化學(xué)品包裝用鐵桶自動(dòng)清雜設(shè)備設(shè)計(jì)與研究

摘" 要：該文先分析當(dāng)前化學(xué)品包裝用鐵桶生產(chǎn)過程中，部分內(nèi)桶存在雜質(zhì)，通過人工對(duì)內(nèi)桶進(jìn)行清雜的方式引出鐵桶生產(chǎn)線生產(chǎn)效率低且生產(chǎn)成本增加等問題，提出通過研制與開發(fā)化學(xué)品包裝用鐵桶自動(dòng)清雜設(shè)備以解決內(nèi)桶清雜問題和生產(chǎn)效率低的方法，并介紹該方法具體的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路、系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣控制設(shè)計(jì)和具體的內(nèi)桶清雜過程。最后分析該設(shè)計(jì)的有益效果，經(jīng)過該設(shè)計(jì)對(duì)生產(chǎn)線的改進(jìn)，不僅節(jié)省化學(xué)品包裝用鐵桶生產(chǎn)過程人力資源成本，提高生產(chǎn)安全率，還保證產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，一定意義上實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的“無人化”。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)清雜設(shè)備;鐵桶清雜;化學(xué)品包裝用鐵桶;機(jī)械結(jié)構(gòu);電氣控制

中圖分類號(hào)：TB486" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）18-0128-04

Abstract： This paper first analyzes that there are impurities in some of the inner drums in the current production process of iron buckets for chemical packaging， which leads to the problems of low production efficiency and increased production cost of the iron drum production line by manually cleaning the inner buckets. This paper puts forward a method to solve the problem of cleaning impurities and low production efficiency by developing and developing automatic cleaning equipment for iron buckets for chemical packaging. It also introduces the specific overall design idea of the system， the mechanical structure design of the system， the electrical control design and the specific cleaning process of the inner barrel， and finally analyzes the beneficial effect of this design. Through the improvement of the production line， it not only saves the human resource cost in the production process of iron drum for chemical packaging， improves the production safety rate， but also ensures the production quality of the product. In a certain sense， it also realizes the \"unmanned mode\" of the production site.

Keywords： automatic cleaning equipment; iron drum cleaning; iron drum for chemical packaging; mechanical structure; electrical control

化學(xué)品包裝用鐵桶生產(chǎn)車間中，鐵桶焊接好后，由于焊渣掉落等原因，鐵桶內(nèi)壁可能存在焊渣、鐵屑等雜質(zhì)，若不經(jīng)過清理便封口進(jìn)入下一個(gè)制造流程進(jìn)行原材料充裝，可能會(huì)造成原材料被污染的不良后果。以前大中型企業(yè)常采用噴淋清洗的方式對(duì)鐵桶進(jìn)行全面清洗，排除桶內(nèi)外可能存在的雜質(zhì)。近年來，隨著國家對(duì)企業(yè)污水等排放限制度的加大，噴淋清洗已經(jīng)逐步被禁用，致使一些仍在使用舊一代（不帶清洗功能）鐵桶生產(chǎn)設(shè)備的小企業(yè)不得不采用人工方式對(duì)化工鐵桶內(nèi)壁進(jìn)行清雜工作。采用人工清雜的方式，不僅增加了人工使用量和使用成本，人工的加入限制了生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度，而且人工長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)出現(xiàn)疲勞后還會(huì)造成清雜工作質(zhì)量下降、鐵桶生產(chǎn)總體工作效率降低等一系列問題。

1" 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

為了解決上述所遇到的問題，提高化學(xué)品包裝用鐵桶的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)，在不更換原生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，需對(duì)鐵桶生產(chǎn)流水線進(jìn)行升級(jí)改造，增加可對(duì)鐵桶內(nèi)壁進(jìn)行清雜作業(yè)的設(shè)備，代替人工對(duì)鐵桶內(nèi)壁進(jìn)行清雜工作?？傮w設(shè)計(jì)思路：首先將鐵桶生產(chǎn)線上已經(jīng)焊接好的鐵桶從生產(chǎn)線上支起，使之脫離生產(chǎn)流水線，再將內(nèi)桶清雜裝置伸入桶中，采用類似人工擦拭的方式對(duì)內(nèi)桶進(jìn)行清掃，同時(shí)使鐵桶以一定轉(zhuǎn)速滾動(dòng)，確保鐵桶內(nèi)壁各面都得到全面的清掃除雜。

