新型廢舊汽車流水式拆解生產線設計

洪強，杭衛星，鄭焱

（江蘇理工學院，江蘇常州 213001）

隨著中國經濟的快速發展, 截至2021年底, 全國機動車保有量達3.95 億輛，根據我國《機動車強制報廢標準規定》各類汽車8～12年使用壽命來計算，預計2026年中國機動車報廢量將達到2 450 萬輛。隨著報廢汽車數量的急劇攀升，廢舊汽車處理一度成為世界性難題[1]。為了將廢舊汽車最大化利用并提高拆解效率，研究人員提出了采用汽車流水式拆解生產線的方式對廢舊汽車進行精細化拆解并回收車輛的主要零部件，以提高車輛的剩余價值[2-3]。截至目前，國內針對廢舊汽車流水式拆解線的研究仍相對較少[5]。

2019年5月，國務院發布新的《報廢機動車回收管理辦法》。為了響應國家的新政策，解決和應對廢舊汽車快速增長所帶來的新問題，本文主要對小型載客廢舊汽車的柔性拆解生產線進行了一系列創新性研究，研制開發符合中國國情的自動化廢舊汽車拆解生產線和拆解裝備，形成了廢舊汽車拆解-資源化利用工藝技術，以實現拆解的高效率，廢棄資源高值化、高質化利用。

1 拆解線總體結構

如圖1所示，新型廢舊小型載客汽車流水式拆解線采用的是雙軌雙線閉環拆解生產線，環形軌道根據企業實際情況成懸空或地面布局，在環形軌道兩側平行的直道中設置兩條順時針循環拆解線且布置多個工位（A 號工位：危險部件與油液預處理；B 號工位：總成拆解；C 號工位：玻璃拆解；D 號工位：內外部件拆解；……，根據車型配置柔性設置更多工位），在程序的控制下，智能夾具夾持廢舊小型載客汽車并依托于環形軌道行走在各個拆解工位，且根據工位拆解任務在各個工位完成停留、升降和翻轉等與拆解設備匹配的最佳角度與姿態，依次完成多個柔性工位拆解作業，車殼在拆解生產線末端被送至打包粉碎流水線，經壓實、粉碎、分選，各種不同的材料都得到分類回收。該模式兩條拆解生產線同步進行，具有拆卸效率高、生產批量大、減少工人數量和降低勞動強度等優點。

圖1 懸空和地面拆解線總體結構

1.1 主要技術參數

1.1.1 基本參數

拆解生產線長度≥80 m

拆解生產線寬度≥40 m

內外軌道間距≥1.3 m

軌道離地高度≥4 m

起重量≤2 t

夾具回轉角度≤80°

有效高度≤1 m

電源：三相交流：50 Hz 380 V

1.1.2 液壓系統

油泵流量24 L/min

液壓系統最大工作壓力6 MPa

油箱容積200 L

液壓系統最高溫度≤80 ℃

1.1.3 控制系統

控制裝置遙控器/操作臺

通信方式無線/有線

遙控距離≤100 m

2 系統組成

新型廢舊小型載客汽車流水式拆解生產線集通信技術、控制技術、傳感技術、機電液一體化技術于一體，是控制技術從運動學領域向機械工程動力學領域的發展和跨越，其結構主要由機械系統、液壓系統和視覺智能自動控制[4]等幾部分組成。為使文章通俗易懂，以懸空式拆解生產線為例進行闡述。

2.1 機械系統

機械系統主要由固定與環形軌道1、驅動與傳動機構2、上下升降吊臂機構3 和下垂式智能夾具4 等組成，其結構如圖2所示。

圖2 機械系統結構圖

環形軌道1 設內外軌道，呈橢圓形布置。由支架固定在車間大梁（橫梁）上，保證拆解工作的安全和穩定。2 條拆解生產線分別位于環形軌道的不同側。

驅動與傳動機構固定在上平板的頂部，由電機、減速差速機構、半軸和驅動輪等組成，其結構如圖3所示。驅動與傳動機構與環形軌道形成組合，兩驅動輪分別位于內環形軌道和外環形軌道上。電機1 作為動力輸出時，通過第一級減速機構2 減速，再通過第二級減速機構3 減速和差速機構4 差速后，帶動半軸5 旋轉，從而帶動驅動輪6 在環形軌道中行駛，帶動整個夾具沿軌道行走。

