鋼桶危險(xiǎn)貨物包裝跌落試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)
跌落試驗(yàn)機(jī)是一種驗(yàn)證產(chǎn)品耐受沖擊跌落性能的設(shè)備，目前該種試驗(yàn)機(jī)的工作模式可分成兩大類(lèi)；托架式和懸吊式。但由于試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)限制和試樣的形狀、大小及懸吊時(shí)的狀態(tài)各異，導(dǎo)致對(duì)試樣的重量具有一定的局限性，對(duì)跌落高度的測(cè)量既不便還可能存在安全隱患。該項(xiàng)研究引入了可編程序控制器、計(jì)算機(jī)、力傳感器和位移傳感器測(cè)量技術(shù)，通過(guò)試件重量在提升（下降）與砧面分離（接觸）過(guò)程中重量和位移的實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)，經(jīng)軟件分析系統(tǒng)智能判斷跌落高度的起始點(diǎn)，精確實(shí)現(xiàn)跌落高度的識(shí)別和定位。解決了以往跌落試驗(yàn)機(jī)用于各種運(yùn)輸包裝件（如：集裝袋類(lèi)、桶類(lèi)和箱類(lèi)等）跌落高度測(cè)量和跌落高度置位問(wèn)題。
關(guān)鍵詞： 大型危險(xiǎn)品包裝件 跌落試驗(yàn)機(jī) PLC 觸摸屏
跌落試驗(yàn)是使用普遍的一項(xiàng)驗(yàn)證包裝在流通過(guò)程中耐沖擊性能的重要測(cè)試手段，而跌落試驗(yàn)機(jī)的性能和方式?jīng)Q定了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和方便性，目前，300公斤以下的跌落試驗(yàn)設(shè)備已有專(zhuān)用的、定型的產(chǎn)品設(shè)備。但是，測(cè)試大重量（300公斤以上）的危險(xiǎn)貨物包裝跌落試驗(yàn)設(shè)備還是空白。另外，現(xiàn)有的用于300公斤以上的跌落試驗(yàn)只有懸掛試驗(yàn)樣品的釋放裝置，沒(méi)有完整的設(shè)備，而且使用過(guò)程中對(duì)于跌落高度的需人工測(cè)量，操作不方便，并且存在不安全因素。
利用目前*計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)控技術(shù)，研制的大型危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸包裝跌落試驗(yàn)機(jī)已完成對(duì)包裝試驗(yàn)樣品重量在100Kg至2噸的運(yùn)輸包裝件的吊掛/跌落，并實(shí)驗(yàn)跌落高度的自動(dòng)測(cè)量和跌落高度的自動(dòng)置位，避免了測(cè)量跌落高度時(shí)對(duì)人體可能造成的意外傷害；試驗(yàn)方式的多樣化，也是這次試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)之一。本設(shè)計(jì)不僅滿足了我國(guó)國(guó)內(nèi)和出口危險(xiǎn)貨物包裝檢測(cè)的需求，更是大型危險(xiǎn)貨物包裝件跌落測(cè)試設(shè)備的產(chǎn)品空白。
1、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
大型危險(xiǎn)貨物包裝跌落試驗(yàn)機(jī)的主體部分就是提升框架結(jié)構(gòu)，該部分是跌落試驗(yàn)機(jī)安全、穩(wěn)定、精確運(yùn)行的必要保證。主體框架采用龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，釋放裝置安裝在活動(dòng)橫梁上，由兩部伺服控制電機(jī)提供動(dòng)力，控制、提升活動(dòng)橫梁，兩側(cè)安裝滑動(dòng)式導(dǎo)向裝置使提升裝置平穩(wěn)運(yùn)行，從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面保證跌落試驗(yàn)機(jī)的安全性、平穩(wěn)性和控制的精確性。
大型危險(xiǎn)貨物包裝跌落試驗(yàn)機(jī)的支撐立柱和固定橫梁均采用工字鋼為原料，保證設(shè)備整體的安全性與穩(wěn)定性。支撐立柱和固定橫梁用螺栓連接，方便設(shè)備加工完成后的運(yùn)輸和安裝。考慮大重量試件需要有一定的寬度和高度要求，特試驗(yàn)機(jī)凈跨度≥3米，固定橫梁與砧面的距離≥3.8米。
●滑動(dòng)式導(dǎo)向裝置由導(dǎo)軌和滑塊組成，導(dǎo)軌固定于工字鋼支撐柱內(nèi)側(cè)，滑塊與活動(dòng)橫梁連接，保證活動(dòng)橫梁平穩(wěn)運(yùn)行。
●活動(dòng)橫梁設(shè)計(jì)為知形槽狀結(jié)構(gòu)（如圖3所示），測(cè)控部分安裝于槽狀橫梁中。這是因?yàn)樗欧姍C(jī)、伺服控制器、釋放裝置等連線較多的測(cè)量及控制組件都在活動(dòng)橫梁上，將包括PLC在內(nèi)的測(cè)量控制部分安裝于活動(dòng)橫梁的凹槽內(nèi)可減少外部連線，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。
大型危險(xiǎn)貨物包裝跌落試驗(yàn)機(jī)能否正確、準(zhǔn)確的完成跌落試驗(yàn)，釋放裝置是最為關(guān)鍵的部分。（如圖4所示）。
