米線自動(dòng)切割一體機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳焱明，武林，楊少鋒，苗凱

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米線自動(dòng)切割一體機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳焱明，武林，楊少鋒，苗凱

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

目前國(guó)內(nèi)米線切割還處在人工操作階段，人工勞動(dòng)強(qiáng)度高，危險(xiǎn)性高，且生產(chǎn)效率低，切割質(zhì)量差。企業(yè)過度的勞動(dòng)力和資本投入在米線生產(chǎn)的切割環(huán)節(jié)中，不僅影響著生產(chǎn)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，而且制約著企業(yè)的發(fā)展。為此，開發(fā)了一臺(tái)米線自動(dòng)切割一體機(jī)，采用自動(dòng)化的下架、壓緊、切割和送料等方式，實(shí)現(xiàn)米線切割的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。通過對(duì)米線質(zhì)地和特征的調(diào)查，并經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，控制系統(tǒng)形成以PLC為主控制器，觸摸屏作為人機(jī)界面，伺服電機(jī)、氣缸作為執(zhí)行元件的控制方案?？刂栖浖捎媚K化的思想實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制功能，分別實(shí)現(xiàn)了米線的單序手動(dòng)切割和連續(xù)自動(dòng)切割，大幅減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了切割的安全性，并保證了切割質(zhì)量。

食品機(jī)械；自動(dòng)切割機(jī)；PLC；控制系統(tǒng)

米線又稱米粉、米粉絲，既可作為小吃，又可作為主食[1]，具有廣泛的消費(fèi)對(duì)象、巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的消費(fèi)市場(chǎng)。然而，國(guó)內(nèi)大多數(shù)米線生產(chǎn)企業(yè)尚處于資本原始積累階段，其生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化程度不夠高[2]，特別是米線切割步驟耗費(fèi)了大量的人力資源，且切割后的米線長(zhǎng)度參差不齊，影響產(chǎn)品的美觀性，制約著米線生產(chǎn)企業(yè)做強(qiáng)做大。為此，受某米線生產(chǎn)企業(yè)的委托，開發(fā)了一臺(tái)米線自動(dòng)切割一體機(jī)，并設(shè)計(jì)了一款基于PLC的控制系統(tǒng)，利用PLC的可調(diào)性與易操作性，使勞動(dòng)利用率與作業(yè)效率大大提高[3]。

圖1 米線自動(dòng)切割機(jī)示意圖

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

米線切割機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)主要由機(jī)架、抓取機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)、鋸移機(jī)構(gòu)、車移機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)和擋板機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。牽引、鋸移、車移機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)均采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力裝置，三者的位移量和位移速度分別由PLC的脈沖數(shù)和脈沖頻率進(jìn)行精確控制。牽引和車移機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)、減速器、同步帶的方式進(jìn)行傳動(dòng)，其中，牽引機(jī)構(gòu)通過牽引手臂完成將米線牽引至目標(biāo)位再空載返回的動(dòng)作。車移機(jī)構(gòu)則是通過小車完成將切割好的米線移動(dòng)到目標(biāo)位再返回至起點(diǎn)的動(dòng)作。鋸移機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)、滾珠絲杠的方式進(jìn)行傳動(dòng)，其則是通過鋸移電機(jī)帶動(dòng)鋸片架完成鋸進(jìn)與退出動(dòng)作。以上三者直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均設(shè)有原點(diǎn)、左極限和右極限三個(gè)接近開關(guān)，分別用于移動(dòng)件的起點(diǎn)引導(dǎo)與判斷和左右極限位置的預(yù)警。抓取、翻轉(zhuǎn)、壓緊和擋板機(jī)構(gòu)則采用氣缸推動(dòng)，其氣動(dòng)原理圖如圖2所示。此外，也可通過排氣節(jié)流閥和減壓閥來控制氣缸的動(dòng)作快慢和壓力大小。抓取機(jī)構(gòu)用于與生產(chǎn)線對(duì)接并通過抓取鉤取出一定量帶有米線的米線桿；翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)則通過翻轉(zhuǎn)板將抓取好的米線翻轉(zhuǎn)至水平，待牽引手臂牽引；壓緊機(jī)構(gòu)主要是通過壓緊板將米線壓緊，便于鋸片完成切割動(dòng)作；擋板機(jī)構(gòu)則通過擋板將切割好的米線兜起，供操作人員取走米線。四個(gè)氣缸均設(shè)有上下兩個(gè)磁性開關(guān)，可以通過其檢測(cè)氣缸動(dòng)作是否到位。另外，鋸片的轉(zhuǎn)動(dòng)采用典型的三相交流異步電機(jī)、皮帶輪的方案來實(shí)現(xiàn)。

