胡志通，公續(xù)銀，趙 建

（濟南大學機械工程學院，濟南 250022）

0 引言

水泥庫筒倉因遇水凝結(jié)、長時間存儲等原因形成積料和結(jié)皮掛在筒倉內(nèi)壁上，這些積料和結(jié)皮會成塊或成片落到庫底，輕者會減少有效庫容，重者則會堵死下料器，嚴重影響水泥企業(yè)正常生產(chǎn)。人工清理庫內(nèi)積料的方式效率低下，且極易引發(fā)質(zhì)量事故[1]。筒倉清理機器人取代人工清庫作業(yè)，具有自動化程度高、施工人員少的優(yōu)點，提高了清潔效率，保障生產(chǎn)操作的安全性，滿足企業(yè)的迫切需要[2]。

水泥庫筒倉的清庫需求是伴隨倉庫、筒倉在工業(yè)內(nèi)的大量應(yīng)用而出現(xiàn)的。目前市場上面對儲煤倉、石料倉等流動條件差或者粘滯性大的物料的板結(jié)堵塞，仍然以使用空氣清堵器（空氣炮）、激振器、筒倉內(nèi)壁振動器、鏟料器等為主要處理方法[3-6]。利用PLC 控制技術(shù)，設(shè)計自動化清理筒倉的功能和檢測系統(tǒng)實時反饋的功能，擺脫人工入庫清理的局面[7-8]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

水泥庫庫壁清理機器人的機械結(jié)構(gòu)分為：上部固定底座、豎直支撐臂、水平工作臂、末端執(zhí)行機構(gòu)、上部卷揚機構(gòu)等。

上部固定底座安裝在水泥庫頂部，固定在庫頂中心位置。庫頂中心孔按需要可開60×60范圍孔，便于安裝。豎直支撐臂安裝在上部固定底座上，從庫頂開孔處進入庫內(nèi)，末端鏈接水平工作臂。水平工作臂由多組小工作臂裝配拼接而成，能夠根據(jù)水泥庫的庫內(nèi)直徑靈活配置工作臂的長度。水平工作臂末端安裝有方向?qū)л啠龑鹉z軟管豎直向下放送。

上部卷揚機構(gòu)安裝在上部固定底座上，分為兩部分：工作臂提升機構(gòu)和末端執(zhí)行器提升機構(gòu)。工作臂提升機構(gòu)由牽引電機和卷揚機組成，卷揚機輸出鋼纜與水平工作臂上固定孔相連，通過牽引電機帶動卷揚機，實現(xiàn)鋼纜的收放動作，完成對水平工作臂的姿態(tài)角度控制。末端執(zhí)行器提升機構(gòu)安裝在上部固定座前部，由卷揚機和提升電機組成，提升電機動作后帶動橡膠管卷揚機旋轉(zhuǎn)，帶動橡膠管上下運動。

末端執(zhí)行機構(gòu)主要由高速電機和甩動鞭鏈組成。整個末端執(zhí)行機構(gòu)安裝在橡膠軟管的末端并固定，能夠隨著提升機構(gòu)工作而上下移動，實現(xiàn)庫內(nèi)全面清理積料。橡膠軟管內(nèi)包含電源線和信號線，高速電機連接在橡膠軟管中電源線上，實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)，帶動外部的甩動鞭鏈猛烈碰撞庫壁積料，完成區(qū)域的清理工作。當一處積料清理完成后，整個機械結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，完成末端執(zhí)行器的移動，到達下一片區(qū)域開始清理工作。

對水泥庫庫壁清理的過程進行分析，其清理庫壁掛料的過程主要包括了機器設(shè)備本體安裝、設(shè)備入庫調(diào)試、設(shè)備工作清理、設(shè)備出庫等方面的內(nèi)容。在庫壁清理機器人工作過程中，需要保障上述工作自動化、高效率的完成，根據(jù)這些要求設(shè)計水泥庫庫壁清理機器人總體系統(tǒng)如圖1所示。圖中，上位機作為人機交互界面，連接PLC 作為控制中心，控制機器主體完成末端執(zhí)行系統(tǒng)的動作，并處理反饋信號給上位機，構(gòu)成閉環(huán)控制，組成整個控制系統(tǒng)。

圖1 總體系統(tǒng)組成圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

采用PLC 作為總控制器，控制執(zhí)行機構(gòu)運行，處理傳感器信號。如圖2 所示，PLC 作為控制中心，主要分為3個部分的控制：一是機器人本體姿態(tài)的控制；二是末端執(zhí)行器控制；三是控制傳感器信號接受與發(fā)送。3 個部分的數(shù)據(jù)最終由上位機控制臺處理，工作指令再次反饋到PLC 控制器，完成整個閉環(huán)控制。

