燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(chē)欄板間隙密封的機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：針對(duì)燒結(jié)造塊煉鐵工藝中存在的燒結(jié)臺(tái)車(chē)欄板間漏風(fēng)問(wèn)題，本文主要對(duì)懸掛式雙機(jī)械手操作的燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(chē)欄板間隙密封系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以某鋼廠燒結(jié)生產(chǎn)線(xiàn)為研究背景，運(yùn)用三維建模軟件，對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)、機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案及機(jī)械手的傳動(dòng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。選 用 三 菱 FX3U 及 FX2N-20GM 兩軸插補(bǔ)模塊，通過(guò)程序擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)三菱FX3U 與FX2N-20GM 同時(shí)對(duì)4個(gè)步進(jìn)電機(jī)的順序控制，并給出了該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)。同時(shí)，利用實(shí)驗(yàn)室步進(jìn)電機(jī)及滾珠絲杠滑臺(tái)，建立機(jī)械手模擬裝置，用于開(kāi)關(guān)模擬輸入信號(hào)，進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)狀況的模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制程序正確可行，控制系統(tǒng)達(dá)到應(yīng)用要求。該研究有效降低了燒結(jié)臺(tái)車(chē)欄板間漏風(fēng)問(wèn)題，節(jié)約電力能源，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

　　關(guān)鍵詞：燒結(jié)機(jī)漏風(fēng);懸掛式機(jī)械手;FX3U;FX2N-20GM;運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

　　王睿訓(xùn); 邢建國(guó) 青島大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版) 2021-12-02

　　隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的飛速發(fā)展，各行業(yè)對(duì)鋼鐵的需求逐年增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年我國(guó)的鋼鐵產(chǎn)量達(dá)到了世界鋼鐵產(chǎn)量的56%，位居鋼鐵產(chǎn)量第一大國(guó)[1-2]。同時(shí)，國(guó)家提高了對(duì)鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排的要求，為提高燒結(jié)機(jī)產(chǎn)能，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者和鋼鐵企業(yè)對(duì)燒結(jié)機(jī)的漏風(fēng)治理問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究[3]。目前，現(xiàn)有的燒結(jié)漏風(fēng)防治技術(shù)大多集中在解決臺(tái)車(chē)與風(fēng)箱結(jié)合處兩側(cè)部(即滑道)、臺(tái)車(chē)與風(fēng)箱結(jié)合處兩端部(即頭尾)的動(dòng)密封處及大煙道灰箱排灰、風(fēng)管道系統(tǒng)的破損等靜密封處的漏風(fēng)問(wèn)題，在一定程度上解決了臺(tái)車(chē)的部分漏風(fēng)問(wèn)題[4-7]。但由于臺(tái)車(chē)欄板間設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留間隙(1mm)，加之欄板之間變形，形成2～10mm 不等的間隙，同一處的上、下間隙量也不等，對(duì)漏風(fēng)影響較大(占15%)。同時(shí)臺(tái)車(chē)間的密封還沒(méi)有有效的解決辦法，這是由于在生產(chǎn)中燒結(jié)臺(tái)車(chē)是持續(xù)運(yùn)動(dòng)，在頭尾部，臺(tái)車(chē)要相互分開(kāi)，同時(shí)要經(jīng)過(guò)點(diǎn)火區(qū)，對(duì)其進(jìn)行防漏風(fēng)處理十分困難，一些常規(guī)的密封方式無(wú)法滿(mǎn)足要求。孫國(guó)強(qiáng)[8]提出了一種全密封裝置，側(cè)面用擋板，料面上用皮帶，通過(guò)負(fù)壓吸附在表面，形成一個(gè)整體密封空間，使用效果較好;高彥[9]研究一種類(lèi)似的全封閉裝置，側(cè)面及底部由密封帶包圍，料面上方由多行絲狀物、薄鋼板或耐高溫不透氣的布接觸料面;胡子國(guó)等人[10]設(shè)計(jì)了一種燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(chē)欄板密封裝置及密封系統(tǒng)，通過(guò)磁性密封簾，將臺(tái)車(chē)欄板之間的縫隙密封，從而防止臺(tái)車(chē)欄板漏風(fēng)，所采用的密封簾由隔熱層、不銹鋼網(wǎng)層、磁性膠體層組成，其中磁性層將密封簾吸合到臺(tái)車(chē)間。基于此，本文針對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)線(xiàn)的相關(guān)工況及后期便利維護(hù)保養(yǎng)，設(shè)計(jì)一種懸掛式機(jī)械手來(lái)抓取密封帶，放置到燒結(jié)臺(tái)車(chē)欄板間縫隙處，以解決漏風(fēng)問(wèn)題。首先設(shè)計(jì)機(jī)械手總體方案，運(yùn)用三維建模軟件，對(duì)機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并確定了機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式及傳動(dòng)方式。同時(shí)，選用 FX3U 作為機(jī)械手控制系統(tǒng)主控單元，對(duì)控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)進(jìn)行了分配，并運(yùn)用三菱 FX2N-20GM 定位模塊進(jìn)行兩軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。該控制系統(tǒng)達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

