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        環(huán)模智能定孔疏通裝置設(shè)計(jì)研究

        2023-11-10 06:33:04朱發(fā)運(yùn)王昀朱發(fā)興董月陳肇麟
        關(guān)鍵詞:智能檢測

        朱發(fā)運(yùn), 王昀, 朱發(fā)興, 董月, 陳肇麟

        (1. 中國美術(shù)學(xué)院 南特設(shè)計(jì)聯(lián)合學(xué)院, 浙江 杭州 310002;2. 中國美術(shù)學(xué)院 工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院, 浙江 杭州 310002;3. 南京航空航天大學(xué) 航空學(xué)院, 江蘇 南京 210016;4. 杭州漢品工業(yè)設(shè)計(jì)有限公司, 浙江 杭州 310000)

        環(huán)模是飼料顆粒機(jī)的核心部件,其制造難度較大,且造價(jià)昂貴。在飼料生產(chǎn)中,因原料、環(huán)模材質(zhì)和質(zhì)量、操作工藝等的影響,常常會發(fā)生環(huán)模??锥氯F(xiàn)象,在??變?nèi)形成硬度和密度較大的固化料栓[1-2]。壓輥對物料的擠壓下,??妆谂c料栓產(chǎn)生摩擦而使環(huán)模磨損,磨損維修費(fèi)占環(huán)模整體維修費(fèi)的25%以上,且會使環(huán)模失效,大大縮短環(huán)模的使用壽命[3-5]。因此,對??走M(jìn)行有效的疏通和維護(hù)非常重要,可以降低設(shè)備維護(hù)成本,保障飼料生產(chǎn)順利進(jìn)行。

        針對堵塞的???,可采用熱水或熱油浸煮法進(jìn)行疏通,對??變?nèi)殘留的少量料栓,用軟質(zhì)棒進(jìn)行清理,但此法耗時(shí)長、清理效率低;另一種疏通方法為鉆孔疏通法,即由人工用電鉆逐孔清理,但清理時(shí)工作強(qiáng)度大、效率低,且易對模孔造成刮傷[6-7]。目前,國內(nèi)外針對環(huán)模定孔疏通的研究主要集中在清理裝置半自動化結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上[8-9];王紹等[10-11]進(jìn)行了模孔清理裝置自動化控制研究,構(gòu)建了微控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)自動疏通,但裝置設(shè)計(jì)復(fù)雜、質(zhì)量較大、操作較難;冀勛等[12-13]進(jìn)行了??讌?shù)檢測原理等研究,設(shè)計(jì)了相關(guān)的傳感器探頭和??讌?shù)檢測裝置,但裝置的自動化應(yīng)用程度較低。設(shè)計(jì)合適的??浊謇硌b置,開展高效定孔檢測、自動化疏通等的理論與實(shí)驗(yàn)研究,對??锥氯沫h(huán)模進(jìn)行智能定孔疏通,對推動顆粒制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要作用。

        作者在已有研究的基礎(chǔ)上[14-15],通過對環(huán)模??讬z測原理、裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)軟硬件的分析,設(shè)計(jì)了一套環(huán)模智能定孔疏通裝置,其具有操作簡便、定位精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠及性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn),可快速高效地對堵塞模孔進(jìn)行極小磨損的疏通,提高飼料生產(chǎn)的效率和產(chǎn)量。

        1 環(huán)模??讬z測原理

        高磁導(dǎo)率的鐵磁性導(dǎo)體受到外界磁場磁化后,其缺陷處的磁力線會發(fā)生扭曲,甚至有部分磁力線會從缺陷處溢出[16-18]。設(shè)正常環(huán)模壁的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1,環(huán)模壁截面積為S1,則正常環(huán)模壁截面的磁通量Φ1=B1S1;設(shè)??滋幋鸥袘?yīng)強(qiáng)度為B2,??捉孛娣e為S2,模孔處模壁截面積為S1-S2,則帶模孔的環(huán)模壁截面的磁通量Φ2=B2(S1-S2);通過環(huán)模壁的總磁通量是一定的,即Φ1=Φ2,則B2=B1S1/(S1-S2),因此,模孔周圍的漏磁通量與??捉孛娣e和環(huán)模壁的磁感應(yīng)強(qiáng)度相關(guān)。

