包裝鐵匣生產(chǎn)線的自動化設(shè)計與建設(shè)

林宇 伍能文 李俊波

摘要：為貫徹落實“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”戰(zhàn)略，充分發(fā)揮蘭州大學(xué)的學(xué)科和科研優(yōu)勢，致力于產(chǎn)學(xué)研合作落地。文中，對包裝鐵匣生產(chǎn)線的自動化設(shè)計與建設(shè)進行了介紹，希望能為相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：電氣自動化;包裝鐵匣生產(chǎn)線;升級改造

一、對技術(shù)創(chuàng)新需求涉及技術(shù)

節(jié)拍設(shè)計是自動化生產(chǎn)線設(shè)計的重要內(nèi)容之一，整條生產(chǎn)線的節(jié)拍時間與組成生產(chǎn)線的各專機的節(jié)拍時間，尤其是與個別專機的節(jié)拍時間密切相關(guān)?？傮w方案設(shè)計是整個生產(chǎn)線設(shè)計制造流程中最重要的環(huán)節(jié)，其是否正確與合理，對生產(chǎn)線的節(jié)拍時間、生產(chǎn)效率、運行可靠性、設(shè)備復(fù)雜程度、成本造價、設(shè)計制造周期等起著決定性作用。

二、解決方案擬采用的工藝技術(shù)路線、關(guān)鍵技術(shù)

1.概述

受四川燎原機械有限責(zé)任公司委托，為其包裝鐵匣生產(chǎn)設(shè)計一條自動化生產(chǎn)線，主要用于改善鐵匣質(zhì)量、生產(chǎn)效率、工藝創(chuàng)新、減少人工投入等。該生產(chǎn)線具備自動化生產(chǎn)能力，質(zhì)量檢測控制，生產(chǎn)過程監(jiān)視等功能。

2.項目內(nèi)容

2.1項目背景及環(huán)境參數(shù)

鐵匣參數(shù)

鐵匣規(guī)格：外形尺寸470mm*150mm*110mm;

鐵匣材質(zhì)：0.5mm鍍鋅鐵皮;

鐵匣密封要求：防水不透氣，氣密測試;

現(xiàn)場設(shè)備的工作環(huán)境條件。

工房參數(shù)

工房環(huán)境溫度：0℃～45℃;

工房環(huán)境濕度：≤92%;

動力電源：三相五線制，AC380V±10%，頻率50Hz±5%;

照明電源：AC220V±10%，頻率50Hz±5%;

氣源氣壓：0.5～0.8MPA。

2.2設(shè)備內(nèi)容

設(shè)備內(nèi)容（見表1）：

3.系統(tǒng)總體設(shè)計

設(shè)備整體布局合理，外觀精美，具有良好的防銹、防塵性能，能夠?qū)崿F(xiàn)各項技術(shù)指標(biāo)的要求。包裝鐵匣生產(chǎn)線及所有設(shè)備、裝置符合工業(yè)規(guī)范。

3.1方案說明

包裝鐵匣生產(chǎn)線實現(xiàn)半自動化，主要由退卷機、劃線機、剪斷機、倒角、沖孔機、卷邊機、折方成型機、壓接機、壓裝拉扣機、底/蓋板沖壓機、底板封邊機、氣密測試機組成。操作工人減少一半。外形尺寸精度高，卷邊質(zhì)量高。整體單件生產(chǎn)時間減少，產(chǎn)量增加一倍以上。

3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工作分工：機動人員負(fù)責(zé)自動化生產(chǎn)區(qū)檢查工作，處理退卷機，劃線、剪斷機，倒角、沖孔機，卷邊機，折方成型機，連接線體的異常。壓接機、壓裝拉扣機、底/蓋板沖壓機、底板封邊機、氣密測試機五個工位需要各配置一個工作人員。