圖3 驅動與傳動機構結構圖

上下升降吊臂機構由固定支架、上平板、升降吊臂和下平板組成，其結構如圖4所示。

圖4 上下升降吊臂結構圖

上平板2 上平面中間位置安裝固定驅動與傳動機構2，上平面四周與固定支架1 下端制成一體，固定支架1 上端設有滾動輪5，與環形軌道1 形成組合，在固定驅動與傳動部分2 的驅動下，整體夾具在軌道中安全運行。

上下升降吊臂4 上端與上平板2 固定，下端與下平板3 固定，液壓泵工作，使上下升降吊臂4 上下伸縮，上平板2 固定不動，下平板3 帶動夾具做升降運動。

下垂式智能夾具由驅動電機與齒輪、固定支撐、左右回轉體與左右Y 型夾具組成，其結構如圖5所示。驅動電機2 頭部有驅動齒輪1，能驅動左、右回轉體8、3 做環形運動。固定支撐的固定支架5 上端安裝固定于下平板3，下端安裝固定轉軸6，轉軸中央安裝滾動支撐輪7。左、右回轉體8、3 結構呈圓環結構，回轉體上方制有齒條，與驅動電機驅動齒輪1 嚙合，驅動電機1 工作，能使回轉體做環形運動；回轉體中間部分掏空制成環形凹槽，與滾動支撐輪7 鑲配，起支撐作用；左、右回轉體8、3 內側分別制有“”和“”形狀的溝槽與實體，成“H”狀鑲配一起，保證左右回轉體運轉的過程中不分離，定位可靠。左、右Y 型夾具9、4 分別固定在對應的回轉體一側的底端，Y 型夾具工作時與汽車上部的門框成接觸。在左、右回轉體環形伸縮運動過程中，左、右Y 型夾具對汽車上部的門框形成夾緊力，保證廢舊汽車的可靠固定，與整個夾具成一體在拆解生產線中運動翻轉，方便拆解。

圖5 下垂式智能夾具結構圖

2.2 液壓系統

新型廢舊小型載客汽車流水式拆解生產線上下升降吊臂機構如圖6所示，4 組液壓缸驅動系統共用一套液壓泵站，油泵流量為24 L/min，系統最大壓力為6 MPa。電動機11 帶動液壓泵9 從油箱1 吸油，液壓泵把電機的機械能轉換成液體的壓力能。液壓工作介質流過管道經調速閥8 和三位四通換向閥4 進入分流集流閥5，通過液壓鎖6 進入液壓缸7 左腔，實現夾具的提升；換向閥換向之后液壓介質進入液壓缸右腔,實現夾具的下降。分流集流閥通過內部自帶的壓力與流量敏感部件自動進行調節，當四油缸分別承受不同的負載時，能使油缸運動保持同步。液壓鎖能把回路鎖住，不讓回路油液有流動，保證即使外界有一定載荷的情況下仍能保持其位置靜止不動。液壓泵站溫控裝置采用外置循環溫度固定溫控控制方式，實現液壓系統油溫完全控制在預設值范圍之內，避免油液溫度過高現象，以保證上下升降吊臂機構能可靠、高效、長期地工作。

圖6 上下升降吊臂機構液壓原理圖

2.3 智能視覺控制系統

廢舊小型載客汽車流水式拆解生產線為與各個工位的拆解設備協調工作，以環形軌道做循環運動為基礎，以汽車縱向中心線和工位位置線為定位基準，整個拆解線系統采用智能視覺自動控制，如圖7所示，系統組成主要由圖像采集部分、圖像預處理部分、目標識別與計算等三部分組成。

