（机械电子工程专业论文）机器人开包系统剪带装置机械及控制系统研制.pdf

上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t eo fs h a n g h a i 摘要 随着工业机器人技术的发展，机器人已经可以取代人工进行一些智能化操 作。因而，机器人开包系统应运而生。本文机器入开包系统是在自动化烟包输送 生产线上对输送过来的烟箱进行开包，形成裸烟，利于后续工序操作。本课题的 主要内容是对机器人开包系统剪带装置机械及控制系统进行研制。 本文首先对机器人开包系统的应用现状和发展趋势作了较为详细的介绍，然 后简要论述了本项目中机器人开包系统的方案以及本课题的研究内容。接下来对 剪带装置的总体方案进行了初步设计，并给出了机械机构的最终方案，然后简单 分析了该系统的功能和总体组成。文章接着详细分析了剪带装置的各个机构功能 和设计恩路以及检测元器件的选用，并对该装置机电控系统主体软硬件的研制过 程和设计方法给予了阐述。对于工业控制现场不可避免的电磁干扰现象也作了一 定的分析，提出了一些在本系统中使用到的抗干扰措施。最后对系统的安装与调 试给予了一些说明并提出了本系统今后的改进措施。此外，文中对本系统的设计 思想和一些关键的技术以及所获得的经验都进行了分析和讨论。本课题中在专用 设备方面所运用到的设计思想以及对工控机、可编程控制器( p l c ) 、变频器等现 代控制部件的运用等等，这些研究和开发工作将会对同类设备以及一般的工业控 制都有参考价值。 关键词：剪带装置机械设计p l c 变频调速颜色传感器伺服电机 上海人学硕- z 研究生毕业论文 ! 竖翌! ! 鱼坠里望竺! q ! ! 型鱼坚笪型! ! 堕! l 一 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr o b o tt e c h n o l o g y , t h ei n d u s t r i a lr o b o th a v ea l r e a d y r e p l a c e dp e o p l et oc a r r yo ns o m ei n t e l l i g e n tm a n i p u l a t i o n s ot h er o b o tu n p a c k i n g s y s t e ma d v e n t su n d e rt h i sb a c k g r o u n d t h er o b o tu n p a c k i n gs y s t e mi n t h i sp a p e ri s u s e dt ou n p a c kt h et o b a c c ob o x e so nt h ea u t o m a t i cp r o d u c tl i n e ，w h i c hw i l lb e c o n v e n i e n tt ot h el a t e rp r o d u c tp r o c e d u r e t h em a i nc o n t e n ti nt h i sp a p e rw i l ls t u d y 0 1 1t h em a c h i n e r ya n dt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h es t r i pc u t t i n gd e v i c ei nt h eu n p a c k i n g s y s t e m t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ea p p l i e ds i t u a t i o na n dd e v e l o p i n gt r e n do ft h e u n p a c k i n gs y s t e mo ft h er o b o ti nd e t a i l t h e np r e s e n t st h es c h e d u l eo ft h eu n p a c k i n g s y s t e mi nt h ep r o j e c ta n dr e f e r s t ot h er e s e a r c hc o n t e n do ft h ep a p e rw h i c hi s c o n c e m e dw i t l lt h em e c h a n i c a ld e s i g na n dt h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fas p e c i a l e q u i p m e n ti nt h es y s t e m t h ee q u i p m e n ti su s e dt oc u tt h es t r a p sw r a p p e d a r o u n dt h e t o b a c c ob o x a f t e r w a r d st h ep a p e rp r e s e n