家电压缩机智能开箱设备及其工艺研究*

王玉琳，刘 冀

(合肥工业大学 机械工程学院，合肥 230009)

0 引言

冰箱与空调器的压缩机箱体通常由Q235钢板拉伸、拼焊而成，壁厚在3～4mm之间[1]。空调压缩机形状以圆柱形为主，冰箱的压缩机形状相对复杂，截面形状主要包括圆形、椭圆形以及带圆角的矩形等[2]。目前，国内外普遍采用低温破碎、常温挤压、砂轮片切割、等离子弧切割、火焰切割、车床车削、仿形铣削、自学习切割等方法[3-7]进行开箱，切口质量差、劳动强度大、效率低、成本高，且无法满足不同形状压缩机箱体的要求。

为了弥补现有技术的不足，本文设计了一种能自动适应各种压缩机箱体形状的智能化开箱设备，既提高了压缩机的开箱拆解效率，又能够保证压缩机内部零件的完好无损。

1 开箱设备的结构特点

图1为笔者所研发的家电压缩机智能开箱设备结构示意图。其结构特点如下：

(1)待拆解的压缩机1呈竖直状态由自动夹紧装置2固定装夹在工作台3的顶面；工作台3分层设置，其上层是由回转层伺服电机4控制旋转的回转层31，伺服电机4通过蜗杆-蜗轮副带动回转层31转动；下层是由平移层伺服电机5控制沿水平导轨6左右移动的平移层32，伺服电机5通过滚珠丝杠-螺母副带动平移层32产生移动。

(2)垂向滑台9由伺服电机8通过滚珠丝杠-螺母副进行驱动；在滑台9的左侧固定设置铣刀电机10、铣刀杆11以及锯片铣刀12；其中铣刀电机10通过铣刀杆11驱动锯片铣刀12转动；在垂向滑台9的底部设置激光测距传感器与CCD视觉相机13；激光测距传感器与CCD视觉相机13位于锯片铣刀12的右侧，且在高度方向稍低于锯片铣刀12。

(3)设置测控系统14，控制回转层伺服电机4、平移层伺服电机5和垂向伺服电机8的转动，并能对铣刀电机10进行变速控制，还能接收激光测距传感器与CCD视觉相机13的反馈信息。

1.压缩机 2.自动夹紧装置 3.工作台 31.回转层 32.平移层 4.回转层伺服电机 5.平移层伺服电机 6.水平导轨 7.机座 8.垂向伺服电机 9.垂向滑台 10.铣刀电机 11.铣刀杆 12.锯片铣刀 13.激光测距传感器与CCD视觉相机 14.测控系统图1 家电压缩机智能开箱设备结构示意图

2 开箱设备的拆解工艺

笔者所研发的家电压缩机智能开箱设备拆解工艺如下：

(1)在图1中，当待拆解压缩机1就位夹紧后，开启CCD视觉相机13，控制垂向滑台9下移；测控系统14根据CCD视觉相机采集图像，直至采集到压缩机箱体的焊接环缝时，滑台9停止移动，关闭CCD视觉相机。

(2)启动铣刀电机10，开启激光测距传感器13，测控系统14测量锯片铣刀12左侧外缘与压缩机箱体之间的距离，并通过平移层伺服电机5控制压缩机逐渐靠近锯片铣刀，待径向切入指定深度后，测控系统14自动记录此时激光测距传感器与压缩机箱体之间的距离L0。

(3)开启回转层伺服电机4，压缩机开始旋转，周向切割开始，测控系统14根据激光测距传感器13反馈的位移，控制平移层伺服电机5不断修正压缩机箱体与激光测距传感器之间的距离，使之保持恒定值L0。