圖2米線自動(dòng)切割機(jī)氣動(dòng)原理圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件主要由PLC、伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、觸摸屏、三相交流異步電機(jī)、電磁閥等組成，如圖3所示。PLC的輸入點(diǎn)包括啟動(dòng)、暫停、急停等4個(gè)按鈕，同時(shí)還有原點(diǎn)、左右極限等9個(gè)接近開關(guān)和3個(gè)伺服報(bào)警，此外還包括檢測(cè)氣缸到位的8個(gè)磁性開關(guān)，共計(jì)24個(gè)輸入信號(hào)；輸出點(diǎn)包括3臺(tái)伺服電機(jī)的脈沖和方向信號(hào)、4個(gè)氣缸的電磁閥信號(hào)、三相電機(jī)和報(bào)警指示燈等共14個(gè)輸出信號(hào)。從I/O點(diǎn)數(shù)、性能要求、可靠性和成本等角度綜合考慮[4]，選擇臺(tái)達(dá)EH3系列的PLC，控制系統(tǒng)原理圖，如圖3所示。

為了便于操作與監(jiān)控，采用了觸摸屏與PLC的雙向通訊[5]，通過觸摸屏設(shè)置牽引、車移、鋸移伺服電機(jī)的移動(dòng)速度和位移量，并可將三者的位置實(shí)時(shí)顯示出來。傳感器包括接近開關(guān)和磁性開關(guān)，接近開關(guān)可以引導(dǎo)和檢測(cè)伺服電機(jī)位置，磁性開關(guān)則用來判斷氣缸的位置。指示燈有紅、黃、綠三種顏色，可以顯示系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括觸摸屏設(shè)計(jì)和PLC程序設(shè)計(jì)。首先對(duì)觸摸屏進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，由于觸摸屏與PLC進(jìn)行雙向的信息交換，所以觸摸屏上設(shè)有按鈕、數(shù)值輸入、狀態(tài)顯示等元件。按鈕是通過向PLC傳遞開關(guān)信息進(jìn)而控制伺服電機(jī)和氣缸動(dòng)作；數(shù)值輸入則是用來輸入伺服電機(jī)位移的位移量和速度；狀態(tài)顯示實(shí)時(shí)反饋電機(jī)的運(yùn)動(dòng)信息；各界面的切換也可通過按鈕實(shí)現(xiàn)。其次，對(duì)PLC程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對(duì)米線加工過程的動(dòng)作和時(shí)序分析可知，PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該有手動(dòng)調(diào)整、自動(dòng)加工、手動(dòng)加工、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警查詢5個(gè)功能模塊，如圖4所示。

（1）手動(dòng)調(diào)整模塊：手動(dòng)調(diào)整供維修調(diào)試時(shí)使用，界面設(shè)置“快進(jìn)”、“快退”、“點(diǎn)進(jìn)”、“點(diǎn)退”等按鈕供操作人員對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行位置調(diào)整，并能通過數(shù)值輸入調(diào)節(jié)電機(jī)的移動(dòng)速度。

