萬(wàn)宏鋼

（江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330000）

隨著海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，海洋垃圾越來(lái)越多，對(duì)沿海城市以及海洋生物造成了嚴(yán)重影響[1-3]。目前主要靠人工對(duì)海面上的大量垃圾進(jìn)行清理和收集，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且工作效率一般，這一現(xiàn)狀觸發(fā)了人們對(duì)機(jī)械化水面清掃船的需求[4]。筆者研制的“海洋環(huán)境衛(wèi)士”是一種清理和收集海面垃圾的新型工具船，如圖1所示，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，完成垃圾的收集、篩選、粉碎和壓縮打包等一系列無(wú)人化操作，不僅節(jié)省了人工成本，還大大提高了工作效率。目前高性能的海面清掃船僅集中在船舶建造工業(yè)發(fā)達(dá)的少數(shù)國(guó)家，但需求量卻是全球性的，因此該產(chǎn)品具有廣闊的市場(chǎng)前景[5-8]。

圖1 海洋環(huán)境衛(wèi)士

1 作品構(gòu)思

“海洋環(huán)境衛(wèi)士”具有操作自動(dòng)化、功能模塊化、智能化等特性，包括6大系統(tǒng)。

1）攔截系統(tǒng)：包括傳動(dòng)和攔截兩部分。利用螺旋傳動(dòng)將擋板推出，隨后通過(guò)齒輪與連桿相結(jié)合的方式驅(qū)動(dòng)擋板展開，從而攔截垃圾。

2）傳送系統(tǒng)：由伸縮履帶裝置和傳送裝置組成。履帶和卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)伸縮裝置伸入水面以下，卷起攔截網(wǎng)上的垃圾，隨后由傳送裝置將垃圾傳送至下一系統(tǒng)。

3）預(yù)處理系統(tǒng)：通過(guò)一系列預(yù)處理可以對(duì)垃圾進(jìn)行分揀和粉碎，便于后續(xù)的打包處理。

4）打包回收系統(tǒng)：經(jīng)過(guò)預(yù)處理的垃圾通過(guò)導(dǎo)槽掉落至壓縮箱，隨后電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)壓縮機(jī)體的齒輪齒條往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)垃圾壓縮打包處理，方便后續(xù)回收儲(chǔ)存。

5）智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)：推出裝置將壓縮箱推出，再通過(guò)智能機(jī)械夾子將壓縮箱進(jìn)行堆放。實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)動(dòng)作后推出裝置復(fù)位，再由換箱裝置進(jìn)行換箱操作。

6）智能識(shí)別系統(tǒng)：利用In-Sight軟件實(shí)現(xiàn)智能視覺系統(tǒng)，使其能夠?qū)ο潴w容量進(jìn)行智能化識(shí)別。

2 各部分結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 智能控制部分

智能控制部分由4塊慧魚編程接口板和計(jì)算機(jī)聯(lián)合控制。當(dāng)接通工作開關(guān)后，程序啟動(dòng)，各個(gè)部分無(wú)需單獨(dú)操作，利用計(jì)數(shù)器與限位開關(guān)聯(lián)合工作，實(shí)行精確控制，如圖2所示。攝像頭可以隨時(shí)判斷壓縮機(jī)構(gòu)是否正常運(yùn)行。當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)，攝像頭捕捉畫面正常，以此來(lái)監(jiān)測(cè)壓縮裝置；當(dāng)非正常運(yùn)行時(shí)，攝像頭捕捉畫面異常，電腦以及船身控制器發(fā)出警報(bào)，并能精確定位故障部位。

圖2 智能控制部分

2.2 攔截裝置

擋板通過(guò)螺旋傳動(dòng)推出，隨后通過(guò)齒輪與齒條進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)連桿將擋板展開，如圖3所示。

圖3 攔截裝置開啟與關(guān)閉

2.3 伸縮裝置

伸縮履帶裝置如圖4所示，當(dāng)需要收集垃圾時(shí)，通過(guò)TXT控制，啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，將卷?yè)P(yáng)機(jī)及貯帶倉(cāng)伸長(zhǎng)至水面并延伸至水下，進(jìn)行垃圾處理的準(zhǔn)備工作。

圖4 伸縮履帶裝置

2.4 傳送裝置

當(dāng)卷?yè)P(yáng)機(jī)到達(dá)指定收集位置后，啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)開始運(yùn)動(dòng)，將需要收集的垃圾通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)輸?shù)铰膸胺胶螅膸?dòng)，將收集到的垃圾向分揀裝置運(yùn)送。裝置由鏈傳動(dòng)進(jìn)行，使裝置平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確，工作可靠，效率高。

2.5 分揀裝置

裝置通過(guò)預(yù)留間隙以及齒輪之間的嚙合達(dá)到篩選和粉碎的目的，且兩者之間完全由齒輪傳動(dòng)，保證了裝置的準(zhǔn)確性和可靠性。在垃圾運(yùn)送的途中，分揀裝置啟動(dòng)，通過(guò)電機(jī)進(jìn)行震動(dòng)，將收集到的垃圾按照體型分為小型及大中型垃圾，小型垃圾通過(guò)篩選滑至垃圾收集箱，大中型垃圾則前往粉碎裝置。分揀裝置具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 分揀裝置

