行走式碼磚機器人及無線遠程診斷系統的設計

石進水

（山東交通職業學院，濰坊 261206）

行走式碼磚機器人及無線遠程診斷系統的設計

石進水

（山東交通職業學院，濰坊 261206）

0 引言

在制磚企業傳統生產過程中，免燒磚在生產成型后，要依靠人工將已經在托板上養護好的磚碼成垛。根據市場調查，一般碼磚工人每天工作10小時，完成1.6萬塊；規模以上制磚企業中每臺磚機的產能在6萬～9萬塊/天。因此，每臺磚機需配碼磚工4～6人，碼磚工人的勞動強度特別大；企業的勞動力成本高、生產效率低。通過對山東、河北、河南等地的一些規模以上制磚企業的調查發現，市面上使用的碼磚機器人均為固定安裝式機器人，無法行走，且造價昂貴，企業都希望有一種能夠配合免燒磚機工作、代替人工碼磚的可行走式自動化碼磚設備。為此，本文設計開發出了一種行走式碼磚機器人，它能配合免燒磚成型機的工作，且性能穩定，生產效率高。

1 機械機構設計

機械機構主要由自動上料機構、夾磚及吊裝機構、夾鉗行走系統、磚塊姿態調整機構、整機行走機構等部分組成，如圖1所示。

1.1 碼磚機器人的功能

用叉車一次性將6托板已養護好的磚，放于設備的上料機構上，上料機構完成自動上料、定位。取磚夾鉗前行將一塊托板上的磚全部夾起，然后后退，將磚放置于磚塊姿態調整機構（分磚托板）上；磚塊姿態調整機構按規定的排列方式重新對磚塊進行交叉排列；碼磚夾鉗下行取磚后行走至磚垛位置并下放，每12層為一個磚垛。完成一垛后，設備自動前行一段距離，開始下一周期的工作。

圖1 碼磚機器人結構圖

1.2 自動上料和定位機構

該機構將放在傳送裝置上的托板自動定位至取磚夾鉗工位，便于取磚夾鉗準確無誤的將托板上的磚全部夾起。上料機構主要由機架、滾筒、張緊輪、鏈條、鏈輪、電機、減速器、皮帶輪、皮帶、軌道輥總成組成；定位機構主要由行程開關、限位螺釘、氣缸等組成。托板被置于上料機構后，滾筒帶動托板向前移動，當移至取磚夾鉗正下方時，定位氣缸將上料架推動到位，上料架停止運動。取磚夾鉗下行，將磚和托板一起取走。下一塊托板在傳送裝置的作用下向前運動，重復上述動作。

1.3 夾磚及吊裝機構

該機構主要包含取磚夾鉗、碼磚夾鉗和夾鉗行走系統。取磚夾鉗將托板上的磚全部夾起，夾鉗行走機構驅動夾鉗移動，并將所有磚塊下放于磚塊姿態調整機構（分磚托板）上；磚塊姿態調整機構按規定的排列方式重新對磚進行交叉排列；碼磚夾鉗下行取磚，行走機構驅動夾鉗移動至磚垛位置，夾鉗松開，將磚塊碼放在磚垛上。

夾鉗主要由夾鉗架、鉗口限位塊、鉗口定位彈簧、限位開關、夾鉗架導向桿、導向桿軌道輥、電動葫蘆總成、導向支撐鏈輪、鏈條等組成。由于夾鉗下降時慣性較大，因此采用電機帶動鏈輪拖動夾鉗實現其升降，可以克服采用電動葫蘆帶動鋼絲繩時出現的鋼絲繩纏繞現象。

夾鉗行走系統主要由鏈條、行走軌道輥、行走架、驅動電機、減速器、鏈輪、行程限位塊等組成。選取的電機型號為ZD122-4，額定功率1.5kW，減速機型號為WPWA50型蝸桿渦輪減速器，減速比為1:15，夾鉗的行走由PLC進行控制[1]。

1.4 磚塊姿態調整機構

該機構實現了磚層間的錯位擺放，兩層之間形成十字交叉，提高了磚垛的抗傾倒性，每層磚的高度由開關信號傳到PLC系統進行控制，不易受到干擾。

該機構主要由推磚機構、轉動托板、轉動托板轉臺、驅動電機、移動托板、支撐托板、支撐托板轉臺、聯軸器、減速器、接近開關等部件組成。如圖2所示，當取磚夾鉗將整個托板上的磚（30塊）放置于托板后，磚塊姿態調整機構開始工作：將其中的14塊磚分離后置于移動托板上，其他16塊磚留在轉動托板上；移動托板左移一段距離，轉動托板轉動90°，然后移動托板回移，實現16塊磚與14塊磚的垂直交叉排列；下一托板的磚被放置于托板后，托板先轉動180°，然后重復上述動作。這樣可以保證碼放后磚塊層與層之間交叉堆放。

圖2 磚塊姿態調整動作圖

1.5 整機行走機構

為了便于將碼好的磚垛裝運，磚垛之間必須留有一定的距離，因此整機要能夠行走,且距離間隔一定。整機行走機構主要由電機、減速器、鏈輪、鏈條、皮帶、皮帶輪、驅動軸、驅動輪、從動輪、轉速傳感器（編碼器）、計數器等組成。碼磚機器人的移動與汽車的運動相似，采用前橋或后橋驅動等驅動方式，因此參照了專用汽車的運動方程對各部分進行設計計算。碼垛機器人行走時，PLC根據轉速傳感器（編碼器）發出的脈沖數計算其行進的距離，并控制其前進設定的距離（一般為20CM）。磚塊的自動碼放效果如圖3所示。

