小型交通錐筒自動收放機設計與研究

吳澤東, 王明武,2*, 韓繼科, 張新明, 成 洋

1.陜西理工大學 機械工程學院, 陜西 漢中 723000;2.陜西省工業自動化重點實驗室, 陜西 漢中 723000;3.洋縣光達新能源機械有限公司, 陜西 漢中 723300

交通錐筒是一種使用塑料或橡膠制成的空心錐體狀,用于公路封閉或應急施工,以及車道隔離分流工作標志[1]。我國高速公路里程穩居世界第一,傳統公路養護采取人工收放錐筒,費時費力,勞動強度大,工作環境危險。利用錐筒自動收放機代替人工實現錐筒收放,對提高公路養護工作效率、降低公路養護工人發生安全事故概率具有重要意義。因此,高速公路養護道路交通錐筒自動收放機逐漸被研究機構與企業所密切關注。

美國、英國、德國、法國、日本等國家以強大的汽車工業為基礎,上世紀70年代就已開展錐筒自動布設回收技術方面的研究。美國ADDCO公司于1991年發布了一款圓盤狀錐筒擺放與回收系統,該系統作業時至少需要兩名工作人員配合,自動化程度有待提高。本世紀初,美國加州AHMCT中心研制了ACM系列錐筒布設回收裝置,其采用電-液伺服控制機械手實現錐筒抓取和轉運,專門設計的錐筒存儲機構可實現300個錐筒的存放。ACM雖然設計思路巧妙、技術先進,但機構復雜,系統故障率高,維護成本昂貴。國內相關技術研究起步時間較晚,技術文獻、公開專利以及產品設計等方面與國外相比都存在差距?！笆晃濉逼陂g,國內在全自動錐筒布設回收設備研發方面也開始發力,推出一系列產品,技術水平雖然與國外仍存在一定差距,但正逐步趕上。與國外類似,國內錐筒布設回收裝備同樣是以大中型車輛為載體,主要應用于高速公路養護作業,大多以液壓或氣壓方式控制機械手進行抓取與擺放動作[2],產品整體機構設計過于復雜,不僅增加了整個裝置設計成本、占用體積且應用和維護成本高,還會因運動軌跡過于復雜而降低擺放的效率。

本文針對現有錐筒收放機結構復雜,體積龐大,應用和維護成本高的現狀,研制出一種小型化錐筒自動收放機,車輛無需改裝,直接掛接于車輛側面即可完成收放作業,便攜性程度高,不僅運行安全穩定,而且造價成本低,具有良好的應用價值。

1 整機工作原理

該錐筒自動收放機通過人工的簡單協調配合,即可完成對交通錐筒的布放和回收。系統按功能劃分為車輛、機架固定與收納裝置、機械手、伺服驅動,以及相應的控制系統等部分。收放機與車輛結構組合示意圖如圖1所示。錐筒自動收放機掛接于車廂側面,觸桿用于捕獲和扶正錐筒[3]。作業人員位于皮卡車車廂內,布放錐筒時將車廂內的錐筒拿起放置于機械手中央;回收時將錐筒從機械手上取下放入車廂。該錐筒自動收放系統在減輕了作業人員工作量的同時,也確保了作業人員的人身安全。

圖1 整機工作示意圖

電控制系統以PLC(Programmable Logic Controller,可編程邏輯控制器)為核心,并搭配伺服驅動器、感應探頭等模塊,具體如圖2所示。中控箱內布置有控制電路,臺面上設置有啟/停、運行/收車、收筒/放筒、急停等按鈕開關。運行時,工作臺從固定收納裝置下翻90°度至水平位置,接通電源,將開關撥至啟動和運行位置,機械手控制四連桿電機和直流電動推桿進行錐筒收放作業;收車時,工作臺上翻90°放置于固定收納裝置中。超聲波用于測量錐筒距離,紅外傳感器用于測量回收錐筒時作業人員人手的位置,光電開關用于控制四連桿機構升降位置。若出現非標錐筒卡住等異?，F象,可按下急停按鈕進行保護。

2 機械結構設計

錐筒自動收放機機械結構三維示意圖如圖3所示。錐筒自動收放機機架由方管焊接而成,并通過螺栓與皮卡車車廂固定聯結,安裝和拆卸簡單方便,此外通過調整孔可調整機械手外伸寬度。

1.固定收納裝置;2.機械手支撐桿;3.中控箱;4.光電開關;5.四連桿機構;6.連接桿;7.觸桿;8.夾具;9.紅外探頭;10.直流電動推桿;11.超聲波傳感器;12.調整孔圖3 機械結構三維示意圖

