烧结机台车栏板间隙密封的机械手系统设计

　　摘要：针对烧结造块炼铁工艺中存在的烧结台车栏板间漏风问题，本文主要对悬挂式双机械手操作的烧结机台车栏板间隙密封系统进行设计。以某钢厂烧结生产线为研究背景，运用三维建模软件，对机械手结构、机械手驱动方案及机械手的传动方案进行设计。选 用 三 菱 FX3U 及 FX2N-20GM 两轴插补模块，通过程序扩展，实现三菱FX3U 与FX2N-20GM 同时对4个步进电机的顺序控制，并给出了该系统硬件电路设计。同时，利用实验室步进电机及滚珠丝杠滑台，建立机械手模拟装置，用于开关模拟输入信号，进行实际生产状况的模拟实验。实验结果表明，控制程序正确可行，控制系统达到应用要求。该研究有效降低了烧结台车栏板间漏风问题，节约电力能源，产生可观的经济效益。

　　关键词：烧结机漏风;悬挂式机械手;FX3U;FX2N-20GM;运动平台

　　王睿训; 邢建国 青岛大学学报(工程技术版) 2021-12-02

　　随着现代化进程的飞速发展，各行业对钢铁的需求逐年增加，据统计，2020年我国的钢铁产量达到了世界钢铁产量的56%，位居钢铁产量第一大国[1-2]。同时，国家提高了对钢铁行业节能减排的要求，为提高烧结机产能，国内众多学者和钢铁企业对烧结机的漏风治理问题进行了相关研究[3]。目前，现有的烧结漏风防治技术大多集中在解决台车与风箱结合处两侧部(即滑道)、台车与风箱结合处两端部(即头尾)的动密封处及大烟道灰箱排灰、风管道系统的破损等静密封处的漏风问题，在一定程度上解决了台车的部分漏风问题[4-7]。但由于台车栏板间设计时预留间隙(1mm)，加之栏板之间变形，形成2～10mm 不等的间隙，同一处的上、下间隙量也不等，对漏风影响较大(占15%)。同时台车间的密封还没有有效的解决办法，这是由于在生产中烧结台车是持续运动，在头尾部，台车要相互分开，同时要经过点火区，对其进行防漏风处理十分困难，一些常规的密封方式无法满足要求。孙国强[8]提出了一种全密封装置，侧面用挡板，料面上用皮带，通过负压吸附在表面，形成一个整体密封空间，使用效果较好;高彦[9]研究一种类似的全封闭装置，侧面及底部由密封带包围，料面上方由多行丝状物、薄钢板或耐高温不透气的布接触料面;胡子国等人[10]设计了一种烧结机台车栏板密封装置及密封系统，通过磁性密封帘，将台车栏板之间的缝隙密封，从而防止台车栏板漏风，所采用的密封帘由隔热层、不锈钢网层、磁性胶体层组成，其中磁性层将密封帘吸合到台车间。基于此，本文针对烧结生产线的相关工况及后期便利维护保养，设计一种悬挂式机械手来抓取密封带，放置到烧结台车栏板间缝隙处，以解决漏风问题。首先设计机械手总体方案，运用三维建模软件，对机械手整体结构进行设计，并确定了机械手的驱动方式及传动方式。同时，选用 FX3U 作为机械手控制系统主控单元，对控制系统的I/O点进行了分配，并运用三菱 FX2N-20GM 定位模块进行两轴插补运动。该控制系统达到实际应用要求，具有实际应用价值。

　　1 系统总体方案

　　本研究以某钢厂烧结生产线为背景，拟在台车栏板间隙上放置密封带，对系统总体方案进行设计。采用悬挂式机械手进行自动操作，具体操作步骤如下：

　　1) 在台车首尾及点火区外的直线运行段进行密封，不必考虑转弯段栏板间隙变化和台车运行跑偏，以及点火区高温和烧烤的影响，降低了对密封材料的要求。2) 利用负压作用，使密封带吸贴在栏板缝隙上，可在密封带上增加磁性条，使密封带吸附更牢靠。3) 采用机械手结构贴放和取下密封带，通过三菱 FX3U-48MT 控制，完成机械手操作和台车运动的联动控制，实现密封带的自动取、放和位置要求。4) 一条烧结线共设4台悬挂式机械手，并通过链条传送带输送密封带，不占用烧结线的地面空间，对生产监控和维修没有影响。5) 密封起始位置在点火段之后，终止位置在机尾卸矿处之前，共有16处台车栏板间隙需要密封。结合实际生产需要，根据台车长度、高度以及台车运行速度等因素，进行了机械手与传送带相对位置的布置。密封带效果图如图1所示，机械手及传送带布置方案平面示意图如图2所示。

