基于PLC的集裝箱地板鉆孔鎖釘裝置系統(tǒng)設(shè)計

王曉磊，李曉丹

WANG Xiao-lei, LI Xiao-dan

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，錦州 121001）

0 引言

集裝箱，是一種用于貨物周轉(zhuǎn)的大型裝貨容器，具有一定強度和剛度。在中途換車或換船時無需將貨物取出換箱。因此集裝箱在船舶、港口、橋梁、隧道、多式聯(lián)運相配套的物流系統(tǒng)中廣泛使用，已實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)制做。

目前，大多數(shù)的集裝箱廠家都采用人工劃線、鉆孔、擺釘、鎖釘，勞動強度巨大，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量不高。針對此問題，本文提出了采用PLC控制的自動鉆孔鎖釘裝置來代替工人手動鉆孔鎖釘操作。

1 結(jié)構(gòu)組成簡介

集裝箱自動鉆孔鎖釘裝置如圖1所示，主要由以下幾部分組成：

1）車體行走裝置。主要完成車體的總體移動，實現(xiàn)鉆孔鎖釘位置的定位功能。車體的驅(qū)動主要由伺服電機、減速器及同步帶傳遞到車體后軸，實現(xiàn)車體的移動及定位功能。

2）平臺的對中裝置。對中裝置由氣缸和直線導(dǎo)軌組成。當(dāng)車體與箱體不在同一中心線時，兩側(cè)氣缸伸出，自動對中。

3）工作臺回轉(zhuǎn)裝置。該裝置主要通過步進電機與齒輪傳動，實現(xiàn)工作臺的回轉(zhuǎn)定位。

4）鉆孔裝置采用電機帶動同步帶實現(xiàn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)，氣缸下壓實現(xiàn)進給，共10個鉆孔裝置，一次可完成一排的鉆孔。

5）工作臺鉆孔鎖釘工位轉(zhuǎn)換。鉆孔后要進行鎖釘，工位轉(zhuǎn)換采用的是氣缸和直線導(dǎo)軌實現(xiàn)。

6）鎖釘裝置采用氣缸與直線導(dǎo)軌進給，鎖釘由氣馬達鎖釘槍實現(xiàn)，直接將上步已鉆完的10個孔進行鎖釘。

7）供料系統(tǒng)完成鎖釘所需的螺釘由上料機構(gòu)工作。上料機構(gòu)共兩組，以滿足節(jié)拍要求。振動給料器負責(zé)將釘排序，輸送到分料機構(gòu)上。分料機構(gòu)由分料缸和下料缸組成。分料結(jié)束后，采用氣吹的方式將釘吹到鎖釘槍，實現(xiàn)上料。

2 系統(tǒng)的技術(shù)難點

1）如何保證車體走直線

由于鉆孔過程在集裝箱內(nèi)部進行，如何保證車體沿集裝箱中線行走。本裝置采用加大車體輪子寬度的方法實現(xiàn)，同時采用對中裝置實現(xiàn)車體平臺自動對中。

2）車體鉆孔定位

圖1 集裝箱自動鉆孔鎖釘裝置

鉆孔之前，如何保證鉆頭在集裝箱的每條橫梁的中心線上，如圖2所示。由于采用人工焊接集裝箱橫梁，所以在焊接的過程中橫梁不一定會和集裝箱的車體垂直，但在鉆孔的過程中要使鉆孔的位置在橫梁的中心線上。

