史興龍,丁文捷
(寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021)
目前我國鉛的礦產(chǎn)資源已瀕臨枯竭,保障年限不足5年,鉛的需求越來越依靠鉛的二次資源,由此廢舊鉛酸蓄電池回收處理產(chǎn)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生[1]。我國廢舊鉛酸蓄電池回收行業(yè)總體處于一種無序狀態(tài),其技術(shù)裝備水平低、金屬回收率低、能耗高,因此高效綠色和規(guī)范機(jī)制成為該行業(yè)發(fā)展研究的重點(diǎn)[2]。
國內(nèi)廢舊鉛酸蓄電池破拆回收采用的是切割分離方法。拆解的首要步驟是對電池頂蓋進(jìn)行打孔,目的在于將酸液從孔位排放干凈,避免在后期處理過程中造成酸液泄漏。蓄電池內(nèi)的酸液具有強(qiáng)腐蝕性,已列入《國家危險廢物名錄》其他廢物(HW49,900-044-49),因此破拆前排除酸液是必不可少的環(huán)節(jié)[3-4]。傳統(tǒng)廢舊鉛酸電池倒酸采用人工打孔方式,每次只能打出單孔,費(fèi)時費(fèi)力且效果完全依靠工人的經(jīng)驗,技術(shù)不夠規(guī)范,打孔步驟繁多,自動化程度低,并且操作時含鉛的硫酸水溶液四濺,會對環(huán)境和人體造成傷害,這種有害物質(zhì)在人體內(nèi)或自然環(huán)境中會造成永久性的損害[5]。因此,需要設(shè)計一種打孔裝置滿足機(jī)械化打孔需求,從而彌補(bǔ)人工打孔的不足,減少碎屑的產(chǎn)生,提高打孔效率。
廢舊鉛酸蓄電池打孔控制系統(tǒng)由打孔硬件裝置部分和控制軟件部分組成,見圖1。硬件部分中,打孔裝置實現(xiàn)各個鉆頭的分級變距、機(jī)架升降和定位輸送電池;軟件部分中,通過RS485 串口模塊實現(xiàn)硬件裝置與PC 機(jī)的數(shù)據(jù)通信。用戶可以通過MFC窗口界面配置通訊端口和波特率,實現(xiàn)手動輸入鉆頭位置打孔和自動讀碼打孔,打孔運(yùn)行模塊和機(jī)頭位置模塊可完成啟停打孔、顯示位置等操作。
圖1 打孔控制系統(tǒng)組成部分
打孔控制系統(tǒng)的硬件部分采用了一種鉛酸蓄電池可陣列打孔輸送裝置,主要包括:動力驅(qū)動裝置、拉桿變距裝置、機(jī)架升降裝置、電池定位輸送裝置。動力驅(qū)動裝置由移動滑塊、氣缸、浮動接頭和輔助推塊組成;拉桿變距裝置由彼此連接成滑槽副的滑槽桿和滑槽塊組成;機(jī)架升降裝置由升降滑板、升降滑軌、底座板、底座氣缸及底座浮動接頭組成;電池定位輸送裝置由電機(jī)和帶周轉(zhuǎn)箱的傳送帶組成。打孔控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。
圖2 打孔控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
自動化可陣列式打孔裝置可實現(xiàn)一次性同步打孔,打孔裝置的實施動作如下:將鉛酸蓄電池在同一水平線上線性排列,利用電機(jī)驅(qū)動裝置實現(xiàn)聯(lián)動,即氣缸與浮動接頭配合。浮動接頭的作用是保證鉆距的定位精度,通過彼此連接成滑槽副的拉桿變距機(jī)構(gòu)來調(diào)整鉆頭之間的距離。氣缸活塞桿伸出至輔助推塊,輔助推塊與鉆頭固定座、滑槽塊、滑槽桿聯(lián)動實現(xiàn)分級變距,以適用于不同尺寸的電池打孔。陣列鉆頭運(yùn)動至電池外殼蓋的相應(yīng)目標(biāo)區(qū)域,定位完畢后,移動板內(nèi)擋銷伸出并與鉆頭固定座鎖死,執(zhí)行打孔指令。
硬件部分具有以下特點(diǎn):
(1)自動化同步打孔。針對某一具有6 個鉛柵隔板的鉛酸蓄電池,打孔裝置可以對隔板一次性打出6 個鉆孔。為了滿足擴(kuò)充陣列排鉆的需求,系統(tǒng)根據(jù)具體情況能夠一次性完成N 個鉆孔。
(2)可調(diào)鉆頭間距。各個電池尺寸和倉數(shù)不同,系統(tǒng)能夠?qū)︺@頭間距進(jìn)行可調(diào)控制,突破了打孔種類單一的限制。
(3)更換排鉆操作簡單。在后續(xù)設(shè)備的運(yùn)維管理方面,為了便于安裝或拆卸鉆頭,系統(tǒng)設(shè)計了陣列排鉆的更換操作。
實現(xiàn)鉛酸蓄電池打孔控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕b置有:VSMD103_025T 微型一體化步進(jìn)電機(jī)、RS485 串口模塊。該步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下:
(1)輸入電壓(IVT):12~40 V 直流電壓。
(2)波特率(BDR):2 400~912 600 b/s。
(3)微步細(xì)分(MCS):1/32 微步~全步。
(4)速度(SPD):-192 000~192 000 r/min,正值代表電機(jī)正轉(zhuǎn),負(fù)值代表電機(jī)反轉(zhuǎn)。
(5)勻速電流(CRN):0~2.5 A,勻速狀態(tài)下降低電流,可減小電機(jī)發(fā)燙現(xiàn)象。
步進(jìn)電機(jī)1、步進(jìn)電機(jī)2、步進(jìn)電機(jī)3 分別驅(qū)動打孔鉆頭X,Y,Z 的運(yùn)動方向。步進(jìn)電機(jī)與RS485總線級聯(lián)在一起,可便于擴(kuò)展。RS485 接口最大可級聯(lián)16 個從設(shè)備。打孔裝置硬件接線圖如圖3 所示。
圖3 打孔裝置硬件接線圖
打孔鉆頭運(yùn)行狀態(tài)和電機(jī)運(yùn)動距離的計算是保證裝置順利工作的重要依據(jù)。打孔鉆頭的選型計算主要包括鉆削力[6],公式如下:
式中:Fc為打孔鉆的鉆削力,N;CFc為材料加工系數(shù);fyfc為材料加工指數(shù)等于0.7 時的鉆削進(jìn)給量,mm/r;dzfc為材料加工指數(shù)等于1 時的打孔孔徑,mm;KFc為材料的硬度系數(shù)。
步進(jìn)電機(jī)的脈沖與裝置移動距離計算公式如下[7]:
式中:P 為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周需要的脈沖,個;l 為裝置移動的線位移,mm;C 為同步輪旋轉(zhuǎn)一周時行進(jìn)的距離,mm;d 為同步輪的直徑,mm。
基于Visual Studio 2015(VS)MFC 窗口功能設(shè)計的打孔控制器界面如圖4 所示。程序代碼通過PC機(jī)發(fā)送至驅(qū)動裝置,實現(xiàn)打孔等操作。廢舊鉛酸蓄電池打孔控制系統(tǒng)軟件部分需要完成以下功能。
圖4 打孔控制器界面
(1)通訊模塊。打開/關(guān)閉通訊端口:用于實現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)RS485 串口模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。
(2)打孔碼模塊。讀碼:打開PC 機(jī)內(nèi)編譯程序文件,執(zhí)行打孔代碼指令。保存:將用戶編譯完成后的文件保存至PC 機(jī)。
(3)鉆頭位置調(diào)整模塊。置零:將實時運(yùn)動鉆頭X,Y,Z 軸位置清零。調(diào)整:執(zhí)行輸入鉆頭位置參數(shù)的指令?;亓阄唬簩崟r運(yùn)動鉆頭X,Y,Z 軸返回移動參考點(diǎn)。
(4)機(jī)頭位置模塊。實時顯示鉆頭X,Y,Z 軸移動位置和計時器讀數(shù)。
(5)打孔運(yùn)行模塊。打孔:開啟串口模塊通訊和電機(jī)使能,執(zhí)行打孔程序文件代碼。繼續(xù):將系統(tǒng)的停運(yùn)狀態(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。終止:拒絕讀取當(dāng)前打孔程序代碼。急停:若遇特殊狀況,打孔裝置停止當(dāng)前工作。
軟件按鈕的功能在C++基礎(chǔ)上進(jìn)行編寫,文件項目為VSMD_LIB 應(yīng)用程序,程序函數(shù)主要包括以下內(nèi)容。
(1)“VSMD_LIB.cpp”:打孔軟件主應(yīng)用程序源文 件,包 含“stdafx.cpp”“VSMD_LIB.cpp”“VSMD_LIBDIg.cpp”。
(2)“VSMD_LIB.vcxproj”:向?qū)傻腣C++項目的主項目文件,包含項目文件版本、平臺、配置和項目功能信息。
(3)“VSMD_LIB.vcxproj.filters”:篩選器文件,包含有關(guān)項目文件與篩選器之間的關(guān)聯(lián)信息。
(4)“VSMD_LIB.h”:應(yīng)用程序的主頭文件,包括“Resource.h”“stdafx.h”“Vsmd.h”“VSMD_LIB.h”“VSMD_LIBDIg.h”。
(5)“VSMD_LIB.rc”:可編輯MFC 圖標(biāo)窗口界面等資源列表文件。
(6)“VSMD_LIB.ico”:應(yīng)用程序圖標(biāo)文件,包括標(biāo)題欄圖標(biāo)和machine 圖標(biāo)。
打孔軟件可實現(xiàn)自動化打孔作業(yè)需求,輸入打孔程序代碼即可實現(xiàn)廢舊鉛酸蓄電池的打孔工序。打孔控制軟件運(yùn)行流程如圖5 所示。
