基于定量包裝的新型板栗剝苞設備的設計

李陽，李朝凱

(甘肅農業(yè)大學 工學院, 甘肅 蘭州 730070)

基于定量包裝的新型板栗剝苞設備的設計

李陽，李朝凱

(甘肅農業(yè)大學 工學院, 甘肅 蘭州 730070)

摘要：為達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，設計了基于定量包裝的新型板栗剝苞設備。基于定量稱重的板栗脫苞設備是由電控系統(tǒng)來控制機械機構來完成對板栗的剝苞、篩選及定量包裝。設備主要是由剝苞機構、篩選機構、絞龍送料機構、稱重機構、機架及基于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備機械部分的設計及工作原理；具體敘述了機器的控制部分的設計、工作過程、稱重原理及控制部分特點；簡述了 PLC控制系統(tǒng)的程序設計，并提及了此設備相對于以往設備的優(yōu)越性。

關鍵詞：板栗；定量包裝；可編程控制器；設計

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備是由板栗脫苞機和定量稱重設備相結合的一種新型機電一體化產品。板栗剝苞是將從板栗樹上采摘下來并未經過任何處理過的毛栗進行去除刺苞的過程(將栗子與刺苞分離的過程)，定量稱重是在自動化設備中設定額定的質量進行自動給料，在設備中將剝去刺苞后的栗子進行定量包裝。目前國內外只有板栗剝苞機，而沒有定量包裝板栗的設備，更沒有對板栗進行一體化加工的設備。為了達到板栗從剝苞到定量包裝的一體化加工要求，提高生產加工效率，結合國內外先進技術，研制出了定量包裝的板栗剝苞設備[1]。

1設備的整體結構

定量包裝的板栗脫苞機是由機械部分和電控系統(tǒng)組成的機電一體化產品[2-3]，通過控制系統(tǒng)的PLC來實現(xiàn)機械系統(tǒng)對板栗進行剝苞、稱重、包裝等一系列動作，使之形成從脫苞到定量包裝的一體化線路[4-5]。設備總體結構如圖1所示。

1—脫苞腔；2—料斗；3—帶輪；4—篩斗；5—連桿；6—栗子導向板一；7—風機；8—開倉閘門；9—稱重平臺；10—稱重傳感器；11—夾袋器；12—氣缸；13—機架；14—控制柜；15—夾緊桿；16—連接桿；17—步進電動機；18—絞輪機構；19—喂料口；20—刺苞導向板；21—篩分板；22—栗子導向板二；23—電機圖1　設備總體結構圖

2設備的機械部分設計

機械部分主要由剝苞機構、篩選機構、二次篩選機構、絞龍運料機構、夾袋機構和機架組成[6-7]。

a) 剝苞機構的工作原理及結構

毛栗進入剝苞腔內，腔內的剝苞軸帶動剝苞刀片做旋轉運動，毛栗在刀片與網(wǎng)板的擠壓與揉搓作用下脫去刺苞，達到脫苞效果。剝苞機構與網(wǎng)板結構如圖2所示。

1—橡膠皮；2—剝苞刀片；3—刀片固定盤；4—軸；5—網(wǎng)板圖2　剝苞機構與網(wǎng)板示意圖

b) 篩選機構的工作原理

曲柄滑塊機構帶動篩選機構做往復的震動運動，栗子與刺苞從剝苞機構中一并落入到篩斗內，在篩選機構的震動作用下，栗子經篩選孔板落入絞龍送料機構內，體積較大的刺苞經刺苞導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機的風選作用下被吹離，達到篩選效果。通過對200個毛栗進行稱重與尺寸測量實驗，由實驗數(shù)據(jù)可知，被剝離后的較大刺苞的體積遠大于栗子的體積，篩板孔的尺寸略大于栗子的尺寸，則體積較大的刺苞不會隨栗子從孔中掉落。體積小于栗子的刺苞，質量遠小于栗子的質量，則可通過風機的風選作用將刺苞清除，達到完全篩選目的。

c) 包裝機構工作原理及結構

通過剝苞與篩選組合作用，栗子進入絞龍送料機構中，絞龍做回旋運動，將栗子送入由夾袋器夾緊的布袋中，完成裝袋。絞龍送料機構與夾袋機構示如圖3所示。

1—夾袋筒；2—氣缸；3—連接軸；4—四氟圈；5—螺栓；6—夾袋器；7—絞龍；8—喂料口；9—氣缸；10—開倉閘門；11—絞龍前擋板圖3　夾袋器與絞龍送料機構示意圖

