基于PLC控制的鋼筋連接件自動(dòng)裝箱設(shè)備研究與設(shè)計(jì)

單根立，馬來來

(河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050018)

引言

在建筑領(lǐng)域，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)必不可少。當(dāng)鋼筋長度不夠，要接長時(shí)，需要運(yùn)用到鋼筋連接技術(shù)。目前，鋼筋連接技術(shù)可以分為綁扎塔接、焊接與機(jī)械連接3種技術(shù)方式[1]。直螺紋套筒接頭，俗稱鋼筋連接件，屬于機(jī)械連接。在待連接的兩段鋼筋端頭特制直螺紋，通過直螺紋套筒與之咬合來將兩段鋼筋連接。直螺紋連接具有加工簡單、連接可靠等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。建筑行業(yè)對(duì)建筑材料的需求與日俱增，生產(chǎn)廠家必須提高生產(chǎn)以及包裝效率，保證建筑材料的供應(yīng)。因此實(shí)現(xiàn)鋼筋連接件的自動(dòng)化裝箱具有重要意義[4]。

國外對(duì)裝箱技術(shù)研究較早，涉及行業(yè)廣泛。德國某集團(tuán)開發(fā)了機(jī)器人裝箱機(jī)；國內(nèi)對(duì)裝箱設(shè)備的研發(fā)也在學(xué)習(xí)、研究中不斷取得進(jìn)步。朱金達(dá)等[5]設(shè)計(jì)了一種具有上料、輸送、裝袋等包裝功能的鋼筋連接套包裝機(jī)。

鋼筋連接件自動(dòng)裝箱設(shè)備主要由機(jī)械系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成。該設(shè)備采用下落式裝箱，目的是將圖1所示的鋼筋連接件分2層，每層9個(gè)裝入紙箱當(dāng)中。

圖1 裝箱工藝圖

1 鋼筋連接件自動(dòng)裝箱設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

該設(shè)備將散亂堆放的鋼筋連接件經(jīng)過階梯上料機(jī)構(gòu)有序排列成排，再經(jīng)傳送機(jī)構(gòu)到達(dá)接料機(jī)構(gòu)等待裝箱。紙箱通過夾緊機(jī)構(gòu)裝夾在工作臺(tái)上，通過X、Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)到指定位置。Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中電磁鐵將接料機(jī)構(gòu)中的鋼筋連接件吸附，并且下移將鋼筋連接件放入紙箱當(dāng)中。電磁鐵上移回位后，紙箱移動(dòng)至下一個(gè)裝箱位置，循環(huán)動(dòng)作，依次將紙箱裝滿。該設(shè)備主要由階梯上料機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、接料機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、X方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Z方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.階梯上料機(jī)構(gòu) 2.料倉 3.鋼筋連接件 4.傳感器 5.豎直推板 6.下料板 7.傳送機(jī)構(gòu) 8.側(cè)擋板 9.限位傳感器 10.待推區(qū) 11.Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 12.接料機(jī)構(gòu)13.夾緊機(jī)構(gòu) 14.Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 15.X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖2 總體結(jié)構(gòu)圖

自動(dòng)裝箱工作過程如下：

(1) 階梯上料機(jī)構(gòu)主要由料倉、豎直推板、下料板、氣缸、傳感器組成。該機(jī)構(gòu)工作時(shí)，由內(nèi)部氣缸推動(dòng)豎直推板交替上升與下降，可將堆放在料倉中的鋼筋連接件成排運(yùn)送至上端，再由下料板轉(zhuǎn)移至傳送機(jī)構(gòu)上。料倉中安裝光電傳感器，當(dāng)料倉中鋼筋連接件減少至一定數(shù)量不能遮擋傳感器時(shí)，傳感器被觸發(fā)，無料指示燈亮，提示添料；