　　1 系統(tǒng)總體方案

　　本研究以某鋼廠燒結(jié)生產(chǎn)線(xiàn)為背景，擬在臺(tái)車(chē)欄板間隙上放置密封帶，對(duì)系統(tǒng)總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用懸掛式機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)操作，具體操作步驟如下：

　　1) 在臺(tái)車(chē)首尾及點(diǎn)火區(qū)外的直線(xiàn)運(yùn)行段進(jìn)行密封，不必考慮轉(zhuǎn)彎段欄板間隙變化和臺(tái)車(chē)運(yùn)行跑偏，以及點(diǎn)火區(qū)高溫和燒烤的影響，降低了對(duì)密封材料的要求。2) 利用負(fù)壓作用，使密封帶吸貼在欄板縫隙上，可在密封帶上增加磁性條，使密封帶吸附更牢靠。3) 采用機(jī)械手結(jié)構(gòu)貼放和取下密封帶，通過(guò)三菱 FX3U-48MT 控制，完成機(jī)械手操作和臺(tái)車(chē)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)密封帶的自動(dòng)取、放和位置要求。4) 一條燒結(jié)線(xiàn)共設(shè)4臺(tái)懸掛式機(jī)械手，并通過(guò)鏈條傳送帶輸送密封帶，不占用燒結(jié)線(xiàn)的地面空間，對(duì)生產(chǎn)監(jiān)控和維修沒(méi)有影響。5) 密封起始位置在點(diǎn)火段之后，終止位置在機(jī)尾卸礦處之前，共有16處臺(tái)車(chē)欄板間隙需要密封。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要，根據(jù)臺(tái)車(chē)長(zhǎng)度、高度以及臺(tái)車(chē)運(yùn)行速度等因素，進(jìn)行了機(jī)械手與傳送帶相對(duì)位置的布置。密封帶效果圖如圖1所示，機(jī)械手及傳送帶布置方案平面示意圖如圖2所示。

　　2 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案

　　2.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

　　為了適應(yīng)不同生產(chǎn)線(xiàn)工況的需求，機(jī)械手可采用多種運(yùn)動(dòng)形式和結(jié)構(gòu)。機(jī)械手的具體形式需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)作業(yè)要求和現(xiàn)場(chǎng)布局位置等條件進(jìn)行選擇。工業(yè)機(jī)械手主要有4種坐標(biāo)形式，即直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式[11]。通過(guò)分析對(duì)比工業(yè)機(jī)械手各種坐標(biāo)式的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，因此選用直角坐標(biāo)式作為本機(jī)械手的坐標(biāo)形式，其具有機(jī)械臂各個(gè)運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)獨(dú)立解耦、控制方便、可實(shí)現(xiàn)大行程、高精度、長(zhǎng)壽命、操作簡(jiǎn)單、安裝使用和維護(hù)簡(jiǎn)便、成本低等特點(diǎn)[12]。整個(gè)機(jī)械手包括 X 軸、Y 軸、Z 軸3個(gè)方向的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)及 一 個(gè) 機(jī) 械 手 臂 的 轉(zhuǎn) 動(dòng)，具 有4個(gè) 自 由 度。其 中 X 軸 長(zhǎng) 為1000mm，Y 軸長(zhǎng)為1500mm，Z 軸長(zhǎng)為500mm，旋轉(zhuǎn)手臂長(zhǎng)為350mm。機(jī)械手三維模型如圖3所示。

　　2.2 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

　　機(jī)械手可采用電 機(jī)驅(qū)動(dòng) 、氣 壓 驅(qū) 動(dòng) 、液 壓 驅(qū) 動(dòng)3種 驅(qū) 動(dòng) 方 式 以 及 組 合 驅(qū) 動(dòng)[13] 。根 據(jù) 實(shí) 際 生產(chǎn)應(yīng)用情況，電機(jī)驅(qū)動(dòng)可通過(guò)連接 PLC和個(gè)人計(jì)算機(jī)，精確地控制機(jī)械手的工作位置和姿態(tài)，因此該機(jī)械手選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手的電機(jī)驅(qū)動(dòng)又分為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，本文所設(shè)計(jì)的為懸掛式機(jī)械手，工作時(shí)負(fù)載較小，精度要求不高，因此選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其具有控制簡(jiǎn)單、可靠性較高、成本較低等特點(diǎn)[12]。其中，X 軸與Z 軸選用86mm 三相步進(jìn)電機(jī)，絲杠螺距為6mm，脈沖當(dāng)量為0.01mm;Y 軸選用57mm 三相步進(jìn)電機(jī)，絲杠螺距為6mm，脈沖當(dāng)量為0.01mm;旋轉(zhuǎn)手臂選用57mm 三相步進(jìn)電機(jī)，步距角為0.1°。

