多工位冰箱箱体背部注泡发泡系统的设计

摘 要 冰箱箱体发泡是冰箱生产的一个重要环节，发泡的质量将影响冰箱的使用，发泡的速度将影响生产线的效率。本文以冰箱箱体发泡系统为研究对象，分析了冰箱发泡系统的技术发展，根据项目的实际需求，提出了多工位冰箱箱体背部注泡发泡系统的设计方案，实现了冰箱发泡系统的自动控制。本文主要完成了以下几方面的工作： 1. 设计了冰箱发泡控制系统的全自动化控制方案，对设计方案进行了研究，将系统分为箱体自动识别系统等 13 个子系统，对各子系统功能做了分析。对箱体自动识别系统和大屏幕显示系统提出了详细的设计方案，完成了对硬件设备的选型。重点研究了伺服控制系统，分析了伺服控制系统的组成以及伺服电机和编码器的选型方法，设计了硬件的控制电路，完成了伺服电机、编码器和伺服控制单元的选型工作。 2. 对西门子 列 场总线做了深入的分析和研究，分析了二者的功能特点以及在系统中的位置，以 P 为控制器，设计了基于 单主站现场总线系统，使用 件对总线进行了组态，实现了现场设备高速的信息交换。 3. 对 范做了研究，建立了基于 工业以太网，研究了组态王 件，并使用该软件建立了 务器和 户端，实现了底层与上层和上层之间数据的高效传输。 4. 研究了 序编写方法，对线性编程法和结构式编程法进行了分析，根据生产的工艺流程，采用结构式编程法编写了系统控制程序。使用组态王 件开发了大屏幕显示系统的显示画面。并对系统的设计以及论文的编写工作做了总结，对系统提出进一步改进的方案。 关键词 ：箱体发泡； 服控制 I is an of of be by of of be by of In as of is to of a is of is In (1) An of is is 3 as On of of a is as a of of of is (2) an 7LC in A 7P as is in . LC is (3) PC an is PC PC to to (4) LC an on of to is is by At I of of 目 录 摘 要 . I . 一章 绪论 . 1 究背景 . 1 究现状 . 3 注方式 . 3 体识别方式 . 4 注小车驱动方式 . 4 屏幕显示系统 . 5 讯系统 . 5 目来源 . 6 文主要工作 . 6 第二章 发泡系统工艺简介 . 8 泡基本原理简介 . 8 统的结构及功能 . 8 统的工艺流程 . 10 结 . 11 第三章 控制系统设计 . 12 统控制要求 . 12 能从站 . 13 门子述 . 13 . 13 能从站 . 14 箱箱体自动识别系统 . 15 服系统设计 . 17 服系统简介 . 17 气伺服控制系统 . 17 服电机 . 18 转编码器 . 18 伺服电机的选型 . 19 服控制系统 . 20 摸屏 . 23 屏幕显示系统设计 . 23 结 . 24 第四章 通讯系统设计 . 25 讯系统总体构架 . 25 业以太网 . 26 . 26 . 27 位机监控组态设计 . 29 于务器的建立 . 30 . 31 述 . 31 信介质 . 32 信协议 . 33 子设备数据文件（ . 34 . 35 讯系统的组态 . 35 立项目 . 35 件组态 . 36 服控制系统的信 . 40 屏幕显示系统 . 44 结 . 45 第五章 软件设计 . 46 序的设计与编写 . 46 构化编程思想 . 46 序的设计 . 47 写符号表 . 49 写逻辑块 . 50 V 序的调试 . 54 屏幕显示画面的开发 . 55 结 . 56 结论与展望 . 57 参考文献 . 59 攻读硕士学位期间取得的研究成果 . 62 致 谢 . 63 第一章 绪论 第一章 绪论 究背景 电冰箱已成为人们日常生活中不可或缺的家电产品之一，其生产制造过程中包括钣金加工、管路加工、涂装、预装、门体发泡、箱体发泡、总装、检测等环节。 