楊 盼， 王 嘯， 劉 澤

(湖北省地質(zhì)勘查裝備中心，湖北 武漢 430034)

發(fā)射光譜以交流電弧為激發(fā)光源測(cè)定地球化學(xué)樣品中的硼、錫、銀，目前已經(jīng)成為地球化學(xué)勘察樣品中多種分析方法配套方案中不可或缺的分析手段[1]。2014年11月湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心經(jīng)過(guò)研究論證將WP-1型平面光柵攝譜儀原有的相板盒的位置改為CCD裝置，實(shí)現(xiàn)了光電直讀，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相板采集譜線信息[2]。但是設(shè)備仍然需要人員來(lái)完成上料卸料的工作，較為繁瑣且耗費(fèi)人力。湖北省地質(zhì)勘查裝備中心研究決定對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料功能。

1 改造方案簡(jiǎn)介

整個(gè)改造方案是給設(shè)備增加一個(gè)外部輔助設(shè)備，方案分為四個(gè)部分：機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器、硬件電路、控制系統(tǒng)。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

整個(gè)改進(jìn)方案中的動(dòng)作全部由機(jī)械結(jié)構(gòu)部分完成，采用步進(jìn)電機(jī)42HS03與伺服電機(jī)HG-KR13J作為動(dòng)力源，其中XYZ三軸機(jī)械臂負(fù)責(zé)所有上下電極的對(duì)位，移動(dòng)工作；下電極直接靜置在下電極插槽中；上電極放置在推料組件的料盒中，由推料組件逐根推出，方便機(jī)械臂夾?。簧舷码姌O的同心以及端面距離的調(diào)整均由機(jī)械臂在XYZ方向上的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 改造方案結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural sketch of renovation scheme1.XYZ三軸機(jī)械臂；2.推料組件；3.廢料回收盒；4.下電極插槽；5.反射光纖傳感器；6.對(duì)射光纖傳感器；7.直線模組光電開(kāi)關(guān)。

1.1.1XYZ三軸機(jī)械臂

XYZ三軸機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖2所示。

整個(gè)機(jī)械臂組件由4個(gè)直線模組(其中Z軸有兩個(gè)直線模組，分別控制上下夾爪)、一個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、兩個(gè)電動(dòng)夾爪組成。直線模組帶動(dòng)其上的電動(dòng)夾爪移動(dòng)到各個(gè)目標(biāo)位置，配合上夾爪的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)夾取上下電極并移動(dòng)的過(guò)程，具備了替代人工上下料的基礎(chǔ)。

1.1.2推料組件

推料組件結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。

圖2 XYZ三軸機(jī)械臂結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of XYZ three-axis manipulator1.X軸直線模組；2.Y軸直線模組；3.Z1軸直線模組；4.Z2軸直線模組；5.電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)；6.上夾爪；7.下夾爪。

圖3 推料組件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural chart of push component1.直線模組1；2.推料桿；3.直線模組2；4.料盒；5.滑道；6.反射光纖傳感器。

圖4 推料組件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural chart of push component

直線模組2往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，將料盒(料盒底部為一斜坡結(jié)構(gòu))中的上電極篩落到滑道中，直線模組1動(dòng)作，帶動(dòng)固定在上面的推料桿動(dòng)作，將上電極推出。其中配合傳感器，在推出過(guò)程中當(dāng)傳感器被觸發(fā)時(shí)停止，可以自動(dòng)識(shí)別上電極長(zhǎng)短。其中滑道的結(jié)構(gòu)如圖4所示，為一底部帶有長(zhǎng)條形槽口的結(jié)構(gòu)，在料盒中有電極碎屑掉落在滑道中時(shí)，可以及時(shí)從下方掉落出來(lái)，避免堵住滑道，保證出料的順暢性。

1.2 傳感器

傳感器位置布局如圖1所示。整個(gè)方案采用的傳感器一共有三種：①直線模組上的光電開(kāi)關(guān)，安裝在直線模組上，且每個(gè)模組配備三個(gè)，兩個(gè)極限位置，一個(gè)零點(diǎn)位置。②反射光纖傳感器，安裝在推棒組件中。③對(duì)射光纖傳感器，安裝在廢料回收盒兩側(cè)的上方。傳感器可以實(shí)現(xiàn)的功能：

(1) 上下夾爪所處的空間位置。由安裝在XYZ三軸機(jī)械臂上的光電開(kāi)關(guān)來(lái)識(shí)別，配合伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線模組，可以精確的得出各直線模組相對(duì)于零點(diǎn)傳感器的位置，即電動(dòng)夾爪所處的空間位置。

