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设备工装:本栏目专门为制桶行业企业朋友提供国内外最具有代表性的制桶设备及工装的相关资料,供学习及选用参考。
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钢桶自动开封盖装置的技术研究

文/付书阁

随着钢桶包装业的快速发展,工业机器人的应用越来越广泛,自动化生产已成为当今世界重点关注的问题。在钢桶的应用中,有的货物具有特殊性,因此在钢桶开封盖方法上要求尽量减少人工操作。钢桶自动化开封盖技术,已被世界上许多大型核电站进行核废料包装应用。为保证核废料处理过程的安全运行,整个流水线需要自动化作业。

本文研究的自动开封盖装置,就是核废料处理流水线上的关键设备。它是根据用户单位的实际生产需求设计研制的原理样机,以交流伺服电机为动力,采用PLC作为整个系统的控制器,并配合运动控制卡、数字激光传感器、扭矩传感器等硬件系统完成对废料桶的开盖和封盖动作。软件方面,通过简洁友好的人机界面,大幅提高了自动开封盖装置的可行性以及用户的可操作性。

本课题来源于某核工程设计项目。该项目的TES水泥固化线就是针对放射性废料的处理流水线,即先将放射性废料装入废料桶,然后进行水泥固化,最后将废料桶封装。为保证整个过程的安全运行,需要将水泥固化线设计成全自动流水线,而自动开封盖装置就是整个自动流水线中不可或缺的关键设备。

1. 国内外研究现状

自动开封盖装置的总体功能是拧松容器上的螺栓,将容器盖与容器本体分离,同时又能将容器盖装回容器上。目前具有代表性的研发公司有德国比尔芬格伯格公司,德国辛贝尔康普公司,美国西屋公司等。

BID自动开封盖装置由德国比尔芬格伯格公司制造,分为升降装置、旋转装置、拧紧轴以及抓具。其中升降装置驱动电机输出最大扭矩为8N·m,最大提升高度为130mm;旋转装置驱动电机输出最大扭矩为30N·m,最大旋转角度为 36°;拧紧轴最大输出扭矩250N·m,额定功率180W,最大输出功率400W;抓具抓取重量大于20kg。

BID自动开封盖装置采用机械碰撞定位方式对螺栓和螺栓孔进行定位,如下图1所示:


图1 BID自动开封盖装置定位机构示意图

如图所示,该定位机构末端是一个球状结构,位于桶身法兰沿下部,由旋转装置驱动沿桶身法兰沿下沿绕桶中心圆周旋转,当球状结构触碰到螺栓或者螺栓孔时,行程开关会给出信号,此时表明完成对螺栓或螺栓孔的定位动作。

BID自动开封盖装置抓具包括5个楔形单元,每个楔形单元包含2个楔形结构,如图2所示两个标记蓝色箭头的结构:


图2 BID自动开封盖装置抓具结构

如图2所示,一个楔形单元包括2个楔形结构,一个竖直方向,一个水平方向,楔形结构由气缸推动,当气缸推动竖直方向的楔形结构向下运动时,同时会推动水平方向的楔形结构水平运动,此时水平方向的楔子会卡进桶盖与桶身的法兰沿缝里,总共有5个这样的楔形单元同时动作,也即有5个水平楔形结构会卡进桶盖与桶身的法兰沿缝隙,完成对桶盖的抓取。

BID自动开封盖装置实物图如图3所示。


图3 BID自动开封盖装置实物图

SNT自动开封盖装置由德国辛贝尔康普公司制造,其对螺栓及螺栓孔定位采用光电传感器的方式定位。 SNT自动开封盖装置总体装配图及实物图如图4所示。


图4 SNT自动开封盖装置

西屋自动开封盖装置由美国西屋公司制造,其对螺栓及螺栓孔定位采用光电传感器的方式定位,其实物图如图5所示。


图5 西屋自动开封盖装置实物图

同国外相比,我国的自动开封盖技术尚处于起步阶段,并不能形成工程化的机器进行作业。因此,就目前而言,我国现核电站中的核废料处理站中的自动开封盖装置都是花费大量外汇从国外购买而来。他们的这些技术都是对外不公开的。所以,我国急切需要拥有具有自主产权的自动开封盖装置系列产品。虽然国内有些公司和企业都已经开始了对自动拧紧机器人的自主研发,但是这些设备并不能完全满足功能需求。而且,从设备的可靠性、控制精度和应用范围方面来看,和国外产品的差距较大。

