基于PLC 的环卫垃圾车上料机械手液压控制系统的设计*

2022-08-03王守城易炳辉

舰船电子工程 2022年6期

张鑫王守城易炳辉

（青岛科技大学机电工程学院青岛 266061）

1 引言

随着各种生活垃圾的增多，环卫垃圾车作为一种垃圾集中收集处理的专用车辆，被广泛应用在城市、街道、乡村的环卫工作中。环卫垃圾车需要通过上料机构，将放置在垃圾桶中的各种垃圾收集到车载垃圾储存箱中，直接进行垃圾压缩或运回垃圾处理站进行处理。对现有的上料机构进行改进，设计一种机电液一体化的机械手，整体安装在环卫垃圾车上，采用PLC作为控制器，以液压为驱动方式，包括推出机构、抓取机构、提升翻转机构、开合箱盖机构，更方便、更高效地实现垃圾的收集入车。

2 环卫垃圾车上料机械手整体结构及工作原理

上料机械手搭载在环卫垃圾车上，由推出机构、抓取机构、提升翻转机构、开合箱盖机构组成，共同完成垃圾桶垃圾的收集。

推出动作由安装在滑轨支架后方的液压缸驱动，滑轨支架上端两侧安装有滚轮，使其能够沿着车身上的轨道上下滑动。液压缸活塞伸出，使滑轨支架推出，同时带动滑轨支架沿着轨道下移，实现滑轨支架的前伸，更加接近垃圾桶的位置，便于下一步的抓取动作。轨道和液压缸共同承载滑轨支架，稳定支撑，动作更加平稳。

抓取机构构成的部分有基座、驱动液压缸、抓取手爪，抓取手爪有两只，安装的位置是在基座上，抓取手爪内表面装有摩擦垫片，以增大摩擦力，并且防止抓取手爪过度磨损垃圾桶。当需要抓取垃圾桶时，液压缸驱动两侧的抓取手爪转动，合并在一起，完成抓取垃圾桶的动作。

提升翻转机构包括滑轨支架、传动链条、液压马达等构成，当抓取手爪完成抓取垃圾桶后，车厢盖也随之打开，为垃圾桶倾倒垃圾做好准备。液压马达开始转动，带动安装在滑轨支架上的链条传动，使基座能够沿着滑轨支架中间的轨道移动，使抓取手爪随链传动而上下移动。当基座和抓取手爪进入滑轨支架顶端的弧形轨道内，垃圾桶开始向内倾斜，通过行程开关来确定垃圾桶的倾斜角度，倾斜角度为150°～170°。当基座和机械手爪转过170°时，触发行程开关，液压马达卸荷停止转动，待垃圾桶内的垃圾全部倾倒入车后，液压马达开始反向转动，带动基座和抓取手爪向下移动，将垃圾桶送回地面。

开合箱盖机构包括箱盖、滑板、举升液压缸等，箱盖与滑板通过转轴相连，滑板底端两侧安装有滑轮。在抓取手爪完成抓取动作之后，举升液压缸将车箱盖向上提升，带动滑板沿着倒料斜切口处两侧的轨道向上滑行，倒料口被完全打开［1］。

图1 环卫垃圾车上料机械手动作流程图

具体动作流程图如图1 所示，驾驶员驾驶垃圾车，通过位移传感器检测车体与垃圾桶的距离，侧向接近垃圾桶的合适位置停下。推出液压缸启动，将滑轨支架向前推出，同时滑轨支架向下移动，抓取手爪将垃圾桶抓住，车箱盖打开，液压马达驱动链条转动，将抓取手爪提升、翻转，垃圾桶倾倒垃圾，倾倒完毕后，液压马达反转，将抓取手爪向下移动至垃圾桶底接触地面，机械手爪松开，车箱盖关闭，垃圾桶放回原地，推出缸缩回，将滑轨支架放回［2］。

2 环卫垃圾车上料机械手液压系统工作原理

上料机械手液压系统主要包括四个部分，分别为推出机构液压回路、抓取机构液压回路、开合箱盖机构液压回路、提升翻转机构液压回路，整部分液压系统由一套液压泵源供油，以液压作为动力传输，驱动各个机构的运动，整体液压系统原理图如图2所示。

