（机械工程专业论文）板材自动包装线自控系统设计与可靠性分析.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘要 “ 一流的产品，三流的包装”一直是困绕中国企业的一个症结。它不仅制约 着产品的市场竞争力，同时在企业生产者和管理者的心中也成了一直挥洒不去的 心病。建材产品的包装更是如此一贯的半机械半人工方式，尤其在装饰板材的 包装中我国更是完全采用手工包装方式，这对于不耐污染、自 重轻、体积大，边 角及易破损的产品来说，无疑是严重的挑战。北新建材集团是中国新型建筑材料 行业的支柱企业，它率先提出自 主研制开发板材自 动包装线，改变落后的产品质 量怪圈，打破装饰板材人工包装的束缚，以产品好，包装安全，面对激烈的市场 竞争，使本企业的产品现场合格率大幅度提高，在同类产品排名中稳居前三。 本板材自 动包装线就是配合板材类产品自 动生产线设计使用的全自 动的堆垛 装箱包装生产线。它是由分流段、翻板段、堆垛段，包装段等几个工段组成。由 北新集团技术中心研制开发，并已在北新集团实际应用，该生产线目 前已经获得 多项国家专利。在国内包装行业中独树一帜。 文章首先从包装线的设备结构入手，较为详细的介绍了有关包装线的工艺流 程和设备的结构组成形式，系统的论述了包装线自 控系统的设计组成并结合调试 过程中出现的问题对p l c软件的编制作了进一步的研究讨论。同时本文应用可靠 j性理论对控制系统进行可靠性分析，应用现有资料和实际观测数据对光电开关的 通用工作失效率进行计算，得到可靠性指标，对控制系统的各组成单元建立可靠 性模型，并使用系统故障诊断中的故障树理论，对整条生产线分段建立了较为完 整的故障树，提出故障来源，对今后系统的改进提供了较为详实的可靠性依据， 为使用者提供了快速的故障解决方案。 关键词:自 动包装线控制系统可靠性故障树理论 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ab s t r a c t t h e t o p - r a n k in g p r o d u c t , b u t t h e t h i r d - r a t e p a c k i n g i s t h e s u m m a r i z a t i o n o f c h i n e s e m a n u f a c t u r i n g , a n d i t i s t h e s t i c k i n g p o i n t t h a t p u z z le s c h i n e s e e n t e r p r i s e l o w - g r a d e p a c k i n g n o t o n l y r e s t r i c t s t h e c a p a b i l i t y o f m a r k e t - c o m p e t i t i o n o f t h e p r o d u c t , b u t a l s o i s t h e s e c r e t t r o u b l e o f e n t e r p r i s e p r o d u c e r s a n d g o v e rno r s a l l t h e w h i l e . a s t o t h e p a c k i n g o # a r c h i t e c t u r a l m a t e r i a l p r o d u c t , i t is e v e n w o r s e . i n c h i n a t h e p e r s i s t e n t p a c k i n g m o d e i s h a l f - m a c h i n e a n d h a l f - m a n p o w e r , e v e n w h o l e h a n d w o r k p a c k i n g i n p a n e l m a t e r i a l s p r o d u c t . a s f o r t h e p r o d u c t o f e as i l y p o l l u t e d , l i g h t w e i g h t , h u g e v o lu m e a n d i t s s i d e s a n d c o rne r s e a s y d i s r e p a i r , it i s a s e r i o u s c h a l l e n g e w i t h t h e c o n v e n t i o n a l p a c k i n g m o d e . b n b m i s t h e b a c k b o n e o f c h i n a n e w t y p e a r c h i t e c t u r a l m a t e r i a l t r a d e , i t t a k e s t h e l e a d in r e s e a r c