一种新型弹筒码垛打捆设备的开发研究

0 引言

为适应不同武器系统的需要，要求生产的弹筒从4×4至12×12规模以正方形、矩形、梯形等各种形式码垛打捆。捆扎好后的弹筒后视图如图1。

图1 弹筒捆后视图

为提高生产效率和捆扎质量，需要开发一种自动码垛打捆设备。本文介绍一种自主研发的自动码垛打捆设备，设备应用步进伺服控制技术自动完成码垛、刻字、喷码、打捆。系统采用自主开发的控制器（PLC）控制，组态简单，操作方便，价格便宜，可应用在军工、民用码垛包装领域。

1 系统简介

自动弹筒码垛打捆设备类似机器人码垛工作站，能自动实现弹筒的码垛、筒体刻字、筒体喷码、打捆等功能，实现弹筒自动化打捆生产[1]。

设备主要组成有：给料机构、推进机构、刻字移动机构、刻字喷码机、升降平台、气动推进机构、打捆包扎机构、输送机构、电气控制系统。

设计考虑以自动化生产线模式，设计输入输出接口。应用机电一体化、现代工业设计技术、人体工程学的相关原则展开设计[2]。设备结构形式见图2。下面对各部件的设计作一分析。

图2 自动弹筒码垛打捆设备结构示意图

给料机构利用拨轮机构和小皮带将弹筒排队送入准备位。给料机构在弹筒互相受压到一定力时说明已在准备位排好，停止送料。

电动推进机构设计在准备位下方，电机带动链轮机构运动，固定在链轮上的推板将弹筒推入预定刻字位置。通过位置检测传感器，刻字位有工件时禁止推进机构动作。

刻字位有移动机构、刻字机、喷码机。移动机构由丝杠、导轨、步进伺服电机、机架组成，刻字机与喷码机固定在机架上，通过伺服控制，实现刻字机与喷码机定长精确定位，实现在弹筒上刻字和喷码。

升降平台实现弹筒捆的上下移动，由垂直安装的丝杠、导轨、步进伺服电机、平台组成。初始平台在最上端，当一层弹筒刻制完毕后，通过伺服控制平台下降弹筒直径距离停止，然后下一层弹筒被推过来码在下降的弹筒正上方，执行刻字喷码工艺步骤。以此类推，码垛至设定的层数。

气动推进机构设计在码垛好的弹筒正后方。当码垛、刻字、喷码完成后，推进气缸接到推进指令，气缸推杆带动推进机构将码垛好的弹筒推入打捆工位。

打捆包扎机构完成码垛好的弹筒打捆。打捆机设计在弹筒上方，附带自动扎带送给机构、自动缠绕机构。在该工位自动完成弹筒的打捆[3]。

电气控制系统集检测、控制、执行器件于一体。利用触摸屏完成人机交互的作用，实现设备自动生产。

2 控制系统设计

电气控制系统主要由限位开关、测力传感器、编码器、伺服控制器、PLC、触摸屏、电磁阀、电器柜等组成。操作在触摸屏上进行。控制系统组态图见图3。

图3 控制系统组态图

PLC是控制系统的核心。PLC与触摸屏通过422通讯口连接通讯，实现参数设定和生产数据实时监控，同时进行报警等提示[4-5]。PLC的高速输出信号与步进控制器控制端驱动电路设计如图4，在软件设计中通过发送不同数目脉冲实现步进电机的控制运行。

图4 步进控制器控制端驱动电路设计

控制器输出设计为PNP型接口，驱动器电路接口采用共阴极接法。因VCC供电为24 V，增加限流电阻R，阻值为2 kΩ。电流：（24.0-0.7）/(2.0+0.27)=10.3（mA），满足光耦驱动要求。

驱动器电路接口控制时序逻辑要求见图5。设计中在上电时将ENA端拉高，一直处于能使状态。设定DIR为低电平时正转，DIR为高电平时反转。在反转启动时首先将DIR端口电平拉高后等待5μs以上再从PUL端口输出脉冲串。t3、t4要求最小1.2μs，则PUL端口输入脉冲频率最大为：（1/2.4）×106≈416 kHz。考虑电机磁场产生的干扰及转动惯量等因素，编程时输出频率在200 kHz以下。软件实现如下：

SETDIR=1;//反转

Delay(10);//延时5μs以上

PUL_OUT(2000，3600);//按频率 2000Hz共输出2600个脉冲

PLC作为485通讯主站，通过MODBUSRTU协议控制刻字机、喷码机、打捆机从站设备工作，并实时读取这些设备的状态信息[6]。

图5 驱动器电路接口控制时序图

3 实施与验证

为验证所开发设备系统的可行性，将所开发的设备系统加工、安装后进行调试验证。测试时，用直径100 mm、长500 mm硬质纸筒替代弹筒测试。

通过串口调试工具，分别将刻字机等设备调试好。以刻字机为例，发送状态读取指令串：

02 03 9C 40 00 10 6BB1

通讯正常后，将返回图6所示字符串。利用字符串截取函数读取相应状态值。

经过系统调试，完善软件中的功能。通过设定6×6一捆进行生产测试，生产一捆需要约68秒时间，远远超过手动打捆的效率。

4 结束语

本设备系统成功开发应用在码垛打捆产品中。系统操作简单、流程清晰、自动化程度高，极大地提高了生产效率、打捆质量。设备稍加改型，可应用在灌装、桶体等码垛打捆场合。

图6 刻字机通讯调试窗口

另外，测试中工件在推进过程中发现有工件擦伤表面的现象。所以还应进行表面防护设计。在轨道上增加橡胶托辊可解决这一问题。在进料和出料的接口增加机械转运臂，降低了劳动强度。