一種自動清洗線感應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

張磊

摘 要：筆者介紹了常規(guī)傳感器在傳統(tǒng)自動輸送線和自動清洗線中的應(yīng)用，由于自動清洗線的工況是一種濕環(huán)境，所以常規(guī)傳感器無法在自動清洗線濕環(huán)境下使用。為了解決這一問題，設(shè)計了一套感應(yīng)裝置，該套裝置具有防護功能，與常規(guī)傳感器配合使用，可有效避免常規(guī)傳感器直接與清洗后的產(chǎn)品產(chǎn)生的水滴相接觸。通過實踐和論證，該裝置使常規(guī)傳感器可以在復(fù)雜潮濕的環(huán)境中使用，并有效提高生產(chǎn)線的自動化程度和實際生產(chǎn)需求。

關(guān)鍵詞：自動輸送線;清洗機構(gòu);傳感器;感應(yīng)裝置

中圖分類號：TP23 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）4-0036-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.04.007

A Structure Design of Automatic Cleaning Line Induction Device

ZHANG lei

（Jiangsu Fugang Intelligent Technology Co.， Ltd.， Xuzhou 221000， China）

Abstract：The author introduces the conventional sensor in the traditional automatic conveyor line and the application of the automatic cleaning line， due to the operation condition of the automatic cleaning line is a kind of wet environment， so the conventional sensors cannot use wet environment. The automatic cleaning line in order to solve this problem， design a set of sensors， this set of device has the protective functions， used together with conventional sensors.Through practice and demonstration， this device enables conventional sensors to be used in complex and wet environment， and effectively improves the degree of automation of the production line and the demand of actual production.

Keywords： automatic line;cleaning machine; sensor; induction system

0 引言

為提升企業(yè)的整體利潤，提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化企業(yè)管理流程，推動經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展，自動化生產(chǎn)線越來越受歡迎。自動化生產(chǎn)線能構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，其綜合了傳感技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、機械技術(shù)、接口技術(shù)、計算機技術(shù)等尖端技術(shù)。自動化生產(chǎn)線有各種生產(chǎn)需要，通過有效的綜合和組織來優(yōu)化整體的裝備。而這些自動化生產(chǎn)設(shè)備中傳感器系統(tǒng)是所有自動化解決方案的前提，傳感器可以提供連續(xù)的、實時的現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)測和事件信息的反饋，是自動化設(shè)備中必備的元器件，在行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。而在不同的環(huán)境和場合中，設(shè)計時會選用不同類型的傳感器。如果在正常環(huán)境中，通常會用到普通光電傳感器，就可以檢測工件的位置、狀態(tài)等;如果在復(fù)雜環(huán)境中，普通傳感器就無法滿足需要，如清洗輸送線就是在一個潮濕的環(huán)境空間，普通光電傳感器會因接觸到水滴而失效，不能正常使用，在此環(huán)境下設(shè)計一套感應(yīng)裝置機構(gòu)，使得傳感器與感應(yīng)裝置機構(gòu)接觸，從而避開了水霧或水滴對傳感器的影響。

1 常規(guī)傳感器在傳統(tǒng)自動輸送線中的應(yīng)用

一般在自動化生產(chǎn)線中，工件需要在輸送線上進行傳送，在輸送過程中工件的上料、輸送過程、工件的離開等所有動作都需要在線檢測，所以在設(shè)計輸送線體時，一段輸送線上會布置2～3個傳感器來進行檢測，選用的傳感器類型通常是漫反射或者對射光電型傳感器以及光纖傳感器。

傳感器在自動化生產(chǎn)線中常用于輸送線上的物料存在檢測，產(chǎn)品尺寸大小、物料的高度、液體的位置檢測，產(chǎn)品的計數(shù)及質(zhì)量檢驗上的應(yīng)用等[1]。

