石進(jìn)水

(山東交通職業(yè)學(xué)院,山東 濰坊 261206)

紅磚被限制使用后,免燒磚大量進(jìn)入建筑等行業(yè)。盤轉(zhuǎn)式(八孔或十六孔)制磚機(jī)能利用各種工業(yè)廢料、廢渣、煤矸石、河沙等為基本原料,生產(chǎn)出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的墻體磚、空心磚、地板磚等產(chǎn)品,可為鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)利用當(dāng)?shù)貜U料、廢渣資源,節(jié)約土地,脫貧致富、鄉(xiāng)村振興創(chuàng)造了新的條件。

以八孔式盤轉(zhuǎn)式制磚機(jī)為例,每分鐘可成型35次左右,其不僅具有機(jī)械運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定可靠、成型磚坯廢品率低、質(zhì)量密實(shí)、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),還具有磚坯成型無需托板、可直接搬運(yùn)的優(yōu)點(diǎn)。但磚坯在被擠壓成形后,現(xiàn)在仍然需要人工將其從制磚機(jī)上取下,擺放于傳送平臺(tái)上,以備碼垛。因該磚機(jī)的工作效率高,每臺(tái)磚機(jī)最少需配2名工人。工人的工作環(huán)境差,勞動(dòng)強(qiáng)度大,目前國內(nèi)外還沒有與之配套的高效、實(shí)用的自動(dòng)化、智能化碼磚設(shè)備。

本文采用獨(dú)特機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種可代替人工的碼磚機(jī)器人,可有效配合八孔盤轉(zhuǎn)式制磚機(jī)的工作,現(xiàn)已在河北、山東等地企業(yè)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

1 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的可配合盤轉(zhuǎn)式制磚機(jī)工作的智能碼磚機(jī)器人,選取典型的盤轉(zhuǎn)式八孔制磚機(jī)作為配套對象,可與其他輸送搬運(yùn)設(shè)備一起組成完整的磚坯生產(chǎn)及輸送流水線。

如圖1所示,取磚機(jī)器人整體設(shè)計(jì)安裝于八孔盤轉(zhuǎn)式制磚機(jī)的上方,機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由支撐架、支撐主軸、取放架、磚坯移除機(jī)構(gòu)、取磚機(jī)械手及各部分的驅(qū)動(dòng)裝置等機(jī)構(gòu)組成。[1]

如圖2所示,支撐架上安裝有由旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)(伺服電機(jī))轉(zhuǎn)動(dòng)且水平設(shè)置的支撐主軸。支撐主軸采用滾筒式設(shè)計(jì),按90度均勻分布設(shè)計(jì)4個(gè)取放架,每一個(gè)取放架分別裝有夾磚機(jī)械手,每個(gè)機(jī)械手由兩只氣動(dòng)夾緊臂組成。1號(hào)取放架對應(yīng)轉(zhuǎn)盤式制磚機(jī)的磚塊出口,4號(hào)工位對應(yīng)磚坯移除機(jī)構(gòu)(圖2-圖4)。在每個(gè)取放架上設(shè)計(jì)安裝一個(gè)伸縮氣缸,用來控制磚夾的升降;設(shè)計(jì)安裝兩個(gè)夾持氣缸,同夾持機(jī)構(gòu)組成氣動(dòng)機(jī)械手,來對磚坯進(jìn)行夾緊和松開。在支撐主軸側(cè)面安裝兩個(gè)電磁控制閥,控制氣缸的通氣和排氣。

圖2 機(jī)器人關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

支撐主軸包括連接在支撐架上的兩段半軸,其中一段半軸由伺服電機(jī)作為動(dòng)力源并通過減速器帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng);兩半軸上安裝有相對設(shè)置的兩個(gè)安裝盤,兩安裝盤之間連接有沿支撐主軸軸線環(huán)布的4個(gè)安裝架。為了保證兩安裝盤的轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性,在兩安裝盤之間安裝有將其連為一體的多根連接柱。兩個(gè)半軸采用空心軸的結(jié)構(gòu),可以將取放氣缸、夾緊氣缸的動(dòng)作控制連線以及氣路連接從空心軸的中間穿入并通過旋轉(zhuǎn)頭連通,這樣即方便了連接,又避免了主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)線路擰辮現(xiàn)象。

取放架連接在安裝架上且可沿支撐主軸徑向方向滑移,安裝架上裝有沿支撐主軸軸線方向間隔分布的支撐套,并在取放架上固接有沿支撐主軸徑向方向伸入支撐套且與支撐套滑動(dòng)配合的支撐柱。支撐柱可沿支撐套滑動(dòng),其滑動(dòng)方向?yàn)橹沃鬏S的徑向方向。

