（测试计量技术及仪器专业论文）干粉灭火器自动灌装线的研制.pdf

中文摘要 干粉灭火器，作为常用灭火器材，因其具有流动性好，喷射率高，不腐蚀容 器和不易变质等优良性能，具有广泛的市场需求。然而围内干粉灭火器的生产目 前还是以灌装机单瓶灌装模式为主，需要较多的人工辅助，生产速度慢，效率低， 成本高，难以满足市场需求。 本课题根据干粉灭火器自动灌装的要求，经过充分的市场调研，详细设计了 高精度干粉自动灌装线，完成了生产线的总体设计和制造，最终完整研制出一台 “高精度、快速干粉自动灌装线”样机，功能已达到设计指标的要求。目前，已 经开始自动灌装线整机的规模生产，填补了该领域国内的空白，研制成果在国内 外同类产品中具有明显优势和很高的实用价值。 论文主要研究内容和工作如下： 1 、进行了国内外干粉灭火器灌装状况的调研工作，确定了以p l c 为控制核 心的自动控制生产线； 2 、根据干粉灭火器的灌装要求，参与了自动灌装生产线的总体设计和装配 调试；设计出一套完整的干粉灭火器自动灌装线，包括机械系统设计、 定位与检测系统设计及控制系统设计； 3 、机械设计部分中，以确保灌装精度为出发点，提出分步灌装的新方法； 以确保旋紧密封可靠性为出发点，提出了旋紧喷嘴的万向节机构；为了 确保生产速度和动作的稳定性，提出采用滚子链传送替代皮带传送，在 滚子间隙安装可伸缩挡杆限位法，配合接近传感器，实现了灭火器传输 定位的闭环控制； 4 、测控系统设计部分中，独立完成了系统控制软件的编制和传感器的选 择，配合机械、电控系统实现了干粉灭火器的自动化灌装； 5 、进行了高精度干粉灭火器自动灌装线的精度标定及可靠性检定实验，对 引起系统灌装误差的因素进行了分析和归纳，并提出了改进方向。 关键词：灌装线干粉灭火器自动控制p l c a b s t r a c t d r yp o w d e rf i r ee x t i n g u i s h e r s ，a sc o m m o n f i r e f i 曲t i n ge q u i p m e n t s ，h a v e e x t e n s i v em a r k e td e m a n db e c a u s eo ft h e i rm o b i l i t y , h i g hi n j e c t i o nr a t e ，n o tc o r r o d i n g c o n t a i n e r s ，n o n p e r i s h a b l e a n do t h e r g o o dp e r f o r m a n c e h o w e v e r , d o m e s t i c p r o d u c t i o no fd r yp o w d e rf i r ee x t i n g u i s h e r si ss t i l l i ns i n g l e b o t t l ef i l l i n gp a t t e r n ，s o t h a tm a n yw o r k e r sa r en e e d e d a sl o wp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , i ti sd i f f i c u l t t om e e t m a r k e td e m a n d s a c c o r d i n gt o 也ed r yp o w d e rf i r ee x t i n g u i s h e ra u t o m a t e df i l l i n gd e m a n d s a n da l o to f m a r k e tr e s e a r c h ，a l la u t o m a t e dp o w d e rf i l l i n gp r o d u c t i o nl i n ew a sd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e d u l t i m a t e l y , a ”h i g hp r e c i s i o n ，f a s t ，a u t o m a t e dp o w d e rf i l l i n g l i n e ” p r o t o t y p ei sd e v e l o p e d t h ef u n c t i o nr e a c h e dt h ed e s i g no b j e c t i v e s a tp r e s e n t ，t h e a u t o m a t i cf i l l i n gl i n eu n i th a sr e a l i z e dac e r t a i na m o u n to fp r o d u c t i o n r e s e a r c h a c h i e v e m e n t sh a v eo b v i o u sa d v a n t a g e sa n dh i g hp r a c t i c a lv a