為完成上述設(shè)計(jì)，將自動(dòng)清雜設(shè)備設(shè)計(jì)成由基礎(chǔ)支架、鐵桶位置檢測(cè)傳感器、鐵桶升起及滾動(dòng)裝置、內(nèi)桶清雜裝置和系統(tǒng)運(yùn)行控制柜5部分組成。其中，基礎(chǔ)支架用于支撐整個(gè)裝置，采用鋼制材料焊接，底部設(shè)置有安裝固定孔，直接固定在地面上。鐵桶位置檢測(cè)傳感器位于基礎(chǔ)支架末端靠近鐵桶生產(chǎn)線的某個(gè)位置，用于檢測(cè)鐵桶是否到達(dá)指定工作位置。鐵桶升起及滾動(dòng)裝置位于基礎(chǔ)支架頂端，可沿基礎(chǔ)支架邊沿的縱向活動(dòng)柱做縱向移動(dòng)。內(nèi)桶清雜裝置位于鐵桶升起及滾動(dòng)裝置頂端，可沿鐵桶升起及滾動(dòng)裝置的橫向滑動(dòng)軸做橫向移動(dòng)。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示。

將本設(shè)計(jì)設(shè)備嫁接入原化學(xué)品包裝用鐵桶生產(chǎn)流水線后，系統(tǒng)的工作過程如下：當(dāng)鐵桶位置檢測(cè)傳感器檢測(cè)到鐵桶隨生產(chǎn)流水線移動(dòng)到本設(shè)計(jì)傳感器上方時(shí)，鐵桶升起及滾動(dòng)裝置將鐵桶升起，使鐵桶脫離生產(chǎn)流水線，并由升起裝置底部的滾動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)鐵桶以一定的速度滾動(dòng);同時(shí)，內(nèi)桶清雜裝置伸入鐵桶內(nèi)部，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)清掃裝置以一定的速度旋轉(zhuǎn)，對(duì)鐵桶內(nèi)壁進(jìn)行清掃，以達(dá)到去除內(nèi)桶雜質(zhì)的目的，保證內(nèi)桶干凈無塵。

2" 自動(dòng)清雜設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)思路的構(gòu)想，對(duì)鐵桶生產(chǎn)線上的鐵桶內(nèi)壁進(jìn)行清雜除塵作業(yè)主要涉及2個(gè)功能問題：一是使鐵桶脫離原生產(chǎn)流水線并使鐵桶以一定轉(zhuǎn)速滾動(dòng)，二是對(duì)鐵桶內(nèi)壁進(jìn)行清雜除塵。因此，本設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由鐵桶升起及滾動(dòng)裝置和內(nèi)桶清雜裝置兩大功能結(jié)構(gòu)組成，通過這兩大機(jī)械結(jié)構(gòu)相互間的協(xié)調(diào)作業(yè)完成生產(chǎn)線上鐵桶的內(nèi)壁清雜工作，具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1 鐵桶升起及滾動(dòng)裝置

鐵桶升起及滾動(dòng)裝置主要包括外框支架、升起氣缸、升起傳動(dòng)裝置、縱向活動(dòng)柱、鐵桶滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)齒輪組和滾動(dòng)傳動(dòng)輪7部件。其中，外框支架為本裝置各部件的固定支架，采用鋼制材料焊接而成，用于固定和支撐鐵桶升起及滾動(dòng)裝置中各個(gè)部件;升起氣缸固定在基礎(chǔ)支架內(nèi)底部，其中，升起氣缸的缸體與基礎(chǔ)支架固定安裝，其輸出軸與升起傳動(dòng)裝置相連接，將推拉力傳給升起傳動(dòng)裝置;升起傳動(dòng)裝置由一個(gè)直角機(jī)械部件及連桿組成，主要將升起氣缸提供的推拉力轉(zhuǎn)換成升降力，驅(qū)動(dòng)鐵桶升起及滾動(dòng)裝置使之沿基礎(chǔ)支架上的縱向活動(dòng)柱做升降運(yùn)動(dòng)，從而使外框支架末端的滾動(dòng)傳動(dòng)輪支起鐵桶，使之脫離生產(chǎn)線的流動(dòng)束縛;鐵桶滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為一個(gè)減速電機(jī)，固定在鐵桶升起及滾動(dòng)裝置外框支架的一個(gè)指定位置上，其輸出軸通過傳動(dòng)齒輪組將轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力傳至滾動(dòng)傳動(dòng)輪，當(dāng)鐵桶被支起后，由滾動(dòng)傳動(dòng)輪帶動(dòng)鐵桶滾動(dòng)，以便內(nèi)桶清雜裝置完成鐵桶內(nèi)壁的全面清掃工作。

