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        管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)及與輸送機(jī)的配合設(shè)計(jì)

        2022-01-18 02:34:12鄧建旺張洪凱
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年36期
        關(guān)鍵詞:管帶托輥機(jī)智

        鄧建旺 張洪凱

        (福建龍凈環(huán)保股份有限公司,福建 龍巖 364000)

        管帶機(jī)智能巡檢機(jī)器人可以代替人工實(shí)現(xiàn)對特定范圍內(nèi)運(yùn)行工況的自動(dòng)檢查,并且在發(fā)現(xiàn)異常之后立即報(bào)警,為檢修人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱蔽故障、保障系統(tǒng)運(yùn)行安全發(fā)揮了積極作用。但是巡檢機(jī)器人在使用中也存在諸多問題,例如定位不夠精準(zhǔn)、通信質(zhì)量不高等。在這種情況下,智能巡檢機(jī)器人如果搭載多種傳感裝置,每臺(tái)傳感器都作為一個(gè)感知源,拓展了數(shù)據(jù)采集渠道,可實(shí)現(xiàn)對輸送作業(yè)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)監(jiān)控,保證實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。在作業(yè)環(huán)境復(fù)雜化、操作設(shè)備多樣化的發(fā)展背景下,智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用前景廣闊。

        1 管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        1.1 核心技術(shù)

        該機(jī)械采用集轉(zhuǎn)向、導(dǎo)向、驅(qū)動(dòng)、預(yù)壓縮于一體的雙驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)裝置的基本參數(shù)為:主動(dòng)模塊電動(dòng)機(jī)功率70.8W,額定運(yùn)行速度在0-1m/s(可調(diào)),爬坡能力≤8°;采用電子標(biāo)簽+里程計(jì)數(shù)據(jù)的定位技術(shù),利用內(nèi)置霍爾傳感器和軌道上安裝的磁鐵,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精準(zhǔn)定位。軌道左側(cè)磁鐵為定位初始點(diǎn),右側(cè)磁鐵為定位點(diǎn)。從傳感器識(shí)別信號(hào)到機(jī)器人控制系統(tǒng)作出響應(yīng),周期為10ms,可有效控制定位誤差,制動(dòng)距離≤0.5m。機(jī)器人到達(dá)塢站后自動(dòng)對接充電設(shè)備后開始充電。在巡檢過程中,可通過聲音識(shí)別、視覺識(shí)別、溫度檢測判斷故障位置、故障類型,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化巡檢。

        1.2 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

        驅(qū)動(dòng)模塊是智能巡檢機(jī)器人的核心部分,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 智能巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

        機(jī)器人總質(zhì)量(m)40kg,滑輪直徑40mm,滑輪與軌道之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)(f)取0.05,最大加速度(α)0.5m/s2。主動(dòng)模塊使用1 臺(tái)最大功率70.8W 的電機(jī)提供動(dòng)力,減速器速比8.3:1,同步輪速比28:14。根據(jù)管帶機(jī)運(yùn)行環(huán)境的不同,可分為兩種工況:一種是平路時(shí),爬坡角度(θ)為0°,這時(shí)驅(qū)動(dòng)輪所需驅(qū)動(dòng)力(F)為:

        F=f×mgcosθ+mgsinθ+ma=40N

        需要力矩(T)=F×r=40×0.25=1N·m。根據(jù)電機(jī)減速比(8.3:1)和配合同步帶(2:1),計(jì)算出所需速度V=nΠφ/60=1.45m/s。以滑動(dòng)摩擦系數(shù)(μ)取0.4 為例,則機(jī)器人所需正壓力(N)=F/μ=40/0.4=100N。同時(shí),假設(shè)4 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪所受壓力均攤,則每個(gè)輪的壓力N′=mg/4=100N,正好滿足機(jī)器人在平路時(shí)的行駛需要。

