于莲双;张亚勤;陈炎冬;吴景春;刘洁
【摘 要】基于PLC控制系统生产的小型饮料罐装生产线,对小型罐装生产量产品生产线进行分析,发现其在结构和控制上与现有大型罐装生产线有所不同.因此,将生产线系统分成4个能独立工作的工位,并且从空间和时间上进行简易化,提升小型饮料罐装生产线工作效率.
【期刊名称】《现代制造技术与装备》
【年(卷),期】2019(000)006
【总页数】4页(P41-44)
【关键词】小型灌装生产线;结构设计;控制系统
【作 者】于莲双;张亚勤;陈炎冬;吴景春;刘洁
【作者单位】无锡太湖学院 机电工程学院,无锡 214000;无锡太湖学院 机电工程学院,无锡 214000;无锡太湖学院 机电工程学院,无锡 214000;无锡太湖学院 机电工程学院,无锡 214000;无锡太湖学院 机电工程学院,无锡 214000
【正文语种】中 文
现代工业生产背景下，无论是工业产品或者食品生产，为了提高生产效率，进一步保障产品质量，越来越多的企业引进了自动化灌装生产线，这是现代社会生产走向自动化与机械化的具体体现。在市场竞争愈演愈烈情况下，引进高精度、自动化饮料灌装生产线，不仅可以有效降低了人力操作工作量，提高了生产效率，而且还是提升企业竞争力的一条有效途径。
生产线又称装配线，是工业中的一种生产方式，指每一个生产单位只专注处理某一个片段工作，进而提高工作效率及产量。按照生产线输送方式，生产线大体可以分为皮带流水装配线、板链线、倍速链、插件线、网带线、悬挂线及滚筒等七类生产线。
从大型生产线结构角度看，我国仪器精度没有国外设备高；从空间角度分析，大多设备占据了巨大空间，使得在相对面积内的产品数量较少。从小型生产线结构上说，我国生产线设备定位精度不足，偏差较大；从控制上看，缺少完善的程序控制系统，自动化不足。因此，急需设计一款现代化灌装生产线，以解决以上各种问题。
1 罐装生产线的总体设计方案
本文从机械结构和控制系统两个方面，对小型罐装流水总体设计进行研究和分析，具体包括总体方案设计、功能阐述、结构设计以及控制系统设计等内容，主要分为输送工位、罐装工位、拧盖工位和卸货工位。设计罐装生产线输送及总体结构，能够熟练使用CAD和UG，完成三维建模及二维图纸；同时使用罗克韦尔PLC设计灌装生产线总体控制系统，设计控制方案画出梯形图。控制系统又分为传感器部分、电源部分、气缸部分和输入输出模块，控制部分采用罗克韦尔PLC进行编程控制，传感器则用来控制定位。
1.1 罐装生产线的研究内容以及实现功能
本文研究内容包括以下几点内容：第一，分析该罐装生产线各个工位的功能需求，以便确定总体为串联运行；第二，多次试验个工位的时间差，根据需要求设计出最佳控制方案；第三，结合现有部件设计出最佳的结构方案；第四，根据结构和控制需要，设计相应的三维模型和二维图纸。
本文研究的是小型罐装生产线生产系统，属于小型工作车间使用的生产线，需要实现的功能包括以下几点内容：第一，工位具备自动输送、罐装、拧盖和卸货功能，且工位之间既要通过传送带联系，又不相互干扰；第二，在工位发生故障时，能够及时停止，并进行维护，且维护完成后能继续运行；第三，该小型罐装生产线系统既能自动运行，也可人工手动操作；第四，在各个工位上加入了光电传感器，使得瓶子在生产线上定位精度更高；第五，传送带的传送速度要可调，便于实现不同需求下的传送方案；第六，罐装工位的圆盘可根据瓶身大小进行更换，实现不同规格瓶子罐装要求。
此灌装生产线由4个工位和一条总的传送带组成，需要实现4个相应的功能：一是完成空瓶从输送带向传送带的移动；二是完成空瓶灌装；三是完成拧盖；四是完成卸货的工作。在完成这些基本功能的同时，生产线需要具有独立操作、安全可靠以及光线高精度感应等特点；操作工在机器运行时，仅需观察工位的工作流程顺畅度，在发生突发情况时，能够立即停止，并对该工位进行维修。
2 罐装生产线硬件工位设计
小型饮料自动罐装生产线的总体设计方案基本思路是在一条生产线的4个工位上完成输送、罐装、拧盖和卸货功能，如图1所示。主要罐装瓶身直径为5～7cm，高度为10～15cm，瓶口直径为2～3cm。瓶子移动由电机带动输送带或传送带完成，也有使用气缸进行小幅度移动的；在进行工位和传送带交互时，能够借助传感器进行高精度定位。4个工位通过传送带引导完成整套生产线罐装操作，控制上由罗克韦尔应用软件进行编程，具备手动和自动两种操作方式。
图1 生产线设计简图
2.1 输送工位
第一工位也称为输送工位，作为生产线的初始工位，将完成空瓶从输送带移至传送带的操作。同时，依靠电机带动输送带，移动孔瓶子，将瓶子带至输送带末端；在末尾，由传感器检测控制气缸将瓶子推至传送带上，如图2所示。
2.2 灌装工位
第二工位也叫灌装工位，是罐装的核心部分。通过传感器感应瓶子控制电机带动圆形卡盘，将空瓶从传送带移至工位罐装口下方，完成灌装；灌装完成后，再由卡盘把瓶子传回传送带。另外，通过放置传感器来精准控制传送带启停，以便卡盘能够有效地传动空瓶，设计思路如图3所示。
2.3 拧盖工位
