趙曉彪，韓 松

（1.上海果氪信息科技有限公司，上海 201108；2.東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

椰青作為一種熱帶水果，憑借其特色的口感以及豐富的營養(yǎng)價(jià)值而被大眾廣泛喜愛，椰青的椰汁甘甜可口，椰肉軟糯清香。目前椰汁類飲品在植物蛋白飲品類中僅次于大豆飲品的市場份額，并且仍然保持著持續(xù)上升的趨勢[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及自動(dòng)化水平的不斷提高，人們不再滿足于傳統(tǒng)的人工開口方式，這種開口方式容易污染椰汁和椰肉并且存在一定的安全隱患，在這種形勢下，自動(dòng)化的椰青開孔機(jī)應(yīng)運(yùn)而生[2]。目前，國內(nèi)外產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)對于全自動(dòng)化的椰青開孔機(jī)器的研究大多數(shù)停留在試驗(yàn)階段，開孔效率不穩(wěn)定，開孔效果不理想，穩(wěn)定高效并且具有安全保障的自動(dòng)化椰青開孔機(jī)器被迫切需要，以便使得大眾能夠更好地享受椰汁和椰肉的美味。本文設(shè)計(jì)研制了一款全自動(dòng)化的椰青開孔機(jī)[3]，該椰青開孔機(jī)能夠在25 s 內(nèi)在椰青頂部開一個(gè)直徑60 mm 左右的圓孔，既能方便地喝到椰汁，又能便捷地取出椰肉。該椰青開孔機(jī)已經(jīng)在部分商超便利店應(yīng)用，證明了其出色的開孔效率以及安全保障。椰青開孔機(jī)出廠前需進(jìn)行耐久性能測試，這要耗費(fèi)大量的椰青，為節(jié)省資源，考慮設(shè)計(jì)耐久性能測試裝置替代椰青。測試裝置在滿足自身耐久性要求的前提下，需能夠模擬切刀切削不同硬度椰青各生物層過程中負(fù)載的變化情況，以達(dá)到有效測試目的。

1 測試裝置模擬負(fù)載的數(shù)學(xué)模型

磁粉制動(dòng)器被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中，能夠保證輸出轉(zhuǎn)矩與勵(lì)磁電流在線性區(qū)間內(nèi)具有近似的線性關(guān)系，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用簡便、無沖擊、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，可以作為電機(jī)模擬負(fù)載使用[4-6]。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]可知，磁粉制動(dòng)器的傳遞函數(shù)表示為：

測試裝置中使用的磁粉制動(dòng)器性能參數(shù)如下：磁粉制動(dòng)器慣性時(shí)間常數(shù)T=0.16 s，線性區(qū)間內(nèi)的比例系數(shù)K=11.4，滯后時(shí)間常數(shù)τ=0.4 s，故磁粉制動(dòng)器的傳遞函數(shù)為：

在模擬負(fù)載過程中，還需要為磁粉制動(dòng)器輸入可控的勵(lì)磁電流，選擇使用具有電流輸出能力的張力控制器作為磁粉制動(dòng)器的電流源，其輸出電流與輸入電壓成線性關(guān)系，已知張力控制器輸出勵(lì)磁電流I的大小為0～2 A，輸入電壓U的大小為0～10 V，因此張力控制器系統(tǒng)的比例系數(shù)為0.2，則測試裝置模擬負(fù)載系統(tǒng)的傳遞函數(shù)圖如圖1所示。

圖1 測試裝置模擬負(fù)載系統(tǒng)傳遞函數(shù)

2 測試裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)

耐久性能測試裝置需要在滿足升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡的前提下，模擬切刀切削不同硬度椰青各生物層過程中負(fù)載的變化情況。花鍵副能夠?qū)崿F(xiàn)在傳遞轉(zhuǎn)矩的同時(shí)沿軸向進(jìn)行伸縮，將耐久性能測試裝置安裝于椰青開孔機(jī)中并完成相應(yīng)的機(jī)械配合，如圖2 所示，為確保能夠看到椰青開孔機(jī)及測試裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，將椰青開孔機(jī)的外殼、固定機(jī)構(gòu)等部件隱藏。

圖2 安裝有測試裝置的椰青開孔機(jī)

測試裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)從下到上依次是帶鍵槽軸、外花鍵軸、內(nèi)花鍵軸套、空心套筒。帶鍵槽軸裝入磁粉制動(dòng)器內(nèi)部，通過平鍵與磁粉制動(dòng)器空心軸相連，傳遞磁粉制動(dòng)器輸出的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；外花鍵軸與內(nèi)花鍵軸套相配合在傳遞轉(zhuǎn)矩的同時(shí)隨升降機(jī)構(gòu)上下伸縮[8]；空心套筒通過螺栓與椰青開孔機(jī)的刀座連接，刀座是通過平鍵連接在切刀電機(jī)輸出軸上的。

