張磊

摘 要：筆者介紹了常規(guī)傳感器在傳統(tǒng)自動(dòng)輸送線和自動(dòng)清洗線中的應(yīng)用，由于自動(dòng)清洗線的工況是一種濕環(huán)境，所以常規(guī)傳感器無(wú)法在自動(dòng)清洗線濕環(huán)境下使用。為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套感應(yīng)裝置，該套裝置具有防護(hù)功能，與常規(guī)傳感器配合使用，可有效避免常規(guī)傳感器直接與清洗后的產(chǎn)品產(chǎn)生的水滴相接觸。通過(guò)實(shí)踐和論證，該裝置使常規(guī)傳感器可以在復(fù)雜潮濕的環(huán)境中使用，并有效提高生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度和實(shí)際生產(chǎn)需求。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)輸送線;清洗機(jī)構(gòu);傳感器;感應(yīng)裝置

中圖分類號(hào)：TP23 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）4-0036-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.04.007

A Structure Design of Automatic Cleaning Line Induction Device

ZHANG lei

（Jiangsu Fugang Intelligent Technology Co.， Ltd.， Xuzhou 221000， China）

Abstract：The author introduces the conventional sensor in the traditional automatic conveyor line and the application of the automatic cleaning line， due to the operation condition of the automatic cleaning line is a kind of wet environment， so the conventional sensors cannot use wet environment. The automatic cleaning line in order to solve this problem， design a set of sensors， this set of device has the protective functions， used together with conventional sensors.Through practice and demonstration， this device enables conventional sensors to be used in complex and wet environment， and effectively improves the degree of automation of the production line and the demand of actual production.

Keywords： automatic line;cleaning machine; sensor; induction system

0 引言

為提升企業(yè)的整體利潤(rùn)，提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化企業(yè)管理流程，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，自動(dòng)化生產(chǎn)線越來(lái)越受歡迎。自動(dòng)化生產(chǎn)線能構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，其綜合了傳感技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等尖端技術(shù)。自動(dòng)化生產(chǎn)線有各種生產(chǎn)需要，通過(guò)有效的綜合和組織來(lái)優(yōu)化整體的裝備。而這些自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備中傳感器系統(tǒng)是所有自動(dòng)化解決方案的前提，傳感器可以提供連續(xù)的、實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和事件信息的反饋，是自動(dòng)化設(shè)備中必備的元器件，在行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。而在不同的環(huán)境和場(chǎng)合中，設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)選用不同類型的傳感器。如果在正常環(huán)境中，通常會(huì)用到普通光電傳感器，就可以檢測(cè)工件的位置、狀態(tài)等;如果在復(fù)雜環(huán)境中，普通傳感器就無(wú)法滿足需要，如清洗輸送線就是在一個(gè)潮濕的環(huán)境空間，普通光電傳感器會(huì)因接觸到水滴而失效，不能正常使用，在此環(huán)境下設(shè)計(jì)一套感應(yīng)裝置機(jī)構(gòu)，使得傳感器與感應(yīng)裝置機(jī)構(gòu)接觸，從而避開(kāi)了水霧或水滴對(duì)傳感器的影響。

1 常規(guī)傳感器在傳統(tǒng)自動(dòng)輸送線中的應(yīng)用

一般在自動(dòng)化生產(chǎn)線中，工件需要在輸送線上進(jìn)行傳送，在輸送過(guò)程中工件的上料、輸送過(guò)程、工件的離開(kāi)等所有動(dòng)作都需要在線檢測(cè)，所以在設(shè)計(jì)輸送線體時(shí)，一段輸送線上會(huì)布置2～3個(gè)傳感器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，選用的傳感器類型通常是漫反射或者對(duì)射光電型傳感器以及光纖傳感器。

傳感器在自動(dòng)化生產(chǎn)線中常用于輸送線上的物料存在檢測(cè)，產(chǎn)品尺寸大小、物料的高度、液體的位置檢測(cè)，產(chǎn)品的計(jì)數(shù)及質(zhì)量檢驗(yàn)上的應(yīng)用等[1]。

1.1 傳感器在傳統(tǒng)自動(dòng)輸送線中的工作流程

如圖1所示，進(jìn)料、出料傳感器分別固定在進(jìn)出口側(cè)。工件3投入后，當(dāng)輸送到進(jìn)料感應(yīng)傳感器2位置時(shí)，即開(kāi)始進(jìn)入檢測(cè)位置，由于工件3擋住了進(jìn)料感應(yīng)傳感器2發(fā)射器的光束，觸動(dòng)開(kāi)關(guān)，進(jìn)料感應(yīng)器2反饋給PLC控制系統(tǒng)一個(gè)信號(hào)，系統(tǒng)已知工件已進(jìn)入輸送線。輸送線繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，工件3前進(jìn)，當(dāng)輸送到出料傳感器4位置時(shí)，即進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域，出料感應(yīng)傳感器4反饋給控制系統(tǒng)一個(gè)信號(hào)，系統(tǒng)得知工件3將離開(kāi)工位。如果需要工件3停留在此工位，控制系統(tǒng)給出阻擋機(jī)構(gòu)5一個(gè)控制命令，阻擋機(jī)構(gòu)5開(kāi)始動(dòng)作阻擋工件3的輸送，此時(shí)將完成整個(gè)輸送流程。

