帶式輸送機防跑偏系統(tǒng)的設(shè)計研究

摘 要：帶式輸送機以其獨特優(yōu)勢在礦山行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，但在使用過程中經(jīng)常會發(fā)生跑偏問題，嚴重制約輸送機的工作效率。為解決帶式輸送機在工作時的跑偏問題，設(shè)計一種防跑偏系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機;皮帶防跑偏;視覺檢測

1 防跑偏系統(tǒng)基本原理

當(dāng)皮帶出現(xiàn)跑偏問題時，其與托輥在軸向方向會出現(xiàn)位置移動。基于此項事實，本文設(shè)計的防跑偏系統(tǒng)主要是對托輥與皮帶在軸向方向的相對位置進行檢測，通過視覺監(jiān)測系統(tǒng)采集位置數(shù)據(jù)信息，通過該數(shù)據(jù)信息計算皮帶的偏移量，再將跑偏量傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中?？刂葡到y(tǒng)接收到跑偏量數(shù)據(jù)信息后，基于設(shè)定的控制算法計算得到需要控制的量，輸出一個控制信號，控制執(zhí)行機構(gòu)完成皮帶糾偏動作，將皮帶糾正到正確位置。

2 防跑偏系統(tǒng)基本構(gòu)成

本文設(shè)計的帶式輸送機防跑偏系統(tǒng)主要有三大部分構(gòu)成，分別為在線檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及糾偏系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)皮帶的自動糾偏工作，避免由于皮帶跑偏問題影響采煤工作效率。

2.1 在線皮帶位置檢測系統(tǒng)

本文研究對象為礦用大型帶式輸送機，利用先進的視覺檢測技術(shù)，對帶式輸送機皮帶與托輥間的相對位置進行實時在線檢測。輸送機在正常工作時，通過高清攝像機對皮帶邊緣位置進行實時取像，基于視覺檢測技術(shù)分析皮帶邊緣與托輥邊緣之間的距離，如若兩者之間的間距在系統(tǒng)設(shè)定的合理范圍內(nèi)，則認為皮帶沒有發(fā)生跑偏;相反的，若兩者間的距離偏小或偏大，則認為皮帶發(fā)生了跑偏，并將跑偏量傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中。

具體而言，視覺檢測系統(tǒng)在處理圖像信息時的步驟可概述如下：首先，對采集到的圖像信息實施預(yù)處理，主要是去除圖像噪聲，提升圖像質(zhì)量，為后續(xù)分析做好準(zhǔn)備工作;其次，準(zhǔn)確定位圖像信息中的有效區(qū)域，盡可能縮小分析計算的區(qū)域范圍;最后，在目標(biāo)區(qū)域范圍內(nèi)，提取關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)，計算皮帶和托輥邊緣間的距離，并與系統(tǒng)設(shè)定值比較分析，得到需要糾偏的具體數(shù)值。該具體數(shù)值作為偏差信號傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，作為控制的主要依據(jù)。

2.2 皮帶糾偏系統(tǒng)

皮帶糾偏系統(tǒng)由兩個級別的糾偏機構(gòu)構(gòu)成，分別稱為A級機構(gòu)和B級機構(gòu)。A級糾偏機構(gòu)為1套托輥，具備兩自由度調(diào)節(jié)功能，可通過步進電機和傳動系統(tǒng)驅(qū)動托輥在斜面導(dǎo)軌中上下移動，進而使得其在水平面內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，另外還可以通過一定的方式使托輥在豎直方向上發(fā)生旋轉(zhuǎn)。因此稱之為兩自由度糾偏，通過該糾偏機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)皮帶位置的有效調(diào)節(jié)。B級糾偏機構(gòu)為皮帶張力調(diào)整機構(gòu)，共有2套，這2套張力調(diào)整機構(gòu)分別裝設(shè)在被動滾筒兩側(cè)，可以移動被動滾筒實現(xiàn)皮帶張力的調(diào)整。帶式輸送機在工作時通常遵循跑緊不跑松的規(guī)律，即皮帶容易朝著張力較大的一側(cè)發(fā)生跑偏。本文設(shè)計的B級糾偏機構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)被動滾筒兩側(cè)的位置實現(xiàn)皮帶兩側(cè)張力大小的調(diào)節(jié)，保證皮帶在橫向方向的張力平衡，不至于因為張力不平衡而引發(fā)跑偏問題。

在實際應(yīng)用中，A級糾偏機構(gòu)數(shù)量可以結(jié)合具體情況設(shè)置，如果帶式輸送機傳輸距離較長則需要多設(shè)置幾組糾偏機構(gòu)。本文設(shè)計的系統(tǒng)中每兩個糾偏機構(gòu)之間的距離為20m。輸送機在工作時如果只是發(fā)生了皮帶的微小偏移，那么通過A級糾偏機構(gòu)就能夠快速完成糾偏任務(wù)。如果皮帶的跑偏量較大，則需要啟動B級糾偏機構(gòu)，通過兩級糾偏能夠快速糾正皮帶跑偏問題。防跑偏系統(tǒng)在工作時首先會啟動A級糾偏機構(gòu)，利用托輥在兩個自由度的運動，達到調(diào)整皮帶位置的目的。如果皮帶跑偏嚴重，通過A級糾偏無法完成任務(wù)，就會啟動B級糾偏機構(gòu)，通過調(diào)整被動滾筒兩側(cè)的位置改變皮帶兩側(cè)的張緊力達到糾偏的目的。