冰箱箱体发泡过程作为冰箱生产的重要环节，其重要性体现在：在进入发泡工序前，箱体已经通过了多道工序的加工和装配，发泡不成功将会造成很大的浪费1；箱体发泡的目的就是将保温材料均匀注入到箱体内胆和外壳之间的空间里，以使箱体能够保持低温，隔绝外部热量。如果发泡环节控制不好，冰箱的隔热效果将大打折扣，不仅影响保温效果，还会使电冰箱制冷系统长时间处于工作状态，浪费电能；冰箱箱体发泡工序如果出现进箱错误，不仅会报废箱体，还将影响后续环节的生产效率，进而影响整条生产线的生产节拍。 因此，结构是否合理，控制精确性、快速性是否满足要求，是关系到能否保证冰箱产品的质量和生产的效率的重要因素。 箱体发泡系统大致经历了以下发展阶段： 1. 转盘式模架生产线 图 1工位转盘式模架生产线示意图2转盘式模架生产线是一种早期的箱体发泡自动生产线，如图 1示。冰箱箱体随着输送轨道来到旋转式模架进出箱工位（图 1 G 位置）上，机械手将箱体送入模具工位（图 1 I 位置），箱体随模架顺时针转动。当转到发泡工位（图 1 J 位置）1 华南理工大学硕士学位论文 时，机械手将发泡枪插入到箱体上充注孔内并注入发泡料（同时，下一个箱体来到进出箱工位进箱）。充注完成后，枪头退出，箱体继续随旋转模架旋转，在旋转的过程中发泡料逐渐熟化。当箱体再次来到进出箱工位时，先将熟化的箱体卸下，在装入新的未发泡的箱体，一台箱体的发泡环节就结束了。 该发泡系统存在如下缺点：当 8 工位其中某一工位产品型号发生变化需要跟换模具时，必须将所有整套生产设备停下方可操作，这样将严重影响生产效率；模架工作时，要拖动 8 个工位旋转，能量损耗大；整套设备占地面积相对较大，生产产量相对较低。因此，该设备已被更具竞争力的新产品替代。 2. 矩形转盘式生产线 注泡工位进箱工位出箱工位图 1形转盘式生产线示意图 矩形转盘式生产线采用矩形轨道输送系统，输送线两端为椭圆型轨道，其余部分为长度可调的平行轨道传输线3。冰箱箱体来到矩形模具工位上，随模具工位顺时针旋转，经过充注工位时，发泡枪插入充注孔注入发泡料。充注完成后，箱体继续随模具旋转进行熟化。这种生产线可同时为多达 20 台模具工位发泡，提高了生产能力。其缺点有：同转盘式模架生产线一样，工作时需要拖动多个模具工位旋转，能量损耗大；机械方面，由于涉及循环旋转，转弯处的装置在运转一段时间后，定位精度会降低，需要重新校准定位。所以，该生产线正逐渐被固定多线式生产线所取代。 3. 固定多线式生产线 固定多线式生产线是目前冰箱箱体发泡较先进的生产线。所谓固定多线式，即该生产线上有多条分输送线，在每条分输送线上都配备有一套位置固定的冰箱箱体模具，模具的后方（箱体的底部）或上方（箱体的背部）有运载发泡枪的小车来回移动，完成对箱体的充注工作，如图 1示。工作时，无需像前两种生产线那样转动笨重的模具。若需要生产新款的冰箱，也不必停止整条生产线的运行，只需对单个工位进行操作即可，2 第一章 绪论 为灵活适应市场的需求提供了便利，避免了冰箱在工厂仓库或者批发商环节积压库存4。另外，在每条支线模具上，均设有壳体预热装置，能使壳体达到适合发泡的温度。整条生产线由冰箱壳体主输送线、分输送线、壳体预热烘道、模架、发泡后箱体输出线、发泡机、中心控制台和充注发泡枪组成。 23 465910118 12 137图 1工位固定多线式生产线示意图 这类生产线以其结构紧凑、占地面积小、工作效率高、环境污染少、生产安全、传输系统量消耗少等特点被广泛应用5，是冰箱箱体发泡生产线的发展趋势所在。本文设计的多工位冰箱箱体背部注泡发泡系统就是基于这种生产线模式。 究现状 注方式 目前，国内外普遍采用的冰箱箱体发泡方式主要有底部充注和背部充注两种。 底部充注即充注孔在箱体底部，一般使用单台发泡枪，即箱体底部只有一个充注孔。这种充注方式的特点：美观，充注孔在箱体底部；满足中、小容量的冰箱箱体发泡。中、小容量的箱体需填充发泡料的空间比较小，需要的发泡料少，在预定的固化时间内，发泡料能均匀地流动到外壳和内胆之间的全部发泡空间；技术方面要求不高，成本投入方面较低。