礦用設(shè)備防爆接合面打磨柔性系統(tǒng)初步設(shè)計方案*

李慶章，石　昊

(1.陽煤集團 陽泉華越八達礦用電氣制造有限公司，山西　陽泉　045000； 2.山西工程技術(shù)學(xué)院，山西　陽泉　045000)

0　引言

陽泉華越八達礦用電氣制造有限公司是一家進行礦用設(shè)備生產(chǎn)、安裝和維修的公司，在生產(chǎn)過程中一個重要的環(huán)節(jié)是對礦用設(shè)備的防爆接合面進行打磨，以保證設(shè)備的防爆和隔爆性能符合國家規(guī)范。但在打磨過程中存在著以下問題：礦用設(shè)備體積龐大沉重，搬運和固定都比較困難；人工打磨效率低下，精度較低；打磨過程中會產(chǎn)生金屬粉塵污染和噪聲污染，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，對工人的身心都會造成損害。

為了解決上述問題，本文設(shè)計了礦用設(shè)備防爆接合面打磨柔性系統(tǒng)，把工人從繁重惡劣的工作環(huán)境中解放出來，實現(xiàn)整個打磨過程的無人值守化，從礦用設(shè)備的搬運、固定、打磨到車間的通風(fēng)除塵等所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)完全由系統(tǒng)自主完成。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計要求

本系統(tǒng)最終要利用多種機器人和機械設(shè)備，實現(xiàn)整個礦用設(shè)備防爆接合面打磨車間的無人值守生產(chǎn)模式，從礦用設(shè)備進入車間開始，就由搬運機器人將設(shè)備接管，自動運送至打磨機器人處打磨，打磨完成后再由搬運機器人運送出車間，期間通風(fēng)除塵設(shè)備會依據(jù)打磨設(shè)備的工作狀態(tài)自動調(diào)整工作模式，保證車間生產(chǎn)環(huán)境的安全。本系統(tǒng)對整個生產(chǎn)過程具有自主決策和判斷的能力，約束每臺設(shè)備的動作流程，引導(dǎo)所有設(shè)備配合工作，預(yù)防生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的各種問題；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)無法解決的故障時，及時向值班人員發(fā)出警報，同時采取補救措施和安全防護措施，保證人身和設(shè)備的安全。總之，系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能包括運輸、裝卸、夾持、打磨、通風(fēng)、除塵、監(jiān)控、報警等。本系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1　礦用設(shè)備防爆結(jié)合面打磨柔性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計分析

2.1　機器人

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，需要采用2種類型的機器人，搬運機器人和打磨機器人。搬運機器人負(fù)責(zé)接收、固定和搬運打磨對象，因為打磨對象都是煤礦井下設(shè)備，重量基本都在200 kg以上，所以搬運機器人要有足夠的承載能力和固定能力，而且要求搬運機器人能夠精確靈活地規(guī)劃行駛路徑，基于上述要求系統(tǒng)擬采用AGV機器人。打磨機器人的主要工作是在打磨工作臺接收并固定好打磨對象后，完成對打磨對象的打磨，因為井下設(shè)備有嚴(yán)格的隔爆要求，而針對防爆接合面的打磨是保證設(shè)備隔爆能力的一種重要手段，所以打磨機器人的打磨精確度要嚴(yán)格保證。為了保證工作效率，搬運機器人和打磨機器人各2套，各自獨立工作，互不影響。本設(shè)計方案的車間布局如圖2所示。

2.2　通風(fēng)除塵系統(tǒng)

在打磨過程中會產(chǎn)生大量的金屬粉塵，會對人員和設(shè)備造成嚴(yán)重的危害，因此就要求除塵設(shè)備必須和打磨工作臺緊密結(jié)合，在打磨過程產(chǎn)生粉塵的同時，除塵系統(tǒng)實現(xiàn)對粉塵的引導(dǎo)和收集，并完成塵氣分離的任務(wù)，對粉塵回收處理，防止其對車間和廠區(qū)周圍的大氣環(huán)境造成污染。

2.3　控制系統(tǒng)