3氣動控制系統(tǒng)[8-9]

氣路系統(tǒng)是板栗定量稱重包裝過程的執(zhí)行機構。通過氣缸的往復運動實現(xiàn)開倉閘門的開閉、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、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閘門，氣缸桿的往復運動實現(xiàn)閘門的開閉，換向閥17控制氣缸5的往復運動，單向節(jié)流閥6、7構成進氣節(jié)流調速回路，實現(xiàn)閘門開閉運動速度的調節(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的往復運動實現(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：1) 開倉閘門可實現(xiàn)開閉時速度的調節(jié)，保證定量包裝精度。2) 由單向節(jié)流閥9和16及11和14構成的排氣節(jié)流回路。當排氣節(jié)流時，排氣腔內建立與負載相適應的背壓，在負載保持不變或微小變動下，運行比較平穩(wěn)。

1—空氣壓縮機；2—過濾器；3—減壓閥；4—壓力計；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　氣動控制系統(tǒng)

4電氣控制系統(tǒng)設計[10-11]

電氣控制系統(tǒng)控制機器工作時的每一個動作，都是對機器工作的控制。通過電氣控制系統(tǒng)的控制方可實現(xiàn)板栗的脫苞與定量裝袋。根據(jù)機器工作要求，設計出了如圖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全省各市、縣，進行深入采訪，并開設“國防新芽”專欄，報道宣傳各地區(qū)國防教育特色文化，旨在通過“小手拉大手”的教育輻射作用，實現(xiàn)一個孩子帶動一個家庭、一個家庭帶動一個社區(qū)、一個社區(qū)帶動一個城市，扎實推進國防教育進學生頭腦，厚植青少年國防觀念和愛國情懷，深化社會主義核心價值觀軍校共建共育，為青少年筑牢新時代的“精神長城”，傳承紅色血脈，進而增強全民國防觀念，進一步振奮民族精神，營造良好的社會氛圍。

控制裝置選用臺達DVP系列PLC DVP16EX00R2。步進電機系統(tǒng)選用深圳鵬輝科技有限公司產品。驅動器為SL2440C，步進電機為兩相60系列的SL60S2100D。步進電機控制信號一般為3個：步進脈沖信號PU、方向控制信號DR、電機釋放信號MF。具體控制方案如圖5、圖6所示[12]。觸摸屏是采用人機對話接口，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。經過運算之后，通過PLC輸出脈沖信號，并連接到步進電機驅動器SL2440C的輸入端口。步進電機控制器對接收到的脈沖信號進行了內部運算之后，驅動步進電機轉動。

步進電機的轉動角位移為1.8°/脈沖，轉動1圈則需要200個脈沖。電機與絞龍采用帶傳動之間的傳動比為1∶10，絞龍轉動1圈就需要200×10=2000個脈沖。

PLC輸出端Y0連接剝苞電機，控制剝苞電機M1工作。Y1連接步進驅動器的DR-，為驅動提供電平，即為改變驅動器的輸出脈沖的相序，一般高電平為正轉，低電平為反轉。但如果是低電平輸入，可以改變驅動器的輸出相序，也可改變步進電機的轉向。Y2連接驅動器的脫機控制輸入端MF-，低電平時，步進電動機解除繞組電磁鎖力。Y3連接驅動端PU-，作用是為驅動器提供脈沖信號，其脈沖的多少可控制步進電動機的轉速。

4.2控制過程[13-14]

開機后，在人機界面上觸動開始，系統(tǒng)初始化后，在PLC程序控制下，Y0有輸出信號，與Y0相連的回路形成通路。KM1得電吸合，使得剝苞電機M1工作，Y0持續(xù)一分鐘的輸出信號后，剝苞電機停轉，完成栗子剝苞。同時，Y3有脈沖信號輸出，在環(huán)形分配器作用下，把來源于控制環(huán)節(jié)的時鐘脈沖串規(guī)律地分配給步進電機驅動器的各相輸入端，根據(jù)設定的步進電機的轉速，控制器提供相應的脈沖數(shù)量，使得步進電機按設定的轉速轉動。與此同時，Y4、Y5也均有信號輸出，即開倉氣動電磁閥、夾袋氣動電磁閥工作，使得開倉閘門打開、夾袋氣缸夾緊，開始稱料包裝。當稱重完成后，Y3、Y4斷開信號輸出，開倉閘門關閉。延時15 s后，Y5斷開輸出信號，夾袋氣缸打開，使得夾袋器松袋，再延時5 s后夾袋氣缸夾緊，實現(xiàn)了一包板栗從剝苞到定量包裝的一個循環(huán)。重復以上流程，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，由稱重控制儀對稱重傳感器實時檢測并提供給PLC參數(shù)。PLC根據(jù)傳感器提供的數(shù)據(jù)及設定的工作要求實行對稱重系統(tǒng)的控制。PLC通過RS485實現(xiàn)與稱重系統(tǒng)的通訊，繼而按工作要求對稱重系進行控制，以便達到工作要求。栗子的質量將顯示在人機界面上。