l u ei nd o m e s t i ca n d f o r e i g np r o d u c t s t h i sp a p e rs t u d i e sa n dw o r k sa sf o l l o w ： 1 ) w i t ht h ei n v e s t i g a t i o ni nt h i sf i e l da th o m ea n da b r o a d ，p l c i su s e da st h e c o n t r o lc o r eo ft h ea u t o - c o n t r o lp r o d u c t i o nl i n e ； 2 ) a c c o r d i n gt ot h ed r yp o w d e ra u t o m a t e df i l l i n gd e m a n d s ，ac o m p l e t es e to f d r yp o w d e rf i r ee x t i n g u i s h e r sa u t o m a t i cf i l l i n g l i n ei sd e s i g n e di n c l u d e m e c h a n i c a ls y s t e m sd e s i g n ，l o c a t i o na n dd e t e c t i o ns y s t e md e s i g na n dc o n t r o l s y s t e md e s i g n ； 3 ) a s as t a r t i n gp o i n tt oe n s u r ef i l l i n ga c c u r a c y , t h es e p a r a t ef i l l i n gi sg i v e na sa n e wm e t h o d ；t oe n s u r es e a l e dr e l i a b i l i t y , t h eu n i v e r s a lj o i n ti su s e dt ot u r nt h e n o z z l e ；c o n c e r n i n gt h es p e e da n d m o v e m e n to fs t a b i l i t y , ar o l l e rc h a i nd r i v e t r a n s m i s s i o ni su s e dt or e p l a c et h eb e l tt r a n s m i s s i o n t e l e s c o p i cr o d sa r e i n s t a i l e di nr o l l e rg a p s ；w i t hp r o x i m i t ys e n s o r , t h ec l o s e d l o o pc o n t r o lo f f i r e e x t i n g u i s h e r st r a n s m i s s i o np o s i t i o n i n gi si m p l e m e n t e d ； 4 ) c o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e di n d e p e n d e n t l y , i n c l u d i n gs e n s o r ss e l e c t i o na n d s o f t w a r ed e s i g nf o rc o n t r o l i n gt h ep r o d u c t i o n w i t ht h em a c h i n e r y , e l e c t r i c c o n t r o ls y s t e m a u t o m a t i o ni sr e a l i z e do fd r yp o w d e rf i r ee x t i n g u i s h e r sf i l l i n g l i n e ； 5 ) e x p e r i m e n t sa r ec o m p l e t e do nd r y p o w d e rf i l l i n ga u t o m a t e d p r o d u c tl i n e c a l i b r a t i o na c e t l l a c ya n dr e l i a b i l i t yt e s t s t h ef a c t o r sw h i c hc a u s e dt h ef i l l i n g e r r o ro ft h es y s t e ma r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d ，a n dt h ed i r e c t i o no f i m p r o v e m e n ti sm a d e k e y w o r d s ：f i l l i n gl i n e ，d r yp o w d e rf i r ee x t i n g u i s h e r s ，a u t o m a t i cc o n t r o l ，p l c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：毅洪峰 签字日期 2 ，p 7 年 二月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：录漤i 车 签字日期：z p 。