尚鳳嬌，李景彬，坎　雜

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　 832000)

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羊用撒料試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

尚鳳嬌，李景彬，坎雜

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

摘要：為了解決羊用攪龍式撒料車撒料不均勻、投料效率低等問題，在維持原有工況條件下，研制開發(fā)了具有測(cè)試系統(tǒng)的撒料試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)基于成型的攪龍撒料車設(shè)計(jì)的機(jī)械系統(tǒng)，以labwindows/CVI為開發(fā)工具，結(jié)合PLC控制技術(shù)建立了撒料試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)臺(tái)同步監(jiān)測(cè)均勻性影響因子及其關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)軸實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)受力，測(cè)控系統(tǒng)與試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)合避免了傳統(tǒng)試驗(yàn)與動(dòng)態(tài)受力的不一致性，為后期撒料車優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：labwindows/CVI；PLC控制；羊用撒料車

0引言

我國(guó)羊肉產(chǎn)量無法滿足市場(chǎng)需求，規(guī)模化肉羊養(yǎng)殖技術(shù)需要突破[1-3]。羊用撒料機(jī)械，主要應(yīng)用在規(guī)?；娜庋蝠B(yǎng)殖場(chǎng)飼喂的撒料環(huán)節(jié)，工作時(shí)將飼料均勻拋撒在羊圈兩側(cè),是高效提高肉羊養(yǎng)殖的技術(shù)；但現(xiàn)有的羊用撒料機(jī)械均存在撒料均勻性不足、工作效率較低等問題，尋求解決方法成了研究關(guān)鍵。為此，通過對(duì)國(guó)內(nèi)外飼養(yǎng)技術(shù)的消化和吸收，研發(fā)飼喂技術(shù)取得了突破；但撒料機(jī)械性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)特性仍無法得到合理的改善。

機(jī)械測(cè)試技術(shù)是機(jī)械制造領(lǐng)域不可或缺的重要組成部分，測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行采集，通過試驗(yàn)繪制動(dòng)態(tài)曲線，準(zhǔn)確性比較高[4]。試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用高效地解決了現(xiàn)有機(jī)械系統(tǒng)存在的性能問題。劉文峰利用測(cè)試系統(tǒng)對(duì)秸稈粉碎機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速、含水量等對(duì)粉碎質(zhì)量的影響進(jìn)行了研究[5]；田韶鵬利用測(cè)試系統(tǒng)對(duì)汽車機(jī)械式變速器同步器性能進(jìn)行了研究[6]。

為此，基于成型的羊用撒料車，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)對(duì)撒料均勻性影響參數(shù)搭建了控制測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，為機(jī)械性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)特性的研究提供了參考依據(jù)。

1撒料試驗(yàn)臺(tái)組成和原理

1.1試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)

1.1.1試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

為了能更真實(shí)地反映原有撒料車實(shí)際工況，料箱沿用了撒料車料箱的結(jié)構(gòu)形式，不改變物料流動(dòng)特性及其輸送接觸形式，保留料箱及料箱底部關(guān)鍵尺寸，真實(shí)模擬物料在料箱中的流動(dòng)和受力。試驗(yàn)臺(tái)的刮板輸送裝置及投料攪龍裝置等機(jī)構(gòu)均參照現(xiàn)有攪龍式撒料車原先尺寸設(shè)計(jì)，保持原有撒料車整體工作狀況；試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用料箱相對(duì)皮帶輸送物料運(yùn)動(dòng)來模擬現(xiàn)實(shí)撒料車自走撒料。

試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)主要由箱體、擋料棍裝置、撥料棍裝置、刮板輸送機(jī)裝置、雙向投料攪龍裝置及帶式輸送機(jī)裝置組成。箱體由料箱部分和箱體底部的機(jī)槽組成；擋料棍裝置由擋料棍、撥齒、擋料棍電機(jī)及其附屬部分組成；撥料棍裝置有撥料棍、撥齒、撥料棍電機(jī)及其附屬部分組成；刮板輸送機(jī)裝置由刮板輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)電機(jī)及其附屬部分組成；投料攪龍裝置由雙向攪龍、攪龍電機(jī)及其附屬部分組成；帶輸送機(jī)裝置由帶式輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)電機(jī)及其附屬部分組成。試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)如圖1所示。