t st h es c h e d u l e so ft h ec u t t i n gs y s t e ma n d c o n t r a s t st h e m ，t h e ng i v e st h el a t e rs c h e d u l e ，i n t r o d u c e st h ef u n c t i o n sa n dc o m p o n e n t s o ft h es y s t e m ，a n a l y s e st h eu s e sa n dt h ed e s i g ni d e a so ft h em e c h a n i s m sa n dc h o o s e s t h ec o l o rs e n s ew h i c hi su s e dt ol o o kf o rt h es t r a p w h a tf o l l o w e di st h es t u d y p r o g r e s sa n dt h ed e s i g nm e t h o do f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h em a i nb o d yo ft h e e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mi np a r t i c u l a r t h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，w h i c hi st h e u n a v o i d a b l ep h e n o m e n o no ft h ei n d u s t r i a lc o n t r o ll o c a l e ，i sa l s oi n c l u d e di nt h ep a p e r a n ds o m em e a s u r e so ft h ea n t i i n t e r f e r e n c ea r ep r e s e n t e d f i n a l l yt h ep a p e rg i v e s s o m ea c c o u n t so ft h ei n s t a l la n dd e b u go ft h es y s t e ma n dp r e s e n t ss o i l l ei m p r o v e m e n t m e t h o d s i na d d i t i o n ，t h ep a p e rs t u d i e sa n dd i s c u s s e st h ew h o l ed e s i g ns t r a t e g y ，k e y t e c h n i q u e sa n dt h ee x p e r i e n c eo b t a i n e di nt h ep r o c e s s i nt h ep a p e r , s o m ed e s i g ni d e a s a b o u tt h es p e c i a le q u i p m e n ta r eu s e da n ds o m em o d e mc o n t r o ld e v i c e s ，s u c ha s i n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r , p l c ，矗e q u e n c yc o n v e r s i o nd e v i c e ，a r ee x c e e d a l lo f t h e s ea r eo fs o m er e f e r e n c ev a l u et ot h ed e s i g no fr e l a t i v em a c h i n e sa n di n d u s t r i a l c o n t r o ls y s t e m s k e yw o r d ：s t r i pc u t t i n gd e v i c em a c h i n e r yd e s i g np l cf r e q u e n c yc o n v e r s i o n t i m i n g c o l o rs e n s o rs e r v om o t o r 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 盎名：翊当导师签名：睦日期：1 。这：2 3 上海大学硕_ 上研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 第一章绪论 1 1 课题研究背景 随着国家经济的发展，企业实力的加强，国内很多企业为了增强自身的经济 效益和市场竞争力，相继进行了适合本企业特点的改造和结构升级，比如在烟草 行业，一些企业都相继进行了物流自动化系统的设计与实施。