取放動(dòng)力裝置為連接在安裝架上的取放氣缸,取放架動(dòng)力連接在取放氣缸的活塞桿上。

夾緊動(dòng)力裝置為連接在取放架上且沿支撐主軸軸向方向相對設(shè)置的兩個(gè)夾緊氣缸,兩夾緊氣缸的活塞桿可對稱向外伸出或向內(nèi)伸出。此處設(shè)計(jì)采用兩個(gè)夾緊氣缸的好處在于,可以單獨(dú)控制每一個(gè)夾緊氣缸的行程,當(dāng)該機(jī)與盤轉(zhuǎn)式制磚機(jī)配裝尺寸出現(xiàn)偏差時(shí),可以及時(shí)調(diào)整夾緊氣缸的行程,從而保證兩夾緊臂夾持磚坯后位于中間位置,提高將磚坯碼放到磚坯移出機(jī)構(gòu)時(shí)的整齊度,為后期的碼坯做好準(zhǔn)備。

磚坯移除機(jī)構(gòu)位于支撐主軸后方,包括連接在支撐架上且前后平行布置的兩根傳動(dòng)輥,其中一根傳動(dòng)輥由動(dòng)力裝置(伺服電機(jī))驅(qū)動(dòng),兩傳動(dòng)輥之間包覆有磚坯傳送帶。取放架從拾取磚坯工位旋轉(zhuǎn)270°后,將磚坯放置在該磚坯傳送帶上。

2 機(jī)器人工作過程

當(dāng)磚坯經(jīng)盤轉(zhuǎn)式制磚機(jī)成型后,磚坯呈平放狀態(tài)自制磚機(jī)一個(gè)出磚口被頂出。機(jī)器人初始位置時(shí),正下方的取放架位于制磚機(jī)出磚口的上方。此時(shí)通過取放氣缸驅(qū)動(dòng)取放架,沿支撐主軸徑向方向運(yùn)動(dòng),也就是使取放架靠近出磚口。夾緊氣缸驅(qū)動(dòng)兩夾緊臂沿支撐主軸軸向方向相向移動(dòng),從而夾取磚坯;夾住磚坯后,再通過取放氣缸驅(qū)動(dòng)取放架遠(yuǎn)離出磚口,將磚坯拾起。然后通過旋轉(zhuǎn)動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)支撐主軸轉(zhuǎn)動(dòng),使帶有磚坯的取放架轉(zhuǎn)動(dòng)90°,此時(shí)另一個(gè)取放架正對出磚口上方,重復(fù)上述動(dòng)作即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)取磚。支撐主軸每轉(zhuǎn)動(dòng)90°,正下方的夾緊臂夾取一次磚坯,同時(shí)后方的夾緊臂在移除機(jī)構(gòu)上擺放一次磚坯,取放氣缸的推出還具有將磚坯推齊的作用。由于磚坯在上述裝置的帶動(dòng)作用下在豎直狀態(tài)下旋轉(zhuǎn),因而磚坯在旋轉(zhuǎn)后被放置到磚坯移出機(jī)構(gòu)時(shí),便呈現(xiàn)為立放狀態(tài),可方便現(xiàn)有的其他大功率搬運(yùn)機(jī)器人對磚坯進(jìn)行批量抓取搬運(yùn)。

另外,支撐架上裝有夾磚感應(yīng)裝置和智能相機(jī)檢測系統(tǒng),通過感應(yīng)裝置和智能相機(jī)檢測系統(tǒng),可以感應(yīng)出位于正上方的取放架上的夾緊臂是否夾取了磚坯,磚坯的成型表面質(zhì)量圖像可傳輸?shù)揭曈X控制器,視覺控制器經(jīng)綜合判定后發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)給電氣控制系統(tǒng),進(jìn)一步保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人電氣控制系統(tǒng),采用西門子S7-1200可編程邏輯控制器(PLC)為核心,支撐軸和移除機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置均采用HG-KN43J-S100型號(hào)伺服電機(jī),MR-JE-40A型號(hào)伺服驅(qū)動(dòng)器,采用脈沖+方向控制方式。PLC通過接收感應(yīng)開關(guān),智能相機(jī)等傳感器所傳遞的外圍狀態(tài)信號(hào),控制各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電氣聯(lián)合控制,使各機(jī)構(gòu)按規(guī)定節(jié)拍運(yùn)行,同時(shí)使用人機(jī)界面調(diào)整系統(tǒng)的用戶參數(shù)數(shù)據(jù)[2]。PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器的接線方式如圖3所示,PLC部分輸入輸出點(diǎn)的定義如表1所示。