2.6 粉碎裝置

在分揀裝置啟動(dòng)過(guò)程中，粉碎裝置啟動(dòng)，如圖6所示。大中型垃圾通過(guò)篩選裝置進(jìn)入粉碎機(jī)，粉碎機(jī)通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)兩組高速運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪對(duì)垃圾進(jìn)行破碎，完成破碎的垃圾落入垃圾收集箱中。

圖6 粉碎裝置

2.7 隔擋裝置

通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)鏈傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩端螺桿的同步上下運(yùn)動(dòng)，使隔擋門實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)而更好地控制垃圾的進(jìn)入量，從而使壓縮裝置更好地工作，隔擋裝置如圖7所示。

圖7 隔擋裝置

2.8 壓縮裝置

粉碎后的垃圾和小型垃圾落入垃圾收集箱后，壓縮裝置啟動(dòng)，如圖8所示。通過(guò)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)壓縮機(jī)體的齒輪齒條傳動(dòng)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由自身重力對(duì)垃圾進(jìn)行壓縮打包。

圖8 壓縮裝置

2.9 推出裝置

當(dāng)垃圾壓縮完成后，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)箱體下方的齒輪齒條傳動(dòng)，進(jìn)行箱體的前后運(yùn)動(dòng)，達(dá)到將箱體推出的目的，以便切換箱體。推出裝置及齒條導(dǎo)軌如圖9所示。

圖9 推出裝置

2.10 換箱裝置

通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿前后運(yùn)動(dòng)，使新的箱體被推至壓縮裝置下，儲(chǔ)存好的箱子通過(guò)重力下落，進(jìn)行下一輪回。換箱裝置具體結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 換箱裝置

2.11 智能倉(cāng)儲(chǔ)裝置

上端具有導(dǎo)軌可供智能抓取裝置在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)上下左右運(yùn)動(dòng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化入庫(kù)，智能堆疊。下方具有承重柱，具有承重量大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)。智能倉(cāng)儲(chǔ)裝置總體視圖如圖11所示。

圖11 智能倉(cāng)儲(chǔ)裝置總體視圖

2.12 智能抓取裝置

當(dāng)箱體推出時(shí)，智能抓取裝置將通過(guò)導(dǎo)軌移動(dòng)到箱體上方進(jìn)行抓取，裝置設(shè)有自動(dòng)升降，可在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)全方位移動(dòng)進(jìn)行貨物堆疊。智能抓取裝置主體部分如圖12所示，可實(shí)現(xiàn)以下操作。

圖12 智能抓取裝置主體部分

1）爬升：通過(guò)齒輪與齒條嚙合進(jìn)行爬升，傳遞動(dòng)力大、壽命長(zhǎng)，工作平穩(wěn)，可靠性高。

2）左右：通過(guò)鏈條傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)左右精確運(yùn)動(dòng)。

3）前后：利用4個(gè)負(fù)重輪在導(dǎo)軌上進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng)，負(fù)重輪上有橡膠包裹，用于增加摩擦力。

4）夾抓：兩條螺桿并排放置，二者之間通過(guò)齒輪傳動(dòng)達(dá)到開合的目的。

2.13 節(jié)能裝置

通過(guò)太陽(yáng)能和風(fēng)能搭建風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能，具體如圖13所示。

圖13 節(jié)能裝置

2.14 推進(jìn)裝置

推進(jìn)裝置利用3組相互嚙合的齒輪，由編碼電機(jī)帶動(dòng)齒輪運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)船體的前進(jìn)與后退，具體如圖14所示。

圖14 推進(jìn)裝置

2.15 智能識(shí)別裝置

利用In-Sight軟件的智能視覺系統(tǒng)，使其能夠?qū)ο潴w容量進(jìn)行智能化識(shí)別，智能識(shí)別裝置如圖15所示。

圖15 智能識(shí)別裝置

3 作品的科學(xué)性與先進(jìn)性

本裝置的智能控制系統(tǒng)由ROBO Pro控制軟件、接口板和傳感器組成，能夠?qū)ι炜s裝置的伸出與縮回等步驟進(jìn)行控制[9-10]，科學(xué)性和先進(jìn)性在于：

1）對(duì)接口板進(jìn)行了擴(kuò)展操作，電機(jī)接口由原來(lái)的4個(gè)變成了8個(gè)，同時(shí)I/O口的數(shù)量也擴(kuò)展為原來(lái)的兩倍，保證作品所需的電源、輸入信號(hào)、輸出信號(hào)都可以連入控制器中，控制環(huán)衛(wèi)車完成所有的動(dòng)作?？刂破鲗?duì)各電機(jī)、傳感器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)一步保證了“海洋環(huán)境衛(wèi)士”運(yùn)行的可靠性。

2）本裝置利用限位開關(guān)檢測(cè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的位置，控制機(jī)器的運(yùn)行、停止或計(jì)數(shù)，把數(shù)字量的結(jié)果即0或1返回給控制器。相比其他類型的傳感器采用延時(shí)的控制方式，本設(shè)計(jì)中的限位開關(guān)可以精確控制電機(jī)運(yùn)行的時(shí)間，這大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

4 作品的創(chuàng)新點(diǎn)

1）智能倉(cāng)儲(chǔ)：智能機(jī)械平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)上下左右運(yùn)動(dòng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化入庫(kù)。

2）伸縮裝置：能有效收集水面垃圾和漂浮垃圾，大大提高了工作效率。

3）換箱裝置：通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿前后運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使新的箱體被推送至壓縮裝置，存儲(chǔ)好的箱子則通過(guò)重力下落進(jìn)行下一道工序。