環模智能定孔疏通裝置設計研究

朱發運， 王昀， 朱發興， 董月， 陳肇麟

（1. 中國美術學院 南特設計聯合學院， 浙江 杭州 310002；2. 中國美術學院 工業設計學院， 浙江 杭州 310002；3. 南京航空航天大學 航空學院， 江蘇 南京 210016；4. 杭州漢品工業設計有限公司， 浙江 杭州 310000）

環模是飼料顆粒機的核心部件，其制造難度較大，且造價昂貴。在飼料生產中，因原料、環模材質和質量、操作工藝等的影響，常常會發生環模?？锥氯F象，在?？變刃纬捎捕群兔芏容^大的固化料栓[1-2]。壓輥對物料的擠壓下，模孔壁與料栓產生摩擦而使環模磨損，磨損維修費占環模整體維修費的25%以上，且會使環模失效，大大縮短環模的使用壽命[3-5]。因此，對模孔進行有效的疏通和維護非常重要，可以降低設備維護成本，保障飼料生產順利進行。

針對堵塞的?？祝刹捎脽崴驘嵊徒蠓ㄟM行疏通，對?？變葰埩舻纳倭苛纤ǎ密涃|棒進行清理，但此法耗時長、清理效率低；另一種疏通方法為鉆孔疏通法，即由人工用電鉆逐孔清理，但清理時工作強度大、效率低，且易對?？自斐晒蝹鸞6-7]。目前，國內外針對環模定孔疏通的研究主要集中在清理裝置半自動化結構的優化設計上[8-9]；王紹等[10-11]進行了?？浊謇硌b置自動化控制研究，構建了微控制系統以實現自動疏通，但裝置設計復雜、質量較大、操作較難；冀勛等[12-13]進行了?？讌禉z測原理等研究，設計了相關的傳感器探頭和?？讌禉z測裝置，但裝置的自動化應用程度較低。設計合適的?？浊謇硌b置，開展高效定孔檢測、自動化疏通等的理論與實驗研究，對模孔堵塞的環模進行智能定孔疏通，對推動顆粒制造產業的發展具有重要作用。

作者在已有研究的基礎上[14-15]，通過對環模模孔檢測原理、裝置機械結構及系統軟硬件的分析，設計了一套環模智能定孔疏通裝置，其具有操作簡便、定位精度高、運行穩定可靠及性價比高等優點，可快速高效地對堵塞模孔進行極小磨損的疏通，提高飼料生產的效率和產量。

1 環模?？讬z測原理

高磁導率的鐵磁性導體受到外界磁場磁化后，其缺陷處的磁力線會發生扭曲，甚至有部分磁力線會從缺陷處溢出[16-18]。設正常環模壁的磁感應強度為B1，環模壁截面積為S1，則正常環模壁截面的磁通量Φ1=B1S1；設模孔處磁感應強度為B2，?？捉孛娣e為S2，模孔處模壁截面積為S1-S2，則帶?？椎沫h模壁截面的磁通量Φ2=B2(S1-S2)；通過環模壁的總磁通量是一定的，即Φ1=Φ2，則B2=B1S1/(S1-S2)，因此，?？字車穆┐磐颗c?？捉孛娣e和環模壁的磁感應強度相關。

環模?？茁┐艡z測原理如圖1所示。采取針對性的檢測手段對環模進行漏磁檢測，即可對?？锥ㄎ?。霍爾傳感器是一種基于霍爾效應的磁傳感器，可以檢測到磁場的變化。在霍爾傳感器的探測頭接近?？?、移至孔心和孔外的過程中，傳感器的輸出電壓會有一個極大值，出現電壓極大值時傳感器所處的位置即為檢測到的?？孜恢肹19-21]?；魻栃梢员硎緸閇19-21]：

圖1 環模?？茁┐艡z測原理示意Fig.1 Schematic diagram of magnetic leakage detection for ring die hole

式中：UH為霍爾電壓，V；RH為霍爾系數；I為傳感器敏感元件的電流，A；B為磁感應強度，T；t為敏感元件厚度，mm。

2 智能定孔疏通裝置的設計

環模智能定孔疏通裝置的結構如圖2所示，其主要由機械結構、下位機軟硬件和上位機軟件三部分組成。作者自主設計的模孔定位疏通模塊安裝于Dobot機械手的固定端，與機械手共同組成裝置的機械結構；控制器通過3個Tb6560步進電機驅動器實現對步進電機及機械手的控制；上臂步進電機通過連桿機構實現機械手上臂擺動；下臂步進電機與下臂配合連接實現機械手下臂擺動；旋轉平臺與固定平臺通過平面推力球軸承配合連接，旋轉步進電機實現旋轉平臺在固定平臺上的轉動；?？锥ㄎ皇柰K在工作過程中保持水平狀態，實現對環模?？椎亩ㄎ慌c疏通。