7 年 月7 日 导师签名： 哆诼j 丸 签字嗍叩年石月目日 第一章绪论 1 i 引言 第一章绪论 人们常说，水火无情，火灾每年都要给人民的生命安全和财产造成重大损失。 据消防部门统计，仅2 0 0 6 年一年，全国共发生火灾2 2 2 ，7 0 2 起，死亡1 ，5 1 7 人，受 伤l ，4 1 8 人，直接财产损失7 8 4 ，4 6 8 ，4 11 元，其中重大火灾1 8 1 起，死亡2 8 8 人，伤 8 4 人，损失8 1 ，4 3 3 ，5 0 4 元。发生特大火灾2 0 起，死亡3 9 人，伤1 3 人，损失9 5 ，4 1 5 ，2 8 6 元。其中一次死亡1 0 人以上的群死群伤火灾3 起，死亡3 8 人，伤5 人，损失8 ，1 3 6 ，3 3 4 元。 火灾造成的损失是巨大的，因此防火安全措施便显得尤为重要。随着社会经 济的发展，建设规模的不断扩大，火灾所造成的危害和损失也越来越大，这促使 人们对消防安全重视程度不断提高，消防器材的需求也不断扩大。作为常用灭火 器材的干粉灭火器，因其具有流动性好，喷射率高，不腐蚀容器和不易变质等优 良性能，除可用来扑灭一般火灾外，还可用来扑灭油、气等燃烧引起的火灾，已 经得到普遍应用并具有广泛的市场需求。然而国内干粉灭火器的生产目前还是以 单机灌装模式为主，且前、后序工作都需要人工操作，生产速度慢，效率低，成 本高，难以适应现代工业化生产的要求，市场上迫切需要一种能够自动化灌装， 操作简便，价位合理的灌装生产设备。 1 2 干粉灭火器 1 2 1 干粉灭火器的分类 在配备干粉灭火器前，首先要清楚一个基本道理即火灾的分类。依据国家标 准消防火灾分类的规定，将火灾分成a 、b 、c 、d 四类，分别指： a 类火灾：固体物质火灾。这种物质往往具有有机物性质，一般在燃烧时能 产生灼热的佘烬。比如木材、棉麻、纸张等火灾。 b 类火灾：指液体火灾和可熔化的固体物质火灾。如汽油、煤油、原油、甲 醇、乙醇、沥青等火灾。 c 类火灾：指气体火灾。如天然气、氢气、甲烷、煤气等。 d 类火灾：指金属火灾。如钾、钠、钛、锂、铝镁合金火灾。 第一章绪论 干粉灭火器的分类。干粉灭火器以液态二氧化碳或氮气作动力，驱使灭火器 内干粉灭火剂喷出进行灭火。作为扑灭初期火灾常用的灭火器材，常见有b c 和a b c 两类。在配备这类灭火器时，要根据具体的使用情况，主要是根据使用场所可燃 物的燃烧情况，分别选择不同类型的干粉灭火器。 1 、b c 干粉灭火器。这类灭火器充有b c 类干粉，可以扑灭b c 类火灾。适用于 易燃、可燃液体、气体及带电设备的初期火灾，不适合固体类物质火灾。因此， 在配电房、厨房、机房等类易发生可燃液体气体火灾和带电火灾的场所，可配备 b c 类干粉灭火器。当然，此类场所也可配备a b c 干粉灭火器。 2 、a b c 干粉灭火器。这类灭火器可扑救固体、液体、气体火灾，适用范围最 广。可用于各类公共场合、办公场所、宾馆、饭店、汽车、轮船甚至家庭，但不 得用于扑救轻金属材料火灾。 如果按移动方式分类，干粉灭火器还可分为手提式、背负式和推车式三种。 1 2 2 干粉灭火器的灭火原理及使用方法 干粉灭火器内充装的是干粉灭火剂。干粉灭火剂是用于灭火的干燥且易于流 动的微细粉末，由具有灭火效能的无机盐和少量的添加剂经干燥、粉碎、混合而 成的微细固体粉末组成。它是一种在消防中得到广泛应用的灭火剂，且主要用于 灭火器中。除扑救金属火灾的专用干粉化学灭火剂外，干粉灭火剂一般分为b c 干粉灭火剂和a b c 干粉两大类。如碳酸氢钠干粉、改性钠盐干粉、钾盐干粉、磷 酸二氢铵干粉、磷酸氢二铵干粉、磷酸干粉和氨基干粉灭火剂等。干粉灭火剂主 要通过在加压气体作用下喷出的粉雾与火焰接触、混合时发生的物理、化学作用 灭火：一是靠干粉中的无机盐的挥发性分解物，与燃烧过程中燃料所产生的自由 基或活性基团发生化学抑制和副催化作用。干粉喷入燃烧区与火焰混合时，粉粒 便与火焰中的自由基接触而把它瞬时吸附在自己的表面，形成了不活泼的水。所 以借助粉粒的作用，可以消耗火焰中的自由基0 h 和h 。当大量的粉粒以雾状形式 喷向火焰时，可以大大吸收火焰中的自由基，使其数量急剧减少，从而中断燃烧 的链锁反应，使火焰熄灭；二是使用干粉灭火时，浓云般的粉雾包围了火焰，可 以减少火焰对燃料的热辐射；同时，粉粒受高温的作用，将会放出结晶水或发生 分解，这样不仅可以吸收部分热量，而且分解生成的不活泼气体又对燃烧区内氧 的浓度有稀释作用，干粉灭火剂对人、畜是无毒或低毒，但有强烈的窒息作用。 