1.2 光電傳感器的固定裝置及說(shuō)明

如圖2所示，光電傳感器7固定在鈑金件6上，光電傳感器中發(fā)射器和接收器在同一個(gè)傳感器裝置里，所以發(fā)射器發(fā)射的光由檢測(cè)物體反射的光回到接收器，并由接收器對(duì)接收光強(qiáng)度的大小進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)光強(qiáng)度大小超過(guò)開(kāi)關(guān)量閾值，即觸發(fā)功能開(kāi)關(guān)。

光電傳感器在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，其光電效應(yīng)的原理是指當(dāng)一個(gè)物體受到了光的輻射，那么物體內(nèi)部的電子就會(huì)接收到光束粒子中的能量，而這些能量被物體內(nèi)部的電子吸收后，會(huì)發(fā)生一些變化[2]。其中粒子的特性也會(huì)跟著發(fā)生變化，這種變化過(guò)程稱為外部光電效應(yīng)和內(nèi)部光電效應(yīng)。其中，外光電效應(yīng)具體是指物體被光照射過(guò)以后，而出現(xiàn)一種電子外溢的現(xiàn)象，實(shí)際生產(chǎn)中較為常見(jiàn)的光電管就是根據(jù)這個(gè)原理制作而成的;而內(nèi)光電效應(yīng)則具體是指物體被光照射以后，沒(méi)有出現(xiàn)電子外溢的現(xiàn)象，但物體的電導(dǎo)會(huì)發(fā)生一定的變化，或物體的電動(dòng)勢(shì)會(huì)發(fā)生一定的變化，實(shí)際生產(chǎn)中的二極管就是利用這個(gè)原理制作而成的。另外，光電傳感器在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中可以有效避免和被檢測(cè)對(duì)象的接觸，對(duì)被檢測(cè)物體的損傷性較小，因此在自動(dòng)化生產(chǎn)線中應(yīng)用光電傳感器[3]，可以有效提高被檢測(cè)物體的完整性，提高設(shè)備使用的年限。

光電傳感器雖然在自動(dòng)化輸送線中應(yīng)用非常廣泛，但在惡劣環(huán)境及潮濕環(huán)境下，可能會(huì)因?yàn)樗F或水滴造成光電傳感器感應(yīng)失效，所以在一些自動(dòng)清洗線中或者濕環(huán)境下就無(wú)法使用。

2 感應(yīng)裝置在自動(dòng)清洗輸送線中的應(yīng)用

2.1 感應(yīng)裝置在自動(dòng)清洗線中的工作流程

自動(dòng)清洗輸送線工作流程如圖3所示。當(dāng)工件11進(jìn)入前段conveyor，感應(yīng)裝置9檢測(cè)到工件已進(jìn)入工位，由包膠滾筒8壓緊工件11，輸送到清洗機(jī)構(gòu)10，清洗機(jī)構(gòu)10檢測(cè)到工件11已進(jìn)入清洗位置，清洗機(jī)構(gòu)10開(kāi)始進(jìn)行清洗工作。清洗結(jié)束后，工件11由清洗機(jī)構(gòu)10輸送到下段conveyor，并由接駁滾筒12進(jìn)行接駁，此時(shí)感應(yīng)裝置檢測(cè)到工件進(jìn)入工位后，滾筒開(kāi)始啟動(dòng)-運(yùn)轉(zhuǎn)把工件11輸送出料完成。

其中清洗機(jī)構(gòu)的工作原理為：當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)入清洗機(jī)構(gòu)時(shí)，清洗機(jī)構(gòu)的進(jìn)料傳送帶將產(chǎn)品輸送到清洗機(jī)構(gòu)內(nèi)，利用清洗機(jī)構(gòu)相互平行的毛刷輥，同時(shí)位于毛刷輥兩側(cè)的上噴頭和下噴頭開(kāi)始進(jìn)行噴水，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行清洗。接駁滾筒12為包膠滾筒，所謂包膠滾筒是指將滾筒的表面進(jìn)行鑄膠，可以分為冷硫和熱硫方式包膠，也就是平時(shí)所說(shuō)的冷粘式和熱粘式包膠。其中熱粘式包膠就是將滾筒周圍均勻包裹一層完整的膠料，并且進(jìn)行熱粘鑄膠制作的過(guò)程。其中包膠材質(zhì)為PU，硬度為肖氏硬度70，滾筒與固定座分別選用不銹鋼和鋁合金材質(zhì)，滾筒軸承為不銹鋼軸承。導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)選優(yōu)POM等材質(zhì)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選用不銹鋼和尼龍等材質(zhì)。