圖4 米線切割機(jī)功能模塊圖

（2）自動(dòng)加工模塊：自動(dòng)加工供正常工作時(shí)使用，該界面設(shè)有“回起點(diǎn)”、“自動(dòng)加工”、“暫?！?、“停止”按鈕。開始加工之前，可以通過觸摸屏上的狀態(tài)顯示確定氣缸和電機(jī)是否在起點(diǎn)，待回起點(diǎn)后，按下“自動(dòng)加工”按鈕，系統(tǒng)便進(jìn)入循環(huán)的自動(dòng)工作狀態(tài)，直到按下“停止”按鈕時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)退出循環(huán)狀態(tài)?！皶和！卑粹o可供操作人員對(duì)設(shè)備和米線進(jìn)行調(diào)整后，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的自動(dòng)加工。自動(dòng)加工模式下的各個(gè)執(zhí)行元件的動(dòng)作如圖5所示。

由于加工過程中運(yùn)動(dòng)動(dòng)作復(fù)雜，機(jī)構(gòu)間的動(dòng)作交叉眾多，為避免彼此之間運(yùn)動(dòng)干涉，自動(dòng)加工模式下各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作采用時(shí)序與條件判斷相結(jié)合的原則，即當(dāng)前執(zhí)行元件的動(dòng)作是由其他相關(guān)元件目前的位置決定的。進(jìn)入自動(dòng)加工模式后，抓取鉤先取出適量的米線桿，等待翻轉(zhuǎn)板動(dòng)作。當(dāng)牽引手臂位于起點(diǎn)后，翻轉(zhuǎn)板通過翻轉(zhuǎn)氣缸將米線置于平位，然后抓取氣缸松，將米線釋放給牽引手臂。這時(shí)，牽引手臂獲取米線桿后，判斷壓緊板、小車、鋸片架是否在起點(diǎn)，若不在則繼續(xù)等待，若在則將米線桿牽引至目標(biāo)位。緊接著，翻轉(zhuǎn)板翻轉(zhuǎn)至立位，等待抓取鉤重新抓取米線桿，至此完成抓取和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的一輪動(dòng)作。同時(shí)，壓緊板下降至壓位將米線壓緊，鋸片則判斷牽引手臂位于目標(biāo)位、小車位于起點(diǎn)、壓緊板位于壓位后，轉(zhuǎn)動(dòng)鋸片并通過鋸移電機(jī)完成鋸進(jìn)和返回的動(dòng)作。切割完成之后，壓緊板抬起至松位來松開米線，此后，牽引手臂伺機(jī)返回至起點(diǎn)即完成牽引、壓緊和鋸移機(jī)構(gòu)的一輪動(dòng)作。隨后，小車載著切割好的米線通過車移電機(jī)將米線送至擋板處，擋板升起并兜住米線，小車等待牽引手臂回至起點(diǎn)后返回。當(dāng)下一輪米線切割好之后，擋板即可松開，完成車移和擋板的一輪動(dòng)作。

（3）手動(dòng)加工模塊：手動(dòng)加工模塊包含自動(dòng)加工中每一個(gè)動(dòng)作，可以通過手動(dòng)加工完成米線加工的整個(gè)過程，也可以通過狀態(tài)顯示觀察每一個(gè)動(dòng)作是否到位。

（4）參數(shù)設(shè)置模塊：參數(shù)設(shè)置可以對(duì)牽引電機(jī)、鋸移電機(jī)和車移電機(jī)的移動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)整，也可以通過置數(shù)值改變?nèi)_(tái)電機(jī)的位移量來適應(yīng)不同尺寸米線的加工要求。