干粉灭火器最常用的开启方法为压把法，将灭火器提到距火源适当距离后， 先上下颠倒几次，使筒内的干粉松动，然后让喷嘴对准燃烧最猛烈处，拔去保险 销，压下压把，灭火剂便会喷出灭火。另外还可用旋转法。开启干粉灭火棒时， 左手握住其中部，将喷嘴对准火焰根部，右手拔掉保险卡，顺时针方向旋转开启 2 第一章绪论 旋钮，打开贮气瓶，滞时1 - 4 秒，干粉便会喷出灭火。 1 3 灭火器灌装生产的控制技术 工业生产中，控制系统核心常常采用继电器搭建或p l c 控制。对于由继电器 控制装置构成的自动控制系统，每一次设计或改进都直接导致继电器控制装置的 重新设计和安装，十分费时、费工、费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。因此， 可编程控制器这一控制装置应运而生，并取代了继电器控制装置。可编程控制器 ( p l c ) 是以微处理器为核心的工业控制装置。它将传统的继电器控制系统与计 算机技术结合在一起，具有可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等特点， 近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普通应用，越来 越多的工厂设备采用p l c 、变频器、人机界面等自动化器件来控制，使设备自动 化程度越来越高【l 】。现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。 可编程控制器( p l c ) 由于具有以下特点而深受工程技术人员的欢迎： 1 ) 可靠性高，抗干扰能力强 其平均无故障时间大大超过i e c 规定的1 0 万小时，同时，有些p l c 还采用了冗 余设计和差异设计，进一步提高了其可靠性； 2 ) 适应性强，应用灵活 多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便： 3 ) 编程方便，易于使用 梯形图语言和顺控流程图语言( s e q u e n t i a lf u n c t i o nf i g ) 使编程简单方便； 4 ) 控制系统设计、安装、调试方便 设计人员只要有p l c 就可进行控制系统设计，并可在实验室进行模拟调试； 5 ) 维修方便，工作量小 p l c 有完善的自诊断、历史资料存储及监视功能，工作人员可以方便的查出 故障原因，迅速处理： 6 ) 功能完善 除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能块，还 可以实现点位控制、p i d 运算、过程控制、数字控制等功能，既方便工厂管理又 可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。 由于具有以上特点，使得p l c 的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂、有 控制要求，就会有p l c 的应用。 第章绪娩 14 干粉灭火器灌装生产的国内外现状 曰前同内f 一粉灭火器的生产丰要依靠灌装机进行单瓶灌装，如t 海宅长消防 器材有限公司的g m f b 型f 粉火火器满装机如图1 - 1 所示。北京市海淀消防器 材厂的9 g j l 5 0 一i l l 型干粉灌装机，以及河匕省饶阳县试压泵厂的g f m 8 2 自动型干 粉机灌装机等。这些设各的生产能力火都在每小时3 0 4 0 瓶( 古装卸瓶时间以8 公斤灭火器为例) 左右，古的连续作业时还需另配水冷装置，因此根本无法满足 太规模自动化生产的要求。 瞻 圈1 - ig m f b 型干粉弧火器灌装机 国外灭火器麓装生产技术相对成熟一些，如意大利的g e m i n i 公司，该公司的 生产设备，适用范围人从手提式刘推车式灭火器都能灌装，且除尘设备好生 产时工人不需采取防尘措施。但浚公司的灌装系统属于半自动化装置，其中间环 节仍然需要较多的人工操作，生产效率并不是很高，如图1 - 2 ，灭火器的旋紧和充 气过程均需要人工协助。 凹1 - 2g c m i a i 公司半口动生产线 铭幸绪论 美h 的f i r s t a l e f l 公司的技术较为成熟自动化程度更高。该公司的生产线 非常完糕，从灭火器钢瓶的生产加工，剑密封气嘴的生产，再到灭火器的粉料灌 装气南性检验，以董最后的装箱f ，都可在一条生产线 ：完成除少数工件 盒验及气帝性测试需要人工进行外基本实现自动化加工生产。见圈l 一3 。但其 价格昂贵，安装调试困难不适合国内的灭火器灌装生产实际。 l _ 5 课题来源及意义 图1 - 3f i r s t a l e r t 公司自动生产线 由于干粉灭火器灌装效率已成为制约产品生产的重要因素特别是高灌装速 度下要保证罐装精度及稳定性，不仅成本高而且实现也很困难。而国内现有的灌 装设备太都采用单机单瓶灌装，人工环节过多，灌装速度慢，费时费工，不利于 工业化生产。因此，市场卜对于能够基本实现流水作业的自动灌装线提出了要求。 本课题就是在这种情况与饶阳鸿源机械有限公司( 即饶阳试压泵厂) 开展的。 