機械手主體主要包括機械手支撐桿、四連桿機構、夾具、觸桿、中控箱等部分。觸桿用于捕捉和扶正錐筒,夾具上方安裝有紅外傳感器用于測距,四連桿升降位置由兩個光電開關控制[4]。收集錐筒時,超聲波傳感器和觸桿捕捉錐筒,并將信號傳遞給PLC,直流電動推桿驅動夾具收集錐筒,四連桿結構向上運行至上限光電開關處停止旋轉,完成錐筒收集;布放錐筒時,操作人員將錐筒放至夾具中,四連桿機構向下旋轉到下限光電開關處停止旋轉,完成錐筒布放[5]。

2.1 夾具

機械手夾具由四片不銹鋼手爪交疊后用螺栓緊固而成,夾具后部由活節螺栓與直流電動推桿連接[6],夾取動作如圖4所示。直流電動推桿型號和具體參數見表1。經實驗表明:夾具可滿足錐筒收放作業所需的開合度、夾持力和運行速度[7]。

圖4 夾具張開與夾緊動作

表1 直流電動推桿型號參數

2.2 收納裝置

裝置固定于皮卡車車廂,在進行錐筒收放作業時車廂內需要放置待使用的交通錐,因此廂內空間的利用也尤為重要。進行交通錐筒布放回收作業時,機械手部分置于車廂外側,而在往返于作業現場時,若裝置保持作業狀態則會成為車輛行駛的安全隱患。為此在機架部分設計了可以收納機械手的收納裝置,作業開始前或結束后將機械手收回入收納裝置中,如圖5所示。

圖5 固定收納裝置

機架固定部分添加兩對起固定作用的開孔角鋼和槽鋼,其上螺栓孔等間距分布以便橫向調節機械手位置,可調距離為600 mm。固定機架與車廂安裝位置可按照需求設置,因此機械手伸出車廂的距離也不固定,工作人員可根據實際要求確定機械手伸出車廂的距離。作業開始時,先將角鋼上固定螺栓卸下,然后將機械手部分繞右下角與槽鋼連接的螺栓旋轉至作業狀態,通過調整孔調節機械手伸出車廂的距離并重新固定后,便可開始進行錐筒收放作業。

3 軟件設計

3.1 PLC選型

基于系統整體考慮和量產因素,系統選用陸杰科技的FX2N系列PLC。該PLC編程默認支持FX協議,不僅編程方便,而且成本低。PLC硬件接線具體如圖6所示。

圖6 PLC硬件接線圖

PLC使用DC 24 V供電電源,輸入信號主要有收筒、放筒、限位、運行/停止、左/右位置等信號;輸出有電機驅動器、直流電子推桿、剎車等信號。電機控制器選用中大電機的無刷驅動器,型號為ZDBLD51。

作業開始時選擇收筒或放筒兩種作業模式,該輸入信號傳遞給PLC后,PLC由輸入端口SV給電機控制器輸入模擬信號后,控制器控制四連桿機構電機動作進行錐筒收放作業[8]。當手爪中部的超聲波傳感器接收信號反饋給PLC后,控制器控制直流電動推桿張合,從而完成錐筒夾取和回收。

3.2 用戶程序

用戶程序使用GX Works v2.0版本軟件進行編程[9],主要包括機械手四連桿機構升降、直流電動推桿夾具張開加緊,以及故障保護等三部分。

四連桿機構升降和直流電動推桿夾取動作協調配合是保證作業完成的基本條件;同時控制系統也配有完備的聯鎖和故障保護功能,以應對錐筒收放作業過程中各種突發狀況。錐筒收放機系統工作流程如圖7所示。

圖7 錐筒收放機工作流程圖

四連桿機構由上部電機帶動其運動,并設置有上限和下限光電開關。當位移至所需位置時,繼電器反饋信號至PLC后進行錐筒收放作業[10]。

收筒時,觸桿將錐筒聚攏于夾具中,超聲波傳感器檢測到錐筒后,直流電動推桿推動活塞桿夾緊錐筒,四連桿機構驅動機械手運行至上限光電開關處停止。人工收取錐筒時,夾具上部的紅外線傳感器感應到人手后夾具張開,從而完成收筒作業。

放筒時,工作人員將錐筒放置于夾具中,四連桿機構運行至下限光電開關處停止,夾具松開錐筒,觸桿用于扶正和穩定錐筒。

3.3 故障保護

設備經長期使用后,最常見故障為非標錐筒卡住、電機過載保護、光電開關失效等故障。光電開關失效故障會造成機械手超過預設上、下限位置,致使作業過程中出現夾取不準確或回收困難現象,如若未及時發現并中斷設備運行,還會對機械結構部分造成損壞。

系統故障分為PLC故障、電源故障、外圍元件故障等。為提高系統可靠性和可維護性,系統設置有完善的故障保護環節。

對自身故障或供電電源故障,陸杰FX2N系列PLC具有自診斷功能。一旦出現上述故障,借助其自診斷程序可迅速找到出現故障的部件。

一般而言,外部設備故障率遠高于PLC內部故障。出現非標錐筒卡住等外部設備故障時,為避免故障范圍擴大,以及迅速排查故障,軟件控制程序設計加入有聯鎖和急停環節[11]。中控箱設置有緊急停止按鈕,設備出現故障或作業過程中出現緊急情況時,按下急停按鈕可使設備立即停止運行。