圖1所示為礦用大型帶式輸送機防跑偏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。由A級糾偏機構(gòu)和B級糾偏機構(gòu)構(gòu)成，A級糾偏機構(gòu)數(shù)量由傳輸距離決定，B級糾偏機構(gòu)裝設(shè)在被動滾筒兩側(cè)實現(xiàn)張力的調(diào)節(jié)進而達到糾偏的目的。本系統(tǒng)通過多級調(diào)節(jié)能夠保證整個調(diào)節(jié)過程的穩(wěn)定性、可靠性和及時性。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由可編程控制器進行控制，控制對象為執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動電機，對其轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動時間進行精準(zhǔn)控制。對于A級糾偏機構(gòu)，通過控制電機進而控制托輥的移動范圍和角度，實現(xiàn)A級糾偏;對于B級糾偏機構(gòu)，通過控制電機，進而控制被動滾筒兩側(cè)的位置，實現(xiàn)B級糾偏。通過視覺檢測技術(shù)，測量得到皮帶邊緣與托輥邊緣間的距離。需要將高清攝像機拍攝到的高清圖像實時輸送到計算機中進行圖像處理，通過一系列算法，檢測到圖像中皮帶和托輥的邊緣位置并計算它們之間的距離。將測量結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)定結(jié)果進行比較分析，若超過了系統(tǒng)設(shè)定的范圍就會將偏移量傳輸?shù)竭壿嬁刂破髦凶鳛檩斎肓窟M行分析，得到一個控制量并傳輸?shù)綀?zhí)行機構(gòu)。根據(jù)控制量大小系統(tǒng)會自動決定是否需要啟動B級糾偏機構(gòu)。如果控制量較小則只需要控制A級機構(gòu)電機，進而控制托輥的兩自由度移動，如果控制量較大則需要同時對兩個級別機構(gòu)的電機進行控制，使跑偏的皮帶快速回到正確位置。整個皮帶糾偏過程大致可劃分成為三個階段，分別為跑偏信號檢測、信號處理、皮帶糾偏。以下分別對這三個階段進行簡要介紹。

跑偏信號檢測：在帶式輸送機處于非工作狀態(tài)時將皮帶調(diào)整到正確位置，利用高速攝像機拍攝圖像作為檢測標(biāo)準(zhǔn)。視覺檢測系統(tǒng)檢測皮帶在正常工作時的位置信息，并與標(biāo)準(zhǔn)位置信息進行比較，分析皮帶是否在正確的位置上，并將檢測結(jié)果傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中。

信號處理：控制系統(tǒng)對傳輸過來的偏移量信號進行分析。如果在皮帶縱向方向上連續(xù)200m范圍內(nèi)出現(xiàn)了偏移量超過50mm的現(xiàn)象，系統(tǒng)判定皮帶出現(xiàn)了小范圍偏移，只需要啟動A級糾偏機構(gòu)。如果在縱向方向上超過200m出現(xiàn)了偏移量超過50mm的現(xiàn)象，系統(tǒng)會判定皮帶出現(xiàn)了較大偏移，需要同時啟動兩級糾偏機構(gòu)。此外還需要將相關(guān)信息傳輸至上位機進行存儲。

皮帶糾偏：基于分析結(jié)果，控制系統(tǒng)會輸出一個控制信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成各項工作，主要是對兩級糾偏機構(gòu)的驅(qū)動電機進行精準(zhǔn)控制，最終實現(xiàn)皮帶位置的調(diào)整，使其回到正確位置，避免出現(xiàn)各類故障問題。

上述三個階段構(gòu)成了一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有嚴格的先后順序。

3 試驗測試結(jié)果分析

為了測試本文研究的防跑偏控制系統(tǒng)的可靠性，對其進行了相關(guān)試驗測試，試驗表明，當(dāng)皮帶發(fā)生50mm的偏移時，該皮帶防跑偏系統(tǒng)在5s時間范圍內(nèi)就將皮帶調(diào)整到了正確的位置?？梢姡撓到y(tǒng)能夠完成皮帶糾偏任務(wù)，且具備實時性、可靠性特征，將其應(yīng)用到實際中可有效防止皮帶發(fā)生跑偏問題。

4 結(jié)論

基于視覺檢測技術(shù)設(shè)計的一套皮帶防跑偏系統(tǒng)，可通過視覺檢測技術(shù)檢測皮帶跑偏量，利用兩級糾偏機構(gòu)實現(xiàn)皮帶位置調(diào)節(jié)，能達到工程使用中的及時性和可靠性要求，可對皮帶跑偏現(xiàn)象進行快速調(diào)節(jié)。

參考文獻：

[1]曹高生，李志強，蔣剛.礦用帶式輸送機跑偏控制系統(tǒng)研究[J].機械與電子，2019，37（3）：59-61.

作者簡介：

付豪（1994- ），男，山西陽泉人，本科，畢業(yè)于呂梁學(xué)院，機電助理工程師，從事礦井機電技術(shù)研究。