2.2 自動(dòng)清洗線中包膠滾筒的設(shè)計(jì)

2.2.1 相鄰滾筒之間距離的計(jì)算。應(yīng)保證一件產(chǎn)品至少被3支或3支以上的滾筒支撐，相鄰滾筒之間的距離P一般情況下可按式（1）進(jìn)行計(jì)算。

P=1/3L （1）

式中：P為相鄰滾筒的間距，mm;L為產(chǎn)品的長(zhǎng)度，mm。

對(duì)要求輸送平穩(wěn)的產(chǎn)品，可以按式（2）進(jìn)行計(jì)算。

P=（1/4-1/5）L （2）

對(duì)于柔性大的細(xì)長(zhǎng)產(chǎn)品，還需要核算物件的擾度。產(chǎn)品在相鄰滾筒間距上的擾度值應(yīng)小于相鄰滾筒間距的1/500，否則需要調(diào)整（縮小）滾筒之間的距離。另外，輸送線上的裝載物品在承受沖擊載荷時(shí)，也需要縮小滾筒間距或增加滾筒外徑。在清洗輸送滾筒線設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮以上因素，故選擇支撐產(chǎn)品的滾筒個(gè)數(shù)為3。

2.2.2 滾筒直徑的計(jì)算選型。滾筒直徑D的大小與輥?zhàn)拥某休d力有關(guān)，可按照式（3）進(jìn)行計(jì)算。

F≤F （3）

式中：F是指產(chǎn)品作用在單支滾筒上的載荷，N;F是指單支滾筒的允許載荷，N。

其中作用在單支滾筒上的載荷F0與產(chǎn)品的質(zhì)量、支撐產(chǎn)品的滾筒數(shù)量以及產(chǎn)品底部特性有關(guān)，可按照式（4）計(jì)算。

F=mg/（KK）? ? ? （4）

式中：m為單個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量，kg;K為單列滾筒支撐有效系數(shù)，與產(chǎn)品底部特性和滾筒平面度有關(guān)，通常可取K=0.7，對(duì)于產(chǎn)品底部剛度比較大的產(chǎn)品，可取K1=0.5;K為多列滾筒不均衡承載的系數(shù);n為支撐單個(gè)產(chǎn)品的滾筒數(shù)量;g為重力加速度，取g=9.8 m/s。在確定需要的單支滾筒允許載荷及輥?zhàn)拥拈L(zhǎng)度后，就可以計(jì)算出所需的滾筒直徑D，本方案輸送線滾筒直徑為50 mm。

2.3 感應(yīng)裝置工作流程

感應(yīng)裝置如圖4所示。如圖4（a）為處于靜止?fàn)顟B(tài)的感應(yīng)裝置，其工作原理：當(dāng)產(chǎn)品通過(guò)輸送線輸送過(guò)來(lái)時(shí)，首先觸碰到感應(yīng)裝置中的滾輪16，當(dāng)產(chǎn)品繼續(xù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí)，產(chǎn)品將推動(dòng)擺桿15旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，如圖4（b）所示，此時(shí)光纖傳感器13將感應(yīng)到擺桿15的移開(kāi)（其中光纖傳感器13是固定在感應(yīng)裝置固定座14中的光纖頭位置），此時(shí)傳感器發(fā)出信號(hào)，則判定產(chǎn)品已到此位置。當(dāng)產(chǎn)品清洗完移出此工位后，則感應(yīng)裝置9會(huì)自動(dòng)恢復(fù)豎直狀態(tài)，又如圖4（a）所示。此時(shí)傳感器也發(fā)出信號(hào)，則判定產(chǎn)品已離開(kāi)。在擺桿15位于豎直狀態(tài)時(shí)由于固定座磁鐵15和擺桿磁鐵17相吸的作用，使固定擺桿15靜止下來(lái)，保證擺桿15不會(huì)受慣性的影響而來(lái)回?cái)[動(dòng)。

2.3.1 感應(yīng)裝置部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明。該感應(yīng)裝置機(jī)構(gòu)中滾輪16與擺桿15組合，使用銷軸進(jìn)行連接。由于滾輪16需要與工件11接觸后轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮滾輪16與短銷軸20的公差配合，即滾輪16與短銷軸20的配合為間隙配合;而短銷軸20與擺桿15的裝配關(guān)系應(yīng)為過(guò)渡配合，即短銷軸20設(shè)計(jì)成兩端與中間為臺(tái)階式。

