椰青開孔機耐久性能測試裝置的研制

趙曉彪，韓 松

（1.上海果氪信息科技有限公司，上海 201108；2.東華大學機械工程學院，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養價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份額，并且仍然保持著持續上升的趨勢[1]。隨著經濟的發展及自動化水平的不斷提高，人們不再滿足于傳統的人工開口方式，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，在這種形勢下，自動化的椰青開孔機應運而生[2]。目前，國內外產學研機構對于全自動化的椰青開孔機器的研究大多數停留在試驗階段，開孔效率不穩定，開孔效果不理想，穩定高效并且具有安全保障的自動化椰青開孔機器被迫切需要，以便使得大眾能夠更好地享受椰汁和椰肉的美味。本文設計研制了一款全自動化的椰青開孔機[3]，該椰青開孔機能夠在25 s 內在椰青頂部開一個直徑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。該椰青開孔機已經在部分商超便利店應用，證明了其出色的開孔效率以及安全保障。椰青開孔機出廠前需進行耐久性能測試，這要耗費大量的椰青，為節省資源，考慮設計耐久性能測試裝置替代椰青。測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程中負載的變化情況，以達到有效測試目的。

1 測試裝置模擬負載的數學模型

磁粉制動器被廣泛應用于自動控制系統中，能夠保證輸出轉矩與勵磁電流在線性區間內具有近似的線性關系，具有結構簡單、使用簡便、無沖擊、無噪聲等優點，可以作為電機模擬負載使用[4-6]。

根據文獻[7]可知，磁粉制動器的傳遞函數表示為：

測試裝置中使用的磁粉制動器性能參數如下：磁粉制動器慣性時間常數T=0.16 s，線性區間內的比例系數K=11.4，滯后時間常數τ=0.4 s，故磁粉制動器的傳遞函數為：

在模擬負載過程中，還需要為磁粉制動器輸入可控的勵磁電流，選擇使用具有電流輸出能力的張力控制器作為磁粉制動器的電流源，其輸出電流與輸入電壓成線性關系，已知張力控制器輸出勵磁電流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的比例系數為0.2，則測試裝置模擬負載系統的傳遞函數圖如圖1所示。

圖1 測試裝置模擬負載系統傳遞函數

2 測試裝置的機械結構

耐久性能測試裝置需要在滿足升降機構運動軌跡的前提下，模擬切刀切削不同硬度椰青各生物層過程中負載的變化情況。花鍵副能夠實現在傳遞轉矩的同時沿軸向進行伸縮，將耐久性能測試裝置安裝于椰青開孔機中并完成相應的機械配合，如圖2 所示，為確保能夠看到椰青開孔機及測試裝置的機械結構，將椰青開孔機的外殼、固定機構等部件隱藏。

圖2 安裝有測試裝置的椰青開孔機

測試裝置機械結構從下到上依次是帶鍵槽軸、外花鍵軸、內花鍵軸套、空心套筒。帶鍵槽軸裝入磁粉制動器內部，通過平鍵與磁粉制動器空心軸相連，傳遞磁粉制動器輸出的負載轉矩；外花鍵軸與內花鍵軸套相配合在傳遞轉矩的同時隨升降機構上下伸縮[8]；空心套筒通過螺栓與椰青開孔機的刀座連接，刀座是通過平鍵連接在切刀電機輸出軸上的。

3 測試裝置控制系統

3.1 硬件選型

椰青開孔機耐久性能測試裝置控制系統要求能夠對測試裝置輸出的負載轉矩進行控制、能夠對耐久性能測試工作流程進行控制。測試裝置控制系統硬件結構如圖3 所示。測試裝置控制系統由本機集成有模擬量模塊的PLC、張力控制器、磁粉制動器、數字量輸入輸出器件、觸摸屏構成。

圖3 測試裝置控制系統硬件結構

可編程邏輯控制器的選型主要考慮輸入輸出點數、輸入輸出類型和存儲器容量3個方面，綜合考慮以上3個方面以及經濟性方面因素，最終選擇西門子S7-200 CPU224XP作為控制系統主控制器[9-10]。

磁粉制動器的選型通常需要考慮的是最大輸出轉矩以及最大滑差功率，必須保證使用過程中的輸出轉矩小于最大輸出轉矩，滑差功率小于最大滑差功率。針對耐久性能測試裝置控制系統而言，磁粉制動器主要用來模擬椰青開孔機切刀電機的負載。磁粉制動器的實際滑差功率P為：