圖2 鉆孔示意圖

解決方法：在車體上對稱安裝兩個傳感器來感應(yīng)檢測橫梁的邊緣，如圖3所示。ABCD為橫梁邊緣的俯視圖。IJ為橫梁鉆孔的中心線，O為左側(cè)檢測到信號而右側(cè)沒檢測到信號的平臺回轉(zhuǎn)中心，O1為右側(cè)檢測到信號的平臺回轉(zhuǎn)中心。E、F點為傳感器位置，且左側(cè)傳感器先檢測到，右側(cè)無信號，這時車體繼續(xù)前進，直至右側(cè)傳感器檢測到信號，此時兩傳感器的位置為E1、F1但并不在鉆孔中心線上,此時前進的距離為h。此時可將過程分為兩步：車體平臺旋轉(zhuǎn)θ角，此時傳感器所在的位置為E2、F2；車體再前行d即可到達鉆孔中心線上，兩步同時進行，節(jié)省時間。H為第2個傳感器檢測到橫梁時兩傳感器的中點，G為旋轉(zhuǎn)θ后兩傳感器的中點。設(shè)兩傳感器的距離為a，第一個傳感器檢測到橫梁與第一個傳感器檢測到橫梁的距離為h，橫梁的寬度為e,c為車體旋轉(zhuǎn)θ后傳感器位置前行的距離。根據(jù)示意圖3可知工作臺旋轉(zhuǎn)角度為：

車體前進的距離d為：

最后將得到的角度與距離轉(zhuǎn)換成脈沖當(dāng)量分別送給步進電機和伺服電機。由于橫梁擺放傾斜的角度很小，故橫向的偏離誤差在位置誤差的范圍內(nèi)。

圖3 定位分析圖

3 控制系統(tǒng)的硬件組成

設(shè)計中采用的是三菱公司生產(chǎn)的F3U系列的F3U128MTPLC，外加兩塊F2N-16EX的輸入擴展模塊。當(dāng)設(shè)備在運行過程中主要采用傳感器采集信息傳送給PLC進行處理。根據(jù)實際需要確定所需I/O口。具體I/O口分配如表1所示。伺服電機主要用來驅(qū)動車體行走，步進電機用于工作臺旋轉(zhuǎn)。鉆孔電機采用統(tǒng)一控制，共控制10臺。鉆孔下壓氣缸采用分別控制。模式轉(zhuǎn)換主要是實現(xiàn)伺服電機的速度和位置控制轉(zhuǎn)換，當(dāng)車體行走過程中采用速度控制，當(dāng)要實現(xiàn)位置糾正時采用位置控制。防撞傳感器主要用來防止發(fā)生意外時車體碰到集裝箱側(cè)壁，以免發(fā)生危險。

表1 輸入輸出地址分配

表1 （續(xù)）

4 軟件編程

系統(tǒng)復(fù)位可分為手動復(fù)位和上電復(fù)位。上電復(fù)位為PLC的首個掃描周期自動復(fù)位，包括首次上料送釘，手動復(fù)位是通過人按下手動按鈕復(fù)位。程序可分為自動程序和手動程序。手動程序主要用來調(diào)試和維修使用。在自動程序時，車體在行進過程中，檢測橫梁的兩個傳感器會先后檢測到兩個信號，通過這兩個信號可判斷車體工作臺為左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，同時計算出工作臺所需旋轉(zhuǎn)的角度以及車體的位移，實現(xiàn)車體前移和工作臺的旋轉(zhuǎn)，使鉆孔位置保證在橫梁的中心線上。鉆頭上升的過程中鉆頭一直旋轉(zhuǎn)，只有鉆頭上升到位時才可以停轉(zhuǎn)。由于集裝箱地板為幾塊拼接而成，所以要判斷是否為接縫，在接縫處為同一梁，不能用邊沿判斷，直接行進至兩排釘?shù)闹行木€距離鉆孔。鉆孔完成后工作臺前移，到位后進行鎖釘，鎖釘后進行上料，完成一個循環(huán)。具體的流程如圖4所示。根據(jù)流程圖編制了相關(guān)的軟件程序。

圖4 流程圖

5 結(jié)束語

實踐證明，采用專機可大大提高集裝箱鉆孔鎖釘?shù)男?，?jié)省了人工劃線、鉆孔、擺釘、鎖釘工序，降低勞動強度。同時該控制系統(tǒng)具有控制簡單、方便，使用該專機鉆孔鎖釘更準(zhǔn)確等特點。

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