1.1.2試驗(yàn)臺(tái)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

刮板輸送裝置是基于刮板輸送機(jī)原理設(shè)計(jì)而成，橫鋪在料箱底部機(jī)槽內(nèi)，工作時(shí)在車廂機(jī)槽內(nèi)循環(huán)運(yùn)行，把車廂內(nèi)物料刮送到車尾。由于刮料板間距影響投料均勻性，鏈條鏈節(jié)上設(shè)有多個(gè)耳朵，刮料板可通過選擇不同的耳朵來調(diào)節(jié)刮料板間距，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。投料攪龍采用螺旋對(duì)中設(shè)計(jì)，兩端攪龍螺旋方向相反，可實(shí)現(xiàn)兩側(cè)對(duì)稱下料；攪龍中間位置設(shè)有鏈輪，通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)攪龍轉(zhuǎn)動(dòng)，提高兩側(cè)攪龍投料一致性，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用的是料箱相對(duì)輸送皮帶運(yùn)動(dòng)來模擬現(xiàn)實(shí)撒料車自走撒料。由底座、輸送帶和帶輪滾筒3部分組成，試驗(yàn)時(shí)輸送帶中間處放置在攪龍正下方。試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)，料箱內(nèi)部的物料隨著刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，被推送到車尾部投料攪龍上，輸送途中物料會(huì)受到與下方刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)向相反擋料棍的阻力及轉(zhuǎn)向相同撥料棍的推力；落到投料攪龍上的物料在攪龍轉(zhuǎn)動(dòng)推力作用下把物料推到攪龍邊緣的帶式輸送機(jī)上，并隨著帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)輸送到機(jī)尾端，其結(jié)構(gòu)和位置如圖4所示。為了避免物料不足給試驗(yàn)帶來的影響，在料箱箱架裝有壓力傳感器，以便對(duì)物料量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.箱體　2.擋料棍裝置　3.撥料棍裝置　4.刮板輸送機(jī)裝置

1.主動(dòng)鏈輪　2.驅(qū)動(dòng)軸　3.刮板鏈條　4.刮板

圖3　雙螺旋投料攪龍

圖4　投料與皮帶輸送示意圖

1.2信息采集系統(tǒng)工作原理

基于現(xiàn)有羊用攪龍式撒料車的結(jié)構(gòu)形式及其工作方式，設(shè)計(jì)了撒料試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)以PC機(jī)作為上位機(jī)，以PLC作為下位機(jī)， PC界面是基于WindowsXP系統(tǒng)利用虛擬儀器軟件開發(fā)工具(labwindows/CVI)編寫而成的，可有效檢測(cè)各個(gè)性能參數(shù)同時(shí)又可作動(dòng)態(tài)顯示，其原理如圖5所示。

圖5　信息采集系統(tǒng)原理框圖

1.3試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

攪龍式撒料車實(shí)際工作表明：其撒料均勻性和工作效率除了受物料特性及料箱內(nèi)不斷變化的物料質(zhì)量影響外，還與攪龍轉(zhuǎn)速、刮板輸送機(jī)速度和刮料板間距、擋料棍轉(zhuǎn)速與安裝位置，以及撥料棍轉(zhuǎn)速與安裝位置等因素有關(guān)，為獲得其影響權(quán)重及其較優(yōu)參數(shù)組合，建立了如圖6所示的控制系統(tǒng)。以PC機(jī)作為上位機(jī)，通過RS232/RS485與下位機(jī)(三菱PLC)連接通訊，對(duì)各個(gè)轉(zhuǎn)速扭矩進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中間軸進(jìn)行實(shí)時(shí)扭矩動(dòng)態(tài)顯示，以便為后期動(dòng)靜力學(xué)分析時(shí)提高可靠受力數(shù)據(jù)。控制顯示界面是基于WindowsXP系統(tǒng)利用虛擬儀器軟件開發(fā)工具(labwindows/CVI)編寫而成，不僅可對(duì)試驗(yàn)臺(tái)各個(gè)影響參數(shù)進(jìn)行控制、顯示及對(duì)料箱物料儲(chǔ)存進(jìn)行報(bào)警顯示，且可排除因物料不足帶來偶然影響，進(jìn)一步提高試驗(yàn)可靠性。

圖6　控制原理框圖

三菱PLC與PC機(jī)及其變頻器間通訊采用是Mobus現(xiàn)場(chǎng)總線通訊。由于受三菱PLC的I/O限制，不僅對(duì)影響試驗(yàn)結(jié)果可行性的輸送狀態(tài)和料箱物料質(zhì)量進(jìn)行了狀態(tài)顯示與報(bào)警，并未對(duì)變頻器的故障等狀態(tài)進(jìn)行顯示和報(bào)警。其具體I/O分配，如圖7所示。

圖7　三菱PLC通訊模型與I/O分配圖

1.4試驗(yàn)臺(tái)Labwindows/CVI控制界面的設(shè)計(jì)