        環(huán)模??茁┐艡z測原理如圖1所示。采取針對性的檢測手段對環(huán)模進(jìn)行漏磁檢測,即可對??锥ㄎ?。霍爾傳感器是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器,可以檢測到磁場的變化。在霍爾傳感器的探測頭接近???、移至孔心和孔外的過程中,傳感器的輸出電壓會有一個(gè)極大值,出現(xiàn)電壓極大值時(shí)傳感器所處的位置即為檢測到的??孜恢肹19-21]?;魻栃?yīng)可以表示為[19-21]:

        圖1 環(huán)模模孔漏磁檢測原理示意Fig.1 Schematic diagram of magnetic leakage detection for ring die hole

        式中:UH為霍爾電壓,V;RH為霍爾系數(shù);I為傳感器敏感元件的電流,A;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,T;t為敏感元件厚度,mm。

        2 智能定孔疏通裝置的設(shè)計(jì)

        環(huán)模智能定孔疏通裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示,其主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、下位機(jī)軟硬件和上位機(jī)軟件三部分組成。作者自主設(shè)計(jì)的??锥ㄎ皇柰K安裝于Dobot機(jī)械手的固定端,與機(jī)械手共同組成裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu);控制器通過3個(gè)Tb6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)及機(jī)械手的控制;上臂步進(jìn)電機(jī)通過連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手上臂擺動;下臂步進(jìn)電機(jī)與下臂配合連接實(shí)現(xiàn)機(jī)械手下臂擺動;旋轉(zhuǎn)平臺與固定平臺通過平面推力球軸承配合連接,旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)平臺在固定平臺上的轉(zhuǎn)動;??锥ㄎ皇柰K在工作過程中保持水平狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對環(huán)模??椎亩ㄎ慌c疏通。

        圖2 環(huán)模智能定孔疏通裝置的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of intelligent fixed hole dredging device for ring die

        2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        ??锥ㄎ皇柰K如圖3所示,其上蓋和中體架結(jié)構(gòu)如圖4所示。模塊通過其下蓋導(dǎo)槽與機(jī)械手前端的連接件進(jìn)行連接固定,上蓋和中體架與電磁鐵模塊、霍爾傳感器探頭及線纜接頭進(jìn)行配合固定,中體架和下蓋對疏通電機(jī)進(jìn)行壓緊固定。對模塊的核心部件進(jìn)行穩(wěn)固支撐與安裝,以保障模塊及其部件在??锥ㄎ皇柰üぷ髦蟹€(wěn)定運(yùn)行。

        圖3 ??锥ㄎ皇柰K示意Fig.3 Schematic diagram of die hole positioning dredging module

        圖4 模孔定位疏通模塊上蓋和中體架結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of upper cover and middle frame of die hole positioning dredging module

        霍爾傳感器用于堵塞??椎亩ㄎ?;聯(lián)軸器和疏通電機(jī)與逆磁性鉆頭相連,實(shí)現(xiàn)對堵塞??椎氖柰?;電磁鐵模塊由電磁線圈和鐵芯組成,形成電磁磁場以實(shí)現(xiàn)檢測;模塊上蓋、中體架、下蓋、聯(lián)軸器、螺釘均由拒磁性材料制造而成;線纜接頭外皮由拒磁性屏蔽套包裹,在??锥ㄎ粫r(shí)可減少其對磁力線的干擾,保證??锥ㄎ痪取?/p>

        2.2 下位機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)

        下位機(jī)的硬件如圖5所示。微控制單元(microcontroller unit,MCU)采用基于ARM (advanced RISC(reduced instruction set computer)machine,高級精簡指令集計(jì)算機(jī))的高性能Coxtex-M3內(nèi)核32位STM32F103系列處理器,其具有高性能、低電壓、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。MCU結(jié)合外部的步進(jìn)電機(jī)控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換、整流濾波等應(yīng)用電路和模塊,實(shí)現(xiàn)裝置運(yùn)行控制、磁信號檢測、??锥ㄎ缓褪柰皵?shù)據(jù)處理等功能。