圖2 環模智能定孔疏通裝置的結構Fig.2 Structure of intelligent fixed hole dredging device for ring die

2.1 機械結構設計

?？锥ㄎ皇柰K如圖3所示，其上蓋和中體架結構如圖4所示。模塊通過其下蓋導槽與機械手前端的連接件進行連接固定，上蓋和中體架與電磁鐵模塊、霍爾傳感器探頭及線纜接頭進行配合固定，中體架和下蓋對疏通電機進行壓緊固定。對模塊的核心部件進行穩固支撐與安裝，以保障模塊及其部件在模孔定位疏通工作中穩定運行。

圖3 模孔定位疏通模塊示意Fig.3 Schematic diagram of die hole positioning dredging module

圖4 ?？锥ㄎ皇柰K上蓋和中體架結構Fig.4 Structure of upper cover and middle frame of die hole positioning dredging module

霍爾傳感器用于堵塞?？椎亩ㄎ唬宦撦S器和疏通電機與逆磁性鉆頭相連，實現對堵塞?？椎氖柰ǎ浑姶盆F模塊由電磁線圈和鐵芯組成，形成電磁磁場以實現檢測；模塊上蓋、中體架、下蓋、聯軸器、螺釘均由拒磁性材料制造而成；線纜接頭外皮由拒磁性屏蔽套包裹，在?？锥ㄎ粫r可減少其對磁力線的干擾，保證?？锥ㄎ痪?。

2.2 下位機軟硬件設計

下位機的硬件如圖5所示。微控制單元（microcontroller unit，MCU）采用基于ARM （advanced RISC（reduced instruction set computer）machine，高級精簡指令集計算機）的高性能Coxtex-M3內核32位STM32F103系列處理器，其具有高性能、低電壓、低功耗等優點。MCU結合外部的步進電機控制、模數轉換、整流濾波等應用電路和模塊，實現裝置運行控制、磁信號檢測、?？锥ㄎ缓褪柰皵祿幚淼裙δ堋?/p>

圖5 下位機硬件Fig.5 Hardware of lower computer

下位機控制流程如圖6所示。系統啟動后首先進行初始化，然后掃描輸入的按鍵并進行處理。當按鍵為K2時，進行系統及機械手復位。當按鍵為K1時，其控制流程為：1）MCU控制電磁鐵通電，形成模孔檢測所需的磁場。2）ADS1110模數轉換器實時將霍爾傳感器采集的磁場模擬信號轉換為數字信號，并發送給MCU。3）LCD（liquid crystal display，液晶顯示屏）顯示模塊顯示裝置的實時運行狀態。4）MCU通過串口或無線模塊將信號數據傳送至上位機，同時控制機械手運行。5）?？锥ㄎ皇柰K檢測?？祝喝魴z測到環模壁上無模孔，則判斷所有模孔是否檢測完成，若所有?？讬z測完畢，則結束任務，否則系統繼續運行：若檢測到環模壁上有?？?，則MCU控制電磁鐵斷電，控制機械手將?？资柰K的逆磁性鉆頭運動至?？孜恢?，疏通電機運行，鉆頭疏通?？?，完成后LED和蜂鳴器提示本次?？资柰ㄍ瓿?，并繼續進行下一個?？椎臋z測及疏通，直至所有?？讬z測、疏通完成。

圖6 下位機控制流程Fig.6 Control flow of lower computer

2.3 上位機軟件設計

采用PC作為上位機，軟件采用VC（Virtual C++）開發語言。上位機采用了Microsoft Communications Control控件、按鈕控件、組合框控件、靜態文本控件和list control控件等。上位機界面如圖7所示。通過設置串口參數，實現數據接收并轉化成波形；可調節、控制ADS1110數模轉換器的增益和轉換速率，顯示并存儲其轉換數值信息和用戶個人信息；電壓值表征模孔的漏磁通量，來反映對環模?？椎臋z測情況。同時，設計了上位機對疏通電機的控制操作，以進行裝置的調試及控制。