2.2" 內(nèi)桶清雜裝置

內(nèi)桶清雜裝置主要包括清雜裝置外框支架、橫向滑動(dòng)軸、清雜推拉氣缸、清掃裝置支架、清掃電機(jī)和旋轉(zhuǎn)清掃裝置6部件。其中，橫向滑動(dòng)軸由左右2根組成，分別固定在清雜裝置外框支架內(nèi)兩側(cè)，2根滑動(dòng)軸上固定安裝有可沿滑動(dòng)軸滑動(dòng)的滑板，滑板上設(shè)置有清掃裝置支架安裝孔，滑板下連接清雜推拉氣缸的伸縮桿，當(dāng)清雜推拉氣缸工作時(shí)，帶動(dòng)滑板和清掃裝置支架沿滑動(dòng)軸做橫向移動(dòng);旋轉(zhuǎn)清掃裝置固定安裝于清掃裝置支架的末端，與清掃電機(jī)的輸出軸連接，當(dāng)清掃電機(jī)啟動(dòng)后，旋轉(zhuǎn)清掃裝置旋轉(zhuǎn)，以旋轉(zhuǎn)清掃的方式完成鐵桶內(nèi)部的清雜工作。

這樣，在鐵桶升起及滾動(dòng)裝置和內(nèi)桶清雜裝置的相互協(xié)調(diào)下，完成了鐵桶在生產(chǎn)線中被升起、滾動(dòng)、清雜和放回原生產(chǎn)線的一系列過程。

3" 電氣控制設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的電氣控制部分主要由電路控制系統(tǒng)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2部分組成。

3.1 電路控制系統(tǒng)

為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證裝置工作的穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)采用一塊西門子S7-1200可編程器件作為系統(tǒng)的控制核心。SIMATIC S7-1200是西門子公司新推出的一款可編程邏輯控制器，主要面向簡(jiǎn)單而高精度的自動(dòng)化任務(wù)。其集成了PROFINET 接口，采用模塊化設(shè)計(jì)并具備強(qiáng)大的工藝功能，適用于多種場(chǎng)合，滿足不同的自動(dòng)化控制需求。SIMATIC S7-1200控制器具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面等特點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用領(lǐng)城，能夠保障現(xiàn)有投資的長(zhǎng)期安全。控制器具有可擴(kuò)展的靈話設(shè)計(jì)，擁有符合工業(yè)通信最高標(biāo)準(zhǔn)的通信接口及全面的集成工藝功能，可以作為一個(gè)組件集成在完整的綜合自動(dòng)化解決方案中。

為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)工作過程中的電氣干擾，本設(shè)計(jì)采用繼電器輸出型PLC作為主控模塊，其型號(hào)為1211C DC/DC/Rly，該P(yáng)LC采用24 V電壓供電，具有6個(gè)輸入，4個(gè)繼電器輸出，其IO分配見表1。