h i n g a n d d e v e l o p i n g a u t o m a t i c p a c k i n g l i n e f o r p a n e l m a t e r i a l s i n d e p e n d e n t l y . b n b m h a s c h a n g e d t h e l a g g a r d p r o d u c t q u a l i t y , b r o k e n t h e b o n d a g e o f w h o l e h a n d w o r k p a c k i n g i n o rn a m e n t p a n e l m a t e r i a l s . b n b m f a c e s t h e s e v e r e m a r k e t - c o m p e t i t i o n w i t h s u p e r p r o d u c t q u a l i t y a n d s a f e p a c k in g . b n b m h a s i m p r o v e d t h e s p o t e l i g i b l e r a t e o f p r o d u c t g r e a t l y a n d m a d e i t s e l f r a n k t h r e e a t t h e s a m e p r o d u c t s t e a d i l y . t h e a u t o m a t i c p a c k i n g l i n e f o r p a n e l m a t e r i a l s h e r e i n d i s c o u r s e d i s a k in d o f f u l l y - a u t o m a t ic p a c k i n g l i n e f o r s t o w i n g p a c k a g e s p e c i a l l y d e s i g n e d f o r p a n e l p r o d u c t s a u t o m a t i c p r o d u c t i o n l i n e . t h e s y s t e m i s c o m p o s e d o f d i s t r i b u t i n g p r o c e s s i n g , t u r n i n g p r o c e s s i n g , s t o w i n g p r o c e s s i n g a n d p a c k i n g p r o c e s s i n g . i t i s d e v e l o p e d b y r ， 它委托集团技术 中心承担整个项目的研究、设计和调试。在原有的自动堆垛的基础之上增加自 动 翻板，自 动装箱，塑料封装一次完成， 提高产品竟争力。 目 前矿棉板厂所使用的6 0 0 x 6 0 0 矿棉板自 动 包装线2 1 ， 是 我中心于9 7 年开始 着手设计并于9 8 年投入使用的，国内 仅有的一条全自 动板材包装设备3 1 ，由 于该 设备的投入给客户带来可观的经济效益。一年后厂方提出新建3 0 0 x 6 0 0自 动线， 再次降低人员投入， 全面提高自 动化装备水平，并对设备的技术可靠性进行分析， 建立故障排除机制。 ( 该项目已经申 请多发明专利和已经获得多项新型专利见附页 2 ) 该生产线机械设备复杂、密集程度高，这样就要求生产线的组成设备必须有 相应的高安全性，所以导致现在生产线设备的零件数目 不断增加，因此必须考虑 提高其可靠性以达到用户使用的满意度。 产品责任法使企业必须考虑产品故障所造成的损失，以 及由此引起的法律责 任。 矿棉板由 于作为一种新型的 装饰板材4 1 ， 它具有重量轻、 体积大、 边角极易损 坏的特点，因此必须使用十分严格的外包装设备以达它的外观质量要求。避免由 此产生的废品，退货及高额赔偿，因此必须提高包装线的运行质量。 市场竞争的压力。目 前市场上有多个品牌的矿棉板，作为企业自 身的竞争压 力是可想而知的。谁的产品能满足市场的需要，谁的产品有优势，谁就能立于不 败之地。现在全国矿棉板生产企业有十几家，其产品质量参差不齐，由于全都使 用手工包装，造成了大量的人为的不合格产品，形成的不合格率达到 5 7 %以上。 这样厂方更加提高了对全自 动包装线的依赖，同时提高了对包装线高可靠性的要 求，以 提高产品的市场竞争力。 人工费用日 益提高是提高生产线可靠性的另一重要原因。从该线投入使用以 来已 经减少人工近3 1 4 ， 大大降低了企业的管理成本。工人转岗后可以 进入集团的 新项目，学到更多的劳动技能，创造更多的企业价值，完全符合现代企业管理思 想。 国际市场对矿棉板的需求的日益增加，迫使产品在质量不断提高，品种不断 增加的前提下，拥有更加合符长远距离运输的包装，却成为迫在眉睫的要求。