1.1 傳感器在傳統(tǒng)自動輸送線中的工作流程

如圖1所示，進料、出料傳感器分別固定在進出口側(cè)。工件3投入后，當輸送到進料感應(yīng)傳感器2位置時，即開始進入檢測位置，由于工件3擋住了進料感應(yīng)傳感器2發(fā)射器的光束，觸動開關(guān)，進料感應(yīng)器2反饋給PLC控制系統(tǒng)一個信號，系統(tǒng)已知工件已進入輸送線。輸送線繼續(xù)運轉(zhuǎn)，工件3前進，當輸送到出料傳感器4位置時，即進入檢測區(qū)域，出料感應(yīng)傳感器4反饋給控制系統(tǒng)一個信號，系統(tǒng)得知工件3將離開工位。如果需要工件3停留在此工位，控制系統(tǒng)給出阻擋機構(gòu)5一個控制命令，阻擋機構(gòu)5開始動作阻擋工件3的輸送，此時將完成整個輸送流程。

1.2 光電傳感器的固定裝置及說明

如圖2所示，光電傳感器7固定在鈑金件6上，光電傳感器中發(fā)射器和接收器在同一個傳感器裝置里，所以發(fā)射器發(fā)射的光由檢測物體反射的光回到接收器，并由接收器對接收光強度的大小進行比對，當光強度大小超過開關(guān)量閾值，即觸發(fā)功能開關(guān)。

光電傳感器在實際生產(chǎn)過程中，其光電效應(yīng)的原理是指當一個物體受到了光的輻射，那么物體內(nèi)部的電子就會接收到光束粒子中的能量，而這些能量被物體內(nèi)部的電子吸收后，會發(fā)生一些變化[2]。其中粒子的特性也會跟著發(fā)生變化，這種變化過程稱為外部光電效應(yīng)和內(nèi)部光電效應(yīng)。其中，外光電效應(yīng)具體是指物體被光照射過以后，而出現(xiàn)一種電子外溢的現(xiàn)象，實際生產(chǎn)中較為常見的光電管就是根據(jù)這個原理制作而成的;而內(nèi)光電效應(yīng)則具體是指物體被光照射以后，沒有出現(xiàn)電子外溢的現(xiàn)象，但物體的電導會發(fā)生一定的變化，或物體的電動勢會發(fā)生一定的變化，實際生產(chǎn)中的二極管就是利用這個原理制作而成的。另外，光電傳感器在實際檢測過程中可以有效避免和被檢測對象的接觸，對被檢測物體的損傷性較小，因此在自動化生產(chǎn)線中應(yīng)用光電傳感器[3]，可以有效提高被檢測物體的完整性，提高設(shè)備使用的年限。

光電傳感器雖然在自動化輸送線中應(yīng)用非常廣泛，但在惡劣環(huán)境及潮濕環(huán)境下，可能會因為水霧或水滴造成光電傳感器感應(yīng)失效，所以在一些自動清洗線中或者濕環(huán)境下就無法使用。

2 感應(yīng)裝置在自動清洗輸送線中的應(yīng)用

2.1 感應(yīng)裝置在自動清洗線中的工作流程

自動清洗輸送線工作流程如圖3所示。當工件11進入前段conveyor，感應(yīng)裝置9檢測到工件已進入工位，由包膠滾筒8壓緊工件11，輸送到清洗機構(gòu)10，清洗機構(gòu)10檢測到工件11已進入清洗位置，清洗機構(gòu)10開始進行清洗工作。清洗結(jié)束后，工件11由清洗機構(gòu)10輸送到下段conveyor，并由接駁滾筒12進行接駁，此時感應(yīng)裝置檢測到工件進入工位后，滾筒開始啟動-運轉(zhuǎn)把工件11輸送出料完成。

其中清洗機構(gòu)的工作原理為：當產(chǎn)品進入清洗機構(gòu)時，清洗機構(gòu)的進料傳送帶將產(chǎn)品輸送到清洗機構(gòu)內(nèi)，利用清洗機構(gòu)相互平行的毛刷輥，同時位于毛刷輥兩側(cè)的上噴頭和下噴頭開始進行噴水，對產(chǎn)品進行清洗。接駁滾筒12為包膠滾筒，所謂包膠滾筒是指將滾筒的表面進行鑄膠，可以分為冷硫和熱硫方式包膠，也就是平時所說的冷粘式和熱粘式包膠。其中熱粘式包膠就是將滾筒周圍均勻包裹一層完整的膠料，并且進行熱粘鑄膠制作的過程。其中包膠材質(zhì)為PU，硬度為肖氏硬度70，滾筒與固定座分別選用不銹鋼和鋁合金材質(zhì)，滾筒軸承為不銹鋼軸承。導向定位機構(gòu)選優(yōu)POM等材質(zhì)，傳動機構(gòu)選用不銹鋼和尼龍等材質(zhì)。

