颗粒定量定点分装机构设计与控制实现

王钟瑞

摘 要当前，现有的颗粒物或粉末状物质的分装多采用手工操作进行分装，但设备效率比较和成本问题尤为突出。因此设计了小型的颗粒定量定点分装机构，同时设计了相应的硬件控制系统和软件程序，实现了对颗粒定量定点分装机构中分装头的位置控制，进而实现了颗粒或粉末状物体的定量定点分装，提高了颗粒物的分装效率，降低了分装成本。

【关键词】颗粒分装机构 机械设计 软硬件设计 自动控制

1 控制系统整体概述

现有的颗粒物或粉末状物质的分装，例如农业播种机上的种子分装或者医疗器械中粉末状药品的分装等，分装方式多采用手工或者机械臂分装，但是分装的效率较低。大型的自动化分装设备分装效率较高，但是造价较高，适合具有分装需求的大型企业，并且不适合应用在小型的播种机、医疗设备上。因此本文设计了适用于小型设备或小型工厂的全自动颗粒定量定点分装机构，图1。

其中，横向位移电机、纵向位移电机以及伸缩开关电机是42步进电机，纵向间距调节电机和横向间距调节电机是舵机。颗粒或粉末状物质进入进料口后，进入分装头内，通过调节横向位移电机和纵向位移电机可实现对分装头横向间距和纵向间距的调节，从而决定一次颗粒或粉末物质填充分装盘上盛装孔的横向和纵向个数，通过调节横向位移电机纵向位移电机可实现对分装头在盛装板上的横向和纵向位置控制。而通过控制伸缩开关电机可实现对开关盘相对盛装板的位置控制，从而决定是否实现对盛装板上盛装孔内的物料释放。当更换不同的分装盘后，可实现不同量的分装类型。控制箱内安装有位移电机、间距调节电机和伸缩电机的驱动器和控制板等。

2 控制系统设计

主控系统采用51单片机最小系统板实现，型号是AT89C51，它是一种具备低电压、高性能8位微处理器，价格较低，并且具有丰富的控制口等，适合小型低成本控制系统。

本套控制系统中，有两种工作模式：

2.1 全自动工作模式

单片机采集人们通过按钮发出的指令，首先自动控制分装头的横向和纵向间距，然后控制分装头在分装盘上的横向和纵向位置，当物料进入分装头后，进而控制伸缩电机实现对物料的释放，从而实现了对物料释放功能。完成后，单片机控制各个电机进行下一轮动作控制，实现连续自动控制。

2.2 半自动模式

单片机实时采集人们通过按钮发出的指令，进行对相关电机等的控制，当按钮未被按下时，单片机不发出控制指令，系统静置不动作。

3 驱动系统设计

本设计中，由于单片机的驱动能力有限，而步进电机和舵机的工作电流较大，因此采用驱动器进行驱动。其中横向位移电机、纵向位移电机和伸缩开关电机驱动器采用了3个L298N模块分别进行驱动。其中L298N模块最大驱动电流达2A，将其控制引脚ENA、IN1和IN2分别与单片机的IO引脚连接实现控制。其中横向位移电机和纵向位移电机采用Arduino 舵机驱动板进行控制。其中舵机驱动板最大可实现对16路的舵机进行单独驱动控制，并且舵机驱动板通过串口和单片机连接，通过单片机向驱动板发送指令，便可实现对位移电机的位置控制。

4 驱动系统设计

由于系统有两种工作模式，因此主程序中设置有分支结构。程序流程描述如下：

（1）系统首先进行初始化操作，包括對步进电机驱动器L298N的控制使能端初始化，对Arduino 舵机驱动板的控制端进行初始化，同时对单片机自身的串口模块进行初始化。

（2）初始化完毕，单片机进入程序选择结构中，此时单片机IO口检测全自动/半自动设置按钮有无被按下，当按钮被按下此时进入全自动工作模式，控制流程如第2部分的Ⅰ所述。程序进行循环执行实现对步进电机和舵机的驱动控制，循环往复；在此过程中，单片机的IO口还实时检测停止按钮有无被按下，当停止按钮被按下，单片机控制驱动器停止工作；否则循环往复执行。

（3）当单片机进入程序选择结构中，当单片机IO口检测全自动/半自动设置按钮没有被按下时，此时系统进入半自动工作模式，控制流程如第2部分的Ⅱ所述。此时单片机控制驱动板实现对步进电机和舵机的步进控制。与步骤②类似的是，在此过程中，单片机的IO口还实时检测停止按钮有无被按下，当停止按钮被按下，单片机控制驱动器停止工作；否则进行实时检测相关控制按钮，进行步进驱动和控制。

（4）单片机IO口检测到系统复位或停止按钮被按下后，控制所有驱动器停止工作。

5 结束语

本文设计了适用于小型设备或小型工厂的全自动颗粒定量定点分装机构，并且使用单片机配合驱动器实现了对分装头上步进电机和舵机的控制，从而实现了颗粒定量和定点分装功能。本系统不仅大大提高了颗粒或粉末状物体的分装效率，更降低了颗粒分装成本，适用于小型规模工厂、医疗机构等对颗粒或分装有分装需求的场所。

参考文献

[1]陈富安，李攀峰，苏宝平.颗粒食品定量分装机控制系统设计[J].河南工业大学学报（自然科学版），2010（05）：81-85.

[2]张熹，金方.干粉吸入剂的粉末定量分装设备浅析[J].世界临床药物，2012（11）：700-705.

作者单位

青岛市第二中学 山东省青岛市 266061