　　2.3 機(jī)械手傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

　　本機(jī)械手的 X 軸、Y 軸和Z 軸移動(dòng)關(guān)節(jié)均采用圓柱導(dǎo)軌支承、滾珠絲杠傳動(dòng)，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

　　3 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　根據(jù)所設(shè)計(jì)的懸掛式機(jī)械手的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，控制流程比較簡(jiǎn)單，因此選用 PLC作為控制器，其抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，同時(shí)具有各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，功能完善，配套齊全[14-16]。本文選用三菱 FX3U[17]及FX2N-20GM 兩軸插補(bǔ)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的動(dòng)作。燒結(jié)線(xiàn)前端機(jī)械手控制流程圖如圖4所示，燒結(jié)線(xiàn)末端機(jī)械手控制流程圖如圖5所示。

　　3.1 確定控制系統(tǒng)的I/O數(shù)

　　通過(guò)結(jié)合主程序流程圖，確定控制系統(tǒng)的I/O 數(shù)量。I/O 地址分配表如表1所示。

　　3.2 控制系統(tǒng)接線(xiàn)原理圖

　　本系統(tǒng)選用三 菱 FX3U-48MT 作 為 主 控 單 元，F(xiàn)X2N-20GM 作 為 核 心 定 位 單 元，二者通過(guò)連接電纜FX2N-GM-5EC進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，其中兩軸定位模塊 FX2N-20GM 的 CON3和 CON4分別對(duì)應(yīng)連接X(jué) 軸和Y 軸的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器端子[18]，而Z 軸與旋轉(zhuǎn)臂則由FX3U-48MT直接進(jìn)行高速脈沖輸出，選用威綸觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互，與 FX3U-48MT通過(guò)通信電纜進(jìn)行通訊，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制[19]。控制系統(tǒng)接線(xiàn)原理圖如圖6所示。

　　3.3 FX2N-20GM 定位模塊程序

　　三菱 FX2N-20GM 定 位 模 塊 采 用 FX-VPS-E 專(zhuān) 用 編 程 軟 件，可 輸 出高速脈沖序列，還可以同時(shí)控制兩根軸運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行直線(xiàn)插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)，可通過(guò)絕對(duì)驅(qū)動(dòng)方法和增量驅(qū)動(dòng)方法指定位移，并且具有兩軸絕對(duì)位置檢測(cè)功能，可以通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)軌跡[18]。FX2N-20GM 定位 模 塊 通 過(guò) PLC 的 FROM 指 令，可以把其緩沖區(qū)BFM#20和 BFM#21中 的 內(nèi) 容 讀 取 到 PLC 中，通 過(guò) TO 指 令，可 以 把PLC寄存器中的內(nèi)容寫(xiě)入緩沖區(qū) BFM 中[20]。FX2N-20GM 控 制 流 程 如圖7所示。圖7中，在寄存器 DD100中，存儲(chǔ)直線(xiàn) X 軸方向的終點(diǎn)坐標(biāo)值;在寄 存 器 DD102 中，存 儲(chǔ) 直 線(xiàn) Y 軸 方 向 的 終 點(diǎn) 坐 標(biāo) 值;在 寄 存 器DD104中，存儲(chǔ)暫停時(shí)間值。FX2N-20GM 的參數(shù)寫(xiě)入程序如圖8所示。

　　4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　利用實(shí)驗(yàn)室的步進(jìn)電機(jī)及滾珠絲杠滑臺(tái)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)所設(shè)計(jì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)形式和結(jié)構(gòu)，建立機(jī)械手的模擬裝置，將 PLC與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器以及各控制開(kāi)關(guān)正確接線(xiàn)，用手動(dòng)開(kāi)關(guān)模擬接近開(kāi)關(guān)和限位開(kāi)關(guān)，模擬輸入信號(hào)，將編寫(xiě)的程序?qū)懭?PLC中，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)，模擬工業(yè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，該機(jī)械手可滿(mǎn)足燒結(jié)生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)際生產(chǎn)需求，控制程序正確可行。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)了一種4個(gè)自由度的懸掛式雙機(jī)械手。該設(shè)計(jì)給出了機(jī)械手及傳送帶布置方案、密封板的設(shè)計(jì)，機(jī)械手的坐標(biāo)形式及驅(qū)動(dòng)方案，并對(duì)機(jī)械手進(jìn)行三維建模，并采用三菱 PLC及 FX2N-20GM 兩軸插補(bǔ)模塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，最后通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證控制程序的正確性和可行性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本研究所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求，在實(shí)際生產(chǎn)中，可有效降低燒結(jié)臺(tái)車(chē)欄板間漏風(fēng)率，節(jié)約能源，產(chǎn)生可觀的直接經(jīng)濟(jì)效益。該機(jī)械手可以滿(mǎn)足燒結(jié)生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)際生產(chǎn)需求，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。