众所周知，国内烟 草企业大都建于20 世纪8 0 年代末之前，它们是以生产自动化为主进行规划设 计的，没有为物流自动化的实施留出良好的外部条件，因而后续的技术改造( 即 物流自动化) 的条件较差，厂房、库房、电源、地基、人流、车流等环境影响已 较难实现最优化( 即最合理的物流工艺流程、最少的投资、最佳的系统) 的自动 化物流系统。这种企业建立自动化物流系统，势必会出现一些不合理的地方， 如人机界面过多、人工干预多、投资多、物流工艺流程不太合理等。 20 世纪9 0 年代后，一些烟草企业由于自身实力的增啦，为了增强竞争力 和市场占有率，相继进行易地搬迁或扩建改造，设计单位遵循用户的要求，将生 产自动化和物流自动化一起进行规划设计，这就为物流自动化的实施提供了良 好的环境。 在经过物流化改造后，大部分企业厂房形成了一个完整的烟草企业自动化物 流系统，它们包括“配方原料周转”、“辅料周转”、“成品周转”、“备件周转”4 个部分，必要时还可包括“成品配送”以及相应的控制和信息管理系统，而配方 原料来源于一箱箱用纸箱或木箱装起来的烟叶。因此，只有将烟箱进行开包处理、 形成裸烟、然后切成片状，才能进行下一步的“配方原料周转”以及后续步骤。 以前这个步骤主要是人工操作，但是人工操作会有以下不足：其一，由于烟丝制 作过程大部分实现了生产自动化和物流自动化，如果仍采用手工操作，必然会延 长生产时间并减缓生产节拍，因而严重制约企业的发展；其二，由于烟箱比较笨 重，开包工序繁杂，这样会占用大量人力，从而制约了企业的生产效能。因此， 为了进一步扩大生产规模，提高产品质量，参与国内外竞争，烟草企业迫切需要 尽怏实现整个物流系统的自动化。 随着工业机器人技术的发展，机器人已经可以取代人工进行一些智能化操 作。因而，机器人开包系统应运而生。 机器人开包系统顾名思义就是利用机器人对输送过来的烟箱进行开包，形成 裸烟。它位于配方原料制作之前，起到烟包自动开包的作用。由于各烟草厂家的 烟包包装形式不一，因而采用的机器人开包系统方案也就不同。对于一个具体的 烟包，机器入开包系统考虑的内容有：如何进料、如何去除包装物、如何对包装 物进行处理以及如何出料。因此，在整个机器人开包系统的设计和规划中，既要 考虑厂房的物流布局，又要考虑烟机设备的设计与功能实现。应该说，该系统是 机器人开包系统剪带装置机械及控制系统研制 第一章绪论 卷烟生产线实现自动化、柔性化、模块化的重要保证，是制烟业发展进程中不可 或缺的一个重要部分，它将烟箱开包取料和配料制作循环有机地结合在一起，对 实现整个烟支生产物流系统的自动化起到了有力的推动作用。如今，机器人开包 系统已经受到烟草行业的重视，并取得了越来越广泛的应用。 在机器人开包系统中，剪带功能的实现是整个系统设计时不可缺少的重要一 环。剪带即是剪去烟箱表面的捆扎带以及封装胶带。由于捆扎带的材料和包装形 式不同，采用的机构实现形式也不同。在各种烟草企业中，捆扎带分为钢带和塑 料带两种，它的包装形式也有规则和不规则之分，因而采用的技术和功能实现形 式有所差异。因此，这就给设计单位在设计剪带功能时带来了一些困难。 本课题就是在这样的背景情况下提出来的，并将其作为企业项目横向开发的 预研课题，具体是负责烟包捆扎带的剪切和处理，其目的就是要使我国国内的烟 箱开包剪带技术自主化、完善化，而且其结构要能更加新颖实用、运行性能更加 先进，从而一方面能满足整个物流自动化的要求，另一方面也希望其剪带功能原 理能给其他工业生产设备的研发带来启迪，并能加以消化和创新。 由于本课题是长沙卷烟厂机器人开包系统中的一个子项目。因此，有必要了 解一下机器人开包系统的大致内容及其发展概况。 1 2 机器人开包系统的发展概况 国内在烟草行业中针对烟箱进行机器人开包系统设计与立项的企业为数不 多。至目前为止，烟草企业中有云南玉溪卷烟厂和红河卷烟厂进行了相关的项目 开发。下面分别列举两企业开包系统的特点，并作简要介绍和分析。 1 、云南玉溪卷烟厂的机器人开包系统 云南玉溪卷烟厂于1 9 9 9 年通过立项拟 建机器人开包系统。它的烟箱箱重为15 0 公斤，长1 10 0 m m ，宽为73 0 a u n ，高73 5 r a m ， 其烟箱形状如图1 - 1 所示。 烟箱是由木板做成，上下盖板都为大 木板，其通过黑色薄膜进行外包装，同时 用三根钢带固紧。 云南玉溪卷烟厂拟建的机器人开包 系统就是对这种烟箱进行开包处理，其主 要任务可分为：设定工位，剪带操作，包 装物的处理，包装物的回收，烟叶检验， 固1 - 1 烟箱形状 如图1 2 所示。 机器人开包系统剪带装置机械及控制系统研制 第一章绪论 图卜2 机器人开包系统的基本内容 输送叉车将烟库中的烟箱送到输送辊道，烟箱经过定位矫正后被输送至剪带 操作工位，如图1 - 3 所示。剪带操作时机械手通过传感器探测到钢带，然后用剪 刀剪带，接着抽带，最后将剪下的钢带回收，如图l 一4 所示。 圈卜3 机器人剪带 固1 4 钢带回收 其中，剪带操作包含一些辅助装置，如：止挡块机构，顶升机构，以及压紧 机构。止挡块机构对输送来的烟箱起稳定防冲的作用；顶升机构的作用是将烟箱 顶起来，让其离开输送辊道，用来防止机械手剪带时钢带被烟箱压住而不利于抽 带；压紧机构的作用为压住钢带而防止其弹跣。如图卜5 和圈卜6 分为玉溪卷烟 厂机器人开包系统的顶升机构和压紧机构。 