4.5過載與過流保護

用交流接觸器和熱繼電器組成電機過載保護電路；用熔斷器實現(xiàn)過流保護功能。

4.6調試與互鎖保護

整個設備在工作之前，需要對氣缸的安裝及電機的接線這些在工作中起重要作用的部分進行調試，以避免設備在工作中出現(xiàn)故障。按動開關1，剝苞電機起動。按動開關2，開倉氣動電磁閥工作，使得氣缸推動閘門打開。按動開關3，夾袋氣動電磁閥工作，使得夾袋氣缸夾緊，實現(xiàn)了檢測功能。當人機界面進入自動工作模式時，PLC中的程序會把所有的輸入信號全部屏蔽，此時手動按開關1、2、3時不會起任何作用，保證了自動與手動兩種控制方法不可同時實現(xiàn)，防止了誤動作，實現(xiàn)了互鎖保護功能。

5PLC控制系統(tǒng)的程序設計

根據(jù)基于定量包裝的板栗剝苞機的操作要求，確定每個動作的相互間關系及順序，設計出如圖7所示的程序流程圖。其原理為：系統(tǒng)初始化以后，剝苞機開始工作，PLC中的程序判斷機器是否工作到1min，若否，剝苞機繼續(xù)工作。若是，剝苞機停止工作，同時定量包裝部分的絞龍以10r/s開始轉動、開倉閘門開、夾袋器缸夾緊，開始板栗的定量包裝。設定每袋裝25kg，為確定板栗包裝的質量精確度，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轉動。若是，絞龍減速到5r/s轉動，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的速度轉動，若是，絞龍降速到1r/s，繼而輸送栗子的量進一步減少。判斷栗子量是否裝到24.9kg，若否，絞龍繼續(xù)以1r/s轉動，若是，則絞龍停轉。延時15s后夾袋氣缸松袋，再延時5s后夾袋氣缸夾緊。重復以上流程，完成板栗的定量包裝。

圖7　PLC控制流程圖

6試驗結果

通過對200個栗子進行的稱重實驗、取水法體積測量實驗得到單個栗子的最小質量為2.35g,最大質量為5.28g，栗子平均質量為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，質量為235g，最少為235619.5÷5609.9=42個，質量為221.76g，平均栗子數(shù)量為235619.5÷2945.2=80個，質量為248g。當絞龍停轉時，最多落入袋中為一個螺距所對應的空間體積的栗子，最少為0個栗子，誤差可控制在-0.1kg～ 0.148kg范圍內，滿足包裝誤差要求。

7結論

設備采用人機界面與PLC控制技術，脫離了原有設備的純機械性，創(chuàng)新成一種由電氣控制機械運動的機電一體化設備，與原來純機械系統(tǒng)相比有明顯的優(yōu)勢。主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

1) 通過PLC的程序控制，使得設備的各執(zhí)行機構按設定的順序進行動作，減輕了人工操作的勞動強度與操作頻率。采用步進電機作為定量包裝部分的動力源，提高了設備工作時的平穩(wěn)性與可靠性。

2) 利用人機界面，使得操作方便、簡單、經濟效益明顯。

3) 系統(tǒng)采用交流接觸器、熱繼電器和熔斷器實現(xiàn)過載、過流保護功能。人機界面進入自動工作模式后，保證了自動與手動兩種控制方法不同時實現(xiàn)，防止了誤動作，實現(xiàn)了互鎖保護功能。

4) 整套設備由板栗剝苞與定量包裝這兩種功能的結合，打破了以往設備的功能單一性，使工作范圍擴大化；而且還大大減輕人的勞動強度，降低人力資源消耗，具有重要的應用價值和現(xiàn)實意義。

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

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收稿日期：2014-01-06

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0198-04

作者簡介：李陽(1988-)，男，河北涿鹿人， 碩士研究生，研究方向為機械電子工程。