包裝線碼垛吊具電路控制系統(tǒng)設(shè)計

何 非，張 敏，黃 川，李東波

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

包裝線碼垛吊具電路控制系統(tǒng)設(shè)計

何 非，張 敏，黃 川，李東波

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

研究并完成了某包裝線碼垛吊具控制系統(tǒng)設(shè)計，控制系統(tǒng)包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計分為核心模塊設(shè)計、開關(guān)信號采集電路設(shè)計和執(zhí)行元件驅(qū)動電路設(shè)計；軟件設(shè)計結(jié)合碼垛吊具工作過程，采用C語言編程，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)時序控制，滿足高速包裝線碼垛需求。

核心模塊；采集電路；驅(qū)動電路；時序控制

碼垛就是按照集成單元化的思想，將單一的物件按照一定的模式和方法，一件件地堆碼成垛，以便使單元化的物垛實(shí)現(xiàn)物料搬運(yùn)、存儲、裝卸、運(yùn)輸?shù)然顒覽1]。隨著包裝線技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的碼垛技術(shù)如人工碼垛、半自動碼垛已經(jīng)無法適應(yīng)高速生產(chǎn)線的碼垛需求，并逐漸被全自動碼垛吊具所取代。機(jī)器人碼垛吊具正逐步占有越來越大的市場份額。

機(jī)器人碼垛吊具主要分為機(jī)械實(shí)行部分和電路控制部分，本文針對某包裝線碼垛吊具設(shè)計電路控制系統(tǒng)，使之能夠滿足現(xiàn)代化包裝線的碼垛需求。

1 包裝線碼垛吊具控制要求

1.1包裝線碼垛吊具結(jié)構(gòu)

近年來，為了迎合高速包裝生產(chǎn)線的發(fā)展需求，吊具結(jié)構(gòu)以適應(yīng)包裝線產(chǎn)品的碼垛方式、排列方式和低質(zhì)量為設(shè)計準(zhǔn)則，各種方案層出不窮[2]。本文所設(shè)計的電路控制系統(tǒng)所應(yīng)用的碼垛吊具，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。吊具主要工作過程為當(dāng)產(chǎn)品被推送到指定位置后兩側(cè)氣缸夾緊，壓板電機(jī)啟動，帶動壓板夾緊，吊具移動到碼垛位置后，主軸電機(jī)啟動，帶動卷簾滾子兩側(cè)分開，產(chǎn)品下落到指定位置后，氣缸、壓板和卷簾滾子回到初始位置。

1.2包裝線碼垛吊具控制要求

根據(jù)圖1所示的包裝線碼垛吊具和其工作過程，控制系統(tǒng)的控制執(zhí)行元件分為主軸電機(jī)、壓板電機(jī)和側(cè)夾緊氣缸。在多數(shù)包裝生產(chǎn)線中，為了節(jié)省生產(chǎn)空間，包裝運(yùn)輸線和碼垛時候的實(shí)垛運(yùn)輸線是兩條運(yùn)行方向相反的平行線，碼垛機(jī)器人將碼垛層旋轉(zhuǎn)90°，從實(shí)垛線轉(zhuǎn)移到運(yùn)輸線垛架之上。其工作示意圖如圖2所示。綜合吊具結(jié)構(gòu)和碼垛運(yùn)輸方式，吊具控制時序?yàn)椋?/p>

1—包邊;2—主梁;3—側(cè)板;4—夾緊氣缸;5—輸送鏈;6—卷簾滾子;7—細(xì)梁;8—主軸電機(jī);9—壓板電機(jī);10—壓板

碼垛過程，碼垛產(chǎn)品到達(dá)指定位置→壓板箱電機(jī)夾緊→側(cè)夾緊氣缸夾緊→碼垛機(jī)器人碼垛。

卸垛過程，碼垛機(jī)器人到達(dá)指定位置→主軸電機(jī)打開卷簾→側(cè)夾緊氣缸松開→壓板箱電機(jī)松開→主軸電機(jī)關(guān)閉卷簾。

2 包裝線碼垛吊具控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)設(shè)計主要包含硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分，硬件設(shè)計分為核心模塊、控制執(zhí)行模塊、信號采集模塊和信號轉(zhuǎn)換隔離模塊。軟件設(shè)計主要是通過編程的手段控制硬件部分，使得執(zhí)行部件按照碼垛生產(chǎn)線的實(shí)際需求運(yùn)作。

圖2 碼垛運(yùn)輸示意圖

2.1核心模塊設(shè)計

核心模塊為單片機(jī)微處理器，其是執(zhí)行元件的控制中心，本文所用的STC公司生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)[3]，采用上電復(fù)位方式，晶振頻率為11.059 2Hz。單片機(jī)的工作電平為5V，電源供電模塊既要滿足單片機(jī)的工作電壓需求，同時也要滿足后續(xù)電路電壓需求。電源供電模塊將220V交流電轉(zhuǎn)化為24V直流電，再通過電源轉(zhuǎn)換芯片降低電壓。