(4)当压缩机旋转360°时，锯片铣刀保持恒定切深已经切割一周，压缩机上、下箱体彻底脱开，关闭激光测距传感器13。

(5)测控系统14控制平移层32和垂向滑台9先后自动回到原位，夹具松开，取下压缩机，开箱结束。

上述所有动作均由测控系统14自动控制，操作者将压缩机就位后，只需按一下“启动”按钮，测控系统14随即自动完成开箱流程，真正实现了压缩机箱体的智能化、自动化拆解。

3 开箱设备的智能实现

(1)压缩机自动装夹

切割之前压缩机的装夹直接影响拆解的效率，为了适应不同截面形状的压缩机(包括圆形、椭圆形和带圆角的矩形等)，需要设计一种通用型浮动夹紧机构，以实现压缩机箱体的快速夹紧与快速松开。

(2)刀具自动搜索压缩机高度方向切入位置

面对形状迥异的各种压缩机，采用图像智能识别技术判定环形焊缝在压缩机高度方向的位置，控制切割刀具自动寻找切入点。

(3)压缩机箱体形状智能识别与刀具跟踪

针对形状各异的待拆解压缩机，采用高精度的激光测距传感器在压缩机的周长方向跟踪压缩机箱体的环形焊缝。激光测距传感器与切割刀具同步安装，测控系统根据激光测距传感器反馈的位移，控制压缩机边旋转、边移动、边切割，自动调节刀具的切深，从而实现跟踪切割，真正做到“即测即割”，保证切深恒定，不会损伤压缩机内部零件。

(4)压缩机运动的智能控制

协调控制压缩机的回转运动与直线平移运动，根据激光测距传感器测得的压缩机箱体与激光传感器之间的距离，控制压缩机的直线运动，同时使压缩机能够平稳回转，在圆周方向上绕刀具转一周。

4 开箱设备的测控系统

4.1 测控系统组成

如图2所示，测控系统基于Dallas公司的高速微处理器DS80C320，扩展了一片 W27C512芯片作为EPROM，储存测控系统底层程序；扩展了一片HM6264作为SRAM芯片，存储用户设定的参数以及系统实时监测的数据；扩展了一片可编程接口8255芯片，用以完成测控系统相关信号的输入与输出[8]；扩展一片8位D/A转换芯片DAC0832用于控制铣刀电机的变频器；激光测距传感器的信号是通过12位A/D转换器AD1674芯片进行采集的；人-机接口芯片借助于8279芯片和2051单片机。

4.2 位置传感器选择

(1)压缩机箱体环形焊缝识别

压缩机箱体环形焊缝的识别选用IMI- technology公司的IMx-4050FT 型CCD视觉相机。事先对CCD相机进行参数标定[9-11]，将环形焊缝图像预存在CCD相机中，当相机开启后，把采样拍摄的图片与预存的焊缝图片进行比对，只有遇到极为相似的焊缝时CCD视觉相机才会输出一个有效的信号给测控系统，从而完成开箱过程的对刀工作。

(2)压缩机箱体环形焊缝跟踪

选用BANNER公司生产的LE250型激光测距传感器实时检测激光头与压缩机箱体焊缝之间的距离。LE250型激光测距传感器的有效测量行程为100～400mm，对应输出0～10V的直流电压，模拟电压采集选用AD公司的12位逐次比较型A/D转换器AD1674，最终检测分辨力可达0.07mm/LSB。

图2 家电压缩机智能开箱设备测控系统方框图

5 结束语

本文所述的压缩机智能开箱设备及其开箱工艺已获得国家发明专利授权[12]，该设备样机已经投入试运行。来自压缩机拆解回收示范线的结果表明：

(1)借助激光测距传感器测量刀具与压缩机箱体之间的距离，使刀具自动跟踪压缩机圆周方向的箱体形状，可实现各种形式家电压缩机的智能化、自动化拆解，并可保证切深恒定，确保内部零件完好无损，切口光洁平整，修理后易于焊接。

(2)采用图像智能识别技术搜索压缩机环形焊缝在高度方向所处位置，并自动控制刀具寻找切入点，可适应不同高度的压缩机，节省了手动对刀时间，提高了拆解效率。

(3)基于高性/价比的8位微处理器DS80C320设计开箱设备的测控系统，在保证可用性、可靠性的前提下，大大节约了研发成本。

该设备的研制为废弃家电制冷压缩机的大规模、高效率、自动化拆解回收提供了借鉴，具有一定的经济效益、社会效益和环境效益。