移動(dòng)，PLC控制電磁閥1和2將機(jī)械手松開(kāi)，準(zhǔn)備抱坩堝，然后Z軸帶動(dòng)Y軸、夾持機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)從原點(diǎn)處下降到到位開(kāi)關(guān)處，左右氣缸推動(dòng)夾手夾緊坩堝。Z軸運(yùn)動(dòng)提升坩堝到原點(diǎn)處，然后Y軸移動(dòng)將坩堝帶到料斗上方，由翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)使坩堝翻轉(zhuǎn)180°，將燒結(jié)塊倒下。接著翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將坩堝回轉(zhuǎn)到位，Y軸運(yùn)動(dòng)到傳送帶上方，Z軸下降到位，氣缸松開(kāi)，坩堝放回到傳送帶上。

3.2.3 手動(dòng)模式

手動(dòng)模式下，可以單獨(dú)操作各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，便于調(diào)試與維修設(shè)備。

手動(dòng)模式要切換到自動(dòng)模式前必須要進(jìn)行復(fù)位操作，如果沒(méi)有進(jìn)行復(fù)位就直接切換到自動(dòng)模式下，程序會(huì)判斷原點(diǎn)是否有信號(hào)，如果有就說(shuō)明當(dāng)前位置已達(dá)復(fù)位條件，自動(dòng)模式開(kāi)啟，如果沒(méi)有則裝置不動(dòng)作。PLC的I/O端子接線(xiàn)如圖8所示。

3.3 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

界面上設(shè)計(jì)有各機(jī)構(gòu)的原點(diǎn)指示燈以及到位指示燈和手動(dòng)操作單步執(zhí)行的按鈕。當(dāng)各機(jī)構(gòu)回歸原點(diǎn)或到達(dá)到位開(kāi)關(guān)后，相應(yīng)的指示燈會(huì)變亮，指示裝置的運(yùn)動(dòng)情況。當(dāng)手/自動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)到手動(dòng)擋時(shí)，按觸摸屏上手動(dòng)操作的相應(yīng)按鈕可操作Z與Z'軸的上升與下降、Y軸的左右移動(dòng)、夾手的夾緊與松開(kāi)以及翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)與回位等。觸摸屏界面如圖9所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本裝置各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足技術(shù)要求，各系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，完全能滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求。該裝置通過(guò)采用PLC和觸摸屏設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及自動(dòng)化水平，同時(shí)大大提高了生產(chǎn)效率，改善了工人的勞動(dòng)條件。

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