根据f 方提h 技术要求，结合干粉灭火器灌装生产的实际情况，并考虑到工业化 作业的特点，利用p l c 技术结合多种传感器，提出了一个系统控制方案，采用此 方案成功研制出一套干粉灭火器自动灌装生产线，整条线配置高精度传感器，在 可编程逻辑挣制器的控制f ，对速度、位置、重量、压力、扭矩、密封性等各项 第一章绪论 参数进行自动测试和监控，形成闭环控制系统、组成光机电一体化设备，实现了 灌装称重、旋紧充气，故障检测报警等功能。 论文介绍的干粉灭火器自动灌装生产线，在灌装速度、装量精度、自动化程 度、自动控制能力、净化生产目标等关键技术指标上都达到国内先进水平，具有 自动化程度高、控制稳定、可靠、操作维修方便等特点。满足了干粉灭火器工业 化生产要求，大幅提升了灭火器的灌装生产速度，减少了人工环节，降低了生产 成本，填补了国内空白，并在2 0 0 6c h i n af i r e 展览会卜获得好评。 1 6 本论文的主要内容 本课题为饶阳鸿源机械有限公司的实际应用项目，围绕干粉灭火器灌装生产 中的自动化连续作业问题，设计研制出一套灌装速度、装量精度、自动化程度、 自动控制能力、净化生产目标等均达到先进水平的高精度干粉灌装生产线。本论 文的主要工作如下： 1 、进行了该领域的调研工作，确定了以p l c 为控制核心的自动控制生产线； 2 、利用a u t o c a d 绘图软件绘制出生产线的主体结构，包括灭火剂的粗灌及 精灌机构、传输机构、气把旋紧机构、气瓶充气机构以及电器控制柜，并参与了 旋紧和充气机构的部分设计工作，总体设计上符合人机工程； 3 、根据干粉灭火器灌装生产工艺的要求，设计出外围控制结构并制作电气 控制板。利用p l c 与外围设备连接，从而完成对机械结构传动的控制以及控制指 令的输出、气瓶行进位置的定位、气把朝向的定位、灭火器气密性的检验等，实 现完整的灌装生产过程； 4 、详细分析了生产线各机构的运行流程，编制了相应的p l c 控制软件，并添 加了t d 2 0 0 文本显示器，可以方便的修改部分控制参数； 5 、设计完成了高精度干粉灭火器灌装线的灌装精度及可靠性检定实验，对 生产线的故障进行了分析并提出解决措施； 6 、最终完整研制出一台“高精度干粉灭火器自动灌装线”的整机，实践表 明，该生产线运行稳定，具有较高运行速度，实现了快速、高精度自动灌装。 6 第二章机械系统设计 2 1 生产线总体设计 第二章机械系统设计 干粉灭火器的生产过程，首先是在空的钢瓶巾加入规定质量的灭火剂，由于 既要保证速度和连续性，又要保证灌装的精度，划分为粗灌装和精灌装两个工序 进行比较合理；此外，还应使灭火剂均匀疏散分布，这样灭火器才能正常工作， 因此，应该有振动装置振动钢瓶，以使灭火剂松散；再将导管插入瓶口并将灭火 器气把旋紧，然后压住气把，使进气口打开，向钢瓶内充入压缩氮气，充气完毕 后进行气密性检验；整个生产过程中，应有传送装置运送钢瓶。图2 1 为生产线 工序框图。 图2 1 生产线工序框图 根据生产过程，将灭火器灌装生产线的机械结构按工序划分为粗灌机构、精 灌机构、旋紧机构，充气机构和传送机构等几部分。其中旋紧和充气部分关系到 灭火器能否正常使用，而且机构复杂，传感器多，是设计的重点。图2 2 为灭火 器自动灌装线的整体实物图。 干粉灭火器自动灌装生产线的外形如图2 2 所示。由图可以看出，四个灭火 器钢瓶所处的工序位置从左到右依次是：粗灌、精灌、振动插管和旋紧。设备最 左端与传送装置相连的矮箱为托盘上提机构，对应最右端为托盘下移回收机构， 在旋紧和下移机构之间的装置为充气机构。仪器的主体部分，装有操作面板及显 示仪表。整套设备结构美观大方，适合人机工程；方便操作。一般来讲，在设备 的造型设计和布局上应该做到以下两个原则： 7 图2 - 2 生产线整体实物翻 l 、外形均衡、稳定 均衡是指设备的各部分轻重对称，相对和谐。获得形体均衡的方法是以过支 撑面中心的垂线为对称轴，使形体两边的重鼍矩大致千i 等，并以图形、色彩等视 觉重量感来弥补实际较轻的一边，从而取得较好的视觉平衡。 稳定是指对一台设备而言，其下部分应大而重。而上部分小而轻，从而使设 各自身重心较低，给人以稳定感。除此之外，还可利用色彩对比的方法或者不同 材料及表面处理工艺达到形体间不同质感来获得稳定蒜。 2 、人机工程 所谓人机_ 程是指设计的仪器达到机器、人、环境的协调统一，使仪器设备 适合人的生理和心理要求，从而达到舒适安全，操作准确、轻便、省力减轻劳 动强度，提高工作效率。 在整体设计时，应考虑到操作人员的身高、体重等与人体有关的数据，以便 满足上述要求。视角上，显示装置置于以人服水平方向的中心角1 0 。咀内为展佳。 此外，还应注意到工作环境与安全设计，尽量减少噪音并设定商接的安全技术 措施等，充分考虑到可能出现的故障及隐患。 2 2 粗灌及精灌机构设计要点 粗灌机构实现的功能是完成灭火剂的粗灌装，灌粉量为总灌粉量的9 5 要 第肇机械系缝设计 求灌装速度快，因此可采用真卒负压喷嘴，罐装时使其自动压紧灭火器瓶u ， 柜空雎机的作用下，将 嘞吸入瓶内。同时为了保护l ：产环境的沽冲在灌 装时具育吸尘防护罩，如图2 3 所示。 凛 、 雏章机械系统世计 罔2 - 5 为1 - 粉精琏装的实物图在漏粉u 侧面扦冉槽口吼稍粉阀为铡刀遮 挡武卉擞龙进给时，拉杆将其顶开，灌粉顺利进行，进给停止时拉杆将其拉 回，漏粉l j 关闭6 i 。 