釋放裝置主要由外殼、吊鉤、鎖定桿、電動(dòng)銷(xiāo)、傳感器等部分組成。釋放時(shí)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)銷(xiāo)，鎖定桿解鎖，吊鉤旋轉(zhuǎn)釋放。需吊裝試件時(shí)，將試件吊環(huán)套于吊鉤上，用手托起吊鉤推到位后，鎖定裝置自動(dòng)鎖定。通過(guò)傳感器測(cè)量電動(dòng)銷(xiāo)和鎖定桿位置，測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)完成釋放、鎖定和復(fù)位動(dòng)作。
大型危險(xiǎn)貨物跌落試驗(yàn)機(jī)主要是控制活動(dòng)橫梁的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)試件在垂直方向的移動(dòng)。伺服控制器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)活動(dòng)橫梁的整體運(yùn)動(dòng)。而在試驗(yàn)中的稱重傳感器和光纖傳感器分別是零點(diǎn)置位和釋放裝置鎖定的重要部分。整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的示意圖如下：
整個(gè)設(shè)備的軟件控制主要是采用邏輯控制器，伺服控制器，傳感器和觸摸屏共同完成。通過(guò)觸摸屏發(fā)送操作指令，邏輯控制器控制伺服電機(jī)和伺服控制器，并配合傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)的完成。整個(gè)跌落試驗(yàn)機(jī)的控制是個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)的主要控制對(duì)象是待測(cè)物體，對(duì)待測(cè)物的高度和重量進(jìn)行控制，系統(tǒng)的被控對(duì)象為電機(jī)的速度和正反轉(zhuǎn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為伺服控制器，所有控制相對(duì)比較復(fù)雜。
在整個(gè)程序設(shè)計(jì)中充分利用PLC編程時(shí)允許使用子程序的便利，采用結(jié)構(gòu)化的編程思想，將不同的提升方式，待測(cè)物體的校零，釋放鉤的控制，手自動(dòng)的切換等分別編制子程序。整個(gè)循環(huán)就是一個(gè)動(dòng)作的序列，只要依次執(zhí)行每個(gè)動(dòng)作就可以完成自動(dòng)所需要的動(dòng)作。具體每個(gè)操作動(dòng)作則靠調(diào)用相應(yīng)的子程序完成，避免程序機(jī)械重復(fù)的問(wèn)題。主程序框圖如下圖所示：
從圖中可以看到此項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一下的子程序，見(jiàn)如下（表一）
| 子程序 | 程序?qū)崿F(xiàn)功能 |
初始化
手動(dòng)切換
方式一
方式二
釋放 | 參數(shù)初始化工作，包括高度和重量初始化，手自動(dòng)狀態(tài)初始化。
在手動(dòng)狀態(tài)下的幾種操作控制的切換，其中包括:上升、下降、校零、回零等狀態(tài)。
在自動(dòng)狀態(tài)下，試件從減重的角度來(lái)判斷零點(diǎn)，并自動(dòng)上升到預(yù)置的高度。
在自動(dòng)狀態(tài)下，試件從增重的角度來(lái)判斷零點(diǎn)，并自動(dòng)上升到預(yù)置的高度。
鎖定桿自動(dòng)脫落，吊鉤釋放重物。 |
2.2 試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)
大型危險(xiǎn)貨物跌落試驗(yàn)機(jī)的研制在總結(jié)了以往試驗(yàn)機(jī)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也增加了一些新的控制和技術(shù)，主要不同是：
●試驗(yàn)高度的自動(dòng)測(cè)定
以往此種跌落方式跌落試驗(yàn)的試驗(yàn)高度由人工測(cè)量。對(duì)于桶狀容器的角跌落試驗(yàn)和焊接跌落試驗(yàn)時(shí)，需事先測(cè)量高度并擺好跌落的狀態(tài)，試驗(yàn)時(shí)跌落既不方便，又不安全。該項(xiàng)目研制的大型危險(xiǎn)貨物包裝跌落試驗(yàn)機(jī)既可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)高度的自動(dòng)識(shí)別與預(yù)置，又解決了跌落狀態(tài)的預(yù)置問(wèn)題。
以往的跌落試驗(yàn)裝置主要是采用托板支承試件，如旋翼式、翻板式等跌落試驗(yàn)機(jī)。 此種類(lèi)型的中東為什么不適用于300Kg以上的試驗(yàn)樣品的跌落試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)樣品的重量有一定局限性。大型危險(xiǎn)貨物包裝跌落試驗(yàn)機(jī)采用懸吊式鉤型釋放裝置，解決了大型、較重試驗(yàn)樣品的跌落試驗(yàn)問(wèn)題。利用光傳感器控制和電機(jī)驅(qū)動(dòng)釋放，實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)樣品的自動(dòng)鎖定和在操作人員的指令下自動(dòng)釋放的功能。
