基于压弯轴向位移值的挂面弯曲折断率测定仪的研制

姜 松管国强刘瑞霞贾 瑜陈章耀赵杰文

(江苏大学食品与生物工程学院1,镇江 212013)

(江苏大学理学院2,镇江 212013)

基于压弯轴向位移值的挂面弯曲折断率测定仪的研制

姜 松1管国强1刘瑞霞1贾 瑜1陈章耀2赵杰文1

(江苏大学食品与生物工程学院1,镇江 212013)

(江苏大学理学院2,镇江 212013)

为了解决挂面弯曲折断率测定中的徒手操作和端部转角目测精度低等问题,根据基于压弯轴向位移值的挂面弯曲折断率测定方法以及现行标准评定指标之间换算关系;运用触摸屏技术、PLC控制技术以及直线步进电机驱动技术,开发了基于压弯轴向位移值挂面弯曲折断率测定仪。经考核性试验,测定仪性能稳定可靠,完全满足设计要求;为质检部门的挂面质量检测和企业产品开发及质量评价提供了专用仪器支撑,提高了挂面行业品质检测的科技含量。

挂面 压弯轴向位移值 弯曲折断率 PLC 直线步进电机 测定仪

挂面弯曲折断率测定方法,在国家行业标准——挂面 (LS/T3212—1992)中规定抽取挂面 20根,截成长度为180 mm,分别放在标有厘米刻度和角度的平板上,用左手固定零位端右手缓缓沿水平方向向左移动,使挂面弯曲成弧形,未到规定的弯曲角度折断,即为弯曲折断条。弯曲折断率计算方法为20根试样中弯曲折断的挂面根数与 20根试样之比的百分比[1]。从标准规定的试验方法来看,挂面弯曲折断率测定属原始的徒手操作,测试结果受操作条件影响很大,同时用眼睛判定挂面端部弯曲角度的误差较大。目前,测定挂面弯曲折断率的仪器未见相关文献报道。挂面弯曲折断率是评价挂面质量的主要物理检测指标之一,运用 PLC控制技术结合直线步进电机驱动技术,开发新型的挂面弯曲折断率测定仪是当务之急。

1 挂面弯曲折断率测定的基本原理

将挂面弯曲折断看成两端铰支细长压杆,如图 1所示,建立挂面压杆大挠度非线性微分方程[2]。通过求解可得出两端铰支之间的轴向位移值Δl、wmax和Δl与 l、wmax与 l的比值:

图1 挂面屈曲状态参数

表 1为Δl/l和wmax/l与端部转角对应关系以及对应的椭圆积分值[3],表 2为不同长度挂面压杆弯曲的端部转角与Δl和中点最大挠度 wmax的对应关系。

采用挠度最大处应力相等的原理,由挂面长度为 180 mm规定弯曲角度计算出其他长度的规定弯曲角度,实现不同长度挂面弯曲折断评定值与现有行业标准之间的等价换算,表 3为 150、120、100、90 mm长度挂面弯曲折断评定标准。

表 1 Δl/l和wmax/l与端部转角对应关系以及对应的椭圆积分值

表2 不同长度挂面压杆弯曲的端部转角与Δl和中点最大挠度wmax的对应关系/mm

表 3 不同长度挂面端部转角θ0、轴向压缩位移值Δl和最大挠度wmax应力等价换算

2 测定仪结构设计

测定仪为箱体结构,由人机交互系统、控制系统、驱动系统和挂面测试支撑系统等四个子系统组成,如图2所示。

图 2 挂面弯曲折断率测定仪组示意图

人机交互系统:采用台达公司DOP5.7英寸触摸屏,通过触摸屏可以进行各种操作功能的设置,并可将测试参数和测试结果显示在屏幕上。操作简单、方便。同时触摸屏可以通过 RS485串行通讯接口及RS485/232转换器,与计算机进行实时通讯,测试参数和测试结果也可以在计算机上进行实时显示与数据保存以及数据处理等。

控制系统:控制器采用台达公司DVP-EH2型PLC,具有精度高、速度快、可靠稳定的特性。主要作用是接受输入信息,并根据信息进行判定和数据处理,进而输出控制信号到测试仪的驱动系统。

驱动系统:包括驱动模块和直线步进电机,采用海顿公司 21000系列 Size8混合式直线步进电机和DCM4010驱动器,驱动器可以接受 PLC输出的脉冲信号,控制直线步进电机位移,实现测试过程中的支撑系统驱动任务。

支撑系统:是测定仪的机械部分,主要由底座、静支撑挡板、横式数显标尺、动支撑挡板等部分组成。

此外,为了保留手动测试和挠度测量,支撑系统中静支撑挡板和动支撑挡板安装在横式数显标尺上,并在其下方安装了带角度刻度的镜面用于端部转角测量,以及左侧安装了竖式数显标尺及挠度测量指针用于测量最大挠度。挂面弯曲折断率测定仪结构示意图,如图 3所示。

图3 挂面弯曲折断率测定仪结构示意图

3 测定仪工作原理

随机抽取一定根数的挂面,截成规定的长度,分别放在测定仪的静支撑挡板和动支撑挡板之间,并使静支撑挡板和动支撑挡板上测量槽之间距离等于挂面的长度如图 3所示。通过直线步进电机螺杆推动动支撑挡板使挂面产生轴向压缩失稳弯曲,螺杆推动的动支撑挡板的轴向压弯位移分辨率为 0.01 mm。当动支撑挡板的轴向压弯位移值未达到规定的轴向压弯位移值时,挂面试样折断,即为弯曲折断条。不同厚度和长度挂面的轴向压缩位移值规定值是不同的。弯曲折断率计算方法为试验样本中弯曲折断的挂面根数与试验样本数之比的百分比。