        圖5 下位機(jī)硬件Fig.5 Hardware of lower computer

        下位機(jī)控制流程如圖6所示。系統(tǒng)啟動后首先進(jìn)行初始化,然后掃描輸入的按鍵并進(jìn)行處理。當(dāng)按鍵為K2時(shí),進(jìn)行系統(tǒng)及機(jī)械手復(fù)位。當(dāng)按鍵為K1時(shí),其控制流程為:1)MCU控制電磁鐵通電,形成??讬z測所需的磁場。2)ADS1110模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)將霍爾傳感器采集的磁場模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,并發(fā)送給MCU。3)LCD(liquid crystal display,液晶顯示屏)顯示模塊顯示裝置的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。4)MCU通過串口或無線模塊將信號數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī),同時(shí)控制機(jī)械手運(yùn)行。5)模孔定位疏通模塊檢測??祝喝魴z測到環(huán)模壁上無??祝瑒t判斷所有??资欠駲z測完成,若所有??讬z測完畢,則結(jié)束任務(wù),否則系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行:若檢測到環(huán)模壁上有???,則MCU控制電磁鐵斷電,控制機(jī)械手將??资柰K的逆磁性鉆頭運(yùn)動至??孜恢茫柰姍C(jī)運(yùn)行,鉆頭疏通??祝瓿珊驦ED和蜂鳴器提示本次??资柰ㄍ瓿?,并繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)??椎臋z測及疏通,直至所有模孔檢測、疏通完成。

        圖6 下位機(jī)控制流程Fig.6 Control flow of lower computer

        2.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

        采用PC作為上位機(jī),軟件采用VC(Virtual C++)開發(fā)語言。上位機(jī)采用了Microsoft Communications Control控件、按鈕控件、組合框控件、靜態(tài)文本控件和list control控件等。上位機(jī)界面如圖7所示。通過設(shè)置串口參數(shù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收并轉(zhuǎn)化成波形;可調(diào)節(jié)、控制ADS1110數(shù)模轉(zhuǎn)換器的增益和轉(zhuǎn)換速率,顯示并存儲其轉(zhuǎn)換數(shù)值信息和用戶個(gè)人信息;電壓值表征??椎穆┐磐?,來反映對環(huán)模模孔的檢測情況。同時(shí),設(shè)計(jì)了上位機(jī)對疏通電機(jī)的控制操作,以進(jìn)行裝置的調(diào)試及控制。

        圖7 上位機(jī)界面Fig.7 Interface of upper computer

        3 智能定孔疏通實(shí)驗(yàn)

        3.1 實(shí)驗(yàn)方案

        按照圖8所示的方案開展環(huán)模智能定孔疏通實(shí)驗(yàn)。將機(jī)械手底端安裝在其下側(cè)固定臺上,環(huán)模固定在環(huán)模固定臺上,機(jī)械手旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸位于環(huán)模中心位置,以保證其精確便捷地進(jìn)行環(huán)模定孔疏通??刂破骷熬€纜安裝固定在機(jī)械手固定臺上,機(jī)械手固定臺面低于環(huán)模固定臺面。機(jī)械手上臂保持伸展?fàn)顟B(tài),??锥ㄎ皇柰K、機(jī)械手及相關(guān)線纜在移動過程中不與環(huán)模接觸,以免發(fā)生干涉。

        圖8 環(huán)模智能定孔疏通實(shí)驗(yàn)方案示意Fig.8 Schematic diagram of experimental scheme of intelligent fixed hole dredging for ring die

        智能定孔疏通裝置安裝在待檢測環(huán)模內(nèi)側(cè),其與上位機(jī)通過串口模塊通信?;魻杺鞲衅骱湍娲判糟@頭的初始位置位于環(huán)模壁第1排無??滋?,驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī),使機(jī)械手、疏通模塊旋轉(zhuǎn)并檢測???。當(dāng)檢測、定位到第1個(gè)??缀?,系統(tǒng)控制上臂、下臂步進(jìn)電機(jī)及疏通電機(jī),使逆磁性鉆頭對模孔進(jìn)行疏通。疏通完成后依次完成環(huán)向360°內(nèi)第1排所有模孔的檢測及疏通,然后回到第1排初始位置。系統(tǒng)控制機(jī)械手向下運(yùn)動1個(gè)環(huán)模間距而到達(dá)第2排無??滋帲缓筮M(jìn)行第2排所有??椎亩ㄎ患笆柰?,當(dāng)檢測完環(huán)模所有??缀?,裝置運(yùn)行結(jié)束并復(fù)位。