目 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 前国际建筑市场对矿棉装饰板的需求拥有巨大缺口，因此如何提产品包装，使之 国际化、才能更加具有国际竞争力。 1 . 2 1 . 2 . 1 行业自动包装线概况 国内概况 国内某大型啤酒厂目 前拥有两套自 动包装设备。一套国产半自动设备，生 产时需要很多技术工人，劳动强度大;另一套是由德国引进的自 动包装设备。经 多年使用来看该厂工人反映德国设备故障率高，运行不可靠，而且发生故障后处 理十分费事。所以该厂目 前只能使用国产设备来完成十分繁重的包装任务。 北京某润滑油厂也是一家比较知名的企业。他们使用一种完全机械自锁的 自 动包装机。该包装机是九十年代由国外引进，该机具有多套间歇机构，能够完 成码放产品、折边及粘箱多个动作。 全套系统仅使用单传动但机械过程过于烦琐， 而且包装机的整个工作过程中主传动长转不停。其包装产品单一，并不具备产品 多样包装结构复杂的板材包装功能。 上海某机械厂是国内的较大包装企业。该厂生产的罐装啤酒包装机是国内 比较先进的自 动包装设备。它采用啤酒罐自 动码放成型，多只机械吸盘抓取啤酒 罐放到包装纸板上，由产品自 重压下的非主动包装方式完成。在整个包装中，产 品的下料与包装箱的行走均采用机械自 锁，使用一套传动方式。不适合板材包装 的要求。 某包装机械厂:b j z -3 8 0 f自 动包装机和b j z -3 8 0 f自 动包装机是自 动化 程度较高的多用途自 动包装机。能自 动完成制袋、填充、封切等包装工序，可包 装饼干、糖果、方便面、方便米粉等食品及其它厚度小、质地柔软的片状物品。 上海某包装机械有限公司:该包装机械有限公司系外商独资企业，生产经 营具有九十年代先进水平的各式包装机械，其中包括全自 动真空成型机，全自 动 充填泡壳包装机和全自 动集体p e , p v c收缩机， 全自 动， 半自 动封盒机，自 动 食品真空包装机，吸塑包装机，贴体包装机及各种封箱捆包机，封口机，印字机， 自 动喷墨机;其公司产品虽多，但并不具备生产大型自 动包装生产线的能力，经 咨询该公司目 前没有自动板材包装线的设计项目。 1 .2 .2 国外概况 日 本:日 本某 会 社15 1是 我们 集团 矿棉 生 产 线的 引 进企 业， 该 企 业 在 千叶 和 大板的工厂吸声板的包装线基本上是人工合板，自 动化包装，每箱 ( 包)为8 块。 -一 一一 ， . . . ， . . . z 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 基本包装形式为，产品从生产线出产到包装线上，经人工合板后，进入堆垛机。 该堆垛机为每次接四对板后放到下一工序后，再进行堆放，进入装箱。 但该套设 备价格昂贵，并与我中心产品不同。 西欧:就掌握的资料来看，s c h n e i d e r s x公司的t u x型自 动包装机拥有自 动装箱功能，但纸箱是手工预折并粘好两面，并不是一张纸板全部由机器完成包 装的。与我板材自动包装线的独特装箱工艺相比自 然存在很大不同。 1 . 2 .3 综合评价 就国内包装市场看大多数生产企业都是以生产糖果、方便面、干品等小食品 包装为主，加上液体罐装，及热缩密封包装，大型缠绕包装设备基本就构成了全 部的单一的国内包装市场。而且在我国随着大工业现代化生产的需要，越来越多 的企业会不断提高自己的自动化水平，来适应千变万化市场的要求。因此对全自 动下游包装设备的需求会越来越大，而且国外包装市场品种虽然丰富，但价格昂 贵， 非 标设 备制造时间长16 1 。 而本板材自 动包装线设备工艺先 进， 设备制 造 精良 ， 控制系统采用先进的o m r o n s y a m a c p l c系统和p a n a s o n i 。 产品组成。 整线采 用全部软件互锁，避免了先前由于机械自 锁带来的诸多不便，使其具有及高的控 制灵活性和高可靠性。能满足高速现代化大生产的需求，适应性好，操作简单， 故障处理方便、快速达到2 0 世纪末同类产品的国际先进水平。其独特的装箱工艺 也及具特色。 1 . 3 课题预计需达到的要求和技术指标 1 . 3 . 1 自动包装线电气控制要求 矿棉板自 动包装线是为北新集团引进年产 8 0 0万平方米的矿棉板项目 进行设 计的， 根 据该生产线总体工艺 过程设计相应自 动控制系统7 l ， 达到 相应的 控 制 要求， 并进行系统的技术分析，用故障树理论建立控制系统的故障分析模式， 便于实际 故障的快速排除。 本系统是由p l c主从控制系统、 光电检测系统和气动执行系统、 伺服控制系统等组成的自 动控制系统。按设计要求本自 动包装线可以完成手/ 自 动 控制， 及单元的机旁控制，并必须符合包装工艺要求。 1 . 3 .2 包装线控制系统可靠性概念的提出 可靠性作为概念ig i9 p a l 早已被人们所熟知，它是衡量产品质量的一个重要指 标。只有可靠性好的产品，才能在长期使用中发挥好的使用性能，赢得更多的用 一-. ， 一， 一一一叫 一一叫-一. 喇 勺 一目 叫响 叫一一叫 . 一-，一， ， ， 一-.， 一-一-目 . 一 一 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 户。