在全球核电事业的大力发展下,我国的核电事业为提高国际竞争力、行业的整体素质,并更好地走向国际化舞台,正朝着产业化和智能化的方向发展。我们通过对国外引进设备的学习,来改进、升级和完善现有的国内研发产品的性能,同时也必须提高国内产品的设备可靠性、生产质量和生产效率,因此对自动开封盖机器人也提出了更高的要求和目标。这种要求和目标促进了我国现阶段自动拧紧设备和自动开封盖机器人的技术创新与发展。

2. 拧紧技术

2.1 拧紧技术的发展现状

国外的拧紧技术发展最早,其中技术发展较为成熟的公司有德国的博世、美国的库珀以及日本、瑞典的一些公司。在80年代末和90年代初,拧紧工具已经被国外的汽车产业和机电制造业普遍应用。当时的拧紧工具具有可控屈服点、可控转角和可控扭矩的的特点,适用于定扭矩的拧紧场合。就近十多年的发展来看,伴随着电机驱动技术的改进和数字化扭矩传感器的发展,国外的许多装配流水线上的拧紧工具都在由大功率、高噪声、人工的方式向低耗能、低噪声、自动化方向发展。在保证控制精度的条件下,能够与电机的驱动器码盘配合形成反馈回路,实现对拧紧对象的监控与拧紧动作。

国内的拧紧技术与国外相比相差甚远,这种差距很好地体现在了拧紧工具的应用技术上。由于自主研发的拧紧轴技术落后,所以目前国内的大多数厂商提供的拧紧轴设备,均以代理销售或是组装国外设备的方式进行销售。

2.2 拧紧方式

拧紧方式是控制自动开封盖装置控制拧紧轴拧紧及拧松螺栓的依据,目前主流自动开封盖装置拧紧方式有四种,即扭矩法、弹性区扭矩/转角法、塑性区扭矩/转角法、屈服点法。处此拧紧方法之外,还有一种称为螺栓伸长法的拧紧方法。由于螺栓的伸长量只和其所受应力有关,能够排除被联接件变形、接触变形和摩擦系数等可变因素的影响。因此,通过螺栓伸长来控制预紧力的这种方法具有更高的控制精度,它是控制螺栓联接预紧力的重要方法。目前,这个方法在生产中的应用并不广泛,其原因是大部分螺纹联接件的结构特点,不能保证测量仪器准确地测量到螺栓的两个端面之间的距离,也就是说,这项测量螺栓实际伸长量的工作是比较困难的。

3. 系统设计目标

放射性废料桶自动开封盖装置是水泥固化线的关键设备,位于水泥固化线中段的辊道传输线的上方,用于自动完成对废物桶的开盖和封盖操作,主要由拧桶盖上螺栓的拧紧轴和用于抓取桶盖的抓具,以及定位装置、桶盖存放架等部件组成。

3.1 操作流程概述

其操作流程主要分为开盖和封盖2个流程。

开盖程序:废物桶通过辊道传输线运向自动开封盖装置——在定位装置的帮助下,废物桶被定位在自动开封盖装置的正下方——自动开封盖装置的提升机构带动抓具和力矩扳手下降到指定位置——再通过旋转机构将 2 个拧紧轴旋转到与废物桶盖上的2个螺栓对齐——提升机构下降,拧紧轴压到螺栓上——拧紧轴将废物桶盖上的2个螺栓完全拧开——抓具抓取桶盖——抓具保持抓取动作,同时保持拧紧轴压在螺栓上,提升机构带动抓具和力矩扳手一起上升,将桶盖移动到指定位置,完成开盖动作。

封盖程序:装有固体废物的废物桶通过辊道传输线运向自动开封盖装置——在定位装置的帮助下,废物桶被定位在自动开封盖装置的正下方——自动开封盖装置的提升机构带动抓具、拧紧轴和桶盖下降到指定位置——再通过旋转机构带动抓具上的桶盖旋转,并将桶盖上的2个螺栓与废物桶上的2个螺栓孔对齐——提升机构下降,螺栓插入螺栓孔中——拧紧轴将废物桶盖上的2个螺栓拧紧至给定值——抓具完全松开桶盖——抓具保持原动作,提升机构带动抓具和拧紧轴一起上升,移动到指定位置,完成封盖动作。

