李陽，李朝凱

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

基于定量包裝的新型板栗剝苞設(shè)備的設(shè)計(jì)

李陽，李朝凱

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

摘要：為達(dá)到板栗從剝苞到定量包裝的一體化加工要求，根據(jù)板栗剝苞過程的要求，設(shè)計(jì)了基于定量包裝的新型板栗剝苞設(shè)備。基于定量稱重的板栗脫苞設(shè)備是由電控系統(tǒng)來控制機(jī)械機(jī)構(gòu)來完成對(duì)板栗的剝苞、篩選及定量包裝。設(shè)備主要是由剝苞機(jī)構(gòu)、篩選機(jī)構(gòu)、絞龍送料機(jī)構(gòu)、稱重機(jī)構(gòu)、機(jī)架及基于PLC電控系統(tǒng)組成。介紹了基于定量包裝的新型板栗剝苞設(shè)備機(jī)械部分的設(shè)計(jì)及工作原理；具體敘述了機(jī)器的控制部分的設(shè)計(jì)、工作過程、稱重原理及控制部分特點(diǎn)；簡(jiǎn)述了 PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，并提及了此設(shè)備相對(duì)于以往設(shè)備的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：板栗；定量包裝；可編程控制器；設(shè)計(jì)

Design of New Chestnut Peeling Machine with Quantitative Packaging

LI Yang, LI Chaokai

(College of engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

Abstract:In order to fulfil the requirements of the integration processing from the chestnut peeling to quantitative packaging and according to the requirements that its process, this paper designs a new equipment consisting of packaging and peeling machines. Its electronic control system is used to control the mechanical mechanism to accomplish shelling bract, screening and quantitative packaging. This equipment is mainly consist of the strip bract and screening mechanism, frame, ground conveying platform scale and control system with the PLC. It also introduces the design and working principle of its mechanical parts, describes the design, working process, weighting principle， characteristics of the mechanical control, programming of PLC control and its advantages compared with the equipment before.

Keywords:Chinese chestnut；quantitative packaging；PLC；design

0引言

定量稱重的板栗剝苞設(shè)備是由板栗脫苞機(jī)和定量稱重設(shè)備相結(jié)合的一種新型機(jī)電一體化產(chǎn)品。板栗剝苞是將從板栗樹上采摘下來并未經(jīng)過任何處理過的毛栗進(jìn)行去除刺苞的過程(將栗子與刺苞分離的過程)，定量稱重是在自動(dòng)化設(shè)備中設(shè)定額定的質(zhì)量進(jìn)行自動(dòng)給料，在設(shè)備中將剝?nèi)ゴ贪蟮睦踝舆M(jìn)行定量包裝。目前國(guó)內(nèi)外只有板栗剝苞機(jī)，而沒有定量包裝板栗的設(shè)備，更沒有對(duì)板栗進(jìn)行一體化加工的設(shè)備。為了達(dá)到板栗從剝苞到定量包裝的一體化加工要求，提高生產(chǎn)加工效率，結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，研制出了定量包裝的板栗剝苞設(shè)備[1]。

1設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)

定量包裝的板栗脫苞機(jī)是由機(jī)械部分和電控系統(tǒng)組成的機(jī)電一體化產(chǎn)品[2-3]，通過控制系統(tǒng)的PLC來實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)對(duì)板栗進(jìn)行剝苞、稱重、包裝等一系列動(dòng)作，使之形成從脫苞到定量包裝的一體化線路[4-5]。設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—脫苞腔；2—料斗；3—帶輪；4—篩斗；5—連桿；6—栗子導(dǎo)向板一；7—風(fēng)機(jī)；8—開倉(cāng)閘門；9—稱重平臺(tái)；10—稱重傳感器；11—夾袋器；12—?dú)飧祝?3—機(jī)架；14—控制柜；15—夾緊桿；16—連接桿；17—步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；18—絞輪機(jī)構(gòu)；19—喂料口；20—刺苞導(dǎo)向板；21—篩分板；22—栗子導(dǎo)向板二；23—電機(jī)圖1　設(shè)備總體結(jié)構(gòu)圖