(2) 傳送機(jī)構(gòu)由支架、電機(jī)、皮帶、側(cè)擋板、限位氣缸、下料斗、傳感器組成。該機(jī)構(gòu)將鋼筋連接件沿著側(cè)擋板傳送至安裝在輸送帶末端的下料斗處，鋼筋連接件由下料斗下滑至接料機(jī)構(gòu)上。為了鋼筋連接件逐一供料即避免傳送帶上的鋼筋連接件干涉正在裝箱的鋼筋連接件，在輸送帶末端安裝限位氣缸與限位傳感器。擋板固定在傳送帶邊框，L形擋板與氣缸相連。兩擋板之間形成待推區(qū)域且只存放1個(gè)鋼筋連接件。傳感器安裝指向待推區(qū)域。當(dāng)電磁鐵在原位而且待推區(qū)已有料傳送過來時(shí)，限位傳感器被觸發(fā)，限位氣缸伸出，鋼筋連接件被推向指定位置后傳送至接料機(jī)構(gòu)上。同時(shí)由于L形擋板作用一直將傳送帶后面的鋼筋連接件擋住。待推區(qū)無料，限位傳感器復(fù)位，限位氣缸縮回，下一個(gè)鋼筋連接件進(jìn)入待推區(qū)域。當(dāng)裝箱完成，電磁鐵上移到位，接料氣缸與限位氣缸伸出，鋼筋連接件接著被傳送至接料機(jī)構(gòu)上，依次完成裝箱動(dòng)作。傳送機(jī)構(gòu)如圖3所示；

1.電機(jī) 2.側(cè)擋板 3.支架 4.L形擋板 5.限位氣缸 6.擋板 7.下料斗圖3 傳送機(jī)構(gòu)圖

(3) 接料機(jī)構(gòu)由安裝支架、接料架、氣缸組成。調(diào)整好下料斗與傳送帶之間的安裝角度，固定接料架與下料斗出口端之間的相對(duì)位置。這樣鋼筋連接件下滑至下料斗出口端，觸碰接料架上的小滑輪，小滑輪滑動(dòng)使鋼筋連接件改為豎直狀態(tài)，并位于接料機(jī)構(gòu)上等待電磁鐵吸附；

(4)Z方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、直線模組、連接架、電磁鐵組成。電磁鐵通電產(chǎn)生磁力，吸附接料機(jī)構(gòu)上的鋼筋連接件，接料氣缸縮回后，由直線模組帶動(dòng)向下運(yùn)動(dòng)，完成鋼筋連接件的裝箱。接料機(jī)構(gòu)與Z方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使鋼筋連接件平穩(wěn)裝入紙箱，避免鋼筋連接件在下落入箱時(shí)由于自重對(duì)紙箱以及工作臺(tái)造成沖擊破壞。接料機(jī)構(gòu)與Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)布局如圖4所示；

(5) 夾緊機(jī)構(gòu)主要由工作平臺(tái)、定位擋板、夾緊氣缸、 夾緊光電傳感器組成。工作平臺(tái)支撐桌上有T形通槽孔。2塊定位擋板通過螺釘安裝在工作平臺(tái)上。夾緊氣缸一、二分別安裝在與2塊定位擋板相對(duì)的兩端。當(dāng)操作人員將紙箱放在工作臺(tái)上時(shí)，夾緊光電傳感器被觸發(fā)。氣缸一與氣缸二伸出，推動(dòng)紙箱與定位擋板貼合，完成紙箱的夾緊定位。裝箱結(jié)束后，工作平臺(tái)將紙箱移動(dòng)至X向最前端，紙箱不能遮擋傳感器，傳感器復(fù)位。夾緊氣缸縮回，操作人員將紙箱取下，工作平臺(tái)復(fù)位。夾緊機(jī)構(gòu)如圖5所示。

1.電磁鐵 2.Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 3.小滑輪 4.接料架 5.接料氣缸圖4 機(jī)構(gòu)布局圖

1.定位擋板一 2.定位擋板二 3.紙箱 4.夾緊氣缸一 5.夾緊傳感器 6.夾緊氣缸二 7.Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架圖5 夾緊機(jī)構(gòu)圖

2 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過對(duì)裝箱設(shè)備工作原理的分析，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)控制系統(tǒng)。其氣動(dòng)控制回路如圖6所示。由氣源、氣動(dòng)三聯(lián)件、電磁換向閥、單向節(jié)流閥、氣缸組成[6]。選用二位五通電磁換向閥，并通過控制電磁鐵的通、斷電來完成氣缸的換向。其中為保證接料氣缸在接料后撤回過程的平穩(wěn)運(yùn)行，接料氣缸回路采用單向節(jié)流閥來控制氣缸伸縮速度[7]。

