王 跡 ，蘇 睿

（成都工業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院，四川 成都 611700）

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)水果市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)激烈，進(jìn)口或本地水果逐漸加強(qiáng)品牌意識(shí)，會(huì)在果皮表面貼上標(biāo)簽，標(biāo)明品牌、產(chǎn)地等信息，標(biāo)記提高了水果信息的差異化，使“水果標(biāo)簽”更加易讀。我國(guó)作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，水果種植規(guī)模呈逐年遞增趨勢(shì)，而水果貼標(biāo)是水果商品化處理的重要環(huán)節(jié)[1-2]。傳統(tǒng)貼標(biāo)方式需要人工操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且標(biāo)簽易脫落，油墨、膠水、紙張浪費(fèi)較多。

PLC控制系統(tǒng)是融合了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)的一種新型工業(yè)控制裝置，借助其強(qiáng)大的處理能力，很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[3-5]。氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)利用氣動(dòng)、電動(dòng)相結(jié)合的方式工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、速度快、可控性好，在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較少[6]。為此，課題組設(shè)計(jì)了一種水果氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)，能夠利用PLC自動(dòng)控制、氣壓傳動(dòng)技術(shù)將水果標(biāo)簽（含PLU碼、QR碼和條形碼等信息）打在柑橘、瓜果和石榴等水果表面，不僅節(jié)能環(huán)保，而且可以提高打標(biāo)作業(yè)效率，節(jié)省勞動(dòng)力，建立多樣化、通用化、多功能集成化的農(nóng)產(chǎn)品包裝機(jī)械新體系。

1 氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)氣壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)控制過(guò)程的主要流程為：將氣壓系統(tǒng)元件進(jìn)行線性化處理，試建立滑閥的壓力-流量特性線性化微分方程和系統(tǒng)的微分方程。

式中：Cd——閥口流量系數(shù)；A0——閥口過(guò)流面積；ΔP——閥口壓力降；ρ——密度。

在閥口結(jié)構(gòu)相同且為全周矩形開(kāi)口的情況下，不考慮閥和缸泄漏，ΔP=1/2(PS-PL)，A0=xπd。故滑閥靜態(tài)特性方程設(shè)閥的額定工作點(diǎn)參量為PL0和x0，則qL0=f(PL0,x0)。

則滑閥的壓力-流量特性線性化微分方程為：

1）當(dāng)不考慮泄漏時(shí)，氣壓缸流量的連續(xù)性方程為：

2）當(dāng)不考慮阻尼力等時(shí)，氣壓缸的力平衡方程為：

聯(lián)立式（2）、式（3）、式（4），消去中間變量，即得到系統(tǒng)壓力-流量特性線性化微分方程：

2 氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)總體設(shè)計(jì)

氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)工作過(guò)程：圓形水果（柑橘、瓜果、石榴等）按照?qǐng)D1所示的方式緊密排列在傾斜滾道內(nèi)，依靠自重實(shí)現(xiàn)預(yù)定位，按下啟動(dòng)按鈕，打印氣缸A的活塞桿帶動(dòng)標(biāo)簽貼快速伸出到水果表面位置，對(duì)欲打印的水果進(jìn)行打印標(biāo)記，完畢后，氣缸A的活塞桿縮回；此時(shí)，推料氣缸B的活塞桿伸出，把打印完畢的水果推出，以進(jìn)行下一道工序；當(dāng)活塞桿縮回時(shí)，下一個(gè)待打印水果到位，進(jìn)入下一循環(huán)?？刂葡到y(tǒng)主要由傳感器組件、PLC測(cè)控平臺(tái)、比例控制放大器、氣動(dòng)方向閥和氣壓缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。打標(biāo)作業(yè)時(shí)，傳感器將采集到的信息傳送給PLC測(cè)控平臺(tái)，平臺(tái)經(jīng)過(guò)信息處理向比例控制放大器發(fā)出控制信號(hào)，控制氣動(dòng)方向閥使末端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相關(guān)的動(dòng)作。