3 測試裝置控制系統(tǒng)

3.1 硬件選型

椰青開孔機(jī)耐久性能測試裝置控制系統(tǒng)要求能夠?qū)y試裝置輸出的負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制、能夠?qū)δ途眯阅軠y試工作流程進(jìn)行控制。測試裝置控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。測試裝置控制系統(tǒng)由本機(jī)集成有模擬量模塊的PLC、張力控制器、磁粉制動(dòng)器、數(shù)字量輸入輸出器件、觸摸屏構(gòu)成。

圖3 測試裝置控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

可編程邏輯控制器的選型主要考慮輸入輸出點(diǎn)數(shù)、輸入輸出類型和存儲(chǔ)器容量3個(gè)方面，綜合考慮以上3個(gè)方面以及經(jīng)濟(jì)性方面因素，最終選擇西門子S7-200 CPU224XP作為控制系統(tǒng)主控制器[9-10]。

磁粉制動(dòng)器的選型通常需要考慮的是最大輸出轉(zhuǎn)矩以及最大滑差功率，必須保證使用過程中的輸出轉(zhuǎn)矩小于最大輸出轉(zhuǎn)矩，滑差功率小于最大滑差功率。針對耐久性能測試裝置控制系統(tǒng)而言，磁粉制動(dòng)器主要用來模擬椰青開孔機(jī)切刀電機(jī)的負(fù)載。磁粉制動(dòng)器的實(shí)際滑差功率P為：

將Mmax=1.8 N·m 和nmax=1 400 r/min 代入式（3）近似求得磁粉制動(dòng)器的最大實(shí)際滑差功率Pmax≈340 W。根據(jù)耐久性能測試裝置工作過程中的最大輸出轉(zhuǎn)矩和最大實(shí)際滑差功率最終選定的磁粉制動(dòng)器為SKISIA 公司的PB-6B2，其最大輸出轉(zhuǎn)矩為6 N·m，允許滑差功率為880 W，滿足使用要求。

對于張力控制器的選型，主要考慮輸入電壓和輸出電流范圍。張力控制器輸入端為PLC 模擬量模塊的電壓輸出端口、輸出端為磁粉制動(dòng)器的勵(lì)磁電流輸入端口，因此在考慮可編程邏輯控制器模擬量模塊輸出電壓范圍0～10 V 以及磁粉制動(dòng)器的輸入端勵(lì)磁電流范圍0～0.8 A的基礎(chǔ)上，確定張力控制器最終選型為RUNTENG 公司的TB-200 A，該款張力控制器輸入端電壓范圍為0～10 V，相應(yīng)的輸出端電流范圍為0～2 A，滿足使用要求。

由電磁式繼電器的工作原理可知，繼電器額定工作電壓是其最重要的一項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，也是電磁式繼電器選型的決定性參數(shù)。結(jié)合表1 所示的耐久性能測試裝置控制系統(tǒng)數(shù)字量信號的電壓標(biāo)準(zhǔn)可知，除升降電機(jī)信號外的其余數(shù)字量信號所在支路均采用24 V 繼電器，24 V 繼電器采用宏發(fā)公司研制的薄型繼電器，具體型號為HF41F。升降電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)電壓為12 V，選擇富繼生產(chǎn)的12 V繼電器，具體型號為HH52P。

表1 測試裝置控制系統(tǒng)數(shù)字量信號的電壓標(biāo)準(zhǔn)

3.2 下位機(jī)主程序設(shè)計(jì)

模擬負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸出系統(tǒng)是一階慣性滯后系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸出不會(huì)隨輸入量的突變而瞬間變化，對磁粉制動(dòng)器輸入階躍型勵(lì)磁電流的大小和時(shí)間進(jìn)行控制，就可以在磁粉制動(dòng)器響應(yīng)速度允許的范圍內(nèi)模擬負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化情況?？刂葡到y(tǒng)主程序工作流程如圖4所示。

圖4 主程序工作流程

3.3 下位機(jī)子程序設(shè)計(jì)

子程序中進(jìn)行如下3個(gè)定時(shí)器判定。

（1）2 000 ms 定時(shí)器時(shí)間到達(dá)后，會(huì)置位Z軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)未動(dòng)作標(biāo)志位，停止椰青開孔機(jī)的耐久性能測試工作，并在觸摸屏上顯示該報(bào)警信息。該2 000 ms 定時(shí)器會(huì)在PLC接收到升降電機(jī)啟動(dòng)信號后被清零。

（2）5 000 ms 定時(shí)器時(shí)間到達(dá)后，如果測試裝置仍然能夠檢測到椰青開孔機(jī)升降電機(jī)的啟動(dòng)信號，會(huì)置位負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬失敗標(biāo)志位，停止椰青開孔機(jī)的耐久性能測試工作，并在觸摸屏上顯示該報(bào)警信息。該5 000 ms定時(shí)器會(huì)在PLC 接收到椰青開孔機(jī)控制單元發(fā)送的開門信號后被清零。