整體生產(chǎn)流程框圖（見圖3.2）：

3.3設(shè)備部件說明

3.3.1線體單元

線體單元組成：傳輸軌道、皮帶、感應(yīng)器、阻擋氣缸、電機等。

3.3.2OP10退卷機

推卷機主要組成：卡爪組件、剎車制動裝置、操作桿、放卷架、導(dǎo)輪、底座。

3.3.3OP20劃線、剪斷機

劃線、剪斷機工作內(nèi)容：1.劃線：電機帶動劃線輪將牽引過來的鐵皮壓出0.1mm劃痕（滑橫深度可調(diào)節(jié)）。2.剪斷：可以快速切割鐵皮。

3.3.4OP30倒角、沖孔機

可將原沖床進行改造，改造點為壓合模具。

3.3.5OP40卷邊機

卷邊機主要由沖床、上下模具、壓輥、安全光幕等組成。

3.3.6OP50折方成型機

折方成型機主要由氣缸、導(dǎo)軌、擠壓模具、內(nèi)芯模具、下料裝置等組成，整個擠壓成型為全自動化。

3.3.7OP60壓接機

可將原沖床進行改造，改造點為壓合模具。

3.3.8OP70壓裝拉扣機

可將原沖床進行改造，改造點為壓合模具。

3.3.9OP80底/蓋板沖壓機

3.3.10OP90底板封邊機

底板封邊機由轉(zhuǎn)動封邊機構(gòu)、壓邊輪、鐵匣、頂升機構(gòu)、機架等組成。

3.3.11OP100氣密測試機

對密閉腔體內(nèi)充入壓縮空氣，當(dāng)腔體內(nèi)氣壓達到一定值后停止充氣，待腔體內(nèi)氣壓穩(wěn)定后，通過壓力傳感器對腔體內(nèi)氣壓進行實時檢測，保持一定的時間后，通過計算前后壓力差，得出在檢測時間內(nèi)的壓降情況，由此判定腔體密封性能。

3.4電氣控制系統(tǒng)

3.4.1品牌選擇

元器件選型以產(chǎn)品質(zhì)量好，技術(shù)性能高，使用安全可靠，通用性強，升級換代方便，備品備件充足，技術(shù)服務(wù)優(yōu)良等為原則，選擇國內(nèi)外知名產(chǎn)品或同等產(chǎn)品。

3.4.2電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖（見圖2）：

3.4.3電氣系統(tǒng)組成

整個流水線控制系統(tǒng)采用工控機，邏輯控制系統(tǒng)，分布式單機控制系統(tǒng)。采用模塊化設(shè)計，既能單獨運行，也能聯(lián)動負(fù)荷運行。

3.4.3.1工控機硬件

適用于安裝在19"機架、具有下列部件的工控PC：主頻-3.4GHz的奔騰D雙核處理器，存儲-8G RAM內(nèi)存、1TG硬盤，顯示器-19"TFT顯示器、臺式外殼，串口-1個，RJ45 -1個

計算機與PLC通過以太網(wǎng)通信實現(xiàn)人機交互。

3.4.3.2工控機軟件

上位機采用西門子最新組態(tài)軟件WINCC V7.5。由組態(tài)軟件實現(xiàn)對整個生產(chǎn)線系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)和控制指令的輸入、實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)、數(shù)據(jù)的實時顯示;對輸入的數(shù)據(jù)應(yīng)進范圍限制，對發(fā)出的控制指令有安全約束，防止非正常操作。實現(xiàn)對整個生產(chǎn)線的系統(tǒng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)的實時接收與處理，并對實時數(shù)據(jù)進行實時存儲。

3.4.3.3邏輯控制器硬件

采用西門子S7-1500的CPU做主站，由主站控制整條生產(chǎn)線的工藝。每個單體設(shè)備用西門子S7-1200plc做分布式獨立控制。西門子S7-1500系列PLC.，具有最高的生產(chǎn)能力·最高的易用性。

3.4.4硬件規(guī)范

1.存儲容量：普通PLC處理器程序內(nèi)存與數(shù)據(jù)內(nèi)存的總和應(yīng)不低于2M。

2.備份存儲：PLC處理器應(yīng)具備備份存儲功能，用戶程序和數(shù)據(jù)可通過備份存儲卡在控制系統(tǒng)掉電的情況下依然得到保持，并可在系統(tǒng)上電后進行恢復(fù)。

3.存儲卡：MMC存儲卡容量不低于2MB。

4.電源：PLC系統(tǒng)配置交流220VAC作為輸入供電電源，并提供直流24VDC輸出用于本地IO模塊或其他用途使用。

5.PLC、存儲器，具有標(biāo)準(zhǔn)外部（網(wǎng)絡(luò)）連接口，并具有設(shè)備故障診斷，故障停機和自動報警顯示功能。

6.PLC內(nèi)部梯形圖對各動作的保護，應(yīng)互鎖可靠，其外圍電路對PLC輸出應(yīng)具有可靠保護，電氣控制發(fā)生故障時，有停機保護，信號顯示和報警功能。

7.配置PLC輸出接點的保護：交流接觸器線圈配有阻容保護、中間繼電器線圈配有浪涌抑制功能，PLC輸出具有中間繼電器轉(zhuǎn)換接電磁閥，直流電磁線圈加續(xù)流二極管保護。

8.所有控制電機及較大功率輸出點（包括遠程輸出）均輸出至中間繼電器轉(zhuǎn)換輸出。

9.要求PLC機架預(yù)留至少1個插槽留作備用。

10.繼電器在正常負(fù)荷下，壽命不低于1萬次。

11.繼電器或其它可以對異常進行保護的元件，必須保證電壓±10%波動時，可以安全操作。

12.繼電器功率消耗直流回路不大于4W，交流回路不大于5VA。

13.繼電器觸點容量：電壓不超過250V、電流不超過1A的直流有感負(fù)荷，斷開容量至少50W;電壓不超過250V、電流不超過3A的交流回路中為250VA ， 允許長期接通5A電流。

