翻堆機(jī)與布料機(jī)是有機(jī)肥生產(chǎn)成套設(shè)備中的核心設(shè)備，兩者在發(fā)酵槽中同時(shí)運(yùn)行，工作區(qū)域存在干涉，因此翻堆機(jī)與布料機(jī)防撞是十分必要的。本文提出一種基于光柵和超聲波傳感器的翻堆機(jī)布料機(jī)防撞系統(tǒng)，通過與當(dāng)今工業(yè)應(yīng)用中幾種主流的非接觸式傳感器系統(tǒng)進(jìn)行比較，闡述光柵與超聲波傳感器的優(yōu)勢，為設(shè)計(jì)者處理機(jī)械工作干涉和設(shè)計(jì)機(jī)械防撞系統(tǒng)提供一定參考。
0 引言
目前，我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械化正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期。在有機(jī)肥行業(yè)，有機(jī)肥廠依靠整套有機(jī)肥生產(chǎn)設(shè)備流水線進(jìn)行半自動(dòng)化生產(chǎn)，既減輕了人力勞動(dòng)，促進(jìn)了生產(chǎn)效率的提升，又改善了整體作業(yè)環(huán)境。然而，要保證半自動(dòng)作業(yè)過程的高效與安全，就涉及到作業(yè)設(shè)備之間相互配合的問題。而對于有機(jī)肥生產(chǎn)的核心設(shè)備——翻堆機(jī)與布料機(jī)，兩者在發(fā)酵槽中同時(shí)運(yùn)行，工作區(qū)域存在交集——翻堆機(jī)需要進(jìn)入布料機(jī)布料區(qū)域進(jìn)行翻堆，若因操作不慎發(fā)生碰撞，就會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至對工作人員安全造成威脅。
本文基于以上考慮，針對有機(jī)肥生產(chǎn)線中的翻堆機(jī)與布料機(jī)，提出一套基于光柵與超聲波傳感器的防撞系統(tǒng)方案，通過與現(xiàn)今工業(yè)應(yīng)用中主流的幾種非接觸式傳感器進(jìn)行比較，闡述光柵與超聲波傳感器在工業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢，為設(shè)計(jì)者處理機(jī)械工作干涉和設(shè)計(jì)農(nóng)機(jī)防撞系統(tǒng)提供一定的參考。
1 翻堆機(jī)與布料機(jī)
1.1 翻堆機(jī)
翻堆機(jī)是生產(chǎn)有機(jī)肥專用成套設(shè)備中最核心的設(shè)備，主要由行走機(jī)構(gòu)與翻堆機(jī)構(gòu)組成：行走機(jī)構(gòu)一般采用電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu) （如鏈輪） 驅(qū)動(dòng)行走輪，使翻堆機(jī)整機(jī)能夠在發(fā)酵槽上前進(jìn)、后退；而翻堆機(jī)構(gòu)則通過轉(zhuǎn)子與刀片或刮板配合，構(gòu)成翻堆滾筒或者輸送鏈板，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵槽內(nèi)物料的翻拌、蓬松以及移堆，使堆肥原料與氧氣充分接觸，保證好氧發(fā)酵順利進(jìn)行，并通過發(fā)酵熱量蒸發(fā)部分水分，最終使物料達(dá)到無害化、資源化處理的要求。圖 1 所示為廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所資環(huán)中心自主研發(fā)的鏈板式翻堆機(jī)。
圖 1 鏈板式翻堆機(jī)