第三工位也称拧盖工位。与其他工位不同是，在瓶子到来之前，就要把瓶盖事先取好。具体流程如下：首先，使用传感器先确定瓶盖位置，待取盖电机移动至瓶盖上方时进行取盖；其次，取完后回到即将拧盖瓶子上方，等瓶子到达此工位时，通过传感器检测瓶子，控制传动带停；最后，由控制拧盖电机升降的气缸，配合电机旋转完成拧盖动作。如图4所示。
2.4 卸货工位
第四工位又称卸货工位，将该工位设计成4个一卸货形式，由传感器感应配合PLC里计数器完成计数操作，再由夹紧气缸完成夹紧动作。同时，为了考虑之前到达的瓶子不被传走，在末尾处需加设一块挡板，使瓶子在此处依次停留，而不至于脱离传送带。夹紧气缸则采用双向气缸相对运动来夹紧瓶口，再由气缸控制升降，到一定高度后，由电机旋转90°，将瓶子带至工作台上，释放后再回到原位，如图5所示。
2.5 传送带
如上述分析，传送带设计需要兼顾4个工位的操作，所以采用单项可停电机控制传送带启停。空瓶从第一工位的输送带进入传送带，传送带将空瓶从右至左传至各个工位；在第二工位处停留完成罐装，接着继续由传送带将灌好的饮料瓶传至第三工位；第三工位是由事先取好瓶盖电机在瓶口上方等待，等瓶子到来时，完成拧盖动作，最后由传送带继续传至卸货出。瓶子按每4瓶一卸货的节奏取走，这样就完成了整个罐装流程，所以传送带的长度要将所有工位容纳在内，在合理空间距离上将4个工位穿插起来，如图6所示。
图2 输送工位
图3 灌装工位
图4 拧盖工位
图5 卸货工位
在本文设计的小型饮料罐装生产线系统中，输送带主要有工位和架体构成，需要使用到一个电机、两个气缸、一个光电开关、一个同步带和一些零件，由电机带动同步带控制输送带将瓶子移动至输送带末端，经传感器感应，控制气缸一将瓶子推至水平台上，再由气缸二推至传送带上。传送带由架体构成，需要使用一个电机，电机启停由工位上的传感器进行控制。
图6 传送带
3 罐装生产线机械结构设计
通过对输送工位、传送带尺寸及内部各个结构划分，使用UG10.0将该罐装生产线所使用的零件进行建模与装配，如图7所示。
图7 罐装生产线总体图
4 罐装生产线控制系统设计
本系统PLC为Allen-Bradley品牌，型号为2080-LC50-48QWB和Micro-850，如图8所述。Micro850可编程逻辑控制器系统适用于灵活通信和更强I/O功能的独立设备控制应用项目。这些控制器支持最多132个I/O点，同时提供高性能I/O、中断和PTO运动控制以及嵌入式以太网和2085扩展I/O。
图8 Micro850可编程逻辑控制器
PLC的I/O分配情况如下所示：
工位一，传感器输入1个，电机1个，两个气缸置位复位输出4个，共5个。
工位二，3个传感器输入3个，水泵输出1个，转盘电机1个，共2个。
工位三，3个传感器输入3个，圆盘电机输出1个，转盘电机输出1个，十字架电机正反转2个，两个气缸置位复位4个输出，共计8个。
工位四，传感器输入1个，两个限位开关输入2个，共3个输入，4个气缸置位复位输出8个，电机正反转2个输出，共计10个输出。
传送带电机1个输出和启动、停止按钮2个输入，如表1所示。
表1 生产线控制电路I/O分配表输入（I）（共计13个）输出（O）（共计17个）启动按钮 A工位一 光电开关 _IO_EM_DI_00气缸一 _IO_EM_DO_01气缸二 _IO_EM_DO_02输送带电机 _IO_EM_DO_00起始检测光电开关 _IO_EM_DI_05 转盘电
机 _IO_EM_DO_04结束检测光电开关 _IO_EM_DI_04 液压泵 _IO_EM_DO_05注水检测光电开关 _IO_EM_DI_03工位二左限位开关 _IO_EM_DI_07右限位开关 _IO_EM_DI_06检测光电开关 _IO_EM_DI_10圆盘检测光电开关1 _IO_EM_DI_12 十字架电机 _IO_EM_DO_08_IO_EM_DO_09圆盘电机 _IO_EM_DO_06工位三拧盖电机 _IO_EM_DO_07气缸一 _IO_EM_DO_11气缸二 _IO_EM_DO_12圆盘检测光电开关2 _IO_EM_DI_11左限位开关 _IO_EM_DI_14 夹紧气缸1 _IO_EM_DO_13右限位开关 _IO_EM_DI_15 夹紧气缸2 _IO_EM_DO_14工位四推出气缸 _IO_EM_DO_17升降气缸 _IO_EM_DO_15转盘电机 _IO_EM_DO_16传送带 传送带电机 _IO_EM_DO_03检测光电开关 _IO_EM_DI_13
5 结语
本文所研究设计的小型罐装生产线系统通过方案设计、结构设计以及系统设计等过程，实现预期罐装功能。该系统满足企业各种生产要求，如自动切换模式，结构也满足了此次灌装工位实际需要。本次设计符合实际需要，而不是一味追求更高的智能化，这才是本次设计的目的，希望通过本文研究，能够为相关专业提供可以参考的理论依据。
参考文献
【相关文献】
[1]阮友德.电气控制与PLC实训教程[M].北京：人民邮电出版社，2001.
[2]尤政.智能传感器技术的研究进展及应用展望[J].科技导报，2016，（17）：72-78.
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