表1 PLC系統(tǒng)部分輸入輸出點(diǎn)定義

圖3 S7-1200為核心的電氣控制系統(tǒng)圖

4 視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

移除機(jī)構(gòu)上累計(jì)達(dá)到20塊磚坯后,專用的場地移動(dòng)式大功率磚坯搬運(yùn)機(jī)器人會(huì)將這20塊磚坯進(jìn)行批量夾取搬運(yùn)。但部分磚坯成型時(shí)存在裂紋、破損等質(zhì)量問題,在使用上述搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)時(shí)因受力較大會(huì)產(chǎn)生破損,從而導(dǎo)致其他磚坯一并從機(jī)器人夾具中掉落,給企業(yè)生產(chǎn)帶來很大損失。為解決上述問題,本系統(tǒng)中采用了一種高集成化微小型視覺系統(tǒng)——智能相機(jī)[3]。

智能相機(jī)系統(tǒng)采用歐姆龍F(tuán)H-L550視覺控制器,FZ-SC2M相機(jī),焦距12 mm的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭模組。其工作原理為:視覺控制器接收到PLC發(fā)出的測量觸發(fā)信號(hào)后,按照測量流程中登錄的處理項(xiàng)目順序,對來自相機(jī)的輸入圖像進(jìn)行識(shí)別對比,主要檢測磚坯邊緣是否完整、磚坯表面是否存在缺陷及其他磚坯成型質(zhì)量,在進(jìn)行綜合判定后將檢測結(jié)果輸出給PLC[4]。當(dāng)PLC接收到視覺控制器的判斷結(jié)果為不良品時(shí),該磚坯仍然會(huì)被擺放至移除機(jī)構(gòu)輸送帶,但PLC將控制推動(dòng)氣缸將該廢品推出。通過剔除邊緣不完整、表面有缺陷、成型質(zhì)量差的磚坯,減少后續(xù)搬運(yùn)工序中的整體破損率。

PLC和視覺控制器之間采用并行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,其工作時(shí)序如圖4所示。

圖4 視覺控制系統(tǒng)的時(shí)序圖

(1)在視覺控制器輸出信號(hào)BUSY為OFF的條件下,PLC根據(jù)工作節(jié)拍輸出拍照觸發(fā)信號(hào)STEP到視覺控制器。

(2)視覺控制器接收到STEP端的觸發(fā)信號(hào)后,開始進(jìn)行圖像測量處理,其輸出信號(hào)BUSY在執(zhí)行測量處理的過程中從OFF變?yōu)镺N。

(3)當(dāng)圖像測量處理完成后,視覺控制器的輸出信號(hào)BUSY從ON變?yōu)镺FF,同時(shí)在OR端輸出綜合判定結(jié)果信號(hào)。PLC此時(shí)讀取OR信號(hào)值,并以此信號(hào)值進(jìn)行后續(xù)流程的處理。

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的碼磚機(jī)器人,利用滾筒式支撐主軸的旋轉(zhuǎn),既實(shí)現(xiàn)了取磚、碼磚同時(shí)進(jìn)行,又實(shí)現(xiàn)了磚塊的姿態(tài)變換,為后續(xù)設(shè)備的工作提供了便利,大大提高了制磚企業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度,其創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在:

①采用四工位同時(shí)工作設(shè)計(jì),該機(jī)器人的拾取、碼放單個(gè)磚坯的工作周期可達(dá)到1秒以內(nèi)。在節(jié)約了人力成本的同時(shí),還可使盤轉(zhuǎn)式制磚機(jī)的工作效率得到進(jìn)一步提高,且該機(jī)器人完全可以與十六孔制磚機(jī)配合使用。

②采用伺服系統(tǒng)控制滾筒式支撐主軸旋轉(zhuǎn),達(dá)到準(zhǔn)確定位的效果,支撐主軸通過270°的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了磚坯由擠壓成型時(shí)的水平擺放轉(zhuǎn)換為輸送帶上的豎直擺放,保證輸送帶上磚坯的后續(xù)順利轉(zhuǎn)運(yùn)。

③充分利用氣動(dòng)元件動(dòng)作迅速的特點(diǎn),采用氣動(dòng)元件控制磚夾的升降;利用氣缸夾持力柔和快速調(diào)整的特點(diǎn),采用氣動(dòng)手指夾持磚坯,確保磚坯的可靠夾持并保證磚坯不變形,降低磚塊搬運(yùn)破損率。

④采用機(jī)器視覺技術(shù)取代傳統(tǒng)的人工檢測,對磚坯成型質(zhì)量進(jìn)行分析,剔除質(zhì)量欠佳的磚坯,為后期磚坯搬運(yùn)的低破損率和磚垛的穩(wěn)固性奠定了良好的基礎(chǔ)。