Labwindows/CVI控制界面主要包括主界面、測(cè)試控制界面及動(dòng)態(tài)曲線顯示界面。主界面主要用于系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)打印、界面選擇以下部分及其系統(tǒng)自檢和關(guān)機(jī)。測(cè)試控制界面主要由3部分組成：①速度控制顯示區(qū)。圖8中圓形表盤為速度動(dòng)態(tài)顯示指式且每個(gè)速度動(dòng)態(tài)顯示正下都對(duì)應(yīng)變頻調(diào)速旋鈕，可根據(jù)控制需求輸入或旋動(dòng)按鈕控制電機(jī)速度。②料箱物料質(zhì)量顯示區(qū)。包括料箱物料質(zhì)量實(shí)時(shí)走勢(shì)圖及其對(duì)應(yīng)當(dāng)前的物料量。

圖8　Labwindows/CVI控制界面

基于PC機(jī)與PLC間的R485串口通訊，利用虛擬儀器軟件開發(fā)工具(labwindows/CVI)編寫動(dòng)態(tài)中間軸的扭矩實(shí)時(shí)輸出曲線顯示界面；依靠labwindows/CVI提供的串口通訊函數(shù)庫，按設(shè)定的串口通訊協(xié)議，接受來自PLC的Modbus總線采集到的扭矩傳感器數(shù)據(jù)，并將顯示與曲線輸出界面中。其中，PC機(jī)與PLC間的R485串口通訊采用多點(diǎn)通訊，設(shè)置數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位，停止位為1位，偶校驗(yàn)，傳送速率為9 600b/s。其labwindows/CVI扭矩T-t動(dòng)態(tài)曲線顯示界面如圖9所示。試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)主要實(shí)驗(yàn)原理如表1所示。

圖9　Labwindows/CVI扭矩T-t動(dòng)態(tài)曲線顯示界面

名稱規(guī)格變頻器FR-F740-1.5K-CHT/2.2K-CHT/5.5K-CHT交流電機(jī)Y90L-4/1.5kw Y100L1-4/2.2kwY132S-4/5.5kW扭矩傳感器量程:20Nm,50Nm,測(cè)量精度:0.5%Fs

續(xù)表1

2結(jié)論

1)基于WindowsXP系統(tǒng)利用虛擬儀器軟件開發(fā)工具labwindows/CVI與PLC控制技術(shù)的結(jié)合突破了原有試驗(yàn)與動(dòng)態(tài)受力的不一致性。

2)為了減小試驗(yàn)臺(tái)與撒料車工作狀態(tài)不一致性，本試驗(yàn)臺(tái)采用原始結(jié)構(gòu)特征及其工作狀態(tài)設(shè)計(jì)而成，減小了機(jī)械機(jī)構(gòu)本身的試驗(yàn)不精準(zhǔn)性。

3)本試驗(yàn)臺(tái)實(shí)時(shí)輸出動(dòng)態(tài)扭矩曲線，可有效地為后期撒料車優(yōu)化設(shè)計(jì)提供受力數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步對(duì)撒料車的總體結(jié)構(gòu)及其質(zhì)量分布進(jìn)行改進(jìn)，并為后期驗(yàn)證提供了驗(yàn)證平臺(tái)。

本試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)為羊用撒料車撒料均勻性及其結(jié)構(gòu)合理性，提供了試驗(yàn)平臺(tái)。同時(shí)，對(duì)影響撒料均勻性和投料量的可控因素進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試控制，突破了以往僅從理論上對(duì)撒料車撒料均勻性的研究，從實(shí)際工況探討了可控因素對(duì)撒料均勻性的影響因子及各因素間參數(shù)匹配的最佳投料效果，為撒料車的高性能工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

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Abstract ID:1003-188X(2016)05-0156-EA

Design of Sheep with Material Test Bench and Test System

Shang Fengjiao, Li Jingbin, Kan Za

(College of Mechanical Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China)

Abstract：In order to solve the problems of uneven sprinkle material and low feeding efficiency of Double Helix Caesar feeding car,while maintaining the original working conditions, a Test bench with test system is established . Based on the forming of the dragon skip，the mechanical system is designed,with labwindows / CVI as the development tool combining with PLC control technology so as to simultaneously monitor uniformity factor and its real-time dynamic key rotation axis force.The testing rig is combined with the control system to avoid inconsistency of the traditional test and the dynamic force and to provide real-time dynamic force data for the latter mechanical optimization design.

Key words：labwindows / CVI; PLC control; caesar skip

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0156-04

中圖分類號(hào)：S237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：尚鳳嬌(1988-)，女，山東泰安人，碩士研究生，(E-mail)shangfengjiaode@163.com。通訊作者：坎雜(1963-)，男，新疆精河人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)kz-shz@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家中小型企業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(14C26216513810)

收稿日期：2015-04-24