基于PLC的集装箱地板钻孔装置系统设计.pdf

2 0 1 4年 1 0月 第 4 2卷 第 2 0期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS 0c t ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 2 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 2 0 ． 0 0 4 基于 P L C的集装箱地板钻孔装置系统设计 王晓磊 ，李晓丹 辽宁工业大学机械工程与 自动化学院， 辽 宁锦 州 1 2 1 0 0 1 摘要集装箱木地板的安装主要由工人手工划线、钻孑 L 、锁钉来完成，因此会造成集装箱产品质量不高、生产效率低 等问题。介绍一钻孔专机，解决了生产中的关键问题。介绍了该专机的结构及定位原理，给出了控制系统的硬件结构，绘 制了流程图。实践证明该专机既降低了操作人员的劳动强度 ，又提高了生产效率，使钻孔的位置更加准确，从而提高了 集装箱地板的装配质量，同时降低了集装箱的生产成本 ，提高了企业的经济效益。 关键词 P L C ；集装箱 ；钻孔 中图分类号 r P 2 7 3 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 2 0 0 1 2 3 De s i g n o f Dr i l l i n g De v i c e S y s t e m f o r Co n t a i n e r F l o o r B a s e d o n PLC W ANG Xi a o l e i ，LI Xi a o d a n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r a n d A u t o m a t i o n ， L i a o n i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， J i n z h o u L i a 0 n i n g 1 2 1 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Be c a u s e t h e c o n t a i n e r wo o d fl o o r i n s t a l l a t i o n i s ma i n l y fi n i s h e d d e p e n d i n g o n w o r k e r s ma n u a l ma r k i n g ，d r i l l i n g，l o c - k i n g ，t h e q u e s t i o n s c o me u p s u c h a s l o w p r o d u c t q u a l i t y a n d p r o d u c t i o n e f fi c i e n c y ．A s p e c i a l d ril l i n g ma c h i n e w h i c h wa s u s e d t o s o l v e t h e k e y p r o b l e ms i n p r o d u c t i o n wa s i n t r o d u c e d ． I t s s t r u c t u r e a n d p o s i t i o n i n g p rin c i p l e we r e i n t r o d u c e d ，P L C c o n t r o l s y s t e m s t ruc t u r e wa s g i v e n a n d P L C ma i n p r o g r a m f u n c t i o n b l o c k d i a g r a m w a s d r a wn ．T h e p r a c t i c e h a s p r o v e d t h a t t h e s p e c i a l ma c h i n e n o t o n l y r e d u c e s t h e l a b o r i n t e n s i t y o f o p e r a t o r s ，b u t a l s o i mp r o v e s t h e p r o d u c t i o n e f fi c i e n c y ，t h e l o c a t i o n o f t h e d ril l i s mo r e a c c u r a t e ．T h u s t h e q u a l i t y o f t h e c o n t a i n e r fl o o r a s s e mb l y i s i mp r o v e d，a n d t h e p r o d u c t i o n c o s t o f c o n t a i n e r i s r e d u c e d，a t t h e s a me t i me t h e e c o n o mi c b e n e fi t o f e nt e r p ris e i s i mp r o v e d． Ke y wo r d s P L C；Co n t a i n e r fl o o r ；Dri l l i n g 集装箱 ，是一 种用于货 物周转 的大型装 货容器 ， 具有 一定 的强度 和刚度 ，在 中途换 车或换船 时无需将 货物取出换箱 ，因此集装箱在船舶、港 口、桥梁、隧 道、多式联运相配套的物流系统中广泛使用 ，已实现 了标准化生产制作。 