鋼桶危險貨物包裝跌落試驗機的設計
跌落試驗機是一種驗證產(chǎn)品耐受沖擊跌落性能的設備，目前該種試驗機的工作模式可分成兩大類；托架式和懸吊式。但由于試驗機的設計限制和試樣的形狀、大小及懸吊時的狀態(tài)各異，導致對試樣的重量具有一定的局限性，對跌落高度的測量既不便還可能存在安全隱患。該項研究引入了可編程序控制器、計算機、力傳感器和位移傳感器測量技術，通過試件重量在提升（下降）與砧面分離（接觸）過程中重量和位移的實時測試數(shù)據(jù)，經(jīng)軟件分析系統(tǒng)智能判斷跌落高度的起始點，精確實現(xiàn)跌落高度的識別和定位。解決了以往跌落試驗機用于各種運輸包裝件（如：集裝袋類、桶類和箱類等）跌落高度測量和跌落高度置位問題。
關鍵詞： 大型危險品包裝件 跌落試驗機 PLC 觸摸屏
跌落試驗是使用普遍的一項驗證包裝在流通過程中耐沖擊性能的重要測試手段，而跌落試驗機的性能和方式?jīng)Q定了試驗的準確性和方便性，目前，300公斤以下的跌落試驗設備已有專用的、定型的產(chǎn)品設備。但是，測試大重量（300公斤以上）的危險貨物包裝跌落試驗設備還是空白。另外，現(xiàn)有的用于300公斤以上的跌落試驗只有懸掛試驗樣品的釋放裝置，沒有完整的設備，而且使用過程中對于跌落高度的需人工測量，操作不方便，并且存在不安全因素。
利用目前*計算機技術和測控技術，研制的大型危險貨物運輸包裝跌落試驗機已完成對包裝試驗樣品重量在100Kg至2噸的運輸包裝件的吊掛/跌落，并實驗跌落高度的自動測量和跌落高度的自動置位，避免了測量跌落高度時對人體可能造成的意外傷害；試驗方式的多樣化，也是這次試驗機設計的亮點之一。本設計不僅滿足了我國國內(nèi)和出口危險貨物包裝檢測的需求，更是大型危險貨物包裝件跌落測試設備的產(chǎn)品空白。
1、系統(tǒng)的硬件設計
大型危險貨物包裝跌落試驗機的主體部分就是提升框架結(jié)構(gòu)，該部分是跌落試驗機安全、穩(wěn)定、精確運行的必要保證。主體框架采用龍門式結(jié)構(gòu)，釋放裝置安裝在活動橫梁上，由兩部伺服控制電機提供動力，控制、提升活動橫梁，兩側(cè)安裝滑動式導向裝置使提升裝置平穩(wěn)運行，從機械結(jié)構(gòu)方面保證跌落試驗機的安全性、平穩(wěn)性和控制的精確性。
大型危險貨物包裝跌落試驗機的支撐立柱和固定橫梁均采用工字鋼為原料，保證設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，方便設備加工完成后的運輸和安裝。考慮大重量試件需要有一定的寬度和高度要求，特試驗機凈跨度≥3米，固定橫梁與砧面的距離≥3.8米。
●滑動式導向裝置由導軌和滑塊組成，導軌固定于工字鋼支撐柱內(nèi)側(cè)，滑塊與活動橫梁連接，保證活動橫梁平穩(wěn)運行。
●活動橫梁設計為知形槽狀結(jié)構(gòu)（如圖3所示），測控部分安裝于槽狀橫梁中。這是因為伺服電機、伺服控制器、釋放裝置等連線較多的測量及控制組件都在活動橫梁上，將包括PLC在內(nèi)的測量控制部分安裝于活動橫梁的凹槽內(nèi)可減少外部連線，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。
大型危險貨物包裝跌落試驗機能否正確、準確的完成跌落試驗，釋放裝置是最為關鍵的部分。（如圖4所示）。
釋放裝置主要由外殼、吊鉤、鎖定桿、電動銷、傳感器等部分組成。釋放時旋轉(zhuǎn)電動銷，鎖定桿解鎖，吊鉤旋轉(zhuǎn)釋放。需吊裝試件時，將試件吊環(huán)套于吊鉤上，用手托起吊鉤推到位后，鎖定裝置自動鎖定。通過傳感器測量電動銷和鎖定桿位置，測控系統(tǒng)自動完成釋放、鎖定和復位動作。
大型危險貨物跌落試驗機主要是控制活動橫梁的運動，帶動試件在垂直方向的移動。伺服控制器控制電機的轉(zhuǎn)動帶動活動橫梁的整體運動。而在試驗中的稱重傳感器和光纖傳感器分別是零點置位和釋放裝置鎖定的重要部分。整個測控系統(tǒng)的示意圖如下：
整個設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。通過觸摸屏發(fā)送操作指令，邏輯控制器控制伺服電機和伺服控制器，并配合傳感器來實現(xiàn)整個試驗的完成。整個跌落試驗機的控制是個閉環(huán)系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)的主要控制對象是待測物體，對待測物的高度和重量進行控制，系統(tǒng)的被控對象為電機的速度和正反轉(zhuǎn)，執(zhí)行機構(gòu)為伺服控制器，所有控制相對比較復雜。
在整個程序設計中充分利用PLC編程時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，待測物體的校零，釋放鉤的控制，手自動的切換等分別編制子程序。整個循環(huán)就是一個動作的序列，只要依次執(zhí)行每個動作就可以完成自動所需要的動作。具體每個操作動作則靠調(diào)用相應的子程序完成，避免程序機械重復的問題。主程序框圖如下圖所示：