        3.2 實(shí)驗(yàn)過程

        首先對環(huán)模智能定孔疏通裝置進(jìn)行調(diào)試,如圖9所示。對裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)、軟硬件進(jìn)行聯(lián)動調(diào)試,使機(jī)械手運(yùn)行正常,下位機(jī)和上位機(jī)的運(yùn)行及其通信正常,以確保疏通裝置可以穩(wěn)定運(yùn)行。

        圖9 環(huán)模智能定孔疏通裝置的調(diào)試Fig.9 Debugging of intelligent fixed hole dredging device for ring die

        疏通裝置調(diào)試完成后,進(jìn)行裝置的性能測試,對堵塞的環(huán)模進(jìn)行智能定孔疏通實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖10所示。需修復(fù)環(huán)模的外徑為350 mm,內(nèi)徑為320 mm;??咨疃葹?0 mm,直徑為3 mm。調(diào)整機(jī)械手固定臺,使旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸與環(huán)模中心保持同軸心;將??锥ㄎ皇柰K置于環(huán)模壁第1排無??滋?;啟動裝置,系統(tǒng)開始運(yùn)行,進(jìn)行模孔的定位及疏通。

        圖10 環(huán)模智能定孔疏通實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場Fig.10 Experimental site of intelligent fixed hole dredging for ring die

        在無??滋幧衔粰C(jī)界面顯示的波形如圖11所示,所測環(huán)模壁處的電壓約為0.894 V,波形無波動,此處無漏磁,系統(tǒng)判定為無??住Qb置繼續(xù)運(yùn)行,波形發(fā)生波動,模孔處電壓約上升至0.944 V,如圖12所示,表明該處出現(xiàn)了漏磁,系統(tǒng)判定為有???,此時(shí)電磁鐵斷電,疏通模塊運(yùn)行至??滋?,逆磁性鉆頭對??走M(jìn)行疏通;疏通完成后,電磁鐵再次上電,繼續(xù)進(jìn)行??讬z測及疏通,直至所有??资柰ㄍ瓿?。

        圖11 無??讜r(shí)的電壓波形Fig.11 Waveform diagram without die hole

        圖12 有模孔時(shí)的電壓波形Fig.12 Waveform with die hole

        3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        實(shí)驗(yàn)所測試的??卓倲?shù)為3 591個(gè),共用時(shí)約2.85 h,??资柰ㄐ矢哌_(dá)1 260個(gè)/h。經(jīng)檢查,被刮傷的??子?個(gè),刮傷率約為0.139%。發(fā)生刮傷的主要原因是,部分??滋幜粲蓄B固廢屑,一些??椎谋砻娌粔蚬饣?、存在毛邊,以及裝置出現(xiàn)非正?;味?。但刮傷傷痕較小,不影響環(huán)模在飼料生產(chǎn)中的正常使用。可見,采用智能定孔疏通裝置疏通模孔,疏通效率高,刮傷率低,可有效解決飼料顆粒生產(chǎn)中堵塞環(huán)模的疏通問題。

        4 結(jié) 論

        作者設(shè)計(jì)了環(huán)模智能定孔疏通裝置。裝置整體結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,成本低;通過??锥ㄎ皇柰K和漏磁通量檢測方法可實(shí)現(xiàn)??椎母呔葯z測與定位。采用該裝置,可實(shí)現(xiàn)??鬃詣踊ㄎ患笆柰ǎ啾扔趥鹘y(tǒng)的疏通方法,能較大程度地降低刮傷率,提高疏通效率,滿足了行業(yè)的應(yīng)用需求,促進(jìn)了金屬??滋綔y疏通技術(shù)的發(fā)展。

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