堆疊角鋼自動化吊裝轉移裝置設計

李漫天，李子毅

（廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

輸電線路是電力運輸的主要組成部分，線路大部分采用鐵塔結構進行架設，鐵塔塔架構成由不同規格的角鋼通過焊接或螺紋連接的結構連接方式搭配而成[1]。目前，塔架生產廠商均建造有角鋼加工線，角鋼的截斷、鉆孔、下料均可以自動完成。但是，在上料過程中，由于角鋼有6 耀12 m 的長度、較重的重量和特殊的物料堆疊存放方式，較難自動完成。目前國內外缺乏自動化送料系統，需要人工對角鋼進行姿態的調整和固定[2]。通常情況需要2～3 名工作人員一起徒手上料，將角鋼放置于上料臺上，為接下來的加工線操作做準備。這種人工上料環節存在生產效率低、工人勞動強度大和生產安全存在較大隱患等問題，極需要進行自動化改造，以適應生產效率的提高和生產安全要求[3]。為此，依托的自動化機構設計技術，基于現有的實際生產流程，設計堆疊角鋼自動化吊裝轉移裝置。

1 吊裝轉移系統工作流程及結構方案

采用桁架角鋼吊裝系統替代人工上料。桁架角鋼吊裝系統如圖1 所示，機械部分由基于桁架結構的二自由度直角坐標機器人、角鋼位姿翻轉機構、流水機構三部分組成。直角坐標機器人的垂直軸（Z軸）平動機構和流水機構使用步進電機作為動力源；角鋼位姿翻轉機構使用直流電機作為動力源；直角坐標機器人的水平軸（X軸）平動使用三相異步交流電機作為動力源。

圖1 吊裝系統結構

1.1 工作流程

桁架角鋼吊裝系統工作流程如下：

開機后，系統默認回初始零位，然后到達角鋼存料區設置頭尾位置的頭位，Z軸動作機構到達預設的角鋼吸附面，吸附吊起，識別角鋼的位置姿態。

識別完成后，機器人X軸動作，往流水機構位行進。識別角鋼姿態為“V 型”，將角鋼直接放入流水機構的角鋼入位位置；識別角鋼姿態為“倒V 型”，將角鋼放入與流水機構相配合的翻轉機構，翻轉機構將角鋼翻轉成“V 型”，放入流水機構的角鋼入位位置。檢測到置架料槽位置的角鋼被截斷機的入料機器連桿臂抬入料槽，流水機構行進一個預存角鋼分隔區間的位置長度，將離置架料槽最近的角鋼送入置架料槽內。置架料槽識別到角鋼放置后，機器人回零位，再次進行如上操作。角鋼存料區識別到區內無角鋼后，機器人將會返回零位，停止工作，等待角鋼的放置。角鋼存料區存料完成后，工作人員按下存料完成按鈕，角鋼將會自動繼續工作，執行上述操作。

本桁架角鋼吊裝系統的運動控制基于松下PF0型號的PLC 控制系統，結合傳感器的使用，對強電部分的開關進行控制，以達到控制系統動作運行的目的。

1.2 吊裝轉移系統方案

角鋼的吊裝轉移中的使用了鉤爪抓取機構為主、電磁吸附輔助抓取的工件吊裝方式，并在置架料槽后部設置了旋轉臂將角鋼進行翻轉進行位姿的調整并直接送入置架料槽，機構翻轉圓弧路徑變成在X-Z平面往Y軸正方向看為從位翻轉至位的翻轉角度區間，并且設立了一個帶有轉動阻尼的輔助鏈輪-雙側雙孔彎板鏈條平動滑落機構，可使角鋼翻轉后穩定滑落至置架料槽。此外，還設立了基于步進電機進行動作控制的鏈輪-雙側雙孔彎板鏈條機構的流水機構位于翻轉機構和滑落機構之間，使得工作流程周期內機器人的X軸平動路程減小，也使得整個桁架角鋼吊裝系統有一定的工件入料預存儲能力，有效提高整個桁架角鋼吊裝轉移系統的運行效率。

1.3 吊裝系統結構方案

桁架角鋼吊裝系統機構分布如圖2 所示。

圖2 桁架角鋼吊裝系統機構分布

1.3.1 直角坐標動作組-X軸設計

直角坐標機器人的X軸運動機構的設計，基于角鋼的長度進行設計。桁架使用了由200 m 伊200 m、長14 m 的封閉管型焊接內包H 型鋼單梁作為直角坐標機器人Z軸運動機構的承載體。工字梁的承載分別由梁兩端各兩個滑輪載具進行承載，每側的兩個滑輪載具空擋各設置一個齒輪齒條機構負責X軸的運動。每側的兩個滑輪通過鋼板焊接的結構體進行限位，且結構體為齒輪齒條的運動預設電機安裝座。