目前 ，大多数 的集装箱厂家都采用人工划线 、钻 孔 、锁钉 ，劳动强度巨大 ，生产效率低 ，产 品质量 不 高 。针对此 问题 ，文 中提 出 了采用 P L C控 制 的 自动 钻孑 L 装置来代替工人手动钻孔操作。 1 结构组成简介 集装箱自动钻孔装置如图 1 所示 ，主要由以下几 部分组成 7 装箱 自动钻孔装置 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 2 6 基金项目辽宁省教育厅重点实验室项 目 1 s 2 0 1 0 0 8 0 作者简介王晓磊 1 9 7 9 一 ，男，硕士，讲师，研究方向为自动控制。Em a i l w x l g x y 1 2 6 ． c o n。 l 一 钻孔 装置 2 一 同步 带传 动 3 一 左右 平移 导 轨 幸 一钻孔 平 台 5 _ _ 回转 步进 电机 6 一 集装 箱侧 壁 卜左右 平移 气 缸 仞日 H 第 2 O期 王晓磊 等基于 P L C的集装箱地板钻孔装置系统设计 1 3 1 车体行走 部分 。主要 带动 钻孔装 置 的移 动 ， 实现钻孔定位功能。车体的驱动主要由伺服电机、减 速器及同步带传递到车体后轴 ，实现车体的移动及定 位功能。 2 平台的对中装置。对中装置由气缸和直线 导轨组成。当车体与箱体不在同一中心线时，两侧气 缸自动对中。 3 工作 台 回转装 置 。该装 置 主要 通 过步 进 电 机与齿轮传动 ，实现钻工作台的回转定位。 4 钻孔装置采用 电机带动同步带实现钻头的 旋转，气缸下压实现进给，共 1 0个钻孔装置，一次 可完成一排 的钻孔 。 2 系统的技术难点 1 如何保证车体走直线 由于钻孑 L 过程在集装箱内部进行 ，如何保证车体 沿集装箱中线行走是一个技术难点。该装置采用加大 车体轮子宽度的方法实现，同时采用对中装置实现车 体平台自动对 中。 2 车体钻孔定位 钻孔之前 ，如何保证钻头在集 装箱的每条横梁的中心线上是另一 个技术难点 。如图 2所示 。由于采 用人工焊接集装箱横梁，所以在焊 接的过程中横梁不一定会和集装箱 的车体垂直 ，但在钻孔的过程中要 使钻孔的位置在横梁的中心线上。 图2 钻孔示意图 解决方法 在车体上对称安装两个传感器来感应 检测横梁的边缘，如图 3所示 。A B C D为横梁边缘的 俯视图。 为横梁钻孔的中心线，0为左侧检测到信 号而右侧没检测到信号的平台回转中心，0 为右侧 检测到信号 的平 台回转 中心。点 E 、F为传感器位 置，且左侧传感器先检测到 ，右侧无信号，这时车体 继续前进 ，直至右侧传感器检测到信号，此时两传感 器的位置为 E 。 、F ，但并不在钻孔 中心线上 ，此时 前进的距离为 h 。此时可将过程分为两步车体平台 旋转 角，此时传感器所在的位置为 、F 2 ；车体 再前行 d即可到达钻孔中心线上 ，两步同时进行 ，节 省时间。 为第二个传感器检测到横梁时两传感器的 中点 ，G为旋转 后两传感器的中点。设两传感器的 距离为 n ，第一个传感器检测到横梁与第二个传感器 检测到横梁的距离为 h ，横梁的宽度为 e ， c 为车体旋 转 后传感器位置前行的距离。根据示意图 3可知工 作 台旋转角度为 a r c t an旦 车体前进的距离 d为 G H o 。 G s i n 导 c GH t a n 0 ， e h d 一 一 最后将得到的角度与距离转换成脉冲当量分别送 给步进电机和伺服电机。由于横梁摆放倾斜的角度很 小，故横向的偏离误差在位置误差的范围内。 图 3 定位分析图 3 控制 系统的硬件组成 设计 中 采 用 的是 三 菱 公 司 生 产 的 F 2 N 系 列 的 F 2 N 1 2 8 MT P L C，外加一 1 6 E X的输入扩展模块。在设 备运行过程中，主要采用传感器采集信息传送给 P L C 进行处理 ，根据实际需要确定所需 I ／ O口。具体 I ／ O 口分配如表 1所示。伺服电机主要用来驱动车体行 走 ，步进 电机用 于工作台旋转 。钻孔 电机采用统一控 制 ，共控 制 1 0台 。钻孔 下压 气缸 采用分 别控 制 。模 式转换 主要是实现伺 服 电机 的速度 和位 置控制 转换 ， 在车体行走过程中采用速度控制 ，当要实现位置纠正 时采用位置控制。 1 4 机床与液压 第4 2卷 表 1 输入输 出地址分配 4软件编程 系统复位可分为手动复位和上电复位。上电复位 为 P L C的首个 扫 描周期 自动复 位 ，手 动复 位是 通 过 人按下手 动按钮 复位。程 序可分 为 自动程序和手动程 序。手动程序主要用来调试和维修使用。在 自动程 序时，车体在行进过程 中，检测横梁的两个传感器 会先后检测到两个信号 ，通过这两个信号可判断车 体工作台为左转还是右转 ，同时计算 出工作 台所需 旋转的角度以及车体的位移，实现车体前移和工作 台的旋转 ，使钻孔位置保证在横梁 的中心线上。钻 头上升的过程中钻头一直旋转 ，只有钻头上升到位 时才可以停转。由于集装箱地板为几块拼接而成 ， 所 以要判 断是否 为接 缝 ，在接 缝处 为 同一 梁 ，不 能 用边沿 判断，直 接行进至两排钉 的中心线距离钻 孔。具体的流程如图 4所示。根据流程 图编制 了相 关 的软件程序。 塑 l 系统复位 丁 N- Y 7 - g Y l 竺 竺 兰 茎 检测 到 梁记 录 点 2 计算 点 1 、点 2 距 离 算 出 O和前 进距 离 d 工作台旋转和车体前进 工 作 台反转 回 中心 前进 钻 孔距 离 下压 钻孔 成 钻头上升 l 图 4 流程 图 N 钻 孔 结束 ＼／ ￡二 车体 后遢 下转第3 0页 3 O 机床与液压 第 4 2卷 作用。