随着科学技术的发展尤其在国防，高精尖领域中可靠性越来越得到高度重视。 本文就是应用可靠性理论对自 动包装线进行较为全面的可靠性分析，以便在未来 的设备改造，和设计中具备更加优越的性能。在可靠性理论中可靠性是指 “ 产品 ( 设备或系统) 在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力” 。对于本文对 其概念做如下解释: “ 规定条件” 指系统的工作条件和环境条件。其中环境条件是唯一确定的， 在矿棉板厂主生产车间中，该车间温度，湿度指标对本研究影响不大，主要考虑 气源压力，环境震动及环境噪声等。工作条件规定是完成全自 动包装线的全自动 功能和输送、堆垛、包装等个工段自 动功能。其操作方式必须为自 控系统设计操 作规程所提及的内容和顺序。 “ 规定时间”按照矿棉板厂厂方提出要求，包装线使用的工作时间为两班 制 两班间不停机) ，一天 1 6小时计算，则一年实际的生产天数为2 0 0天。也就 是包装线应满足年实际工作时间为t = 1 6 x 2 0 0 = 3 2 0 0 小时的规定。 “ 规定功能”是指全自动包装线应完成的性能指标和技术指标要求，具体 要求如下: 输送段应满足矿棉板生产速度，具备每分钟接4 0 块，每两块横向并列出板方 式， 即每3 秒出两块板， 两块板之横向距离为8 = 0 。 其中合板工位段生产节拍为6 秒钟一个周期。 堆垛段应满足每分钟4 垛的生产能力，即单堆垛机生产能力为2 垛每分钟。 包装段应满足每分钟3 箱的能力。 1 . 3 . 3 提出控制系统的可靠性模型，制定系统可靠性分析方案 可靠性模型d 1 】 是从可靠性角度表示系统各组成单元间的逻辑关系，它包括可 靠性结构模型和可靠性数学模型。所谓可靠性结构模型是将系统的各组成单元之 间的可靠性逻辑关系用框图来表达的一种模型，本文便是在对包装线进行深入细 致的分析后从可靠性分析的角度，建立系统的可靠性串联模型，并运用以 往的工 程经验、生产记录故障数据，尤其是以单元的失效率作为依据对本系统的组成部 分进行可靠性指标的预测。 最后运用故障树分析法1 2 1 ，对本系统的可靠性分析和 综合评价。 本章小结 总体来说本文所完成的工作不只是研究了自 动控制系统设计的方法，同时它 开始了国内建材行业生产线可靠性研究的探索，该研究的实施代表着一种全新的 管理思路，和设计水平的进步。 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 板材自动包装线ti 2 . 1 板材自动包装线工艺要求 本自 动包装生产线按生产工艺要求必须完成矿棉板两路单板输送、单路双板 合板，单路多板堆垛整齐码放、整垛装箱包装等不同的工艺流程，因此在设备和 自 控设计中把整条生产线分为:输送段，堆垛段和包装段。 2 . 1 . 1包装工艺流程 矿棉板是一种新型的建筑装饰材料，它是以粒状棉为原料，经悼取、过滤、 成型烘干加工成原板，再进行压花、喷涂最后经干燥窑烘干为成品，以后就进入 产品的 包装生产线0 2 ) 。由 干燥窑输出的 矿棉板是两路不间断 输出的，因 而 进入包 装线后先采用分流设备使两路产品分别独立完成堆垛前的工艺准备过程。这段工 艺过程包括输送段和堆垛段。输送段又由分流设备、加速设备、合板设备和加速 上抛设备组成。堆垛段又由接板机构、升降机构、拍齐机构和输送台组成。这两 段工序均为单独驱动，独立完成堆垛任务。矿棉板经分流后，拉开板间的横向间 距，进入加速后加大前后两块板间的纵向间距，使矿棉板的前后左右的间距达到 合板设备所必须的要求，在加速设备上设置止动装置，对即将进行翻合的板预先 靠齐再进入后续设备.在合板设备上使用翻板装置将预先靠齐的前后两块板翻合 为一对正面相对的对板，合好的对板经加速上抛设备即可进入堆垛段进行堆垛。 这时预先合好的对板由堆垛段的接板机构截取到一定数量后，放到升降机构的托 盘上，当达到装箱数量后托盘下降到底部，把一整垛板放到本段的输送台上。由 此输出的一整垛板经拍齐机构作用后四面基本达到整齐，以便进入下面的包装段。 包装段是包装线中最为复杂的部分， 它由以下几个部分组成:堆垛转向装置、 排齐装置、搬送装置 ( 含:搬运机械手、滚道) 、装箱装置 ( 含:送箱机构、折板 机构、涂胶机构、封箱机构、伺服输送机构) 、出口传输装置。四面靠齐的一整垛 板最先进入本段的堆垛转向 装置上，经整垛输送整理后，板垛便进入排齐装置。 该装置把板垛横向再次拍齐并把它基本摆放到输送装置的中央，使板垛在此等待 进入搬送滚台。在搬送滚台处设置一止挡机构，等待机械手的抓取，以便送进带 有纸箱的伺服输送机构中。而与此同时包装段的装箱装置也由送箱机构从纸箱站 把纸板取下，经送箱机构和折板机构把欲折好的纸箱由伺服输送机构送到接取板 垛的工位等待接收机械手搬来的整垛板。当机械手把板垛放完离开后，再由伺服 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 输送机构把放有整垛板的纸箱送入封箱机构，在输送的过程中由涂胶机构对纸箱 三面进行喷胶处理，在封箱机构中对纸箱己喷好的三面进行粘和。