桑葉收集輸送機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭帥星，胡迎春，牟向偉，胡裔志，齊勇落

（1.廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，柳州 545006；2.廣西師范大學(xué) 職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，桂林 541004；3.桂林海威科技股份有限公司，桂林 541004）

0 引言

廣西抓住了國(guó)家“東桑西移”的良好機(jī)遇，調(diào)整戰(zhàn)略，努力實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，在桑蠶產(chǎn)業(yè)積極地投入和不斷地?cái)U(kuò)展，逐漸成為廣西地區(qū)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移方向最成功的產(chǎn)業(yè)之一。雖然廣西的桑蠶業(yè)發(fā)展迅猛，但是由于養(yǎng)蠶業(yè)機(jī)械化程度不高，發(fā)展較緩慢，成為制約桑蠶產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的瓶頸。目前在桑園管理和桑葉收獲方面，由于受廣西自然條件和地理環(huán)境的影響，國(guó)內(nèi)對(duì)輸送機(jī)的研究還處于起步階段，由于目前工業(yè)化迅速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，勞動(dòng)力價(jià)值提升，為加快研究適合不同區(qū)域蠶桑產(chǎn)業(yè)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的配套、高效機(jī)械設(shè)備，推動(dòng)傳統(tǒng)蠶業(yè)向規(guī)?；⑹×蛢?yōu)質(zhì)高效的現(xiàn)代化經(jīng)營(yíng)方向發(fā)展，迫在眉睫。桑葉采摘收集輸送機(jī)是必不可少的機(jī)械設(shè)備。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

桑葉收集輸送機(jī)，它的主要功能是有節(jié)律的把運(yùn)輸車向前推進(jìn)一個(gè)運(yùn)輸車的距離而且能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的定位，使之制造過程更加流暢。桑葉收集輸送機(jī)是由運(yùn)輸車和它的傳動(dòng)裝置構(gòu)成（如圖1所示），圖中有很多運(yùn)輸車構(gòu)成，每個(gè)運(yùn)輸車中心都有一個(gè)定位孔，而車體是通過兩個(gè)2（滾輪）來支承在1（滾道）上，而9（導(dǎo)軌）是分別夾在兩個(gè)滾道中間。小車的3（臺(tái)面）是通過5（回轉(zhuǎn)鉸軸）相連接成為一個(gè)整體，從而在每個(gè)車臺(tái)面上都會(huì)有4（塑料箱）來進(jìn)行承接桑葉，傳動(dòng)的部分6（步移缸）一般位于在7（車體）下邊，8（插銷缸）和10（定位缸）的插銷和拔銷運(yùn)動(dòng)都會(huì)對(duì)應(yīng)定位孔所在位置。因?yàn)檐圀w和臺(tái)面之間連接距離是固定的，從而兩個(gè)小車之間的距離也是固定并且是相等的，都是0.5m。

由實(shí)際測(cè)量，一株桑樹一般有3～5枝，一般采摘完一株需要3s，運(yùn)輸車運(yùn)動(dòng)需要時(shí)間（循環(huán)周期）可以確定為12s；步移缸前進(jìn)后退速度采取慢-快-慢節(jié)奏，以防產(chǎn)生沖擊。

圖1 桑葉收集輸送機(jī)結(jié)構(gòu)

桑葉收集輸送機(jī)氣壓PLC控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)順序是先插銷缸的活塞上升（插銷），然后定位缸活塞下降（拔銷），從而步移缸活塞向前運(yùn)動(dòng)（步移缸前進(jìn)）。到指定位置后，定位缸的活塞上升（插銷），從而插銷缸活塞下降（拔銷），然后步移缸活塞向后運(yùn)動(dòng)（步移缸后退），完成這些動(dòng)作稱為一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)，如果需要連續(xù)運(yùn)動(dòng)就進(jìn)行連續(xù)周期運(yùn)動(dòng)。這個(gè)運(yùn)動(dòng)周期一共需要12s。因?yàn)椴揭聘浊斑M(jìn)和返回行程和小車距離是相等的相等，所以步移缸前進(jìn)和后退運(yùn)動(dòng)所需要的時(shí)間是相等都為6s。定位缸插銷缸運(yùn)動(dòng)的距離也是都是50mm。插銷拔銷所需時(shí)間都為1s，定位缸的拔銷插銷各為1s，進(jìn)而輔助時(shí)間為2s。

2 氣壓回路設(shè)計(jì)

