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0引言
國內(nèi)糧食包裝企業(yè)大多采用人工加簡易包裝機進(jìn)行粗放式半自動閥口包裝，包裝時灰塵飛揚、污染較嚴(yán)重，且用工較多、勞動強度較大。因此，全自動糧食包裝設(shè)備不僅可以減少糧食包裝環(huán)節(jié)對環(huán)境的污染，防止工人塵肺病的發(fā)生，有效替代人工在惡劣環(huán)境下的工作，減少用工量，降低勞動強度，還能夠帶動傳統(tǒng)包裝機行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級，提高糧食包裝廠家的生產(chǎn)效率。為此，以PLC為主控制器，設(shè)計了一套全自動糧食精密包裝機電氣控制系統(tǒng)，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及有效減少糧食的包裝誤差。
1精密包裝機的工作原理
1.1包裝計量設(shè)備的選擇
目前，市場上常用的包裝計量設(shè)備有定量給料機、轉(zhuǎn)子秤和螺旋秤3種。其中，螺旋秤是指稱重給料機對粉狀、散粒狀進(jìn)行連續(xù)輸送、動態(tài)計量及控制給料的生產(chǎn)計量設(shè)備。螺旋秤設(shè)備如圖1所示。螺旋秤工作原理為:通過對絞刀轉(zhuǎn)動速度和圈數(shù)的控制，確定排出的物料體積，同時稱重傳感器對已包裝入袋的物料質(zhì)量進(jìn)行實時檢測;然后，將質(zhì)量信號和和絞刀速度數(shù)據(jù)一起送入PLC控制器;最后，控制系統(tǒng)將實際流量信號和預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比，并通過PID控制器驅(qū)動變頻器，動態(tài)調(diào)節(jié)喂料絞刀的速度，從而實現(xiàn)定量給料。根據(jù)全自動糧食精密包裝機生產(chǎn)線配重系統(tǒng)的要求，本文選用螺旋秤作為系統(tǒng)送料計量設(shè)備。

1.2包裝計量裝置的整體結(jié)構(gòu)
包裝計量裝置主要包括原料倉、伺服電機、螺旋送料機、秤臺和PLC控制系統(tǒng)等部件，如圖2所示。

定量配重裝置各零部件的功能描述如下:
1)原料倉:待包裝糧食進(jìn)入口;
2)伺服電機:驅(qū)動螺旋送料機正常運轉(zhuǎn);
3)螺旋送料機:將糧食從原料倉輸送到包裝袋;
4)秤臺:將包裝袋里面的糧食質(zhì)量實時發(fā)送給嵌入式控制系統(tǒng);
5)PLC控制系統(tǒng):根據(jù)秤臺實時發(fā)送回來的糧食質(zhì)量信號，給伺服電機發(fā)送電機轉(zhuǎn)速信號，從而實現(xiàn)螺旋送料機加料量的智能控制。
1.3包裝計量裝置的工作原理
包裝計量裝置的整個工程流程由PLC控制器控制，自動完成糧食的計量和包裝。整個工作流程為:系統(tǒng)開始正常工作后，由上級供料系統(tǒng)向原料倉供料;PLC控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)計的包裝袋質(zhì)量、目標(biāo)定量值和快慢給料閾值信息，驅(qū)動伺服電機控制螺旋送料機開始進(jìn)行快速給料操作;秤臺獲取包裝袋已裝物料的模擬質(zhì)量信息，經(jīng)過濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等操作，發(fā)送至PLC控制器，由其判斷是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的快速給料閾值;若達(dá)到快速給料閾值，則螺旋送料機開始進(jìn)行慢速給料操作，當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)定量值后，停止給料;該包裝過程結(jié)束，開啟下一包裝過程。包裝計量裝置的工作流程如圖3所示。

1.4包裝計量裝置機械部分的設(shè)計
包裝計量裝置機械結(jié)構(gòu)是整個系統(tǒng)的核心部分，該部分設(shè)計的合理性和效率對整個系統(tǒng)的成本、可行性和精確度具有重要的影響。
包裝計量裝置機械部分包括送料機、計量設(shè)備及嵌入式控制器等。其中，計量設(shè)備是定量配重裝置機械部分最重要的部件，而螺旋桿是計量設(shè)備的核心。螺旋秤在糧食包裝計量的實際應(yīng)用中，最重要的零件是螺桿。螺旋秤中的螺桿，應(yīng)該使設(shè)備符合大部分糧食的精密包裝，因此在對螺桿的設(shè)計中不僅要滿足設(shè)備對產(chǎn)量和要求，還要符合設(shè)備關(guān)于精度的要求。螺旋桿設(shè)計示意如圖4所示。

螺桿外徑參數(shù)設(shè)定越大，每次帶出的糧食質(zhì)量越大，計量誤差也越大;參數(shù)設(shè)定越小，因增加電機轉(zhuǎn)動的次數(shù)，包裝效率就越低。為了防止電機的抖動導(dǎo)致糧食的溢出，引起計量誤差，設(shè)計中將螺桿和伺服電機同軸轉(zhuǎn)動。
為了方便螺桿參數(shù)的設(shè)計計算，采用矩形截面螺紋的計算方法。其中，伺服電機帶動螺桿旋轉(zhuǎn)1次，帶出的糧食體積V為
V=F·L=t(S－b)·π·d/cosα(cm3)    (1)
螺桿每次帶出的糧食質(zhì)量M為
M=V·γ·n(kg)    (2)其中，F(xiàn)為矩形螺紋截面積;L為螺旋桿總長度;t為螺旋槽深度;S為螺距;b為螺旋葉片厚度;d為螺桿內(nèi)徑大小;α為螺旋升角;γ為糧食單位容積質(zhì)量值;n為螺桿的轉(zhuǎn)速。
螺桿參數(shù)的設(shè)計取決于待包裝糧食對象，式(1)和式(2)決定了螺桿參數(shù)的計算，這些參數(shù)的設(shè)定直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的計量精度。
在計算過程中，假定螺旋填充率為1，根據(jù)以往經(jīng)驗和試驗比較，設(shè)S=D=25cm，d=4cm。該參數(shù)屬于標(biāo)準(zhǔn)螺旋，對大部分糧食具有廣泛的適應(yīng)性，能夠滿足設(shè)計要求，符合計量精度標(biāo)準(zhǔn)。
2全自動糧食精密包裝機伺服系統(tǒng)的建模
2.1伺服系統(tǒng)機械傳動的數(shù)學(xué)模型
伺服系統(tǒng)機械傳動結(jié)構(gòu)主要包括電機、聯(lián)軸器、螺旋和定位螺旋絲桿等幾個部分。伺服電機的角位移量是傳動結(jié)構(gòu)的輸入值，記為θM(t);伺服電機帶出的糧食體積是傳動結(jié)構(gòu)的輸出值，記為v0(t)。經(jīng)過研究分析后，將伺服系統(tǒng)機械傳動轉(zhuǎn)化為如圖5所示的模型。

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