        還有一種是爬坡時(shí),以該機(jī)器人允許的最大爬坡角度8°為例,按照上文驅(qū)動(dòng)力(F)的計(jì)算公式,可得爬坡時(shí)的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力(F1)=95.5N。已知鏈輪分度圓直徑(d)為50mm,則力矩(T)=F1×r=95.5×50/2=2.39 N·m。根據(jù)電機(jī)減速比(5.2:1)和蝸輪蝸桿減速比(13.5:1),計(jì)算出所需速度V=0.34m/s?;瑒?dòng)系數(shù)(μ)不變,則機(jī)器人所需正壓力(N1)=F/μ=95.5/0.4=238.75 N。而單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的壓力仍然為100N。故該機(jī)器人在爬坡(8°)時(shí),需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)額外提供238.75-100=138.75N 的力才能滿足其正常運(yùn)行的需要。

        2 管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)與輸送機(jī)的配合設(shè)計(jì)

        2.1 輸送機(jī)設(shè)計(jì)要求

        在進(jìn)行管帶機(jī)輸送任務(wù)中,應(yīng)用管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化操作,在減輕巡檢工作人員的工作量及提高工作效率上有很好的效果,并且能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)問題,保證輸送過程的安全性。管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無人化操作,避免工人在環(huán)境危險(xiǎn)的輸送管廊中進(jìn)行作業(yè),系統(tǒng)中的攝像儀器及檢測儀器可以通過智能化控制,達(dá)到精準(zhǔn)作業(yè)的效果。待生成圖像后可以對整個(gè)管廊情況進(jìn)行監(jiān)控,從而進(jìn)一步對管廊中管帶扭曲、跑偏、皮帶撕裂、托輥磨損、驅(qū)動(dòng)溫度異等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)現(xiàn)階段在技術(shù)應(yīng)用、設(shè)備管理及數(shù)據(jù)分析方面均以達(dá)到較高水平,在進(jìn)行作業(yè)監(jiān)控過程中都能保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確并具有可追溯性,從而降低了工作人員由于水平經(jīng)驗(yàn)問題而帶來的操作失誤。在輸送機(jī)巡檢過程中系統(tǒng)應(yīng)用的是高性能電池,配合分布式自主充電,可隨時(shí)對管廊進(jìn)行巡檢。

        2.2 輸送機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

        輸送機(jī)進(jìn)行管廊作業(yè)需要結(jié)合實(shí)際環(huán)境進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì),以敬業(yè)項(xiàng)目為例,具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

        表1 基于管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)的輸送機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

        其中NR101、NK101 為共線管帶,K113、K114 為共線管帶機(jī)。

        在實(shí)際設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),巡檢機(jī)器人需要根據(jù)管帶機(jī)臺(tái)數(shù)進(jìn)行設(shè)置,為保證雙側(cè)巡檢效果,雙線并行的管帶機(jī)需要應(yīng)用三臺(tái)智能機(jī)器人協(xié)助管帶機(jī),從而實(shí)現(xiàn)管廊全線巡檢效果。

        2.3 管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)配合輸送機(jī)作業(yè)的功能要求

        2.3.1 巡檢功能

        支持全自主巡檢和人工遙控巡檢兩種模式,不同模式之間能夠做到靈活切換。對于全自主巡檢,操作人員可提前預(yù)設(shè)巡檢指令,包括巡檢范圍、巡檢頻次等。具體又包括了例行和特巡兩種方式。

        2.3.2 檢測功能

        管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)前端配備有若干類型的檢測設(shè)備,可用于感知、采集外界信息,如紅外熱成像儀可檢測溫度,聲音采集設(shè)備可收集聲音信息,光攝像機(jī)可對皮帶、托輥架等物體進(jìn)行拍照等。所有采集到的圖像、視頻、音頻等信息,實(shí)時(shí)發(fā)送至監(jiān)控后臺(tái),同步顯示。