桑葉收集輸送機(jī)氣壓系統(tǒng)中的油路是有三種執(zhí)行元件控制，而且它們的工作性質(zhì)也互不相同，它們是按照規(guī)定的動(dòng)作順序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，氣壓系統(tǒng)的油路主要由三條構(gòu)成，包括步移氣壓缸、定位氣壓缸、插銷氣壓缸三條支路，保證每條支路都通暢且三條支路是并聯(lián)的，由一條主道供氣。三條回路中步移氣壓缸這條支路所需的氣量最大，選擇單定量泵供氣，泵的氣量需要按照步移缸所需而定。步移氣壓缸往返速度相等，按理不需要進(jìn)行調(diào)速，但是為了避免沖擊，一般需要采用雙向減速回路，也就是在進(jìn)油路中裝單向行程減速閥，對(duì)于定位氣壓缸的插銷拔銷速度，不需要進(jìn)行調(diào)速，對(duì)于插銷拔銷的時(shí)間可以進(jìn)行調(diào)速，采用調(diào)速回路，實(shí)現(xiàn)調(diào)速并保證兩缸運(yùn)動(dòng)同步。氣壓系統(tǒng)中的回路都是采用電磁換向閥進(jìn)行換位實(shí)現(xiàn)氣路導(dǎo)通，氣壓系統(tǒng)回路中步移氣壓缸和輔助氣壓缸是通過動(dòng)作順序控制進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的。

圖2 氣壓傳動(dòng)原理圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)步移式輸送機(jī)的工藝流程及控制要求，氣壓系統(tǒng)主要是利用PLC的控制系統(tǒng)，并且選用三菱FX2N系列PLC（可編程控制器）。

3.1 工作模式分析

系統(tǒng)工作時(shí)，當(dāng)插銷缸的活塞向上運(yùn)動(dòng)(插銷)，插入車體后，定位缸活塞下降（拔銷），然后步移缸通過插銷插入車體將輸送小車向前移動(dòng)一個(gè)輸送小車的距離，然后定位缸活塞上升（插銷）插入小車的定位孔中對(duì)小車進(jìn)行定位，然后插銷缸活塞下降（拔銷）最后步移缸返回，進(jìn)行下一周期的步移運(yùn)動(dòng)。桑葉收集輸送機(jī)分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，然而自動(dòng)控制方式又分單周期和連續(xù)兩種情況，自動(dòng)與手動(dòng)方式主要靠轉(zhuǎn)換開關(guān)控制，當(dāng)打開手動(dòng)擋時(shí)，選擇按鈕控制運(yùn)行每一個(gè)動(dòng)作，而且手動(dòng)方式主要是用于安裝，調(diào)整維護(hù)這種情況，事實(shí)上就是按鈕對(duì)步移式輸送機(jī)的每一個(gè)氣壓缸進(jìn)行獨(dú)立控制。單周期的運(yùn)行就是當(dāng)調(diào)到單周時(shí)，按下按鈕后各個(gè)氣壓缸按照采摘要求順序進(jìn)行一個(gè)周期動(dòng)作，然后自動(dòng)停止在原始位。單周期運(yùn)行主要是用于檢驗(yàn)系統(tǒng)，就是在系統(tǒng)處于原始位時(shí)，按下運(yùn)行的按鈕，各個(gè)氣壓缸按照工作要求順序進(jìn)行一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)，然后自動(dòng)停在原始位。連續(xù)運(yùn)行就是在正常工作時(shí)系統(tǒng)處于原始按下運(yùn)行按鈕時(shí)，系統(tǒng)連續(xù)不斷地執(zhí)行各步動(dòng)作。

表1 桑葉收集輸送機(jī)的執(zhí)行元件配置方案

表2 電磁鐵動(dòng)作循環(huán)表

3.2 PLC工作示意圖

由設(shè)計(jì)可知本次設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)步移缸前進(jìn)和返回，插銷缸的插銷拔銷，定位缸插銷拔銷這幾個(gè)動(dòng)作，結(jié)合PLC控制來實(shí)現(xiàn)這些動(dòng)作。PLC工作示意圖如圖3所示。

圖3 工作示意圖

表3 I/O分配表

3.3 PLC輸入輸出接線圖

通過常用傳動(dòng)設(shè)備和電器元件所需PLC的I/O點(diǎn)數(shù)選擇用FX2N-32M型號(hào)的PLC，根據(jù)PLC的工作示意圖和實(shí)際工作需要得到I/O分配表，如表3所示。

由I/O分配表和PLC實(shí)際工作需要得到輸入輸出接線圖，如圖4所示。

圖4 輸入輸出接線圖

3.4 主要控制程序

圖5 主要程序

3.5 程序仿真

GX-Developer和GX-Simular軟件是適用于三菱PLC的最新編程和仿真調(diào)試軟件，可對(duì)三菱FX系列PLC的梯形圖、順序功能圖、指令表等進(jìn)行編程和仿真。GXDeveloper軟件可以采用梯形圖編程、指令編程、功能塊編程等多種編程方式，程序中可以加入中英文注釋，使用方便。該軟件具有軟件監(jiān)控和CPU診斷功能，方便用戶查明錯(cuò)誤。即使在無PLC實(shí)物情況下，利用GXDeveloper和GX-simular軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的調(diào)試與仿真。用戶可通過在線調(diào)試功能進(jìn)行軟件測(cè)試，監(jiān)控PLC運(yùn)行時(shí)的動(dòng)作狀態(tài)和數(shù)據(jù)變化等情況。通過觀察觸點(diǎn)顏色的變化，清晰地看到程序仿真運(yùn)行的全過程。

