王曉磊，李曉丹

(遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧錦州 121001)

集裝箱，是一種用于貨物周轉(zhuǎn)的大型裝貨容器，具有一定的強(qiáng)度和剛度，在中途換車或換船時(shí)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(yùn)相配套的物流系統(tǒng)中廣泛使用，已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)制作。

目前，大多數(shù)的集裝箱廠家都采用人工劃線、鉆孔、鎖釘，勞動(dòng)強(qiáng)度巨大，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量不高。針對(duì)此問題，文中提出了采用PLC 控制的自動(dòng)鉆孔裝置來代替工人手動(dòng)鉆孔操作。

1 結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)介

集裝箱自動(dòng)鉆孔裝置如圖1 所示，主要由以下幾部分組成:

圖1 集裝箱自動(dòng)鉆孔裝置

(1)車體行走部分。主要帶動(dòng)鉆孔裝置的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆孔定位功能。車體的驅(qū)動(dòng)主要由伺服電機(jī)、減速器及同步帶傳遞到車體后軸，實(shí)現(xiàn)車體的移動(dòng)及定位功能。

(2)平臺(tái)的對(duì)中裝置。對(duì)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(shí)，兩側(cè)氣缸自動(dòng)對(duì)中。

(3)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)裝置。該裝置主要通過步進(jìn)電機(jī)與齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)定位。

(4)鉆孔裝置采用電機(jī)帶動(dòng)同步帶實(shí)現(xiàn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)，氣缸下壓實(shí)現(xiàn)進(jìn)給，共10 個(gè)鉆孔裝置，一次可完成一排的鉆孔。

2 系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)

(1)如何保證車體走直線

由于鉆孔過程在集裝箱內(nèi)部進(jìn)行，如何保證車體沿集裝箱中線行走是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。該裝置采用加大車體輪子寬度的方法實(shí)現(xiàn)，同時(shí)采用對(duì)中裝置實(shí)現(xiàn)車體平臺(tái)自動(dòng)對(duì)中。

(2)車體鉆孔定位

圖2 鉆孔示意圖

鉆孔之前，如何保證鉆頭在集裝箱的每條橫梁的中心線上是另一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。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(huì)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。

解決方法:在車體上對(duì)稱安裝兩個(gè)傳感器來感應(yīng)檢測(cè)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(cè)到信號(hào)而右側(cè)沒檢測(cè)到信號(hào)的平臺(tái)回轉(zhuǎn)中心，O1為右側(cè)檢測(cè)到信號(hào)的平臺(tái)回轉(zhuǎn)中心。點(diǎn)E、F 為傳感器位置，且左側(cè)傳感器先檢測(cè)到，右側(cè)無信號(hào)，這時(shí)車體繼續(xù)前進(jìn)，直至右側(cè)傳感器檢測(cè)到信號(hào)，此時(shí)兩傳感器的位置為E1、F1，但并不在鉆孔中心線上，此時(shí)前進(jìn)的距離為h。此時(shí)可將過程分為兩步:車體平臺(tái)旋轉(zhuǎn)θ 角，此時(shí)傳感器所在的位置為E2、F2;車體再前行d 即可到達(dá)鉆孔中心線上，兩步同時(shí)進(jìn)行，節(jié)省時(shí)間。H 為第二個(gè)傳感器檢測(cè)到橫梁時(shí)兩傳感器的中點(diǎn)，G 為旋轉(zhuǎn)θ 后兩傳感器的中點(diǎn)。設(shè)兩傳感器的距離為a，第一個(gè)傳感器檢測(cè)到橫梁與第二個(gè)傳感器檢測(cè)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(tái)旋轉(zhuǎn)角度為:

車體前進(jìn)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(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。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(jì)中采用的是三菱公司生產(chǎn)的F2N 系列的F2N128MTPLC，外加一16EX 的輸入擴(kuò)展模塊。在設(shè)備運(yùn)行過程中，主要采用傳感器采集信息傳送給PLC進(jìn)行處理，根據(jù)實(shí)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(jī)主要用來驅(qū)動(dòng)車體行走，步進(jìn)電機(jī)用于工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)。鉆孔電機(jī)采用統(tǒng)一控制，共控制10 臺(tái)。鉆孔下壓氣缸采用分別控制。模式轉(zhuǎn)換主要是實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的速度和位置控制轉(zhuǎn)換，在車體行走過程中采用速度控制，當(dāng)要實(shí)現(xiàn)位置糾正時(shí)采用位置控制。

表1 輸入輸出地址分配

4 軟件編程

系統(tǒng)復(fù)位可分為手動(dòng)復(fù)位和上電復(fù)位。上電復(fù)位為PLC 的首個(gè)掃描周期自動(dòng)復(fù)位，手動(dòng)復(fù)位是通過人按下手動(dòng)按鈕復(fù)位。程序可分為自動(dòng)程序和手動(dòng)程序。手動(dòng)程序主要用來調(diào)試和維修使用。在自動(dòng)程序時(shí)，車體在行進(jìn)過程中，檢測(cè)橫梁的兩個(gè)傳感器會(huì)先后檢測(cè)到兩個(gè)信號(hào)，通過這兩個(gè)信號(hào)可判斷車體工作臺(tái)為左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，同時(shí)計(jì)算出工作臺(tái)所需旋轉(zhuǎn)的角度以及車體的位移，實(shí)現(xiàn)車體前移和工作臺(tái)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(shí)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(jìn)至兩排釘?shù)闹行木€距離鉆孔。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(shí)踐證明:采用專機(jī)可大大提高集裝箱鉆孔的效率，鉆孔更準(zhǔn)確，節(jié)省了人工劃線鉆孔工序，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)該控制系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單、方便。

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