        2.3.3 后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)功能

        根據(jù)前端采集裝置反饋的實(shí)時(shí)信息,分析、判斷有無異常情況或潛在故障。如果存在皮帶跑偏、托輥發(fā)熱、嚴(yán)重噪聲等問題,立即報(bào)警并中止智能巡檢機(jī)器人當(dāng)前任務(wù),按照預(yù)設(shè)指令安全返航進(jìn)行檢修。除了一鍵返航外,還支持應(yīng)急實(shí)施對講,方便現(xiàn)場工作人員與后臺(tái)管理人員進(jìn)行語音交流。

        2.3.4 防碰撞功能

        利用安裝在管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)周邊的傳感器,及時(shí)感知障礙物,并立即停止,防止發(fā)生碰撞。如果處于全自助模式,在檢測到障礙清除后可按照原定線路繼續(xù)執(zhí)行巡檢任務(wù)。

        2.3.5 自主學(xué)習(xí)功能

        智能巡檢系統(tǒng)通過自有單片機(jī)系統(tǒng),對預(yù)先植入的輸送機(jī)正常信號(hào)保存,同時(shí)實(shí)時(shí)收據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)比對,形成正常與異常工況數(shù)據(jù)庫,實(shí)時(shí)報(bào)警。通過熱成像監(jiān)測皮帶撕裂情況,與廠家提供皮帶性能參數(shù)對比,反算出皮帶壽命與更換時(shí)間,為正常生產(chǎn)與檢修預(yù)警。

        2.3.6 其他功能

        除了上述主要的功能外,該管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)還要求配備自主充電功能、夜視功能、軌道自主導(dǎo)航功能等。

        2.4 輸送機(jī)檢測內(nèi)容

        智能巡檢系統(tǒng)在輸送機(jī)中的應(yīng)用,可完成皮帶機(jī)滾筒、托輥的發(fā)熱、軸承燒壞卡死不工作、皮帶架開縫、螺絲松動(dòng)、皮帶的撕裂、溫度異常、托輥異響等工況檢測。

        2.4.1 皮帶機(jī)滾筒異常工況檢測

        預(yù)先植入輸送機(jī)正常信號(hào)作為參考信號(hào),現(xiàn)場收集滾筒聲音信號(hào)后,首先分析正常高低音,將處于高低音范圍內(nèi)的正常聲音過濾掉。對于剩余的異常聲音進(jìn)行分類,提取噪音特征。利用MFCC 梅爾倒譜系數(shù)對噪音的音頻進(jìn)行處理。利用深度學(xué)習(xí)算法對噪音處理結(jié)果進(jìn)行判斷,判斷屬于哪一類別的噪音,從而分析出產(chǎn)生噪音的故障類型。

        2.4.2 托輥磨損檢測

        對于拍攝所得照片,利用深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測,判斷托輥的位置?;贠PENCV 開閉運(yùn)算處理獲取托輥所有連接像素,然后在此基礎(chǔ)上再使用細(xì)化骨架算法,得到托輥的高度、寬度、傾斜率等參數(shù)。將基于拍攝照片的分析結(jié)果,與托輥的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行對比,判斷是否出現(xiàn)嚴(yán)重磨損,以及是否需要更換。

        2.4.3 托輥溫度異常檢測

        利用紅外熱成像儀獲取各托輥的實(shí)時(shí)溫度,并且對溫度異常的區(qū)域進(jìn)行檢測。通過熱成像分析,找出溫度最高點(diǎn),自動(dòng)分析導(dǎo)致溫度異常的原因。

        3 管帶機(jī)智能巡檢軟件系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

        3.1 軟件系統(tǒng)連接

        軟件的整體架構(gòu)分為4 層,每層包含了1 種或多種服務(wù)器,如圖2 所示。

        圖2 系統(tǒng)集成軟件部署圖

        依據(jù)服務(wù)器的功能將8 類服務(wù)器進(jìn)行劃分:

        傳感器接入電路后即可以立即開始工作。在處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),震動(dòng)軸靜止,電路處于導(dǎo)通狀態(tài),當(dāng)傳感器感受到震動(dòng)時(shí),震動(dòng)軸位移,電路瞬時(shí)斷開,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)震動(dòng)的觸發(fā)功能。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到傳感器單獨(dú)工作輸出電壓不穩(wěn)定,為了保證模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量時(shí)信號(hào)不失真,因此采用了LM393電壓比較器對信號(hào)進(jìn)行過濾。同時(shí)為增強(qiáng)裝置的適應(yīng)性,提高靈敏度,在設(shè)計(jì)電路時(shí)采用了調(diào)節(jié)電位器,可以通過自主調(diào)節(jié)電阻值大小改變傳感器的靈敏度[3]。

        3.1.1 數(shù)據(jù)服務(wù)器

        包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、FTP 文件服務(wù)器等。操作步驟是將前端采集的數(shù)據(jù),或在虛擬機(jī)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù),按照使用需求在服務(wù)器之間實(shí)現(xiàn)傳遞或?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理。

        3.1.2 視頻服務(wù)器

        用于運(yùn)行、管理視頻流。操作步驟是將關(guān)鍵數(shù)據(jù)、分析結(jié)果等轉(zhuǎn)化成視頻形式,在顯示器上呈現(xiàn)出來,方便檢修人員更加直觀地了解設(shè)備的運(yùn)行工況或故障情況。

        3.1.3 應(yīng)用服務(wù)器

        包括Web 服務(wù)器、手機(jī)APP 服務(wù)器等。主要進(jìn)行Web 網(wǎng)站的日常維護(hù),通過前臺(tái)響應(yīng)、后臺(tái)服務(wù),確保智能巡檢機(jī)器人的各項(xiàng)應(yīng)用功能順利實(shí)現(xiàn)。

        3.2 聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

        管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)共設(shè)有9 個(gè)接口,3 個(gè)接口為下發(fā)接口,用于連接機(jī)器人系統(tǒng)和控制中心管理系統(tǒng)。6 個(gè)為上報(bào)接口,用于連接機(jī)器人系統(tǒng)和后臺(tái)管理系統(tǒng)。以下發(fā)接口中的中繼站巡檢設(shè)備清單推送為例,進(jìn)行如下調(diào)試:

        3.2.1 選擇接口并定義接口名稱。

        3.2.2 描述接口功能,即后臺(tái)管理系統(tǒng)設(shè)備清單推送。

        3.2.3 設(shè)定接口的接入方式,服務(wù)端與機(jī)器人系統(tǒng)連接,客戶端與后臺(tái)管理系統(tǒng)連接。

        3.2.4 定義接口輸入、輸出內(nèi)容。如表2、表3 所示。

        表2 輸入數(shù)據(jù)表

        表3 輸出數(shù)據(jù)表

        完成上述準(zhǔn)備后,啟動(dòng)管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng),在設(shè)定范圍內(nèi)進(jìn)行巡檢。自動(dòng)推送預(yù)設(shè)的巡檢設(shè)備清單。一段時(shí)間后,觀察巡檢機(jī)器人是否對清單上所列電氣設(shè)備進(jìn)行巡檢。若所有設(shè)備均完成一次檢查,則說明該功能可以正常實(shí)現(xiàn)。

        結(jié)束語

        管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)使用GPS 定位器、紅外測溫儀、高清攝像機(jī)等作為數(shù)據(jù)采集裝置,通過無線網(wǎng)絡(luò)AP 系統(tǒng)將信號(hào)傳送至后臺(tái)系統(tǒng),利用軟件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理,實(shí)現(xiàn)對異常工況的精準(zhǔn)識(shí)別。管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集更加準(zhǔn)確、全面,分析結(jié)果更加可靠等特點(diǎn),為巡檢人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱蔽故障、盡快采取修復(fù)措施,為保障操作安全運(yùn)行提供了技術(shù)支持。

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