（3）6 000 ms 定時(shí)器時(shí)間到達(dá)后，會(huì)置位椰青開孔機(jī)未復(fù)位標(biāo)志位，停止椰青開孔機(jī)的耐久性能測試工作，并在觸摸屏上顯示該報(bào)警信息。該6 000 ms 定時(shí)器會(huì)在PLC 接收到椰青開孔機(jī)控制單元發(fā)送的開門信號后被清零。

子程序的工作流程如圖5所示。

圖5 子程序工作流程

3.4 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

觸摸屏界面如圖6 所示，界面中的變量按照功能可以分為3類，各類變量的功能和使用方法如下。

圖6 觸摸屏界面

（1）開關(guān)變量

啟動(dòng)：按下啟動(dòng)按鈕后，開始耐久性能測試。

停止：按下停止按鈕后，停止耐久性能測試，并將測試裝置和椰青開孔機(jī)恢復(fù)到初始狀態(tài)。

清空報(bào)警：當(dāng)耐久性能測試系統(tǒng)出現(xiàn)Z軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)未動(dòng)作報(bào)警、負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬失敗報(bào)警或椰青開孔機(jī)未復(fù)位報(bào)警三者其中任何一個(gè)時(shí)，都會(huì)停止進(jìn)行耐久性能測試，在排查完故障原因并解決故障后，必須手動(dòng)按下清空報(bào)警按鈕清空系統(tǒng)報(bào)警信息才能夠繼續(xù)進(jìn)行耐久性能測試工作。

（2）設(shè)置變量

待測次數(shù)：在開始耐久性能測試之前，需要通過觸摸屏設(shè)置待測試的次數(shù)，只有在待測次數(shù)大于已測次數(shù)的情況下，才能通過按下啟動(dòng)按鈕開始耐久性能測試工作。

硬度設(shè)置：在開始耐久性能測試之前，需要通過觸摸屏設(shè)置待模擬的椰青的硬度，電機(jī)較軟、適中、較硬三者中的任何一個(gè)按鈕，則置位椰青硬度標(biāo)志位，同時(shí)復(fù)位其余兩個(gè)與椰青硬度相關(guān)的標(biāo)志位。

（3）顯示變量

已測次數(shù)：在每次椰青開孔機(jī)的耐久性能測試工作正常完成之后，都會(huì)將已測次數(shù)加一，并實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上。

Z軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)未動(dòng)作報(bào)警：當(dāng)通過觸摸屏向椰青開孔機(jī)發(fā)送啟動(dòng)信號后，若2 000 ms 內(nèi)，耐久性能測試裝置未收到椰青開孔機(jī)控制單元發(fā)送的升降電機(jī)啟動(dòng)信號，則會(huì)觸發(fā)Z軸機(jī)構(gòu)未進(jìn)給報(bào)警，Z軸機(jī)構(gòu)未進(jìn)給報(bào)警指示燈由藍(lán)色變成紅色，并以500 ms的頻率進(jìn)行閃爍。

負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬失敗報(bào)警：如果在升降電機(jī)啟動(dòng)后的5 000 ms 內(nèi)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的模擬未滿足椰青開孔機(jī)切削開孔辨識算法，則會(huì)觸發(fā)負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬失敗報(bào)警，負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬失敗報(bào)警指示燈由藍(lán)色變成紅色，并以500 ms 的頻率進(jìn)行閃爍。

椰青開孔機(jī)未復(fù)位報(bào)警：當(dāng)測試裝置模擬椰肉層標(biāo)志位復(fù)位后的6 000 ms 內(nèi)，耐久性能測試裝置未接收到椰青開孔機(jī)控制單元發(fā)送的開門信號，則會(huì)觸發(fā)椰青開孔機(jī)未復(fù)位報(bào)警，椰青開孔機(jī)未復(fù)位報(bào)警指示燈由藍(lán)色變成紅色，并以500 ms的頻率進(jìn)行閃爍。

時(shí)間：觸摸屏界面正下方顯示當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間。

4 耐久性能測試試驗(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)

耐久性能測試試驗(yàn)平臺(tái)主要包括4 個(gè)部分：耐久性能測試裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)、耐久性能測試裝置控制柜、耐久性能測試裝置人機(jī)界面和椰青開孔機(jī)。耐久性能測試裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)連接磁粉制動(dòng)器和椰青開孔機(jī)切削機(jī)構(gòu)的刀座，用來向切刀電機(jī)傳遞磁粉制動(dòng)器輸出的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；耐久性能測試裝置控制柜實(shí)現(xiàn)對磁粉制動(dòng)器輸出負(fù)載轉(zhuǎn)矩的控制、對繼電器組的控制以及和上位機(jī)觸摸屏進(jìn)行雙向通信；耐久性能測試裝置觸摸屏人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)測試過程的可視化操作[11-12]；椰青開孔機(jī)為被測試對象，按照原有工作方式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。耐久性能測試試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖如圖7所示，耐久性能測試裝置控制柜內(nèi)部實(shí)物圖如圖8所示。