通过整理和分析各档轴颈初始跳动数据 如 表 1 所示 ，采用上述支撑定位方法可以满足加工要 求。之后 ，经过粗车修正曲轴各个轴颈，保证各个轴 颈间相对精确的同轴度和曲轴整体的直线度。 表 1曲轴跳动表 在进行第一次从头到尾的曲轴跳动整体修正，修 好轴颈的圆柱度的过程中，由于某些轴颈存在较大椭 圆度 ，选择全部采用中心支撑的方法。先将各档 轴颈 椭圆度车去，再进行跳动的修正，减少椭圆度给跳动 带来的影响。表 2是粗加工后个轴颈 的跳动情况 ，根 据数值可知，上述加工方法所得的各轴颈值符合加工 要求。 表 2 粗加 工 轴颈号跳动数值／ mm 轴颈号跳动数值／ m m 1 0． 1l 5 O． 2 5 2 0． 06 6 0． 84 3 O． 11 7 0． 3 4 0 ．2 随后的精车，目的是修正曲轴达到设计要求。目 前，德国采用的是在车床上主轴颈全部用斜支撑 ，每 加工好一个主轴颈就将其换成中心支撑 ，直到加工完 成。日本采用的是将第 1 、4 、7号主轴颈用斜支撑 ， 3 、5 、6 号主轴颈用中心支撑，同时以 2号主轴颈为 基准进 行加工 ，加工 过程 中支撑不 改变 。 综 合上边 两种方法 的优 点并 根据实 际加工 条件 ， 全部采用斜支撑定位 ，来保证定位的精度。加工哪个 主轴颈就把那个主轴颈的支撑撤去 ，使加 工处 的轴颈 档处于 自由状态，而相邻两端轴颈档用斜支撑 。加 工中，不断地用百分表测各 曲拐的开档度，从而计 算出曲轴颈的不平行度 ，之后根据加工经验微调支 撑 ，直到满足加工要求 。这种中心架支撑的组合 使用方法能获得更高的加工质量并可有效提高生产 效率 。 4结论 曲轴精加工过程中，在传统装夹方法的基础上， 增加中心支架支撑组后 ，能够显著提高曲轴加工精 度 ，但同时由于支架会相互影响，调节其中一个会影 响全部主轴颈的加工精度，很难准确确定支架需要调 整的方向和高度 。实际生产中，进行调节时，通过 测量拐档之间的相互影响，反复调试，生产效率低。 运用先进的激光测量技术、计算机模拟仿真技术辅助 进行 中心支架的调整 ，对半组合式船用曲轴的加 工效 率和质量的提高将具有重要指导意义。 参考文献 [ 1 ]樊晓霞， 张建斌 ， 李海刚． 基于 A N S Y S的六缸柴油机曲 轴的模态分析 [ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 0 0 8 9 1 0 7 1 0 8． [ 2 ]张青雷， 郭井宽． 基于仿真技术的船用曲轴精加工校调 工艺研究[ J ] ． 上海电气技术， 2 0 0 8 ， 1 1 3 9 4 4 ． [ 3 ]MO U R E L A T O S Z P ． A C r a n k s h a f t S y s t e m Mo d e l f o r S t rnc t u r a l Dy n a mi c An s l y s i s o f I n t e r na l Co mbu s t i o n En g i ne s [ J ] ． C o m p u t e r s a n d S t r u c t u r e ， 2 0 0 1 ， 7 9 2 0 ／ 2 1 2 0 0 9 2 02 7． [ 4 ]王先逵． 机械加工工艺手册[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 8 ． [ 5 ]于骏一， 邹青． 机械制造技术基础[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 6 ]周俊栋， 潘峰． 6 R T - F L E X 8 2 C超大型曲轴精加工工艺研 究[ J ] ． 上海电气技术电， 2 0 1 0 ， 3 4 3 0 3 3 ． [ 7 ]刘玉岩， 任光胜． 船用柴油机的大型曲轴机械加工工艺 浅析[ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 0 0 8 1 2 2 4 2 2 4 3 ． [ 8 ]俞水良， 陈汝珍 ， 徐汉章， 等． 基于 A N S Y S的错拐曲轴有 限元分析[ J ] ． 内燃机工程 ， 2 0 0 7 ， 2 8 2 6 56 8 ． 上接 第 1 4页 5结束语 实践证明采用专机可大大提高集装箱钻孔的效 率，钻孔更准确，节省了人工划线钻孔工序 ，降低了 劳动强度。同时该控制系统控制简单、方便。 参考文献 [ 1 ]王明武． 基于 P L C的全 自动铝锭码垛机设计[ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 1 2 ， 4 0 2 6 2 6 4 ． [ 2 ]王晓磊， 李晓丹． 基于 P L C的高压测漏机控制系统设计 与分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 3 ， 4 1 8 1 0 21 0 3 ． [ 3 ]肖艳军 ， 李磊， 周婧， 等． 基于 P L C的 自动续料机械手 [ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 1 2 1 5 21 5 3 ． [ 4 ]朱凌宏． 基于 P L C的液压驱动式机械手动作设计 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 6 7 9 8 0 ． [ 5 ]范金玲． 基于 P L C的气动机械手控制系统设计[ J ] ． 液 压与气动， 2 0 1 0 7 3 6 3 8 ．