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。