4 仿真與上路實驗

4.1 模態分析

模態分析是計算結構震動特性的數值技術。通過模態分析可以確定結構的固有頻率和振型,從而使結構設計避免共振或者以特定的頻率進行振動。對于錐筒自動收放機模型來說,進行模態分析是必要的[12]。

模態分析的理論基礎是在工程力學理論上建立的,當系統處于理想狀態時,即不存在阻尼時,振動學的方程為

[M]{xn}+[K]{x}={0},

(1)

式中,[M]為研究對象的質量矩陣,[K]為研究對象的剛度矩陣,{x}為物體的位移矢量,{xn}為物體運動加速度矢量。

結構的自由振動為簡諧振動,即位移為正弦函數:xn=xsin(ωt),代入式(1)得:

([K]-ω2[M])={0},

(2)

將模型導入ANSYS Workbenchh中,設置材料屬性,添加相應的移動和接觸約束,劃分網格后對其進行模態仿真。劃分網格時網格節點數為2 040 285,網格單元數為1 149 702,平均網格單元質量為0.798。連桿機構前六階固有頻率見表2。

表2 連桿機構前六階固有頻率

如圖8所示為四連桿機構的各階振型云圖。由圖可知,一階模態振型的表現形式是手爪和觸桿整體左右扭動,變形最大的地方在手爪前端。二階模態振型的表現形式是手爪和觸桿整體上下擺動,手爪部分為變形最大的部件。三階模態振型的表現形式是手爪部分上下交替擺動,最大變形集中于手爪前端。四階模態振型的表現形式是手爪交替上下擺動的同時觸桿左右扭動,變形最大的地方位于右側手爪前端和觸桿前端。五階模態振型的表現形式是手爪上下擺動,最大變形出現在右側手爪前端部分。六階模態振型的表現形式是連接桿部分左右扭動,最大變形出現在連接桿的焊接部分。

(a)一階振型云圖 (b)二階振型云圖 (c)三階振型云圖

四連桿機構升降系統中直流伺服電機振動頻率為50 Hz,四連桿機構的固有頻率和激振頻率滿足式(3),因此設備在工作時不會發生共振現象[13]:

0.75ω0<ω<1.3ω0,

(3)

式中,ω0為固有頻率(Hz),ω為激振頻率(Hz)。

4.2 可行性仿真

機械手是錐筒收放作業的執行機構,該部分設計需滿足抓取動作的準確性和運行速度[14]。

為驗證機械手收放作業的可行性,對機械手部分四連桿機構進行仿真。在Solid Works軟件中將四連桿機構進行簡化,然后導入ADAMS軟件中進行運動學仿真[15]。在夾具中心和觸桿中心標記MARKER點,并生成MARKER點軌跡,仿真結果如圖9所示。

根據仿真結果測出抓取和放置作業時機械爪距離機架部分螺栓腳的距離為530 mm。目前,市場上進行交通錐收放作業的車型大多為輕型載貨車,實驗用車為江淮駿鈴Ⅱ,實測其車廂底部距地面距離約為1.1 m,錐筒高度為670 mm。

夾取交通錐筒時,夾具夾持錐筒整體高度的80%處最為牢固,手爪距離地面應為536 mm。仿真高度與要求高度僅相差6 mm,因此可行性驗證通過[16]。

4.3 實驗驗證

如圖10所示,在進行整機實驗時,實際測量機械手在進行作業時距離地面距離為533 mm,滿足抓取要求。抓取布放動作實驗時,實測機械手系統夾取和升降的連續動作時間約為0.85 s,可滿足車輛在勻速20 km/h時進行交通錐筒的回收和布放工作。

綜上仿真和實驗證明:該機械結構設計合理,而且系統動作響應滿足作業要求。

5 結束語

該小型錐筒收放機結構簡單、輕巧、成本低。車輛無需改裝,隨車安裝方便快捷,收放作業時可掛接于車輛兩側,超聲波傳感器和觸桿用于扶正和捕獲錐筒,伺服驅動控制四連桿機構和夾具張合做上下輸送,作業人員僅需在車廂內進行簡單操作便可完成收放作業;收車時,可將錐筒自動收放機固定收納于車廂中,占用空間小。

經上路實驗表明:車輛放錐時車速可達20 km/h,收錐速度實現30個/min,從而解決傳統公路養護采取人工收放錐筒勞動強度大、效率低、環境危險等問題,并提高公路養護企業作業效率和安全性。目前,該錐筒自動收放機已投入量產并廣銷于國內各地。