图1 5 顶升机构 图卜6 压紧机构 玉溪卷烟厂的包装物的处理包括钢带的处理( 图1 4 ) ，盖板和胶纸的处理， 以及木箱的处理。这些处理动作都是机器人通过机械灵巧手来完成，图1 7 和图 机器人开包系统剪带装置机械及控制系统研制 第一章绪论 1 - 8 所示分别为盖板薄膜的处理回收以及木箱的处理回收。 圉1 - 7 盖板薄膜的回收 图1 8 木箱的回收 2 、红河卷烟厂的机器人开包系统 红河卷烟厂是于2 0 0 0 年立项拟建机器人开包系统。其烟箱箱重4 0 0 公斤， 烟箱尺寸长为1 2 25 m m ，宽7 2 5 m m ，高7 2 0 r a m ，烟箱包装形式与玉溪卷烟厂大致相 当，其形状如图1 - 9 所示。 烟箱是由上下盖板固夹，并通过白色薄膜进行外包装，同时用四根钢带双向 固紧。其特点是烟包包装较为规则，钢带分布整齐、均匀。 与玉溪卷烟厂相比，所不同的主 要有以下几点：其一，红河卷烟厂加 了一个备用生产线。之所以增加备用 生产线，是因为主输送辊道出现故障 或辊道上的烟箱发生断流而导致机 器人开包系统不能正常工作时，生产 效率会受到很大的影响。红河卷烟厂 增加备用生产线后，很好地解决了这 种情况。当主输送辊道出现故障或断 流时，整个系统就会提出请求，发出 触动信号，让备用生产线工作，从而 圈1 - 9 烟箱形状 解决了生产过程中的一些问题，为以后的相关设计提供了参考。 其二，红河机器人开包系统将上下盖板与薄膜分别处理，有利于回收。 其三，红河机器人开包系统解决了部分烟叶散落的问题。烟包由输送辊道输 送到操作工位，在拆包的过程中，不免会有部分烟叶洒落下来。红河卷烟厂采用 的方案是在烟包开包后将裸烟通过皮带输送机直接输送到裸烟存放库，从而解决 4 机器人开包系统剪带装置机械及控制系统研制 第一章绪论 了部分烟叶洒落问题。 1 3 本课题的研究内容 通过前几节的介绍，我们可知，剪带设备是是机器人开包系统中不可或缺的 一台主要设备。该设备能起剪带的作用，即将输送来的烟包去除捆扎带，为下一 步处理作好准备。 刚开始由于生产技术比较落后，人们只能应用手工剪带开包。随着科学技术 的发展，在烟草企业中出现了专门用于剪带的设备。专用设备的应用，很大程度 上解放了体力劳动，促进了生产效能的提高。但是专用设备并不能对所有的烟包 带形式进行剪切处理，因而设计厂家一直致力于研究一种能适应不同规格烟箱的 智能化剪带设备。近几年来，伴随着机械、电子、仪表仪器、自动控制、计算机 等科学技术和工业生产的飞速进步，制烟业也正向着高新技术方向迈进，烟草机 械则更是朝着自动化、柔性化、模块化方向发展。在这样的形势下，智能化剪带 设备的实现成为了可能，比如在玉溪机器人开包系统以及红河机器人开包系统 中，通过机器人控制手爪上的剪带机构剪带就是一个成功的范例。 本课题是长沙卷烟厂机器人开包系统中的一个子项目，是结合“机器人开包 系统”的剪带装置的设计而展开的。根据项目的研究目标和研究内容，本学位论 文的研究内容主要包括： 1 、剪带装置的机械设计以及与剪带装置有关的辅助机械设计； 2 、针对剪带装置的工作情况和要求，对该系统进行总体分析； 3 、针对该装置进行控制系统的总体分析、设计、制作，包括下位机的硬件 控制部分的设计和制作，下位机p l c 软件部分的设计等； 4 、项目的安装与调试。 本课题中需要解决的难点有： 1 操作对象为纸箱，以塑料带捆扎，从而导致与以往的处理方法有所不同； 2 塑料带捆扎分布不均，这使得剪带功能的实现形式及其机构实现形式与以 往有所差异： 3 塑料带大部分为白色，部分因年久失色而成灰黄色，从而使得塑料带的检 测成为剪带装置设计的一个重要内容。 4 纸箱口有胶带封装，如果不予剪除，就会妨碍机器人开包系统的后续工序 操作。因此，要有相应的方案解决胶带封装的问题。 机器人开包系统剪带装置机械及控制系统研制 第三幸总体方案的分析与确定 第二章总体方案的分析与确定 2 1 引言 本机器人开包系统中的关键设备有德国k u k a 机器人及多功能手爪，烟包翻转 机，空纸箱压扁装置，塑料包装带剪切装置，机器人直线移动装置；辅联设备有塑 料包装袋混合输送皮带，压扁纸箱及箱内纸板堆垛输送皮带，空纸箱堆垛装置，空 纸箱堆垛自动捆扎装置，空纸箱堆垛直线移动皮带，空纸箱堆垛出料滚道等。其开 宜流程图如图2 - 1 所示。 由流程可以看出， 塑料带剪切装置是机器 人开包系统的一个关键 设备，也是开包系统后 续工序的重要环节。如 前所述，剪带装置的功 能是将烟包的塑料包装 带进行剪切和处理。因 而，如何满足剪带功能 要求就戍了本课题设计 的主要内容。 机械人开包系统中 的剪带装置是一个集机 械系统、驱动装置、检 测装置、以及相应自动 控制于一体的装置。装 置的最终日标是能在较 为恶劣的环境中实现对 烟箱塑料带的准确剪 带，并能实现相应机构 和辅助机构的自动控 制，且必须保证较高的 可靠性。具体地说，该 装置应满足以下要求： 隅面酮日再日嫦嗣网 i 塑兰塑i 崔式袖避雌 圈 袖电t 斗岸 图2 - 1 机器人开包流程图 首先，装置必须满足一定的精度要求。精度要求是任何装置设计最基本的要 求，为了提高系统的精度，可以选择或设计较高精度的机械部件；选择性能较高的 控制芯片，采取最优的控制方法和数据处理方法等。 其次，要合理考虑装置的成本。