在对大容量箱体发泡的时候，底部充注的发泡料通常会在固化时间内没有流到位就已经固化，造成发泡不均匀现象的出现，甚至有的部位都没有发泡，导致箱体报废。 背部充注，即充注孔在箱体的背部。背部充注的优势在于，充注孔通常在箱体背部的中间位置，注入的发泡料能均匀的向各个方向流动；箱体背部面积远远大于底部面积，因此能够同时驱动多台发泡枪充注，使得在固化时间内，发泡料能充满箱体的各个角落。背部充注一般采用双枪，即箱体背部有两个充注孔。对于超大容量的箱体，可以采用四3 华南理工大学硕士学位论文 枪充注。背部充注既能为中、小型容量箱体发泡，又能为大型箱体发泡，是冰箱箱体发泡系统未来发展的趋势所在。 在发泡枪的安装方面，目前国内的箱体背部注泡发泡系统普遍采用将两台发泡枪固定在充注小车上的方式，即发泡枪不能自由移动，因此所有待发泡箱体的充注孔位置都不能改变。这样做可以节省投入成本，但在一定程度上限制了生产箱体的类型。本文新研究的多工位冰箱箱体背部注泡发泡系统采用双枪自由定位伺服控制，即两台发泡枪分别由两台伺服电机驱动，可以在轴向上自由移动，通过定位准确地与箱体背部的充注孔对位，这样就能摆脱箱体充注孔位置单一化的限制，提高了箱体工艺设计的自由度。当需要为中、小容量箱体（多为单孔充注）发泡时，可令其中一台发泡枪移动到安全位置（即不损毁发泡枪，也不妨碍充注工作），另一台发泡枪工作，完成充注。这样就实现了单枪充注或者双枪充注两种工作方式，可在同一条生产线上对大容量箱体和中小容量箱体进行发泡，满足一条生产线同时生产不同容量产品的需求。 体识别方式 箱体发泡系统需要根据要发泡箱体的类型、发泡需要的时间、发泡夹具的数目、生产节拍等条件，计算出最优的进箱顺序，然后按照这个顺序依次将箱体送进发泡线。 进箱顺序确定后，预装箱生产线的工作人员将按照进箱顺序组装箱体，箱体组装完成后将随流水线进入箱体预加热系统。为了防止进入预加热系统箱体顺序出现错误，在国内，普遍采用的方法是在预加热系统前设立一个工位，安排一名工作人员专门负责校对箱体的进箱顺序。这样做一来增加了人力资源成本，二来工作人员难免会出现因视觉疲劳、精力不集中等原因造成人为失误的情况，给生产带来严重影响。 本文所研究的进箱箱体自动识别系统，就是在进入预加热系统前的生产线上增加一套自动识别系统，通过采集箱体的宽度、高度和深度的数据，确定该箱体与进箱顺序要求的箱体型号是否相同，若相同，则放行进入到下一工位，若不同，则报警，以提醒工作人员前来处理。 注小车驱动方式 通常充注小车采用交流异步电机驱动，在本系统中充注小车以及两台发泡枪均采用伺服电机驱动。 4 第一章 绪论 与一般的交流异步电机相比，伺服电机有结构紧凑、运行稳定、容易控制、响应速度快、灵敏度高、过载能力强、机械特性和调节特性的非线性度指标严格等特点，广泛应用于纺织、印染、机械和数控机床等要求较高的机电传动控制领域6。 使用伺服电机将能够有效提高充注系统的响应速度和定位精度，提高发泡线的生产效率。 屏幕显示系统 本系统需要按一定进箱顺序安排进箱次序，目前普遍采用的方式是设立专人按纸质的进箱顺序表安排组装箱体的次序，这样做的主要有两个缺点，一是浪费人力资源，二是人经常会因为疲劳等原因出现人为错误。因此，势必需要在现场设置一个具有提醒功能的设备。另外，还有一些设备的工作状态需要告知现场的工作人员，以便工作人员更好的开展工作。通过综合考虑，提出了大屏幕显示系统的方案。 本文提出采用 为 务器的客户端， 将输出数据传送到 42 吋 晶电视上作为输出，组成大屏幕显示系统。大屏幕显示系统可以动态的显示现场设备的工作参数、工作状态、故障类型等信息7，以满足现场工作人员对生产信息的需求。从数据传输的角度来讲，发泡系统的 务器实际上相当于一个 I/O 接口驱动器8，它一方面与总线上获取现场设备的数据，另一方面又将数据通过标准 口提供给 户端，客户端将获得的数据进行处理后，显示在大屏幕上。大屏幕显示系统的外观美观、安装方便，可以悬挂在空中，不影响加工工位的正常操作。 讯系统 随着现场总线的快速发展，现已广泛应用于各种生产、加工行业，目前，冰箱发泡系统也基本都采用了现场总线控制。