(2) 上電極智能推出1/2長(zhǎng)度，避免推出過(guò)長(zhǎng)而掉落。由反射光纖傳感器和直線模組上的光電開(kāi)關(guān)認(rèn)別碳棒位置，通過(guò)特定的算法即可實(shí)現(xiàn)該功能。其中零點(diǎn)光電開(kāi)關(guān)與反射光纖傳感器中間的距離為安裝距離——已知，直線模組1推動(dòng)上電極在滑道內(nèi)運(yùn)動(dòng)直至觸發(fā)反射光纖傳感器停止，運(yùn)動(dòng)距離已知，便可計(jì)算出上電極的長(zhǎng)短，接下來(lái)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，再往前繼續(xù)推出1/2上電極長(zhǎng)度加上反射光纖傳感器到滑道端面的距離，便可實(shí)現(xiàn)智能推出1/2上電極長(zhǎng)度，既避免了掉落，又能保證推出盡量長(zhǎng)的長(zhǎng)度，方便夾取。

(3) 料盒空料識(shí)別上述功能2，在直線模組推出固定距離3次或多次后，仍不能觸發(fā)反射光纖傳感器，即可認(rèn)為料盒空料。

(4) 上下電極端面距離控制。由對(duì)射光纖傳感器識(shí)別。對(duì)射光纖傳感器安裝在同一豎直方向上，保持固定的距離，當(dāng)需要調(diào)整上下電極端面距離時(shí)，Z1、Z2軸均移動(dòng)到最遠(yuǎn)端——最上與最下位置，并保持在對(duì)射光纖傳感器中間，兩個(gè)Z軸同時(shí)向中間運(yùn)動(dòng)，當(dāng)觸發(fā)到反射光纖傳感器的時(shí)候停止，此時(shí)端面距離為兩組傳感器的安裝間距，根據(jù)設(shè)置的值，同時(shí)向中間運(yùn)動(dòng)相同的距離，即可保證端面距離為設(shè)置的固定值，同時(shí)也保證了上下電極的端面中間面處于透鏡的中間面，利于攝譜工作的進(jìn)行。

(5) 設(shè)備異常檢測(cè)。多個(gè)直線模組以及多種傳感器配合，在設(shè)置的固定速度以及目標(biāo)位置的前提下，在固定時(shí)間內(nèi)未觸發(fā)相應(yīng)的傳感器或者未到達(dá)相應(yīng)的位置，即可認(rèn)定為設(shè)備異常。

1.3 硬件電路[3-5]

整機(jī)硬件電路布局以及接線方式如圖5所示。

整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)采用多個(gè)步進(jìn)電機(jī)42HS03與伺服電機(jī)HG-KR13J作為動(dòng)力源，需要控制的動(dòng)作以及位置共有9個(gè)(直線模組6個(gè)，夾爪2個(gè)，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)1個(gè))，故選用三菱的型號(hào)為FX5U-80MT/ES的PLC作為控制器，搭配型號(hào)為FX5-40SSC-S的定位模塊，以及與電機(jī)配套的MR-J4-10A、MR-J4-10B、DM442驅(qū)動(dòng)器，另外選配一塊搭載物聯(lián)網(wǎng)芯片的電路板，用以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程提醒功能。

圖5 電氣工藝圖Fig.5 Electrical process diagram

1.4 控制系統(tǒng)

本次方案的控制系統(tǒng)以GX WORKS3編程軟件編程，其直觀的圖形化操作，通過(guò)FB模塊，消減開(kāi)發(fā)工時(shí)。運(yùn)用簡(jiǎn)易運(yùn)動(dòng)控制定位模塊通過(guò)SSCNET III/N定位控制，可實(shí)現(xiàn)豐富的運(yùn)動(dòng)控制。整個(gè)系統(tǒng)的控制流程如圖6所示。

2 方案評(píng)估

經(jīng)過(guò)湖北工業(yè)大學(xué)、湖北省地質(zhì)勘察裝備中心、湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心評(píng)審，該套改進(jìn)方案可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)上料、卸料、廢料的自動(dòng)回收，故障或者批次工作完成自動(dòng)遠(yuǎn)程提醒的功能。批次可自動(dòng)完成54根樣品電極的檢測(cè)工作，內(nèi)置多種設(shè)備異常檢測(cè)、物料空料檢測(cè)、設(shè)備位置檢測(cè)、上下電極端面間距檢測(cè)多種檢測(cè)功能，配合遠(yuǎn)程提醒功能，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的無(wú)人值守，有效避免了人力資源緊張的同時(shí)，提高了實(shí)驗(yàn)效率，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。

圖6 控制流程圖Fig.6 Cotrol flow chart