基于5G網(wǎng)絡(luò)下的冶金企業(yè)全智能包裝機(jī)器人設(shè)計(jì)

宋小飛，姚登銀，王巍巍，指導(dǎo)老師：宿忠娥，効迎春

（蘭州城市學(xué)院培黎石油工程學(xué)院 能源工程系，甘肅 蘭州 730000）

目前隨著5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將更加快速，機(jī)械設(shè)備識(shí)別功能將更加精確，遠(yuǎn)程操作功能也更有了保障，在此給大家介紹一款基于5G網(wǎng)絡(luò)下的冶煉廠全智能智能包裝機(jī)器人設(shè)計(jì)。

1 全智能包裝機(jī)器人的組成系統(tǒng)

此全智能包裝機(jī)器人分為電路系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)兩部分。電路控制是以單片機(jī)為控制中心，GSM網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)與5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)接，微信小程序可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與GSM網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)進(jìn)行通信控制，GSM網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位，使包裝機(jī)器人能夠在指定地點(diǎn)進(jìn)行打包工作。

1.1 智能包裝機(jī)器人的手動(dòng)模式功能

本功能模塊：無(wú)線通訊模塊、單片機(jī)控制模塊、手機(jī)或遙控器可視化操作界面、超聲波避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

冶煉廠操作工通過(guò)微信小程序或遙控器可視化操作界面下達(dá)指令，無(wú)線通訊模塊將接收到的指令送到單片機(jī)控制系統(tǒng)，然后在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊端輸入相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，導(dǎo)致兩組電機(jī)工作情況出現(xiàn)變化，當(dāng)智能打包機(jī)遇到障礙物20厘米時(shí)，對(duì)前面實(shí)際情況進(jìn)行360°全方位掃描進(jìn)行判斷，然后單片機(jī)控制系統(tǒng)下達(dá)相應(yīng)的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)指令，進(jìn)行障礙物的避讓，在避障命令執(zhí)行過(guò)程中遙控器的中斷指令級(jí)別是低于避障中斷命令級(jí)別的。

1.2 智能包裝機(jī)器人的自駕模式功能

本功能模塊：無(wú)線通訊模塊、單片機(jī)控制模塊、手機(jī)或遙控器可視化操作界面、高精度GPS進(jìn)行定位模塊、超聲波避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)。

自動(dòng)模式1：在自駕模式開(kāi)啟之前先確定需要進(jìn)行包裝物品位置，然后大概了解下待打包物品的長(zhǎng)度和寬度，然后在手機(jī)或遙控器可視化操作面輸入相應(yīng)的長(zhǎng)度和寬度，此時(shí)手機(jī)或遙控器將信號(hào)發(fā)送到智能包裝機(jī)器人的單片機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。獲取三個(gè)結(jié)果，一個(gè)是完成待包裝鋼鐵制品所需要的時(shí)間T0，這個(gè)T0會(huì)在手機(jī)或遙控器可視化操作界面顯示出來(lái)；結(jié)合智能包裝機(jī)器人的大小參數(shù)計(jì)算出智能機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎周期數(shù)K0作為編程參數(shù)的比較量，當(dāng)累加器函數(shù)檢測(cè)到機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)彎周期數(shù)k與K0相等時(shí)，將工作任務(wù)快速完成，跳出任務(wù)返回?zé)o線充電平臺(tái)，在這個(gè)過(guò)程中GPS定位模塊起到智能包裝機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的路徑修正作用，保證打包機(jī)器人在工作過(guò)程中走直線，同時(shí)起到監(jiān)視的作用，在手機(jī)或遙控器可視化操作界面的地圖中能看到智能包裝機(jī)器人所在的位置是否離開(kāi)工作地點(diǎn)。

自動(dòng)模式2：通過(guò)微信小程序通過(guò)GPS探測(cè)所需要包裝冶金制品的形狀，然后在微信小程序中劃定機(jī)器人的運(yùn)行范圍，在指定的范圍類(lèi)通過(guò)灰度傳感器和超聲波傳感器進(jìn)行探測(cè)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行包裝。

1.3 智能包裝機(jī)器人的一鍵返航功能

本功能模塊：無(wú)線通訊模塊、單片機(jī)控制模塊、手機(jī)或遙控器可視化操作界面、高精度GPS定位模塊、超聲波避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

一鍵返航一般有兩種情況，但無(wú)論哪種情況，一鍵返航都是回到無(wú)線充電平臺(tái)。一種是操作者在手機(jī)或遙控器可視化操作界面一鍵返航回到無(wú)線充電平臺(tái)；另一種是當(dāng)智能包裝機(jī)器人的電能監(jiān)測(cè)電路模塊檢測(cè)到蓄電池電量不足時(shí)和完成包裝任務(wù)時(shí)，將信號(hào)反饋到智能包裝機(jī)器人單片機(jī)控制系統(tǒng)自身發(fā)起的一鍵返航指令。在一鍵返航命令執(zhí)行的過(guò)程中，智能包裝機(jī)器人走的是最短徑，次過(guò)程中可能遇到障礙物，超聲波避障模塊起到筆避障的作用，其工作過(guò)程與上述避障工作過(guò)程一樣，而GPS高精度定位模塊起到導(dǎo)航的作用。