现场总线有设备分散、控制集中等特点，通过总线将主控制器和现场的仪表连接成为控制网络，通过触摸屏等 I/O 设备设定系统的参数和读取系统的工作状态。 应用也越来越广泛，结合上位机及主、从站之间的通讯原理，能够实现与工业现场元件（数字或模拟量元件）之间的多级网络通讯控制9。本系统将在以 控制器的 主站现场总线的基础上搭建基于 工业以太网，将现场的数据传送到管理层，以便工厂能够统筹管理。 际组织推出的新一代基于工业以太网的自动化总线标准，为自动化通信领域提供了一个包括分布式自动化、运动控制、实时以太网、故障安5 华南理工大学硕士学位论文 全及网络安全等技术的解决方案10。一种跨供应商的技术平台，可以兼容不同生产厂商的工业以太网产品和现场总线技术，为工程项目的分工和选择提供了更大的空间。 目来源 本文以印度某公司委托中国电器科学研究院开发冰箱生产线的需求为背景，研究设计一种通用型的多工位冰箱箱体背部注泡发泡系统。本系统为六工位系统，要求生产节拍为 60s，发泡时间为 4泡枪定位精度为充注小车定位精度1可同时为多种不同型号的电冰箱箱体发泡，整个发泡流程（从箱体进入进箱通道开始到箱体从出箱通道输送出来）采用全自动控制，无需人为干预。 文主要工作 本文首先将对冰箱箱体发泡系统的现状和发展趋势进行分析研究，结合依托项目的实际需求，提出多工位冰箱箱体背部注泡发泡系统整体设计方案，根据总体方案对箱体自动识别系统、预加热系统、运箱小车控制系统、6 套发泡夹具控制系统、充注小车控制系统、发泡枪控制系统、触摸屏系统和大屏幕显示系统 13 个子系统进行设计研究，着重研究了箱体自动识别系统、伺服控制系统（包括充注小车控制系统和发泡枪控制系统）、大屏幕显示系统和通讯系统。本文分为 6 章： 第一章为绪论，介绍了冰箱发泡的发展背景和研究现状，分析了各种方案的优缺点，选定了系统设计的方向。 第二章为理论介绍，介绍了冰箱发泡的原理和多工位冰箱箱体背部注泡发泡系统的工作流程以及各部分的功能。 第三章为控制系统的设计，首先提出了控制系统的整体方案，随后分别就箱体自动识别系统、伺服控制系统、触摸屏系统和 大屏幕显示系统提出了设计方案，并对 第四章为通讯系统的设计，首先提出了通讯系统的整体方案，对 建了给予组态王 务器的工业以太网；分析了 场总线，利用 件组态了 场总线，并分析了伺服系统与 线的通信方式，编写了通信程序。 6 第一章 绪论 7 第五章为软件的设计，研究了 编程方法，分析了线性化编程和结构化编程的特点，采用结构化编程编写了系统的控制程序。使用组态王软件绘制了大屏幕显示系统的显示图像。 总结与展望，对论文的工作做了总结，并对系统提出了改进方案。华南理工大学硕士学位论文 第二章 发泡系统工艺简介 泡基本原理简介 发泡就是将两种化学原料进行混合，两种原料混合后发生化学反应，出现两种重大变化：一是两种液态流体原料经过混合反应后迅速固化，逐渐失去流动性；二是两种液态原料经过化学反应后，体积迅速膨胀，最终形成了带微小孔洞的固态泡沫物质，该反应后的产物（俗称发泡料）具备重量轻、含有丰富孔洞、具备良好的绝热效果。 冰箱箱体发泡原理，高压发泡机通过高压将两种发泡料（因其颜色一种是白色，而另一种是黑色，故工厂通常称为“白料”和“黑料”11）压到发泡枪，在枪头中由于高压对射而达到完全混合、反应，迅速填充到预装好的内胆和壳体内侧各个部位，在短时间内固化形成坚硬的泡沫，完成箱体的发泡。 统的结构及功能 多工位冰箱箱体背部注泡发泡系统，即多台发 泡模具工位成一字排开，模具在工位上固定不动（模具的外夹具可以上 下升降，内模固定不动） 。充注小车载有发泡枪，可在多台发泡模具间往复移动进行充注，充注孔在冰箱箱体的背部。多台发泡模具工位可同时安装多种不同型号的冰箱箱体模具，这样，生产线就可同时为多种不同型号的冰箱箱体发泡。这种生产线结构紧凑、占地面积小、生产效率高且安全可靠12。 多工位冰箱箱体背部注泡发泡系统可分为箱体 自动识别系统、预加热系统、运箱小车控制系统、发泡夹具控制系统、充注小车控制系统、发泡枪控制系统和输入输出显示系统。