從圖中可以看到此項目設計了一下的子程序，見如下（表一）
| 子程序 | 程序?qū)崿F(xiàn)功能 |
初始化
手動切換
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，手自動狀態(tài)初始化。
在手動狀態(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)。
在自動狀態(tài)下，試件從減重的角度來判斷零點，并自動上升到預置的高度。
在自動狀態(tài)下，試件從增重的角度來判斷零點，并自動上升到預置的高度。
鎖定桿自動脫落，吊鉤釋放重物。 |
大型危險貨物跌落試驗機的研制在總結(jié)了以往試驗機優(yōu)點的同時，也增加了一些新的控制和技術，主要不同是：
以往此種跌落方式跌落試驗的試驗高度由人工測量。對于桶狀容器的角跌落試驗和焊接跌落試驗時，需事先測量高度并擺好跌落的狀態(tài)，試驗時跌落既不方便，又不安全。該項目研制的大型危險貨物包裝跌落試驗機既可實現(xiàn)試驗高度的自動識別與預置，又解決了跌落狀態(tài)的預置問題。
以往的跌落試驗裝置主要是采用托板支承試件，如旋翼式、翻板式等跌落試驗機。 此種類型的中東為什么不適用于300Kg以上的試驗樣品的跌落試驗，對試驗樣品的重量有一定局限性。大型危險貨物包裝跌落試驗機采用懸吊式鉤型釋放裝置，解決了大型、較重試驗樣品的跌落試驗問題。利用光傳感器控制和電機驅(qū)動釋放，實現(xiàn)了對試驗樣品的自動鎖定和在操作人員的指令下自動釋放的功能。
以往的跌落試驗設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貨物試驗。大型危險貨物包裝跌落試驗機采用門型框架結(jié)構(gòu)，兩端分別使用伺服電機驅(qū)動，在螺旋絲杠和導軌的作用下，保證活動橫梁水平運動。試驗重量達到2噸以上，試驗機中的力傳感器、導軌和絲杠確保了試驗中高度測量精確性。
該包裝跌落試驗機的控制系統(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機中，通過傳感器和PLC的智能控制，實現(xiàn)了試件提升過程的自動判斷零位及自動提升到預置高度。采用平板式電腦提高了試驗機的可靠操作性和實用性。
3、觸摸屏監(jiān)視軟件的開發(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)場控制的PLC控制系統(tǒng)和上位機監(jiān)控系統(tǒng)連接起來。其次，從變量定義和I/O設備的管理入手，利用組態(tài)軟件多樣化的繪圖工具，強大的腳步語言處理能力和豐富的命令語言函數(shù)開發(fā)出生動，友好的主監(jiān)控界面，以及含蓋報警系統(tǒng)，參數(shù)設置，運行控制等功能齊全的子監(jiān)控界面。
經(jīng)過開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)實時現(xiàn)場執(zhí)行結(jié)構(gòu)的操作模擬和監(jiān)控，實時報警的查詢和處理等功能。其中針對操作中的釋放功能采用了多次提示確認的方式，以防非操作者的錯誤操作，以保證安全，監(jiān)控軟件的總體設計框圖如所示：
作為整個監(jiān)控軟件的主要部分，運行界面的設計形象地反映了整個系統(tǒng)試驗的過程，并且可以根據(jù)操作人員的動作，實時反應出各個狀態(tài)和參數(shù)值。操作人員不僅可以在手動和自動中相互切換，并可以根據(jù)試驗的要求選擇試驗的操作模式。在試驗中，可以方便的預置試驗的提升高度，針對可能造成操作危險的軟件操作，監(jiān)控界面采用多次確認的方式來提高了試驗的安全性。運行界面如圖所示：
為了方便實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化，提高試驗機的使用范圍，在監(jiān)控界面特增加了參數(shù)的設置，通過改變電機轉(zhuǎn)速改變試件上升和下降的速度，對于不同的試件通過改變系數(shù)的設置，擴大了試驗機的使用對象，節(jié)省了資金，提高了試驗的精度。
同時，按照設計的設計要求，試驗機上升的最高高度是3.8米，最大 載重量是2.5噸，硬件的故障等問題，在試驗中超過了上述的指標，要求監(jiān)控系統(tǒng)能夠做出及時、有效的報警。鑒于此在開發(fā)報警系統(tǒng)時，該設計首先建立了系統(tǒng)的報警注釋，在操作界面中可以及時、準確的獲得報警的詳細信息。從而幫助操作人員更好的解決問題。
大型危險貨物包裝跌落試驗機的設計，將工業(yè)控制技術引進到了包裝行業(yè)，不僅改善了以往試驗機的準確性和便利性，而是在很大程度上對包裝行業(yè)的測試有了更高的改進。
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