基于PLC 的集裝箱地板鉆孔裝置系統(tǒng)設(shè)計

王曉磊，李曉丹

(遼寧工業(yè)大學機械工程與自動化學院，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，勞動強度巨大，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量不高。針對此問題，文中提出了采用PLC 控制的自動鉆孔裝置來代替工人手動鉆孔操作。

1 結(jié)構(gòu)組成簡介

集裝箱自動鉆孔裝置如圖1 所示，主要由以下幾部分組成:

圖1 集裝箱自動鉆孔裝置

(1)車體行走部分。主要帶動鉆孔裝置的移動，實現(xiàn)鉆孔定位功能。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軌組成。當車體與箱體不在同一中心線時，兩側(cè)氣缸自動對中。

(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)鉆工作臺的回轉(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。

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是一個技術(shù)難點。該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技術(shù)難點。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。

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。點E、F 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 為第二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二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F2N 系列的F2N128MTPLC，外加一16EX 的輸入擴展模塊。在設(shè)備運行過程中，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，在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。

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，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。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的效率，鉆孔更準確，節(jié)省了人工劃線鉆孔工序，降低了勞動強度。同時該控制系統(tǒng)控制簡單、方便。

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