圖 2 所示的是鏈板式翻堆機(jī)在發(fā)酵槽中的基本工作狀態(tài)，高速行走狀態(tài)下輸送鏈板升起，翻堆機(jī)在槽上高速移動(dòng)；翻堆狀態(tài)下輸送鏈板下降，同時(shí)慢速行走實(shí)現(xiàn)物料翻堆。
1.2 布料機(jī)
布料機(jī)是現(xiàn)代有機(jī)肥生產(chǎn)線中的進(jìn)料設(shè)備，取代傳統(tǒng)的鏟車，對發(fā)酵槽進(jìn)行布料工作。如圖 3 所示，布料機(jī)外機(jī)架安裝在發(fā)酵槽上，沿著發(fā)酵槽軌道縱向前后運(yùn)行，皮帶機(jī)架則安裝在外機(jī)架內(nèi)側(cè)軌道上，相對于槽橫向左右運(yùn)行，而皮帶機(jī)架上的布料皮帶能夠正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使皮帶機(jī)的兩端均能落料，通過三者配合，能夠?qū)崿F(xiàn)布料機(jī)在 X，Y 兩個(gè)方向上的矩形區(qū)域內(nèi)均勻布料。
圖 3 布料機(jī)
1.3 布料機(jī)與翻堆機(jī)的配合
在有機(jī)肥廠中，為了提高生產(chǎn)效率，經(jīng)常將翻堆機(jī)與布料機(jī)同時(shí)開啟，相互配合，即在布料后，翻堆機(jī)立即對已布物料進(jìn)行翻堆操作，翻堆機(jī)和布料機(jī)之間近距離接觸，如圖 5 所示。但是，由于翻堆機(jī)與布料機(jī)的移動(dòng)速度有所差別，2 套設(shè)備又分別由不同的操作人員控制，因此當(dāng)翻堆機(jī)進(jìn)入到布料區(qū)域工作時(shí)，少量前移就有可能導(dǎo)致碰撞。而且翻堆機(jī)與布料機(jī)工作現(xiàn)場粉塵多，噪音較大，環(huán)境惡劣，操作人員的判斷容易受到影響，在人員誤操作下，甚至?xí)䦟?dǎo)致布料機(jī)脫軌故障及人員傷亡等嚴(yán)重事故。因此，研制可靠的防撞系統(tǒng)，對有機(jī)肥生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行，有著重要的意義。
圖 5 翻堆機(jī)布料機(jī)配合工作
基于以上考慮，目前部分生產(chǎn)廠家在翻堆機(jī)與布料機(jī)上加裝接觸式行程開關(guān)，通過機(jī)械接觸驅(qū)動(dòng)開關(guān)的彈簧或連桿機(jī)構(gòu)，引起電路閉合接點(diǎn)的分?jǐn)�，使翻堆機(jī)與布料機(jī)分別停機(jī)。然而，接觸式的行程開關(guān)存在響應(yīng)速度低、精度差、壽命短等缺點(diǎn)，這使得在翻堆機(jī)與布料機(jī)的防撞應(yīng)用中，2 機(jī)同時(shí)停止要同時(shí)觸發(fā) 2 個(gè)行程開關(guān)，需通過一定機(jī)械配合才能實(shí)現(xiàn)，工藝上不夠簡單；再加上機(jī)械慣性等因素，行程開關(guān)可能會(huì)被過度壓縮，引起剛性碰撞，使元件失效。可見，此類設(shè)備的防撞從非接觸式元件的角度進(jìn)行考慮更為合理。
2 傳感器
2.1 光柵傳感器
2.1.1 光柵傳感器的原理
由大量等寬等間距的平行光束構(gòu)成的光學(xué)現(xiàn)象稱為光柵，也稱為光幕。光柵傳感器就是利用光沿直線傳播這一特性，在光幕的起點(diǎn)與終點(diǎn)分別設(shè)計(jì)發(fā)射端與接收端。如圖 6 所示為德國西克公司的光柵傳感器實(shí)物圖。
圖 6 光柵傳感器實(shí)物圖
