后銘洋，張寶珍，樊軍慶，許鋮溶，曾文章

海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院（?？?570100）

中國椰子的種植主要分布在海南島，其綜合經(jīng)濟(jì)價(jià)值極高，是海南島主要的經(jīng)濟(jì)作物。隨著“自由貿(mào)易港”的建設(shè)，持續(xù)吸引越來越多人來到海南，作為“椰城”的特色，椰子加工產(chǎn)品的需求量不斷攀升。椰子產(chǎn)品制造的第一步就是對椰子進(jìn)行去皮加工處理，國內(nèi)去皮加工工序主要為人工操作，不僅效率低，而且還存在一定人身安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，提出一種加工效率高和自動(dòng)化程度強(qiáng)的椰青加工機(jī)械。

在椰青加工機(jī)械基礎(chǔ)上，以PLC為控制核心，以步進(jìn)電機(jī)、氣缸和切割電機(jī)為執(zhí)行元件，設(shè)計(jì)出該機(jī)械的電氣控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同尺寸的椰子，實(shí)現(xiàn)加工過程全自動(dòng)，極大提升椰子加工效率。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理

椰青切割機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、機(jī)械手、垂直切割電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等組成。其工作原理為：光電傳感器檢測到椰子時(shí)，壓緊氣缸開始啟動(dòng)，將椰子壓在釘齒盤上然后收縮歸位。接著步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪盤旋轉(zhuǎn)120°后，升降氣缸啟動(dòng)，垂直切割電機(jī)運(yùn)行，圓形刀組開始旋轉(zhuǎn)下降，對椰子頂部和側(cè)面進(jìn)行去皮，經(jīng)過8 s后，升降氣缸收縮歸位。輪盤再次旋轉(zhuǎn)120°，機(jī)械手伸縮氣缸啟動(dòng)，機(jī)械手伸出，機(jī)械手夾緊氣缸啟動(dòng)，將椰子夾緊，機(jī)械手升降氣缸啟動(dòng)，將椰子從釘齒盤上拔下，光電傳感器檢測到椰子被拔下時(shí)，輪盤開始旋轉(zhuǎn)120°歸位，水平切割電機(jī)啟動(dòng)，同時(shí)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)氣缸啟動(dòng)（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°），在旋轉(zhuǎn)的過程中進(jìn)行椰子底部去皮。旋轉(zhuǎn)到90°時(shí)，機(jī)械手夾緊氣缸收縮，放下加工好的椰子，旋轉(zhuǎn)氣缸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，機(jī)械手升降氣缸收縮，機(jī)械手下降，接近開關(guān)檢測到機(jī)械手歸位時(shí)，1個(gè)工作周期結(jié)束。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

椰青加工機(jī)電氣控制系統(tǒng)的基本控制單元分為5個(gè)部分，按照生產(chǎn)順序分別為：椰子壓緊部分、輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)部分、椰子頂部和側(cè)面去皮部分、機(jī)械手部分、椰子底部去皮部分。各部分構(gòu)成椰子自動(dòng)加工功能。通過對椰子加工機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將椰子加工機(jī)的工作過程改成自動(dòng)化。由于機(jī)械主要以氣缸、步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，所以采用定時(shí)器作為每個(gè)工作過程完成的信號(hào)，其自動(dòng)控制系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。

圖2 控制流程圖

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 主電路

垂直切割電機(jī)和水平切割電機(jī)的主電路圖如圖3所示，KM1和KM2分別控制垂直切割電機(jī)和水平切割電機(jī)的運(yùn)作，其中熱繼電器FR1、FR2及熔斷器FU1、FU2分別保證電機(jī)不會(huì)因?yàn)檫^熱和過流而損壞。

圖3 主電路圖

3.2 控制電路的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)椰青加工機(jī)實(shí)際控制要求，控制外部輸入端共需要22個(gè)按鈕，1個(gè)光電傳感器，1個(gè)選擇選擇開關(guān)和1個(gè)接近開關(guān)。輸出端包括12個(gè)電磁閥，2個(gè)電機(jī)和1臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。根據(jù)控制要求對PLC的I/0進(jìn)行分配，如表1所示。

表1 輸入輸出點(diǎn)分配表

根據(jù)PLC的I/O端口可知此控制系統(tǒng)需要25個(gè)輸入點(diǎn)、14個(gè)輸出點(diǎn)。在實(shí)際操控中，需要留有一些余量。從經(jīng)濟(jì)性、可靠性等多方面考慮，PLC的型號(hào)選擇FX2N-64NR，控制系統(tǒng)外部接線如圖4所示。