3 電氣控制系統(tǒng)及程序設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)總體方案

如圖7所示，裝箱系統(tǒng)采用PLC控制。為使紙箱定位準(zhǔn)確，X，Y，Z三方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用伺服電機(jī)控制。此外,選用光電傳感器型號(hào)為E3F-DS10C4。傳送機(jī)構(gòu)由電機(jī)控制，考慮到環(huán)保，階梯上料機(jī)構(gòu)、限位機(jī)構(gòu)、接料機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)均采用氣缸控制。為了方便操作人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和操作，采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，滿足裝箱需要[8-9]。

1.分水濾氣器 2.減壓閥 3.油霧器 4.二位五通電磁換向閥 5.夾緊氣缸1 6.夾緊氣缸2 7.限位氣缸 8.上料推動(dòng)氣缸 9.接料氣缸 10.單向節(jié)流閥圖6 氣動(dòng)控制回路圖

圖7 PLC控制系統(tǒng)框架

3.2 伺服電機(jī)選型與控制算法

伺服電機(jī)選用的型號(hào)是臺(tái)達(dá)ECMA-E10915ES,伺服驅(qū)動(dòng)器為ASDA-B2系列。使用該驅(qū)動(dòng)器的位置模式時(shí)，驅(qū)動(dòng)器接收位置命令即接受PLC發(fā)出的特定脈沖數(shù)，來控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)設(shè)定位置控制比例增益的值，來縮小位置控制誤差量。該工作臺(tái)上紙箱移動(dòng)路線如圖8所示。裝第一層時(shí)按圖8路線，裝第二層時(shí)紙箱按該路線反向運(yùn)動(dòng)。這樣既裝完第二層，又使紙箱回到原點(diǎn)，便于后續(xù)裝箱以及對(duì)電機(jī)的控制，提高裝箱效率。

圖8 裝箱路線

3.3 PLC選型與I/O分配

根據(jù)控制要求，需滿足輸入點(diǎn)15個(gè)，輸出點(diǎn)19個(gè)以及需要輸出高速脈沖，輸入、輸出口具體功能分配見表1，選用臺(tái)達(dá)DVP58ES200T[10]，該型號(hào)PLC為晶體管輸出。輸出口Y0, Y1, Y2, Y3可做為脈沖輸出。其中Y0,Y2頻率輸出范圍0～100000 Hz,Y1,Y3頻率輸出范圍0～10000 Hz。脈沖輸出口與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相接，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的定量進(jìn)給[11]。此外添加復(fù)位按鈕，使每次開機(jī)定位準(zhǔn)確，便于裝箱動(dòng)作的進(jìn)行。

表1 PLC I/O地址分配

3.4 程序設(shè)計(jì)

PLC控制程序采用順序控制的形式，按預(yù)設(shè)順序，逐步執(zhí)行。順序功能圖編程屬于一種新的圖形化編程方法，是用流程圖來表示一個(gè)順序控制過程，包括步、轉(zhuǎn)化條件及有向連線[12]。為了便于PLC控制程序的編寫，根據(jù)裝箱設(shè)備的運(yùn)行流程繪制了圖9所示的控制流程圖，據(jù)此編寫PLC程序順序功能圖，如圖10所示。

圖9 PLC控制流程圖

圖10 控制程序順序功能圖

4 結(jié)論

(1) 本研究設(shè)計(jì)了鋼筋連接件裝箱設(shè)備的機(jī)械、氣動(dòng)以及PLC控制系統(tǒng)，為后續(xù)的研發(fā)提供理論依據(jù)；

(2) 對(duì)鋼筋連接件入箱部分創(chuàng)新設(shè)計(jì)，依據(jù)鋼筋連接件形狀特點(diǎn)，采用電磁鐵吸附鋼筋連接件裝箱，可以解決機(jī)械手抓取不穩(wěn)的問題。設(shè)置待推區(qū)域可保證鋼筋連接件逐一供料，避免干涉。另外通過對(duì)比，設(shè)計(jì)出易于對(duì)伺服電機(jī)控制的工作臺(tái)移動(dòng)路線，提高裝箱效率；

(3) 該設(shè)備操作簡單、靈活，可節(jié)約研發(fā)成本，并且可消除人工裝箱過程中易對(duì)工人的手造成擠壓的安全隱患。