將Mmax=1.8 N·m 和nmax=1 400 r/min 代入式（3）近似求得磁粉制動器的最大實際滑差功率Pmax≈340 W。根據耐久性能測試裝置工作過程中的最大輸出轉矩和最大實際滑差功率最終選定的磁粉制動器為SKISIA 公司的PB-6B2，其最大輸出轉矩為6 N·m，允許滑差功率為880 W，滿足使用要求。

對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、輸出端為磁粉制動器的勵磁電流輸入端口，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 以及磁粉制動器的輸入端勵磁電流范圍0～0.8 A的基礎上，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技術參數，也是電磁式繼電器選型的決定性參數。結合表1 所示的耐久性能測試裝置控制系統數字量信號的電壓標準可知，除升降電機信號外的其余數字量信號所在支路均采用24 V 繼電器，24 V 繼電器采用宏發公司研制的薄型繼電器，具體型號為HF41F。升降電機的標準電壓為12 V，選擇富繼生產的12 V繼電器，具體型號為HH52P。

表1 測試裝置控制系統數字量信號的電壓標準

3.2 下位機主程序設計

模擬負載轉矩輸出系統是一階慣性滯后系統，系統的輸出不會隨輸入量的突變而瞬間變化，對磁粉制動器輸入階躍型勵磁電流的大小和時間進行控制，就可以在磁粉制動器響應速度允許的范圍內模擬負載轉矩的變化情況。控制系統主程序工作流程如圖4所示。

圖4 主程序工作流程

3.3 下位機子程序設計

子程序中進行如下3個定時器判定。

（1）2 000 ms 定時器時間到達后，會置位Z軸進給機構未動作標志位，停止椰青開孔機的耐久性能測試工作，并在觸摸屏上顯示該報警信息。該2 000 ms 定時器會在PLC接收到升降電機啟動信號后被清零。

（2）5 000 ms 定時器時間到達后，如果測試裝置仍然能夠檢測到椰青開孔機升降電機的啟動信號，會置位負載轉矩模擬失敗標志位，停止椰青開孔機的耐久性能測試工作，并在觸摸屏上顯示該報警信息。該5 000 ms定時器會在PLC 接收到椰青開孔機控制單元發送的開門信號后被清零。

（3）6 000 ms 定時器時間到達后，會置位椰青開孔機未復位標志位，停止椰青開孔機的耐久性能測試工作，并在觸摸屏上顯示該報警信息。該6 000 ms 定時器會在PLC 接收到椰青開孔機控制單元發送的開門信號后被清零。

子程序的工作流程如圖5所示。

圖5 子程序工作流程

3.4 上位機界面設計

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）開關變量

啟動：按下啟動按鈕后，開始耐久性能測試。

停止：按下停止按鈕后，停止耐久性能測試，并將測試裝置和椰青開孔機恢復到初始狀態。

清空報警：當耐久性能測試系統出現Z軸進給機構未動作報警、負載轉矩模擬失敗報警或椰青開孔機未復位報警三者其中任何一個時，都會停止進行耐久性能測試，在排查完故障原因并解決故障后，必須手動按下清空報警按鈕清空系統報警信息才能夠繼續進行耐久性能測試工作。

（2）設置變量

待測次數：在開始耐久性能測試之前，需要通過觸摸屏設置待測試的次數，只有在待測次數大于已測次數的情況下，才能通過按下啟動按鈕開始耐久性能測試工作。

硬度設置：在開始耐久性能測試之前，需要通過觸摸屏設置待模擬的椰青的硬度，電機較軟、適中、較硬三者中的任何一個按鈕，則置位椰青硬度標志位，同時復位其余兩個與椰青硬度相關的標志位。

（3）顯示變量

已測次數：在每次椰青開孔機的耐久性能測試工作正常完成之后，都會將已測次數加一，并實時顯示在觸摸屏上。

Z軸進給機構未動作報警：當通過觸摸屏向椰青開孔機發送啟動信號后，若2 000 ms 內，耐久性能測試裝置未收到椰青開孔機控制單元發送的升降電機啟動信號，則會觸發Z軸機構未進給報警，Z軸機構未進給報警指示燈由藍色變成紅色，并以500 ms的頻率進行閃爍。

負載轉矩模擬失敗報警：如果在升降電機啟動后的5 000 ms 內，負載轉矩的模擬未滿足椰青開孔機切削開孔辨識算法，則會觸發負載轉矩模擬失敗報警，負載轉矩模擬失敗報警指示燈由藍色變成紅色，并以500 ms 的頻率進行閃爍。