2 3 旋紧机构设计 翻2 - 5 干粉精璀装 旋紧机构结构复杂在灌装生产叶1 处于重要位置。其中旋紧用机械卡头采用 万向活节式钳l i t 万向节即万向接头，英文名称u n i v e r s a l j o i n t 是实现变角度动 力传递的机件j ；i j 于需要改变传动轴线方向的位置它允许被连接的零件之间的 夹角在一定范围内变化帆。这样即使在插管时，灭火器气把位置稍有偏差，也不 会影响密封喷嘴的旋紧吲。图2 - 6 为机械卡头的结构示意图j ”。 旋紧时灭火器钢瓶必须固定不动所以要有气动夹紧装置，在旋紧动作开 始前，把钢瓶牢牢固定住。同时在设计时还要考虑到钢瓶的耐压程度，以免灾紧 时引起钢瓶变形。图2 7 为旋紧机构的实物图。 旋紧时，旋紧力的扭矩输出由扭矩传感器控制，因此传感器的放置位置必须 合适，才能迅速准确的反映扭矩输出的变化。图2 - 8 为扭矩传感器安装位置结构 图。 第章机槭系统设训 下主轴2 主轴铜套3 主轴箱底扳4 移动下板 5 圆镄母6 护套7 压黄8 旋紧叉9 托扳 图2 - 6 旋紧卡头部分结构图 旋紧装受局部放大豳2 爽紧装置局部放大罔 图2 7 旋紧机构实物强 鼐章机械系统世引 2 4 充气机构设计 主轴箱2 扭矩传感嚣3 下主轴 幽2 - 8 扭矩传感器安装惶置结构图 充气机构的结构也较为复杂，r 机械动作多，设计时需要考虑到夹紧装置的 固定问题，它与旋紧机构的夹紧略有不同旋紧机构的灾紧只需两侧对称且在同 一平面，便可以起到很好的固定作用。但在充气工序，充气头需伸出直顶到进气 嘴，如按旋紧机构那样设计，会造成钢瓶晃动甚至无法正常充气。且如果钢瓶两 边的定位中心没有对准，会导致钢瓶受力点不在一条直线上，从而会使其旋转。 晟终的设计见图2 9 。 圈2 - 9 充气机构实物图 才仆u1jlelli囝r酬l一群；一曼 第_ 章机械系统设计 由图2 9 ( a ) 可见，压力表安装在立柱外侧，用来显示灭火器钢瓶内的气压， 以及达到预定值时通矢h p l c 停止充气。由2 9 ( b ) 可见，上方的薄板为顶压气把 装置，用以顶开气把以打开进气口进行充气。内侧的弧形装置与外侧的充气头， 以及充气头卜方的滑柱构成稳定的三点平衡，可以很好的固定灭火器钢瓶。但在 安装调试时，一定要保证这三个支撑点的中心在同一竖直平面内，偏差太大则无 法固定钢瓶。充气完毕后，应先抬起顶压板，再关闭充气阀，具体动作过程见控 制系统设计。 运送灭火器钢瓶的托盘也是经过特别设计的。由于要对灭火器进行精确的定 位，所以要保证托盘尺寸的一致性。托盘的一侧装有定位螺钉，电感式接近传感 器根据它来定位，因此在设计时，要保证螺钉在每个托盘的相对位置的一致性。 同时，为了防止托盘就位后、上升前的这段时间，在惯性作用下滑出工序位置， 在托盘前端下部开了一个限位凹槽，一旦接近传感器给出信号，在传送滚间隙的 限位挡杆就会伸出，卡住托盘的凹槽，阻止其前进，直到完成本工序操作，挡杆 退回。 2 5 本章小结 本章简要介绍了干粉灭火器自动灌装生产线的工序划分，并按工序的划分 介绍了机械设计思路，包括粉料粗灌及精灌的设计要点，详细阐述了旋紧机构几 个重要部分的机械设计并给出了相应的机械结构示意图，对充气机构的设计难点 即夹紧固定装置做了相应分析和阐述并简述了托盘的相关设计。本章为电控及逻 辑控制的说明做了必要的前续介绍和准备。 第三章电控系统设计 3 1 电控系统设计 第三章电控系统设计 干粉灭火器自动灌装生产线的电控系统主要由电源、传感器、继电器和电磁 阀组成，电控系统的设计，要严格保证所需控制功能的实现，又要兼顾剑生产环 境及电路的复杂程度，以及故障维修的方便性等等。本套生产线正常运行的关键， 就在于传感器的正常稳定工作，所以，传感器控制功能的设计就成为灭火器灌装 生产线电控设计的重点。由于每个工序相对独立，所以电控部分可先按照各个工 序单独考虑，最后再进行整个生产线电控系统总体设计的协调。按照工序划分， 主要有灭火剂灌装、瓶口旋紧，瓶体充气几个重要部分的设计。 3 2 灭火剂灌装工序的电控设计 灭火器进行粉料灌装的粗灌和精灌工序，所涉及的电气控制主要是钢瓶的就 位停止以及灌粉的开始停止两大部分。 钢瓶就位停止中的就位信号主要由接近开关提供，接近开关一旦输出信号，即 表明钢瓶已进入灌装位置，p l c 可进行相应动作及进行灌装。 表3 1i 1 1 ) 系列高精度电子秤技术参数 计重秤型号 秤量范围( k g ) 精度 显示数据位 显示器件 电源 功耗 2 5k g x 0 5 9 ，5k g xl g ，1 0k g x 2 9 ，3k g xl g ， 6k g 2 9 ，1 5k g x 5 9 ，3 0k g x l o g 5 位 高亮度v f d a c 2 2 0 ，5 0 6 0 h z 1 0 w 秤外型尺寸 3 5 0 ( w ) x 3 2 5 ( d ) x1 0 5 ( h ) 秤盘尺寸 3 4 0 ( w ) x 2 15 ( d ) 台秤自重47kg 1 4 鼐j 章电控系统设“ 灌装的灭火剂重艟由电了秤礁示，同时，电予秤逃到预设值寸，即有开关节 信号输 | ：，通知p l c 进行后续动作。 