第 1 章 绪论
1.1 研究背景及课题来源
包装行业在飞速发展的现代物流系统中有着举足轻重的地位，而包装设备的发展又制约着包装行业的兴衰。作为 20 世纪物流领域两大关键性创新之一的托盘为货物的自动化装卸、转运带来了极大的便利[1]。截止 2017 年 12 月，我国的托盘市场保有量已达到 12.3 亿片左右[2]。纸托盘作为众多托盘种类中的一种，具有易降解可再生，回收便利无污染，缓冲性能高质量轻等优点，得到了广泛使用。但是，由于托运产品的型号参差不一，造成当前纸托盘市场规格各异，大多数纸托盘都是按需定制，并没有统一标准[3]。目前，纸托盘的生产形式主要为手工、半自动化生产，效率低，托盘市场形成供不应求的局面。从降低劳动力成本，加快产品生产的角度考虑，纸托盘组装生产的机械化，自动化，柔性化成为未来发展趋势。
本课题来源于青岛德音包装有限公司实际生产需求。目前该公司托盘生产业务主要为宜家家居、愉悦家纺等公司提供各种不同尺寸类型的瓦楞纸托盘。
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1.2 包装机械研究现状
近年来，包装机械行业在全球范围内呈现上升趋势。美、德、日等国在包装行业已有长期稳定发展，其先进的开发理念和科学技术极大地推进了包装机械行业的进步。美国作为包装机械大国，已经形成包装机械的完整工业体系，尤其是其大型包装设备的开发，如大型瓦楞纸的全自动生产线。现阶段的美国包装机械主要针对包装设备，包装材料等在国际市场的开发。德国的包装机械加强了计算机的应用，仿真及故障自诊断性能更为突出，整体性能更加稳定。日本的包装机械主要专注于小型包装设备，尤其是计算机技术及伺服马达在包装机械中的广泛应用，给日本的包装行业带来了极大的发展。
我国的包装行业起步较晚，受限于科技实力，高端的包装设备大多依赖进口，并未形成大型由原纸到产品的流水线式生产机械，包装设备自动化程度低，生产效率低，原纸浪费现象严重，大多数中小企业依旧停留在手工，半自动生产方式，包装机械自动化普及不够彻底。
有关瓦楞纸托盘全自动生产设备，截至本文完成未在国内外公开文献中检索到相关设备实际使用概况。目前，青岛德音包装有限公司实际生产中主要采用图1.1 所示人工组装生产及图 1.2 所示半自动化组装生产两种方式。.........................
第 2 章 全自动托盘生产设备机械方案设计
2.1 托盘生产加工要求及工艺分析
纸基平托盘（Paper flat pallets）简称纸托盘，国标 GB/T 19450-2004 中定义为用纸质材料做基材，经粘合联接、插接、钉合或一次成型工艺等制成的托盘。该标准中按照纸基材料不同将托盘分为瓦楞纸基托盘，蜂窝纸基托盘，复合纸基托盘及硬纸板类托盘，本文所述托盘种类为瓦楞纸基托盘，结构形式如图 2.1 所示。
由托盘结构形式可知，瓦楞纸托盘主要由瓦楞纸板和托盘底脚两部分构成。托盘具体尺寸由瓦楞纸板尺寸决定，GB/T 2934-2007 中推荐托盘平面尺寸为 1200×1000mm，1100×1100mm 两种，但实际生产中托盘尺寸基本由客户按需定制，种类繁多，并非标准类型，且托盘底脚数量及具体位置也存在差异。本文中企业实际需求托盘样式如图 2.2（a）（b）（c）（d）所示，每种托盘样式根据托盘底脚之间 a，b 间隔尺寸的不同又分为具体不同型号，且每种具体型号托盘需求数量不固定，多为小批量需求。为保证纸板与托盘底脚之间连接可靠性，托盘底脚与纸板之间要求使用特殊白乳胶粘合。
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第 3 章 控制系统方案设计及硬件设计开发 ....................... 21
3.2 强电系统设计 ........................................... 22
3.3 气动回路设计 ....................................... 23
第 4 章 控制系统软件设计开发 ........................... 39
4.1 Kithara 软件简介 ................................ 39
4.2 控制系统软件资源 .............................. 41