2.2 自動清洗線中包膠滾筒的設(shè)計

2.2.1 相鄰滾筒之間距離的計算。應(yīng)保證一件產(chǎn)品至少被3支或3支以上的滾筒支撐，相鄰滾筒之間的距離P一般情況下可按式（1）進行計算。

P=1/3L （1）

式中：P為相鄰滾筒的間距，mm;L為產(chǎn)品的長度，mm。

對要求輸送平穩(wěn)的產(chǎn)品，可以按式（2）進行計算。

P=（1/4-1/5）L （2）

對于柔性大的細長產(chǎn)品，還需要核算物件的擾度。產(chǎn)品在相鄰滾筒間距上的擾度值應(yīng)小于相鄰滾筒間距的1/500，否則需要調(diào)整（縮小）滾筒之間的距離。另外，輸送線上的裝載物品在承受沖擊載荷時，也需要縮小滾筒間距或增加滾筒外徑。在清洗輸送滾筒線設(shè)計過程中，考慮以上因素，故選擇支撐產(chǎn)品的滾筒個數(shù)為3。

2.2.2 滾筒直徑的計算選型。滾筒直徑D的大小與輥子的承載力有關(guān)，可按照式（3）進行計算。

F≤F （3）

式中：F是指產(chǎn)品作用在單支滾筒上的載荷，N;F是指單支滾筒的允許載荷，N。

其中作用在單支滾筒上的載荷F0與產(chǎn)品的質(zhì)量、支撐產(chǎn)品的滾筒數(shù)量以及產(chǎn)品底部特性有關(guān)，可按照式（4）計算。

F=mg/（KK）? ? ? （4）

式中：m為單個產(chǎn)品的質(zhì)量，kg;K為單列滾筒支撐有效系數(shù)，與產(chǎn)品底部特性和滾筒平面度有關(guān)，通?？扇=0.7，對于產(chǎn)品底部剛度比較大的產(chǎn)品，可取K1=0.5;K為多列滾筒不均衡承載的系數(shù);n為支撐單個產(chǎn)品的滾筒數(shù)量;g為重力加速度，取g=9.8 m/s。在確定需要的單支滾筒允許載荷及輥子的長度后，就可以計算出所需的滾筒直徑D，本方案輸送線滾筒直徑為50 mm。

2.3 感應(yīng)裝置工作流程

感應(yīng)裝置如圖4所示。如圖4（a）為處于靜止狀態(tài)的感應(yīng)裝置，其工作原理：當產(chǎn)品通過輸送線輸送過來時，首先觸碰到感應(yīng)裝置中的滾輪16，當產(chǎn)品繼續(xù)運動過程時，產(chǎn)品將推動擺桿15旋轉(zhuǎn)一個角度，如圖4（b）所示，此時光纖傳感器13將感應(yīng)到擺桿15的移開（其中光纖傳感器13是固定在感應(yīng)裝置固定座14中的光纖頭位置），此時傳感器發(fā)出信號，則判定產(chǎn)品已到此位置。當產(chǎn)品清洗完移出此工位后，則感應(yīng)裝置9會自動恢復(fù)豎直狀態(tài)，又如圖4（a）所示。此時傳感器也發(fā)出信號，則判定產(chǎn)品已離開。在擺桿15位于豎直狀態(tài)時由于固定座磁鐵15和擺桿磁鐵17相吸的作用，使固定擺桿15靜止下來，保證擺桿15不會受慣性的影響而來回擺動。

2.3.1 感應(yīng)裝置部分機構(gòu)設(shè)計說明。該感應(yīng)裝置機構(gòu)中滾輪16與擺桿15組合，使用銷軸進行連接。由于滾輪16需要與工件11接觸后轉(zhuǎn)動，所以在設(shè)計過程中考慮滾輪16與短銷軸20的公差配合，即滾輪16與短銷軸20的配合為間隙配合;而短銷軸20與擺桿15的裝配關(guān)系應(yīng)為過渡配合，即短銷軸20設(shè)計成兩端與中間為臺階式。