3.2 总体功能要求

(1)本装置配置独立控制柜,能按要求完成上述开盖和封盖操作,包括对金属桶定位、桶盖抓放、螺栓装卸等在内的所有动作。整套装置安全可靠、稳定、并且有很好的适应性。

(2)本装置的操作台通过I/O接口实现对该设备的控制,包括控制该设备启动和停机,设备运行状态监测(动作显示、报警反馈等)和主要动作操作(如控制金属桶定位、螺栓对中、桶盖提取、桶盖对中、拧螺栓等)。

(3)本装置发出“启动”信号后,处于初始状态,此时废料桶已经通过辊道传送到位。

(4)本装置能够反馈执行状态,包括已执行、正在执行和将要执行的程序步骤,且包括是否执行到位的状态显示。当执行不到位时,暂停动作,并给出报警提示。

(5)失去电源时,本装置自动处于锁定状态,不得有滑动、跌落等动作,不应影响来电后设备恢复正常。重新获取电源时,给出报警提示,本装置恢复到原状态,在人工解除锁定状态后,可以继续执行相应动作。

(6)本装置出现故障或遇到阻碍、地震等异常状况时,暂停任何动作,并给出报警提示。此时,本装置应处于锁定状态,故障或异常排除后,人工解除锁定状态,本装置应可以恢复正常。

(7)针对该设备故障所采取的应急处理措施不得阻碍金属桶在辊道上的传输。

4. 控制方案设计

4.1 控制方式

手动控制:在按下“启动按钮”后,执行机构应保持动作,直到接收到传感器的信号后停止动作。整个系统的控制严格按照2.1.1节的操作流程执行,只有当前一个动作执行完之后,并收到相应设备到达指定位置的反馈信号后,方能启动下一个动作指令。

自动控制:整个系统能自动完成2.1.1节的开盖程序和封盖程序。按“开盖”按钮后,自动开封盖装置按开盖程序完成相关动作;按“封盖”按钮后,自动开封盖装置按封盖程序完成相关动作。自动程序和手动程序通过“切换”按钮实现切换。

断电异常:在断电的情况下,自动开封盖装置自动进入锁定状态,各执行机构保持其动作,电源恢复后,给出报警提示,在人工解除锁定状态后,可以继续执行相应动作。

其它异常:在定位装置、抓具、力矩扳手失效时或在其工作误差范围外,自动开封盖装置应能检测出来,并在不损坏任何设备的情况下自动进入安全状态,给出报警提示,人工解除安全状态后,可恢复正常。在单个执行机构遇到停止动作、卡滞等失效的情况时,自动开封盖装置能自动进入锁定状态,给出报警提示,人工解除锁定状态后,可恢复正常。

4.2 操作台

在“操作台”上可实现手动控制也可实现自动控制,通过切换按钮可实现两者间的切换。操作台通过I/O接口实现对该设备的控制,包括控制该设备启动和停机,设备运行状态监测(动作完成指示灯)和主要动作操作(如控制金属桶定位、螺栓对中、桶盖提取、桶盖对中、拧螺栓等)。

4.3 模块化控制策略

该装置控制方法采用模块化设计的方法,从最终的任务目标层层分割,分成几大控制模块,每个大控制模块又分为几个小的功能模块,任务目标清晰,易于编程。该控制方法能够使自动开封盖装置更有效、更精确地完成任务。

4.4 系统总体构成

放射性废料桶自动开封盖装置的整个系统构成简图如图2-1所示。这套系统主要是由作为核心控制器件的PLC、限位开关、激光传感器、触摸屏、气缸电磁阀、感应开关、电磁铁、扭矩传感器、运动控制器以及伺服驱动器和电机等各个部件连接组成。


图6 系统总体构成简图

5. 结论和展望

本文所研究的放射性废料桶自动开封盖装置是根据中国广核集团的实际生产需要而研发的。该装置是以PLC为控制系统的核心部件,以废料桶为工作对象,采用了机械结构三维建模、电机运动控制技术、数据采集技术、模块化软件设计及自主设计拧紧轴等技术,所研制的一套能够实现对废料桶自动开封盖的自动开封盖装置。

放射性废料桶自动开封盖装置能够很好地实现对废料桶的自动开盖和封盖的动作。由于时间限制,本装置在设计优化方面依然有待进一步提高和完善。同时自主研发的拧紧轴还可用于对其它螺栓的拧紧动作。该装置样机的成功研制,为下一步的工程样机的研发提供了理论依据和技术指导,为我国的核事业贡献一份微薄的力量。


图7 钢桶自动开封盖装置外形图


图8 钢桶自动开封盖装置实物图

 

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