作为一个工程项目，在满足性能指标的前提 其次，要合理考虑装置的成本。作为一个工程项目，在满足性能指标的前提 机器人开包系统剪带装置机械及控制系统研制 第二章总体方案的分析与确定 第二章总体方案的分析与确定 2 1 引言 本机器人开包系统中的关键设备有德国k u k a 机器人及多功能手爪，烟包翻转 机，空纸箱压扁装置，塑料包装带剪切装置，机器人直线移动装置；辅联设备有塑 料包装袋混合输送皮带，压扁纸箱及箱内纸板堆垛输送皮带，空纸箱堆垛装置，空 纸箱堆垛自动捆扎装置，空纸箱堆垛直线移动皮带，空纸箱堆垛出料滚道等。其开 包流程图如图2 - 1 所示。 由流程可以看出， 塑料带剪切装置是机器 人开包系统的一个关键 设备，也是开包系统后 续工序的重要环节。如 前所述，剪带装置的功 能是将烟包的塑料包装 带进行剪切和处理。因 而，如何满足剪带功能 要求就成了本课题设计 的主要内容。 机械人开包系统中 的剪带装置是一个集机 械系统、驱动装置、检 测装置、以及相应自动 控制于一体的装置。装 置的最终日标是能在较 为恶劣的环境中实现对 烟箱塑料带的准确剪 带，并能实现相应机构 和辅助机构的自动控 制，且必须保证较高的 可靠性。具体地说，该 装置应满足以下要求： 圉2 - i 机器人开包流程圈 首先，装置必须满足一定的精度要求。精度要求是任何装置设计最基本的要 求，为了提高系统的精度，可以选择或设计较高精度的机械部件；选择性能较高的 控制芯片，采取最优的控制方法和数据处理方法等。 其次，要合理考虑装置的成本。作为一个工程项目，在满足性能指标的前提 6 甲 机器人开包系统剪带装置机械及控制系统研制 第二章总体方案的分析与确定 下，应当尽可能地降低成本，以便得到高的性能价格比。 最后，要求有较高的可靠性。在设备选择时要考虑到工作环境的影响，以保证 设备性能的稳定性及可靠性；在考虑振动和噪声方面可以通过改进支承以及架体昀 机构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声，如选用复合材料等来提高刚度和强 度。 以上几点是装置设计时要把握的几个基本的要求，在本课题的剪带装置的设计 中，霭考虑一些特殊的功能要求，具体如下所述： 1 、每个烟包的开包节拍最长不可以超过1 5 分钟； 2 、要将剪断的塑料带切成若干段； 3 、要设计专门的机构去除烟包表面的封装胶带。 综上所述，本装置设计思想是：突出功能和可靠性，尽可能地满足设计要求。 换句话说，就是性能价格比高，不盲目地追求理论上的先进，而是尽可能地提高其 实用性。 2 2 系统的总体方案设计 如图2 - 2 所示，机器人开包系统中 所要处理的烟箱尺寸为1 13 6 * 7 2 0 * 7 25 ， 自重达2 0 0 公斤，并具有以下特点： 1 、 烟箱为纸箱； 2 、 烟箱由三根或四根塑料带捆扎固 紧，望料带质软细长，且分布不 均； 3 、 塑料带大部分为白色，部分因午 久失色而成灰黄色； 4 、 纸箱由粘性胶带封口。 由上述的烟箱尺寸和特点可以看 出，烟籀与以前机器人开包系统处理 圈2 - 2 烟包形式 的烟包形式有所不同，存在着纸箱与 木箱的区别，塑料带与钢带的区别以及烟箱表面胶带有无的区别。这些区别使得我 们在设计剪带装置时要有别于以前机器人开包系统剪带功能的实现形式。 根据烟箱的尺寸和特点以及项目的规模，整个研制工作可分为下列内容进行， 如图2 3 所示。 “机械结构设计”，一方面将进行辊道上的基本机构设计，这主要是为实 现剪带和输送功能创造较好的条件。为此，在机构设计上需要完成以下工 作：辅助剪带( 胶带和塑料带) 机构的设计、烟包输送机构的设计以及剪 胶带机构的设计等；另一方面将进行剪带机架上的基本机构设计，这主要 机器人开包系统剪带装置机械及控制系统研制 第二章总体方案的分析与确定 是为实现剪带和带处理功能而设计，它们包括寻带机构的设计、剪带机构 的设计、拖带机构的设计、切带机构的设计以及其它相关配套部分的机构 设计等。 “控制系统设计”，将主要是在装置机械机构的基础上设计相应的控制系 统，编制相应的控制程序，以实现对该剪带装置机械机构自动平稳运行的 控制，这包括控制器的选择、传感信号的采集和处理、驱动部件的合理控 制、装置各机构的模块化软件控制、以及相应的故障检测和报警等。 塑抖带剪切装置 机械结构 鞑蛐肭i 臀 雏貅 圈2 - 3 课题主要内容 雏 控制系统 在明确了“塑料带剪切装置”的总体设计思路和方案后，本课题将首先解决装 置机械结构设计的问题，并对给出的两种方案进行理论上的分析和论证。在本章节 中，将着重介绍以下内容：剪带装置工作原理的分析与相应机械系统方案的确定； 装置驱动部分和控制系统的初步设计等。 2 3 装置的机械结构设计 2 3 1 烟包剪带装置方案的分析 由前述章节可知，烟包的包装带和封装胶带则是本课题的研究对象，整个剪带装 置的研制即围绕如何去除和处理包装带以及如何剪切封装胶带而展开。而该课题的 难点就在于如何很好的实现研制的目的和功能。所以选择合适的剪带方案是该课题 首先要完成的任务。 根据烟籍的尺寸和特点，可以作以下分析： 1 、烟箱是通过辊道输送过来的。因此，在输送电机停转后，出于对烟箱进行定 位和消除惯性，一定有相应的机构来实现止挡功能。 