图2 环卫垃圾车上料机械手液压系统原理图

推出机构回路：推出机构负载平稳，在回路中串联节流阀，通过节流阀调节液压缸运动的速度。具体工作原理为：当1YA 得到电时，三位四通电磁换向阀6 左位接通，压力油从泵口流出，经过换向阀6 的左位、节流阀7，最后流入推出液压缸8 的无杆腔，有杆腔油压小于无杆腔油压，推出缸的活塞杆因此伸出，活塞运动速度可以由节流阀进行调节，推出液压缸将滑轨支架完全推出；然后1YA 失电，换向阀7 处于中位，滑轨支架始终处于被推出的状态；当垃圾倾倒完成，垃圾桶重新放回原地时，2YA 得电，换向阀右位接通，油液经过换向阀右位进入推出液压缸8 的有杆腔，活塞杆缩回，回油路中，油液经过节流阀流回油箱，滑轨支架平稳收回［3］。

提升翻转机构回路：以液压马达的旋转带动链条的转动，进而将抓取手爪提升，由于液压马达的功率较大，当系统停止供油时，在自身和负载的惯性作用下，仍然会继续转动，所以在回路中用制动器来对液压马达进行制动。具体工作原理为：抓取手爪完成抓取垃圾桶后，3YA 和5YA 同时得电，液压油经过二位二通换向阀5，一部分通过单向节流阀13 进入制动液压缸12，另一部分通过三位四通电磁换向阀左位、平衡阀10，进入液压马达11 左腔。因为制动回路是有节流阀，因此液压油将会先进入液压马达，这使得液压马达产生一定的转矩，从而防止负载带着马达转动，待制动液压缸压力大于弹簧调定压力后，再解除制动，液压马达启动、开始正转，将抓取手爪提升起来；当抓取手爪触翻转触发导轨终点行程开关时，3YA 和5YA 失电，三位四通电磁换向阀处于中位，制动液压缸油液马上流回油箱，弹簧复位，迅速使液压马达制动，延时数秒，待垃圾桶内垃圾完全倾倒后［4］，4YA 和5YA 得电，液压油先经过三位四通电磁换向阀右位进入液压马达右腔，产生一定转矩后，制动液压缸顶开弹簧，解除制动，液压马达开始反转，将抓取手爪送回地面，进油压力大于回油压力，回油路上的顺序阀被打开，油液流回油箱；触发起点行程开关时，4YA和5YA 失电，制动液压缸迅速制动，液压马达停止转动。

“新政”是经济危机的结果，它对国民经济的干预扩大了政府的权力与责任，但覆盖范围仍不够广，它的受益者主要是中产阶级、农民和那些有组织的具有优势的城市工薪阶层中的白人，黑人、印第安人的遭遇仍然很悲惨，他们深受种族歧视、失业、贫困的折磨。

抓取机构回路：抓取手爪是两个液压缸一起驱动，因此液压缸的同步性需要考虑，在回路中增设分流集流阀，以此保证两个液压缸进出油的同步，活塞杆缩回的时候，发挥集流的作用，活塞杆伸出的时侯，发挥分流的作用，在负载不均的情况下，仍然可以时两个液压缸分的相同的流量。抓取手爪在抓取垃圾桶时保持抓紧状态，会存在压力降低导致夹紧力变小的情况，因此需要进行补油保压，采用液控单向阀与电接触式压力表的保压回路［5］。具体工作原理为：当导轨支架推出后，抓取手爪接近垃圾桶，7YA 得电，三位四通电磁换向阀14 右位接通，油液经过换向阀液控单向阀15、分流集流阀16，然后分别进入抓取液压缸18和19的无杆腔，活塞杆将会伸出，活塞杆伸出使得抓取手爪开始合并，完成抓取，当压力提升到电接触式压力表17 上限时，7YA 将会失电，三位四通电磁换向阀将会处于中位，液压泵会卸荷，系统保压，当压力下降到电接触式压力表17 下限时，7YA 再次得电，进行补油，压力回升。当垃圾桶重新放回后，6YA得电，三位四通电磁换向阀此时处于左位，液压油进入抓取液压缸有杆腔，回油路上的液控单向阀将被反向顶开，油液流回油箱［6］。

