基于PLC 的集裝箱地板鉆孔裝置系統設計

王曉磊，李曉丹

(遼寧工業大學機械工程與自動化學院，遼寧錦州 121001)

集裝箱，是一種用于貨物周轉的大型裝貨容器，具有一定的強度和剛度，在中途換車或換船時無需將貨物取出換箱，因此集裝箱在船舶、港口、橋梁、隧道、多式聯運相配套的物流系統中廣泛使用，已實現了標準化生產制作。

目前，大多數的集裝箱廠家都采用人工劃線、鉆孔、鎖釘，勞動強度巨大，生產效率低，產品質量不高。針對此問題，文中提出了采用PLC 控制的自動鉆孔裝置來代替工人手動鉆孔操作。

1 結構組成簡介

集裝箱自動鉆孔裝置如圖1 所示，主要由以下幾部分組成:

圖1 集裝箱自動鉆孔裝置

(1)車體行走部分。主要帶動鉆孔裝置的移動，實現鉆孔定位功能。車體的驅動主要由伺服電機、減速器及同步帶傳遞到車體后軸，實現車體的移動及定位功能。

(2)平臺的對中裝置。對中裝置由氣缸和直線導軌組成。當車體與箱體不在同一中心線時，兩側氣缸自動對中。

(3)工作臺回轉裝置。該裝置主要通過步進電機與齒輪傳動，實現鉆工作臺的回轉定位。

(4)鉆孔裝置采用電機帶動同步帶實現鉆頭的旋轉，氣缸下壓實現進給，共10 個鉆孔裝置，一次可完成一排的鉆孔。

2 系統的技術難點

(1)如何保證車體走直線

由于鉆孔過程在集裝箱內部進行，如何保證車體沿集裝箱中線行走是一個技術難點。該裝置采用加大車體輪子寬度的方法實現，同時采用對中裝置實現車體平臺自動對中。

(2)車體鉆孔定位

圖2 鉆孔示意圖

鉆孔之前，如何保證鉆頭在集裝箱的每條橫梁的中心線上是另一個技術難點。如圖2 所示。由于采用人工焊接集裝箱橫梁，所以在焊接的過程中橫梁不一定會和集裝箱的車體垂直，但在鉆孔的過程中要使鉆孔的位置在橫梁的中心線上。

解決方法:在車體上對稱安裝兩個傳感器來感應檢測橫梁的邊緣，如圖3 所示。ABCD 為橫梁邊緣的俯視圖。IJ 為橫梁鉆孔的中心線，O 為左側檢測到信號而右側沒檢測到信號的平臺回轉中心，O1為右側檢測到信號的平臺回轉中心。點E、F 為傳感器位置，且左側傳感器先檢測到，右側無信號，這時車體繼續前進，直至右側傳感器檢測到信號，此時兩傳感器的位置為E1、F1，但并不在鉆孔中心線上，此時前進的距離為h。此時可將過程分為兩步:車體平臺旋轉θ 角，此時傳感器所在的位置為E2、F2;車體再前行d 即可到達鉆孔中心線上，兩步同時進行，節省時間。H 為第二個傳感器檢測到橫梁時兩傳感器的中點，G 為旋轉θ 后兩傳感器的中點。設兩傳感器的距離為a，第一個傳感器檢測到橫梁與第二個傳感器檢測到橫梁的距離為h，橫梁的寬度為e，c 為車體旋轉θ 后傳感器位置前行的距離。根據示意圖3 可知工作臺旋轉角度為:

車體前進的距離d 為:

最后將得到的角度與距離轉換成脈沖當量分別送給步進電機和伺服電機。由于橫梁擺放傾斜的角度很小，故橫向的偏離誤差在位置誤差的范圍內。

圖3 定位分析圖

3 控制系統的硬件組成

設計中采用的是三菱公司生產的F2N 系列的F2N128MTPLC，外加一16EX 的輸入擴展模塊。在設備運行過程中，主要采用傳感器采集信息傳送給PLC進行處理，根據實際需要確定所需I/O 口。具體I/O口分配如表1 所示。伺服電機主要用來驅動車體行走，步進電機用于工作臺旋轉。鉆孔電機采用統一控制，共控制10 臺。鉆孔下壓氣缸采用分別控制。模式轉換主要是實現伺服電機的速度和位置控制轉換，在車體行走過程中采用速度控制，當要實現位置糾正時采用位置控制。

表1 輸入輸出地址分配

4 軟件編程

系統復位可分為手動復位和上電復位。上電復位為PLC 的首個掃描周期自動復位，手動復位是通過人按下手動按鈕復位。程序可分為自動程序和手動程序。手動程序主要用來調試和維修使用。在自動程序時，車體在行進過程中，檢測橫梁的兩個傳感器會先后檢測到兩個信號，通過這兩個信號可判斷車體工作臺為左轉還是右轉，同時計算出工作臺所需旋轉的角度以及車體的位移，實現車體前移和工作臺的旋轉，使鉆孔位置保證在橫梁的中心線上。鉆頭上升的過程中鉆頭一直旋轉，只有鉆頭上升到位時才可以停轉。由于集裝箱地板為幾塊拼接而成，所以要判斷是否為接縫，在接縫處為同一梁，不能用邊沿判斷，直接行進至兩排釘的中心線距離鉆孔。具體的流程如圖4 所示。根據流程圖編制了相關的軟件程序。

圖4 流程圖

5 結束語

實踐證明:采用專機可大大提高集裝箱鉆孔的效率，鉆孔更準確，節省了人工劃線鉆孔工序，降低了勞動強度。同時該控制系統控制簡單、方便。

［1］王明武.基于PLC 的全自動鋁錠碼垛機設計［J］.機床與液壓，2012，40(2):62－64.

［2］王曉磊，李曉丹.基于PLC 的高壓測漏機控制系統設計與分析［J］.機床與液壓，2013，41(8):102－103.

［3］肖艷軍，李磊，周婧，等.基于PLC 的自動續料機械手［J］.機械設計與制造，2011(2):152－153.

［4］朱凌宏.基于PLC 的液壓驅動式機械手動作設計［J］.機床與液壓，2011，39(6):79－80.

［5］范金玲.基于PLC 的氣動機械手控制系統設計［J］.液壓與氣動，2010(7):36－38.