基于定量包装的新型板栗剥苞设备的设计

李阳，李朝凯

(甘肃农业大学 工学院, 甘肃 兰州 730070)

基于定量包装的新型板栗剥苞设备的设计

李阳，李朝凯

(甘肃农业大学 工学院, 甘肃 兰州 730070)

摘要：为达到板栗从剥苞到定量包装的一体化加工要求，根据板栗剥苞过程的要求，设计了基于定量包装的新型板栗剥苞设备。基于定量称重的板栗脱苞设备是由电控系统来控制机械机构来完成对板栗的剥苞、筛选及定量包装。设备主要是由剥苞机构、筛选机构、绞龙送料机构、称重机构、机架及基于PLC电控系统组成。介绍了基于定量包装的新型板栗剥苞设备机械部分的设计及工作原理；具体叙述了机器的控制部分的设计、工作过程、称重原理及控制部分特点；简述了 PLC控制系统的程序设计，并提及了此设备相对于以往设备的优越性。

关键词：板栗；定量包装；可编程控制器；设计

Design of New Chestnut Peeling Machine with Quantitative Packaging

LI Yang, LI Chaokai

(College of engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

Abstract:In order to fulfil the requirements of the integration processing from the chestnut peeling to quantitative packaging and according to the requirements that its process, this paper designs a new equipment consisting of packaging and peeling machines. Its electronic control system is used to control the mechanical mechanism to accomplish shelling bract, screening and quantitative packaging. This equipment is mainly consist of the strip bract and screening mechanism, frame, ground conveying platform scale and control system with the PLC. It also introduces the design and working principle of its mechanical parts, describes the design, working process, weighting principle， characteristics of the mechanical control, programming of PLC control and its advantages compared with the equipment before.

Keywords:Chinese chestnut；quantitative packaging；PLC；design

0引言

定量称重的板栗剥苞设备是由板栗脱苞机和定量称重设备相结合的一种新型机电一体化产品。板栗剥苞是将从板栗树上采摘下来并未经过任何处理过的毛栗进行去除刺苞的过程(将栗子与刺苞分离的过程)，定量称重是在自动化设备中设定额定的质量进行自动给料，在设备中将剥去刺苞后的栗子进行定量包装。目前国内外只有板栗剥苞机，而没有定量包装板栗的设备，更没有对板栗进行一体化加工的设备。为了达到板栗从剥苞到定量包装的一体化加工要求，提高生产加工效率，结合国内外先进技术，研制出了定量包装的板栗剥苞设备[1]。

1设备的整体结构

定量包装的板栗脱苞机是由机械部分和电控系统组成的机电一体化产品[2-3]，通过控制系统的PLC来实现机械系统对板栗进行剥苞、称重、包装等一系列动作，使之形成从脱苞到定量包装的一体化线路[4-5]。设备总体结构如图1所示。

1—脱苞腔；2—料斗；3—带轮；4—筛斗；5—连杆；6—栗子导向板一；7—风机；8—开仓闸门；9—称重平台；10—称重传感器；11—夹袋器；12—气缸；13—机架；14—控制柜；15—夹紧杆；16—连接杆；17—步进电动机；18—绞轮机构；19—喂料口；20—刺苞导向板；21—筛分板；22—栗子导向板二；23—电机图1　设备总体结构图

2设备的机械部分设计

机械部分主要由剥苞机构、筛选机构、二次筛选机构、绞龙运料机构、夹袋机构和机架组成[6-7]。

a) 剥苞机构的工作原理及结构

毛栗进入剥苞腔内，腔内的剥苞轴带动剥苞刀片做旋转运动，毛栗在刀片与网板的挤压与揉搓作用下脱去刺苞，达到脱苞效果。剥苞机构与网板结构如图2所示。

1—橡胶皮；2—剥苞刀片；3—刀片固定盘；4—轴；5—网板图2　剥苞机构与网板示意图

b) 筛选机构的工作原理

曲柄滑块机构带动筛选机构做往复的震动运动，栗子与刺苞从剥苞机构中一并落入到筛斗内，在筛选机构的震动作用下，栗子经筛选孔板落入绞龙送料机构内，体积较大的刺苞经刺苞导向板滑落至刺苞收集处，随栗子一同从孔板落下的体积较小的毛刺在二次筛选风机的风选作用下被吹离，达到筛选效果。通过对200个毛栗进行称重与尺寸测量实验，由实验数据可知，被剥离后的较大刺苞的体积远大于栗子的体积，筛板孔的尺寸略大于栗子的尺寸，则体积较大的刺苞不会随栗子从孔中掉落。体积小于栗子的刺苞，质量远小于栗子的质量，则可通过风机的风选作用将刺苞清除，达到完全筛选目的。

c) 包装机构工作原理及结构

通过剥苞与筛选组合作用，栗子进入绞龙送料机构中，绞龙做回旋运动，将栗子送入由夹袋器夹紧的布袋中，完成装袋。绞龙送料机构与夹袋机构示如图3所示。

1—夹袋筒；2—气缸；3—连接轴；4—四氟圈；5—螺栓；6—夹袋器；7—绞龙；8—喂料口；9—气缸；10—开仓闸门；11—绞龙前挡板图3　夹袋器与绞龙送料机构示意图