2設(shè)備的機(jī)械部分設(shè)計(jì)

機(jī)械部分主要由剝苞機(jī)構(gòu)、篩選機(jī)構(gòu)、二次篩選機(jī)構(gòu)、絞龍運(yùn)料機(jī)構(gòu)、夾袋機(jī)構(gòu)和機(jī)架組成[6-7]。

a) 剝苞機(jī)構(gòu)的工作原理及結(jié)構(gòu)

毛栗進(jìn)入剝苞腔內(nèi)，腔內(nèi)的剝苞軸帶動(dòng)剝苞刀片做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，毛栗在刀片與網(wǎng)板的擠壓與揉搓作用下脫去刺苞，達(dá)到脫苞效果。剝苞機(jī)構(gòu)與網(wǎng)板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—橡膠皮；2—?jiǎng)儼镀?—刀片固定盤；4—軸；5—網(wǎng)板圖2　剝苞機(jī)構(gòu)與網(wǎng)板示意圖

b) 篩選機(jī)構(gòu)的工作原理

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)篩選機(jī)構(gòu)做往復(fù)的震動(dòng)運(yùn)動(dòng)，栗子與刺苞從剝苞機(jī)構(gòu)中一并落入到篩斗內(nèi)，在篩選機(jī)構(gòu)的震動(dòng)作用下，栗子經(jīng)篩選孔板落入絞龍送料機(jī)構(gòu)內(nèi)，體積較大的刺苞經(jīng)刺苞導(dǎo)向板滑落至刺苞收集處，隨栗子一同從孔板落下的體積較小的毛刺在二次篩選風(fēng)機(jī)的風(fēng)選作用下被吹離，達(dá)到篩選效果。通過對(duì)200個(gè)毛栗進(jìn)行稱重與尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，被剝離后的較大刺苞的體積遠(yuǎn)大于栗子的體積，篩板孔的尺寸略大于栗子的尺寸，則體積較大的刺苞不會(huì)隨栗子從孔中掉落。體積小于栗子的刺苞，質(zhì)量遠(yuǎn)小于栗子的質(zhì)量，則可通過風(fēng)機(jī)的風(fēng)選作用將刺苞清除，達(dá)到完全篩選目的。

c) 包裝機(jī)構(gòu)工作原理及結(jié)構(gòu)

通過剝苞與篩選組合作用，栗子進(jìn)入絞龍送料機(jī)構(gòu)中，絞龍做回旋運(yùn)動(dòng)，將栗子送入由夾袋器夾緊的布袋中，完成裝袋。絞龍送料機(jī)構(gòu)與夾袋機(jī)構(gòu)示如圖3所示。

1—夾袋筒；2—?dú)飧祝?—連接軸；4—四氟圈；5—螺栓；6—夾袋器；7—絞龍；8—喂料口；9—?dú)飧祝?0—開倉(cāng)閘門；11—絞龍前擋板圖3　夾袋器與絞龍送料機(jī)構(gòu)示意圖

3氣動(dòng)控制系統(tǒng)[8-9]

氣路系統(tǒng)是板栗定量稱重包裝過程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)開倉(cāng)閘門的開閉、夾袋器的夾袋與松袋。氣路系統(tǒng)如圖4所示，由空氣壓縮機(jī)、氣缸、減壓閥、兩位五通換向閥、過濾器、單向節(jié)流閥、消聲器等器件組成。雙作用氣缸5伸出桿末端連接開倉(cāng)閘門，氣缸桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)閘門的開閉，換向閥17控制氣缸5的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，單向節(jié)流閥6、7構(gòu)成進(jìn)氣節(jié)流調(diào)速回路，實(shí)現(xiàn)閘門開閉運(yùn)動(dòng)速度的調(diào)節(jié)，保證稱重的精確度。氣缸8、10的伸出桿分別連接夾袋器，氣缸8、10的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾袋與松袋，完成板栗的包裝。此氣路系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：1) 開倉(cāng)閘門可實(shí)現(xiàn)開閉時(shí)速度的調(diào)節(jié)，保證定量包裝精度。2) 由單向節(jié)流閥9和16及11和14構(gòu)成的排氣節(jié)流回路。當(dāng)排氣節(jié)流時(shí)，排氣腔內(nèi)建立與負(fù)載相適應(yīng)的背壓，在負(fù)載保持不變或微小變動(dòng)下，運(yùn)行比較平穩(wěn)。