2 、烟箱由三根或四根塑料带捆扎固紧，因而烟箱表面存在一定的捆扎力。当剪 8 装置的软件控制 系统飓络构建 传感器信号的采集 控龇器与外围设备选择 机器人开包系统剪带装置机械及控制系统研制 第二章总体方案的分析与确定 带完成后要有相应的机构压紧塑料带，以防塑料带剪断后弹跳。 3 、塑料带质软细长，在剪带完成后要有相应的机构完成拖带功能，并将拖出 的带剪成若干段。 4 、烟箱由于自重因素，将会导致塑料带被烟箱压在输送辊道上，因而要有相应 的顶升机构将烟箱顶起，利于拖带。 5 、烟箱由胶带封装，为有利于后续的纸箱压扁工序处理，要设计相应的机构将 封胶带切开。 6 、烟箱表面塑料带分布不均，且烟箱为纸箱，因而可靠的剪带机构设计是完成 塑料带剪切功能的重要保证。 从以上的分析中可以看出，辊道上要设计的机构有：止挡机构、顶升机构、剪 胶带机构；剪塑料带时涉及的机构有：剪带机构、压带机构、拖带机构和切带机构 等。在具体地设计过程中，可以根据具体情况设计其它相关配套部分的机构。下一 节将以上述分析的基本内容作为烟包剪带装置方案确定的依据。 2 3 2 烟包剪带装置方案的确定 根据上一节的分析，提出拟定两种方案，如图2 4 和2 - 5 所示： 囤2 - 4 剪带装置方案1 * 扎 在剪带装置方案1 中，烟包通过输送机构输送到剪带工位后，设计了一套顶升 机构，用于顶升烟包；而在顶起动作完成以后，设计有一套割胶带和塑料带割断机 构，用于完成胶带和塑料带的切割动作；由图所示，在输送机构的右侧设计有压 紧、防跳机构，其用于在剪带后压紧塑料带，防止弹跳。而在左侧，因右侧烟包受 压紧机构的侧向压紧力，设计了一套侧向止挡机构用于平衡此作用力，防止烟包受 机器人开包系统剪带装置机械及控制系统研制 第二章总体方案的分析与确定 力不均而倾斜。 在前一节已详细分析当塑料带剪断后要对塑料带的进一步处理，而在本方案中 也设计了相关内容。从图可以看出，当塑料带和胶带切割以后，设计了一套抽带机 构将塑料带脱离烟包，然后有专门切带机构对拖出的带进行有频率的切割，而带则 被切成若干段由皮带辊道回收。 从上述的介绍中可知剪带装置方案1 大体上满足了烟包剪带的基本内容，下面 将介绍剪带装置方案2 。该方案同样是考虑如何将塑料带剪去回收，但实现的机构 形式、动作流程、驱动方式有较大的不同。本节在剪带装置方案2 介绍以后将对两 种方案进行对比和可行性分析，并给出较佳方案。 圈2 - 5 剪带装置方案2 在剪带装置方案2 中，整个设计分为两个工位进行，一个为横向剪胶带工位， 一个是剪带工位。烟包首先通过输送机构送到横向剪胶带工位，设计有一套止挡机 构用于消除烟包运行惯性：设计一套横向剪胶带机构用于完成横向切割胶带的动 作，而在剪带工位设计了一套纵向割胶带机构。可以发现，相对于方案1 剪带装置 方案2 中多设计了一套横向剪胶带机构，具体原因容后详述。 当剪胶带工位工序完成后，烟包通过输送机构送到剪带工位。剪带工位同样设 计了一套止挡机构，并设计了一套顶升机构，用于顶升烟包，利于剪带操作。顶升 机构完成动作后开始剪带操作，从图可以看出，在可移动架上设计了一个剪切收带 机构，它能双向运动：一方向随可移动架在辊道输送方向运动，另一方向则在可移 动架上沿垂直于辊道的方向运动。在辊道输送方向上，它具有检测寻带功能，当它 检测到塑料带后，机构刀架将会勾起带，一方面压紧塑料带，另一方面完成剪断功 能；在沿垂直于辊道的方向上，剪带机构将会把压紧的塑料带进行拖带，完成拖带 机器人开包系统剪带装置机械及控制系统研制 第二章总体方案的分析与确定 功能。拖带完成后，设计有一套接带机构，用于将拖过来的带输送到卷带机构。设 计卷带机构的作用在于可以将拖来的带比较成功地送入切带机构。然后切带机构将 输送过来的塑料带切成若干段，通过皮带输送机回收。 对比剪带装置的两种方案，剪带装置方案1 基本能够实现剪带功能，但是它存 在一些难点和不足，导致可靠性和安全性不高。具体面言有： 收带机构收带时将三根或四根塑料带一次抽离的可靠性不高； 由于塑料带分布不均，这使得本方案中的收带机构在侧向方向如何检测塑 料带的存在以及怎样收带时具有一定的难度； 烟箱为纸箱，由于烟箱自重，这使得纸箱产生形变，出现上表面凹陷下表 面凸出的现象，导致上下表面不平。因而，割塑料带和胶带机构在运行时 一定会有碰触。因此，将割塑料带和胶带机构放在烟箱下面不甚合理； 将胶带让割望料带和胶带机构纵向切开，切口不大，这也会对后续的纸箱 压扁工序产生影响。 剪带装置方案2 较好弥补了上述不足。在完成剪胶带功能时，通过两步来完 成。一步即为横向切割，通过剪胶带工位的横向剪胶带机构完成，这将会使胶带的 切口变得较大，另一步为纵向切割，通过纵向剪胶带机构完成。为了避免因烟包不 平整而使割刀损坏，割刀在切割时可以调整割刀的位置，此功能通过具有一定弹簧 力的弹簧来实现。在完成剪带功能时，一方面，方案2 注意到塑料带的数量为三根 或四根，且分布不均，故采用分步剪带，即剪完一根而处理一根，避免了方案1 中 一次抽带的可靠性不足。另一方面，方案2 根据塑料带颜色的不同以及与纸箱颜色 形成的色差，选用了颜色检测器件进行寻带，然后通过控制器控制剪带机构在沿辊 道方向完成剪带和压带的功能，接着控制剪带机构在沿垂直于辊道的方向完成拖带 功能。