光柵傳感器工作時(shí)，由發(fā)射端的若干個(gè)直線陣列的發(fā)射端點(diǎn)持續(xù)發(fā)射一組平行等間距的紅外光束，沿直線傳播到達(dá)接收端，在發(fā)射端與接收端之間形成一道光柵。接收端有若干個(gè)直線陣列的接收點(diǎn)，對應(yīng)發(fā)射端每一個(gè)發(fā)射點(diǎn)，用以檢測發(fā)射點(diǎn)射出的光束是否到達(dá)接收端，或者說到達(dá)接收點(diǎn)的光量是否達(dá)到某一閥值。如圖 7 所示，當(dāng)有物體通過光柵時(shí)，物體可能遮擋紅外光束、使紅外光束減弱或是使紅外光束產(chǎn)生折射，從而使接收端接收的光量無法達(dá)到預(yù)設(shè)的閥值。在所有接收點(diǎn)經(jīng)歷了一個(gè)周期的掃描后，光柵傳感器就能知道哪些光路上有物體，以此為依據(jù)經(jīng)過其內(nèi)部運(yùn)算規(guī)則，光柵傳感器即可產(chǎn)生輸出信號，該信號可以為模擬量、開關(guān)量以及RS485 通訊信號等，給使用者提供控制依據(jù)[1]。
2.1.2 光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)
光柵傳感器可以看作是普通光電開關(guān)的一個(gè)系統(tǒng)陣列，相較于單束光路的光電開關(guān)，光柵傳感器通過多個(gè)接收點(diǎn)宏觀上同時(shí)判斷光量，解決了單束光路容易受外界光源照射及光路上異物遮蔽而產(chǎn)生誤信號的缺點(diǎn)。同時(shí)，光柵傳感器檢測區(qū)域?yàn)橐粋�(gè)平面，相比檢測區(qū)域?yàn)閱螚l直線的光電開關(guān)，避免了因被測物形狀差異或者被測物運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的漏檢問題。
2.1.3 光柵傳感器的分類
根據(jù)光柵傳感器信號的輸出及處理方式，目前工業(yè)上最主流的應(yīng)用分為測量光柵和安全光柵兩種。測量光柵能夠根據(jù)被遮蔽光束的多少，以及被測物通過的時(shí)間，經(jīng)過程序運(yùn)算，計(jì)算出被測物體在光柵截面上的投影尺寸。而安全光柵則是根據(jù)光束是否被遮蔽，判斷是否有物體侵入了光柵區(qū)域，從而作出停機(jī)判斷，以保護(hù)侵入物體或者被侵入?yún)^(qū)域內(nèi)物體的安全。本文設(shè)計(jì)的布料機(jī)與翻堆機(jī)防撞系統(tǒng)則是使用了安全光柵。
2.2 超聲波傳感器
2.2.1 超聲波傳感器的原理
超聲波是指頻率高于 20 000 Hz 的機(jī)械波，其傳遞原理與光波類似。而超聲波傳感器則是以超聲波為檢測手段，傳感器發(fā)射端通過逆壓電效應(yīng)，對晶體管施加交變電場，使晶體管產(chǎn)生形變，引起震動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生超聲波向外傳遞。超聲波在接觸到物體后，通過物體的反射特性，反射回到探頭，探頭在接收到超聲波時(shí)會(huì)產(chǎn)生超聲振動(dòng)，并將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號，從而“感知”到被測物。圖 8 為德國西克公司的超聲波傳感器實(shí)物圖。
超聲波傳感器進(jìn)行測距，采用的是 TOF （time of flight），即渡越時(shí)間原理[2]，如圖 9 所示，傳感器內(nèi)部處理器會(huì)記錄記錄超聲波傳感器發(fā)射超聲波（t1） 與接收超聲波 （t2） 兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的渡越時(shí)間Δt，渡越時(shí)間乘上超聲波的傳播速度 c，即可得到超聲波傳播的總距離，即兩倍的測量距離值 2D。則超聲波傳感器到被測物距離 D 為：