1.4 無(wú)線充電平臺(tái)系統(tǒng)

本功能模塊：由單片機(jī)最小系統(tǒng)、無(wú)線充電發(fā)射模塊、無(wú)線充電接收模塊、無(wú)線充電線圈、GPS高精度定位模塊、智能包裝感應(yīng)模塊。

無(wú)線充電的核心技術(shù)是磁耦合諧振式無(wú)線充電原理。當(dāng)冶煉廠全智能包裝機(jī)器人回到無(wú)線充電平臺(tái)時(shí)，蓄電池中儲(chǔ)存的電能或光伏電池發(fā)出的電能有直流轉(zhuǎn)換成一定要求的交流電送到發(fā)射線圈端電路，發(fā)射線圈會(huì)產(chǎn)生一定規(guī)律變化的磁場(chǎng)，接收線圈會(huì)感應(yīng)到同規(guī)律變化的交流電，該交流電通過(guò)整流電路轉(zhuǎn)換成直流電儲(chǔ)存在智能包裝機(jī)器人的蓄電池中。發(fā)射線圈和接收線圈是由兩個(gè)可以發(fā)生共振的LC諧振電路組成，通過(guò)設(shè)計(jì)兩線圈的物理參數(shù)，使得兩線圈的固有頻率相同。發(fā)射線圈和接收線圈所在的電路中，電感線圈的材料常常是銅，線圈形狀通常是平面螺旋結(jié)構(gòu)，電容的形成主要有兩種方式，一是電路寄生電容，二是通過(guò)匹配得到適合的外接補(bǔ)償電容。發(fā)射線圈不斷向接受線圈發(fā)射能，當(dāng)智能包裝機(jī)器人電能監(jiān)測(cè)電路模塊會(huì)監(jiān)測(cè)蓄電池的充電量，當(dāng)達(dá)到相應(yīng)的電池電容量會(huì)切斷接收線圈，蓄電池將不會(huì)充電。單片機(jī)最小系統(tǒng)、GPS高精度定位模塊、構(gòu)成了一個(gè)定位系統(tǒng)。目的在于讓智能包裝機(jī)器人找到無(wú)限充電平臺(tái)的位置。

1.5 光伏雙軸追蹤發(fā)電系統(tǒng)

本系統(tǒng)電路模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、光線采集電路模塊、充電穩(wěn)壓模塊、電能儲(chǔ)存系統(tǒng)、電壓實(shí)時(shí)跟蹤顯示系統(tǒng)、單晶硅高效太陽(yáng)能電池組件光伏雙軸追蹤發(fā)電系統(tǒng)由兩部分組成，光伏雙軸追蹤系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)。光線采集電路模塊的四個(gè)光敏電阻采集四個(gè)方向的光線分布差異轉(zhuǎn)換為四路模擬信號(hào)，四路模擬信號(hào)送到數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊變成兩路數(shù)字信號(hào)，兩路數(shù)字信號(hào)送回單片機(jī)控制系統(tǒng)，單片機(jī)控制系統(tǒng)將給步電機(jī)控制模塊給一個(gè)信號(hào)，步電機(jī)控制模塊控制相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止。

一組步進(jìn)電機(jī)控制光伏組件水平方向的調(diào)整，另一組的步進(jìn)電機(jī)控制光伏組件垂直方向的調(diào)整從而實(shí)現(xiàn)了雙軸方向的調(diào)整。光伏發(fā)電系統(tǒng)由充電穩(wěn)壓模塊、電能儲(chǔ)存系統(tǒng)和電壓實(shí)時(shí)跟蹤顯示系統(tǒng)、單晶硅高效太陽(yáng)能電池組件組成，單晶硅高效太陽(yáng)能電池組件將發(fā)出的電能輸送到充電穩(wěn)壓模塊進(jìn)行穩(wěn)壓再送到電壓實(shí)時(shí)跟蹤顯示系統(tǒng)，電壓實(shí)時(shí)跟蹤顯示系統(tǒng)是顯示單晶硅高效太陽(yáng)能電池組件發(fā)電情況的系統(tǒng)，通過(guò)上面的刻度表能看到實(shí)時(shí)發(fā)電量的，最后將發(fā)出的電能送到無(wú)線充電的蓄電池將電能儲(chǔ)存起來(lái)。

1.6 全智能包裝機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)原理

圖1 冶煉廠智能包裝機(jī)器人機(jī)械工作原理圖

智能包裝機(jī)器人采用預(yù)成型器、導(dǎo)絲槽、輔助成型器、抽送絲機(jī)構(gòu)、扭絲(剪切)機(jī)構(gòu)、架體、放線架、線塔等。導(dǎo)絲槽、輔助成型器、抽送絲機(jī)構(gòu)、扭絲(剪切)機(jī)構(gòu)等設(shè)計(jì)在一個(gè)可同時(shí)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)架上，統(tǒng)稱為打捆頭。

2 結(jié)語(yǔ)

全智能包裝機(jī)器人是一款能源友好型、智能綜合性很高的設(shè)備。我們團(tuán)對(duì)相關(guān)技術(shù)早已突破，有望做的更加控制友好，在未來(lái)對(duì)冶煉企業(yè)發(fā)展有巨大推動(dòng)作用。