4.3 EtherCAT 主站建立 .............................43
第 5 章 设备整机实现及性能分析 ........................... 51
5.1 设备整机实现 ........................................ 51
5.2 控制系统实时性测量 ........................... 53
5.3 伺服电机 PID 参数设定 ..................................... 54
第 5 章 设备整机实现及性能分析
5.1 设备整机实现
根据前述章节具体设计，对全自动托盘生产设备机械结构及控制系统软硬件安装、调试、运行，投入生产使用。整机实物图如图 5.1 所示。
机械结构主要为进板机，进块机及组装机三部分，堆码机构暂未投入使用，产品成品输出后人工堆码。控制系统中 EtherCAT 从站中使用到伺服从站及EtherCAT I\O 从站，测控从站及视觉检测功能已完成实验测试，暂未投入实际使用。
控制系统硬件主要分布在主控柜和辅助控制柜中，主控柜中安装强电控制系统，伺服驱动器，I\O 电路板硬件等，如图 5.2 所示。为防止强电系统对工控机及触摸屏干扰且便于实际控制操作，将主控部件安装到辅助电控柜中，主控柜与辅助控制柜之间通信通过EtherCAT总线完成。将进块机及进板机控制系统集成到组装机控制系统中，实现同一操作位统一控制。本文中该设备共使用到交流伺服电机 11 台，三相异步电动机 3 台，开关量输出接口 48 个，开关量输入接口 48 个，双作用气缸 31 条及相应数量的电磁阀，限位光电开关等。
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第 6 章 总结与展望
6.1 本文工作内容总结
本文从理论联系实际的观点出发，针对企业实际生产中对托盘产品需求量大，种类繁多，自动化程度低，生产标准不统一等现状，完成整台基于 EtherCAT总线的全自动托盘生产设备的研究与开发实现，该设备现已投入企业实际生产应用，并具有生产效率高，加工产品柔性大，加工尺寸精度稳定，成本低，易操作使用等特点，切实为企业解决实际生产加工中资源浪费严重，用工短缺等问题。本文首先根据实际生产中产品具体型号对托盘生产设备需求分析，并利用三维建模软件 UG 完成该设备的机械结构设计，零部件选型及关键部件仿真工作。然后在研究 EtherCAT 总线技术的基础上结合其拓扑灵活，使用方便，性能稳定等特点，利用 Windows 实时拓展软件 Kithara 设计出一整套基于 EtherCAT 总线集成视觉检测功能的测量及运动控制系统，并将该控制系统部分功能成功运用到全自动托盘生产设备中。本文工作主要内容如下：
（1）利用模块化思想确定全自动托盘生产设备的机械结构整体方案，对整体方案中的各部分结构做出详细的功能分析，对整体结构方案中的关键部件选型设计并做出性能分析。
（2）在机械结构整体方案基础上对设备的控制系统硬件设计开发。设计基于EtherCAT 总线集成视觉检测功能的测量控制系统方案。首先对设备的强电系统及气动回路系统设计实现。然后根据对 EtherCAT 总线的理论研究，包括 EtherCAT总线通信原理，通信数据帧协议，及主从站功能等设计 EtherCAT I/O 接口电路板，完善 EtherCAT 测控电路板，设计电压、电荷放大电路，利用 Altium Designer Release10软件完成上述电路的原理图及PCB 图设计并完成实物制作。最后，对控制系统的集成视觉检测功能提出具体方案实施及硬件选型搭建。
（3）在控制系统硬件搭建成功后完成控制系统软件设计。首先分析本文采用的实时拓展软件 Kithara 功能，并对控制系统软件流程做出详细方案分析。然后在Windows+KRTS 基础上利用 VS2013 开发 EtherCAT 主站及控制系统中的 I/O 接口和伺服驱动逻辑运动控制主程序，对其中的运动控制流程，人机交互界面设计过程等做出详细分析。最后对扩展功能视觉检测软件架构及程序控制流程做出详细设计。
（4）完成基于 EtherCAT 总线的全自动托盘生产设备整机实现并调试运行，分析设备伺服电机参数调试过程。对设备控制系统实时性能，EtherCAT 测控电路板、EtherCAT I/O 电路板、电荷电压放大电路板及视觉检测等搭建实验平台并完成功能测试。
参考文献（略）