1.3.2 直角坐標動作組Z軸設計

直角坐標機器人Z軸的動作由兩個相同的動作單元組成，動作單元為垂直安裝的鏈輪滑臺，如圖3所示。滑臺由步進電機、聯軸器、主從動鏈輪組、主從動鏈輪軸組及相關軸承、主動鏈輪開放箱體、從動鏈輪開放箱體、滑臺結構型材（由角鋼、槽鋼以及鋼板構成）、滑軌組、吊裝功能模塊（固定于鏈條和滑塊上的平臺、平臺上的延伸結構體和位于延伸結構體末端的執行端結構體）所組成。電機正轉，帶動鏈輪鏈條運動，從而帶動吊裝功能模塊跟隨鏈條運動方向平動。下探到指定位置后，電機反轉，吊起角鋼，回到設定初始位置，一個工作周期完成。

圖3 Z 軸機構

1.3.3 翻轉機構設計

吊裝轉移系統內翻轉機構的布置為相同的兩個機構單元進行布置。翻轉機構單元轉動部分主要由兩臺直流減速電機、角鋼支承結構體組（兩個）及電磁吸附模塊、翻轉盲軸組（兩個）、保險機構組（本體支承結構體、彈簧、平面動態適應功能結構體組及相關螺旋緊定桿）及其附屬通軸、保險機構附屬電動推桿組及推桿通軸（兩個）、集電環以及動作限位阻尼桿組成。翻轉機構固定支承部分由立梁底座、腰座、懸臂延伸滑動軸承座組成。初始狀態下保險機構處于打開狀態，角鋼運載轉移與角鋼支承結構體接觸后，保險機構閉合，平面動態適應功能結構體摩擦面與角鋼表面貼合，角鋼向下翻轉。滑動至指定位置，動作限位阻尼桿和機構傳感器作用下，停止翻轉，保險機構打開，電磁吸附單元撤銷磁力吸附，角鋼下落至流水機構。角鋼卸載完畢，翻轉機構回轉，在動作限位阻尼桿和機構傳感器作用下，停止回轉，一個工作周期完成。

1.3.4 流水機構設計

吊裝轉移系統內流水機構的布置為兩相同機構單元與翻轉機構單元配合布置。流水機構單元主要由流水機構角鋼承載結構體及其滑面、一臺減速步進電機及其相關鏈輪傳動組、流水機構暫存單元動載鏈組及附屬軸承及軸承座、翻轉機構-流水機構同位鏈輪減速機構（滑動阻尼軸承、鏈輪組封閉傳動組、下部鏈輪附屬軸承開放支承座）、流水機構-角鋼置架料槽同位鏈輪減速機構（滑動阻尼軸承、鏈輪組封閉傳動組、上部鏈輪附屬軸承開放支承座）組成。在角鋼接觸到流水機構滑落至水平位時，控制系統控制機構動作將角鋼推進暫存單元位，角鋼暫存于流水機構；此時，流水機構暫存滿位的情況下，機構動作時將離流水機構-角鋼置架料槽位置最近的角鋼推出流水機構暫存單元位，流水機構的一個工作周期完成。

2 PLC 系統設計

2.1 PLC 程序流程

根據工作流程，得到PLC 程序的工作流程，如圖4 所示。

圖4 PLC 系統流程

2.2 系統的控制接線

PLC 系統的接線圖如圖5 所示。

圖5 系統控制接線

2.3 PLC 編程

自動模式工作的開始，首先要進行一個關于吊裝轉移流程的判定。即判定流水機構角鋼存料區是否滿足暫存的空間以使角鋼在吊裝轉移之后能夠暫存。在判定時，需要了解到角鋼置架料槽內是否存在角鋼。在存料區空間全滿而置架料槽內不存在角鋼時，存料區的暫存單元將會行進一個單元長度以使存料區頭部暫存單元內的角鋼入置架料槽中，以在存料區尾部余出一個單元以暫存吊裝轉移過程中的角鋼。當置架料槽內存在角鋼時，將會直接判定存料區的末端是否余有單元能夠為吊裝轉移中的角鋼提供暫存。當存料區和置架料槽空間全滿時，自動模式將會進入預定的休眠階段等待空間的空余。

在吊起角鋼后，將會進行X軸的動作將角鋼送入指定位置。針對吊起的角鋼的不同位姿，設置不同的程序進行分別動作控制。這里主要針對正“V”位姿時的控制進行說明。

如圖6 所示，在正“V”型角鋼位姿下，X8 端子得電，MC 主控繼電器不得電，范圍內程序進行。其他相關控制端子得電后，對應常開觸點閉合，X 軸動作至流水機構末端工位，X 軸動作完成。X13 流水機構-X軸指定到位識別輸入端子得電，R10 復位，R11 置位激活Z 軸運動。Z 軸動作模塊進入梯形控制模式，設置相關脈沖數，角鋼即被送入流水機構。在Z 軸將角鋼送至指定位置時，Y6 復位，電磁吸附關閉，角鋼落入流水機構指定位置，Z 軸回零，流程結束。

圖6 正位角鋼吊裝轉移程序

3 結語

設計角鐵的自動上料過程，轉化為自動化的吊裝轉移準備工作，解決了人工工作的高強度、低效率特性，保證了自動化工作的較高效率和自動化設計實施的較低成本，具有一定的生產優勢。