包装铁匣生产线的自动化设计与建设

林宇 伍能文 李俊波

摘要：为贯彻落实“大众创业，万众创新”战略，充分发挥兰州大学的学科和科研优势，致力于产学研合作落地。文中，对包装铁匣生产线的自动化设计与建设进行了介绍，希望能为相关生产企业提供参考和借鉴。

关键词：电气自动化;包装铁匣生产线;升级改造

一、对技术创新需求涉及技术

节拍设计是自动化生产线设计的重要内容之一，整条生产线的节拍时间与组成生产线的各专机的节拍时间，尤其是与个别专机的节拍时间密切相关。总体方案设计是整个生产线设计制造流程中最重要的环节，其是否正确与合理，对生产线的节拍时间、生产效率、运行可靠性、设备复杂程度、成本造价、设计制造周期等起着决定性作用。

二、解决方案拟采用的工艺技术路线、关键技术

1.概述

受四川燎原机械有限责任公司委托，为其包装铁匣生产设计一条自动化生产线，主要用于改善铁匣质量、生产效率、工艺创新、减少人工投入等。该生产线具备自动化生产能力，质量检测控制，生产过程监视等功能。

2.项目内容

2.1项目背景及环境参数

铁匣参数

铁匣规格：外形尺寸470mm*150mm*110mm;

铁匣材质：0.5mm镀锌铁皮;

铁匣密封要求：防水不透气，气密测试;

现场设备的工作环境条件。

工房参数

工房环境温度：0℃～45℃;

工房环境湿度：≤92%;

动力电源：三相五线制，AC380V±10%，频率50Hz±5%;

照明电源：AC220V±10%，频率50Hz±5%;

气源气压：0.5～0.8MPA。

2.2设备内容

设备内容（见表1）：

3.系统总体设计

设备整体布局合理，外观精美，具有良好的防锈、防尘性能，能够实现各项技术指标的要求。包装铁匣生产线及所有设备、装置符合工业规范。

3.1方案说明

包装铁匣生产线实现半自动化，主要由退卷机、划线机、剪断机、倒角、冲孔机、卷边机、折方成型机、压接机、压装拉扣机、底/盖板冲压机、底板封边机、气密测试机组成。操作工人减少一半。外形尺寸精度高，卷边质量高。整体单件生产时间减少，产量增加一倍以上。

3.2系统结构

工作分工：机动人员负责自动化生产区检查工作，处理退卷机，划线、剪断机，倒角、冲孔机，卷边机，折方成型机，连接线体的异常。压接机、压装拉扣机、底/盖板冲压机、底板封边机、气密测试机五个工位需要各配置一个工作人员。

整体生产流程框图（见图3.2）：

3.3设备部件说明

3.3.1线体单元

线体单元组成：传输轨道、皮带、感应器、阻挡气缸、电机等。

3.3.2OP10退卷机

推卷机主要组成：卡爪组件、刹车制动装置、操作杆、放卷架、导轮、底座。

3.3.3OP20划线、剪断机

划线、剪断机工作内容：1.划线：电机带动划线轮将牵引过来的铁皮压出0.1mm划痕（滑横深度可调节）。2.剪断：可以快速切割铁皮。

3.3.4OP30倒角、冲孔机

可将原冲床进行改造，改造点为压合模具。

3.3.5OP40卷边机

卷边机主要由冲床、上下模具、压辊、安全光幕等组成。

3.3.6OP50折方成型机

折方成型机主要由气缸、导轨、挤压模具、内芯模具、下料装置等组成，整个挤压成型为全自动化。

3.3.7OP60压接机

可将原冲床进行改造，改造点为压合模具。

3.3.8OP70压装拉扣机

可将原冲床进行改造，改造点为压合模具。

3.3.9OP80底/盖板冲压机

3.3.10OP90底板封边机

底板封边机由转动封边机构、压边轮、铁匣、顶升机构、机架等组成。

3.3.11OP100气密测试机

对密闭腔体内充入压缩空气，当腔体内气压达到一定值后停止充气，待腔体内气压稳定后，通过压力传感器对腔体内气压进行实时检测，保持一定的时间后，通过计算前后压力差，得出在检测时间内的压降情况，由此判定腔体密封性能。

3.4电气控制系统

3.4.1品牌选择

元器件选型以产品质量好，技术性能高，使用安全可靠，通用性强，升级换代方便，备品备件充足，技术服务优良等为原则，选择国内外知名产品或同等产品。

3.4.2电气系统结构

电气系统结构框图（见图2）：

3.4.3电气系统组成

整个流水线控制系统采用工控机，逻辑控制系统，分布式单机控制系统。采用模块化设计，既能单独运行，也能联动负荷运行。

3.4.3.1工控机硬件

适用于安装在19"机架、具有下列部件的工控PC：主頻-3.4GHz的奔腾D双核处理器，存储-8G RAM内存、1TG硬盘，显示器-19"TFT显示器、台式外壳，串口-1个，RJ45 -1个

计算机与PLC通过以太网通信实现人机交互。

3.4.3.2工控机软件

上位机采用西门子最新组态软件WINCC V7.5。由组态软件实现对整个生产线系统控制数据和控制指令的输入、实现对系统状态、数据的实时显示;对输入的数据应进范围限制，对发出的控制指令有安全约束，防止非正常操作。实现对整个生产线的系统状态和数据的实时接收与处理，并对实时数据进行实时存储。

