行走式码砖机器人及无线远程诊断系统的设计

石进水

（山东交通职业学院，潍坊 261206）

行走式码砖机器人及无线远程诊断系统的设计

石进水

（山东交通职业学院，潍坊 261206）

0 引言

在制砖企业传统生产过程中，免烧砖在生产成型后，要依靠人工将已经在托板上养护好的砖码成垛。根据市场调查，一般码砖工人每天工作10小时，完成1.6万块；规模以上制砖企业中每台砖机的产能在6万～9万块/天。因此，每台砖机需配码砖工4～6人，码砖工人的劳动强度特别大；企业的劳动力成本高、生产效率低。通过对山东、河北、河南等地的一些规模以上制砖企业的调查发现，市面上使用的码砖机器人均为固定安装式机器人，无法行走，且造价昂贵，企业都希望有一种能够配合免烧砖机工作、代替人工码砖的可行走式自动化码砖设备。为此，本文设计开发出了一种行走式码砖机器人，它能配合免烧砖成型机的工作，且性能稳定，生产效率高。

1 机械机构设计

机械机构主要由自动上料机构、夹砖及吊装机构、夹钳行走系统、砖块姿态调整机构、整机行走机构等部分组成，如图1所示。

1.1 码砖机器人的功能

用叉车一次性将6托板已养护好的砖，放于设备的上料机构上，上料机构完成自动上料、定位。取砖夹钳前行将一块托板上的砖全部夹起，然后后退，将砖放置于砖块姿态调整机构（分砖托板）上；砖块姿态调整机构按规定的排列方式重新对砖块进行交叉排列；码砖夹钳下行取砖后行走至砖垛位置并下放，每12层为一个砖垛。完成一垛后，设备自动前行一段距离，开始下一周期的工作。

图1 码砖机器人结构图

1.2 自动上料和定位机构

该机构将放在传送装置上的托板自动定位至取砖夹钳工位，便于取砖夹钳准确无误的将托板上的砖全部夹起。上料机构主要由机架、滚筒、张紧轮、链条、链轮、电机、减速器、皮带轮、皮带、轨道辊总成组成；定位机构主要由行程开关、限位螺钉、气缸等组成。托板被置于上料机构后，滚筒带动托板向前移动，当移至取砖夹钳正下方时，定位气缸将上料架推动到位，上料架停止运动。取砖夹钳下行，将砖和托板一起取走。下一块托板在传送装置的作用下向前运动，重复上述动作。

1.3 夹砖及吊装机构

该机构主要包含取砖夹钳、码砖夹钳和夹钳行走系统。取砖夹钳将托板上的砖全部夹起，夹钳行走机构驱动夹钳移动，并将所有砖块下放于砖块姿态调整机构（分砖托板）上；砖块姿态调整机构按规定的排列方式重新对砖进行交叉排列；码砖夹钳下行取砖，行走机构驱动夹钳移动至砖垛位置，夹钳松开，将砖块码放在砖垛上。

夹钳主要由夹钳架、钳口限位块、钳口定位弹簧、限位开关、夹钳架导向杆、导向杆轨道辊、电动葫芦总成、导向支撑链轮、链条等组成。由于夹钳下降时惯性较大，因此采用电机带动链轮拖动夹钳实现其升降，可以克服采用电动葫芦带动钢丝绳时出现的钢丝绳缠绕现象。

夹钳行走系统主要由链条、行走轨道辊、行走架、驱动电机、减速器、链轮、行程限位块等组成。选取的电机型号为ZD122-4，额定功率1.5kW，减速机型号为WPWA50型蜗杆涡轮减速器，减速比为1:15，夹钳的行走由PLC进行控制[1]。

1.4 砖块姿态调整机构

该机构实现了砖层间的错位摆放，两层之间形成十字交叉，提高了砖垛的抗倾倒性，每层砖的高度由开关信号传到PLC系统进行控制，不易受到干扰。

该机构主要由推砖机构、转动托板、转动托板转台、驱动电机、移动托板、支撑托板、支撑托板转台、联轴器、减速器、接近开关等部件组成。如图2所示，当取砖夹钳将整个托板上的砖（30块）放置于托板后，砖块姿态调整机构开始工作：将其中的14块砖分离后置于移动托板上，其他16块砖留在转动托板上；移动托板左移一段距离，转动托板转动90°，然后移动托板回移，实现16块砖与14块砖的垂直交叉排列；下一托板的砖被放置于托板后，托板先转动180°，然后重复上述动作。这样可以保证码放后砖块层与层之间交叉堆放。

图2 砖块姿态调整动作图

1.5 整机行走机构

为了便于将码好的砖垛装运，砖垛之间必须留有一定的距离，因此整机要能够行走,且距离间隔一定。整机行走机构主要由电机、减速器、链轮、链条、皮带、皮带轮、驱动轴、驱动轮、从动轮、转速传感器（编码器）、计数器等组成。码砖机器人的移动与汽车的运动相似，采用前桥或后桥驱动等驱动方式，因此参照了专用汽车的运动方程对各部分进行设计计算。码垛机器人行走时，PLC根据转速传感器（编码器）发出的脉冲数计算其行进的距离，并控制其前进设定的距离（一般为20CM）。砖块的自动码放效果如图3所示。

