新型苧麻剝麻機反拉脫骨裝置設計與試驗
——基于PLC

朱炯光,郭克君,滿大為,蘇 寧

(1.國家林業和草原局哈爾濱林業機械研究所,哈爾濱 150086;2.南京林業大學,南京 210037;3. 中國林業科學研究院,北京 100091;4.國家林業和草原局林業裝備工程技術研究中心,哈爾濱 150086)

0 引言

苧麻(Boehmeria Nivea (L.) Gaudich.)為蕁麻科植物,屬多年生宿根性草本作物,在國際上被稱為“中國草”,是一種重要的韌皮纖維作物,可用于服裝、裝飾用品、工業用線、降落傘繩及農作物覆蓋等[1-2]。栽麻1次,可收獲多年,一般年收3次,且必須經過剝制才能獲得粗制的纖維。目前,苧麻的剝制基本是手工刮麻,作業成本高(原麻4～5元/kg),用工占整個苧麻生產過程的60%以上[3]。因此,發展苧麻剝制加工機械化是提高苧麻收剝效率、降低人工勞動程度及生產成本的重要措施。

新型苧麻剝麻機可以實現對苧麻桿條的自動去骨和剝皮,且其反拉脫骨裝置不粉碎麻骨,不僅減少人工作業量,高效利用資源,而且麻骨還可以被用于抗菌培養基[4]。為此,進行了新型苧麻剝麻機反拉脫骨裝置的設計和試驗。

1 苧麻剝麻機結構和原理

1.1 結構

反拉式新型苧麻剝麻機主要由劈麻部分和反拉部分組成。其中,劈麻部分由輸送機構、導向機構、喂入機構、壓緊機構及劈麻機構組成[5];反拉部分由夾麻裝置、伺服電機、滾珠絲杠、齒條滑塊導軌、Z軸組件及PLC控制系統組成,如圖1所示。

1.劈麻部分 2.反拉部分 3.導軌 4.400w伺服電機 5.200w伺服電機 6.400W伺服電機 7.反拉機架 8.Z軸組件 9.滾珠絲杠 10.夾麻裝置圖1 反拉脫骨裝置的結構原理圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the anti-bone bone device。

1.2 工作原理

苧麻稈條喂入劈麻部分后,沿軸線被單側劈開,并被轉動膠輥壓平,其上方是麻骨,下方是麻皮。待苧麻稈條傳送到夾麻裝置處,通過夾麻口觸碰到行程開關,行程開關是常開的,碰后閉合,傳出信號給PLC;PLC開始運行,先夾麻,再垂直下拉將麻骨折斷,與麻條分離,到垂直下限位后開始反拉;反拉到給定限位距離后,松開麻條,麻條掉落,夾麻裝置返回原點,進行下一輪反拉。

2 控制系統的設計

反拉式新型苧麻剝麻機采用了PLC伺服控制,通過夾麻裝置處的行程開關傳遞啟動信號,接近開關傳遞限位信號;經PLC控制系統進行運行速度及距離的計算控制后發出高頻脈沖,由伺服電機驅動器接收高頻脈沖控制伺服電機轉動,采用觸控屏對夾麻和反拉的速度和距離等參數進行設定,從而實現對反拉速度和距離的精確調控。

2.1 控制系統硬件組成

剝麻機控制系統主要由 PLC 主控制器、觸控顯示屏、夾麻信號傳感器、反拉限位檢測傳感器、夾麻、下拉及反拉伺服電機等組成。

2.1.1 主控制器

反拉式新型苧麻剝麻機控制系統采用了三菱FX2n-24MT型PLC作為控制核心。FX2n系列是小型PLC系列,為一體式結構。

FX2n-24MT型PLC具有8k的程序儲存空間,有12個輸入點與12個輸出點,可輸出4路100kHZ高速脈沖信號,同時對多個伺服電機進行控制,能夠達到控制的速度要求;采用DC24V供電,晶體管輸出(適應于高頻動作,響應時間短)。DVP-RS232型通訊模塊是 PLC 控制器與觸控屏的連接紐帶,提供 RS-232通訊方式,最高支持 38 400bps 傳輸速率,且各通訊口均采用光耦隔離,具有較強的抗干擾能力。A / D 轉換模塊、D / A 轉換模塊是 PLC 控制器常用的輸入輸出模塊,能夠解決對不同傳感器等元件數字模擬信號的輸入輸出要求。

2.1.2 觸控屏與交互界面

反拉式新型苧麻剝麻機控制系統采用 8寸的英威騰觸控屏作為顯示操作屏幕,型號為invt GD20-2R2G-4,通過 RS232 通訊方式與 PLC 主控制器進行通訊。針對苧麻剝麻機設計了剝麻操控交互系統,包含操作畫面、狀態顯示及參數設置等交互界面,如圖2 所示。