开合箱盖回路：在抓取手爪完成抓取的时，8YA 得电，三位四通电磁换向阀20 处于左位，油液经过节流阀21 进入开合液压缸22 的无杆腔［7］，活塞杆伸出，箱盖被打开，然后8YA失电，换向阀处于中位，箱盖保持打开状态；当抓取手爪松开后，9YA得电，换向阀将处于右位，油液会进入液压缸有杆腔，活塞杆缩回，油液经过节流阀流回油箱［8］，箱盖关闭。

根据各部分液压回路原理和各个机构的动作，可以得到环卫垃圾车上料机械手液压系统的电磁铁动作逻辑表，如表1 所示，“-”表示电磁铁失电，表中”+”表示电磁铁得电。

表1 电磁铁动作逻辑表

3 环卫垃圾车上料机械手控制系统设计

以PLC（可编程逻辑控制器）作为系统的控制单元，接收传感器的反馈信息，输出指令来控制液压泵驱动电机和电磁阀中的电磁铁的得电与失电，实现对液压系统油液的控制，进而实现各个机构的顺序动作［9］。在设计控制系统之前，需要明确被控的对象，分析各个动作的逻辑关系，根据总体设计需求，来选择PLC的基本单元和输入输出接口的分配，然后设计硬件的电气线路连接图，再编写具体的PLC 程序，并进行模拟和调试，直至结果满足设计要求。

3.1 控制系统动作流程

设计完整的垃圾车上料机械手的动作流程图，有助于后续的I∕O口的分配和软件程序的编写。垃圾车上料机械手的工作模式是顺序工作［10］，在工作之前和工作完之后，上料机械手将都会处在原始位置，详细的动作流程如图3所示。

图3 整体动作流程图

1）各个机构均处于初始状态，等待操作信号发出；

3）推出缸伸出，滑轨支架被向前推出、并沿着导轨向下滑动，当到达限位开关1 时，停止，到达抓取的合适位置［11］；

4）抓取缸伸出，抓取手爪开始合并，直至限位开关2，抓紧垃圾桶，停止，同时箱盖缸伸出，车箱盖被打开，当触碰到限位开关3时，停止；

5）液压马达开始正转，将抓取手爪提升起来至滑轨支架的上极限4，制动缸压下，开始制动，液压马达停止转动，定时器开始计时，5s 后，制动缸退回，液压马达反转，将抓取手爪下降，当触碰到滑轨支架的下极限5 时，垃圾桶到达地面，制动缸压下，液压马达停止转动［12］；

6）抓取缸缩回，抓取手爪松开垃圾桶，当触碰限位开关6 时，停止，抓取手爪收回，同时箱盖缸缩回，箱盖下落，触碰到限位开关7 时，停止，箱盖完全关闭；

7）推出缸缩回，滑轨支架向后回动、并沿着导轨向上滑动，当触碰到限位开关8 时，停止，滑轨支架完全收回［13］；

8）液压泵驱动电机停止。

3.2 PLC的地址分布和端子接线图

根据动作流程图的要求，选用西门子S7-200系列PLC，系统需要输入接口20 个［14］，其中包括：电动机的启停、推出缸的伸出与缩回、抓取缸的伸出与缩回、液压马达的正反转、制动缸的压下与退回、箱盖缸的伸出与缩回；垃圾桶倾倒延时；滑轨支架推出和收回的限位、抓取手爪抓住和收回的限位、滑轨支架的上下极限、箱盖的上下极限。需要输出量9 个，其中包括：液压泵驱动电机启动、滑轨支架的推出与收回、抓取手爪抓住垃圾桶与松开垃圾桶、抓取手爪将垃圾桶举到料口和降到地面、箱盖的打开与关闭。另外需要一个定时器，用于垃圾桶倾举升到极限位置倾倒的延时［15］。输入输出接口均与CPU 相连，系统的电气接线路如图4所示。