此外，通过设计接带机构和卷带机构等辅助机构为更好的完成切带功能作好 了准备。 需要特别指出的是，方案2 将剪带机构设置在烟包上面，因纸箱上表面凹陷， 这使得剪带机构更有利于实现勾带、剪带和压带功能。 综上，剪带装置方案2 能够很好的实现剪带功能，它的可靠性和安全性较高， 因而本课题选择了方案2 作为剪带装置的最终方案。 2 4 装置的驱动部分设计 ( 1 ) 驱动方案选择 由机械系统的设计可知，剪带装置的机械机构包括很多机构。这些机构的运动 方式各有所不同，有直线运动的，有作旋转运动的，而所有的这些运动方式是通过 不同的驱动装置来实现的。 常用的驱动装置按照动力源不同，可以液压、气动和电动三大类。根据需要也 可由这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点见 机器 丌包系统剪带装置机械厦控制系统研制 第二章总体方寰的分析。确定 表2 - 1 驱动系统驱动系统的特性 类型功率快速响应结构性能安全性效率控制能力 安装要求维护要求 遗压驱动不太很高结构适防暴性节流速度调节安装要求 要求水平 系统受限当，执能较好调速装置、配高，要特较高的人 制 行机构 ，用液 为 流元件、别注意液员作定期 可做成压油作 0 3 割动装置压液泄维护 独立结 传动介 的结构简露因有， 构，易质，在 容积 单，能速瘦压源设 于标准一定条调速度、位置备，占地 化，容 件下有为控制到精面积鞍大 易实现火灾危 0 6 确值 直接驱险 动，液 压密封 问趣显 得重要 气动驱动有限较高结构适防暴性0 15 速度调节安装要求要求中等 系统制当，执能好。 机构、配不太高水平的定 行机 句高于 0 2 流元件结期维护 可做成10 个 构简单， 独立结大气压 构，易于应该注般要求有 标准化， 意设备 专门的制 容易宴现有爆破动装置： 直接驱 的危险速度、位 动，密星控制到 封问题精确值困 不象液难 压系统 显得宪 电动驱动 有限高电机易于设备自 0 ，5 结构简安装要求要求水平 系统制 标准化， 身无爆左右 单控制随传动方较高的人 结构性较 炸和火 的灵活性武不同而是定 l | j 曲 好，但电灾的危强 异检查维护 机后面一险。直 般需配精流有刷 密减速器电机对 ，除特殊 环境的 机器人开包系统剪带装置机械及控制系统研制 第一幸总体方案的舒析与确定 电机外，防爆性 难于进行能较差 直接驱动 力矩) 与惯量比大、快速响应高、易于实现驱动等特点。适于在承载能力大，惯量 大以及在防爆环境中应用。但是液压系统的效率比电动驱动低，且液体泄露会对环 境产生污染，工作噪声也较大。 气动驱动系统：具有速度快，系统结构简单、维护方便、价格低等特点。适于 在中、小负荷的工作中采用，其难实现伺服控制，多用于程序控制的作业流水线以 及机器人中，如上下料以及冲压机器人等等应用。 电动驱动系统：由于低惯量，大转矩交、直流伺服电机及其配套的伺服器驱动 器( 交流变频器、直流脉冲宽度调制器) 的广泛应用，这类驱动系统在加减速控制 以及机器人中被大量使用。这类系统不需要能量转换，使用方便：噪声低，控制灵 活。其优点较多，而被广泛应用。 设计驱动系统时，选择哪一类驱动，要根据系统的用途、作业要求、控制性能 要求、维护的复杂程度，运行的功耗、性能价格比等综合因素加阱考虑。由于本系 统要求实现剪带的功能，而从以上的介绍中己初步了解7 剪带装置各个机构的大致 形式。因此，根据系统综合因素考虑，辊子辊道以及卷筒选用电机驱动方式，整个 装置的寻带过程采用伺服电机控制，而其它机构通过气动驱动泉实现。 ( 2 ) 电动机类型选择 目前常用电动机可以分为直流电机、交流异步电机交流同步电机、步进电机 等，其性能如表2 2 。由表2 2 可以看出，直流电机调速系统和交流调速系统相 比，直流调速系统控制简单，调速性能好但相比之下直流电机结构复杂，故障 多、维护困难、电机很难达到较高转速。 异步电机结构简单，转动惯量小，动态相应快，转速高。在变频调速下系统有 较硬的机械特性和良好的调速性能，在矢量控制下调速性能超过了直流调速系统， 但也存在电机功率因素低等缺点 同步电机比笼型异步电机复杂，和直流调速系统相比具有效率高，过载能力 大，转动惯量小，省维护转速高等优点。和异步电机调速系统相比，具有功率因 数高，定转子气隙大，控制性能好等优势，但比异步电机的矢量控制复杂，维护工 作量也大。 综合考虑系统要求较高的响应性以及高的转速和系统造价等因素，辊子辊道以 及卷筒选用的电机驱动方式决定采用交流异步电动机，可通过变频调速或功率放大 达到系统要求的性能指标。 表2 2 各类电机其它性能比较 机器人开包系统剪带装置机械殛控制系统研制 第二章总体方案的分析与确定 电机性能直流电机交流异步电机交流同步电机步进电机 效率较高中等较高 低 低速性能好鞍差一般 差 高速性能 一般 较好 好差 单位体积功率较大中 出 中 可控性好 较好 由 好 结构复杂性 复杂 简单 中 出 可靠性维修性差好 由 较好 环境要求严格不高 中 中 成本及价格较高低 由 高 噪声低 较高较高高 2 5 1 控制器的选择 机械系统初步设计完成以后，就可以着手进行控制系统的设计。控制系统的设 计范围很广，包括计算机硬件电路、接口电路、控制算法以及相应的控制软件的具 体设计，还有电动机驱动电路的选购或设计。 