这样整箱的矿 棉板就包装完成。 2 . 1 . 2 包装能力及生产节拍 该包装线的包装速度应该符合干燥窑出口的生产速度要求，并应留有余量， 因此设计速度为4 0 块/ 分钟，各工段生产节拍为: 合板节拍为 6 秒/ 周期 堆垛节拍为4 垛/ 分钟，即每一堆垛机堆垛能力为2 垛/ 分钟 装箱节拍为3箱/ 分钟，包装形式按产品厚度不同，分别为 3 0 块/ 箱、2 2 块/ 箱、1 8 块/ 箱、1 4 块/ 箱。 包装工艺流程见图2 . 1 图2 . 1 包装工艺流程 2 . 2 2 . 2 . 1 板材自动包装线设备总体结构 输送段设备结构 本段共有7台电机，4 只气缸，4 个电磁阀，6 个检测元件。由分流设备、加 速设备、合板设备和加速上抛设备组成。分流设备为两条斜皮带并带有同步导向 定 位 皮 带， 拉 开 并 列 输出 的 板 使 板 横向 间 距 合 乎 合 板 要 求， 在 扣速 皮 带 上 拉 开 板 纵向间距，到合板设备上先由止档气缸档住，当检测元件 5 计数到2时，止档气 缸 8收回，两块纵向靠齐的板快速通过，在两块板通过后，止挡气缸 8再抬起进 行下一个止挡过程。纵向靠齐的两块板进入合板设备后，首先由检测元件 6接受 翻板指令，令回转气缸 9摆臂动作，合板完成后再由检a元件 7接受气缸回位信 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 号，合板过程全部完成。设备见图2 .2 阵 到阵立 刻 )立骊 庭 立 ow 分流装置 翻板装置及输送 2 力 f 随输送装置 4 加速爬升设备 计数检测 翻板检测 摆臂气位检钡 9 s 止挡气缸 翻板摆臂气们 图2 .2 输送段设备组成简图 2 . 2 . 2 堆垛段设备结构 本段由2 台堆垛机组成。 共有2 台电机，1 2 只气缸 ( 其中有两个带抱闸) ，1 4 个电磁阀， 2 2 个检测元件 ( 除两个光电元件外均为磁性开关) 。由接板机构、 升降 机构、拍齐机构和输送台组成。接板机构是由两只横向装置的气缸组成一层叉和 二层叉，气缸带有磁性开关，分别检测气缸的收回和伸出到位信号。当检测元件 1 2接收来板信号后一层气缸收回，把接收的板放到二层叉上，再行伸出。当二层 叉检测信号 9记数到时，气缸收回，把接收的板放到接板机构的托盘上。升降机 构是由 一只垂直放置的气缸及附属机械组成，气缸上带有磁性开关，并在机架上 设置有光电检测元件。该机构在接到二层叉第一次放下的板后，由机架上设置有 光电检测元件 5检测，气缸向下移动后停止，再次接到二层叉放下的板后，把接 收的板放到输送台上，在板垛经过检测元件 6时，升降机构气缸回到初始状态及 接板位置。拍齐机构由几只拍齐气缸组成， 气缸上带有磁性开关。负责把一层叉 和二层叉及升降机构托盘上的板从横向 和纵向拍齐。输送台为一台皮带机， 负责 输送整齐的板垛。设备见图2 .3 . . . . . . . 目. 目 ， ，自 . 叫一-一叫， . . . . 目 . ， . ， 师 ， . . . 响. . 响， . . . . . . . . . . . . . . 响 . . . . . . 洲. . . 一- 一. 一 目， .- 一一. 一， . 目目 . 目 . - -目 目 . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . 一一一.一一， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . 归 月 . 口 ， 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 几 1 皮带机 z 接板机构 3 升降机构 4 拍齐机构 5 升降检钡 i 6 离开检测 7 一叉 到位检测 8 二叉回位检测 9 二又到 位检测 1 0原始位置检测 1 1底部位置检测 1 2来板检测 图2 .3 堆垛段设备结构 2 .2 .3包装段设备结构 本段共有 1 0 台电机 ( 其中有 有 4个双向阀) ，2 1 个检测元件 1 台伺服电机) ，1 6 只气缸，1 6 个电磁阀 ( 其中 装置、排齐装置、搬送装置 ( 含: ( 除 8 个光电元件外均为磁性开关) 。 搬运机械手、 滚道) 、装箱装置 ( 含: 折板机构、 涂胶机构、封箱机构、伺服输送机构) 、出口 传输装置组成 装置分为三个工位:纸箱站、接板工位、粘箱工位。 由堆垛转向 送箱机构、 ，其中装箱 堆垛转向装置 ( 见图2 . .4 . 1 )由一台皮带机、 两台升降辊台 ( 各带一台电机) 组成。当堆垛段两台堆垛机输出的整垛板整理堆好后，进入到堆垛转向装置上， 此处是整垛输送过程中的关键，它解决由先前输出的两垛板的输送优先权的控制。 便于整垛输送有序进行，避免发生 “ 撞车”现象。( 具体控制由控制系统设计处详 解。 ) 经此对整垛进行有效排序后， 整垛进到排齐装置中。在此堆垛被检测元件检 到后辊台电机停止，由排齐气缸把堆垛推向辊台中央，并进行横向再次拍齐。拍 好后辊台电机启动把它送到搬送装置本装置是板垛与包装物的交汇处。 搬运机械手 ( 见图2 .4 .2 )由三只气缸组成，一只横向y 3 2 和两只纵向y 3 4 及y 3 3 组成。