光纖傳感器13是由光纖頭和放大器組成，放大器固定在設(shè)備一側(cè)，光纖頭只需連接放大器即可，不用連接其他線路就可實現(xiàn)控制。放大器控制設(shè)定簡單，通過觸摸屏上的統(tǒng)一設(shè)定功能以及備份的數(shù)據(jù)，在工序變更準備過程中就可縮短啟動前的準備時間。光纖傳感器是一種將被測對象的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的傳感器[3]，即將光源入射的光束經(jīng)由光纖頭送入內(nèi)部調(diào)制器，在調(diào)制器內(nèi)部與外界被測參數(shù)的相互作用下，使光的光學性質(zhì)如光的強度、波長、頻率、偏振態(tài)等發(fā)生變化，而成為被調(diào)制的光信號[4]，后經(jīng)過光纖送入光電器件，經(jīng)解調(diào)器后獲得被測的參數(shù)。整個流程是光束經(jīng)過光纖導入，然后再通過調(diào)制器后再發(fā)射出去，其中光纖的作用是傳輸光束，再次是起到光調(diào)制器的作用。

固定座磁鐵17與擺桿磁鐵19相互作用的原理是通過兩個磁鐵之間的相互吸力，使擺桿15能處于一個靜止狀態(tài)。如圖4（a）所示，擺桿15與感應(yīng)裝置固定座14處于靜止狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)時的狀態(tài)如圖4（b）所示。固定座磁鐵17和擺桿磁鐵19應(yīng)選用軸向磁力型磁鐵，磁力方向為軸向，兩個磁鐵吸引力大于擺桿15的擺動扭力，另外磁鐵的形狀為圓柱形方便安裝在感應(yīng)裝置固定座14和擺桿15內(nèi)。

2.3.2 感應(yīng)裝置機構(gòu)中材料的選用。感應(yīng)裝置固定座14、擺桿15、銷軸18、短銷軸20等加工材料為聚甲醛 （POM）[5]。POM具有類似金屬的硬度、強度和剛性，耐疲勞強度和剛性強度高于尼龍，尤其彈性模數(shù)高、硬度高是其他塑料不能相比的，具有良好的自潤滑性和耐磨性，以及較小的蠕變性和吸水性，故尺寸穩(wěn)定性好，此外還有較好的耐化學品性，在清洗輸送線中可以替代金屬的使用。

由于滾輪16直接與產(chǎn)品接觸，所以選用耐磨性的材料，可選用聚四氟乙烯（PTFE）材料，其特點是具有較強的化學穩(wěn)定性、耐腐蝕性，有異常的潤滑性、耐磨性，具有極低的動、靜摩擦因數(shù)，對金屬的摩擦因數(shù)為0.07～0.14[5]，有突出的表面不黏性，幾乎所有的黏性物質(zhì)都不能附在該材料的表面，可用于減摩自潤滑零件、耐腐蝕化工設(shè)備零件，也可作電絕緣材料與零件等。

2.4 自動清洗線感應(yīng)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計

該裝置使用梯形圖語言編程，其流程如圖5所示。根據(jù)流程完成PLC的梯形圖程序設(shè)計，完成清洗輸送線的自動控制。當多個產(chǎn)品連續(xù)進入時，自動清洗線感應(yīng)裝置可連續(xù)進行工作。

3 結(jié)語

在本次感應(yīng)裝置設(shè)計過程中，通過對實際生產(chǎn)現(xiàn)場的考察、人員的操作流程以及存在的問題進行了梳理分析，并與現(xiàn)場技術(shù)人員進行了詳細交流，在后面的設(shè)計過程中反復(fù)檢討和不斷優(yōu)化，最終完成了該機構(gòu)的設(shè)計。該套感應(yīng)裝置不僅滿足了實際生產(chǎn)需求，也克服了傳感器在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用局限性。

自動化生產(chǎn)線的發(fā)展需要加強對傳感器的開發(fā)應(yīng)用，提高傳感器在自動化生產(chǎn)線中的應(yīng)用優(yōu)勢，在不同的場合應(yīng)用不同類型的傳感器[6]。只有這樣才能提高工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)線的自動化水平，保證產(chǎn)品質(zhì)量，在自動化設(shè)備領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

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