以往的跌落試驗(yàn)設(shè)備只適用于試件重量一般在300Kg以內(nèi)，不適用于一些大型的危險(xiǎn)貨物試驗(yàn)。大型危險(xiǎn)貨物包裝跌落試驗(yàn)機(jī)采用門(mén)型框架結(jié)構(gòu)，兩端分別使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在螺旋絲杠和導(dǎo)軌的作用下，保證活動(dòng)橫梁水平運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)重量達(dá)到2噸以上，試驗(yàn)機(jī)中的力傳感器、導(dǎo)軌和絲杠確保了試驗(yàn)中高度測(cè)量精確性。
該包裝跌落試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)采用可編程序控制器和平板式電腦。將工業(yè)控制初次引入到該試驗(yàn)機(jī)中，通過(guò)傳感器和PLC的智能控制，實(shí)現(xiàn)了試件提升過(guò)程的自動(dòng)判斷零位及自動(dòng)提升到預(yù)置高度。采用平板式電腦提高了試驗(yàn)機(jī)的可靠操作性和實(shí)用性。
3、觸摸屏監(jiān)視軟件的開(kāi)發(fā)
該控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用昆侖縱橫的15?觸摸屏將用于現(xiàn)場(chǎng)控制的PLC控制系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)連接起來(lái)。其次，從變量定義和I/O設(shè)備的管理入手，利用組態(tài)軟件多樣化的繪圖工具，強(qiáng)大的腳步語(yǔ)言處理能力和豐富的命令語(yǔ)言函數(shù)開(kāi)發(fā)出生動(dòng)，友好的主監(jiān)控界面，以及含蓋報(bào)警系統(tǒng)，參數(shù)設(shè)置，運(yùn)行控制等功能齊全的子監(jiān)控界面。
經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)的操作模擬和監(jiān)控，實(shí)時(shí)報(bào)警的查詢和處理等功能。其中針對(duì)操作中的釋放功能采用了多次提示確認(rèn)的方式，以防非操作者的錯(cuò)誤操作，以保證安全，監(jiān)控軟件的總體設(shè)計(jì)框圖如所示：
3.2 試驗(yàn)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)
作為整個(gè)監(jiān)控軟件的主要部分，運(yùn)行界面的設(shè)計(jì)形象地反映了整個(gè)系統(tǒng)試驗(yàn)的過(guò)程，并且可以根據(jù)操作人員的動(dòng)作，實(shí)時(shí)反應(yīng)出各個(gè)狀態(tài)和參數(shù)值。操作人員不僅可以在手動(dòng)和自動(dòng)中相互切換，并可以根據(jù)試驗(yàn)的要求選擇試驗(yàn)的操作模式。在試驗(yàn)中，可以方便的預(yù)置試驗(yàn)的提升高度，針對(duì)可能造成操作危險(xiǎn)的軟件操作，監(jiān)控界面采用多次確認(rèn)的方式來(lái)提高了試驗(yàn)的安全性。運(yùn)行界面如圖所示：
3.3 參數(shù)設(shè)置和報(bào)警界面設(shè)計(jì)
為了方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化，提高試驗(yàn)機(jī)的使用范圍，在監(jiān)控界面特增加了參數(shù)的設(shè)置，通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速改變?cè)嚰仙拖陆档乃俣龋瑢?duì)于不同的試件通過(guò)改變系數(shù)的設(shè)置，擴(kuò)大了試驗(yàn)機(jī)的使用對(duì)象，節(jié)省了資金，提高了試驗(yàn)的精度。
同時(shí)，按照設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)機(jī)上升的最高高度是3.8米，最大 載重量是2.5噸，硬件的故障等問(wèn)題，在試驗(yàn)中超過(guò)了上述的指標(biāo)，要求監(jiān)控系統(tǒng)能夠做出及時(shí)、有效的報(bào)警。鑒于此在開(kāi)發(fā)報(bào)警系統(tǒng)時(shí)，該設(shè)計(jì)首先建立了系統(tǒng)的報(bào)警注釋?zhuān)诓僮鹘缑嬷锌梢约皶r(shí)、準(zhǔn)確的獲得報(bào)警的詳細(xì)信息。從而幫助操作人員更好的解決問(wèn)題。
大型危險(xiǎn)貨物包裝跌落試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)，將工業(yè)控制技術(shù)引進(jìn)到了包裝行業(yè)，不僅改善了以往試驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)確性和便利性，而是在很大程度上對(duì)包裝行業(yè)的測(cè)試有了更高的改進(jìn)。
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更新時(shí)間：2023-05-18 
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