圖7 耐久性能測試試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物

圖8 耐久性能測試裝置控制柜內(nèi)部實(shí)物

4.2 耐久性試驗(yàn)

由于測試裝置需要完成對椰青開孔機(jī)的耐久性能測試，因此測試裝置首先需要滿足自身的耐久性需求。產(chǎn)業(yè)公司對測試裝置耐久性方面的需求是，以機(jī)器無故障使用一年以及機(jī)器每天切削200 個(gè)椰青作為椰青開孔機(jī)循環(huán)耐久性能測試的標(biāo)準(zhǔn)，即測試裝置能夠連續(xù)無損地對椰青開孔機(jī)進(jìn)行73 000次耐久性能測試。

對3 臺(tái)椰青開孔機(jī)進(jìn)行耐久性能測試，測試裝置進(jìn)行耐久性能測試的次數(shù)如表2所示。

表2 測試裝置耐久性能測試的測試次數(shù)

經(jīng)過上述試驗(yàn)可知，測試裝置的耐久性能能夠滿足產(chǎn)業(yè)公司提出的73 000次測試次數(shù)的性能要求。

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

耐久性能測試裝置需能夠模擬切刀切削不同硬度椰青各生物層過程中切刀電機(jī)的負(fù)載變化過程，由于本試驗(yàn)的試驗(yàn)環(huán)境無法使用轉(zhuǎn)矩傳感器，因此通過對切刀電機(jī)電流的采集間接反映測試裝置模擬負(fù)載的變化情況。切刀電機(jī)電流變化情況通過使用HanTek CC-65 電流鉗和Tektronix DPO2024B 示波器的組合方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，電流鉗選擇1 mV/100 mA 擋位進(jìn)行采集，示波器選擇50 mV標(biāo)度進(jìn)行顯示。

耐久性能測試過程中將椰青硬度分為較軟、適中、較硬3種，3種硬度對應(yīng)不同的模擬椰衣層負(fù)載、模擬椰殼層負(fù)載、模擬椰肉層負(fù)載，模擬椰青硬度及模擬各生物層負(fù)載對應(yīng)數(shù)字量如表3所示。

表3 模擬椰青硬度與模擬椰青各生物層對應(yīng)數(shù)字量

耐久性能測試試驗(yàn)中采集到的切刀電機(jī)電流的變化情況和PLC 模擬量模塊輸出電壓的變化情況如圖9～11所示，分別表示模擬較軟、適中、較硬椰青各生物層過程中切刀電機(jī)電流與PLC 模擬量模塊輸出電壓的變化情況。通道1 表示切刀電機(jī)電流的變化情況，通道2 表示PLC模擬量模塊輸出電壓的變化情況。

圖9 模擬硬度較軟椰青試驗(yàn)中切刀電流及模擬量電壓

根據(jù)上述曲線分析可知，模擬硬度較軟椰青負(fù)載作用條件下，模擬椰殼層階段切刀電機(jī)電流維持在8～9 A，模擬硬度適中椰青負(fù)載作用條件下，模擬椰殼層階段切刀電機(jī)電流維持在9～10 A，模擬硬度較硬椰青負(fù)載作用條件下，模擬椰殼層階段切刀電機(jī)電流維持在10～11 A。切刀電機(jī)電流在空載運(yùn)行階段后，先增大后減小，符合實(shí)際切削椰青過程中切刀電機(jī)電流的變化情況。

圖10 模擬硬度適中椰青試驗(yàn)中切刀電流及模擬量電壓

圖11 模擬硬度較硬椰青試驗(yàn)中切刀電流及模擬量電壓

5 結(jié)束語

在椰青開孔機(jī)耐久性能測試過程中要浪費(fèi)大量椰青資源，為節(jié)約椰青資源，本文研究了椰青開孔機(jī)耐久性能測試裝置，使用耐久性能測試裝置在椰青開孔機(jī)耐久性能測試過程中替代椰青，該耐久性能測試裝置能夠在滿足自身耐久性需求的前提下，有效模擬切刀切削硬度較軟、適中、較硬3 種品質(zhì)椰青各生物層過程中切刀電機(jī)的負(fù)載變化情況，能夠控制椰青開孔機(jī)耐久性能測試工作流程。試驗(yàn)結(jié)果表明，該耐久性能測試裝置耐久性能好、功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定可靠。