一粉灭火器中灭火剂的灌装精度，主要依赖 电子秤来保证。根据设计要求该灌装线需要能够适应灭火器瓶体觑格为1 k 2 1 2k g 日灌装精度在lk g 范围内，优于7 1 0 0 0 。综合考虑电子秤的量程及精 度，决定采用c a s 公司的a d 系列商精度电子秤。该系列高精度电子秤，采用 铝合金底壳，坚固耐用高集成度的主板，传感器抗过载1 5 0 ：不锈钢秆盘 广泛适于需要称亟计蹙的场合。参数指标见表3 一l 。 3 3 旋紧工序的电控设计 旋紧工序不仅机械结构复杂电控参数也较多，需要多种传感器配合工作， 才能完成预定的机械动作。这其中，除了和粗灌、精灌、振动插管i i = 序一样需要 接近开关进行就位确认外，还需要传感器对灭火器气把进行定位，控制旋紧时的 力度( 即扭矩) ，以及旋紧之后的姿态调整等。 灭火器气把的定位。由于灭火器规格型号各异，虽然在机械设计中，旋紧机 构可进行整体升降但灭火器气把到机械卡头的距离仍然较大，一般的位移传感 器很难满足要求。因此选用超声波传感器较为适宜。旋紧工序中用于找准灭火 器气把的超卢波位移传感器为欧姆龙公司生产的e 4 p a l s s 0 m i 型号产品，可进 行良距离检测，且由于是超声波，可不受颜色影响 i o 】。该超声波位移传感器的输 出回路及实物如图3 1 所示。 厂 l 琏彩 图3 - 】超卢波位穆传感器输出【q 路电路图、接线圈和实物图 该超声波传感器的性能参数如表3 - 2 所示其响应时间短，检测灵敏度高 测量范围大，完全可以实现灭火器气把位置的准确定位。 第二章电控系统设计 表3 2 超卢波传感器性能参数 项u e 4 p a l s 5 0 一m1 型技术指标 检测距离 标准检测物体 使用频率 直线性 电源电压 消耗电流 超声波指向角 应答时间 环境温度 连接方式 6 0 5 0 0 m m 1 0 0 m 1 0 0 r a m 平板 约3 8 0 k l l z 1 f s d c l 0 3 0 v 脉冲( p p ) 1 0 以下 7 0 m a 以下 约5 。( 衰减3 d b ) 3 5 m s 以下 动作时：一1 0 + 5 5 。c 保存时：一4 0 + 8 5 。c ( 不结冰) 接插件式 该传感器安装在机械卡头开口槽的一侧，用来探测灭火器气把的长端，在机 械卡头下降前的旋转过程中，即开始进行扫描工作，当探测到气把时，即输出开 关量信号，通矢n p l c 进行下步动作。 当确定了灭火器气把的位置后，机械卡头便下降并旋紧气把，旋紧的力度必 须合适，太松达不到密封效果，太紧容易损坏瓶口螺纹甚至脱扣，本系统旋紧力 扭矩的预定值为5 0 n m 。因此需要扭矩传感器控制扭矩输出。旋紧工序中用于监 控灭火器气把旋紧的扭矩传感器为北京鸿基点科技发展有限公司生产的 a k c 2 0 5 动态扭矩传感器。该传感器基于电阻应变原理，通过集流环、电刷实现 供电与信号输出，适合于间断或较低速测量使用。可测量正反两个方向的扭矩。 可测量动态也可测量静态扭矩。性能参数如表3 3 所示 表3 3 扭矩传感器性能参数 技术参数技术指标单位 量程a k c 一2 0 5 a 0 5 ，1 ，2 ，5 ，10 ，2 0 ，3 0 ，5 0 ，10 0 n m 灵敏度 l 2删n 非线性0 10 31 0f s 重复性0 1 0 3 1 0 f s 滞后o 1o 31 0f s 供桥电压1 2v d c 输入电阻3 5 0 2 0 或7 0 0 2 0q 输出电阻3 5 0 1 0 或7 0 0 1 0q 1 6 鼐三三章电控乐统设计 绝缘l u m! 1 0 0 0 r 作温，盘范m 热零点偏社 f s 1 0 热采萄| 度偏移f s 】0 c 允许过负荷 接线方式插膳i 电源( + ) 2 输出( + ) 3 输山( _ ) 4 电源( 一) 旋紧完牛后，还需对钢瓶进行姿态调整，即铡瓶进入先气工序后，进气u 可 以正对着充气头咀免再次调整增大工序复杂度。但由于此时卡头与气把并来分 离，超声波传感器无法工作，再增加一个超声波传感器成本太高，返哩用光电开 关解决此问题。 旋紧工序巾用于灭火器钢瓶姿态调整的定位用凹精型光电开关为欧姆龙公 司生产的e e - s x 6 7 2 型号产品，此型号为n p n 集电极开路输山，遮光时0 n 型。凹槽 的一端为光源端，另一端为光接受端，当凹槽问有不透明物体挡住光源时，接受 端无法接收到光源发h 的光，此时会输出电压信号。该光电开关的输出回路及实 物立u 图3 2 所示。 “1 “_ 图3 2 光电开关输出回路电路及实物圈 该光电开关的性能参数如表3 _ 4 所示，其响应时间短，检测灵敏度高，完全 可以实现灭火器钢瓶姿态的准确调整。 该传感嚣的遮挡信号为机械卡头旋转轴上的一个连接杆，该连接杆的朝向与 机械卡头的开u 方向一致，并于超声波传感器分列于仁头两侧。姿态调整前，光 电开关中断无效，因此不管如何旋转都不影响旋紧。直到姿态调整时，光电开 关中断有效，产生中断时，即表明灭火器气把姿态调整到预定方向。 