光纖傳感器13是由光纖頭和放大器組成，放大器固定在設(shè)備一側(cè)，光纖頭只需連接放大器即可，不用連接其他線路就可實(shí)現(xiàn)控制。放大器控制設(shè)定簡(jiǎn)單，通過(guò)觸摸屏上的統(tǒng)一設(shè)定功能以及備份的數(shù)據(jù)，在工序變更準(zhǔn)備過(guò)程中就可縮短啟動(dòng)前的準(zhǔn)備時(shí)間。光纖傳感器是一種將被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的傳感器[3]，即將光源入射的光束經(jīng)由光纖頭送入內(nèi)部調(diào)制器，在調(diào)制器內(nèi)部與外界被測(cè)參數(shù)的相互作用下，使光的光學(xué)性質(zhì)如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、偏振態(tài)等發(fā)生變化，而成為被調(diào)制的光信號(hào)[4]，后經(jīng)過(guò)光纖送入光電器件，經(jīng)解調(diào)器后獲得被測(cè)的參數(shù)。整個(gè)流程是光束經(jīng)過(guò)光纖導(dǎo)入，然后再通過(guò)調(diào)制器后再發(fā)射出去，其中光纖的作用是傳輸光束，再次是起到光調(diào)制器的作用。

固定座磁鐵17與擺桿磁鐵19相互作用的原理是通過(guò)兩個(gè)磁鐵之間的相互吸力，使擺桿15能處于一個(gè)靜止?fàn)顟B(tài)。如圖4（a）所示，擺桿15與感應(yīng)裝置固定座14處于靜止?fàn)顟B(tài)，旋轉(zhuǎn)時(shí)的狀態(tài)如圖4（b）所示。固定座磁鐵17和擺桿磁鐵19應(yīng)選用軸向磁力型磁鐵，磁力方向?yàn)檩S向，兩個(gè)磁鐵吸引力大于擺桿15的擺動(dòng)扭力，另外磁鐵的形狀為圓柱形方便安裝在感應(yīng)裝置固定座14和擺桿15內(nèi)。

2.3.2 感應(yīng)裝置機(jī)構(gòu)中材料的選用。感應(yīng)裝置固定座14、擺桿15、銷軸18、短銷軸20等加工材料為聚甲醛 （POM）[5]。POM具有類似金屬的硬度、強(qiáng)度和剛性，耐疲勞強(qiáng)度和剛性強(qiáng)度高于尼龍，尤其彈性模數(shù)高、硬度高是其他塑料不能相比的，具有良好的自潤(rùn)滑性和耐磨性，以及較小的蠕變性和吸水性，故尺寸穩(wěn)定性好，此外還有較好的耐化學(xué)品性，在清洗輸送線中可以替代金屬的使用。

由于滾輪16直接與產(chǎn)品接觸，所以選用耐磨性的材料，可選用聚四氟乙烯（PTFE）材料，其特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性，有異常的潤(rùn)滑性、耐磨性，具有極低的動(dòng)、靜摩擦因數(shù)，對(duì)金屬的摩擦因數(shù)為0.07～0.14[5]，有突出的表面不黏性，幾乎所有的黏性物質(zhì)都不能附在該材料的表面，可用于減摩自潤(rùn)滑零件、耐腐蝕化工設(shè)備零件，也可作電絕緣材料與零件等。

2.4 自動(dòng)清洗線感應(yīng)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該裝置使用梯形圖語(yǔ)言編程，其流程如圖5所示。根據(jù)流程完成PLC的梯形圖程序設(shè)計(jì)，完成清洗輸送線的自動(dòng)控制。當(dāng)多個(gè)產(chǎn)品連續(xù)進(jìn)入時(shí)，自動(dòng)清洗線感應(yīng)裝置可連續(xù)進(jìn)行工作。

3 結(jié)語(yǔ)

在本次感應(yīng)裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的考察、人員的操作流程以及存在的問(wèn)題進(jìn)行了梳理分析，并與現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員進(jìn)行了詳細(xì)交流，在后面的設(shè)計(jì)過(guò)程中反復(fù)檢討和不斷優(yōu)化，最終完成了該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。該套感應(yīng)裝置不僅滿足了實(shí)際生產(chǎn)需求，也克服了傳感器在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用局限性。

自動(dòng)化生產(chǎn)線的發(fā)展需要加強(qiáng)對(duì)傳感器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，提高傳感器在自動(dòng)化生產(chǎn)線中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在不同的場(chǎng)合應(yīng)用不同類型的傳感器[6]。只有這樣才能提高工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平，保證產(chǎn)品質(zhì)量，在自動(dòng)化設(shè)備領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

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