圖1 氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)工作原理示意圖

2.1 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

打標(biāo)機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖2所示，氣源經(jīng)氣動(dòng)三聯(lián)件（空氣過(guò)濾器、減壓閥和油霧器）向系統(tǒng)提供壓縮空氣[7]。系統(tǒng)的執(zhí)行元件為打印氣缸A和推料氣缸B，缸A和缸B的主控?fù)Q向閥為二位五通雙電磁鐵換向閥。缸A無(wú)桿腔接有快速排氣閥，用于加快其下行打印速度，以保證打印質(zhì)量，氣缸返回時(shí)，為了減少?zèng)_擊，由節(jié)流閥負(fù)責(zé)排氣、節(jié)流、調(diào)速。對(duì)于推料氣缸B而言，其雙向調(diào)速均由單向節(jié)流閥完成。系統(tǒng)的4個(gè)行程開(kāi)關(guān)B1～B4作為兩個(gè)換向閥電磁鐵通斷電的信號(hào)源，能夠使A、B兩個(gè)氣缸按照要求的動(dòng)作順序運(yùn)動(dòng)。

圖2 氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖

整個(gè)動(dòng)作過(guò)程通過(guò)PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，1YA通電，電磁換向閥3換向到左，打印氣缸A伸出；2YA通電，電磁換向閥3換向到右，打印氣缸A縮回；3YA通電，電磁換向閥4換向到左，推料氣缸B伸出；4YA通電，電磁換向閥4換向到右，推料氣缸B縮回。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝置的核心在于傳感器、打印氣缸、推料氣缸三者的相互協(xié)同，實(shí)現(xiàn)識(shí)別、定位、移動(dòng)等一系列動(dòng)作，而基于PLC的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)通過(guò)編程自動(dòng)化完成各種預(yù)定任務(wù)，采用PLC測(cè)控平臺(tái)。要使PLC運(yùn)行起來(lái)，需設(shè)計(jì)PLC正常工作所需的最基本的外圍電路，其基本框架圖和電氣系統(tǒng)控制圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 基本框架圖

圖4 電氣系統(tǒng)控制圖

3 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器模塊的主要功能是采集各種傳感器信號(hào)，包括位置、壓力、顏色和圖像信息等，并負(fù)責(zé)識(shí)別目標(biāo)的位置、顏色、大小及接觸到分揀目標(biāo)的碰撞信號(hào)。

3.2 PLC控制器的選擇

PLC控制器采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)，生產(chǎn)制造環(huán)境嚴(yán)格，具備可靠性高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用其開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的工作量比較少，維護(hù)和升級(jí)也非常方便[8-10]。氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)有5個(gè)電氣開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)，4個(gè)電氣輸出信號(hào)，沒(méi)有高速輸入輸出信號(hào)，I/O點(diǎn)數(shù)小于64，因此可選擇小型PLC（三菱FX3U-32-MR/ES）。

其內(nèi)部采用CPU315-2DP，每條指令的執(zhí)行時(shí)間約為50 ns，內(nèi)部自帶384 KB主存儲(chǔ)器；不僅包括豐富的I/O接口，而且包括MPI/DP、PROFIBUS DP和以太網(wǎng)接口。

3.3 I/O接線圖設(shè)計(jì)

三菱FX3U系列PLC外部接線圖如圖5所示，I/O點(diǎn)分配表如表1所示，主要由啟動(dòng)、行程開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)和YA1～YA4電磁閥輸出信號(hào)控制電磁閥的通電順序。

表1 三菱FX3U系列PLC I/O點(diǎn)分配表

圖5 PLC外部接線圖

3.4 PLC程序編寫(xiě)

PLC程序編寫(xiě)也是設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一，其梯形圖如圖6所示。

圖6 PLC梯形圖

4 結(jié)論

綜上所述，基于PLC控制的氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)同時(shí)具備氣動(dòng)技術(shù)和PLC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，工作介質(zhì)經(jīng)濟(jì)易取，環(huán)保無(wú)污染，可控性好，能通過(guò)PLC程序?qū)崿F(xiàn)水果類(lèi)農(nóng)產(chǎn)品的自動(dòng)供料及快速打印，抗干擾能力強(qiáng)，在較惡劣的環(huán)境中和速度要求較快的流水線上均能使用。

該水果打標(biāo)機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用雙電磁鐵換向閥控制氣缸運(yùn)動(dòng)方向，通過(guò)快速排氣閥加快打印氣缸排氣速度，以保證打標(biāo)質(zhì)量，通過(guò)單向節(jié)流閥對(duì)推料氣缸進(jìn)行雙向排氣節(jié)流，運(yùn)行穩(wěn)定性好，有利于系統(tǒng)散熱。在水果果皮上對(duì)該機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果表明，其打標(biāo)速度較快，果肉未被破壞，起到了較好的防偽作用，具有推廣價(jià)值。