仿真調(diào)試步驟如下：

1）創(chuàng)建新工程，打開GX-Developer軟件，單擊“工程”菜單下“創(chuàng)建新工程”，出現(xiàn)如圖6所示的對(duì)話框。在對(duì)話框中的各個(gè)下拉菜單中選擇相應(yīng)的PLC系列、PLC類型、程序類型等并確定。在所創(chuàng)建的新工程中，運(yùn)用順序功能圖編程的方法編寫運(yùn)輸車控制程序。

圖6 創(chuàng)建新工程

2）參數(shù)檢查，點(diǎn)擊菜單欄中“工具”下的參數(shù)檢查，彈出如圖7所示的參數(shù)檢查對(duì)話框，選擇所需檢查對(duì)象后確定。如果編寫程序沒有出現(xiàn)參數(shù)錯(cuò)誤，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出“未發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤”對(duì)話框。

圖7 參數(shù)檢查

3）單擊工具欄中的按鈕，進(jìn)行梯形圖邏輯測(cè)試啟動(dòng)。彈出如圖8所示的梯形圖邏輯測(cè)試對(duì)話框。當(dāng)對(duì)話框中的RUN顯示燈亮?xí)r，說明梯形圖程序無誤，可進(jìn)行下一步的仿真調(diào)試。

【】【】

圖8 梯形圖邏輯測(cè)試

4）單擊“菜單起動(dòng)”菜單下“繼電器內(nèi)存監(jiān)視”，出現(xiàn)DECIVE MEMORY MONITOR對(duì)話框，單擊“軟元件”下“位軟元件窗口”下的X/Y，將輸入輸出端子顯示出來，雙擊輸入端子X，相應(yīng)的輸出端子Y會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，端子序號(hào)以黃色顯示，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖9所示。

圖9 軟元件調(diào)試

4 結(jié)束語

1）在現(xiàn)有的桑葉收集輸送機(jī)作業(yè)流程的基礎(chǔ)上，分析電氣控制系統(tǒng)，選用PLC控制系統(tǒng)。根據(jù)控制系統(tǒng)要求，依次設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的原理圖、功能流程圖和步進(jìn)梯形圖。

2）通過GX-Developer和GX-Simular軟件對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和仿真，仿真表明PLC程序達(dá)到了所需的控制要求，提高了系統(tǒng)的可靠性與柔性。

3）桑葉收集輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)、容易操作和控制，為輸送機(jī)安全使用和便捷操作提供了基礎(chǔ)，控制系統(tǒng)定位準(zhǔn)確、運(yùn)行可靠、程序設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單易行。

[1]楊貴海.基于PLC的輸送機(jī)氣壓系統(tǒng)控制研究[J].江西化工2013(1):146-150.

[2]苗立新,鄧宏斌,劉兵,楊紹忠.步移式鑄型輸送器綜合技術(shù)改造[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù),2000,(5):43-44.

[3]胡迎春,廖偉,莊錦芳,牟向偉,閆鑫.基于Pro/Engineer的螺旋式桑葉采摘機(jī)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,(12):114-117.

[4]胡迎春,閆鑫,等.往復(fù)式桑葉采摘機(jī)設(shè)計(jì)及采摘效益分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2016(4).

[5]胡迎春,閆鑫,莊錦芳,牟向偉,廖偉.往復(fù)式桑葉采摘機(jī)設(shè)計(jì)及采摘效益分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2016,(04):76-79.

[6]王全為.基于PLC的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械,2006:120-130.

[7]朱凌宏.基于PLC的氣壓驅(qū)動(dòng)式機(jī)械手動(dòng)作設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與氣壓,2011:38-78.

[8]王培良.發(fā)電機(jī)自動(dòng)檢測(cè)的PLC電氣控制系統(tǒng)[J].電氣自動(dòng)化,2004:65-67.

[9]Matsushita Electric Works Ltd, Automation Control Group. FPO programming manual [EB/OL].

[10]He yongyi. A Control System of Material Handling in FMS[J].Journal of shanghai university,1997,1(1).

[11]Ren Sheng-le. Development of PLC-based Tension Control System[J].Chinese Journal of Aeronautics,2007,20:266-271.

[12]胡迎春,華南,牟向偉,胡裔志,廖偉,奚天洋.螺旋式桑葉采摘機(jī)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2016,(03):56-59.