如测定试样长度为 180 mm挂面的弯曲折断率,随机抽取挂面 20根,截成长度为 180 mm,分别放在测定仪的静支撑挡板和动支撑挡板之间,并使静支撑挡板和动支撑挡板上测量槽之间距离等于挂面的长度180 mm,通过传动系统推动动支撑挡板使挂面产生轴向压缩失稳弯曲,当动支撑挡板的轴向压弯位移值未达到规定值时挂面试样折断,即为弯曲折断条。当挂面厚度大于 0.9 mm时,规定轴向压缩位移值大于等于8.50 mm(等价于现行标准的弯曲角度大于等于25°);当挂面厚度小于等于 0.9 mm,规定轴向压缩位移值大于等于12.14 mm(等价于现行标准的弯曲角度大于等于30°)。弯曲折断率计算方法为 20根试样中弯曲折断的挂面根数与 20根试样之比的百分比。其他长度挂面评定参数如表 3所示。基于压弯轴向位移值挂面弯曲折断率测定仪的测定程序如图 4所示。

4 功能特性

(1)测试精度高,响应速度快。DVP-EH2型PLC为 12位机,具有精度高、速度快的特点使测试仪具有优良的测试精度和响应时间。海顿DCM驱动器是高性能细分斩波驱动器,使步进电机具有较好的输出性能[4]。

(2)操作简单,使用方便。通过触摸屏或计算机即可进行各种操作功能和原始参数的设置,并可将测试参数和测试结果显示在屏幕上。

(3)可靠性高、稳定性强。由于 PLC具有可靠性高,稳定性强的特点,高性能细分斩波步进电机DCM驱动器具有先进的过载保护功能,使测试仪运行更可靠、更安全。

(4)测定仪结构设计合理。测定仪为台式箱体结构,触摸屏布置在右上方,控制器、驱动器、直线步进电机布置在面板下方,测试支撑系统布置在左侧,测定仪的各部件充分考虑了加工工艺的合理性、调试和维修的方便性。

图4 弯曲折断率测定程序图

(5)技术指标。静支撑挡板和动支撑挡板间距为80～200 mm,螺杆运动范围为 0～100 mm,测量精度为0.01 mm;测量速度为 0.01～0.1 mm/s;挂面试样长度

分别为 90、120、150、180 mm,宽度、厚度不限。

(6)抗干扰性强。本测定仪选用的台湾台达PLC,具有稳定性好、抗干扰能力强等特点,对数字输入、输出信号有光电隔离作用,可很好的将误动作信号干扰过滤掉。而 DCM4010驱动器使用了先进的双极性直流斩波技术,它相比 L/R同类驱动器输出功率更高,速度更快。它的电流控制技术使得线圈电流得以精确控制,比市场上同类产品电流纹波小,电机热少,同时也有效的减弱或消除步进电机的低频振动造成的干扰。

5 测定仪性能的考核评价

图 5为研制的测定仪,根据设计的技术要求,对测定仪进行了考核性试验。经检测,静支撑挡板和动支撑挡板间距的定位误差小于0.1%,轴向压弯位移值的误差小于 0.05%;经 24小时连续运行,性能稳定可靠;因此,所研制的测定仪技术指标符合设计要求,达到了挂面弯曲折断率测定对仪器的要求。

图5 测定仪

6 结论

6.1 研制的基于压弯轴向压缩位移值的挂面弯曲折断率测定仪,经考核性试验,性能稳定可靠,完全满足设计要求,实现了挂面弯曲折断率测定的仪器化,克服现行标准中检测方法徒手操作的缺点。

6.2 研制的测定仪,使挂面弯曲折断率的测定更科学、更简便,测量范围更宽,而且与现行标准能衔接。

6.3 采用触摸屏技术和 PLC控制技术以及直线步进电机驱动技术,研制的测定仪具有测试精度高、操作简单,降低了检测工作的劳动强度,提高了检测工作的自动化水平。为质检部门的挂面检测和企业产品开发及质量评价提供了专用仪器支撑,提高了挂面行业品质检测的科技含量。

[1]王肇慈.粮油食品品质分析[M].北京:中国轻工业出版社,2000:301-303

[2]吴明德编.弹性杆件稳定理论[M].北京:高等教育出版社,1989:31-39

[3]数学手册编写组.数学手册[M].北京:高等教育出版社, 2008:1321-1323

[4]徐世许,朱妙其,王毓顺主编.可编程序控制器:原理·应用·网络[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2008.

InstrumentDevelopment forDetection ofBending Fracture Rate ofDryNoodlesBased on Compression Bending AxialDisplacementValues

Jiang Song1Guan Guoqiang1Liu Ruixia1Jia Yu1Chen Zhangyao2Zhao Jiewen1

(School of Food and Biological Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang1212013)
(School of Science,Jiangsu University,Zhenjiang2212013)

To resolve the low precision in handiwork determination,detection instrument for bending fracture rate of dry noodles based on compression bending axial displacement values was developed using touch screen tech2 nology,PLC control technology and linear step motor driving technology.Results:The assessment experiment shows the perfor mance of the developed detection instrument is stable and reliable,and it completely satisfies design require2 ments.This technology improves the scientific and technical content of quality detection in dry noodles industry.

dry noodles,compression bending axial displacement values,bending fracture rate,PLC,linear step motor,detection instrument

TS211.7 文献标识码:A 文章编号:1003-0174(2010)09-0115-04

江苏省自然基金重点项目(BK2006707-1)

2009-08-23

姜松,男,1963年出生,教授,农产(食)品流变力学特性及其质地评价