1—空氣壓縮機(jī)；2—過濾器；3—減壓閥；4—壓力計(jì)；5、8、10—雙作用氣缸；6、7、9、11、14、16—單向節(jié)流閥；12、13—消聲器；15、17—兩位五通換向閥圖4　氣動(dòng)控制系統(tǒng)

4電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[10-11]

電氣控制系統(tǒng)控制機(jī)器工作時(shí)的每一個(gè)動(dòng)作，都是對(duì)機(jī)器工作的控制。通過電氣控制系統(tǒng)的控制方可實(shí)現(xiàn)板栗的脫苞與定量裝袋。根據(jù)機(jī)器工作要求，設(shè)計(jì)出了如圖5、圖6所示的電氣控制系統(tǒng)。

圖5　電氣控制原理圖

圖6　控制過程方案

4.1控制系統(tǒng)電路

今年10月，《青少年日記》雜志社的編輯們走進(jìn)全省各市、縣，進(jìn)行深入采訪，并開設(shè)“國(guó)防新芽”專欄，報(bào)道宣傳各地區(qū)國(guó)防教育特色文化，旨在通過“小手拉大手”的教育輻射作用，實(shí)現(xiàn)一個(gè)孩子帶動(dòng)一個(gè)家庭、一個(gè)家庭帶動(dòng)一個(gè)社區(qū)、一個(gè)社區(qū)帶動(dòng)一個(gè)城市，扎實(shí)推進(jìn)國(guó)防教育進(jìn)學(xué)生頭腦，厚植青少年國(guó)防觀念和愛國(guó)情懷，深化社會(huì)主義核心價(jià)值觀軍校共建共育，為青少年筑牢新時(shí)代的“精神長(zhǎng)城”，傳承紅色血脈，進(jìn)而增強(qiáng)全民國(guó)防觀念，進(jìn)一步振奮民族精神，營(yíng)造良好的社會(huì)氛圍。

控制裝置選用臺(tái)達(dá)DVP系列PLC DVP16EX00R2。步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)選用深圳鵬輝科技有限公司產(chǎn)品。驅(qū)動(dòng)器為SL2440C，步進(jìn)電機(jī)為兩相60系列的SL60S2100D。步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)一般為3個(gè)：步進(jìn)脈沖信號(hào)PU、方向控制信號(hào)DR、電機(jī)釋放信號(hào)MF。具體控制方案如圖5、圖6所示[12]。觸摸屏是采用人機(jī)對(duì)話接口，最初的指令信息要從這里輸入。輸入的信息要通過通訊端口傳送到PLC。經(jīng)過運(yùn)算之后，通過PLC輸出脈沖信號(hào)，并連接到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器SL2440C的輸入端口。步進(jìn)電機(jī)控制器對(duì)接收到的脈沖信號(hào)進(jìn)行了內(nèi)部運(yùn)算之后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角位移為1.8°/脈沖，轉(zhuǎn)動(dòng)1圈則需要200個(gè)脈沖。電機(jī)與絞龍采用帶傳動(dòng)之間的傳動(dòng)比為1∶10，絞龍轉(zhuǎn)動(dòng)1圈就需要200×10=2000個(gè)脈沖。

PLC輸出端Y0連接剝苞電機(jī)，控制剝苞電機(jī)M1工作。Y1連接步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的DR-，為驅(qū)動(dòng)提供電平，即為改變驅(qū)動(dòng)器的輸出脈沖的相序，一般高電平為正轉(zhuǎn)，低電平為反轉(zhuǎn)。但如果是低電平輸入，可以改變驅(qū)動(dòng)器的輸出相序，也可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。Y2連接驅(qū)動(dòng)器的脫機(jī)控制輸入端MF-，低電平時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)解除繞組電磁鎖力。Y3連接驅(qū)動(dòng)端PU-，作用是為驅(qū)動(dòng)器提供脈沖信號(hào)，其脈沖的多少可控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