图 2 6 工位冰箱箱体背部注泡发泡生产线示意图，其中： 1- 预加热系统；3- 进箱 90旋转轨道；4- 出箱 90旋转轨道；5- 出箱输送轨道；6体）； 789有发泡枪）； 10156#模具工位；16- 充注小车轨道。 箱体自动识别系统的功能是通过传感器，识别 箱体的长、宽、高等参数特征、判断箱体的类型是否与所需进箱箱体一致，若一致，则将箱体输送到下一工位；若不一致，则向 送警报信号。接收到警报信号后，将错误信息发送给大屏幕显示系统，大屏幕显示系统就将信息显示在 屏幕上，并通过声光报警提醒操作人员前来处理。箱体自动识别系统是应客户提高安全性、节约人力资源成本的要求而设计的，以确保运箱小车能运送正确的箱体到达指定工位。 8 第二章 发泡系统工艺简介 1 23 456 6 78 9 10 11 12 13 14 15 16图 26 工位箱体背部注泡发泡生产线示意图 预加热系统的功能是将箱体预热至 4060（可调）。不同的发泡料的适宜发泡温度不同，一般在 4060范围内。预加热系统就是将箱体整体温度加热到适宜范围内，以减轻夹具工位中内外模保温设备的工作量，有利于加快生产节拍、提高生产速度、保证产品质量。温度检测装置检测加热烘房内的温度，并将数据送入 制器，制器将测试数据与预设数据进行比较，以控制加热设备的启动和停止，从而控制加热烘房的温度。 运箱小车控制系统的功能是将发泡完成的熟化 箱体运离发泡模具工位并将预装箱体运送到该发泡工位。运箱小车是有两台小车同步运动，一台是运输熟化箱体，一台是运输预装箱体。在初始位置时，预装箱体从加热烘房里输送出来，通过转向传送装置进入运箱小车，运箱小车运动到系统指定的工位，先将该工位的熟化箱体卸下，再将预装箱体送到该工位，随后小车回到初始位置接收新的箱体，同时把熟化箱体送到出箱输送轨道上。对运箱小车的要求，首先要定位要精准，其次是输送速度尽可能快。系统在小车行进的轨道上安装了多个位置检测装置，来检测小车的具体位置，并将数据及时传输到制器， 据检测到的小车的位置，及时调整小车的行进速度，最终使小车能快速准确到达要求的位置。 发泡夹具控制系统的功能是将运送来的箱体固 定在工位上，完成发泡过程。运箱小车将预装箱体运送到工位入口，检测装置检测到箱体后，向 送箱体到位信号，动传送装置将箱体运到模具上，并驱动相关马达将箱体加紧在模具内，内模和外模温度调节装置将维持箱体的温度在适宜温度范围内。完毕，系统将驱动充注小车和发泡枪来到该工位，将发泡剂注入到箱体内，等待 48 分钟熟化时间（不同的发泡剂发泡时间不同，不同容积的箱体需要的发泡剂量也不同，因此发泡时间也不同） 。熟化时间9 华南理工大学硕士学位论文 到， 驱动相关马达将箱体释放， 并输送到运箱小车，然后等待下一个箱体的到来。该系统的关键就是夹具和模具必须将模具加好，并且确保箱体处于合适的温度，这样才能保证箱体的发泡质量。 充注小车控制系统和发泡枪控制系统的功能是 通过二者的相互配合使发泡枪与充注孔准确对位。充注小车运行轨道悬在模具工位上方，充注小车载有发泡枪，在各个工位上方沿轨道移动，与此同时， 据下一工位箱体的类型（不同类型的箱体的充注孔位置不同） ，向发泡枪控制系统发送指令，调整发泡枪的位置。当充注小车到位时，发泡枪也就对准了充注孔， 送指令将发泡枪插入到充注孔内，发泡枪将发泡料注入箱体。充注完成后，发泡枪退出充注孔，充注小车运载发泡枪到下一工位发泡。为了保证充注过程中定位的快速和准确，系统采用伺服电机驱动充注小车和发泡枪，组成伺服控制系统。 大屏幕显示系统的作用是在现场显示整套系统 的工作状态，提示现场工作人员进箱顺序等信息和遇到错误和危险情况时的报警信息，以便现场工作人员根据提示安排生产以及处理现场的报警信息。 统的工艺流程 如图 2示，箱体首先通过箱体自动识别系统（图中 1），系统将识别箱体的长、宽、高等信息并传送到 出判断箱体型号是否正确；判断正确后箱体将进入预加热系统（图中 2）接受加热处理；加热完毕后，由进箱 90 度旋转轨