本方案擬采用PLC為核心控制設(shè)備，所選PLC應(yīng)具有模塊化結(jié)構(gòu)，完善的運動控制功能和強大的通訊功能，抗干擾、抗震動沖擊性能好，而且有較多的成功應(yīng)用案例可以參考，能夠滿足本系統(tǒng)的控制要求。控制系統(tǒng)要能夠控制機器人和除塵系統(tǒng)完成對打磨對象的搬運和打磨任務(wù)，同時能夠應(yīng)對處理可能出現(xiàn)的故障和緊急狀況，并且把系統(tǒng)的運行情況實時傳輸給遠程監(jiān)控設(shè)備，以便于值班人員實現(xiàn)遠程操控。在車間內(nèi)設(shè)置控制室，如果有特殊要求或者出現(xiàn)了故障和緊急情況，可以由值班人員在控制室進行手動操作。

2.4　監(jiān)控報警系統(tǒng)

監(jiān)控報警系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r監(jiān)控通風(fēng)除塵設(shè)備和機器人的運行狀況，并且檢測整個車間的生產(chǎn)環(huán)境，一旦出現(xiàn)故障立即報警；控制系統(tǒng)根據(jù)不同的報警信號進行故障處理，同時將故障通知值班人員。

3　工作流程設(shè)計

整個系統(tǒng)包含了多個自動運行的機器人，每個機器人有各自的工作任務(wù)和各自的運動軌跡，因此，在規(guī)劃工作流程時，應(yīng)考慮到整合所有機器人的動作順序，還需解決機器人的運動軌跡在空間上的重疊問題。

系統(tǒng)總流程圖、搬運機器人搬運流程圖、防爆接合面打磨流程圖、搬運機器人復(fù)位流程圖分別見圖3～圖6。

圖2礦用設(shè)備防爆接合面圖3系統(tǒng)總流程圖打磨車間布局圖

圖4搬運機器人搬運流程圖5防爆接合面打磨流程

4　建模仿真

本方案擬采用工業(yè)機器人仿真軟件對所有生產(chǎn)設(shè)備和整個生產(chǎn)流程進行系統(tǒng)仿真，驗證其可行性和穩(wěn)定性，然后再進行實際生產(chǎn)改造，以縮短設(shè)計和調(diào)試的周期，并防止資源浪費。系統(tǒng)仿真流程如圖7所示。

圖6搬運機器人復(fù)位流程圖7系統(tǒng)仿真流程

5　結(jié)束語

本方案中涉及到的核心技術(shù)，目前都已經(jīng)有實際應(yīng)用案例，比如打磨機器人、搬運機器人、通風(fēng)除塵設(shè)備等均已處于應(yīng)用階段，但是將這些設(shè)備融合在一起形成可以實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程無人值守的柔性系統(tǒng)的案例并不多見。

本系統(tǒng)若成功投產(chǎn)，可以將工人從繁重的體力勞動和惡劣的工作環(huán)境中解放出來，提高防爆接合面的打磨效率和打磨精度，保護工人的身體健康，體現(xiàn)了以人為本的精神，并可以為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟效益。由于在制造業(yè)中類似的打磨工作非常常見，因此本系統(tǒng)可以在適當(dāng)改造后應(yīng)用到更多的行業(yè)和企業(yè)當(dāng)中，有著比較廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]華中生，徐曉燕，石琴．柔性制造系統(tǒng)的柔性與決策問題[J]．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2000，30(1)：99-107．

[2]程向東．隔爆型電機常用的隔爆接合面結(jié)構(gòu)[J]．電氣防爆，2010(1)：38-40，45.

[3]周偉鋒．隔爆型電動機密封結(jié)構(gòu)及其對隔爆面的影響分析[J]．防爆電機，2011，46(6)：39-41．

[4]鄭炳坤，賴乙宗，葉峰．磁導(dǎo)航AGV控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．自動化與儀表，2014(3)：6-10．

[5]武啟平，金亞萍，任平，等．自動導(dǎo)引車(AGV)關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J]．制造業(yè)自動化，2013，35(5)：106-109，121．

[6]宋高舉，秦洪建，楊磊．某鑄造車間除塵系統(tǒng)實測與分析[J]．廣州大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版)，2010，9(2)：30-35．

[7]袁舒欣，唐亞鳴，常永超．一種自動除塵系統(tǒng)控制模塊的設(shè)計[J]．機械設(shè)計與制造工程，2016，45(7)：54-56．

[8]陳世鐘，宋健，黃卓，等．DELMIA在機器人生產(chǎn)線仿真中的應(yīng)用[J]．機械制造與自動化，2016(4)：157-160．

[9]Zhong Xu-dong，Li Min，Yang Wen-rui．Optimization of production line based on Flexsim simulation[J]．Hydromechatronics Engineering，2015，43(6)：122-127．