圖3 磚塊自動碼放效果圖

2 PLC控制系統

該機器人電氣控制系統以可編程控制器PLC為核心，配合外圍繼電器回路，控制各機構協調動作；操作者只需啟動相應運行程序，碼磚機就會按照設定流程周而復始的工作；考慮到經濟性、功能性、冗余配置等方面原因，PLC采用臺達DVP-64EH00R2，HMI采用威綸通TK6100，通過HMI可對設備運行參數進行設置，提高了人機設備的交互性。PLC控制系統的結構如圖4所示。

圖4 PLC控制系統結構圖

2.1 PLC輸入輸出點分配

DVP-64EH00R2 PLC共有輸入點32個，輸出點32個，綜合考慮系統冗余設計，提高系統可靠性、可擴展性、易維護等因素，分配的每個 I/O點的地址如表1所示。

表1 PLC控制系統I/O地址分配表

2.2 PLC控制系統軟件設計

PLC控制系統軟件設計是整個碼磚機器人能協調工作的核心部分，其功能和實現的流程，直接決定了碼磚機器人的實際工作過程。結合機械結構設計和碼磚應用需求，設計了如圖5所示的軟件實現流程。

3 無線遠程故障診斷系統

該碼磚機器人的限位開關和行程開關較多，動作流程復雜，且現場工作環境惡劣，運行過程中可能出現各種故障。為了在故障發生時能及時通知維護人員，并提供相應的故障信息，指導檢修人員及時準確的處理故障，保證生產的正常運行，本文設計了一套碼磚機器人遠程故障診斷系統，其數據傳輸通道如圖6所示。

圖5 PLC軟件流程圖

圖6 遠程故障診斷數據傳輸示意圖

DTU是構建遠程無線數據采集系統的重要設備，本系統中的DTU采用的是COMWAY WG8010型號產品，其主要功能就是為現場PLC（RS485接口）經GPRS網絡與一臺連接到Internet的PC之間建立一個透明的數據通道。遠程PC中安裝的COMWAY無線串口軟件，使上位機擁有了“無限延長的串口線”，能夠方便的實現現場設備和計算機之間的無線對接。圖5所示的無線通信信道是基于設立在專業機房中的Comway Data-Server集群服務器系統，該系統向用戶永久免費提供電信級無線數據通信服務[2]。

遠程PC端監控軟件采用KingView6.55進行設計，kingview6.55軟件支持通過虛擬串口與遠端串口設備建立通信。通過Modbus RTU協議，上位機監控軟件對遠端PLC的狀態信息和相關數據進行實時采集并實施控制。圖7所示的監控界面中，紅燈為各限位開關、行程開關的狀態指示，當某個開關信號有效時，其對應的紅色信號燈閃爍；綠燈為機器人的動作狀態指示，當機器人運行至某個動作時，其對應的綠色信號燈閃爍。因此，通過該系統可以遠程查看PLC的實時輸入輸出狀態，判斷碼磚機器人的工作過程，也可對機器人的工作參數進行設置，為設備的遠程故障診斷和維修提供了方便[3,4]。

圖7 碼磚機器人遠程故障診斷系統界面

4 結束語

該碼磚機器人集機、電、氣控制技術于一體，PLC為控制核心，能夠實現自動上料、定位、轉向、夾磚、碼磚和自動行走，磚塊姿態調整機構實現了磚塊排列方向的轉化，較好地防止了磚垛倒塌；采用雙夾鉗同時工作，提高了生產效率，無污染，無噪音，節能環保。經多家制磚企業試驗，該行走式碼磚機器人每分鐘碼磚100塊以上，每天碼磚6萬塊左右，可為每臺磚機節省碼磚工3～4人，改變了原來制磚企業人工碼磚的局面，降低了勞動力成本，提高了制磚企業的生產效率。因此，該碼磚機器人特別適合應用于大中型制磚企業的碼磚工序，具有很好的應用價值。

[1]董晶,姜永增,郭艷宏.一種全自動化肥包裝碼垛機碼垛控制單元的設計[J].農機化研究,2014.36(3):98-101.

[2]王莉,李艷貞,牛群峰,等.一種基于無線通訊的橋式碼垛機監控系統設計[J].制造業自動化,2014.36(5):93-96.

[3]周林,鄭晟,寇曉穎.基于PLC和組態王的酚酞合成監控系統[J].制造業自動化,2013.35(3):28-30.

[4]劉二林,柳彥虎,姜香菊.基于LabVIEW的無線多點實時環境監控系統的設計[J].制造業自動化,2015.37(3):141-144.

Design of walking stack brick robot and wireless remote diagnosis system

SHI Jin-shui

針對目前免燒磚在養護完成后，需要人工碼垛的生產現狀，設計開發出了一種行走式碼磚機器人。主要設計了自動上料、夾磚及吊裝、雙夾鉗行走、磚塊姿態調整、整機行走等機械機構，PLC與HMI組成的電氣控制系統及碼磚機器人的工作流程。基于COMWAY WG8010 DTU與Kingview6.55設計的無線遠程故障診斷系統可實時監控碼磚機器人的工作狀態，為設備的遠程維護和檢修提供了方便。在多家制磚企業的現場試驗表明，該設備采用的雙夾鉗設計大大提高了碼磚機器人的工作效率，為企業降低了勞動力成本，增加了效益。

行走式機器人；碼磚；PLC；遠程診斷

石進水（1981 -），男，山東高青人，講師，工學碩士，主要從事自動化系統設計，計算機控制與仿真方面的研究。

TH69

B

1009-0134(2015)07(下)-0012-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.07(下).04

2015-03-22

濰坊市2012年科學技術發展計劃重點項目（20121384）