当板垛由滚道输送至机械手抓取处时，y 4 7 伸出此时辊台电机并不 立刻停止经几秒钟后，辊台电 机停止，拍齐气缸动作，当接板处发送信号后，机 械手的y 3 4 , y 3 3 均动作到达后抓板气缸y 3 5 动作， y 3 3 气缸收回把板垛抬起， y 3 2 气缸动作把板垛放到伺服输送机构的接板处。完成堆垛的搬运过程。 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 12 4 皮带机 升降辊台 来板检测 转向检测 图2 .4 . 1 堆垛转向装置 装箱装置是与送板同时进行的，如图2 .4 所示，它由纸箱站，送箱机构、折 板机构、涂胶机构、封箱机构、伺服输送机构等几部分组成。纸箱站是由 人工把 纸板装入纸箱架，当得到抓纸箱的信号后，气缸y 3 7 动作，当气缸y 3 7 动作到位 后， 在y 3 6 的吸盘处形成负压， 把纸板吸住， y 3 7 收回， 把纸板吸入折纸机构中。 当纸板被送出后，y 3 7 升起再循环进行放板动作。 y 3 1 四次排齐 y 3 5 抓板气缸:) ; 机械手推送气缸构 一垛板到达挡板处检测 y 3 3 上行程缸y 3 4 一 f 行程缸 图2 .4 .2 机械手设备组成简图 ， 一一 一 -一一 一- 一. -， -一一 - 一目 - -. 一 一. 一 一 一-一 - 一. 一. 一 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 伺服输送机构 ( 见图2 .4 ) 把己接收的纸板送入到接板工位， 在此发出信号， 接收由机械手抓来的板垛，在机械手收回后，伺服机构动作，把纸板和板垛带入 封箱工位。在输送的过程中涂胶检测接收信号，进行纸箱侧面喷胶，在封箱工位 进行横向喷胶。粘箱出口传输装置组成同堆垛转向装置。 纸箱站2 封箱机构 y 4 1 侧喷下降6 y 4 2 侧喷横移 y 4 5 侧压缸1 0 5 9 s 气缸到位检测 涂胶机构 y 4 3 下压缸 4 伺服输送机构 8 压边机构 n 伺服原点到位检测 图2 .4 包装段输送粘箱设备组成简图 本章小结 本章较为详尽的叙述了板材自动包装线的结构组成，对设备的各组成部分进 行逐一描述，为自 控系统设计和后面的可靠性分析做了基础性工作。 一一 ， ， ， ， 目 ， ， . . ， ， ， ， ， 户 钾 ， ， ， ， 卜 一 目 ， ， ， ， ， ， ， ， ， 一一 i o 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 板材自 动包装线自 控系统设计 3 . 1 板材自动包装线自 控系统设计组成及特点 本自 动 包 装 线 是 典 型 的 顺 序 控 制 生 产 线 ， 幻 ， 现 场 有 繁多 的 检 测 元 件 和 执 行 机 构，逻辑关系复杂，动作实现难度大，1 / 0点数4 0 0 多个。其受控设备除变频器， 执行气缸还包括单轴交流伺服器及喷胶系统。由于生产线较长，执行设备相对独 立集中，因此按照设备可就近控制原则，在中央控制柜下分工位设立三个子控柜。 采 用o m r o n - c 2 0 0 h 构 成 的 远 程v 0 系 统 74 来 完 成 控 制 方 案 设 计， 其 控 制 系 统网 络结构如图所示: c n 3 11 己 p u 4 3 p s 2 2 1 i id v 8 0 x i _一 。 。 ， -下川曰日 一机 -算 -上. 盯一一卜 1 a 单 元 扩展单元 伺服驱控器 0 号从站单元 下 二 r t2011 1 号从站单元2 号从站单元 二rt20 送子控柜堆垛子控柜 检测元件 l. 磊t201iv -t 4 4v 元件 机构 一执 行 恻 一一 习| 输送段堆垛段 装箱段 图3 . 1 板材自 动包装线自 控系统网络结构图 本系统属于总线型控制系统， 主控系统包括中央 控制室中 控c o m p u t e r 和分布 在现场的各主站和从站p l c控制单元。以 下对其基本功能作简单介绍: 中控室 中控室是该厂的中央指挥机构， 它负责全厂的任务指挥和监督及协调工作， 本自 动包装线的上位机就设在这里。生产人员在此可以执行监控和指挥。 作为数 据处理和过程监视设备，它具有如下功能:控制、操作功能;显示控制过程功能; 1 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 故障显示报警功能、报表打印和输出功能。另外同时为工厂的大信息管理，及资 源优化提供资源管理接口。 p l c 控制单元 主站 p l c 由 c p u 机架和扩展机架组成。在扩展机架上选配了一块 c 2 0 0 h - r m2 0 1 卡，满足主站与各分站机架的c 2 0 0 h - r t 2 0 1 数据交换，之间采用 r s 4 8 5通讯。它们构成本包装线的主要功能站，是本系统的控制核心。 其控制功 能执行的状况直接影响整个控制系统的控制水平，影响系统信息的实时性和可靠 性，并影响质量控制的决策性。 