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机械手码垛机在啤酒装箱码垛设备上的应用

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1应用背景

啤酒生产企业的自动化程度普遍较高,一般生产过程都以机械设备代替人力,但在自动码垛方面多以人工进行搬运工作,目前由于新劳动法的实施等一系列因素,企业的人力成本普遍大幅度提高,因此企业比较需要一种相对合适的机械设备来代替人工。现在主流市场的码垛设备主要有龙门式码垛机和外购机械手码垛机两种,表1是对两者的简单分析。

鉴于以上两种码垛设备的分析,上海昱庄机械有限公司决定结合两种设备的优势,开发出一种介于两者之间的码垛设备,即立柱式机械手码垛机,见图1。

我校与上海昱庄机械有限公司有着长期的校企合作关系,多年来双方交流活动频繁,我校学生长期在该单位进行培训、学习、就业,有着良好的合作背景,因此我校与上海昱庄机械有限公司共同合作研发此啤酒码垛设备,我校主要负责电气控制的研发。

2开发思路分析

啤酒生产线成品码垛装置拟采用机械臂抓钩啤酒成品箱的方式,主要工作流程如下:啤酒成品经装箱后由传送带送至码垛装置前端,进入装箱系统前应先将成品箱转动90°。装箱系统机械臂每次抓取六箱。分解动作为有(系统初始化后,装箱机械臂及抓钩在初始抓取位置等待,啤酒成品箱六箱到位后):装箱机械臂下降至抓取位置,抓钩抓住成品箱,靠板压紧,装箱机械臂上升,装箱机械臂转动90°至安放位置,装箱机械臂下降到位,靠板放松,抓钩松开(抓钩脱离成品箱),装箱机械臂上升,装箱机械臂转动至初始抓取位置等待。其中(1)码垛机械臂转动和升降控制拟采用伺服传动控制(2)抓钩抓取和松开,靠板压紧和放松采用气动控制(3)三段传送带传动采用变频调速控制(4)底板送板采用液压控制从码垛机械臂抓取动作开始,至其回复到初始等待位置准备下一次抓取动作为止,整个流程用时应不超过7~10s,即每天37000箱左右(按每天24h连续生产)。

3系统设计

3.1硬件选型

根据以上原理与控制要求,考虑到码垛速度比较快,且对定位有一定的要求,故主要硬件系统构成如图2,其主要硬件配置如表2。

3.2系统的软件设计

1)整个软件系统主要分三个部分,塑箱输送子系统、机械手码垛系统和铲板输送子系统,图3为控制程序的结构框图。根据以上的软件系统构架,程序开发主要采用模块化编程,将整个程序分这样进行分解:初始化和公用程序:这段程序主要作用是进行整机运作前的一系列初始化、开机前故障检测和相关伺服机构的复位。主要机构子程序:主要分为三大块:塑箱输送子系统、机械手码垛系统、铲板输送子系统,这样简化了程序结构,加强了程序的可读性,对日后的维修和维护提供了极大的便利。安全和故障子程序:鉴于该设备如果操作等不当因素,可能或造成重大的人身伤亡事故,对设备的外围安全考虑的要非常的周到,机身周围用铁栏杆进行保护,在周围安装多重光电开关,严禁人员进入工作区域,在程序中设定了严格的进入限制。2)操作面板触摸屏在工矿企业有着越来越广泛的使用,它操作简单,画面直观,深受操作人员的钟爱,而且价格逐年下降,上海东海啤酒有限公司的其他设备上已经广泛运用触摸屏,厂家项目负责人也明确指出希望我们把按钮和监控都要集成到触摸屏上去,因此我们选用了厂家广泛使用的三菱A970GOT触摸屏。3)伺服电机的应用因为码垛机对定位有一定的要求,而且码垛机在运行的时候基本是连续不间断的运行,所以经过综合考虑,选用三菱J3系列的伺候产品,因为码垛对定位有一定的要求,所以在模式上选择绝对位置模式进行开发。4)编程和调试的几个注意事项因为PLC和伺服器通讯涉及到中间变量较多,编程开始前一定要先规划好中间变量,否则很可能造成编程的紊乱,和不可读性,尽量采用模块化编程,使用户的维修和维护方便。调试的时候,一定要掌握好伺服电机的速度,设置不当,极有可能造成机械和电气设备的损害,调试期间,严禁任何人进入机械手工作区域,以防止人身伤害事故。

4应用分析

本文所设计的三菱PLC控制系统在机械手啤酒码垛设备上的应用,已成功地在上海东海啤酒有限公司应用,运行表明该系统基本满足了设计要求,操作简单,维修维护方便,监控及时等优点,确保长时间无故障不间断运行,大大解放了生产力,使工人的数量和劳动强度大幅度下降,受到操作人员、维修人员和管理人员的一致好评。我们以前所开发的系统很少接触到啤酒饮料这些行业,一开始对整个系统的工艺流程不熟悉,通过一段时间在工厂考察,和工厂的技术人员以及机械设计方不断地进行探索研究,最后得到了比较满意的结果。我们认为,开发一套自动化系统,最重要的一定是要把工艺流程理解透彻,开发出来的系统才是完满的,至于用什么PLC来控制,已是次要的问题了。但考虑到设计周期比较短,在开发的时候一些成本上和软硬件上的设计还有一些可以优化之处,比如从成本上考虑推箱伺服电机可以选用松下A4系列的产品,该系统的自适应能力还有待进一步进行开发,比如中途突然断电,如何使其在复电后继续自动运行,现在的设计因为成本和安全方面的因素,如果突然断电,只能进行手动复位,但国外有些设备在这些方面做的相当到位,有待我们继续进行开发和研究。