鼐车电挣系绩杖训 采3 qe e _ s x 6 7 2 型光电扦关性徙鍪数 项目 拄术指标 检测距离 标准检测物件 光源 显爪灯 电源电压 消耗电流 控制输出 应替频率 环境温度 连接方式 5 ( 凹梏宽) 小透叫物体2 x 08 哪 g a a s 红外发光板管( 9 4 0 册) 入光时灯亮( 红也) d c 5 2 4 v j 帆 3 5 以下 忡n 集电极开路输出d c 5 2 4 v1 0 0 m a 以f i k h z ( ，f 均债3 k h z ) 动作时：一2 5 + 5 5 。c 保存时：一3 0 + 8 0 c 接插件式 3 4 充气工序的电控设计 充气工序中也有接近开关进行就位确认，还要有气把顶压装置顶压气把以打 开进气口，并要对充入瓶内的气压进行控制由于灭火器进气u 的结构设计，理 论上气压越大，气密性越好但钢瓶所能承受的压力不可能无限大，所以必须装 置气压表，进行压力检测，达到预定值即停止充气【i ”。为了便于向p 1 c 传输数据， 应采用电接点压力表。电接点压力表适用测量对铜和铜合金无腐蚀性的气体、液 体或蒸汽等压力。仪表设上下限二位开关型接点装置，在压力达到设定值时发出 信号或通断控制电路，供作业系统自动控制或发讯用。其抗振结构可有效抑制指 针的抖动、冲击、保护接点，使仪表指示清晰电信号切换可靠，工作稳定。通常， 仪表经与相应的电气器件( 如继电器及接触器等) 配套使用，即可对被测( 控) 压力系统实现自动控制和发信( 报警) 的目的。图3 - 3 为全不锈钢电接点压力表 实物图。 圈3 3 全不锈钢电接点压力表实物圈 第二章电控系统设计 3 5 电机控制回路及其他器件选型 3 5 1 电机控制回路 电机大部分控制回路基本上采用通用的设计方法，三相电源引出后，先通过 保险、空气开关进行短路或过电流保护，其后连卜接触器，利用接触器通断控制 电机的启动和停止，最后接卜所用的三相异步电动机，为了保证电机的正常、可 靠运行，在电动机之前还连接有热继电器，进一步加强了过电流保护。下面介绍 灭火器灌装生产线的电机控制回路：在传送和旋紧过程中，主要是对生产线中的 电机的速度进行控制和调整，为了便于速度参数可以根据需要进行调整和平滑的 启制动，兼顾扭矩输出，所以采用减速器对电机进行减速【l2 1 。电机控制系统中， 输入信号的控制，全部由p l c 发出，这样，通过p l c 就可以控制电机的动作。带动 灌装线上、下传送滚的电机功率分别为：0 4 k w ，0 2 k w ，由与其相连的减速 机将速度变为合适的值1 1 3 。选用这种设计一方面能满足本系统对驱动装置的要 求；另一方面也便于制造厂家在自己现有的标准配套部件中进行选择，以减少 设计成本和生产成本【l 4 。 在精灌机构中还使用了变频器，用以控制绞龙的旋进。变频器是利用电力半 导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置【l5 1 。变频器主要 由整流( 交流变直流) 、滤波、逆变( 直流变交流) 、制动单元、驱动单元、检 测单元微处理单元等组成的【1 6 】。具有节能效果明显、调速曲线平滑、调速过程简 单、安全可靠、保护功能齐全、起动性能优越、自动化程度高等特点【1 1 丌。 变频器的容量选择 该系统是单台变频器为单台电动机供电运行方式，按恒定负载运转时所需的 变频器容量( k v a ) 的计算式( 3 - 1 ) ，( 3 - 2 ) ，( 3 - 3 ) 计算： k p m ( ，7 c o s 缈) k x , 3 u m i m 1 0 。 l c n 2 k m 式中易负载所要求的电动机的轴输出功率； r 电动机的效率( 通常约0 8 5 ) ； c o s 够电动机的功率因数( 通常约0 7 5 ) ； 电动机电压( v ) ； 电动机电流( a ) ，工频电源时的电流； k 电流波形的修正系数，对p w m 方式，取k - 1 0 5 ： 1 9 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 第三章电控系统设计 犀，变频器的额定容晕( k v a ) ； 。变频器的额定电流( a ) ； 这三个式子是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤 其变频器电流是一个较关键的剥博】。 控制精灌电机速度的变频器的启动、停止以及多级速度均受变频器端子排上 相应输入信号的控制，而这些信号由p l c 控制，这样，通过p l c 就可以控制变频器 进而控制精灌电机的速度，实现不同规格灭火器的精灌装。另外，变频器的过流 报警信号接至p l c 的输入端，以使p l c 及时得知变频器的工作是否正常。p l c 还输 出一个“复位”信号至变频器的r e s ( 复位) 端子上，以便在万一变频器过流保护 后，进行复位以继续工作。图3 4 为变频器电路连接示意图【1 9 】。 黧影 s f j o t 0 0 ， 3 5 2 继电器选择 j r i 二i i 一1r 】 图3 4 变频器电路连接示意图 本套生产线交直流连接以及开关量转换多处用到继电器。国内外长期实践证 明，约7 0 的故障发生在触点上，这足见正确选择和使用继电器触点非常重要。 触点组合形式和触点组数应根据被控回路实际情况确定。常用的触点组合形式见 第三章电控系统设计 表3 5 。动合触点组和转换触点组中的动合触点对