圖4 外部接線圖

3.3 步進(jìn)電機(jī)的控制

PLC通過接受置位的電平產(chǎn)生控制信號(hào)，將此控制信號(hào)傳遞給電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。通過PWM脈沖實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置則是直接控制電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)被驅(qū)動(dòng)從而轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，并通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)的速度。驅(qū)動(dòng)采用共陽極驅(qū)動(dòng)，接線圖如圖5所示，方向+、脈沖+都接VCC；脈沖-有脈沖式工作，高電平有效，脈沖-無脈沖時(shí)鎖定電機(jī)。方向-高電平輸入或懸空時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，低電平輸入時(shí)反轉(zhuǎn)；脫機(jī)-高電平輸入或懸空時(shí)正常工作，低電平時(shí)脫機(jī)。

圖5 步進(jìn)電機(jī)接線圖

3.4 氣缸的控制

系統(tǒng)的氣缸氣路如圖6所示，1B1～6B1為各氣缸的磁性開關(guān)，用于檢測活塞擺動(dòng)、伸出或縮回等動(dòng)作是否到位，YA1～YA12為每個(gè)氣缸所對應(yīng)的電磁換向閥，通過PLC控制其各電磁閥是否得電，從而決定壓縮空氣進(jìn)入氣缸腔的方向。

圖6 氣缸氣路圖

4 模擬量輸入模塊

椰子加工機(jī)電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)采用的1個(gè)模擬量輸入模塊為FX2N-2AD。模擬量輸入模塊為FX2N-2AD功能，是把現(xiàn)場的接近開關(guān)和光電傳感器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)紺PU，F(xiàn)X2N-2AD模塊與傳感器接線圖如圖7所示。各通道均采用電壓輸入，供電電壓DC 24 V。

圖7 FX2N-2AD原理圖

選用1個(gè)量程10 mm的光電傳感器，量程20 mm的接近開關(guān)，在編程過程中，設(shè)置BFM#0為0模式，即-10～10 V模擬量輸入，其A/D轉(zhuǎn)換輸出特性如圖8所示。

圖8 A/D轉(zhuǎn)換輸出特性圖

設(shè)B為傳感器測得的數(shù)字輸出，L1為實(shí)際量，則：

5 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，設(shè)計(jì)出順序功能圖，如圖9所示，分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制2個(gè)部分。X0、X31和X30閉合時(shí)，系統(tǒng)開始工作。采用定時(shí)器來檢測步進(jìn)電機(jī)與氣缸是否完成動(dòng)作。

圖9 順序功能圖

將手動(dòng)程序和自動(dòng)程序按順序進(jìn)行疊加就是完整的總梯形圖，其中手動(dòng)程序采用啟保停電路，自動(dòng)控制部分程序圖如圖10所示。

圖10 程序圖

6 仿真與試驗(yàn)

利用GX-Simulator對自動(dòng)控制梯形圖進(jìn)行仿真，如圖11所示。經(jīng)仿真，該系統(tǒng)能很好地完成控制要求。

圖11 仿真圖

在海南大學(xué)工程中心進(jìn)行椰青加工機(jī)械電氣控制系統(tǒng)性能的試驗(yàn)，三相異步交流電機(jī)提供椰青加工機(jī)械的刀組和鋸片的驅(qū)動(dòng)力，電機(jī)的額定電壓AC 380 V，功率0.4 kW。

試驗(yàn)主要測試在同等時(shí)間內(nèi)，椰青加工機(jī)在人工操作和自動(dòng)控制系統(tǒng)下的加工效率與椰子破損率（椰子加工過程中出現(xiàn)破裂），試驗(yàn)分為5組，試驗(yàn)時(shí)間為3 min。

破損率和椰青加工效率計(jì)算見式（2）和（3）。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

在相同時(shí)間里，自動(dòng)去皮的效率是手動(dòng)的2倍，破損率同比減少約50%。由此可知，椰青加工機(jī)電氣控制系統(tǒng)可大幅增加椰青加工效率和質(zhì)量，自動(dòng)椰青加工效果如圖12所示。

圖12 加工效果圖

7 結(jié)語

傳統(tǒng)人工方式的椰青加工，在效率、成本、人身安全等方面存在缺陷，且與當(dāng)前制造業(yè)向智能化、自動(dòng)化轉(zhuǎn)型發(fā)展相悖。在設(shè)計(jì)的椰青加工機(jī)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出以PLC為核心的電氣控制系統(tǒng)，給出主電路圖、外部接線圖、順序功能圖等，通過PLC完成對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向、啟停、運(yùn)行時(shí)間及速度的控制及對壓緊氣缸、機(jī)械手夾緊氣缸和旋轉(zhuǎn)氣缸等的控制。經(jīng)仿真和試驗(yàn)，該系統(tǒng)可提高椰青加工的自動(dòng)化程度、操作簡單方便，而且對提高產(chǎn)品加工效率、降低成本、減小人身風(fēng)險(xiǎn)有促進(jìn)作用，具有一定工程推廣意義。