王曉磊，李曉丹

WANG Xiao-lei, LI Xiao-dan

（遼寧工業(yè)大學 機械工程與自動化學院，錦州 121001）

0 引言

集裝箱，是一種用于貨物周轉的大型裝貨容器，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)了標準化生產(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 結構組成簡介

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軌組成。當車體與箱體不在同一中心線時，兩側氣缸伸出，自動對中。

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

4）鉆孔裝置采用電機帶動同步帶實現(xiàn)鉆頭的旋轉，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換。鉆孔后要進行鎖釘，工位轉換采用的是氣缸和直線導軌實現(xiàn)。

6）鎖釘裝置采用氣缸與直線導軌進給，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工作。上料機構共兩組，以滿足節(jié)拍要求。振動給料器負責將釘排序，輸送到分料機構上。分料機構由分料缸和下料缸組成。分料結束后，采用氣吹的方式將釘吹到鎖釘槍，實現(xiàn)上料。

2 系統(tǒng)的技術難點

1）如何保證車體走直線

由于鉆孔過程在集裝箱內部進行，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為左側檢測到信號而右側沒檢測到信號的平臺回轉中心，O1為右側檢測到信號的平臺回轉中心。E、F點為傳感器位置，且左側傳感器先檢測到，右側無信號，這時車體繼續(xù)前進，直至右側傳感器檢測到信號，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θ后兩傳感器的中點。設兩傳感器的距離為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可知工作臺旋轉角度為：

車體前進的距離d為：

最后將得到的角度與距離轉換成脈沖當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。

圖3 定位分析圖

3 控制系統(tǒng)的硬件組成

設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。當設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動車體行走，步進電機用于工作臺旋轉。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。模式轉換主要是實現(xiàn)伺服電機的速度和位置控制轉換，當車體行走過程中采用速度控制，當要實現(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)復位可分為手動復位和上電復位。上電復位為PLC的首個掃描周期自動復位，包括首次上料送釘，手動復位是通過人按下手動按鈕復位。程序可分為自動程序和手動程序。手動程序主要用來調試和維修使用。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還是右轉，同時計算出工作臺所需旋轉的角度以及車體的位移，實現(xiàn)車體前移和工作臺的旋轉，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，只有鉆頭上升到位時才可以停轉。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)流程圖編制了相關的軟件程序。

圖4 流程圖

5 結束語

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確等特點。

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