供電模塊由變壓器、全橋整流電路、濾波電路和直流穩(wěn)壓電路組成，如圖3所示。變壓器輸入端經(jīng)過熔斷器連接供電電源, 變壓器后接由4個二極管組成的橋式整流電路，整流后得到一個電壓波動很大的直流電源，再通過電容濾波電路和穩(wěn)壓電路得到24V直流電。本文選用LM7805三端穩(wěn)壓器，能夠穩(wěn)定輸出24V直流電，內(nèi)置過載和過流保護(hù)電路，且?guī)в猩崞Ｗo(hù)。

圖3 電源供電模塊

信號采集端采用較高的輸送電壓,能夠保證采集的可靠性，本文采用電源轉(zhuǎn)換芯片，使用電源分步轉(zhuǎn)換的方式防止芯片過熱，并在轉(zhuǎn)換過程中考慮到外部的穩(wěn)壓濾波，保證了電源的穩(wěn)定性。電源轉(zhuǎn)換芯片為M20-24S12和M20-12S5，分別將電源電壓由24V轉(zhuǎn)換為12V及將12V轉(zhuǎn)換為5V。電路原理圖如圖4所示。

圖4 電源轉(zhuǎn)換電路

2.2開關(guān)信號采集電路設(shè)計

在吊具工作過程中，單純地靠時間控制各個執(zhí)行元件誤差較大，不能達(dá)到工作要求，因此將各個執(zhí)行部件的觸發(fā)通過行程開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)檢測開關(guān)信號，然后控制執(zhí)行元件。由于采用低電平實(shí)現(xiàn)控制指令要比高電平好得多[4]，因而采集時采用高電平，在單片機(jī)引腳接口處轉(zhuǎn)換成TTL電平，且高電平和TTL電平之間采用光耦隔離，電路如圖5所示。

圖5 開關(guān)信號采集電路

2.3執(zhí)行電路控制設(shè)計

電機(jī)控制分為主軸電機(jī)控制和壓板箱電機(jī)控制，硬件電路部分主要是為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。本文采用固態(tài)交流繼電器來實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，固態(tài)交流繼電器可以與單片機(jī)直接相連，單片機(jī)的各引腳輸出高低不同的電平，選擇性地鏈接各個固態(tài)繼電器，從而達(dá)到控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的目的。電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動電路如圖6所示。

圖6 電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動電路圖

氣缸控制電路主要實(shí)現(xiàn)對兩個側(cè)夾緊氣缸的控制，側(cè)夾緊氣缸的控制又可以歸結(jié)為對電磁閥的控制，其控制電路如圖7所示。

3 包裝線碼垛吊具控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件所要實(shí)現(xiàn)的功能是讓單片機(jī)接受信號采集電路所采集的開關(guān)信號，同時發(fā)出指令對兩臺電機(jī)和電磁閥進(jìn)行控制。包裝線碼垛過程分為碼垛過程和卸垛過程，本文采用C語言編程，具體程序流程如圖8所示。

圖7 氣缸控制電路

圖8 程序流程圖

4 結(jié)束語

本文綜合考慮包裝線碼垛吊具實(shí)際工作過程，針對碼垛吊具進(jìn)行了控制系統(tǒng)設(shè)計，使其能夠滿足現(xiàn)代化高速包裝線碼垛需求。但是文中所設(shè)計的電路控制系統(tǒng)有一定的局限性，仍然需要在以后的工作過程中驗(yàn)證其可靠性。

[1] 趙堂春,黃敦華,杜鈞.灌裝線碼垛機(jī)械手的設(shè)計與研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2011,7(4):34-35.

[2] 張敏,李東波,何非,等.包裝線碼垛吊具方案設(shè)計與分析[J].機(jī)械設(shè)計與制造工程,2014,43(8):10-13.

[3] 郭天祥.51單片機(jī)C語言教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.[4] 樊琛,李娜娜,曹凡,等.32通道開關(guān)信號采集系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程,2013(4):26-28.

Thedesignofcircuitcontrolsystemforthestackercranehookofpackagingline

HE Fei, ZHANG Min, HUANG Chuan, LI Dongbo

(Nanjing University of Science and Technology, Jiangsu Nanjing, 210094, China)

It introduces the design on circuit control system for the stacker crane hook of packaging line such as hardware and software. The hardware design includes core module, the switch signal acquisition circuit and execution element driving circuit. And the software design combines with stacker crane hook working process. It uses C language to develop the system, applies the microcontroller to control timing. The system meets the needs of high-speed packaging line.

core module; acquisition circuit; driving circuit; sequential control

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.12.011

2014-10-20

何非(1982—)，男，江蘇靖江人，南京理工大學(xué)講師，博士，主要研究方向?yàn)橹悄苤圃?、機(jī)械設(shè)計優(yōu)化。

TP23

A

2095-509X(2014)12-0048-03