4.2控制過程[13-14]

開機(jī)后，在人機(jī)界面上觸動(dòng)開始，系統(tǒng)初始化后，在PLC程序控制下，Y0有輸出信號(hào)，與Y0相連的回路形成通路。KM1得電吸合，使得剝苞電機(jī)M1工作，Y0持續(xù)一分鐘的輸出信號(hào)后，剝苞電機(jī)停轉(zhuǎn)，完成栗子剝苞。同時(shí)，Y3有脈沖信號(hào)輸出，在環(huán)形分配器作用下，把來源于控制環(huán)節(jié)的時(shí)鐘脈沖串規(guī)律地分配給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的各相輸入端，根據(jù)設(shè)定的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制器提供相應(yīng)的脈沖數(shù)量，使得步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。與此同時(shí)，Y4、Y5也均有信號(hào)輸出，即開倉(cāng)氣動(dòng)電磁閥、夾袋氣動(dòng)電磁閥工作，使得開倉(cāng)閘門打開、夾袋氣缸夾緊，開始稱料包裝。當(dāng)稱重完成后，Y3、Y4斷開信號(hào)輸出，開倉(cāng)閘門關(guān)閉。延時(shí)15 s后，Y5斷開輸出信號(hào)，夾袋氣缸打開，使得夾袋器松袋，再延時(shí)5 s后夾袋氣缸夾緊，實(shí)現(xiàn)了一包板栗從剝苞到定量包裝的一個(gè)循環(huán)。重復(fù)以上流程，完成板栗的定量包裝。

4.3稱重原理

4.4稱重顯示

定量稱重過程中，由稱重控制儀對(duì)稱重傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)并提供給PLC參數(shù)。PLC根據(jù)傳感器提供的數(shù)據(jù)及設(shè)定的工作要求實(shí)行對(duì)稱重系統(tǒng)的控制。PLC通過RS485實(shí)現(xiàn)與稱重系統(tǒng)的通訊，繼而按工作要求對(duì)稱重系進(jìn)行控制，以便達(dá)到工作要求。栗子的質(zhì)量將顯示在人機(jī)界面上。

4.5過載與過流保護(hù)

用交流接觸器和熱繼電器組成電機(jī)過載保護(hù)電路；用熔斷器實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能。

4.6調(diào)試與互鎖保護(hù)

整個(gè)設(shè)備在工作之前，需要對(duì)氣缸的安裝及電機(jī)的接線這些在工作中起重要作用的部分進(jìn)行調(diào)試，以避免設(shè)備在工作中出現(xiàn)故障。按動(dòng)開關(guān)1，剝苞電機(jī)起動(dòng)。按動(dòng)開關(guān)2，開倉(cāng)氣動(dòng)電磁閥工作，使得氣缸推動(dòng)閘門打開。按動(dòng)開關(guān)3，夾袋氣動(dòng)電磁閥工作，使得夾袋氣缸夾緊，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)功能。當(dāng)人機(jī)界面進(jìn)入自動(dòng)工作模式時(shí)，PLC中的程序會(huì)把所有的輸入信號(hào)全部屏蔽，此時(shí)手動(dòng)按開關(guān)1、2、3時(shí)不會(huì)起任何作用，保證了自動(dòng)與手動(dòng)兩種控制方法不可同時(shí)實(shí)現(xiàn)，防止了誤動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了互鎖保護(hù)功能。

5PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

根據(jù)基于定量包裝的板栗剝苞機(jī)的操作要求，確定每個(gè)動(dòng)作的相互間關(guān)系及順序，設(shè)計(jì)出如圖7所示的程序流程圖。其原理為：系統(tǒng)初始化以后，剝苞機(jī)開始工作，PLC中的程序判斷機(jī)器是否工作到1min，若否，剝苞機(jī)繼續(xù)工作。若是，剝苞機(jī)停止工作，同時(shí)定量包裝部分的絞龍以10r/s開始轉(zhuǎn)動(dòng)、開倉(cāng)閘門開、夾袋器缸夾緊，開始板栗的定量包裝。設(shè)定每袋裝25kg，為確定板栗包裝的質(zhì)量精確度，在定量包裝過程中判斷栗子是否裝到20kg，若否，絞龍繼續(xù)以10r/s轉(zhuǎn)動(dòng)。若是，絞龍減速到5r/s轉(zhuǎn)動(dòng)，輸送栗子的量也隨絞龍的降速而減少。判斷栗子量是否裝到23kg，若否，絞龍繼續(xù)以5r/s的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，若是，絞龍降速到1r/s，繼而輸送栗子的量進(jìn)一步減少。判斷栗子量是否裝到24.9kg，若否，絞龍繼續(xù)以1r/s轉(zhuǎn)動(dòng)，若是，則絞龍停轉(zhuǎn)。延時(shí)15s后夾袋氣缸松袋，再延時(shí)5s后夾袋氣缸夾緊。重復(fù)以上流程，完成板栗的定量包裝。

圖7　PLC控制流程圖

6試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)200個(gè)栗子進(jìn)行的稱重實(shí)驗(yàn)、取水法體積測(cè)量實(shí)驗(yàn)得到單個(gè)栗子的最小質(zhì)量為2.35g,最大質(zhì)量為5.28g，栗子平均質(zhì)量為3.1g，最大體積5609.9mm3,最小體積為2356.18mm3，栗子平均體積為2945.2mm3。絞龍為單頭螺紋的螺桿，絞龍軸的直徑d=20mm，螺距p=30mm，絞龍葉片高度h=30mm，即絞龍前后相鄰螺紋的送料空間體積為:V=πp(d/2+h)-π(p-2)2p=235619.5mm3,可存放的栗子數(shù)量最多為235619.5÷2356.18=100個(gè)，質(zhì)量為235g，最少為235619.5÷5609.9=42個(gè)，質(zhì)量為221.76g，平均栗子數(shù)量為235619.5÷2945.2=80個(gè)，質(zhì)量為248g。當(dāng)絞龍停轉(zhuǎn)時(shí)，最多落入袋中為一個(gè)螺距所對(duì)應(yīng)的空間體積的栗子，最少為0個(gè)栗子，誤差可控制在-0.1kg～ 0.148kg范圍內(nèi)，滿足包裝誤差要求。

7結(jié)論

設(shè)備采用人機(jī)界面與PLC控制技術(shù)，脫離了原有設(shè)備的純機(jī)械性，創(chuàng)新成一種由電氣控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)的機(jī)電一體化設(shè)備，與原來純機(jī)械系統(tǒng)相比有明顯的優(yōu)勢(shì)。主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

1) 通過PLC的程序控制，使得設(shè)備的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)按設(shè)定的順序進(jìn)行動(dòng)作，減輕了人工操作的勞動(dòng)強(qiáng)度與操作頻率。采用步進(jìn)電機(jī)作為定量包裝部分的動(dòng)力源，提高了設(shè)備工作時(shí)的平穩(wěn)性與可靠性。

2) 利用人機(jī)界面，使得操作方便、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3) 系統(tǒng)采用交流接觸器、熱繼電器和熔斷器實(shí)現(xiàn)過載、過流保護(hù)功能。人機(jī)界面進(jìn)入自動(dòng)工作模式后，保證了自動(dòng)與手動(dòng)兩種控制方法不同時(shí)實(shí)現(xiàn)，防止了誤動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了互鎖保護(hù)功能。

4) 整套設(shè)備由板栗剝苞與定量包裝這兩種功能的結(jié)合，打破了以往設(shè)備的功能單一性，使工作范圍擴(kuò)大化；而且還大大減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低人力資源消耗，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

5) 此設(shè)備中的電氣控制系統(tǒng)具有可移植性，并不局限于此設(shè)備，可運(yùn)用到多種設(shè)備與工作領(lǐng)域。

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收稿日期：2014-01-06

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)04-0198-04

作者簡(jiǎn)介：李陽(1988-)，男，河北涿鹿人， 碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程。