图3 砖块自动码放效果图

2 PLC控制系统

该机器人电气控制系统以可编程控制器PLC为核心，配合外围继电器回路，控制各机构协调动作；操作者只需启动相应运行程序，码砖机就会按照设定流程周而复始的工作；考虑到经济性、功能性、冗余配置等方面原因，PLC采用台达DVP-64EH00R2，HMI采用威纶通TK6100，通过HMI可对设备运行参数进行设置，提高了人机设备的交互性。PLC控制系统的结构如图4所示。

图4 PLC控制系统结构图

2.1 PLC输入输出点分配

DVP-64EH00R2 PLC共有输入点32个，输出点32个，综合考虑系统冗余设计，提高系统可靠性、可扩展性、易维护等因素，分配的每个 I/O点的地址如表1所示。

表1 PLC控制系统I/O地址分配表

2.2 PLC控制系统软件设计

PLC控制系统软件设计是整个码砖机器人能协调工作的核心部分，其功能和实现的流程，直接决定了码砖机器人的实际工作过程。结合机械结构设计和码砖应用需求，设计了如图5所示的软件实现流程。

3 无线远程故障诊断系统

该码砖机器人的限位开关和行程开关较多，动作流程复杂，且现场工作环境恶劣，运行过程中可能出现各种故障。为了在故障发生时能及时通知维护人员，并提供相应的故障信息，指导检修人员及时准确的处理故障，保证生产的正常运行，本文设计了一套码砖机器人远程故障诊断系统，其数据传输通道如图6所示。

图5 PLC软件流程图

图6 远程故障诊断数据传输示意图

DTU是构建远程无线数据采集系统的重要设备，本系统中的DTU采用的是COMWAY WG8010型号产品，其主要功能就是为现场PLC（RS485接口）经GPRS网络与一台连接到Internet的PC之间建立一个透明的数据通道。远程PC中安装的COMWAY无线串口软件，使上位机拥有了“无限延长的串口线”，能够方便的实现现场设备和计算机之间的无线对接。图5所示的无线通信信道是基于设立在专业机房中的Comway Data-Server集群服务器系统，该系统向用户永久免费提供电信级无线数据通信服务[2]。

远程PC端监控软件采用KingView6.55进行设计，kingview6.55软件支持通过虚拟串口与远端串口设备建立通信。通过Modbus RTU协议，上位机监控软件对远端PLC的状态信息和相关数据进行实时采集并实施控制。图7所示的监控界面中，红灯为各限位开关、行程开关的状态指示，当某个开关信号有效时，其对应的红色信号灯闪烁；绿灯为机器人的动作状态指示，当机器人运行至某个动作时，其对应的绿色信号灯闪烁。因此，通过该系统可以远程查看PLC的实时输入输出状态，判断码砖机器人的工作过程，也可对机器人的工作参数进行设置，为设备的远程故障诊断和维修提供了方便[3,4]。

图7 码砖机器人远程故障诊断系统界面

4 结束语

该码砖机器人集机、电、气控制技术于一体，PLC为控制核心，能够实现自动上料、定位、转向、夹砖、码砖和自动行走，砖块姿态调整机构实现了砖块排列方向的转化，较好地防止了砖垛倒塌；采用双夹钳同时工作，提高了生产效率，无污染，无噪音，节能环保。经多家制砖企业试验，该行走式码砖机器人每分钟码砖100块以上，每天码砖6万块左右，可为每台砖机节省码砖工3～4人，改变了原来制砖企业人工码砖的局面，降低了劳动力成本，提高了制砖企业的生产效率。因此，该码砖机器人特别适合应用于大中型制砖企业的码砖工序，具有很好的应用价值。

[1]董晶,姜永增,郭艳宏.一种全自动化肥包装码垛机码垛控制单元的设计[J].农机化研究,2014.36(3):98-101.

[2]王莉,李艳贞,牛群峰,等.一种基于无线通讯的桥式码垛机监控系统设计[J].制造业自动化,2014.36(5):93-96.

[3]周林,郑晟,寇晓颖.基于PLC和组态王的酚酞合成监控系统[J].制造业自动化,2013.35(3):28-30.

[4]刘二林,柳彦虎,姜香菊.基于LabVIEW的无线多点实时环境监控系统的设计[J].制造业自动化,2015.37(3):141-144.

Design of walking stack brick robot and wireless remote diagnosis system

SHI Jin-shui

针对目前免烧砖在养护完成后，需要人工码垛的生产现状，设计开发出了一种行走式码砖机器人。主要设计了自动上料、夹砖及吊装、双夹钳行走、砖块姿态调整、整机行走等机械机构，PLC与HMI组成的电气控制系统及码砖机器人的工作流程。基于COMWAY WG8010 DTU与Kingview6.55设计的无线远程故障诊断系统可实时监控码砖机器人的工作状态，为设备的远程维护和检修提供了方便。在多家制砖企业的现场试验表明，该设备采用的双夹钳设计大大提高了码砖机器人的工作效率，为企业降低了劳动力成本，增加了效益。

行走式机器人；码砖；PLC；远程诊断

石进水（1981 -），男，山东高青人，讲师，工学硕士，主要从事自动化系统设计，计算机控制与仿真方面的研究。

TH69

B

1009-0134(2015)07(下)-0012-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.07(下).04

2015-03-22

潍坊市2012年科学技术发展计划重点项目（20121384）