椰青開孔機未復位報警：當測試裝置模擬椰肉層標志位復位后的6 000 ms 內，耐久性能測試裝置未接收到椰青開孔機控制單元發送的開門信號，則會觸發椰青開孔機未復位報警，椰青開孔機未復位報警指示燈由藍色變成紅色，并以500 ms的頻率進行閃爍。

時間：觸摸屏界面正下方顯示當前系統時間。

4 耐久性能測試試驗與分析

4.1 試驗平臺

耐久性能測試試驗平臺主要包括4 個部分：耐久性能測試裝置機械結構、耐久性能測試裝置控制柜、耐久性能測試裝置人機界面和椰青開孔機。耐久性能測試裝置機械結構連接磁粉制動器和椰青開孔機切削機構的刀座，用來向切刀電機傳遞磁粉制動器輸出的負載轉矩；耐久性能測試裝置控制柜實現對磁粉制動器輸出負載轉矩的控制、對繼電器組的控制以及和上位機觸摸屏進行雙向通信；耐久性能測試裝置觸摸屏人機界面實現測試過程的可視化操作[11-12]；椰青開孔機為被測試對象，按照原有工作方式進行運轉。耐久性能測試試驗平臺實物圖如圖7所示，耐久性能測試裝置控制柜內部實物圖如圖8所示。

圖7 耐久性能測試試驗平臺實物

圖8 耐久性能測試裝置控制柜內部實物

4.2 耐久性試驗

由于測試裝置需要完成對椰青開孔機的耐久性能測試，因此測試裝置首先需要滿足自身的耐久性需求。產業公司對測試裝置耐久性方面的需求是，以機器無故障使用一年以及機器每天切削200 個椰青作為椰青開孔機循環耐久性能測試的標準，即測試裝置能夠連續無損地對椰青開孔機進行73 000次耐久性能測試。

對3 臺椰青開孔機進行耐久性能測試，測試裝置進行耐久性能測試的次數如表2所示。

表2 測試裝置耐久性能測試的測試次數

經過上述試驗可知，測試裝置的耐久性能能夠滿足產業公司提出的73 000次測試次數的性能要求。

4.3 試驗數據及分析

耐久性能測試裝置需能夠模擬切刀切削不同硬度椰青各生物層過程中切刀電機的負載變化過程，由于本試驗的試驗環境無法使用轉矩傳感器，因此通過對切刀電機電流的采集間接反映測試裝置模擬負載的變化情況。切刀電機電流變化情況通過使用HanTek CC-65 電流鉗和Tektronix DPO2024B 示波器的組合方式進行數據采集，電流鉗選擇1 mV/100 mA 擋位進行采集，示波器選擇50 mV標度進行顯示。

耐久性能測試過程中將椰青硬度分為較軟、適中、較硬3種，3種硬度對應不同的模擬椰衣層負載、模擬椰殼層負載、模擬椰肉層負載，模擬椰青硬度及模擬各生物層負載對應數字量如表3所示。

表3 模擬椰青硬度與模擬椰青各生物層對應數字量

耐久性能測試試驗中采集到的切刀電機電流的變化情況和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程中切刀電機電流與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中切刀電流及模擬量電壓

根據上述曲線分析可知，模擬硬度較軟椰青負載作用條件下，模擬椰殼層階段切刀電機電流維持在8～9 A，模擬硬度適中椰青負載作用條件下，模擬椰殼層階段切刀電機電流維持在9～10 A，模擬硬度較硬椰青負載作用條件下，模擬椰殼層階段切刀電機電流維持在10～11 A。切刀電機電流在空載運行階段后，先增大后減小，符合實際切削椰青過程中切刀電機電流的變化情況。

圖10 模擬硬度適中椰青試驗中切刀電流及模擬量電壓

圖11 模擬硬度較硬椰青試驗中切刀電流及模擬量電壓

5 結束語

在椰青開孔機耐久性能測試過程中要浪費大量椰青資源，為節約椰青資源，本文研究了椰青開孔機耐久性能測試裝置，使用耐久性能測試裝置在椰青開孔機耐久性能測試過程中替代椰青，該耐久性能測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 種品質椰青各生物層過程中切刀電機的負載變化情況，能夠控制椰青開孔機耐久性能測試工作流程。試驗結果表明，該耐久性能測試裝置耐久性能好、功能完善、運行穩定可靠。