圖2 觸控屏操控界面Fig.2 Touch screen control interface。

通過觸控屏,可以對反拉的距離和速度、響應脈沖頻率、夾持時間等關鍵參數進行設置。另外,該系統配置有數據存儲功能,可將實驗數據實時存儲在 USB 存儲介質中。

2.1.3 傳感器

采用限位開關傳感器對夾麻位置進行檢測。傳感器在夾具的后面,安裝位置如圖3所示。

圖3 限位開關傳感器Fig.3 limit switch sensor。

具體參數如下:操動形式為鉸鏈滾輪長杠桿型,操作速度為0.01～1mm/s;動作頻率為240次/min;接點電阻1MΩ,絕緣電阻大于等于100MΩ;耐電壓,非連續端子間1000VAC、50/60Hz持續1min,載電流與地間2000VAC、50/60Hz持續1min;周圍溫度-25～80℃;濕度85%RH以上;使用壽命20 000 000次以上。

2.1.4 伺服電機系統

共有3臺伺服電機,其中2臺是60st-M01330 400W B系列伺服電機,用來控制夾麻裝置垂直升降和水平左右運動。垂直升降的伺服電機有抱閘裝置,其他參數相同。具體參數:電壓規格AC220V,額定輸出為400W,額定轉矩為1.274N·m,額定轉速為3000 r/min,編碼器為2500線增量式編碼器。另1臺是MHMF022L1U2M松下伺服電機,用來控制夾麻裝置夾麻。具體參數:電壓規格200V,額定輸出200W,額定電流1.4A,無保持制動器,額定轉矩0.64N·m,額定轉速為3 000r/min,編碼器規格為23 bit絕對式/增量式系統。

2.2 控制軟件設計

控制軟件使用GX work2軟件編程,采用梯形圖指令來完成。

2.2.1 控制流程

控制系統分為自動模式與手動調整模式兩大部分:自動模式下,喂入苧麻條后,經過劈麻麻條呈扁平狀,由滾錕壓著苧麻條繼續向前送,穿過夾具后觸碰到限位開關,開始夾麻進行反拉動作,動作完成后夾麻裝置返回原點,等待下次反拉;手動調整模式是對自動模式的優化,由于苧麻條的徑向直徑在10～20mm之間,長度也不統一,因此需要手動對夾具的速度和反拉的距離和速度進行調控。其控制流程如圖4 所示。

圖4 控制流程圖Fig.4 Control flow chart。

2.2.2 關鍵參數

1)升降動作伺服電機的脈沖數和轉速計算。根據60st-M01330 400w B系列伺服電機的參數,可知

(1)

(2)

P總=Pc×c

(3)

式中Pc—負載軸轉1圈的指令脈沖數(p);

L—負載軸1轉的移動量(mm),由于是伺服電機直連滾珠絲杠結構,1次移動量即為滾珠絲杠的節距8mm;

ΔL—1個指令脈沖移動量,0.001mm;

c— 移動節距數(個)。

預計最大移動總距離200mm,可得Pc=8000p,c=25,P總=200000p。

(4)

(5)

式中i—電子齒輪比,作用是調節電機轉速,直連時i減=1;

Pt—編碼器分辨率,Pt=10 000p/r;

f—輸入脈沖頻率100kHz;

n—預計最大轉速(r/min)。

3 試驗

2018年 10 月,在山東臨沂東方五金廠制作了反拉式新型苧麻剝麻機的樣機,并從江西汾宜運來苧麻稈條進行試驗。試驗現場圖如圖5所示。

圖5 反拉式新型苧麻剝麻機的試驗Fig.5 Test of a new type of pull-back ramie stripping machine。

為檢測不同的距離和速度對夾麻反拉效果的影響,采用 5種不同速度進行了試驗。檢測剝麻成功率時,以苧麻皮脫離麻骨的程度來算,試驗統計結果如表1、表2所示。

表1 反拉式苧麻剝麻機作業試驗參數Table 1 Test parameters of the pull-back type ramie stripping machine。

表2 不同長度麻條在不同參數下的剝麻成功率Table 2 The success rate of stripping of different lengths of hemp under different parameters。

由表2可知:總體成功率均在80%以上,基本能實現剝麻需求。剝麻成功率受麻條長度、升降距離、水平往復速度影響較大,呈正相關性。麻條長度為1 000～1 100mm時,在第1類試驗參數下,達到最大成功率95%。麻條長度為1 100～1 200mm時,在第2類試驗參數下,達到最大成功率95%。同類別參數中選最大參數,則成功率較高。

水平往復距離遠大于麻條長度,對剝麻成功率影響較小,固定設定為1 800mm。為保證響應速度,夾麻速度固定設為最大值160r/min。

4 結論

1)設計了新型苧麻剝麻機反拉脫骨裝置,建立了基于 PLC 的伺服控制系統。該控制系統采用傳感器對喂入麻條頭部進行檢測,配置可調整速度、高度及升降控制頻率等參數的觸控顯示屏,以PLC 為主控制器,通過脈沖控制升降與旋切伺服電機,實現自動反拉,同時可實現對反拉剝麻運行參數的監控及數據存儲。

2)剝麻試驗表明:采用反拉式剝麻更為可靠穩定,驗證了剝麻成功率與麻條長度、升降距離、水平往復速度呈正相關性。在相關性高的試驗參數下,剝麻成功率可達到95%,滿足剝麻作業要求。