3气动控制系统[8-9]

气路系统是板栗定量称重包装过程的执行机构。通过气缸的往复运动实现开仓闸门的开闭、夹袋器的夹袋与松袋。气路系统如图4所示，由空气压缩机、气缸、减压阀、两位五通换向阀、过滤器、单向节流阀、消声器等器件组成。双作用气缸5伸出杆末端连接开仓闸门，气缸杆的往复运动实现闸门的开闭，换向阀17控制气缸5的往复运动，单向节流阀6、7构成进气节流调速回路，实现闸门开闭运动速度的调节，保证称重的精确度。气缸8、10的伸出杆分别连接夹袋器，气缸8、10的往复运动实现夹袋与松袋，完成板栗的包装。此气路系统具有如下优点：1) 开仓闸门可实现开闭时速度的调节，保证定量包装精度。2) 由单向节流阀9和16及11和14构成的排气节流回路。当排气节流时，排气腔内建立与负载相适应的背压，在负载保持不变或微小变动下，运行比较平稳。

1—空气压缩机；2—过滤器；3—减压阀；4—压力计；5、8、10—双作用气缸；6、7、9、11、14、16—单向节流阀；12、13—消声器；15、17—两位五通换向阀图4　气动控制系统

4电气控制系统设计[10-11]

电气控制系统控制机器工作时的每一个动作，都是对机器工作的控制。通过电气控制系统的控制方可实现板栗的脱苞与定量装袋。根据机器工作要求，设计出了如图5、图6所示的电气控制系统。

图5　电气控制原理图

图6　控制过程方案

4.1控制系统电路

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控制装置选用台达DVP系列PLC DVP16EX00R2。步进电机系统选用深圳鹏辉科技有限公司产品。驱动器为SL2440C，步进电机为两相60系列的SL60S2100D。步进电机控制信号一般为3个：步进脉冲信号PU、方向控制信号DR、电机释放信号MF。具体控制方案如图5、图6所示[12]。触摸屏是采用人机对话接口，最初的指令信息要从这里输入。输入的信息要通过通讯端口传送到PLC。经过运算之后，通过PLC输出脉冲信号，并连接到步进电机驱动器SL2440C的输入端口。步进电机控制器对接收到的脉冲信号进行了内部运算之后，驱动步进电机转动。

步进电机的转动角位移为1.8°/脉冲，转动1圈则需要200个脉冲。电机与绞龙采用带传动之间的传动比为1∶10，绞龙转动1圈就需要200×10=2000个脉冲。

PLC输出端Y0连接剥苞电机，控制剥苞电机M1工作。Y1连接步进驱动器的DR-，为驱动提供电平，即为改变驱动器的输出脉冲的相序，一般高电平为正转，低电平为反转。但如果是低电平输入，可以改变驱动器的输出相序，也可改变步进电机的转向。Y2连接驱动器的脱机控制输入端MF-，低电平时，步进电动机解除绕组电磁锁力。Y3连接驱动端PU-，作用是为驱动器提供脉冲信号，其脉冲的多少可控制步进电动机的转速。

4.2控制过程[13-14]

开机后，在人机界面上触动开始，系统初始化后，在PLC程序控制下，Y0有输出信号，与Y0相连的回路形成通路。KM1得电吸合，使得剥苞电机M1工作，Y0持续一分钟的输出信号后，剥苞电机停转，完成栗子剥苞。同时，Y3有脉冲信号输出，在环形分配器作用下，把来源于控制环节的时钟脉冲串规律地分配给步进电机驱动器的各相输入端，根据设定的步进电机的转速，控制器提供相应的脉冲数量，使得步进电机按设定的转速转动。与此同时，Y4、Y5也均有信号输出，即开仓气动电磁阀、夹袋气动电磁阀工作，使得开仓闸门打开、夹袋气缸夹紧，开始称料包装。当称重完成后，Y3、Y4断开信号输出，开仓闸门关闭。延时15 s后，Y5断开输出信号，夹袋气缸打开，使得夹袋器松袋，再延时5 s后夹袋气缸夹紧，实现了一包板栗从剥苞到定量包装的一个循环。重复以上流程，完成板栗的定量包装。

