自動控制葦編機研究與開發

保定職業技術學院機電工程系 高韶坤 艾建軍

引言

目前葦編多采用人工方式或簡單機械加工，生產效率較低，且質量水平參差不齊，為了提高葦簾的編織效率和質量，方便葦農操作，根據相關葦簾編織工藝要求和農業機械設計標準設計了一款自動控制葦編機，并對其進行了試驗研究[1]。

1 自動控制葦編機結構與工作原理

1.1 整機結構

該機器共有三套機械裝置和一套控制系統組成：送料機構、編織機構、卷簾裝置以及PLC控制部分。在CAXA實體設計環境中對自動控制葦編機進行三維建模，如圖1所示。送料機構采用傳送帶傳送蘆葦稈，編織機構將葦簾編好后由卷簾機構通過旋轉運動進行收集。機器的工作過程通過控制面板實現人機交互，根據實際加工情況在面板設置葦簾厚度，控制系統據此計算電機轉速并驅動電機，人機交互更加方便，提高了設備的自動化程度[2]。

圖1 自動控制葦編機總體結構示意圖

1.2 工作原理

采用雙線旋轉的編織方法，原理見圖2。兩根編織線從旋轉器的出線孔1伸出，然后被2、6兩個分線孔分開，與前面鎖扣形成一個封閉的編織環，蘆葦稈穿過編織環，旋轉器旋轉180°，便編織好了一根蘆葦稈，重復動作以此類推，編織好的蘆葦受到卷簾裝置的拉力向前運動，葦簾編織持續進行。

圖2 雙線旋轉編織原理

1.3 關鍵部件

旋轉軸組件作為編織機構的關鍵，結構如圖3所示，由旋轉器，旋轉線軸，線軸三部分通過螺紋連接組成，旋轉線軸兩端通過螺紋鏈接分別與旋轉器和線軸連接在一起。

圖3 旋轉軸組件

2 傳動系統設計

2.1 編織機器傳動系統設計

傳動系統主要為旋轉軸旋轉提供動力，并根據工作需要調節旋轉軸的轉速，如圖4所示。為了保證編織機工作的穩定性，編織機傳動系統的第一級傳動采用帶傳動，電動機通過窄V帶將動力傳遞給將6個蝸桿串聯在一起的蝸桿軸，再通過蝸輪蝸桿傳動將運動傳遞到6個旋轉軸。旋轉軸的開啟與調速由PLC控制電機變頻調速實現[3]。

圖4 編織機傳動系統圖

2.2 卷簾拉簾部分傳動系統設計

編織需要一個向前的力，才能持續進行編織，而編好的葦簾也需要卷起，所以編織機配有拉簾卷簾裝置。卷簾傳動采用一級帶傳動，拉簾部分傳動系統設計如圖5所示。

圖5 拉簾傳動系統圖

2.3 電機轉速計算

拉簾卷簾裝置提供向前的力，使編織持續進行，拉簾示意圖見圖6，由兩根橡膠卷棍通過摩擦力拉動葦簾前進。常見蘆葦稈長1～2.5m，直徑3～10mm。制作葦簾時選取長1.5m，直徑5mm左右的葦稈，設定編織機的工作效率為V=120～180m/h。按照編織原理，選取功率為1.1KW的步進電機，根據葦稈直徑計算電機轉速。

圖6 拉簾示意圖

μ——摩擦系數（取μ=0.8）；N——壓緊力（N）；

卷簾速度kV=dn蝸桿K

d——葦稈直徑(cm)；n蝸桿——蝸桿轉速（r/min）；k---間隙系數（取k=1.1～1.2）。

蝸桿的轉速

n電機——電機轉速（r/min）

i1——帶傳動傳動比

i2——蝸輪蝸桿傳動比

N2——大帶輪轉速（r/min）

N1——小帶輪轉速（r/min）

N4——蝸桿轉速（r/min）

N3——蝸輪轉速（r/min）

D1——小帶輪直徑（cm）

D2——大帶輪直徑（cm）

Z1——蝸桿頭數

Z2——蝸輪齒數

可見電機的轉速與葦稈直徑有關，將實際編織用的葦稈直徑帶入公式，即可得出相應的電機轉速。

3 PLC控制系統設計

控制電機變頻調速系統由Siemens S7-200 PLC、FR-D740-0.75K變頻器、三菱GT1000系列觸摸屏、電機及電機測速系統等構成。可以提高調速系統的實用性和靈活性，操作簡便、直觀[4]。對PLC的I/O端子進行分配，分配如表1所示。

表1 PLC的I/O分配表

電機運行工作時序部分梯形圖程序如圖7所示。

圖7 電機變頻調速控制系統部分梯形圖

4 試驗情況及效果

葦簾編織裝置和卷簾裝置是葦編機的主要工作部件，編織效果和卷簾速度是整機的工作性能的重要指標。為此，通過對自動控制葦編機的性能試驗，研究機器運動參數對葦編機作業的影響，并分析實驗結果[5]。

4.1 試驗目的

農業機械裝備研發的重要一環是通過生產作業驗證機械的工作性能。本研究針對自動控制葦編機的設計和結構性能參數，對影響編織效果和編織厚度的重要因素進行實驗，對編織的松緊度和厚度進行檢驗，為后續優化樣機提供參數依據[6]。

4.2 編織試驗

以不同直徑的葦稈進行編織試驗，編織繩用魚網線，主要測定編織效果和編織速度，試驗數據見表2。

表2 試驗測試數據

試驗數據主要分析兩個方面：

（1）蘆葦簾的編織要求緊密，不能松散，編織繩要緊緊地勒住蘆葦稈，不能從一頭用手輕松拽出葦稈，經線要均勻，經過試驗，編織的葦簾不跳線、不跑偏、厚薄均勻，質量良好。

（2）編織速度快，生產效率高，能根據蘆葦稈直徑和送料的速度調節電機轉速。分別選用了平均直徑為3mm，5mm，8mm的葦稈和厚度為20mm的稻草做了四次編織試驗，相應的電機轉速分別調節為1300r/min，1000r/min，700r/min，300r/min，編 織 速 度 為120m/h，150m/h，170m/h，165m/h，符合設計預期，不僅滿足了使用要求，還提高了生產效率。

5 結論

既能生產厚度3～8mm的裝飾用葦簾，也能生產厚度20mm的大棚用保溫草簾，該機采用獨特的傳動機構,配套動力1.1kW電機，正常工作每小時可生產130～180m葦簾（根據葦簾的厚薄）,長短可以任意調節,具有結構簡單、不跳線、不跑偏、不伸長和厚薄均勻等特點。可以提高以蘆葦為原料的草編業的工作效率，提高蘆葦的利用率，保證蘆葦編織產品的質量。