目前，通用p c 机的水平已经相当成熟，但它仍然难以满足工业现场的要求，与 之相比，工控机则具有如下优点：丰富的过程输入输出性能、实时性、高可靠性、 优异的环境适应性等等。因此控制系统一般以工业控制微型计算机( 简称工控机) 为核心，配以相应的软件和各种接口模块。 当前常用的工控机主要有表2 3 所示的几种，其性能、造价各不相同。考虑到 系统控制和数据采集及处理的要求，决定采用p l c 作为系统的控制核心，再加上相 应的外部设备来实现对系统控制和信号采集。 表23 几种常用工控机控制系统的性能比较 。弋 单片机 p l c 工业p c 机 d s p ( i p c ) 控制系统构成自行研制选购相应的产品选购整机和接口自行研制 和扩展模块 板 系统功能一般的逻辑控制逻辑控制为主也可组成较复杂的功能较强，可完 和模拟控制可组成模拟量控控制系统成一些复杂算法 制系统 硬件工作量 多 很少少 多 执行速度快稍慢很快陕 软件工作量多少较多多 程序语言汇编语言或c 语梯形图或高级语高级语言为主汇编语言或c 语 通信功能自行研制选用通讯模块系统已提供自行研制 机器a 开包系统剪带装置机械及控制系统研制 第二章总体方案的分析与确定 带负载功能 差强较强较强 抗干扰功能较差 很好好一般 可靠性较差很好好好 环境适应性较差很好较好一般 l 价格低 高较高较高 由上表可知，p l c 是一种高可靠性、良好适应性的模块化控制器，并且它属于 一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用一类可编程 的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操 作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出控制各类型的机械或生产过 程。可编程控制器及其有关外部设备，都按有关工业控制系统联成一个整体，易于 扩充其功能的原则设计。p l c 是专为工业环境应用而设计制造的计算机，它具有丰 富的输入输出接口，并具有较强的驱动能力。 2 5 2 剪带装置所在的机器人开包系统的网络分布与构建 整个开包机器人系统是一个比较大型的生产线，它由很多设备组成，需要控制 的对象很多且比较分散。因此，本系统在采用p l c 控制时是通过网络分布，实行多 级分布式网络，设置站点，进行远程控制。其中，剪带装置中的控制仅是整个控制 系统中的几个站点，是主控制器的从扩展，通过设置地址站号实现对它们的远程控 制。在本系统中，p l c 是与整个剪带装置相分离的，其站点模块通过电气控制柜安 装在输送辊道的输送架上面，并用中继端子盒来连接剪带装置上面的检测输入信 号、到位输入信号、限位信号等传感器信号。这些输入信号通过中继端子盒与站点 模块的输入模块相连，从而实现了装置中各个子功能机构的运动动作控制。整个开 包系统控制原理示意图如图2 6 所示。 豳2 - 6 机器人开包系统控制原理示意图 机器人开包系统剪带装置机械及控制系统研制 第二章总体方案的分析与确定 由图可以看出，整个网络控制涉及到p l c 的主扩展以及从扩展。主扩展与从扩 展之间通过通讯协议交换信号。同理，各从扩展之间也是通过通讯协议互相交换数 据和信号。其中，输入模块和输出模块的多与少与现场的输入信号以及输出信号有 关，电源模块嵌入多少与输入模块以及输出模块的数量有关，涉及功率放大的要嵌 入功率放大模块。下面将说明整个流水线的网络分布和控制方式。 2 5 2 1 现场总线控制“” 由图2 6 所示可知，剪带装置通过主控制器控制，而主控制器与上位机交换信 息。主控制器与其下的各站点模块是通过现场总线控制的。 p r o f i b u s 是最成功的开放现场总线，已有大量的节点安装在广泛的应用领域。 p r o f i b u s 定义串行现场总线系统的技术和功能特性，通过p r o f i b u s 可以将较低层 的分布式自动化设备( 执行器传感器) 联网到中高层( 单元层) 。p r o f i b u s 分为 主站设备和从站设备。用户对开放式、多供应商通讯系统需求的日益增长，促使了 p r o f i b u s 协议的规范化和标准化。 而分布式网络系统p r o f i b u sd p 是建立在原有的p r o f i b u s 协议上的新型网络系 统。这种传输速率优化的型式专门设计用于自动化系统与分布式i 0 站和现场总线 之间的通讯。具体来说，p r o f i b u sd p 具有以下特点： 响应时间短； 抗干扰性强； 可取代昂贵的2 4v 并行信号传输和4 ( 0 ) 一2 0 m a 测量值传输。 因此，使用分布式p r o f i b u s 能够更好的适应剪带装置的现场要求。 2 5 2 2 工业以太网区域联网1 6 8 1 工业以太网( i e e e8 0 2 3 和8 0 2 3 u ) 一一区域联网的国际标准，目前已成为 全球局域网应用的主要网络，市场份额达8 0 。工业以太网具有以下的重要特点： 启动快速，因为简化了网络的连接方法。 灵活性大，现有的设备可以不受影响的随时扩展。 可靠性高，采用了冗余的网络拓扑结构。 无限的通信性能，因为使用的交换技术可以根据用户需求提供可伸缩