4.3称重原理

4.4称重显示

定量称重过程中，由称重控制仪对称重传感器实时检测并提供给PLC参数。PLC根据传感器提供的数据及设定的工作要求实行对称重系统的控制。PLC通过RS485实现与称重系统的通讯，继而按工作要求对称重系进行控制，以便达到工作要求。栗子的质量将显示在人机界面上。

4.5过载与过流保护

用交流接触器和热继电器组成电机过载保护电路；用熔断器实现过流保护功能。

4.6调试与互锁保护

整个设备在工作之前，需要对气缸的安装及电机的接线这些在工作中起重要作用的部分进行调试，以避免设备在工作中出现故障。按动开关1，剥苞电机起动。按动开关2，开仓气动电磁阀工作，使得气缸推动闸门打开。按动开关3，夹袋气动电磁阀工作，使得夹袋气缸夹紧，实现了检测功能。当人机界面进入自动工作模式时，PLC中的程序会把所有的输入信号全部屏蔽，此时手动按开关1、2、3时不会起任何作用，保证了自动与手动两种控制方法不可同时实现，防止了误动作，实现了互锁保护功能。

5PLC控制系统的程序设计

根据基于定量包装的板栗剥苞机的操作要求，确定每个动作的相互间关系及顺序，设计出如图7所示的程序流程图。其原理为：系统初始化以后，剥苞机开始工作，PLC中的程序判断机器是否工作到1min，若否，剥苞机继续工作。若是，剥苞机停止工作，同时定量包装部分的绞龙以10r/s开始转动、开仓闸门开、夹袋器缸夹紧，开始板栗的定量包装。设定每袋装25kg，为确定板栗包装的质量精确度，在定量包装过程中判断栗子是否装到20kg，若否，绞龙继续以10r/s转动。若是，绞龙减速到5r/s转动，输送栗子的量也随绞龙的降速而减少。判断栗子量是否装到23kg，若否，绞龙继续以5r/s的速度转动，若是，绞龙降速到1r/s，继而输送栗子的量进一步减少。判断栗子量是否装到24.9kg，若否，绞龙继续以1r/s转动，若是，则绞龙停转。延时15s后夹袋气缸松袋，再延时5s后夹袋气缸夹紧。重复以上流程，完成板栗的定量包装。

图7　PLC控制流程图

6试验结果

通过对200个栗子进行的称重实验、取水法体积测量实验得到单个栗子的最小质量为2.35g,最大质量为5.28g，栗子平均质量为3.1g，最大体积5609.9mm3,最小体积为2356.18mm3，栗子平均体积为2945.2mm3。绞龙为单头螺纹的螺杆，绞龙轴的直径d=20mm，螺距p=30mm，绞龙叶片高度h=30mm，即绞龙前后相邻螺纹的送料空间体积为:V=πp(d/2+h)-π(p-2)2p=235619.5mm3,可存放的栗子数量最多为235619.5÷2356.18=100个，质量为235g，最少为235619.5÷5609.9=42个，质量为221.76g，平均栗子数量为235619.5÷2945.2=80个，质量为248g。当绞龙停转时，最多落入袋中为一个螺距所对应的空间体积的栗子，最少为0个栗子，误差可控制在-0.1kg～ 0.148kg范围内，满足包装误差要求。

7结论

设备采用人机界面与PLC控制技术，脱离了原有设备的纯机械性，创新成一种由电气控制机械运动的机电一体化设备，与原来纯机械系统相比有明显的优势。主要表现为以下几个方面：

1) 通过PLC的程序控制，使得设备的各执行机构按设定的顺序进行动作，减轻了人工操作的劳动强度与操作频率。采用步进电机作为定量包装部分的动力源，提高了设备工作时的平稳性与可靠性。

2) 利用人机界面，使得操作方便、简单、经济效益明显。

3) 系统采用交流接触器、热继电器和熔断器实现过载、过流保护功能。人机界面进入自动工作模式后，保证了自动与手动两种控制方法不同时实现，防止了误动作，实现了互锁保护功能。

4) 整套设备由板栗剥苞与定量包装这两种功能的结合，打破了以往设备的功能单一性，使工作范围扩大化；而且还大大减轻人的劳动强度，降低人力资源消耗，具有重要的应用价值和现实意义。

5) 此设备中的电气控制系统具有可移植性，并不局限于此设备，可运用到多种设备与工作领域。

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收稿日期：2014-01-06

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)04-0198-04

作者简介：李阳(1988-)，男，河北涿鹿人， 硕士研究生，研究方向为机械电子工程。