I0.0連接啟動(dòng)按鈕，當(dāng)啟動(dòng)按鈕被按下時(shí)，該位被置1;I0.1連接鐵桶位置檢測(cè)傳感器，當(dāng)檢測(cè)到有鐵桶經(jīng)過時(shí)，該位被置1;I0.2和I0.3分別連接升起氣缸的推出傳感器和縮回傳感器;I0.4和I0.5分別連接清雜氣缸的推出傳感器和縮回傳感器，當(dāng)氣缸推出或縮回時(shí)，相應(yīng)的位被置1;Q0.0連接升起氣缸的推出電磁閥，當(dāng)該位被置1時(shí)，推出電磁閥工作，升起氣缸推出，當(dāng)該位被清0時(shí)，推出電磁閥停止工作，升起氣缸縮回;Q0.1連接鐵桶滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行繼電器，當(dāng)該位被置1時(shí)，繼電器工作，鐵桶滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)得電轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)該位被清0時(shí)，鐵桶滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)失電停止轉(zhuǎn)動(dòng);Q0.2連接清掃電機(jī)的運(yùn)行繼電器，當(dāng)該位被置1時(shí)，繼電器工作，清掃電機(jī)得電轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)該位被清0時(shí)，清掃電機(jī)失電停止轉(zhuǎn)動(dòng);Q0.3連接綠色運(yùn)行指示燈，當(dāng)該位被置1時(shí)，指示燈亮，當(dāng)該位被清0時(shí)，指示燈滅。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為了修改和查閱系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，本設(shè)計(jì)采用一塊西門子觸摸屏作為系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示屏。西門子觸摸屏又稱西門子操作面板，簡(jiǎn)稱西門子HMI。西門子HMI具有10.16～30.48 cm可調(diào)背光熒屏顯示，6.5萬色高分辨率，觸摸操作與可任意組態(tài)的按鍵均支持各種組合操作，可通過USB連接進(jìn)行項(xiàng)目傳輸，支持PROFIBUS或PROFINET通信。其面板接口有PROFIBUS/MPI接口、PROFINET/以太網(wǎng)接口、主USB接口、Mini USB接口和音頻接口，共5種。

本設(shè)計(jì)中采用的西門子HMI采用24 V供電，其型號(hào)為6AV2123-2DB03-0AX0，采用PROFIBUS接口與PLC進(jìn)行通信，通過一根網(wǎng)線將兩者連接。為了便于操作與監(jiān)視系統(tǒng)的工作狀態(tài)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)操作和系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視2個(gè)組態(tài)界面。系統(tǒng)操作界面主要由啟動(dòng)鍵、系統(tǒng)運(yùn)行速度設(shè)定、運(yùn)行時(shí)間設(shè)定等參數(shù)設(shè)定功能鍵組成，主要用于對(duì)系統(tǒng)的啟停控制和運(yùn)行速度等參數(shù)的設(shè)置;系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視界面主要由系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示、升起氣缸工作位置狀態(tài)顯示、鐵桶滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和清掃電機(jī)運(yùn)行速度顯示、系統(tǒng)工作工件累計(jì)數(shù)顯示和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間顯示等狀態(tài)內(nèi)容，通過這些顯示內(nèi)容可查看整個(gè)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的工作情況，了解系統(tǒng)工作狀態(tài)。

本系統(tǒng)的軟件控制工作流程如下：當(dāng)系統(tǒng)上電后，HMI首先進(jìn)入開機(jī)自檢界面，系統(tǒng)對(duì)各部件的傳感器、電機(jī)、氣缸等器件的工作情況進(jìn)行自檢，當(dāng)各器件都能正常工作后，自檢功能通過，HMI停留在系統(tǒng)操作界面上，等待操作人員啟動(dòng)系統(tǒng);當(dāng)操作人員按下啟動(dòng)鍵后，系統(tǒng)按照清雜程序設(shè)定的順序依次啟動(dòng)氣缸和電機(jī)等相應(yīng)的執(zhí)行部件，設(shè)備根據(jù)設(shè)定參數(shù)對(duì)鐵桶內(nèi)壁進(jìn)行清雜工作狀態(tài)，同時(shí)，HMI界面跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視界面，顯示系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的工作狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，操作人員可在系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視界面中點(diǎn)擊“返回”鍵返回系統(tǒng)操作界面，以便對(duì)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行操作和設(shè)置。

4" 有益效果

本設(shè)計(jì)針對(duì)化學(xué)品包裝用鐵桶生產(chǎn)設(shè)備中存在的問題，提出了在不改動(dòng)原有生產(chǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一款化學(xué)品包裝用鐵桶自動(dòng)清雜設(shè)備，嫁接入原生產(chǎn)設(shè)備流水線，替代人工完成內(nèi)桶清雜作業(yè)的解決方案，具有以下多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