圖2 控制系統(tǒng)總流程圖

如圖3所示，庫壁清理機器人的姿態(tài)控制主要包括主體支架水平電機的控制和工作臂提升電機的控制，兩個電機協(xié)作配合，使機器人能夠?qū)⒛┒藞?zhí)行器運送到指定位置。主體支架水平電機為步進電機，通過PLC 發(fā)送脈沖數(shù)控制其旋轉(zhuǎn)，并由光電編碼器記錄旋轉(zhuǎn)角度，旋轉(zhuǎn)指定角度后，主軸停止并抱死。工作臂提升電機為大功率三相異步電機，牽引卷揚機構(gòu)轉(zhuǎn)動，由人工監(jiān)控工作臂姿態(tài)，到達工作角度后保持并進入抱死狀態(tài)。

圖3 姿態(tài)控制流程圖

末端執(zhí)行器的控制分為兩個方面，如圖4 所示。電纜牽引電機控制電纜的伸出長度，使末端執(zhí)行器刀頭順利地下放或上升，而末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)電機則為刀頭提供旋轉(zhuǎn)動力。根據(jù)庫內(nèi)積料和結(jié)皮的厚度，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)速，達到最佳碰撞效果。

圖4 末端執(zhí)行器控制流程圖

如圖5所示，檢測系統(tǒng)的控制分為多個方面：一是云臺攝像機的控制，由于工作環(huán)境惡劣且障礙物較多，要求能夠自適應(yīng)調(diào)整攝像頭角度，同時防止受灰塵污染；二是照明機構(gòu)的調(diào)節(jié)，照明機構(gòu)須具有一定跟隨動作，跟隨攝像頭的方向，為攝像頭提供明亮的光照環(huán)境；三是工作臂末端的距離感應(yīng)器控制，距離感應(yīng)器能夠探測出工作臂末端與庫壁的距離，從而保持工作臂與庫內(nèi)壁較小的間隙，使末端執(zhí)行器刀頭在水平方向有效地碰撞水泥結(jié)皮。三維成像傳感器采用激光雷達作為主要傳感器，通過串口通信將掃描信號傳輸?shù)娇刂婆_，由控制臺生成庫內(nèi)積料地圖。輔助控制人員分析庫內(nèi)清庫進程，進一步控制末端執(zhí)行器完成清庫過程。

圖5 傳感器信號接受與處理流程圖

3 檢測系統(tǒng)設(shè)計

庫壁清理機器人的檢測系統(tǒng)主要負責檢測庫內(nèi)的末端執(zhí)行器刀頭運轉(zhuǎn)情況，為庫頂或地面的控制臺提供清晰的清庫進展細節(jié)，使操作人員能夠順利控制清理機器人完成庫壁清理任務(wù)。為完成以上任務(wù)，庫壁清理機器人的檢測系統(tǒng)由以下部分組成：云臺、末端距離感應(yīng)器、照明機構(gòu)、終端控制臺等。

根據(jù)機械系統(tǒng)設(shè)計，照明機構(gòu)和云臺安裝在豎直臂的下部，視頻信號線和電源線從豎直臂的內(nèi)部穿入，最終連入PLC和控制臺。PLC控制照明機構(gòu)的開關(guān)以及亮度調(diào)節(jié)?？刂婆_接受視頻信號，顯示在工控屏幕上，為控制人員呈現(xiàn)庫內(nèi)清理細節(jié)。而距離感應(yīng)器安裝在末端導輪的下方，用來檢測末端臂與水泥庫內(nèi)壁掛料的距離，并反饋給控制臺，調(diào)整工作臂的角度和末端電動缸的工作距離。末端距離感應(yīng)器采用機械式接近開關(guān)，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，在庫內(nèi)粉塵環(huán)境下能夠穩(wěn)定工作。通過PLC 將末端距離感應(yīng)器的信號發(fā)送到終端控制臺，控制臺對信號進行計算處理，從而不斷調(diào)整清理機器人的整體姿態(tài)，實現(xiàn)高效自主清理。檢測系統(tǒng)的安裝位置圖如圖6所示。

4 結(jié)束語

本文通過對水泥庫筒倉清理機器人控制系統(tǒng)進行設(shè)計，實現(xiàn)了對機器人姿態(tài)控制、末端執(zhí)行器控制和傳感器信號處理。以PLC 為控制中心，設(shè)計機器人的姿態(tài)控制流程和檢測系統(tǒng)處理流程。

圖6 檢測系統(tǒng)設(shè)計圖

基于PLC 的水泥庫筒倉清理機器人控制系統(tǒng)用于取代人工清庫作業(yè)，保障清庫工人生命安全。為水泥生產(chǎn)企業(yè)帶來高效、易操作的清庫設(shè)備，提高水泥筒倉的有效容積。對于保障企業(yè)安全生產(chǎn)和持續(xù)生產(chǎn)具有重要利用價值和現(xiàn)實意義。