3.4.3.3逻辑控制器硬件

采用西门子S7-1500的CPU做主站，由主站控制整条生产线的工艺。每个单体设备用西门子S7-1200plc做分布式独立控制。西门子S7-1500系列PLC.，具有最高的生产能力·最高的易用性。

3.4.4硬件規范

1.存储容量：普通PLC处理器程序内存与数据内存的总和应不低于2M。

2.备份存储：PLC处理器应具备备份存储功能，用户程序和数据可通过备份存储卡在控制系统掉电的情况下依然得到保持，并可在系统上电后进行恢复。

3.存储卡：MMC存储卡容量不低于2MB。

4.电源：PLC系统配置交流220VAC作为输入供电电源，并提供直流24VDC输出用于本地IO模块或其他用途使用。

5.PLC、存储器，具有标准外部（网络）连接口，并具有设备故障诊断，故障停机和自动报警显示功能。

6.PLC内部梯形图对各动作的保护，应互锁可靠，其外围电路对PLC输出应具有可靠保护，电气控制发生故障时，有停机保护，信号显示和报警功能。

7.配置PLC输出接点的保护：交流接触器线圈配有阻容保护、中间继电器线圈配有浪涌抑制功能，PLC输出具有中间继电器转换接电磁阀，直流电磁线圈加续流二极管保护。

8.所有控制电机及较大功率输出点（包括远程输出）均输出至中间继电器转换输出。

9.要求PLC机架预留至少1个插槽留作备用。

10.继电器在正常负荷下，寿命不低于1万次。

11.继电器或其它可以对异常进行保护的元件，必须保证电压±10%波动时，可以安全操作。

12.继电器功率消耗直流回路不大于4W，交流回路不大于5VA。

13.继电器触点容量：电压不超过250V、电流不超过1A的直流有感负荷，断开容量至少50W;电压不超过250V、电流不超过3A的交流回路中为250VA ， 允许长期接通5A电流。

14.继电器选用2触头型，带机械和LED通断指示，直流线圈带续流二极管保护，交流线圈带阻容保护。

15.中间继电器在系统联锁回路中需配置强制开关，其他场合不配置强制开关。

16.热继电器选型原则为额定电流应大于电动机的额定电流。

17.对于照明、插座、工具用电源，电源回路需配置漏电保护器，漏电保护器的动作时间需≤0.1s，漏电流动作电流≤30mA，漏电脱扣时需有明确指示，可区分故障脱扣和正常分合闸。

18.低压断路器的额定电压应不小于线路的额定电压，额定电流不小于线路的计算负载电流，限通断不小于线路中最大的短路电流。

19.熔断器的最大分断能力应大于被保护线路上的最大短路电流。

20.熔断器为双位置锁定，方便导轨安装。

21.接触器触头额定电流正常应与负载的额定电流匹配，如果负载电动机启动、制动或反转频繁，接触器主触头的额定电流需降一级使用。

22.接触器主触头的额定电压应不小于负载的额定电压。

23.供方应使用直流电源作为作为设备的DC24V电源。主控制柜内的通讯电、控制电应由2块独立的三相输入的直流电源供电。

24.所有380V AC的变压器和供给24V DC电的变压器必须能承受电压±10%的波动。

4.工作内容

根据项目要求，我们承担以下设计、加工制作及现场安装调试任务：

1）系统的需求了解与方案确认。

2）系统实现方案的设计与选型。

3）硬件设备的采购。

4）硬件设备（安装防护附件）的加工制作。

5）软件程序的设计、修改与调试。

6）现场系统联合调试。

7）系统硬件设备现场安装、调试、试运行。

8）提供最终系统的竣工图及设备清单，以利于业主在系统运行后的维护和检修，该项工作在系统投产正常运行后一个月内完成。

三、解决方案拟采用的主要技术特点和创新点，可能取得专利及知识产权分析

折方成型机将铁皮一次折方成中空的铁匣，可采取申请取得使用新型专利。

四、设备生产节拍及技术参数

1.退卷机退卷线速度：0～30M/min。

2.划线机速度：0～30M/min。

3.剪断机剪切节拍：5S/件。

4.倒角、冲孔机节拍：5S/件。

5.卷边机卷边节拍：5S/件。

6.折方成型机节拍：15S/件。

7.压接机节拍：10S/件。

8.压装拉扣机节拍：10S/件。

9.底/盖板冲压机节拍：5S/件。

10.底板封板机节拍：10S/件。

11.气密测试机节拍（双工位）：40S/2件。

12.中间物料转运及系统运行时间：8S。

13.综上单件生产铁匣节拍为28S。日生产量为1028件。

防护等级：柜内元件的防护等级为IP20及以上。控制柜、配电柜的防护等级为IP54及以上软件设计。

软件规范：PLC编辑软件采用西门子博图 V15.1，HMI编辑软件采用西门子博图 V15.1。

制作规范：所有线头必须做压接线头，所有线号、元件号是打印机打印。

设计标准、范围及配合（见表2）：

参考文献

[1]陈伯时.自动控制系统.机械工业出版社，1991

[2]周德泽.电气传动控制系统的设计.机械工业出版社，1985

[3]阎仲亭.千吨级非晶带材生产线自动控制及计算机管理系统.北京工业大学，2000

作者简介：

林宇（1963.11.6  ---） ， 男，广西柳州，大学本科，高级实验师，电路与系统