基于PLC的集装箱地板钻孔锁钉装置系统设计

2014-12-19王晓磊李晓丹

制造业自动化 2014年9期

关键词：锁钉工作台中心线

王晓磊，李晓丹

WANG Xiao-lei, LI Xiao-dan

（辽宁工业大学机械工程与自动化学院，锦州 121001）

0 引言

集装箱，是一种用于货物周转的大型装货容器，具有一定强度和刚度。在中途换车或换船时无需将货物取出换箱。因此集装箱在船舶、港口、桥梁、隧道、多式联运相配套的物流系统中广泛使用，已实现了标准化生产制做。

目前，大多数的集装箱厂家都采用人工划线、钻孔、摆钉、锁钉，劳动强度巨大，生产效率低，产品质量不高。针对此问题，本文提出了采用PLC控制的自动钻孔锁钉装置来代替工人手动钻孔锁钉操作。

1 结构组成简介

集装箱自动钻孔锁钉装置如图1所示，主要由以下几部分组成：

1）车体行走装置。主要完成车体的总体移动，实现钻孔锁钉位置的定位功能。车体的驱动主要由伺服电机、减速器及同步带传递到车体后轴，实现车体的移动及定位功能。

2）平台的对中装置。对中装置由气缸和直线导轨组成。当车体与箱体不在同一中心线时，两侧气缸伸出，自动对中。

3）工作台回转装置。该装置主要通过步进电机与齿轮传动，实现工作台的回转定位。

4）钻孔装置采用电机带动同步带实现钻头的旋转，气缸下压实现进给，共10个钻孔装置，一次可完成一排的钻孔。

5）工作台钻孔锁钉工位转换。钻孔后要进行锁钉，工位转换采用的是气缸和直线导轨实现。

6）锁钉装置采用气缸与直线导轨进给，锁钉由气马达锁钉枪实现，直接将上步已钻完的10个孔进行锁钉。

7）供料系统完成锁钉所需的螺钉由上料机构工作。上料机构共两组，以满足节拍要求。振动给料器负责将钉排序，输送到分料机构上。分料机构由分料缸和下料缸组成。分料结束后，采用气吹的方式将钉吹到锁钉枪，实现上料。

2 系统的技术难点

1）如何保证车体走直线

由于钻孔过程在集装箱内部进行，如何保证车体沿集装箱中线行走。本装置采用加大车体轮子宽度的方法实现，同时采用对中装置实现车体平台自动对中。

2）车体钻孔定位

图1 集装箱自动钻孔锁钉装置

钻孔之前，如何保证钻头在集装箱的每条横梁的中心线上，如图2所示。由于采用人工焊接集装箱横梁，所以在焊接的过程中横梁不一定会和集装箱的车体垂直，但在钻孔的过程中要使钻孔的位置在横梁的中心线上。

图2 钻孔示意图

解决方法：在车体上对称安装两个传感器来感应检测横梁的边缘，如图3所示。ABCD为横梁边缘的俯视图。IJ为横梁钻孔的中心线，O为左侧检测到信号而右侧没检测到信号的平台回转中心，O1为右侧检测到信号的平台回转中心。E、F点为传感器位置，且左侧传感器先检测到，右侧无信号，这时车体继续前进，直至右侧传感器检测到信号，此时两传感器的位置为E1、F1但并不在钻孔中心线上,此时前进的距离为h。此时可将过程分为两步：车体平台旋转θ角，此时传感器所在的位置为E2、F2；车体再前行d即可到达钻孔中心线上，两步同时进行，节省时间。H为第2个传感器检测到横梁时两传感器的中点，G为旋转θ后两传感器的中点。设两传感器的距离为a，第一个传感器检测到横梁与第一个传感器检测到横梁的距离为h，横梁的宽度为e,c为车体旋转θ后传感器位置前行的距离。根据示意图3可知工作台旋转角度为：

车体前进的距离d为：

最后将得到的角度与距离转换成脉冲当量分别送给步进电机和伺服电机。由于横梁摆放倾斜的角度很小，故横向的偏离误差在位置误差的范围内。

图3 定位分析图

3 控制系统的硬件组成

设计中采用的是三菱公司生产的F3U系列的F3U128MTPLC，外加两块F2N-16EX的输入扩展模块。当设备在运行过程中主要采用传感器采集信息传送给PLC进行处理。根据实际需要确定所需I/O口。具体I/O口分配如表1所示。伺服电机主要用来驱动车体行走，步进电机用于工作台旋转。钻孔电机采用统一控制，共控制10台。钻孔下压气缸采用分别控制。模式转换主要是实现伺服电机的速度和位置控制转换，当车体行走过程中采用速度控制，当要实现位置纠正时采用位置控制。防撞传感器主要用来防止发生意外时车体碰到集装箱侧壁，以免发生危险。

表1 输入输出地址分配

表1 （续）

4 软件编程

系统复位可分为手动复位和上电复位。上电复位为PLC的首个扫描周期自动复位，包括首次上料送钉，手动复位是通过人按下手动按钮复位。程序可分为自动程序和手动程序。手动程序主要用来调试和维修使用。在自动程序时，车体在行进过程中，检测横梁的两个传感器会先后检测到两个信号，通过这两个信号可判断车体工作台为左转还是右转，同时计算出工作台所需旋转的角度以及车体的位移，实现车体前移和工作台的旋转，使钻孔位置保证在横梁的中心线上。钻头上升的过程中钻头一直旋转，只有钻头上升到位时才可以停转。由于集装箱地板为几块拼接而成，所以要判断是否为接缝，在接缝处为同一梁，不能用边沿判断，直接行进至两排钉的中心线距离钻孔。钻孔完成后工作台前移，到位后进行锁钉，锁钉后进行上料，完成一个循环。具体的流程如图4所示。根据流程图编制了相关的软件程序。