圖7 上位機界面Fig.7 Interface of upper computer

3 智能定孔疏通實驗

3.1 實驗方案

按照圖8所示的方案開展環模智能定孔疏通實驗。將機械手底端安裝在其下側固定臺上，環模固定在環模固定臺上，機械手旋轉電機的旋轉軸位于環模中心位置，以保證其精確便捷地進行環模定孔疏通。控制器及線纜安裝固定在機械手固定臺上，機械手固定臺面低于環模固定臺面。機械手上臂保持伸展狀態，?？锥ㄎ皇柰K、機械手及相關線纜在移動過程中不與環模接觸，以免發生干涉。

圖8 環模智能定孔疏通實驗方案示意Fig.8 Schematic diagram of experimental scheme of intelligent fixed hole dredging for ring die

智能定孔疏通裝置安裝在待檢測環模內側，其與上位機通過串口模塊通信?；魻杺鞲衅骱湍娲判糟@頭的初始位置位于環模壁第1排無?？滋?，驅動旋轉電機，使機械手、疏通模塊旋轉并檢測?？?。當檢測、定位到第1個模孔后，系統控制上臂、下臂步進電機及疏通電機，使逆磁性鉆頭對?？走M行疏通。疏通完成后依次完成環向360°內第1排所有模孔的檢測及疏通，然后回到第1排初始位置。系統控制機械手向下運動1個環模間距而到達第2排無?？滋帲缓筮M行第2排所有模孔的定位及疏通，當檢測完環模所有?？缀螅b置運行結束并復位。

3.2 實驗過程

首先對環模智能定孔疏通裝置進行調試，如圖9所示。對裝置的機械結構、軟硬件進行聯動調試，使機械手運行正常，下位機和上位機的運行及其通信正常，以確保疏通裝置可以穩定運行。

圖9 環模智能定孔疏通裝置的調試Fig.9 Debugging of intelligent fixed hole dredging device for ring die

疏通裝置調試完成后，進行裝置的性能測試，對堵塞的環模進行智能定孔疏通實驗。實驗現場如圖10所示。需修復環模的外徑為350 mm，內徑為320 mm；?？咨疃葹?0 mm，直徑為3 mm。調整機械手固定臺，使旋轉電機的旋轉軸與環模中心保持同軸心；將?？锥ㄎ皇柰K置于環模壁第1排無?？滋帲粏友b置，系統開始運行，進行?？椎亩ㄎ患笆柰?。

圖10 環模智能定孔疏通實驗現場Fig.10 Experimental site of intelligent fixed hole dredging for ring die

在無模孔處上位機界面顯示的波形如圖11所示，所測環模壁處的電壓約為0.894 V，波形無波動，此處無漏磁，系統判定為無?？?。裝置繼續運行，波形發生波動，?？滋庪妷杭s上升至0.944 V，如圖12所示，表明該處出現了漏磁，系統判定為有模孔，此時電磁鐵斷電，疏通模塊運行至模孔處，逆磁性鉆頭對?？走M行疏通；疏通完成后，電磁鐵再次上電，繼續進行?？讬z測及疏通，直至所有?？资柰ㄍ瓿?。

圖11 無?？讜r的電壓波形Fig.11 Waveform diagram without die hole

圖12 有?？讜r的電壓波形Fig.12 Waveform with die hole

3.3 實驗結果與分析

實驗所測試的?？卓倲禐? 591個，共用時約2.85 h，模孔疏通效率高達1 260個/h。經檢查，被刮傷的?？子?個，刮傷率約為0.139%。發生刮傷的主要原因是，部分?？滋幜粲蓄B固廢屑，一些模孔的表面不夠光滑、存在毛邊，以及裝置出現非正?；味?。但刮傷傷痕較小，不影響環模在飼料生產中的正常使用。可見，采用智能定孔疏通裝置疏通模孔，疏通效率高，刮傷率低，可有效解決飼料顆粒生產中堵塞環模的疏通問題。

4 結 論

作者設計了環模智能定孔疏通裝置。裝置整體結構簡單，使用方便，成本低；通過模孔定位疏通模塊和漏磁通量檢測方法可實現模孔的高精度檢測與定位。采用該裝置，可實現模孔自動化定位及疏通，相比于傳統的疏通方法，能較大程度地降低刮傷率，提高疏通效率，滿足了行業的應用需求，促進了金屬?？滋綔y疏通技術的發展。