而超聲波在空氣中的傳播速度受環(huán)境溫度 T 影響，其計(jì)算公式為：
2.2.2 超聲波傳感器與接近開關(guān)應(yīng)用比較
在工業(yè)非接觸式檢測領(lǐng)域，電感式接近開關(guān)因?yàn)閮r(jià)格優(yōu)勢，比起超聲波傳感器，應(yīng)用更為廣泛。接近開關(guān)通過其前端的振蕩器產(chǎn)生一個(gè)交變磁場，當(dāng)有金屬物體進(jìn)入交變磁場內(nèi)時(shí)，磁場會(huì)在金屬物體內(nèi)產(chǎn)生波流，從而導(dǎo)致震蕩衰減，震蕩的變化被接近開關(guān)后級的放大電路處理后轉(zhuǎn)換為開關(guān)量信號
輸出，并以此為依據(jù)控制設(shè)備啟停。然而作為一款到位檢測的產(chǎn)品，接近開關(guān)通常檢測距離為 8～30mm，為保證傳感器有足夠的反應(yīng)時(shí)間，設(shè)備有足夠的制動(dòng)距離，使設(shè)備停定之前接近開關(guān)不與被測物碰撞，檢測探頭不能垂直于被測物，而是應(yīng)該采取被測物平行于探頭端面的形式，比如在被測物體上加裝懸臂，如圖 10 所示。
圖 9 超聲波傳感器測距原理
然而，在翻堆機(jī)布料機(jī)防撞的案例中，由于布料機(jī)通常橫跨 5～10 條發(fā)酵槽，而每 1 條槽上都可能有翻堆機(jī)在運(yùn)行。因此，若在翻堆機(jī)上安裝接近開關(guān)檢測布料機(jī)，為準(zhǔn)確檢測，布料機(jī)機(jī)身在對應(yīng)每一條槽的相同位置均需要加裝一懸臂供接近開關(guān)檢測；同理，若在布料機(jī)上安裝接近開關(guān)檢測布料機(jī)，情況則變得更加復(fù)雜，不僅需要在翻堆機(jī)上加裝懸臂供檢測，并且布料機(jī)機(jī)身對應(yīng)每一條槽的相同位置均需安裝接近開關(guān)。在這樣設(shè)計(jì)下，不僅安裝麻煩，需要逐條發(fā)酵槽校正，并且每一條懸臂在發(fā)酵槽腐蝕環(huán)境下都有可能脫焊或者生銹，使得接近開關(guān)無法正常檢測，防撞系統(tǒng)整體的可靠性也大大降低。
與接近開關(guān)相比，超聲波傳感器對檢測距離限制更小，安裝在翻堆機(jī)上可直接檢測布料機(jī)機(jī)架本身，不需加裝懸臂。并且超聲波傳感器的被測物可以是任意物體，不局限于檢測金屬，當(dāng)被測物生銹時(shí)不會(huì)影響檢測結(jié)果，在其他非金屬設(shè)備檢測領(lǐng)域也有更好的兼容性。
3 防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于上述理論，設(shè)計(jì)防撞系統(tǒng)如下。
3.1 布料機(jī)端防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在布料機(jī)的左側(cè)和右側(cè)向前方向，順著軌導(dǎo)位置，安裝一條 50 cm 的伸長臂，在左側(cè)伸長臂上安裝安全光柵的發(fā)射端，同時(shí)在右側(cè)伸長臂上安裝安全光柵的接收端，在布料機(jī)工作區(qū)域內(nèi)形成光柵。
若發(fā)射端與接收端直接對射距離過長 （通常一組光柵最大檢測距離為 19 m），或者在發(fā)射端與接收端之間可能存在不可移動(dòng)的遮擋物，則安裝時(shí)可以不直接覆蓋所有發(fā)酵槽與過道，而是將每兩過道間的數(shù)條發(fā)酵槽作為一組，分別設(shè)計(jì)安裝，建立多組安全光柵，如圖 12 所示。當(dāng)安全光柵光路有物體遮擋時(shí)，即觸發(fā)斷開布料機(jī)的控制電源，從而急停布料機(jī)，達(dá)到防撞功能。