1）本裝置可直接嫁接到原生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)流水線上，無須更換原舊設(shè)備，為企業(yè)節(jié)省了因購置新設(shè)備而投入的巨額生產(chǎn)成本。

2）節(jié)省人力資源成本。按現(xiàn)在每條生產(chǎn)線2名工人從事清雜作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)配備，4條生產(chǎn)線則要配備8名工人，以平均月工資及福利為4 500元/人、伙食補(bǔ)助約200元/人進(jìn)行計(jì)算，該工段一年的直接人工費(fèi)約為451 200元（未包含工人的其他事項(xiàng)開支）;若采用本項(xiàng)目研發(fā)設(shè)備，設(shè)備運(yùn)行功率約5 kW，運(yùn)行時(shí)間8 h/d，電費(fèi)為1.2元/度，則4臺(tái)設(shè)備一年設(shè)備運(yùn)行的電費(fèi)約為70 272元;每月定期保養(yǎng)1次，每次約1 000元/臺(tái)，則4臺(tái)設(shè)備一年的保養(yǎng)費(fèi)用約為48 000元，則該工段由自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行所產(chǎn)生的總費(fèi)用約為118 272元，與雇傭工作進(jìn)行作業(yè)相比，直接人工費(fèi)少了332 928元，極大地降低了生產(chǎn)成本。

3）提高生產(chǎn)安全率。采用本設(shè)計(jì)研發(fā)的設(shè)備對(duì)鐵桶內(nèi)進(jìn)行清雜作業(yè)，從某種意義上實(shí)現(xiàn)了一定的“無人化”生產(chǎn)，避免人工生產(chǎn)可能出現(xiàn)的安全事故，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)過程的安全性。

4）保證產(chǎn)品質(zhì)量。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)全按設(shè)定好的程序運(yùn)行，每個(gè)清雜步驟、每個(gè)清潔動(dòng)作均與上個(gè)產(chǎn)品一致，保證了產(chǎn)品質(zhì)量維持在最優(yōu)指標(biāo)附近，因此產(chǎn)品生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益得到有效保證，產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。

5）生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)無人化。采用本設(shè)計(jì)的設(shè)備進(jìn)行清雜工作后，生產(chǎn)線省去了原有的人工清雜作業(yè)，生產(chǎn)線從鐵皮材料入口到鐵桶桶壁的形成，全程除了人工啟動(dòng)設(shè)備外，生產(chǎn)過程不涉及人工直接作業(yè)，使得老舊設(shè)備也能實(shí)現(xiàn)“無人化”生產(chǎn)。

5" 結(jié)束語

綜上，本化學(xué)品包裝用鐵桶自動(dòng)清雜設(shè)備以西門子PLC作為系統(tǒng)控制核心，以西門子HMI作為與PLC通信和控制的橋梁，同時(shí)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，將研制出的設(shè)備嫁接入原鐵桶生產(chǎn)流水線，代替人工對(duì)化學(xué)品包裝用鐵桶進(jìn)行內(nèi)桶清雜作業(yè)，不僅節(jié)省了人力資源，降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)的安全率，還保證了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，在一定意義上實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的“無人化”。

參考文獻(xiàn)：

[1] 段文軍，徐國寶，屠鳳蓮，等.20L鐵桶自動(dòng)灌裝機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].包裝與食品機(jī)械，2021，39（2）：68-71.

[2] 劉雄心，劉金輝，劉軍，等.雙面鋁箔包裝機(jī)自動(dòng)對(duì)標(biāo)裝置的設(shè)計(jì)[J].包裝與食品機(jī)械，2018，36（1）：40-43.

[3] 彭彬，王紹亞.巡檢機(jī)器人在無人值守變電站的應(yīng)用探究[J].電子世界，2017（1）：157，159.

[4] 楊新順.基于多控制器的包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2017，38（11）：165-169.

[5] 藍(lán)日衛(wèi)，朱名強(qiáng)，梁飄，等.鈦白廢酸電極加熱器的設(shè)計(jì)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（33）：91-92.

[6] 高浩亮.紡收式采棉機(jī)籽棉預(yù)清理裝置的研究[D].石河子：石河子大學(xué)，2010.