由于本自动包装线为顺序控制， 系统的机械设备没有设置任何的机械互锁和限 制装置，而且设备的运行轨迹存在若干交叉点，一旦发生机械碰撞其后果不堪设 想，因此本包装线的自 控系统设计就要求有十分严密的逻辑性和可靠性。p l c对 通过现场检测元件传输的各种数据信息，进行采集计算和处理，并按照设计的控 制程序对现场执行机构进行控制。由于这种主从结构使得p l c各站之间形成一种 相互分工，协调制约的关系，能够使本系统在优化的操作下运行。p l c主从站具 有如下功能:数据采集、监视、存储、通信及进行数据转换功能;控制自己分配 的工段运行的功能;进行设备自 检的功能。 现场检测元件和执行机构 为了提高本自 控系统的可靠性和动作执行的准确性， 在元气件选择上尽量选用 可靠性指标高的元件， 如使用o mr o n和山 武的光电开关， f e s t o的气动元件s mc 气缸，t h k滑动导轨等。没有准确及时灵敏可靠的信号，p l c就无法判断控制， 执行机构就不能稳定正确的执行命令从而影响功能设计的实现。 变频调 速装置 0 5 1 ， 选用的 是日 本y a s k a w a 。 它具有v / f 控制， 及矢量控 制共四 种运行方式。可以满足不同速度精度要求，能够及时快速的调整输送速度，并且 可以根据p l c的指令进行多段速控制，使本控制系统能够发挥多品种，不同规格 的包装要求，作到及时分流工件拉开工件间距，满足工艺要求。 气动系统选用 f e s t c 的控制元件和 s mc执行机构。这综合了两家气动厂商 的精华，即吸取了 s mc气缸动作的快速性和较高的重复精度，同时也拥有了 f e s t o的高可靠的控制水平，使气缸的动作完全达到工艺要求和控制要求。 伺服系统则由选用了 p a n a s o n i c的伺服电机和 d v 8 0 x驱动器和 o h m 的 o d c - 1 0 0 1 单 轴数控系统组成 1 6 1 。 该系 统不 仅运算 速度快， 而且 有较强的 运动 控制 能力， 和丰富的编程功能。其伺服电机具有无接触、免维护、调速范围宽， 极易 实现高速和低速控制，该机的运行平稳性保障了调试的精确性和快速性，是本控 制系统最为关键的部分。 1 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 作为 现场的 检测元件 1 7 1 ， 本系 统则 大量 使用了 光电 检测开 关 和磁性开关， 作为 输入检测的气缸的到位检测信号。由于板材的自身特点和工艺设计要求，对于线 上的工件检测全部使用o mr o t的e 3 j m系列的扩散反射型开关， e 3 j m- d s 3 0 m1 具有 l e d投光，自 身带有工作指示灯，工作电压从 2 4 t o 2 4 0 v a c和 1 2 t o 2 4 0 v d c ，且带有调节电位器调节反应灵敏度，最远检测距离为 2 m。非常适合本 线工件的无接触检测。在伺服原点检测中同样选用了山武h p b型带反光板的检测 元件。它们在设计和后期的调试中提高了控制准确性和方便性，并且都具有较高 的可靠性。 3 . 2 板材自动包装线控制系统的编制和研究 本控制系统由p l c 控制系统 1 8 1 、 气动 系统 和光电 控制系 统及伺服控制系 统组 成。气动控制系统包括气源空气净化系统，流量控制阀如节流阀、速度控制阀， 方向控制阀如电磁转换阀，压力控制阀如减压阀、安全阀、气动执行元件如普通 气缸、抱闸气缸、摆动旋转气缸、真空用元件如吸盘等及控制元件如霍尔开关、 压力开关。光电控制系统由可编程序控制器、光电开关、接近开关等元件组成。 伺服控制系统组成由伺服控制器、伺服驱动器及伺服电机组成。 它采用p l c主从远程控制，每一工段实行选择控制，设立一个总控柜和三个 子控柜，每一个分控柜可以进行就地控制，进行手动和自 动转换。总控柜由面板 设置全线自 动手动选择开关，当自动被选择后整条线便进入全线自 动状态，除全 线设置的急停开关有效外，其余控制按钮均被屏蔽。当手动选择时各分控柜均可 控制本段操作，各分控段另行设置自 动手动选择开关， 进行本段的自 动手动操作。 这样的设置便于工人使用， 方便。 全线设置的急停按钮可以停止正在进行的动作。 另外由于本自 动包装线没有设置机械互锁装置， 所以 对动作的交叉处如伺服输送 机构的控制进行原位的操作器控制，每次开机由专人负责操作一次，避免人为故 障出现。 本自 动包装线自 控系统p l c软件的编制是采用o mr o n公司的基于w i n d o w s 的s y s m a c - c p t系统 i 9 进行的， p l c系统的 组成见图3 . 1 . c p u 4 3为p l c的中 央控制单元，它通过r m2 0 1 模块与下面的三个从站单元进行通讯;通过主机单元 与计算机进行编程、调试及监控; d v x 8 0及o h m - 1 0 0 1 的通讯主要是架构p l c 与伺服系统，使之服从p l c控制。下表是配合图3 .2 给出的p l c部分1 / 0地址分 酉 己 表。 目 .目 . 州哟 目 .， . ，. . . . . ， .， . . .