圖5 自動(dòng)加工動(dòng)作時(shí)序圖

（4）報(bào)警查詢模塊：當(dāng)牽引電機(jī)、鋸移電機(jī)、車移電機(jī)在移動(dòng)過程中超出左右極限，或電機(jī)過載、異常時(shí)，指示燈的紅色燈將閃爍并觸摸屏上會(huì)自動(dòng)彈出報(bào)警窗口顯示當(dāng)前故障。另外，當(dāng)抓取氣缸、翻轉(zhuǎn)氣缸、壓緊氣缸、擋板氣缸在命令指令后未到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，也會(huì)彈出報(bào)警窗口進(jìn)行提示。

4 小結(jié)

該系統(tǒng)的PLC采用模塊化的思想設(shè)計(jì)了手動(dòng)調(diào)整、手動(dòng)加工和自動(dòng)加工，對(duì)各執(zhí)行元件的動(dòng)作進(jìn)行條件判斷，杜絕了機(jī)構(gòu)間運(yùn)動(dòng)干涉的可能，并采用觸摸屏作為人機(jī)信息交換平臺(tái)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和可操作性；使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，可精確的調(diào)節(jié)速度與位移量，提高了機(jī)構(gòu)整體的精度；系統(tǒng)中使用的接近開關(guān)和磁性開關(guān)，則可靠的判定運(yùn)動(dòng)件的位置，保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性。目前，該設(shè)備已在合作企業(yè)的生產(chǎn)線中投入使用，切割速度與生產(chǎn)速度相當(dāng)，并留有調(diào)節(jié)的空間。同時(shí)，操作人員由原來的抓取2人、切割1人、遞料1人、捆扎3人和裝包3人的共10人組降為現(xiàn)在的捆扎和裝包5人，不僅節(jié)省了勞動(dòng)力，而且降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和危險(xiǎn)性。切割出的米線整齊干凈，受到合作企業(yè)的一致好評(píng)，其實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 米線自動(dòng)切割機(jī)實(shí)物圖

[1]尹陽，孟慶虹，張守文. 米線加工研究現(xiàn)狀及相關(guān)問題探究[J]. 中國(guó)食品添加劑，2015（1）：154-158.

[2]關(guān)穎. 米線定量切割技術(shù)的研發(fā)[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工，2011（7）：27-27.

[3]王開元，吳焱明，蘭毅，等. 新型鐵路接觸網(wǎng)檢修車梯的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016（2）：150-152.

[4]吳焱明，孫云云，路程，等. 鎧裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 裝備制造技術(shù)，2014（9）：60-61.

[5]魏樹實(shí). PLC的數(shù)據(jù)通訊技術(shù)在兩臺(tái)橋式起重機(jī)同步并車監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化信息，2005（11）：52-53.

Design of Control System for Automatic Cutting Machine for Rice Noodles

WU Yanming，WU Lin，YANG Shaofeng，MIAO Kai

(College of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei230009, China )

At present, rice noodle cutting is still manual work in China, with high labor intensity, high danger, low production efficiency and poor cutting quality. The burden of excessive workforce and capital investment in rice noodle cutting process not only affects the realization of automation in production, but also restricts the development of enterprises. To solve this problem, the authors developed an automatic cutting machine for rice noodles. Automated shelves, compression, cutting and feeding and other ways are used to achieve the standardization and normalization of noodle cutting. Based on the investigation of the texture and characteristics of the noodles, a control system is finally developed over repeated trials. The control scheme includes a PLC-based controller, a touch screen as a man-machine interface, and servo motor and cylinder as the implementation of the control program components. The control software realizes each control function based on the modular programming, and achieves the functions of single-sequence manual cutting and continuous automatic cutting of rice noodles, which greatly reduces the labor intensity improves the cutting safety, and ensures the cutting quality.

food machinery；automatic cutting machine；PLC；control system

TU649

A

1006－0316 (2018) 04－0073－04

2017－11－01

吳焱明（1968－），男，安徽太湖人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂?、?shù)字化設(shè)計(jì)與制造等；武林（1991－），男，安徽六安人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造計(jì)算機(jī)綜合自動(dòng)化。

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.017