3.2 翻堆機(jī)端防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)
翻堆機(jī)端防撞系統(tǒng)在翻堆機(jī)向布料機(jī)方向，中間位置安裝一超聲波測距傳感器，并使超聲波探頭對準(zhǔn)布料機(jī)機(jī)架，確保超聲波能夠可靠地反射。并根據(jù)超聲波傳感器反饋的距離信息，設(shè)計(jì) PLC 程序，對翻堆機(jī)進(jìn)行控制[3]，參考邏輯為：①當(dāng)超聲波傳感器檢測到翻堆機(jī)運(yùn)行方向上大于安全制動(dòng)距離
范圍內(nèi)無布料機(jī)時(shí)，可控制翻堆機(jī)高速行走正常工作；②當(dāng)超聲波傳感器感應(yīng)到前方布料機(jī)越來越近，到達(dá)預(yù)設(shè)的減速距離時(shí)，程序?qū)⒎褭C(jī)高速前進(jìn)功能鎖死，只能低速前進(jìn)或高低速后退；③當(dāng)超聲波傳感器感應(yīng)到前方布料機(jī)與翻堆機(jī)距離達(dá)到某一安全剎車距離時(shí)，則將翻堆機(jī)急停，在此距離內(nèi)，程序鎖死翻堆機(jī)的前移功能，操作人員只能操作翻堆機(jī)原地翻堆或后退；④當(dāng)檢測到超聲波傳感器故障時(shí)，立即停機(jī)。如圖 13 所示，為翻堆機(jī)防撞設(shè)計(jì)方案。
4 結(jié)語
設(shè)備防撞是一個(gè)復(fù)雜的課題，針對不同設(shè)備，不同工作環(huán)境 （溫度，酸堿，光照，電磁干擾，機(jī)械振動(dòng)等） 以及不同的使用者理念，會(huì)有不同的防撞設(shè)計(jì)；設(shè)備防撞也是一門綜合性強(qiáng)的課題，一個(gè)合理的防撞設(shè)計(jì)要考慮機(jī)械的運(yùn)動(dòng)，電氣系統(tǒng)的走線，傳感器的安裝以及程序的編寫，需要不同領(lǐng)域的工程師配合完成；同時(shí)，在設(shè)備自動(dòng)化高速發(fā)展的今天，為保證自動(dòng)化生產(chǎn)線的高效、安全運(yùn)作，設(shè)備防撞又是一個(gè)必不可少的課題。
本文簡單介紹了有機(jī)肥生產(chǎn)線中翻堆機(jī)與布料機(jī)的工作模式，重點(diǎn)分析了光柵和超聲波傳感器這兩套技術(shù)較為成熟的傳感器的原理與檢測特點(diǎn)，并通過與市場上應(yīng)用較廣的傳感器進(jìn)行比較，闡述了光柵與超聲波技術(shù)在設(shè)備防撞上的優(yōu)勢，同時(shí)提出了一種現(xiàn)實(shí)可行的防撞系統(tǒng)方案。
參考文獻(xiàn)
[1] 覃明毅. 采用光幕測量技術(shù)的鐵路火車輪對軸徑自動(dòng)測量機(jī)研究及應(yīng)用[J]. 計(jì)量與測試技術(shù)，2015，42 （2）：34-36.
[2] 孫菁宇，高國偉，王夏雨，等. 基于超聲波的車輛 倒車 防 撞 告 警 器的 設(shè)計(jì) [J]. 傳 感 器世 界，2016，22 （2）：25-28.
[3] 李敬. 列車防撞系統(tǒng)在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的 應(yīng) 用探 討 ： 重 慶 工 程師 論 文 集 [G].重 慶 ：2014：319-322.
班寧產(chǎn)品匯總