14.繼電器選用2觸頭型，帶機械和LED通斷指示，直流線圈帶續(xù)流二極管保護，交流線圈帶阻容保護。

15.中間繼電器在系統(tǒng)聯(lián)鎖回路中需配置強制開關(guān)，其他場合不配置強制開關(guān)。

16.熱繼電器選型原則為額定電流應(yīng)大于電動機的額定電流。

17.對于照明、插座、工具用電源，電源回路需配置漏電保護器，漏電保護器的動作時間需≤0.1s，漏電流動作電流≤30mA，漏電脫扣時需有明確指示，可區(qū)分故障脫扣和正常分合閘。

18.低壓斷路器的額定電壓應(yīng)不小于線路的額定電壓，額定電流不小于線路的計算負(fù)載電流，限通斷不小于線路中最大的短路電流。

19.熔斷器的最大分?jǐn)嗄芰?yīng)大于被保護線路上的最大短路電流。

20.熔斷器為雙位置鎖定，方便導(dǎo)軌安裝。

21.接觸器觸頭額定電流正常應(yīng)與負(fù)載的額定電流匹配，如果負(fù)載電動機啟動、制動或反轉(zhuǎn)頻繁，接觸器主觸頭的額定電流需降一級使用。

22.接觸器主觸頭的額定電壓應(yīng)不小于負(fù)載的額定電壓。

23.供方應(yīng)使用直流電源作為作為設(shè)備的DC24V電源。主控制柜內(nèi)的通訊電、控制電應(yīng)由2塊獨立的三相輸入的直流電源供電。

24.所有380V AC的變壓器和供給24V DC電的變壓器必須能承受電壓±10%的波動。

4.工作內(nèi)容

根據(jù)項目要求，我們承擔(dān)以下設(shè)計、加工制作及現(xiàn)場安裝調(diào)試任務(wù)：

1）系統(tǒng)的需求了解與方案確認(rèn)。

2）系統(tǒng)實現(xiàn)方案的設(shè)計與選型。

3）硬件設(shè)備的采購。

4）硬件設(shè)備（安裝防護附件）的加工制作。

5）軟件程序的設(shè)計、修改與調(diào)試。

6）現(xiàn)場系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。

7）系統(tǒng)硬件設(shè)備現(xiàn)場安裝、調(diào)試、試運行。

8）提供最終系統(tǒng)的竣工圖及設(shè)備清單，以利于業(yè)主在系統(tǒng)運行后的維護和檢修，該項工作在系統(tǒng)投產(chǎn)正常運行后一個月內(nèi)完成。

三、解決方案擬采用的主要技術(shù)特點和創(chuàng)新點，可能取得專利及知識產(chǎn)權(quán)分析

折方成型機將鐵皮一次折方成中空的鐵匣，可采取申請取得使用新型專利。

四、設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍及技術(shù)參數(shù)

1.退卷機退卷線速度：0～30M/min。

2.劃線機速度：0～30M/min。

3.剪斷機剪切節(jié)拍：5S/件。

4.倒角、沖孔機節(jié)拍：5S/件。

5.卷邊機卷邊節(jié)拍：5S/件。

6.折方成型機節(jié)拍：15S/件。

7.壓接機節(jié)拍：10S/件。

8.壓裝拉扣機節(jié)拍：10S/件。

9.底/蓋板沖壓機節(jié)拍：5S/件。

10.底板封板機節(jié)拍：10S/件。

11.氣密測試機節(jié)拍（雙工位）：40S/2件。

12.中間物料轉(zhuǎn)運及系統(tǒng)運行時間：8S。

13.綜上單件生產(chǎn)鐵匣節(jié)拍為28S。日生產(chǎn)量為1028件。

防護等級：柜內(nèi)元件的防護等級為IP20及以上?？刂乒瘛⑴潆姽竦姆雷o等級為IP54及以上軟件設(shè)計。

軟件規(guī)范：PLC編輯軟件采用西門子博圖 V15.1，HMI編輯軟件采用西門子博圖 V15.1。

制作規(guī)范：所有線頭必須做壓接線頭，所有線號、元件號是打印機打印。

設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、范圍及配合（見表2）：

參考文獻

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[2]周德澤.電氣傳動控制系統(tǒng)的設(shè)計.機械工業(yè)出版社，1985

[3]閻仲亭.千噸級非晶帶材生產(chǎn)線自動控制及計算機管理系統(tǒng).北京工業(yè)大學(xué)，2000

作者簡介：

林宇（1963.11.6 ?---） ， 男，廣西柳州，大學(xué)本科，高級實驗師，電路與系統(tǒng)