圖7 智能視覺控制系統組成原理圖

在圖像采集部分，FPGA 驅動CMOS 圖像傳感器，在適當時刻曝光，采集汽車前后保險杠、機蓋、車門、車頂等具有特征的外觀和處于拆解工位位置圖像。圖像預處理部分，采集的圖像由FPGA 對位置圖像進行濾波處理、圖像閾值分割，檢測被拆解汽車外觀邊緣，通過輪廓提取和跟蹤檢測到車輛外輪廓線并存儲。目標識別與計算部分由ARM9 主控芯片S3C2440 分析邊緣輪廓坐標數據，識別出汽車當前位置和狀態，計算汽車質心位置坐標、方向位置標志坐標，并根據相機標定參數進行圖像坐標與三維空間坐標變換，最后將計算結果通過局域以太網發送到相應執行器。

拆解生產線工位安裝有光電開關，每當光電信號被觸發，光電效應使光信號轉變為電信號，表明拆解汽車就位，根據傳送速度設定適當延時使汽車進入相機視野時恰好進行曝光。以攝像機組圖像提供的廢舊汽車位置信號，控制系統根據程序控制電機同向旋轉，能使兩個回轉體同時向內外側做環形運動，實現廢舊汽車的翻轉與回正；同時也能控制液壓泵，通過上下升降吊臂機構實現汽車的上升與下降。

上述智能視覺控制系統具有智能控制定位功能、行走功能、升降功能、收縮功能和翻轉功能。

2.3.1 定位功能：在控制裝置的存儲單元程序中提前錄入市面上現有廢舊汽車車型外觀尺寸信息，廢舊汽車到達指定停放位置后，攝像機對整車進行攝像拍照，以地面水平高度為參考，以汽車車標和車尾天線為基準，確定汽車縱向中心線和汽車車身高度，獲取汽車的準確位置，為實現后續行走、升降和翻轉奠定基礎。

2.3.2 行走功能：環形軌道雙線拆解生產線中設置五大工位，每個工位根據拆解項目，都設置了規定的時間，控制裝置根據內部編制程序，控制驅動電機，讓夾具固定廢舊汽車整體運行在環形軌道中，在每個工位作適時停留，實現廢舊汽車軌道行走。

2.3.3 升降功能：以攝像機圖像提供的廢舊汽車位置信號，控制裝置根據程序控制液壓泵，從而控制上下升降吊臂機構工作，能使智能夾具與廢舊汽車整體上下運動，實現廢舊汽車的上升與下降。

2.3.4 收縮功能：以攝像機圖像提供的廢舊汽車位置信號，控制裝置根據程序控制兩驅動電機轉向，能使智能夾具兩回轉體同時擴大張開和同時收縮，實現廢舊汽車的夾緊與松開。

2.3.5 翻轉功能：以攝像機圖像提供的廢舊汽車位置信號，控制裝置根據程序控制兩驅動電機同向旋轉，能使智能夾具兩回轉體同時向同一方向做環形運動，實現廢舊汽車的翻轉與回正。

3 結論

根據上述方案，制作新型廢舊小型載客汽車流水式拆解生產線的樣機，為了驗證樣機的性能指標進行了一系列試驗，在生產現場對該設備的定位、升降、翻轉，以及抓取車輛的穩定性和可靠性、安全性、電子設備的安全性和可靠性進行了全面測定。結果表明，該拆解生產線各項主要指標均達到了設計要求，改善了勞動環境，減輕了勞動強度，提高了汽車拆解的工作效率，降低了人工成本。

新型廢舊小型載客汽車流水式拆解生產線的開發和應用，解決了當下廢舊汽車拆解困難和效率低下的作業難題，促進了相關產業聯動發展，既達到國家實現節能減排、資源循環利用的目的，又產生了顯著的經濟效益和社會效益。