　　2 机械手总体设计方案

　　2.1 机械手结构设计方案

　　为了适应不同生产线工况的需求，机械手可采用多种运动形式和结构。机械手的具体形式需要根据实际生产线作业要求和现场布局位置等条件进行选择。工业机械手主要有4种坐标形式，即直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节坐标式[11]。通过分析对比工业机械手各种坐标式的优缺点，并结合生产实际，因此选用直角坐标式作为本机械手的坐标形式，其具有机械臂各个运动方向相对独立解耦、控制方便、可实现大行程、高精度、长寿命、操作简单、安装使用和维护简便、成本低等特点[12]。整个机械手包括 X 轴、Y 轴、Z 轴3个方向的直线运动及 一 个 机 械 手 臂 的 转 动，具 有4个 自 由 度。其 中 X 轴 长 为1000mm，Y 轴长为1500mm，Z 轴长为500mm，旋转手臂长为350mm。机械手三维模型如图3所示。

　　2.2 机械手驱动方案设计

　　机械手可采用电 机驱动 、气 压 驱 动 、液 压 驱 动3种 驱 动 方 式 以 及 组 合 驱 动[13] 。根 据 实 际 生产应用情况，电机驱动可通过连接 PLC和个人计算机，精确地控制机械手的工作位置和姿态，因此该机械手选用电机驱动。机械手的电机驱动又分为伺服电机驱动和步进电机驱动，本文所设计的为悬挂式机械手，工作时负载较小，精度要求不高，因此选用步进电机驱动，其具有控制简单、可靠性较高、成本较低等特点[12]。其中，X 轴与Z 轴选用86mm 三相步进电机，丝杠螺距为6mm，脉冲当量为0.01mm;Y 轴选用57mm 三相步进电机，丝杠螺距为6mm，脉冲当量为0.01mm;旋转手臂选用57mm 三相步进电机，步距角为0.1°。

　　2.3 机械手传动方案设计

　　本机械手的 X 轴、Y 轴和Z 轴移动关节均采用圆柱导轨支承、滚珠丝杠传动，回转关节由步进电机直接驱动。

　　3 机械手控制系统设计方案

　　根据所设计的悬挂式机械手的整个运动过程，控制流程比较简单，因此选用 PLC作为控制器，其抗干扰能力强、可靠性高，同时具有各种规模的系列化产品，功能完善，配套齐全[14-16]。本文选用三菱 FX3U[17]及FX2N-20GM 两轴插补模块来实现机械手的动作。烧结线前端机械手控制流程图如图4所示，烧结线末端机械手控制流程图如图5所示。

　　3.1 确定控制系统的I/O数

　　通过结合主程序流程图，确定控制系统的I/O 数量。I/O 地址分配表如表1所示。

　　3.2 控制系统接线原理图

　　本系统选用三 菱 FX3U-48MT 作 为 主 控 单 元，FX2N-20GM 作 为 核 心 定 位 单 元，二者通过连接电缆FX2N-GM-5EC进行连接，实现数据交换，其中两轴定位模块 FX2N-20GM 的 CON3和 CON4分别对应连接X 轴和Y 轴的步进驱动器端子[18]，而Z 轴与旋转臂则由FX3U-48MT直接进行高速脉冲输出，选用威纶触摸屏进行人机交互，与 FX3U-48MT通过通信电缆进行通讯，对现场进行实时监控与控制[19]。控制系统接线原理图如图6所示。

　　3.3 FX2N-20GM 定位模块程序

　　三菱 FX2N-20GM 定 位 模 块 采 用 FX-VPS-E 专 用 编 程 软 件，可 输 出高速脉冲序列，还可以同时控制两根轴运动，进行直线插补和圆弧插补，可通过绝对驱动方法和增量驱动方法指定位移，并且具有两轴绝对位置检测功能，可以通过控制电机的转速和转角，实现所需的运动轨迹[18]。FX2N-20GM 定位 模 块 通 过 PLC 的 FROM 指 令，可以把其缓冲区BFM#20和 BFM#21中 的 内 容 读 取 到 PLC 中，通 过 TO 指 令，可 以 把PLC寄存器中的内容写入缓冲区 BFM 中[20]。FX2N-20GM 控 制 流 程 如图7所示。图7中，在寄存器 DD100中，存储直线 X 轴方向的终点坐标值;在寄 存 器 DD102 中，存 储 直 线 Y 轴 方 向 的 终 点 坐 标 值;在 寄 存 器DD104中，存储暂停时间值。FX2N-20GM 的参数写入程序如图8所示。

　　4 实验验证

　　利用实验室的步进电机及滚珠丝杠滑台进行模拟实验，根据所设计机械手的运动形式和结构，建立机械手的模拟装置，将 PLC与步进驱动器以及各控制开关正确接线，用手动开关模拟接近开关和限位开关，模拟输入信号，将编写的程序写入 PLC中，通过控制开关，模拟工业机械手的运动过程。通过实验可知，该机械手可满足烧结生产线的实际生产需求，控制程序正确可行。

　　5 结束语

　　本文设计了一种4个自由度的悬挂式双机械手。该设计给出了机械手及传送带布置方案、密封板的设计，机械手的坐标形式及驱动方案，并对机械手进行三维建模，并采用三菱 PLC及 FX2N-20GM 两轴插补模块进行程序设计，最后通过模拟实验，验证控制程序的正确性和可行性，实验结果表明，本研究所设计的控制系统达到实际生产要求，在实际生产中，可有效降低烧结台车栏板间漏风率，节约能源，产生可观的直接经济效益。该机械手可以满足烧结生产线的实际生产需求，具有实际应用价值。