， . ， ， . . . . i 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 表 3 . 1 1 / 0地址分配表 序号设备名地址备注 1s11 0 0 0 : 0 0上电开关 2s 21 0 0 0 : 0 1全线自动选择 3s 21 0 0 0 : 0 2全线手动选择 1 0 4s 7 31 0 0 6 : 1 0装箱 自动选择按钮 1 0 5s 7 31 0 0 6 : 1 1装箱手动选择按钮 1 2 400 1 0 : 0 1 上电指示 2 3 5s 7 0 1 0 5 1 : 0 3输送段自 动选择 2 3 61 0 5 1 : 0 4输送段手动选择 2 9 61 9 s1 0 6 2 :0 1工件将至堆垛检测 ( 北) 2 9 72 0 s1 0 6 2 : 0 3工件将至堆垛检测 ( 南) 图3 .2 是本控制系统的梯形图设计结构总图，为便于读图，删去了程序细节 并加中文注释。 100000h l 厂一戒 _) 一一一 0 1 0 0 1 0 0 0 0 2 0 5 1 0 4 1 一 1 e s - 册 ，1 0 0 0 0 0 2 0 5 1 0 3 h 0 5 0 0 州 一刃 _ _ 七二_ 1 me 1 0 i m p 2 0 0 0 0 0 1 _ 扛 几 正 2 0 上电指示。钥匙开关 进入整线程序。钥匙开关 ( 执行自 检程序，自 动允许) 进入输送段手动程序。 全线手动+ 本段手动 ( 执行输送段手动程序) 结束本 段程序， 进入输送段自 动程序. 全 线手动 + 本段自动 ( 执行输送段自 动程序) 结束本段程序。 ( 执行输送段公用 程序) 0 6 2 0 3 -一d if d2 00 10 工件 将至堆垛段检测。 执行 堆垛程序) 一 -一一一一 一 一一 -目 一冲 一口 -一一 一 一-， ， -一一一一 - 一一-一 1 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 0 0 6 1 10 0 0 0 2 _ m 6 1 0 0 0 0 2 一 0 0 0 0 1 _ 0 0 6 1 0 h o 骊厂we es 一- 一 址 二 丫 卜-一 j m e “ 7 倒b l _厂 - 一尹 仁6 2 进 入堆 垛段整 线 程序。 其中 搏 个洋元均由 全线 手/ 自 开关和本 段手/ 自 开关控制 进入 装箱段手动 程序。全线手动十 本段手动 执t 装箱段手 动程序) 结束本段程序。 进入 装箱段自 动程序。全线手动+ 本段自 动;全线自 动 执行 装箱段自 动程序) 结束本段程序。 ( 执行装箱段公 用程序) 一 一 - - 一 - 二 阵一一 ilc 巨 日 程序结束 结束 图3 .2 p l c控制程序结构总图 本程序在编制过程中采用模块式设计思想，分段可独立操作完成，模块之间 并用连锁和互锁条件建立关系，全线自 动或分段自 动时信号可互相调用。 3 .2 . 1 输送段控制模块 作为整个控制系统中的一个完整功能， 本模块由 程序选择指令进入。 ( 本段1 / o 均为0号从站单元控制)在输送段子控制柜面板上设有一个手/ 自 动选择开关，一 个急停按钮和各执行元件的手动按钮及指示灯。当全线自 动选择开关和本子控柜 选择开关均指示为自动时， 便进入本段程序的自 动执行段， 具体选择情况见表3 . 2 : 表 3 .2 程序执行选择表 全线选择开关本段选择开关程序执行状况 自动本段自动模块 手动自动本段自 动模块 手动手动本段手动模块 由于本段完成的功能比较简单，关键在于动作后的对板是否合乎下一工段要 求，因此在摆臂动作执行前设置一处止挡机构，在板到来时由工件计数开关 ( 本 程序1 / o点号为0 5 2 0 5 ) ， 检测到两快时便发出信号， 指令止挡气缸 本程序i / o点 号为0 5 5 0 3 ) 动作，同时时间计数器开始工作， 待计数时间到指令气缸回位， 下一 . 目州 喇巨 ，. . . 目. . ， 1 s 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 计数开始。放过的两快板便进行加速当第一快板被翻板检测 ( 本程序 1 / o点号为 0 5 2 0 1 )识别后，摆臂气缸 ( 本程序 u o点号为 0 5 5 0 5 )动作，此时正好第二快板 进行到位，两快板便合好，加速前进。在合板的程序设计中考虑了多方面因素， 设置两个光电开关，既翻板检测和翻板后使摆臂气缸回位检测。因为矿棉板自重 轻，在机械输送中由于机械间隙或皮带打滑可能会造成板材在输送中跑偏，对于 己经合好的板也有可能出现滞留现象，即在预定的时间内，达不到预定的位置。 而且在调试中发现检测元件的固定位置和气源的质量对翻板的好坏影响很大。因 此对于翻板单元单独增加一个储气罐，保证恒压稳定气流，并对检测单元支架进 行加固。 3 .2 . 2 堆垛段控制模块 本段控制由 本段的程序选择指令进入执行， 对于本段的u o指令均由1 号从站 单元控制。在堆垛段子控制柜面板上设有一个手/ 自 动选择开关，一个急停按钮和 各执行元件的手动按钮及指示灯。作为整个控制系统中的一个完整功能，它完成 从对板到堆垛的转折。由于本段的控