圖5 打孔控制軟件運(yùn)行流程圖
具體實施步驟如下。
(1)連接完成打孔裝置的硬件連線后,利用RS485串口模塊實現(xiàn)打孔裝置軟、硬件之間的數(shù)據(jù)交互傳輸。信息流上傳至PC 機(jī),此時串口模塊運(yùn)行燈閃爍。當(dāng)串口模塊通過USB 端口接入PC 機(jī)時,PC 機(jī)自動為其分配一個COM 端口,可在“我的電腦”下“設(shè)備管理器”的端口欄查看。打開Visual Studio 2015 界面程序,開啟裝置電源,電鉆頭空轉(zhuǎn),預(yù)測試打孔裝置的平穩(wěn)性與安全性。待打孔裝置平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)后,將待破拆的廢舊鉛酸蓄電池放在打孔工作臺上。
(2)打開本地Windows 調(diào)試器,系統(tǒng)自動顯示Visual Studio 2015 MFC 打孔控制器窗口。用戶可以在通訊模塊輸入端口COM3 和波特率9 600 b/s;也可以在配置文件configuration.ini 中調(diào)整通訊參數(shù),包括COM 端口和波特率。為了滿足RS485 串口模塊與PC 機(jī)適配要求,在記事本里自行輸入要更改的參數(shù),保存后的配置文件及數(shù)據(jù)會自動更新至打孔控制器界面中。打開通訊端口按鈕后,若裝置正常運(yùn)行電機(jī)使能,串口模塊運(yùn)行燈閃爍并且可以聽到VSMD 步進(jìn)電機(jī)啟動響聲。
(3)當(dāng)鉆頭X,Y,Z 軸處于(0,0,0)位置時,鉆頭位置調(diào)整模塊里所有按鈕無效觸發(fā),僅當(dāng)輸入鉆頭位置參數(shù)后才能有效觸發(fā)。點(diǎn)擊回零位按鈕,機(jī)頭運(yùn)動至程序預(yù)先設(shè)置好的重置點(diǎn),為后續(xù)執(zhí)行打孔指令做好準(zhǔn)備。點(diǎn)擊打孔碼模塊中的讀碼按鈕,PC機(jī)自動彈出程序文件窗口,選擇預(yù)先編譯完成的標(biāo)準(zhǔn)測試文件,此時打孔碼模塊區(qū)域自動讀取“時刻,軸,脈沖數(shù)”參數(shù)程序,例如顯示:1,1,500;6,2,6 000;19,3,-5 500。其中軸1,2,3 分別代表步進(jìn)電機(jī)X,Y,Z的方向,“1,1,500”3 個參數(shù)含義為:當(dāng)計時器運(yùn)行時間為1 s 時,步進(jìn)電機(jī)僅移動X方向,電機(jī)運(yùn)行至設(shè)置位置的脈沖數(shù)為500 個。點(diǎn)擊打孔運(yùn)行模塊中打孔按鈕,打孔裝置可執(zhí)行打孔編譯程序,完成指令。機(jī)頭位置模塊可以實時顯示鉆頭X,Y,Z軸移動位置和計數(shù)信息。
(4)自動化打孔裝置在工作過程中一旦發(fā)生程序讀碼錯誤,產(chǎn)生碰撞打框等安全事故,可在打孔運(yùn)行模塊中點(diǎn)擊急停按鈕,打孔裝置會立即響應(yīng),使電機(jī)脫機(jī),并且同時關(guān)閉通訊端口,即串口模塊運(yùn)行燈不再閃爍,電機(jī)啟動響聲停止。再次點(diǎn)擊繼續(xù)按鈕時,可以恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài),即串口模塊運(yùn)行燈閃爍,電機(jī)啟動響聲,打孔裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
本文針對廢舊鉛酸蓄電池自動化打孔作業(yè)需求,設(shè)計了一種廢舊鉛酸蓄電池打孔控制系統(tǒng),得出以下結(jié)論。
(1)打孔裝置硬件部分可實現(xiàn)自動化同步打孔、可調(diào)鉆頭間距、擴(kuò)充陣列排鉆功能。系統(tǒng)采用機(jī)械化生產(chǎn)代替人工操作,能夠提高生產(chǎn)效率,滿足工廠實際作業(yè)需求。
(2)軟件部分的基本組成模塊包括:通訊模塊、打孔碼模塊、鉆頭位置調(diào)整模塊、機(jī)頭位置模塊、打孔運(yùn)行模塊。軟件界面簡單易懂,用戶操作方便,靈活便捷,可調(diào)整端口設(shè)置以滿足機(jī)器適配需求,并且便于監(jiān)控和判斷打孔裝置的運(yùn)行狀態(tài)和程序讀碼的正誤,提升了軟、硬件交互的安全指數(shù)。
(3)本文給出了一種具體的打孔控制軟件操作方法。系統(tǒng)結(jié)合打孔裝置的技術(shù)參數(shù)范圍,選擇了適合本機(jī)使用的打孔運(yùn)行狀態(tài),為用戶提供了清晰的操作邏輯。