椰青開孔機(jī)耐久性能測(cè)試裝置的研制

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(yíng)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(chǎng)份額，并且仍然保持著持續(xù)上升的趨勢(shì)[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(shì)下，自動(dòng)化的椰青開孔機(jī)應(yīng)運(yùn)而生[2]。目前，國(guó)內(nèi)外產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)對(duì)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(cè)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(cè)試裝置替代椰青。測(cè)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(guò)程中負(fù)載的變化情況，以達(dá)到有效測(cè)試目的。

1 測(cè)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(jiǎn)單、使用簡(jiǎn)便、無(wú)沖擊、無(wú)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(cè)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(guò)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(cè)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(cè)試裝置模擬負(fù)載系統(tǒng)傳遞函數(shù)

2 測(cè)試裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)

耐久性能測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)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(cè)試裝置的椰青開孔機(jī)

測(cè)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(guò)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(guò)螺栓與椰青開孔機(jī)的刀座連接，刀座是通過(guò)平鍵連接在切刀電機(jī)輸出軸上的。

3 測(cè)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(cè)試裝置控制系統(tǒng)要求能夠?qū)y(cè)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(cè)試工作流程進(jìn)行控制。測(cè)試裝置控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。測(cè)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(cè)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(guò)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(duì)耐久性能測(cè)試裝置控制系統(tǒng)而言，磁粉制動(dòng)器主要用來(lái)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(cè)試裝置工作過(guò)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(duì)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(cè)試裝置控制系統(tǒng)數(shù)字量信號(hào)的電壓標(biāo)準(zhǔn)可知，除升降電機(jī)信號(hào)外的其余數(shù)字量信號(hào)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(hào)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(hào)為HH52P。

表1 測(cè)試裝置控制系統(tǒng)數(shù)字量信號(hào)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(duì)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(cè)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(hào)后被清零。

（2）5 000 ms 定時(shí)器時(shí)間到達(dá)后，如果測(cè)試裝置仍然能夠檢測(cè)到椰青開孔機(jī)升降電機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)，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(cè)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(hào)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(cè)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(hào)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(cè)試。

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

清空?qǐng)?bào)警：當(dāng)耐久性能測(cè)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(cè)試，在排查完故障原因并解決故障后，必須手動(dòng)按下清空?qǐng)?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(cè)試工作。

（2）設(shè)置變量

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

硬度設(shè)置：在開始耐久性能測(cè)試之前，需要通過(guò)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(cè)次數(shù)：在每次椰青開孔機(jī)的耐久性能測(cè)試工作正常完成之后，都會(huì)將已測(cè)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(guò)觸摸屏向椰青開孔機(jī)發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)后，若2 000 ms 內(nèi)，耐久性能測(cè)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(hào)，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(shí)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(cè)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(cè)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(hào)，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(cè)試試驗(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)

耐久性能測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)主要包括4 個(gè)部分：耐久性能測(cè)試裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)、耐久性能測(cè)試裝置控制柜、耐久性能測(cè)試裝置人機(jī)界面和椰青開孔機(jī)。耐久性能測(cè)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(lái)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(cè)試裝置控制柜實(shí)現(xiàn)對(duì)磁粉制動(dòng)器輸出負(fù)載轉(zhuǎn)矩的控制、對(duì)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(cè)試裝置觸摸屏人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的可視化操作[11-12]；椰青開孔機(jī)為被測(cè)試對(duì)象，按照原有工作方式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。耐久性能測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖如圖7所示，耐久性能測(cè)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(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物

圖8 耐久性能測(cè)試裝置控制柜內(nèi)部實(shí)物

4.2 耐久性試驗(yàn)

由于測(cè)試裝置需要完成對(duì)椰青開孔機(jī)的耐久性能測(cè)試，因此測(cè)試裝置首先需要滿足自身的耐久性需求。產(chǎn)業(yè)公司對(duì)測(cè)試裝置耐久性方面的需求是，以機(jī)器無(wú)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(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，即測(cè)試裝置能夠連續(xù)無(wú)損地對(duì)椰青開孔機(jī)進(jìn)行73 000次耐久性能測(cè)試。

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

表2 測(cè)試裝置耐久性能測(cè)試的測(cè)試次數(shù)

經(jīng)過(guò)上述試驗(yàn)可知，測(cè)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(cè)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(cè)試裝置需能夠模擬切刀切削不同硬度椰青各生物層過(guò)程中切刀電機(jī)的負(fù)載變化過(guò)程，由于本試驗(yàn)的試驗(yàn)環(huán)境無(wú)法使用轉(zhuǎn)矩傳感器，因此通過(guò)對(duì)切刀電機(jī)電流的采集間接反映測(cè)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(guò)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(cè)試過(guò)程中將椰青硬度分為較軟、適中、較硬3種，3種硬度對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)數(shù)字量

耐久性能測(cè)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(guò)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(guò)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(yǔ)

在椰青開孔機(jī)耐久性能測(cè)試過(guò)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(cè)試裝置，使用耐久性能測(cè)試裝置在椰青開孔機(jī)耐久性能測(cè)試過(guò)程中替代椰青，該耐久性能測(cè)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(guò)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(cè)試工作流程。試驗(yàn)結(jié)果表明，該耐久性能測(cè)試裝置耐久性能好、功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定可靠。